1. По архитектурному принципу построения:

а) Закрытые – характеризуются низкой ценой, заранее определенным классом решаемых задач, простотой интерфейса, быстрым освоением пользователями;

б) Открытые – имеют определенный набор функций и снабжены специальным аппаратом для создания и встраивания пользователями специальных приложений для расширения возможностей базовых ГИС и адаптации их к более широкому классу задач. Дорого стоят, требуют обеспечения специалистами.

2. По аппаратной платформе: ГИС профессионального уровня (первоначально созданы для функционирования на рабочих станциях или сетевого использования, поддерживают многочисленные приложения, работают с большим числом внешних устройств, Фирмы-производители Intergraph, ESRI); ГИС настольного типа – ориентированы на ПК, для использования широким кругом пользователей (AtlasGIS, MapInfo, Arc View, Microstation, WinGIS, Geograph ).

3. По территориальному охвату:

- глобальные (планетарные);

- континентальные;

- национальные (государственные);

- региональные;

- субрегиональные;

- локальные (местные).

4. По предметной области моделирования: городские (муниципальные); природоохранные; земельные; геологические и т.д.

5. По функциональным возможностям:

- универсальные (инструментальные) – открытые, работают с различными форматами данных, имеют средства разработки и внедрения приложений. Адаптируются для решения различных задач, как правило имеют собственные встроенные языки программирования.

- специальные – решают узкий круг задач на заданном наборе параметров; основная задача – контроль протекания процессов, предотвращение нежелательных ситуаций, автоматизация документооборота и т.п..

- ГИС-вьюеры – предназначены для визуализации пространственной информации, вывода на печать (обычно без аппарата для пространственного анализа и моделтрования).

Области применения ГИС:

Местные администрации

Задачи управления муниципальным хозяйством – одна из крупнейших областей приложений ГИС. В любой сфере деятельности местной администрации (обследование земель, управление землепользованием, замена существующих бумажных записей, управление ресурсами, учёт состояния собственности (недвижимости) и дорожных магистралей) применимы ГИС. Они могут использоваться также на командных пунктах управления центров по мониторингу и в службах быстрого реагирования. ГИС – неотъемлемый компонент (инструментальный, технологический, программный) любой муниципальной или региональной информационной системы управления.

Коммунальное хозяйство

Организации, обеспечивающие коммунальные услуги, наиболее активно используют ГИС для построения базы данных об основных средствах (трубопроводы, кабели, насосы, распределительные станции и т.п.), которая является центральной частью в их стратегии информационной технологии. Обычно в этом секторе доминируют ГИС, обеспечивающие моделирование поведения сетей в ответ на различные отклонения от нормы. Наибольшее применение находят системы автоматизации картографирования и управления основными средствами для поддержки "внешнего планирования" в организации: прокладка кабелей, расположение задвижек, щитов обслуживания и др.

Охрана окружающей среды

Наиболее ранними пользователями ГИС были организации, заинтересованные в охране окружающей среды. На простейшем уровне – для исследования состояния окружающей среды (например, расположение и состояние лесов, рек). Более сложные приложения используют аналитические возможности ГИС для моделирования процессов в окружающей среде, таких как эрозия почв или разлив рек в случае большого количества осадков, распространение выбросов загрязняющих веществ промышленных предприятий в атмосфере (рис. 3). После сбора исходных картографических данных производится их аналитическая обработка в ГИС.

Здравоохранение

В дополнение к обычным задачам управления основными средствами аналитические возможности ГИС используют в приложениях охраны здоровья, например, для определения кратчайшего пути от станции скорой помощи до пациента с учетом текущей ситуации на дорогах, а также при анализе эпидемиологических ситуаций: характера распространения различных заболеваний и причин их возникновения

Транспорт

ГИС имеют огромный потенциал для приложений на транспорте. Планирование и поддержка транспортной инфраструктуры – это очевидная область применения. В настоящее время увеличивается интерес к использованию новых технологий, например навигационных, для контроля за движением большегрузных автомобилей. Отображение их места нахождения на цифровой карте на дисплеях в кабине водителя и в центре управления перевозками требует поддержки со стороны ГИС.

Розничная торговля

Крупные западные коммерческие фирмы используют ГИС для выбора места расположения большинства новых супермаркетов за пределами центра города, для хранения социально-экономических деталей обстановки и потенциальных заказчиков в заданной области. Расположение склада и зона обслуживания могут быть разработаны с помощью вычислений времени доставки и моделирования влияния конкурирующих складов. ГИС используют также и для управления поставками.

Финансовые услуги

В секторе финансовыми услуг ГИС используются так же, как и в приложениях для розничной торговли: для определения расположения филиалов банков и зданий обществ; в качестве инструмента для оценки риска вложений средств в недвижимость и страхования, для определения областей высшего/низшего риска. Это требует баз данных о криминальной обстановке, ресурсах территории, характеристиках недвижимости.

Полный список – в <Фомин В.В., Нагимов З.Я., и др. Географисечкие информационные системы.>

Возвращаясь к истории ГИС, нужно отметить вот какой важный момент…

В 1995 году на территории бывшего СССР была образована ГИС-Ассоциация – негосударственная и некоммерческая общественная организация, объединяющая в своих рядах специалистов высших учебных заведений, научно-исследовательских, производственных, инженерных, проектно-конструкторских, информационных и других организаций, занятых в области разработки и применения геоинформационных технологий.

Главной задачей ГИС-Ассоциации является построение цивилизованного рынка геоинформатики в Российской Федерации.

Занимаются изданием специальных публикаций в области ГИС-технологий, проводят всяческие мероприятия для разработчиков и потребителей ГИС (семинары, конференции), осуществляют анализ развития программно-аппаратных средств и маркетинговые исследования, разрабатывают рекомендации по стандартизации обмена географическими данными и совершенствованию нормативно-правовой базы…

В настоящий момент ГИС-Ассоциация во многом задает направления развития геоинформатики в России, т.к. является основным разработчиком концепций создания и развития инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации, информационных систем обеспечения градостроительной деятельности и создания Единой Адресной системы Российской Федерации.

…А еще у них есть сайт с очень хорошим словарем и массой полезной информации: http://www.gisa.ru/assoc.html - Сайт ГИС-Ассоциации

*http://www.gisa.ru* - ГИС-портал))

Теперь то, что интересует нас, как пользователей ГИС.

Программное средство ГИС - программный продукт, в котором реализованы функциональные возможности ГИС. Поддерживается программным, аппаратным, информационным, нормативно-правовым, кадровым и организационным обеспечением.

