Geografiskt informations-system

Grundläggande GIS-koncept

Ett geografiskt informationssystem ( GIS ) är en typ av databas som innehåller geografiska data (det vill säga beskrivningar av fenomen för vilken plats är relevant), kombinerat med mjukvaruverktyg för att hantera, analysera och visualisera dessa data. I en vidare mening kan man anse att ett sådant system även omfattar mänskliga användare och stödpersonal, rutiner och arbetsflöden, kunskapsmassa om relevanta begrepp och metoder samt institutionella organisationer.

Det oräknade pluralet, geografiska informationssystem , även förkortat GIS, är den vanligaste termen för den industri och profession som berörs av dessa system. Det är ungefär synonymt med geoinformatik och en del av det bredare geospatiala fältet, som även inkluderar GPS , fjärranalys etc. Geografisk informationsvetenskap , den akademiska disciplin som studerar dessa system och deras underliggande geografiska principer, kan också förkortas som GIS, men entydig GIScience är vanligare. GIScience anses ofta vara en underdisciplin av geografi inom grenen av teknisk geografi .

Geografiska informationssystem används i flera tekniker, processer, tekniker och metoder. De är knutna till olika verksamheter och många applikationer som relaterar till: teknik, planering, ledning, transport/logistik, försäkring, telekommunikation och affärer. Av denna anledning är GIS- och platsintelligensapplikationer grunden för platsaktiverade tjänster, som bygger på geografisk analys och visualisering.

GIS ger möjlighet att relatera tidigare orelaterade information, genom användning av plats som "nyckelindexvariabel". Platser och omfattningar som finns i jordens rymdtid kan registreras genom datum och tid för förekomsten, tillsammans med x-, y- och z- koordinater ; representerar longitud ( x ), latitud ( y ) och höjd ( z ). Alla jordbaserade, rumsliga-temporala, plats- och utsträckningsreferenser bör kunna relateras till varandra och i slutändan till en "riktig" fysisk plats eller omfattning. Denna nyckelegenskap hos GIS har börjat öppna nya vägar för vetenskaplig forskning och studier.

Historia och utveckling

Medan digitalt GIS dateras till mitten av 1960-talet, när Roger Tomlinson första gången myntade uttrycket "geografiskt informationssystem", går många av de geografiska koncept och metoder som GIS automatiserar tillbaka årtionden tidigare.

EW Gilberts version (1958) av John Snows karta från 1855 över Soho - kolerautbrottet som visar klustren av kolerafall i London -epidemin 1854

Ett av de första kända fallen där rumslig analys användes kom från epidemiologiområdet i " Rapport sur la marche et les effets du choléra dans Paris et le département de la Seine " (1832). Den franske geografen och kartografen Charles Picquet skapade en karta som beskriver de fyrtioåtta distrikten i Paris , med hjälp av halvtonsfärggradienter , för att ge en visuell representation av antalet rapporterade dödsfall på grund av kolera per 1 000 invånare.

År 1854 kunde John Snow , en epidemiolog och läkare, fastställa källan till ett kolerautbrott i London med hjälp av rumslig analys. Snow uppnådde detta genom att rita upp bostaden för varje skadad på en karta över området, såväl som de närliggande vattenkällorna. När dessa punkter väl var markerade kunde han identifiera vattenkällan inom klustret som var ansvarig för utbrottet. Detta var en av de tidigaste framgångsrika användningarna av en geografisk metod för att lokalisera källan till ett epidemiologiskt utbrott. Medan de grundläggande delarna av topografi och tema existerade tidigare i kartografi , var Snows karta unik på grund av hans användning av kartografiska metoder, inte bara för att skildra utan också för att analysera kluster av geografiskt beroende fenomen.

I början av 1900-talet utvecklades fotozinkografi , vilket gjorde att kartor kunde delas upp i lager, till exempel ett lager för vegetation och ett annat för vatten. Detta användes särskilt för att skriva ut konturer – att rita dessa var en arbetskrävande uppgift men att ha dem på ett separat lager innebar att de kunde bearbetas utan att de andra lagren förvirrade ritaren . Detta verk ritades till en början på glasplåtar, men senare introducerades plastfilm , med fördelarna att bland annat vara lättare, använda mindre lagringsutrymme och vara mindre skör. När alla lager var klara slogs de samman till en bild med hjälp av en stor processkamera. När färgtrycket väl kom in användes lageridén också för att skapa separata tryckplåtar för varje färg. Medan användningen av lager mycket senare blev en av de typiska särdragen för ett samtida GIS, anses den fotografiska processen som just beskrivits inte som en GIS i sig - eftersom kartorna bara var bilder utan någon databas att länka dem till.

Två ytterligare utvecklingar är anmärkningsvärda under GIS:s tidiga dagar: Ian McHargs publikation " Design with Nature" och dess kartöverlagringsmetod och införandet av ett gatunät i US Census Bureaus DIME-system (Dual Independent Map Encoding).

Den första publikationen som beskriver användningen av datorer för att underlätta kartografi skrevs av Waldo Tobler 1959. Ytterligare utveckling av datorhårdvara som sporrades av kärnvapenforskning ledde till mer utbredda tillämpningar för allmänt bruk av dator "kartläggning" i början av 1960-talet.

1960 utvecklades världens första verkliga operativa GIS i Ottawa, Ontario, Kanada, av det federala departementet för skogsbruk och landsbygdsutveckling. Utvecklat av Dr. Roger Tomlinson , kallades det Canada Geographic Information System (CGIS) och användes för att lagra, analysera och manipulera data som samlats in för Canada Land Inventory , ett försök att fastställa landkapaciteten för landsbygden i Kanada genom att kartlägga information om jordar , jordbruk, rekreation, djurliv, sjöfåglar , skogsbruk och markanvändning i en skala 1:50 000. En klassificeringsfaktor har också lagts till för tillståndsanalys.

CGIS var en förbättring jämfört med "datorkartläggningsapplikationer" eftersom det gav kapacitet för datalagring, överlagring, mätning och digitalisering /skanning. Det stödde ett nationellt koordinatsystem som sträckte sig över kontinenten, kodade linjer som bågar med en verklig inbäddad topologi och den lagrade attribut och platsinformation i separata filer. Som ett resultat av detta har Tomlinson blivit känd som "fadern till GIS", särskilt för sin användning av överlägg för att främja rumslig analys av konvergerande geografiska data. CGIS varade in på 1990-talet och byggde en stor digital markresursdatabas i Kanada. Det utvecklades som ett stordatorbaserat system till stöd för federal och provinsiell resursplanering och förvaltning. Dess styrka var kontinentomfattande analys av komplexa datamängder . CGIS var aldrig tillgänglig kommersiellt.

1964 bildade Howard T. Fisher Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis vid Harvard Graduate School of Design (LCGSA 1965–1991), där ett antal viktiga teoretiska koncept inom hantering av rumslig data utvecklades, och som på 1970-talet hade distribuerats avgörande programvarukod och system, såsom SYMAP, GRID och ODYSSEY, till universitet, forskningscentra och företag över hela världen. Dessa program var de första exemplen på generell GIS-mjukvara som inte utvecklades för en viss installation, och som var mycket inflytelserik på framtida kommersiell programvara, såsom Esri ARC/INFO , som släpptes 1983.

I slutet av 1970-talet var två offentliga GIS-system ( MOSS och GRASS GIS ) under utveckling, och i början av 1980-talet, M&S Computing (senare Intergraph ) tillsammans med Bentley Systems Incorporated för CAD -plattformen, Environmental Systems Research Institute ( ESRI ), CARIS (Computer Aided Resource Information System) och ERDAS (Earth Resource Data Analysis System) växte fram som kommersiella leverantörer av GIS-programvara, som framgångsrikt införlivade många av CGIS-funktionerna och kombinerade den första generationens tillvägagångssätt för separation av rumslig och attributinformation med en andra generationens tillvägagångssätt. att organisera attributdata i databasstrukturer.

1986 släpptes Mapping Display and Analysis System (MIDAS), den första GIS-produkten för stationära datorer för DOS -operativsystemet. Detta döptes 1990 om till MapInfo för Windows när det portades till Microsoft Windows- plattformen. Detta började processen att flytta GIS från forskningsavdelningen till affärsmiljön.

