System informacji Geograficznej - Geographic information system

Podstawowa koncepcja GIS

System informacji geograficznej ( GIS ) to skonceptualizowane ramy umożliwiające przechwytywanie i analizowanie danych przestrzennych i geograficznych . Aplikacje GIS (lub aplikacje GIS) to narzędzia komputerowe, które umożliwiają użytkownikowi tworzenie interaktywnych zapytań (wyszukiwania tworzone przez użytkownika), przechowywanie i edycję danych przestrzennych i nieprzestrzennych, analizowanie wyjściowych informacji przestrzennych oraz wizualne udostępnianie wyników tych operacji przedstawiając je jako mapy.

Informatyka geograficzna (lub GIScience) — naukowa nauka o koncepcjach geograficznych, aplikacjach i systemach — jest również powszechnie inicjowana jako GIS.

Systemy informacji geograficznej są wykorzystywane w wielu technologiach, procesach, technikach i metodach. Są one dołączone do różnych operacji i licznych aplikacji, które dotyczą: inżynierii, planowania, zarządzania, transportu/logistyki, ubezpieczeń, telekomunikacji i biznesu. Z tego powodu aplikacje GIS i analizy lokalizacji są podstawą usług lokalizacyjnych, które opierają się na analizie i wizualizacji geograficznej.

GIS zapewnia możliwość powiązania wcześniej niepowiązanych informacji poprzez wykorzystanie lokalizacji jako „kluczowej zmiennej indeksu”. Lokalizacje i zasięgi, które znajdują się w czasoprzestrzeni Ziemi , można rejestrować według daty i czasu wystąpienia, wraz ze współrzędnymi x, y i z ; reprezentujące, długość geograficzną ( x ), szerokość geograficzną ( y ) i wysokość ( z ). Wszystkie odniesienia ziemskie, przestrzenno-czasowe, lokalizacji i zasięgu powinny być powiązane ze sobą, a ostatecznie z „rzeczywistą” fizyczną lokalizacją lub zasięgiem. Ta kluczowa cecha GIS zaczęła otwierać nowe drogi dociekań naukowych i badań.

Historia i rozwój

Wyrażenie „system informacji geograficznej” zostało ukute przez Rogera Tomlinsona w 1963 roku, kiedy opublikował pracę naukową „A Geographic Information System for Regional Planning”. Tomlinsonowi, uznawanemu za „ojca GIS”, przypisuje się umożliwienie stworzenia pierwszego skomputeryzowanego GIS dzięki jego pracy nad Canada Geographic Information System w 1963 roku. Ostatecznie Tomlinson stworzył strukturę bazy danych, która była w stanie przechowywać i analizowanie ogromnych ilości danych; co prowadzi do tego, że rząd kanadyjski jest w stanie wdrożyć swój krajowy program zarządzania użytkowaniem gruntów.

Wersja EW Gilberta (1958) mapy Johna Snowa z 1855 roku przedstawiającej epidemię cholery w Soho, ukazującą skupiska przypadków cholery podczas epidemii w Londynie w 1854 roku.

Jeden z pierwszych znanych przypadków użycia analizy przestrzennej pochodził z dziedziny epidemiologii w „Rapport sur la marche et les effets du choléra dans Paris et le département de la Seine ” (1832). Francuski geograf i kartograf , Charles Picquet , stworzył mapę określający czterdzieści osiem Dzielnice w Paryżu , za pomocą półtonów gradientów kolorów, aby zapewnić wizualną reprezentację liczby zgłoszonych zgonów z powodu cholery , za każde 1000 mieszkańców.

W 1854 r. epidemiolog i lekarz John Snow zdołał określić źródło epidemii cholery w Londynie za pomocą analizy przestrzennej. Śnieg osiągnął to dzięki wykreśleniu miejsca zamieszkania każdego poszkodowanego na mapie obszaru, a także pobliskich źródeł wody. Po zaznaczeniu tych punktów był w stanie zidentyfikować źródło wody w klastrze, które było odpowiedzialne za wybuch epidemii. Było to jedno z pierwszych udanych zastosowań metodologii geograficznej w określaniu źródła epidemii. Podczas gdy podstawowe elementy topografii i tematu istniały wcześniej w kartografii , mapa Snowa była wyjątkowa ze względu na wykorzystanie przez niego metod kartograficznych, nie tylko do przedstawiania, ale także do analizy skupisk zjawisk geograficznie zależnych.

Na początku XX wieku rozwinęła się fotocynkografia , która umożliwiła dzielenie map na warstwy, na przykład jedną warstwę dla roślinności, a drugą dla wody. Było to szczególnie używane do drukowania konturów – rysowanie ich było pracochłonnym zadaniem, ale umieszczenie ich na osobnej warstwie oznaczało, że można było nad nimi pracować bez innych warstw, co zmyliło rysownika . Ta praca została pierwotnie narysowana na szklanych płytach, ale później wprowadzono folię z tworzywa sztucznego , która ma zalety, między innymi, jest lżejsza, zajmuje mniej miejsca do przechowywania i jest mniej krucha. Kiedy wszystkie warstwy były gotowe, połączono je w jeden obraz za pomocą dużej kamery procesowej. Gdy pojawił się druk kolorowy, pomysł warstw został również wykorzystany do stworzenia oddzielnych płyt drukarskich dla każdego koloru. Podczas gdy użycie warstw znacznie później stało się jedną z głównych typowych cech współczesnego GIS, opisany proces fotograficzny nie jest sam w sobie GIS – ponieważ mapy były tylko obrazami bez bazy danych, z którą można by je połączyć.

Na początku istnienia GIS warto odnotować dwa dodatkowe wydarzenia: publikacja Iana McHarga „ Projektowanie z naturą” i jej metoda nakładania map oraz wprowadzenie sieci ulic do systemu DIME (Dual Independent Map Encoding) Biura Spisu Ludności USA.

Rozwój sprzętu komputerowego, stymulowany badaniami nad bronią jądrową, doprowadził na początku lat sześćdziesiątych do ogólnych zastosowań komputerowych do „mapowania”.

W 1960 r. federalny Departament Leśnictwa i Rozwoju Obszarów Wiejskich opracował w Ottawie, Ontario w Kanadzie pierwszy na świecie działający system GIS . Opracowany przez dr. Rogera Tomlinsona , nosił nazwę Kanadyjski System Informacji Geograficznej  (CGIS) i służył do przechowywania, analizowania i manipulowania danymi zebranymi na potrzeby Canada Land Inventory  – próby określenia zdolności gruntów dla obszarów wiejskich Kanady poprzez mapowanie informacji o gleby , rolnictwo, rekreacja, dzika przyroda, ptactwo wodne , leśnictwo i użytkowanie gruntów w skali 1:50 000. Dodano również współczynnik klasyfikacji ratingowej, aby umożliwić analizę.

CGIS był ulepszeniem w stosunku do aplikacji "mapowania komputerowego", ponieważ zapewniał możliwości nakładania, pomiaru i digitalizacji /skanowania. Obsługuje krajowy układ współrzędnych, który obejmuje cały kontynent, koduje linie jako łuki z prawdziwie osadzoną topologią i przechowuje informacje o atrybutach i lokalizacji w oddzielnych plikach. W rezultacie Tomlinson stał się znany jako „ojciec GIS”, szczególnie ze względu na wykorzystanie nakładek w promowaniu analizy przestrzennej zbieżnych danych geograficznych.

CGIS przetrwał do lat 90. i zbudował dużą cyfrową bazę danych zasobów ziemi w Kanadzie. Został opracowany jako system oparty na komputerach mainframe , wspierający planowanie i zarządzanie zasobami federalnymi i prowincjonalnymi. Jego siłą była ogólnokontynentalna analiza złożonych zbiorów danych . CGIS nigdy nie był dostępny na rynku.

W 1964 Howard T. Fisher utworzył Laboratorium Grafiki Komputerowej i Analizy Przestrzennej w Harvard Graduate School of Design (LCGSA 1965-1991), gdzie opracowano szereg ważnych koncepcji teoretycznych w przetwarzaniu danych przestrzennych i które w latach 70. przełomowy kod oprogramowania i systemy, takie jak SYMAP, GRID i ODYSSEY – które posłużyły jako źródła dalszego rozwoju komercyjnego – dla uniwersytetów, ośrodków badawczych i korporacji na całym świecie.

Pod koniec lat siedemdziesiątych dwa systemy GIS należące do domeny publicznej ( MOSS i GRASS GIS ) były w fazie rozwoju, a na początku lat osiemdziesiątych M&S Computing (później Intergraph ) wraz z Bentley Systems Incorporated dla  platformy CAD , Environmental Systems Research Institute ( ESRI ), CARIS  (Computer Aided Resource Information System), MapInfo Corporation i ERDAS (Earth Resource Data Analysis System) pojawiły się jako komercyjni dostawcy oprogramowania GIS, z powodzeniem wprowadzając wiele funkcji CGIS, łącząc podejście pierwszej generacji do separacji informacji przestrzennej i atrybutowej z drugą. generacyjne podejście do organizowania danych atrybutów w struktury bazy danych.

