XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

Ежедневно в различных бытовых и рабочих делах человечество использует около 70% информации, имеющей пространственную привязку. Использование геоинформационных систем стало неотъемлемой частью повседневной жизни человека и работы практически всех предприятий и ведомств.

Рост геоинформационных систем с каждым годом набирает обороты и затрагивает разнообразные сферы человеческой деятельности. Многие компании оказывают всевозможную поддержку и содействие в разработке проектов открытых геоинформационных технологий. Разрабатываются стандарты взаимодействия и обмена данными между различными ГИС-платформами. Создаются мобильные ГИС, происходит интеллектуализация систем и включение новых модулей, например имитационных моделей, а также разрабатываются сценарии развития геоинформационных технологий в новых областях науки. Геоинформационные проекты стали неотъемлемой частью юридической деятельности в области земельного кодекса и кадастрового учета.

Наибольшее применение геоинформационные системы находят в кадастровой и градостроительной деятельности. Использование ГИС-проекта в этих областях обеспечивает интеграцию различной информации в более удобном для использования виде, быстрый доступ к информации и различным видам данных, помогает сэкономить бюджет. В настоящее время набирает обороты разработка проектов инновационных центров в разных регионах Российской Федерации, которая осуществляется с активным применением географических информационных систем.

Глава 1. Понятие и основные характеристики ГИС

Геоинформационные системы – аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных, информации и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества [1].

В последние годы геоинформационные системы стали чаще использовать в природоохранной деятельности, а также в осуществлении ряда других экологических мероприятий. ГИС позволяют:

Создавать электронные карты для воспроизведения экологической обстановки на конкретной территории (рис.1);

Проводить моделирование природных явлений, характерных для конкретной территории, принимая во внимание уровень антропогенной нагрузки и эффективность существующих управленческих решений;

Накапливать, хранить, запрашивать и отображать информацию о параметрах окружающей среды за указанный промежуток времени;

Оценивать экологические риски для территорий и предприятий для контроля безопасности при техногенных воздействиях [4].

Рисунок 1. Экологическая карта Московской области [13]

Географические информационные системы могут функционировать с двумя существенно отличающимися между собой типами данных – векторными и растровыми.

Растровая форма – это представление графической информации (карты, рисунка, фотографии) в виде матрицы чисел, каждый элемент которой является кодом, характеризующим яркость соответствующего элемента дискретизации изображения карты.

Векторная форма – это такая форма представления, где информация о местоположении объектов, их очертаниях дается в виде структурированного набора координат точек объекта. Оба типа данных имеют свои достоинства и недостатки, взаимно дополняют друг друга, однако многие из ГИС могут работать как только с векторными моделями, основанными на векторных типах данных, так и с растровыми моделями, а иногда и с теми и с другими вместе [7].

При всем многообразии типов геоинформационных систем их классифицируют по ряду признаков [5]:

пространственному охвату;

объекту и предметной области информационного моделирования;

проблемной ориентации;

функциональным возможностям;

целям;

способу организации географических данных;

уровню управления и т.д.

Геоинформационные системы состоят из: аппаратных средств, программного обеспечения, данных, исполнителей и методов.

Аппаратные средства. Это может быть компьютер, на который установлена программа ГИС. В настоящее время геоинформационные системы функционируют на разнообразных компьютерных платформах, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью персональных компьютеров.

Программное обеспечение ГИС состоит из функций и инструментов, необходимых для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Основными составляющими программных продуктов являются:

инструменты для ввода и оперирования географической информацией система управления базой данных (DBMS или СУБД);

инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения);

графический пользовательский интерфейс (GUI или ГИП) для легкого доступа к инструментам и функциям.

Данные о пространственном положении (или, иными словами, географические данные) и связанные с ними табличные данные могут накапливаться и подготавливаться самим пользователем либо приобретаться у поставщиков. При работе с пространственными данными ГИС объединяет географическую информацию с данными других типов.

Исполнителями являются люди, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач.

Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать ежедневные дела и вопросы.

Методы. Преимущество и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС напрямую зависит от четкого плана и правил работы, которые составляются в соответствии с особенностями задач и работы каждой организации [4].

