Географические и экологические информационные системы

30474240 : 8 = 3809280 байт или

3809280 : 1024 = 3720 Кбайт или

3720: 1024 = 3,63 Мбайт.

Как видно из вышеприведенных вычислений, для сохранения растровой структуры требуется большой расход памяти ( в отличии от векторной структуры).

Путь решения этой проблемы лежит в сжатии графической информации. С этой целью в графических файлах за счет изменения способа организации данных используются программы, уменьшающие размер растровых файлов.

Для сжатия графической информации используются способы RLE (Run Length Encoding) и LZW (LempebZivWelch).

Способ RLE ещё лучше работает с изображениями, относящихся к большим площадям, окрашенных в тех же оттенках (например, чернобелый).

Для сжатия растровых изображений, относящихся к многоцветным оттенкам, целесообразно применять способ LZW.

Достоинства ГИС, построенных на основе растровой структуры, следующие:

простота картографических проекций;

различные рисунки, вводимые в ГИС, создают для пользователей законченные (полные) изображения;

построенные на основе растровых моделей ГИС просты;

ГИС, построенные на основе этой структуры, относительно векторных ГИС, более дешевые.

Древовидные структуры.

Эта иерархическая структура является способом изображения и используется для сбора и сохранения географических данных. Для получения древовидной структуры рекурсивные двумерные геометрические фигуры (область, площадь, изображение) делятся на части (квадраты).

Коментарий: Рекумрсия -- определение, описание, изображение какоголибо объекта или процесса внутри самого этого объекта или процесса, то есть ситуация, когда объект является частью самого себя.

Она характеризует двумерную площадь (область), отмеченную цифрами. Сначала эта область была поделена на квадраты A, B, C и D ( здесь A, B, C и D узлы дерева). Большой квадрат соответствует вершине дерева, а самый маленький квадрат - его листьям. Процесс рекурсивного деления исходного изображения квадратов идет до тех пор, пока основанное на значении данного изображения (цвета, например) проводится сравнение.

Модели, основанные на древовидной структуре, обеспечивают в ГИСах вычисление соответствующих площадей, распознание образов, деление рисунков на части (на пиксели).

5.2 Отображение карты в компьютере

Объекты, принадлежащие поверхности Земли, на двумерных картах наносятся в виде точек, линий и площадей (поверхностные фигуры). Для сопоставления плоскостных объектов карты применяется декартовая система координат (x, y). Здесь:

точка - отображается в виде пары координат (x, y);

линии - отображаются последовательным порядком по координате (x, y);

геометрические фигуры - замкнутый контур, отображаемый в виде пары пары координат (x, y). Этот контур на карте определяется линиями и обладает определенным значением площади.

полигоны - многоугольники или называются областями.

Наряду с применением координатной системы координаты точек, линий и полигонов формируются не на чертеже, а в виде динамического списка. Такая форма списка обеспечивает сохранение в компьютере объектов, принадлежащие карте, в виде пар (x, y). Это приводит к выходу цифрового изображения объектов.

Для реализации растровых и векторных структур разработаны различные модели данных.

5.3 Модели данных

Модели пространственных данных - логические правила для формализованного цифрового описания пространственных объектов.

Векторные модели данных. Существует несколько способов объединения векторных структур данных в векторную модель данных, позволяющую исследовать взаимосвязи между объектами одного слоя или между объектами разных слоев. Простейшей векторной моделью данных является «спагетти» модель. В этом случае переводится «один в один» графическое изображение карты.

В этой модели не содержится описания отношений между объектами, каждый геометрический объект хранится отдельно и не связан с другими, например общая граница объектов 25 и 26 записывается дважды, хотя с помощью одинакового набора координат. Все отношения между объектами должны вычисляться независимо, что затрудняет анализ данных и увеличивает объем хранимой информации.

Векторные топологические модели содержат сведения о соседстве, близости объектов и другие, характеристики взаимного расположения векторных объектов.

Топологическая информация описывается набором узлов и дуг. Узел это пересечение двух или более дуг, и его номер используется для ссылки на любую дугу, которой он принадлежит. Каждая дуга начинается и заканчивается либо в точке пересечения с другой дугой, либо в узле, не принадлежащем другим дугам. Дуги образуются последовательностью отрезков, соединённых промежуточными точками. В этом случае каждая линия имеет два набора чисел: пары координат промежуточных точек и номера узлов. Кроме того, каждая дуга имеет свой идентификационный номер, который используется для указания того, какие узлы представляют её начало и конец.

Разработаны и другие модификации векторных моделей, в частности, существуют специальные векторные модели для представления моделей поверхностей, которые будут рассмотрены далее.

Растровые модели используются в двух случаях. В первом случае - для хранения исходных изображений местности. Во втором случае, для хранения тематических слоев, когда пользователей интересуют не отдельные пространственные объекты, а набор точек пространства, имеющих различные характеристики (высотные отметки или глубины, влажность почв и т.д.), для оперативного анализа или визуализации.

Существует несколько способов хранения и адресации значений отдельных ячеек растра, и их атрибутов, названий слоев и легенд.

При использовании растровых моделей актуальным является вопрос сжатия растровых данных, для которого разработаны методы группового кодирования, блочного кодирования, цепочного кодирования и представления в виде квадродерева.



6. Классификация ГИС

Функции, выполняемые ГИС, и классификация по признакам.

