ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МИРЭА доцент кафедры Автоматизированные системы

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МИРЭА , доцент кафедры Автоматизированные системы управления С. В. Веретехина veretehinas@mail. ru

Классификация геоинформационных систем (ГИС) По функциональным возможностям: - полнофункциональные ГИС общего назначения; - специализированные ГИС ориентированы на решение конкретной задачи в какой либо предметной области; - информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования. Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения: 1. закрытые системы - не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки. 2. открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования). По пространственному (территориальному) охвату: 1. глобальные (планетарные); 2. общенациональные; 3. региональные; 4. локальные (в том числе муниципальные). По проблемно-тематической ориентации: - общегеографические; - экологические и природопользовательские; - отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т. д. ); По способу организации географических данных: - векторные; - растровые; - векторно-растровые ГИС.

Источники данных для формирования ГИС картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и др. ). Сведения, получаемые с карт, имеют территориальную привязку, поэтому их удобно использовать в качестве базового слоя ГИС. Если нет цифровых карт на исследуемую территорию, тогда графические оригиналы карт преобразуются в цифровой вид. данные дистанционного зондирования (ДДЗ) все шире используются для формирования баз данных ГИС. К ДДЗ, прежде всего, относят материалы, получаемые с космических носителей. Для дистанционного зондирования применяют разнообразные технологии получения изображений и передачи их на Землю, носители съемочной аппаратуры (космические аппараты и спутники) размещают на разных орбитах, оснащают разной аппаратурой. Благодаря этому получают снимки, отличающиеся разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в разных диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон). Все это обуславливает широкий спектр экологических задач, решаемых с применением ДДЗ. К методам дистанционного зондирования относятся и аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы, например гидроакустические съемки рельефа морского дна.

Топографическая карта

карты административно-территориального деления

кадастровый план

АЭРО –съемка

Гидроакустические съемки рельефа морского дна

геодезические измерения Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды. − результаты полевых обследований территорий, включают геодезические измерения природных объектов, выполняемые: нивелир (от фр. niveau — уровень, нивелир) — геодезический инструмент для нивелирования, т. е. определения разности высот (превышения) между несколькими большими и маленькими клетками земной поверхности относительно условного уровня.

геодезические измерения Теодолит 1840 г. Теодолит- измерительный прибор для измерения горизонтальных и вертикальных углов при топографических, геодезических и маркшейдерских съёмках, в строительстве и т. п. Основной рабочей мерой в теодолите являются лимбы с градусными и минутными делениями (горизонтальный и вертикальный). Теодолит может быть использован для измерения расстояний нитяным дальномером и для определения магнитных азимутов с помощью буссоли.

электронный тахеометр Электронный тахеометр можно смело считать самым нужным достижением технологического развития для качественного и точного планирования строительного участка. До появления данного прибора строителям приходилось пользоваться ручными инструментами и механизмами, которые были не слишком точны. составляющие: 1. Электронный теодолит; 2. Специальный светодальномер, считающийся основной составляющей прибора, имеющей максимальную точность; 3. Профессиональное устройство для вычисления. Современные тахеометры оснащены графическими дисплеями и панелью со специальными кнопками, которые необходимы для управления инструментом. Данная часть устройства требует наличия квалификации и знаний со стороны строителя или геодезиста, проводящего нужные изыскания.

GPS приемник GPS-приёмник — радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения антенны приёмника, на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы NAVSTAR. В России с развитием системы ГЛОНАСС начался серийный выпуск ГЛОНАСС-приёмников рядом конструкторских бюро и организаций. Состав прибора: 1. GPS чипсет — процессор, самая важная часть любого навигатора. 2. GPS-антенна 3. Дисплей 4. Память Оперативная, BIOS и Flash-память 5. Операционная система 6. Навигационная программа

GPS-приемник Основа любого GPS-приемника — это чипсет, на котором он работает. Долгое время все приёмники выпускались с 12 -канальными чипсетами. Кроме того, что 12 каналов не достаточно для быстрого «Холодного старта» — первоначального определения своего местоположения, такие приёмники нуждались в открытом небе, так как работали только с прямой видимостью спутников (минимум 3; чем больше, тем точнее). На сегодняшний день все подобные приёмники считаются устаревшими и сняты с производства. В настоящий момент максимальное число каналов на профессиональном приемнике - 440 (два чипсета по 220 каналов в приемнике). Поскольку навигационные спутники вещают на разных частотах, для повышения точности, профессиональное оборудование определяет координаты с помощью всех доступных каналов всех видимых в данный момент времени спутников. Несмотря на то, что теоретически, количество каналов профессионального геодезического оборудования как отечественного, так и зарубежного, можно повышать за счет установки дополнительных чипсетов, в ближайшее десятилетие это нецелесообразно, так как 440 каналов хватит на одновременное слежение за всеми запущенными спутниками (что в принципе невозможно, т. к. приемник получает сигнал от спутников, находящихся в ограниченном секторе небесной сферы). GPS приёмники для широкого круга пользователей можно классифицировать следующим образом: 1. портативные устройства — автомобильные (отдельное портативное устройство или встроенное в транспортное средство в качестве бортового компьютера (онбордера)), 2. туристические, 3. спортивные; 4. встроенные как функциональный узел в другие устройства — в КПК, ноутбук или мобильный телефон; 5. GPS-трекеры, 6. GPS-логгеры, которые ведут запись и передачу координат на серверный центр и используются для спутникового мониторинга автомобилей, людей, других объектов. Первые имеют собственный процессор для выполнения навигационных функций, а вторые, даже будучи оснащёнными собственными GPS чипсетами, используют для своей работы навигационные приложения, предназначенные для конкретной операционной системы основного устройства. Как правило GPSтрекеры и GPS-логгеры не оснащаются собственными дисплеями для отображения информации, и служат исключительно для сбора, передачи и хранения данных, которые впоследствии могут быть обработаны и использованы в самых разных целях, например для спутникового мониторинга автомобилей.

