Зацерковний В.І. та ін. ГІС та бази даних

5.2.2. Типи картографічної інформації

Під час виведення інформації виникає проблема відображення результатів аналізу, при вирішенні якої необхідні знання про картографічні методи та критерії дизайну.

Для створення карти необхідно відібрати певні реальні об’єкти, згрупувати відібрані об’єкти (наприклад, мости, будинки, залізниці), спростити хвилясті лінії (наприклад, узбережжя), збільшити ті з відібраних об’єктів, які дуже малі, щоб читались у масштабі карти, ввести умовні знаки для різних класів відібраних об’єктів.

Існують три основні типи картографічної інформації:

1)просторова інформація, що описує положення й форму географічних об’єктів і їх просторові зв’язки з іншими об’єктами, наприклад, населення міста, або того, хто мешкає за вказаною адресою. Ця форма подання просторових даних складається з різних координатних систем, проекцій, наборів символів, методів спрощення й генералізації.

Головною причиною високої оцінки можливостей карт у відображенні реальності є те, що вони є найбільш зручним графічним інструментом, створеним для передачі просторової інформації. Однак одних просторових даних недостатньо для опису картографічної чи складної графічної інформації. Картографічні об’єкти мають і описову інформацію;

2)атрибутивна (семантична) інформація надає опис про особли-

вості об’єктів, які розташовані на карті. Сукупність можливих атрибутів визначає клас атрибутивних моделей ГІС.

Атрибутивні дані зберігаються в ГІС у табличній формі (рис. 5.9). Таблиця, яка зберігає атрибути об’єктів, називається таблицею атрибутів.

Таблична форма подання атрибутивних даних

Кожному просторовому об’єктові відповідає рядок у атрибутивній таблиці, де містяться його основні характеристики

Рис. 5.9. Типи картографічної інформації

201

Атрибути, що відповідають тематичній формі даних і визначають різні ознаки об’єктів, також зберігаються в таблицях. Застосування атрибутів дозволяє здійснювати аналіз об’єктів бази даних із використанням стандартних операцій, що підвищують ефективність при тематичному картографуванні. Крім того, за допомогою атрибутів можна типізувати дані та впорядкувати опис для широкого набору некоординатних даних.

Таким чином, атрибутивний опис доповнює просторовий, разом із ним створює повний опис моделі ГІС і вирішує завдання типізації вихідних даних, спрощуючи таким чином процеси класифікації й обробки;

3) топологічна інформація описує взаємне розташування об’єктів відносно один одного.

5.2.3. Координатна та висотна системи картографічних джерел

Одним із найважливіших елементів карт, що впливають на точність подання об’єктів у просторі, є координатна й висотна системи. Вивчення планового (координати х і y) та висотного (координата Н) місцеположення і часових взаємозв’язків точок, ліній і площин, досягається шляхом візуального аналізу однієї чи декількох тематичних карт, на яких зображені окремі елементи земної поверхні. Картографічна символіка дозволяє характеризувати різні просторові умови за допомогою ліній різної товщини, умовних знаків і пояснень.

Топографічні карти створюються в графічній, цифровій та електронній формах у єдиній системі координат і висот за уніфікованими та погодженими між собою умовними знаками та класифікаторами.

Для просторової прив’язки та копіювання даних при побудові багатьох картографічних баз даних, включаючи тематичні карти й цифрові моделі рельєфу, використовуються топографічні карти – загальногеографічні карти універсального призначення, щодетально зображують місцевість.

Топографічна карта – загальногеографічна карта універсального призначення, місцевість, що детально відображається. У зміст карти входять такі елементи: опорні геодезичні пункти, господарські та культурні об’єкти, рельєф, гідрографія, рослинність, ґрунти, дороги, об’єкти зв’язку, межі й огорожі. За масштабами карти поділяють на три основні групи:

•топографічний план – масштаб 1:10 000 і більше;

•топографічна карта – масштаб 1:25 000 – 1:500 000;

•географічна карта – масштаб 1:1 000 000 і дрібніше.

Незалежно від методу створення та оновлення, цифрові топографічні карти повинні відповідати таким основним вимогам:

– забезпечувати можливість автоматизованого визначення даних про місце розташування об’єктів і їхні характеристики;

202

–включати цифрове значення кількісних та якісних характеристик і кодів об’єктів у прийнятій системі класифікації та кодування картографічної інформації;

–мати таку структуру подання інформації, яка б забезпечувала можливість внесення змін і доповнень, можливість її конвертації у топологічні або нетопологічні формати ГІС та виділення незалежних моделей визначених елементів змісту карт (гідрографії, населених пунктів, доріг і придорожніх споруд, рельєфу, рослинного покриву та ґрунтів).