Большинство современных ГИС осуществляют комплексную обработку информации, используя ниже приведенные функции:

1. Ввод и редактирование данных;

2. Поддержка моделей пространственных данных;

3. Хранение информации;

4. Преобразование систем координат и трансформация картографических проекций;

5. Растрвекторные операции;

6. Измерительные операции;

7. Полигональные операции;

8. Операции пространственного анализа;

9. Различные виды пространственного моделирования;

10. Цифровое моделирование рельефа и анализ поверхностей;

11. Вывод результатов в разных формах.

ГИС системы разрабатываются с целью решения научных и прикладных задач по мониторингу экологических ситуаций, рациональному использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций др.

Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

По функциональным возможностям:

полнофункциональные ГИС общего назначения;

специализированные ГИС ориентированы на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;

информационносправочные системы для домашнего и информационносправочного пользования.

Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:

закрытые системы не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки.

открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков

программирования).

По пространственному (территориальному) охвату:

глобальные (планетарные);

общенациональные;

региональные;

локальные (в том числе муниципальные).

По проблемнотематической ориентации:

общегеографические;

экологические и природопользовательские;

отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т.д.);

По способу организации географических данных:

векторные;

растровые;

векторнорастровые ГИС.

Геоинформационные системы (ГИС) автоматизированные информационные cистемы, предназначенные для обработки пространственновременных данных, основой интеграции которых служит географическая информация.

В ГИС осуществляется комплексная обработка информации от ее сбора до хранения, обновления и представления. И в этой связи ГИС рассматривается с различных позиций:

Как системы управления ГИС предназначены для обеспечения принятия решений по оптимальному управлению землями и ресурсами, городским хозяйством, по управлению транспортом и розничной торговлей, использованию океанов или других пространственных объектов. При этом для принятия решений в числе других всегда используют картографические данные.

В ГИС проявляется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого ГИС служит мощным средством преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управления.

Как автоматизированные информационные системы ГИС объединяют ряд технологий или технологических процессов известных информационных систем типа автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных справочноинформационных систем (АСИС) и др.

Основу интеграции технологий ГИС составляют технологии САПР. Поскольку технологии САПР достаточно апробированы, это обеспечило качественно более высокий уровень развития ГИС и существенно упростило решение проблемы обмена данными и выбора систем технического обеспечения. Этим самым ГИС стали в один ряд с автоматизированными системами общего назначения типа САПР, АСНИ, АСИС.

Как геосистемы ГИС включают технологии (прежде всего технологии сбора информации) таких систем, как географические информационные системы (ГИС), системы картографической информации (СКИ), автоматизированные системы картографирования (АСК), автоматизированные фотограмметрические системы (АФС), земельные информационные системы (ЗИС), автоматизированные кадастровые (АСК) и т.п.

Как системы, использующие базы данных, ГИС характеризуются широким набором данных, собираемых с помощью разных методов и технологий. При этом следует подчеркнуть, что они объединяют в себе как базы данных обычной (цифровой) информации, так и графические базы данных. В связи с большим значением экспертных задач, решаемых при помощи ГИС, возрастает роль экспертных систем, входящих в состав ГИС.

Как системы моделирования ГИС используют максимальное количество методов и процессов моделирования, применяемых в других автоматизированных системах.

Как системы получения проектных решений ГИС во многом применяют методы автоматизированного проектирования и решают ряд специальных проектных задач, которые в типовом автоматизированном проектировании не встречаются.

Как системы представления информации ГИС являются развитием автоматизированных систем документационного обеспечения (АСДО) с использованием современных технологий мультимедиа.

В настоящее время ГИС это многомиллионная индустрия, в которую вовлечены сотни тысяч людей во всем мире. ГИС изучают в школах, колледжах и университетах. Эту технологию применяют практически во всех сферах человеческой деятельности будь то анализ таких глобальных проблем, как перенаселение, загрязнение территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, так и решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи.

В реализуемых ГИСах возможны проведение в жизнь следующих процессов:

системы глобального позиционирования (GPS,Global position system) и сбор пространственных сообщений с помощью других измерительных приборов;

автоматизация пространственных сообщений и, основываясь на анализе объектноориентированных ГИС, создание функций и получение результатов расчетов;

обеспечение обновлений пространственных сообщений, структуирование, формализацию заново и взаимодействия между географическими пространственными сообщениями (особенно сохраняемые в устройствах памяти) и другими базами данных;

моделирование данных и проектирование баз пространственных данных специального назначения;

подготовка программ для локальных и ГИС особого назначения, создание специализированных, корпоративных ГИС особенного назначения;

подготовка программ для локальных и специальных систем автоматизиро ванного проектирования (САП);

связь между ГИС и САП.

Итак, под ГИС мы понимаем: географической информационной системой будем понимать аппаратнопрограммный человекомашинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственнокоординированных данных, интеграцию данных, информации и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества.



7. Представление географических объектов в ГИС

Организация картографической информации.

Известно, что в ГИС используются карты различного масштаба. Эти карты отображают здания, улицы, а также соответствующие территории (например, леса, водохранилища, военные объекты, жилищные и не жилищные площади и т.д.).

Картографические объекты логически организуются в виде набора слоев (или информационных тем). На рис. 1.4 дан образец, относящийся к организации картографической информации. Как видно из рисунка, основная карта формируется из организованных определенных слоев - земель, колодцев, административных территорий, дорог и т.д.

В организации картографической информации условные знаки и специальные надписи (легенды) описания объектов делают более понятливыми. Карта, как графическое средство, положение объектов и их свойства (признаки) в явном виде реализуют интерпретацию изображения.

