5. Гис (основные понятия).

ГИС-информ-е системы, обеспечивающие сбор, обработку, хранение, отображение и распространение данных, а также получение на их основе новой информации и знаний о пространственно-координированных явлениях. Первые ГИС начали появляться в 70^хгг. из-за потребности переписи населения в США. Важное св-во ИС-это данные+организация структуры данных. Структура д-х описывается в рамках модели данных. Реальный мир (Выделяется предметная область то, что собирается, используется, описывается в ИС. В ней выделяют объекты и отношения м/у ними.)→модель данных (Язык на α описывается предметная обл. и их отнош-я. Н-р: ИС студенты. Объекты – студент, гр. Отнош-я –ФИО, успеваемость. Представление – в виде табл.)→реализация (м.б. огранич. кол-во, для 1 и той же модели). 2 модели д-х: растровая (ОТЕ – ячейка) и векторная (ОТЕ-сам объект).

Источники пространственной инф-ции:

• Существующие карты (бумажные и электронные)

• Данные дистанционного зондирования Земли (аэрокосмической, самолетной съемки, мат-лы гидроакустических съемок и т.д.

• Полевые данные(GPS→векторное изоб-е, геодезия)

• Текстовые материалы, литер.источники, статистич. мат-лы, Интернет.

Любая ИС м. б. представлена в виде следующей схемы:

СУБД – сис-ма управления БД (FoxPro).

ЯОД - язык описания данных.

ЯМД – язык манипулирования данными.

БД – база данных - это базовая модель i для организации данных. Существует банк данных (нет структуры, просто таблица с данными) и БД.

БД имеет опред. стр-ру, описываемую в рамках модели данных. Наиболее распростр– реляционная модель.

Это модель вида объект – отношения (модель семантических сетей) – подход структурирования, средство описания структуры. 2 вида вещей: описываются объекты и отн-я м/у ними (это общая схема другие схемы не прижились). Отнош-я подмножество декартовых произведении – каждый с каждым. Отнош-я м. быть 1:1(супруги), 1:∞ (отнош-е быть отцом), многие к 1 (отнош-е быть сыном), ∞:∞ (родственники). Также они м. быть симметрические (друг-друг), несимметрические (муж-жена), транзитивные (все со всеми)

Источники ввода картографической информации в компьютер:

Существует сис-ма координат карты и проекции. При вводе карты в ПК происходит пересчет координат и векторизация. В рез-те получаем карту в сис-ме координат проекции карты.

Перевод исходных картографич-х материалов на твердой основе(бумага, лавсан, пластик и т.д.) в цифровую форму-это цифрование. Такой перевод 2^мяпутями:1)сканирование карты→получение растрового изобр-я→векторизация растра(замена совокупности растр-х точек на векторные примитивы-точки, узлы, дуги 2)цифрование с помощью дигитайзера→векторное изобр-е.

Аппаратное обеспечение осущ-ся на следующих уровнях:

-информационном (карты, снимки)

-техническом (сканеры, фотоаппараты, дигитайзер)

-технологическом (программное обеспечение)

Пространственная i- i о местоположениях и форме географических объектов и отношениях м/у ними, обычно хранящаяся в виде координат и топологии.

Атрибутивная i

1. i о геогр. объекте, обычно хранящаяся в табл и связанная с этим объектом по уникальному ID.

2. В наборах растровых данных -i, связанная с каждым уникальным значением ячеек растра.

3 сис-мы координат с точки зрения технологии:

-сис-ма координат проекции (проекция Гаусса-Крюгера);

-сис-ма координат оригиналов (см на бумажной карте);

-сис-ма координат прибора (сканера).

Последовательность ввода пространственной i в ПК:

1.Выявление объектов реального мира;

2.Выявление и ID конкретных объектов (экземпляров, нр квартал раифского лесничества). Каждому нужно присвоить уникальный номер (ID);

3.ОТЕ – операционно-территориальная единица – это min геометрический объект, с α работает ГИС, внутренне структурированный и абсолютно однородный с т. зр. ИС. Для растровой модели ОТЕ –ячеек. Такая сетка называется слоем.

4.Экстент – границы мира. За ними пространственных объектов не существует.

1.Слой – max максимальная единица с α работает ГИС. Это набор ячеек, в каждой ячейке одно значение.

Выбор размера ячеек.

