Основы геоинформатики и ГИС-технологий Основы геоинформатики и

Основы геоинформатики и ГИС-технологий

Основы геоинформатики и ГИС-технологий • 1. Обзор базовых ГИС-концепций

• Геоматика (англ. geomatics) - совокупность применений информационных технологий, мультимедиа и средств телекоммуникации для обработки данных, анализа геосистем, автоматизированного картографирования. • Термин, употребляемый как синоним геоинформатики, или геоинформационного картографирования.

• Термин геоматика был предложен Б. Дабюссоном (англ. B. Dubuisson) в 1969 году. • Хорошее определение термина геоматика предлагается на сайте Университета Калгари: • «Геоматика - современная дисциплина, которая объединяет сбор, моделирование, анализ и управление данными, которые имеют пространственную привязку (работает с данными, идентифицированными согласно их местоположениям). Базирующаяся на достижениях географии и геодезии, геоматика использует наземные, морские, воздушные и спутниковые датчики для получения пространственных и связанных с пространственными данных. Она включает процесс преобразования пространственно привязанных данных с определёнными точностными характеристиками из различных источников в обычные информационные системы. »

• Геоинформатика - наука, технология и производственная деятельность по научному обоснованию, проектированию, созданию, эксплуатации и использованию географических информационных систем, по разработке геоинформационных технологий, по приложению ГИС для практических и научных целей

• Входит как составная часть в геоматику. Русский термин «геоинформатика» производный от термина «информатика» - иностранного заимствования, обозначающего научное направление, которое изучает теорию, методы и способы накопления, обработки и передачи данных, информации и знаний с помощью ЭВМ и других технических средств, или группу дисциплин, занимающихся различными аспектами применения и разработки вычислительных машин, куда обычно относят прикладную математику, программное обеспечение, искусственный интеллект, архитектуры ЭВМ и вычислительные сети

Основные задачи 1. Создание баз геоданных (гнокодирование) и управление ими 2. Анализ и моделирование геоданных 3. Разработка программного обеспечения для первых двух задач

“ГИС - геоинформационная система" - автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация.

• "Геопространственные данные" означают информацию, которая идентифицирует географическое местоположение и свойства естественных или искусственно созданных объектов, а также их границ на земле. Эта информация может быть получена с помощью (помимо иных путей), дистанционного зондирования, картографирования и различных видов съемок. Географические данные содержат четыре интегрированных компонента: • местоположение, • свойства и характеристики, • пространственные отношения, • время

Данные реального мира, отображаемые в ГИС, можно рассматривать с учетом трех аспектов: пространственного, временного и тематического. • Пространственный аспект связан с определением местоположения; временной – с изменением объекта или процесса с течением времени, в частности от одного временного среза до другого; тематический аспект обусловлен выделением одних признаков объекта и исключением из рассмотрения других. В большинстве технологий ГИС для определения места используют один класс данных – координаты, для определения параметров времени и тематической направленности - другой класс данных – атрибуты.

Связь ГИС с научными дисциплинами и технологиями

Топография • Топография (др. _греч τόπος — место и γράφω — пишу) — научная дисциплина, изучающая методы изображения географических и геометрических элементов местности на основе съёмочных работ (наземных, с воздуха или из космоса) и создания на их основе топографических карт. • Топография может рассматриваться и как самостоятельный раздел картографии, изучающий проблемы картографирования территорий, и как раздел геодезии, посвященный вопросам проведения измерений для определения геометрических характеристик объектов на земной поверхности. • В сферу интересов топографии входят вопросы содержания топографических карт, методики их составления и обновления, вопросы их точности и классификации, а также извлечения из них различной информации о местности.

Картография • Картогра фия — (от греческого χάρτης - «карта» и γράφειν – «рисовать» ) наука об исследовании, моделировании и отображении пространственного расположения, сочетания и взаимосвязи объектов и явлений природы и общества. В более широкой трактовке картография включает технологию и производственную деятельность. • Объектами картографии являются Земля, небесные тела, звездное небо и Вселенная. Наиболее популярными плодами картографии (понятными большинству людей) являются образно-знаковые модели пространства в виде: плоских карт, рельефных и объёмных карт, глобусов. Они могут быть представлены на твёрдых, плоских или объёмных материалах (бумага, пластик) или в виде изображения на видеомониторе.

Дистанционное зондирование • Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) — наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). • Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные — использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия.