Характеристики объектов карты (или же атрибуты) отображаются условными знаками. Например, дороги различного типа, отображаясь толщиной линий цветом, снабжаются специальными надписями. Место почтового пункта выражается условным знаком ¦, озера - голубым цветом, лесные массивы зеленым цветом и т.д. По этим правилам на поверхности единого слоя отображаются географические объекты, связанные соответствующими данными.

Любая географическая информация обрабатываются в ГИС с помощью трех начальных структур данных:

Классы пространственных объектов;

Атрибутивные таблицы;

Растровые наборы данных.

Каждый из этих основных типов данных может быть расширен за счёт дополнительных возможностей для поддержания целостности данных (например, используя топологию), для моделирования географических отношений (связности сети или поток) или для добавления расширенного поведения.

В любой ГИС есть наборы данных

Обычно ГИС используется для обработки нескольких разных наборов данных, каждый из которых содержит данные об определенном наборе пространственных объектов (например, дорожная сеть), географически привязанном к земной поверхности.

Дизайн базы данных ГИС основан на сериях тем с данными, каждая из которых имеет определенное географическое представление. Например, отдельные географические элементы могут быть представлены как пространственные объекты (точки, линии и полигоны), как растровые изображения или как поверхности с помощью пространственных объектов, растров и TIN, а также в виде хранящихся в таблицах описательных атрибутов.

В ГИС однородные коллекции географических объектов организованы по таким темам с данными, как земельные участки, колодцы, строения, орто фото изображения и основанные на растрах цифровые модели рельефа (ЦМР). Точное и простое определение географических наборов данных очень важно для полезности географических информационных систем, а концепция слоёв тем данных важная концепция ГИС.

Наборы данных ГИС это логические коллекции географических объектов.

Набор данных -- это собранный по темам набор однородных пространственных объектов.

Географические представления организованы в серии наборов данных или слоев. Большинство наборов данных представляют собой наборы таких простых географических элементов, как дорожная сеть, набор границ земельных участков, типы почв, поверхность рельефа, спутниковые изображения от определенной даты, местоположения колодцев и т.д.

В ГИС наборы пространственных данных обычно организованы как наборы данных классов пространственных объектов или основанные на растрах наборы данных.

Многие темы данных лучше всего представляются в виде одного набора данных, например, типы почв или колодцы. Другие темы, такие как дорожнотранспортная сеть, лучше представлять несколькими наборами данных (отдельные классы пространственных объектов для улиц, перекрестков, мостов, железных дорог и т.д.). Например, транспортная сеть может быть представлена в виде нескольких классов пространственных объектов улиц, пересечений улиц, мостов, съездов на автомагистралях, железных дорог и т. д. В таблице ниже показано, как рельеф можно представить с помощью нескольких наборов данных.

Наборы растровых данных используются для представления пространственно привязанных изображений, а также непрерывных поверхностей высот, уклонов и аспектов.

Тематические слои становятся наборами данных. Это ключевой принцип организации в базе данных ГИС.

Каждая ГИС стала содержать множество тем для общей географической территории.

Набор тем работает как комплект слоёв. С каждой темой можно работать как с набором информации, независимым от других тем. У каждой есть свое представление (в виде набора точек, линий, полигонов, поверхностей, растров и т.д.).

Так как слои пространственно привязаны, они налагаются друг на друга и их можно комбинировать в общем отображении карты. Кроме того, такие инструменты ГИСанализа, как наложение полигонов, могут агрегировать информацию из нескольких слоев данных, чтобы выявлять производные пространственные отношения и работать с ними.

Любая эффективная база данных ГИС будет наследовать эти общие принципы и концепции. Для каждой ГИС требуется механизм для описания географических данных в этих терминах, а также обширный инструментарий для использования, управления и обеспечения общего доступа к этой информации.

Как пользователи ГИС работают с географической информацией.

Существует два основных способа работы с географическими данными:

В качестве наборов данных, однородные коллекции географических объектов, растров и атрибутов организованы по таким темам с данными, как земельные участки, колодцы, строения, ортофотоизображения и основанные на растрах цифровые модели рельефа (ЦМР)

В качестве отдельных элементов или поднаборов, такие отдельные пространственные объекты, растры и значения атрибутов содержатся в отдельных наборах данных

Работа с наборами данных ГИС.

В ArcGIS однородные коллекции географических объектов организованы по таким темам с данными, как земельные участки, колодцы, строения, ортофотоизображения и основанные на растрах цифровые модели рельефа (ЦМР).

Многие выполняемые в ArcGIS операции работают с наборами данных как входными данными или создают новые наборы данных на выходе. Наборы данных также чаще всего используются для обеспечения общего доступа к данным пользователям ГИС.

Наборы данных предоставляют первичные источники информации для всего описанного ниже:

Карты, глобусы, 3D сцены: на них географическая информация принципиально отображается как серии слоев карты. Каждый слой карты ссылается на определенный набор данных ГИС и используется для отображения и надписывания наборов данных. Таким образом, слои карты ''оживляют'' наборы данных ГИС.

Слои на 2D картах и 3D сценах используются для отображения и надписывания наборов данных ГИС. Таким образом, на карте есть слои городов, автострад, региональных и государственных границ, рек и озер. Каждый из этих слоёв используется для изображения набора данных ГИС.

Входные и производные данные геообработки: наборы данных ГИС -- это обычные источники данных для геообработки, которые используются для автоматической обработки данных и ГИСанализа. Наборы данных используются в качестве входных и производятся как результаты работы разнообразных инструментов геообработки.