W 1986 roku został wydany Mapping Display and Analysis System (MIDAS), pierwszy desktopowy produkt GIS dla systemu operacyjnego DOS . Nazwa została zmieniona w 1990 na MapInfo for Windows, kiedy została przeniesiona na platformę Microsoft Windows . Rozpoczęło to proces przenoszenia GIS z działu badań do środowiska biznesowego.

Pod koniec XX wieku szybki rozwój różnych systemów został skonsolidowany i ustandaryzowany na stosunkowo niewielu platformach, a użytkownicy zaczęli badać przeglądanie danych GIS przez Internet , co wymagało formatu danych i standardów przesyłania. Ostatnio coraz większa liczba bezpłatnych pakietów GIS typu open source działa na różnych systemach operacyjnych i można je dostosować do wykonywania określonych zadań. Coraz częściej dane geoprzestrzenne i aplikacje mapowe są udostępniane za pośrednictwem sieci WWW (patrz Lista oprogramowania GIS § GIS jako usługa ).

Techniki i technologia

Nowoczesne technologie GIS wykorzystują informację cyfrową, do której wykorzystywane są różne metody tworzenia zdigitalizowanych danych. Najpopularniejszą metodą tworzenia danych jest digitalizacja , w której papierowa mapa lub plan geodezyjny jest przenoszony na nośnik cyfrowy za pomocą programu CAD i możliwości georeferencji. Wraz z szeroką dostępnością orto-rektyfikowanych obrazów (z satelitów, samolotów, helikopterów i UAV), cyfryzacja na zasadzie heads-up staje się główną drogą pozyskiwania danych geograficznych. Digitalizacja typu heads-up polega na śledzeniu danych geograficznych bezpośrednio na zdjęciach lotniczych zamiast tradycyjnej metody śledzenia formy geograficznej na oddzielnym tablecie do digitalizacji ( digitalizacja heads-down). Digitalizacja z głową w dół lub digitalizacja ręczna wykorzystuje specjalne pióro magnetyczne lub rysik, który wprowadza informacje do komputera w celu utworzenia identycznej, cyfrowej mapy. Niektóre tablety używają narzędzia podobnego do myszy, zwanego krążkiem, zamiast rysika. Krążek ma małe okienko z krzyżem nitkowym, które pozwala na większą precyzję i wskazanie cech mapy. Chociaż digitalizacja heads-up jest powszechnie stosowana, digitalizacja heads-down jest nadal przydatna do digitalizacji map o niskiej jakości.

Geoprzetwarzanie to operacja GIS używana do manipulowania danymi przestrzennymi. Typowa operacja geoprzetwarzania pobiera wejściowy zestaw danych , wykonuje operację na tym zestawie danych i zwraca wynik operacji jako wyjściowy zestaw danych. Typowe operacje geoprzetwarzania obejmują nakładanie obiektów geograficznych, wybór i analizę obiektów, przetwarzanie topologii, przetwarzanie rastrowe i konwersję danych. Geoprzetwarzanie pozwala na definiowanie, zarządzanie i analizę informacji wykorzystywanych do podejmowania decyzji.

Powiązanie informacji z różnych źródeł

GIS wykorzystuje lokalizację czasoprzestrzenną ( czasoprzestrzenną ) jako kluczową zmienną indeksującą dla wszystkich innych informacji. Tak jak relacyjna baza danych zawierająca tekst lub liczby może powiązać wiele różnych tabel przy użyciu wspólnych zmiennych indeksu klucza, GIS może powiązać w inny sposób niepowiązane informacje, używając lokalizacji jako zmiennej indeksu klucza. Kluczem jest lokalizacja i/lub zasięg w czasoprzestrzeni.

Do każdej zmiennej, która może być umiejscowiona przestrzennie, a coraz częściej również czasowo, można się odwoływać za pomocą GIS. Lokalizacje lub stopniu w ziemi czasoprzestrzeni może być zapisane jako daty / czasu występowania, a X, Y i Z współrzędnych reprezentującą długości , szerokości i wysokości , odpowiednio. Te współrzędne GIS mogą reprezentować inne ilościowe systemy odniesienia czasowo-przestrzennego (na przykład numer klatki filmu, stacja pomiaru strumienia, znacznik mil na autostradzie, punkt odniesienia dla geodetów, adres budynku, skrzyżowanie ulic, brama wjazdowa, sondowanie głębokości wody, rysunki POS lub CAD pochodzenie/jednostki). Jednostki zastosowane do zarejestrowanych danych czasowo-przestrzennych mogą się znacznie różnić (nawet przy użyciu dokładnie tych samych danych, patrz odwzorowania map ), ale wszystkie odniesienia przestrzenno-czasowe i zasięgowe na Ziemi powinny, w idealnym przypadku, być powiązane ze sobą i ostatecznie z „rzeczywista” fizyczna lokalizacja lub zasięg w czasoprzestrzeni.

Dzięki dokładnym informacjom przestrzennym można analizować, interpretować i reprezentować niesamowitą różnorodność rzeczywistych i przewidywanych danych z przeszłości lub przyszłości. Ta kluczowa cecha GIS zaczęła otwierać nowe ścieżki badań naukowych nad zachowaniami i wzorcami informacji ze świata rzeczywistego, które wcześniej nie były systematycznie skorelowane .

Niepewność GIS

Dokładność GIS zależy od danych źródłowych i sposobu ich zakodowania w celu odniesienia do danych. Geodeci byli w stanie zapewnić wysoki poziom dokładności pozycjonowania, korzystając z pozycji uzyskanych z GPS . Cyfrowe zdjęcia terenu i zdjęcia lotnicze o wysokiej rozdzielczości, potężne komputery i technologia internetowa zmieniają jakość, użyteczność i oczekiwania GIS, aby służyć społeczeństwu na wielką skalę, ale mimo to istnieją inne dane źródłowe, które wpływają na ogólną dokładność GIS, takie jak mapy papierowe. mogą one mieć ograniczone zastosowanie w osiąganiu pożądanej dokładności.

Przy opracowywaniu cyfrowej bazy danych topograficznych dla GIS, głównym źródłem są mapy topograficzne , a zdjęcia lotnicze i zdjęcia satelitarne są dodatkowymi źródłami gromadzenia danych i identyfikowania atrybutów, które można mapować warstwami na faksymile lokalizacji. Skala mapy i typ odwzorowania obszaru renderowania geograficznego lub odwzorowanie mapy są bardzo ważnymi aspektami, ponieważ zawartość informacji zależy głównie od ustawionej skali i wynikającej z tego możliwości lokalizowania reprezentacji mapy. Aby zdigitalizować mapę, mapa musi zostać sprawdzona w wymiarach teoretycznych, a następnie zeskanowana do formatu rastrowego, a wynikowym danym rastrowym należy nadać wymiar teoretyczny za pomocą procesu technologii gumowania /wypaczania znanego jako georeferencja .

Ilościowa analiza map zwraca uwagę na kwestie dokładności. Sprzęt elektroniczny i inny używany do wykonywania pomiarów dla GIS jest znacznie dokładniejszy niż maszyny do konwencjonalnej analizy map. Wszystkie dane geograficzne są z natury niedokładne, a te niedokładności będą propagowane przez operacje GIS w sposób trudny do przewidzenia.

Reprezentacja danych

Dane GIS reprezentują rzeczywiste obiekty (takie jak drogi, zagospodarowanie terenu, wzniesienia, drzewa, cieki wodne itp.) wraz z danymi cyfrowymi określającymi mieszankę. Obiekty rzeczywiste można podzielić na dwie abstrakcje: obiekty dyskretne (np. dom) oraz pola ciągłe (takie jak ilość opadów, czy wzniesienia). Tradycyjnie istnieją dwie szerokie metody przechowywania danych w GIS dla obu rodzajów abstrakcji odwzorowujących odniesienia: obrazy rastrowe i wektorowe . Punkty, linie i wielokąty reprezentują dane wektorowe odniesień do mapowanych atrybutów lokalizacji.

Nowa hybrydowa metoda przechowywania danych polega na identyfikowaniu chmur punktów, które łączą trójwymiarowe punkty z informacjami RGB w każdym punkcie, zwracając „ kolorowy obraz 3D ”. Mapy tematyczne GIS stają się wtedy coraz bardziej realistycznie wizualnie opisujące to, co zamierzają pokazać lub określić.

