Скачать презентацию Тема 4 ГИС как основа интеграции пространственных Скачать презентацию Тема 4 ГИС как основа интеграции пространственных

К занятию 7.ppt

  • Количество слайдов: 67

Тема № 4. ГИС как основа интеграции пространственных данных и технологий Занятие № 7. Тема № 4. ГИС как основа интеграции пространственных данных и технологий Занятие № 7. ГИС и дистанционное зондирование. Глобальные системы позиционирования

Цель занятия: студент должен получить представление о дистанционном зондировании и глобальных системах позиционирования. Цель занятия: студент должен получить представление о дистанционном зондировании и глобальных системах позиционирования.

ПЛАН ЛЕКЦИИ Ведение 1. ГИС и дистанционное зондирование. 2. ГИС и глобальные системы позиционирования. ПЛАН ЛЕКЦИИ Ведение 1. ГИС и дистанционное зондирование. 2. ГИС и глобальные системы позиционирования. Заключение.

Список литературы 1. Капралов Е. Г. Основы геоинформатики. В двух книгах / Е. Г. Список литературы 1. Капралов Е. Г. Основы геоинформатики. В двух книгах / Е. Г. Капралов, А. В. Кошкарев, В. А. Тикунов / Под ред. В. С. Тикунова. – М. : Академия, 2004. Книга 2, гл. 11, 12.

ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЧЕТУ 1. Использование данных дистанционного зондирования в ГИС. 2. Основные принципы ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЧЕТУ 1. Использование данных дистанционного зондирования в ГИС. 2. Основные принципы работы систем позиционирования.

ВВЕДЕНИЕ Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) осуществляется в видимом, ИК- и радио- диапазонах спектра электромагнитных ВВЕДЕНИЕ Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) осуществляется в видимом, ИК- и радио- диапазонах спектра электромагнитных волн.

Технические и программные средства сбора данных ДЗЗ обеспечивают прием изображения на антенную систему, прием Технические и программные средства сбора данных ДЗЗ обеспечивают прием изображения на антенную систему, прием и обмен изображений по компьютерным линиям связи, оцифровку, изображений с негативов, фотографий и видеофильмов с помощью сканера с последующей векторизацией.

Дистанционному зондированию Земли посвящён первый вопрос лекции. Во втором вопросе вы познакомитесь с применением Дистанционному зондированию Земли посвящён первый вопрос лекции. Во втором вопросе вы познакомитесь с применением глобальных систем позиционирования, которые позволяют определить положение объекта с точностью до нескольких метров.

1. ГИС и дистанционное зондирование А. Использование материалов ДЗЗ в ГИС Хранение материалов ДДЗ, 1. ГИС и дистанционное зондирование А. Использование материалов ДЗЗ в ГИС Хранение материалов ДДЗ, организовано в виде постоянно обновляемых компьютерных архивов и сопровождающих их пространственно ориентированных баз данных, описывающих местоположение и геометрические характеристики природных и техногенных объектов в пространстве и относительно друга.

Тематическая обработка таких материалов включает: опознавание, ограничение, идентификацию и классификацию. Компьютерная обработка материалов дистанционных Тематическая обработка таких материалов включает: опознавание, ограничение, идентификацию и классификацию. Компьютерная обработка материалов дистанционных съёмок повышает контрастность и чёткость изображения.

С помощью геоинформационных систем осуществляется комплексная интерпретация результатов обработки материалов дистанционных съемок, основанная на С помощью геоинформационных систем осуществляется комплексная интерпретация результатов обработки материалов дистанционных съемок, основанная на их сопоставлении с ландшафтными, экологическими, геофизическими и другими тематическими картами.

Динамический компилятор интегрирует разнообразную информацию, совмещая изображения, полученные средствами ДЗЗ, с данными из внешних Динамический компилятор интегрирует разнообразную информацию, совмещая изображения, полученные средствами ДЗЗ, с данными из внешних баз (Arcinfo, Autocad, различной табличной информации), что создает новые возможности для дешифрования и интерпретации полученных результатов.

B. Технологические основы обработки данных дистанционного зондирования при автоматизированном дешифровании Входной информацией является изображение, B. Технологические основы обработки данных дистанционного зондирования при автоматизированном дешифровании Входной информацией является изображение, представленное в цифровом виде, которое поступает с искусственного спутника Земли (ИСЗ) или самолёта.

После ввода изображения в компьютер следует операция геометрической коррекции, т. е. трансформирование изображения в После ввода изображения в компьютер следует операция геометрической коррекции, т. е. трансформирование изображения в принятую топографическую проекцию для последующей точной географической увязки данных дешифрования с существующими картографическими материалами.