I slutet av 1900-talet hade den snabba tillväxten i olika system konsoliderats och standardiserats på relativt få plattformar och användare började utforska att se GIS-data över Internet, vilket krävde dataformat och överföringsstandarder. På senare tid har ett växande antal gratis GIS-paket med öppen källkod körs på en rad olika operativsystem och kan anpassas för att utföra specifika uppgifter. Den stora trenden under 2000-talet har varit integrationen av GIS-funktioner med annan informationsteknik och internetinfrastruktur , såsom relationsdatabaser , molnberäkningar , mjukvara som en tjänst (SAAS) och mobil datoranvändning .

GIS programvara

Skillnaden måste göras mellan ett unikt geografiskt informationssystem , som är en enda installation av programvara och data för en viss användning, tillsammans med tillhörande hårdvara, personal och institutioner (t.ex. GIS för en viss stadsförvaltning); och GIS-mjukvara , ett allmänt applikationsprogram som är avsett att användas i många individuella geografiska informationssystem inom en mängd olika applikationsdomäner. Från slutet av 1970-talet har många mjukvarupaket skapats specifikt för GIS-applikationer. Esris ArcGIS , som inkluderar ArcGIS Pro och den äldre mjukvaran ArcMap , dominerar för närvarande GIS-marknaden. Andra exempel på GIS inkluderar Autodesk och MapInfo Professional och program med öppen källkod som QGIS , GRASS GIS , MapGuide och Hadoop-GIS . Dessa och andra GIS-applikationer för stationära datorer inkluderar en komplett uppsättning funktioner för att mata in, hantera, analysera och visualisera geografiska data, och är designade för att användas på egen hand.

Från och med slutet av 1990-talet med uppkomsten av Internet , allt eftersom datornätverkstekniken utvecklades, började GIS-infrastruktur och data flyttas till servrar , vilket gav en annan mekanism för att tillhandahålla GIS-kapacitet. Detta underlättades av fristående programvara installerad på en server, liknande annan servermjukvara som HTTP-servrar och relationsdatabashanteringssystem, vilket gjorde det möjligt för klienter att få tillgång till GIS-data och bearbetningsverktyg utan att behöva installera specialiserad skrivbordsprogramvara. Dessa nätverk är kända som distribuerat GIS . Denna strategi har utökats genom Internet och utveckling av molnbaserade GIS-plattformar som ArcGIS Online och GIS-specialiserade mjukvara som en tjänst (SAAS). Användningen av Internet för att underlätta distribuerad GIS kallas Internet GIS .

Ett alternativt tillvägagångssätt är integrationen av några eller alla dessa funktioner i andra mjukvaru- eller informationsteknologiarkitekturer . Ett exempel är en rumslig tillägg till objektrelationell databasprogramvara , som definierar en geometridatatyp så att rumslig data kan lagras i relationstabeller, och tillägg till SQL för rumslig analysoperationer som överlagring . Ett annat exempel är spridningen av geospatiala bibliotek och gränssnitt för applikationsprogrammering (t.ex. GDAL , Leaflet , D3.js ) som utökar programmeringsspråken för att möjliggöra inkorporering av GIS-data och bearbetning i anpassad programvara, inklusive webbplatser för webbkartläggning och platsbaserade tjänster i smartphones .

Geospatial datahantering

Kärnan i alla GIS är en databas som innehåller representationer av geografiska fenomen, modellering av deras geometri (plats och form) och deras egenskaper eller attribut . En GIS-databas kan lagras i en mängd olika former, såsom en samling separata datafiler eller en enda rumsligt aktiverad relationsdatabas . Att samla in och hantera dessa data utgör vanligtvis huvuddelen av tiden och de ekonomiska resurserna i ett projekt, mycket mer än andra aspekter som analys och kartläggning.

Aspekter av geografiska data

GIS använder spatio-temporal ( rum-tid ) plats som nyckelindexvariabel för all annan information. Precis som en relationsdatabas som innehåller text eller siffror kan relatera många olika tabeller med hjälp av vanliga nyckelindexvariabler, kan GIS relatera annars orelaterade information genom att använda plats som nyckelindexvariabel. Nyckeln är platsen och/eller omfattningen i rum-tid.

Varje variabel som kan lokaliseras rumsligt, och i allt högre grad även temporärt, kan refereras med hjälp av ett GIS. Platser eller utbredningar i jordens rymd-tid kan registreras som datum/tider för förekomsten, och x-, y- och z- koordinater representerar longitud , latitud respektive höjd . Dessa GIS-koordinater kan representera andra kvantifierade system för temporo-spatial referens (till exempel filmbildnummer, strömmätningsstation, milmarkör för motorväg, riktmärke för lantmätare, byggnadsadress, gatukorsning, ingångsport, vattendjupsondering, POS- eller CAD - ritning ursprung/enheter). Enheter som tillämpas på inspelade tids-spatiala data kan variera kraftigt (även när man använder exakt samma data, se kartprojektioner ), men alla jordbaserade rumsliga-temporala positions- och utsträckningsreferenser bör, idealiskt sett, kunna relateras till varandra och i slutändan till en "riktig" fysisk plats eller omfattning i rum-tid.

Relaterad till korrekt rumslig information kan en otrolig variation av verkliga och projicerade tidigare eller framtida data analyseras, tolkas och representeras. Denna nyckelegenskap hos GIS har börjat öppna nya vägar för vetenskaplig undersökning av beteenden och mönster av verklig information som tidigare inte hade varit systematiskt korrelerade .

Datamodellering

GIS-data representerar fenomen som finns i den verkliga världen, såsom vägar, markanvändning, höjder, träd, vattendrag och stater. De vanligaste typerna av fenomen som representeras i data kan delas in i två konceptualiseringar: diskreta objekt (t.ex. ett hus, en väg) och kontinuerliga fält (t.ex. nederbördsmängd eller befolkningstäthet). Andra typer av geografiska fenomen, såsom händelser (t.ex. andra världskriget ), processer (t.ex. förorter ) och massor (t.ex. jord ) representeras mindre vanligt eller indirekt, eller modelleras i analysprocedurer snarare än data.

Traditionellt finns det två breda metoder som används för att lagra data i ett GIS för båda typerna av abstraktionsmappningsreferenser: rasterbilder och vektor . Punkter, linjer och polygoner representerar vektordata för mappade platsattributreferenser.

En ny hybridmetod för att lagra data är att identifiera punktmoln, som kombinerar tredimensionella punkter med RGB- information vid varje punkt, vilket ger en " 3D-färgbild" . Tematiska GIS-kartor blir sedan mer och mer realistiskt visuellt beskrivande för vad de har för avsikt att visa eller fastställa.

Datainsamling

Exempel på hårdvara för kartläggning ( GPS och laseravståndsmätare ) och datainsamling ( tålig dator) . Den nuvarande trenden för geografiska informationssystem (GIS) är att noggrann kartläggning och dataanalys slutförs när man är i fält. Avbildad hårdvara ( fältkartteknik ) används främst för skogsinventeringar , övervakning och kartläggning.

GIS-datainsamling inkluderar flera metoder för att samla in rumslig data till en GIS-databas, som kan grupperas i tre kategorier: primär datafångst , de direkta mätningsfenomenen i fält (t.ex. fjärranalys , det globala positioneringssystemet ); sekundär datafångst , utvinning av information från befintliga källor som inte är i en GIS-form, såsom papperskartor, genom digitalisering ; och dataöverföring , kopiering av befintlig GIS-data från externa källor som statliga myndigheter och privata företag. Alla dessa metoder kan konsumera avsevärd tid, ekonomi och andra resurser.