Aby zapoznać się z listą popularnych formatów plików GIS, takich jak pliki kształtu , zobacz Formaty plików GIS § Popularne formaty plików GIS .

Przechwytywania danych

Przykład sprzętu do mapowania ( GPS i dalmierz laserowy ) i zbierania danych ( komputer wytrzymały ). Obecny trend w systemie informacji geograficznej (GIS) polega na tym, że dokładne mapowanie i analiza danych są wykonywane w terenie. Przedstawiony sprzęt ( technologia map terenowych ) służy głównie do inwentaryzacji , monitoringu i mapowania lasów .

Przechwytywanie danych — wprowadzanie informacji do systemu — pochłania znaczną część czasu praktyków GIS. Istnieje wiele metod wprowadzania danych do GIS, gdzie są one przechowywane w formacie cyfrowym.

Istniejące dane wydrukowane na mapach papierowych lub foliowych PET można zdigitalizować lub zeskanować w celu uzyskania danych cyfrowych. Digitalizator generuje dane wektorowe, gdy operator śledzi punkty, linie i granice wielokątów z mapy. Skanowanie mapy daje w wyniku dane rastrowe, które mogą być dalej przetwarzane w celu uzyskania danych wektorowych.

Survey dane mogą być wprowadzane bezpośrednio do GIS z cyfrowych systemów gromadzenia danych dotyczących instrumentów badawczych wykorzystujących technikę nazywa geometrii (COGO) koordynuje . Pozycje z globalnego systemu nawigacji satelitarnej ( GNSS ), takiego jak Global Positioning System, mogą być również zbierane, a następnie importowane do GIS. Obecny trend w gromadzeniu danych daje użytkownikom możliwość korzystania z komputerów polowych z możliwością edytowania danych na żywo za pomocą połączeń bezprzewodowych lub odłączonych sesji edycji. Zostało to ulepszone dzięki dostępności tanich jednostek GPS klasy mapowania z dokładnością do decymetra w czasie rzeczywistym. Eliminuje to potrzebę przetwarzania, importowania i aktualizowania danych w biurze po zebraniu prac terenowych. Obejmuje to możliwość włączenia pozycji zebranych za pomocą dalmierza laserowego . Nowe technologie umożliwiają również użytkownikom tworzenie map i analiz bezpośrednio w terenie, dzięki czemu projekty są wydajniejsze i dokładniejsze.

Teledetekcji danych odgrywa również ważną rolę w gromadzeniu danych i składa się z czujników podłączonych do platformy. Czujniki obejmują kamery, skanery cyfrowe i lidar , natomiast platformy zazwyczaj składają się z samolotów i satelitów . W Anglii, w połowie lat 90., hybrydowe latawce/balony zwane helikites jako pierwsze zapoczątkowały wykorzystanie kompaktowych lotniczych aparatów cyfrowych jako powietrznych systemów geoinformacyjnych . Do połączenia zdjęć i pomiaru gruntu wykorzystano oprogramowanie do pomiarów samolotów, z dokładnością do 0,4 mm. Helikity są niedrogie i zbierają dokładniejsze dane niż samoloty. Helikity mogą być używane na drogach, liniach kolejowych i miastach, w których bezzałogowe statki powietrzne (UAV) są zakazane.

Ostatnio gromadzenie danych lotniczych stało się bardziej dostępne dzięki miniaturowym bezzałogowym statkom powietrznym i dronom. Na przykład Aeryon Scout został użyty do mapowania obszaru 50 akrów z odległością próbki gruntu 1 cala (2,54 cm) w zaledwie 12 minut.

Większość danych cyfrowych obecnie pochodzi z interpretacji zdjęć zdjęć lotniczych. Stacje robocze do kopiowania miękkiego są używane do digitalizacji obiektów bezpośrednio ze stereopary zdjęć cyfrowych. Systemy te umożliwiają przechwytywanie danych w dwóch i trzech wymiarach, z wysokościami mierzonymi bezpośrednio ze stereopary przy użyciu zasad fotogrametrii . Analogowe zdjęcia lotnicze muszą zostać zeskanowane przed wprowadzeniem ich do systemu kopii miękkich, w przypadku wysokiej jakości aparatów cyfrowych ten krok jest pomijany.

Teledetekcja satelitarna stanowi kolejne ważne źródło danych przestrzennych. W tym przypadku satelity wykorzystują różne pakiety czujników do pasywnego pomiaru współczynnika odbicia od części widma elektromagnetycznego lub fal radiowych, które zostały wysłane z aktywnego czujnika, takiego jak radar. Teledetekcja zbiera dane rastrowe, które można dalej przetwarzać przy użyciu różnych pasm w celu identyfikacji obiektów i klas zainteresowania, takich jak pokrycie terenu.

Web mining to nowatorska metoda zbierania danych przestrzennych. Badacze tworzą aplikację przeszukiwacza sieci, która agreguje wymagane dane przestrzenne z sieci . Na przykład dokładną geolokalizację lub sąsiedztwo mieszkań można pobrać ze stron internetowych z ofertami nieruchomości.

Podczas przechwytywania danych użytkownik powinien rozważyć, czy dane powinny być przechwytywane ze względną lub bezwzględną dokładnością, ponieważ może to mieć wpływ nie tylko na sposób interpretacji informacji, ale także na koszt przechwytywania danych.

Po wprowadzeniu danych do GIS, dane zwykle wymagają edycji, usunięcia błędów lub dalszego przetwarzania. W przypadku danych wektorowych muszą być one „topologicznie poprawne”, zanim będą mogły zostać użyte do jakiejś zaawansowanej analizy. Na przykład w sieci drogowej linie muszą łączyć się z węzłami na skrzyżowaniu. Błędy, takie jak niedoregulowania i przeregulowania, również muszą zostać usunięte. W przypadku zeskanowanych map może być konieczne usunięcie skaz na mapie źródłowej z wynikowego rastra . Na przykład odrobina brudu może łączyć dwie linie, które nie powinny być połączone.

Tłumaczenie rastrowe na wektory

Restrukturyzacja danych może być przeprowadzana przez GIS w celu konwersji danych do różnych formatów. Na przykład GIS może być wykorzystany do konwersji mapy obrazu satelitarnego na strukturę wektorową poprzez generowanie linii wokół wszystkich komórek o tej samej klasyfikacji, przy jednoczesnym określaniu relacji przestrzennych komórek, takich jak sąsiedztwo lub inkluzja.

Bardziej zaawansowane przetwarzanie danych może nastąpić w przypadku przetwarzania obrazu , techniki opracowanej pod koniec lat 60. przez NASA i sektor prywatny w celu zapewnienia wzmocnienia kontrastu, renderowania fałszywych kolorów i wielu innych technik, w tym użycia dwuwymiarowych transformat Fouriera . Ponieważ dane cyfrowe są gromadzone i przechowywane na różne sposoby, te dwa źródła danych mogą nie być w pełni kompatybilne. Tak więc GIS musi być w stanie konwertować dane geograficzne z jednej struktury na drugą. W ten sposób ukryte założenia stojące za różnymi ontologiami i klasyfikacjami wymagają analizy. Ontologie obiektowe zyskały na znaczeniu w wyniku programowania obiektowego i ciągłej pracy Barry'ego Smitha i współpracowników.

Rzuty, układy współrzędnych i rejestracja

Ziemia może być reprezentowana przez różne modele, z których każdy może zapewnić inny zestaw współrzędnych (np. szerokość, długość geograficzną, wysokość) dla dowolnego punktu na powierzchni Ziemi. Najprostszym modelem jest założenie, że Ziemia jest idealną kulą. W miarę gromadzenia większej liczby pomiarów Ziemi, modele Ziemi stały się bardziej wyrafinowane i dokładniejsze. W rzeczywistości istnieją modele zwane bazami odniesienia, które mają zastosowanie do różnych obszarów Ziemi, aby zapewnić większą dokładność, jak na przykład północnoamerykańskie odniesienie z 1983 r. do pomiarów w USA i Światowy System Geodezyjny do pomiarów na całym świecie.

Szerokość i długość geograficzna na mapie sporządzonej względem lokalnego układu odniesienia mogą nie być takie same, jak te uzyskane z odbiornika GPS . Konwersja współrzędnych z jednego punktu odniesienia na inny wymaga transformacji punktu odniesienia, takiej jak transformacja Helmerta , chociaż w niektórych sytuacjach może wystarczyć prosta translacja .

W popularnym oprogramowaniu GIS dane rzutowane w szerokości/długości geograficznej są często przedstawiane jako układ współrzędnych geograficznych . Na przykład dane w szerokości/długości geograficznej, jeśli odniesieniem jest „Północnoamerykański układ odniesienia 1983”, są oznaczone jako „GCS North American 1983”.

