§ 1. Картографическая информация — основа функционирования геоинформационных систем
§ 1. Картографическая информация — основа функционирования геоинформационных систем
Процессы управления всегда связаны с переработкой информации. Комплексное использование технических средств получения, передачи, обработки информации и, в первую очередь, использование быстродействующей электронно-вычислительной техники в условиях создаваемых автоматизированных систем управления (АСУ), важной составной частью которых являются геоинформационные системы (ГИС), способствует развитию и широкому применению информатики, кибернетики, системотехники, математических методов, играющих важную роль в решении теоретических и прикладных проблем управления. На современном этапе научным инструментом совершенствования управленческой работы является системный подход, рассматривающий любую область управления как систему динамичную, вероятностную, сложную, состоящую из функционально и структурно обособленных подсистем, образующих ряд уровней управления для достижения общей конечной цели. Важным преимуществом системного подхода является возможность моделирования информационных процессов с последующей реализацией этих моделей на компьютерной технике, что позволяет углубить анализ изучаемых процессов, а в дальнейшем использовать технические средства для синтеза систем на стадии их проектирования.
Функционирование ГИС в любой АСУ основывается на взаимодействии основных ее подсистем. Наиболее важной составляющей частью ГИС является ее информационное обеспечение (ИО). Под информационным обеспечением ГИС понимается вся совокупность информации о картографических объектах местности, способы ее представления, хранения, преобразования и передачи.
Раскроем подробнее смысл приведенного определения.
Топографическая карта представляет собой некое условное отображение большого количества разнообразных, тесно связанных между собой объектов местности и является сложной многоуровневой системой картографических объектов (на карте), каждое звено которой — система определенного уровня — имеет свою структуру, постоянно расширяется и развивается. Так, в условиях деятельности природных сил и человека любой объект на местности и, следовательно, его отображение на карте (картографический объект) изменяет свое местоположение и свои свойства (характеристики). Под местоположением и характеристикой картографического объекта понимаются данные об отображении конкретного объекта местности на карте. Формализованная информация о картографических объектах, их описание объединяются в картографические данные, которые являются обязательной составной частью любой ГИС.
Автоматизированная система управления, использующая для своего функционирования ГИС, с одной стороны, осуществляет управление на основе данных об объектах местности, а с другой — управляет этими объектами. Однако управление объектами местности в АСУ выполняется посредством управления картографическими объектами в ГИС, а через них и самими объектами на местности. Кибернетический подход допускает рассмотрение процессов управления картографическими объектами, прежде всего, как процессов преобразования информации.
Понятие картографической информации непосредственно связано с пониманием информации вообще. Поэтому рассмотрим суть самой информации.
Информация — понятие весьма широкое, многогранное, емкое по смыслу. Сегодня очень часто с легкостью заменяют обычные слова «сообщение», «данные», «новости», «сведения» на модное — «информация». И это не случайно, так как в основе информации лежат знания (сведения) о реальных объектах и явлениях и взаимосвязи между ними. То есть информация — отражение в человеческом сознании данных об объектах материального мира и определенных форм их взаимосвязи. Известное с античных времен, оно заключает в себе и важное философское понятие.
Суть философского понятия «информация» заключается в том, что она является отраженным разнообразием. Термин «разнообразие» означает нарушенное однообразие, которое восстанавливается при постоянном разнообразии. «Отраженное» надо понимать в том смысле, что нарушение имеет относительный смысл в зависимости от того, кто принимает информацию. Проще говоря, информация — это не столько то, что заключается в книге или топографической карте, а также, что очень важно, то новое, что из них получено.
Следовательно, вопреки распространенному мнению, факты или данные сами по себе ни о чем не говорят — они приобретают значение в сравнении с другими фактами или данными. К примеру, даже если красиво оформленная карта имеет множество картографических объектов, то это еще не вся информация. Какую-то относительно небольшую информацию может дать тот факт, что карта составлена в известной системе координат и системе условных знаков. Карта приобретет информационную суть, когда она будет «прочитана» и из нее получены новые сведения об объектах местности. Таким образом, информация — это что-то новое. Но всякое новое основывается на чем-то старом. Новое без старого не воспринимается так же, как и старое без нового. И это замечание особенно важно в картографии.
В геоинформационных системах наиболее распространенной является информация картографическая. Она представляет собой совокупность различных сведений об объектах местности, которые можно фиксировать, передавать, преобразовывать, хранить и использовать в системах управления. При этом применяются сведения о местоположении объектов и об их физических и других свойствах. В условиях конкретной АСУ совокупность данных образует систему картографической информации, которая обеспечивает взаимосвязь всех функций управления и служит основой принятия решений.
Изучение картографической информации, функционирующей в ГИС, подчиняется общим методам изучения информации и может рассматриваться в трех основных аспектах: прагматическом, семантическом и синтаксическом.
