Географические и экологические информационные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конспект лекций

Географические и экологические информационные системы



Введение

«Введение в предмет «Географические информационные системы».

В настоящее время активное управление предприятиями и организациями реализуется с помощью информационных систем, построенных на концепции базы данных. При этом сохранение объектов различного назначеиян под контролем облегчает принятие оперативных и стратегических решений.

Изза проникновения информационной технологии во все сферы человеческой деятельности системный подход к использованию этих технологий еще более увеличивает плодотворность их применений.

Географическая информационная система - это сложный комплекс, построение которого при системном применении информационной технологии связано с пространственным представлением картографических данных. географический информационный зондирование проекция

Эти данные обеспечиваются техническими, программными и информационными средствами.

Основная функция географической информационной системы, построенной на основе базы данных, состоит из реализации качественных и количественных характеристик объектов и описания их атрибутов на поверхности цифровых карт. Для этого выполняется автоматизированный сбор, поиск и визуализация результатов на цифровых картах.

В состав географической информационной системы входит один или несколько компьютеров, организованных в виде сети, одной или нескольких баз геоданных, СУБД, пакета прикладных программ и персональных услуг.

На современном этапе применение во всех областях человеческой деятельности этой технологии приобрело массовый характер и геоинформатика, как одна из областей науки, развивалась быстрыми темпами. В настоящее время географические информационные системы очень успешно применяются с достижениями конкретных результатов в экологии, энергетике, телекоммуникации, прогнозов чрезвычайных ситуаций и в решении специальных вопросов.

В рамках данного курса дается информация о географических информационных системах, их видах (классификация), основные понятия о картографии, структуры пространственных данных, методы сохранения географических данных, отображение карт в компьютере, основные теоретические понятия о принципах построения графических топологий. Для ра -боты с ГИС созданы различные программные средства. Среди них получило широкое распространение программный пакет пользователя ArcView GIS.

С его помощью решаются многие вопросы, связанные с построением ГИС, а именно: изучается интерфейс программного пакета пользователя, рассматривается создание проекта автоматизированного картографии на основе растрового и векторного описания. В рамках программного пакета показаны создание географических объектов (точка, линия и полигон) и правила поведения различных операций над данными объектами. С реализацией перечисленных названий пользователям представляются электронные картограммы (карты) с помощью визуального и интерактивного интерфейса.



1. Основная сущность ГИС, возникновение история развития

1.1 Общие сведения о ГИС

Географическая информационная система (ГИС), связанная с пространством и обеспечивающая сбор, сохранение, обработку, анализ, поиск данных, является техническим программным комплексом, обеспечивающий картографическое представление. На основе анализа пространственных данных ГИС вырабатываются решения оптимального управления объектами.

Часто с термином ГИС используются также термины «Геоинформатика», «Геоматика», Геореляционные информационные системы», «Пространственная информационная система», «Информационная система естественных ресурсов». В пространстве СНГ, в том числе и в Азербайджане в основном очень широко используются термины «Географические информационные системы» и «Геоинформатика».

В современные ГИС вводятся объекты с качественными и количественными характеристиками, которые построены на основе базы данных. Они снабжены цифровыми картами по различных тематическим слоям и обеспечивают визуализацию графических данных. Такие системы для обработки и анализа данных создают новые аналитические возможности и повышают оперативность управляющего механизма.

ГИС как одна из областей науки отвечает на нижеследующие вопросы:

Где расположен объект А ?

Где расположен объект В, контролирующий объект А ?

Сколько объектов С расположено в промежутке между объектами А и В?

На сколько больше объект В по своему размеру?

Каков результат пересечения объектов А и В?

Кроме этого, ГИС поддерживает процессы инвентаризации геосистем, оценки прогнозирования, оптимизации и управления. ГИС образует тесную связь с картографией.

Здесь Фотограмметрия научнотехническая дисциплина, занимающаяся определением размеров, формы и положения объектов по их изображениям на фотоснимках.

Основные достоинства фотограмметрических методов работ:

большая производительность, т.к. измеряются не объекты, а их изображения;

высокая точность благодаря применению точных аппаратов и инструментов для получения и измерения снимков, а также строгих способов обработки результатов измерений;

возможность изучения как неподвижных, так и движущихся объектов;

полная объективность результатов измерений;

измерения выполняются дистанционным методом, что имеет особое значение в условиях, когда объекты недоступны (летящий самолёт или снаряд) или когда пребывание в зоне объекта небезопасно для человека (действующий вулкан, ядерный взрыв).

Фотограмметрия широко применяется для создания карт Земли, других планет и Луны, измерения геологических элементов залегания пород и документации горных выработок, изучения движения ледников и динамики таяния снежного покрова, определениялесотаксационных характеристик, исследования эрозии почв и наблюдения за изменениями растительногопокрова, изучения морских волнений и течений и выполнения подводных съёмок, изысканий,проектирования, возведения и эксплуатации инженерных сооружений, наблюдения за состояниемархитектурных ансамблей, зданий и памятников, определения в военном деле координат огневых позиций целей и др.



1.2 История развития ГИС

Связанная с динамическим развитием компьютерной технологии, расширился круг сред, где применяется ГИСтехнология и эта технология, начиная с 50х годов 20го века до наших дней прошла четыре этапа развития. К ним относятся следующие этапы:

Пионерный (первоначальный) период (1950 1970). К этому периоду относится исследование принципиальных возможностей информационных систем, изучение первоначальных проектов и теоретических работ, приобретение знаний и технологий.

