Географски информацијски систем

Географски информацијски сустав (ГИС) је сустав за управљање просторним подацима и особинама придружених њима. У најстрожем смислу то је рачунални сустав способан за интегрирање, спремање, уређивање, анализирање и приказивање географских информација. У опћенитијем смислу ГИС је оруђе "паметне карте" које допушта корисницима стварање интерактивних упитника (истраживања која ствара корисник), анализирање просторних информација и уређивање података.

Технологија географског информацијског сустава може се користити за знанствена истраживања, управљање ресурсима, имовинско управљање, планирање развоја, картографију и планирање пута. ГИС би на примјер могао допуштати планерима у случају опасности да лако израчунају вријеме потребно за одговор у случају природне катастрофе или би се пак могао користити за проналажење мочвара које требају заштиту од онечишћења.

Повијест развоја

Спиљски цртеж из Ласцауxа

Још прије око 15.500 година на зидовима у шпиљама близу Ласцауxа у Француској кромањонски ловци су нацртали слике животиња које су уловили. Придружене животињским цртежима су и стазе за које се претпоставља да приказују миграцијске путове. Ти рани записи слиједили су двоелементну структуру модерног географског информацијског сустава: сликовна датотека повезана је с атрибутном базом података.

У 18. стољећу провеле су се сувремене геодетске технике за топографско картирање уз раније верзије тематског картирања, нпр. за знанствене податке или податке пописа становништва.

Рано 20. стољеће доживјело је развој "фотографске литографије" у којој су карте биле одвојене у слојеве. Развој рачуналног хардвера потакнутог истраживањем нуклеарног оружја водио је примјенама рачуналног "картирања" опће намјене у раним 1960-им.

Године 1967. развој првог правог свјетског операцијског ГИС-а у Оттаwи, Онтарио потакнуло је федерално Министарство енергије, рударства и ресурсâ. Развио га је Рогер Томлинсон, а назван је "Канадским ГИС-ом" (Цанадиан ГИС; ЦГИС) и користио се за спремање, анализирање и руковање подацима прикупљенима за Канадски земљишни инвентар (Цанадиан Ланд Инвенторy; CLI)—иницијатива за одређивање способности земље у руралној Канади картирањем информација о тлу, пољопривреди, рекреацији, дивљини, воденим птицама, шумарству и употреби земљишта у мјерилу 1:250,000. Класификацијски фактор процјене такођер је додан како би допустио анализу.

ЦГИС је био први свјетски "сустав" као и побољшање над примјенама "картирања" пошто је допуштао могућности преклапања, мјерења, дигитализирања/скенирања, а подржавао је национални координатни сустав који се проширио континентом, кодиране линије попут "лукова" имале су праву уграђену топологију, те је спремао особине и локацијске информације у одвојене датотеке. Његов оснивач, географ Рогер Томлинсон, постао је познат као "отац ГИС-а".

ЦГИС, који је трајао до 1990-их, изградио је највећу дигиталну базу података о земљишним ресурсима у Канади. Развио се као главни базиран сустав у потпори федералног и провинцијског планирања и управљања ресурсима. Његова снага је била у анализи комплексних податковних скупова широм континента. ЦГИС никад није био доступан у комерцијалном облику. Његов почетни развој и успјех потакнуо је различите комерцијалне примјене картирања које су продавали продавачи попут Интерграпха. Развој микрорачуналног хардвера проширили су продавачи попут ЕСРИ-а, МапИнфо-а и ЦАРИС-а како би успјешно унијели многа обиљежја ЦГИС-а, повезујући приступ 1. генерације на одвајање просторних и атрибутних информација с приступом 2. генерације на организирање атрибутних података у структуре база података. Раст индустрије тијеком 1980-их и 1990-их убрзан је растућом употребом ГИС-а на УНИX-овим радним станицама те особним рачуналима. До краја 20. стољећа брзи раст у различитим суставима учврстио се и стандардизирао на релативно мало платформи па су корисници почели извозити концепт гледања ГИС података преко Интернета, тражећи обликовање података и пријеносне стандарде.