Математичною основою топографічних карт є сукупність математичних елементів карти, що визначають математичний зв’язок між картою та поверхнею землі, яка на ній зображена. До математичних елементів топографічних карт належать:

–картографічна проекція;

–масштаб;

–координатні сітки;

–система розграфлення та елементи компонування.

Геодезичною основою топографічних карт усіх масштабів є:

–у плановому відношенні – пункти Державної геодезичної мережі, геодезичних мереж згущення і точки планової зйомочної мережі, плоскі прямокутні координати яких обчислені на площині в конформній проекції Гаусса-Крюгера в шестиградусних зонах у державній системі координат;

–у висотному відношенні – пункти та репери висотної геодезичної мережі, пункти державної геодезичної мережі та геодезичних мереж згущення, а також точки висотної зйомочної мережі, висоти яких приведені до прийнятого вихідного рівня у Балтійській системі висот.

Топографічні карти всіх масштабів створюються в рівнокутній поперечно-циліндричній проекції Гаусса (рис. 5.10), яка обчислюється за параметрами еліпсоїда Красовського в шестиградусних зонах.

Рис. 5.10. Рівнокутна поперечно-циліндрична проекція Гаусса

Сітка координатних ліній є невід’ємним атрибутом будь-якої географічної карти. Виділяють два види координатної сітки: картографічну та сітку прямокутних координат. Перша – це лінії меридіанів і паралелей, а друга утворена лініями, паралельними основним осям– OX і OY.

203

Початком плоских прямокутних координат проекції є перетин осьового меридіана зони (вісь X) та екватора (вісь Y).

На топографічних картах показуютьсякартографічна (система В, L, Н) та прямокутна (кілометрова) координатні сітки (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Система прямокутних координат на топографічних картах: а – однієї зони; б – частини зони

Примітка. Для ГІС актуальною є проблема розробки коректної індексної карти України, областей районів і міст, яка зводиться до відповідного топографо-геодезич- ного забезпечення створення покриття на великі ділянки місцевості з врахуванням кривизни Землі.

Визначення площ великих ділянок місцевості – області, міста, району, сільської ради або великого господарства – може привести до значного спотворення, якщо не враховувати кривизну Землі.

Наприклад, якщо відстань від осьового меридіану зони Гаусса-Крюгера становить 200 км, то відносне спотворення площі складає 1/1000, а площу в1000 га, отриману з плану або обраховану за прямокутними координатами у проекції Гаусса-Крюгера, треба зменшити на 1 га. Враховуючи те, що плани земельних ділянок для державних актів на право володіння або користування землею виробляються в прямокутних системах координат, необхідно розробити методику топографо-геодезичного забезпечення ведення земельного кадастру з урахуванням редукційної проблеми.

За діючою методикою складання планів кожної окремої земельної ділянки ґрунтується на лінійних і кутових вимірах, до яких не внесені поправки за редукування на поверхню відносності та на площину Гаусса-Крюгера. Разом з тим, при введенні баз даних автоматизованої системи державного земельного кадастру зі створенням зе- мельно-кадастрового покриття на значні території, необхідне врахування кривизни Землі. Проблема може бути вирішена введенням двох систем координат: геодезичної системи координат В, L для введення баз даних автоматизованих систем земельного кадастру; локальної системи координат, похідної від системи координат ГауссаКрюгера, або Гаусса-Боага (UТМ), в яких мінімізовано спотворення лінійно-кутових вимірювань і площ ділянок, для топографо-геодезичних робіт.

204

5.2.4. Алгоритм застосування картографічних знань

Вихідні карти й плани на паперових (лавсанових, алюмінієвих та інших) носіях зазвичай неоднорідні всередині кожного аркуша, тобто різні об’єкти відображені на них із різною точністю, їхній стан зафіксований у різний час. Отже, просторові відношення між об’єктами на карті (плані) можуть бути зафіксовані неправильно або з похибками. Також внаслідок того, що іноді паперові карти мають погану якість (знос від тривалого використання, застарілі дані тощо), при цифруванні різних тематичних карт однієї й тієї ж території виникають проблеми, бо одні й ті ж об’єкти, зображені на різних картах, при накладанні не співпадають.

Алгоритм застосування картографічних знань при роботі з ГІС представлений на рис. 5.12.