Мини глобальное GPS устройство 5 -в-1. Этот удивительный прибор является «все-в-одном» GPS приемником, регистрирующим устройством, прибором обнаружения месторасположения, монитором расстояния/скорости и всемирными часами! Водонепроницаемый и компактный дизайн с 1, 5 дюймовым дисплеем означает, что он отлично подходит для всех любителей активного стиля жизни! Этот новый прибор может использоваться как для записи данных о местонахождении, так и для отображения реальных данных о скорости, расстоянии, времени, месторасположении и высоте. Как вы можете использовать его в повседневной жизни? Есть несколько способов: GPS приемник: если вам нравится спорт на открытом воздухе – катание на велосипеде, лыжах, альпинизм, тогда это устройство, координируясь через орбитальные спутники, даст вам данные о месторасположении: долгота, широта, высота, скорость. Вы также можете записать одним щелчком данные о пункте назначения, чтобы загрузить их в свой компьютер дома. Прибор также показывает всемирное время. Регистрирующее устройство – запишите и получите данные о вашем точном местонахождении, как только это понадобится. Это устройство может сохранять данные о до 125 000 точках назначения и может также выдавать их как готовые Google Earth KML файлы. На профессиональном уровне оно подойдет для оптимизации логистических маршрутов, поскольку он может автоматически записывать данные о времени и расстоянии. Фото маркиратор – представьте, что вы провели последние два дня в походе по бразильским джунглям. Вы ввели более 2000 точек маршрута в это устройство. И в тоже время делали фотографии в каждой из них. Просто подключите это устройство к вашему лэптопу, запустите включенное в комплект ПО, и синхронизируйте свои фото с их точным месторасположением. Монитор расстояния Если вы знаете, что ваше любимое рыбное место находится в 9 км восточнее от шоссе, тогда с этим устройством вы сможете вовремя сориентироваться, что вы прошли уже 12 км, и вернуться. Это устройство подходит для всех, кто хочет знать, куда он идет, и записывать все свои действия для дальнейшего просмотра дома. Действительно отличный прибор с универсальным использованием и низкой оптовой ценой, который станет отличным подарком для себя и близких. Он доступен на складе прямо сейчас для розничных и оптовых заказов. Не откладывайте, нажимайте «Добавить в корзину» прямо сейчас, и мы отгрузим ваш заказ завтра.

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГИС 1. 2. 3. Аппаратные (технические) средства Программное обеспечение Информационное обеспечение Технические средства – это комплекс аппаратных средств, применяемых при функционировании ГИС: рабочая станция или персональный компьютер (ПК), устройства ввода-вывода информации, устройства обработки и хранения данных, средства телекоммуникации. Рабочая станция или ПК являются ядром любой информационной системы и предназначены для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных, основанных на вычислительных или логических операциях. Современные ГИС способны оперативно обрабатывать огромные массивы информации и визуализировать результаты. Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и методов: непосредственно с клавиатуры, с помощью дигитайзера или сканера, через внешние компьютерные системы. Пространственные данные могут быть получены электронными геодезическими приборами, либо по результатам обработки снимков на аналитических фотограмметрических приборах или цифровых фотограмметрических станциях. Устройства для обработки и хранения данных сконцентрированы в системном блоке, включающем в себя центральный процессор, оперативную память, внешние запоминающие устройства и пользовательский интерфейс. Внешние запоминающие устройства подключаются к компьютеру, в качестве таких устройств используются: дискеты (1. 44 Мбайт), ZIP- диски (100 Мбайт), Магнитные жесткие диски (свыше 30 Гбайт). Для архивации данных служат оптические и магнитные диски CD-ROM и DVD-ROM с емкостью от 650 Мбайт до 9. 0 Гбайт. Устройства вывода данных должны обеспечивать наглядное представление результатов, прежде всего на мониторе, а также в виде графических оригиналов, получаемых на принтере или плоттере (графопостроителе), кроме того, обязательна реализация экспорта данных во внешние системы.

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГИС Программные средства – совокупность программных средств, реализующих функциональные возможностей ГИС, и программных документов, необходимых при их эксплуатации. Структурно программное обеспечение ГИС включает базовые и при- кладные программные средства. Базовые программные средства включают: операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение и системы управления базами данных. Операционные системы предназначены для управления ресурсами ЭВМ и процессами, использующими эти ресурсы. На настоящее время основные ОС: Windows и Unix. Любая ГИС работает с данными двух типов данных - пространственными и атрибутивными, следовательно, программное обеспечение должно включить систему управления базами тех и других данных (СУБД), а также модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа. Прикладные программные средства предназначены для решения для специализированных задач в конкретной предметной области и реализуются в виде отдельных модулей (приложений) и утилит (вспомогательных средств).