Функциональные возможности ГИС (Англ.: GIS functionality, GIS functions) – это набор функций географических информационных систем и соответствующих им программных средств ГИС. Включают операции геоинформационных технологий и группы операций, отдельные функции и функциональные группы; в их числе:

ввод данных в машинную среду (data input) путем их импорта из существующих наборов цифровых данных или с помощью цифрования источников; Данные для использования их в геоинформационных системах должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой

преобразование, или трансформация данных, (data transformation), включая конвертирование данных из одного формата в другой, трансформацию картографических проекций, изменение систем координат;

хранение, манипулирование и управление данными во внутренних и внешних базах данных;

картометрические операции (см. картометрия), включая вычисление расстояний между объектами в проекции карты или на эллипсоиде, длин кривых линий, периметров и площадей полигональных объектов;

операции обработки данных геодезических измерений (COGO);

операции оверлея; (Overlay = «слой»; Операция наложения друг на друга двух или более слоев, в результате которой образуется графическая композиция, или графический оверлей исходных слоев (graphic overlay), или один производный слой, содержащий композицию пространственных объектов исходных слоев, топологию этой композиции и атрибуты, арифметически или логически производные от значений атрибутов исходных объектов в топологическом оверлее)

операции\"картографической алгебры\", (map algebra) для логико-арифметической обработки растрового слоя как единого целого;

пространственный анализ, (spatial analysis) -- группа функций, обеспечивающих анализ размещения, связей и иных пространственных отношений объектов, включая анализ зон видимости/невидимости, анализ соседства (анализ близости), анализ сетей, создание и обработку цифровых моделей рельефа, анализ объектов в пределах буферных зон и др.;

пространственное моделирование, или геомоделирование, (spatial model(l)ing, geo-model(l)ing), включая операции, аналогичные используемым в математико-картографическом моделировании и картографическом методе исследования;

визуализация исходных, производных или итоговых данных и результатов обработки, включая картографическую визуализацию, проектирование и создание (генерацию) картографических изображений;

вывод данных, (data output), графической, табличной и текстовой документации, в том числе ее тиражирование, документирование, или генерацию отчетов, в целом (reporting);

обслуживание процесса принятия решений, (decision making). Кроме того, в число функций ГИС (точнее, программного обеспечения ГИС) может входить цифровая обработка изображений (данных дистанционного зондирования) -- см. обработка снимков, средства экспертных систем, средства настройки на требования, пользователя, (customization), средства расширения Ф.в.ГИС: встроенные макроязыки, или макросы, инструментарии разработчика, (developer\'s toolkit). Часть Ф.в.ГИС, может дублировать функции автоматических картографических систем и систем обработки цифровых изображений, а также более широкого программного окружения геоинформационных технологий.

Функциональные возможности ГИС реализуются с помощью подсистем, отвечающих за отдельные функции и функциональные группы:

Подсистема сбора данных позволяет создавать и воспроизводить предварительную обработку данных из различных источников, а также преобразовывать различные типы пространственных данных

Подсистема хранения и выборки данных позволяет хранить и организовывать пространственные данные с целью их выборки, обновления и редактирования

Подсистема анализа данных позволяет выполнять различные задачи на основе данных

Подсистема вывода данных позволяет отображать часть или всю базу данных в табличной, диаграммной или картографической форме

В целом ГИС поддерживается программным, аппаратным, информационным, нормативно-правовым, кадровым и организационным обеспечением, то есть, для ГИС необходимы:

аппаратные средства,

программное обеспечение,

информация,

исполнители,

законодательный регламент деятельности

и менеджмент, разумеется.

Аппаратные средства, аппаратное обеспечение, технические средства, – Техническое оборудование системы обработки информации, включающее собственно компьютер и иные механические, магнитные, электрические, электронные и оптические периферийные устройства или аналогичные приборы, работающие под ее управлением или автономно, а также любые устройства, необходимые для функционирования системы (например, GPS-аппаратура, электронные картографические приборы и приборы геодезические).

Аппаратные средства – это компьютер, на котором функционирует ГИС, и все периферийные устройства, которые используются для получения информации, ввода ее в ЭВМ и предоставление пользователю ГИС результатов. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров

Общая организация взаимосвязи элементов А.о. вычислительных систем носит название архитектуры (architecture), совокупность функциональных частей -- конфигурации (configuration) системы.

Периферийные устройства (синоним: внешние устройства, периферийное оборудование, жарг. периферия)

Часть аппаратного обеспечения, конструктивно отделенная от основного блока компьютера; комплекс устройств для внешней обработки данных, обеспечивающий их подготовку, ввод, хранение, управление, защиту, вывод и передачу на расстояние по каналам связи. К П.у. ввода принадлежат дигитайзеры, сканеры и т.п. В группу устройств вывода входят графопостроители, принтеры, мониторы и т.п.

Программное обеспечение (вообще) (синоним: математическое обеспечение, программные средства) – это совокупность программ системы обработки информации и программных документов, необходимых при эксплуатации этих программ;

различают общее, в том числе системное программное обеспечение (system software), и прикладное программное обеспечение (application software).

Программное обеспечение ГИС содержит инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: средства ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных; инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс для легкого доступа к инструментам и функциям.

Программное обеспечение ГИС (GIS software) поддерживает тот или иной набор функциональных возможностей ГИС и включает специализированные программные средства:

универсальные полнофункциональные ГИС, или инструментальные ГИС (GIS software tools),

картографические визуализаторы (map viewer),

картографические браузеры, или "проcмотровщики" (map browser),

средства настольного картографирования (desktop mapping),

информационно-справочные системы,

средства, обслуживающие отдельные этапы геоинформационных технологий и функциональные группы: конвертирование форматов, цифрование, векторизацию, создание и обработку цифровых моделей рельефа, взаимодействие со спутниковыми системами позиционирования и т.д.

Комплект поставки П.о. ГИС может включать отдельные функциональные модули, приобретаемые и используемые в наборе, обеспечивающем решение задачи. Специализированное П.о. ГИС, разрабатываемое автономно или на основе адаптации или доработки существующих универсальных средств ГИС, предназначается для решения прикладных задач. В комплексе с П.о. ГИС используются иные типы П.о. -- настольные издательские системы, пакеты статистического анализа, СУБД, САПР, электронные таблицы, средства цифровой обработки изображений и т.п.П.о. может поставляться в автономном и сетевом вариантах (версиях).

Данные – это наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные или атрибутивные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе обработки данных ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных.

Информационное обеспечение

Совокупность массивов информации (баз данных, банков данных и иных структурированных наборов данных), систем кодирования, классификации и соответствующей документации, обслуживающая систему обработки данных (наряду с программным и аппаратным обеспечением).

Информационное обеспечение ГИС включает поиск и оценку источников данных, накопление данных, выбор методов ввода данных в машинную среду, проектирование баз данных, ее ведение и метасопровождение (см. метаданные).

Особенности организации данных в ГИС

Основным назначением ГИС является формирование цифровых моделей изучаемых объектов, в частности, местности, а также проектирование электронных карт на базе исходной геоинформации.

В ГИС используются разнообразные данные об объектах реального мира: характеристики земной поверхности, свойства геологических объектов, информация о формах и связях между объектами, описательные характеристики объектов предметной области. Чтобы полностью отобразить геообъекты и их свойства, потребовалась бы бесконечно большая база данных.

Поэтому, при создании ГИС и работе с ними, множество разнородных входных данных упорядочивается и используется в виде моделей, сохраняющих основные свойства объектов исследования и не содержащих второстепенных свойств.