Структура ГИС, как правило, включает 4 обязательные подсистемы:

1) Подсистему ввода данных, обеспечивающую ввод и/или обработку пространственных данных, полученных с карт, материалов дистанционного зондирования и т.д.;

2) Подсистему хранения и поиска, позволяющую оперативно получать данные для соответствующего анализа, актуализировать и корректировать их;

3) Подсистему обработки и анализа, которая дает возможность оценивать параметры, решать расчетно-аналитические задачи;

4) Подсистему представления (выдачи) данных в различном виде: карты, таблицы, изображения, блок-диаграммы, цифровые модели местности и т.д. [7].

Признаки геоинформационных систем:

географическая привязка данных (рис.2);

генерирование новой информации на основе синтеза имеющихся данных;

отражение пространственно-временных связей объектов;

обеспечение принятия решений;

возможность оперативного обновления баз данных [9].

Рисунок 2. Пример слоев данных в ГИС

Большинство программного обеспечения ГИС находится в открытом доступе и распространяется совершенно бесплатно, а в работе с ним у пользователя есть свобода действий и возможность внесения необходимых изменений самостоятельно, независимо от разработчика программного обеспечения. Свойство открытости программного обеспечения делает разработку ГИС более эффективной за счет высокой модульности [6].

Глава 2. Применение геоинформационных систем в градостроительстве

Для эксплуатации ГИС в какой-либо сфере, в начале работы необходимо четко сформулировать задачу, которая должна быть решена геоинформационными системами. При реализации ГИС-проекта учитываются доступные технологические средства и структура субъекта, в котором реализуется проект. Объединение информации множества источников при разработке проекта делают ее пригодной в процедуре принятия решений, построении модели принятия решений, где есть необходимость использования разнородных факторов. Такие модели используют географически привязанную информацию для определения пространственных взаимодействий [3].

В городской ГИС необходимо предоставить связь между пространственными данными, справочной информацией и атрибутивными данными. Основным справочным материалом такой ГИС являются земельные записи. Городская ГИС содержит в одной среде (интегрированной информационной основе) атрибутивные и картографические данные, которые могут обрабатываться совместно. При таком подходе упрощаются ввод и контроль вводимой информации, анализ форм представления данных.

Схема построения городской ГИС:

1. Постановка целей городской администрацией (учет и контроль за землепользованием, учет недвижимости, учет и использование жилого и нежилого фонда, повышение эффективности транспортных задач, экологический мониторинг, снижение преступности, сохранение и/или увеличение рабочих мест и т.д.);

2. Постановка функций органов местной власти применительно к принятию решений при помощи геоинформационных систем;

3. Построение информационной модели управления городским хозяйством:

Выделение и классификация данных по основным методам их использования: исходные, промежуточные и вспомогательные, директивные или выходные данные;

Построение моделей данных, определение объектов, сущностей и атрибутов (структурный анализ документов для выявления связи между элементами информационной модели);

4. Определение результативности функционирования геоинформационных систем и выбор технологических решений;

5. Решение заказчика определяет получение административной поддержки для реализации работ, в том числе для создания пилот-проекта;

6. Создание пилот-проекта укороченного варианта осуществления системы в ограниченном объеме финансирования (2-10 % от полной стоимости проекта). Этот проект реализует установленное количество функций и является демонстрационным вариантом полной ГИС, а также реализацией ее практических возможностей;

7. Полная разработка и реализация ГИС осуществляется после анализа функционирования пилот-проекта, когда учитываются замечания к доработке или увеличению числа функций ГИС, уточняется техническое задание [5].

Основные задачи, решаемые ГИС в потребностях строительной отрасли производства:

выбор участка для застройки с учётом всех необходимых параметров (удалённость от промышленных зон, особенности почвы и глубина залегания грунтовых вод, точные границы административных районов, состояние и параметры рынка недвижимости на прилегающих и соседних территориях и т.д.);

планирование размещения объектов социальной инфраструктуры в районе застройки с учётом существующей инфраструктуры прилегающих территорий;

расчёты объёмов земельных работ и необходимых стройматериалов;

проектирование инженерных и энергетических сетей района застройки с учётом рельефа местности и параметров грунта;

планирование транспортной сети в районе застройки, основных и второстепенных маршрутов движения транспортных средств;

определение и оптимизация необходимого количества техники, сил и средств для выполнения строительных работ;

определение ближайших и экономически выгодных поставщиков строительных и отделочных материалов, специализированных организаций, предоставляющих необходимые в процессе строительства услуги;

расчёт логистики наиболее подходящих маршрутов доставки строительных материалов с целью уменьшения сроков и минимизации стоимости доставки [10].

Важным моментом при использовании ГИС технологий является четкая формулировка цели создания проекта.

