Світличний О.О., Плотницький С.В.

Основи геоінформатики

ЗМІСТ

Передмова

Частина І. ГЕОІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ В СУЧАСНОМУ СВІТІ

Розділ 1. Геоінформаційні технології в сучасному світі

1.1. Інформатика і геоінформатика

1.2. Визначення ГІС. Відмінність ГІС від інших інформаційних систем

1.3. Історія розвитку геоінформаційних технологій Частина 1 Частина 2

1.4. Функції й галузі застосування ГІС і геоінформаційних технологій

1.5. Геоінформатика, геоінформаційні технології і географія

Розділ 2. Апаратне забезпечення геоінформаційних систем і технологій

2.1. Загальна характеристика апаратного забезпечення ГІС

2.2. Комп'ютер як складова частина ГІС

2.2.1. Класифікація комп'ютерів

2.2.2. Складові частини ПК та їх характеристики Частина 1 Частина 2

2.3. Пристрої збору і введення інформації Частина 1 Частина 2

2.4. Пристрої візуалізації і подання даних

2.5. Тенденції розвитку апаратного забезпечення

Частина II. ОСНОВИ ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Розділ 3. Атрибутивна інформація в ГІС

3.1. Способи подання атрибутивних даних

3.2. Бази даних як подання об'єктів реального світу

3.3. Моделі даних

3.3.1. Ієрархічна модель даних

3.3.2. Мережна модель даних

3.3.3. Реляційна модель даних

3.3.4. Об'єктно-орієнтована модель даних

3.4. Функціонування баз даних

3.5. Керування даними в ГІС

Розділ 4. Методи формалізації просторово-розподіленої інформації

4.1. Просторова інформація в ГІС

4.2. Растрове подання просторових даних

4.2.1. Загальна характеристика

4.2.2. Ієрархічні растрові структури

4.2.3. Стиснення растрових даних

4.3. Векторне подання метричних даних

4.3.1. Точкова полігональна структура

4.3.2. DIME-структура

4.3.3. Структури «дуга-вузол»

4.3.4. Геореляційна структура

4.3.5. TIN-модель

4.4. Вибір способу формалізації і перетворення структур даних

Розділ 5. Технології введення просторових даних

5.1. Введення даних у ГІС

5.2. Джерела вхідних даних для ГІС

5.2.1. Картографічні матеріали

5.2.2. Дані дистанційного зондування Землі

5.2.3. Дані електронних геодезичних приладів

5.2.4. Джерела атрибутивних даних

5.3. Технології цифрування вхідних даних

5.3.1. Автоматизоване введення даних

5.3.1.1. Сканування

5.3.1.2. Векторизування

5.3.1.3. Геокодування

5.3.2. Ручне введення даних. Апаратне та екранне дигітизування

5.3.2.1. Апаратне дигітизування

5.3.2.2. Екранне дигітизування

5.3.2.3. Автозахоплення і автотрасування

5.3.2.4. Редагування існуючих картографічних об'єктів

5.3.2.5. Введення і редагування з використанням існуючих графічних об'єктів

5.3.2.6. Групове редагування

5.4. Контроль якості створення цифрових карт

Розділ 6. Подання інформації в ГІС

6.1. Візуалізація інформації в ГІС

6.2. Методи і технології візуалізації інформації в ГІС

6.2.1. Подання картографічних шарів

6.2.2. Подання екранних видів (вікон)

6.2.3. Подання векторних об'єктів

6.2.4. Подання поверхонь і растрових карт

6.3. Тематичне картографування. Картодіаграми

6.3.1. Ранжовані діапазони

6.3.2. Стовпчасті та кругові діаграми

6.3.3. Ранжовані символи

6.3.4. Точки із заданими вагами

6.3.5. Індивідуальні значення

6.3.6. Легенди тематичних карт і картодіаграм

6.4. Карти як результат і засіб візуалізації

6.5. Програмні і технічні засоби візуалізації картографічної інформації

6.5.1. Електронні атласи

6.5.2. ГІС-в'юери

6.5.3. Системи автоматизованого картографування

Частина III. ГЕОІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОСТОРОВОГО АНАЛІЗУ І МОДЕЛЮВАННЯ

Розділ 7. Аналітичні можливості сучасних інструментальних ГІС

7.1. Загальна характеристика

7.2. Картометричні операції

7.3. Операції вибору

7.3.1. Запити за місцем розташування

7.3.2. Запити за атрибутами

7.4. Рекласифікація

7.5. Картографічна алгебра

7.5.1. Локальні операції

7.5.2. Операції сусідства

7.5.3. Зональні операції

7.5.4. Глобальні операції

7.6. Статистичний аналіз

7.7. Просторовий аналіз

7.7.1. Побудова буферів

7.7.2. Аналіз географічного збігу і включення

7.7.3. Аналіз близькості

7.7.4. Зонування території за допомогою полігонів Тиссена-Вороного

7.8. Оверлейний аналіз

7.9. Аналіз рельєфу

7.9.1. Цифрові моделі рельєфу та їх побудова

7.9.2. Аналіз рельєфу з використанням цифрових моделей рельєфу

7.9.3. Аналіз гідрографічної мережі

7.9.4. Пакет «Рельєф-процесор»

7.10. Мережний аналіз

7.10.1. Географічні мережі

7.10.2. Мережний аналіз

Розділ 8. Геостатистичний аналіз і моделювання

8.1. Геостатистичне моделювання

8.2. Просторова інтерполяція

8.3. Детерміновані методи просторової інформації

8.3.1. Глобальні методи інтерполяції

8.3.2. Локально-детерміновані методи інтерполяції

8.4. Локально-стохастичні методи просторової інтерполяції і геостатистичне моделювання

8.4.1. Принципи геостатистичного моделювання

8.4.2. Побудова і оптимізація варіограмної моделі

8.4.3. Моделювання поверхонь та їх оцінка

8.4.4. Різновиди локально-стохастичної інтерполяції

8.5. Вибір методу інтерполяції

Частина IV. ПРОГРАМНІ ЗАСОБИ І ГЕОІНФОРМАЦІЙНІ СИСТЕМИ

Розділ 9. Програмні засоби для роботи з просторовими даними

9.1. Загальна характеристика

9.2. Програмні засоби ГІС

Розділ 10. Комерційні ГІС-пакети

10.1. Програмне ГІС-забезпечення компанії ESRI (США)

10.1.1. Сімейство програмних пакетів ArcGIS

10.1.2. Настільні інструментальні ГІС-сімейства ArcGIS

10.1.2.1. Загальна характеристика

10.1.2.2. Пакет ArcView

10.1.2.3. Система ArcInfo

10.2. Програмні ГІС-пакети фірми Intergraph

10.2.1. Багатогалузеве модульне середовище ГІС — MGE

10.2.2. Сімейство пакетів GeoMedia/GeoMedia Professional

10.3. Сімейство програмних продуктів фірми Bentley Systems

10.3.1. Пакет MicroStation

10.3.2. Основні додатки на базі MicroStation

10.4. Програмні продукти компанії Autodesk

10.5. Програмні пакети GeoniCS

10.6. ГІС-пакет MapInfo Professional

10.7. Пакет ГІС і обробки просторової інформації IDRISI

10.8. Пакет PCRaster

10.9. Пакет GeoDraw/GeoGraph

10.10. Програма створення і оновлення цифрових карт Digitals

10.11. Тенденції розвитку програмного ГІС-забезпечення

Розділ 11. Сучасні геоінформаційні системи

11.1. Класифікація сучасних ГІС

11.2. Великі ГІС-проекти

11.2.1. Електронний атлас України

11.2.2. Глобальні геоінформаційні системи

11.3. Технології «клієнт-сервер» і Internet-технології в ГІС

11.3.1. Розподілені бази даних

11.3.2. Internet-сервіси і ГІС

Післямова

Словник термінів

Словник абревіатур

Використана література

Рекомендована література

ПЕРЕДМОВА

Характерною рисою сучасного розвитку людства є перехід до інформаційного суспільства. Інформаційні технології все більше охоплюють різні сфери людського життя. Особливий інтерес для географів і представників інших наук, пов'язаних з використанням просторово-координованої інформації, становлять геоінформаційні технології, що дозволяють залучити до дослідження, практичної діяльності і навчання наймогутніший потенціал електронно-обчислювальної техніки і новітніх, у тому числі космічних технологій.
За своїм характером геоінформаційні технології являють собою сучасну інформаційну технологію географії, геології, екології та багатьох інших як природознавчих, так і соціально-економічних та інженерних наук, яка дозволяє істотно підвищити їх потенціал. Більш того, геоінформаційні технології сьогодні вже широко використовуються в найрізноманітніших науках, до яких, крім названих вище, входять також сільськогосподарські, економічні, суспільні науки, будівництво і архітектура, військова і бібліотечна справи, регіональне управління, бізнес, комерція та ін. На сайті компанії ESRI, США, світового лідера в галузі виробництва програмного ГІС-забезпечення, наприклад, наводиться перелік спеціальностей, у рамках яких використовуються програмні ГІС-продукти цієї фірми, він налічує більше 80 найменувань.
Будучи синтезом досягнень у багатьох галузях знання, у тому числі загальної інформатики, комп'ютерного проектування (CAD/ САПР), теорії інформаційних систем, географії, картографії та ряду інших, геоінформаційні технології на сьогодні є собою досить складним комплексом, що вимагає спеціального вивчення. Теоретичні, технологічні і прикладні аспекти роботи з просторово-координованою інформацією розглядає нова наука - геоінформа-тика, що сформувалася в останні десятиріччя як результат бурхливого розвитку геоінформаційних систем і технологій. Основи геоінформаційних систем і технологій у наш час вивчаються в багатьох вищих навчальних закладах.
Одним із перших вищих навчальних закладів в Україні, де почали вивчатися основи геоінформатики, був Одеський державний (нині - національний) університет ім. І.І. Мечникова, на геолого-географічному факультеті якого викладання основ геоінформатики, ГІС було започатковано в 1992 році. Накопичений за ці роки досвід значною мірою використаний при написанні даного навчального посібника.
При підготовці посібника також використані: монографії вітчизняних та зарубіжних видань з проблеми, публікації в періодичних вітчизняних та міжнародних виданнях, матеріали міжнародних конференцій з географічних інформаційних систем і географічної інформації в Україні, Росії, країнах Західної Європи (європейських конференцій EGIS, EGIS/MARI, JEC GI, форумів ГІС-Асоціа-цій Росії і України та ін.), учасниками більшості з яких були автори, а також матеріали Інтернет, у тому числі офіційних сайтів основних виробників програмного ГІС-забезпечення - компаній ESRI (www.esri.com), Intergraph (www.intergraph.com), Mapping Information Systems (www.mapinfo.com), Bentley Systems (www.bentley.com), Autodesk (www.autodesk.ru), Лабораторії IDRISI Університету Кларка, США (www.idrisi.clarku.edu) та ін.
Навчальний посібник складається з одинадцяти розділів, згрупованих в чотири частини, які являють собою однорідні за змістом модулі — структурні одиниці вивчення навчальної дисципліни. У першій частині (два розділи) розкривається зміст поняття «геоінформатика», історія розвитку геоінформатики, її місце і роль серед інших наук, а також надається характеристика апаратних пристроїв, що складають апаратну платформу ГІС і геоінформаційних технологій. Друга частина (об'єднує чотири розділи) присвячена основам геоінформаційних технологій, тобто технологій роботи з просторово-координованою інформацією, включаючи формалізацію просторової інформації, її введення і представлення. У третій частині, яка складається з двох розділів, розглядаються геоінформаційні технології просторового аналізу і моделювання, реалізовані як в комерційних ГІС-пакетах, так і в спеціалізованих програмних продуктах. У заключній четвертій частині, яка складається з трьох розділів, розглядаються програмні засоби для роботи з просторовими даними, програмний комплекс ГІС і комерційні ГІС-пакети — лідери програмного ГІС-забезпечення у світі і в Україні, проблеми класифікації сучасних геоінформаційних систем і, як приклади реалізації великих ГІС-проектів — Електронний атлас України, Глобальний банк природно-ресурсної інформації GRID і Геоінформаційна система Європейського Співтовариства CORINE.
Для контролю засвоєння знань у кінці кожного розділу наводиться список питань і завдань для самоперевірки, які в сукупності складають перелік питань екзаменаційних білетів з курсу «Основи геоінформатики, ГІС» для неінженерних спеціальностей. Автори сподіваються, що корисними при вивченні курсу будуть словники основних термінів і абревіатур, розміщені в кінці посібника.
За приємний обов'язок автори вважають висловити подяку за позитивну оцінку посібника рецензентам: доктору геолого-мінералогічних наук, професору, завідувачу кафедри прикладної екології Одеського державного екологічного університету Т.А. Сафранову, доктору географічних наук, професору, завідувачу кафедри економічної і соціальної географії Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова О.Г. Топчієву і доктору сільськогосподарських наук, професору, завідувачу кафедри ґрунтознавства і агрохімії Миколаївського державного аграрного університету С.Г. Чорному.
Автори будуть вдячні читачам за конструктивні зауваження і пропозиції щодо навчального посібника, які будуть враховані у наступному виданні, а також при підготовці підручника з геоінфоматики. Зауваження і пропозиції можна надсилати за адресою: Шампанський пров., 2, Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова, геолого-географічний факультет, м. Одеса, 65058.

Частина І. ГЕОІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ В СУЧАСНОМУ СВІТІ

Розділ 1. Геоінформаційні технології в сучасному світі

1.1. Інформатика і геоінформатика

Термін «інформатика» (informatics, information science) у тому розумінні, у якому він сьогодні вживається, виник на початку 60-х років XX ст. у французькій мові (informatique). Слово «інформатика» асоціюється з двома поняттями — інформація і автоматика. Отже, зміст цього терміна повинен бути приблизно таким: автоматична робота з інформацією. Насправді мова йде лише про «автоматизовану» роботу з інформацією, тобто про поєднання функцій людини і технічного пристрою. Зазначимо, що термін «автоматичний» взагалі означає «без участі людини».
До цього часу тривають дискусії, де фахівці намагаються як можна більш влучно визначити як сам термін «інформатика», так і зафіксувати предмет цієї науки, а також розмежувати її зі спорідненими науками. До сьогодні існує декілька різних поглядів щодо цього питання. Насамперед це пов'язано з тим, що термін «інформатика» в наш час використовується на позначення і науки, і технології, і галузі промисловості (індустрії).
Інформатика є фундаментальною природничою наукою про здійснювану переважно за допомогою автоматизованих засобів доцільну обробку інформації, розглянуту як відбиток знань, фактів, відомостей, даних у різних галузях людської діяльності (Степанов, 2002). Або, якщо сформулювати коротко, інформатика — це наука про засоби, методи і способи збору, обміну, збереження й обробки інформації за допомогою автоматизованих засобів.
Інформаційні технологи — система процедур перетворення інформації з метою формування, обробки, розповсюдження і використовування інформації. Основу сучасної інформаційної технології складають: комп'ютерна обробка інформації за заданими алгоритмами, зберігання великих обсягів інформації на магнітних носіях і передача інформації на будь-яку відстань в обмежений час.
Інформатика як галузь промисловості охоплює всі забезпечувальні підприємства та організації з обробки даних і виробництву алгоритмів, програм і засобів обчислювальної техніки.
Слід відзначити, що існують спроби дати інші трактування терміна «інформатика». Загальноприйняті на сьогодні трактування терміна «інформатика» враховують зазначену вище неоднозначність. Цікавим з цього приводу є визначення інформатики в Інтерактивній системі з інформатики (Фридланд и др., 2002), де дане поняття визначається як «наукова, технічна і технологічна дисципліна, що займається питаннями збору, збереження, обробки і передачі даних, у тому числі за допомогою комп'ютерної техніки».

Важливим є визначення поняття «інформація». На думку багатьох фахівців, поняття «інформація» належить до так званих первинних, невизначуваних понять, дати точне визначення яких у принципі неможливо.У таких випадках поняття вводиться шляхом його пояснення, що спирається на інтуїцію, здоровий глузд чи побутове визначення терміна. У вищенаведеному визначенні предмета «інформатика» наводиться одне із найпоширеніших тлумачень поняття «інформація»: під інформацією розуміють відображення знань і фактів (відомостей, даних), що використовуються в різних галузях людської діяльності.
Незважаючи на поширеність викладеної точки зору щодо можливості точного визначення поняття «інформація», спроби зробити це не припиняються. Наприклад, у роботі М.С. Бургіна (1996) дається таке визначення: «інформація І для системи R — це все те, що, потрапляючи в R, викликає в ній зміни». Система R називається при цьому приймачем інформації. Мірою інформації І для системи R відповідно до такого підходу є міра тих змін, що І викликає в R.
З погляду матеріалістичної філософії інформація є віддзеркаленням реального світу; це відомості, які один реальний об'єкт містить про інший реальний об'єкт. Інформація — міра організації системи.