При необходимости осуществляется монтаж нескольких изображений в единое полотно для сплошного покрытия исследуемой территории При необходимости осуществляется монтаж нескольких изображений в единое полотно для сплошного покрытия исследуемой территории данными зондирований. В процессе монтажа происходит коррекция яркости и контраста с целью получения изображения, максимально пригодного для дешифрования.

Компьютерное дешифрование основано на измерениях координат, яркости объектов и времени измерения в различных диапазонах Компьютерное дешифрование основано на измерениях координат, яркости объектов и времени измерения в различных диапазонах длин волн (излучаемых самими объектами и отражённых ими).

Применяется и визуальное дешифрование изображения на экране компьютера, которое осуществляется с помощью рисующей «мыши» Применяется и визуальное дешифрование изображения на экране компьютера, которое осуществляется с помощью рисующей «мыши» и с меньшими трудностями позволяет использовать традиционные методики дешифрования (в том числе и стереоскопического).

При компьютерном дешифровании применяются четыре операции над изображениями, которые выполняются как обычные арифметические действия. При компьютерном дешифровании применяются четыре операции над изображениями, которые выполняются как обычные арифметические действия. Это сложение, вычитание, умножение и деление двух изображений, полученных в разных спектральных каналах, позитива и негатива, или двух вариантов предварительной фильтрации изображения.

Используются в процессе дешифрования также логические операции «конъюнкция» , «дизъюнкция» , «инверсия» и Используются в процессе дешифрования также логические операции «конъюнкция» , «дизъюнкция» , «инверсия» и др. Широкие возможности для дешифрования открывает использование изображений, полученных в разных участках спектра. Этот метод основан на том, что различные объекты имеют отличающиеся друг от друга яркости в разных диапазонах электромагнитных волн.

Данный метод позволяет идентифицировать ландшафты, почвы, растительность и конкретные геологические тела, а также оценить Данный метод позволяет идентифицировать ландшафты, почвы, растительность и конкретные геологические тела, а также оценить степень их загрязнения. Данные дешифрования результатов зондирования экспортируются в ГИС, где хранятся в виде слоев базы данных.

С. Данные дистанционного зондирования как одна из основ компьютерной модели территорий Так как материалы С. Данные дистанционного зондирования как одна из основ компьютерной модели территорий Так как материалы ДЗЗ содержат информацию о параметрах различных природных объектов (геологических, географических, сельскохозяйственных и т. п. ), то комплексную интерпретацию и оценку результатов дешифрования космических изображений рационально производить в геоинформационных системах.

В данных системах легко получить серию взаимоувязанных карт специализированных объектов, что позволяет эффективно использовать В данных системах легко получить серию взаимоувязанных карт специализированных объектов, что позволяет эффективно использовать информацию. Контуры картографических объектов могут быть наложены на предварительно подготовленное и дешифрованное космическое изображение.

Сравнение результатов дешифрования с картографическими материалами позволяет существенно уточнить и интерпретировать результаты дешифрирования. Уточненные Сравнение результатов дешифрования с картографическими материалами позволяет существенно уточнить и интерпретировать результаты дешифрирования. Уточненные данные сохраняются в ГИС в виде тематических слоев.

Так создаётся компьютерная модель строения территории. Данные ДЗЗ используются как неотъемлемая составная часть модели. Так создаётся компьютерная модель строения территории. Данные ДЗЗ используются как неотъемлемая составная часть модели. При этом положение каждой точки (пикселя) изображения определяется географическими координатами, посредством которых пиксели связаны со всеми имеющимися тематическими картами.

Таким образом, использование информационных технологий для целей автоматизированной интерпретации результатов дешифрования дистанционных материалов открывает Таким образом, использование информационных технологий для целей автоматизированной интерпретации результатов дешифрования дистанционных материалов открывает широкие перспективы для глубокого осмысления имеющейся информации и быстрой оценки ситуации для поддержки принятия всесторонне сбалансированных научных и управленческих решений.

2. ГИС и глобальные системы позиционирования А. Глобальные системы позиционирования и их функции ГИС 2. ГИС и глобальные системы позиционирования А. Глобальные системы позиционирования и их функции ГИС оперируют координатами объектов. Наиболее точное определение координат основано на использовании глобальных систем позиционирования (ГСП).

Принцип действия этих систем заключается в следующем: ИСЗ летают по строго заданным орбитам, их Принцип действия этих систем заключается в следующем: ИСЗ летают по строго заданным орбитам, их координаты известны в любой момент времени. Спутники непрерывно излучают радиосигналы, которые регистрируются специальными спутниковыми приемниками на Земле. Это позволяет с помощью радиотехнических средств измерять расстояния от приемника до нескольких спутников и определять координаты приемника.

