История развития ГИС - Общие сведения о геоинформационных системах

Что же привело к рождению геоинформатики? Круг причин и предпосылок огромен, но главными были следующие:

- широкое распространение компьютеров и совершенствование средств периферии; - накопление обширных аэрокосмических, статистических и других материалов; - потребность упорядочения сведений в базах данных для разнообразных целей; - обеспечение сохранности и доступности этих материалов для широкого круга пользователей; - необходимость оперативных принятий решений и др.

Произошло не просто суммирование знаний, технических возможностей и опыта из сфер вычислительной техники, информатики, географии и картографии, а их умножение, что и привело к "взрывообразному" развитию данного направления. Следует заметить, что в течение всей истории геоинформатики, укладывающейся в ничтожно малый отрезок времени в 40-45 лет, были и периоды ускорения, и относительного замедления, и даже некоторого застоя. Сам взгляд на историю существенно зависим от точки зрения (места в клубке идей и технологий, из которого тянется сегодняшняя нить геоинформатики в ее современном и вполне устоявшемся понимании).

Геоинформатика как наука относительно молода, но и она имеет свою историю, которая может быть разделена на четыре нечетко выраженных периода.

I период. В 60-е годы XX в. совершенствовались техника и опыт под единой, пока не оформившейся "крышей". Наиболее ярким примером этого периода было создание в 1963-1971 гг. Канадской ГИС (CGIS) под руководством Р. Томлинсона. Ее методические основания обобщены в его докторской диссертации [P. Tomlin - son, 1974], а технологические и прикладные аспекты освещены в десятках, если не сотнях статей, в том числе серии избранных публикаций и другой периодике. Ставшая одним из примеров крупной универсальной региональной ГИС национального уровня, CGIS может считаться классикой, и "ни одна из систем не может сравниться с Канадской ГИС по числу статей, ссылающихся на нее" [G. Nagy, Sh. Wagle, 1979]. Данная система создавалась для анализа данных инвентаризации земель Канады в области рационализации землепользования. Одним из важнейших результатов ее использования было создание карт масштаба 1:50 ООО, причем применялось самое современное оборудование - специальный экспериментальный сканер. Выполнялось наложение и измерение площадей, ранее не использовавшиеся в геоинформатике. Применялась абсолютная система координат. Позднее была создана база данных на основе тематических слоев, налажен дистанционный доступ к ней, а еще позднее была предпринята попытка приспособить Канадскую ГИС к сетевым технологиям, однако появились более современные системы, с которыми ей было сложно конкурировать. К тому же, как и всякая пионерная разработка, проект оказался весьма дорогостоящим.

Работы шведской школы геоинформатики концентрировались вокруг ГИС земельно-учетной специализации, в частности Шведского земельного банка данных, предназначенного для автоматизации учета земельных участков (землевладений) и недвижимости. Методические основы этих работ хорошо известны отечественному читателю из фундаментальных статей О. Саломонссона [1976] и Т. Германсена [1976] во втором выпуске сборника "Новые идеи в географии" (отв. ред. В. М. Гохман и Ю. В. Медведков) - одной из немногочисленных публикаций по проблематике ГИС, приуроченной к XXIII конгрессу Международного географического союза (МГС) в Москве и оказавшей значительное влияние на адаптацию идей геоинформатики в нашей стране. Основная цель конгресса - упорядочить собранный материал и облегчить доступ к нему, в частности для автоматизированного картографирования. Карты в основном строились в виде грубых алфавитно-цифровых распечаток - изображений, состоящих из букв и цифр, которые благодаря разной плотности создавали примитивный эффект полутоновых изображений (рис. 1).

Вторая половина 60-х годов XX в. знаменательна также работами Гарвардской лаборатории машинной графики и пространственного анализа. Созданное здесь программное обеспечение стало классическим в сфере автоматизированного картографирования. Так, первый и наиболее известный пакет SYMAP позволял создавать общегеографические карты на алфавитно-цифровых печатающих устройствах (изображения, подобные приведенному на рис. 4). Позднее, к концу 60-х годов с переходом к работам на графопостроителях, SYMAP трансформировалась в CALFORM. К этому же времени были разработаны программы SYMVU (для трехмерных изображений) и GRID (для работ с растровыми ячейками). Этот набор программ в 70-е годы преобразовался в POLYVRT и далее - в ODYSSEY, как комплексного пакета, базирующегося на векторных данных. Нельзя сказать, что в 60-е годы состоялось становление геоинформатики в России, но положительный результат, несмотря на существенные материальные затраты, был получен.

