Геоинформационные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Настоящая работа выполнена на 27 страницах, содержит 18 иллюстраций, 1 таблицу, 11 использованных источников.

Ключевые слова: ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА, РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ОБЗОР, ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ.

В работе рассмотрено становление геоинформационных систем и их современное состояние.



СОДЕРЖАНИЕ

геоинформационный дистанционный зондирование компьютерный

РЕФЕРАТ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. Развитие геоинформационных систем

1.1 Развитие авиационного дистанционного зондирования Земли

1.2 Развитие космического дистанционного зондирования Земли

2. Современные геоинформационные системы

2.1 Становление ГИС как систем с компьютерной обработкой

2.2 Представление различных объектов на картах ГИС

2.2.1 Растровая модель представления данных

2.2.3 Векторная модель представления данных

2.2.3 Сравнение растровой и векторной модели представления данных

2.2.4 Атрибутивные модели в ГИС

2.3 Многослойное представление графической информации

2.4 Варианты применения геоинформационных систем

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ



СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ГИС - геоинформационныесистемы

ДЗЗ - дистанционноезондированиеЗемли

КА - космический аппарат

ЛА - летательный аппарат

РБО - радиолокаторбоковогообзора

РЛС - радиолокационнаястанция

РСА - радиолокатор с синтезированнойапертурой



ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время геоинформационные системы (ГИС) получили широкое применение. Их используют для сбора, хранения, анализаи визуализации информации о поверхности (твердой, водной) Земли и объектах на ней. Если описывать современную систему, то ГИС - это автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных [1].

Сбор информации осуществляется путем дистанционного зондирования Земли с помощью электромагнитного излучения, излучающегося объектом или отраженным от него. Такое излучениерегистрируется в некоторой точке пространства и обрабатывается для получения необходимой информации об объекте.

Аппаратура для осуществления дистанционного зондирования Земли может устанавливаться на авиационные и космические аппараты. Полученная информация с приемной аппаратуры обрабатывается и применяется в картографии, геологии, географии, метеорологии, сельском и лесном хозяйстве т.д.

Цель данной работы - провести анализ развития и структуры геоинформационных систем.

Основные задачи работы:

· изучить литературу по теме курсовой работы;

· исследовать развитие ГИС;

· рассмотреть современное состояние и структуру ГИС;

· рассмотретьнекоторые сферы применения ГИС.



1. РАЗВИТИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Геоинформационная система не может существовать без своего основного компонента - информации о объектах на земной поверхности, которая появляется в результате дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Рассмотрим, как проходило развитие технологий проведения зондирования земной поверхности.

1.1 Развитие авиационного дистанционного зондирования Земли

Исследования применения радиолокации на борту самолетов начались в Великобритании в 1930-х годах. Несколько десятилетий радиолокационные системы разрабатывались в основном только для военных целей (наблюдение и перехват самолетов, посадка летательного аппарата (ЛА) в плохих погодных условиях, ночью и т.п.), для ДЗЗ они не использовались. Тогда для исследования земной поверхности с борта самолета долгие годы использовали аэрофотосъемку, когда информацию о земной поверхности получали путем фотографирования.

В Советском Союзе после войны существовало множество трудноисследуемых территорий в северных и северо-восточных районах. В такой местности аэрофотосъемку земной поверхности очень трудно осуществлять по погодным условиям, иногда это вообще невозможно. Также необходимо было пересматривать сами методики проведения такого зондирования, т.к. аэрофотосъёмка сдерживала темпы роста изученности страны. Поэтому дальнейшие исследования были направлены на новый нефотографический метод зондирования земли - радиолокационная аэросъемка.

Также, одной из причин развития радиолокационной съемки в 1960-х годах, стало повышение требования к дистанционному изучению географических объектов, а именно - укрупнение масштаба. Радиолокационная аэросъемка дала возможность получать изображения крупного масштаба (1:100 000 и 1:200 000) практически при любых погодных условиях и в любое время дня.