Технике кориштене у ГИС-у

Сродне информације из више извора

Ако се могу повезати информације о оборинама неке државе са зрачним снимцима одређене регије у тој држави, могло би се рећи које ће се мочваре осушити у одређено вријеме у години. ГИС, који користи информације из различитих извора у различитим облицима, може помоћи при таквим анализама. Примарни захтјев за изворне податке састоји се од познавања положаја за варијабле. Положај се може означити x, y и з координатама земљописне дужине, ширине и надморске висине или другим геокодним суставима попут ЗИП Цодеа или цестовним миљоказима. Свака варијабла која се може просторно смјестити може се похранити у ГИС-у. Неколико рачуналних база података које се изравно могу унијети у ГИС тренутно стварају владине агенције и невладине организације. Различите се врсте података у облику карте могу унијети у ГИС.

ГИС такођер може претварати постојеће дигиталне информације, које можда још нису у облику карте, у облике које може препознати и користити. На примјер, дигиталне сателитске слике створене даљинским снимањем могу се анализирати како би створиле карти сличан слој дигиталних информација о вегетацијском покривачу. Други поприлично развијен извор за именовање ГИС објеката је Геттyјев лексикон географских имена (Геттy Тхесаурус оф Геограпхиц Намес; ГТГН) (ГЛГИ), која је структуриран рјечник који садржи око 1,000,000 имена и других информација о мјестима [1] Архивирано 2005-09-23 на Wаyбацк Мацхине-у.

Једнако се тако подаци о попису становништва или хидролошки таблични подаци могу претворити у облик карте, служећи као слојеви тематских информација у ГИС-у.

Приказ података

ГИС подаци представљају објекте у стварном свијету(цесте, употребу земљишта, висину) помоћу дигиталних података. Објекти у стварном свијету могу се подијелити у двије апстракције: засебни објекти (куће) и непрекинута поља (количина оборина или висина). За обје апстракције постоје двије широке методе кориштене у спремању података у ГИС-у: растерска и векторска метода.

Тип растерских података састоји се од редова и ступаца ћелија гдје се у свакој ћелији спрема појединачна вриједност. Врло често су растерски подаци слике (растерске слике), али уз саму боју, вриједност записана за сваку ћелију може бити засебна вриједност, попут земљишне употребе, непрекинута вриједност, попут оборина, или никаква вриједност ако није доступан ниједан податак. Док растерска ћелија спрема појединачну вриједност, она се може проширити употребом растерских пруга за приказ РГБ (зелене, црвене и плаве) боја, обојених карата (картирање између тематског кода и РГБ вриједности) или проширене атрибутне таблице с једним редом за сваку јединствену вриједност ћелије. Разлучивост растерског скупа података је његова ширина ћелије у земљишним јединицама. На примјер, једна ћелија растерске слике представља један метар на земљи. Обично ћелије представљају квадратна подручја земље, али се могу користити и остали облици.

Тип векторских података за приказ објеката користи геометрију попут точака, линија (серије точкастих координата) или полигона, такођер званих подручјима (облици омеђени линијама). Примјери укључују границе посједа за стамбену подјелу приказане полигонима и положаје извора приказане точкама. Векторска се обиљежја могу направити како би поштивала просторни интегритет кроз примјену тополошких правила попут онога да се 'полигони не смију преклапати'. Векторски се подаци могу такођер користити за приказ непрекинуто варирајућих појава. Изолиније и триангулиране неправилне мреже (ТНМ; енг. триангулатед иррегулар нетwоркс или ТИН) користе се за приказивање висине или других непрестано промјењивих вриједности. ТНМ-ове записане вриједности на точкастим положајима, које су повезане правцима како би обликовале неправилну мрежу трокута. Лице трокутова приказују површину терена.

Постоје предности и недостаци употребе растерских или векторских податковних модела за приказивање стварности. Растерски податковни скупови записују вриједност свих точака на покривеном подручју које може захтијевати више мјеста за спремање података него што приказује податке у векторском облику који може спремити податке само ондје гдје је потребно. Растерски подаци такођер допуштају лако провођење преклапајућих операција, које су много теже с векторским подацима. Векторски се подаци могу приказати као векторска графика кориштена на традиционалним картама за разлику од растерских података који ће се појавити као слика која би могла имати блокирајући изглед за границе објеката.