За аналогією з трактуванням поняття «інформатика» дотепер відсутня однозначність і в тлумаченні поняття «геоінформатика». По-перше, зазначимо, що існуючі спроби розглядати геоінформатику як інформатику окремих наук, назва яких починається з префікса «гео» (що означає «Земля») — геологія, географія, геодезія й ін., необхідно визнати неспроможними, оскільки в наш час геоінформатика є міждисциплінарною сферою людської діяльності. Також є необгрунтованими спроби надати геоінформатиці статусу метанауки, що поєднує науки, які вивчають Землю з використанням математичних методів і комп'ютерних технологій.
Геоінформатика є частиною інформатики, яка має справу з просторовою (просторово-розподіленою, просторово-координованою) інформацією.
Найбільш загальним визначенням геоінформатики є таке: геоінформатика — це наука, технологія і прикладна діяльність, пов'язані зі збором, збереженням, обробкою, аналізом і відображенням просторових даних, а також із проектуванням, створенням і використанням географічних інформаційних систем.
У більш вузькому розумінні, як галузь наукового знання геоінформатику вважають міждисциплінарною наукою про засоби, методи і способи збору, збереження, обміну, обробки, аналізу й відображення просторової (чи просторово-координованої) інформації.
Сукупність засобів, способів і методів автоматизованого збору, зберігання, маніпулювання, аналізу і відображення (представлення) просторової інформації об'єднують під загальною назвою «геоінформаційні технології». У зв'язку з тим що сьогодні ці способи і методи якнайповніше реалізуються в географічних інформаційних системах (ГІС) (див. наступний параграф), то термін «гео-інформаційні технології» часто замінюють терміном «технології географічних інформаційних систем», або за аналогією з його англомовним еквівалентом — терміном «ГІС-технології» (GIS technology).

У цілому геоінформатика тісно пов'язана з географічними інформаційними системами(геоінформаційними системами, ГІС — Geographical Information Systems, GIS), оскільки основні теоретичні ідеї геоінформатики як науки реалізуються в сучасних ГІС на технічному і технологічному рівнях. Це дає підставу розглядати геоінформатику як «науку, технологію і виробничу діяльність з наукового обґрунтовування, проектування, створення, експлуатації і використання географічних інформаційних систем» (Баранов и др., 1997). Строго кажучи, це не так, оскільки існують і наукові, і технологічні, і виробничі аспекти геоінформатики, що виходять за межі проблем геоінформаційних систем. Як такі можна назвати фундаментальні дослідження з теорії геоінформації і просторового аналізу, розроблення технологій дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) і методів автоматизованої обробки даних ДЗЗ, дослідження у сфері GPS-технологій (технологій, що ґрунтуються на глобальній (супутниковій) системі позиціонування) і т.ін.
В окрему галузь — «геоінженерної інформатики» — останніми роками виділяються геоінформаційні технології інженерного проектування, інтегруючі технології систем автоматизованого проектування (САПР), ГІС і комп'ютерної графіки (Гуральник, Соколенко, 2005). Основні сфери застосування геоінженерної інформатики в наш час — інженерно-геодезичні і інженерно-геологічні розвідки і інженерне проектування в галузі цивільного, промислового і транспортного будівництва.
Проте в неінженерних дисциплінах поняття «геоінформаційні технології» і «ГІС-технології», як наголошується вище, дуже близькі. Оскільки надалі в даному посібнику в основному розглядатимуться геоінформаційні технології, реалізовані в сучасних ГІС, ці два поняття «за замовчуванням» використовуватимуться як рівнозначні.

1.2. Визначення ГІС. Відмінність ГІС від інших інформаційних систем

На сьогодні існує велика кількість визначень географічних інформаційних систем, що мають багато спільного і відмінного, характеризуючись, до того ж, різним ступенем повноти. Огляд наявних визначень наведений, зокрема, у роботах (Тикунов, 1991; Кошкарев, Тикунов, 1993; Светличный и др., 1997). За найбільш характерними з них, географічні інформаційні системи— це:
- інформаційна система, що може забезпечити введення, маніпулювання й аналіз географічно визначених даних для підтримки прийняття рішень (Vitec et al., 1984);
- реалізоване за допомогою автоматизованих засобів (ЕОМ) сховище системи знань про територіальний аспект взаємодії природи і суспільства, а також програмного забезпечення, що моделює функції пошуку, введення, моделювання та ін. (Трофимов, Панасюк, 1984);
- набір засобів для збору, збереження, пошуку, трансформації і відображення даних про навколишній світ з певною метою (Burrough, 1986);
- інформаційна система, призначена для роботи з просторовими, чи географічними, координатами (Star, Estes, 1990);
- апаратно-програмний людино-машинний комплекс, що забезпечує збір, обробку, відображення і поширення просторово-координованих даних, інтеграцію даних і знань про територію для ефективного використання при рішенні наукових і прикладних географічних завдань, пов'язаних з інвентаризацією, аналізом, моделюванням, прогнозуванням і керуванням навколишнімсередовищем і територіальною організацією суспільства (Кошкарев, 1991);
- сукупність апаратних, програмних засобів і процедур, призначених для забезпечення введення, керування, обробки, аналізу, моделювання і відображення просторово-координованих даних для вирішення складних проблем планування і керування (Core Curriculum..., 1991);
- науково-технічні комплекси автоматизованого збору, систематизації, переробки і представлення (видачі) геоінформації в новій якості з умовою одержання знань про досліджувані просторові системи (Сербенюк, 1990);
- сукупність апаратно-програмних засобів і алгоритмічних процедур, призначених для збору, введення, зберігання, математико-картографічного моделювання і образного представлення геопросторової інформації (Симонов, 1991);
- сукупність технічних, програмних і інформаційних засобів, що забезпечують введення, збереження, обробку, математико-картографічне моделювання й образне інтегроване представлення географічних і співвіднесених з ними атрибутивних даних для вирішення проблем територіального планування і керування (Отраслевой стандарт.., 1997);
- інформаційна система, що забезпечує збір, зберігання, обробку, доступ, відображення і поширення просторово-координованих (просторових) даних (Баранов и др., 1997).

Відзначимо насамперед те спільне, що характерне практично для всіх визначень ГІС. По-перше,ГІС — це інформаційна система, тобто «система обробки даних, що має засоби накопичення, збереження, відновлення, пошуку і видачі даних» (Словарь по кибернетике, 1989, с. 242). По-друге, ця інформаційна система належить до категорії автоматизованих інформаційних систем, «що використовують ЕОМ на всіх етапах обробки інформації» (там само, с. 18). Електронно-обчислювальна машина (комп'ютер) є неодмінним атрибутом і основою геоінформаційної технології. По-третє, ця інформаційна система надає можливості маніпулювання і обробки просторової (просторово-розподіленої, просторово-координованої) інформації.

Відмінною рисою географічних інформаційних систем є наявність у їхньому складі специфічних методів аналізу просторових даних, що в сукупності із засобами введення, збереження, маніпулювання і представлення просторово-координованої інформації і складають основу технології географічних інформаційних систем, чи ГІС-технології. Саме наявність сукупності здатних генерувати нове знання специфічних методів аналізу з використанням як просторових, так і непросторових атрибутів і визначає головну відмінність ГІС-технології від технологій, наприклад, автоматизованого картографування чи систем автоматизованого проектування (САПР/CAD). Ця риса геоінформаційних систем у тому чи іншому вигляді простежується в багатьох визначеннях ГІС. Зокрема, у визначенні С.М. Сербенюка говориться про здатність ГІС «представляти геоінформацію в новій якості за умови одержання знань про досліджувані просторові системи» (Сербенюк, 1990, с 19). Здатність географічних інформаційних систем виконувати «трансформацію», «аналіз», «моделювання» просторових даних у загальному випадку не характерна для інших інформаційних систем, і це, як правило, проявляється в існуючих визначеннях.
Слід звернути увагу на те, що визначення «географічна» у назві географічних інформаційних систем насправді є синонімом просторовості інформації. На це, зокрема, безпосередньо вказується в багатьох визначеннях ГІС (наприклад, у наведених вище визначеннях Дж. Вітека та ін. (Vitec et al., 1984), Дж. Стара і Дж. Істеса (Star, Estes, 1990). Однак це ще з більшою очевидністю випливає з аналізу історії розвитку і сучасних галузей застосування ГІС-технології, що охоплюють крім географічних наук, кадастр, інженерні дослідження і проектування, транспорт, зв'язок, комерцію, державне управління та ін. Проте відомі спроби виділення «чисто» географічних інформаційних систем з погляду професійно-географічної спрямованості (Линник, 1990; Сербенюк, 1990; Тикунов, 1991; Кошкарев, Тикунов, 1993). Необхідним і достатнім критерієм виділення «чисто» географічних інформаційних систем, на думку B.C. Тикунова (Тикунов, 1991), є проблемна орієнтація системи, тобто те, для яких цілей вона призначається і використовується і якого типу задачі розв'язує. «У географії ГІС переробляють географічні потоки, що формуються в межах географічної оболонки і являють собою інформаційне відображення системи об'єктів географічного вивчення» (Тикунов, 1991, с 19).
Уявляється, що сучасний розвиток геоінформаційних технологій, проникнення їх в усе нові сфери людської діяльності, у тому числі й дуже далекі від географії, наочно продемонструвало їх міждисциплінарний характер.

З урахуванням сучасних тенденцій розвитку геоінформаційних технологій як робочий варіант визначення геоінформаційної системи доцільно використовувати таке: географічна інформаційна система (ГІС) — це інтегрована сукупність апаратних, програмних і інформаційних засобів, що забезпечують введення, збереження, обробку, маніпулювання, аналіз і відображення (представлення) просторово-координованих даних.

Таким чином, ГІС — це інформаційні системи, які від інших інформаційних систем відрізняються тим, що це, по-перше, автоматизовані інформаційні системи, орієнтовані на використання можливостей ЕОМ, по-друге, вони призначені для роботи з просторово-координованою інформацією, і, по-третє, ГІС здатні продукувати нове знання на основі використання досить широкого спектра аналітичних методів і процедур.

Будь-яка географічна інформаційна система складається з апаратного комплексу, програмного комплексу і інформаційного блока. У той самий час будь-яка геоінформаційна система забезпечує функції підтримки аналізу просторових даних. Процедури просторового аналізу і моделювання в ГІС реалізовані програмними засобами, тобто їх виконання є однією з функцій програмного комплексу ГІС. Однак з огляду на надзвичайно важливу роль аналітичних можливостей ГІС у виконанні ними їх функцій, а також широкий, але досить чітко обкреслений арсенал цих можливостей, уявляється доцільним виділення, принаймні при вивченні основ ГІС-технології, блока аналізу як четвертого обов'язкового компонента геоінформаційних систем. Цілком виправданим, на наш погляд, є включення до складу компонентів ГІС і людей — розробників і користувачів, без яких неможливе існування останніх компонентів як системи. У цьому випадку ГІС є вже п'ятикомпонентними системами.

1.3. Історія розвитку геоінформаційних технологій

Першою реально працюючою геоінформаційною системою у світі вважається ГІС Канади (Canada Geographic Information System, CGIS), розроблена в середині 60-х років XX ст на базі перших ЕОМ і пакетної системи обробки даних. Основне призначення ГІС Канади полягало в обробці і аналізі даних, накопичених Канадською службою земельного обліку (Canada Land Inventory), для використання при розробленні планів землеустрою величезних площ переважно сільськогосподарського призначення.
Розробка перших геоінформаційних систем (Канадської ГІС, Інформаційної системи природних ресурсів штату Техас (1976), Австралійської ресурсної інформаційної системи (ARIS, 1979-1982) та ін.) було результатом реалізації цілком очевидного прагнення застосувати унікальні і все зростаючі можливості ЕОМ, які з'явилися в 50-х роках XX ст., для зберігання і маніпулювання великими масивами накопиченої на той час різнорідної інформації про природні і соціально-економічні умови і ресурси територій. Проте створення таких складних автоматизованих інформаційних систем зумовило необхідність вирішення цілого комплексу проблем, пов'язаних з особливостями кодування просторової інформації, необхідністю розробки програмного забезпечення для її зберігання і обробки, створення відповідної апаратури для введення і представлення просторових даних.
Географічні інформаційні системи, здатні реалізовувати функції, близькі до тих, що вони реалізують сьогодні (безумовно, з поправкою на технічний і технологічний рівні), виникли у 80-х роках минулого сторіччя. При цьому сучасні ГІС з'явилися як результат спочатку паралельного, а потім все більш тісного спільного розвитку геоінформаційних технологій в цілому ряді моно-дисциплінарних галузей. Серед таких галузей слід назвати автоматизоване картографування, комп'ютерне проектування (Computer Aided Designing — CAD), комп'ютерні науки, у тому числі комп'ютерну графіку, теорії і технології баз даних, мови програмування, а також дистанційне зондування і обробку методів дистанційного зондування, просторовий аналіз, географічне і картографічне моделювання.

У межах вже майже п'ятдесятилітнього періоду історії розвитку геоінформаційних технологій можна з певною мірою умовності виділити такі етапи: 1) кінець 1950-х - кінець 1970-х років; 2) 80-ті роки та 3) 90-ті роки XX століття — початок XXI століття.

Перший етап (кінець 50-х — кінець 70-х років XX ст.) разом зі створенням перших географічних інформаційних систем, перш за все в Канаді і США, характеризується розробленням перших комп'ютерних систем просторового аналізу растрових зображень й автоматизованого картографування з використанням лінійних і пір'яних плотерів. Першим і найвідомішим програмним пакетом, що реалізовував функції побудови картограм, карт ізоліній і трендових поверхонь, був пакет SYMAP (Synagraphic Mapping System), розроблений у 1967 р. у Гарвардській лабораторії комп'ютерної графіки і просторового аналізу (Harvard Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) Массачусетського технологічного інституту (керівник — Говард Фішер, США). У подальшому (70-ті роки — початок 80-х років XX ст.) у цій же лабораторії були розроблені інші програмні пакети (GRID, CALFORM, ODYSSEY та ін.), що забезпечували як цифрування карт і автоматичне картографування, так і просторовий аналіз. Одночасно подібного роду програмні продукти, відомі залежно від їх основного призначення під назвою або «пакетів картографічного аналізу», або «систем автоматизованого картографування», розроблялися і в інших наукових центрах Північної Америки і Західної Європи.
Найбільшу популярність у світі з цих більш пізніх розробок одержав пакет аналізу растрових даних MAP (Map Analysis Package), який реалізував алгоритми картографічної алгебри, основи якої були розроблені С.Д. Томліном, США (Tomlin, 1983a, 19836). Цей пакет, а також його більш пізні версії РМАР, аМар та ін. розповсюджував Йєльський університет (США) за дуже низькою ціною (близько $20).
Характерним для цього часу також було удосконалення методів аналізу просторових даних і технологій їх кодування і представлення. Зокрема, саме в цей період були розроблені теоретичні основи геостатистики (Ж. Матерон, Франція), векторна топологічна структура просторових даних (DIME-структура, США), технології графічного зображення тривимірних поверхонь та ін. Для другої частини даного періоду характерна тенденція до посилення міждисциплінарних зв'язків у середовищі розробників ГІС, у першу чергу, між ученими та інженерами. Проте в цей період геоінформаційні системи все ще залишаються спеціалізованими, створюваними на базі могутніх і дуже дорогих ЕОМ, унаслідок чого вони є системами унікальними з обмеженим колом користувачів.