Analiza przestrzenna z GIS

Analiza przestrzenna GIS to szybko zmieniająca się dziedzina, a pakiety GIS coraz częściej zawierają narzędzia analityczne jako standardowe wbudowane narzędzia, jako opcjonalne zestawy narzędzi, jako dodatki lub „analityki”. W wielu przypadkach są one dostarczane przez oryginalnych dostawców oprogramowania (komercyjnych dostawców lub współpracujące ze sobą niekomercyjne zespoły programistyczne), podczas gdy w innych przypadkach narzędzia zostały opracowane i są dostarczane przez strony trzecie. Ponadto wiele produktów oferuje zestawy do tworzenia oprogramowania (SDK), języki programowania i obsługę języków, narzędzia do tworzenia skryptów i/lub specjalne interfejsy do opracowywania własnych narzędzi analitycznych lub wariantów. Zwiększona dostępność stworzyła nowy wymiar analizy biznesowej określanej jako „ inteligencja przestrzenna ”, która, gdy jest udostępniana otwarcie przez intranet, demokratyzuje dostęp do danych geograficznych i sieci społecznościowych. Inteligencja geoprzestrzenna , oparta na analizie przestrzennej GIS, również stała się kluczowym elementem bezpieczeństwa. GIS jako całość można opisać jako konwersję do reprezentacji wektorowej lub do dowolnego innego procesu digitalizacji.

Nachylenie i aspekt

Nachylenie można zdefiniować jako nachylenie lub nachylenie jednostki terenu, zwykle mierzone jako kąt w stopniach lub w procentach. Aspekt można zdefiniować jako kierunek, w którym zwrócona jest jednostka terenu. Aspekt jest zwykle wyrażany w stopniach od północy. Nachylenie, aspekt i krzywizna powierzchni w analizie terenu są wyprowadzane z operacji sąsiedztwa przy użyciu wartości wysokości sąsiednich sąsiadów komórki. Nachylenie jest funkcją rozdzielczości, a rozdzielczość przestrzenna wykorzystywana do obliczania nachylenia i aspektu powinna być zawsze określona. Różni autorzy porównali techniki obliczania nachylenia i kształtu.

Do wyznaczenia nachylenia i aspektu można użyć następującej metody:
Rzędna w punkcie lub jednostce terenu będzie miała styczne prostopadłe (nachylenie) przechodzące przez punkt w kierunku wschód-zachód i północ-południe. Te dwie styczne dają dwie składowe, ∂z/∂x i ∂z/∂y, których następnie używa się do określenia ogólnego kierunku nachylenia i aspektu nachylenia. Gradient definiuje się jako wielkość wektorową o składowych równych pochodnym cząstkowym powierzchni w kierunkach x i y.

Do obliczenia całkowitego nachylenia siatki 3×3 S i aspektu A dla metod wyznaczających składową wschód-zachód i północ-południe stosuje się odpowiednio następujące wzory:

${\ Displaystyle \ tan S = {\ sqrt {\ lewo ({\ Frac {\ częściowy z} {\ częściowy x}} \ po prawej) ^ {2} + \ lewo ({\ Frac {\ częściowy z} {\ częściowy y}}\prawo)^{2}}}}$

${\ Displaystyle \ tan A = {\ Frac {\ lewo ({\ Frac {- \ częściowy Z} {\ częściowy r}} \ prawo)} {\ lewo ({\ Frac {\ częściowy z} {\ częściowy x} }\Prawidłowy)}}}$

Zhou i Liu opisują inny wzór obliczania aspektu w następujący sposób:

${\ Displaystyle A = 270 ^ {\ circ} + \ arctan \ lewo ({\ Frac {\ lewo ({\ Frac {\ częściowy z}} {\ częściowy x}} \ po prawej)} {\ lewo ({\ Frac { \partial z}{\częściowy r}}\right)}}\right)-90^{\circ }\cdot {\frac {\left({\frac {\częściowy z}{\częściowy r}}\right )}{\left|{\frac {\częściowy z}{\częściowy y}}\right|}}}$

Analiza danych

Trudno jest powiązać mapy terenów podmokłych z wielkościami opadów odnotowanymi w różnych punktach, takich jak lotniska, stacje telewizyjne i szkoły. GIS może być jednak wykorzystany do zobrazowania dwu- i trójwymiarowych charakterystyk powierzchni Ziemi, podpowierzchni i atmosfery z punktów informacyjnych. Na przykład GIS może szybko wygenerować mapę z izopletami lub warstwicami, które wskazują różne ilości opadów. Taką mapę można traktować jako mapę konturową opadów. Wiele wyrafinowanych metod może oszacować właściwości powierzchni na podstawie ograniczonej liczby pomiarów punktowych. Dwuwymiarową mapę warstwicową utworzoną z modelowania powierzchni pomiarów punktów opadowych można nałożyć i przeanalizować z dowolną inną mapą w GIS obejmującą ten sam obszar. Ta mapa pochodząca z GIS może następnie dostarczyć dodatkowych informacji - takich jak żywotność potencjału energii wodnej jako odnawialnego źródła energii . Podobnie GIS można wykorzystać do porównywania innych zasobów energii odnawialnej w celu znalezienia najlepszego potencjału geograficznego dla regionu.

Dodatkowo z serii trójwymiarowych punktów lub cyfrowego modelu elewacji można generować linie izoplet reprezentujące kontury elewacji wraz z analizą nachylenia, cieniowanym reliefem i innymi produktami elewacji. Zlewiska można łatwo zdefiniować dla dowolnego zasięgu, obliczając wszystkie obszary przyległe i pod górę od dowolnego punktu zainteresowania. Podobnie, oczekiwany szlak, w którym woda powierzchniowa chciałaby przemieszczać się przerywanymi i stałymi strumieniami, można obliczyć na podstawie danych wysokościowych w GIS.

Modelowanie topologiczne

GIS może rozpoznawać i analizować relacje przestrzenne istniejące w przechowywanych cyfrowo danych przestrzennych. Te zależności topologiczne umożliwiają wykonanie złożonego modelowania i analizy przestrzennej. Relacje topologiczne między jednostkami geometrycznymi tradycyjnie obejmują sąsiedztwo (co przylega do czego), zawieranie (co obejmuje co) i bliskość (jak blisko jest coś do czegoś innego).

Sieci geometryczne

Ważne miasta Iranu według centralnej pozycji w transporcie.

Sieci geometryczne to liniowe sieci obiektów, które można wykorzystać do reprezentowania połączonych ze sobą cech i wykonywania na nich specjalnych analiz przestrzennych. Sieć geometryczna składa się z krawędzi, które są połączone w punktach połączeń, podobnie jak wykresy w matematyce i informatyce. Podobnie jak grafy, sieci mogą mieć przypisaną wagę i przepływ do swoich krawędzi, które mogą służyć do dokładniejszego przedstawiania różnych powiązanych ze sobą cech. Sieci geometryczne są często wykorzystywane do modelowania sieci dróg i sieci użyteczności publicznej , takich jak sieci elektryczne, gazowe i wodociągowe. Modelowanie sieci jest również powszechnie stosowane w planowaniu transportu , modelowaniu hydrologicznym i modelowaniu infrastruktury .

Modelowanie hydrologiczne

Modele hydrologiczne GIS mogą stanowić element przestrzenny, którego brakuje innym modelom hydrologicznym, dzięki analizie zmiennych, takich jak nachylenie, ukształtowanie terenu i zlewnia lub obszar zlewni . Analiza terenu ma fundamentalne znaczenie dla hydrologii, ponieważ woda zawsze spływa po zboczu. Ponieważ podstawowa analiza terenu cyfrowego modelu terenu (DEM) obejmuje obliczenie nachylenia i aspektu, DEM są bardzo przydatne do analizy hydrologicznej. Nachylenie i aspekt można następnie wykorzystać do określenia kierunku spływu powierzchniowego, a tym samym akumulacji przepływu w celu utworzenia strumieni, rzek i jezior. Obszary o rozbieżnym przepływie mogą również wyraźnie wskazywać granice zlewni. Po utworzeniu kierunku przepływu i macierzy akumulacji można wykonać zapytania, które pokazują obszary przyczyniające się lub rozpraszające w określonym punkcie. Do modelu można dodać więcej szczegółów, takich jak szorstkość terenu, typy roślinności i typy gleby, które mogą wpływać na szybkość infiltracji i ewapotranspiracji, a tym samym wpływać na przepływ powierzchniowy. Jednym z głównych zastosowań modelowania hydrologicznego są badania skażenia środowiska . Inne zastosowania modelowania hydrologicznego obejmują mapowanie wód podziemnych i powierzchniowych oraz mapy ryzyka powodziowego.

