Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Составные части ГИС
Базы данных являются обязательными компонентами ГИС, всегда имеющими два их типа – графические и тематические. В графических базах данных хранится то, что принято называть топографической основой, тематические содержат нагрузку карт и дополнительные данные, которые относятся к пространственным, но не могут быть прямо нанесены на карту.
Логически и организационно во всех ГИС можно выделить несколько конструктивных блоков, называемых также модулями или подсистемами, выполняющими определенные функции. Последние вытекают из четырех типов решаемых ГИС задач:
сбора,
обработки,
моделирования и анализа данных,
использования результатов при принятии решений.
Таким образом, ГИС может использоваться как:
1) информационная основа для изучения природных особенностей региона (в широком смысле этого понятия);
2) инструмент исследования динамики или прогноза процессов и явлений;
3) информационно-справочная система, по определенному запросу выполняющая поиск и выборку данных;
4) система, осуществляющая моделирование природных и искусственных систем и позволяющая на основе экспертных оценок принимать решения по управлению и регулированию.
Любая ГИС должна иметь систему визуализации данных, выводящую на экран имеющуюся информацию в виде карт, таблиц, схем и т.п.; систему управления данными, при помощи которой происходит их поиск, сортировка, удаление, добавление, исправление и анализ. Также двумя необходимыми компонентами ГИС являются системы ввода и вывода информации. Базы данных являются обязательными компонентами ГИС.
Обязательные компоненты ГИС
Графические базы данных
Система ввода
Система вывода
Система управления и обработки
Система визуализации
Система
ввода
Тематические базы данных
Система ввода – это программный или аппаратно-программный блок, отвечающий за получения данных. Например, дигитайзеры, на котором осуществляется оцифровка карт, сканер, считывающий изображение в виде растра, электронные геодезические приборы. Информация может быть введена с клавиатуры, получена по сети. Ее источником может быть аэрофото и космические снимки, вводимые и обрабатываемые на специализированных рабочих станциях или персональных станциях приема спутниковых данных.
Система вывода ГИС предназначена для представления результатов информации в удобном для пользователя виде. При помощи плоттера можно получить очень качественные карты
Потенциальный набор функций геоинформационной системы
решение
предсказание
объяснение
описание
измерение
наблюдение
Сбор данных обработка данных концептуальные и процесс
формальные модели принятия
анализа данных решения
Иногда приводится схема структуры ГИС, состоящей из четырех компонент (подсистем): управление, обработка, анализ и использование данных
Подсистема управления
(СУБД)
Организация данных
Администрация
Процедуры
Подсистема обработки данных
Накопление Ввод Хранение
Система использования
Информации пользователи
Подсистема анализа данных
Поиск и анализ Ввод информации
Генераця отчетов
Картографирование
Графическе
отображене
Вторичные машинные
записи
Основние
дисагрегированные
данные
Совокупность
территориальных единиц
Совокупность
динамических рядов
Преобразования в машинную форму
Цифрование
Обработка изображений
Преобразование элементов и запись в
нужных
форматах
Исходные
данные
Производные
данные
Данные
топографичес
ких съемок
Изображения
научно-
исследовател
ьские
организации
плановые
органы
органы
управления
Информационный
поиск
Статистический
анализ
Моделирование
Приведенные схемы соответствуют современным крупномасштабным многофункциональным и универсальным ГИС, хотя в конкретной реализации могут отличаться отсутствием отдельных блоков.
Отличия от других автоматизированныхсистем
системами для автоматизированного проектирования (САПР), создания технических чертежей с использованием средств машинной графики. Вторые – программные продукты, специально предназначенные для профессионального производства карт. Однако они лишены возможностей моделирования и анализа, не нацелены на управление данными.
в САПР изначально отсутствовала возможность применения картографических проекций, с их помощью можно было делать только планы объектов, которые можно было считать плоскими. Технологии САПР служат основой интеграции всех прочих технологий в ГИС. Основное назначение САПР – получение оптимальных проектных решений – отвечает требованиям ГИС на уровне моделирования и хранения и проектирования (карт) на основе уже собранной, унифицированной информации.
Проектирование в САПР осуществляется путем декомпозиции проектной задачи с последующим синтезом общего проектного решения. В процессе синтеза проекта используются информационные ресурсы базы данных в условиях диалогового взаимодействия проектировщиков с комплексом средств автоматизации проектирования.
Технологии проектирования в САПР базируются на следующих принципах:
- использование комплексного моделирования;
- интерактивное взаимодействие с цифровой моделью;
- принятие проектных решений на основе математических моделей и проектных процедур, реализуемых средствами вычислительной техники;
- обеспечение единства модели проекта на всех этапах и стадиях проектирования;
- использование единой информационной базы для автоматизированных процедур синтеза и анализа проекта, а также для управления процессом проектирования;
- проведение многовариантного проектирования и комплексной оценки проекта с применением методов оптимизации;
- обеспечение максимальной инвариантности информационных ресурсов, их слабой зависимости от конкретной области применения, простоты настройки на отраслевую специфику.
Все перечисленные принципы приемлемы для моделирования и проектирования в ГИС.
Проектирование. Анализ технологических процессов в САПР позволяет дать простую классификацию типов проектных работ по степени (уровню) интеграции процессов, вполне подходящую для решения задач ГИС:
процедура – элементарная операция обработки информации;
задача – совокупность процедур для получения одного вида проектной продукции;
функция (группы специализированных задач) – технологический процесс, в ходе которого выпускается специализированный комплект проектных документов;
комплекс работ – совокупность работ, заканчивающихся выпуском общего комплекта проектных документов;
интегрированные работы – выпуск комплекта документов; поддержка и автоматическое обновление базы данных; внесение данных в экспертную систему; выдача наряду с типовым комплектом документации прогнозов, рекомендаций, экспертных оценок проекта; информационный обмен с сетями баз данных.
Одна из основных технологических групп задач – разработка и автоматизация типовых проектных процедур, включающих декомпозицию (закрепление целей, задач, критериев их достижения и соответствующих числовых показателей за структурными элементами организации разного иерархического уровня), симплификацию (упрощение), унификацию (приведение объектов к однотипности на основе установления рационального числа их разновидностей), композицию и синтез (соединение), взаимосвязана с группой задач оптимальной классификации и кодирования входной информации.
Поскольку невозможно для ряда задач полностью автоматизировать процесс проектирования, актуальным является эффективное интерактивное общение пользователя с ЭВМ. Этот подход особенно важен при использовании ГИС, так как большое количество информации в таких системах требует специальных экспертных решений, не входящих в методы типового проектирования или моделирования. Интерактивная обработка для удобства общения пользователя с ЭВМ требует специального лингвистического обеспечения. Как вспомогательная возникает задача автоматизированного обучения пользователя ГИС.
В процессе проектирования наиважнейшими остаются задачи проектирования или оптимизации самого проектного решения. Оптимальные решения можно выбирать разными путями, используя метод имитационного моделирования, векторные критерии оценки качества и т.п. В большинстве САПР проект создается на основе типовых проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов проекта. Этот подход полностью приемлем для ГИС, но при наличии хорошо организованной базы данных и интегрированной информационной основы.
В ГИС графическая информация значительно сложнее и больше по объему по сравнению с аналогами в САПР. Кроме того, в ГИС возможно наличие видео баз данных для хранения видеоинформации, а в САПР такие базы, как правило, отсутствуют. Следовательно, разработка и эксплуатация БД в ГИС должны проводиться более углубленно по сравнению с САПР.
Простой перенос технологий БД или использование систем управления базами данных (СУБД) без технологических изменений, учитывающих специфику данных и их методов обработки в ГИС, не обеспечит макси-
мального эффекта от применения баз данных в ГИС.
Моделирование. Выбор методов моделирования определяется главным образом предметной областью объекта моделирования. Построение моделей основано на их представлении в виде совокупностей информационных массивов.
Моделирование с использованием аналитических моделей находит широкое применение для тех классов объектов, которые легко описываются аналитическими выражениями (больше-меньше, включает, равно, сумма и пр.).
В случае использования неоднородных компонентов применяется структурно-процедурная модель процессов автоматизации проектирования, учитывающая свойства этих компонентов. Для моделирования проектируемого объекта используют двухкомпонентную модель, включающую структурно-иерархическую и функционально-геометрическую части. Такой же подход применяется в некоторых ГИС.
Для САПР, имеющих разнородную (гетерогенную) структуру, на ранней стадии проектирования целесообразно моделирование для устранения погрешностей и сокращения общего времени проектирования. В большинстве случаев эффективность проектирования обусловлена возможностью использования наборов базовых моделей для решения многих задач Для многократного использования модели целесообразно ее хранение в виде компонентов, определенных на заданных общих типах или подклассах моделей данных. Это относится как к цифровой модели местности, так и к цифровой модели объекта.
В САПР применяют только цифровые модели объекта с высокой степенью типизации информации. В ГИС цифровое моделирование значительно сложнее, а класс цифровых моделей включает большее число типов, чем в САПР, причем типизация цифровых моделей в ГИС меньше, чем в САПР.
При проектировании нетиповых и сложных объектов используют интерактивное и логическое проектирование, реализуемое в большинстве случаев с помощью сценария как в САПР, так и в ГИС. Процессы моделирования в ГИС могут включать совокупность разных уровней: логического и системного. 13Системный уровень моделирования позволяет оценивать общие свойства проектируемой системы при функционировании ее в заданном окружении. Во многих ГИС на этом уровне описываются только начальная стадия обработки или основные концепции. Однако до формализованного описания технологий моделирование на этом уровне не доводится. Логический уровень дает возможность построить логические схемы и использовать исчисление предикатов для оценки оптимальности процессов обработки в системе или структуры самой системы. В ГИС на этом уровне осуществляют проектирование ГИС как системы, проектирование процессов обработки информации, описание обработки некоторых данных.
Автоматизированные справочно-информационные системы
Автоматизированная справочно-информационная система (АСИС) использует ЭВМ на этапах ввода, обработки и выдачи справочных данных по различным запросам потребителей. Она представляет собой развитие информационно-поисковых систем, обеспечивающих ранее выполнение функций автоматизации архивов и информационного поиска.
Существует ряд специфических ГИС, рассматриваемых как архивы. Подобно архиву каждая ГИС хранит какую-либо информацию. Поэтому технологии АСИС интересны для использования в ГИС именно с целью организации хранения архивных данных. Концепция создания автоматизированных архивов актуальна и сегодня, поскольку многие учреждения имеют и используют архивы, которые необходимо внедрять в ГИС-технологии.
Технологическая совместимость АСИС и ГИС проявляется на этапах хранения, обновления информации и выдачи разного рода справок, отчетов, графических отображений.
В современных интегрированных информационных системах АСИС утратили значение независимых систем и преобразовались в более мобильные и универсальные подсистемы документационного обеспечения. Другим направлением их развития явились экспертные системы.
Для современных АСИС характерны преимущества системного направления развития:
многофункциональность, т. е. способность решать разнообразные задачи;
одноразовость подготовки и ввода данных;
независимость процесса сбора и обновления (актуализации) данных от процесса их использования прикладными программами;
независимость прикладных программ от физической организации базы данных;
развитые средства лингвистического обеспечения.
Все это технологически совместимо с представлением информации в ГИС. Тем не менее имеется существенное отличие. В ГИС по сравнению с АСИС графическая информация значительно сложнее и занимает больший объем. В обеих системах могут быть видеобазы 14данных для хранения видеоинформации, однако между ними существует качественное различие.
В ГИС видеоданные (изображения объектов) получены с высоким разрешением, поскольку используются как для визуальной оценки, так и для высокоточной геометрической обработки. В АСИС видеоданные, как правило, служат только для визуального просмотра. Различие особенно касается информационной емкости этих данных. Часто видеобазах ГИС объем файла видеоизображения может достигать 1 Гбайта, в АСИС – обычно составляет десятки килобайт, т.е. разница составляет четыре порядка.
Для полного решения какой-либо информационной задачи в информационных системах необходимо, чтобы ЭВМ понимала смысл текста, написанного на естественном языке, что тесно связано с проблемой искусственного интеллекта.
Информация, хранимая в АСИС, разделяется по различным признакам: по временному фактору – ретроспективная, текущая и прогнозная; по тематической деятельности – узкотематическая и широкотематическая; по производственной принадлежности – служебная (учрежденческая), отраслевая и межотраслевая; по характеру применения – рабочая и концептуальная.
В зависимости от формы хранения АСИС подразделяют на документографические (текстовые) и фактографические. Информационным массивом документографической АСИС служат различные неформализованные (слабо типизированные данные) документы (цитаты, статьи, письма и т. д.) на естественном или ограниченном искусственном языке, например текстовые файлы, получаемые с помощью текстовых процессоров.
Информационный массив фактографической АСИС составляется из формализованных записей (сильно типизированных данных), например, записей базы данных или электронных таблиц.
Фактографические информационные системы предполагают составление специальных форм документов для ввода информации в ЭВМ. Идентификация осуществляется с использованием ключей (дескрипторов), которые вводятся с помощью стандартных форм или задаются средствами самой системы.
Таким образом, разработка фактографических АСИС связана с необходимостью создания стандартных форм и методов контроля информации. Эти требования распространяются и на ГИС.
Следует отметить, что, как и в АСИС, в ГИС информация имеет временную характеристику. Главные технические показатели АСИС – информационная емкость и скорость обмена информацией – определяются в первую очередь техническими данными ЭВМ и типом базы данных и во вторую – технологией обработки информации. В силу этого базы данных являются основой АСИС и составной частью ГИС.
Разработка информационной основы – первоочередная задача проектирования и функционирования АСИС (также и ГИС). При этом необходимо решать задачи структуризации, кодирования и классификации
данных. Созданию информационной основы должны предшествовать изучение информационных потребностей пользователя, видов запросов, анализ предметной области, базовых и составных моделей данных. Данный подход обязателен для ГИС, однако не применяется многими разработчиками ГИС, которые, мягко говоря, игнорируют большой опыт использования АСИС при решении этой задачи.
Рост объема информации в автоматизированных архивах, информационных системах, базах данных наряду с внедрением сетевых информационных структур обмена информацией требует создания новых методов не только фильтрации и выбора нужной информации, но и оценки ее полезности. Это весьма важно при использовании ГИС для решения экономических, экологических и других задач.
Следует отметить некоторые особенности архивов, создаваемых на основе технологий ГИС, в частности то, что библиотека карт является традиционным архивом, в котором данные классифицируются как тематически, так и географически. В большинстве атласов и библиотек карт иерархия данных определена последовательностью классификации: вначале географические, а затем тематические данные.
Цифровые архивы пространственных данных (архивы ГИС) обычно организуются иначе: первый ключ – тематический, второй – географический. В мировой практике применяют набор стандартных форматов обмена архивными данными на основе форматов следующих организаций: топографические данные – распространяются Геологической службой США USGS;
данные о сети улиц – распространяет Бюро переписей США;
дистанционные изображения поступают из НАСА и других космических агентств.