Другий етап (80-ті роки XX ст.). У другій половині 70-х років — на початку 80-х років XX ст. на Заході в розробку і застосування ГІС-технологій були зроблені значні інвестиції як урядовими, так і приватними агентствами, особливо в Північній Америці. У цей період були створені сотні комп'ютерних програм і систем. Розробка ж (1973-1978) і широке розповсюдження недорогих комп'ютерів з графічним дисплеєм (що одержали назву «персональних») дозволили відмовитися від «пакетного» режиму обробки даних і перейти до діалогового режиму спілкування з комп'ютером за допомогою команд англійською мовою. Це сприяло децентралізації досліджень в галузі ГІС-технологій. Тісна ж інтеграція міждисциплінарних досліджень, їх спрямованість на вирішення комплексних завдань, пов'язаних із територіальним проектуванням, плануванням і управлінням, привели до створення інтегрованих ГІС, які характеризувалися більшою або меншою універсальністю.
За однією з оцінок (Coppock, Anderson, 1987) у Північній Америці в 1983 р. було понад тисячу ГІС і автоматичних картографічних систем. У Європі розроблення ГІС проводилося в меншому масштабі, але основні кроки в галузі розроблення і використання ГІС-технології були зроблені і тут. Особливо слід відзначити Швецію, Норвегію, Данію, Францію, Нідерланди, Великобританію і Західну Німеччину (Burrough, 1986).
Для 80-х років XX ст. у цілому характерне зростання наукового, політичного і комерційного інтересу до ГІС. Це було обумовлено усвідомленням необхідності створення державних інтегрованих ГІС, особливо у зв'язку з управлінням природними ресурсами і моніторингом навколишнього середовища. Показовими для цього періоду фактами є офіційне визнання у Великобританії в 1984 р. методів обробки просторових даних науково-дослідними пріоритетами (1984) (Jackson et al., 1990) і створення в США Національного центру географічної інформації і аналізу (NCGIA) Національної академії наук (1987), призначеного для проведення базових досліджень в галузі географічного аналізу з використанням географічних інформаційних систем.
Важливу стимулюючу роль у посиленні інтересу до ГІС відіграло прагнення асимілювати для вирішення як наукових, так і практичних завдань, у тому числі і на комерційній основі, уже накопичених на той час масивів даних дистанційного зондування Землі. Розвиток геоінформаційних систем, особливо здатних інтегрувати дані дистанційного зондування («інтегрованих ГІС»), розглядається як необхідна умова ефективного використання матеріалів дистанційного зондування. Зокрема, у 1985 році Європейське космічне агентство стало спонсором досліджень, пов'язаних з інтегрованими ГІС, а Британський національний космічний центр видав замовлення на контракти з розроблення ГІС (Goodenough, 1988). У цей самий період починає випускатися цілий ряд міжнародних періодичних видань, присвячених різним теоретичним і прикладним аспектам ГІС, у тому числі теоретичний «International Journal Geographycal Information Systems» (Міжнародний журнал географічних інформаційних систем) — з 1987 p., і присвячених переважно прикладним аспектам ГІС — журнали «GIS World» (ГІС Світ) — з 1988 p., «Geo Info Systems» — з 1990 p., «GIS Еигоре»(ГІС Європа) — з 1992 р. та ін., щорічно проводиться безліч присвячених ГІС наукових і науково-практичних конференцій різного рівня (від регіональних до всесвітніх).
У 80-ті роки XX ст. розробляються програмні ГІС-пакети (інструментальні ГІС), майбутні лідери світового програмного ГІС-забезпечення — пакет ARC/INFO, розроблений Інститутом досліджень систем навколишнього середовища (Environmental System Research Inctitute, ESRI Inc.) (1982), пакет MapInfo фірми Maping Information Systems Corp. (1987), пакет IDRISI, розроблений в Університеті Кларка (1987), пакет Modular GIS Environment (MGE) фірми Intergraph (1988) — усі в США.
У кінці 80-х років XX ст. сформувалася світова ГІС-індустрія, що містила апаратні і програмні засоби ГІС та їх обслуговування. У 1988 p., наприклад, тільки прямі витрати за цими статтями у світі перевищували 500 млн доларів США, а в 1993 p., склали близько 2,5 млрд доларів (Ottens, 1992).
Реалізацією могутнього інтеграційного потенціалу ГІС-технології стала починаючи з середини 80-х років XX ст. низка міжнаціональних і глобальних проектів з моніторингу природного середовища, таких, як CORINE - Геоінформаційна система країн Європейського співтовариства (з 1985 р.) і GRID - Глобальний ресурсний інформаційний банк даних (з 1987 p.).

Третій етап (90-ті роки XX століття — початок XXI століття). Прогрес у ГІС-технології в 90-ті роки минулого століття значною мірою був пов'язаний з прогресом апаратних засобів, причому як комп'ютерів — виникненням 32-бітових, а потім 64-бітових міні- і мікроЕОМ, так і засобів введення і виведення просторової інформації — дигітайзерів, сканерів, графічних дисплеїв і плотерів. Для цього ж періоду характерне широке поширення так званих комерційних ГІС-пакетів («інструментальних ГІС»), що з'явилися ще в 80-ті роки XX ст. Здебільшого вони є програмним середовищем, яке дозволяє користувачу або достатньо просто створювати геоінформаційні системи відповідно до його власних запитів і можливостей, або вирішувати завдання, пов'язані з просторовою інформацією, з використанням геоінформаційних технологій. Світовими лідерами серед комерційних ГІС-пакетів стають програмні продукти фірм ESRI (Arc/Info і Arc View GIS), Intergraph (MGE), Maping Information Systems (MapInfo). Загальна ж кількість програмних ГІС-пакетів обчислюється не одним десятком.
У розвинутих країнах світу ГІС-технологія стає повсюдно використовуваною технологією обробки, аналізу і представлення просторово-координованої інформації при вирішенні різних завдань у географії, геології, екології, особливо при виконанні великих міждисциплінарних проектів, містобудівному плануванні, на транспорті, у кадастровій діяльності, регіональному плануванні і управлінні та багатьох інших сферах людської діяльності. За даними (Burrough, McDonnell, 1998), у 1995 р. у світі геоінформаційні системи використовувалися більш ніж у 93 000 місцях, з них 65% знаходилися в Північній Америці і 22% — у Європі.
Фантастичними у цей період є прогрес апаратних засобів, постійне відновлення і модернізація відомих комерційних ГІС-пакетів, поява деяких нових. Проте в цілому ринок програмного ГІС-забезпечення вже поділений між основними «традиційними» виробниками. Простежується тенденція переключення масового інтересу від великих професійних інструментальних ГІС, що запускаються на робочих станціях або великих комп'ютерах фірм IBM, SUN, DEC та ін., до настільних інструментальних ГІС, здатних працювати на персональних комп'ютерах.
Помітна тенденція зміщення центра активності щодо освоєння і впровадження геоінформаційних технологій спочатку в країни Східної Європи, а потім у Росію.

У колишньому Радянському Союзі дослідження в галузі геоінформаційних технологій розпочаті у вісімдесяті роки і в основному, як відзначає B.C. Тікунов (1991), були пов'язані з адаптацією зарубіжного (західного) досвіду. Дослідження проводили Інститут географії і Далекосхідний науковий центр АН СРСР, Московський (кафедра картографії і геоінформатики), Казанський, Тбіліський, Тартуський і Харківський університети. У цей період (середина і друга половина 80-х років XX ст.) були розроблені перші автоматизовані системи картографування (наприклад, АКС МДУ), здійснювались дослідження з просторового аналізу, картографо-математичного моделювання, тематичного картографування та їх автоматизації (О.М. Берлянт, Н.Л. Беручишвілі, В.Т. Жуков, П.В. Петров, СМ. Сербенюк, Ю.Г. Симонов, B.C. Тікунов, І.Г. Черваньов, В.А. Черв'яков та ін.), з теоретичного обґрунтування і розроблення перших геоінформаційних систем (Н.Л. Беручишвілі, І.В. Гарміз, B.C. Давидчук, В.П. Каракин, А.В. Кошкарьов, В.Г. Лін-ник, М.В. Панасюк, A.M. Трофимов та ін.). Першою ГІС, розробленою в колишньому Радянському Союзі, мабуть, була геоінформаційна система Марткопського фізико-географічного стаціонару Тбіліського університету (Беручишвілі, 1986).
Перші ж програмні ГІС-пакети на території колишнього Радянського Союзу були розроблені вже після його розпаду в 90-ті роки XX ст. Серед них найвідомішим є пакет GeoDraw/Географ, створений в 1992 р. у Центрі геоінформаційних досліджень Інституту географії Російської академії наук (РАН), який має декілька тисяч інсталяцій. Крім GeoDraw/Географ, у Російській Федерації розроблений ряд програмних ГІС-пакетів, які мають по декілька сотень інсталяцій. Найвідомішими з них є пакети «Панорама» (Топографічна служба Зброєних сил РФ), «Парк» (ТОВ «Ланеко», м. Москва), CSI-MAP (компанія «КСІ-технологія», м. Санкт-Петербург), Sinteks ABRIS (компанія «Трісофт», м. Москва), ObjectLand (3AT «Радом-Т», м. Таганрог ) і «ІнГЕО» (компанія «Інтегро», м. Уфа). Проте більша частина ринку програмного ГІС-забезпечення в Російській Федерації представлена продукцією західних фірм — ESRI, Intergraph, MapInfo, Autodesk та ін.

Геоінформаційні технології в Україні набули розвитку в середині 90-х років XX ст. Серед позитивних чинників, що характеризують сучасний стан застосування .геоінформаційних технологій у країні, слід відзначити такі:
- формування в державних установах і організаціях груп фахівців, які активно працюють у напрямку застосування ГІС у різних сферах людської діяльності, зокрема: у Державному проектному інституті Діпромісто (Київ); у Науково-дослідному інституті геодезії і картографи (Київ); в Управлінні земельних ресурсів Одеської обладміністрації; в Одеському національному університеті ім. 1.1. Мечникова; у Національному університеті «Львівська політехніка» (Львів); у Національній гірській академії (Дніпропетровськ); у Харківському технічному університеті радіоелектроніки; в Українському центрі менеджменту Землі і ресурсів (Київ) та в ряді інших;
- створення ГІС-асоціації (1997) і Асоціації геоінформатиків (2003) України, що сприяють активізації і консолідації геоінформаці-онної діяльності в країні;
- щорічне проведення ГІС-форумів (1995-2001), конференцій «Гео-інформатика: теоретичні і прикладні аспекти» (з 2002 p.), конференцій користувачів продуктів фірми ESRI в Криму (з 1998 p., ЗАТ ЕСОММ), а також окремих тематичних конференцій, семінарів, нарад, присвячених використанню геоінформаційних технологій (наприклад, «Геоінформаційні технології сьогодні» (Львів, 1999); «Геоінформаційні системи і муніципальне управління» (Миколаїв, 2000 р.) «Можливості ГІС/ДЗЗ-технологій у сприянні вирішення проблем Причорноморського регіону» (Одеса, 2003) таін.);
- створення державних підприємств і комерційних компаній, що спеціалізуються на розробці і/або використанні геоінформаційних технологій, зокрема: державних науково-виробничого під-пріємства «Геосистема» (м. Вінниця) і науково-виробничого центру «Геодезкартінформатика» (м. Київ); комерційних компаній «Інтелектуальні системи, Гео», «Інститут передових технологій», «ЕСОММ», ГЕОКАД, «Аркада», «Геоніка» (м. Київ); «Високі технології» (м. Одеса) та ін.;
- розроблення спеціалізованого геоінформаційного пакета Рельєф-процесор — Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, векторно-растрової інструментальної ГІС настільного типу ОКО — ВАТ «Геобіономіка» (м. Київ); програмних комплексів GEO+CAD і GeoniCS, призначених для обробки даних досліджень і геоінженерного проектування в галузі цивільного, промислового і транспортного будівництва - компанія «ГЕОКАД», AT «Аркада» і НПЦ «Геоніка» (м. Київ) та ін.
- створення електронного атласу України — пілотної версії комп'ютерного Національного атласу України (2000) — Інститутом географії НАН України і компанією «Інтелектуальні системи, Гео» (Київ);
- внесення курсів з ГІС і геоінформаційних технологій до програми підготовки фахівців природознавчих і екологічних спеціальностей у багатьох вищих навчальних закладах країни; відкриття у деяких з них курсів підготовки фахівців у галузі геоінформаційних систем і технологій, зокрема, в Університеті «Львівська політехніка» (Львів) — у рамках спеціальності «Картографія», в Одеському національному університеті ім. 1.1. Мечникова — у рамках спеціальності «Географія», в Одеському державному екологічному університеті — у рамках спеціальності «Інформаційні технології», у Національній гірській академії України (Дніпропетровськ) — за фахом «Геоінформаційні системи і технології».

До факторів, що стримують розвиток геоінформаційних технологій, належать низький в цілому рівень комп'ютеризації в країні і відсутність у достатній кількості відповідних фахівців.

1.4. Функції й галузі застосування ГІС і геоінформаційних технологій

Умовно функції ГІС можна поділити на п'ять груп, при цьому перші три належать до традиційних функцій геоінформаційних технологій, останні дві — до нових, що розвинулися останнім десятиліттям.
1. Інформаційно-довідкова функція — створення і ведення банків просторово-координованої інформації, у тому числі:
- створення цифрових (електронних) атласів. Перший комерційний проект розробки цифрових атласів — Цифровий атлас світу — був випущений у 1986 р. фірмою Delorme Mapping Systems (США). Можна також відзначити Цифровий атлас Великобританії на оптичних дисках у результаті виконання британського Domesday Project (1987), Цифрову карту світу (Digital Chart of the Word) масштабу 1:1 000 000, розроблену Картографічним агентством Міністерства оборони США у 1992 р. і т.д. і, нарешті, — електронну версію Національного атласу України, розроблену Інститутом географії НАН України і фірмою «Інтелектуальні Системи, Гео» (Київ, 2000); — створення і ведення банків даних систем моніторингу. Як приклади можна навести Глобальний ресурсний інформаційний банк даних (Global Resources Information Database, GRID), створений під егідою UNESCO у 1987-1990 pp., і Геоінформаційну систему країн Європейського Співтовариства CORINE, розроблену в 1985-1990 pp.;
- створення й експлуатація кадастрових систем, у першу чергу автоматизованих земельних інформаційних систем (АЗІС), або Land Information Systems (LIS), і муніципальних (або міських) автоматизованих інформаційних систем (МАІС), а також просторово-розподілених автоматизованих інформаційних систем водного і лісового кадастрів, кадастрів нерухомості та ін. Програмне забезпечення роботи з просторовими даними в кадастрових системах складають програмні ГІС-пакети ARC/INFO, Arc View GIS, MGE Intergraph, Maplnfo (США), SICAD (Німеччина), ILWIS (Нідерланди) та ін.
2. Функція автоматизованого картографування – створення високоякісних загальногеографічних і тематичних карт, що задовольняють сучасні вимоги до картографічної продукції. Прикладом реалізації цієї функції є діяльність в Україні Інституту передових технологій (м. Київ) з підготовки і друкування навчальних географічних і історичних атласів території України, а також Молдови і Росії на основі можливостей ГІС-пакетів фірми ESRI, США.
3. Функція просторового аналізу і моделювання природних, природно-господарських та соціально-економічних територіальних систем, що ґрунтується на унікальних можливостях, наданих картографічною алгеброю, геостатистикою і мережним аналізом, які складають основу аналітичних блоків сучасних інструментальних ГІС з розвинутими аналітичними можливостями. Вона реалізується в наукових дослідженнях, а також вирішенні широкого кола прикладних завдань при територіальному плануванні, проектуванні і управлінні. 
4. Функція моделювання процесів у природних, природно-господарських і соціально-економічних територіальних системах. Прикладами є сучасні просторово-розподілені моделі поверхневого стоку, змиву ґрунту та транспорту схилових і руслових наносів, різного роду забруднювачів, зокрема, LISEM, Csredis (Нідерланди), WEPP (США). Реалізується при оцінці і прогнозі поведінки природних і природно-господарських територіальних систем та їх компонентів при вирішенні різних наукових і прикладних завдань, у тому числі пов'язаних з охороною і раціональним використанням природних ресурсів. 
5. Функція підтримки прийняття рішень у плануванні, проектуванні та управлінні. Найбільш активно цей напрямок в Україні розвивається в містобудівному плануванні і проектуванні. Певні успіхи є в галузі геоінформаційного забезпечення надзвичайних ситуацій. Діапазон прикладів тут може бути досить широким, якщо гнучко підходити до визначення змісту поняття «система підтримки прийняття рішень» (СППР), яка повинна передбачати:
- програмно-організовані банки просторової й атрибутивної інформації; 
- базу знань, що складається з блока аналізу і моделювання, який містить набір моделей просторового аналізу і просторово-часового моделювання, а також довідково-інформаційного блока, який містить формалізовану довідково-нормативну базу з розглянутої проблеми; 
- блок технологій штучного інтелекту, який забезпечує механізм формально-логічного висновку й ухвалення рішення на основі інформації, наявної в базі даних, довідково-інформаційному блоці і результатах просторово-часового аналізу та моделювання; 
- інтерфейс користувача.