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГИС Информационное обеспечение − совокупность 1. массивов информации, 2. систем кодирования 3. классификации информации. Информационное обеспечение составляют реализованные решения по видам, объемам, раз- мещению и формам организации информации, включая поиск и оценку источников данных, набор методов ввода данных, проектирование баз данных, их ведение и местосопровождение. Особенность хранения пространственных данных в ГИС – их разделение на слои. Многослойная организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные могут подготавливаться самим пользователем либо приобретаться. Для такого обмена данными важна инфраструктура пространственных данных. Инфраструктура пространственных данных определяется нормативно-правовыми документами, механизмами организации и интеграции пространственных данных, а также их доступность разным пользователям. Инфраструктура пространственных данных включает три необходимых компонента: базовую пространственную информацию, стандартизацию пространственных данных, базы метаданных и механизм обмена данными.

СТРУКТУРЫ И МОДЕЛИ ДАННЫХ Объекты реального мира, рассматриваемые в геоинформатике, пространственными, временными и тематическими характеристиками. отличаются Пространственные характеристики определяют положение объекта в заранее определенной системе координат, основное требование к таким данным – точность. Временные характеристики фиксируют время исследования объекта и важны для оценки изменений свойств объекта с течением времени. Основное требование к таким данным – актуальность, что означает возможность их использования для обработки, неактуальные данные – это устаревшие данные. Тематические характеристики описывают разные свойства объекта, включая экономические, статистические, технические и другие свойства, основное требование – полнота. Для представления пространственных объектов в ГИС используют пространственные и атрибутивные типы данных. Пространственные данные – сведения, которые характеризуют местоположение объектов в пространстве относительно друга и их геометрию. 1. Точечные объекты 2. Линейные объекты, 3. Области (полигоны) 4. Поверхность Атрибутивные данные - это качественные или количественные характеристики пространственных объектов, выражающиеся, как правило, в алфавитно-цифровом виде.

Векторная структура Для представления пространственных данных в ГИС применяют векторные и растровые структуры данных. Векторная структура – это представление пространственных объек-тов в виде набора координатных пар (векторов), описывающих геометрию объектов

Структуры данных Для представления пространственных данных в ГИС применяют векторные и растровые структуры данных Растровая структура данных предполагает представления данных в виде двухмерной сетки, каждая ячейка которой содержит только одно значение, характеризующее объект, соответствующий ячейке растра на ме- стности или на изображении. В качестве такой характеристики может быть код объекта (лес, луг и т. д. ) высота или оптическая плотность.

Модели пространственных данных – логические правила для формализованного цифрового описания пространственных объектов. Векторные модели данных. Существует несколько способов объединения векторных структур данных в векторную модель данных, позволяющую исследовать взаимосвязи между объектами одного слоя или между объектами разных слоев. Простейшей векторной моделью данных является «спагетти» - модель. В этом случае переводится «один в один» графическое изображение карты.

Векторные топологические модели (рис. 4) содержат сведения о соседстве, близости объектов и другие, характеристики взаимного расположения векторных объектов.

Топологическая информация описывается набором узлов и дуг. Узел - это пересечение двух или более дуг, и его номер используется для ссылки на любую дугу, которой он принадлежит. Растровые модели используются в двух случаях. В первом случае – для хранения исходных изображений местности. Во втором случае, для хранения тематических слоев, когда пользователей интересуют не отдельные пространственные объекты, а набор точек пространства, имеющих различные характеристики (высотные отметки или глубины, влажность почв и т. д. ), для оперативного анализа или визуализации.

Форматы данных, базы данных Форматы данных 1. растровых данных (TIFF, JPEG, GIF, BMP, WMF, PCX) 2. Mr. SID (для сжатия информации) 3. Geo. Spot, Geo-TIFF (позволяющие передавать информацию о привязке растрового изо-бражения к реальным географическим координатам ) 4. векторных формат − DXF. Все системы поддерживают обмен пространственной информацией (экспорт и импорт) со многими ГИС и САПР через основные обменные форматы: SHP, E 00, GEN (ESRI), VEC (IDRISI), MIF (Map. Info Corp. ), DWG, DXF (Autodesk), WMF (Microsoft), DGN (Bentley). Только некоторые, в основном отечественные системы, поддерживают российские обменные форматы – F 1 M (Роскартография), SXF (Военно-топографическая служба). База данных (БД) – совокупность данных организованных по опре-деленным правилам, устанавливающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными. Создание БД и обращение к ней (по запросам) осуществляется с по-мощью системы управления базами данных (СУБД). Логическая структура элементов базы данных определяется выбранной моделью БД. Наиболее распространенными моделями БД являются 1. Иерархические 2. Сетевые 3. реляционные 4. объектно-ориентированные.