Растр – палетка, кот. накладывается на реальные объекты. Слой ID - слой ID соответствующих ячеек. Need подобрать такой размер ячеек, что бы он соответствовал детальности объекта

Топологич. представление пространственной i : как внутреннее представление осущ-ся с помощью дуг и узлов. Определяет соседство в векторной модели данных

Масштаб работ. Предполагает под собой нагрузку. В нелинейный масштаб. Любое изображение м. увеличить или уменьшить. Он определяет детальность карты Сущ. локальный, глобальный масштаб.

Внутренне представление – это модель данных.

Внешнее представление информации – это то, что мы можем сделать, например раскрасить, представить в виде тематической карты и т. д.

Векторная и растровая модели – отличие в методе моделирования ОТЕ – неделимая единица, наименьший пространственный объект в котором предполагается однородная атрибутивная информация.

Растровая модель – ОТЕ соответствует размерам ячейки растровой сетки, в каждой ячейке пространственная и атрибутивная информация. Для геометрии необходимо 6 чисел – координаты центра одной из угловых ячеек, размеры ячейки, количество ячеек по горизонтали и вертикали.

Информация о свойствах территории непрерывна (скалярные слои – численные количественные значения), информация об объектах дискретна (номинальные и ординальные слои, коды).

В каждой ячейке ID, атрибутика м.б. в виде таблицы.

Векторная модель. Модельные объекты абстрактные, но стандартных видов: точечные, линейные, площадные. Точка – координаты; узел – начало или конец дуги; дуга – координаты вершин; полигоны.

Топологическая модель – для описания отношений м\у объектами используются дуги, узлы, у всех свой ID, хранятся отдельно, из них собираются объекты.

Точка – координаты. Линия – перечисление ID дуг и узлов. Площадные – ID и злув связанных в замкнутый полигон. Геометрические отношения: связанность, соседство, вложенность, планарность (недопустимость пересечения линий без образования узла и перекрытия полигонов).

Нетопологическая модель – каждый объект задается независимо друг от друга.

Векторная модель – объекты с четкими границами, растровая – непрерывные явления.

Точность пространственной привязки – ограничены точностью измерений, ограничены размерами ячейки

Представление сложной геометрии – хорошее, с точностью до размера ячейки

Представление объектов – простое, сложное

Структура – сложное, простое

Сложность создания – сложное, простое

Представление непрерывной информации – сложное, простое

Объем – компакт, большой, зависит от растра

Геометрическое преобразование – простое, сложное (необходим пересчет в ячейках)

Анализ:

Пространственные запросы – просьые, сложные

Оверлей (инф с неск слоев сразу, алгебра карт, дист преобразования) – сложное, простое

Качество вывода – хорошее(возм генерализация), линии ступеньками(от размера растра)

Внешнее и внутреннее представление – видимое человеку по средствам визуализации и структура данных в компьютере.

В стуктуре – взаимное расположение объектов – топология.

Геокодирование м.б. пообъектное, топологическое.

М.б. относительное - в СК привязано к локальному месту, необходим перевод 1 СК в другую.

Адресное – адрес превращается в координаты.

6. Св-ва пространственных данных. Сис-мы координат, проекции, масштаб, непрерывность, дискретность, т.д. геометрич и атрибутивн i.

Система координат — комплекс определений, реализующий способ определения положение точки или тела с помощью чисел или других символов. Совокупность чисел, определяющих положение конкретной точки, называетсякоординатами этой точки.

Коорд.: 1) 3-хмерная с началом в ценре Земли (GPS), 2) Декартова, 3) Полярная (2 угла и радиус).

СК прямоугольная пространств, прямоугольная СК проекций, геодезическая СК.

1. прямоугольная трехмерная – x, y, z.

Геоцентрическая – 0 в центре масс Земли: инерционная – х по экватору и направлена в точку весеннего равноденствия; гринвичская – х в точку пересечения гринвичского меридиана и экватора.

2. геодезическая используется для позиционирования точки на земной поверхности, используется поверхность сфероида.

Сфероид задается – (a)большая и (b)малая полуоси, либо большая полуось и сжатие(f=(a-b)\a). Каждая страна использует свой эллипсоид.

Датум – параметр, задающий положение эллипсоида в пространстве относительно Земли. Геоцентр – в качестве центра эллипсоида используется центр масс Земли. Топоцентрич – местная начальная точка датума.

Параметры: параметры эллипсоида, ориентация – большая и малая полуоси, положение центра эллипсоида. СКО поверхности эллипсоида и Земли минимальны.