Период инициативных попыток (1970 1980). К этому периоду относится при поддержки со стороны государства финансирование развития широкомасштабных проектов ГИС и создание государственных институтов по геоинформатике.

Период развития коммерции (1980 - 1990) . К этому периоду относится наличие рынка различного вида программных средств, развитие инструментальных средств ГИС, интеграция пространственных данных с атрибутивными данными (БД) и их применение, работа ГИС в корпоративной сети, увеличение непрофессиональных пользователей, связывание геоданных с пользователем.

Период пользователя (1990 - до наших дней). Возникновение коммерческих предприятий, занимающихся ГИСтехнологией, напряженное соперничество между фирмами, привило к доступности пользователей к программным средствам. В таких случаях качество программных средств повышается. В настоящее время на рынке программных продуктов, работающие с пространственными данными, имеются многофункциональные ГИС, основанные на автоматизированных системах проектирования (АСП).



2. Основные компоненты ГИС

Основные компоненты в составе ГИС и обеспечивающие его части.

ГИС в основном классифицируется пятью компонентами, как показано ниже:

технические средства;

программные средства;

данные и источники данных;

пользователи;

методы манипуляции с данными и алгоритмы.

Создавая ГИС с помощью технических средств, последние активизируются. Об этих технических средствах дается обширная информация в разделе «Техническое обеспечение ГИС».

Одна их основным составной считается программное обеспечение, которая выполняет визуализацию геоданных, их сохранение, поиск и обработку.

Об этом дается всестороннее объяснения в разделе «Программное обеспечение».

Одним их важнейшим компонентом ГИС являются данные. Во многих случаях в ГИС используются метаданные. Метаданные - это данные о данных. Здесь в качестве источника данных могут использоваться картографические материалы, способы дистанционного зондирования, приемники GPS, статические материалы, списки литературы.

Пользователями ГИС могут быть как инженернотехнический персонал, реализующий систему, так и обладающий необходимыми знаниями работники различного уровня (операторы, лаборанты, эксперты и т.д.).

Работа ГИС с точки зрения экономии сильно зависит и от плодотворного применения метода, и от алгоритма. Это приводит к рационализации выполняемых операций по данным и увеличивает оперативность управления.

Основные части, обеспечивающие ГИС, следующие:

техническое (аппаратное) обеспечение;

программное обеспечение;

информационное.

Одним из основных компонентов ГИС является наука о картографии. Как одна из областей науки картография охватило несколько отделов. В послед -нее время эти отделы в отдельности друг от друга, преобразуясь в любую область применения, повысило авторитет геоинформатики.

Необходимо отметить, что пользователи, используя программные средства различного характера, успешно применяют соответствующие отделы картографии при подготовки интерактивных карт. В этих случаях автоматизация картографических процессов упрощают задачу.

2.1 Разделы картографии

Как одна из областей науки современная картография делится на 7 разделов. Они делятся на: картоведение, математическую картографию, составление карт и редактирование, графическое составление карт, издание карт, организацию картографического производства и экономику. Несмотря на то, что эти разделы тесно связанны между собой, каждый из них решает свойственное ему специальные задачи.

Картоведение - изучает географические карты, их сущность, элементы, историю развития карт и картографии, способы использования карт.

Математическая картография - изучает теорию картографических проекций, расчет картографических сетей и способы построения, масштабы и координатную систему.

Составление карт и редактирование - идет речь о составлении и редактировании в лабораторных условиях, основываясь на готовых карторафических материалах, различных общегеографических и специальных карт.

Графическая обделка (украшение) карт - речь идет о способах описания содержания карты различными красками и штриховкой, основываясь на графике, цветов и применения их в географических картах.

Издание карт - речь идет об издании карт, которая относится к области полиграфии, основанная на физикохимических и технических науках.

Картометрия - идет речь о способах измерения и расчета величин - длина по карте, площадь, углы, высоты, наклоны, объемы и прочее.

Организация производства и экономика картографии - производственные предприятия картографии разрабатываются на основе планируемых методов производственнохозяйственной деятельности, изучают и обобщают их рабочий опыт.

Автоматизация картографических процессов в настоящее время успешно проводится в жизнь с помощью применения технологии ГИС и САП.

2.2 Картографическая информация

Картографическая информация в ГИС характеризуется двумя основными понятиями:

пространственная информация (данные, определяющие географическое положение);

непространственная информация (атрибутивные данные).

Информация, связанная с пространством географических объектов, определяет их форму и положение, а также взаимодействие их с другими объектами, а атрибутивная информация об этих объектах определяет конкретные данные. Пространственные объекты объединяют в себе географические объекты и характеризуются с объектами точка, линия, полигон.

Итак, описание цифровых данных (пространственные и атрибутивные объекты) объединяют в себе нижеследующие:

имя объекта;

месторасположение объекта;

свойства (особенности) объекта;

возможности связи с другими объектами.

Здесь наименование объекта определяет его географическое имя (если есть).

Для каждого наименования присваиваются соответствующие идентификаторы.

Для получения пространственной информации во многих случаях за основу принимается временной критерий. В таких случаях в определенном временном интервале данная информация собирается со стороны наблюдателей.

Временные данные, в основном, периодически регулярно измеряются три раза в сутки в различные времена года в пунктах наблюдения. Сбор временных сообщений во время измерения зависит от точности приборов.

По пространственным и тематическим признакам однотипные объекты объединяются в слоях цифровых карт. Информация в каждом слое рассматривается в отдельности, как единственная. Для этого получаемая информация должна быть согласована с соответствующими слоями.