В таблице 1 собраны основные возможности программы в области градостроительства [9]:

Табл. 1. Возможности геоинформационных систем на разных этапах строительства

Этап строительства	Возможности ГИС
Выбор участка под застройку	Выделение нескольких перспективных участков с учетом разнообразных факторов, исходя из типа стройки. К примеру, при строительстве больницы, обращается внимание на социальную обстановку, обеспеченность в границах управы, социально-демографическую обстановку, жалобы граждан и т.д. Оценка удалённости от основных инженерных построек
Предпрoектное обследование	Сбор информации о земельных участках, правах на собственность, категории земель, получение сведений из анализа генплана. Сбор сведений о наличии подземных коммуникаций (охранные зоны газопроводов, кабели МОЭСК, наличие подпорной канализации, и т.д.) Функциональные зоны генплана, исходно-разрешительная документация (ИРД), градостроительные обоснования. Природный комплекс и наличие режимных зон
Принятие решения о финансировании	Предоставление требуемых параметров, для более точного расчёта потенциальных расходов, в том числе расстояние до ближайших бетонных заводов, средний пробег техники, подсчет площадей пересечений с существующими и планируемыми охранными зонами, погонный метраж на протягивание новой ЛЭП и т.д.
Проектное и эскизное проектирование	Сведение всей проектной документации в единую многослойную картину. Предоставление единого хранилища и точки обмена для всех проектных бюро. Сбор материалов от субподрядчиков и подготовка проекта к его защите в МКА
Получение разрешения на строительство	Генерация всех необходимых дополнительных материалов, включая печать многостраничных альбомов с предлагаемой новой планировкой территории, 3D-визуализация макетов зданий для оценки соответствия архитектурному ландшафту, генерация новой «линии горизонта» и т.д.
Начало строительства	Планирование территории строительства, подсчет периметра огораживаемой территории, поиск наиболее подходящих участков для хранения опасных веществ, прокладка оптимальных маршрутов для проезда спецтехники
Строительство	Мониторинг на общей карте всех строительных проектов, в том числе классификация различных проектов
Ввод в эксплуатацию	Подготовка к передаче накопленной документации, включая поэтажные планы, информацию о подземных коммуникациях и инженерных сетях.

Глава 3. Примеры использования ГИС в градостроительстве

Платформа ArсGIS – это программное обеспечение для создания геоинформационных систем любого уровня. ArсGIS упрощает потребление и применение географической информации при проведении анализа и лучшего понимания данных и принятия более грамотных решений. Эта платформа активно применяется различными компаниями при градостроительстве. Внедрение системы мониторинга на основе АrcGIS дает положительные результаты в повышении эффективности работы строительной организации, а также помогает исключить незапланированные затраты при её дальнейшем масштабировании [12].

АrcGIS на протяжении многих лет осуществляет исследования по разработке и внедрению корпоративной геоинформационной системы для предприятий трубопроводного транспорта нефти. Существенным действием в процессе создания корпоративной ГИС является разработка локальной версии геоинформационной системы на ограниченном наборе данных, необходимой для отработки технологических особенностей системы. На основе созданного прототипа (локальной версии) уточняется разработанная при проектировании функциональная схема системы (рис.3), отображающая основные функциональные элементы ГИС, их взаимодействие, а также способы интеграции с другими информационными системами предприятия [14].

Рисунок 3.Функциональная схема корпоративной ГИС

В 2010 году стартовал проект создания Инновационного центра «Сколково» и была начата разработка географической информационной системы Центра. В рамках реализации проекта была выбрана его градостроительная концепция, подготовлена необходимая документация территориального планирования и планировки, а также мастер-планы на территорию инновационного центра.

Инновационный центр «Сколково» – это территориально ограниченный комплекс для развития инновационных исследований, разработок и коммерциализации их результатов. Он располагается в 2км от МКАД, в Одинцовском городском округе Московской области. Периметр внешней границы «Сколково» более 19 тыс. м, а площадь застройки – 400 га [11].

Для создания геоинформационной системы Сколковo выбрали программную платформу АrcGIS компании Еsri и закуплено необходимое программное обеспечение. Компанией DАTA+ в рамках создания ГИС были разработаны требования к оформлению получаемых по результатам проектирования материалов для их использования в ГИС и технология формирования пространственных объектов проектирования на основе данных от проектировщиков (рис. 4-7).