Модели данных Иерархические модели представляют древовидную структуру, в этом случае каждая запись связана только с одной записью, находящейся на более высоком уровне. Сетевые модели были призваны устранить некоторые из недостатков иерархических моделей. В сетевой модели каждая запись в каждом узле сети может быть связана с несколькими другими узлами. Записи, входящие в состав сетевой структуры, содержат в себе указатели, определяю-щие местоположение других записей, связанных с ними. Такая модель позволяет ускорить доступ к данным, но изменение структуры базы требует значительных усилий и времени. Реляционные модели собирают данные в унифицированные таблицы. Таблице присваивается уникальное имя внутри БД. Каждый столбец − это поле, имеющее имя, соответствующее содержащемуся в нем атрибуту. Каждая строка в таблице соответствует записи в файле. Одно и тоже поле может присутствовать в нескольких таблицах. Так как строки в таблице не упорядочены, то определяется один или несколько столбцов, значения которых однозначно идентифицируют каждую строку. Такой столбец называется первичным ключом. Взаимосвязь таблиц поддерживается внешними ключами. Объектно-ориентированные модели применяют, если геометрия оп-ределенного объекта способна охватывать несколько слоев, атрибуты та-ких объектов могут наследоваться, для их обработки применяют специфические методы. Для обработки данных, размещенных в таблицах необходимы допол-нительные сведения о данных, их называют метаданными. Метаданные − данные о данных: каталоги, справочники, реестры и иные формы описания наборов цифровых данных.

ТЕХНОЛОГИИ ВВОДА ДАННЫХ 1. Способы ввода данных 2. Преобразование исходных данных 3. Ввод данных дистанционного зондирования Дигитайзер — это устройство, которое применяется для преобразования в цифровой формат готовых бумажных изображений, таких как чертежи, схемы, карты. Состоит из планшета, на котором располагают предназначенный для оцифровки оригинал, и пера, определяющего позицию на планшете. При соприкосновении пера с планшетом на компьютере отображаются его координаты в виде бесконечного множества точек.

Форматы данных Дигитайзер (digitizer) - это кодирующее устройство, обеспечивающее ввод двумерного (в том числе и полутонового) или трехмерного (3 D дигитайзеры) изображения в компьютер в виде растровой таблицы. является типичным внешним специализированными устройства графического ввода. Задача получения 3 D-моделей реальных объектов стоит перед промышленными дизайнерами, инженерами, художниками, аниматорами, разработчиками игровых приложений. Измерение геометрии сложных пространственных форм является основныме требованием для современных производителей технологической оснастки. Основные области применения дигитайзеры: 1. Мультипликация 2. Оцифровывание географических карт для работы с географическими информационными системами (ГИС) 1. Инженерное проектирование, создание прототипов и обратный инжениринг 1. Научная визуализация Примечание: Обычно процесс обработки изображения дигитайзеров называют сканированием (Не путать со сканером!). Простейшим дигитайзером является графический планшет wacom.

Способы ввода данных (дигитайзер, сканер) В состав устройства входит специальный указатель с датчиком, называем пером. Собственный контроллер посылает импульсы по ортогональной сетке проводников, расположенной под плоскостью планшета. Получив два таких сигнала, контроллер преобразует их в координаты, передаваемые в ПК. Компьютер переводит эту информацию в координаты точки на экране монитора, соответствующие положению указателя на планшете. С помощью пера Вы рисуете на планшете, при этом графические редакторы могут воспринимать его как кисть, карандаш, мелок и т. д. Перевернув перо, Вы можете стереть изображение. Дигитайзеры, как следует из названия, являются инструментом оцифровки трехмерных объектов. Для дальнейшей обработки и редактирования результатов сканирования существует множество различных программ. 3 D дигитайзер

дигитайзеры Одним из примеров полнофункционального решения для оцифровки объектов любой формы служит недорогой дигитайзер из модельного ряда Micro. Scribe-3 D производства компании Immersion Corporation. На несимметричной основе прикреплен трехшарнирный рычаг, оканчивающийся пером-датчиком. Шарниры с низким уровнем трения обеспечивают практически абсолютную свободу перемещения стального пера. Дигитайзер Micro. Scribe может оцифровывать предметы, находящиеся в радиусе до 840 мм. Рычаг устройств - жесткий, наличие шарниров позволяет провести дугу с максимальным углом в 330°. Наконечник «руки» может иметь разную форму: в виде шарика или острой иголочки - для снятия более точных показаний. В комплекте со сканером поставляются также ножные педали, которые играют роль правой и левой кнопок мыши. Перед каждой оцифровкой дигитайзер должен быть откалиброван. Пользователь выбирает три реперные точки (переднюю правую, переднюю левую и заднюю правую) и вводит их координаты в компьютер с помощью ножных педалей. После этого можно приступать непосредственно к оцифровке. Механические дигитайзеры обладают достаточно высокой точностью - до 0, 2 мм. Модели из серии Micro. Scribe-3 D могут снимать координаты со скоростью 1000 точек в секунду и передают информацию со скоростью 38 Кбит/с. Перед сканированием многие дизайнеры расчерчивают объект, вырисовывают линии, по которым пройдет перо.

типы сканеров 1. 2. 3. 4. Существуют различные типы сканеров, которые различаются: по способу подачи исходного материала (планшетные и протяжные (барабанного типа); по способу считывания информации (работающие на просвет или на отражение); по радиометрическому разрешению или глубине цвета; по оптическому (или геометрическому) разрешению. Процесс цифрования растрового изображения на экране компьютера называют векторизацией. Существует три способа векторизации: ручной, интерактивный и автоматический. При ручной векторизации оператор обводит мышью на изображении каждый объект, при интерактивной − часть операций производится автоматически. Так, например, при векторизации горизонталей достаточно задать начальную точку и направление отслеживания линий, далее векторизатор сам отследит эту линию до тех пор, пока на его пути не встретятся неопределенные ситуации, типа разрыва линии. Возможности интерактивной векторизации прямо связаны с качеством исходного материала и сложностью карты. Автоматическая векторизация предполагает непосредственный перевод из растрового формата в векторный с помощью специальных программ, с последующим редактированием. Оно необходимо, поскольку даже самая изощренная программа может неверно распознать объект, принять например, символ за группу точек, и т. п.