Пространственные отношения между объектами выражаются графическими описаниями. Определение близости, дальности, смежности объектов относительно друг друга в пространственном сравнении выполняется со стороны человека, а в особых случаях - со стороны системы (компьютера). Например, смотря на карту, можно уяснить, расположение любого города X вблизи озера Y, какая больница расположена в ближайшем расстоянии от этого города и туда какой дорогой (кратчайшей) целесообразно поехать и т.д.

Можно показать соответствующую информацию на поверхности карты. В это время для проведения в жизнь интерпретации пространственных связей можно провести извлечение из других графических карт.

2.3 Картографические объекты

На поверхности цифровых карт совре информация сохраняется в виде комплекта компонентов (слои, географические объекты). В любой области (пространства) географические объекты со стороны информации делятся на две части: дискретные и непрерывные.

Позиции объектов дискретного типа должны быть точными. Дискретные объекты могут выражаться как точка, линия или многоугольник (площадь, полигон). Дискретные объекты могут быть определены в любой точке. Место этого типа объектов дается в виде координатной пары и их на поверхности карт можно систематизировать. Здесь объекты могут характеризоваться точ -ками различного цвета и размера.

Точечный объект - вместе с описанием особой дискретной позиции опре деляет на карте некоторые цели. В некоторых случаях изза малых размеров точек описание их линий и контуров невозможно. Есть такие объекты, которые, хотя и описываются точками, не могут быть принадлежать определенной площади. Как пример таких объектов, можно показать вершины возвышенностей. Точечные объекты в основном снабжаются отметками различных размеров, знаками и цветами (кружочками, треугольниками и т.д.).

Данные знаки увязывают с соответствующими идентификаторами (ID).

В качестве примера точечных объектов можно показать буровые скважины, места взятых образцов бурения, количество населения города и т.д.

Идентифицированные точки - выражаются с положением знака и непосредственно служат для идентификации полигонов. Идентифицированные точки проводят в жизнь связь между полигонами.

Реперы - взятые на регистрацию сбор точек и определяют положение точек на поверхности Земли. Эти точки основываются на реальных географических координатах.

Линейные объекты - представляются в виде упорядоченного набора координат. Такие объекты чертятся в виде длинных и узких линий. В качестве линейных объектов можно показать дороги, улицы, нефтепроводы, электрические линии и т.д.

В большинстве случаев дискретные объекты характеризуются в виде многоугольников. Иногда эти объекты именуются полигонами. Полигонные объекты снабжаются замкнутыми контурами. Административные карты, карты, описывающие земляные площади, являются примерами площадь -мерными дискретными объектами.

Карты загрязнения территорий, климатические карты, карты рельефов относятся к непрерывным объектам. В это время точки, находящиеся между известными точками, приобретают соответствующие значения, и в результате получается непрерывный объект. Непрерывные объекты отличаются от дискретных объектов тем, что значение величин этих объектов может измеряться в разрешенной точке. Объекты этого типа описываются в виде контуров.

Для систематизации графических объектов на цифровой карте используют ID.



3. Аппаратное обеспечение ГИС

Аппаратное обеспечение ГИС базируется на техническом обеспечении, которое состоит из аппаратных средств, а также сюда относятся и автоматизированные рабочие места (или же персональный компьютер), устройства вводавывода данных, устройства сохранения и обработки данных и телекоммуникация (сетевое оборудование).

Автоматизированные рабочие места (АРМ) или же ПК считаются ядром желаемых информационных систем (ИС) и предусмотренные для управления ГИСой.

Здесь процесс обработки данных основан на логических и вычислительных операциях. В современных ГИСах обработка больших массивов информации и визуализация результатов проводится оперативно. Ввод данных реализуется с помощью различных технических средств: клавиатуры, дигитайзера, сканера и других периферийных устройств компьютера.

Основная составляющая часть компьютера - клавиатура обеспечивает ввод географических атрибутивных данных.

Дигитайзер - ручной способ перехода в цифровой процесс. Функция этого устройства состоит в переводе в цифровой формат картографической информации, отображение на поверхности бумаги. Согласно технологии изготовления дигитайзеры бывают двух типов: электростатические и электромагнитные. Основная составляющая часть дигитайзера, служащая для размещения графического материала, образуют электронные планшеты и показывающие устройства. Электронный планшет относится к специализированному контроллеру. Основной функцией планшета является посылка координатных импульсов. Импульсы посылаются по координатам X, Y поочередно. Указатель (приемник) импульсов, находясь на поверхности планшета в точке изображения с координатами X, Y, посылает соответствующие сигналы кон - троллеру. Контроллер, после получении соответствующих сигналов (по го ризонтали и вертикали), преобразует их координаты и полученную информацию передает базе данных компьютера. Итак, информация (точка), соответствующая положению указателя на планшете, преобразуясь в координаты системы, отображается на экране монитора. Дигитайзеры отличаются друг от друга габаритами и точностью. Один из основных параметров этого устройства является размер поля (Surface size) и скорость обмена (Output rate) .

Размер поля дигитайзера характеризует размеры рабочего поля. Размеры планшета (рабочее поле) могут быть от формата А6 до формата А0. Пара -метр Output rate определяет скорость передачи координат дигитайзером.