У багатьох випадках на практиці як СППР розглядаються інтегровані комп'ютерні системи, що містять систему програмно-реалізованих моделей, банк довідкової інформації і банк даних. Аналіз і оцінка результатів імітаційного або оптимізаційного моделювання виконуються поза системою кваліфікованим експертом чи групою експертів.

Основними галузями застосовування ГІС у наш час є (Де-Мерс, 1999):
- управління земельними ресурсами, земельні кадастри; 
- інвентаризація і облік об'єктів розподіленої виробничої інфраструктури і управління ними; 
- тематичне картографування практично в будь-яких сферах його використання; 
- морська картографія і навігація; 
- аеронавігаційне картографування і управління повітряним рухом; 
- навігація і управління рухом наземного транспорту; 
- дистанційне зондування; 
- управління природними ресурсами (водними, лісовими і т. ін.); 
- моделювання процесів у природному середовищі, управління природоохоронними заходами; 
- моніторинг стану навколишнього середовища; 
- реагування на надзвичайні і кризові ситуації; 
- геологія, мінерально-сировинні ресурси і гірничодобувна промисловість; 
- планування і оперативне управління перевезеннями; 
- проектування, інженерні дослідження і планування в містобудуванні, архітектурі, промисловому і транспортному будівництві; 
- планування розвитку транспортних і телекомунікаційних мереж; 
- комплексне управління і планування розвитку території, міста; 
- сільське господарство;
- маркетинг, аналіз ринку;
- археологія;
- безпека, військова справа і розвідка;
- загальна і спеціальна освіта.

Зазначимо, що до переліку ввійшли тільки «основні», «найбільші» сфери використання ГІС без урахування наукових досліджень, використання в яких геоінформаційних систем і технологій стає все більш поширеним. Крім цього, наведений список не є остаточним, оскільки сфера використання ГІС постійно розширюється. До нього можна, зокрема, додати медичну географію, епідеміологію, заповідну справу, туризм — сфери людської діяльності, у яких використання ГІС останніми роками стає все більш поширеним.

1.5. Геоінформатика, геоінформаційні технології і географія

На думку директора «Програми з географії і регіональних наук» при Національній науковій фундації США, «ГІС надають географам ті засоби обробки регіональної інформації, які вони шукали протягом двох тисяч років», «ГІС є одночасно телескопом, мікроскопом, ЕОМ і копіювальною машиною для цілей регіонального аналізу і синтезу» (Alber, 1988, с. 137). З цією думкою авторитетного фахівця (з урахуванням поправки на емоційність і образність, особливо в другій частині цитати) в цілому не можна не погодитися.
Якщо говорити коротко, ГІС (геоінформаційні технології) є сучасною інформаційною технологією географії. При цьому вони не тільки дозволяють на багато разів збільшити швидкість обробки інформації, підвищити її якість і точність внаслідок використання можливостей сучасних ЕОМ, автоматизувати виконання багатьох традиційних аналітичних процедур, а й надають в розпорядження географа принципово нові можливості щодо проведення як польових, так і теоретичних досліджень.
Розглядаючи автоматизацію традиційної діяльності географів, перш за все слід назвати тематичне картографування, накопичення географічних даних і створення довідкових систем. Проте і тут використання геоінформаційних технологій надає якісно нові можливості.
У тематичному картографуванні це, наприклад, створення за допомогою алгоритмів комп'ютерної графіки спеціальних тематичних карт, які вручну виконати практично неможливо; створення електронних комп'ютерних карт з можливістю інтерактивного зчитування інформації з карти і зміни її як оформлення, так і змісту з використанням складних аналітичних алгоритмів (інтерактивність довідкова, оформлювальна і розрахунково-аналітична (Светличный и др., 1997)); підключення до електронних тематичних карт звуку і відеозображення, використовування анімації і т.ін.
У сфері накопичення інформації ГІС-технології дозволяють створювати автоматизовані банки даних картографічних і атрибутивних (цифробуквених) даних практично необмеженої місткості з можливістю пошуку потрібної інформації за складною системою запитів і відображення її на екрані у вигляді твердих копій (найчастіше на папері) у дво- і тривимірному вигляді. Принципово новим видом довідкових систем є цифрові географічні атласи.
Геоінформаційні технології дозволяють автоматизувати виконання багатьох традиційних, у тому числі і дуже трудомістких при ручному виконанні процедур, таких, як визначення довжин, обчислення площ, об'ємів, побудова полігонів Тиссена-Вороного, накладення шарів даних один на один і їх аналіз. Проте до складу аналітичних можливостей сучасних інструментальних ГІС входять методи просторового аналізу, виконання яких можливе тільки з використанням ЕОМ. Серед них можна назвати методи просторової кореляції і регресії, аналіз зон видимості і невидимості з однією або системи точок і побудова відповідних карт, побудова карт «вищерозміщених елементів», кожний елемент яких містить величину площі, з якої даний елемент одержує водне живлення, та ін.
Нарешті, тільки геоінформаційні технології дають можливість практичного здійснення просторового моделювання процесів енергомасообміну в природних і природно-господарських територіальних системах, що дозволяє врахувати всю складність їх просторової диференціації.
Характеризуючи перспективи, які відкриває геоінформатика в дослідницькій, виробничій і освітній діяльності в географії, не можна забувати про те, що, по-перше, будь-які технології (у тому числі і геоінформаційні) вимагають обґрунтованого використання, а, по-друге, результати цього використання повинні бути верифікованими (тобто такими, що можуть бути перевіреними).
Сучасні так звані «інструментальні ГІС» з розвиненими аналітичними можливостями надають надзвичайно широкий і різноманітний перелік (який постійно збільшується) процедур аналізупросторових даних. Підкреслимо, що необхідною умовою використання тієї чи іншої з них для вирішення конкретного завдання є чітке уявлення про теоретичні ідеї, покладені в основу кожної аналітичної процедури, її достоїнства, недоліки і обмеження. При цьому завжди повинна бути передбачена перевірка достовірності одержуваних результатів або з використанням фактичних даних, або на основі теоретичних моделей. Слід також пам'ятати про те, що достовірність одержуваного результату багато в чому визначатиметься повнотою і точністю просторових даних (цифрових карт), що беруть участь в аналізі.

Питання і завдання для самоперевірки

1. Дайте визначення понять «інформація», «інформатика», «геоінформатика».
   2. Як можна охарактеризувати співвідношення між геоінформатикою та іншими науками?
   3. Що таке географічні інформаційні системи і в чому полягає їх відмінність від інших інформаційних систем?
   4. З яких компонентів складається будь-яка геоінформаційна система?
   5. Охарактеризуйте історію розвитку технології географічних інформаційних систем у світі.
   6. Охарактеризуйте сучасний стан застосування геоінформаційних технологій і діяльності, пов'язаної з геоінформаційними технологіями в Україні.

   Розділ 2. Апаратне забезпечення геоінформаційних систем і технологій

2.1. Загальна характеристика апаратного забезпечення ГІС

Геоінформаційні системи базуються на певному наборі технічного обладнання, основними функціями якого є забезпечення роботи програмних ГІС-продуктів і допоміжних програм, збереження масивів цифрових даних, забезпечення збору і введення даних, представлення готової інформації. Комплекс електронних і електронно-механічних пристроїв, призначений для технічної підтримки працездатності ГІС, називається апаратним забезпеченням ГІС. Апаратне забезпечення (синоніми — апаратні засоби, апаратура, технічні засоби, hardware) — технічне устаткування геоінформаційної системи, що містить власне комп'ютер і інші механічні, магнітні, електричні, електронні й оптичні периферійні пристрої чи аналогічні прилади, що працюють у складі апаратного комплексу або автономно, а також будь-які пристрої, необхідні для функціонування геоінформаційної системи (наприклад, GPS-апаратура, електронні картографічні прилади і геодезичні прилади). Загальна організація взаємозв'язку елементів апаратного забезпечення геоінформаційної системи називається архітектурою, сукупність функціональних частин — конфігурацією системи.
У наш час різними фірмами виробляються тисячі моделей різних комп'ютерів і периферійних пристроїв, кількість комплектуючих вузлів і деталей обчислюється десятками і сотнями тисяч. При плануванні архітектури ГІС і виборі конфігурації апаратного забезпечення слід орієнтуватися на характер розв'язуваних завдань, вимоги програмного забезпечення, методи обробки й обсяги даних, що циркулюють у системі даних.

Залежно від призначення і масштабу ГІС апаратне забезпечення може мати різні функціональні групи пристроїв. Для простих настільних ГІС кінцевого користувача досить звичайногоофісного комп'ютера з принтером, багатофункціональні корпоративні ГІС можуть налічувати десятки робочих місць з різними периферійними пристроями, об'єднаних у єдину обчислювальну мережу з керованим доступом. Для виконання деяких технологічних операцій введення чи представлення даних у середовищі ГІС розробляються унікальні апаратні пристрої вартістю в десятки і сотні тисяч доларів США.
У той самий час основна частина бюджетних ГІС-проектів орієнтована на використання стандартних комп'ютерів і периферійних пристроїв. У зв'язку з особливостями організаційної структури ГІС апаратне забезпечення прийнято поділяти на три основні групи:
1) пристрої обробки і збереження даних (власне комп'ютери);
2) пристрої збору і введення даних;
3) пристрої візуалізації і представлення даних.

Від організації взаємодії і технічних характеристик різних пристроїв залежить ефективність роботи геоінформаційної системи в цілому. Узагалі ГІС характеризуються підвищеними вимогами до технічних характеристик комплектуючих вузлів комп'ютерів і периферійних пристроїв. Зокрема, спеціальні вимоги висувають до апаратної підсистеми збору і введення просторових даних, у якій використовуються спеціалізовані прилади. Особливі вимоги також висуваються до підсистеми виведення даних — необхідність друку великоформатних повнокольорових карт зумовила необхідність створення спеціального класу друкувальних периферійних пристроїв.

2.2. Комп'ютер як складова частина ГІС

2.2.1. Класифікація комп'ютерів

Комп'ютери класифікуються за сферою застосування, конструктивним виконанням та іншими критеріями. Наприклад, дотепер використовується така класифікація: суперЕОМ, чи суперкомп'ютери, комп'ютери загального призначення, чи універсальні комп'ютери, або «мейнфрейми» (mainframe), робочі станції, персональні комп'ютери, мобільні комп'ютери. Засновник фірми Microsoft Білл Гейтс, людина, що багато в чому визначає напрямок розвитку комп'ютерної індустрії у світі, ввів таку класифікацію персональних комп'ютерів: сервери, настільні, портативні, кишенькові, ПК-кіоски й інтерактивні телевізори.

У наш час практично не існує відмінностей між технічними характеристиками комплектуючих і готових вузлів, з яких складають різні класи комп'ютерів. Основні розбіжності між класами визначаються кількістю, компонуванням і якістю комплектуючих, типом корпуса й екрана, розмірами, енергоспоживанням. Для апаратного забезпечення ГІС можуть використовуватися усі типи комп'ютерів, тобто:
- суперкомп'ютери;
- сервери;
- робочі станції;
- настільні персональні комп'ютери;
- мобільні комп'ютери.

Суперкомп'ютери. Сучасні ЕОМ цього класу характеризуються багатопроцесорною архітектурою і порівняно великими обсягами дискової та оперативної пам'яті. Ці комп'ютери призначені для складних і великих за обсягом наукових розрахунків, зокрема, для тривимірного моделювання різних гідрологічних, атмосферних і геологічних процесів у реальному режимі часу. Основними користувачами такого апаратного забезпечення є великі наукові інститути, що займаються вивченням навколишнього середовища, чи комерційні організації, наприклад, геологорозвідувальні фірми, що аналізують дані сейсмічної або геофізичної розвідки для визначення родовищ корисних копалин.
До складу комплектуючих таких комп'ютерів можуть входити 16-1024 процесорів і до декількох терабайт оперативної пам'яті, які працюють під керуванням спеціальної операційної системи типу UNIX чи SOLARIS. Корпуси суперкомп'ютерів оснащені спеціальними системами енергоживлення й охолодження. Найбільш відомі суперкомп'ютери фірми Cray, які є унікальними виробами вартістю в кілька мільйонів доларів США.
Сьогодні все більшого поширення набувають розширювані (кластерні) обчислювальні системи, у яких над складним обчислювальним процесом під керуванням єдиної ОС одночасно працює кілька комп'ютерів. Для побудови таких кластерних систем розроблений спеціальний тип конфігурації комп'ютера, у якому немає клавіатури, миші, дисководів, монітора й інших засобів керування (тільки один чи кілька процесорів, оперативна і дискова пам'ять, мережна карта, блок енергопостачання й охолодження), корпус комп'ютера виконаний у вигляді плоского модуля стандартного розміру, що може вмонтовуватися в спеціальну шафу. Кілька десятків потужних комп'ютерів, що в настільному варіанті займали б велику залу, у такому вигляді займають одну-дві шафи. Доступ до такого комп'ютерного кластера можливий тільки по локальній мережі зі спеціальної службової машини, оснащеної монітором, клавіатурою і маніпулятором «миша».

Сервери. Сервер призначений для роботи в складі локальних чи розподілених обчислювальних систем, виконує певні функції для обслуговування інших комп'ютерів. Залежно від призначення сервери оснащуються наборами комплектуючих з різними технічними характеристиками.
Найбільш поширеним типом цього класу є файл-сервер — високопродуктивний комп'ютер, що виконує функції центрального сховища даних будь-якої організації, наприклад, регіональної ГІС. По локальній мережі чи через Internet файл-сервер приймає запити користувачів, робить пошук даних і подає набори даних для обробки безпосередньо на сервери чи на комп'ютері користувача. Особливі вимоги висувають до забезпечення надійності, перешкодозахищеності, багаторазового резервного копіювання. Тут використовуються змінні накопичувачі даних високої ємності на магнітних дисках і стрічках (до 250 Гб), швидкісні мережні й Internet-з'єднання. Для обробки великої кількості запитів, що одночасно надходять, у серверах може одночасно працювати від двох до восьми потужних процесорів. При комплектації серверів використовуються найбільш продуктивні на визначений момент часу процесори, установлюються максимально можливі обсяги оперативної і дискової пам'яті, системи створення резервних копій на оптичних дисках.

Робочі станції. У різні періоди розвитку комп'ютерної техніки під терміном «робоча станція» розуміли різні типи комп'ютерів. У 70-80-ті pp. XX ст. робочі станції характеризувалися порівняно з малопотужними першими персональними комп'ютерами наявністю потужних процесорів, великими обсягами дискової й операційної пам'яті, наявністю декількох зовнішніх терміналів і засобів зв'язку з ними, багатозадачними операційними системами типу UNIX, SOLARIS та ін. У наш час під робочою станцією розуміють комп'ютер, конфігурація якого оптимізована для виконання певного класу завдань, наприклад, обробки графічних даних.
Найбільш відомі станції фірм SUN і Silicon Graphics для комп'ютерної графіки, у яких використовуються спеціальні фірмові процесори і відеокарти. Для введення просторових даних фірмою Intergraph у 1980-90-х pp. випускалися спеціалізовані картографічні станції, оснащені двома дисплеями для одночасного відображення картографічних і текстових даних і спеціальних консолей з додатковими функціональними кнопками для виклику програмних функцій введення і редагування картографічних даних.

Більшість сучасних робочих станцій складається зі спеціально підібраних стандартних комплектуючих, готові машини тестуються й оптимізуються для виконання певного набору завдань і програмного забезпечення. Для геоінформаційних систем розроблені типові конфігурації робочих станцій для введення чи виведення даних з різними периферійними пристроями, що містять визначені моделі процесорів, відеокарт, дисплеїв, периферійних пристроїв. Наприклад, сучасна робоча станція для введення картографічних даних зі сканера і їхньої подальшої обробки повинна оснащуватися процесором з тактовою частотою 2-3 ГГц, оперативною пам'яттю не менше 512 Мб, спеціальним відеоприскорювачем, дисковою пам'яттю не менше 100 Гб. Розмір монітора, що рекомендується для перегляду і редагування даних, — не менше 19 дюймів. У деяких випадках конфігурація робочої станції підбирається для роботи з конкретною моделлю сканера, дигітайзера, плотера, стереофотограметричної станції та ін.