Прагматический аспект рассматривает информацию с точки зрения ее назначения и свойств. Он ориентирован на конкретных пользователей и заключается в следующем.
Во-первых, информация может быть полезной и бесполезной, т. е. ее следует рассматривать с точки зрения практической ценности для конкретной ГИС. В условиях создания информационного обеспечения прагматическое изучение информации позволяет установить необходимую и достаточную для принятия решений информацию по уровням управления, выделить ту, которая необходима для конкретной ГИС с позиций минимизации объемов информации.
Во-вторых, чтобы решить поставленную перед ней задачу, система должна иметь полную информацию, соответствующую предъявляемым требованиям. Но информация вообще, а картографическая в частности, никогда не бывает полной. Поэтому следует иметь в виду степень полноты.
В-третьих, еще одним свойством информации является достоверность (правильность сведений, передаваемых на определенное время). Достоверность связана с полнотой информации нелинейной зависимостью. На начальном этапе первые разрозненные сведения малоинформативны и не отражаются на природе достоверности. С увеличением количества сведений происходит пропорциональный рост достоверности, но до определенного критического уровня, когда сверхизбыточные сведения уже не влияют на достоверность.
На эту зависимость может накладываться другая — преднамеренное искажение (дезинформация), и тогда необходим метод, восстанавливающий естественную достоверность (реинформацию). Надо отметить, что дезинформация — не обязательно ложный факт. Это может быть реальный факт, но значение его искажено (преувеличено или преуменьшено).
В-четвертых, количественная оценка степени полноты и достоверности информации определяется важнейшим ее свойством — измеримостью. Это свойство на основе количественных показателей позволяет измерять, анализировать, сравнивать и преобразовывать количественную меру информации и, в частности, картографическую, независимо от ее физического происхождения.
В-пятых, чтобы получить полную достоверную информацию, требуется время, а информация стареет. Поэтому отметим еще одно свойство — современность (соответствие карты состоянию местности).
В-шестых, если сопоставить два свойства — полноту и современность, то можно определить оптимальное соотношение, когда информация является уже достаточно полной и еще достаточно свежей. В этом случае можно говорить о ее новом свойстве — ценности. Самая ценная информация — это достаточно полезная, полная, достоверная и новая.
Семантический аспект при изучении информации позволяет раскрыть ее содержание, отражающее состояние картографического объекта, вскрыть отношение между знаками, их предметными смысловыми значениями и выбрать смысловые единицы измерения картографической информации.
Семантический аспект способствует более полному выяснению, изучению состояний объектов местности, их характеристик, местоположения и повышает обоснованность принимаемых решений.
Для создания и совершенствования ГИС и систем обработки данных особое значение имеет рассмотрение картографической информации в синтаксическом аспекте, при котором вскрываются отношения между объектами системы независимо от смыслового содержания информации, характера ее использования. На основе измеримости информации разрабатываются ее количественные оценки, что на этом уровне позволяет получить данные для описания процессов преобразования информации, для выбора рациональных технологических вариантов обработки данных, для построения массивов картографической информации и систем ее передачи и т. д.
Сложность выбора количественных показателей и оценок информации на топографической карте обусловлена особенностью восприятия и использования картографических объектов различными пользователями.
В настоящее время существует два подхода к выработке количественных оценок информации. Первый основан на принятом К.Шенноном понятии численной меры неопределенности случайного опыта (вероятностный подход). Второй — на численной мере различия опыта (невероятностный подход или подход различия). Однако при всех подходах в основе количественной меры информации лежит функция величины энтропии, которая определяет также и методы оптимального кодирования картографической информации.
В условиях любой ГИС, как любой динамической системы, постоянно происходит множество различных событий. Происходят они и за пределами ГИС, оказывая на ее функционирование непосредственное влияние. ГИС должна обеспечить сбор необходимых данных, их обработку для получения информации, которая составит основу принимаемых управляющих решений.
Современные компьютеры расширяют сферу машинной обработки потоков информации, обеспечивая, несмотря на массовость картографических данных, своевременное, качественное получение результатной информации.
Под потоком информации понимается сложившееся или организованное в пределах ГИС движение данных в определенном направлении при условии, что у этих данных есть общий источник и общий приемник.
Для удобства работы с картографической информацией необходимо выделить минимальную структурную единицу — элементарный объект (ЭО). Под ЭО будем понимать картографическую информационную совокупность сведений, состоящую из признака, данных о местоположении (метрическую часть объекта) и количественную и качественную характеристики описываемого объекта (семантическая часть объекта). В этом смысле ЭО является элементарной единицей данных, дальнейшее структурное расчленение которой невозможно. ЭО является элементом, который в соединении с другими аналогичными элементами создает более сложные информационные совокупности.
Признак характеризует качество описываемого объекта, тем самым индивидуализирует ЭО. Отдельно взятый признак картографического смысла не имеет и применяется с данными о местоположении и характеристиках объекта.