Преимуществом построения архивов на основе ГИС является возможность использования старых и минимального количества новых данных для оперативного синтеза новых картографических материалов.
Многие задачи синтеза и получения картографических композиций требуют экспертных решений. Это более эффективно по сравнению с БД решают экспертные системы. Следовательно, их применение в ГИС более актуально, чем во многих АСИС.
Сравнивая модели и методы использования экспертных систем в ГИС, САПР, АСНИ (Автоматизированная система научных исследований – это комплекс для проведения научных исследований на основе получения и использования моделей исследуемых объектов, явлений и процессов) иАСИС, можно отметить следующие различия. Если в АСНИ применяются,
как правило, сложные, комплексные, динамические, многопараметрические 16модели, то в САПР, АСИС и ГИС наблюдается тенденция к типизации, т.е. к использованию типовых элементов, и декомпозиции сложных объектов на типовые.
Кроме того, если предметом моделирования в АСНИ являются в большей степени процессы и в меньшей – объекты, то в САПР наоборот: в первую очередь – объекты, во вторую – процессы (технологические). В АСИС предмет моделирования – формы данных. В ГИС целью моделирования является: на уровне сбора и первичной обработки информации – создание моделей данных, на уровне моделирования и хранения – построение моделей геообъектов, на уровне представления – получение разнообразных форм данных.
Во всех системах можно выделить общее – использование цифровых моделей.
Следовательно, моделирование в ГИС носит наиболее сложный характер по отношению к другим автоматизированным системам. Но, с другой стороны, процессы моделирования в ГИС на каждом системном уровне и в какой-либо из рассмотренных систем весьма близки. В целом основы моделирования и построения моделей в ГИС должны базироваться на известных принципах и подходах, которые применяют в других АС.
Подводя итог сравнения ГИС и автоматизированных систем общего назначения с использованием результатов системного анализа ГИС, т.е. представления ее в виде трех системных уровней, можно сделать следующие выводы.
ГИС интегрирует в себе технологии всех трех рассмотренных систем (см. следующий рис.). На уровне сбора наиболее близкой ГИС является технология АСНИ. Но в ГИС по сравнению с АСНИ более широко используются технологии сбора данных на местности и особенно технология GPS.
На уровне моделирования и хранения в ГИС наиболее ярко представлены технологии САПР и АСИС. Но и на этом уровне технологии ГИС более полны, чем в отмеченных системах. В частности, в отличие от САПР в ГИС имеются оригинальные методы наложения оверлея, анализа сетей, более широк спектр технологий пространственного анализа, возможна обработка файлов (принадлежащих одному объекту) больших объемов (до 1 Гбайта).
В отличие от технологий АСИС технологии ГИС дополняются методами хранения и использования измерительной (метрически точной) видеоинформацией. Видеоинформация в обычных АСИС не имеет метрической точности и не пригодна для проведения на ее основе расчетов по определению метрических характеристик объектов местности. На уровне представления ГИС полностью включает в себя технологии автоматизированных систем документационного обеспечения (АСДО) с набором средств компьютерной полиграфии и мультимедиа. Однако и здесь технологии ГИС полнее, поскольку они содержат методы издания картографической продукции.
Большое распространение получают ГИС как системы принятия решений. Ранее такими системами были АСУ (Автоматизированная система управления – комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. Термин автоматизированная, в отличие от термина автоматическая подчеркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации).
Проводя сравнение ГИС и АСУ (см. следующий рис.) по тем же трем системным уровням, можно прийти к следующим выводам. АСУ полностью интегрирована в ГИС и может быть рассмотрена как подмножество этой системы. На уровне сбора информации технологии ГИС включают в себя отсутствующие в АСУ методы сбора пространственно-временных данных, технологии использования навигационных систем, технологии реального масштаба времени, GPS и т.д. Дополнительные возможности ГИС по сравнению с автоматизированными системами на разных системных уровнях 18
На уровне хранения и моделирования дополнительно к обработке социально-экономических данных (как и в АСУ) технологии ГИС включают в себя набор технологий пространственного анализа, применение цифровых моделей и видеобаз данных, а также комплексный подход к принятию решений. На уровне представления ГИС дополняет технологии АСУ применением интеллектуальной графики (представление картографических данных в виде карт, тематических карт или на уровне деловой графики), что делает ГИС более доступными и понятными по сравнению с АСУ для бизнесменов, работников управления, работников органов государственной власти и т.д.
Классификацию информационных систем можно представить в виде таксономического дерева:
Информация.
Непространственная Пространственная
Управленческие системы негеографические ИС Географические ИС (ГИС)
САПР/АСУТП другие ГИС земельные ИС (ЗИС)
Социально-экономическая демографическая
Без акцента на с акцентом на
Землевладение землевладение
Этот рисунок ясно показывает разделение между пространственными и непространственными информационными системами (ИС). АСУТП относятся к негеографическим пространственным ИС. На ветви географических информационных систем есть еще одно разветвление. ГИС могут делиться на земельные и неземельные, или прочие информационные системы. Хотя такое разбиение несколько искусственно, оно иногда полезно, поскольку отделяет применения ГИС, сфокусированные на собственно земле, от тех, где, хотя и используется геокодирование, значимая информация лишь оказывает влияние на связанные с землей факторы или подвергаться влиянию с их стороны.
Примером таких систем являются демографические ИС, основной целью которых являются население, жилищное строительство и экономическая активность, а не земля, на которой эти люди живут. Еще одним общим не связанным с землепользованием применением ГИС является анализ рынка, который может включать определение емкости рынка в заданном радиусе от предприятия. В общем, неземельные применения ГИС обычно включают социальные, экономические, транспортные и политические виды деятельности
Связанные с землей виды деятельности определяют рамки для второго и, возможно наиболее часто используемого типа ГИС — земельных информационных систем (ЗИС). Наиболее часто такие системы основаны на владении, управлении и анализе земельных участков, в основном, в интересах людей и, прежде всего с точки зрения землевладения. Задачи, решаемые ЗИС, могут включать отчуждение земли для заповедников, наблюдение за живой природой, прогноз землетрясений и оползней, устранение последствий наводнений, оценка химического загрязнения, управление лесами и зонами обитания диких животных, научные исследования.
По сфере использования ГИС не имеют себе равных. Они применяются в транспорте, навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике и т.д.
В зависимости от подхода ГИС можно делить по территориальному охвату (общенациональные и региональные ГИС), по целям (многоцелевые, специализированные, в том числе информационно-справочные, инвентаризационные, для нужд планирования, управления); по тематической ориентации (общегеографические, отраслевые, в том числе водных ресурсов, использования земель, лесопользования, туризма и др.) и т. п.
Использование ГИС происходит на разных уровнях. Это обусловлено многообразием геоинформационных технологий. По территориальному охвату различаются глобальные, или планетарные ГИС (global GIS), субконтинентальные ГИС, национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных, региональные ГИС (regional GIS), субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS).
Выделяют следующие территориальные уровни использования ГИС в России:
• глобальный уровень - Россия на глобальном и евразийском фоне, масштаб 1 : 4 500 000 – 1 : 100 000 000;
• всероссийский уровень - вся территория страны, включая прибрежные акватории и приграничные районы, масштаб 1 :2 500 000 - 1 :20 000 000;
• региональный уровень - крупные природные и экономические регионы, субъекты Федерации, масштаб 1 : 500 000 -1:4 000 000;
• локальный уровень - области, районы, национальные парки, ареал кризисных ситуаций, масштаб 1 : 50 000 - 1 000 000; • муниципальный уровень - города, городские районы, пригородные зоны, масштаб 1 : 50 000 и крупнее.
ГИС можно классифицировать с точки зрения проблемной ориентации:
1) инженерные;
2) имущественные (ГИС для учета недвижимости), предназначенные для обработки кадастровых данных;
3) ГИС для тематического и статистического картографирования, имеющие целью управления природными ресурсами, составление карт по переписям и планирование окружающей среды;
4) библиографические, содержащие каталогизированную информацию о множествах географических документов;
5) географические файлы с данными о функциональных и административных границах;
6) системы обработки изображений спутниковых данных.
Однако, часто требуются другие классификации, учитывающие
структуру и архитектуру ГИС. Можно классифицировать по следующим
признакам: 1) характер проблемно-процессорной модели; 2) структура
модели базы данных; 3) особенность модели интерфейса.
ГИС различаются по предметной области информационного моделирования, например: городские ГИС или муниципальные ГИС (МГИС, urban GIS), природоохранные ГИС (environmental GIS) и т.п. Особое наименование, как широко распространенные, получили земельные информационные системы.
Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди них инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений. Интегрированные ГИС (ИГИС, integrated GIS, IGIS) совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (материалов дистанционного зондирования) в едином программном пакете.
Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS) основаны на множественных или полимасштабных представлениях пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation), что обеспечивает графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштаба на основе единственного набора данных с большим пространственным разрешением.
Пространственно-временные ГИС (spatial-temporal GIS) оперируют пространственно-временными данными.
По другому признаку классификации, можно сказать, что в настоящее время в применяются 2 типа ГИС - топологические и нетопологические. Первые способны обрабатывать информацию, связанную с категориями соседства, включенности, окрестностей, различают правую и левую стороны объектов, вторые - нет. Пример первого типа - продукт компании ESRI ARC/INFO и подобные ей системы, т.н. arc/info based software. Пример второго типа - ГИС Mapinfo.
Оба программных продукта также могут иллюстрировать другую дифференцировку - по области применения. Первые в основном решают задачи аналитического и мониторингового характера, поскольку обладают большим числом интегрированных функций, возможностью автоматизации ввода и вывода информации, и даже возможностью создания экспертно-аналитических автоматизированных систем. Поэтому ARC/INFO-подобные системы в основном применяются для ведения кадастровых работ, для анализа и визуализации оперативно поступающей информации, например в области контроля качества среды обитания человека, полицейской службы, контроля коммуникаций и т п. MAPINFO-подобные системы более приспособлены для подготовки картографических материалов для публикации.
По своей мощности и возможностям эксплуатации ГИС подразделяются на:
1) мощные, ориентированные на рабочие станции и сетевую эксплуатацию системы, обрабатывающие значительные объемы информации, имеющие разнообразны средства ввода (от дигитайзеров и сканеров до станций обработки космических снимков) и вывода, дающие практически типографское качество получаемой карты;
2) специализированные системы, также предназначенные для рабочих станций, несколько менее мощные, чем ГИС первого типа, созданные для определенных задач (например, обработки геодезических данных или городского кадастра), достигающие в этих областях результатов, нередко превосходящих аналогичные результаты универсальных систем и имеющие необходимый набор функций, обеспечивающий им стандартные возможности ГИС;
3) “настольные” ГИС, работающие на персональных компьютерах, предназначенные для учебных и справочно-информационных целей, в силу ограниченности имеющихся в их распоряжении машинных ресурсов не обладающие развитыми средствами анализа данных - характерной чертой более крупных систем. В этом классе систем необходимо выделить урезанные версии крупных ГИС для рабочих станций, предназначенные для ПК. Такие програмные продукты обладают сравнительно скромным набором возможностей по сравнению с версиями этих же систем для рабочих станций. Однако у них есть существенный плюс - совместимость со своими версиями для рабочих станций.
Развитие геоинформатики привело к выделению отдельных профессий: ГИС-менеджер (общее и системное управление ГИС, ее информационным обеспечением), разработчик (системный аналитик, обеспечивающий перевод потребностей заказчика в термины информационной модели, программист и проектировщик, последние - это посредники между аналитиками и программистами) и пользователи.
11. Области применения
Применение ГИС возможно и может быть полезным практически везде, где используется пространственная информация и есть необходимость территориального анализа, оценки и прогноза. Например:
ГИС используются для решения разнообразных задач, основные из которых можно сгруппировать следующим образом:
- поиск и рациональное использование природных ресурсов (в геологических исследованиях; в разработке и эксплуатации различных месторождений; в сельском, лесном и водном хозяйстве) ;
- территориальное и отраслевое планирование и управление размещением промышленности, транспорта, сельского хозяйства, энергетики, финансов;
- обеспечение комплексного и отраслевого кадастра (земельного, водного, лесного, недвижимости и т.д.);
- природопользование, мониторинг экологических ситуаций и опасных природных явлений, оценка техногенных воздействий на среду и их последствий, обеспечение экологической безопасности страны и регионов, экологическая экспертиза; - контроль условий жизни населения, здравоохранение и рекреация, социальное обслуживание, обеспеченность работой и др.;
- обеспечение деятельности органов законодательной и исполнительной власти, политических партий, движений, средств массовой информации;
- обеспечение деятельности правоохранительных органов и силовых структур;
- научные исследования и образование;
- картографирование (комплексное и отраслевое): создание тематических карт и атласов, обновление карт, оперативное картографирование.
- в торговле и маркетинге, бизнесе, управлении финансами и банковском деле.
- в градостроении и муниципальном управлении, в проектировании, строительстве, эксплуатации объектов;
- в изучении и прогнозе погоды.
- в обороне, безопасности и при чрезвычайных ситуациях;
- в политике и управлении государством, в науке и образовании и т.д.
ГИС позволяют точнейшим образом учитывать координаты объектов и площади участков. В области транспорта ГИС давно уже показали свою эффективность благодаря возможности построения оптимальных маршрутов, как для отдельных перевозок, так и для целых транспортных систем, в масштабе отдельного города или целой страны.
ГИС позволяют вести учет численности, структуры и распределения населения и одновременно использовать эту информацию для планирования развития социальной инфраструктуры, транспортной сети, оптимального размещения объектов здравоохранения, противопожарных отрядов и сил правопорядка.
Риэлторы используют ГИС для поиска, к примеру, всех домов на определенной территории, имеющих шиферные крыши, три комнаты и 10-метровые кухни, а затем выдачи более подробного описания этих строений. Запрос может быть уточнен введением дополнительных параметров, например, стоимостных. Можно получить список всех домов, находящих на определенном расстоянии от конкретной магистрали, лесопаркового массива или места работы.
Компания, занимающаяся инженерными коммуникациями, может четко спланировать ремонтные или профилактические работы, начиная с получения полной информации и отображения на экране компьютера (или на бумажных копиях) соответствующих участков, скажем водопровода, и заканчивая автоматическимопределением жителей, на которых эти работы повлияют, с уведомлением их о сроках предполагаемого отключения или перебоев с водоснабжением.
В связи с развитием мобильных компьютеров, ГИС все в большей мере перемещаются из офиса прямо на место выполнения полевых работ. Беспроводные мобильные устройства с поддержкой системы глобального позиционирования (GPS) широко используются для доступа к наборам данных полевых измерений и другой ГИС-информации. Мобильные ГИС как один из важных рабочих инструментов используется пожарными службами,
туристическими фирмами для прокладки маршрутов, инженерно-техническими бригадами, геодезистами, землемерами, коммунальными службами, военными и другими.
ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие научные горизонты. Возможность визуализации карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, которые позволяют проводить научные наблюдения и их анализ.
Специалисты по данным конвертируют и извлекают геоданные из общих хранилищ, отсекая лишнее для каждой конкретной решаемой задачи, а также принимают участие в процессе поиска решений оптимальной по времени компрессии, поиска и отображения данных, также они принимают участие в разработке инструментов обработки и конвертации данных.
В качестве примера рассмотрим более подробно применение ГИС в следующих областях:
1. ГИС для задач городского хозяйства
В городской ГИС необходимо обеспечить связь между пространственными данными и справочной информацией, атрибутивными данными. Основным справочным материалом такой ГИС являются земельные записи.
При ручных методах сбора и обработки атрибутивные данные (количество жителей, транспортные маршруты, промышленные объекты, подземные коммуникации и т.п.) собираются в виде таблиц и переносятся на карту для наглядности и дальнейшего анализа. При такой технологии возможны ошибки из-за многократных ручных методов сбора и трудоемкости анализа больших объемов данных.
Городская ГИС содержит в одной среде ( интегрированная информационная основа) атрибутивные и картографические данные, которые могут обрабатываться совместно. При таком подходе упрощаются ввод и
контроль вводимой информации, анализ форм представления данных. Все координатные данные в ГИС должнывходить в единую систему координат. Для позиционирования объектов в этой координатной системе должны быть определены идентификаторы местоположения, которые задают характеристики карты по всей юрисдикции, например коды объектов, акты переписи населения, номера домов и т.д.
В городской ГИС топографическая информация является ссылкой, используемой для решения задач управления и анализа. В связи с тематической ориентацией каждой задачи для ее решения возможно создание специальных тематических карт, таких, как карта квартального деления, карта землепользования, зональные карты и др.
Электронные карты находят широкое применение в автотранспорте, в частности для определения местоположения движущегося транспортного средства. В настоящее время система электронных карт на автомобилях имеет мощную поддержку систем спутниковой связи.
2. Кадастр
Опыт зарубежных стран показывает, что основой эффективного управления экономикой является использование современных методов и технологий учета и контроля земельной собственности. Для решения этой проблемы необходима мобильная, всеобъемлющая информационная база о земле - земельный кадастр. Под кадастром понимают карты и другие описания земельных участков с идентификацией всех, кто имеет юридические права на земельную собственность. Кадастровые карты можно определить как графические отображения юридических описаний земельных участков. Таким образом, основу эффективного землепользования составляют кадастровые карты, получение которых входит в комплекс технологий ГИС.
В настоящее время Комитетом Российской Федерации по земельным ресурсам и землеустройству (Роскомзем) формируется и внедряется единая система государственного земельного кадастра, мониторинга земель и
землеустройства Автоматизированная система кадастрового картографирования (АСКК).
АСКК - интегрированная автоматизированная картографическая система, основанная на цифровых методах создания карт. Система является полной. Она включает все три системных уровня: сбор, моделирование и хранение, представление информации.
В состав системы входят следующие подсистемы:
• подсистема фотограмметрического сбора данных;
• подсистема сбора полевых данных;
• подсистема ортофототрансформирования;
• подсистема цифрования карт;
• подсистема обработки цифровой картографической информации;
• подсистема издания карт.
АСКК предназначена для получения цифровых кадастровых карт путем использования комплекса работ, связанных с фотограмметрической обработкой материалов аэрофотосъемки, цифрованием карт, обработкой цифровой картографической информации, собранной различными методами (включая полевую съемку), и формирования цифровых моделей местности, получением кадастровых карт на основе автоматизированных технологий.
Входными данными системы являются:
• материалы аэрофотосъемки: черно-белые аэрофотоснимки формата 23 х 23 см масштабов 1:8 000 и 1:40 000. Аэрофотосъемка должна выполняться с помощью аэррфотоаппарата, сопряженного с GPS-оборудованием, обеспечивающим навигацию во время полета и определение координат центров проектирования;
• результаты полевых тахеометрических съемок или досъемок отдельных объектов, которые по тем или иным причинам невозможно снять фотограмметрическими методами. Эти данные представляются в виде файлов векторных моделей контуров снятых объектов в каком-либо из распространенных графических форматов (DXF и др.);
• картографические материалы, представленные в графической форме;
• каталоги координат и высотных отметок опорных точек, которые могут быть представлены в виде файлов на машинном носителе и в виде бумажного документа.
В результате функционирования АСКК создаются следующие карты:
• карты масштаба 1:2 000, получаемые по материалам аэрофотосъемки масштаба 1:8000 с площадью охвата 1 км2;
• карты масштаба 1:10 000, получаемые по материалам аэрофотосъемки масштаба 1:40 000 с площадью охвата около 20 км2.
Содержание карт охватывает следующие объекты:
• пункты геодезических и опорных межевых сетей;
• объекты земельного кадастра;
• территории политико-адинистративного деления;
• земельные участки с указанием владельцев, арендаторов и других пользователей - юридических и физических лиц;
• границы земель различных видов и категорий (сельскохозяйственного назначения, промышленности, транспорта, лесного фонда, водоохранные, природоохранные, историко-культурного и рекреационного назначения);
• объекты недвижимости, прочно связанные с земельными участками;
• инженерные сооружения (линии электропередач, связи, теплосети, трубопроводы);
• объекты транспорта (автомобильные и железные дороги и объекты, связанные с ними);
• гидротехнические сооружения, объекты водоснабжения; • улицы и проезды в населенных пунктах;
• ограждения;
• объекты гидрографии (реки, водохранилища и прочие водоемы);
• объекты растительности (древесная и кустарниковая);
• заболоченные и засоленные земли.
Карты в системе АСКК изготавливают в графической форме на бумаге тиражом 5-10 экземпляров, полиграфическая печать не предусматривается. Они должны быть многоцветными и достаточно высокого качества с
использованием условных знаков для точечных, линейных и площадных (ареальных) объектов.
Карты должны иметь координатную сетку, зарамочное оформление и легенды.
Цифровые карты должны содержать координатную (метрическую) информацию о положении объектов и атрибутивную информацию, харастеризующую их свойства, и представляться в виде файлов принятых стандартных форматов.
Форматы данных и технология проекта во многом обусловлены участием фирмы Intergraph. В то же время по условиям проекта внутренние
форматы баз данных цифровой картографической информации открыты с тем, чтобы обеспечить возможность создания конвертеров в формат цифровой карты в виде ASCII-файлов, принятый в качестве стандарта Роскомзема. Преобразование форматов обеспечивают конвертеры векторных
картографических данных.
Прикладное программное обеспечение открыто для дополнения, модернизации и создания новых приложений с использованием языка развития и библиотеки объектных файлов.
Система позволяет оперативно снабжать актуальной кадастровой информацией городские организации, учреждения и частных лиц для принятия управленческих и других решений, проведения налоговой политики на городской территории и обновлять топографические карты крупного масштаба. Все операции осуществляются по единому классификатору и в единых формах.
Использование ГИС в природоохранной деятельности носит определенную направленность. В ходе экологического наблюдения (мониторинга) осуществляется сбор и совместная обработка данных, относящимся к различным природным средам, моделирование и анализ экологических процессов и тенденций их развития, а также использование данных при принятии решений по управлению качеством окружающей среды. Т.е., в природоохранной деятельности ГИС являются мощным средством поддержки принятия управленческих решений.
Результат экологического исследования, как правило, представляет оперативные данные следующих типов: констатирующие (измеренные или смоделированные параметры состояния экологической обстановки в момент обследования), оценочные (результаты обработки измерений иполучение на этой основе оценок экологической ситуации), прогнозные (прогнозирующие развитие обстановки на заданный период времени).
Отсюда следует, что в ГИС природоохранной направленности применяют прежде всего динамические модели. В силу этого в них большую роль играют технологии создания электронных карт.
Совокупность всех трех перечисленных видов данных составляет основу экологического мониторинга. Особенностью представления данных в системах экологического мониторинга является то, что на экологических картах в большей степени представлены ареальные геообъекты (например, области с одинаковой концентрацией загрязнителя), чем линейные.
Относительно цифрового моделирования принципиальным следует считать использование цифровых моделей: цифровая модель явления, поле и т. п ..
На уровне сбора данных наряду с топографическими характеристиками дополнительно определяются параметры, характеризующие экологическую обстановку. Это увеличивает объем атрибутивных данных в природоохранных ГИС по сравнению с типовыми. На уровне моделирования используют специальные методы расчета параметров, характеризующих экологическое состояние среды и определяющих форму представления цифровых карт. На уровне представления при экологических исследованиях осуществляют выдачу не одной, а, как правило, серии карт, особенно при прогнозировании явлений и последствий. В некоторых случаях карты выдаются с применение методов динамической визуализации.
На сегодняшний день предлагается целый ряд специализированных программ для профессиональной деятельности в области охраны окружающей среды, реализующих элементы технологии ГИС. Примером может служить программный комплекс Zone (АО Ленэкософт). Он предназначен для оценки загрязнений и их последствий и привязки результатов на местности. Основой такой программы является математическая модель процесса. Так, в комплексе Zone использован метод расчета загрязнения атмосферы, базирующийся на гидродинамической модели пограничных слоев атмосферы и методе Монте-Карло для оценки турбулентной диффузии примесей. Применение стандартизованного метода расчета позволяет применять полученные результаты для для принятия управленческих решений. На основе данных об источнике загрязнения (геопространственная привязка, объем, скорость выброса и др.), климатических характеристиках рассчитывается поле загрязнения и результаты визуализируются с учетом пространственных координат
Другим примером программ экологической направленности может служить серия программных комплексов “Кедр” (НПП “Логус”). Это инструмент для создаия единой системы контроля и управления природоохранной деятельностью как для предприятия, так и для территориальных органов Министерства природных ресурсов РФ и др..
Взаимодействие с расчетными комплексами, например, “Призма”, позволяет проводить расчет количественных показателей загрязнений. Так, унифицированная программа расчета загрязнений атмосферы реализует “Методику расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий” (ОНД-86). Существенное значение для обеспечения наглядности информации природоохранного характера имеют ГИС, отображающие на карте характер распределения загрязнений.
Для реализации таких возможностей в комплексе имеются модули, обеспечивающие передачу информации из программы “Призма” в ArcView, САПР AutoCAD, а так прием графических файлов топоосновы местности в комплекс “Призма”.
В качестве другого примера рассмотрим систему экологического мониторинга, используемую для Москвы. Объектами мониторинга Москвы являются: атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почва, зеленые насаждения, радиационная обстановка, среда обитания и состояние здоровья населения.
Большое число организаций (федеральных, муниципальных, ведомственных) в Москве занимаются независимо друг от друга сбором данных о состоянии параметров объектов окружающей среды. Производится контроль состава атмосферного воздуха, количества выбросов промышленных предприятий и автотранспорта, качества поверхностных и подземных вод и т. д. Эти работы выполняют различные организации - от ГАИ до санэпидемстанций. Недостатки существующего порядка сбора экологических данных - разрозненность и бессистемность, разобщенность городских природоохранных организаций и отсутствие комплексных оценок и прогнозов развития экологической обстановки.
Главная задача городского экомониторинга - получение комплексной оценки экологической ситуации в городе на базе интеграции всех видов данных, поступающих от различных организаций. Интеграционной основой множества данных, естественно, является карта. Следовательно, решение задач экомониторинга города неизбежно приводит к созданию и применению ГИС.
Для этого объединяют существующие сети различных измерений и специализированные мониторинги природоохранных служб. Создание системы основано на внедрении современных средств контроля на базе единого информационного пространства.
Структура системы экомониторинга Москвы включает два уровня. Нижний уровень системы включает:
• федеральные, городские и ведомственные подсистемы специализированных мониторингов (мониторинг атмосферы, поверхностных вод, здоровья населения, радиодогический мониторинг, мониторинг санитарной очистки территории города, мониторинг недр и подземных вод, почв, зеленых насаждений, акустический мониторинг, градостроительный мониторинг);
• территориальные центры сбора и обработки данных, созданные на базе территориальных отделений Москомприроды.
Эти подсистемы обеспечивают сбор полной и по возможности качественной информации о состоянии окружающей среды на всей территории города. В локальных центрах проводятся также анализ информации и ее отбор для передачи на верхний уровень.
Территориальные центры обеспечивают сбор информации по источникам антропогенного загрязнения на территории административных округов и используют данные территориальных подразделений федеральных служб и городских хозяйственных организаций.
Верхний уровень системы экомониторинга составляет информационно-аналитический центр. В задачи верхнего уровня системы входят:
• оперативная оценка экологической ситуации в городе;
• расчет интегральных оценок экологической ситуации;
• прогноз развития, экологической обстановки; • подготовка проектов управляющих воздействий и оценка последствий принимаемых решений.
Очевидно, что информационная система экомониторинга Москвы имеет ярко выраженный распределенный характер. Поэтому она строится на основе распределенной информационной сети.
Для эффективного использования накапливаемых данных необходимы комплексная обработка и совершенные методы моделирования и представления данных.
Геоинформационные системы являются оптимальным средством для представления и анализа пространственно - распределенных экологических данных.
Подсистема специализированных мониторингов охватывает ряд организаций (Москомзем, НПО "Радон", НИиПИ Генплана), имеющих инструментальные пакеты ГИС. Другие организации (Мослесопарк, МГЦСЭН) подобного программного обеспечения не имеют. Интеграция данных в единую систему происходит двумя путями:
• на основе конвертирования форматов данных в единый для всей системы формат;
• на основе выбора единого программного обеспечения ГИС.
Используемый программный комплекс, обеспечивая решение задач территориальных отделений Москомприроды и комитетов по охране природы крупных и средних городов, выполняет следующие функции:
• формирование и ведение баз экологической информации по территориям, предприятиям, средам (воздух, вода, почва);
• ведение базы данных нормативно-законодательных документов в области экологии;
• ведение базы данных нормативов содержания загрязняющих веществ в воздухе, воде, почве и продуктах питания;
• ведение базы данных приборов экологического контроля.
Кроме ведения баз данных предусмотрены работы по моделированию и получению тематических карт. В частности, в системе производятся следующие виды расчетов: расчет платежей за использование природных ресурсов и расчет полей концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, воде и почве.
Система экологического мониторинга предусматривает обмен данными между его участниками. Поэтому одним из главных требований, предъявляемых к программному обеспечению всех подсистем, является возможность конвертирования файлов данных в стандартные форматы (dbf для файлов баз данных и DXF для графических файлов).
При создании системы экомониторинга Москвы использовалась единая система координат для всех подразделений экомониторинга. Все геоинформационные (включая экологические) данные должны иметь единую координатную привязку, и тогда при обмене информацией в цифровом виде не возникает никаких проблем.