Настільні персональні комп'ютери. Комп'ютери настільної конфігурації призначені для роботи користувача в умовах офісу чи будинку. Електронні компоненти комп'ютера складені в єдиному корпусі (системному блоці), кожен комп'ютер оснащений засобами керування, що підключаються (миша, клавіатура, монітор). Фірма Apple поміщає в єдиний моноблок разом з електронними компонентами так само і монітор. Настільні комп'ютерирозраховані на роботу переважно одного користувача і допускають різні варіанти настроювання апаратної і програмної конфігурації, підключення периферійних пристроїв, а так само зміни зовнішнього вигляду.
Комп'ютери цього класу розраховані на виконання порівняно нескладних завдань, що не вимагають значних обчислень, побудови складних тривимірних зображень, збереження й обробки великих масивів даних. У той самий час розроблений досить широкий набір програмного ГІС-забезпечення, здатного ефективно працювати на комп'ютерах з порівняно невисокими технічними характеристиками. На базі персональних комп'ютерів можливе створення робочих місць для введення текстових чи табличних даних, перегляду готових наборів кінцевих даних, електронних атласів та ін.
Найбільш відомі настільні комп'ютери фірм Hewlett Packard, Compaq, IBM. Значна кількість комп'ютерів складається місцевими невеликими компаніями з наборів комплектуючих деталей на конкретне замовлення користувача. Більш детальна характеристика персональних комп'ютерів наведена в наступному підрозділі (2.2.2).

Мобільні комп'ютери. Перший мобільний комп'ютер був створений ще в 1980 р. і важив 12 кг. Сучасні мобільні комп'ютери мають технічні характеристики, які нічим не поступаються характеристикам настільних моделей при істотно менших розмірах і вазі. Розміри більшості моделей переносних комп'ютерів класу Notebook (записна книжка) не перевищують розмірів великої папки при вазі менше 3 кг. Основними компонентами, що дозволили досягти таких характеристик, є плоскі рідинно-кристалічні екрани розміром 14-15" і високоємні елементи автономного електроживлення. Необхідність економії енергії зумовила випуск спеціальних мобільних версій основних типів процесорів, що при високій тактовій частоті мають знижене енергоспоживання. Для мобільних комп'ютерів розроблені спеціальні моделі портативних твердих магнітних дисків, мікросхем оперативної пам'яті. Багато моделей Notebook оснащені вмонтованими дисководами, модемами, портами для підключення периферійних пристроїв (зовнішніх моніторів, клавіатур, миші). Мобільні комп'ютери відрізняються більш високим ступенем інтегрованості комплектуючих вузлів, і їх складання виробляється тільки на спеціалізованих підприємствах. Найбільш відомі моделі мобільних ПК фірм Toshiba, Compaq, HP, IBM.
Особливим підкласом мобільних комп'ютерів є пристрої, призначені для роботи в особливо складних умовах польових досліджень. У цьому випадку особлива увага приділяється забезпеченню міцності як окремих компонентів, так і всієї системи в цілому. Розроблено спеціальні моделі ударо- і вібростійких рідинно-кристалічних моніторів і твердих дисків, використовуються броньовані водо- і пилонепроникні корпуси з амортизаторами, потужні джерела автономного електроживлення. Такі пристрої можуть працювати більше 10 годин без підзарядки, витримують велику вібрацію чи падіння з висоти 2 м. Ці комп'ютери широко використовуються в польових експедиціях, на будівництві, гірських розробках та ін.
Створення інтегрованих багатофункціональних мікросхем зумовила появу нового класу комп'ютерів — palmtop (надолонні комп'ютери). При розмірах записної книжки і вазі до 150-200 г ці комп'ютери мають багато функцій своїх повнорозмірних аналогів. Останні моделі оснащені повнокольоровими рідинно-кристалічними моніторами, чуттєвими до натискання, портами для підключення зовнішніх пристроїв збереження даних, засобами зв'язку з настільними комп'ютерами. Ці пристрої можуть бути оснащені процесорами з швидкодією 200-400 МГц і 64 Мб оперативної пам'яті, що дозволяє використовувати полегшену версію операційної системи Windows СЕ і відповідний набір службових утиліт та офісних програм. Введення інформації здійснюється за допомогою чуттєвого екрана і системи розпізнавання рукописних символів. Деякі моделі оснащуються радіомодемами на основі мобільних телефонів, що дозволяє використовувати електронну пошту і переглядати вміст Web-сторінок.
Цей клас мобільних пристроїв використовується для організації мобільних сервісів ГІС. Зі спеціального сервера користувач може завантажити картографічну базу даних і працювати з нею за допомогою адаптованого для цих апаратних платформ програмного забезпечення. Уже розроблені мобільні версії популярних ГІС-пакетів Mapinfо і Arc View, а так само картографічні бази даних великих міст США і Європи, бази даних автомобільних доріг, за допомогою яких користувач такого пристрою може визначати своє місце розташування, найкоротший маршрут та ін.

2.2.2. Складові частини ПК та їх характеристики

Основними компонентами, що входять до конфігурації основних типів комп'ютерів, є:
- центральний процесор;
- материнська плата;
- оперативна пам'ять;
- накопичувані на твердих магнітних дисках;
- накопичувані на змінних магнітних і оптичних дисках;
- відеокарта чи відеоприскорювач;
- порти для підключення периферійних пристроїв.

Центральний процесор. Процесор (processor) — функціональна частина обчислювальної машини (комп'ютера), призначена для інтерпретації програм. Саме в процесорі комп'ютерна програма перетворюється в якісь дії — показ на моніторі символів чи зображень; запис чи читання даних із пристроїв збереження; команди периферійним пристроям.
Швидкодія процесора визначається кількістю тактів, що виконуються в одну секунду, тактовою частотою (кількість елементарних операцій в одну секунду, Герц). У сучасних процесорах для підвищення швидкодії застосовуються технологія прогнозування послідовності операцій і відповідно заздалегідь вибудовується черга виконуваних команд.
При високій тактовій частоті процесора на швидкодію починає впливати час, необхідний на обмін даними між процесором і оперативною пам'яттю (відстань близько 5-7 см). У зв'язку з цим розробники поміщують частину оперативної пам'яті безпосередньо на сам процесор (наявна, cash-пам'ять). Ємність такої пам'яті становить 256-512 Кб, деякі моделі процесорів містять надоперативну пам'ять другого рівня.
У наш час (у середині 2005 р.) найбільш поширені центральні процесори двох основних розробників — фірм Intel і AMD (США). Фірма Intel виробляє різні моделі процесорів на основі Pentium 4 з тактовою частотою від 1500 до 3400 МГц, ємністю кеш-пам'яті 512-1024 Кб і різною швидкістю обміну інформацією із системною шиною (333-800 МГц). Для офісних комп'ютерів, що не використовують багато команд для наукових і графічних розрахунків, випускається лінія процесорів Celeron 1000-2500 МГц (без розширеного набору команд і зменшеним до 256 Кб розміром кеш-пам'яті). Для роботи в багатопроцесорних робочих станціях розроблений процесор Хеоп з частотою 2400-3060 МГц і вище і ємністю кеш-пам'яті до 2 Мб.
Фірма AMD випускає процесори, широко використовувані для складання недорогих моделей ПК — Sampron 1200-2200. Процесори G4 і G5 з тактовою частотою 700-2000 МГц виробництва фірми Motorolla використовуються для складання ПК фірми Apple. Ці процесори характеризуються розширеним набором команд обробки графіки, тому комп'ютери на їхній основі переважно використовуються як мультимедіа-станції чи графічні станції для відеомонтажу, верстки, тривимірного графічного моделювання і ін.

Материнська плата. Материнська плата (motherboard) призначена для кріплення і з'єднання всіх інших вузлів комп'ютера в системному блоці. Являє собою пластину з пластикового ізоляційного матеріалу, на яку напаяні з'єднання і гнізда длякріплення процесора й інших чипів, оперативної пам'яті, гнізда для плат розширення, елементи електроживлення та ін.
Основу материнської плати складає системна шина — ряд рівнобіжних провідників для передачі 32-розрядних машинних чисел, за допомогою яких виробляється обмін даними між процесором, оперативною пам'яттю, накопичувачами інформації, платами, керуючими зовнішніми пристроями і ін. Швидкодія такого обміну залежить від частоти системної шини — 133, 266, 333, 400, 533 чи 800 МГц.
Функціональні можливості материнської плати визначаються набором рознімань для приєднання комплектуючих і мікросхем, призначених для керування спільної роботи комплектуючих різних фірм. На материнській платі може бути одне чи кілька гнізд для центрального процесора, від одного до чотирьох рознімань для мікросхем оперативної пам'яті, рознімання високо-швидкісного графічного обміну з відеокартою AGP, від двох до восьми рознімань для плат пристроїв стандартів РСІ чи ISA, рознімання (порти) для підключення миші, клавіатури, рознімання RS232 для принтера, універсальне рознімання USB.
До обов'язкового набору мікросхем на сучасній платі входять два чипи (так звані Північний і Південний порти), що дозволяють процесору працювати з численним набором різних комплектуючих в умовах постійного відновлення стандартів, протоколів обміну даними та ін. Чип базової системи введення-виведення інформації (BIOS) зберігає інформацію про конфігурацію компонентів системи, відслідковує наявність і настроювання основних пристроїв і керує комп'ютером при відключеному живленні та на початкових етапах завантаження ОС. На деяких моделях материнських плат інтегровано багато функціональних можливостей (звук, відеовихід, керування накопичувачами на твердих і змінних носіях, порти), що раніше могли використовуватися тільки у вигляді змінних плат, що вставляються в рознімання РСІ чи ISA.
Материнська плата із закріпленими на ній комплектуючими міститься в корпусі системного блока. Корпус захищає компоненти ПК від зовнішніх механічних впливів. На корпусі закріплений блок живлення з вентилятором охолодження, рознімання для установки змінних накопичувачів (дисководи для магнітних і оптичних дисків), кнопки включення живлення і перезавантаження, індикатори роботи комп'ютера та ін. Корпуси мають різні стандартні розміри й оформлення, що дозволяють розміщати різні набори устаткування залежно від призначення й умов роботи ПК.
Оперативна пам'ять. Оперативна пам'ять призначена для розміщення програм і даних, використовуваних процесором безпосередньо в процесі поточної роботи. Складається з комірок для запису, збереження і зчитування даних, об'єднаних у 32-розрядні адресні регістри. При відключенні живлення дані в оперативній пам'яті стираються. Конструктивно оперативна пам'ять виконана у вигляді модуля з набором спеціальних мікросхем, закріплених на пластиковій платі з контактами, що вставляються в спеціальні рознімання на материнській платі. Технічні характеристики оперативної пам'яті визначаються місткістю і швидкістю обміну із системною шиною.
Постійно розробляються нові типи і стандарти оперативної пам'яті. У наш час найбільш широко використовуються модулі пам'яті типу DDR зі швидкістю перезапису даних у комірках 3-6 наносекунд. Модулі пам'яті DDR мають різну ємність (128, 256, 512, 1024 Мб) і швидкість передачі даних 266-800 МГц. Так само з процесорами ранніх версій можуть використовуватися модулі пам'яті стандартів DIMM (128-512 Мб, 133 МГц) і SIMM (8-64 Мб).
Накопичувачі яа твердих магнітних дисках. Накопичувачі на твердих магнітних дисках (HDD, вінчестери) призначені для збереження програм і даних протягом тривалого періоду часу; ця пам'ять не залежить від підключення енергії. Інформація записується у вигляді магнітних плям (міток) на дисках з магнітним покриттям. Запис і зчитування магнітних міток виконуються за допомогою спеціальної голівки, що переміщується над поверхнею диска. Одна чи кілька дискових пластин з голівками помішуються в герметичний металевий корпус, оснащений електродвигунами обертання дисків і переміщення голівок, системою керування (контролером) і оперативною пам'яттю (буфером) для тимчасового збереження даних при записі чи зчитуванні. За умовами використання розрізняють: внутрішні накопичувачі (постійно закріплені в системному блоці), змінні накопичувачі (вставляються в спеціальні рознімання системного блока чи дискового масиву) і зовнішні (в окремому корпусі з блоком електроживлення і системою вентиляції, зв'язок з іншими компонентами підтримується за допомогою високошвидкісних з'єднань SCSI, FireWire чи USB).
Тверді магнітні диски залежно від типу контролера поділяються на три основні типи: IDE, SCSI, RAID. Найбільшого поширення набули накопичувачі типу IDE. Численні моделі цього типу мають швидкість обертання 5400 чи 7200 об/хв; ємність дискової пам'яті від 20 до 250 Гб; ємність буфера обміну 2-8 Мб. Накопичувачі з контролером SCSI характеризуються значно більш високоюшвидкістю передачі даних за рахунок удосконаленого протоколу обміну і швидкості обертання дисків 10000-15000 об/хв, місткість дискової пам'яті — 20-150 Гб, буфер обміну — до 8 Мб. Контролери типу RAID здатні підтримувати одночасну роботу кількох накопичувачів, забезпечувати дублювання запису на кілька пристроїв, відновлювати інформацію у випадку перебоїв, контролювати якість поверхні дисків, змінювати пристрої без вимикання та ін. Місткість дискових масивів RAID залежить від кількості одночасно підтримуваних пристроїв і може досягати 16 Терабайт. Основними виробниками накопичувачів на твердих магнітних дисках є фірми Samsung, Western Digital, IBM, Maxtor, Seagate.

Накопичувачі на змінних магнітних і оптичних дисках, стрічкові накопичувані, карти пам'яті. Накопичувачі на змінних магнітних дисках (флопі-диски, гнучкі диски, дискети) призначені для тимчасового чи постійного збереження програм і даних, а також для обміну даними між комп'ютерами. Гнучкий магнітний диск являє собою круглу пластикову пластину діаметром 3,25 дюйма (83 мм) у пластиковому захисному конверті. Стандартна ємність дискети - 1,44 Мб. Дисководами для таких дискет оснащений практично кожен ПК, однак недостатня місткість цього типу пристроїв змушує розробників шукати нові стандарти для їхньої заміни.
Поширені накопичувачі на магнітно-оптичних дисках двох типів: Iomega ZIP місткістю 100 і 250 Мб і Iomega JAZ ємністю 1000 і 2000 Мб.
Значного поширення накопичувачі з оптичним принципом запису і зчитування інформації - оптичні або лазерні диски. Оптичні диски можуть бути надійним засобом збереження архівів і резервних копій даних, розрахунковий термін служби оптичного диска становить до 100 років. У наш час розроблено три типи оптичних дисків ємністю до 700 Мб: CD (тільки читання), CD-R (одноразовий запис і читання), CD-RW (багаторазовий запис-читання). Для кожного типу дисків існують відповідні дисководи, що підтримують необхідні функції. Так само існують комбіновані дисководи, здатні працювати з усіма трьома типами дисків. Технічні характеристики дисководів визначаються швидкістю зчитування/запису даних. Швидкість визначається кратною стосовно першого стандарту CD. Наприклад, типова швидкість сучасних дисководів становить 52х-54х при читанні даних і 24х-32х при записі.
Відносно новим стандартом оптичних накопичувачів є диски стандарту DVD ємністю 4,7 Гб. Для цього стандарту розроблені різні типи дисків і дисководів з можливістю читання і запису даних.
Для систем, що використовують операцію постійного резервного копіювання оперативної інформації, використовують стрічкові магнітні накопичувачі (стримери) з касетами ємністю 24 чи 40 Гб.
У мобільних ПК і багатьох геодезичних електронних приладах використовуються накопичувачі на електромагнітній енерго-незалежній пам'яті — flash-карти. Ці пристрої не мають деталей, що рухаються, і зручні для застосування в польових умовах, мають розміри і формат банківської електронної картки, розміри деяких моделей наближаються до розмірів поштової марки. Ємність більшості моделей flash-карт (CompactFlash, Secure Digital, SmartMedia, Memory Stick) різних виробників становить 16, 32, 64, 128, 256, 512 Мб. Для перенесення інформації з flash-карт у ПК останній повинен бути оснащений спеціальним карт-зчитувачем (окремо для кожного типу чи комбінованим).