Primär datafångst

Undersökningsdata kan matas in direkt i ett GIS från digitala datainsamlingssystem på mätinstrument med hjälp av en teknik som kallas koordinatgeometri (COGO) . Positioner från ett globalt navigationssatellitsystem ( GNSS ) som Global Positioning System kan också samlas in och sedan importeras till ett GIS. En aktuell trend inom datainsamling ger användare möjlighet att använda fältdatorer med möjlighet att redigera livedata med trådlösa anslutningar eller frånkopplade redigeringssessioner. Nuvarande trend är att använda applikationer tillgängliga på smartphones och handdatorer - Mobile GIS. Detta har förstärkts av tillgången till lågkostnads GPS-enheter med decimeternoggrannhet i realtid. Detta eliminerar behovet av att efterbearbeta, importera och uppdatera data på kontoret efter att fältarbete har samlats in. Detta inkluderar möjligheten att införliva positioner som samlats in med en laseravståndsmätare . Ny teknik tillåter också användare att skapa kartor och analysera direkt i fält, vilket gör projekten mer effektiva och kartläggningen mer exakt.

Fjärravkänd data spelar också en viktig roll vid datainsamling och består av sensorer kopplade till en plattform. Sensorer inkluderar kameror, digitala skannrar och lidar , medan plattformar vanligtvis består av flygplan och satelliter . I England i mitten av 1990-talet var hybriddrake/ballonger som kallas helikiter först pionjärer i användningen av kompakta luftburna digitalkameror som luftburna geoinformationssystem. Programvara för mätning av flygplan, exakt till 0,4 mm användes för att länka fotografierna och mäta marken. Helikiter är billiga och samlar in mer exakta data än flygplan. Helikiter kan användas över vägar, järnvägar och städer där obemannade flygfarkoster (UAV) är förbjudna.

Nyligen har insamling av flygdata blivit mer tillgänglig med miniatyr-UAV och drönare. Till exempel användes Aeryon Scout för att kartlägga ett 50 hektar stort område med ett markprovavstånd på 1 tum (2,54 cm) på bara 12 minuter.

Majoriteten av digital data kommer för närvarande från fototolkning av flygfoton. Soft-copy arbetsstationer används för att digitalisera funktioner direkt från stereopar av digitala fotografier. Dessa system gör det möjligt att fånga data i två och tre dimensioner, med höjder som mäts direkt från ett stereopar med hjälp av principer för fotogrammetri . Analoga flygfoton måste skannas innan de läggs in i ett mjukkopieringssystem, för högkvalitativa digitalkameror hoppas detta steg över.

Satellit fjärranalys ger en annan viktig källa för rumslig data. Här använder satelliter olika sensorpaket för att passivt mäta reflektansen från delar av det elektromagnetiska spektrumet eller radiovågor som sändes ut från en aktiv sensor som radar. Fjärranalys samlar in rasterdata som kan bearbetas vidare med hjälp av olika band för att identifiera objekt och intresseklasser, såsom marktäcke.

Sekundär datafångst

Den vanligaste metoden för att skapa data är digitalisering , där en papperskopia eller kartläggningsplan överförs till ett digitalt medium med hjälp av ett CAD-program och georeferensfunktioner. Med den breda tillgången på orto-korrigerade bilder (från satelliter, flygplan, helikiter och UAV), blir heads-up digitalisering den främsta vägen genom vilken geografisk data extraheras. Heads-up digitalisering innebär spårning av geografiska data direkt ovanpå flygbilderna istället för med den traditionella metoden att spåra den geografiska formen på en separat digitaliseringsplatta (heads-down digitalisering). Heads-down digitalisering, eller manuell digitalisering, använder en speciell magnetisk penna, eller penna, som matar in information i en dator för att skapa en identisk digital karta. Vissa surfplattor använder ett musliknande verktyg, som kallas en puck, istället för en penna. Pucken har ett litet fönster med hårkors som möjliggör större precision och preciserande kartfunktioner. Även om heads-up-digitalisering är vanligare, är heads-down-digitalisering fortfarande användbart för att digitalisera kartor av dålig kvalitet.

Befintlig data tryckt på papper eller PET-filmkartor kan digitaliseras eller skannas för att producera digitala data. En digitaliserare producerar vektordata när en operatör spårar punkter, linjer och polygongränser från en karta. Att skanna en karta resulterar i rasterdata som kan bearbetas ytterligare för att producera vektordata.

När data samlas in bör användaren överväga om data ska fångas med antingen en relativ noggrannhet eller absolut noggrannhet, eftersom detta inte bara kan påverka hur information kommer att tolkas utan också kostnaden för datafångst.

Efter inmatning av data i ett GIS kräver data vanligtvis redigering, för att ta bort fel eller ytterligare bearbetning. För vektordata måste det göras "topologiskt korrekt" innan det kan användas för någon avancerad analys. Till exempel i ett vägnät måste linjer ansluta till noder i en korsning. Fel som under- och överskjutningar måste också tas bort. För skannade kartor kan fläckar på källkartan behöva tas bort från det resulterande rastret . Till exempel kan en smutsfläck förbinda två ledningar som inte ska anslutas.

Projektioner, koordinatsystem och registrering

Jorden kan representeras av olika modeller, som var och en kan ge olika koordinater (t.ex. latitud, longitud, höjd) för en given punkt på jordens yta. Den enklaste modellen är att anta att jorden är en perfekt sfär. I takt med att fler mätningar av jorden har ackumulerats har jordens modeller blivit mer sofistikerade och mer exakta. Faktum är att det finns modeller som kallas datum som gäller för olika områden på jorden för att ge ökad noggrannhet, som nordamerikanska datum från 1983 för amerikanska mätningar och World Geodetic System för världsomspännande mätningar.

Latitud och longitud på en karta gjord mot en lokal datum kanske inte är densamma som en erhållen från en GPS-mottagare . Att konvertera koordinater från ett datum till ett annat kräver en datumtransformation, såsom en Helmert-transformation , även om det i vissa situationer kan vara tillräckligt med en enkel översättning .

I populär GIS-programvara representeras data som projiceras i latitud/longitud ofta som ett geografiskt koordinatsystem . Till exempel, data i latitud/longitud om datumet är " North American Datum of 1983" betecknas med "GCS North American 1983".

Datakvalitet

Även om ingen digital modell kan vara en perfekt representation av den verkliga världen, är det viktigt att GIS-data är av hög kvalitet. I enlighet med principen om homomorfism måste data vara tillräckligt nära verkligheten så att resultaten av GIS-procedurer korrekt motsvarar resultaten av verkliga processer. Det betyder att det inte finns någon enhetlig standard för datakvalitet, eftersom den nödvändiga graden av kvalitet beror på omfattningen och syftet med de uppgifter som den ska användas för. Flera delar av datakvalitet är viktiga för GIS-data:

Noggrannhet: Graden av likhet mellan ett representerat mått och det faktiska värdet; omvänt fel storleken på skillnaden mellan dem. I GIS-data finns det oro för noggrannhet i representationer av plats ( positionsnoggrannhet ), egenskap ( attributnoggrannhet ) och tid. Till exempel säger US 2020 Census att Houstons befolkning den 1 april 2020 var 2 304 580; om det faktiskt var 2 310 674 skulle detta vara ett fel och därmed en brist på attributnoggrannhet.
Precision: Graden av förfining i ett representerat värde. I en kvantitativ egenskap är detta antalet signifikanta siffror i det uppmätta värdet. Ett oprecist värde är vagt eller tvetydigt, inklusive en rad möjliga värden. Om man till exempel skulle säga att befolkningen i Houston den 1 april 2020 var "cirka 2,3 miljoner", skulle detta uttalande vara oprecist, men troligen korrekt eftersom det korrekta värdet (och många felaktiga värden) ingår. Precis som med noggrannhet kan representationer av plats, egendom och tid alla vara mer eller mindre exakta. Upplösning är ett vanligt använt uttryck för positionsprecision, särskilt i rasterdatauppsättningar .
Osäkerhet: En allmän erkännande av förekomsten av fel och oprecision i geografiska data. Det vill säga, det är en viss grad av allmänt tvivel, med tanke på att det är svårt att veta exakt hur mycket fel som finns i en datamängd, även om någon form av uppskattning kan försökas (ett konfidensintervall är en sådan uppskattning av osäkerhet ) . Detta används ibland som en samlingsbeteckning för alla eller de flesta aspekter av datakvalitet.
Vagueness or fuzziness: Graden i vilken en aspekt (plats, egenskap eller tid) av ett fenomen är i sig oprecis, snarare än att oprecisionen finns i ett uppmätt värde. Till exempel är den rumsliga omfattningen av storstadsområdet Houston vag, eftersom det finns platser i utkanten av staden som är mindre kopplade till den centrala staden (mätt med aktiviteter som pendling ) än platser som ligger närmare. Matematiska verktyg som fuzzy set theory används ofta för att hantera vagheter i geografiska data.
Fullständighet: Den grad i vilken en datamängd representerar alla faktiska funktioner som den utger sig för att inkludera. Till exempel, om ett lager av "vägar i Houston " saknar några faktiska gator, är det ofullständigt.
Valuta: Den senaste tidpunkten då en datamängd påstår sig vara en korrekt representation av verkligheten. Detta är ett problem för majoriteten av GIS-applikationer, som försöker representera världen "för närvarande", i vilket fall äldre data är av lägre kvalitet.
Konsistens: Den grad i vilken representationerna av de många fenomenen i en datamängd korrekt överensstämmer med varandra. Konsistens i topologiska relationer mellan rumsliga objekt är en särskilt viktig aspekt av konsistens. Till exempel, om alla linjer i ett gatunät av misstag flyttades 10 meter österut, skulle de vara felaktiga men fortfarande konsekventa, eftersom de fortfarande skulle ansluta ordentligt vid varje korsning, och nätverksanalysverktyg som kortaste vägen skulle fortfarande ge korrekta resultat.
Spridning av osäkerhet: I vilken grad kvaliteten på resultaten av rumsliga analysmetoder och andra bearbetningsverktyg härrör från kvaliteten på indata. Till exempel interpolation en vanlig operation som används på många sätt i GIS; eftersom det genererar uppskattningar av värden mellan kända mätningar, kommer resultaten alltid att vara mer exakta, men mindre säkra (eftersom varje uppskattning har en okänd mängd fel).