Modelowanie kartograficzne

Przykład wykorzystania warstw w aplikacji GIS. W tym przykładzie warstwa pokrywy leśnej (jasnozielona) tworzy dolną warstwę, a nad nią warstwa topograficzna (linie konturowe). Dalej znajduje się warstwa wody stojącej (staw, jezioro), a następnie warstwa wody płynącej (strumień, rzeka), następnie warstwa graniczna i na końcu warstwa drogowa. Kolejność jest bardzo ważna, aby prawidłowo wyświetlić efekt końcowy. Zwróć uwagę, że stawy są ułożone warstwami pod strumieniami, tak że linia strumienia jest widoczna nad jednym ze stawów.

Dana Tomlin prawdopodobnie ukuła termin „modelowanie kartograficzne” w swojej rozprawie doktorskiej (1983); później użył go w tytule swojej książki Systemy informacji geograficznej i modelowanie kartograficzne (1990). Modelowanie kartograficzne odnosi się do procesu, w którym kilka warstw tematycznych tego samego obszaru jest wytwarzanych, przetwarzanych i analizowanych. Tomlin używał warstw rastrowych, ale metoda nakładania (patrz poniżej) może być stosowana bardziej ogólnie. Operacje na warstwach mapy można łączyć w algorytmy, a docelowo w modele symulacyjne lub optymalizacyjne.

Nakładka mapy

Połączenie kilku przestrzennych zestawów danych (punktów, linii lub wielokątów ) tworzy nowy wyjściowy zestaw danych wektorowych, wizualnie podobny do układania kilku map tego samego regionu. Te nakładki są podobne do matematycznych nakładek diagramów Venna . Unia nakładki łączy w sobie cechy geograficzne i tabele cechą obu wejść w jeden nowy wyjście. Przecinają nakładki określa obszar, w którym oba wejścia pokrywają się i zachowuje zestaw pól atrybutów dla każdego. Symetryczne różnice nakładki określa obszar wyjściowy, który obejmuje całkowitą powierzchnię obu wejść za wyjątkiem powierzchni nakładania.

Ekstrakcja danych jest procesem GIS podobnym do nakładania wektorowego, chociaż może być używany w analizie danych wektorowych lub rastrowych. Zamiast łączyć właściwości i cechy obu zestawów danych, wyodrębnianie danych polega na użyciu „klipu” lub „maski” w celu wyodrębnienia cech jednego zestawu danych, które mieszczą się w zakresie przestrzennym innego zestawu danych.

W analizie danych rastrowych nakładanie zestawów danych odbywa się za pomocą procesu znanego jako „operacja lokalna na wielu rastrach” lub „ algebry map ”, za pomocą funkcji, która łączy wartości macierzy każdego rastra . Ta funkcja może ważyć niektóre dane wejściowe bardziej niż inne dzięki zastosowaniu „modelu indeksu”, który odzwierciedla wpływ różnych czynników na zjawisko geograficzne.

Geostatystyka

Geostatystyka to dział statystyki zajmujący się danymi terenowymi, danymi przestrzennymi o indeksie ciągłym. Zapewnia metody modelowania korelacji przestrzennej i przewidywania wartości w dowolnych lokalizacjach (interpolacja).

Gdy zjawiska są mierzone, metody obserwacji dyktują dokładność każdej późniejszej analizy. Ze względu na charakter danych (np. wzorce ruchu w środowisku miejskim; wzorce pogodowe nad Oceanem Spokojnym ) pomiar zawsze traci stały lub dynamiczny stopień dokładności. Ta utrata precyzji jest określana na podstawie skali i dystrybucji gromadzonych danych.

Aby określić istotność statystyczną analizy, określa się średnią, tak aby można było uwzględnić punkty (gradienty) poza jakimkolwiek bezpośrednim pomiarem w celu określenia ich przewidywanego zachowania. Wynika to z ograniczeń stosowanych metod statystycznych i gromadzenia danych, a interpolacja jest wymagana do przewidywania zachowania cząstek, punktów i lokalizacji, których nie można bezpośrednio zmierzyć.

Model Hillshade uzyskany z cyfrowego modelu terenu obszaru Valestra w północnych Apeninach (Włochy)

Interpolacja to proces, w którym tworzona jest powierzchnia, zwykle zestaw danych rastrowych, poprzez wprowadzenie danych zebranych w wielu punktach próbkowania. Istnieje kilka form interpolacji, z których każda traktuje dane inaczej, w zależności od właściwości zestawu danych. Porównując metody interpolacji, najpierw należy rozważyć, czy dane źródłowe ulegną zmianie (dokładne lub przybliżone). Dalej jest to, czy metoda jest subiektywna, ludzka interpretacja, czy obiektywna. Następnie jest natura przejść między punktami: czy są one nagłe, czy stopniowe. Wreszcie istnieje kwestia, czy metoda jest globalna (wykorzystuje cały zestaw danych do utworzenia modelu), czy lokalna, gdzie algorytm jest powtarzany dla małej części terenu.

Interpolacja jest uzasadnionym pomiarem ze względu na zasadę autokorelacji przestrzennej, która uznaje, że dane zebrane w dowolnej pozycji będą miały duże podobieństwo lub wpływ na te lokalizacje w jego bezpośrednim sąsiedztwie.

Cyfrowe modele wysokościowe , triangulowane nieregularne sieci , algorytmy wyszukiwania krawędzi, wielokąty Thiessena , analiza Fouriera , (ważone) średnie kroczące , odwrotne ważenie odległości , kriging , splajn i analiza powierzchni trendu to metody matematyczne do generowania danych interpolacyjnych.

Geokodowanie adresu

Geokodowanie polega na interpolacji lokalizacji przestrzennych (współrzędnych X, Y) na podstawie adresów ulicznych lub innych danych przestrzennych, takich jak kody pocztowe , działki i lokalizacje adresowe. Motyw referencyjny jest wymagany do geokodowania poszczególnych adresów, na przykład plik osi drogi z zakresami adresów. Poszczególne lokalizacje adresów były historycznie interpolowane lub oszacowane przez badanie zakresów adresów wzdłuż odcinka drogi. Są one zazwyczaj dostarczane w formie tabeli lub bazy danych. Oprogramowanie umieści wtedy kropkę w przybliżeniu w miejscu, w którym należy ten adres, wzdłuż segmentu linii środkowej. Na przykład punkt adresu 500 będzie znajdować się w środku segmentu linii, który zaczyna się adresem 1 i kończy adresem 1000. Geokodowanie można również zastosować do rzeczywistych danych o działkach, zazwyczaj z miejskich map podatkowych. W takim przypadku wynikiem geokodowania będzie faktycznie położona przestrzeń, a nie punkt interpolowany. Takie podejście jest coraz częściej stosowane do dostarczania dokładniejszych informacji o lokalizacji.

Geokodowanie odwrotne

Geokodowanie odwrotne to proces zwracania szacunkowego numeru adresu ulicy w odniesieniu do danej współrzędnej. Na przykład użytkownik może kliknąć motyw osi drogi (w ten sposób dostarczając współrzędne) i otrzymać informacje, które odzwierciedlają szacowany numer domu. Ten numer domu jest interpolowany z zakresu przypisanego do tego odcinka drogi. Jeśli użytkownik kliknie w środku segmentu, który zaczyna się od adresu 1, a kończy na 100, zwrócona wartość będzie około 50. Pamiętaj, że odwrotne geokodowanie nie zwraca rzeczywistych adresów, a jedynie szacunki tego, co powinno tam być na podstawie wcześniej określonych zasięg.

Wielokryterialna analiza decyzji

W połączeniu z GIS, wielokryterialne metody analizy decyzji wspierają decydentów w analizie zestawu alternatywnych rozwiązań przestrzennych, takich jak najbardziej prawdopodobne siedlisko ekologiczne do odtworzenia, pod kątem wielu kryteriów, takich jak pokrywa roślinna lub drogi. MCDA wykorzystuje reguły decyzyjne do agregowania kryteriów, co pozwala na uszeregowanie lub uszeregowanie alternatywnych rozwiązań. GIS MCDA może zmniejszyć koszty i czas potrzebny na identyfikację potencjalnych miejsc przywracania.

Wyjście danych i kartografia

Kartografia to projektowanie i produkcja map lub wizualnych reprezentacji danych przestrzennych. Zdecydowana większość współczesnej kartografii jest wykonywana za pomocą komputerów, zwykle przy użyciu GIS, ale wysokiej jakości kartografię uzyskuje się również poprzez importowanie warstw do programu projektowego w celu jej udoskonalenia. Większość oprogramowania GIS daje użytkownikowi znaczną kontrolę nad wyglądem danych.