Сканер (Sсanner) - незаменимое средство для ввода в память компьютера картографических материалов. С точки зрения функциональности современные сканеры состоят из двух частей: сканирующего механизма и программного обеспечения. Сканеры различаются по назначению. Они бывают: ручные, настольные, планшетные, рулонные и проекционные. Сканеры мо -гут сканировать изображения от формата А4 до формата А0. Современные сканеры способны сканировать карты с точностью 0,02 мм. При редактировании таких изображений их качество повышается. Характеризующее основное качество сканера и отображающее плотность пикселей является показатель dpi (количество точек на дюйм).

Картографические материалы передаются в память компьютера в растровой форме. С помощью специальных средств (программ) эти материалы преобразуются из растрового формата в векторный формат.

Устройствами сохранения и обработки данных могут считаться рабочие станции, серверы или же блоки персональных компьютеров. Сюда относятся следующие устройства: центральный процессор, оперативная память, внешняя память и пользовательский интерфейс. Внешняя память обеспечивает отображение результатов явными способами в принтерах и плоттерах. Здесь для вывода картографических изображений монитор и принтер являются основным аппаратным обеспечением. Плоттер же для вывода картографических изображений формирует их на поверхности плотных бумаг (например, картонов) различных форматов и пленок. Основные технические характеристики плоттеров, такие же, как у сканеров - характеризуются коэффициентом dpi.

Считающийся основным компонентом технического обеспечения ГИС и выполняющий в полевых условиях сбор и обработку первичных данных яв -ляется геофизическое оборудование. Такое оборудование автоматизирует результаты, получаемые от измерительных работ. Одним из типичных представителем этого оборудования является глобальная система позиционирования.

Глобальная система позиционирования (GPS, Global Pozitioning System) является применяемой мировой навигационной системой. Система GPS была применена для слижением за военными транспортными средствами и выполнена по заказу Министерства Обороны США. Система для позицинирования и измерения времени (NAVSTARGPS) впервые была создана в 1980 году со стороны данного министерства.

GPS, работая в непрерывном режиме, посылает электромагнитные сигналы на планету Земля. С помощью приемных устройств (спутников) сигналы принимаются и с точностью определяются. Основная сущность этой системы состоит в том, что координаты объектов на земной поверхности, направление движения, скорость, уровень над морской поверхностью определяются с большой точностью. Оборудование GPS, принимая сигналы со спутников посредством антенны, преобразует данные сигналы в координаты. Для по лучения локальных координат объекта необходим прием сигналов, как ми -нимум, с трех спутников. Однако в то же время, принимаемые сигналы от трех спутников не могут точно определить местонахождение объекта. Так, что если с одного из спутников информация будет ошибочна, сдвиг коор -динат, как минимум, может достигнуть 510 метров. В результате эти искажения информации могут привести к неточному определению местоположения объекта. После этого, зарегистрировав соответствующие координаты, GPS передает их в базу данных центрального сервера, пользуясь услугами оператора GPRS (General Packet Radio Service - Пакетная радиосвязь для общего пользования). Полученные сигналы специальными программами наносятся на поверхность цифровых карт, определяя местонахождения соответствующего объекта. В свою очередь сервер, с помощью полученных координат, определяет место объекта на карте. После этого сервер с помощью программного обеспечения зашифрованную информацию расспространяет в Интернете. Таким образом, облегчается определение места объекта.

В настоящее время монтаж современных устройств допускает прием авто -матически анализируемых сигналов, что сводит к минимуму вероятность сдвига координат. В очень редких случаях ошибка может изменяться в диа -пазоне 0.5 - 1 метр.

В современную эпоху слижение транспортных средств с применением системы автомобильной GPS получило очень широкое распространение. С точки зрения продуктивности эта система GPS стала многофункциональной и интеллектуальной и применяется в нижеследующих областях услуг:

продуктивное (рациональное) управление автомобильными стоянками;

управление перевозками грузов;

управление службами банков и инкассаторов;

службами скорой медицинской помощи;

компании, занимающиеся арендой автомобилей;

предприятия оптовых и розничных продаж;

указанные структуры коммунальных услуг и т.д.

С точки зрения ГИС основные достоинства применения автомобильных GPS следующие:

определение местонахождения транспортных средств в течении реального времени на цифровой карте, наличие движения или стоянки их, скорости движения, времени местонахождения, соответствия движения по утверж денному маршруту, расстояния в км, пройденного в течении суток;

определение экономии времени и уменьшения затрат, обеспечение полного контроля над транспортными средствами и водителями при желаемой фоме расчета;

ограничение использования транспортных средств в нерабочее время;

увеличение рабочей производительности и продуктивности автомобиля;

подготовка отчетов в конце рабочего дня о движении транспортных средств по утвержденной дороге, о затратах времени на поездку в нужное место и о времени простоя;

обеспечение звуковой радиосвязи с водителем;

в течении эксплуатации автомобиля проведение автоматизированного учета с использованием бортового журнала, где отмечаются различного типа отчеты, в том числе: о общем пройденном пути, о средней скорости, о графике движения, расходе топлива, амортизационных расходах, времени простоя;

при прерывании связи с системой присоединенных к системе транспортных средств, при превышении скорости свыше определенных границ, при выходе за пределы линии (трассы) маршрута, при разряжении аккумуляторов, при изменении температуры в холодильной камере программное обеспечение системы обеспечивает посылку предупреждений через email или sms.

Программное обеспечение системы GPS обеспечивает также возможность легкой интеграции её в другие информационные системы;

обеспечение эксплуатационного планирования автомобилей, безопасности при перевозках грузов, контроль процесса перевозки грузов и своевременной доставки;

обеспечение визуального контроля движения автомобиля по цифровой карте в режиме Online.

