Екологічне управління - Шевчук В.Я. - 8.8 Географічні інформаційні системи

Просторовий характер більшості екологічних аспектів природно-антро­погенних систем, їх багатофакторність та значні обсяги даних, що оброблю­ються, зумовили необхідність автоматизації еколoгo-географічного карто­графування із застосуванням сучасних комп'ютерних технологій, що дістало назву — географічні інформаційні системи (ГІС). Вважається, що саме просторовий аналіз є головним напрямом розвитку ГІС. Світовий досвід показав надзвичайну ефективність і перспективність використання ГІС у багатьох сферах життєдіяльності суспільства.

Географічні інформаційні системи — це інформаційне майбутнє систем екологічного управління; це сучасна комп'ютерна технологія для картографування та аналізу об'єктів навколишнього природного середовища, а також реальних подій, що відбуваються в ньому.

Ці системи являють собою комплекс апаратних і програмних засобів, які забезпечують їх функціонування: надання можливості введення даних, перетворення їх форматів, накопичення їх, вилучення, оновлення та пошук, розв'язання аналітичних і прогнозних, статичних і динамічних задач, вибір форми видачі кінцевого результату, організацію діалогу з користувачем. Технологія ГІС надає новий, сучасніший, ефективніший, зручний і швид­кий засіб аналізу і вирішення проблем. Вихідна інформація ГІС може нада­ватись у картографічному вигляді, супроводжуватись кількісними та якісни­ми описами об'єктів.

Географічна інформаційна система забезпечує можливість довгостроко­вого збереження, періодичного поповнення і оновлення цієї інформації. Маючи унікальні можливості для повноцінного аналізу та оперування географічною інформацією, ГІС є тим реальним інструментарієм, який здатний забезпечувати інформаційну основу для прийняття оптимального управлінського рішення. її широкі можливості дають змогу автоматизувати процедури аналізу та прогнозування екологічного стану і тенденцій його змін як на окремій території, так і в масштабах усієї країни. Здатність об­робляти інформацію просторового характеру, представлену на географічних картах, принципово відрізняють ГІС від інших інформаційних систем.

Архітектурно ГІС являють собою складне сполучення автоматизованих картографічних систем, систем дистанційного зондування, систем баз даних, систем автоматизованого проектування тощо. Географічні інфор­маційні системи — це проблемно-орієнтована обчислювана інтерактивна система обробки просторово-розподіленої інформації, яка складається із за­собів збирання, перетворення, зберігання та подання картографічної інфор­мації, для вироблення управлінських рішень у галузі природокористування і охорони навколишнього середовища. В українському законодавстві (Національна програма інформатизації) дано таке тлумачення ГІС — це сучасні комп'ютерні технології, що дають можливість поєднати модельне зображення території (електронне відображення карт, схем, космо- та аеро-зображень земної поверхні) з інформацією табличного типу (різноманітні статистичні дані, списки, економічні показники тощо).

Географічні інформаційні системи виникли на базі практичних застосу­вань шляхом інтеграції досягнень широкого кола дисциплін: географії, кар­тографії, екології, інформатики, теорії інформаційних систем, комп'ютерної техніки і програмування, фотограмметрії, математики та інших — а також загальнонаукових дисциплін і методів пізнання навколишнього середовища. ПС-технології стали основою геоінформатики, яка розвивається, щоб забезпечити потреби наук про Землю, тобто про навколишнє природне середовище. Ідея створення ГІС полягала в збагаченні арсеналу управлін­ських засобів новим автоматизованим інструментарієм, здатним ефективно працювати з просторовою інформацією.

Причини, які спонукають до застосування ГІС як інформаційного забез­печення систем екологічного управління, пов'язані з такими обставинами:

• наявність великих обсягів екологічної та іншої інформації і значної кількості параметрів, що відстежуються в природно-антропогенних системах, унаслідок чого стає неефективним, а то й неможливим використання традиційних неформалізованих методів обробки емпіричних даних;

• динамічний характер досліджуваних процесів у природно-антропо­генних системах, що не залишає часу для "ручної" обробки інфор­мації і потребує оперативного прийняття рішень;

• імовірнісний і багатоваріантний характер розвитку подій, який дик­тує визначення наслідків екологічного, економічного й соціального характеру для різних сценаріїв;

• потреба в прогнозуванні зміни ситуації з розрахунком імовірності реалізації того або іншого сценарію;

• вплив на процес прийняття рішень суб'єктивної інтерпретації оброб­люваних даних із боку персоналу.

Загальні світові тенденції свідчать, що частка витрат на збирання, зберігання, обробку інформації та підтримку інформаційної інфраструктури систем екологічного управління постійно зростає і становить у розвинених країнах від 40 до 75 %. Нині понад 75 % карт у світі створюються й розпов­сюджуються в комп'ютерному вигляді.