Аэросъемка с помощью ЛА заключается в том, что на борт самолета или другого летательного аппарата устанавливается радиолокационная станция (РЛС). Онаможет быть как панорамного обзора земной поверхности (Рисунок 1), так и бокового обзора (Рисунок 2).

Рисунок 1 - РЛС панорамного обзора на борту летательного аппарата

Рисунок 2 - РЛС бокового обзора на борту летательного аппарата

Изображение, полученное с помощью радиолокационной съемки в сантиметровом диапазоне (л = 4 см) представлено на рисунке 3.

Рисунок 3 - Изображение поверхности Земли, полученное с помощью радиолокационной съемки

Наиболее часто используемые в настоящее время РЛС на отечественных ЛА представлены в таблице 1 [2].

Таблица 1 - РЛС, устанавливаемые на отечественные летательные аппараты

РЛС боковогообзора	Используемый самолет	РЛС обзораземнойповерхности	Используемый самолет
«Торос»	Ан-24	«ЕН-Д»	Ту-16К-10
М-101 «Штык»	Су-24МР	«Кобальт»	Ил-12, Ту-4, Ту-16КС
«Булат»	Як-28БИ	РОЗ-1А	Ту-134УБЛ
«Игла-1»	Ил-20М, Ил-24Н	РОЗ-3	Ан-12
«Нить-К»	Ил-24Н	«Рубин-1»	Ту-22, Ту-134Ш, Ту-126, Ту-16К-16
«Нить-С»	Ан-24	КП-3А	Ил-76
«Нить С1-СХ»	Ту-134СХ
«Сабля-Е»	Миг-25 РБС
«Шомпол»	Миг-25 РБШ
«Вираж»	Миг-25 РБВ
«Куб-3»/«Куб-3М»	Миг-25 РБК



1.2 Развитие космического дистанционного зондирования Земли

Первый космический эксперимент дистанционного зондирования Земли был проведен в 1978 году. Спутник Seasat (Рисунок 4) был оборудован первым космическим радиолокатором с синтезированной апертурой (РСА) и предназначался для осуществления спутникового мониторинга поверхности океана. Конкретными задачами были сбор данных о ветрах, температуре, волнах и топографии океана. Данный спутник управлялся Лабораторией реактивного движения НАСА и был запущен 27 июня 1978 года. Seasat проработал в течении 106 дней, короткое замыкание в электрической системе спутника не дало продолжить эксперимент.

Рисунок 4 - Спутник Seasat [2]

Спутник Seasat был оборудован пятью основными инструментами для получения информации с поверхности океана:

· Радарный высотомер для измерения высоты космического аппарата над поверхностью океана;

· Микроволновый рассеиватель для измерения скорости и направления ветра;

· Сканирующий многоканальный микроволновый радиометр для измерения температуры поверхности моря;

· Видимый и инфракрасный радиометр для определения облачных, наземных и водных объектов;

· Радиолокатор с синтезированной апертурой.

Результаты проведенного эксперимента показали, что подобные системы имеют большие возможности при наблюдении за различными природными явлениями.

Первым отечественным космическим аппаратом (КА) для дистанционного зондирования Земли был КА «Космос-1500» (1983). Внешний вид космического аппарата представлен на рисунке 5.

Основным компонентом установленной на него радиофизической аппаратуры был радиолокатор бокового обзора (РБО). Несмотря на то, что РБО имеют более низкую разрешающую способность, чем РСА, данная система отличается более высокой радиометрической точностью и полосой обзора.

Рисунок 5 - Внешний вид космического аппарата «Космос-1500»

При проектировании КА «Космос-1500» требовалось, чтобы полосы обзора были не меньше нескольких сотен километров, а пространственное разрешение не хуже 1--2 км. Это обеспечивало возможность контроля основных взаимодействий в системе океан-атмосфера, а также процессов льдообразования и динамики ледовых покровов. Также особенностью данной системы было то, что наблюдение не зависело от условий освещенности, времени суток. Обработка информации проводилась на борту в реальном времени и передавалась по радиоканалу международного стандарта на приемные станции в СССР [4].