Вместо геоида используется приближенная форма – квазигеоид – т.к поверхность геоида не поддается математическому описанию, являясь неопределенной. Необходима эта форма для определения высот – число, выражающее удаление точки от плоскости, касательной отсчетной плоскости. Геодез высота - отсчетной плоскостью является эллипсоид. Высота над уровнем моря – поверхность геоида. Геодезическая СК включает: датум, начальный меридиан, угловые единицы измерения координат. Положение определяется широтой, долготой, высотой. Широта – угол от экватор плоскости до перпендикуляра к поверхности эллипсоида в данной точке. Долгота – угол от плоскости начального меридиана до плоскости меридиана в данной точке.

Картографи́ческая прое́кция — математически определенный способ отображения поверхности эллипсоида на плоскости.

Использ-ся 2 проекции:Гаусса-Крюгера и UТМ. Карт.проекция исп-ся для перевода положения объекта на поверх-ти Земли(к-я имеет сферич. форму) на плоскую поверх-ть карты. Гаусса-Крюгера: Земной эллипсоид делится на 60 зон(нумер. с зап. на восток, начиная с 0^гомеридиана)по 6⁰каждая. Проекция строится для каждой зоны. Представим цилиндр, к-й натягивается на эллипсоид и касается центр.меридиана→это по Гауссу-К.,у UТМ не касается центр-го мер-на. Спроецировав на плоскость далее необх-мо ввести декартову сист. координат на плоскость. Начало координат задается на пересечение его с экватором. Вертик. линии сетки б. параллельны центр. меридиану.

UТМ-универсальная поперечная проекция Г.Меркатора. Используется для топографич-х карт, космич-х снимков и введения плоских прямоугольных координат, к-е именуют сев. и вост. положениеми. Применяют шестиградусные зоны. Зоны нумеруют с запада на восток числами от 1 до 60, начиная с меридиана180⁰з.д.

В любой проекции существуют искажения, они бывают четырёх видов:

искажения длин

искажения углов

искажения площадей

искажения форм

Искажения длин

Искажение длин — базовое искажение. Остальные искажения из него логически вытекают. Искажение длин означает непостоянство масштаба плоского изображения, что проявляется в изменении масштаба от точки к точке, и даже в одной и той же точке в зависимости от направления.

Это означает, что на карте присутствует 2 вида масштаба:

Главный, он на карте подписывается, но на самом деле это масштаб исходного эллипсоида, развертыванием которого в плоскость карта и получена.

Частный масштаб — их бесконечно много на карте, он меняется от точки к точке и даже в пределах одной точки.

Искажения площадей логически вытекают из искажения длин. За характеристику искажения площадей принимают отклонение площади эллипса искажений от исходной площади на эллипсоиде.

Искажения углов логически вытекают из искажения длин. За характеристику искажений углов на карте принимают разность углов между направлениями на карте и соответствующими направлениями на поверхности эллипсоида .

Искажения формы — графическое изображение вытянутости эллипсоида. Равноугольные проекции — проекции без искажений углов. Весьма удобны для решения навигационных задач. Масштаб зависит только от положения точки и не зависит от направления. Угол на местности всегда равен углу на карте, линия, прямая на местности — прямая на карте. Главным примером данной проекции является цилиндрическая Проекция Меркатора (1569 г.), которая и в наши дни используется для морских навигационных карт.

В равновеликих проекциях отсутствуют искажения площадей, но при этом сильны искажения углов и форм, (материки в высоких широтах сплющиваются). В такой проекции изображаются экономические, почвенные и другие мелкомасштабные карты.

Классификация проекций по виду параллелей и меридианов нормальной сетки

В прямых цилиндрических проекциях  задается прямоугольная сетка цилиндрических проекций

По свойствам изображения проекции могут быть равноугольными, равновеликими и произвольными.

Цилиндр может быть касательным к земному шару или секущим его. В первом случае длины сохраняются по экватору, во втором — по двум стандартным параллелям, симметричным относительно экватора.

По характеру искажений конические проекции могут быть различными. Наибольшее распространение получили равноугольные и равнопромежуточные проекции.

В азимутальных проекциях параллели изображаются концентрическими окружностями, а меридианы — пучком прямых, исходящих из центра. В зависимости от искажений, азимутальные проекции подразделяются на равноугольные, равновеликие и с промежуточными свойствами.

В псевдоконических проекциях параллели изображаются дугами концентрических окружностей, один из меридианов, называемый средним — прямой линией, а остальные — кривыми, симметричными относительно среднего. В псевдоцилиндрических проекциях все параллели изображаются параллельными прямыми, средний меридиан — прямой линией, перпендикулярной параллелям, а остальные меридианы — кривыми.