Принцип работы системы автомобильной GPS.

С помощью специальных приборов, установленных в автомобиле, программного обеспечения и с помощью спутниковой навигационной системы GPS данные считываются, обрабатываются и посредством соответствующей связи передаются в центральный управляющий пункт (рис. 4.1). В Интернете и с помощью какоголибо присоединенного к системе компьютера диспетчер в цифровой карте видит все транспортные средства и обладает полными све дениями об их положении, получает различные отчеты, а также получает возможность выполнение добавочных функций. По желанию диспетчера информация, собранная о маршрутах, визуализируется на цифровых картах.

Здесь происходит обмен информацией между спутником и объектом на территории (например, автобус), Далее, через Интернет происходит обмен информацией между объектом, пользователем (компьютер) и центральный сервер. Связь между объектом и центральным серверомосуществляется посредством оператора GPRS.

Таким образом, в ГИСах, применяя систему GPS, можно обладать рядом других свойств. Так, что посредством цифровых карт, организующих ГИС, можно узнать о наличии объектов, относящихся к зоне (страна, район, город и т.д.), а также скорость объектов и направление движения объекта. Все сведения, относящиеся к объекту, сохраняются в базе данных сервера и перео -дически обновляются.

Добавочная информация.

GPS (англ. Global Positioning System -- система глобального позиционирования, читается Джи Пи Эс) -- спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84. Позволяет в любом месте Земли (исключая приполярные области), почти при любой погоде, а также в околоземном космическом пространстве определять местоположение и скорость объектов. Система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США, при этом в настоящее время доступна для использования для гражданских целей -- нужен только навигатор или другой аппарат (например, смартфон) с GPSприёмником.

Основной принцип использования системы -- определение местоположения путём измерения моментов времени приёма синхронизированного сигнала от навигационных спутников антенной потребителя.

Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat -- число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).

Спутниковая группировка системы NAVSTAR обращается вокруг Земли по круговым орбитам с одной высотой и периодом обращения для всех спутников. Круговая орбита с высотой порядка 20 200 км является орбитой суточной кратности с периодом обращения 11 часов 58 минут; таким образом, спутник совершает два витка вокруг Земли за одни звёздные сутки (23 часа 56 минут). Наклонение орбиты (55°) является также общим для всех спутников системы. Единственным отличием орбит спутников является долгота восходящего узла, или точка, в которой плоскость орбиты спутника пересекает экватор: данные точки отстоят друг от друга приблизительно на 60 градусов. Таким образом, несмотря на одинаковые (кроме долготы восходящего узла) параметры орбит, спутники обращаются вокруг Земли в шести различных плоскостях, по 4 аппарата в каждой.

Применение GPS

Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко используются в гражданских целях. GPSприёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, наручные электронные часы, КПК.. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы,



4. Что такое «GRS»

GRS geoscience and remote sensing геофизика и дистанционное зондирование.

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) -- наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные -- использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия. Данные ДЗЗ, полученные с космического аппарата (КА), характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на КА используется многоканальное оборудование пассивного и активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в различных диапазонах.

Аппаратура ДЗЗ первых КА, запущенных в 1960--70х гг. была трассового типа -- проекция области измерений на поверхность Земли представляла собой линию. Позднее появилась и широко распространилась аппаратура ДЗЗ панорамного типа -- сканеры, проекция области измерений на поверхность Земли которых представляет собой полосу.

Космические аппараты дистанционного зондирования Земли используются для изучения природных ресурсов Земли и решения задач метеорологии.

КА для исследования природных ресурсов оснащаются в основном оптической или радиолокационной аппаратурой. Преимущества последней заключаются в том, что она позволяет наблюдать поверхность Земли в любое время суток, независимо от состояния атмосферы.

Дистанционное зондирование является методом получения информации об объекте или явлении без непосредственного физического контакта с данным объектом.

Дистанционное зондирование предоставляет возможность получать данные об опасных, труднодоступных и быстродвижущихся объектах, а также позволяет проводить наблюдения на обширных участках местности.

Дистанционное зондирование наиболее часто применяется в сельском хозяйстве, геодезии, картографировании, мониторинге поверхности земли и океана, а также слоев атмосферы.

Мониторинг поверхности.

Мониторинг поверхности является одним из наиболее важных и типичных применений дистанционного зондирования. Полученные данные используются при определении физического состояния поверхности земли, например, леса, пастбища, дорожного покрытия и т.д., в том числе результатов деятельности человека, такие, как ландшафт в промышленных и жилых зонах, состояния сельскохозяйственных территорий и т.п. Первоначально должна быть установлена система классификации земельного покрова, которая обычно включает в себя уровни и классы земель. Уровни и классы должны быть разработаны с учётом цели использования (на национальном, региональном или местном уровне), пространственного и спектрального разрешения данных дистанционного зондирования, запросу пользователя и так далее.

Обнаружение изменения состояния поверхности земли необходимо для обновления карт растительного покрова и рационализации использования природных ресурсов. Изменения, как правило, обнаруживаются при сравнении нескольких изображений, содержащих несколько уровней данных, а также, в некоторых случаях, при сравнении старых карт и обновленных изображений дистанционного зондирования.

сезонные изменения: сельскохозяйственные угодья и лиственные леса изменяются посезонно;

годовые изменения: изменения поверхности земли или территории земле пользования, например, районы вырубки леса или разрастания городов.