Разновидности сканеров

Arc. GIS Arc. View (разработчик фирма ESRI, США). ESRI — американская компания, производитель геоинформационных систем (ГИС). Семейство программных продуктов компании Arc. GIS получило широкое распространение в мире и, в частности, в России. Компания ESRI основана в 1969 году Джеком и Лорой Дэнджермонд, сегодня в ней работает более 4000 человек. Компания является одним из лидеров в индустрии ГИС. По некоторым оценкам, её доля на международном рынке ГИС в 2010 году превысила 40 %. http: //www. geogcentury. ru/gecents-385 -1. html Технология работы с Arc. View GIS достаточна проста, студенты кафедры проходят эту программу как учебный предмет и в достаточной мере владеют этой программой. Ниже приводится конкретные процедуры с помощью которых выполнялась работа.

АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ 1. Задачи пространственного анализа К средствам пространственного анализа относятся различные процедуры манипулирования пространственными и атрибутивными данными, выполняемые при обработке запросов пользователя. К ним относятся, например, 1. операции наложения графических объектов, 2. средства анализа сетевых структур 3. выделение объектов по заданным признакам. Выбор объектов по запросу: Для выбора данных в соответствии с определенными условиями ис-пользуются SQL- запросы. Обобщение данных: проводиться по равенству значений определенного атрибута, в частности для зонирования территории. Геометрические функции: к ним относят расчеты геометрических характеристик объектов или их взаимного положения в пространстве, при этом используются формулы аналитической геометрии на плоскости и в 20 пространстве. Так для площадных объектов вычисляются занимаемые ими площади или периметры границ, для линейных − длины, а также расстояния между объектами и т. д.

АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ Оверлейные операции (топологическое наложение слоев) являются одними из самых распространенных и эффективных средств. В результате наложения двух тематических слоев образуется другой дополнительный слой в виде графической композиции исходных слоев Построение буферных зон. Одним из средств анализа близости объек-тов является построение буферных зон. Буферные зоны – это районы (полигоны), граница которых отстоит на заданном расстоянии от границы исходного объекта. Границы таких зон вычисляются на основе анализа соответствующих атрибутивных характеристик. При этом ширина буферной зоны может быть как постоянной, так и переменной. Сетевой анализ позволяет пользователю проанализировать пространственные сети связных линейных объектов

Анализ пространственного распределения объектов. 1. распределения точечных объектов 2. распределение линий 3. распределения полигонов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ 1. Поверхность и цифровая модель Основой для представления данных о земной поверхности являют-ся цифровые модели рельефа. Поверхности – это объекты, которые чаще всего представляются значениями высоты Z, распределенными по области, определенной координатами X и Y. Цифровые модели рельефа (ЦМР) используют для компьютерного представления земных поверхностей. ЦМР – средство цифрового представления рельефа земной поверхности. Построение ЦМР требует определённой формы представления исходных данных (набора координат точек X, Y, Z) и способа их структурного описания, позволяющего восстанавливать поверхность путем интерполяции или аппроксимации исходных данных

Цифровые модели рельефа (ЦМР )представления земных поверхностей.

Административное деление

Гидрография Республики Алтай

Населенные пункты Республики Алтай

Дорожная сеть Республики Алтай

Растительность Республики Алтай

Глобальная цифровая модель рельефа ETOPO 2 Etopo 2 - глобальная цифровая модель рельефа, включающая как наземный, так и подводный рельеф, что выгодно отличает ее от большинства других цифровых моделей рельефа, таких как GTOPO 30, SRTM и др. Etopo 201. jpg Источники данных на основе которых создана ETOPO 2 Как видно из иллюстрации ETOPO 2 создан на основе нескольких источников, для топ

Цифровые модели рельефа (в англоязычной научной ли тературе Digital Elevation Model-DEM или Digital Terrain Model-DTM) Компания Алькомп-Инжиниринг выполняет комплекс работ по созданию цифровых моделей рельефа на основе данных спутникового позиционирования, воздушного и наземного лазерного сканирования рельефа. Создание цифровых моделей рельефа Построение цифровой модели рельефа (ЦМР) – одна из важнейших задач инженерных изысканий для строительства и проектирования. Использование ЦМР значительно сокращает затраты времени по сравнению с традиционными технологиями получения отметок с топографических планов, определения направления величин стоков и др. , а технологии воздушного и лазерного сканирования позволяют решать эту задачу с максимальной точностью.