Высокая надежность разработанной отечественной системы дистанционного зондирования Земли позволила практически бессменно эксплуатировать аппараты серии с РБО вплоть до наших дней
(КА «Космос-1500» и сейчас находиться на орбите Земли). К ней относятся аппараты серии «Океан», «Сич», «Метеор-М» (Рисунок 6).

Рисунок 6 - Внешний вид КА серии «Метеор-М»

Обзор поверхности Земли с помощью КА представлен на рисунке 7. Сбор информации происходит благодаря перемещению сканирующего луча по поверхности планеты за счет её вращения.

Рисунок 7 - Обзор поверхности Земли с помощью космического аппарата

Постоянное наблюдение поверхности Земли с использованием РСА в военных целях ведётся с момента запуска США в 1988 году КА LACROSSE, в гражданских целях с запуском Европейским космическим агентством КА ERS-1 в 1991 году. В наши дни на орбите Земли находятся радиолокационные КА ERS (Рисунок 8), европейский ENVISAT (Рисунок 9), RADARSAT (Канада), ALOS (Япония), TERRASAR, SAR-Lupe (Германия), COSMO Skymed(Италия), Метеор-М (Россия) [5].

Рисунок 8 - Спутник дистанционного зондирования Земли ERS-1

Рисунок 9 - Спутник ENVISAT

На рисунке 10 представлено радиолокационное изображение водной поверхности Земли, полученное со спутника ERS-1.

Рисунок 10 - Изображение поверхности океана, полученное с помощью космического аппарата ERS-1 [6]

Снимок 10 был получен при мониторинге водной поверхности Земли на наличие нефтяных загрязнений, которые имеют на радиолокационных изображениях практически чёрный цвет.



2. СОВРЕМЕННЫЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

2.1 Становление ГИС как систем с компьютерной обработкой

Несмотря на то, что системы для обработки и хранения информации о земной поверхности, полученной дистанционными методами, начали появляться в 60-х годах прошлого века, временем их становления принято считать 1990-е годы. Разработка персональных компьютеров позволила сделать ГИС более доступной, появление на рынке новых программных средств для ГИС увеличило область применения ГИС-технологий, что потребовало увеличения существующих наборов данных.

Технологии ГИС позволяют перерабатывать снимки, полученные с космических или летательных аппаратов, с помощью вычислительной техники в электронные карты, в которых содержится не только графическая,но и иная информация (статистическая, специализированная и пр.). Возможность компьютерной обработки позволяет проводить с такими картами различные аналитические операции и преобразования. ГИС способны выявить и установить связь между различными компонентами электронных карт, которую трудно или невозможно выявить обычному человеку. Таким образом, ГИС позволяют очень эффективно осуществлять пространственный анализ поверхности Земли.

Рисунок 11 - Алгоритм анализа поверхности Земли

ГИС содержат информацию о различных земных объектах в форме цифровых представлений (векторных, растровых и пр.), которая объединяется в базы данных. Для работы с ними используют различные редакторы графики и средства пространственного анализа данных.

С развитием науки и техники ГИС стали новым типом интегрированных информационных систем. В настоящее время ГИС можно рассматривать и как систему управления (обеспечение оптимальных решений), и как автоматизированную информационную систему, которая объединяет технологии и процессы других систем (систем автоматизированного проектирования, автоматизированных справочно-информационных систем и прочих).

ГИС можно представить как геосистему и систему представления информации. ГИС позволяет проводить сбор географической информации и визуализировать её более наглядно, чем на обычных географических картах.

Как прикладные системыГИС получили огромное распространение, они используются на транспорте, в навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике, экологии и т.д. [1].

Данные действительного мира, отображаемые в ГИС, можно рассматривать с учетом трех аспектов: пространственного, временного и тематического.

Пространственный аспектсвязан с определением местоположения объекта, временной - с изменениями объекта или процесса с течением времени, в частности, от одного временного среза до другого.Тематический аспектобусловлен выделением одних признаков объекта и исключением из рассмотрения других.