Додатни се непросторни подаци такођер могу похранити осим просторних података представљених координатама векторске геометрије или положајем растерске ћелије. У векторским подацима додатни су подаци обиљежја објекта. На примјер, полигон шумског инвентара може имати и идентифирајућу вриједност и информације о врстама стабала. У растерским подацима вриједност ћелије може похранити атрибутну информацију, али се може користити и као идентификатор који се може повезати са записима у другој таблици.

Снимање података

Снимање података—унос информација у сустав—одузима велик дио времена ГИС техничарима. Стога постоје различите врсте метода које се користе за уношење података у ГИС у којему се спремају у дигиталном облику.

Постојећи подаци отиснути на папиру или мyлар картама могу се дигитализирати или скенирати ради производње дигиталних података. Дигитализатор производи векторске податке док оператор биљежи точке, линије и полигонске границе с карте. Скенирање карте резултира у растерским подацима који се даље могу обрађивати за стварање векторских података.

Геодетски подаци могу се изравно унијети у ГИС из суставâ прикупљања дигиталних података на геодетским инструментима. Положаје с глобалног позицијског сустава (ГПС), другог геодетског алата, такођер се могу изравно унијети у ГИС.

Даљинско снимљени подаци играју важну улогу у прикупљању података, а састоје се од сензора причвршћених на платформи. Сензори укључују камере, дигиталне скенере и ЛИДАР, док се платформе обично састоје од летјелица и сателита.

У овом тренутку већина дигиталних података долази из фотографске интерпретације зрачних снимака. Радне станице меке копије користе се за дигитализирање обиљежја изравно са стерео пара дигиталних фотографија. Ти сустави допуштају да се подаци сниме у 2 или 3 димензије с висинама измјеренима изравно са стерео пара употребом фотограметријских принципа. Тренутно се аналогни зрачни снимци скенирају прије него што се унесу у сустав меке копије, али како дигиталне камере високе квалитете постају све јефтинијима тај ће се корак убудуће прескакати.

Сателитско даљинско снимање омогућује други важни извор просторних података. Овдје сателити користе различите сензорне пакете да пасивно измјере рефлексију из дијелова електромагнетског спектра или радио валова који су послани с активног сензора као што је радар. Даљинско снимање прикупља растерске податке који се даље могу обрађивати ради идентифицирања објеката и разреда занимања, попут земљишног покривача.

Када се подаци сниме, корисник би требао узети у обзир да ли би се подаци требали снимити или с релативном или с апсолутном поузданости, пошто то не утјече само на начин интерпретације информација већ и на цијену снимања података.

Поред прикупљања и уношења просторних података, атрибутни се подаци такођер уносе у ГИС. За векторске податке то укључује додатне информације о објектима приказанима у суставу.

Након уношења података у ГИС он обично захтијева уређивање, ради уклањања погрешака, или даљње обрађивање. За векторске се податке ГИС мора направити "тополошки исправним" прије него што се користи у напредној анализи. У цестовној се мрежи, примјерице, линије морају повезати с чвориштима на раскрижју. Погрешке попут прелажења испод или изнад такођер се морају уклонити. За скениране се карте грешке на изворној карти можда морају уклонити од резултирајућег растера. Тако на примјер мрља нечистоће може повезати двије линије које не би требале бити повезане.

Руковање подацима

Реструктурирање података може се извести ГИС-ом како би се подаци претворили у различите облике. ГИС се може, примјерице, користити за претварање сателитске карте у векторску структуру тако да се створе линије око свих ћелија с једнаком класификацијом, док се истодобно одређују просторни односи ћелија попут граничности или припадности.

Будући да се дигитални подаци прикупљају и спремају на различите начине, два извора података не морају бити у потпуности компатибилна. Стога ГИС мора бити у могућности претворити географске податке из једне структуре у другу.