Спутниковые системы помогают решать ряд важных задач: - развитие геодезических сетей, служащих основой для Спутниковые системы помогают решать ряд важных задач: - развитие геодезических сетей, служащих основой для определения координат любых объектов; - выполнение точных нивелирных работ; - распространение единой высокоточной шкалы времени; - исследование геодинамических процессов;

- мониторинг состояния окружаю- щей среды; - координатное обеспечение кадастровых, землеустроительных, хозяйственных и других - мониторинг состояния окружаю- щей среды; - координатное обеспечение кадастровых, землеустроительных, хозяйственных и других работ; - координатное обеспечение полевых тематических съемок и инженерно-географических работ с помощью спутниковых методов;

- создание и обновление баз данных ГИС на основе комплексирования спутниковых приемников со специализированными - создание и обновление баз данных ГИС на основе комплексирования спутниковых приемников со специализированными компьютерами, цифровыми видеокамерами, электронными тахеометрами и инерциальными навигационными системами.

Интеграция ГСП и ГИС является особо важной. Ряд фирм выпускает спутниковые приемники и программное Интеграция ГСП и ГИС является особо важной. Ряд фирм выпускает спутниковые приемники и программное обеспечение, ориентированное на сбор данных для ГИС. Большинство GPS-приемников, используют цифровые данные из сети Интернет.

Применение спутниковых методов позиционирования в целях ГИС имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными Применение спутниковых методов позиционирования в целях ГИС имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами: - оперативность, всепогодность, оптимальная точность, эффективность; в отличие от традиционных геодезических методов не нужна видимость между определяемыми пунктами;

- глобальность - возможность получения данных в единой или во взаимосвязанных системах координат в - глобальность - возможность получения данных в единой или во взаимосвязанных системах координат в любой точке Земли; - четкая временная привязка данных; - минимизация влияния человеческого фактора; - цифровая форма записи;

- применение стандартных форматов записи; - возможность классификации данных на стадии их полевого сбора; - применение стандартных форматов записи; - возможность классификации данных на стадии их полевого сбора; - возможность сбора данных в различных картографических проекциях; - сбор больших объемов данных.

Применение спутниковых методов позиционирования - один из самых значительных прорывов в ГИС-индустрии, позволяющий проводить Применение спутниковых методов позиционирования - один из самых значительных прорывов в ГИС-индустрии, позволяющий проводить привязку, сбор и обработку данных с невиданной ранее скоростью и качеством.

B. ГСП и их подсистемы В настоящее время существуют две ГСП: американская система Global B. ГСП и их подсистемы В настоящее время существуют две ГСП: американская система Global Positioning System (GPS) и российская глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС). Эти системы включают три главные подсистемы: наземного контроля и управления (НКУ), группировки орбитальных космических аппаратов (КА) и аппаратуры пользователей (А).

Подсистема НКУ состоит из станций слежения за КА, службы точного времени, главной станции с Подсистема НКУ состоит из станций слежения за КА, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром, станций загрузки данных на борт спутников. Спутники проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Информацию об орбитах, собранную на станциях слежения, используют для прогнозирования координат спутников.

Главная наземная станция GPS находится на базе ВВС Колорадо. Спрингс, другие наземные станции расположены Главная наземная станция GPS находится на базе ВВС Колорадо. Спрингс, другие наземные станции расположены на островах Вознесения, Диего-Гарсия, Гавайских, атолле Кваджалейн.

НКУ ГЛОНАСС включает подмосковный Центр управления системой (ЦУС), центральный синхронизатор (ЦС) с высокоточным стандартом НКУ ГЛОНАСС включает подмосковный Центр управления системой (ЦУС), центральный синхронизатор (ЦС) с высокоточным стандартом частоты и времени для синхронизации системы и сеть станций слежения на территории России.

Группировка ИСЗ состоит из 24 КА, равномерно распределенных в околоземном пространстве на высотах около Группировка ИСЗ состоит из 24 КА, равномерно распределенных в околоземном пространстве на высотах около 20 тыс. км. На каждом спутнике установлены солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, атомные эталоны частоты-времени, аппаратура для приема и передачи радиосигналов.

Благодаря атомным эталонам частоты-времени генерируемые на спутниках электромагнитные колебания обладают высокой стабильностью. Это чрезвычайно Благодаря атомным эталонам частоты-времени генерируемые на спутниках электромагнитные колебания обладают высокой стабильностью. Это чрезвычайно важно, так как измерение расстояния основано на определении времени прохождения электромагнитной волны от спутника до приёмника.