Входные и производные данные геообработки: наборы данных ГИС -- это обычные источники данных для геообработки, которые используются для автоматической обработки данных и ГИСанализа. Наборы данных используются в качестве входных и производятся как результаты работы разнообразных инструментов геообработки.

Геообработка помогает автоматизировать многие задачи как серии операций, чтобы их можно было запустить за один раз. Это позволяет создать повторяемый, хорошо документированный рабочий процесс по обработке данных.

Пользователи работают с наборами данных ArcGIS также и для выполнения пространственного анализа.

Эта модель показывает, как найти и проранжировать возможные места для обустройства новых парков. В подходящих местах должна быть высокая численность населения, и они не должны находиться поблизости от существующих парков. (проранжировать - расставить по порядку).

Работа с отдельными пространственными объектами и элементами наборов данных.

Помимо работы с наборами данных, пользователи также работают с отдельными элементами, содержащимися в наборах данных. Эти элементы включают отдельные пространственные объекты, ряды и столбцы атрибутивных таблиц и отдельные ячейки наборов растровых данных. Например, если вы щёлкаете мышкой и идентифицируете отдельный земельный участок, то вы работаете с отдельным элементом набора данных.

При редактировании пространственных объектов вы работаете с отдельными элементами данных -- как в данном примере с редактированием осевых линий дорог.



8. Форматы данных в ГИС и их особенности

Форматы данных определяют способ хранения информации на жестком диске, а также механизм ее обработки. Модели данных и форматы данных определенным способом взаимосвязаны.

Существует большое количество форматов данных. Можно отметить, что во многих ГИС поддерживаются основные форматы хранения растровых данных (TIFF, JPEG, GIF, BMP, WMF, PCX), а также GeoSpot, GeoTIFF, позволяющие передавать информацию о привязке растрового изображения к реальным географическим координатам, и MrSID для сжатия информации. Наиболее распространенным среди векторных форматов является DXF.

Все системы поддерживают обмен пространственной информацией (экспорт и импорт) со многими ГИС и САПР через основные обменные форматы: SHP, E00, GEN (ESRI), VEC (IDRISI), MIF (MapInfo Corp.), DWG, DXF (Autodesk), WMF (Microsoft), DGN (Bentley). Только некоторые, в основном отечественные системы, поддерживают российские обменные форматы - F1M (Роскартография), SXF (Военнотопографическая служба).

Довольно часто для эффективной реализации одних компьютерных операций предпочитают векторный формат, а для других растровый. Поэтому, в некоторых системах реализуются возможности манипулирования данными в том и в другом формате, и функции преобразования векторного в растровый, и наоборот, растрового в векторный форматы.



9. Географическая система координат в ГИС

Пространственная привязка -- это использование координат карты для присвоения пространственных местоположений векторным объектам карты. У всех элементов слоя карты есть определенное географическое положение и экстент, которые позволяют находить их местоположения на земной поверхности. Возможность точного определения местоположений географических объектов очень важна при картографировании и в ГИС.

Для описания корректного местоположения и формы пространственных объектов реального мира требуется координатная сетка. Для определения географических положений объектов используется географическая система координат. Глобальная система координат из параллелей и меридианов одна из таких систем отсчёта. Другая -- плоская или Декартова система координат.

Карты представляют местоположения на земной поверхности с помощью сеток и меток (тиков), надписанных с различными местоположениями на земной поверхности -- как в измерениях широтыдолготы, так и в системах координат проекции, например метрах UTM. Географические элементы, содержащиеся в различных слоях карты, отображаются в определенном порядке (поверх друг друга) для заданного экстента карты.

Наборы данных ГИС содержат местоположения в глобальной или декартовой системе координат. Таким образом, множество слоев данных ГИС могут накладываться на земную поверхность.

Широта и долгота

Один из методов описания географических местоположений на земной поверхности использует сферические измерения широты и долготы. Измерения осуществляются в углах (градусах) от центра Земли до точки на земной поверхности. Такой тип системы привязки координат называется географической системой координат.

Долгота измеряется в градусах (восточная и западная долгота). Измерения долготы традиционно выполняются относительно начального меридиана воображаемой линии, проходящей от Северного до Южного полюса через Гринвич (Великобритания). Угол на этом меридиане равен 0. Обычно к западу от него значения меридианов отрицательные, а к востоку положительные. Например, координаты ЛосАнджелеса (Калифорния) приблизительно 33 градуса, 56 минут широты и минус 118 градусов, 24 минуты долготы.

Хотя широта и долгота определяет точное местоположение на поверхности глобуса, такие данные не дают точных сведений об измерениях расстояний. Только на экваторе расстояние, соответствующее одному градусу долготы примерно равно расстоянию, соответствующему одному градусу широты. Это происходит изза того, что экватор -- это единственная параллель, чья длина соответствует длине меридиана. (Окружности, у которых тот же радиус, что и у сфероида Земли, носят название больших окружностей. Таковыми являются экватор и все меридианы).

Выше и ниже экватора, окружности, которые определяют параллели, становятся постепенно все короче и короче, пока не превратятся в точку на Северном и Южном полюсах, в которой сходятся меридианы. По мере того, как меридианы сходятся к полюсам, расстояние, соответствующее одному градусу широты уменьшается до нуля. На сфероиде Кларка 1866г. один градус широты на экваторе равен 111,321 км, в то время как на широте 60° -- только 55,802 км. Так как у градусов широты и долготы нет стандартной длины, с помощью них невозможно корректно мерить длины и площади на плоских картах или компьютерных мониторах. Для многих (но не всех) функций ГИСанализа и картографических приложений нередко требуется более постоянная плоская система координат, которую обеспечивают системы координат проекции. В качестве альтернативы, некоторые используемые пространственными операторами алгоритмы учитывают геометрическое поведение сферических (географических) систем координат.