В ГИС все многообразие входных данных, (информация о различных геообъектах, их характеристиках, о формах и связях между объектами) преобразуются в единую общую модель (набор иерархически упорядоченных моделей), хранимую в БД.

Выделяют два уровня моделей:

более высокий – модели объектов, которые в БД состоят из композиции более простых частей – моделей данных;

более низкий – модели данных, которые обычно тоже имеют сложную многоуровневую структуру, в которой на нижнем уровне находятся элементарные (атомарные) модели данных.

Организация БД в ГИС сводится к организации моделей объектов, что определяет необходимость предварительного анализа свойств элементарных моделей данных, составляющих более сложные модели в БД и выбора базовых моделей с учетом конкретной предметной области.

Предметная область. Подмножество (часть реального мира), на котором определяется набор данных и методов манипулирования ими для решения конкретных задач.

Информационные единицы – это элементы, из которых создаются информационные модели. Основу информационных моделей составляют следующие единицы

1. Знак. Знак – это элементарная единица информации, являющаяся реализацией свойств объекта в заранее заданной, структурно организованной знаковой системе. Примеры знаков: - знаковая система – целые десятичные числа. Знаками в ней будут «1», «3», «77» и др., но не «3.14»; - в знаковой системе двоичных чисел – «1», «11», «101», «10,11»; - в системе русского алфавита – «ы», «в», «А».

Тип – это совокупность моделей или объектов, объединенных общим набором признаков, или класс подобных знаков. Для первого из вышеприведенных примеров: тип – «целый»; для второго: тип – «двоичный», для третьего: тип – «кириллица». Для выделения типов применяют процедуры типизации. Типизация – объединение данных по набору заданных признаков или выделение из множества данных тех, которые удовлетворяют заданным критериям (признакам). Знак рассматривают как реализацию типа, тип – как обобщение совокупности знаков. Следовательно, знак представляет индивидуальные свойства модели, а тип – ее общие свойства.

3. Сущность. Сущность – это элемент модели, описывающий законченный объект или понятие (например, сущность – «человек»).

Данные, представляемые в ГИС, рассматривают с учетом трех аспектов:

- пространственного;

- временного;

- тематического

Пространственный аспект связан с определением местоположения объекта на поверхности; временной аспект связан с изменением характеристик объекта в течение времени; тематический аспект связан с выделением одних (важных) признаков описания объекта и исключением других (не важных для решения данного круга задач).

В большинстве моделей для описания пространственных характеристик, определения местоположения используют координаты, поэтому такие данные называются координатными. Для определения временных и тематических характеристик используют атрибутивные данные.

Еще есть метаданные – данные о данных: каталоги, справочники, реестры, инвентории, базы метаданных (metadata base) и иные формы описания (метасопровождения) наборов цифровых и аналоговых данных, содержащие сведения об их составе, содержании, статусе (актуальности и обновляемости), происхождении (способах и условиях получения), местонахождении, качестве (полноте, непротиворечивости, достоверности), форматах и формах представления, условиях доступа, приобретения и использования, авторских, имущественных и смежных с ними правах на данные и об их иных датометрических характеристиках. Сверх того, пространственные метаданные (spatial metadata, geospatial metadata) могут атрибутироваться дополнительными обязательными или факультативными характеристиками, включая способы цифрования картографических источников, системы координат, пространственную точность представления, разрешение и уровень генерализации, масштаб, картографические проекции, легенды карт и иные специфические особенности представления, обработки и воспроизведения пространственных данных. Базы М., в том числе в составе картографических баз данных и ГИС, могут служитьсредством инвентаризации информационных ресурсов, в том числе региональных и национальных, входить составной частью в существующие информационные системы и базы данных, составляя одну из целей их администрирования, использоваться при поиске и оценке источников пространственных данных

Пространственно-определенные данные, или класс координатных данных ГИС – это геометрическая информация, содержащаяся на карте, определяется как совокупность точек, линий, контуров и площадей, имеющих метрические значения, отражающих трёхмерную реальность.

Класс координатных данных ГИС, в свою очередь, определяют класс координатных моделей. Или класс координатных моделей в ГИС содержат основные типы координатных данных ( или основные типы пространственных объектов ГИС)

точки (узлы, вершины),

линии незамкнутые (реки, границы),

области или контуры, например, водоёмы, интрузивные массивы,

полигоны (ареалы) – группы примыкающих друг к другу замкнутых участков.

Точечные объекты – это такие объекты, каждый из которых расположен в одной точке пространства. Они являются дискретными, поскольку каждый объект занимает в любой момент времени только определенную точку пространства и у них отсутствуют пространственная протяженность, длина и ширина, но каждый точечный объект обозначен координатами своего местоположения.

К точечным объектам относятся не только собственно точки, но и условные точечные знаки. Например, знаком «Нефтяная вышка» может быть обозначено месторождение. Выбор объектов, обозначаемых точками, зависит от масштаба карты. На крупномасштабных картах точками обозначаются отдельные строения, а на мелкомасштабных – города и даже страны.

Линейные объекты – это одномерные объекты в координатном пространстве. Такими объектами являются реки, границы, разломы и т.д., т.е. они узкие и имеют существенную длину. Масштаб, при котором наблюдаются линейные объекты, обуславливает порог, позволяющий считать их не имеющими ширины, аналогично тому, как точечные объекты не имеют ни длины, ни ширины.

Пространственный размер линейных объектов оценивается простым определением их длины.

Для прямой линии достаточно задать начальные и конечные точки, а для сложных линий требуется задание нескольких точек с их координатами.

Линейные объекты используются для описания сетей (например, дорожная, транспортная, телефонная, гидрологическая сеть). Любая сеть состоит из узлов (вершин) и обособленных линий и дуг (звеньев). Для каждого узла у линейных объектов существует характеристика – валентность. Валентность узла – это количество смежных узлу дуг. Концы обособленных линий одновалентны. Для уличных сетей (пересечение улиц) валентность чаще всего равна четырем. В гидрографии чаще встречаются трехвалентные узлы (основное русло реки и приток).

Объекты, рассматриваемые с такого расстояния, при котором они имеют и длину, и ширину, называют областями или площадными объектами, контурами. Например, лесной или горный массивы. При определении местоположения области (контура) в пространстве её границей является линия, начинающаяся и заканчивающаяся в одной и той же точке.

В одной ГИС может быть представлено несколько типов ареалов: например, экономические зоны, данные о сельскохозяйственных угодьях и др. Часто границы ареалов определить по карте или фотоснимку нельзя – их устанавливают искусственно, например, зоны на территории города, загрязненные выбросами предприятий, экономические зоны и др.

Для характеристики области (площадного объекта) следует указать её атрибуты: форму, ориентацию по площади, величину площади, которую она занимает.

Добавление нового измерения, а именно высоты к площадному объекту, позволяет перейти к поверхности. Это – холмы, долины, скалы, рельеф местности и т.д.

Поверхности состоят в общем случае из бесконечного числа точек по значениям высоты, но ввиду необходимости их дискретизации при вводе в ЭВМ, диапазон изменения высот разбивается на градации и поверхности становятся дискретно заданными.