Чтобы исключить из измерений временные задержки, возникающие при прохождении радиоволн через ионосферу, передатчики на Чтобы исключить из измерений временные задержки, возникающие при прохождении радиоволн через ионосферу, передатчики на спутниках излучают радиоволны на двух частотах. В GPS частотам соответствуют волны длиной 19, 0 и 24, 4 см, а в ГЛОНАСС - 19 и 24 см.

Спутниковые приемники. Существуют приемники, ориентированные как на использование спутников одной системы, главным образом GPS, Спутниковые приемники. Существуют приемники, ориентированные как на использование спутников одной системы, главным образом GPS, так и на одновременное использование спутников GPS и ГЛОНАСС. Точность определения координат зависит от числа видимых КА. Использование спутниковых группировок двух систем позволяет увеличить количество видимых спутников и повысить точность измерения.

Все современные приемники являются многоканальными с числом каналов от 6 и более. Каждый канал Все современные приемники являются многоканальными с числом каналов от 6 и более. Каждый канал следит за своим спутником. При измерениях случаются срывы каналов на трассах распространения радиоволн из-за препятствий (рельеф, деревья, здания и сооружения). Чем больше каналов, тем легче преодолеть эти трудности и найти необходимое количество видимых спутников.

С. Классификация приёмников По конструктивным особенностям различают приемники: - односистемные, принимающие сигналы одной системы С. Классификация приёмников По конструктивным особенностям различают приемники: - односистемные, принимающие сигналы одной системы — либо GPS, либо ГЛОНАСС; - двухсистемные, принимающие сигналы как ГЛОНАСС, так и GPS; - одночастотные, работающие только на одной частоте;

- двухчастотные, выполняющие измерения на обеих частотах, излучаемых спутниками; - кодовые приемники, работающие только - двухчастотные, выполняющие измерения на обеих частотах, излучаемых спутниками; - кодовые приемники, работающие только с дальномерными кодами; - фазово-кодовые приемники, применяющие дальномерные коды и фазовые измерения.

По специализации приемники могут быть предназначены для решения следующих задач: - сбор данных для По специализации приемники могут быть предназначены для решения следующих задач: - сбор данных для ГИС; - создание геодезических сетей и выполнение топографических съёмок; - обеспечение навигации; - обеспечение служб: пожарных, милиции, скорой медицинской помощи, перевозки грузов, мобильной связи и т. п.

D. Методика измерений Кодовый метод определения дальностей основан на использовании специальных дальномерных кодов. Они D. Методика измерений Кодовый метод определения дальностей основан на использовании специальных дальномерных кодов. Они представляют собой импульсы, чередующиеся в определенной последовательности. Их обозначают символами 0 и 1.

Код - определённая периодически повторяющаяся комбинация 0 и 1. Дальномерный код должен иметь значительную Код - определённая периодически повторяющаяся комбинация 0 и 1. Дальномерный код должен иметь значительную продолжительность и случайное распределение 0 и 1. На спутнике и в приемнике синхронно генерируются одинаковые коды.

Принятый в приемнике код спутника запаздывает по отношению к собственному коду приёмника на время, Принятый в приемнике код спутника запаздывает по отношению к собственному коду приёмника на время, пропорциональное пройденному сигналом расстоянию, поэтому коды не коррелируют. Расстояние от приемника до спутника определяют как время задержки местного кода до обнаружения сильной его корреляции с кодом, принятым со спутника.

Генерируют коды двух типов: высокой и стандартной точности. Первые точнее, сложнее и используются в Генерируют коды двух типов: высокой и стандартной точности. Первые точнее, сложнее и используются в военных целях, вторые предназначены для гражданских пользователей. Код высокой точности имеет значительную продолжительность и хорошо защищён от несанкционированного вмешательства.

Длительность одного символа кода около 0, 1 мкс, за это время радиосигнал проходит почти Длительность одного символа кода около 0, 1 мкс, за это время радиосигнал проходит почти 30 м. Погрешность определения расстояний составляет несколько дециметров. Продолжительность кода 7 суток.

Частота повторения символов кода стандартной точности GPS (гражданского) в 10 раз меньше, чем у Частота повторения символов кода стандартной точности GPS (гражданского) в 10 раз меньше, чем у кода высокой точности. Поэтому длительность одного его символа около 1 мкс. За это время радиосигнал проходит почти 300 м. Погрешность определения расстояний может составить несколько метров. Продолжительность кода 1 мс, т. е. примерно через каждые 300 км пути, код повторяется.