Масштабы карт, на которых работают разные подсистемы экомониторинга, могут быть различными: от 1: 2 000 для территориальных отделений Москомприроды до 1: 38 000 для верхнего уровня системы.
В организации экомониторинга Москвы геоинформационные технологии составляют основу, поскольку они обеспечивают решение задач экологического мониторинга Москвы.
. подели пространственных данных
Построить исчерпывающую классификацию моделей пространственных данных вряд ли возможно, особенности моделируемой предметной области и специфические требования к функциональности ГИС могут потребовать разработки и использования весьма специальных моделей данных. Кроме того их нельзя расклассифицировать по одной оси, они различаются как бы «в разные стороны. Тем не менее в практике геоинформатики уже достаточно давно определился набор базовых моделей (представлений) пространственных данных, используемых для описания объектов размерности не более двух (планиметрических объектов):
Это список рекомендуемых терминов для обозначения базовых моделей данных. Он не включает модели, используемые для представления поверхностей (рельефов), а также трехмерные расширения базовых моделей и специальных типов моделей для особых объектов (например, геометрических сетей).
24. Растровая модель данных
Модель данных, именуемая растровой, взамен устаревшего наименования матричной модели данных имеет аналогии в компьютерной графике, где растр – прямоугольная решетка – разбивает изображение на составные однородные (гомогенные) далее неделимые части, называемые пикселами (от англ. pixel, сокращение от «picture element – элемент изображения), каждому из которых поставлен в соответствие некоторый код, обычно идентифицирующий цвет в той или иной системе цветов (цветовой модели).
Растровая модель данных
- Разбивает всю изучаемую территорию на элементы регулярной сетки или ячейки
- Каждая ячейка содержит только одно значение
- Является пространственно заполненной, поскольку каждое местоположение на изучаемой территории соответствует ячейке растра, иными словами - растровая модель оперирует элементарными местоположениями
Из множества значений логических пикселов складывается цифровое изображение. Растровая модель данных в ГИС предполагает разбиение пространства (координатной плоскости) с вмещающими ее пространственными объектами на аналогичные пикселам дискретные элементы, упорядоченные в виде прямоугольной матрицы. Для цифрового описания (позиционирования) точечного объекта при этом будет достаточно указать его принадлежность к тому или иному элементу дискретизации, учитывая, что его положение однозначно определено номерами столбца и строки матрицы (при необходимости координаты пиксела, либо его центроида или любого угла могут быть вычислены). Пикселу присваивается цифровое значение, определяющее имя или семантику (атрибут) объекта.
Аналогичным образом описываются линейные и полигональные объекты: каждый элемент матрицы получает значение, соответствующее принадлежности или непринадлежности к нему того или иного объекта.
В ГИС растрового типа (с возможностями поддержки растровой модели данных) достаточно просто могут быть реализованы функции их обработки, включая пространственный анализ. Поддержка растровой модели данных – хорошая предпосылка (и условие) интеграции программных 6продуктов ГИС со средствами цифровой обработки данных дистанционного зондирования и обработки изображений в целом.
Растровые модели имеют следующие достоинства:
• растр не требует предварительного знакомства с явлениями, данные собираются с равномерно расположенной сети точек, что позволяет в дальнейшем на основе статистических методов обработки получать объективные характеристики исследуемых объектов. Благодаря этому растровые модели могут использоваться для изучения новых явлений, о которых не накоплен материал. В силу простоты этот способ получил наибольшее распространение;
• растровые данные проще для обработки по параллельным алгоритмам и этим обеспечивают более высокое быстродействие по сравнению с векторными;
• некоторые задачи, например создание буферной зоны, много проще решать в растровом виде;
• многие растровые модели позволяют вводить векторные данные, в то время как обратная процедура весьма затруднительна для векторных моделей;
• процессы растеризации много проще алгоритмически, чем процессы векторизации, которые зачастую требуют экспертных решений.
Простота машинной реализации операций с растровыми данными находится в противоречии с другой главной их особенностью – значительными затратами машинной памяти, требуемой для их хранения (в сравнении с объемами данных в описываемых ниже векторных моделях).
Существуют способы сжатия (компрессии, упаковки) растровых данных.
Простейший и достаточно популярный из них – групповое кодирование. Групповой код преобразует исходный растровый слой в ряд пар целых (обычно двухбайтовых) чисел, нечетные позиции которого отводятся для указания числа повторяющихся пикселов (групп) со значениями, занимающими четные позиции ряда, образуя счетчик и значение группы соответственно. Порядок просмотра исходной матрицы конвенциализируется, и в случае движения компрессора слева направо и сверху вниз матрица на рис. 6 будет свернута в одномерный массив вида: 4С 1D 2С 1B 2Е 3D 1С 1B 1Е 1С 3D 4С 3D IB ЗС ЗА 1В ЗС 1А В 4D 1А 2В.
Новая пара чисел (пакет) генерируется тогда, когда изменяется группа, или количество ее элементов превысит допустимое (двухбайтовое) значение счетчика.
Степень сжатия данных, составляющая в нашем примере всего около 2%, в общем случае будет зависеть от пространственной структуры исходного растрового слоя, составляя многие порядки, а при определенных условиях приближаясь по компактности к векторным представлениям и форматам (которые сами по себе обычно настолько компактны, что не нуждаются в сжатии). Существуют различные модификации группового 7кода, широко используемого также для сжатия цифровых изображений.
Можно использовать и другие методы, разумеется, если это методы сжатия данных без потерь, например LZW-сжатие по методу Лемпела–Зива– Велча.
Недостаток растровых форматов состоит в сложности распознавания объектов. Растр применяется в основном там, где пользователей не интересуют отдельные пространственные объекты, а интересует точка пространства как таковая с ее характеристиками (высотная отметка или глубина, влажность или тип почв и т.п.).
Необходимо остановиться на вопросах точности отображения в растровых моделях. В растровых форматах в большинстве случаев неясно, относятся координаты к центральной точке пикселя или к одному из его углов. Поэтому точность привязки элемента растра определяют как 1/2 ширины и высоты ячейки.
Наиболее часто растровые модели применяют при обработке аэрокосмических снимков для получения данных дистанционных исследований Земли.
Элементы бинарной матрицы, т.е. растровой модели, могут принимать только два значения: "1" или "0". Эта матрица соответствует черно-белому изображению. На практике возможно полутоновое или цветное изображение.
В этих случаях значения в ячейках растровой модели могут различаться по типам. Тип значений в ячейках растра определяется как исходными данными, так и особенностями программных средств ГИС. В качестве значений растровых данных могут быть применены целые числа, действительные (десятичные) значения, буквенные значения.
В одних системах используются только целые числа, в других - различные типы данных. При этом ставится условие единства значений для отдельных растровых слоев. Целые числа часто служат кодами, указывающими на позицию в прилагаемой таблице или легенде.
25. Квадротомическая модель данных
Обычно описание этой своеобразной модели начинают с того, что главный мотив ее использования и поддержки программными средствами ГИС – компактность по сравнению с растровой моделью, расточительной по объемам машинной памяти, требуемой для хранения растровых данных.
Рассматривая растровые данные, упоминалось о возможностях их значительного сжатия. Не меньшей эффективностью при сохранении быстрого доступа к элементам описания пространственных объектов обладает квадротомическая модель данных, основанная на подходе, известном как квадротомическое дерево (квадродерево). В его основе лежит разбиение территории или изображения на вложенные друг в друга пикселы или регулярные ячейки с образованием иерархической древовидной структуры – декомпозиции пространства на квадратные участки (квадраты, квадратные блоки, квадранты), каждый из которых делится рекурсивно на четыре вложенных до достижения некоторого уровня пространственного разрешения. Механизм построения квадродерева исходного участка территории с пятью областями иллюстрируется на рисунке.
На первом этапе деления исходного участка на четыре квадратных блока и одновременном «ветвлении» квадродерева образуется один неделимый далее элемент № 1 (ему соответствует «лист» дерева на рис. справа) и три «узла» делимых далее квадратов первого уровня иерархии (принимая «корневой» уровень квадратного участка в целом за нулевой). За исключением девяти гомогенных квадратов, на втором иерархическом уровне все остальные элементы делятся далее, пока необходимость дальнейшего деления не будет исчерпана на последнем, четвертом, этапе.
Экономия в сравнении с растровой моделью данных очевидна – область Е оказалась представленной одним квадратом под номером 33 (а не 16 элементами растра или ячеек регулярной сети), и ее цифровое описание подразумевает лишь формализованное представление структуры квадродерева. Обычно оно строится на основе так называемой матрицы Мортона, определяющей оптимальный в некотором смысле порядок ее кодирования и физической записи, обеспечивая минимальный последовательный поиск.
Принимая за нулевой уровень иерархии земную сферу в целом, можно построить глобальное квадротомическое дерево. Известные формулы между пространственным разрешением и уровнем дерева показывают, что уже на 23-м уровне иерархии достигается метровое его разрешение.
Линейная квадротомическая модель данных практически реализована в немногих из известных программных средств ГИС. Ее не следует путать с так называемыми пирамидальными моделями, также рекурсивно организуемыми и используемыми при обработке цифровых изображений, включая данные дистанционного зондирования. В отличие от квадродерева они представляют собой набор растровых слоев изображений с механически двукратно уменьшаемым разрешением, а потому более компактных, искусственно «затрубленных» в целях их быстрого воспроизведения.
Известны трехмерные расширения линейной квадротомической модели – это так называемая октотомическая модель (модель октарного дерева) как результат рекурсивного деления трехмерного пространства на восемь октантов, используемая для цифрового описания тел.
26. Цветовые модели
Свет излучаемый и отражаемый
Одна из наиболее важных мыслей, которую необходимо помнить, говоря о цвете, заключается в том, что некоторые предметы мы видим потому, что они излучают свет, а другие — потому, что они его отражают. Когда предметы излучают свет они приобретают тот цвет, который мы видим. Когда они отражают свет (бумага, например), их цвет определяется цветом падающего на них света и цветом, который эти объекты отражают.
Таким образом, излучаемый свет — это свет, выходящий из активного источника: солнца, лампочки, экрана монитора; отраженный свет — это свет, "отскочивший" от поверхности объекта. Именно его вы видите, когда смотрите на какой-либо предмет, не излучающий собственного света.
Излучаемый свет может содержать все цвета (белый свет), любую их комбинацию или только один цвет. Излучаемый свет, идущий непосредственно из источника к вашему глазу, сохраняет в себе все цвета, из 8которых он был создан. Некоторые волны излученного света поглощаются объектом, поэтому доходят до нас и воспринимаются глазом только непоглощенные, отраженные волны.
Белый листок бумаги выглядит белым потому, что он отражает все цвета в белом свете и ни один не поглощает. Если вы осветите его синим светом, бумага будет выглядеть синей. Если вы осветите белым светом листок красной бумаги, бумага будет выглядеть красной, так как она поглощает все цвета, кроме красного. Что произойдет, если осветить красную бумагу синим светом? Бумага будет выглядеть черной, потому что синий цвет, падающий на нее, она не отражает. Отражение и излучение света оставалось не более чем любопытной
темой до появления компьютерной обработки цветных изображений.
Сегодня диаметрально противоположные способы генерации цвета
мониторов и принтеров являются основной причиной искажения экранных цветов при печати. Для того чтобы правильно производить цветоделение нужно хорошо представлять работу двух противоположных систем описания цвета в компьютере: аддитивной и субтрактивной.
Аддитивные и субтрактивные цвета
Аддитивный цвет (от англ. add — добавлять, складывать) получается при соединении лучей света разных цветов. В этой системе отсутствие всех цветов представляет собой черный цвет, а присутствие всех цветов — белый.
Система аддитивных цветов работает с излучаемым светом, например, от монитора компьютера. В этой системе используются три основных цвета: красный, зеленый и синий (RGB). Если их смешать друг с другом в равной пропорции, они образуют белый цвет, а при смешивании в разных пропорциях — любой другой.
В системе субтрактивных цветов (от англ. subtract — вычитать) происходит обратный процесс: вы получаете какой-либо цвет, вычитая другие цвета из общего луча отраженного света. В этой системе белый цвет появляется в результате отсутствия всех цветов, тогда как их присутствие дает черный цвет. Система субтрактивных цветов работает с отраженным светом, например, от листа бумаги. Белая бумага отражает все цвета, окрашенная — некоторые поглощает, а остальные отражает.В системе субтрактивных цветов основными являются голубой, пурпурный и желтый цвета (CMY) — противоположные красному, зеленому и синему. Когда эти цвета смешиваются на белой бумаге в равной пропорции, получается черный цвет. Вернее, предполагается, что должен получиться черный цвет. В действительности типографские краски поглощают свет не полностью и поэтому комбинация трех основных цветов выглядит темно-коричневой. Чтобы исправить возникающую неточность, для представления тонов истинно черного принтеры добавляют немного черной краски. Систему цветов, основанную на таком процессе четырехцветной печати, принято обозначать аббревиатурой CMYK.
Цветовая модель RGB
Монитор компьютера создает цвет непосредственно излучением света и использует, таким образом, систему цветов RGB. Поверхность монитора состоит из мельчайших точек (пикселов) красного, зеленого и синего цветов, форма точек варьируется в зависимости от типа электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или жидкокристаллического монитора (ЖК). Пушка ЭЛТ подает сигнал различной мощности на экранные пикселы. Каждая точка имеет один из трех цветов, при попадании на нее луча из пушки, она окрашивается в определенный оттенок своего цвета, в зависимости от силы сигнала.
Поскольку точки маленькие, уже с небольшого расстояния они визуально смешиваются друг с другом и перестают быть различимы. Комбинируя различные значения основных цветов, можно создать любой оттенок из более чем 16 миллионов доступных в RGB.
Лампа сканера светит на поверхность захватываемого изображения (или сквозь слайд); отраженный или прошедший через слайд свет, с помощью системы зеркал, попадает на чувствительные датчики, которые передают данные в компьютер так же в системе RGB. Система RGB адекватна цветовому восприятию человеческого глаза, рецепторы которого тоже настроены на красный, зеленый и синий цвета.
Цветовая модель CMYK
Система цветов CMYK была широко известна задолго до того, как компьютеры стали использоваться для создания графических изображений. Триада основных печатных цветов: голубой, пурпурный и желтый (CMY, без черного) является, по сути, наследником трех основных цветов живописи (синего, красного и желтого). Изменение оттенка первых двух связано с отличным от художественных химическим составом печатных красок, но принцип смешения тот же самый. И художественные, и печатные краски, несмотря на провозглашаемую самодостаточность, не могут дать очень многих оттенков. Поэтому художники используют дополнительные краски на основе чистых пигментов, а печатники добавляют, как минимум, черную краску.
Система CMYK создана и используется для печати. Все файлы, предназначенные для вывода в типографии, должны быть конвертированы в CMYK. Этот процесс называется цветоделением.