Информация о поверхности земли и изменения характера растительного покрова прямо необходимы для определения и реализации политики защиты окружающей среды и могут быть использованы совместно с другими данными для проведения сложных расчетов (например, определения рисков эрозии).



5. Программное обеспечение ГИС

Программное обеспечение.

Программное обеспечение - совокупность программных средств, реализующих функциональные возможностей ГИС, и программных документов, необходимых при их эксплуатации.

Структурно программное обеспечение ГИС включает базовые и прикладные программные средства.

Базовые программные средства включают: операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение и системы управления базами данных. Операционные системы предназначены для управления ресурсами ЭВМ и процессами, использующими эти ресурсы.

На настоящее время основные ОС: Windows и Unix.

Любая ГИС работает с данными двух типов данных пространственными и атрибутивными. Для их ведения программное обеспечение должно включить систему управления базами тех и других данных (СУБД), а также модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.

Прикладные программные средства предназначены для решения специализированных задач в конкретной предметной области и реализуются в виде отдельных приложений и утилит.

Программное обеспечение ГИС делится на 5 классов:

I класс - инструментальные средства, используемые функциональным программным обеспечением, которое полностью охватывает весь класс. Эти инструментальные средства, относительно разным пользователям, предусмотрены для различных целей (например, ввода атрибутивных средств в базу, их сохранение, поиск и обработка). Здесь для сохранения данных в активном состоянии используется совместная интеграция растровых и векторных слоев.

II класс - ГИС вьювер (viewer). Вьюверы ГИС - это программное обеспе - чение, создающее связь с базой геоданных и обеспечивающее их использование. Ко всем вьюверам ГИС относятся собрание картографических данных и запросы, проводящие в жизнь соответствующие операции.

III класс - опрос картографической системы. Такие системы оборудуются картографическими и атрибутивными данными и проводят в жизнь процесс визуализации.

IV класс - С помощью программного обеспечения является средством модулирования пространства. Здесь основная цель моделирование распределение различного типа параметров (со стороны экологического обзора загрязненные зоны, загрязненные сверх нормы водоемы, строительство зданий и т.д.) внутри пространства. Эти параметры характеризуются матрицами, многомерными кубами и при необходимости для визуализации применяются различные технологии (Relational OLAP, Multidimentional OLAP, Hibrit OLAP). Здесь OLAP

V класс - основывается на применения зондирования Земли. Здесь для чтения данных используются специальные приборы (приёмники GPS, гео -дезическое оборудование). Также перевод в цифровой формат рисунков верхних слоев Земли, применение различных математических и программных пакетов, дающие возможность проведения операций для ввода в сканер готовых материалов.

С точки зрения структуры программное обеспечение ГИС объединяет в себе базу (система) и прикладные программные средства. К программным средствам базы относятся операционные системы, программная среда, программное обеспечение сети и системы управления базами данных (СУБД).

Избранный ГИС снабжается пространственными и атрибутивными типами данных. Для визуализации данных используются средства прикладных программ. Для решения специализированных задач предусмотрены прикладные программные средства по конкретной тематической области.

В программное обеспечение ГИС входят следующие функции:

среда для создания цифровых карт;

средства для описания отдельных слоев на поверхности цифровых карт;

построение географической базы данных;

индикация географических объектов;

набор инструментов, выполняющих географические запросы (опросы);

связывание с базой данных ГИС центральных карт и относящихся к данным картам слои и т.д.

Сейчас в базе данных информационной технологии находятся до 20 и известных программных пакетов ГИС (среды). Они могут считаться полностью функциональными программными пакетами. В нижеперечисленных ГИСах (Desktop GIS, Server GIS, Navigator GIS) дана информация о используемых пакетах прикладных программ для создания цифровых карт.

Desktop GIS (Настольная ГИС). Программные пакеты AreView GIS, AreEditor GIS, AreInfo GIS относятся к семейству Desktop GIS.

AreView GIS включила в состав Desktop три дополнительных модуля (программных продуктов): AreMap, AreCatalog и AreToolBox.

модуль AreMap - создание карт, описание данных на поверхности карт, редактирование и анализ;

модуль AreCatalog - управление данными;

модуль AreToolBox - управление проекциями и проводят в жизнь конвертирование данных.

Этот комплект программных продуктов, предназначенный, в основном, для начертания карт, подготовки расходов и ведения картографического анализа, является самым идеальным средством. Для создания ГИСов, перечисленные выше базовые модули, в основном, направлены на создание цифровых карт, поиска динамики событий (экологические и чрезвычайные события, транспортные перевозки, телекоммуникация и другие системы наблюдения) и оперативного анализа.

AreEditor - став более новым настольным программным и оперативным пакетом, выполняет все функции AreView и, кроме того, обеспечивает создание базы геоданных (локальных и корпоративных) и редактирование.

AreInfo - будучи еще более мощным программным продуктом, суммирует в себе все функции AreView и AreEditor и кроме этого обладает полным комплектом добавочных модулей. AreInfo, будучи полнофункциональной ГИСсистемой, служит для создания подготовки геоданных, распределения и редактирования сообщений, обладает возможностями осуществлению различных методов картографических поисков, а также анализа карт и сообщений.

GIS Server (ГИСсервер).