Картографические проекции с декартовой системой координат

Системы координат проекции специально разработаны для плоских поверхностей бумажных карт или компьютерных мониторов.

Как 2D, так и 3D декартова система координат предоставляет механизм для описания географических положений и форм пространственных объектов с помощью x и yзначений (и, как описано далее, столбцов и строк для растров).

В декартовой системе координат используются две оси: одна горизонтальная (x), представляющая направление с востока на запад, и одна вертикальная (y), представляющая направление с севера на юг. Точка пересечения этих осей называется началом координат. Местоположения географических объектов задаются относительно начала отсчёта в координатах (x,y), где x описывает расстояние вдоль горизонтальной оси, а y -- вдоль вертикальной. Начальная точка описывается как (0,0).

На рисунке ниже координаты (4,3) описывают точку, находящуюся в четырех единицах правее и трех единицах выше начала отсчета.

Трехмерные системы координат

Системы координат проекции используют ещё и значение z для измерения высоты выше или ниже уровня моря.

Свойства и их искажение картографическими проекциями

Поверхность Земли имеет сферическую форму, поэтому картографам и ГИСспециалистам приходится какимто образом изображать реальный мир в плоской, или планарной системе координат. Чтобы глубже понять дилемму, представьте, как бы вы сделали плоским половину баскетбольного мяча. Объемную форму невозможно превратить в плоскую без искажений или разрывов. Процесс перемещения информации с объемной поверхности Земли на плоскость называется проецированием, отсюда и берется термин ''картографическая проекция''.

Система координат проекции определяется на плоской, двухмерной поверхности. Координаты проекции могут быть определены как двухмерные (x,y) и трехмерные (x,y,z), где измерения х,у представляют местоположение на земной поверхности, а z -- высоту относительно среднего уровня моря.

В отличие от географической системы координат, система координат проекции имеет постоянную длину, углы и области в двух измерениях. Но все картографические проекции, преобразующие поверхность Земли на плоскую карту, в некоторой степени искажают расстояния, площади, формы и направления.

Пользователи обходят эти ограничения, используя проекции, применимые для их целей, географического положения и экстента. Программное обеспечение ГИС также может трансформировать информацию между системами координат в целях поддержания целостности данных и рабочих процессов.

Многие картографические проекции были разработаны для определенных целей. Некоторые проекции не искажают формы, иные сохраняют площади (равноугольные и равноплощадные проекции).

Эти свойства -- картографическая проекция вместе со сфероидом и датумом -- стали важными параметрами при определении системы координат для каждого набора данных ГИС и каждой карты. При помощи подробных описаний этих свойств, записываемых для каждого набора данных ГИС, компьютеры могут перепроецировать и трансформировать географические положения элементов наборов данных "на лету" в любую подходящую систему координат. В результате стало возможно интегрировать и комбинировать информацию из разных слоёв ГИС. Это очень важная возможность ГИС. Точная информация о местоположениях является основой практически для всех операций ГИС.



10. Картографические проекции в ГИС и датум

Картографические проекции служат для представления сферической поверхности Земли на плоскости бумажной или компьютерной карты. Системы координат (СК) определяют, как двумерная спроецированная карта описывает реальные местоположения на Земле с помощью координат. Выбор картографической проекции и системы координат зависит от географической области, которую Вы хотите показать на карте, от задач, стоящих перед будущей картой, и часто от доступности данных.

Подробнее о картографических проекциях:

Традиционный метод представления формы Земли - это глобус. Тем не менее, здесь возникает ряд проблем. Хотя глобусы достаточно точно передают форму Земли и очертания континентов, их невозможно носить с собой в кармане. Также они подходят для использования в очень малых масштабах (примерно 1 к 100 млн). Большинство тематических данных, используемых в картографических приложениях, имеют гораздо более крупный масштаб. Типичные наборы геоданных имеют масштаб 1:250 000 или крупнее, в зависимости от уровня детализации. Глобус подобного масштаба было бы трудно произвести и еще более трудно сдвинуть с места. Поэтому картографы разработали ряд математических техник, называемых картографическими проекциями, разработанных для представления сферической поверхности Земли в двух измерениях.

Смотря на Землю с близкого расстояния, люди воспринимают ее плоской. Тем не менее, из космоса она выглядит шарообразной. Карты, как известно, являются представлением реальности. Они создаются для представления не только самих объектов, но и их формы, размеров и пространственных отношений. Каждая картографическая проекция имеет достоинства и недостатки. Выбор лучшей проекции зависит от масштабакарты и от цели ее создания. Например, проекция, которая будет иметь неприемлемые искажения в случае создания карты на весь африканский континент, может быть отличным решением для составлениякрупномасштабной (детальной) карты одного из африканских городов. Свойства картографической проекции также воздействуют на визуальные характеристики карты. Некторые проекции хороши для малых областей, некоторые - для территорий с большим протяжением с запада на восток, третьи - с севера на юг.