Цветовая модель Grayscale
Цветовая модель Grayscale представляет собой ту же индексированную палитру, где вместо цвета пикселам назначена одна из 256 градаций серого. На основе Grayscale легко можно понять строение RGB- и CMYK-файлов. В RGB для описания цвета используются 24 бита, которые делятся на три группы по 8 бит (то, что называется в Photoshop'е каналами). Одна группа используется для хранения в пикселе величины красного цвета, две другие — зеленого и синего. Они могут дать до 16 700 000 комбинаций оттенков. 10
Аналогичным образом в CMYK существуют 4 группы, для описания цвета используются 32 bpp. Обращу внимание, что если RGB имеет стандартные 256 градаций яркости, то в CMYK яркость измеряется в процентах (то есть до 100). Несмотря на большую, чем в RGB цветовую глубину в 32 бита на пиксел, диапазон оттенков CMYK значительно меньше, чем в RGB, так как CMYK является не более, чем имитацией на экране печатных цветов
Цветовое пространство LAB представляет цвет в трех каналах: один канал выделен для значений яркости (L - Lightnes) и два других - для цветовой информации (А и В).
Цветовые каналы соответствуют шкале, а не какому-нибудь одному цвету. Канал А представляет непрерывный спектр от зеленого к красному, в то время как канал В - от синего к желтому. Средние значения для А и В соответствуют реальным оттенкам серого.
Цветовые модели HSB и HSL
Системы цветов RGB и CMYK базируются на ограничениях, накладываемых аппаратным обеспечением (мониторами и сканерами в случае с RGB и типографскими красками в случае с CMYK). Более интуитивным способом описания цвета является представление его в виде тона, насыщенности и яркости — система HSB. Она же известна как система HSL (тон, насыщенность, освещенность).
Тон представляет собой конкретный оттенок цвета, отличный от других: красный, зеленый, голубой и т. п. Насыщенность цвета характеризует его относительную интенсивность (или чистоту). Уменьшая насыщенность, например, красного, мы делаем его более пастельным, приближаем к серому.
Яркость (или освещенность) цвета показывает величину черного оттенка, добавленного к цвету, что делает его более темным.
Система HSB имеет перед другими системами важное преимущество: она больше соответствует природе цвета, хорошо согласуется с моделью восприятия цвета человеком. Многие оттенки можно быстро и удобно получить в HSB, конвертировав затем в RGB или CMYK, доработав в последнем случае, если цвет был искажен.
Индексированный цвет и понятие битовой глубины
Перед тем, как перейти к теме цветового формата, использующего ограниченную палитру цветов, необходимо понять, каким образом в пикселе графического файла записываются данные о цвете. Пиксел, как и все данные в компьютере, несет в себе определенную информацию (в данном случае о цвете), выражаемую в битах. Понятно, что чем большим количеством бит описывается пиксел, тем больше информации он может в себе нести. Это обозначается понятием "битовая глубина".
Битовую глубину изображения часто называют цветовой разрешающей способностью. Она измеряется в битах на пиксел (bit per pixel, bpp). Так если, к примеру, речь идет об иллюстрации, имеющей в каждом пикселе по 8 бит цветовой информации, то ее цветовая разрешающая способность будет 8 bpp. Возведя 2 (компьютер использует двоичную систему счисления) в степень битовой глубины (2 в 8-й степени) получим 256 доступных для 8-битового изображения цветов.
На принципе 8-битного цвета основана широко использовавшаяся в первой половине 90-х и применяемая в Интернете даже сегодня цветовая модель Index Color. Она работает на основе создания палитры цветов. Все оттенки в файле делятся на 256 возможных вариантов, каждому из которых присваивается номер. Далее, на основе получившейся палитры цветов, строится таблица, где каждому номеру ячейки приписывается цветовой оттенок в значениях RGB.
Некоторые форматы как, например, тот же GIF или PNG, позволяют делать палитры на основе произвольного количества цветов (до 256).
До появления 8-битного цвета, из-за малых мощностей персональных компьютеров тех времен, использовались палитры из 16 цветов (4 bpp), 4 цветов (2 bpp) и самая первая компьютерная графика была однобитовая — 2 цвета. Однобитовые изображения, называемые Bitmap или, иногда, Lineart, используются и сегодня там, где не требуются цвето-тоновые переходы.
Равный по размеру Bitmap-файл в 24 раза меньше, чем файл RGB, кроме того очень хорошо сжимается.
Основные понятия, принятые для растровой ГИС.
Площадной контур (зона) Набор смежных местоположений одинакового свойсва. Термин класс (или район) часто используется в отношении всех самостоятельных зон, которые имеют одинаковые свойства. Основными компонентами зоны являются ее значение и местоположение.
Значение Единица информации, хранящаяся в слое для каждого пикселя или ячейки. Ячейки одной зоны (или района) имеют одинаковое значение
Разрешение Минимальная линейная размерность наименьшей единицы географического пространства, для которой могут быть приведены какие-либо данные. В растровой модели данных наименьшей единицей для большинства систем выступает квадрат или прямоугольник. Обычно разрешение указывается количеством пикселов в единице длины изображения (в одном дюйме или сантиметре), например разрешение экрана монитора 72 ppi (пикселов на дюйм), рисунков в печатных изданиях 150-300 dpi (точек на дюйм).
Местоположение Наименьшая единица географического пространства, для которой могут быть приведены какие-либо характеристики или свойства (пиксель, ячейка). Такая частица картографического плана однозначно идентифицируется упорядоченной парой координат - номерами строки и столбца
Описанная выше растровая модель данных пригодна для цифрового представления не только пространственных объектов.в ГИС, но и изображений. Примерами могут служить цифровые фотоизображения, снятые непосредственно цифровой фотокамерой или полученные путем цифрования аналоговых негативов или фотоотпечатков на сканере хорошего разрешения и далее превращенные (возвращенные) в графику на страницах иллюстрированных журналов или в семейном фотоальбоме. Данные дистанционного зондирования Земли – аэроснимки и космические снимки, получаемые с борта космических платформ и других летательных аппаратов и представляющие собой один из основных источников данных для ГИС, сейчас в существенной своей части по форме тоже цифровые, образуют класс растровых цифровых изображений, обрабатываемых программными средствами цифровой обработки изображений. Растровой цифровой копией можно назвать оцифрованную на том же сканере бумажную карту, используемую в качестве графической подложки (растровой цифровой карты-основы) в малозатратных геоинформационных проектах.
Во всех перечисленных случаях речь идет о цифровых растровых изображениях, образованных множеством его элементов – пикселов, каждому из которых ставится в соответствие значение (код) цвета или спектрального коэффициента яркости объекта съемки. На эти далее неделимые элементы растра «разбивается» и координатная плоскость с пространственными объектами в их растровом представлении. Если атомарной единицей данных при их описании служит элемент «разбиения» территории – регулярная пространственная ячейка (территориальная ячейка) правильной геометрической формы отличной то прямоугольной – речь идет о другой, отличной от растровой, хотя и формально с нею схожей, регулярно-ячеистой модели данных. Известны примеры регулярных сетей (решеток) с ячейками правильной треугольной, гексагональной или трапециевидной формы. Пример построения сети равновеликих трапеций на сфере (что эквивалентно равновеликой цилиндрической (квадратной) проекции Ламберта)
27. Векторная модель
Построение модели. Векторные модели данных строятся на векторах, занимающих часть пространства в отличие от занимающих все пространство растровых моделей. Это определяет их основное преимущество — требование на порядки меньшей памяти для хранения и меньших затрат времени на обработку и представление.
При построении векторных моделей объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями, дугами окружностей, полилиниями.
Площадные объекты — ареалы задаются наборами линий. В векторных моделях термин полигон (многоугольник) является синонимом слова ареал.
В транспортных, коммунальных ГИС практически всегда используют векторные модели данных . Большинство ГИС требует, чтобы данные были представлены в векторном формате, хотя в ряде систем допускается одновременное использование растровых изображений, например в качестве основы для создания электронной карты или иллюстраций. Системы ГИС, работающие в основном с векторными моделями, получили название векторных ГИС.
В реальных ГИС имеют дело не с абстрактными линиями и точками, а с объектами, содержащими линии и ареалы, занимающими пространственное положение, а также со сложными взаимосвязями между ними. Поэтому полная векторная модель данных ГИС отображает пространственные данные как совокупность следующих основных частей:
• геометрические (метрические) объекты (точки, линии и полигоны);
• атрибуты — признаки, связанные с объектами;
• связи между объектами.
При построении ГИС применяют набор базовых геометрических данных, из которых затем компонуют остальные более сложные данные. В ГИС используются следующие типы атомарных геометрических данных:
точка (узел, вершина);
линия незамкнутая;
контур (линия замкнутая); 2
полигон (ареал, район) – группа прилегающих друг к другу
замкнутых участков;
пространственная сеть (развитие типа «полигон»).
На практике из этих атомарных моделей формируются сложные составные модели.
Контуры и линии часто объединяют общим термином — "линейные объекты". Таким образом, в разных ГИС число основных типовкоординатных моделей меняется от трех до пяти. Приведенные выше понятия носят концептуальный характер. На практике для построения реальных объектов используют большее число составных координатных моделей. В разных ГИС они незначительно отличаются, поэтому рассмотрим в качестве примера набор данных в системе ГеоДраф:
• точка — пара координат X, Y;
• отрезок — линия, соединяющая две точки;
• вершина (вертекс) — начальная или конечная точка отрезка;
• дуга (линия) — упорядоченный набор связных отрезков (или вер-шин);
• узел — начальная или конечная вершина дуги;
• висячий узел — узел, принадлежащий только одной дуге, у которой начальная и конечная вершины не совпадают;
• псевдоузел — узел, принадлежащий только двум дугам либо одной замкнутой дуге, у которой начальная и конечная вершины совпадают.
Исключением является узел, принадлежащий двум дугам, одна из которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней (такой узел является нормальным);
• нормальный узел — узел, принадлежащий трем (и более) дугам.
Нормальным также является узел, принадлежащий двум дугам, одна из которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней;
• висячая дуга — дуга, имеющая висячий узел;
• замкнутая дуга — дуга, у которой совпадают начальная и конечная вершины (у такой дуги имеется только один узел); 3
• полигон — единичная область, ограниченная (находящаяся внутри) замкнутой дугой или упорядоченным набором связных дуг, которые образуют замкнутый контур;
• покрытие — набор файлов, фиксирующий в виде цифровых записей пространственные объекты (точки, дуги , полигоны) и структуру отношений между ними;
• пустое покрытие — покрытие, в котором отсутствуют пространственные объекты;
• слой — покрытие, рассматриваемое в контексте его содержательной определенности (растительность, рельеф, административное деление и т.п.) или его статуса в среде редактора (активный слой, пассивный слой);
• внутренний идентификатор пространственного объекта — целое число, являющееся служебным идентификатором системы (уникальное для йждого объекта данного покрытия и назначаемое автоматически в процессе работы редактора). Может изменяться системой в процессе работы;
• пользовательский идентификатор (внутренний ключ) пространственного объекта — целое число, служащее для связи объектов цифровой карты с базой (таблицами) тематических данных. Назначается и изменяется только пользователем.
Точечные объекты. К простейшим типам точечных объектов относятся не только собственно точки, но и условные точечные знаки. Например, знаком «Нефтяная вышка» может быть обозначено месторождение. Это точечный объект. Выбор объектов, обозначаемых точками, зависит от масштаба карты. На крупномасштабных картах точками обозначаются отдельные строения, а на мелкомасштабных — города и даже страны. Особенностью точечных объектов является то, что они хранятся как в виде графических файлов, так и в виде таблиц, как атрибуты, потому что координаты точек рассматриваются как две дополнительные характеристики. Таким образом, информацию о наборе точек можно представить в виде развернутой таблицы, в которой кроме координат могут находиться и другие атрибуты каждой из точек-объектов.
В таких таблицах каждой строке соответствует объект-точка, каждому столбцу — признак, соответствующий типизированному данному (или координата, или атрибут).
Линейные объекты. Они используются для описания сетей (например, дорожная, транспортная, телефонная, гидрологическая сеть). Любая сеть состоит из узлов (вершин) и обособленных линий и дуг (звеньев). Линией называют границу, сегмент, цепь или дугу. Основные типы координатных данных в классе векторных моделей определяются 4 через базовый элемент пиния следующим образом. Точка определяется как выродившаяся линия нулевой длины, линия — как линия конечной длины, а площадь представляется последовательностью связанных между собой сегментов.
Каждый участок линии может являться границей для двух ареалов либо двух пересечений (узлов). Отрезок общей границы между двумя пересечениями (узлами) имеет разные названия, которые являются синонимами в предметной области ГИС. Национальным стандартом США официально санкционирован термин цепь (chain). В некоторых системах (Arcinfo, GeoDraw) используется термин дуга.
В отличие от обычных векторов в геометрии дуги имеют свои атрибуты. Атрибуты дуг обозначают полигоны по обе стороны от них. По отношению к последовательному кодированию дуги эти полигоны име-нуются левым и правый. Понятие дуги (цепи) является фундаментальным для векторных ГИС.
Для каждого узла у линейных объектов существует характеристика – валентность.
Валентность узла – это количество смежных узлу дуг. Концы обособленных линий одновалентны. Для уличных сетей (пересечение улиц) валентность чаще всего равна четырем. В гидрографии чаще встречаются трехвалентные узлы (основное русло реки и приток).
Линейные объекты, как и точечные, имеют свои атрибуты, причем разные для дуг и для принадлежащих им узлов. Примеры атрибутов, применяемых для описания дуг: дорога: атрибуты – направление движения, интенсивность движения, протяженность; транспортная магистраль: количество полос для движения; время в пути; газопровод: диаметр трубы, направление движения газа; линия ЛЭП: напряжение ЛЭП.
Примерные атрибуты для узла: перекресток: наличие подземного перехода, названия пересекающих улиц; подстанция ЛЭП: характеристика трансформатора ЛЭП; пешеходный переход: наличие светофора, ширина перехода, наличие островка безопасности и др.
Некоторые атрибуты могут служить для связи с другими объектами (например, названия пересекающих улиц). Часто для включения дополнительных атрибутов требуется разбивать линейные объекты и создавать новые узлы: например, часть русла реки загрязнена, ее разбивают на чистую часть реки и загрязненную и описывают их по-разному.
Ареалы или полигоны. В одной ГИС может быть представлено несколько типов ареалов: например, экономические зоны, данные о сельскохозяйственных угодьях и др. Часто границы ареалов определить по карте или фотоснимку нельзя – их устанавливают искусственно, например, зоны на территории города, загрязненные выбросами предприятий, экономические зоны и др.