Фотограмметрия • Фотограмметрия (от фото. . . , др. -греч. γράμμα — запись, изображение и. . . метрия) — технология дистанционного зондирования Земли, позволяющая определять геометрические, количественные и другие свойства объектов на поверхности земли по фотографическим изображениям, получаемым с помощью летательных аппаратов любых видов. В настоящее время изображения для фотограмметрии получают как кадровыми, щелевыми и панорамными фотоаппаратами, так и с помощью радиолокационных, телевизионных, тепловых и лазерных систем.

Типовые вопросы, на которые способна ответить ГИС:

Концептуальная схема организации данных в ГИС

Пространственная выборка (уточнение территории)

Тематическая выборка (проблемно-ориентированная)

Существующие области использования ГИС

История развития ГИС

Период возникновения предпосылок (начало 1940 -х – середина 1960 -х гг. ) • • • ЭВМ первого и второго поколений Начала теории АИС. Программирование в машинных кодах Контроль логики вычислений через блок-схемы Библиотеки стандартных подпрограмм, автокоды, машинно-ориентированные языки. • • Mark-1 разрабатывается компанией IBM по заказу ВМС США для расчета баллистических таблиц в 1939 году. Размеры Марк-1 составляют 17 м в длину и 2, 5 м в высоту. Провода, которыми соединяются его 750 тыс. деталей имеют суммарную длину более 800 км. Программа вводится с перфоленты, а данные с перфокарт. Компьютер имеет электромеханическое реле и работает по тем временам очень быстро - 0, 3 с у него уходит на сложение и вычитание двух чисел и 3 с на умножение.

Новаторский период (середина 1960 -х – начало 1970 -х) • • Наличие серийных ЭВМ, способных выполнять аналитические функции. Первая волна стандартизации программных сред, основанная на языке низкого уровня Ассемблер Появление первых ГИС-программ Разработка первых пространственных форматов данных, основанных на принципах топологии Создание научноисследовательских центров, осуществляющих сопровождение ГИС на долговременной основе Появление предпосылок для коррекции топооснов с помощью космических снимков Появление сетей передачи данных – зачатков Интернета • • IBM 701 был анонсирован в 1952 году и имел много общего со своим прямым конкурентом UNIAC, хотя и отличий тоже было немало. В качестве памяти использовались 3" запоминающие электронно-лучевые трубки, также известные как трубки Уильямса (названные так в честь изобретателя). Хотя они были более надёжными, чем обычные электровакуумные лампы, они всё равно оставались слабым местом компьютеров Процессор IBM 701 мог в секунду выполнять почти 17 000 сложений и вычитаний, а также большинство других операций. Для того времени это был поразительный результат.

Государственный период эволюции ГИС (начало 1970 -х – начало 1980 -х) • • • Серийный выпуск больших универсальных ЭВМ – мэйнфреймов Создание и выпуск вычислительных устройств на базе микросхем Intel 4004 и микропроцессоров 8080 Запуск в производство персональных компьютеров Apple и IBM Начало регулярного получения данных дистанционного зондирования Земли с помощью серии спутников LANDSAT Разработка Систем управления базами данных (СУБД) Создание компанией ESRI пакетов ARC/INFO и PC Arc. View • • Первый в мире микропроцессор Intel 4004. (1971 г. ) Это крохотное чудо сравнимо по мощности с огромным компьютером UNIAC, занимающим объем 85 кубических метров и оснащенным 18 000 вакуумных ламп.

Коммерческий период эволюции ГИС (начало 1980 -х – начало 2000 -х гг. ) • • Массовый выпуск высокопроизводительных персональных ЭВМ Объединение ЭВМ разного уровня в Итернет и локальные сети Широкое участие коммерческих организаций в создании пространственных данных и разработке ГИС-приложений Появление общедоступных картографических сервисов • Общедоступным Интернет стал с 1991 г с появлением World Wide Web – Всемирной Паутины.

Период глобального распространения ГИС (начало 2000 -х – до настоящего времени) • • Начало свободной продажи снимков высокого разрешения Появление сервисов систем доступа к снимкам и картам на их основе Приборы GPS стали общедоступной основой навигации и картопостроения (в 2007 г. снято ограничение по точности позиционирования) Ключевым словом в этом периоде эволюции ГИС стало слово СЕРВИС • С середины первого десятилетия XXI века в Интернете появились сервисы доступа к мозаикам снимков и картам на их основе.