В ГИС выделяются три основных типа взаимосвязей между координатными объектами:

– взаимосвязи для построения сложных объектов из простых элементов, например, взаимосвязи между дугой и упорядоченным набором определяющих её вершин;

– взаимосвязи, вычисляемые по координатам объектов, например, координаты точки пересечения двух линий определяют взаимосвязь типа «скрещивания». Табличные координаты отдельной точки и данные о границах полигонов позволяют найти полигон, включающий данную точку, что определяет взаимосвязь типа «содержится в». Наконец, используя данные о границах полигонов, выясняется перекрытие полигонов и тем самым устанавливается взаимосвязь типа «перекрывает». Этот тип взаимосвязи содержится в атрибутах в неявном виде;

– «интеллектуальные» взаимосвязи, которые нельзя вычислить по координатам и которые получают специальное описание и семантику при вводе данных.

Например, при пересечении двух автодорог трудно сказать о нахождении их развязки, что требует дополнительной информации о связях.

Картографические объекты, кроме метрической, обладают еще временной и описательной информацией (три аспекта данных ГИС). Характеристики (признаки) объектов, входящие в состав этой информации, называют атрибутами.

Совокупность всевозможных характеристик объектов составляет класс атрибутивных моделей ГИС. Они описывают тематические и временные характеристики объектов. Таблица, хранящая описательную информацию, называется таблицей атрибутов. Каждая строка таблицы соответствует одному объекту; каждый столбец – тематическому признаку; ячейка, находящаяся на пересечении строки и столбца, отражает значение определенного признака выбранного объекта.

Атрибуты подразделяют на пространственные и непространственные. Пространственные атрибуты – это, например, периметр и площадь площадного объекта, длина линейного объекта.

Непространственные атрибуты могут быть различными – числовыми или текстовыми для описания объекта.

Шкалы представления атрибутивных данных

Для использования в среде ГИС атрибутивная информация подлежит систематизации, структуризации и формализации, что позволяет использовать для дальнейшего ее введения и обработки различные средства автоматизированного поиска, вычислений и визуализации.

Для каждого типа пространственных объектов выбирается набор атрибутов, позволяющих идентифицировать конкретный тип объекта среди других и с максимальной полнотой описать его свойства. После определения списка атрибутов выбираются методы их формализации.

Одним из наиболее распространенных атрибутов пространственных объектов является их имена (названия населенных пунктов, административных единиц, участков рельефа, рек, водоемов, природных урочищ, объектов хозяйствования и др.) Такой тип атрибута идентифицирует объект, выделяет его среди других однотипных объектов, позволяет обратиться именно к этому объекту.

Такой способ описания атрибута объекта называется номинальным — объект просто получает свое отдельное имя, он равнозначен в списке таких же объектов.

Атрибуты, показывающие место размещения объекта среди других аналогичных объектов, их взаимную иерархию, приоритет, называются порядковыми атрибутами. Таким способом описывается иерархия: участков дорожной сети (автострады, шоссе, дороги с усовершенствованным покрытием, грунтовые дороги); элементов речной сети (приливы I, II или III порядке); иерархические уровни ландшафтных единиц, ранги населенных пунктов и др. В большинстве случаев такие атрибуты описываются порядковым номером некоторой ранговой шкалы

Отсюда наиболее распространенными шкалами измерений объектов являются номинальная шкала, которая различает объекты по именам, но не позволяет сравнивать объекты между собой, и порядковая шкала, обеспечивающая представление о последовательном сравнении пространственных объектов.

При более точном сравнении объектов пользуются интегральной шкалой, в которой измеряемым атрибутам объектов приписываются численные значения. Так, с помощью сферической системы координат по меридианам измеряют угловое расстояние от начального меридиана, проходящего через Гринвич (Англия) до 180° восточной и 180° западной долготы, а по параллелям измеряют угловое расстояние от экватора (0° широты) до 90° северной широты и до 90° южной широты.

В ГИС данные всех классов хранятся в базе данных. БД называется организованный набор взаимосвязанных файлов. Работа с БД осуществляется с помощью СУБД.

Структуры БД бывают трех основных видов: иерархическая (древовидная), сетевая и реляционная.

В иерархической структуре БД взаимосвязь между элементами осуществляется через отношения «один к одному» и «один ко многим» на основе явного определения каждого отношения, данная структура напоминает генеалогическое древо, реализована прямая взаимосвязь между «элементами-предками» и «элементами-потомками». Древовидная структура хорошо подходит для создания поисковых систем. Основное недостаток такой структуры – для ее создания требуется знание всех вопросов, необходимых для определения ветвления.

В сетевых структурах данных используется отношение «многие ко многим» и каждый элемент данных может быть прямо связан с любым другим элементом базы данных.

В реляционной структуре БД данные хранятся как упорядоченные записи значений атрибутов, организованы в виде связанных таблиц. Реляционное соединение происходит по равенству значений колонки первой таблицы, называемой первичным ключом с другой колонкой второй таблицы, называемой внешним ключом. Первичный ключ содержит только уникальные значения и является уникальным идентификатором для записей в таблице.

В ГИС существует два основных альтернативных принципа группировки данные (когда дело доходит до построения модели местности):

Послойный принцип организации данных, в основе которого лежит деление на тематические покрытия (например, карта может включать рельеф, дороги, гидрологическую сеть и т.п.) и

Объектно-ориентированный принцип организации данных, при котором группировка объектов производится в соответствии с логическими взаимосвязями между ними

Цифровая карта — цифровая модель местности, созданная путем цифрования картографических источников, фотограмметрической обработки данных дистанционного зондирования, цифровой регистрации. Классификация цифровых карт по содержанию и назначению соответствует общей классификации карт, например: цифровая топографическая карта, цифровая авиационная карта, цифровая геологическая карта, цифровая кадастровая карта и другие

Цифровая карта является основой информационного обеспечения автоматизированных картографических систем и ГИС, и может являться результатом их работы.

Цифровые карты могут непосредственно восприниматься человеком, при визуализации электронных карт (на видеоэкранах) и компьютерных карт (на твёрдой основе), а могут использоваться как источник информации в машинных расчётах без визуализации в виде изображения.

Карта, как основной язык компьютерной географии, является формой представления пространственных данных и состоит из различных координатных систем, проекций, наборов символов, включая легенды.

В ГИС используются карты планов населенных пунктов, земельных и лесных угодий, снимки дистанционного зондирования, топографические и геологические карты и т.д.

Их наложение друг на друга образуют топологические покрытия по тематике, т.е. в ГИС обычно используются тематические карты.

Для карт важен их масштаб и атрибуты, отображающие тематику карт. Геометрические объекты и их атрибуты взаимосвязаны через легенду карты. Для изображения объектов с учетом сферичности Земли используются картографические проекции.

Для ввода в БД координат X и Y при определении местоположения точек, линий и областей используют дигитайзеры – цифровые устройства для ввода координат в ГИС, обычно основанные на простой декартовой системе координат, а также систему GPS (global position system).