Цифровая модель рельефа - для чего она нужна? Среди многочисленных сфер использования цифровой модели рельефа можно выделить следующие: • изучение и количественная оценка современного состояния природной среды; • территориальное планирование (городское, ландшафтное и др. ); • моделирование экологических ситуаций; • прогнозирование ландшафтных процессов и др. С любой цифровой моделью рельефа моно получить много разных параметров, которые принято разделять на такие группы: • категорий морфометрических параметров: геометрические (величина уклона, экспозиция склона, различные виды кривизны земной поверхности, оценка зон видимости и др. ) — описывают морфологические особенности территории, определяющие скорость и интенсивность потоков вещества и энергии, динамику склоновых процессов; • гидрологические (направление стока, бассейновое моделирование, топографический индекс влажности, индекс мощности линейной эрозии, индекс баланса геомасс, оценка зон потенциального затопления и др. ) — используются для оценки поверхностного стока, степени увлажнения почвы и перемещения обломочного материала; • топографо-микроклиматические (показатели потенциальной солнечной радиации инсоляции, дифференциации температуры земной поверхности, воздействия ветра и др. ) — данная группа показателей характеризует влияние земной поверхности на особенности распределения солнечной радиации, температурного поля и воздействия ветра; • параметры вертикальной дифференциации природной среды (относительная высота, глубина речной долины и др. ).

В каждой сфере использования цифровой модели рельефа рассчитываются/вычисляются разные параметры. Так, например, для сельского хозяйства вычисляются потенциальные (максимальные) показатели Фотосинтетической активной солнечной радиации (ФАР) — части солнечной энергии, используемой растениями для фотосинтеза, а также количественная оценка площадной и линейной эрозии и влияние рельефа на распределение влаги. Моделирование ФАР основано на информации о географическом положении территории (широта и долгота, зональный фактор) и определенных модельных характеристиках атмосферы. Расчет может быть осуществлен для различных временных периодов с учетом сезонности и позволяет выбрать оптимальные участки под конкретные сельскохозяйственные культуры. Показатели площадной и линейной эрозии основаны на двух производных морфометрических показателях — водосборной площади и уклоне местности. Это позволяет оценить особенности эрозионных процессов с учетом гидрологических ресурсов для их развития: чем больше удельная водосборная площадь, тем больше вероятность развития эрозии.

Построение ЦМР требует определенной структуры данных: TIN (Triangulated Irregular Network) – нерегулярная триангуляционная сеть Вершинами треугольников являются исходные опорные точки. Рельеф в этом случае представляется многогранной поверхностью, каждая грань которой описывается либо линейной функцией (полиэдральная модель), либо полиноминальной поверхностью, коэффициенты которой определяются по значениям в вер-шинах граней треугольников. Для получения модели поверхности нужно соединить пары точек ребрами определенным способом, называемым триангуляцией Делоне.

Триангуляция Делоне в приложении к двумерному пространству формулируется следующим образом: система взаимосвязанных неперекрывающихся треугольников имеет наименьший периметр, если ни одна из вер-шин не попадает внутрь ни одной из окружностей, описанных вокруг образованных треугольников. Образовавшиеся треугольники при такой триангуляции максимально приближаются к равносторонним, а каждая из сторон образовавшихся треугольников из противолежащей вершины видна под максимальным углом из всех возможных точек соответствующей полуплоскости. Интерполяция выполняется по образованным ребрам. Отличительной особенностью и преимуществом триангуляционной модели является то, что в ней нет преобразований исходных данных.

GRID – модель, представляет собой регулярную матрицу значений высот, полученную при интерполяции исходных данных. Для каждой ячейки матрицы высота вычисляется на основе интерполяции. Фактически это сетка, размеры которой задаются в соответствии с требованиями точности конкретной решаемой задачи. Регулярная сетка соответствует земной поверхности, а не изображению. TGRID (triangulated grid) – модель, сочетающая в себе элементы моде-лей TIN и GRID. Такие модели имеют свои преимущества, например, позволяют использовать дополнительные данные для описания сложных форм рельефа (обрывы, скальные выступы).

Интерполяция. Метод обратных взвешенных расстояний Интерполяция – восстановление функции на заданном интервале по известным ее значениям конечного множества точек, принадлежащих этому интервалу. Методы интерполяции поверхностей: 1. 2. 3. 4. 5. метод обратных взвешенных расстояний, кригинг; сплайн-интерполяция; тренд-интерполяция. Интерполяции исходных данных

Интерполяция. Карта температур ЮАР, созданная методом интерполяции на основе данных с м Пространственная интерполяция помогает оценить температуры на всей территории, используя существующие данные, взятые с метеостанций (см. Рисунок). Результат такой интерполяции часто называют статистической поверхностью. Модели рельефа, карты осадков и накопления снега, а также карты плотности населения – вот некоторые примеры результатов пространственной интерполяции. Из-за высокой стоимости и ограниченности времени и ресурсов сбор данных обычно производится на ограниченном количестве точек. В ГИС, интерполяция полученных значений позволяет построить растровое изображение, значения пикселей которого являются оценочными значениями, полученными на основе данных точек

. IDW (англ. Inverse Distance Weighting, рус. Обратное Взвешенное Расстояние) Например, чтобы создать цифровую модель рельефа на основе высотных данных, собранных с помощью GPS-устройства в определенных точках, выбирается метод интерполяции, подходящий для оптимальной оценки высоты в тех точках, где данные отсутствуют. Полученная модель может быть использована для проведения анализа или как основание для другой модели Метод интерполяции IDW заключается в том, что происходит взвешивание точек таким образом, что влияние известного значения точки затухает с увеличением расстояния до неизвестной точки, значение которой надо определить.