Рис. 1. Карта оценки природных условий для виноградарства Молдавии, созданная на алфавитно-цифровом печатающем устройстве ЭВМ

I период. В начале 70-х годов XX в. ситуация начала меняться. Стало очевидно, что у геоинформатики большое будущее, появились примеры эффективного применения ГИС, но стоимость техники, программного обеспечения и обслуживания были столь высоки, что для многих они просто недоступны. Поэтому первая половина 70-х годов - это период шлифовки и доводки методики в крупных организациях и энтузиазм отчаянных одиночек. Зазвучали также голоса пессимистов: геоинформатика, мол, это "овчинка, которая не стоит выделки", так как ее продукция получается просто "золотой". Это был период некоторого застоя. Однако, справедливости ради, отметим появление в это время нескольких крупных теоретических обобщений и прежде всего - по методике структурирования пространственных данных.

Состояние и история разработок ГИС в Швеции, отражающая срез на середину 70-х годов, представлена специальным монографическим изданием журнала "Картографика" [Comput. cartogr. in Sweden, 1977]. По данным, сообщаемым во вводной статье этого издания О. Вастессоном, к середине 70-х годов в стране шла разработка и эксплуатация 12 информационных систем (ГИС или информационных систем, расширяемых до их уровня). В предисловии к книге Д. Тейлор анализирует также процесс их развития в Канаде, разделенный на пять стадий (рис. 5), иллюстрирующих "в неакадемических терминах и мерах" степень энтузиазма и надежд разработчиков ГИС: сверх-энтузиазм первых экспериментов, не подкрепленный реальными возможностями; разочарование от первых неудач; возросшая активность и новые надежды; второй кризис, связанный с трудностями решения некоторых проблем; движение к завершению после их решения.

Нужно отметить существенное взаимовлияние двух геоинформационных школ. Анализ ранней канадской и шведской литературы по ГИС показывает, что ГИС "первого поколения" (60-е - начало 70-х годов) значительно отличались от того, что понимается под ними в настоящее время. Они зачастую были ориентированы на чисто утилитарные задачи инвентаризации земельных ресурсов, земельного кадастра и учета в интересах совершенствования системы налогообложения, решаемые путем автоматизации земельно-учетного документооборота в виде банков данных соответствующей специализации. Основная функция ГИС состояла во вводе в машинную среду первичных учетных документов для хранения и регулярного обновления данных, достаточно незамысловатой (на сегодняшний взгляд) обработки, включающей агрегацию данных и генерацию итоговых отчетных статистических табличных документов, вполне аналогичных "Земельным балансам".

Инвентаризационные задачи, но на иной исходной основе - путем массового цифрования карт - решались первоначально и в Канадской ГИС. Однако участие в их разработках научно-исследовательских коллективов, в том числе профессиональных географов (в Швеции - это коллектив Университета Лунда), позволило заложить в их основу некоторые фундаментальные принципы, которые обеспечили их выход в сферы не только узко прагматических, но и более универсальных интересов и областей применения. Первый и главный шаг, который вывел ГИС из круга баз данных общего назначения, заключался во введении в число атрибутов операционных объектов (земельных участков, строений, физических и юридических лиц, ареалов использования земель, бонитировки почв или лесотаксации) признака пространства, в какой бы форме местоуказания (в координатах, в иерархии административной принадлежности, в терминах принадлежности к ячейкам регулярных сетей членения территории) он ни выражался. Достаточно революционным являлось уже указание координат центроидов объектов - прием, активно использовавшийся в Швеции. Напомним, что в начале 60-х годов массовое цифрование карт и их представление в векторном формате было уделом отдельных экспериментов картографических служб оборонных ведомств.

В этот период сформировалось понятие пространственных объектов, описываемых их позиционными и непозиционными атрибутами. Оформились две альтернативные линии представления - растровые и векторные структуры, включая топологические ли - нейно-узловые представления. Чуть позже была создана технология массового цифрования карт - основного источника данных в Канадской ГИС. Поставлены и решены задачи, образующие ядро геоинформационных технологий: наложение (оверлей) разноименных слоев, генерация буферных зон, полигонов Тиссена и иные операции манипулирования пространственными данными, включая определение принадлежности точки полигону, операции вычислительной геометрии вообще. Найдены эффективные решения других геометрических проблем, алгоритмы аналитических операций и графоаналитических построений.

Функциональная ограниченность ГИС "первого поколения" (например, отсутствие или примитивность средств графической и картографической документации) имела и чисто технические причины: неразвитость периферийных устройств, давно забытый пакетный режим обработки данных (Дисплей, применение которого позволило реализовать интерактивное взаимодействие оператора и машины, становится обычным устройством отображения лишь в середине 70-х годов) на крупных и мощных, но безумно (по сегодняшним меркам) дорогих ЭВМ, непереносимость программного обеспечения, критичность вычислительных ресурсов по отношению к объемам данных и времени исполнения задач. Так или иначе, ядро геоинформационных технологий было сформировано до начала 70-х годов, определив облик ГИС первого поколения.