У багатьох випадках найбільш складною частиною постановки даних у ГІС є їх співвіднесення з місцем – геокодуванням.

Геокодування – прив’язка до карти об’єктів, розташування яких у просторі задається відомостями з таблиць баз даних.

Геокод може бути представлений:

•географічними або декартовими координатами об’єктів;

•адресами об’єктів (наприклад, при прив’язці даних паспортної служби або податкової інспекції);

•поштовими індексами (наприклад, у випадку аналізу діяльності поштових терористів);

205

• відстанню від початку лінійних маршрутів (наприклад, при прив’язці даних про аварії на нафтопроводах або аварійно-загрозливому наближенні рослинності до повітряних ліній електропередач). Функції геокодування дозволяють "прив’язати" бази даних, які створюють більшість установ, що обслуговують урбанізовані території та населення, яке на них мешкає, до карт території.

5.3. Дані дистанційних досліджень

Оскільки етап "первісного накопичення", який бере дані з фондів існуючих паперових карт досить швидко завершиться, то постає проблема оновлення й актуалізації карт у ГІС. Саме тому, одним із найважливіших джерел даних для ГІС стануть дані дистанційного зондування (ДДЗ).

Космічні й аерофотознімки як джерела даних із кожним роком все більше домінують над традиційними картами.

ДДЗ поєднують усі типи даних, отриманих з носіїв космічного (пілотовані орбітальні станції, кораблі багаторазового використання ("Шаттл", "Буран"), автономні супутникові знімальні системи) та авіаційного базування (літаки, гелікоптери, радіокеровані апарати) і складають значну частину дистанційних даних, на відміну від знімань, отриманих в умовах фізичного контакту з об’єктами знімання.

До неконтактних (дистанційних) методів знімання, крім аерокосмічних, відносять різноманітні вимірювальні системи морського (надводного) та наземного базування, включаючи, наприклад, фототеодолітну зйомку, сейсмо-, електро-, магніторозвідку й інші методи геофізичного зондування надр, гідроакустичні знімання рельєфу морського дна за допомогою гідролокаторів бокового перегляду, інші способи, засновані на реєстрації власного або відбитого сигналу хвильової природи.

ДДЗ – дані про поверхню Землі або об’єкти, розташовані на ній, які були отримані у процесі знімань дистанційними методами.

Методи дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) базуються на реєстрації й подальшій інтерпретації відбитої сонячної радіації (електромагнітних хвиль) від поверхні ґрунту, рослинності, води та інших об’єктів, а також теплового випромінювання Землі (рис. 5.13). Будь-який об’єкт випромінює і відбиває електромагнітну енергію у відповідності з особливостями його природи. Саме такі відмінності в довжинах хвиль і інтенсивності випромінювання можуть бути використані для вивчення певного віддаленого об’єкта без безпосереднього контакту з ним.

206

207

Рис. 5.13. Методи здійснення дистанційного зондування

Винесення пристроїв реєстрації в повітряний або навколоземний простір дозволяє більш широко охопити території порівняно з наземними методами досліджень.

Під дистанційним зондуванням розуміють дослідження неконтактним способом, різноманітні види знімань з літальних апаратів – атмосферних і космічних, у результаті яких утворюється зображення земної поверхні в певному діапазоні (діапазонах) електромагнітного спектра.

Знімки є істотно інформативнішими, чим побудована на їх основі карта, яка, по суті, є "редукованою" версією (моделлю) вихідного матеріалу. Космічний знімок місцевості та карта співвідносяться один з одним, як фотопортрет з ескізом, виконаним за допомогою олівця.

Знімки значно швидше "зчитуються" непідготовленим користувачем, ніж карти. При цьому вони містять цінну інформацію не тільки про статичні об’єкти на місцевості, але й динамічні характеристики, наприклад, як напруженість і характер руху транспорту на автомагістралях.

Знімки надзвичайно корисні для використання в системах оперативного управління й реагування, при ліквідації наслідків розгулу стихій і техногенних катастроф, у військовій справі та логістиці. Сучасні системи ДЗЗ дозволяють отримувати не тільки чорно-білі (панхроматичні) зображення, але й багатоканальні знімки, що містять роздільні зображення на різних ділянках спектра, в тому числі й невидимих простим оком.