Praca kartograficzna spełnia dwie główne funkcje:

Po pierwsze, tworzy grafikę na ekranie lub na papierze, która przekazuje wyniki analizy osobom podejmującym decyzje dotyczące zasobów. Można generować mapy ścienne i inne grafiki, co pozwala widzowi na wizualizację, a tym samym zrozumienie wyników analiz lub symulacji potencjalnych zdarzeń. Web Map Servers ułatwiają dystrybucję wygenerowanych map za pośrednictwem przeglądarek internetowych przy użyciu różnych implementacji interfejsów programowania aplikacji internetowych ( AJAX , Java , Flash , itp.).

Po drugie, można wygenerować inne informacje z bazy danych do dalszej analizy lub wykorzystania. Przykładem może być lista wszystkich adresów w promieniu 1,6 km od toksycznego wycieku.

Techniki wyświetlania graficznego

Tradycyjna mapa topograficzna renderowana w 3D

Tradycyjne mapy to abstrakcje z rzeczywistego świata, próbka ważnych elementów przedstawionych na kartce papieru z symbolami reprezentującymi obiekty fizyczne. Osoby korzystające z map muszą interpretować te symbole. Mapy topograficzne przedstawiają ukształtowanie powierzchni terenu za pomocą warstwic lub cieniowanego reliefu .

Obecnie techniki wyświetlania graficznego, takie jak cieniowanie oparte na wysokości w GIS, mogą uwidocznić relacje między elementami mapy, zwiększając zdolność do wydobywania i analizowania informacji. Na przykład, dwa rodzaje danych łączy się w celu wytworzenia GIS widok perspektywiczny części San Mateo County , California .

• Numerycznego modelu elewacji , składających się z wypukłości powierzchni zapisanych na 30 metrów poziomej siatce przedstawia dużych wysokościach jak benzyna i niskim wzroście jako czarne.
• Towarzyszący obraz Landsat Thematic Mapper pokazuje obraz w podczerwieni w fałszywych kolorach, patrzący w dół na ten sam obszar w 30-metrowych pikselach lub elementach obrazu, dla tych samych punktów współrzędnych, piksel po pikselu, co informacje o wysokości.

Do zarejestrowania i połączenia dwóch obrazów wykorzystano GIS, aby renderować trójwymiarowy widok perspektywiczny z widokiem w dół uskoku San Andreas , przy użyciu pikseli obrazu Mapera tematycznego, ale zacieniowanych przy użyciu ukształtowania terenu . Wyświetlanie GIS zależy od punktu widzenia obserwatora i pory dnia, aby prawidłowo renderować cienie tworzone przez promienie słoneczne na tej szerokości, długości i porze dnia.

Archeochrom to nowy sposób wyświetlania danych przestrzennych. Jest to temat na mapie 3D, który jest nanoszony na konkretny budynek lub część budynku. Nadaje się do wizualnego wyświetlania danych o utracie ciepła.

Przestrzenny ETL

Przestrzenne narzędzia ETL zapewniają funkcjonalność przetwarzania danych tradycyjnego oprogramowania do ekstrakcji, transformacji i ładowania  (ETL), ale ze szczególnym naciskiem na możliwość zarządzania danymi przestrzennymi. Zapewniają użytkownikom GIS możliwość tłumaczenia danych między różnymi standardami i zastrzeżonymi formatami, jednocześnie przekształcając dane w drodze. Narzędzia te mogą mieć postać dodatków do istniejącego oprogramowania o szerszym zastosowaniu, takiego jak arkusze kalkulacyjne .

Eksploracja danych GIS

GIS lub eksploracja danych przestrzennych to zastosowanie metod eksploracji danych do danych przestrzennych. Eksploracja danych, czyli częściowo zautomatyzowane wyszukiwanie ukrytych wzorców w dużych bazach danych, oferuje ogromne potencjalne korzyści dla stosowanego podejmowania decyzji w oparciu o GIS. Typowe zastosowania obejmują monitorowanie środowiska. Charakterystyczną cechą takich aplikacji jest to, że korelacja przestrzenna między pomiarami danych wymaga użycia wyspecjalizowanych algorytmów w celu wydajniejszej analizy danych.

Aplikacje

Od momentu powstania w latach 60. GIS jest wykorzystywany w coraz szerszym zakresie zastosowań, potwierdzając powszechne znaczenie lokalizacji i wspomagany przez ciągłe zmniejszanie barier utrudniających stosowanie technologii geoprzestrzennych. Być może setki różnych zastosowań GIS można sklasyfikować na kilka sposobów:

• Cel : przeznaczenie aplikacji można ogólnie sklasyfikować jako badania naukowe lub zarządzanie zasobami . Celem badań , rozumianych jak najszerzej, jest odkrywanie nowej wiedzy; może to zrobić ktoś, kto uważa się za naukowca, ale może to również zrobić każdy, kto próbuje dowiedzieć się, dlaczego świat wydaje się działać w ten sposób. Badaniem tak praktycznym, jak rozszyfrowanie przyczyn niepowodzenia lokalizacji biznesowej, byłyby badania w tym sensie. Zarządzanie (czasami nazywane aplikacjami operacyjnymi), także rozumiane najszerzej, to wykorzystanie wiedzy do podejmowania praktycznych decyzji dotyczących wykorzystania zasobów, nad którymi mamy kontrolę, aby osiągnąć swoje cele. Zasobami tymi może być czas, kapitał, praca, sprzęt, ziemia, złoża minerałów, dzika przyroda i tak dalej.
  • Poziom decyzyjny : Aplikacje do zarządzania zostały dalej sklasyfikowane jako strategiczne , taktyczne , operacyjne , co jest powszechną klasyfikacją w zarządzaniu przedsiębiorstwem . Zadania strategiczne to długofalowe, wizjonerskie decyzje dotyczące tego, jakie cele należy stawiać, np. czy firma powinna się rozwijać, czy nie. Zadania taktyczne to średnioterminowe decyzje o tym, jak osiągnąć cele strategiczne, takie jak tworzenie planu zarządzania wypasem przez las państwowy. Decyzje operacyjne dotyczą codziennych zadań, takich jak znalezienie najkrótszej drogi do pizzerii.
• Temat : dziedziny, w których stosuje się GIS w dużej mierze należą do tych związanych ze światem człowieka (np. ekonomia , polityka , transport , edukacja , architektura krajobrazu , archeologia , urbanistyka , nieruchomości , zdrowie publiczne , kartografia przestępczości , obrona narodowa ), oraz osoby zajmujące się światem przyrody (np. geologia , biologia , oceanografia , klimat ). To powiedziawszy, jedną z potężnych możliwości GIS i perspektywy przestrzennej geografii jest ich integracyjna zdolność do porównywania różnych tematów, a wiele aplikacji dotyczy wielu dziedzin. Przykłady zintegrowanych dziedzin zastosowań człowieka i przyrody obejmują łagodzenie zagrożeń naturalnych , zarządzanie dziką przyrodą , zrównoważony rozwój , zasoby naturalne i reagowanie na zmianę klimatu .
• Instytucja : GIS został wdrożony w różnego rodzaju instytucjach: rządowych (na wszystkich poziomach od miejskich po międzynarodowe), biznesowych (każdego typu i wielkości), organizacji non-profit (nawet kościołów), a także do użytku osobistego . Ten ostatni staje się coraz bardziej widoczny wraz z rozwojem smartfonów obsługujących lokalizację.
• Długość życia : Wdrożenia GIS mogą być skoncentrowane na projekcie lub przedsiębiorstwie . Projekt GIS koncentruje się na realizacji pojedynczego zadania: zbierane są dane, przeprowadzana jest analiza, a wyniki są tworzone oddzielnie od wszelkich innych projektów, które osoba może wykonać, a wdrożenie jest zasadniczo przejściowe. Enterprise GIS ma być stałą instytucją, w tym bazą danych, która jest starannie zaprojektowana, aby była użyteczna dla różnych projektów przez wiele lat i jest prawdopodobnie używana przez wiele osób w całym przedsiębiorstwie, z których część jest zatrudniona na pełny etat tylko do utrzymania to.
• Integracja : Tradycyjnie większość aplikacji GIS była samodzielna i wykorzystywała specjalistyczne oprogramowanie GIS, specjalistyczny sprzęt, wyspecjalizowane dane i wyspecjalizowanych specjalistów. Chociaż są one powszechne do dnia dzisiejszego, liczba zintegrowanych aplikacji znacznie wzrosła, ponieważ technologia geoprzestrzenna została połączona z szerszymi aplikacjami korporacyjnymi, współdzielącą infrastrukturę IT, bazy danych i oprogramowanie, często przy użyciu platform integracyjnych dla przedsiębiorstw, takich jak SAP .