В большинстве технологий ГИС для определения места используют один класс данных - координаты, для определения параметров времени и тематической направленности другой класс данных - атрибуты [1].

2.2 Представление различных объектов на картах ГИС

Рассмотрим более детально представление различных объектов ГИС в электронной форме.

Для отображения положения точек поверхности на плоскости используют различные математические модели поверхности и различные системы координат. На практике применяют два основных типа координат: плоские и сферические. Реже применяют криволинейные или полярные.

Выбор системы координат зависит от размеров исследуемых участков поверхности, как следствие, от влияния кривизны Земли. При изображении небольших участков Земли часть уровненной поверхности можно принять за плоскость. Такими участками будут участки до 20 км длиной и площадью до 400 км² [1].

При визуальном представлении данных ГИС используют графическую среду, основу которой составляют векторные и растровые формы.

2.2.1 Растровая модель представления данных

Растровые данные (Рисунок 12), полученные с помощью космической или аэросъемки, хранятся в виде наборов величин, упорядоченных в форме прямоугольной сетки. Ячейки такой сетки называются пикселями.

Рисунок 12 - Растровая и векторная модель представления местности в ГИС

Растровая модель даёт информацию о том, что расположено в той или иной точке территории (основная задача - непрерывное отображение поверхности).

Основными характеристиками растровой модели являются:

· Разрешение - минимальный линейный размер самого маленького участка пространства (поверхности), отображаемый одним пикселем.

· Значение - элемент информации, хранящийся в элементе растра (пикселе).

· Тип значений в ячейках определяется реальным явлением и спецификой ГИС.

· Ориентация - угол между направлением на север и положением колонок пикселей.

· Положениеобычно задается парой координат (номер строки и номер столбца), которые однозначно определяют положение каждого элемента отображаемого пространства в растре [1].

Преимущества растровой модели:

Е Данные собираются системой равномерно, что позволяет получить объективные показатели исследуемого объекта.

Е Способ достаточно простой.

Е Более высокое быстродействие, по сравнению с векторной моделью.

Е Растровая модель может быть преобразованна в векторную, обратное преобразование затруднительно.

Е Алгоритмически растровая модель проще, чем векторная.

2.2.2 Векторная модель представления данных

Векторные модели данных строятся на векторах, занимающих часть пространства, в отличие от занимающих все пространство растровых
моделей [1].

Векторные модели можно получить несколькими методами. Один из наиболее распространенных - векторизация сканированных (растровых) изображений. Для векторизации необходимо высокое качество (отчетливые линии и контуры) растровых объектов.

Векторные данные (Рисунок 12) обычно имеют намного меньший размер, чем растровые, они представлены на карте в виде точек, линий и плоских замкнутых фигур(Рисунок 13). Их легко трансформировать и проводить над ними бинарные операции. Векторные данные позволяют проводить различные типы пространственного анализа, к примеру поиск кратчайшего пути в дорожной сети [7].

Рисунок 13 - Обозначение различных объектов в векторной модели ГИС а) точками, б) полилиниями, в) полигонами

Точки (Рисунок 13а) в векторном представлении данных применяются для указания объектов на картах, для которых важно именно местоположение, а не их форма или размер. Возможность обозначения объектов точками зависит от масштаба карты. Например, город на карте страны целесообразно обозначать точкой, но при этом на карте города он сам представляется совокупностью других объектов, в том числе и точечных, которые обычно отображаются в виде небольших геометрических фигур (крестик, треугольник, квадрат).

Полилиния (ломаная, составленная из отрезков) (Рисунок 13б) отображает линейные объекты (дороги, реки, трубо- газопроводы, улицы). Но также стоит обратить внимание на масштаб карты. Например, река на карте страны может быть изображена одной ломаной линией, но на карте города её необходимо обозначить фигурой, имеющей площадь.

Полигоны (Рисунок 13в) служат для обозначения площадных объектов с четкими границами (моря, пруды, страны, заводы).