При анализе больших территорий используют данные дистанционного зондирования (ДДЗ) для их ввода в БД ГИС. При этом размер порции земной поверхности отображается в виде прямоугольной матрицы пикселов. Размер порции земной поверхности, покрываемой одним пикселом, называется пространственным разрешением и чем меньше размер пикселов, тем выше разрешенность.

Размер пиксела от нескольких сантиметров до нескольких километров. Объекты, меньше размера пиксела, не могут быть обнаружены.

Одна из важнейших функций и структурных элементов ГИС – хранение объектов и их атрибутов таким образом, который позволяет для их отображения выбирать комбинацию этих объектов. Это обеспечивается организацией хранения данных в виде файлов.

Модели визуального представления информации в ГИС

Основой визуального представления данных при помощи ГИС-технологий является так называемая графическая среда. Основу графической среды и соответственно визуализации базы данных ГИС составляют векторные и растровые модели.

В общем случае модели координатно-привязанных пространственных данных могут иметь векторное или растровое (ячеистое) представление, содержать или не содержать топологические характеристики. =>

Наиболее универсальными и чаще используемыми моделями пространственных данных в ГИС являются следующие:

- векторное представление (точки, линии, полигоны);

- векторно-топологическое представление;

- векторно-нетопологическое представление (или модель «спагетти»);

- растровое представление (ячейки, сетки);

- регулярно-ячеистое представление;

- квадродерево (квадротомическое представление).

Растровые модели

В растровых моделях дискретизация непрерывных последовательностей реального мира осуществляется наиболее простым способом: вся территория представляется последовательностью ячеек (пикселей), образующих регулярную сеть. Каждой ячейке соответствует одинаковый по размеру, но разный по характеристикам участок территории. В ячейке модели содержится значение характеристик, усредненные по участку территории. Процедура формирования изображения называется пикселизация.

Если векторная модель дает представление, «где» находится объект, то растровая модель – «что» расположено в той или иной точке территории.

В качестве атомарной модели используется элементарный участок территории – пиксель. Упорядоченная последовательность пикселей образует растр, который является моделью карты. Каждый элемент растра имеет одно значение плотности или цвета.

Характеристики растровых моделей:

- разрешение;

- значение;

- ориентация;

- зона;

- положение.

Разрешение – минимальный линейный размер наименьшего участка пространства или поверхности, отображаемый одним пикселем. Пиксель чаще всего изображается прямоугольником или квадратом (иногда шестиугольником).

Значение – элемент информации, хранящийся в пикселе. В качестве типов значений могут использоваться разные классы значений: цифровые, буквенные и др. Например, 1 – класс незагрязненной среды; 2 – среда подвергнута антропогенному загрязнению; 3 – зона экотоксикологической опасности. Для отображения значения чаще всего используются заливка пикселя (цветом, плотностью или узором).

Ориентация определяется через угол между направлением на Север и положением колонок растра.

Зона – это соседствующие друг с другом ячейки, имеющие одинаковые значения. Зоны могут присутствовать не во всех слоях. Основные характеристики зоны – значение и положение.

Буферная зона – зона, границы которой удалены на известное расстояние от любого объекта на карте.

Положение задается упорядоченной парой координат, которые однозначно отображают положение каждого элемента на карте.

Достоинства растровых моделей:

- растр не требует предварительного ознакомления с предметной областью; данные собираются с равномерно расположенной сети точек, могут легко подвергаться статистической обработке;

- растровые модели просты в обработке, возможна обработка по параллельным алгоритмам, за счет чего обеспечивается высокое быстродействие;

- некоторые задачи, например, создание буферной зоны, проще решаются в растровом виде;

- многие растровые модели позволяют вводить векторные объекты, обратная задача много труднее;

- процессы растеризации проще процессов векторизации алгоритмически.

Основные недостатки растровых моделей:

- требуют больших объемов (по сравнению с векторными моделями) памяти для хранения изображения;

- растровые объекты сложно масштабировать: при увеличении объекта становятся видны отдельные пиксели, контуры изображения теряют гладкость, изображение становится зернистым;

- сложно рассчитать результирующий цвет пикселя, который получается при слиянии нескольких пикселей разных цветов;

- проблемы разбиения сложного изображения на произвольные элементы для их раздельного использования и редактирования.

Наиболее часто растровые модели получают при обработке космических снимков. Самый простой способ ввода растрового изображения – прямой ввод информации ячейка за ячейкой. Недостаток такого метода: значительное время, затрачиваемое на ввод. Кроме того, растровые цифровые изображения занимают, как правило, большие объемы памяти. Например, при обработке снимков с искусственного космического спутника Земли каждый снимок разбивается на сотни миллионов пикселей. Однако часто информация в нескольких ячейках, идущих подряд, повторяется (т.е. формируются зоны). Возникает возможность сжатия информации при вводе. Один из методов сжатого представления растровой информации – метод группового кодирования.

Метод группового кодирования (run-length encoding, run lenght coding, RLE) – кодирование группами отрезков. Это самый простой и распространенный из методов сжатия растровых данных, основанный на замене групп повторяющихся символов в последовательности значением числа повторений, иначе говоря, замена отрезка, состоящего из одноименных элементов растра, длиной отрезка (run length).

Векторные модели

строятся на векторах, занимающих часть пространства, в отличие от занимающих все пространство растровых моделей. Это определяет основное преимущество векторных моделей, состоящее в меньших затратах памяти на порядки и меньшем времени на их обработку и представление.

Векторная модель данных, или цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар, с описанием только геометрии объектов, что соответствует нетопологической модели. Векторно-нетопологическое представление данных в ГИС называют модель «спагетти». Векторным моделям соответствует векторный формат пространственных данных (vector data format).

Векторные модели строятся с использованием векторов, в которых каждая точка на карте определяется через ее удаленность от опорной точки и величину угла между направлением на точку из опорной точки и направлением на Север (по часовой стрелке).

В векторных моделях ГИС описания объектов хранятся в памяти компьютера в виде математических формул и геометрических абстракций, таких как круг, квадрат, эллипс и подобных фигур.

При построении векторных изображений создается целостный вид путем соединения точек прямыми линиями, дугами окружностей и полилиниями. Площадные объекты (ареалы) задаются наборами линий. Поэтому векторную модель называют объектной.

Векторные изображения занимают значительно меньше памяти ЭВМ при хранении, чем растровые, требуют меньше затрат времени на обработку. Алгоритмы обработки, как правило, более просты.

Базовым примитивом векторных моделей ГИС является точка. Через понятие «точка» определяются все остальные объекты векторной модели.

Векторное изображение можно получить различными способами. Наиболее часто используют векторизацию сканированного (растрового) изображения. Векторизация заключается в распознавании на растровом изображении объектов, выделение их, представление каждого объекта в векторном формате. Для автоматической векторизации необходимо иметь изображения высокого качества, часто приходится заниматься исправлением исходного или/и векторного изображений.

К особенностям векторных моделей можно отнести следующие:

- в векторной модели легко осуществляются некоторые операции с объектами, например, разбивка объекта (речной сети) на участки, замена условных обозначений;

- легко проводятся изменение масштаба, повороты, растягивание и другие операции;

- векторные модели имеют преимущество перед растровыми моделями в точности представления точечных объектов.