Для 70-х годов характерно достаточно тесное взаимодействие методов и средств геоинформатики с параллельной и ранее независимой линией развития цифровых методов картографирования и автоматизированной картографией. Начало было положено работами Ж. Бертена по печати компьютерных статистических карт на примитивных печатающих устройствах, ранее упоминавшимися экспериментами Лаборатории машинной графики и пространственного анализа Гарвардского университета, успехами в области автоматизированного картографирования государственных топог - рафо-геодезических служб. Считается, что первая автоматизированная картографическая система была создана в Великобритании в Экспериментальной картографической части Королевского колледжа искусств Д. Бикмором в 1964 г. В России сформировалось новое направление - математико-картографическое моделирование [В. Т. Жуков, С. Н. Сербенюк, В. С. Тикунов, 1973, 1980].

Общность технической базы, структурно-функциональное единство или подобие автоматизированных картографических систем и ГИС создали в 70-х годах предпосылки к их будущей интеграции, породив, однако, "картоцентрический" взгляд на геоинформатику, ее сущность и историю [P. A. Burrough, 1986]. : Хотя действительно исторически ГИС в современном их понимании развивались в значительной степени на базе информационно-поисковых систем, позднее они включили функции картографических банков данных с параллельным расширением возможностей математико-картографического моделирования и анализа данных. Рассматривая карту как инструмент для географического анализа и выделяя подсистему пользователя [М. Копеспу, К. Rais, 1985], ГИС стали охватывать и область использования карт. Большинство ГИС этого периода включают в свои задачи создание карт или используют картографические материалы как источник исходных данных.

К этому периоду относится быстрый прогресс геоинформационных и автоматизированных картографических технологий в США. Здесь следует сказать о Геологической службе США и Бюро переписей, в частности, в связи с созданием системы, ориентированной на детальную характеристику уличной сети городов и организацию транспортного движения. Создано также несколько компьютерных атласов по материалам переписей.

Большая организационная роль в становлении геоинформатики принадлежит Международному географическому союзу, в том числе ее комиссии по сбору и обработке географических данных под руководством Р. Томлинсона. Среди ее основных инициатив следует назвать инвентаризацию ГИС и программных средств, относящихся к манипулированию пространственными данными, машинной и картографической графике. Эта работа была выполнена в конце 70-х годов, и по ее итогам в 1981 г. опубликован трехтомник "Программное обеспечение обработки пространственных данных" под редакцией Д. Марбла [Computer software, 1981], не имеющий аналогов в мировой литературе по сей день, исключая, может быть, "Справочники по ГИС" [The 1990 GIS Sourcebook, 1990; 1991 - 1992 International GIS..., 1991; 1993 International GIS..., 1992].

Первый том инвентория содержал стандартизованные описания 85 полномасштабных ГИС; несколько сотен описаний иных программ обработки географических данных помещены во втором и третьем томах. Проблематика ГИС постоянно входила в программы конгрессов МГС, включая XXIII Московский (1976), оказавший значительное влияние на развитие советской географии, обратив внимание на важность развертывания исследований в области геоинформатики. В программах Международных картографических конференций Международной картографической ассоциации (МКА) тематика ГИС стала выноситься в отдельные рубрики значительно позже, уже после XI конференции МКА в Варшаве в 1982 г.

Новый взлет наметился в конце 70-х - начале 80-х годов XX в., когда широко распространились дешевые персональные компьютеры. Открылись принципиально новые возможности для массового потребителя. Эйфория проявляется во всем, вплоть до попыток обосновать целесообразность замены и поглощения традиционных наук, имеющих дело с пространственно распределенными данными, одним всеобъемлющим направлением. Картографическая продукция этого времени уже почти не отличается от карт, издаваемых по традиционным технологиям.