Интеграционный период эволюции ГИС (ближайшее обозримое будущее). Что же дальше • • Главная проблема современных ГИС – то, что системы должны быть гео-ИНФОРМАЦИОННЫМИ «Облачные технологии» – Saa. S (Software as a Service – «Программное Обеспечение как услуга» – Iaa. S (Infrastructure as a Service – «Инфраструктура как услуга» ) • • Начинается использование новой информационной единицы «логического вывода» Велика вероятность быстрого развития технологии дополненной реальности (Augmented Reality, AR) • • • Облачные технологии (облачные вычисления Cloud Computing) – это новый сервис, который подразумевает удаленное использование средств обработки и хранения данных. Компания Google предоставляет пользователям и компаниям свой «облачный» сервис Docs, а у Microsoft — Office Web Apps. За «Облачными технологиями» будущее, а повсеместное внедрение данной, пока еще инновации – это вопрос времени.

Интеграционный период эволюции ГИС (ближайшее обозримое будущее). Дополненная реальность • • Вам любопытно, что это за здание виднеется впереди? Просто достаньте свой смартфон и направьте его на интересующую вас постройку. На экране появится текстовое окошко, сообщающее, например, что это — Государственная Третьяковская галерея, а также дни и часы ее работы, контактный телефон и стоимость входных билетов. Еще один клик по дисплею — и вам доступна информация о том, когда и кем она была основана, какие выставки в ней проходят в настоящее время, и много других полезных сведений. Новейшие смартфоны на базе операционной системы Android, а также i. Phone последнего поколения позволяют всегда и всюду легко получать необходимые данные (разумеется, при наличии доступа в Интернет). Такую возможность обеспечивает технология дополненной реальности (Augmented Reality, AR). AR-технология призвана обогащать обыденный мир дополнительной информацией.

Пример векторного представления пространственных объектов

Пример слоев, составленных из пространственных объектов линейного типа

Примеры слоев, составленных из пространственных объектов полигонального типа

Топологическое представление векторных объектов

Сопоставление растровой и векторной моделей данных

Преимущества Растровая модель • • 1. Простая структура данных 2. Эффективные оверлейные операции 3. Работа со сложными структурами 4. Работа со снимками Векторная модель • • • 1. Компактная структура 2. Топология 3. Качественная графика

Основы геоинформатики и ГИС-технологий (краткий курс) • 3. Представление пространственных объектов в ГИС

Основы геоинформатики и ГИС-технологий (краткий курс) • 4. Ввод данных в ГИС

Типы систем ввода данных

Типы систем ввода данных

Типы систем ввода данных

Типы систем ввода данных

Типы систем ввода данных

Проблемы цифрования карт

Проблемы цифрования карт

Проблемы цифрования карт

Проблемы цифрования карт

Проблемы цифрования карт

Проблемы цифрования карт

Основы геоинформатики и ГИС-технологий (краткий курс) • 5. Картографические основы ГИСтехнологий

Картография • Картография это наука которая рассматривает методы составления, издания и использование различных карт. Как наука картография имеет богатую историю, первые рисунки напоминающие карты относятся к III тысячелетию до н. э. и найдены в районе Майкопа на вазе. В России первая известная карта это Чертеж украинским и черкаским городам от Москвы до Крыма от 1627 года. Но самый большой вклад в развитие картографии внес Петр I. Впоследствии с 1758 г. Картографический департамент возглавил Ломоносов. Интересно что понятие экономической географии введено им.

Что такое проекция • Как известно наша земля круглая. На самом деле нет, она геоид, так как форма отличается от шара. Сам геоид это фигура земли, образованная уровневой поверхностью, совпадающей в открытых морях и океанах с их поверхностью и продолженной под материком. Так как данная поверхность точно не вычисляется используется понятие квазигеоида - близкая к геоиду вспомогательная поверхность. Форма земли немного отличается от шара, поверхность земли скорее эллипсоид. Основной проблемой отображения земли на карте является то, что нельзя шар отобразить на плоскость без искажений. Проекция это математически определенное отображение поверхности эллипсоида или шара на плоскость. Ниже изображена цилиндрическая и коническая проекция.

Представить себе проекцию можно посмотрев как шар разворачивается на плоскость. Проекция это всегда искажение. И задача выбора проекции в том, чтобы эти искажения минимизировать

При определении координат на поверхности земли используется несколько систем: • геодезическая система координат • астрономическая система координат • прямоугольная система координат. Для картографии нас интересует геодезическая система координат. В данной системе координат положение точки на земной поверхности определяется широтой и долготой.

Геодезическая система координат Широта геодезическая это угол между нормалью точки и экватором. Геодезическая долгота это угол между начальным меридианом и меридианам точки

Десятичные градусы Для работы в GIS системах обычно используются десятичные градусы (Decimal Degrees). Обычно с карты мы можем снять географические координаты, приборы спутниковой навигации позволяют снять как географические координаты так и десятичные градусы. Но все равно проблема перевода остается. Она решается следующей формулой. Decimal Degrees = Degrees + Minutes/60 + Seconds/3600 А вот так можно пересчитать в Excel.