GIS-noggrannheten beror på källdata och hur den är kodad för att refereras till data. Lantmätare har kunnat tillhandahålla en hög nivå av positionsnoggrannhet genom att använda GPS -härledda positioner. Högupplöst digital terräng och flygbilder, kraftfulla datorer och webbteknologi förändrar kvaliteten, användbarheten och förväntningarna på GIS för att tjäna samhället i stor skala, men ändå finns det andra källdata som påverkar den övergripande GIS-noggrannheten som papperskartor, men dessa kan vara av begränsad användning för att uppnå önskad noggrannhet.

Vid utvecklingen av en digital topografisk databas för ett GIS är topografiska kartor huvudkällan, och flygfotografering och satellitbilder är extra källor för att samla in data och identifiera attribut som kan kartläggas i lager över en platsfaksimil av skala. Skalan för en karta och representationstyp för geografiskt återgivningsområde, eller kartprojektion , är mycket viktiga aspekter eftersom informationsinnehållet huvudsakligen beror på skalan och den resulterande lokaliseringen av kartans representationer. För att digitalisera en karta måste kartan kontrolleras inom teoretiska dimensioner, sedan skannas till ett rasterformat, och resulterande rasterdata måste ges en teoretisk dimension genom en gummiplåts-/förvrängningsteknikprocess som kallas georeferencing .

En kvantitativ analys av kartor sätter noggrannhetsfrågor i fokus. Den elektroniska och annan utrustning som används för att göra mätningar för GIS är mycket mer exakt än maskinerna för konventionell kartanalys. Alla geografiska data är till sin natur felaktiga, och dessa felaktigheter kommer att spridas genom GIS-operationer på sätt som är svåra att förutsäga.

Raster-till-vektor översättning

Dataomstrukturering kan utföras av ett GIS för att konvertera data till olika format. Till exempel kan en GIS användas för att konvertera en satellitbildskarta till en vektorstruktur genom att generera linjer runt alla celler med samma klassificering, samtidigt som cellspatiala relationer bestäms, såsom närhet eller inkludering.

Mer avancerad databehandling kan förekomma med bildbehandling , en teknik som utvecklades i slutet av 1960-talet av NASA och den privata sektorn för att ge kontrastförbättring, falsk färgåtergivning och en mängd andra tekniker inklusive användning av tvådimensionella Fourier-transformationer . Eftersom digital data samlas in och lagras på olika sätt kan det hända att de två datakällorna inte är helt kompatibla. Så ett GIS måste kunna konvertera geografiska data från en struktur till en annan. Därvid kräver de implicita antagandena bakom olika ontologier och klassificeringar analys. Objektontologier har blivit allt mer framträdande som en konsekvens av objektorienterad programmering och ihållande arbete av Barry Smith och medarbetare.

Spatial ETL

Spatial ETL- verktyg tillhandahåller databearbetningsfunktionerna för traditionell extrahera, transform, load (ETL) programvara, men med ett primärt fokus på förmågan att hantera rumslig data. De ger GIS-användare möjligheten att översätta data mellan olika standarder och proprietära format, samtidigt som de transformerar data geometriskt på vägen. Dessa verktyg kan komma i form av tillägg till befintlig programvara med bredare syfte, t.ex. kalkylblad .

Rumslig analys

GIS rumslig analys är ett snabbt föränderligt område, och GIS-paket inkluderar i allt högre grad analytiska verktyg som standard inbyggda faciliteter, som valfria verktygsuppsättningar, som tillägg eller "analytiker". I många fall tillhandahålls dessa av de ursprungliga mjukvaruleverantörerna (kommersiella leverantörer eller samarbetande icke-kommersiella utvecklingsteam), medan i andra fall anläggningar har utvecklats och tillhandahålls av tredje part. Dessutom erbjuder många produkter mjukvaruutvecklingskit (SDK), programmeringsspråk och språkstöd, skriptfaciliteter och/eller speciella gränssnitt för att utveckla egna analysverktyg eller varianter. Den ökade tillgängligheten har skapat en ny dimension för business intelligence som kallas " spatial intelligens " som, när den levereras öppet via intranät, demokratiserar tillgången till geografiska och sociala nätverksdata. Geospatial intelligens , baserad på GIS rumslig analys, har också blivit ett nyckelelement för säkerhet. GIS som helhet kan beskrivas som konvertering till en vektoriell representation eller till någon annan digitaliseringsprocess.

Geoprocessing är en GIS-operation som används för att manipulera rumslig data. En typisk geobearbetningsoperation tar en indatauppsättning , utför en operation på den datauppsättningen och returnerar resultatet av operationen som en utdatauppsättning. Vanliga geobearbetningsoperationer inkluderar geografisk funktionsöverlagring, funktionsval och analys, topologibearbetning , rasterbearbetning och datakonvertering. Geoprocessing möjliggör definition, hantering och analys av information som används för att fatta beslut.

Terränganalys

Hillshade-modell härledd från en digital höjdmodell av Valestra-området i norra Apenninerna (Italien)

Många geografiska uppgifter involverar terrängen , formen på jordens yta, såsom hydrologi , jordarbeten och biogeografi . Terrängdata är alltså ofta en kärndatauppsättning i ett GIS, vanligtvis i form av en raster Digital elevation model (DEM) eller ett Triangulated irregular network (TIN). En mängd olika verktyg finns tillgängliga i de flesta GIS-programvara för att analysera terräng, ofta genom att skapa härledda datamängder som representerar en specifik aspekt av ytan. Några av de vanligaste inkluderar:

Lutning eller lutning är brantheten eller lutning av en terrängenhet, vanligtvis mätt som en vinkel i grader eller i procent.
Aspekt kan definieras som den riktning i vilken en terrängenhet är vänd. Aspekt uttrycks vanligtvis i grader från norr.
Cut and filling är en beräkning av skillnaden mellan ytan före och efter ett schaktprojekt för att uppskatta kostnader.
Hydrologisk modellering kan ge ett rumsligt element som andra hydrologiska modeller saknar, med analys av variabler som lutning, aspekt och vattendelare eller avrinningsområde . Terränganalys är grundläggande för hydrologi, eftersom vatten alltid rinner nedför en sluttning. Eftersom grundläggande terränganalys av en digital höjdmodell (DEM) involverar beräkning av lutning och aspekt, är DEM:er mycket användbara för hydrologisk analys. Lutning och aspekt kan sedan användas för att bestämma riktningen för ytavrinning, och därmed flödesackumulering för bildandet av bäckar, floder och sjöar. Områden med divergerande flöden kan också ge en tydlig indikation på gränserna för ett avrinningsområde. När väl en flödesriktning och ackumuleringsmatris har skapats kan frågor utföras som visar bidragande eller spridningsområden vid en viss punkt. Mer detaljer kan läggas till modellen, såsom terrängjämnhet, vegetationstyper och jordtyper, vilket kan påverka infiltrations- och evapotranspirationshastigheter och därmed påverka ytflödet. En av de viktigaste användningsområdena för hydrologisk modellering är forskning om miljöföroreningar . Andra tillämpningar av hydrologisk modellering inkluderar kartläggning av grundvatten och ytvatten , såväl som kartor över översvämningsrisk.
Viewshed-analys förutspår vilken påverkan terrängen har på sikten mellan platser, vilket är särskilt viktigt för trådlös kommunikation.
Skuggad relief är en skildring av ytan som om det vore en tredimensionell modell upplyst från en given riktning, vilket är mycket vanligt förekommande på kartor.