Информация о связности пространственных отношений координат и атрибутов называется топологией - та часть описания пространственных данных, которая служит для описания взаимного положения геометрических объектов и их частей в векторно-топологическом представлении описания данных.

Топологические модели

Разновидностью векторных моделей являются топологические модели. Топологические модели объединяет «взаимосвязанность» объектов, которая бывает простой или сложной. Топологические свойства фигур не изменяются при деформациях, производимых без разрывов или соединений. Термин топологический в ГИС понимают так, что в моделях объектов хранятся взаимосвязи, которые расширяют возможности использования данных ГИС для различных видов пространственного анализа. Например, в логическую структуру описания данных вводится информация о том, какие линии и в каких точках пересекаются, из чего состоит полигон и др.

Теоретической основой представления топологических моделей является теория графов. Топологические модели позволяют представить всю карту в виде графа. Площади, линии и точки описываются с помощью узлов и дуг. Каждая дуга идет от начального к конечному узлу. Известно, что находится справа и слева. Необходимая процедура при работе с топологическими данными – подготовка геометрических данных. Этот процесс практически не может быть автоматизирован: топологические характеристики должны быть вычислены заранее и занесены в базу данных вместе с координатными данными.

Общепринятым является деление векторных программных средств ГИС на топологические и нетопологические. В первых ГИС фиксация топологических пространственных отношений между объектами (смежности, связности, вложенности и др.) является основой их конструкции. Во вторых же ГИС цифруются пространственные объекты, изначально не знающие друг о друге, и построение отношений между ними осуществляется в режиме постпроцесса. Топологические системы являются более адекватным инструментом для создания качественных цифровых карт. Практика ГИС показывает, что значительно выгоднее, когда оператор создает изначально качественные карты и фиксирует в них отношения между объектами, а не относит эту стадию на этап постпроцесса. Топологические характеристики заносятся при кодировании данных в виде дополнительных атрибутов. Во многих ГИС это производится при дигитализации полуавтоматически.

Практически все используемые в настоящее время ГИС используют топологические модели, что позволяет хорошо выражать пространственное соотношение между объектами.

В настоящее время используются следующие модели организации данных в БД ГИС:

– растровая – на регулярной сетке с одним размером ячейки (пикселом);

– модель типа квадродерева (или матричная) – на нескольких сетках с кратными размерами ячеек с целью оптимизации хранения и поиска;

– модель векторная топологическая, в которой в явном виде хранятся топологические отношения между объектами;

– модель векторная нетопологическая, с элементами объектной организации или без них, построенная на иерархическом классификаторе или без такового;

– модели данных, предназначенные для использования топологических отношений, но не хранящие их в файлах, а рассчитанные на их по-строение «на лету», т.е. в процессе запроса;

– модели данных типа TIN. (Используется для построения цифровой модели местности (ЦММ).

*Вернемся к цифровой карте и ее характеристикам…*

Цифровая карта — цифровая модель местности, созданная путем цифрования картографических источников, фотограмметрической обработки данных дистанционного зондирования, цифровой регистрации.

Основу графической среды и соответственно визуализации базы данных ГИС составляют векторные и растровые модели представления данных, модели координатно-привязанных пространственных данных могут иметь векторное или растровое (ячеистое) представление.

Кроме того, БД ГИС может содержать или не содержать топологические характеристики.

Топология – это информация о связности пространственных отношений координат и атрибутов, та часть описания пространственных данных, которая служит для описания взаимного положения геометрических объектов и их частей (в векторно-топологическом представлении описания данных).

Топологические модели

Разновидностью векторных моделей являются топологические модели. Топологические модели объединяет «взаимосвязанность» объектов, которая бывает простой или сложной. Топологические свойства фигур не изменяются при деформациях, производимых без разрывов или соединений. Термин топологический в ГИС понимают так, что в моделях объектов хранятся взаимосвязи, которые расширяют возможности использования данных ГИС для различных видов пространственного анализа. Например, в логическую структуру описания данных вводится информация о том, какие линии и в каких точках пересекаются, из чего состоит полигон и др.

Общепринятым является деление векторных программных средств ГИС на топологические и нетопологические. В первых ГИС фиксация топологических пространственных отношений между объектами (смежности, связности, вложенности и др.) является основой их конструкции. Во вторых же ГИС цифруются пространственные объекты, изначально «не знающие» друг о друге, и построение отношений между ними осуществляется в режиме постпроцесса. Топологические системы являются более адекватным инструментом для создания качественных цифровых карт. Практика ГИС показывает, что значительно выгоднее, когда оператор создает изначально качественные карты и фиксирует в них отношения между объектами, а не относит эту стадию на этап постпроцесса. Топологические характеристики заносятся при кодировании данных в виде дополнительных атрибутов. Во многих ГИС это производится при дигитализации полуавтоматически.

Практически все используемые в настоящее время ГИС используют топологические модели, что позволяет хорошо выражать пространственное соотношение между объектами.

В настоящее время используются следующие модели организации данных в БД ГИС:

– растровая – на регулярной сетке с одним размером ячейки (пикселом);

– модель типа квадродерева (или матричная) – на нескольких сетках с кратными размерами ячеек с целью оптимизации хранения и поиска;

– модель векторная топологическая, в которой в явном виде хранятся топологические отношения между объектами;

– модель векторная нетопологическая, с элементами объектной организации или без них, построенная на иерархическом классификаторе или без такового;

– модели данных, предназначенные для использования топологических отношений, но не хранящие их в файлах, а рассчитанные на их построение «на лету», т.е. в процессе запроса;

– модели данных типа TIN. (Используется для построения цифровой модели местности (ЦММ).

Для карт важен их масштаб и атрибуты, отображающие тематику карт. Геометрические объекты и их атрибуты взаимосвязаны через легенду карты. Для изображения объектов с учетом сферичности Земли используются картографические проекции.

Цифровая карта – это двухмерная цифровая модель карты или поверхности Земли, отображаемая с помощью средств компьютерной графики в заданной картографической проекции и обладающая возможностью (в отличие от обычной карты) изменения масштаба отображения и изменением визуально отображаемых деталей. Оргаизована как совокупность слоев (покрытий)

В отличии от цифровой карты, цифровая модель представляет собой в общем случае трехмерную пространственную модель, не отягощенную специальными картографическими нагрузками и ограничениями.

Для построения карты важно определение положения точек на земной поверхности.

Процесс привязки топографических карт основан на том, чтобы назначить определенным точкам на карте (опорным точкам) известные координаты. Основная сложность состоит в том, чтобы определиться с формой поверхности, на которой располагаются наши точки…

С помощью методов дистанционного зондирования установили, что земля имеет неправильную, грушевидную форму.

Так как основная поверхность Земли – водная поверхность, то за фигуру Земли принимают тело, ограниченное поверхностью воды океанов. Такая поверхность называется уровненной. Считается, что эта поверхность везде горизонтальна, т.е. перпендикулярна отвесной линии, соответствующей направлению силы тяжести Земли. В качестве модели Земли принята фигура геоид.