У сфері екологічного управління сьогодні можна виділити кілька напрямів спеціалізації ГІС, які мають практичне застосування:

• ГІС для управління територіями (національний, регіональний, місце­вий та об'єктовий рівні);

• ГІС для ведення кадастрів природних ресурсів;

• моніторингові ГІС (національний, регіональний, місцевий та об'єк­товий рівні);

• ГІС для управління і моніторингу техногенних потенційно небезпеч­них об'єктів;

• диспетчерські ГІС;

• прикладні ГІС;

• довідково-інформаційні ГІС;

• ГІС для геопросторових банків да­них;

• ГІС для тематичних і спеціалізова­них банків даних;

• ГІС для корпоративних систем управління.

Основними етапами технологічного процесу ГІС є отримання даних, введен­ня і попередня обробка, керування дани­ми, маніпулювання та аналіз, генеруван­ня інформаційного продукту (рис. 8.2).

• Отримання даних — це іденти­фікація та збирання даних, необхідних для розв'язання поставлених завдань. Дані просторового характеру і пов'язані з ними табличні чи описові дані збирають­ся самим користувачем або можуть бути придбані на комерційній чи іншій ос­нові. Джерелами даних є картографічні матеріали, статистичні дані, аерокосміч­ні знімки, результати натурних вимірю­вань і зйомок, фондові й текстові ма­теріали.

Важливим елементом вхідної інфор­мації є карти, які використовуються для побудови картографічних моделей у ГІС .Спектр видів карт надзвичайно широкий: топографічні, тематичні, екологічні економічні, демографічні тощо. Іншим видом картографічної інформації, що є результатом застосування такого цінного

технологічного інструменту вивчення Землі, як дистанційне зондування на­вколишнього середовища з космосу, є матеріали космічного моніторингу (рис. 8.3). Новий вид карт, являючи собою космічні знімки поверхні Землі з роздільною здатністю від 3,5 км до 5 м, надає унікальні можливості для користувачів ГІС.

♦ Введення і попередня обробка - це введення первинних даних у комп'ютер і перетворення їх формату (перетворення інформації з карт фо­тографій, друкованих записів на формат, придатний для внесення всієї цієї інформації у комп'ютерну базу даних) та ідентифікація розміщення об'єктів

Опис просторових даних у ГІС складається з двох частин: просторової координати та непросторової, або змістовної - атрибути. У ГІС є засоби, що забезпечують зберігання і маніпулювання непросторових даних разом із просторовими. Множину елементарних просторових об'єктів, з якими пра­цює ГІС, становлять точки (точкові об'єкти), лінії (лінійні об'єкти), контури (ареали, полігони), поверхні (рельєфи), комірки періодичних просторових мереж та пікселі (найменші елементи зображень аерокосмічних знімків).

У ГІС просторові дані представляються із застосуванням двох моделей: векторної та растрової.

Векторна модель містить інформацію проточки, лінії, контури та по­верхні, яка кодується і зберігається у вигляді набору координат X, У (2). Місцеположення точки (точкового об'єкта), наприклад джерела емісії за­бруднювальних речовин, описується парою координат X, У. Лінійні об'єкти, такі як річки, дороги або трубопроводи, зберігаються як набори координат Х У. Полігональні об'єкти, такі як земельні й лісові ділянки, зберігаються у вигляді замкненого набору X, У. Рельєфи, що є основою 3 D -поверхневих карт, подаються наборами координат X, У. Векторна модель зручна для опису дискретних об'єктів і неефективна для опису об'єктів із не­перервним характером зміни властивостей, таких як типи фунтів, види рослинності тощо.

Растрова модель є оптимальною для роботи з об'єктами, що мають безперервний характер зміни властивостей. Растрове зображення скла­дається з окремих елементарних комірок, кожна з яких характеризується певним значенням. Цей спосіб представлення даних широко використо­вується для аерокосмічних знімків.

У ГІС карти, подані в електронному вигляді, називаються цифровими. Процес перетворення просторової інформації з паперових карт на електрон­ний вигляд називається відцифруванням. Він автоматизується за допомогою сканерів і дигітайзерів. Цифрові карти масштабів 1:10000, 1:2000, 1:500 ви­користовуються для планів міст, промислових і видобувних підприємств; масштабів 1:1000000, 1:500000, 1:250000, 1:100000 - для зображення тери­торії держави і регіонів. Похідні масштаби карт застосовуються для розв'язання певних завдань на окремих ділянках територій.

♦ Керування даними — це введення інформації після попередньої оброб­ки в базу даних, поновлення, вилучення даних та їх пошук. Залежно від типів і форматів даних, програмного забезпечення ГІС, а також її проблем­ної орієнтації можуть використовуватися різні способи організації зберіган­ня, розподілу та доступу до даних. В основі роботи ГІС лежить система управління базами даних. Сучасні СУБД ізолюють користувача від деталей організації баз даних, забезпечуючи йому максимально просте і зручне спілкування з ГІС.