De flesta av dessa genereras med hjälp av algoritmer som är diskreta förenklingar av vektorkalkyl . Lutning, aspekt och ytkrökning i terränganalys är alla härledda från grannskapsoperationer som använder höjdvärden för en cells intilliggande grannar. Var och en av dessa påverkas starkt av detaljnivån i terrängdata, såsom upplösningen av en DEM, som bör väljas med omsorg.

Närhetsanalys

Avstånd är en viktig del av att lösa många geografiska uppgifter, vanligtvis på grund av avståndets friktion . Således har en mängd olika analysverktyg analyserat avstånd i någon form, såsom buffertar , Voronoi eller Thiessen-polygoner , kostnadsavståndsanalys och nätverksanalys .

Dataanalys

Det är svårt att relatera våtmarkskartor till nederbördsmängder som registrerats på olika ställen som flygplatser, tv-stationer och skolor. En GIS kan dock användas för att avbilda två- och tredimensionella egenskaper hos jordens yta, underyta och atmosfär från informationspunkter. Till exempel kan ett GIS snabbt generera en karta med isoplet- eller konturlinjer som indikerar olika mängd nederbörd. En sådan karta kan ses som en nederbördskonturkarta. Många sofistikerade metoder kan uppskatta ytornas egenskaper utifrån ett begränsat antal punktmätningar. En tvådimensionell konturkarta skapad från ytmodellering av nederbördspunktsmätningar kan läggas över och analyseras med vilken annan karta som helst i ett GIS som täcker samma område. Denna GIS-härledda karta kan sedan ge ytterligare information - såsom livskraften för vattenkraftspotential som en förnybar energikälla . På samma sätt kan GIS användas för att jämföra andra förnybara energiresurser för att hitta den bästa geografiska potentialen för en region.

Dessutom, från en serie tredimensionella punkter, eller digital höjdmodell , kan isopletlinjer som representerar höjdkonturer genereras, tillsammans med lutningsanalys, skuggad relief och andra höjdprodukter. Vattendelar kan enkelt definieras för varje given räckvidd, genom att beräkna alla områden som är angränsande och uppförsbacke från en given punkt av intresse. På liknande sätt kan en förväntad thalweg av vart ytvatten skulle vilja färdas i intermittenta och permanenta strömmar beräknas från höjddata i GIS.

Topologisk modellering

Ett GIS kan känna igen och analysera de rumsliga relationer som finns inom digitalt lagrad rumslig data. Dessa topologiska samband tillåter komplex rumslig modellering och analys att utföras. Topologiska relationer mellan geometriska enheter inkluderar traditionellt närhet (vad som gränsar till vad), inneslutning (vad som omsluter vad) och närhet (hur nära något är något annat).

Geometriska nätverk

Geometriska nätverk är linjära nätverk av objekt som kan användas för att representera sammanlänkade egenskaper och för att utföra speciell rumslig analys på dem. Ett geometriskt nätverk är sammansatt av kanter, som är sammankopplade vid knutpunkter, liknande grafer inom matematik och datavetenskap. Precis som grafer kan nätverk ha vikt och flöde tilldelade till dess kanter, vilket kan användas för att representera olika sammankopplade funktioner mer exakt. Geometriska nätverk används ofta för att modellera vägnät och allmännyttiga nätverk, såsom el-, gas- och vattennät. Nätverksmodellering används också ofta i transportplanering , hydrologimodellering och infrastrukturmodellering .

Kartografisk modellering

Ett exempel på användning av lager i en GIS-applikation. I det här exemplet utgör skogstäckesskiktet (ljusgrönt) bottenskiktet, med det topografiska skiktet (konturlinjer) över det. Närmast kommer ett stående vattenlager (damm, sjö) och sedan ett rinnande vattenlager (bäck, älv), följt av gränsskiktet och slutligen väglagret ovanpå. Ordningen är mycket viktig för att kunna visa det slutliga resultatet korrekt. Observera att dammarna är skiktade under bäckarna, så att en bäcklinje kan ses över en av dammarna.

Dana Tomlin myntade termen "kartografisk modellering" i sin doktorsavhandling (1983); han använde det senare i titeln på sin bok, Geographic Information Systems and Cartographic Modeling ( 1990). Kartografisk modellering avser en process där flera tematiska lager av samma område produceras, bearbetas och analyseras. Tomlin använde rasterlager, men överlagringsmetoden (se nedan) kan användas mer generellt. Operationer på kartlager kan kombineras till algoritmer och så småningom till simulerings- eller optimeringsmodeller.

Kartöverlägg

Kombinationen av flera rumsliga datamängder (punkter, linjer eller polygoner ) skapar en ny utdatavektoruppsättning, som visuellt liknar att stapla flera kartor över samma region. Dessa överlägg liknar matematiska Venn-diagramöverlägg . En unionsöverlagring kombinerar de geografiska egenskaperna och attributtabellerna för båda ingångarna till en enda ny utdata. En skärande överlagring definierar området där båda ingångarna överlappar och behåller en uppsättning attributfält för var och en. En symmetrisk skillnadsöverlagring definierar ett utdataområde som inkluderar den totala arean för båda ingångarna förutom det överlappande området.

Dataextraktion är en GIS-process som liknar vektoröverlagring, även om den kan användas i antingen vektor- eller rasterdataanalys. I stället för att kombinera egenskaperna och funktionerna för båda datamängderna, innebär dataextraktion att använda ett "klipp" eller "mask" för att extrahera funktionerna i en datamängd som faller inom den rumsliga omfattningen av en annan datamängd.

I rasterdataanalys åstadkoms överlagringen av datamängder genom en process som kallas "lokal operation på flera raster" eller " mapalgebra ", genom en funktion som kombinerar värdena för varje rasters matris . Denna funktion kan väga vissa indata mer än andra genom att använda en "indexmodell" som återspeglar olika faktorers inverkan på ett geografiskt fenomen.

Geostatistik

Geostatistik är en gren av statistik som handlar om fältdata, rumsliga data med ett kontinuerligt index. Den tillhandahåller metoder för att modellera rumslig korrelation och förutsäga värden på godtyckliga platser (interpolation).

När fenomen mäts, dikterar observationsmetoderna noggrannheten i varje efterföljande analys. På grund av uppgifternas natur (t.ex. trafikmönster i stadsmiljö; vädermönster över Stilla havet ) förloras alltid en konstant eller dynamisk grad av precision i mätningen. Denna förlust av precision bestäms från skalan och distributionen av datainsamlingen.

För att bestämma analysens statistiska relevans bestäms ett medelvärde så att punkter (gradienter) utanför varje omedelbar mätning kan inkluderas för att bestämma deras förutsagda beteende. Detta beror på begränsningarna hos de tillämpade statistik- och datainsamlingsmetoderna, och interpolering krävs för att förutsäga beteendet hos partiklar, punkter och platser som inte är direkt mätbara.