Такие серверы, основываясь на технологии Internet / Intranet, обеспечивают обмен данных. В виде примера можно указать на платформы AreGIS Server, AreSDE, AreIMS. AreGIS Server - один из новых программных продуктов фирмы ESRI. Этот программный продукт, разработанный для создания и управления корпоративных географических информационных систем, является как удобной, так и подходящей платформой. AreGIS Server, суммируя много модулей, в тоже время создает возможности для выхода в централизованные корпоративные базы данных пользователей и проведения различных операций.

AreSDE (входит в состав GIS Server ) - будучи программным обеспечением для сервера, используется с целью создания, сохранения и управления многопользовательского корпоратива. AreSDE, также как и Oracle, Nicrosoft SQL, Server, IBM DB 2 и IBM Informix, является отличным средством для управления географическими сообщениями, сохраняемые в специальных базах данных.

AreIMS - будучи программным обеспечением сервера, обеспечивает выход по Web службам ГИС, сообщениям и базовым картам ГИС, и в тоже время обеспечивает неограниченный выход многочисленным пользователям.

Для использования серверов AreIMS обычные пользователи в Интернете могут работать со стандартными модулями AreGIS Desktop (AreInfo, AreEditor, AreView).

GIS Navigators (Навигатор ГИСов). Типичный представитель - ArePad.

ArePad является не очень дорогим программным продуктом по сбору геоданных на территории (в полевых условиях), работающий под управлением OC Windows. Этот навигатор выполняет ряд функций ГИС в ручном (manual) режиме. ArePad обладает возможностями выхода к сообщениям стандартного вектора, непосредственного сбора сведений во время проведения полевых измерений на территории, их обновление, измерение, а также создание слоев на новой тематической карте с последующей легкой передачи в ПК. Необходимо отметить, что пользователи используют программные системы различного характера, обладающих различными достоинствами. Кроме перечисленных программных продуктов в виде примера можно указать на системы, подготовленные со стороны передовых фирм: MapInfo Professional, MapInfo Atlas, Geograph (Россия) и др.

Система MapInfo Professional дает возможность получения пользователями сведений об адресе или же расположения имени, размещения на карте улиц, нахождения границ перекрестков, автоматического или интерактивного геокодирования, атрибутивных сведений о базе данных. В системе создаются условия для отображения информации в виде таблиц, диаграмм, текстовых запросов и проведения специального географического анализа и графического редактирования. Вместе с этим в системе приказы и сведения даются как на русском языке, так и на других языках. Система использует сведения из электронных таблиц (Excel, Lotus и т.д.) и непосредственно из форматов dBase и т.д.

Подготовленный Центром Информационных Исследований Российским Географическим Институтом Академии Наук система GEOGRAPH даёт возможность построения с использованием электронных таблиц тематических карт и композицию карт, слоев цифровых карт и, связанных с ними, атрибутивных данных.

Вместе с этим, в качестве систем, непосредственно работающие со сведе -ниями о Земле и дающие возможность проведению в жизнь других операций, можно показать системы ERDAS IMAGINE, ER MAPPER, SICAD/OPEN, SUMB INFORMIX, ORACLE, DUBL GIS и др.

Информационное обеспечение.

Информационное обеспечение - образуется из единства различных классификаций данных. Информационное обеспечение ГИС состоит из проведенных в жизнь видов решений, объемов, от местоположения и формы, образующей информацию (матрица, вектор, растр и т.д.). Как видно этот компонент вбирает в себя проектирование базы геоданных, наблюдение (контроль), управление информационными потоками, методанными, поиска атрибутивных данных, описание моделей пространственных данныхъ. В частности, для сохранения пространственных данных в ГИСах производится разделение слоев на части, которые организуют цифровые карты.

Отличаясь от обычных карт, образование цифровых карт в многослойном режиме дает возможность отображения информации в более больших объемах и при необходимости группировать (обобщать) информацию. И это ус -коряет поиск географических данных, формируемых на отдельных слоях поверхности цифровых карт. Положения данных в пространстве получают с таблиц, связанных с этими данными (географические данные). Для обеспечения такого обмена данными необходима инфраструктура пространственных данных.

Инфраструктура пространственных данных - норматив, определяемый на основе юридических документов, и формируется на основе механизма работы управляющего объекта.

Эта инфраструктура организована из трех компонентов: стандартов пространственных данных, базы метаданных и механизма обмена данными.

Здесь: А: Атрибутивные данные - определяет конкретные данные о каждом объекте системе (нефтехранилище, водохранилище, здания и т.д.). Здесь используются атрибутивные данные.

В: Методанные - данные о данных. Идентифицированные, явно структуированные и кодированные данные географических объектов. Метаданные упрощают управление, подготавливают запросы в ГИС. Вообще, для отображения структуры данных используются метаданные.

С1: Растровые данные - применяются для деления пространства на самый малый элемент (пиксель). Здесь каждый элемент определяет соответствующий сектор Земли. Вид объектов на непрерывном пространстве, организованных этим методом, упрощает их восприятие.

С2: В матричных данных каждая ячейка определяет место, относящегося к нему объекта (класс объекта) или же определяет харакеристические оценки территории. В матрице атрибутивная информация сохраняется в ячейке, характеризующего её кода.

С3: Метод векторного отображения используется для определения в явном виде пространственных координат. Географические объекты на карте создаются с помощью одной или несколькими геометрическими фигурами. Информация о точке, линии, полигоне кодируется и сохраняется в форме набора координат X, Y. В состав этого метода описания входят атрибуты и связи.