Вследствие этого возникает проблема неоднозначности измерений, ибо неизвестно сколько раз этот код повторился на Вследствие этого возникает проблема неоднозначности измерений, ибо неизвестно сколько раз этот код повторился на пути от спутника до приёмника. Для измерений расстояний в этом случае необходима дополнительная телеметрическая информация или необходимо знать координаты приемника с точностью до 150 км.

В GPS все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет В GPS все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код. В ГЛ 0 НАСС каждый спутник имеет свои частоты, но у всех одинаковые коды, т. е. разделение сигналов частотное.

Фазовым методом определения дальностей проводят наиболее точные измерения. Инструментальная погрешность метода несколько мм. Метод Фазовым методом определения дальностей проводят наиболее точные измерения. Инструментальная погрешность метода несколько мм. Метод основан на том, что фаза колебаний изменяется пропорционально времени. В приемнике фаза принятой со спутника волны отличается от фазы местных колебаний на величину, пропорциональную расстоянию от спутника до приемника.

Навигационное сообщение. Спутники ГСП передают в приемники навигационные сообщения, которые несут телеметрические данные, информацию Навигационное сообщение. Спутники ГСП передают в приемники навигационные сообщения, которые несут телеметрические данные, информацию о времени, метки времени, так называемые эфемериды и альманах. По меткам времени на Земле сверяются временные шкалы спутников с государственными эталонами времени и соответствующие поправки дважды в сутки передаются на борт каждого спутника.

По меткам времени синхронизируются измерения и в приемниках пользователей. Эфемериды – точные данные о По меткам времени синхронизируются измерения и в приемниках пользователей. Эфемериды – точные данные о текущих координатах спутника. Альманах - сборник менее точных данных обо всех спутниках, содержит сведения об их местоположении, времени восхода и захода, высотах над горизонтом и азимутах направлений на них.

Позиционирование - определение с помощью спутников ГСП параметров пространственно-временного состояния объекта (координат, вектора скорости, Позиционирование - определение с помощью спутников ГСП параметров пространственно-временного состояния объекта (координат, вектора скорости, точного времени наблюдения объекта). Частными случаями позиционирования являются: местоопределение (определение координат приемника) и определение пространственного вектора (измерение разностей координат приемников).

Существуют два способа местоопределения: автономный и дифференциальный. При автономном способе пользователь работает с одним Существуют два способа местоопределения: автономный и дифференциальный. При автономном способе пользователь работает с одним приемником. Meстонахождение определяется пространственной линейной засечкой, дальности измеряются кодовым методом.

Если с некоторого пункта, положение которого в пространстве надо определить, измерить расстояние до трех Если с некоторого пункта, положение которого в пространстве надо определить, измерить расстояние до трех спутников и из них как из центров провести три сферы с радиусами, равными этим расстояниям, то сферы пересекутся в двух точках, одна из которых является искомым пунктом. Геометрическая сущность метода засечки понятна из рис. 1.

КА 2 КА 1 Рис. 1. Методика определения координат объекта при автономном местоопределении. КА 2 КА 1 Рис. 1. Методика определения координат объекта при автономном местоопределении.

Важным показателем качества местоопределения является геометрический фактор. Он характеризует потери точности, обусловленные геометрией взаимного Важным показателем качества местоопределения является геометрический фактор. Он характеризует потери точности, обусловленные геометрией взаимного расположения спутников и приемника. Координаты определяются с наибольшей точностью, если спутники равномерно распределены на небосводе.

Точность уменьшается в десятки и сотни раз, если все спутники приближаются к одной Точность уменьшается в десятки и сотни раз, если все спутники приближаются к одной плоскости. При однократных замерах погрешностью определения координат порядка 30 м. Точность автономного способа повышают продолжительными (до 10 – 15 мин) наблюдениями и совместной обработкой результатов всех измерений.

Дифференциальное местоопределение. Этот способ требует использования двух приемников. Один приемник ставится на пункте с Дифференциальное местоопределение. Этот способ требует использования двух приемников. Один приемник ставится на пункте с известными координатами. Его называют базовой (опорной) станцией, или контрольнокорректирующей станцией (ККС). Другой, подвижный, приемник размещается на определяемой точке.

Поскольку координаты ККС известны, то их можно использовать для сравнения со вновь определяемыми Поскольку координаты ККС известны, то их можно использовать для сравнения со вновь определяемыми координатами и находить на этой основе поправки для подвижной станции. На планете существует множество базовых станций, объединённых в сети. Переход к фильму «Акватория»

З А К Л Ю Ч Е Н И Е На занятии вы познакомились З А К Л Ю Ч Е Н И Е На занятии вы познакомились с методиками дистанционного зондирования и принципом действия глобальных систем позиционирования.