Пројекције, координатни сустав и регистрација

Карте имовинског власништва и карте тла могу приказивати податке у различитој мјери. Информације на карти морају се руковати у ГИС-у тако да их он регистрира или прилагоди информацијама прикупљенима с других карата. Прије него што се дигитални подаци анализирају, можда се морају подвргнути другим захватима—на примјер, пројекцијској и координатној трансформацији—који их интегрирају у ГИС.

Земља се може приказати различитим моделима од којих сваки може омогућити различити скуп координата (нпр. ширину, дужину, висину) за било коју дану точку на Земљиној површини. Најједноставнији модел претпоставља да је Земља савршена кугла. Пошто се прикупило све више мјерења о Земљи, модели који је приказују постају све софистициранијима и поузданијима. Заправо постоје модели који се примјењују на различитим подручјима на Земљи ради омогућавања повећане поузданости (нпр. Сјеверноамерички датум, 1983. - НАД83 - ради добро у Сјеверној Америци, али не и у Еуропи). Види Датум за више информација.

Пројекција је фундаментална саставница у стварању карата. Пројекција је математичко средство преношења информација са Земљиног модела, који представља тродимензионалну закривљену површину, на дводимензионално средство—папир или екран рачунала. Различите се пројекције користе за различите врсте карата, јер свака пројекција посебно одговара одређеним употребама. На примјер, пројекција која поуздано представља облике континената искривит ће њихове релативне величине.

Будући да већина информација у ГИС-у долази из постојећих карата, ГИС користи процесорску снагу рачунала за претварање дигиталних информација, прикупљених из извора с различитим пројекцијама и/или различитим координатним суставима, у уобичајену пројекцију и координатни сустав.

Просторна анализа ГИС-ом

Моделирање података

Тешко је повезати карте мочвара с количином оборина забиљеженом на различитим точкама попут аеродрома, телевизијских станица и средњих школа. ГИС се, пак, може користити за осликавање дводимензионалних или тродимензионалних карактеристика Земљине површине, литосфере и атмосфере с информацијских точака.

ГИС може, примјерице, брзо створити карту с линијама које означавају количину оборина.

Таква се карта може сматрати оборинском изолинијском картом. Многе софистициране методе могу процијенити карактеристике површина с ограниченог броја мјерних точака. Дводимензионална изолинијска карта створена из површинског моделирања оборинских мјерних точака може се преклопити и анализирати с било којом другом картом у ГИС-у која покрива исто подручје.

Тополошко моделирање

Да ли су се у протеклих 35 година отвориле бензинске станице или творнице које раде покрај мочвара? Неке које се налазе три километара и узбрдо од мочваре? ГИС може препознати и анализирати просторне односе који постоје унутар дигитално спремљених просторних података. Ти просторни односи допуштају да се изведу анализа и комплексно просторно моделирање. Тополошки односи између геометријских ентитета традиционално укључују граничност (што граничи с нечиме), садржај (што обухваћа нешто) и приближност (колико је нешто близу нечему другоме).

Мреже

Да су све творнице близу мочваре случајно испустиле истовремено кемикалије у ријеку, колико би онда требало времена одређеној количини загађивача да уђе и оштети мочварно спремиште? ГИС може симулирати кретање материјала дуж линеарне мреже. Вриједности попут нагиба, ограничења брзине, промјера цијеви могу се уврстити у мрежно моделирање ради много поузданијег приказивања тијека појаве. Мрежно моделирање се обично користи у прометном планирању, те хидролошком и инфраструктурном моделирању.

Картографско моделирање

Технике снажне анализе с растерским подацима.

Векторско преклапање

Комбинација два одвојена скупа просторних података (точака, линија и полигона) за стварање новог излазног скупа векторских података. Типично, атрибутне таблице двају улазних скупа векторских података добивају своја поља и вриједности спојене у атрибутну таблицу новога скупа излазних података. Ова преклапања су слична математичким Венновим дијаграмима. На примјер, "унијско преклапање" или "унија" типично обједињује сва географска обиљежја оба скупа векторских података у нови скуп излазних података.