Недостатки метода интерполяции IDW Взвешивание присваивается точкам сбора данных на основе коэффициента взвешивания, который контролирует, как воздействие точки будет уменьшаться с увеличением расстояния до этой точки. Чем выше коэффициент взвешивания, тем меньше будет эффект, оказываемый точкой, если она будет далеко от неизвестной точки, значение которой определяется в ходе интерполяции. По мере возрастания коэффициента значение неизвестной точки будет приближаться к значению ближайшей точки сбора данных. Недостатки. Качество результата может снизиться, если распределение точек сбора данных носит неравномерный характер. Кроме этого, max и min значения интерполированной поверхности могут быть зафиксированы только в точках сбора данных. Это часто приводит к небольшим пикам и углублениям вокруг этих точек, как можно видеть на Рис.

TIN – Нерегулярная Триангуляционная Сеть Интерполяция методом TIN – еще один инструмент, популярный в среде ГИС. Распространенный алгоритм TIN называется триангуляцией Делоне. Он создает поверхность, состоящую из треугольников, формируемых ближайшими точками. Для этого вокруг точек сбора данных проводятся окружности, и их пересечения соединяются в сеть компактных треугольников, примыкающих другу без пересечений и разрывов (см. Рис). Рисунок 90: Триангуляция Делоне с окружностями, проведенными вокруг точек сбора данных (красные точки). Итоговая поверхность рельефа создана методом TIN-интерполяции на основе точечного слоя с атрибутомвысоты над уровнем моря. Источник изображения: Mitas, L. , Mitasova, H. (1999)

Недостаток метода TIN Главный недостаток метода TIN в том, что итоговая поверхность выглядит не гладкой, а весьма угловатой. Это вызвано тем, что получаемые уклоны носят прерывистый характер, т. е. имеют перепады в местах стыковки составляющих треугольников. Кроме того, триангуляция работает только между точками сбора данных, но не вокруг, и нерегулярность точек ведет к неожиданным результатам (см. Рис). Рисунок : Триангуляция Делоне на основе нерегулярных точек сбора данных об осадках.

О чем стоит помнить: Важно помнить, что не существует такого метода интерполяции, который подходил бы ко всем ситуациям. Некоторые обеспечивают более точный результат, но требовательны к вычислительным ресурсам компьютера и исполняются дольше. У всех есть достоинства и недостатки. Выбор определенного метода интерполяции зависит от особенностей входных данных, требуемого типа итоговой поверхности и уровня допустимых ошибок оценки величин. В целом, рекомендуется производить три этапа оценки: Оценить входные данные с точки зрения пространственного распределения точек и подумать о том, какой характер носит распределение моделируемой величины (плавный, сконцентрированный вокруг точек и др. ). Это поможет определить подходящий метод интерполяции. Рассмотреть задачу и найти метод, который подходит наилучшим образом. Если есть сомнения, можно попробовать несколько методов. Сравнить результаты и выбрать лучший результат, а следовательно – самый подходящий метод. Поначалу этот процесс будет выглядеть сложным, но по мере приобретения опыта работы с разными методами интерполяции время, необходимое для генерации подходящей поверхности, сильно сократится.

Кригинг. Метод интерполяции, который основан использовании методов математической статистики на В его реализации применяется идея регионализированной переменной, т. е. переменной, которая изменяется от места к месту с некоторой видимой непрерывностью, поэтому не может моделироваться только одним математическим уравнением. Поверхность рассматривается в виде трех независимых величин. 1. Первая − тренд, характеризует изменение поверхности в определенном направлении. 2. Имеются небольшие отклонения от общей тенденции, вроде маленьких пиков и впадин, которые являются случайными, но все же связанными друг с другом пространственно. 3. Случайный шум (например, валуны). С каждой из трех переменных надо оперировать в отдельности. Тренд оценивается с использованием математического уравнения, которое наиболее близко представляет общее изменение поверхности, во многом подобно поверхности тренда.

Кригинг. Метод интерполяции, который основан на использовании методов математической статистики Элементы кригинга: 1 − тренд, 2 − случайные, но пространственно связанные высотные колебания, 3− случайный шум

Ожидаемое изменение высоты измеряется по вариограмме, на которой по горизонтальной оси откладывается расстояние между отсчетами, а на вертикальной − полудисперсия. Полудисперсия определяется как половина дисперсии между значениями высоты исходных точек и высот соседних точек. Затем через точки данных проводится кривая наилучшего приближения. Дисперсия в какой-то момент достигает максимума и остается постоянной (выявляется предельный радиус корреляции). Интерполяция методом кригинга в большинстве случаев дает хорошие результаты, даже когда плотность исходных точек не велика. Однако, при некотором расположении точек возможно появление резких пиков и впадин.

Тренд интерполяция. В некоторых случаях исследователя интересуют общие тенденции поверхности, которые характеризуются поверхностью тренда. Аналогично методу обратных взвешенных расстояний для поверхности тренда используется набор точек в пределах заданной окрестности. В пределах каждой окрестности строится поверхность наилучшего приближения на основе математических уравнений, таких как полиномы или сплайны. Поверхности тренда могут быть плоскими, показывая общую тенденцию или более сложными. Тип используемого уравнения или степень полинома определяет величину волнистости поверхности. Например, поверхность тренда первого порядка будет выглядеть как плоскость, пересекающая под некоторым углом всю поверхность. Если поверхность имеет один изгиб, то такую поверхность называют поверхностью тренда второго порядка.