Відеокарти і відеоприскорювачі. Відеокарти призначені для перетворення сигналів процесора у відеозображення певного стандарту, що через спеціальне рознімання може бути передана на монітор чи інший пристрій візуалізації. Відеокарта виконана на окремій платі, що вставляється у рознімання РСІ чи AGP, оснащена спеціальнім графічнім чипом з необхіднім набором команд і відеопам'яттю (1-2 Мб), у який зберігається сформоване відеозображення. Сучасні відеокарти можуть бути настроєні на кілька відеостандартів, що розрізняються за екранним дозволом і глибиною передачі кольору. Звичайно відеокарта формує, зберігає і віддає на монітор одну-дві сторінки відеозображення (звичайний режим роботи для офісних додатків).
У графічних додатках, зв'язаних із тривимірним моделюванням, накладенням напівтонових текстур на об'єкти, розрахунком освітленості і тіней, рухом та ін., можливостей звичайної відеокарти стає недостатньо.
Для формування і візуалізації динамічної тривимірної графіки використовуються спеціальні відеоприскорювачі з графічними процесорами типу Radeon чи GeForce і відеопам'яттю обсягом 64-128 Мб, що дозволяє розвантажити центральний процесор для виконання основних розрахункових завдань.

Засоби зв'язку. Для зв'язку комп'ютерів і побудови обчислювальних комп'ютерних мереж використовуються різні типи з'єднань. Найбільш поширені локальні мережі на основі кабельних і безкабельних з'єднань, а також вилучені з'єднання за допомогою телефонних ліній.
При побудові локальної мережі в межах однієї кімнати чи будинку використовуються кабельні з'єднання. Кожен комп'ютер оснащується спеціальною мережною картою, що перетворює сигнали процесора й інших пристроїв за спеціальним протоколом ТСР-ІР у сигнал, який може бути переданий по кабельному з'єднанню. Сучасні мережні карти можуть підтримувати швидкість передачі даних 10, 100 чи 1000 Мбіт/сек. При побудові мереж складної конфігурації в неї можуть включатися спеціальні пристрої, що концентрують і керують потоками даних — Hub-i.
При побудові локальних мереж з мобільними комп'ютерами можна використовувати безкабельні з'єднання: на основі інфрачервоних променів (IrDA) чи ультракороткохвильового радіо (Wi-Fi, Bluetooth), що діють тільки в межах прямої видимості. Кожна мережна карта повинна оснащуватися приймачем-передавачем відповідного типу.
Для сполучення комп'ютерів через телефонну мережу використовуються модеми, які перетворюють сигнали процесора в спеціальний код за певним протоколом (V.90, V.92, V.34 та ін.). Швидкість передачі даних звичайними телефонними лініями становить 36-56 Кбіт/сек, виділеними лініями — до 2,3 Мбіт/сек. Для зв'язування віддалених комп'ютерів використовують модеми різної пропускної здатності, комутатори, маршрутизатори, високошвидкісні оптичні і супутникові лінії зв'язку. Разом зі сховищами каталогізованої інформації і пошукових серверів ці пристрої створюють і підтримують у робочому стані всесвітню павутину мережі INTERNET.

2.3. Пристрої збору і введення інформації

Стандартними пристроями введення інформації в комп'ютер є клавіатура і графічний маніпулятор «миша». За допомогою клавіатури в комп'ютер вводиться цифрова і символьна інформація, для чого на клавіатурі розміщені різні клавіші (102 чи 104 клавіші). Маніпулятор «миша» використовується в програмах із графічним інтерфейсом. За допомогою курсора миші користувач указує на різні елементи керування, розміщені на екрані, чи робить оконтурювання об'єктів. Для керування і введення даних застосовують різні типи графічних маніпуляторів: механічні (рух миші передається в комп'ютер за допомогою обертання кульки і системи валиків) і оптичні (світлочутливий елемент зчитує рухи по спеціальній поверхні). Різновидом механічної миші є трекбол — кулька розміщена зверху й обертається рукою користувача. У мобільних комп'ютерах як графічний маніпулятор можуть використовуватися джойстики (рух курсора керується відхиленням спеціальної рукоятки) чи перо, яким надавлюють або пишуть на сенсорному покритті екрана чи графічного планшета.
Для введення великих масивів просторово-розподілених даних у ГІС використовуються спеціальні периферійні пристрої. Для цифрування паперових картографічних матеріалів в умовах офісу призначені дигітайзери (ручне введення даних) і сканери (автоматичне введення даних). При цифруванні за допомогою дигітайзера картографічні об'єкти обводяться по зовнішньому контуру чи осьовій лінії (векторне представлення). Сканер повністю копіює всю поверхню вихідного графічного джерела, площина карти розбивається на окремі елементи певного розміру (растрове представлення), кожному елементу присвоюється код кольору. Скановане зображення може відразу перетворюватися в растрові дані формату якогось ГІС-пакета чи використовуватися для розпізнавання і векторного цифрування об'єктів ручним (екранне дигітизування) або автоматизованим способом (векторизація).
Для збору і просторової прив'язки даних у польових умовах використовуються приймачі GPS і електронні геодезичні прилади. Сучасні моделі цих пристроїв можуть працювати як автономно, обмінюючись даними з ПК за допомогою flash-карт, так і бути прямо підключеними до мобільного ПК.
У спеціальних організаціях, що займаються створенням і відновленням топографічних карт, використовуються периферійні пристрої, які дозволяють розпізнавати й цифрувати рельєф за аерознімками — оптичні або цифрові стереофотограметричні станції.

Дигітайзери. Дигітайзер (digitizer, digitiser, tablet, table digitizer, digitizer tablet, digital tablet, graphic tablet, — синоніми — цифрувач, графічний планшет, графічний пристрій введення даних, графоповторювач — іноді використовуються терміни «сколка», «таблетка») — пристрій для ручного цифрування картографічної і графічної документації у вигляді послідовності точок, положення яких описується прямокутними декартовими координатами площини. Дигітайзер складається з плоскої панелі (tablet) з мережею горизонтальних і вертикальних провідників і магнітно-індукційного курсора. Залежно від призначення може комплектуватися курсорами двох типів: курсором з індукційним кільцем (за розмірами і конфігурацією подібний до курсора миші) для високоточного введення або пером (stylus, pen stylus) — для низькоточного введення координат.

Технічні характеристики дигітайзерів визначаються:
- розмірами робочої області;
- загальними габаритами, приблизно відповідними форматам А4-А0;
- просторовою точністю курсора;
- просторовою точністю поля дигітайзера, закладеною в його конструкцію, тобто величиною мінімального кроку між сусідніми провідникам.

Сумарна точність зчитування координат для більшості моделей дигітайзерів звичайно знаходиться в межах десятих чи сотих часток міліметра. Великоформатні (А1, АО) столи можуть кріпитися на підставці. Робоче поле столу може бути виконане з прозорого матеріалу і мати підсвічування.
Картографічні матеріали, призначені для цифрування, кріпляться на робочу область дигітайзера. За допомогою курсора-зчитувача вказується кілька контрольних точок з відомими координатами, після чого установлюється відповідність між координатними системами матеріалів, що цифруються, і дигітайзера. У процесі подальшої роботи всі координати, що зчитуються, будуть автоматично перетворюватися у встановлену систему координат.
Ручне дигітизування надає оператору свободи вибору, точності опису картографічних об'єктів. Частота зчитування координат точок залежить від типу об'єкта, звивистості його контурів, вимог проекту, кваліфікації оператора і багатьох інших факторів. При правильному виборі техніки цифрування можна значно скоротити кількість опорних точок, що описують контури об'єкта при збереженні заданої точності. За необхідності можна використовувати режим потокового цифрування, коли задається відстань (звичайно 1-5 мм), через яку курсор автоматично зчитує координати, оператору необхідно тільки вести курсор уздовж заданої лінії. При цій технології цифрування може створюватися надлишкова кількість точок на прямих ділянках, а також можливі помилки на місцях, де вигин лінії менше кроку автоматичного зчитування.

Курсор дигітайзера може бути оснащений різною кількістю функціональних кнопок. Функції цих кнопок можна програмувати, наприклад, задавати номери кнопок зчитування координат, закінчення об'єкта, замикання полігону чи переходу в потоковий режим за вимогою різних операторів. Багато моделей дигітайзерів оснащуються системою настроювання, що дозволяє їм працювати з різними пакетами ГІС і САПР. У зв'язку зі значною складністю і вартістю (вартість дигітайзерів досягає $3000-4000) та появою порівняно дешевих сканерів дигітайзерне введення просторових даних сьогодні практично цілком витиснуте технологіями екранного дигітизування. Основним виробником картографічних дигітайзерів залишилася фірма CalComp (лінія моделей DrawingBoard).

Сканери. Сканер (scanner) — синонім «скануючий пристрій» — пристрій аналого-цифрового перетворення зображення для його автоматизованого введення в комп'ютер у растровому форматі шляхом сканування (послідовного перегляду і зчитування смуг зображення) у відбитому чи прохідному світлі з непрозорого і прозорого оригіналу (кольорового, монохромного напівтонового, штрихового).
Технічні характеристики й сфери застосування сканерів залежать від виду і технології подачі матеріалу, що сканується, просторового дозволу (визначається кількістю елементів растра на дюйм, звичайно 300-600 dpi і більше), точністю розпізнавання кольору і півтонів (характеризується кількістю біт, що описують кожен елемент растра). Розрізняють планшетні сканери (flatbed scanner), барабанні сканери (drum scanner), роликові сканери(sheet-feed scanner) і ручні сканери (handheld scanner). Застосування останніх у ГІС обмежене малим форматом сканованого аркуша в додатках щодо розпізнавання тексту.
Основою сканера є лінійка зі світлочутливими елементами, що рухається вздовж документа, який сканується (у планшет-них сканерах), або сканований документ протягується вздовж нерухомої лінійки (у барабанних і роликових сканерах).
Найбільш поширені моделі планшетних сканерів фірм Epson, Canon, AGFA, Mustek, HP, UMAX. У зв'язку з конструкційними особливостями формат планшетних сканерів не перевищує A3. Планшетні сканери можуть сканувати документи з оптичним розділенням до 4800 dpi і глибиною кольору до 42 біт/піксел, оснащуються слайд-пристроями для сканування фотонегативів і спеціалізованим програмним забезпеченням для корекції сканованих матеріалів.
Програмне забезпечення, призначене для планшетних сканерів, дозволяє здійснювати контроль якості і корекцію сканованого матеріалу. Для забезпечення заданої точності сканування використовуються спеціальні контрольні пластини з точно нанесеними мітками. За допомогою спеціального програмного забезпечення порівнюються еталонні характеристики пластини з сканованою копією, визначаються розміри локальних перекручувань і розробляються коригувальні виправлення для кожного сканера.
Для сканування великоформатних картографічних докумен: тів розроблені різні моделі роликових сканерів. Сканери фірм Intergraph і Contex сканують кольорові, чорно-білі карти і плани формату А1-А0, а також рулонні матеріали з роздільною здатністю 400-800 dpi, товщина матеріалу, що сканується, може досягати 15 мм (наприклад, наклеєні на фанеру чи алюмінієві аркуші міські архітектурні плани). Роликові сканери мають похибку 0,1% на довжину сканованого документа, що для аркуша карти розміром 384x368 мм дасть похибку близько 0,3-0,4 мм. Спеціалізовані планшетні сканери мають кращі характеристики точності — 0,05%, але теж не забезпечують потрібного стандарту. Зазначені вище вимоги задовольняють тільки барабанні сканери, що застосовують для професійного «топографічного» сканування і створення цифрових копій карт (рис. 2.6).
У таких сканерах особлива увага приділяється мінімізації і повному виключенню можливих перекручувань, що виникають у процесі сканування. Матеріал, який сканується, жорстко кріпиться на спеціальному барабані, при обертанні барабана документ рухається уздовж нерухомої скануючої лінійки. Застосовуються спеціальні електродвигуни для забезпечення рівномірного руху барабана без затримки чи ривків, спеціальні системи стабілізації електроживлення, що виключають впливи коливання напруги, системи амортизації для гасіння вібрацій.

Такі пристрої встановлюються на спеціальній основі, у приміщенні підтримуються стабільні вологість і температура, для керування створене спеціальне програмне забезпечення. Загальна вартість таких програмно-апаратних комплексів може досягати 100000-150000 дол. США. Наприклад, барабанний сканер CCS 500-50 TF (Tangent, USA) з урахуванням програмного забезпечення і налагодження коштує близько 150000 дол. США, аналогічна апаратура російського складання ProfScan 5020C — 14500 дол. США.

GPS-приймачі. GPS-приймачі є користувацьким компонентом системи GPS (Global Positioning System, Глобальна система місцевизначення, система супутникового місцевизначення, система супутникового визначення координат) і призначені для визначення географічних координат і висот щодо координатно-висотної системи WGS-84.
До діючих у наш час систем супутникового місцевизначення відносять системи GPS (NAVSTAR) — США і ГЛОНАСС (GLONASS) — Російська Федерація. Основне розроблення і розгортання компонентів цих систем проводилися в 70-90-х роках XX ст. Система GPS цілком розгорнута в 1993 p.; ГЛОНАСС — у 1996 р. (на орбіту виведені всі супутники).

У складі обох систем місцевизначення виділяють три підсистеми (сегменти):
1) підсистему наземного контролю і керування (control-segment) — мережу наземних станцій, що забезпечує супутники точними координатами (ефемеридами) та іншою інформацією;
2) підсистему комплексу супутників (space-segment), що складається з 24 космічних апаратів, оснащених кількома атомними цезієвими стандартами частоти-часу, які постійно передають на частотах L1 і L2 сигнали для вимірювання псевдовідстаней кодовим і фазовим методами, мітки часу й інші повідомлення, необхідні для місцевизначення;
3) підсистему апаратури користувачів (user-segment), яка містить приймачі місцевизначення з антенами, накопичувачами результатів вимірювань, іншим оснащенням і програмним забезпеченням обробки даних.

Визначення координат базується на визначенні відстаней від приймача до 3-6 супутників і побудови геодезичних засічок. Оскільки точне місце розміщення кожного супутника розраховане для кожного моменту часу, відстань до нього визначаться за часом запізнювання радіосигналу. Існує два види радіокоду, переданого супутниками, військовий (більш точний) і цивільний (менш точний). Для підвищення точності місцевизначення приймачами GPS використовується кілька радіоканалів для прийому сигналу від одного супутника, застосування фазового методу розрахунку дальності, використання роботи двох приймачів одночасно і спеціального програмного забезпечення для камеральної обробки даних польової зйомки. При використанні додаткових методів точність визначення горизонтальних і вертикальних координат на місцевості може досягати 1-3 мм. На точність визначення координат впливає взаєморозміщення супутників на небесній півсфері (супутники повинні знаходитися в різних секторах і по можливості вище 15° над обрієм), радіозатінення деревами і спорудами, радіовідбиття від горизонтальних і вертикальних поверхонь.

Приймачі місцевизначення (GPS receivers, GLONASS receivers, GPS/GLONASS receivers) — електронні пристрої, що приймають сигнали супутників з метою місцевизначення. Приймачі місцевизначення розрізняють, від якого супутника приймається сигнал, розділяють ці сигнали, ведуть спостереження за ними, вимірюють, переводять результати в цифрову форму, попередньо їх обробляють, зберігають та ін. Приймачі бувають послідовного спостереження (1-2 канали) і багатоканальні (multi-channel) рівнобіжного спостереження (6-12 і більше каналів), застосовуючи кодовий метод вимірювання; одночастотні L1 і двочастотні L1 і L2, що вимірюють кодовим і фазовим методами; безкодові, що вимірюють різниці фаз подвоєних частот L1, L2; мініатюрні, ручні, малогабаритні; розраховані на прийом сигналів GPS, ГЛОНАСС чи обох систем. Моделі приймачів GPS поділяються на кілька класів за конструктивними особливостями, функціональними можливостями і точністю визначення координат.
Приймачі навігаційного класу точності визначають координати точки стояння при зупинках і в русі з точністю 100-30 м, розраховують азимут і відстань до заданої точки. Конструктивно приймачі виконані в єдиному корпусі з антеною, дисплеєм, клавіатурою керування, блоком енергоживлення. Розміри і зовнішній вигляд цих пристроїв фірм Gramlin, Magellan порівнянні з мобільними телефонами; на корпусі розміщені рідинно-кристалічний дисплей і клавіатура; передбачені рознімання для зв'язку з ПК. Для ГІС-проектів фірмою Trimble розроблений спеціальний тип приймачів, що містить блок приймача, наріжну антену, блок енергоживлення і блок реєстрації даних (рис. 2.7б). За допомогою таких комплексів можна не тільки визначати координати точок (до 5000 точок з описами), а й ідентифікувати їх з використанням спеціальної бібліотеки описів. Точність визначення координат з використанням таких комплексів становить 0,6-1 м. Передбачено обмінні формати даних з багатьма пакетами ГІС.
Точність геодезичного класу (1-5 мм) досягається при використанні диференціальних станцій — комплексу двох високоточних приймачів. Один із приймачів установлений стаціонарно і постійно вимірює свої координати. Шляхом статистичної обробки численних вимірів координати точки стояння визначаються з дуже високою точністю. Інші приймачі, використовувані в мобільному варіанті, підтримують постійний радіозв'язок з базовою станцією й одержують від неї виправлення для визначення координат. Приймачі геодезичного класу випускають фірми Trimble, Leica, Ashtech, Sokkia, Carl Zeiss. За допомогою таких систем створюються високоточні опорні геодезичні мережі, що потім можуть згущатися за допомогою електронних геодезичних приладів і низькоточних GPS-приймачів.