Три семейства картографических проекций:

Процесс создания картографической проекции может быть наглядно показан путем помещения источника света внутрь прозрачного глобуса с обозначенными параллелями и меридианами. Свет падает на лист бумаги. Различные способы проецирования имитируются оборачиванием глобуса листом в форме цилиндра, конуса, или просто прикладыванием плоского листа. Каждый из этих методов называется семейством картографических проекций.

Процесс проецирования осуществляется с использованием математических принципов геометрии и тригонометрии. Процесс, показанный выше, моделируется числовыми функциями.

Точность картографических проекций.

Картографические проекции по определению не могут передать сферическую поверхность со 100% точностью. В ходе проецирования любая карта будет иметь искажения углов, расстояний или площадей. Картографическая проекция может быть компромиссной, т.е. искажать все три свойства в некоторых допустимых пределах.

Как уже сказано, при перенесении Земли на плоскость сохранить точность всех характеристик одновременно невозможно. Это означает, что если Вам нужно осуществлять точные аналитические операции по карте, Вы должны выбрать картографическую проекцию, которая наилучшим образом сохраняет точность характеристики, которую Вы будете измерять. Например, если Вы хотите измерять расстояния на Вашей карте, Вам следует выбрать проекцию, которая обеспечивает высокую точность расстояний.

Равноугольные картографические проекции

На глобусе главные направления розы ветров (север, запад, юг и восток) всегда находятся под углом 90 градусов друг к другу. Другими словами, меридианы всегда находятся под прямым углом к параллелям. Такиеуглы могут быть сохранены на картографической проекции, называемой равноугольной. Также такая проекция называется конформной, или ортоморфической.

В то же время, она сильно искажает площади в высоких широтах.

Подобные проекции используются, когда важно сохранить правильные углы, в частности для навигационных и метеорологических задач. Важно помнить, что сохранение правильных углов на карте ведет к искажению других характеристик и действительно на малых площадях. Так, конформная проекция искажает площади, т.е. если на карте с конформной проекцией будут измерены площади, их значения будут неправильными. Чем больше область, изображенная на карте, тем больше будут искажены площади. Примеры конформных проекций -Проекция Меркатора и Конформная Коническая Проекция Ламберта. Подобные проекции используются на многих картах Геологической Службы США.

Равнопромежуточные проекции

Если Вы хотите правильно измерять расстояния, Вам потребуется картографическая проекция, которая хорошо сохраняет расстояния. Такие проекции, называемые равнопромежуточными, поддерживают постоянный масштаб карты. Карта является равнопромежуточной, когда она корректно отображает расстояния от центра проекции до любой другой точки на карте. Равнопромежуточные проекции обеспечивают правильные расстояния от центра проекции вдоль определенных линий. Эти проекции используются для сейсмического картографирования, а также для задач навигации. Цилиндрическая Проекция ПлатеКарре иРавнопромежуточная проекция относятся к этому типу проекций. Есть и другие проекции, напримерАзимутальная Равнопромежуточная Проекция используется на эмблеме ООН.

Датумы.

В то время как сфероид аппрксимирует форму Земли, датум определяет положение сфероида относительно ее центра. Датум предоставляет систему отсчета для определения местоположения объектов на поверхности Земли. Он определяет начальную точку и направление линий широты и долготы.

Если вы измените датум или, точнее, географическую систему координат, значения координат ваших данных изменятся. Ниже приведены координаты (в градусах, минутах, секундах) для контрольной точки в г. Редландс, штат Калифорния, в системе координат Североамериканского датума 1983 года (NAD 1983 или NAD83):

34 01 43.77884 117 12 57.75961

Та же точка в системе координат Североамериканского датума 1927 года (NAD 1927 или NAD27) будет иметь координаты:

34 01 43.72995 117 12 54.61539

Значение долготы отличается примерно на 3 секунды, в то время как значение широты отличается примерно на 0.05 секунды.

NAD 1983 и Мировая геодезическая система 1984 г. (World Geodetic System of 1984 WGS 1984) одинаковы для большинства приложений. Здесь приведены координаты контрольной точки на базе WGS 1984:

34 01 43.778837 117 12 57.75961

Геоцентрические датумы.

В последние 15 лет спутниковые данные предоставили геодезистам новые измерения для определения эллипсоида, который наилучшим образом определяет форму Земли и который соотносит координаты с центром массы Земли. Геоцентрический датум использует центр масс Земли в качестве начальной точки. Наиболее поздним из разработанных и одним из широко используемых датумов является Мировая Геодезическая система 1984 года (WGS84 World Geodetic System of 1984). Она служит основой для определения местоположения по всему миру.

Местные датумы.

Местный датум центрирует сфероид таким образом, что он наилучшим образом описывает поверхность Земли для данной конкретной территории. Точка на поверхности сфероида поставлена в соответствие определенной точке на поверхности Земли. Эта точка известна как начальная точка датума. Координаты “начальной точки” зафиксированы, и все остальные точки являются расчетными по отношению к этой точке.

Начало системы координат местного датума не расположено в центре Земли. Центр сфероида местного датума смещен относительно центра Земли. Местными датумами являются системы координат NAD27 и Европейский датум 1950 года (ED 1950). Датум NAD 1927 разработан для Северной Америки, а датум ED 1950 для использования в Европе. Поскольку местный датум тесным образом связывает сфероид с определенной территорией на поверхности Земли, он не подходит для использования за пределами того региона, для которого он был разработан.

Примечание переводчика: Для всех карт на территорию России и бывшего Советского Союза в качестве датума используется эллипсоид Красовского 1940 года.