Види знімань. Розрізняють аерота космічні знімання. Але якщо їх детально проаналізувати, то з точки зору кінцевого користувача, принципової різниці між ними не існує. Так, це дійсно знімання з різних літальних апаратів і з різних висот. Уявлення про різкі відмінності космічних і аерознімань народилось тоді, коли вперше з’явились доступні знімки з космосу. Вони були дрібномасштабними, охоплювали одним кадром цілі регіони (що дійсно неможливо було виконати за допомогою аерозніманя), часто були багатозональними (що на той час було малозвично, хоча й можливо для аерознімання), нарешті, саме через космічні знімки систем LANDSAT TM і LANDSAT MSS широкі кола фахівців уперше познайомилися з цифровими ("сканерними") знімками. Для прикладу на рис. 5.14 представлене зображення території Києва, отримане за допомогою американського супутника Landsat.

Основна відмінність між аеро- й космічними зніманнями полягає у висоті, з якої відбувається знімання, що впливає на масштаб отримуваного зображення. Це призводить до відмінностей у розрізненості і в площині, що покривається одним кадром: на аерознімках, можна побачити об’єкти розміром в одиниці сантиметрів, для космічних знімків розрізнення лінійних об’єктів довжиною 0,51 – дуже добрий показник. Зате площі, які покриваються одним кадром космічного знімку, можуть бути

208

надзвичайно великими: тисячі, десятки тисяч квадратних кілометрів і навіть більше.

Дрібномасштабні знімання дозволяють охоплювати цілі регіони і виявляти такі узагальнені особливості, які при спробі відтворення їх за дрібними фрагментами дослідити неможливо.

Аерознімання (рис. 5.15) можуть здійснюватися майже з будь-яких висот польоту в межах можливостей літального апарата.

Космічні знімання здійснюють із висоти понад 100 км. Зазвичай, типові масштаби зображень, отримувані під час аерознімання – 1:5 000– 1:60 000, а для космічних знімань у різних випадках – це 1:20000 і дрібніші.

Останнім часом матеріали космічних знімань стали більш доступними для різних користувачів і, як правило, ці матеріали дешевші, ніж матеріали аерознімань, хоча мають при цьому задовільну якість.

Нині вони перетворились у новий інструмент досліджень, який швидко розвивається й удосконалюється.

Крім того, основний об’єм космічних знімків – це знімки зі штучних супутників Землі, а не з пілотованих апаратів.

Системи збору ДДЗ. У сучасному ДЗЗ можна розрізнити дві основні системи збору й перетворення вихідних даних для ГІС:

–аналогову;

–цифрову.

209

До аналогових належать традиційні фотограмметричні методи отримання зображень, які потребують подальшої обробки для перетворення у цифрову форму. Системи з телевізійною реєстрацією хоча й існують, але їх частка, за винятком деяких спеціальних випадків, є незначною.

У фотографічних системах все відбувається приблизно так, як і у звичайному фотоапараті: зображення фіксується на плівку, яка після приземлення літального апарату або спускної капсули проявляється і сканується для використання в комп’ютерних технологіях.

До цифрових належать дані, які отримують від сканерів у керуючому режимі та в реальному масштабі часу і які реєструються на магнітних носіях у цифровому вигляді. Зображення формується лінійно розташованим набором світлочутливих елементів і системою розгорнення (найчастіше оптико-механічною). Крім того, все більшого поширення отримують системи з плоскими двомірними матрицями світлочутливих елементів. І хоча в останньому випадку ніякого реального розгортання зображення як у сканері не відбувається, такі цифрові системи за традицією також називають сканерами.

Використання цифрових даних більш доцільне, тому що потребує менше витрат на обробку, оскільки дані надходять значно оперативніше (результати космічних знімань надходять на Землю по радіоканалу, тому не треба чекати, поки апарат витратить увесь запас плівки, і на Землю буде скинута капсула, плівка в ній буде проявлена та відсканована).

Використання дистанційних методів дозволяє застосовувати стереопари (два сусідніх знімки, які зображують ділянку місцевості в смузі поздовжнього чи поперечного перекриття) для побудови цифрових моделей рельєфу (ЦМР).

Результат знімання, тобто отримане зображення, характеризується:

–спектральними діапазонами, які фіксує система (число й градації цих діапазонів);

–геометричними особливостями отримуваного зображення (вид проекції, розподіл викривлень);

–радіометричною розрізненістю, тобто кількістю градацій яскравості, які фіксуються системою;

–часовою розрізненністю, тобто мінімальним проміжком часу, через який проводиться повторне проведення знімання.

Наземна обробка ДЗЗ. Обробка даних призначена для видалення систематичних радіометричних і геометричних похибок і покращення якості зображень.

Схема обробки даних ДЗЗ представлена на рис. 5.16.

210