Просторна статистика

Употреба геостатистике за предвиђање поља из точака. Анализа точкастог обрасца. Начин гледања на статистику просторних података. Оно што је чини јединственом од осталих врста статистике је употреба теорије графова и матричне алгебре за редуцирање бројности параметара у подацима који се анализирају. То је неопходно јер су стварно другоразредна својства ГИС података који требају анализу.

ГеоКодирање

Израчунавање просторних положаја (X, Y координата) из уличних адреса. Референтна тема је потребна за геокодирање индивидуалних адреса као што је датотека средишње цестовне линије с дометима адресе. Положаји индивидуалних адреса се интерполирају или процјењују проучавањем домета адреса дуж цестовног сегмента. Они су обично доступни у облику таблице или базе података. ГИС тада смјешта точку приближно ондје гдје адреса припада дуж сегмента средишње линије. На примјер, адресна точка 500 бит ће у средишњој точки линијског сегмента који почиње адресом 1 и завршава адресом 1000. Геокодирање се такођер може примијенити за актуалне податке о парцелама, типично с опћинских порезних карата. У том ће случају резултат геокодирања бити позициониран простор насупрот интерполираној точки.

Треба се напоменути да постоји неколико (могуће опасних) погрешака које се често не опазе приликом употребе интерполације. За више информација види цијели чланак о геокодирању.

Различити алгоритми се користе ради помагања у проналаску адреса код којих се правилно писање разликује. Информације о адресама које имају податке о посебном ентитету или организацији, попут поштанског уреда, не могу у потпуности пронаћи референтну тему. Могле би постојати и варијације у писању назива улица, друштвених имена, итд. Коначно, корисник опћенито може одредити критериј проналажења строжим или опустити те параметре тако да се картира више адреса. Мора се пазити тако да не буде погрешно картираних адреса које би настале захваљујући ревним параметрима проналажења.

Обрнуто геокодирање

Обрнуто геокодирање је процес враћања процијењеног уличног броја који се односи на дану координату. На примјер, корисник може кликнути на тему средишње цестовне линије (тако достављајући координату) и повратити информацију која одражава процијењени кућни број. Тај кућни број се интерполира од досега додијељеном том цестовном сегменту. Ако корисник кликне на средишњу точку сегмента који почиње с адресом 1 и завршава са 100, повратна вриједност бит ће негдје близу 50. Треба се опазити да обрнуто геокодирање не враћа стварне адресе, већ само процјењује од онога што би требало бити темељено на предодређеном досегу.

Излазни подаци и картографија

Картографија је дизајн и продукција карата или визуалног приказа просторних података. Огромна већина модерне картографије зависи о помоћи рачунала, обично уз употребу ГИС-а. Већина ГИС софтвера даје кориснику знатну контролу над изгледом података.

Картографски рад служи двјема главним функцијама:

Прво, он производи цртеже на екрану или папиру које преносе резултате анализе људима који стварају одлуке о ресурсима. Зидне се карте и остали цртежи могу произвести, омогућујући гледатељу да визуализира и притом разумије резултате анализа или симулација могућих догађаја. Wеб Мап Сервери олакшавају дистрибуцију створених карата путем wеб технологије.

Друго, остале информације из базе података могу се створити ради даљње анализе или употребе. Примјерице, попис свих адреса унутар 1 километра од средишта токсичног изљева.

Технике графичког приказа

Традиционалне карте апстракције су реалног свијета, узорци важних елемената осликаних на листу папира са симболима који приказују физичке објекте. Људи који користе карте морају знати интерпретирати те симболе. Топографске карте показују облик Земљине површине изолинијама; стваран Земљин облик може се видјети само у мислима.

Данашње технике графичког приказа, попут сјенчања које се темељи на висини у ГИС-у, могу учинити односе међу елементима карте видљивима, повисујући нечију способност да извлачи и анализира информацију. Примјерице, двије се врсте података спајају у ГИС-у да би произвеле перспективни поглед или дио округа Сан Матео у Калифорнији.