11. Использование методов дистанционного зондирования в ГИС

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ)- получение информации о поверхности Земли и объектах на ней, атмосфере, океане, верхнем слое земной коры бесконтактными методами, при которых регистрирующий прибор удален от объекта исследований на значительное расстояние.

Общей физической основой дистанционного зондирования является функциональная зависимость между зарегистрированными параметрами собственного или отраженного излучения объекта и его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением. Суть метода заключается в интерпретации результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удаленной от него точке пространства. С помощью дистанционного зондирования изучают физические и химические свойства объектов. Примерами естественных форм ДЗ являются зрение, обоняние и слух человека. К методам дистанционного зондирования относят и фотографическую съемку, существенным ограничением которой является то, что эмульсионный слой фотопленки чувствителен только к излучению в видимой либо близкой к ней части электромагнитного спектра. В современном облике дистанционного зондирования выделяются два взаимосвязанных направления - естественнонаучное (дистанционные исследования) и инженернотехническое (дистанционные методы), что нашло отражение в широко распространенных англоязычных терминах remote sensing и remote sensing techniques. Понимание сущности дистанционного зондирования неоднозначно. В качестве предмета дистанционного зондирования как научной дисциплины рассматриваются пространственновременные свойства и отношения природных и социально экономических объектов, проявляющиеся прямо или косвенно в собственном или отраженном излучении, дистанционно регистрируемом из космоса или с воздуха в виде двумерного изображения - снимка. Эта существенная часть дистанционного зондирования названа аэрокосмическим зондированием (АКЗ), что подчеркивает его преемственность с традиционными аэрометодами. Метод аэрокосмического зондирования основан на использовании снимков, которые, как свидетельствует практика, представляют наибольшие возможности для комплексного изучения земной поверхности. Методы ДЗ основаны на использовании сенсоров, которые размещаются на космических аппаратах и регистрируют электромагнитное излучение в форматах, существенно более приспособленных для цифровой обработки, и в существенно более широком диапазоне электромагнитного спектра. В большинстве методов ДЗ используют инфракрасный диапазон отраженного излучения, тепловой инфракрасный и радиодиапазон электромагнитного спектра.

Во всех странах действенным стимулом развития аэрокосмического зондирования служат запросы военных ведомств. С внедрением космических методов и современных цифровых технологий аэрокосмическое зондирование приобретает все более важное экономическое значение и становится обязательным элементом высшего образования в природоведческих вузах, превращается в мощное средство изучения Земли от локальных исследований отдельных компонентов до глобального изучения планеты в целом. Поэтому при изложении различных аспектов аэрокосмического зондирования целесообразно рассматривать его как метод исследований, результативно применяемый во всех науках о Земле, и, прежде всего в географии.

Материалы дистанционного зондирования (ДЗ) являются частью большой системы сбора, переработки, регистрации и использования данных. Правильно организованная система дистанционных исследований должна быть ориентирована на решение конкретных геологических задач, обусловливающих выбор орбит космических носителей, набор датчиков, характер сбора, переработки и передачи на наземные комплексы первичных данных и тип представляемых материалов.

Схема дистанционного зондирования.

Сцена это то, что находится перед датчиком; построение геологической модели сцены является в самом общем виде той целью, ради которой создается система. Изучение сцены на расстоянии возможно благодаря тому, что она обнаруживает себя в физических полях, которые могут быть измерены. Наиболее часто используются излучаемые или отраженные электромагнитные волны, в последнем случае необходим источник освещения, пассивный (например. Солнце) или активный (лазеры, радиолокаторы и др.). Физические поля измеряются датчиками, входящими в состав высотного комплекса, который кроме измерений служит для первичной обработки и передачи данных на Землю. Данные, закодированные в электромагнитном сигнале или записанные на твердотельные носители (фотопленки, магнитные ленты и пр.), доставляются в наземный комплекс, в котором происходит их прием, обработка, регистрация и хранение. После обработки данные обычно переписываются в кадровую форму и выдаются в качестве материалов дистанционного зондирования, которые по традиции называются космическими снимками. Пользователь, опираясь на внешнюю базу знаний, а также собственный опыт, интуицию, проводит анализ и интерпретацию материалов ДЗ и создает геологическую модель сцены, которая и является формой регистрации решения поставленной проблемы. Достоверность модели проверяется сопоставлением, или идентификацией модели и сцены; идентификация замыкает систему и делает ее пригодной для прикладного пользования.



12. Роль аэро и космических снимков в ГИС

Космические снимки -- собирательное название данных, получаемых посредством космических аппаратов (КА) в различных диапазонах электромагнитного спектра, визуализируемых затем по определённому алгоритму.

Как правило, под понятием космические снимки в широких массах понимают обработанные данные дистанционного зондирования Земли, представленные в виде визуальных изображений, например, Google Earth.

Исходная информация космических снимков представляет собой зарегистрированное определённым видом сенсоров электромагнитное излучение. Такое излучение может иметь как естественный природный характер, так и отклик от искусственного (антропогенного или иного) происхождения. Например, снимки Земли, т. н. оптического диапазона, представляют собой по сути обычную фотографию (способы получения, которой, тем не менее, могут быть весьма сложны). Такие снимки характеризуются тем, что регистрируют отражение естественного излучения Солнца от поверхности Земли (как в любой фотографии ясным днём).