III период. "Эпоха зрелости", эпоха первых комплексных решений, наступает в 80-е годы, когда отдельные компьютерные программные пакеты по обработке данных, по подготовке текстов или карт трансформируются в единую увязанную систему, способную помочь человеку в принятии ответственных решений. В это же время создаются компьютерные локальные и глобальные сети, революционно изменившие доступ к базам данных. Персональные компьютеры в ряде организаций уже начинают вытесняться рабочими станциями. Отмечается чрезвычайный динамизм развития ГИС - к середине 80-х годов их число приближается к 500 [K. C. Clarce, 1985], а по другим данным - к 2000. Расширяется "география" ГИС, устанавливается баланс между уровнем развития геоинформатики Старого и Нового света, заметно нарушенный в 70-х годах заатлантическими соседями. Разработка коммерческих программных средств ГИС, связанная в немалой степени с возможностями мини - и микроконфигураций вычислительных средств, а позже и персональных ЭВМ, существенно меняет всю геоинформационную индустрию, появление которой связывается именно с этим периодом. Создание ГИС стало основываться не на уникальных программных и аппаратных средствах собственной разработки, а на адаптации функциональных возможностей достаточно операционно универсальных программных продуктов применительно к анализируемым проблемам. Именно это время было периодом массового создания ГИС на платформе персональных компьютеров (причем практически исключительно на IBM PC).

Одним из ярких примеров этого периода может стать появление наиболее популярного в мире программного обеспечения ARC/INFO (Arclnfo в настоящее время) в Институте изучения систем окружающей среды (ESRI, Inc., США), к созданию которого привело соединение стандартной реляционной системы управления базами данных (INFO) с программой (ARC). Важнейшей особенностью его стала независимость от платформ и операционных систем.

В 80-е годы существенно расширяется круг решаемых задач, геоинформационные технологии проникают во все новые сферы науки, производственной деятельности и образование. Осваиваются принципиально новые источники массовых данных для ГИС: данные дистанционного зондирования, включая материалы спутников серии Landsat, а позднее SPOT, данные глобальных систем позиционирования [в это время их также называли системами навигации, местоуказания и др.]. Цифровые методы обработки изображений интегрируются с системами автоматизированной картографии (в том числе с ее новой ветвью - электронной картографией) и ГИС, создавая предпосылки единой программной среды 90-х годов.

IV период. В 90-е годы появились интеллектуальные системы и технологии мультимедиа - комплексного воздействия на различные органы чувств человека - зрение, слух, а в перспективе - обоняние и даже осязание. Можно обратиться и к более частным опросам, например картографической визуализации в ГИС. Так, даже традиционные бумажные карты, естественно имеющие самое широкое распространение и применение, стали претерпевать определенные изменения - становиться "рельефными", пригодными для визуального и компьютерного считывания, переноситься на другие основы: материю, пластик, что позволяет, например, работать на пластиковых контурных картах в школе, используя их многократно и для разных целей и т. д. Подавляющее большинство карт преобразуется в цифровые модели, а их тематические наборы или слои начинают комплексироваться в электронные атласы, изготовляемые по индивидуальному заказу. Обычными становятся голографические изображения и карты в области "виртуальной реальности".

В это время интенсивно велись работы в области моделирования - активно внедрялась теория фракталов, катастроф, хаоса в географии, начали применять нейронные сети для многомерных классификаций и прогнозирования - задач, традиционно важных для всех географических наук. За рубежом оформилось направление, называемое geoprocessing. Бурно и стремительно стали вестись работы по Инфраструктурам пространственных данных. Очень многочисленными стали примеры интеграции ГИС и Интернет, вплоть до того, что некоторые ученые стали называть этот период эпохой Интернет-ГИС.

Не обошли Россию и тенденции, прослеживаемые в области геоинформатики в наиболее развитых в этом отношении странах. В области теории - совершенствование фундаментальных понятий, "интеллектуализация" ГИС, обращение к объектно-ориентированным моделям в ГИС, развитие теории "нечетких знаний", совершенствование систем управления базами пространственных данных и знаний, разветвленных пользовательских систем и сетевых структур, а также интегрированных ГИС. Все большее внимание стало уделяться интеллектуальному анализу данных (data mining). Применение ГИС из стадии экспериментов начинает переходить в сферу практического использования, причем не в отдельных пунктах, а по всему фронту научных, практических и управленческих областей. Идет процесс существенного пересмотра учебных программ по геоинформатике, а также совершенствование подготовки кадров пользователей ГИС. Все больше проектов стало выполняться не на персональных компьютерах, а на рабочих станциях, с широким использованием компьютерных сетей. Очень важным нам представляется обращение к полномасштабным системам поддержки принятия решений.

Естественно, что говорить о конце прошлого и начале наступившего века в историческом контексте пока еще рано. Однако уже сейчас обозначился новый технологический виток в спирали развития геоинформатики, который готовит ее к новым достижениям в начавшемся столетии. Это, прежде всего, создание мобильных ГИС, интеллектуализация систем, включение новых модулей, например имитационных моделей, разработки сценариев развития в ГИС, а также интеграция самих информационных систем с новыми технологиями, использующими пространственные данные. Усиливается интерес к адаптации достижений психологии в геоинформатике.

История развития ГИС - Общие сведения о геоинформационных системах

Похожие статьи