D1: Топологическая модель. Она относится к сложной структуре и сохраняет в себе основные базовые элементы - дуга, точка, внутренние точки полигона и вспомогательные элементы - топологические соединения (узлы). Для построения многослойной модели важен выбор правильной топологической структуры. Топологическая модель, моделирующая территорию, дает возможность полной реализации описания.

D2: В модели объекта (структуированная модель) реализует данные на карте в абстрактном виде. Здесь каждый географический объект описы - вается в виде логических надписей (записей). Такая модель применяется тогда, когда имеет место связь между объектами и необходимостью их описания.

5.1 Структура пространственных данных

Векторная структура.

Векторная структура в виде пары координат является моделью отображения пространственных объектов, которые реализуют геометрические фигуры. Как видно графические данные (точка, линия, полигон) являются сведениями, заданных в координатах X, Y. Объекты , отмеченные точкой, показаны в виде надписей по направлению вектора. Здесь по уни -кальному идентификационному номеру (ID) объекты соотносятся к значениям X, Y.

Линейные объекты, принадлежат этим линиям в ID и направленные по вектору, снабжаются в каждой точке парой координат. Данные, отображенные в векторной структуре, связаны оцифрованной линией векторного типа.

Потом они, введенные с помощью дигитайзера или сканера, являются сведениями, обработанные вручную. Типы объектов, относящихся к геометриическим объектам векторных моделей, показаны ниже:

безмерные объекты;

одномерные объекты;

двумерные объекты;

трехмерные объекты.

Безразмерные объекты: точка и место соединения (узел). Точка назнача -ет (определяет) географическую позицию. Место соединения (узел) опреде -ляет топологическое месторасположения перехода от последней точки и установленной.

Одномерные объекты: линия, линейные сегменты, дуга, связь, круг.

Линия - одномерный объект, не имеющий стационарную точку.

Дуга - последовательность начальных и конечных сегментов в узлах.

Связь - соединяет два узла.

Круг - последовательность замкнутых сегментов.

Двумерные объекты: Полигон (площадь, область), пиксель.

Полигон - замкнутый контр.

Пиксель - минимальный элемент изображения.

Трехмерные объекты: геометрические фигуры, обладающие объемом.

Объемные фигуры - геометрические тела, обладающие соответствующей шириной, длиной, высотой (куб, параллелепипед).

Отображение векторных форматов получило широкое распространение больше всего в формате DXF. Кроме этого, в большинстве случаев в ГИСах импорт ?экспорт пространственной информации проводится в жизнь ав - матизированными системами проектирования (АСП) такими, как SHP, EOO, GEN (ESR1), VEC (IDRISI), MIF (MapInfo Corp.), DWG, DXF (Autodesk), WMF (Microsoft), DGN(Bentley) на основе обмена форматов.

Посредством ГИС исследования дистанционного зондирования в данных объектах, вовлеченные в операцию векторизации, для подготовки отчетов с помощью средств автоматизированной системы проектирования строится модель единой базы. Достоинства ГИС, построенных на основе векторных структур, следующие:

географические объекты, снабженными соответствующими цветами, образуют на экране монитора визуальное изображение;

топология территории (местности), также как и схемы электроснабжения, линии, газопроводы и нефтепроводы, телекоммуникационные линии отображаются еще более наглядно;

географические объекты полностью детализируются;

для уменьшения или увеличения любого объекта процесс реализуется изменением координат объекта;

при проведении масштабирования объекта изображение не теряет своего качества (разрешающая способность);

малое количество требуемого расхода памяти. Например, векторное изображение, состоящее из тысячи примитивов, размещается в области памяти не более нескольких сотен килобайт.

Растровая структура.

Данные растровой структуры реализуются в виде изображения двумерной матрицы. Здесь каждый элемент матрицы (ячейка) характеризует объект. В соответствующих ячейках растра может быть рисунок или же его месторас -положение.

В большинстве ГИС сохранение растровых данных поддерживается основными форматами: TIFF, JPEG, GIF, BMP, WMF, PCX.

В настоящее время ввод в компьютер структуры растрового типа проводится с помощью сканера. После вставки в память компьютера соответствующих форматов (TIFF, JPEG и т.д.) проводится в жизнь процесс векторизации. Так же форматы данных GeoSpot, GeoTIFF о реальных географических координатах создают условия для передачи их в растровые слои. Для сжатия данных применяют MrSID.

Для манипуляции со структурой данных (т.е. преобразование сообщений в векторном формате в растровой формат и наоборот) применяются «векторимеется используется векторный формат, а в других случаях более экономичным является растровый формат. Ввиду этого во многих системах манипуляция данными для разных форматов реализуется различно. В файлах растровых изображений информация о цвете каждого пикселя сохраняется в форме комбинаций битов. Более простые изображения состоят из чернобелых цветов. В этом случае для кодирования цвета каждого пикселя достаточно 1 бита, состоящего из нуля или единицы.

При кодировании двумя битами цвета видеопикселя, количество возможных комбинаций равно четырем (2²): 00, 01, 10, 11. Т.е двумя битами можно закодировать четыре цвета. При количестве битов 4 (2²), 8 (2³), 24 (2²⁴⁾) возможность кодировать соответственно 16, 256, 16777216 цветов.

Простые растровые изображения не требуют больших областей памяти. Изображения, обладающих качеством фотографий, в большинстве случаях расходуют память в объеме нескольких Мбайт. Например, при размере гра -фической сетки 1240 х1240, если количестве использованных оттенков цветов равно 16777216, то объем растрового файла приблизительно будет равен 4 Мбайт:

1240х1240 = 30474240 бит или

...