Електронні геодезичні прилади. Пристроями, призначеними для використання в геодезії, є:теодоліт (theodolite) — для вимірювання горизонтальних і вертикальних кутів; далекомір(distancemeter) — для вимірювання відстаней; нівелір (level) — для визначення перевищень горизонтальною лінією візування; тахеометр (tacheometer) — для виміру горизонтальних і вертикальних кутів, довжин ліній і перевищень. Сучасні геодезичні прилади вимірюють горизонтальні і вертикальні кути з точністю до 1 кутової секунди. Вмонтовані лазерні далекоміри дозволяють визначати відстані з точністю до 1 см на 1 км на максимальній відстані до 3,5 км. Багато приладів відомих фірм Leica, Sokkia, Carl Zeiss, Trimble мають властивість масштабування функціональних можливостей. На один корпус може міститися різний набір оптико-механічних і електронних компонентів. Прилади початкового рівня оснащуються автоматичними електронними калькуляторами з відображенням на екрані вертикального і горизонтального кутів, похилої відстані, горизонтального прокладення і перевищення.
Прилади середнього класу оснащуються мікропроцесорами з набором прикладних програм і пам'яттю, яка дозволяє зберігати дані про вимірювання і ідентифікацію 1000-3000 точок.
Вмонтоване програмне забезпечення дозволяє безпосередньо в ході вимірювання вирішувати такі завдання: виконання зворотної засічки, спостереження й зрівнювання теодолітного ходу, вимірювання зі зсувами, винесення в натуру координат об'єктів, вимірювання площ і об'ємів та ін. Універсальні робочі станції можуть виконувати виміри без участі людини, автоматично відслідковуючи переміщення маркера на місцевості. Ці прилади можуть підключатися прямо до мобільного ПК або обмінюватися даними з комп'ютерами за допомогою flash-карт. До складу багатьох пакетів ГІС входять операції обробки даних геодезичних вимірювань (наприклад, модуль COGO — координатна геометрія, модуль пакету ARC/INFO фірми ESRI).

Стереофотограметричні станції. Стереофотограметричні станції призначені для побудови об'ємних зображень рельєфу земної поверхні за двома аерофотознімками поверхні Землі. За конструктивним виконанням і технологією обробки знімків розрізняють аналогові (працюють з негативами чи фотовідбитками) і цифрові (працюють зі сканованими знімками) стереофотограметричні станції. З використанням спеціальної оптичної системи виконується суміщення стереопари знімків у поле зору оператора і створюється «віртуальна» тривимірна модель. За допомогою спеціальних аналітичних алгоритмів на стереомоделі рельєфу проводяться (цифруються) горизонталі. Ця технологія використовується при масовому створенні і відновленні топографічних карт у спеціалізованих організаціях. Пристрої цього типу виробляються і в Україні - у державному науково-виробничому підприємстві «Геосистема» (м. Вінниця).

2.4. Пристрої візуалізації і подання даних

Візуалізація (visualization, visualisation, viewing, display, displaying, синонім — графічне відтворення, відображення — у ГІС, комп'ютерній графіці і картографії) — проектування і генерація зображень, у тому числі геозображень, картографічних зображень та іншої графіки на пристроях відображення (переважно на екрані дисплея) на основі вихідних цифрових даних і алгоритмів їхнього перетворення.
Крім екрана дисплея, картографічні зображення можуть бути відображені на великих екранах за допомогою проекційної системи чи виведення у вигляді твердої копії на папері, плівці за допомогою принтера чи плотера.

Дисплеї. Дисплей (display, display device), синоніми — пристрій відображення, відеоекран — пристрій (система) виведення, що здійснює візуальне подання чи відображення (display, displaying) виведених даних на екран комп'ютера (screen), монітор. За конструкцією розрізняють дисплеї на основі електронно-променевих трубок (ЕПТ-монітор, CRT-display) і рідинно-кристалічні дисплеї (РК-дисплеї, LCD-display), плазмові дисплеї (plasma-panel display). Сучасні комп'ютерні дисплеї характеризуються розміром екрана, підтримуваними стандартами роздільної здатності, швидкістю відновлення зображення на екрані, відповідністю вимогам електробезпечності і відсутності іонізуючого випромінювання, зручністю керування і настроювання.

Дисплеї на основі електронно-променевих трубок є найбільш давньою і поширеною технологією візуалізації цифрових зображень. Зображення формується шляхом опромінення електронним променем плям люмінесцентної речовини на передній стінцівакуумної трубки. Колір формується злиттям трьох близько розміщених плям з різним колірним світінням — червоним, зеленим і синім (red, green, blue; RGB-модель); інші кольори та їхні півтони формуються шляхом змішування основних кольорів. Зображення формується з окремих зерен (пікселів), що складаються з трьох різнобарвних плям, розмір зерна становить 0,2-0,28 мм. Розмір екранів ЕПТ-дисплеїв складає масштабний ряд 14, 15, 17, 19, 20, 21, 22, 23 і 24 дюйми по діагоналі. Підтримуються такі стандарти роздільної здатності для відображення інформації: VGA (640x480 пікселів); SVGA (800x600 пікселів); XGA (1024x768 пікселів). Монітори з діагоналлю 17 і більше дюймів можуть підтримувати просторову дрібність 1280x1024; 1600x1200; 1792x1344; 1920x1440; 2048x1536 пікселів (можливість такої роздільної здатності визначається характеристиками і драйверами відеокарти). Для передачі кольору використовуються три основні колірні RGB-моделі: 8 біт на піксел — 256 кольорів; 16 біт на піксел, High Color — 56 тис. кольорів і відтінків; 24 біт на піксел — True Color, більше 16 млн кольорів і відтінків. На якість сприйняття зображення значно впливає частота відновлення зображення на екрані, при низьких швидкостях (менше 65 Гц) стає помітним мерехтіння екрана. Оптимальною швидкістю відновлення екрана вважається 85-95 Гц. У своїх ЕПТ-дисплеях основні фірми-виробники Samsung, Samtron, LG, NEC, Philips, Sony, Hansol, Mitsubishi застосовують технології створення плоских екранів, зменшення геометричних і яскравих перекручувань, зменшення енергоспоживання.

З появою технології рідинно-кристалічних дисплеїв почалося поступове збільшення їхніх розмірів і екранного розділення. Пікселі на цьому типі пристроїв формуються зі світлодіодів трьох основних кольорів, видимість чи невидимість світлодіода визначається станом рідкого кристала. Сучасні рідинно-кристалічні дисплеї (на основі TFT-матриці) для настільних комп'ютерів характеризуються розмірами від 15 до 24 дюймів, розмірами піксела 0,28-0,3 мм, підтримкою екранної дрібності 1280x1024; 1600x1200 пікселів. Такі дисплеї мають значно менші розміри порівняно з ЕПТ-аналогами, меншим енергоспоживанням і відсутністю іонізуючого випромінювання. Рідинно-кристалічні дисплеї розміру 12-15 дюймів і роздільної здатності до 1280x1024 пікселів також використовуються в різних моделях ноутбуків. Повнокольорові дисплеї з діагоналлю 2-3,5 дюйма і роздільною здатністю до 320x240 використовуються в портативних моделях ПК, а також пристроях мобільного зв'язку.

Принтери. Принтер (printer), синонім — друкувальний пристрій — пристрій відображення текстової (алфавітно-цифрової) і графічної інформації, що базується на тому чи іншому принципі друку. Розрізняють друкувальні пристрої: пелюсткові, або ромашкові, принтери — послідовні шрифтові ударні пристрої типу механічних друкарських машинок (забезпечують тільки алфавітно-символьний друк і практично вийшли чи виходять із використання); матричні принтери з генерацією знака у вигляді точок растра шляхом удару голок друкуючої голівки по фарбувальній стрічці (з просторовим розділенням до 300 dpi), лазерні принтери, у яких зображення переноситься лазерним променем на папір чи інший матеріал методом ксерографії, забезпечуючи високий просторове розділення (звичайно 300-1200 dpi) і аналогічні їм принтери з перенесенням зображення за допомогою матриці світлодіодних елементів, які називаютьсвітлодіодними принтерами; термопринтери і принтери з термопереносом, що базуються на принципі термодруку на термочуттєвому чи звичайному папері відповідно;струминні принтери з видавлюванням фарбувальної речовини через сопла форсунок (звичайно до 1200 dpi). За можливостями відтворення кольору принтери поділяються на багатокольорові і монохромні, або чорно-білі, принтери, що забезпечують штриховий і/чи напівтоновий друк.
Принтери переважно призначені для друку сторінкових документів формату А4-А3, до яких входить як текст, так і графіка. Технічні характеристики сучасних принтерів визначаються просторовим дозволом друку, швидкістю виведення чорно-білої чи кольорової сторінки, вартістю друку однієї сторінки, стійкістю зображення під впливом вологи чи світла, розмірами, додатковими функціями.
Фірми HP, Epson, Canon, Lexmark, Samsung, Xerox виробляють широкий спектр пристроїв різного типу і класу. До складу модельних рядів відомих фірм входять як моделі початкового рівня зі швидкістю друку до 10 стор/хв, так і професійні моделі з можливістю друку 25-35 повнокольорових сторінок за хвилину, які здатні працювати в обчислювальній мережі й оснащені власними накопичувачами інформації. Постійно розширюється модельний ряд пристроїв, що мають в одному корпусі функції лазерного або струминного принтера, копіра і сканера.
Для друку великоформатних документів застосовуються технології розбиття на окремі сторінки з подальшим склеюванням. До принтерів також іноді відносять пристрої з технологією струминного друку для рулонних документів шириною до 153 см. Відмінність високопродуктивних великоформатних принтерів з високим просторовим розділенням друку від плотерів (графопобудовників) растрового типу досить умовна.

Плотери. Плотер (plotter), синоніми — графобудівник, автоматичний координатограф — пристрій відображення, призначений для виведення даних у графічній формі на папір, пластик, фоточуттєвий матеріал чи інший носій шляхом креслення, гравіювання чи фото-реєстрації іншим способом. Розрізняють планшетні плотери (flatbed plotter) з розміщенням носія на плоскій поверхні, барабанні плотери (drum plotter) з носієм, що закріплюється на обертовому барабані,рулонні, або роликові, плотери (roll-feed plotter) із креслярською голівкою, що переміщується в одному напрямку при одночасному переміщенні носія в перпендикулярному йому напрямку.
За принципом побудови зображення плотери поділяються на векторні і растрові. Векторніплотери створюють зображення пером чи олівцем. Растрові плотери, успадковуючи конструктивні особливості принтерів, створюють зображення шляхом порядкового відтворення і за способом друку поділяються на електростатичні плотери з електростатичним принципом відтворення, струминні — базуються на принципі струминного друку (видавлюванні фарбувальної речовини через сопла форсунок), лазерні — відтворюють зображення з використанням світлового променя чи лазера, світлодіодні — відрізняються від лазерних плотерів способом перенесення зображення з барабана на папір, термічні плотери,мікрофільм-плотери, або фотоплотери з фіксацією зображення на світлочутливому матеріалі.
Основні конструктивні та експлуатаційні характеристики плотерів: формат відтвореного зображення-оригіналу, що варіює звичайно від А4 до А0 для плотерів нерулоного типу чи вимірюється робочою довжиною барабана і максимальною довжиною рулону (до декількох десятків метрів) для рулонного типу; розмір робочого поля; точність; просторове розділення растрових плотерів (звичайно в межах 300-2500 dpi); швидкість промальовування або виготовлення одиниці продукції заданого формату; наявність чи відсутність власної пам'яті (буфера); інтерфейс і програмне забезпечення. Деякі моделі плотерів комплектуються або можуть оснащуватися насадками, що доповнюють їх функціями сканера. У наш час найбільшого поширення набули струминні плотери фірми Hewlett Packard, що дозволяють друкувати повнокольорові картографічні документи формату А4-А0. Такі пристрої оснащуються системою безупинної подачі чорнила, системою моніторингу запасу чорнила й оповіщення про їх можливу недостачу для друку заданого документа, системою відрізання паперу чи нарізання на аркуші певного формату. Оскільки документи, передані на друк, мають растровий формат, обсяг файлу друку може досягати кількох сотень мегабайт. Моделі плотерів, призначені для повнокольорового великоформатного друку, оснащуються високошвидкісними інтерфейсами SCSI, Fire-Wire, USB для обміну даними з комп'ютерами, власними графічними процесорами і дисковими накопичувачами.

2.5. Тенденції розвитку апаратного забезпечення

Комп'ютерна техніка і пов'язана з нею периферія належать до галузі технології, що найбільш швидко розвивається. За останні 10 років швидкодія комерційних процесорів тільки за тактовою частотою виросла з 33 до 3800 МГц, ємність ОЗУ — з 16 Мб до 1 Гб, значно поліпшилися технічні показники і зменшилася вартість периферійних пристроїв.
Однак більшість фахівців відзначає, що технічні характеристики сучасних чипів наблизилися до своєї фізичної межі. Можливості зменшення розмірів транзисторів і провідників обмежені властивостями хімічних елементів і електричних зарядів. У багатьох лабораторіях тривають інтенсивні дослідження, що вивчають можливості застосування для збереження і зчитування інформації оптичних елементів чи органічних молекул.
Подальше збільшення обчислювальної потужності комп'ютерів пов'язується з переходом на 64-розрядні процесори. Вже випущені в тестову експлуатацію 64-розрядні процесори Intel Itanium і AMD Opteron, однак сфера їх використання поки що обмежена колом 64-розрядних операційних систем і невеликим набором прикладного програмного забезпечення. Необхідне створення нових компіляторів і стандартів для розроблення прикладного програмного забезпечення з послідовним перекладанням усієї маси комерційних пакетів на нову апаратну платформу.
Безупинно збільшується щільність запису на поверхні магнітних дисків — середня ємність таких пристроїв уже становить 100 Гб, з'явилися комерційні моделі з ємністю 1 Тб. Зростає ємність змінних носіїв інформації — оголошено про подвоєння щільності запису на оптичних дисках стандарту DVD, ємність яких тепер може досягати 8,5 Гб. Для передачі зростаючих обсягів графічної інформації всередині комп'ютера і на периферійні пристрої розробляються нові швидкісні дротові і бездротові інтерфейси, удосконалюються вже існуючі технології.
Ще одна тенденція розвитку пов'язана з підвищенням інтегрування і зменшенням розмірів багатьох класів комплектуючих ПК. Розробляються нові типи мікросхем, що поєднують функції центрального процесора, оперативної пам'яті, контролерів введення-виведення та ін. На основі таких чипів можливе створення мобільних комп'ютерів нового покоління, що виконують функції комунікації.
Уже з'явилися пристрої, які поєднують функції ПК, мобільного телефону і приймача GPS. Такий пристрій здатний визначити свої координати, передати їх у найближчий сервісний центр мережею INTERNET, завантажити з нього відповідну карту місцевості і відобразити її на екрані з розрахунком подальшого маршруту. Для обслуговування таких систем створюються бази даних міст і рекреаційних територій, що можуть поставлятися на flash-картах чи мікровінчестерах ємністю до 4-8 Гб.