Wdrażanie GIS często zależy od jurysdykcji (np. miasta), celu lub wymagań aplikacji. Ogólnie rzecz biorąc, wdrożenie GIS może być zaprojektowane na zamówienie dla organizacji. W związku z tym wdrożenie GIS opracowane dla aplikacji, jurysdykcji, przedsiębiorstwa lub celu niekoniecznie musi być interoperacyjne lub kompatybilne z GIS opracowanym dla innej aplikacji, jurysdykcji, przedsiębiorstwa lub celu.

GIS przechodzi również na usługi lokalizacyjne , które pozwalają urządzeniom mobilnym z GPS-em wyświetlać swoją lokalizację w odniesieniu do obiektów stałych (najbliższa restauracja, stacja benzynowa, hydrant) lub obiektów mobilnych (znajomi, dzieci, radiowóz) lub przekazują swoją pozycję z powrotem do centralnego serwera w celu wyświetlenia lub innego przetwarzania.

Otwarte standardy konsorcjum geoprzestrzennego

Open Geospatial Consortium (OGC) jest międzynarodowym konsorcjum przemysł z 384 firm, agencji rządowych, uczelni wyższych i jednostek uczestniczących w procesie konsensusu rozwijać publicznie dostępnych specyfikacji geoprzetwarzania. Otwarte interfejsy i protokoły zdefiniowane w specyfikacjach OpenGIS obsługują rozwiązania interoperacyjne, które „geouaktywniają” sieć, usługi bezprzewodowe i oparte na lokalizacji oraz główny nurt IT, a także umożliwiają twórcom technologii udostępnianie złożonych informacji przestrzennych i usług oraz ich przydatność we wszystkich rodzajach aplikacji . Protokoły Open Geospatial Consortium obejmują Web Map Service i Web Feature Service .

Produkty GIS są podzielone przez OGC na dwie kategorie, w zależności od tego, jak całkowicie i dokładnie oprogramowanie spełnia specyfikacje OGC.

Standardy OGC ułatwiają komunikację narzędzi GIS.

Produkty zgodne to oprogramowanie zgodne ze specyfikacjami OpenGIS firmy OGC. Gdy produkt został przetestowany i certyfikowany jako zgodny w ramach programu testowania OGC, produkt jest automatycznie rejestrowany jako „zgodny” w tej witrynie.

Produkty implementujące to oprogramowanie, które implementuje specyfikacje OpenGIS, ale nie przeszło jeszcze testu zgodności. Testy zgodności nie są dostępne dla wszystkich specyfikacji. Deweloperzy mogą zarejestrować swoje produkty jako implementujące szkice lub zatwierdzone specyfikacje, chociaż OGC zastrzega sobie prawo do przeglądania i weryfikacji każdego wpisu.

Mapy internetowe

W ostatnich latach nastąpiła popularyzacja bezpłatnego i łatwo dostępnego oprogramowania do mapowania, takiego jak zastrzeżone aplikacje internetowe Google Maps i Bing Maps , a także bezpłatna i otwarta alternatywa OpenStreetMap . Usługi te dają społeczeństwu dostęp do ogromnych ilości danych geograficznych, postrzeganych przez wielu użytkowników jako tak samo wiarygodne i użyteczne jak informacje profesjonalne.

Niektóre z nich, jak Google Maps i OpenLayers , udostępniają interfejs programowania aplikacji (API), który umożliwia użytkownikom tworzenie własnych aplikacji. Te zestawy narzędzi zwykle oferują mapy ulic, zdjęcia lotnicze/satelitarne, geokodowanie, wyszukiwanie i funkcje wyznaczania tras. Mapowanie internetowe odkryło również potencjał crowdsourcingu geodanych w projektach takich jak OpenStreetMap , który jest wspólnym projektem mającym na celu stworzenie bezpłatnej, edytowalnej mapy świata. Udowodniono, że te mashupowe projekty zapewniają wysoki poziom wartości i korzyści dla użytkowników końcowych poza tym, co jest możliwe dzięki tradycyjnym informacjom geograficznym.

Dodanie wymiaru czasu

Stan powierzchni, atmosfery i podpowierzchni Ziemi można badać, przesyłając dane satelitarne do GIS. Technologia GIS daje naukowcom możliwość badania zmian zachodzących na Ziemi na przestrzeni dni, miesięcy i lat. Na przykład zmiany w wigoru wegetacji w okresie wegetacyjnym można animować, aby określić, kiedy susza była najbardziej rozległa w danym regionie. Wynikowa grafika przedstawia przybliżoną miarę zdrowia roślin. Praca z dwiema zmiennymi w czasie umożliwiłaby naukowcom wykrycie regionalnych różnic w opóźnieniu między spadkiem opadów a jego wpływem na roślinność.

Technologia GIS oraz dostępność danych cyfrowych w skali regionalnej i globalnej umożliwiają takie analizy. Sygnał wyjściowy czujnika satelitarnego używany do generowania grafiki roślinności jest wytwarzany na przykład przez zaawansowany radiometr o bardzo wysokiej rozdzielczości (AVHRR). Ten system czujników wykrywa ilości energii odbitej od powierzchni Ziemi w różnych pasmach widma dla obszarów powierzchni około 1 kilometra kwadratowego. Czujnik satelitarny dwa razy dziennie tworzy obrazy określonej lokalizacji na Ziemi. AVHRR, a ostatnio spektroradiometr do obrazowania o średniej rozdzielczości (MODIS) to tylko dwa z wielu systemów czujników używanych do analizy powierzchni Ziemi.

Oprócz integracji czasu w badaniach środowiskowych, GIS jest również badany pod kątem jego zdolności do śledzenia i modelowania postępów ludzi w ich codziennych czynnościach. Konkretnym przykładem postępu w tej dziedzinie jest niedawne opublikowanie przez amerykański spis ludności danych dotyczących populacji według czasu . W tym zestawie danych populacje miast są pokazane dla godzin dziennych i wieczornych, podkreślając wzorzec koncentracji i dyspersji generowany przez wzorce dojazdów do pracy w Ameryce Północnej. Manipulacja i generowanie danych wymaganych do wygenerowania tych danych nie byłyby możliwe bez GIS.

Wykorzystanie modeli do projekcji danych przechowywanych przez GIS w czasie umożliwiło planistom testowanie decyzji politycznych przy użyciu systemów wspomagania decyzji przestrzennych .

Semantyka

Narzędzia i technologie wschodzące z World Wide Web Consortium „s Semantic Web okazują się użyteczne dla integracji danych problemów w systemach informatycznych. Odpowiednio, takie technologie zostały zaproponowane jako środek ułatwiający interoperacyjność i ponowne wykorzystanie danych między aplikacjami GIS. a także umożliwienie nowych mechanizmów analizy.

Ontologie są kluczowym elementem tego podejścia semantycznego, ponieważ umożliwiają formalną, czytelną maszynowo specyfikację pojęć i relacji w danej dziedzinie. To z kolei pozwala GISowi skupić się na zamierzonym znaczeniu danych, a nie na ich składni lub strukturze. Na przykład rozumowanie, że typ pokrycia terenu sklasyfikowany jako drzewa iglaste liściaste w jednym zbiorze danych jest specjalizacją lub podzbiorem typu lasu o typie pokrycia terenu w innym, bardziej z grubsza sklasyfikowanym zbiorze danych, może pomóc GIS w automatycznym połączeniu dwóch zbiorów danych w ramach bardziej ogólnej klasyfikacji pokrycia terenu. Wstępne ontologie zostały opracowane w obszarach związanych z GIS, na przykład ontologia hydrologia opracowany przez Ordnance Survey w Wielkiej Brytanii i słodkim ontologie opracowane przez NASA „s Jet Propulsion Laboratory . Również prostsze ontologie i standardy metadanych semantycznych są proponowane przez Grupę W3C Geo Incubator do reprezentowania danych geoprzestrzennych w sieci. GeoSPARQL jest standardem opracowanym przez Ordnance Survey, United States Geological Survey , Natural Resources Canada , Australia's Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization i inne, aby wspierać tworzenie i wnioskowanie ontologii przy użyciu dobrze rozumianych literałów OGC (GML, WKT), relacji topologicznych (Simple Funkcje, RCC8, DE-9IM), RDF i protokoły zapytań do bazy danych SPARQL .

Najnowsze wyniki badań w tym zakresie można zobaczyć na International Conference on Geospatial Semantics oraz Terra Cognita – Directions to the Geospatial Semantic Web podczas warsztatów International Semantic Web Conference.

Implikacje GIS dla społeczeństwa

Wraz z popularyzacją GIS w procesie podejmowania decyzji naukowcy zaczęli analizować społeczne i polityczne implikacje GIS. GIS może być również nadużywany do zniekształcania rzeczywistości w celu uzyskania korzyści indywidualnych i politycznych. Argumentowano, że produkcja, dystrybucja, wykorzystanie i reprezentacja informacji geograficznej są w dużej mierze związane z kontekstem społecznym i mogą potencjalnie zwiększyć zaufanie obywateli do rządu. Inne powiązane tematy obejmują dyskusję na temat praw autorskich , prywatności i cenzury . Bardziej optymistycznym podejściem społecznym do przyjęcia GIS jest wykorzystanie go jako narzędzia udziału społeczeństwa.