Номенклатура и разграфка топографических карт • Разграфка – разделение топографических карт на листы. • Номенклатура – система обозначения отдельных листов топографических карт. Общегеографические карты делятся на три вида 1. обзорные (масштаб 1 : 1 000 и мельче 2. обзорно-топографические (1 : 100 000 – 1 : 1 000) 3. топографические (1 : 100 000 и крупнее)

Обзорно-топографические карты составляются по картам более крупных масштабов. Топографические карты составляются по результатам съемок территории и отличаются детальностью изображения местности. Это многолистные карты, т. е. на каждом листе отображается часть территории, а в совокпности на всех листах содержится полное изображение. В основу разграфки топографических карт положен лист карты масштаба 1 : 1 000.

В 1891 году пятый международный географический конгресс принял решение о составлении и издании карт масштаба 1: 1000000. Позднее было установлено что каждый лист должен охватывать территорию в 4 градуса по широте и 6 градусов по долготе. Поверхность земли была условна разделена на ряды и колонны. Ряд обозначается символом латинского алфавита начиная с буквы А на экваторе с полюсам. Колонны арабскими цифрами начиная с меридиана 180 градусов. Отсюда каждый лист масштаба 1: 1000000 получает имя ряд колонна, например: Q-54. В применении к карте России разграфка листов выглядит так

Номенклатура листов 1: 500 000 Номенклатурный лист масштаба 1: 500 000 занимает два градуса по широте и 3 градуса по долготе. Границы листа совпадают с границами листа масштаба 1: 1000000 и соответственно внутри листа миллионного масштаба их 4. Имя листа получается из имени миллионного листа и буква от А до Г в соответствии с правилами: Заштрихованный лист имеет имя Q-54 -Б

Номенклатура листов 1: 200 000 и 1: 100 000 Лист масштаба 1: 200 000 охватывает территорию в 40 минут по широте и 1 градус по долготе. Имя листа формируется из имени листа миллионного масштаба и его сегмента по следующей схеме. Первый желтый лист имеет название Q-54 -VII Каждый лист масштаба 1: 100 000 охватывает территорию в 20 секунд по широте и 30 секунд по долготе. Один лист 1: 100 000 это 1: 144 часть миллионного листа. Имя он получает от имени миллионного листа и номер своего сегмента – Q-54 -104

Номенклатура листов 1: 50 000 и далее Дальше при изменении масштабов следуют правила, лист делиться на 4 части и ему придается буквенное значение Карты, составленные в данной разграфке называются номенклатурными, имея название листа можно вычислить координаты листа или наоборот, имея координаты определить разграфку

Общая схема применения картографических знаний при работе с ГИС

Роль картографических моделей в создании и применении ГИС: • карта как источник пространственных данных • карта как способ хранения и интеграции данных о пространственных объектах • карта как средство организации запросов к БД • карта как средство пространственного анализа • карта как способ представления результатов работы с ГИС

Картографический анализ пространственных явлений и объектов

Генерализация (generalization) – обобщение геоизображений мелких масштабов относительно более крупных, осуществляемая в связи с назначением, тематикой, изученностью объекта или техническими условиями получения самого геоизображения. Картографическая генерализация (cartographic generalization) – отбор, обобщение, выделение главных типических черт объекта, выполняемое в соответствии с цензами и нормами отбора, устанавливаемыми картографом или редактором карты, которые, кроме того, проводят обобщение качественных и количественных показателей изображаемых объектов, упрощают очертания, объединяют или исключают контуры, иногда важные, но очень мелкие объекты показывают с некоторым преувеличением.

Увеличение потребностей в генерализации в зависимости от уменьшения масштаба

Увеличение детальности изображения объектов при увеличении масштаба

Способы визуализации пространственных объектов на карте

Картографическое отображение точечных объектов

Картографическое отображение площадных объектов

Картографическое отображение линейных объектов

Картографическое отображение относительных характеристик точечных и площадных объектов

Картографическое отображение относительных характеристик линейных объектов

Типы преобразования картографических изображений в ГИС:

Основы геоинформатики и ГИС-технологий (краткий курс) • 6. Пространственный анализ, основанный на векторном представлении данных

Аналитические возможности векторных ГИС

Способы осуществления пространственных запросов к базе данных способом «картографического интерфейса»

Пример создания производной карты путем переклассификации пространственных объектов

Пример применения процедуры топологического оверлея "точка-в-полигон" с перестройкой таблицы атрибутов

Примеры построения буферных зон вокруг пространственных объектов