Геоид (geoid) – фигура Земли, ограниченная поверхностью, к которой отвесные линии всюду перпендикулярны и которая проходит через точку начала отсчета высот, закрепленную на высоте среднего уровня моря. Эта поверхность близка к уровням морей и океанов в состоянии покоя и равновесия. В России она проходит через нуль Кронштадтского футштока, совпадающий со средним уровнем Балтийского моря за период 1825–1840 гг.

В качестве математической модели Земли принят эллипсоид, который в геодезии называют референц-эллипсоидом. Применяемые в разных странах референц-эллипсоиды могут иметь неодинаковые размеры; существует и общеземной эллипсоид, размеры которого утверждают Международные геодезические организации.

↑ Модели земной поверхности, описанные выше ← Земля имеет неправильную форму, такую вот какую то…

Для отображения положения точек на поверхности используют различные виды систем координат.

Система координат – это опорная система для определения положения точек в пространстве или на плоскостях и поверхностях относительно выбранных осей, плоскостей или поверхностей.

В геодезической практике применяется большое количество систем координат: общеземные системы, референцные системы, системы астрономических, пространственных прямоугольных и геодезических координат и система прямоугольных координат на плоскости.

Общеземными принято называть такие системы координат, которые получены под условием совмещения их начала с центром масс Земли.

К референцным системам относят такие, в которых их начало находится на удалении десятков и сотен метров от центра масс Земли.

В астрономической системе координат положение точки определяется также относительно понятий, связанных с Землей, – относительно отвесной линии и оси вращения Земли. В общеземных и референцных системах положения точек могут задаваться пространственными прямоугольными координатами X, Y, Z, геодезическими координатами (широта, долгота), плоскими прямоугольными координатами (х, у) в различных проекциях, полярными и другими координатами.

Между координатами различных систем существуют однозначные математические связи. Для установления связей между одноименными координатами разных систем, например, между пространственными прямоугольными координатами двух референцных систем, необходимы параметры перехода. К параметрам перехода обычно относят три линейные (смещения начал координат) и три угловые величины (развороты осей координат). Линейные величины характеризуют положение начала одной системы относительно начала другой. Угловые величины соответствуют значениям углов между координатными плоскостями. Иногда в качестве параметра перехода назначают масштабный коэффициент, который характеризует линейный масштаб одной системы относительно другой, т. е. линейный масштаб одной сети относительно другой сети.

В ГИС используются плоские и сферические, реже полярные и криволинейные системы координат. Выбор системы координат зависит от величины исследуемого участка и, следовательно, от влияния кривизны Земли. При изображении небольших участков поверхность можно принять за плоскость – это участки до 20 км длинной или площадью менее 400 кв. км. В этих случаях допустимо применять плоские координаты. Бывают плоские декартовы и плоские полярные координаты.

Плоские декартовы координаты задаются двумя осями: положительное направление координаты Х указывает на восток, а Y – на север. Обязательно на карте задают масштабные отрезки. Упорядоченная пара (Х,Y) однозначно с небольшой погрешностью определяет положение любой точки в пространстве. В топографии и геодезии, а также на топографических картах ориентирование производится по северу со счетом углов по ходу часовой стрелки, поэтому для сохранения знаков тригонометрических функций положение осей координат, принятое в математике, повернуто на 90°.

Плоские полярные координаты используют расстояние от начала координат (r) и угол (ϕ) от фиксированного направления. Направление обычно определяется на Север, а угол отсчитывается по часовой стрелке от него. Полярные координаты удобны, когда проводятся измерения от какой-либо заданной точки.

При необходимости учета кривизны поверхности используют пространственные (сферические) системы координат. Для их определения вводятся понятия:

- плоскость Земного экватора – плоскость, проходящая через центр Земли перпендикулярно к оси вращения (имеется только одна)

- плоскость географического меридиана – проходит через ось вращения Земли и отвесную линию в точке земной поверхности (может быть много)

- меридиан – линия пересечения плоскостей географических меридианов с земной поверхностью, линия постоянной долготы;

- параллель – линия, образованная пересечением плоскости, параллельной плоскости земного экватора, с поверхностью Земли, линия постоянной широты

- положение точки определяется широтой (ϕ) и долготой (λ);

- широта – угол (р между отвесной линией в данной точке и плоскостью экватора). Широты в северном полушарии называются северными, в южном – южными и изменяется от – 90° (южный полюс) до +90° (северный полюс);

долгота – угол в плоскости между меридианом точки и главным (нулевым, начальным ) меридианом. За начальный меридиан принят меридиан, проходящий через центральный зал Гринвичской обсерватории (район Лондона). Начальный меридиан называют Гринвичским. Долгота изменяется от –180° (западная долгота) до +180° (восточная долгота)

Сферическая система координат. На английском, но все и так понятно…

Географическая система координат принята во всем комплексе географических наук.

Картографическая проекция

Картографическая проекция – это способ перехода от реальной, геометрически сложной земной поверхности к плоскости карты. Для этого вначале переходят к математически правильной фигуре (конус, цилиндр), а затем изображение проектируется на плоскость, опять-таки с помощью строгих математических правил.

Сферическую поверхность невозможно развернуть на плоскость без деформаций – сжатий и растяжений. Значит, всякая карта имеет те или иные искажения. Различают искажения длин, площадей, углов и форм. На крупномасштабных картах искажения могут быть практически неощутимы, но на мелкомасштабных они бывают очень велики. Картографические проекции обладают разными свойствами в зависимости от характера и размера искажений.

Равноугольные (конформные) проекции сохраняют без искажений углы и формы малых объектов, зато в них резко деформируются длины и площади объектов. По картам в равноугольных проекциях удобно, например, прокладывать маршруты судов и самолетов, но невозможно измерять площади.

Равновеликие (эквивалентные) проекции не искажают площадей, но углы и формы объектов в них сильно искажены. Эти проекции хорошо приспособлены для определения площадей (например, размер государств, земельных угодий и др.).

Произвольные проекции имеют искажения длин, площадей и углов, но они распределяются по карте наиболее выгодным образом. Например, выбирают проекции с минимальными искажениями в центральной части, зато они резко возрастают по краям карты. Среди произвольных проекций выделяются равнопромежуточные, в которых искажения длин отсутствуют по одному из направлений: либо вдоль меридиана, либо вдоль параллели. Кроме того, существует большой класс условных проекций, при построении которых не пользуются геометрическими аналогиями, а лишь математическими уравнениями нужного вида.

Преобразования картографических проекций используются тогда, когда цифровая карта (или слой) выполнена в некоторой известной проекции или месторасположение объектов соответствуют их теоретическим координатам, но должны быть преобразованы в географические координаты либо в другую картографическую проекцию. Координаты точек пространственных объектов на компьютерной карте должны однозначно определять местоположение объектов на земной поверхности. Группа процедур, осуществляющая переход от одной проекции к другой, носит название проекционные преобразования.

Эти процедуры включают в себя как простые операции, например, пересчет координат при повороте, смещении, масштабировании, так и сложные операции (укладка объектов в систему опорных точек). В разных пакетах ГИС число операций проекционного преобразования различно: от сотен до их отсутствия.