Типы векторных объектов, основанные на определении
пространственных объектов
БЕЗРАЗМЕРНЫЕ ТИПЫ ОБЪЕКТОВ
Точка — определяет геометрическое положение
Узел — топологический переход или конечная точка, также может определять местоположение
ОДНОМЕРНЫЕ ТИПЫ ОБЪЕКТОВ
Линия — одномерный объект
Линейный сегмент — прямая линия между двумя точками
Строка — последовательность линейных сегментов
Дуга — геометрическое место точек, которые формируют кривую, определенную математической функцией
Связь — соединение между двумя узлами
Направленная связь — связь с одним определенным направлением
Цепочка — направленная последовательность непересекающихся линейных сегментов или дуг с узлами на их концах 6
Кольцо — последовательность непересекающихся цепочек, строк, связей или замкнутых дуг
Типы векторных объектов, основанные на определении
пространственных размеров
ДВУМЕРНЫЕ ТИПЫ ОБЪЕКТОВ
Область — ограниченный непрерывный объект, который может включать или не включать в себя собственную границу
Внутренняя область — область, которая не включает собственную границу
Полигон — область, состоящая из внутренней области, одного внешнего кольца и нескольких непересекающихся, невложенных внутренних колец
Особенности векторных моделей. В векторных форматах набор данных определен объектами базы данных. Векторная модель может организовывать пространство в любой последовательности и дает «произвольный доступ» к данным.
В векторной форме легче осуществляются операции с линейными и точечными объектами, например, анализ сети — разработка маршрутов движения по сети дорог, замена условных обозначений.
В растровых форматах точечный объект должен занимать целую ячейку. Это создает ряд трудностей, связанных с соотношением размеров растра и размера объекта.
Что касается точности векторных данных, то здесь можно говорить о преимуществе векторных моделей перед растровыми, так как векторные данные могут кодироваться с любой мыслимой степенью точности, которая ограничивается лишь возможностями метода внутреннего представления координат. Обычно для представления векторных данных используется 8 или 16 десятичных знаков (одинарная или двойная точность).
Только некоторые классы данных, получаемых в процессе измерений, соответствуют точности векторных данных. Это данные, полученные точной съемкой (координатная геометрия); карты небольших участков, составленные по топографическим координатам.
Не все природные явления имеют характерные четкие границы, которые можно представить в виде математически определенных линий.
Это обусловлено динамикой явлений или способами сбора пространственной информации. Почвы, типы растительности, склоны, место обитания диких животных — все эти объекты не имеют четких границ. Обычно линии на карте имеют толщину 0,4 мм и, как часто считается, отражают неопределенность положения объекта. В растровой системе эта неопределенность задается размером ячейки. Поэтому следует помнить, что в ГИС действительное представление о точности дают размер растровой ячейки и неопределенность положения векторного объекта, а не точность координат. Геометрические данные составляют основу векторной модели, тем не менее, как отмечено выше, в ее состав входят также атрибуты и связи. Атрибуты уже рассматривались достаточно подробно. Остановимся на связях в векторных моделях. Для этого необходимо рассмотреть топологические свойства векторных моделей, т.е. рассмотреть топологические модели, которые являются разновидностью векторных моделей данных.
Векторная нетопологическая модель
Обобщенный класс векторных моделей включает два их типа: векторные топологические и векторные нетопологические модели. В первых ГИС фиксация топологических пространственных отношений между объектами (смежности, связности, вложенности и др.) является основой их конструкции. Во вторых же ГИС цифруются пространственные объекты, изначально не знающие друг о друге, и построение отношений между ними осуществляется в режиме постпроцесса. Топологические системы являются более адекватным инструментом для создания качественных цифровых карт. Практика ГИС показывает, что значительно выгоднее, когда оператор создает изначально 8 качественные карты и фиксирует в них отношения между объектами, а не относит эту стадию на этап постпроцесса.
Топологические характеристики заносятся при кодировании данных в виде дополнительных атрибутов. Во многих ГИС это производится при дигитализации полуавтоматически.
Они используются для цифрового представления точечных, линейных и площадных (полигональных) объектов по аналогии с картографией, где различаются объекты с точечным, линейным и площадным характером пространственной локализации, что определяет выбор графических средств их картографического отображения, и исторически связаны с технологиями цифрования карт, планов и другой графической документации с помощью устройств ввода векторного типа — дигитайзеров с ручным обводом, генерирующих поток пар плановых координат (векторов) вслед за движением курсора по планшету дигитайзера при отслеживании и записи графических объектов помещенного на него оригинала.
Множество точечных объектов, образующее слой однородных данных (например, множество объектов, соответствующих населенным пунктам), может быть представлено в векторном формате в виде неупорядоченной (необязательно упорядоченной) последовательности записей (строк таблицы), каждая из которых содержит три числа: уникальный идентификационный номер объекта (идентификатор), значение координаты X и значение координаты Y в системе условных плановых прямоугольных декартовых координат, например, плоскости стола дигитайзера:
Линейный объект (в общем случае кривая) или граница полигонального объекта могут быть представлены в виде последовательности образующих их точек (промежуточных точек), т.е. набором линейных отрезков прямых (сегментов), образующих полилинию. Расположение образующих полилинию точек будет зависеть от структуры исходной кривой. Их привязка к характерным точкам кривой при достаточно мелком шаге цифрования позволяет дать достаточно точное ее приближение. Два из возможных варианта ее цифровой записи {формата) иллюстрируются ниже:
Запись линейного объекта образована последовательностью координатных пар (в нашем случае пяти точек) и содержит элемент, позволяющий выделить его в общей совокупности записей линейных объектов слоя, которому соответствует обычно файл данных. В случае А это делается путем помещения вслед за идентификатором целого числа, указывающего число координатных пар, в варианте В линейные объекты отделяются друг от друга меткой END. Разумеется, запись должна быть снабжена идентификатором объекта.
Таким же образом может быть представлена граница полигонального объекта. При этом каждый именованный полигон (со своим идентификатором) представляется записью пар координат, образующих его границу в избранной последовательности (например, по часовой стрелке). При описании множества полигонов каждый отрезок границы, заключенный между двумя узловыми точками (за исключением внешней границы полигонов), будет описан в этом случае дважды (по часовой стрелке и против).
Векторная топологическая модель обязана своим происхождением задаче описания полигональных объектов. Ее называют еще линейно-узловой моделью. С ней связаны и особые термины, отражающие ее
структуру. Главные ее элементы (примитивы):
— промежуточная точка;
— сегмент (линейный сегмент, отрезок (прямой);
— узел;
— дуга;
— полигон (область, полигональный объект, многоугольник, контур, контурный объект), в том числе: простой полигон; внутренний полигон («остров», анклав); составной полигон; универсальный полигон (внешняя область).
Описание полигона в векторной топологической модели — это множество трех элементов: узлов, дуг и собственно полигонов. Между этими объектами устанавливаются некоторые топологические отношения, необходимым элементом которых должна быть связь дуг и узлов, 11 полигонов и дуг. Последним приписываются указатели разграничиваемых ею правого и левого полигонов, конвенциализируя направление обхода контуров
28. Сети TIN и полигоны Тиссена
Среди нерегулярных мозаик чаще всего используют треугольные сети неправильной формы (Triangulated Irregular Network — TIN) и полигоны Тиссена (рис. 2, в). Сети TIN удобны для создания цифровых моделей отметок местности по заданному набору точек. Они применяются как в растровых, так и в векторных моделях.
Модель треугольной нерегулярной сети (TIN) в значительной мере альтернативна цифровой модели рельефа, построенной на регулярной сети. TIN-модель была разработана в начале 70-х гг. как простой способ построения поверхностей на основе набора неравномерно расположенных точек. В 70-е гг. было создано несколько вариантов данной системы, коммерческие системы на базе TIN стали появляться в 80-х гг. как пакеты программ для построения горизонталей.
Модель данных TIN, традиционно предназначенная для представления поверхностей значений (в первую очередь рельефа местности). Данная модель представляет собой нерегулярную сеть точек, соединенных особым образом выбранной сетью прямых отрезков, образующих множество. Наличие таких связок между 17 точками дает представление о поведении поля (или форме поверхности) на данном участке в промежутке между точками.
При построении TIN-модели дискретно расположенные точки соединяются линиями, образующими треугольники. В пределах каждого треугольника поверхность обычно представляется плоскостью. Поскольку поверхность каждого треугольника задается высотами трех его вершин, применение треугольников обеспечивает каждому участку мозаичной поверхности точное прилегание к смежным участкам. Это обеспечивает непрерывность поверхности при нерегулярном расположении точек.
Данная модель позволяет использовать в качестве элементов мозаики более сложные многоугольники, но их всегда можно разбить на треугольники.
В векторных ГИС модель TIN можно рассматривать как полигоны с атрибутами угла наклона, экспозиции и площади, с тремя вершинами, имеющими атрибуты высоты, и с тремя сторонами, характеризующимися углом наклона и направлением. .
Некоторым недостатком пространственной TIN-модели является нерегулярность сетки узлов на поверхности XY, в которых задана вертикальная координата Z. Для некоторых приложений такая нерегулярность может стать источником больших погрешностей вычислений. Для преодоления этого недостатка используется так называемая грид-модель. В этой модели задаются некоторые не обязательно равные между собой интервалы между узлами сетки по обеим координатам x,y на плоскости в некоторой области произвольной формы, и грид-файл представляет собой множество наборов точек поверхности (x, y, z) с некоторым заголовком, содержащим описательную информацию.
Имеется автоматическая процедура преобразования TIN-файла в грид-файл. Задается число узлов и интервалы между ними по осям XY, и далее процедура сама определяет для каждой заданной пары (x, y) 19 вертикальную координату z, полученную из TIN-файла с помощью некоторых процедур сглаживания.
Кроме удобной формы представления пространственной информации грид-файл обладает еще одним неоценимым качеством. По существу, он представляет собой готовую сетку для расчетов при численном решении дифференциальных уравнений, определяющих динамику интересующих исследователя процессов, протекающих на рассматриваемой территории. Таким образом, трудоемкая процедура задания расчетной сетки для реализации численных алгоритмов решения задач математического моделирования заменяется входящим в пакеты стандартного математического обеспечения ГИС-технологий рутинным этапом алгоритма пространственного представления данных.
Полигоны Тиссена (или диаграммы Вороного) представляют собой геометрические конструкции, образуемые относительно множества точек таким образом, что границы полигонов являются отрезками перпендикуляров, восстанавливаемых к линиям, соединяющим две ближайшие точки. Полигоны Тиссена позволяют проводить анализ на соседство, близость и достижимость.
37. Дистанционное зондирование Земли
Эффективную работу современных ГИС трудно представить без спутниковых методов исследования территорий нашей планеты.
Дистанционное спутниковое зондирование нашло широко применение в геоинформационных технологиях как в связи с быстрым развитием и совершенствованием космической техники, так и со свертыванием авиационных и наземных методов мониторинга.
Космические снимки получают с высоты более 100 км., т.е. при движении носителя аппаратуры вне основных слоев атмосферы , в космическом пространстве, с ракет, пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций, автоматических искусственных спутников Земли и других космических аппаратов.
Съемка из космоса имеет две основные особенности: выполняется с орбит, параметры которых влияют на свойства снимков; производятся с большого расстояния через толщу атмосферы. По сравнению с самолетом космический аппарат имеет ограниченные возможности маневрирования.
Дистанционное зондирование (ДЗ) – научное направление, основанное на сборе информации о поверхности Земли без фактического контактирования с ней. Процесс получения данных о поверхности включает в себя зондирование и запись информации об отраженной или испускаемой объектами энергии с целью последующей обработки, анализа и практического использования.
Процесс ДЗ представлен на рисунке и состоит из следующих элементов:
1. Наличие источника энергии или освещения (A) – это первое требование дистанционного зондирования, т.е. должен иметься источник энергии, который освещает либо подпитывает энергией электромагнитного поля объекты, представляющие интерес для исследования.
2. Излучение и атмосфера (B) – излучение, распространяющееся от источника до объекта, часть пути проходит сквозь атмосферу Земли. Это взаимодействие необходимо учитывать, так как характеристики атмосферы оказывают влияние на параметры энергетических излучений.
3. Взаимодействие с объектом исследования (C) – характер взаимодействия падающего на объект излучения сильно зависит от параметров, как объекта, так и излучения.
4. Регистрация энергии сенсором (D) – излучение, испускаемая объектом исследования, попадает на удаленный высокочувствительный сенсор, и затем полученная информация записывается на носитель.
5. Передача, прием и обработка информации (E) – информация, собранная чувствительным сенсором передается в цифровом виде на принимающую станцию, где данные трансформируются в изображение.
6. Интерпретация и анализ (F) – обработанное изображение интерпретируется визуально либо с помощью ЭВМ, после чего из него извлекается информация относительно исследуемого объекта.
7. Применение полученной информации (G) – процесс дистанционного зондирования достигает завершения, когда мы получаем нужную информацию относительно объекта наблюдения для лучшего 3 понимания его характеристик и поведения, т.е. когда решена какая-то практическая задача.
Выделяют следующие области применения спутникового дистанционного зондирования (СДЗ):
• получение информации о состоянии окружающей среды и землепользовании;
• оценка урожая сельхоз угодий;
• изучение флоры и фауны;
• оценка последствий стихийных бедствий (землетрясения, наводнения, пожары, эпидемии, из- вержения вулканов);
• оценка ущерба при загрязнении суши и водоемов;
• океанология.
Средства СДЗ позволяют получать сведения о состоянии атмосферы не только в локальном, но и в глобальном масштабе. Данные зондирования поступают в виде изображений, как правило, в цифровой форме. Дальнейшая обработка осуществляется компьютером. Поэтому проблематика СДЗ тесно связана с задачами цифровой обработки изображений.
Для наблюдения нашей планеты из космоса используют дистанционные методы, при которых исследователь имеет возможность на расстоянии получать информацию об изучаемом объекте. Дистанционные методы зондирования, как правило, являются косвенными, то есть с их помощью измеряют не интересующие наблюдателя параметры, а некоторые связанные с ними величины. Например, нам необходимо оценить состояние лесных массивов Уссурийской тайги. Аппаратура спутника, задействованная в мониторинге, будет регистрировать лишь интенсивность светового потока от изучаемых объектов в нескольких участках оптического диапазона. Чтобы расшифровать такие данные, требуются предварительные исследования, включающие в себя различные эксперименты по изучению состояния отдельных деревьев контактными методами. Затем необходимо определить, как выглядят те же объекты с самолета, и лишь после этого судить о состоянии лесов по спутниковым данным.
Методы изучения Земли из космоса не случайно относят к высокотехнологичным. Это связано не только с использованием ракетной техники, сложных оптико-электронных приборов, компьютеров, скоростных информационных сетей, но и с новым подходом к получению и интерпретации результатов измерений. Спутниковые исследования проводятся на небольшой площади, но они дают возможность обобщать данные на огромные пространства и даже на весь земной шар. Спутниковые методы, как правило, позволяют получать результат за сравнительно короткий интервал времени.