Питання і завдання для самоперевірки

1. Дайте характеристику пристроїв введення і виведення, які входять до апаратного комплексу ГІС.
   2. Дайте характеристику сучасних комп'ютерів з погляду їх використання як апаратної платформи ГІС.
   3. Які складові частини персональних комп'ютерів? Дайте їх характеристику.
   4. Які фактори впливають на точність визначення координат при використанні технології GPS?
   5. Які нові можливості для використання ГІС-технології відкривають мініатюризація та інтеграція засобів мобільного зв'язку і комп'ютерів?

   Частина II. ОСНОВИ ГЕОІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Розділ 3. Атрибутивна інформація в ГІС

3.1. Способи подання атрибутивних даних

Атрибутивні дані в ГІС можуть мати різні способи і технології формалізації, обробки і подання. Доатрибутивної відносять ту інформацію, яка або не має просторового прив'язування, або характеризує просторові об'єкти без зазначення місця їх розміщення. Наприклад, порядкові номери просторових об'єктів, їхні власні імена, числові кількісні або якісні значення. Блок атрибутивної інформації, прив'язаної до будь-якого просторового об'єкта, може містити від одного до багатьох сотень окремих атрибутивних значень різного типу, що характеризують різні параметри цього об'єкта.
Для використання в середовищі ГІС атрибутивна інформація підлягає систематизації, структуризації і формалізації, що дозволяє використовувати для подальшого її введення й обробки різні засоби автоматизованого пошуку, обчислень і візуалізації. Для кожного типу просторових об'єктів вибирається набір атрибутів, що дозволяють ідентифікувати конкретний тип об'єкта серед інших і з максимальною повнотою описати його властивості. Після визначення списку атрибутів вибираються методи їхньої формалізації.
Одним із найбільш поширених атрибутів просторових об'єктів є їхні власні назви - назви населених пунктів, адміністративних одиниць, ділянок рельєфу, рік, водойм, природних урочищ, об'єктів господарювання та ін. Такий тип атрибута ідентифікує об'єкт, виокремлює його серед інших однотипних об'єктів, дозволяє звернутися саме до цього об'єкта. Такий спосіб опису атрибута об'єкта називається номінальним — об'єкт просто одержує своє окреме ім'я, він рівнозначний у списку таких самих об'єктів. До цих атрибутів можна віднести: «м. Одеса», «Біляєвський район», «КСП «Світанок», «шпара №122» та ін.
Атрибути, що показують місце розміщення об'єкта серед інших аналогічних об'єктів, їхню взаємну ієрархію, пріоритет, називаються порядковими атрибутами. Таким способом описується ієрархія: ділянок дорожньої мережі (автостради, шосе, дороги з удосконаленим покриттям, ґрунтові дороги); елементів річкової мережі (припливи І, II чи III порядку); ієрархічні рівні ландшафтних одиниць, ранги населених пунктів та ін. У більшості випадків такі атрибути описуються порядковим номером деякої рангової шкали.
Для кількісних даних (температура, тиск, зміст забруднювачів у повітрі, воді чи ґрунті, висота над рівнем моря, кількість рослин на квадратний метр, вміст гумусу та ін.) використовуються розімкнеш або замкнені числові шкали. Ці величини можна порівнювати одну з одною, над ними можна робити різні математичні операції. При використанні універсальної розімкненої шкали числа можуть набувати значень від «мінус нескінченності» до «плюс нескінченності», замкнена числова шкала обмежена двома крайніми величинами, що характеризують набір припустимих значень для якоїсь предметної області (наприклад, 0-100%; 0-1 безрозмірних одиниць; 0-360 компасних градусів; 0-90 градусів нахилу та ін.).
Різні системи класифікації і кодування дозволяють скоротити описи різноманітних просторових об'єктів до одного або кількох десятків символів. У наш час розроблені системи буквено-цифрових кодувань для геологічних, ґрунтових, ландшафтних, геоботанічних карт. Для цифрових топографічних карт і архітектурно-містобудівних планів розроблені відомчі позиційні коди-класифікатори. Весь перелік об'єктів, що картографуються, поділяється на окремі тематичні групи, розділи яких перебувають в ієрархічному підпорядкуванні. Наприклад, «Класифікатор інформації, яка відображується на топографічних картах масштабів 1:10000, 1:25000, 1:50000, 1:100000, 1:200000, 1:500000, 1:1000000» передбачає виділення дев'яти основних класифікаційних груп, кожна з яких розбита на стандартні підрозділи.
Після певної обробки атрибутивна інформація може бути організована у вигляді бази даних певного формату.

3.2. Бази даних як подання об'єктів реального світу

База даних є інформаційною моделлю реального світу в певній предметній галузі. Згідно з тлумачним словником з геоінформатики (Баранов и др., 1999) база даних (БД, data base, database, DB) — це сукупність даних, організованих за певними правилами, що встановлюють загальні принципи опису, збереження і маніпулювання даними.
У базах даних залежно від призначення (база даних підприємства, муніципальна база даних, база даних адміністративного району чи області) може зберігатися й оброблятися різна інформація: списки співробітників підприємств з їх обліковими даними, списки будинків і їх технічні характеристики, юридичні або статистичні описи земельних ділянок, об'єктів адміністративного керування та ін. Так само залежно від призначення бази даних може змінюватися перелік об'єктів, описуваних у базі даних; склад атрибутів, що описують ці об'єкти; спосіб і ступінь формалізації атрибутів; організація зв'язку між різними об'єктами бази даних та ін.
Об'єкти бази даних можуть бути описані різними способами: у вигляді текстових описів, цифрових кодів, комбінованих цифро-буквених класифікаторів, числових значень різного типу, календарних дат та ін. Кожен однотипний об'єкт бази даних описується однаковим набором атрибутів, таким чином, база даних складається з окремих записів, що характеризують кожний об'єкт і покажчики зв'язків між ними.
У більшості випадків бази даних проектуються таким чином, щоб один або кілька атрибутів однозначно ідентифікували запис. Сукупність значень цих атрибутів називається ключем запису,а самі атрибути — ключовими атрибутами. Ключ запису можна розглядати як унікальне ім'я запису, за яким користувач завжди може знайти цей запис.
У реальному світі часто можна спостерігати однорідні об'єкти (будинки, водойми, населені пункти та ін.). Відповідно в базі даних такі об'єкти природно представляти у вигляді декількох екземплярів таких записів, тобто записів з однаковими атрибутами. Аналогічна ситуація має місце і зі зв'язками — у базі даних є багато однотипних зв'язків, що з'єднують однотипні об'єкти.
У концептуальній схемі вся безліч однотипних записів подається одним абстрактним записом, що називають типом запису. Кожному типу записів відповідають ім'я і список атрибутів. Аналогічно безлічі наявних у базі даних однотипних зв'язків у концептуальній схемі відповідає один тип зв'язку.
У базі даних виділяють: постійні дані, що відрізняються від інших, більш мінливих, таких, як проміжні результати обробки даних; вхідні і вихідні дані; керуючі оператори; робочі черги — і взагалі всі службові дані, використовувані в процесі роботи. Природно, у процесі роботи постійні дані так само можуть зазнавати змін: створюються або видаляються об'єкти, змінюються значення параметрів, змінюється набір або порядок проходження параметрів у записі та ін.
Більш детально концепцію баз даних можна показати на прикладі муніципальної бази даних. Звичайним набором муніципальної бази даних є вулиці, будинки і споруди, інженерні комунікації, міські технічні служби, суб'єкти адміністративного розподілу (міські райони) та ін. Як об'єкт може використовуватися сукупність усіх будинків і споруд на території міста; цей об'єкт описується набором параметрів, що містять: адресні дані; належність якійсь організації; реквізити організацій-власників; технічні характеристики будинків (поверховість, площа, конструкційні матеріали); експлуатаційні характеристики (поточний стан, дати ремонту). Таким чином, будь-який тип об'єктів бази даних може мати зв'язок з одним або декількома типами об'єктів. Такі зв'язки називаються відношеннями. Відношення між об'єктами можуть бути різних типів: один до одного, один до декількох, односторонні і двосторонні. Як приклади завдань, які можна розв'язати за допомогою такої бази даних, можна навести такі:
- задано обліковий номер спорудження, необхідно знайти вуличну адресу, і навпаки;
- задано адресу спорудження, знайти його власника;
- задано власника (землекористувача), знайти всі належні йому спорудження;
- знайти всі спорудження, термін останнього ремонту яких перевищує 20 років.

Для обробки відносин між об'єктами бази даних розробляються спеціальні алгоритми, які представлені в конкретній реалізації бази даних відповідними програмними модулями.
Збереження даних у базі даних забезпечує централізоване керування, дотримання стандартів, безпеку і цілісність даних, скорочує надмірність і усуває суперечливість даних. База даних не залежить від прикладних програм. Створення бази даних і звернення до неї здійснюються за допомогою системи керування базами даних (СКБД).
На основі сучасних програмних засобів розроблення й апаратного забезпечення створюються бази даних різних архітектури і призначення. Виділяються персональні бази даних для роботи з даними, пов'язаними з посадовими обов'язками окремого посадовця; бази даних підрозділу, підприємства, що обслуговують кілька різних фахівців у складі локальної обчислювальної мережі; корпоративні (наприклад, муніципальні) бази даних, що обслуговують кілька тисяч фахівців і сотні тисяч зовнішніх користувачів у режимі розділеного доступу, з використанням різноманітного програмного забезпечення, апаратних засобів, різних мережних протоколів і форм представлення даних.

3.3. Моделі даних

Основою бази даних є модель даних — фіксована система понять і правил для представлення даних структури, стану і динаміки проблемної області в базі даних. У різний час послідовне застосування одержували ієрархічна, мережна і реляційна моделі даних. У наш час усе більшого поширення набуває об'єктно-орієнтований підхід до організації баз даних ГІС.

3.3.1. Ієрархічна модель даних

Часто об'єкти перебувають у відношеннях, що називають ієрархічними: відношення «частина — ціле» (наприклад, адміністративна область складається з районів, сільських і міських рад, населених пунктів та ін.); видове відношення (наприклад, будинки бувають житлові, виробничі та ін.); відношення підпорядкованості (наприклад, губернатор — мер міста).

Рис. 3.2. Схема відношень між об'єктами в ієрархічній базі даних (доступно при скачуванні повної версії підручника)

Об'єкти, що перебувають в ієрархічних відношеннях, утворюють дерево «орієнтований граф», у якого є тільки одна вершина, не підлегла жодній іншій вершині (цю вершину називають коренем дерева); будь-яка інша вершина графа підлегла лише одній іншій вершині (рис. 3.2).
Концептуальна схема ієрархічної моделі являє собою сукупність типів записів, пов'язаних типами зв'язків в одне чи кілька дерев. Усі типи зв'язків цієї моделі належать до виду «один до декількох» і зображуються у вигляді стрілок.
Таким чином, взаємозв'язки між об'єктами нагадують взаємозв'язки в генеалогічному дереві, за єдиним винятком: для кожного породженого (підлеглого) типу об'єкта може бути тільки один вхідний (головний) тип об'єкта. Тобто ієрархічна модель даних допускає тільки два типи зв'язків між об'єктами: «один до одного» і «один до декількох». Ієрархічні бази даних є навігаційними, тобто доступ можливий тільки за допомогою заздалегідь визначених зв'язків.
При моделюванні подій, як правило, необхідні зв'язки типу «багато до декількох». Як одне з можливих рішень зняття цього обмеження можна запропонувати дублювання об'єктів. Однак дублювання об'єктів створює можливості неузгодженості даних.
Достоїнство ієрархічної бази даних полягає в тому, що її навігаційна природа забезпечує швидкий доступ при проходженні вздовж заздалегідь визначених зв'язків. Однак негнучкість моделі даних і, зокрема , неможливість наявності в об'єкта декількох батьків, а також відсутність прямого доступу до даних роблять її непридатною в умовах частого виконання запитів, не запланованих заздалегідь. Ще одним недоліком ієрархічної моделі даних є те, що інформаційний пошук з нижніх рівнів ієрархії не можна спрямувати по вище розміщених вузлах.

3.3.2. Мережна модель даних

У мережній моделі даних поняття головних і підлеглих об'єктів дещо розширені. Будь який об'єкт може бути і головним, і підлеглим (у мережній моделі головний об'єкт позначається терміном «власник набору», а підлеглий — терміном «член набору»). Той самий об'єкт може одночасно виконувати і роль власника, і роль члена набору. Це означає, що кожний об'єкт може брати участь у будь-якій кількості взаємозв'язків.
Подібно до ієрархічної, мережну модель також можна подати у вигляді орієнтованого графа. Але в цьому випадку граф може містити цикли, тобто вершина може мати кілька батьківських вершин.
Така структура набагато гнучкіша і виразніша від попередньої і придатна для моделювання більш ширшого класу завдань. У цій моделі вершини є сутностями, а ребра, що їх з'єднують, — відношеннями між ними.

Ієрархічні і мережні бази даних часто називають базами даних з навігацією. Ця назва відбиває технологію доступу до даних, використовувану при написанні програм обробки мовою маніпулювання даними. При цьому доступ до даних по шляхах, не передбачених при створенні бази даних, може потребувати нерозумно тривалого часу.
Підвищуючи ефективність доступу до даних і скорочуючи таким чином час відповіді на запит, принцип навігації разом з цим підвищує і ступінь залежності програм і даних. Програми обробки даних виявляються жорстко прив'язаними до поточного стану структури бази даних і повинні бути переписані при її змінах. Операції модифікації і видалення даних вимагають переустановлення покажчиків, а маніпулювання даними залишається записоорієнтованим. Крім того, принцип навігації не дозволяє істотно підвищувати рівень мови маніпулювання даними, щоб зробити його доступним користувачу-непрограмісту чи навіть програмісту-непрофесіоналу. Для пошуку запису-мети в ієрархічній або мережній структурі програміст повинен спочатку визначити шлях доступу, а потім — крок за кроком переглянути всі записи, що трапляються на цьому шляху.
Наскільки складними є схеми представлення ієрархічних і мережних баз даних, настільки і трудомістким є проектування конкретних прикладних систем на їхній основі. Як показує досвід, тривалі терміни розроблення прикладних систем нерідко призводять до того, що вони постійно перебувають на стадії розроблення і доопрацювання. Складність практичної реалізації баз даних на основі ієрархічної і мережної моделей визначила створення реляційної моделі даних.

3.3.3. Реляційна модель даних

У реляційній моделі даних об'єкти і взаємозв'язки між ними представляються за допомогою таблиць. Взаємозв'язки також подаються як об'єкти. Кожна таблиця представляє один об'єкт і складається з рядків і стовпців. Таблиця повинна мати первинний ключ (ключовий елемент) — поле чи комбінацію полів, що єдиним способом ідентифікують кожний рядок у таблиці.

Назва «реляційна» (relational) пов'язана з тим, що кожен запис у таблиці даних містить інформацію, яка стосується (related) якогось конкретного об'єкта. Крім того, зв'язані між собою (тобто такі, що знаходяться в певних відношеннях — relations) дані навіть різних типів в моделі можуть розглядатися як одне ціле.

Таблиця має такі властивості:
- кожний елемент таблиці являє собою один елемент даних;
- повторювані групи відсутні;
- усі стовпці в таблиці однорідні; це означає, що елементи стовпця мають однакову природу;
- стовпцям присвоєні унікальні імена;
- у таблиці немає двох однакових рядків.

Порядок розміщення рядків і стовпців у таблиці довільний; таблиця такого типу називається відношенням. У сучасній практиці для рядка використовується термін «запис», а для стовпця термін «поле».
Основною відмінністю пошуку даних в ієрархічних, мережних і реляційних базах даних є те, що ієрархічні і мережні моделі даних здійснюють зв'язок і пошук між різними об'єктами за структурою, а реляційні — за значенням ключових атрибутів (наприклад, можна знайти всі записи, значення яких у полі «номер будинку» дорівнює 3, але не можна знайти 3-й рядок).
Оскільки реляційна структура концептуально проста, вона дозволяє реалізовувати невеликі і прості (і тому легкі для створення) бази даних, навіть персональні, сама можливість реалізації яких ніколи навіть і не розглядалася в системах з ієрархічною чи мережною моделлю.
Недоліком реляційної моделі даних є надмірність по полях (для створення зв'язків між різними об'єктами бази даних).
Практично всі існуючі на сьогоднішній день комерційні бази даних і програмні продукти для їх створення використовують реляційну модель даних.