Например, в ГИС ГеоГраф – несколько десятков, а в ArcInfo- сотни преобразований.

Проекции различают и по виду вспомогательной поверхности, используемой при переходе от эллипсоида или шара Земли к плоскости карты. Основные виды проекций, используемых в ГИС:

- конические;

- азимутальные;

- цилиндрические;

- поликонические;

- видоизмененные поликонические;

- псевдоцилиндрические;

- Гаусса-Крюгера.

По положению полюса сферических координат проекции

бывают:

- нормальные (прямые);

- поперечные;

- косые.

Географические координаты (угловые величины: широта и долгота) определяют положение любой точки относительно экватора и начального (Гринвичского) меридиана. На карту наносятся линии параллелей и меридианов. Параллель – это любая линия, все точки которой имеют одну и ту же географическую широту. Счет параллелей идет от экватора к северу и югу (от 0° до 90° северной или южной широты). Меридиан – это линия, все точки которой имеют одинаковую географическую долготу. По отношению к Гринвичскому меридиану различаются западные и восточные долготы (з.д. и в.д.), отсчитываемые от 0° и 180°. Линии меридианов и параллелей образуют картографическую сетку. Обычно на рамках карты подписывают значения основных меридианов и параллелей, иногда дают более дробные деления (например, через 5° или через 1°) для удобства отсчета координат. За большинством видов проекций стоит достаточно простой математический аппарат, переводящий географические координаты на эллипсоиде Земли в прямоугольные координаты на бумаге

Классификация проекций по виду вспомогательной поверхности: цилиндрические, конические, азимутальные.

В России при создании топографических карт применяется равноугольная поперечная цилиндрическая проекция Гаусса-Крюгера:

Модели трехмерных пространственных объектов.

Поверхности (рельефы) характеризуются тройками координат: x, y и аппликата z. Данные о высотах для создания цифровых моделей поверхностей получают обычно путем точечных измерений высот. Создание (моделирование) непрерывных поверхностей из точечно полученных данных возможно, если они имеют формы:

А. регулярное положение точек не прямоугольных сетках;

Б с полурегулярным расположением точек, расположенных на профилях или изолиниях;

В. со случайным расположением точек наблюдения;

Способы задания цифровых моделей поверхностей:

1. ГРИД – представление, регулярная сетка.

Наиболее популярный способ регулярного задания цифровых моделей поверхностей – представление значений полей на регулярной сетке прямоугольников, когда в ее узлах заданы значения показателя.

Регулярная сетка – Это цифровая модель поверхности, в основу которой положена сеть точек, каждой из которых сопоставлено значение уровня поля в этой точке, причем точки расположены в определенной регулярной форме и задан способ вычисления значения уровней между узлами сетки. Ячейки – квадратные или прямоугольные, при хранении регулярной сетки можно хранить только значения уровня z, поскольку значения координат x и y легко вычисляются по геометрии сетки при известном номере ячейки.

По сути, представление поверхностей способом GRID – это растровый подход. Чем мельче ячейки сетки, тем точнее описывается рельеф. Но надо помнить, что уменьшение шага сетки в 2 раза увеличит число узлов в 4 раза…

По способу вычисления значений уровней поля между узлами сетки могут быть решетчатыми (А – значения интерполируются по значениям высот в соседних точках) или ячеистыми (Б – точки рассматриваются как центры ячеек с постоянным z.). Точность решетчатой модели выше.

2. TIN – представление – с англ. триангуляционная нерегулярная сеть – векторный способ отображения поверхностей. Триангуляция – это процесс создания смежных непересекающихся треугольников, вершинами которых являются точки. Обычно используется триангуляция по критерию Делоне: окружность, проведенная через 3 вершины любого треугольника не должна содержать в себе никаких других точек. Исходные точки могут размещаться как регулярно, так и нерегулярно.

Формы представления поверхностей.

В отличие от цифровых моделей ориентированы на визуальное представление.

1. Изолинии. Основной, традиционный метод представления поверхностей. Изолинии – линии уровня, представляющие собой горизонтальные сечения поверхности. Шаг сечений может быть регулярным или произвольным. В ГИС изолинии описываются линейными объектами, в качестве атрибута которой ставится значение изолинии.

2. Изоконтуры (полосовые контуры) – разновидность изолинейного способа – это обрасти, ограниченные двумя соседними изолиниями. Область определения поверхности разделяется на дискретный набор зон-изоконтуров, в ГИС это будут полигоны с атрибутами соответственно начального и конечного уровней.

3. Растровый способ – для гридов – каждому узлу сетки сопоставляется пиксель определенного цвета. Используется градиентная раскраска, шкала – обязательна.

А теперь немножко про GPS – Global Positioning System, оно же система глобального позиционирования – спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84.

Спутниковая система навигации состоит из наземного и космического оборудования, обеспечивающего определение местоположения (географических координат и высоты), точного времени, параметров движения наземных, водных и воздушных объектов…

Сюда входят: орбитальная группировка спутников (от 2 до 30), излучающих радиосигналы; наземная система управления и контроля (включает блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах); аппаратура, используемая потребителями для определения координат (спутниковые навигаторы). Для повышения точности определения координат может использоваться наземная система радиомаяков и информационная радиосистема для передачи пользователям поправок…

Конкретно GPS система разработана, реализована и эксплуатируется Министерством обороны США, при этом в настоящее время доступна для использования для гражданских целей.

Как это работает?

Принцип работы спутниковой системы основан на измерении расстояния от объекта, координаты которого нужно получить (от антенны приемника на этом объекте), до спутников, положение которых известно с большой точностью. Пользовательский GPS приёмник навигационных сигналов измеряет задержку распространения сигнала от каждого из видимых (ему) спутников до приемника. Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Из принятого сигнала приемник получает информацию о положении спутника. Кроме того, каждый спутник излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала.

Каждый спутник передаёт в своём сигнале таблицу положений всех спутников (она называется альманахом), которой должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел – использует его. Зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Видимые конкретному приемнику спутники как бы являются центрами сфер, радиусы которых равны дальности до каждого из спутников. Решив на основе этих данных некоторую систему уравнений, приемник может найти координаты пользователя… Для определения широты и долготы приемнику необходимо принимать сигналы как минимум от трех спутников; прием сигнала от четвертого спутника позволяет определить и высоту объекта над поверхностью.

При определении координат объекта возникают ошибки, связанные с влиянием ионосферы, температуры воздуха, атмосферного давления и влажности (каждый фактор вносит свою погрешность до 30 м). Разница между расчетным и реальным положением спутника составляет от 1 до 5 м. В итоге, суммарная ошибка может достигать 100 м…

Еще возникает куча технических проблем, типа:

Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников.

Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;

Неоднородность атмосферы, из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в некоторых пределах;

Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;

Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе…

Для уменьшения погрешностей приемник пользователя может получать поправки к своим координатам от базовой станции. Обычно они передаются в реальном времени по радиоканалу. В результате точность определения координат достигает 15 м. С использованием различных алгоритмов точность определения координат может быть улучшена до 1 см.

29