Рисунок 4. Градостроительная концепция инновационного центра «Сколково»

Рисунок 5. Визуализация результатов построения области, за пределами которой отсутствует видимость объектов инновационного центра «Сколково»

Рисунок 6. Буферные зоны подземных инженерных коммуникаций инновационного центра «Сколково»

Рисунок 7. Пример проектного решения: здание «Куб» в инновационном центре «Сколково»

База пространственных данных ГИС Сколково актуализирует информацию на всех этапах его существования, включая проектные решения, документацию по организации строительства, информацию о планировке зданий и сооружений, сведения по управлению активами и т.д. На различных этапах реализации проекта пользователям предлагаются разного рода инструменты для работы с данными, разрабатываются механизмы интеграции ГИС Сколково с другими информационными системами, используемыми на этапах строительства и эксплуатации [12].

Заключение

В настоящее время растет конкуренция среди коммерческих производителей геоинформационных технологий и услуг, которая дает преимущества пользователям ГИС. Потребность в геоданных на информационном рынке растет, поэтому начинает формироваться мировая геоинформационная инфраструктура, появляется множество бесплатных ГИС.

Преимуществом геоинформационных систем является доступность и "открытость" программных средств, которая позволяет использовать и даже модифицировать существующие программы, появляются пользовательские клубы, телеконференции, территориально разобщенные, но связанные единой тематикой пользовательские группы. Однако большой проблемой в области развития геоинформационных систем является коррупция. Как и во многих других областях экономики, эта проблема по-прежнему является актуальной, а эффективного решения на данный момент нет.

Несмотря на широкое применение ГИС технологий в градостроительной деятельности, существуют некоторые неудобства в использовании программных платформ, либо ограниченность подходящих программ для конкретного вида деятельности. Также недостатком для развития геоинформационных систем в градостроительстве является нехватка квалифицированных кадров и отсутствие конкретных примеров проектов в общем доступе сети Интернет

Список литературы

Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Тикунов В.С. и др.; Под ред. В.С. Тикунова. Геоинформатика – М.: Академия, 2005 – 468с.

Раклов В.П. Картография и ГИС. – М.: Академический проект; Киров: Константа, 2011. – 60c.

Геоинформационные системы в экологии и природопользовании. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/geoinformatsionnye-sistemy-v-ekologii-i-prirodopolzovanii/viewer. Дата обращения: 15.05.2020

Геоинформационные системы в современном геоинформационном пространстве. Режим доступа: http://inrec.sbras.ru/view_prost.php?id_mat=36 Дата обращения: 15.05.2020

Геоинформационные системы. Учебное пособие ННГАСУ, 2012. Режим доступа: http://bibl.nngasu.ru/electronicresources/uchmetod/geodesy/847228.pdf Дата обращения: 15.05.2020

Геоинформационные технологии. Режим доступа: http://www.gistechnik.ru/index.php/ru/blog/2012/04/ Дата обращения: 15.05.2020

Что такое ГИС? Режим доступа: https://www.esri-cis.ru/concept_arkgisa/press/whatgis.php Дата обращения: 18.05.2020

История развития ГИС в России. Режим доступа: https://www.referat911.ru/Geografiya/istoriya-razvitiya-gis-v-rossii/207603-2385742-place1.html/ Дата обращения: 15.05.2020

Классификация ГИС и сферы применения. Режим доступа: https://lektsii.org/9-9134.html/ Дата обращения: 15.05.2020

Геоинформационные системы. Режим доступа: https://paititi.info/ru/tehnologija-poiskov/geograficheskie-informacionnye-sistemy/ Дата обращения: 16.05.2020

GIS of Innovation center Skolkovo. Режим доступа: https://www.esri-cis.ru/news/arcreview/detail.php?ID=8321&SECTION_ID=265/ Дата обращения: 16.05.2020

ArcGIS. Режим доступа: https://www.esri-cis.ru/products/ Дата обращения: 17.05.2020

Экологическая паспортизация Московской области DEV. Режим доступа: http://ecopassmo.mosreg.ru/ Дата обращения: 17.05.2020

Опыт создания и перспективы развития корпоративных ГИС. Режим доступа: https://arcreview.esri-cis.ru/2009/05/12/%D0%BE%D0%BF%D1%8B%D1%82-%D1%81%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F-%D0%B8-%D0%BF%D0%B5%D1%80%D1%81%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D1%8B-%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B8%D1%8F/ Дата обращения: 18.01.2021

Код для цитирования: Скопировать