Данные о местоположении функционально предназначены для количественной характеристики описываемого объекта в пространстве и являются числовой величиной, полученной в результате измерений или вычислений. Поэтому отдельно взятые данные о местоположении картографического смысла также не имеют и применяются лишь в сочетании с признаками.
Характеристики предназначены для количественной оценки описываемых показателей объекта. Отдельно взятые характеристики картографического смысла не имеют и применяются с признаками и данными о местоположении.
Информационная совокупность, включающая признаки, данные о местоположении и характеристики, образуют картографические данные (документы), т. е. сложное информационное образование, имеющее определенную структуру с вхождением одних ЭО в другие, соподчинением или независимостью ЭО.
Картографические данные (документы), используемые в ГИС, могут иметь содержание и форму представления в зависимости от задач, решаемых в автоматизированной системе управления.
Картографические данные создаются из различных источников информации о Земле.
Важным вопросом для создания ИО является классификация информации и установление ее количественных характеристик.
Теоретически информацию, циркулирующую в любой ГИС, можно классифицировать по различным признакам: степени обработанности, способу отображения данных, отношению к процессу обработки, стабильности и многим другим.
По степени обработанности картографическая информация подразделяется на первичную и вторичную (производную). Первичная возникает на начальной стадии процесса сбора данных о местности и отражает состояние объектов местности или процесса управления во времени. Вторичная получается в результате обработки первичной картографической информации и может быть промежуточной или результатной.
Промежуточная информация содержит предварительные результаты расчета количественных данных, используемых в качестве исходных для создания картографических данных.
Результатная информация получается в процессе обработки первичной или первичной и промежуточной информации и используется в ГИС при управлении и принятии решений.
По способу отображения данных картографическая информация подразделяется на графическую и текстовую.
По отношению к процессу обработки можно выделить обрабатываемую и необрабатываемую информацию.
По стабильности картографическую информацию можно подразделить на текущую или постоянно изменяющуюся, и условно постоянную или просто постоянную.
В процессе создания ПО возникает необходимость установления количественных характеристик информации для определения величин потоков информации во времени, выявления наибольших информационных нагрузок, выбора наиболее рационального варианта создания информационных массивов, их хранения и другого. Объем информации, в зависимости от назначения, может выражаться числом номенклатурных листов, картографических объектов, алфавитно-цифровых или графических знаков или числом двоичных разрядов (бит).
Картографическая информация, обладая специфическими свойствами, может использоваться не только в АСУ, но и в технических средствах управления.
В условиях автоматизации весь комплекс операций над картографическими данными выполняется с использованием технических средств, в результате чего стало реальным создание ГИС АСУ, основу которой составляют информационные массивы с записью данных на машинных носителях.
Интегрированную ГИС АСУ можно определить как систему, в которой картографическая информация подвергается обработке по единой схеме на основе единых для различных задач исходных и нормативных данных.
Создание и поддержание в рабочем состоянии массивов данных, содержащих полную и точную информацию об объектах местности, позволяющих своевременно получать всю необходимую результатную картографическую информацию для принятия управляющих решений, является целью проектирования ИО ГИС.
Проектирование ИО ГИС должно обеспечивать:
• своевременность сбора информации об объектах местности и передачу информации для обработки;
• высокую достоверность данных;
• необходимую и достаточную точность картографической информации;
• передачу требуемой информации потребителям в строго определенном режиме и в заданные сроки;
• полное отражение в информационных массивах состояния картографических объектов по всем характеристикам без необоснованной избыточности данных;
• применение совершенных носителей и способов записи, получения, обработки и контроля картографической информации с использованием современных технических средств;
• использование унифицированной системы нормативно-правовой документации и документооборота;
• рациональную организацию технологических процессов, обеспечивающих необходимую эффективность работы технических средств на всех этапах обработки картографических данных.
Новым, наиболее мощным средством повышения эффективности применения АСУ и ГИС, является Система электронных карт, создаваемая с 1992 года.
Система электронных карт представляет собой совокупность электронных карт, объединенных общим замыслом, упорядоченную и согласованную по масштабам, системам координат, содержания и условным знакам. Она формируется в векторном и растровом виде на оптических дисках или других машинных носителях программными и техническими средствами с использованием существующих карт, космических снимков, текстовой (справочной аудио — и видеоинформации) и других источников информации о местности.
Основные преимущества электронных карт перед обычными бумажными картами состоят в том, что электронные карты обеспечивают возможность в реальном времени отображать любой участок местности с любой степенью детализации и необходимой точностью, получать справки о местности, наносить и корректировать специальную информацию, решать многочисленные расчетные и информационные задачи и отображать результаты и их решения на картографическом материале.
Для описания содержания, качества (точность, полнота, достоверность и современность) и других характеристик электронных карт, а также данных геодезической, гравиметрической, фотограмметрической информации, используемой при создании и применении электронных карт, служат метаданные электронных карт.