Также практическое использование космических снимков лежит в тематическом картографировании и кадастровых задачах. Развитие методов дистанционного зондирования способствовало развитию дешифрования и попыток автоматизировать этот процесс, который в настоящее время лишь частично реализован.
Дистанционные методы делятся на активные и пассивные. При использовании активных методов спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного передатчика), регистрирует его отражение. Пассивные методы подразумевают регистрацию отраженной от поверхности объектов солнечной энергии либо теплового излучения Земли.
При дистанционном зондировании Земли из космоса используются оптический диапазон электромагнитных волн и микроволновый участок радиодиапазона. Оптический диапазон включает в себя ультрафиолетовый (УФ) участок спектра; видимый участок – синюю (B), зеленую (G) и красную (R) полосы; инфракрасный участок (ИК) – ближний (БИК), средний и тепловой.
При пассивных методах зондирования в оптическом диапазоне источниками электромагнитной энергии являются разогретые до достаточно высокой температуры твердые, жидкие, газообразные тела.
На волнах длиной более 4 мкм собственное тепловое излучение Земли превосходит излучение Солнца. Регистрируя интенсивность теплового излучения Земли из космоса, можно достаточно точно оценить температуру суши и водной поверхности, которая является важнейшей экологической характеристикой. Измерив температуру верхней границы облачности, можно определить её высоту, если учесть, что в тропосфере с высотой температура уменьшается в среднем на 6.5% на км.
38, Спутники и орбиты ДЗ
Основные виды искусственных спутников Земли:
– Полотируемые космические аппараты: Мир, МКС, Союз, Шаттл.
– Спутники связи.
– Навигационные спутники: NAVSTAR (GPS), ГЛОНАСС.
– Научные аппараты: телескоп Хаблл.
– Военные системы: системы разведки предупреждения, боевые лазеры, перехватчики (аппараты ПРО) и пр..
– Аппараты дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
Наш земной опыт говорит о том, что тело, брошенное под углом к горизонту, полетит по параболе. Но на тело, движущееся по окружности, действует, кроме притяжения, еще и центробежная сила. Если разогнать тело до нужной скорости, то центробежная сила уравновесит силу притяжения, и тело будет вращаться по круговой орбите.
Съемку производят с определенной орбиты. Параметры орбиты и скорость космического корабля обычно известны, поэтому может быть найдено его пространственное положение в заданный момент фотографирования.
У орбиты имеются следующие параметры, влияющие на снимки:
1. Форма орбит, обусловленная законами небесной механики, в зависимости от скорости движения корабля, может быть круговой, эллиптической, параболической и гиперболической. Незамкнутые параболические и гиперболические орбиты используются для вывода космических аппаратов к другим планетам, а наблюдение за Землей производится обычно с круговых и эллиптических орбит (замкнутых). Для съемки наиболее предпочтительны круговые орбиты, у которых высоты в перигее и апогее близки. Круговая орбита обеспечивает одинаковую высоту съемки земной поверхности.
2. Наклонение, определяемое углом i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора, разделяют орбиты экваториальные (i=0), полярные (i=90) и наклонные. В реальных условиях из-за особенностей гравитационного поля Земли строго полярных и экваториальных орбит (как и строго круговых) не существует, и под ними понимают околополярные, околоэкваториальные (около круговые). В число наклонных орбит входят прямые (0<i<90) и обратные (90 <i <180). Это разделение зависит от направления запуска космического аппарата относительно вращения Земли.
3. Высота. Можно выделить три группы наиболее часто используемых орбит - с высотами 100-500, 500-2000 и 36000-40000 км. Первая - это орбиты пилотируемых кораблей и орбитальных станций, для них наиболее характерны высоты 200-400 км. Вторая включает орбиты ресурсных и метеорологических спутников; для ресурсных спутников характерны высоты 600, 900 км, для метеорологических 900-1400 км. Третья группа - это орбиты геостационарных спутников; угловая скорость движения спутника в них равна скорости вращения Земли, и поэтому спутник движется синхронно с подспутниковой точкой земной поверхности. Геостационарную (геосинхронную земной орбиту) иногда назывют орбитой Кларка. Эта орбита названа в честь Артура Кларка, который первым предложил в 1945 г., чтобы спутники на геосинхронной орбите земли использовались в коммуникационных целях.
Таким образом, орбиты разной высоты обеспечивают решения различных съемочных задач: низкие околоземные орбиты используются для детальной фотографической съемки, орбиты средней высоты - для оперативной менее детальной съемки и удаленные геостационарные орбиты - для постоянного наблюдения за отдельным районом.
4. Период обращения. Время оборота спутника вокруг Земли - также представляет интерес с точки зрения съемки, от него зависит число витков в сутки и соответственно межвитковое расстояние, определяющее возможность перекрытия снимков соседних трасс. Обычно спутники на околоземных орбитах имеют при скорости 11 км/с период обращения 1.5 часа, за сутки около 16 витков вокруг Земли. Межвитковое расстояние при этом составляет примерно 25.5 градусов, что на экваторе соответствует 2500 км. Учитывая, что охват снимков для большинства видов аппаратуры существенно меньше (для фотографической аппаратуры, например, 100-200 км.), такая съемка без разрывов с соседних витков в одни сутки невозможна. Если трассы ежесуточно повторяются (такие орбиты называются суточными периодическими, что бывает при периоде обращения, кратном 24 ч.), то и разрывы в съемке будут сохраняться.
Поэтому для съемки рассчитывают орбиты таким образом, чтобы небольшое суточное смещение трасс обеспечивало съемку в последовательные сутки без разрывов и с некоторым перекрытием. Это возможно на так называемых квазипериодических орбитах с определенным суточным сдвигом трассы спутника на ширину зоны охвата съемкой с учетом необходимого перекрытия полос обзора.
5. Положение орбиты по отношению к Солнцу. Для космических съемок большое значение имеет способность орбиты сохранять постоянную ориентацию на Солнце. Достоинство таких солнечно-синхронных орбит, у которых угол между плоскостью орбиты и направлением на солнце остается постоянным, состоит в том, что они обеспечивают одинаковую освещенность земной поверхности вдоль трассы полета космического аппарата.
Таким образом, для глобальной съемки Земли целесообразно использовать орбиты, одновременно являющиеся круговыми, полярными, квазипериодическими и солнечно-синхронными. В интервале высот 400-1000 км. Эти требования удовлетворяют орбиты с 14 и 15 витками в сутки и высотой около 570, 700 и 900 км. Они используются для ресурсных спутников.
В случае наличия на борту спутника приборов, имеющих различные по ширине полосы обзора (различным разрешением на местности), рассчитываются такие орбиты, которые могли бы обеспечить полное покрытие поверхности Земли съемкой с помощью каждого вида аппаратуры.
1. Снимки в видимом и ближнем красном (световом) диапазоне Видимый и ближний красный световой диапазон включает 0.4-0.75 и 0.75-3 мкм. световой диапазон. Лучи почти полностью пропускаются атмосферой и сюда приходится почти вся энергия солнечного излучения. Солнечные лучи, падая на земную поверхность, по-разному отражаются ее в соответствии со спектральной отражательной способностью объекта.
Отраженная солнечная радиация воспринимается глазом, чувствительным именно к излучению видимого диапазоне от 0.4 до 0.75 мкм; благодаря избирательному отражению различают цвет наблюдаемых объектов.
На снимках в световом диапазоне зафиксированы оптические свойства объектов. Используются различные фотографические приемники, которые регистрируют излучения до 0.9 мкм. Использование фотоэлектрических приемников (в сканерной системе) позволяет расширить на ближний инфракрасный диапазон.
Возможность съемки в световом диапазоне обуславливаются прозрачностью атмосферы для волн от 0.4 до 1.3 мкм. Однако серьезное препятствие - это облачность. Кроме того, рассеивание приводит к искажению, особенно в коротковолновой голубой части спектра и 24 приводит к снижению контрастности. Качество снимков зависит от способа получения снимков и их передачи.
Фотографические снимки. Используется фотографирующая система (объектив + фотопленка). Экспонирование происходит в космосе, фотографическая обработка на Земле. Пленка на Землю попадает либо в сброшенных контейнерах, либо при посадке спутника. Запасов пленки на борту ограничено и доставка редка. Но эти снимки высокого качества с хорошими геометрическими и фотометрическими характеристиками.
Телевизионные и сканерные снимки. Телевизионная и сканерная съемка позволяет систематически получать изображения и передавать их на Землю на приемные станции. Используются кадровые и сканирующие системы. В первом случае - это миниатюрная телевизионная камера, в которой оптическое изображение, построенное объективом на экране переводится в форму электросигналов и по радиоканалам передается на землю. Во втором случае качающееся зеркало сканера на борту улавливает отраженный от Земли световой поток, поступающий на фотоумножитель.
Сканер с цилиндрической разверткой в принципе представляет собой маятник, закрепленный в одной точке и колеблющийся поперек направления движения. На конце маятника в его фокальной плоскости установлен объектив с точечным фотоприемным устройством. При движении аппарата над Землей с выхода фотоприемного устройства снимается сигнал, пропорциональный освещенности в видимом или ближнем ИК-диапазоне того участка земной поверхности, на который в данный момент направлена ось объектива. На практике сканер неподвижен, а качается (вращается) зеркало, отражение от которого через объектив попадает в фотоприемное устройство. Линейный сканер содержит расположенные в линию неподвижные фоточувствительные элементы, число которых обычно колеблется от 100 до 1000. Такая линия называется линейкой приборов с зарядовой связью (ПЗС). На линейку через объектив фокусируется изображение земной поверхности, все элементы находятся в фокальной плоскости. Линейка, ориентированная поперек направления движения спутника, перемещается вместе с ним, последовательно «считывая» сигнал, пропорциональный освещенности различных участков поверхности и облаков. Линейные сканеры на ПЗС работают в ви-димом и ближнем ИК-диапазонах. 25
Преобразованные сигналы сканера по радиоканалам передаются на Землю. На приемных станциях записываются в виде изображений.
Телевизионные и сканерные снимки могут передаваться в реальном масштабе времени, т.е. во время прохождения спутника над объектом съемки. Оперативность - это отличительная черта данного метода. Однако качество снимков уступает фотографическим снимкам. Разрешение сканерных снимков определяется элементом сканирования и в настоящий момент составляет 80 - 30 м. Снимки этого типа отличаются строчно-сетчатой структурой, заметной только при увеличении на снимках высокого разрешения. Сканерные снимки большого охвата имеют существенные геометрические искажения. Сканерные снимки поступаю в цифровой форме, что облегчает компьютерную обработку.
Фототелевизионные снимки. У телевизионных снимков малое разрешение. У фототелевизионных — фотографирование происходит с помощью фотокамеры (в результате хорошее качество), а передача осуществляется по телевизионным каналам. Таким образом, объединяются преимущества фотографии с его высоким разрешением и оперативная доставка изображений.
2. Снимки в тепловом инфракрасном диапазоне Тепловой инфракрасный диапазон от 3 до 1000 мкм, но большая часть не пропускается атмосферой. Существуют три окна прозрачности. 3-5, 8-14, 30-80 мкм. Первые два используются для съемки. Интенсивность излучения Солнца в этом диапазоне незначительна, но зато на волны длиной 10-12 мкм приходится максимум собственного теплового излучения Земли. Поскольку у различных объектов земной поверхности 26 (суши, воды, по-разному увлажненных почв и т.п.) оно неодинаково, есть возможность судить о характере излучающих объектов.
Тепловые инфракрасные радиометры дают сигналы разной силы для объектов с различной температурой. При построении по этим сигналам изображения - теплового инфракрасного снимка - получают температурные различия объектов съемки. Обычно на таких снимках холодные объекты выглядят светлыми , теплые - темными.
Пространственное разрешение тепловых снимков в диапазоне от 1 км - с метеоспутников до сотен метров - с ресурсных спутников. Температурное разрешение составляет десятые доли градуса. Съемки можно вести ночью, в условиях полярной ночи. Облачность мешает съемке, так как регистрируется температура не земной поверхности, а облаков.
Космические съемки в тепловом инфракрасном диапазоне проводятся со всех метеоспутников, в том числе геостационарных.
3. Снимки в радиодиапазоне Для дистанционного исследования Земли используются ультракоротковолновый диапазон с длинами от 1мм - до 10 м, т.е. СВЧ диапазон (микроволновый). Он практически свободен от влияния атмосферы. Окно прозрачности — от 1 см до 10 м. При съемке фиксируется либо собственное излучение Земли (пассивная радиометрия), либо отраженное искусственное излучение (активная радиолокация)., т.е. микроволновых радиометрические и радиолокационные снимки.
Микроволновые радиометрические снимки. С помощью микроволновых радиометров фиксируется микроволновое излучение различных объектов - радиояркостные температуры. По сигналам излучения строится пространственное изображение - микроволновый радиометрический снимок, на котором по-разному изображаются объекты, обладающие неодинаковыми излучающими свойствами. Излучение металлов минимально и равно 0; излучение растительности и сухой почвы определяется коэффициентом 0.9, а воды — 0.3. Т.е. можно различать разные по влажности почвы, воды с разной степень солености, объекты с разной кристаллической структурой, промерзания грунтов. На таких снимках по-разному выглядят морские льды разного возраста - многолетние и однолетние, которые могут не различаться в обычных оптических снимках. Метод пассивной микроволновой съемки пока применяется ограничено.
Радиолокационные снимки. Ультракороткий радиодиапазон может использоваться в активной радиолокации. На носители устанавливается активный источник радиоизлучения с антенной, действующей по принципу просмотра местности поперек линии маршрута. Посылаемый на 27 Землю радиосигнал по-разному отражается поверхностью и улавливается регистрирующей аппаратурой. Из таких сигналов формируются радиолокационные снимки, на которых отображается шероховатость поверхности, ее микрорельеф, особенности и состав пород.
Радиолокационные снимки могут применяться в океанологии для изучения волнения и ветров, в геологии, гидрогеологии, в с/х, изучения 28 городов. Радиолокационные съемки применяются со спутников «Shuttle», Алмаз, Венера. Разрешение 25-40 м, однако охват небольшой — 20-100 км.
Пассивная и активная съемка - всепогодные, из-за абсолютной прозрачности атмосферы для волн этого диапазона. Она может производится ночью, при облачности, дожде, тумане. И в оперативном режиме передаваться информация.
На снимки в видимом и инфракрасном диапазоне приходится почти 80% все информации, поступающей из космоса. Снимки теплового инфракрасного и радиодиапазона лишь недавно стали получать с хорошим качеством и постепенно их значение будет возрастать.
41. Глобальная система позиционирования (GPS)
В последние годы всё чаще в обыденной жизни можно встретить аббревиатуру GPS, которая расшифровывается как Global Positioning System – Глобальная Система Позиционирования. Эта система состоит из сети спутников, которые в непрерывном режиме посылают электромагнитные сигналы на Землю. Используя специальный приемник такого излучения, измеряющий расстояние до спутников, можно с установленной точностью (от нескольких метров до нескольких миллиметров) определить месторасположение объекта на земной поверхности.