• Дигитални висински модел, који се састоји од висина површине записаних на 30-метарској водоравној мрежи, показује велике висине бијелима а малене висине црнима.
• Попратна слика Ландсатова тематског картографа показује инфрацрвену слику накнадно обојану која представља исто подручје у 30-метарским пикселима, или елементима слике, за исте координатне точке, пиксел по пиксел, као висинске информације.

ГИС се користио за регистрирање и спајање двију слика ради приказивања тродимензионалног перспективног погледа расједа Сан Андреас употребом сликовних пиксела тематског картографа, али осјенчаног кориштењем висине рељефа. ГИС приказ овиси о точки гледалишта проматрача и дневном времену приказа, како би одговарајуће приказао сјене створене сунчаним зракама на тој ширини, дужини и времену тијеком дана.

ГИС софтвер

Види Попис ГИС софтвера.

Будућност ГИС-а

Многе дисциплине могу извући корист из ГИС техника. Активно ГИС тржиште је резултирало нижим цијенама и непрестаним побољшањима хардверских и софтверских компонената ГИС-а. Ти развоји ће, један за другим, резултирати у много широј употреби технологије у знаности, управи, трговини и индустрији с примјенама у некретнинама, јавном здравству, картирању криминала, националној обрани, одрживом развоју, природним ресурсима, промету & логистици.

ОГЦ стандарди

• Опен Геоспатиал Цонсортиум (ОГЦ)

Глобалне промјене и програм климатске повијести

Карте су се традиционално користиле за истраживање Земље и искориштавање њених богатстава. ГИС технологија, као проширење картографске знаности, унаприједила је учинковитост и аналитичку снагу традиционалног картирања. Данас, када знанствена заједница препознаје посљедице људске активности на околину, ГИС технологија постаје значајни алат у настојању разумијевања процеса глобалних промјена. Различите карте и извори сателитских информација могу се спајати на начине који симулирају интеракције комплексних природних сустава.

Кроз функцију познату као визуализација, ГИС се може користити за израду слика - не само карата, него и цртежа, анимација и осталих картографских производа. Те слике допуштају истраживачима да виде своје предмете на начине који дословно никад прије нису виђени. Слике су често једнако корисне незнанственицима у преношењу техничких концепата предмета проучаваних ГИС-ом.

Додавање временске димензије

Стање Земљине површине, атмосфере и литосфере може се проучавати похрањивањем сателитских података у ГИС. ГИС технологија даје истраживачима могућност да проучавају различитости у Земљиним процесима тијеком дана, мјесеци и година.

Примјер промјене вегетацијске виталности тијеком раздобља раста може се анимирати ради одређивања времена када је суша најраширенија у одређеној регији. Резултирајући цртеж, познат као нормализиран вегетацијски индекс, представља грубу мјеру здравља биљака. Радећи с двије варијабле тијеком времена, омогућило би истраживачима детектирање регионалних разлика у застоју између смањења оборина и њиховог учинка на вегетацију.

ГИС технологија и доступност дигиталних података омогућује такве анализе у регионалном и глобалном мјерилу. Сателитски сензорни излаз кориштен за стварање вегетацијског цртежа производи Напредни радиометар врло високе разлучивости (Адванцед Верy Хигх Ресолутион Радиометер; АВХРР) или НРВВР. Тај сензорни сустав детектира количине енергије одражене од Земљине површине преко различитих спектралних валних дуљина за површинска подручја од око 1 квадратног километра. Сателитски сензор двапут дневно ствара слике одређеног положаја на Земљи. НРВВР је само један од многих сензорних сустава кориштених за анализу Земљине површине. Више сензора који ће слиједити, стварат ће све веће количине података.

ГИС и њему сродна технологија помоћи ће увелике у управљању и анализи тих великих обујмова података, допуштајући боље разумијевање терестричких процеса и боље управљање људским активностима за одржавање виталности свјетске економије и квалитете околине.

Повезано

• Дигитална растерска графика
• Геодезија
• Геоинформације
• Геоинформатика
• ГРАСС ГИС
• Картографија
• Опен Геоспатиал Цонсортиум
• Даљинско снимање
• Виртуални глобус

Извори

Географски информацијски систем на Wикимедијиној остави