Как работает инструмент Тренд (Trend) Инструмент Тренд использует интерполяцию глобального полинома, который соответствует гладкой поверхности, определённой математической функцией (полином) для входных точек образца. Поверхность тренда постепенно изменяется и охватывает шаблоны грубых масштабов в данных. Концептуальный фон Концептуально, интерполяция по методу тренда сходна с установкой листа бумаги между поднятыми точками (поднятыми до высоты значения). Рисунок плоской поверхности тренда

Как работает инструмент Тренд (Trend) Плоский лист бумаги не будет точно охватывать ландшафт, содержащий долину. Однако, если вы согнёте лист бумаги один раз, вы получите гораздо лучшее соответствие. Добавление члена в математическую формулу дает аналогичный результат, сгиб плоскости. Плоская поверхность (нет сгиба на листе бумаги) – это полином первого порядка (линейный). Допустим, что один перегиб – это полином второго порядка (квадратический), два перегиба – полином третьего порядка (кубический) и т. д. Этот инструмент может работать максимум с 12 перегибами (12 порядками). На следующем рисунке концептуально показан полином второго порядка, соответствующий долине. Рисунок искривлённой поверхности тренда

Когда используется интерполяция по методу тренда Интерполяция по методу тренда приводит к сглаженной поверхности, которая представляет постепенные тренды поверхности в исследуемой области. Этот тип интерполяции может использоваться для подгонки поверхности к точкам образца, если поверхность варьируется постепенно от участка к участку исследуемой области, например, загрязнение окружающей среды в промышленной зоне. Исследования или удаления эффектов трендов с большим диапазоном или глобальных трендов. При таких обстоятельствах, метод часто называют анализ поверхности тренда. Интерполяция по методу тренда создаёт постепенно изменяющуюся поверхность с помощью полиномов низкого порядка, которые описывают физический процесс, например, загрязнение и направление ветра. Однако, чем более сложный полином, тем труднее приписать ему физический смысл. Кроме того, вычисленные поверхности весьма чувствительны к выпадающим значениям (чрезвычайно высоким и низким значениям), особенно на ребрах.

Типы интерполяции по методу тренда 1. Линейный тренд Интерполятор поверхности по методу ЛИНЕЙНОГО (LINEAR) тренда создает растр из значений с плавающей точкой. Он использует полиномиальное уравнение регрессии для подбора для входных точек поверхности, определяемой с использованием метода наименьших квадратов. Опция LINEAR позволяет вам контролировать порядок полинома, используемого для подбора поверхности. Для понимания опции LINEAR инструмента Тренд, обратитесь к полиному первого порядка. Интерполяция поверхности по методу линейного тренда первого порядка выполняет для набора входных точек подбор плоскости, определяемой на основе метода наименьших квадратов. Интерполяция поверхности по методу тренда строит сглаженные поверхности. Построенная поверхность редко будет проходить через исходные опорные точки, поскольку она выполняет подбор лучшей поверхности для всего набора опорных точек. Когда применяется порядок полинома выше единицы, интерполятор может строить растр, минимальное и максимальное значения которого превышают минимальное и максимальное значения входного файла пространственных данных. 2. Логарифмический тренд Опция LOGISTIC (ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ тренд), используемая для построения поверхности тренда, которая хорошо подходит для прогнозирования присутствия или отсутствия определенного явления (в форме вероятности) для заданного набора точек (x, y) в пространстве. Z-значение – это категоризированная случайная переменная с только двумя возможными результатами – например, наличие вымирающих видов или отсутствие таких видов. Эти два z-значения могут быть кодированы единицей и нулем, соответственно. Опция LOGISTIC создает непрерывный грид вероятности с значениями ячеек от нуля до единицы. Для вычисления нелинейной модели поверхности вероятности без предварительного преобразования модели в линейную форму используется оценка по методу максимального подобия.

Сплайн интерполяция. Возможность описания сложных поверхностей с помощью полиномов невысоких степеней определяется тем, что при сплайн интерполяции вся территория разбивается на небольшие непересекающиеся участки. Аппроксимация полиномами осуществляется раздельно для каждого участка. Используют полином третьей степени - кубический сплайн. Затем строится общая функция «склейки» на всю область, с заданием условия непрерывности на границах участков и непрерывности первых и вторых частных производных, т. е. обеспечивается гладкость склеивания полиномов. Сглаживание сплайн-функциями особенно удобно при моделировании поверхностей, осложненных разрывными нарушениями, и позволяет избежать искажения типа «краевых эффектов» .

Кубическая сплайн-интерполяция позволяет провести кривую через набор точек таким образом, что первые и вторые производные кривой непрерывны в каждой точке. Эта кривая образуется путем создания ряда кубических полиномов, проходящих через наборы из трех смежных точек. Кубические полиномы затем состыковываются друг с другом, чтобы образовать одну кривую. Math. CAD поставляется с тремя сплайн-функциями: cspline pspline lspline Они возвращают вектор коэффициентов вторых производных, который мы будем называть. VS. Этот вектор обычно используется в функции interp, описанной ниже. Аргументы VX и VY должны быть вещественными векторами одинаковой длины. Значения вектора должны быть расположены в порядке возрастания. Эти три функции отличаются только граничными условиями: 1. функция lspline генерирует кривую сплайна, которая приближается к прямой линии в граничных точках; 2. функция pspline генерирует кривую сплайна, которая приближается к параболе в граничных точках. 3. функция cspline генерирует кривую сплайна, которая может быть кубическим полиномом в граничных точках.