Базою даних у ГІС називають сукупність просторових і семантичних (змістовних) даних, що організовані згідно із загальними принципами опису, зберігання і маніпулювання даними, незалежно від тематичного спрямування прикладних програм. Піл системою управління базами даних розуміють комплекс програмних засобів, призначених для створення, ве­дення і використання баз даних. Використання СУБД є необхідною умовою забезпечення зберігання, структурування та керування великими обсягами інформації. У процесі керування даними ПС інтегрус просторові дані і іншими типами і джерелами даних, а також може використовувати СУБД інших організацій (міжвідомче співробітництво).

Географічна інформаційна система зберігає інформацію (цифрові кар­ти) про навколишнє середовище у відповідають набору тематичних шарів, об'єд­наних на основі географічною положення. Шари можна уявити як "проз-рачки", що накладаються одна на одну. Кожен шар містить різні об'єкти карти. Наприклад, один шар містить гідрографічну мережу, другий — сим­воли населених пунктів, третій — лісові масиви, четвертий мережу доріг або трубопроводів, п'ятий — джерела забруднення тощо. Користувач ГІС має можливість працювати з окремим шаром, або, накладаючи шари один на одного, створи і и комплексну карту і працювати з нею.

Бази даних ГІС містять екологічні показники, дані їх територіальної і часової прив'язки, джерела отримання їх та ін. Ці бази структурно складаються з блоків, що акумулюють інформацію, згруповану за певними напря­мами: геолого-геоморфологічний, ґрунтовний, гідрологічний, біологічний, кліматичний, економічний, соціальний тощо. Такі набори даних лають змо­гу виконувати інтсіральну оцінку стану навколишнього середовища і отри­мувати характеристику комплексного антропогенного впливу.

• Маніпулювання та аналіз — це обробка змісту бази даних за допомо­гою аналітичних операцій. На ньому етапі відбувається безпосередня робо­та зі змістом бази даних для отримання нової інформації. Найпотужнішою складовою ГІС с модуль аналізу даних. Сучасні ГІС характеризуються широким спектром аналітичних і моделювальних функцій, які можна поділити на такі класи:

• операції з пере реструктуризації даних;

• зміна систем координат та трансформація проекцій;

• операції обчислювальної геометрії;

• оверлейні операції (створення композицій із кількох тематичних шарів даних);

• загальні аналітичні функції;

• графоаналітичні процедури;

• моделювальні процедури.

Географічна інформаційна система володіє розвиненою системою за­питів, яка надає можливість користувачу отримувати відповіді на різні запи­тання. Крім того. ГІС скорочує час на отримання запитань, допомагає вста­новити зв'язки між різними параметрами (наприклад, грунтами, кліматом і врожайністю сільськогосподарських культур), обсягами промислового ви­робництва на певній території і ступенем забруднення атмосфери, водних об'єктів, грунтів тощо.

За допомогою запитів користувач ГІС може отримувати відповіді, наприклад, на такі запитання: який обсяг скиду призвів до забруднення? на якій відстані один віл одного перебувають об'єкти? який тип фунтів переважає на земельній ділянці? який ступінь хімічною, радіоактивного чи іншою забруднення на даній території? тощо. Запитання можуть бути і більш складні.

У 80-х роках XX ст. основні зусилля в галузі розвитку ГІС –технологій були зосереджені на суто технологічних питаннях, а вже на початку XXI ст. основні проблеми 11г пов'язані з управлінням та сферами їх застосування. Змішений акцентів пояснюється здатністю ГІС інтегрувати чимало джерел інформації, що, у свою чергу, потребує кооперації і взаємодії між багатьма учасниками. Нині спостерігається досить масштабне впровадження і вико­ристання ГІС для широкого діапазону досліджень, управління та плануван­ня. В Україні ГІС-технології широко застосовують і розвивають Національ­не космічне агентство, Український центр менеджменту землі і ресурсів при Раді Національної безпеки та оборони України, Укргеодезкартографія в складі Мінекоресурсів, Міжвідомчий центр електронної картографії (м. Харків) та ін. Державними організаціями розроблено низку векторних тематичних карт масштабів 1:200000 (для всієї території України) та 1:50000 (для окремих територій), що є основою для інтеграції ГІС у системи еко­логічного управління. Проблема впровадження ГІС в Україні не є техніч­ною, хоча проблемно орієнтовані аспекти потребують розвитку; вона поля­гає в здатності організацій максимізувати потенціал ГІС через управління та планування. Швидке і безпроблемне впровадження ГІС-технологій галь­мується внаслідок необхідності суттєвих законодавчих, організаційних, кад­рових та операційних змін.