W edukacji

Pod koniec XX wieku GIS zaczął być rozpoznawany jako narzędzie, które można wykorzystać w klasie. Korzyści płynące z GIS w edukacji wydają się skoncentrowane na rozwijaniu myślenia przestrzennego , ale nie ma wystarczającej bibliografii lub danych statystycznych, aby pokazać konkretny zakres wykorzystania GIS w edukacji na całym świecie, chociaż ekspansja była szybsza w tych krajach, w których program nauczania wspomina o nich.

GIS wydają się mieć wiele zalet w nauczaniu geografii, ponieważ pozwalają na analizy oparte na rzeczywistych danych geograficznych, a także pomagają stawiać wiele pytań badawczych nauczycielom i uczniom w klasach, a także przyczyniają się do poprawy uczenia się poprzez rozwijanie myślenia przestrzennego i geograficznego oraz, w wielu przypadkach motywacja studentów.

W samorządzie lokalnym

GIS sprawdził się jako trwała technologia obejmująca całą organizację, korporacyjna i stale zmieniająca sposób działania władz lokalnych. Agencje rządowe przyjęły technologię GIS jako metodę lepszego zarządzania następującymi obszarami organizacji rządowej:

• Działy rozwoju gospodarczego wykorzystują interaktywne narzędzia mapowania GIS, agregowane z innymi danymi (demograficznymi, siłą roboczą, biznesem, przemysłem, talentami) wraz z bazą danych dostępnych obiektów komercyjnych i budynków w celu przyciągnięcia inwestycji i wsparcia istniejącego biznesu. Firmy podejmujące decyzje dotyczące lokalizacji mogą korzystać z narzędzi do wybierania społeczności i witryn, które najlepiej odpowiadają ich kryteriom sukcesu. GIS Planning to wiodący w branży dostawca internetowych narzędzi danych GIS służących rozwojowi gospodarczemu i przyciąganiu inwestycji. Usługa firmy Financial Times — oprogramowanie ZoomProspector Enterprise i Intelligence Components firmy GIS Planning jest używane na całym świecie. Obejmuje to 30 stanowych organizacji rozwoju gospodarczego w Stanach Zjednoczonych, większość ze 100 największych obszarów miejskich w Ameryce Północnej oraz szereg agencji przyciągających inwestycje w Europie i Ameryce Łacińskiej.
• Operacje bezpieczeństwa publicznego, takie jak centra operacyjne w sytuacjach kryzysowych, zapobieganie pożarom, technologia mobilna i dyspozytorska policji i szeryfa oraz mapowanie zagrożeń pogodowych.
• Wydziały parków i rekreacji oraz ich funkcje w zakresie inwentaryzacji majątku, ochrony gruntów, gospodarki gruntami i zarządzania cmentarzami.
• Roboty publiczne i usługi komunalne, śledzenie kanalizacji wodno-kanalizacyjnej, urządzeń elektrycznych, projektów inżynieryjnych oraz zasobów i trendów transportu publicznego.
• Zarządzanie siecią światłowodową dla międzywydziałowych aktywów sieciowych
• Szkolne dane analityczne i demograficzne, zarządzanie aktywami oraz planowanie doskonalenia/rozbudowy
• Administracja publiczna dla danych wyborczych, ewidencji majątku i zagospodarowania przestrzennego/zarządzania.

Inicjatywa Open Data skłania samorządy do korzystania z technologii, takich jak technologia GIS, ponieważ obejmuje ona wymagania dotyczące modelu przejrzystości Open Data/Open Government. Dzięki Open Data organizacje samorządowe mogą wdrażać aplikacje Citizen Engagement i portale internetowe, umożliwiając obywatelom przeglądanie informacji o gruntach, zgłaszanie dziur i problemów z oznakowaniem, przeglądanie i sortowanie parków według aktywów, wyświetlanie w czasie rzeczywistym wskaźników przestępczości i napraw mediów oraz wiele więcej. Nacisk na otwarte dane w organizacjach rządowych napędza wzrost wydatków samorządowych na technologię GIS i zarządzanie bazami danych.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

• Jagoda, JK (1993). Poza mapowaniem: koncepcje, algorytmy i problemy w GIS . Fort Collins, Kolorado: GIS World Books.
• Bolstad, P. (2005). Podstawy GIS: pierwszy tekst na temat systemów informacji geograficznej, wydanie drugie . White Bear Lake, MN: Eider Press, 543 s.
• Burrough, PA i McDonnell, RA (1998). Zasady systemów informacji geograficznej . Oxford University Press , Oksford, 327 s.
• Buzai, GD; Robinson, D. (2010). „Systemy informacji geograficznej w Ameryce Łacińskiej, 1987-2010. Wstępny przegląd” . Dziennik Geografii Ameryki Łacińskiej . 9 (3): 9–31. doi : 10.1353/lag.2010.0027 . S2CID  145614154 .
• Chang, K. (2007). Wprowadzenie do Systemu Informacji Przestrzennej, wydanie 4 . McGraw Hill, ISBN  978-0071267588
• de Smith MJ, Goodchild MF, Longley PA (2007). Analiza geoprzestrzenna: kompleksowy przewodnik po zasadach, technikach i narzędziach programowych (wyd. 2). Trubador, Wielka Brytania. Numer ISBN 978-1848761582.
• Elangovan, K. (2006). „GIS: Fundamentals, Applications and Implementations”, New India Publishing Agency, New Delhi” 208 s.
• Fu, P. i J. Sun (2010). Web GIS: zasady i aplikacje . ESRI Prasa. Redlands, Kalifornia. ISBN  1-58948-245-X .
• Harvey, Franciszek (2008). Elementarz GIS, Podstawowe pojęcia geograficzne i kartograficzne. The Guilford Press, 31 s.
• Heywood, I., Cornelius, S. i Carver, S. (2006). Wprowadzenie do systemów informacji geograficznej . Sala Prezydencka. Wydanie III.
• Longley, PA , Goodchild, MF , Maguire, DJ i Rhind, DW (2005). Systemy informacji geograficznej i nauka . Chichester: Wiley. Wydanie II.
• Maguire, DJ, Goodchild MF, Rhind DW (1997). „Systemy informacji geograficznej: zasady i zastosowania” Longman Scientific and Technical, Harlow.
• Maliene V, Grigonis V, Palevičius V, Griffiths S (2011). „System informacji geograficznej: stare zasady z nowymi możliwościami”. Urbanistyka Międzynarodowy . 16 (1): 1–6. doi : 10.1057/udi.2010.25 . S2CID  110827951 .
• Mennecke, Brian E.; Lawrence, A. West Jr. (październik 2001). „Systemy informacji geograficznej w krajach rozwijających się: zagadnienia gromadzenia, wdrażania i zarządzania danymi” . Journal of Global Information Management . 9 (4): 45–55. doi : 10.4018/jgim.2001100103 .
• Ott, T. i Światowy, F. (2001) . GIS integrujący czas. Zarządzanie i analiza danych przestrzenno-czasowych , Berlin / Heidelberg / Nowy Jork: Springer.
• Sajeevan G. (marzec 2008). „Szerokość i długość geograficzna – nieporozumienie” (PDF) . Aktualna nauka . 94 (5): 568.
• Sajeevan G (2006). „Dostosuj i wzmocnij” . Geoprzestrzenne dzisiaj . 4 (7): 40–43.
• Thurston, J., Poiker, TK i J. Patrick Moore. (2003). Zintegrowane technologie geoprzestrzenne: przewodnik po GPS, GIS i rejestrowaniu danych . Hoboken, New Jersey: Wiley.
• Roger F. Tomlinson (2007). Z myślą o GIS: Planowanie systemu informacji geograficznej dla menedżerów . ESRI, Inc. ISBN 978-1-58948-158-9.
• Robotnicy, Michael; Kaczka, Matt (2004). GIS: perspektywa obliczeniowa . Boca Raton: CRC Press. Numer ISBN 978-0415283755.
• Wheatley, David i Gillings, Mark (2002). Technologia i archeologia przestrzenna. Archeologiczne zastosowanie GIS . Londyn, Nowy Jork, Taylor i Francis.
• Holdstock, David (2017). Strategiczne planowanie i zarządzanie GIS w samorządzie terytorialnym . Boca Raton, FL: CRC Press. Numer ISBN 9781466556508.

Zewnętrzne linki

• Multimedia związane z systemami informacji geograficznej w Wikimedia Commons