Особенности векторных моделей:

· Возможность использования данных в любой последовательности.

· Более простой анализ и проведение операций над объектами.

· Более высокая точность, чем у растровой модели.

Преимущество векторной модели -для хранения информации требуется значительно меньше памяти и времени для обработки объектов, чем для растровой модели.

Топологические модели в ГИС задаются с помощью следующих объектов и характеристик:

· связанность векторов - контуры, дороги, реки и прочие векторы должны храниться как взаимосвязанные друг с другом объекты;

· связанность и примыкание районов - информация о взаимном расположении районов и об узлах пересечения районов;

· пересечение - информация о типах пересечений позволяет воспроизводить мосты и дорожные пересечения. Так, Т-образное пересечение (3 линии) является трехвалентным, а Х-образное (4 линии сходятся в точке пересечения) называют четырехвалентным. Стоит отметить, что пересечение имеет ввекторное представление. Эти данные в ГИС автоматически кодируются в виде отдельных атрибутов;

· близость - показатель пространственной близости линейных или ареальных объектов, оценивается числовым параметром [1].



2.2.3 Сравнение растровой и векторной модели представления данных

Рассмотрим более детально различие растровой и векторной формы представления данных об одном объекте. На рисунках14 и 15 на верхних фрагментах представлено Ладожское озеро.

Рисунок 14 - Растровый способ представления пространственных данных

Рисунок 15 - Векторный способ представления пространственных данных

На рисунке14 изображение озера получено прибором AVHRR спутника NOAA и визуализировано с помощью растровой ГИС IDRISI. На рисунке15 представлена карта в проекции Меркатора, сформированная из покрытий PONET и DNNET карты DCW с помощью ГИС ARC\INFO.

В первом случае при увеличении изображения увеличивается размер ячеек, из которых состоит изображение. Цвет (величина сигналов) и форма ячеек не меняется, что видно в нижней части рисунка14.

При увеличении изображения на рисунке15 полигон, соответствующий острову Котлин, преобразуется в подобный полигон большей площади. Для большего полигона увеличивается длина отрезков замкнутой ломаной линии, определяющей его границу, при этом ширина этой линии не изменяется [8].

2.2.4 Атрибутивные модели в ГИС

Выше отмечалось, что атрибутивные данные описывают тематические и временные характеристики. Таблица, содержащая атрибуты объектов, называется таблицей атрибутов.

Атрибуты, соответствующие тематической форме данных и определяющие различные признаки объектов, также хранятся в таблицах. Каждому объекту соответствует строка таблицы, каждому тематическому признаку - столбец таблицы. Каждая клетка таблицы отражает значение определенного признака для определенного объекта [1].

Временные характеристики могут указывать время существования объекта, скорость движения объекта. В зависимости от способа отражения временной характеристики она может размешаться в одной таблице или в нескольких таблицах атрибутов данного объекта для различных временных этапов.

2.3 Многослойное представление графической информации

Электронная карта может быть представлена как многослойная структура. Такой метод представления заимствован из систем автоматизированного проектирования, но в ГИС он получил новое развитие.

Векторные данные в многослойных ГИС обладают информацией об объектах, а не отдельном объекте, как в системах автоматизированного проектирования.

Слои в ГИС могут быть как растровыми, так и векторными, но при этом векторный слой должен быть точечным, полигональным или линейным дополнительно к специфической особеностью информации на слое.

Слои в ГИС являются цифровыми моделями, построенные с помощью объединения объектов, которые обладают общими свойствами. Слои в общем создают интегрированную основу графической части ГИС. Принадлежность объекта или части объекта к слою позволяет использовать и добавлять групповые свойства объектам данного слоя, а, как известно из теории обработки данных, именно их групповая обработка является основой повышения производительности автоматизированных систем [1].

Представление данных слоями в ГИС позволяет типизировать и разбивать данные на группы, что позволяет улучшить качество и скорость обработки информации о обектах.

Пример использования многослойной ГИС представлен в разделе 2.4 (Рисунок 16).