Interpolation är den process genom vilken en yta skapas, vanligtvis en rasterdatauppsättning, genom inmatning av data som samlats in vid ett antal provpunkter. Det finns flera former av interpolation, var och en som behandlar data på olika sätt, beroende på datauppsättningens egenskaper. Vid jämförelse av interpolationsmetoder bör den första övervägande vara om källdata kommer att ändras (exakt eller ungefärligt). Nästa är om metoden är subjektiv, en mänsklig tolkning eller objektiv. Sedan finns det övergångarnas natur mellan punkter: är de abrupta eller gradvisa. Slutligen finns det om en metod är global (den använder hela datamängden för att bilda modellen), eller lokal där en algoritm upprepas för en liten del av terrängen.

Interpolation är ett berättigat mått på grund av en rumslig autokorrelationsprincip som inser att data som samlas in vid vilken position som helst kommer att ha en stor likhet med eller påverkan av dessa platser i dess omedelbara närhet.

Digitala höjdmodeller , triangulerade oregelbundna nätverk , kantsökningsalgoritmer, Thiessen-polygoner , Fourieranalys , (vägda) glidande medelvärden , omvänd avståndsviktning , kriging , spline och trendyteanalys är alla matematiska metoder för att producera interpolativa data.

Adressgeokodning

Geokodning interpolerar rumsliga platser (X,Y-koordinater) från gatuadresser eller andra rumsligt refererade data som postnummer , paketpartier och adressplatser. Ett referenstema krävs för att geokoda enskilda adresser, till exempel en vägmittlinjefil med adressintervall. De individuella adressplatserna har historiskt interpolerats, eller uppskattats, genom att undersöka adressområden längs ett vägsegment. Dessa tillhandahålls vanligtvis i form av en tabell eller databas. Mjukvaran kommer sedan att placera en punkt ungefär där adressen hör hemma längs mittlinjens segment. Till exempel kommer en adresspunkt på 500 att vara i mitten av ett linjesegment som börjar med adress 1 och slutar med adress 1 000. Geokodning kan också tillämpas mot faktiska paketdata, vanligtvis från kommunalskattekartor. I detta fall kommer resultatet av geokodningen att vara ett faktiskt placerat utrymme i motsats till en interpolerad punkt. Detta tillvägagångssätt används alltmer för att ge mer exakt platsinformation.

Omvänd geokodning

Omvänd geokodning är processen att returnera ett uppskattat gatuadressnummer eftersom det relaterar till en given koordinat. En användare kan till exempel klicka på ett vägcentrumlinjetema (och därmed tillhandahålla en koordinat) och få tillbaka information som återspeglar det uppskattade husnumret. Detta husnummer interpoleras från ett intervall som tilldelats det vägsegmentet. Om användaren klickar i mitten av ett segment som börjar med adress 1 och slutar med 100, kommer det returnerade värdet att vara någonstans nära 50. Observera att omvänd geokodning inte returnerar faktiska adresser, bara uppskattningar av vad som ska finnas där baserat på det förutbestämda räckvidd.

Beslutsanalys med flera kriterier

Tillsammans med GIS, stöder multikriteriebeslutsanalysmetoder beslutsfattare i att analysera en uppsättning alternativa rumsliga lösningar, såsom den mest sannolika ekologiska livsmiljön för restaurering, mot flera kriterier, såsom vegetationstäcke eller vägar. MCDA använder beslutsregler för att aggregera kriterierna, vilket gör att de alternativa lösningarna kan rangordnas eller prioriteras. GIS MCDA kan minska kostnaderna och den tid som krävs för att identifiera potentiella restaureringsplatser.

GIS-datautvinning

GIS eller spatial data mining är tillämpningen av data mining-metoder på rumslig data. Data mining, som är den delvis automatiserade sökningen efter dolda mönster i stora databaser, erbjuder stora potentiella fördelar för tillämpat GIS-baserat beslutsfattande. Typiska tillämpningar inkluderar miljöövervakning. Ett kännetecken för sådana applikationer är att rumslig korrelation mellan datamätningar kräver användning av specialiserade algoritmer för effektivare dataanalys.

Datautgång och kartografi

Kartografi är design och produktion av kartor, eller visuella representationer av rumslig data. Den stora majoriteten av modern kartografi görs med hjälp av datorer, vanligtvis med GIS men produktion av kvalitetskartografi uppnås också genom att importera lager till ett designprogram för att förfina den. De flesta GIS-program ger användaren betydande kontroll över hur data ser ut.

Kartografiskt arbete fyller två huvudfunktioner:

För det första producerar den grafik på skärmen eller på papper som förmedlar resultaten av analysen till de personer som fattar beslut om resurser. Väggkartor och annan grafik kan genereras, vilket gör att tittaren kan visualisera och därigenom förstå resultaten av analyser eller simuleringar av potentiella händelser. Webmapservrar underlättar distribution av genererade kartor genom webbläsare med hjälp av olika implementeringar av webbaserade applikationsprogrammeringsgränssnitt ( AJAX , Java , Flash , etc.).

För det andra kan annan databasinformation genereras för vidare analys eller användning. Ett exempel skulle vara en lista över alla adresser inom en mil (1,6 km) från ett giftigt spill.

En arkeokrom är ett nytt sätt att visa rumslig data. Det är en tematik på en 3D-karta som appliceras på en specifik byggnad eller en del av en byggnad. Den är lämpad för visuell visning av värmeförlustdata.

Terrängskildring

En traditionell topografisk karta renderad i 3D

Traditionella kartor är abstraktioner av den verkliga världen, ett urval av viktiga element porträtterade på ett pappersark med symboler för att representera fysiska objekt. Människor som använder kartor måste tolka dessa symboler. Topografiska kartor visar formen på landytan med konturlinjer eller med skuggad relief .

Idag kan grafiska visningstekniker som skuggning baserad på höjd i ett GIS göra relationer mellan kartelement synliga, vilket ökar ens förmåga att extrahera och analysera information. Till exempel kombinerades två typer av data i ett GIS för att skapa en perspektivvy av en del av San Mateo County , Kalifornien .

Den digitala höjdmodellen , som består av ythöjder registrerade på ett 30-meters horisontellt rutnät, visar höga höjder som vita och låga höjder som svarta.
Den medföljande Landsat Thematic Mapper-bilden visar en infraröd bild med falska färger som tittar ner på samma område i 30-meters pixlar, eller bildelement, för samma koordinatpunkter, pixel för pixel, som höjdinformationen.

En GIS användes för att registrera och kombinera de två bilderna för att återge den tredimensionella perspektivvyn som tittade ner för San Andreas-förkastningen , med hjälp av Thematic Mapper-bildpixlarna, men skuggade med hjälp av höjden av landformerna . GIS-skärmen beror på observatörens synpunkt och tid på dagen för skärmen, för att korrekt återge skuggorna som skapas av solens strålar på den latituden, longituden och tiden på dygnet.

Webbkartläggning

Under de senaste åren har det skett en spridning av gratis att använda och lättillgänglig kartprogramvara som de egenutvecklade webbapplikationerna Google Maps och Bing Maps , såväl som det fria och öppen källkodsalternativet OpenStreetMap . Dessa tjänster ger allmänheten tillgång till enorma mängder geografisk data, som av många användare uppfattas som lika pålitlig och användbar som professionell information.

Vissa av dem, som Google Maps och OpenLayers , exponerar ett applikationsprogrammeringsgränssnitt (API) som gör det möjligt för användare att skapa anpassade applikationer. Dessa verktygssatser erbjuder vanligtvis gatukartor, flyg-/satellitbilder, geokodning, sökningar och routingfunktioner. Webbkartläggning har också avslöjat potentialen med att crowdsourcing geodata i projekt som OpenStreetMap , som är ett samarbetsprojekt för att skapa en gratis redigerbar karta över världen. Dessa mashup -projekt har visat sig ge en hög nivå av värde och nytta för slutanvändare utanför vad som är möjligt genom traditionell geografisk information.

Webbkartläggning är inte utan sina nackdelar. Webbkartläggning gör det möjligt att skapa och distribuera kartor av människor utan ordentlig kartografisk utbildning. Detta har lett till kartor som ignorerar kartografiska konventioner och är potentiellt vilseledande.