Идея создания системы глобального позиционирования возникла в 50 гг. прошлого столетия и нашла свое воплощение в Университете Джона Хопкинса. GPS была создана по заказу Министерства Обороны США в 1969 году и изначально состояла из 24 спутников, вращающихся по 6 круговым орбитам на высоте около 20 000 км над уровнем моря с наклонением 55o (рис.1), и сети специальных наземных станций слежения, обеспечивающих регулярное определение параметров движения спутников и коррекцию бортовой информации об их орбитах. Спутники передают на Землю сигналы малой мощности, но её вполне достаточно для местонахождения любого объекта. Эта система обошлась США в 12 млрд. долларов.
Каждый современный спутник на своем борту несёт ряд высокотехнологического оборудования, основу которого составляют:
• четверо атомных часов;
• три кадмий-никелевые батареи;
• две солнечные батареи мощностью чуть более киловата;
• антенна коротковолнового диапазона для управления спутником;
• 12-ти элементная антенна длинноволнового диапазона для связи с пользователем.
В настоящее время используются GPS-приемники, размер которых сравним с размером сотового телефона, а вес составляет несколько сотен граммов. При этом GPS-приемник сообщает пользователю не только координаты нахождения (широта и долгота), но и отображает местоположение на электронной карте наряду с городами, транспортными магистралями и многими другими объектами.
Кроме определения трех текущих координат (долгота, широта и высота над уровнем моря) GPS обеспечивает:
• определение трех составляющих скорости объекта;
• определение точного времени с точностью не менее 0.1 с;
• вычисление истинного путевого угла объекта;
• прием и обработку вспомогательной информации.
Термин «позиционирование» — более широкий по отношению к термину «определение местоположения». Позиционирование помимо определения координат включает определение вектора скорости движущегося объекта. Полное название системы GPS Navstar (Navigation System with Time and Ranging) — навигационная система на основе временных и дальномерных измерений.
GPS состоит из трех частей: космического сегмента, сегмента управления и контроля и сегмента пользователей. Спутниковый сегмент состоит из созвездия функционирующих в эпоху наблюдений спутников. Сегмент управления и контроля содержит главную станцию управления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников. Сегмент пользователя — это совокупность спутниковых приемников, находящихся в работе.
Номинально в каждый момент времени имеется 24 работающих спутника, которые распределены по шести круговым орбитам. На каждой орбите, таким образом, находится четыре спутника. Плоскости орбит разнесены по долготе на 60 градусов. Наклон плоскости орбиты к плоскости экватора составляет 53 градуса. Расстояние спутников от поверхности Земли — 20,2 тыс. километров. При такой высоте орбиты период обращения равен половине звездных суток. Наблюдателю это удобно. Он знает, что если сегодня в такое-то время спутник находится в такой-то точке небосклона, то ровно через сутки тот же спутник будет примерно там же. Удобно планировать наблюдения. Самым дорогим оборудованием спутников являются атомные эталоны частоты-времени, обеспечивающие наносекундную точность хода бортовых часов.
В задачи сегмента управления и контроля (Operational Control System) входит слежение за спутниками для определения параметров их орбит (эфемерид) и поправок часов относительно системного времени GPS, прогноз орбит спутников и их местоположения на орбитах (прогноз эфемерид), временная синхронизация часов относительно времени системы, загрузка навигационного сообщения в бортовые компьютеры спутников. Главная станция управления и контроля (Consolidated Space Operations Center) находится в Колорадо-Спрингс (США). Центр собирает и обрабатывает данные со станций слежения, вычисляет и предсказывает эфемериды спутников, а также параметры хода часов. Затем данные передают на одну из трех наземных станций для закладки информации в память бортовых компьютеров. Пять станций слежения за спутниками, равномерно расположенные по всему миру, каждые полторы секунды определяют дальность до всех находящихся над горизонтом спутников. Данные слежения передаются на главную станцию управления и контроля.
GPS была разработана для военных целей: безошибочное перемещение отрядов по местности, оптимальное развертывание артиллерии, определение кратчайшего пути до объекта уничтожения. В начале 80-х гг. прошлого столетия GPS стала доступна и гражданскому населению. Теперь практически каждый житель Земли может по достоинству оценить функциональные возможности GPS, причем совершенно бесплатно (на самом деле услуги GPS во многих странах учтены в налоговых сборах).
GPS используется не только на земле, но также на море и в воздухе.
GPS призывают на помощь везде, за исключением тех мест, где невозможно принимать сигнал (пещеры, шахты, полости). Области применения GPS чрезвычайно широки. Это и навигация любых подвижных объектов – частных автомобилей, инкассаторских машин, кораблей и самолетов. Землеустроительные задачи, картография и координирование строительных объектов относятся к такой группе приложений, как измерение Земли и ее поверхности.
Типичная точность современных GPS-приёмников в горизонтальной плоскости составляет примерно 10-12 метров при хорошей видимости спутников.
Путем применения корректирующих систем можно достигнуть точности порядка 1 м.
Существует класс систем, которые основаны на относительной навигации. Если есть точка, координаты которой геодезическими методами известны с очень высокой точностью, буквально миллиметры или сантиметры, мы можем привязать эту точку к навигационному приёмнику. Соответственно, относительно этой точки другой навигационный приёмник за счёт изменения разности координат между теми идеальными, которые измерены при помощи геодезических методов, и теми координатами, которые он вычисляет на основании спутниковых сигналов. Мы можем на расстоянии, измеряемом десятками километров, иметь буквально миллиметровую точность.
Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн (длины волны – 19 и 24 см), уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному 6 приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь.
Рассмотрим несколько основополагающих идей, позволяющих определять свое местоположение на поверхности Земли с помощью системы глобального позиционирования.
А — местоопределение по расстоянию до спутников. Зная координаты навигационных спутников и умея измерять расстояние до них, определить координаты наблюдателя — дело техники. Например, если мы знаем, что от нас до навигационного спутника, скажем, 11 тыс. км, то это значит, что мы находимся где-то на воображаемой сфере радиусом в 11 тыс. км с центром, совпадающим с этим спутником. Если одновременно с этим расстояние до другого спутника составляет 12 тыс. км, то наше местоположение будет где-то на окружности, являющейся пересечением двух таких сфер. И, наконец, знание дальности до третьего спутника сократит количество возможных точек нашего местонахождения до двух, одна из которых будет находиться где-то далеко в космосе (и мы ее отбрасываем), а другая — на земле, рядом с нами.
Б — измерение расстояния до спутника. Школьная истина гласит: «расстояние есть скорость, умноженная на время движения». Навигационный приемник так и работает. Он измеряет время, за которое радиосигнал доходит от спутника до нас, а затем по этому времени вычисляет расстояние. Главной трудностью при измерении времени прохождения радиосигнала является точное выделение момента его передачи со спутника. Для этого на спутнике и в приемнике в одно и то же время генерируется одна и та же кодовая последовательность. Теперь остается только сравнить время их рассогласования, умножить его на скорость распространения радиоволн, и, казалось бы, дело сделано. Однако если спутник и приемник имеют расхождение временных шкал только в одну сотую секунды, то ошибка измерения расстояния составит около 3 тыс. км!
В — совершенная временная привязка. Чтобы избежать таких ошибок, на спутнике устанавливают атомные часы, точность которых составляет наносекунды, а стоимость — сотню тысяч долларов. Иметь такие же часы в приемнике — слишком дорогое удовольствие. Однако можно обойтись и простыми часами, если измерять дальность не до трех, а до четырех спутников. В этом случае четыре неточных измерения (с «расстроенными» часами) позволяют исключить относительное смещение шкалы времени приемника. И вот каким образом.
Г — определение положения спутника в космическом пространстве. Чтобы все вышеизложенное успешно выполнялось, необходимо точно знать местоположение каждого навигационного спутника. Для этого, во-первых, спутники запускают на высокие орбиты (около 20 тыс. км), где движение стабильно и прогнозируемо с большой точностью. А во-вторых, незначительные изменения в орбитах постоянно отслеживаются. При этом сведения о местоположении спутника записываются в память бортового компьютера и затем передаются на приемник вместе с кодовой последовательностью.
Д — коррекция задержек сигнала. Как бы совершенна ни была система, есть несколько источников погрешностей, которые очень трудно избежать. Самые существенные из них возникают при задержке радиосигнала в ионосфере (слое заряженных частиц на высоте 120–200 км) и тропосфере (8–18 км) Земли. Величина задержек непостоянна и зависит от солнечной активности и погодных условий.
Существуют два метода, которые можно использовать, чтобы сделать ошибку минимальной. Во-первых, мы можем предсказать, каково типичное изменение скорости распространения радиоволн в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку в измерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным.
Другой способ состоит в использовании двух частот несущих колебаний. По разности задержек двух разночастотных сигналов нетрудно выяснить величину замедления скорости света в атмосфере.
Точность системы слежения
При обычном использовании системы слежения ни абонент, ни оператор не видят координат наблюдаемого объекта в числовом представлении. Все, что доступно человеку, сидящему в диспетчерском центре — это положение значка относительно объектов электронной карты. Как следствие — недостаточно сказать, что точность системы составляет, скажем, 50 метров. Численно может быть выражена только точность работы GPS компонента. Надо четко понимать, что эта величина — вероятностная. То есть, если мы возьмем круг радиусом 100 метров, GPS приемник и встанем в центр круга, то одно из тысячи измерений, сделанных приемником, даст координаты вне этого круга. Как распределятся остальные точки? Большинство их попадет в 40-метровый круг. Шанс получить координаты, которые не впишутся в зону с диаметром 300 метров в нормальных условиях, пренебрежимо мал.
Применение GPS
Анализ применения технологии GPS показал, что она используется не только в геодезии и картографии, но и в землепользовании, экологии, наземной навигации, архитектуре и строительстве, геологии, региональном управлении, железнодорожном транспорте, образовании, метеорологии, демографии, здравоохранении и т.д.
Следует отметить эффективность применения данной системы для решения задач землеустройства. Практическое использование спутниковой навигационной системы выявляет ряд ее преимуществ при выполнении землеустроительных работ:
На сегодняшний день существует две крупные спутниковые радионавигационные системы: GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС.
42.
ГЛОНАСС
Первый отечественный навигационный спутник «Космос-192» был выведен на орбиту 27 ноября 1967 года, а в 1979 году была создана навигационная система первого поколения «Цикада», в составе которой было 4 низкоорбитальных спутника. В ответ на создание американцами NAVSTAR, советские военные начали разрабатывать систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная Навигационная Спутниковая Система). В 1982 году были запущены первые ее спутники. До штатного же состояния количество спутников ГЛОНАСС было доведено в 1996 году. Помимо военных задач, советские навигационные системы использовались и в гражданском флоте.
Спутники ГЛОНАСС, находящиеся на высоте 19100 км, излучают навигационные сигналы в двух диапазонах L1 (1200 МГц, длина волны 19 см) и L2 (1600 МГц, длина волны 24 см). Они размещены на трех орбитах (по 8 спутников на каждой) под углом 45о. Период обращения спутников — 11 ч. 15 мин. Точность определения горизонтальных координат составляет 50-70 м, вертикальных — 70 м (с точностью 99,7%).
Система ГЛОНАСС распространена не столь широко, как GPS: до недавних пор пользоваться услугами ГЛОНАСС могли лишь немногие. В 1995 году правительство издало постановление за номером 237 «О проведении работ по использованию глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах гражданских потребителей». В этом постановлении министерству обороны, РКА и министерству транспорта предписывалось обеспечить услугами ГЛОНАСС «отечественных военных и отечественных гражданских потребителей и зарубежных гражданских потребителей».
Центр управления системой (ЦУС) ежесуточно осуществляет планирование задействования контрольных станций и их средств измерения. Контрольные станции (КС) осуществляют траекторные и временные измерения, собирают телеметрическую информацию о состоянии бортовых систем, передают на борт спутников служебную информацию.
Сравнение GPS и ГЛОНАСС
Системы GPS и ГЛОНАСС введены в эксплуатацию практически одновременно и в перспективе могут служить исходными составляющими элементами общей Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), проекты которых обсуждаются научной общественностью. Кроме того совместное использование повышает точность измерений и отказоустойчивость для конечного пользователя.
Общие характеристики
Обе глобальные системы имеют схожее общее построение: трехсегментную организацию системы, отработанную на навигационных системах первого поколения (Transit, США; Цикада, СССР) примерно равную высоту орбит (-20 тыс. км) одинаковое количество спутников (24 шт.).
Различия систем
Существенные различия. Система GPS отличается от системы ГЛОНАСС тем, что в системе GPS используют две рабочие частоты L1=~1600 МГц и L2 = 1200 МГц и кодовое разделение сигналов от спутников. В системе ГЛОНАСС используют две полосы частот L1 и L2 , но каждый спутник работает на двух собственных частотах в обоих диапазонах.
Частотное разделение сигналов от спутников повышает помехоустойчивость передаваемых сигналов, а тем самым и надежность системы.
Частотное разделение сигнала вынудило разработчиков увеличить реальную мощность спутникового сигнала. Это наряду с отсутствием искажений в структуре псевдошумового кода при частотном разделении дает системе ГЛОНАСС определенное преимущество перед GPS в сложных условиях наблюдений:
Из-за разных периодов обращения спутников (11ч 57мин у GPS и 11ч 15 мин у ГЛОНАСС) системы имеют как некоторые преимущества, так и некоторые недостатки:
Ошибки навигационных определений ГЛОНАСС (при точности в 95%) по долготе и широте составляли 4—8м при использовании в среднем 7-8 спутников (в зависимости от точки приёма). В то же время ошибки GPS составляли 2-8 м при использовании в среднем 6-11 спутников.
При совместном использовании обеих навигационных систем ошибки составляют 2-5 м при использовании в среднем 14-19 спутников.
Принимаются меры по увеличению точности. К 2010 году точность системы ГЛОНАСС должна быть улучшена до 5,5 метров, а к 2011 году до 2,8 метров. Среди мер по повышению точности российской системы обычно называются пополнение орбитальной группировки, увеличение точности эфемерид, улучшение потребительских устройств и постепенная замена спутников на более совершенныеГлонасс-М и Глонасс-К.
В целом спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС имеют примерно одинаковые параметры и возможности их использования для высокоточных определений (геодезия, геофизика, авиация и т.д.)
В России при поддержке государства приемниками ГЛОНАСС оснащается муниципальный транспорт, милиция, скорая помощь, машины МЧС, пожарные и ряд других экстренных служб, существуют инициативы по оснащению личных автомобилей. Приемники, в которых используются чипы с возможностью работы с обеими системами позиционирования обладают налоговыми льготами при ввозе в Россию по сравнению с работающими только GPS Navstar.