2.4 Варианты применениягеоинформационных систем

Так как ГИС используют в геологии, картографии, экологии, лесном хозяйстве, экономике, обороне и других областях, в настоящее время существует большое количество разновидностей систем, которые позволяют решать определенные задачи.

Например, ГИС применяют при проектировании систем видеонаблюдения для обеспечения безопасности граждан. Такие ГИС могут использоваться для отображения географического местоположения происшествий, анализа данных, направленных на устранение последствий преступлений и правонарушений (Рисунок 16) [9].

Рисунок 16 - Объединение различной информации о объектах в одну систему

Другой пример использования ГИС - создание карт для нефтяных и газовых отраслей. Анализ снимков позволяет строить карты существующих специальных объектов (скважин, газо- и трубопроводов), прогнозировать открытие новых месторождений. Пример такой ГИС представлен на
рисунке17.

Рисунок 17 - Isoline - ГИС для нефтяной геологии [10]

ГИС используются и для картографирования нефтяных загрязнений поверхности Мирового океана. На рисунке 18 представлена карта нефтяного загрязнения Таиландского залива, созданная на основе обработки и анализа радиолокационных изображений спутников ERS-2 и Envisat.

Рисунок 18 - Сводная карта пятен нефти Таиландского залива, полученная обработкой радиолокационных изображений

Специально организованная и обработанная в ГИС информация помогает существенно улучшить идентификацию нефтяных пятен, привязать их к источникам загрязнений, опередить их пространственное распределение и выявить зоны повышенного риска. Кроме того, геоинформационный подход, позволяет извлечь точное местоположение, линейные размеры и площадь нефтяных пятен [11].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Со времени получения первых аэроснимков земной поверхности до появления первых электронных баз данных для ГИС прошло большое количество времени. За этот отрезок времени ГИС развивались достаточно медленно, прорыв в области обработки данных произошел во время появления персональных компьютеров. Представление данных ГИС в цифровом виде позволяет при относительно небольших затратах осуществлять эффективное планирование, разработку карт местности, систематизацию объектов на поверхности Земли.

Развитие аппаратуры для получения радиолокационных снимков и вычислительной техники позволило сделать ГИС неотъемлемой частью многих областей деятельности человека. Возможность прогнозирования, сбора, хранения, обработки информации позволяет создавать единые системы, осуществляющие не только систематизацию и визуализацию данных, но и способные осуществлять оптимизацию и управление в некоторых областях деятельности человека.

Сейчас ГИС являются сложной информационной системой. Различные формы представления данных позволяют использовать их в различных областях деятельности человека.

Таким образом, в настоящее время ГИС являются важнейшим инструментом для решения различных научных и практических задач.



ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1 В.Б. Андриенко. Геоинформационные системы и радиотехнические средства систем управления воздушным движением / под ред. Ю.В. Иванова; Балт. гос. техн. ун-т. - СПб., 2011.

2 Электронный ресурс

https://ru.wikipedia.org/wiki/Авиационные _РЛС

3 Электронный ресурс

https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/seasat

4 Электронный ресурс

http://naukarus.com/kompleks-radiofizicheskoy-apparatury-sputnika-kosmos-1500-k-25-letiyu-so-dnya-zapuska

5 Горячкин О.В. Пути развития радиолокационных космических систем дистанционного зондирования Земли. Статья Вестника Самарского государственного аэрокосмического университета, №2, 2010.

6 Электронный ресурс

http://www.geogr.msu.ru/science/aero/acenter/int_sem7/Oil_pollution.htm

7 Электронный ресурс

http://gti-geo.ru/topographic-geodetic-cartographic/the-creation-of-GIS

8 Электронный ресурс

http://loi.sscc.ru/gis/ecoinf/C4-1.htm

9 Электронный ресурс

http://gisa.ru/52107.html?action=print

10 Электронный ресурс

http://www.isoline-gis.ru/

11 Электронный ресурс

http://gisa.ru/35856.html

Размещено на Allbest.ru

...