Ansökningar

Sedan dess ursprung på 1960-talet har GIS använts i ett ständigt ökande antal applikationer, vilket bekräftar den utbredda betydelsen av lokalisering och hjälpt av den fortsatta minskningen av hindren för att anta geospatial teknologi. De kanske hundratals olika användningarna av GIS kan klassificeras på flera sätt:

Mål : Syftet med en ansökan kan brett klassificeras som antingen vetenskaplig forskning eller resursförvaltning . Syftet med forskning , definierad så brett som möjligt, är att upptäcka ny kunskap; detta kan utföras av någon som anser sig själv vara en vetenskapsman, men kan också göras av alla som försöker lära sig varför världen verkar fungera som den gör. En så praktisk studie som att dechiffrera varför ett företag har misslyckats skulle vara forskning i denna mening. Management (ibland kallat operativa tillämpningar), även definierat så brett som möjligt, är tillämpningen av kunskap för att fatta praktiska beslut om hur man använder de resurser man har kontroll över för att nå sina mål. Dessa resurser kan vara tid, kapital, arbete, utrustning, mark, mineralfyndigheter, vilda djur och så vidare.
- Beslutsnivå : Ledningsapplikationer har ytterligare klassificerats som strategiska , taktiska , operativa , en vanlig klassificering inom företagsledning . Strategiska uppgifter är långsiktiga, visionära beslut om vilka mål man ska ha, till exempel om en verksamhet ska expandera eller inte. Taktiska uppgifter är beslut på medellång sikt om hur strategiska mål ska uppnås, till exempel att en nationell skog skapar en betesvårdsplan. Operativa beslut handlar om de dagliga uppgifterna, som att en person hittar den kortaste vägen till en pizzarestaurang.
Ämne : de domäner där GIS tillämpas faller till stor del inom de som är intresserade av den mänskliga världen (t.ex. ekonomi , politik , transport , utbildning , landskapsarkitektur , arkeologi , stadsplanering , fastigheter , folkhälsa , brottskartläggning , nationellt försvar ), och de som berörs av den naturliga världen (t.ex. geologi , biologi , oceanografi , klimat ). Som sagt, en av de kraftfulla funktionerna hos GIS och geografins rumsliga perspektiv är deras integrerande förmåga att jämföra olika ämnen, och många applikationer handlar om flera domäner. Exempel på integrerade mänskliga-naturliga tillämpningsdomäner inkluderar begränsning av naturrisker , förvaltning av vilda djur , hållbar utveckling , naturresurser och reaktion på klimatförändringar .
Institution : GIS har implementerats i en mängd olika typer av institutioner: myndigheter (på alla nivåer från kommunala till internationella), företag (av alla slag och storlekar), ideella organisationer (även kyrkor), såväl som personligt bruk. Det senare har blivit allt mer framträdande i och med uppkomsten av platsaktiverade smartphones.
Livslängd : GIS-implementationer kan vara fokuserade på ett projekt eller ett företag . Ett projekt-GIS är fokuserat på att utföra en enda uppgift: data samlas in, analys utförs och resultat produceras separat från alla andra projekt som personen kan utföra, och implementeringen är i huvudsak övergående. En Enterprise GIS är avsedd att vara en permanent institution, inklusive en databas som är noggrant utformad för att vara användbar för en mängd olika projekt under många år, och sannolikt används av många individer i ett företag, med några heltidsanställda bara för att underhålla Det.
Integration : Traditionellt var de flesta GIS-applikationer fristående , med hjälp av specialiserad GIS-mjukvara, specialiserad hårdvara, specialiserad data och specialiserade yrkesmän. Även om dessa fortfarande är vanliga än idag, integrerade applikationer ökat kraftigt, eftersom geospatial teknologi slogs samman till bredare företagsapplikationer, delade IT-infrastruktur, databaser och mjukvara, ofta med hjälp av företagsintegrationsplattformar som SAP .

Implementeringen av ett GIS drivs ofta av jurisdiktion (som en stad), syfte eller applikationskrav. I allmänhet kan en GIS-implementering vara specialdesignad för en organisation. En GIS-distribution som utvecklats för en applikation, jurisdiktion, företag eller ändamål behöver därför inte nödvändigtvis vara interoperabel eller kompatibel med ett GIS som har utvecklats för någon annan applikation, jurisdiktion, företag eller ändamål.

GIS divergerar också till platsbaserade tjänster , vilket gör det möjligt för GPS-aktiverade mobila enheter att visa sin position i förhållande till fasta objekt (närmaste restaurang, bensinstation, brandpost) eller mobila objekt (vänner, barn, polisbil), eller till vidarebefordra sin position tillbaka till en central server för visning eller annan bearbetning.

Öppna Geospatial Consortium-standarder

Open Geospatial Consortium (OGC) är ett internationellt industrikonsortium av 384 företag, statliga myndigheter, universitet och individer som deltar i en konsensusprocess för att utveckla allmänt tillgängliga geobehandlingsspecifikationer. Öppna gränssnitt och protokoll definierade av OpenGIS-specifikationer stöder interoperabla lösningar som "geo-aktiverar" webben, trådlösa och platsbaserade tjänster och mainstream IT, och ger teknikutvecklare möjlighet att göra komplex rumslig information och tjänster tillgängliga och användbara med alla typer av applikationer . Open Geospatial Consortium-protokoll inkluderar Web Map Service och Web Feature Service .

GIS-produkter delas upp av OGC i två kategorier, baserat på hur fullständigt och exakt programvaran följer OGC-specifikationerna.

OGC-standarder hjälper GIS-verktyg att kommunicera.

Kompatibla produkter är mjukvaruprodukter som överensstämmer med OGC:s OpenGIS-specifikationer. När en produkt har testats och certifierats som kompatibel genom OGC Testing Program, registreras produkten automatiskt som "kompatibel" på denna webbplats.

Implementerande produkter är mjukvaruprodukter som implementerar OpenGIS-specifikationer men som ännu inte har klarat ett efterlevnadstest. Överensstämmelsetester är inte tillgängliga för alla specifikationer. Utvecklare kan registrera sina produkter som implementerande utkast eller godkända specifikationer, även om OGC förbehåller sig rätten att granska och verifiera varje post.

Lägga till dimensionen av tid

Tillståndet för jordens yta, atmosfär och underyta kan undersökas genom att mata in satellitdata till ett GIS. GIS-teknik ger forskare möjlighet att undersöka variationerna i jordens processer över dagar, månader och år genom att använda kartografiska visualiseringar. Som ett exempel kan förändringarna i vegetationskraften under en växtsäsong animeras för att avgöra när torkan var som mest omfattande i en viss region. Den resulterande grafiken representerar ett grovt mått på växthälsa. Att arbeta med två variabler över tid skulle sedan göra det möjligt för forskare att upptäcka regionala skillnader i eftersläpningen mellan en minskning av nederbörden och dess effekt på vegetationen.

GIS-teknik och tillgången på digital data på regional och global skala möjliggör sådana analyser. Satellitsensorns utsignal som används för att generera en vegetationsgrafik produceras till exempel av den avancerade mycket högupplösta radiometern ( AVHRR). Detta sensorsystem detekterar mängden energi som reflekteras från jordens yta över olika band av spektrumet för ytareor på cirka 1 kvadratkilometer. Satellitsensorn producerar bilder av en viss plats på jorden två gånger om dagen. AVHRR och på senare tid den måttliga upplösningen avbildningsspektroradiometer (MODIS) är bara två av många sensorsystem som används för jordytanalys.

Förutom integreringen av tid i miljöstudier, utforskas GIS också för dess förmåga att spåra och modellera människors framsteg genom deras dagliga rutiner. Ett konkret exempel på framsteg på detta område är den senaste tidens utgivning av tidsspecifika befolkningsdata från US Census . I denna datamängd visas befolkningen i städerna för dagtid och kvällstid, vilket framhäver mönstret av koncentration och spridning som genereras av nordamerikanska pendlingsmönster. Den manipulering och generering av data som krävs för att producera denna data skulle inte ha varit möjlig utan GIS.

Genom att använda modeller för att projicera data som innehas av ett GIS framåt i tiden har planerare kunnat testa policybeslut med hjälp av rumsliga beslutsstödsystem .