Снимки, использующие отклик от искусственного излучения, похожи на фотографию ночью при фотовспышке, когда естественной подсветки нет и используется свет, отражённый от яркой вспышки лампы. В отличие от любительской съёмки, КА могут использовать переизлучение (отражение) в диапазонах электромагнитного спектра, выходящего за пределы оптического диапазона, видимого глазом человека и чувствительного для сенсоров бытовых камер. Например, таковы радарные снимки, для которых облачность атмосферы является прозрачной. Такие снимки дают изображение поверхности Земли или других космических тел «через облачность».

В самом начале для получения космических снимков использовался либо классический «фотографический» способ -- съёмка специальной фотокамерой на светочувствительную плёнку, с последующим возвращением капсулы с плёнкой из космоса на Землю, либо съёмка телевизионной камерой с передачей телесигнала на наземную принимающую станцию.

На начало 2009 года преобладает сканерный способ, когда поперечную развёртку (перпендикулярно маршруту движения КА) обеспечивает сканирующий (качающийся механически или обеспечивающий электронную развёртку) механизм, передающий ЭМИ на сенсор (приёмное устройство) КА, а продольную развёртку (вдоль маршрута движения КА) обеспечивает само перемещение КА.

Космические снимки Земли и других небесных тел могут использоваться для самой различной деятельности: оценка степени созревания урожая, оценка загрязнения поверхности определённым веществом, определение границ распространённости какоголибо объекта или явления, определения наличия полезных ископаемых на заданной территории, в целях военной разведки и многое другое.



13. Роль ГИС в вопросах экологии

13.1 Целесообразность использования ГИС при решении проблем экологии

Экологические проблемы часто требуют незамедлительных и адекватных действий, эффективность которых напрямую связана с оперативностью обработки и представления информации. При комплексном подходе, характерном для экологии, обычно приходится опираться на обобщающие характеристики окружающей среды, вследствие чего, объемы даже минимально достаточной исходной информации, несомненно, должны быть большими. В противном случае обоснованность действий и решений вряд ли может быть достигнута. Однако простого накопления данных тоже, к сожалению, недостаточно. Эти данные должны быть легко доступны, систематизированы в соответствии с потребностями. Хорошо, если есть возможность связать разнородные данные друг с другом, сравнить, проанализировать, просто просмотреть их в удобном и наглядном виде, например, создав на их основе необходимую таблицу, схему, чертеж, карту, диаграмму. Группировка данных в нужном виде, их надлежащее изображение, сопоставление и анализ целиком зависят от квалификации и эрудированности исследователя, выбранного им подхода интерпретации накопленной информации. На этапе обработки и анализа собранных данных существенное, но отнюдь не первое, место занимает техническая оснащенность исследователя, включающая подходящие для решения поставленной задачи аппаратные средства и программное обеспечение. В качестве последнего во всем мире все чаще применяется современная мощная технология географических информационных систем.

ГИС имеет определенные характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту технологию основной для целей обработки и управления информацией. Средства ГИС намного превосходят возможности обычных картографических систем, хотя естественно, включают все основные функции получения высококачественных карт и планов. В самой концепции ГИС заложены всесторонние возможности сбора, интеграции и анализа любых распределенных в пространстве или привязанных к конкретному месту данных. Если необходимо визуализировать имеющуюся информацию в виде карты, графика или диаграммы, создать, дополнить или видоизменить базу данных, интегрировать ее с другими базами - единственно верным путем будет обращение к ГИС. В традиционном представлении возможные пределы интеграции разнородных данных искусственно ограничиваются. Близким к идеалу считают, например, возможность создания карты урожайности полей путем объединения данных о почвах, климате и растительности. ГИС позволяет пойти значительно дальше. К вышеприведенному набору данных можно добавить демографическую информацию, сведения о земельной собственности, благосостоянии и доходах населения, объемах капитальных вложений и инвестиций, зонировании территории, состоянии хлебного рынка и т.д. В результате появляется возможность напрямую определить эффективность запланированных или проводящихся мероприятий по сохранению природы, их влияние на жизнь людей и экономику сельского хозяйства. Можно пойти еще дальше и, добавив данные о распространении заболеваний и эпидемий, установить, есть ли взаимосвязь между темпами деградации природы и здоровьем людей, определить возможность возникновения и распространения новых заболеваний. В конечном счете, удается достаточно точно оценить все социальноэкономические аспекты любого процесса, например сокращения площади лесных угодий или деградации почв.



13.2 Роль и место ГИС в природоохранных мероприятиях

Деградация среды обитания

ГИС с успехом используется для создания карт основных параметров окружающей среды. В дальнейшем, при получении новых данных, эти карты используются для выявления масштабов и темпов деградации флоры и фауны. При вводе данных дистанционных, в частности спутниковых, и обычных полевых наблюдений с их помощью можно осуществлять мониторинг местных и широкомасштабных антропогенных воздействий. Данные об антропогенных нагрузках целесообразно наложить на карты зонирования территории с выделенными областями, представляющими особый интерес с природоохранной точки зрения, например парками, заповедниками и заказниками. Оценку состояния и темпов деградации природной среды можно проводить и по выделенным на всех слоях карты тестовым участкам.

Загрязнение

С помощью ГИС удобно моделировать влияние и распространение загрязнения от точечных и неточечных (пространственных) источников на местности, в атмосфере и по гидрологической сети. Результаты модельных расчетов можно наложить на природные карты, например карты растительности, или же на карты жилых массивов в данном районе. В результате можно оперативно оценить ближайшие и будущие последствия таких экстремальных ситуаций, как разлив нефти и других вредных веществ, а также влияние постоянно действующих точечных и площадных загрязнителей.

...