Semantik

Verktyg och teknologier som kommer från World Wide Web Consortiums semantiska webb har visat sig användbara för dataintegreringsproblem i informationssystem. På motsvarande sätt har sådana tekniker föreslagits som ett sätt att underlätta interoperabilitet och återanvändning av data mellan GIS-applikationer och även för att möjliggöra nya analysmekanismer.

Ontologier är en nyckelkomponent i detta semantiska tillvägagångssätt eftersom de tillåter en formell, maskinläsbar specifikation av begreppen och relationerna i en given domän. Detta gör i sin tur att ett GIS kan fokusera på den avsedda betydelsen av data snarare än dess syntax eller struktur. Till exempel kan resonemang om att en marktäckestyp klassificerad som lövträd i en datauppsättning är en specialisering eller delmängd av marktäckestypskog i en annan mer grovt klassificerad datauppsättning hjälpa en GIS att automatiskt slå samman de två datauppsättningarna under den mer allmänna marktäckningsklassificeringen. Tentativa ontologier har utvecklats inom områden relaterade till GIS-tillämpningar, till exempel hydrologiontologin utvecklad av Ordnance Survey i Storbritannien och SWEET-ontologierna utvecklade av NASA :s Jet Propulsion Laboratory . Enklare ontologier och semantiska metadatastandarder föreslås också av W3C Geo Incubator Group för att representera geospatial data på webben. GeoSPARQL är en standard utvecklad av Ordnance Survey, United States Geological Survey , Natural Resources Canada , Australiens Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization och andra för att stödja ontologiskapande och resonemang med hjälp av välförstådda OGC-litterals (GML, WKT), topologiska samband (Simple) Funktioner, RCC8, DE-9IM), RDF och SPARQL -databasens frågeprotokoll.

Nya forskningsresultat inom detta område kan ses i International Conference on Geospatial Semantics and the Terra Cognita – Directions to the Geospatial Semantic Web workshop at the International Semantic Web Conference.

Samhällskonsekvenser

Med populariseringen av GIS i beslutsfattande har forskare börjat granska de sociala och politiska konsekvenserna av GIS. GIS kan också missbrukas för att förvränga verkligheten för individuell och politisk vinning. Det har hävdats att produktion, distribution, användning och representation av geografisk information till stor del är relaterade till det sociala sammanhanget och har potential att öka medborgarnas förtroende för regeringen. Andra relaterade ämnen inkluderar diskussion om upphovsrätt , integritet och censur . Ett mer optimistiskt socialt förhållningssätt till GIS-antagande är att använda det som ett verktyg för allmänhetens deltagande.

I utbildning

I slutet av 1900-talet började GIS bli erkänt som verktyg som kunde användas i klassrummet. Fördelarna med GIS i utbildning verkar fokuserade på att utveckla rumslig kognition , men det finns inte tillräckligt med bibliografi eller statistiska data för att visa den konkreta omfattningen av användningen av GIS i utbildning runt om i världen, även om expansionen har varit snabbare i de länder där läroplanen nämner dem.

GIS verkar ge många fördelar i undervisningen i geografi eftersom de möjliggör analyser baserade på verkliga geografiska data och även hjälper till att väcka många forskningsfrågor från lärare och elever i klassrummen. De bidrar också till att förbättra lärandet genom att utveckla rumsligt och geografiskt tänkande och i många fall elevers motivation.

I lokalförvaltningen

GIS är bevisat som en organisationsövergripande, företags- och varaktig teknologi som fortsätter att förändra hur lokala myndigheter fungerar. Statliga myndigheter har antagit GIS-teknik som en metod för att bättre hantera följande områden inom statlig organisation:

Avdelningar för ekonomisk utveckling använder interaktiva GIS-kartläggningsverktyg, aggregerade med annan data (demografi, arbetskraft, näringsliv, industri, talanger) tillsammans med en databas med tillgängliga kommersiella webbplatser och byggnader för att locka till sig investeringar och stödja befintlig verksamhet. Företag som fattar platsbeslut kan använda verktygen för att välja gemenskaper och webbplatser som bäst matchar deras kriterier för framgång.
Allmänna säkerhetsoperationer såsom larmcentraler, brandförebyggande, polis och sheriff mobil teknik och utskick, och kartläggning av väderrisker.
Parker och rekreationsavdelningar och deras funktioner inom tillgångsinventering, markvård, markförvaltning och kyrkogårdsförvaltning
Offentliga arbeten och verktyg, spårning av vatten och dagvattendränering, elektriska tillgångar, ingenjörsprojekt och tillgångar och trender för kollektivtrafik
Fibernätshantering för interdepartementala nätverkstillgångar
Skolan analytiska och demografiska data, tillgångsförvaltning och förbättring/expansionsplanering
Offentlig förvaltning för valdata, fastighetsregister och områdesindelning/förvaltning

Open Data-initiativet driver lokala myndigheter att dra nytta av teknik som GIS-teknik, eftersom det omfattar kraven för att passa Open Data/Open Government-modellen för transparens. Med Open Data kan lokala myndighetsorganisationer implementera Citizen Engagement-applikationer och onlineportaler, så att medborgarna kan se markinformation, rapportera gropar och skyltproblem, se och sortera parker efter tillgångar, se brottsfrekvenser i realtid och reparationer av verktyg och mycket mer. Strävan efter öppna data inom statliga organisationer driver tillväxten i lokala myndigheters utgifter för GIS-teknik och databashantering.

Se även

Vidare läsning

Berry, JK (1993). Beyond Mapping: Concepts, Algoritms and Issues in GIS . Fort Collins, CO: GIS World Books.
Bolstad, P. (2019). GIS Fundamentals: En första text om Geographic Information Systems, sjätte upplagan . Ann Arbor: XanEdu, 764 s.
Burrough, PA och McDonnell, RA (1998). Principer för geografiska informationssystem . Oxford University Press , Oxford, 327 s.
Chang, K. (2007). Introduktion till Geographic Information System, 4:e upplagan . McGraw Hill, ISBN 978-0071267588
DeMers, M. . (2009). Fundamentals of Geographic Information Systems, 4:e upplagan . Wiley, ISBN 978-0-470-12906-7
DeMers, M. (2002). GIS-modellering i raster . Wiley, ISBN 978-0-471-31965-8
Fu, P. och J. Sun (2010). Web GIS: Principer och tillämpningar . ESRI Tryck. Redlands, CA. ISBN 1-58948-245-X .
Harvey, Francis (2008). En primer av GIS, grundläggande geografiska och kartografiska koncept. The Guilford Press, 31 s.
Heywood, I., Cornelius, S. och Carver, S. (2006). En introduktion till geografiska informationssystem . Prentice Hall. 3:e upplagan.
Longley, PA , Goodchild, MF , Maguire, DJ och Rhind, DW (2005). Geografiska informationssystem och vetenskap . Chichester: Wiley. 2:a upplagan.
Maguire, DJ, Goodchild MF, Rhind DW (1997). "Geografiska informationssystem: principer och tillämpningar" Longman Scientific and Technical, Harlow.
Monmonier, M. (2018). Hur man ligger med kartor . University of Chicago Press, ISBN 978-0-226-43592-3
Ott, T. och Swiaczny, F. (2001). Tidsintegrativ GIS. Hantering och analys av Spatio-temporal data , Berlin / Heidelberg / New York: Springer.
Pickles, J., ed., (1994) Ground Truth: The Social Implications of Geographic Information Systems , New York och London: Guilford, 248 pp.
Thurston, J., Poiker, TK och J. Patrick Moore. (2003). Integrated Geospatial Technologies: En guide till GPS, GIS och dataloggning . Hoboken, New Jersey: Wiley.
Roger Tomlinson (2007). Funderar på GIS: Geographic Information System Planning for Managers . ESRI, Inc. ISBN 978-1-58948-158-9 .
Worboys, Michael; Duckham, Matt (2004). GIS: ett datorperspektiv . Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0415283755 .

externa länkar

Media relaterade till geografiska informationssystem på Wikimedia Commons

Myndighetskontroll
Nationalbibliotek	Spanien Frankrike (data) Tyskland Israel Förenta staterna Japan Tjeckien
Övrig	FAST 2