Масштаб -  в геодезии, картографии и проектировании — отношение натуральной величины объекта к величине его изображения. Число, показывающее, во сколько раз уменьшен изображенный объект, есть масштаб. Численный масштаб записывают в виде дроби, в числителе которой стоит единица, а в знаменателе — степень уменьшения проекции.

Понятие масштаба включает в себя картографический масштаб, картографическую нагрузку, генерализацию, пространственное разрешение - это величина пиксела изображения в пространственных единицах. Эта величина характеризует размер наименьших объектов, различимых на изображении.

Объекты реального мира, рассматриваемые в геоинформатике, отличаются пространственными и тематическими характеристиками.

Пространственные характеристики определяют положение объекта в заранее определенной системе координат, основное требование к таким  данным – точность.

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 друг друга и их геометрию. Пространственные данные - цифровые данные о пространственных объектах, включающие сведения об их местоположении и свойствах, пространственных и непространственных атрибутах.

 Пространственные объекты представляют с помощью следующих графических объектов: точки, линии, области и поверхности.

Описание объектов  осуществляется  путем указания  координат объектов и составляющих их частей.

Точечные объекты – это такие объекты, каждый из которых расположен только в одной точке пространства, представленной парой координат X, Y. В зависимости от масштаба картографирования, в качестве таких объектов могут рассматриваться дерево, дом или город.

Линейные объекты, представлены как одномерные, имеющие одну размерность – длину, ширина объекта не выражается в данном масштабе или не существенна. Примеры таких объектов: реки, границы муниципальных округов, горизонтали рельефа.

Области (полигоны) – площадные объекты,  представляются набором  пар  координат   (Х, У)  или набором объектов типа линия, представляющих собой замкнутый контур. Такими  объектами  могут  быть  представлены территории, занимаемые определенным ландшафтом, городом или целым континентом.

Поверхность - при ее описании требуется добавление к площадным объектам значений высоты. Восстановление поверхностей осуществляется с помощью использования математических алгоритмов (интерполяции и аппроксимации) по исходному набору координат X, Y, Z.

Дополнительные непространственные данные об объектах образуют набор атрибутов.

Атрибутивные данные - это качественные или количественные характеристики пространственных объектов, выражающиеся, как правило, в алфавитно-цифровом виде.

Примеры таких данных: географическое название, видовой состав растительности, характеристики почв и т.п.

Общее цифровое описание пространственного объекта включает: наименование; указание местоположения; набор свойств; отношения с другими объектами. Наименованием объекта служит его географическое название (если оно есть), его условный код или идентификатор, присваиваемый пользователем или системой.

Однотипные объекты по пространственному и тематическому признакам объединяются в слои цифровой карты, которые рассматриваются как отдельные информационные единицы, при этом существует возможность совмещения всей имеющейся информации

Модели пространственных данных – логические правила для формализованного цифрового описания пространственных объектов.

Многие реальные географические объекты имею форму с четким контуром. Говорят, что такие объекты дискретны. У дискретного объекта есть известная определенная граница. Можно точно определить, где объект начинается, и где он заканчивается. Озеро - это дискретный объект на карте ландшафта. Можно точно определить границу воды и суши. Другие примеры дискретных объектов: дороги, здания, участки. Дискретные объекты обычно бывают искусственными (созданными человеком) и обычно описываются векторным типом данных.

Непрерывные данные описывают объекты или явления, которые существуют в каждой точке пространства. Одним из типов непрерывных данных  могут быть значения высот над уровнем моря. Примеры поверхностей такого типа - это распределение концентрации соли в почве или воде, уровня загрязнения от выброса загрязняющего вещества или ядерного реактора, огня от лесного пожара. На поверхности, отражающей концентрацию явления на рисунке справа, концентрация в любой точке будет функцией от способности явления двигаться через среду. Непрерывные данные обычно описываются растровым типом данных.

Существует другой тип непрерывных данных, которые относятся к непрерывным достаточно условно, и могут, в принципе, рассматриваться как дискретные данные, т.к. людям и другим живым организмам свойственно собираться в группы или стаи (т.е. образовывать дискретные объекты), а не расселяться по поверхности Земли равномерно.

Из этого следует, что для представления дискретных данных может быть использована модель непрерывных данных – растровая модель, а для непрерывных данных– векторная модель.

Фактором определения положения объектов в диапазоне от непрерывных до дискретных явлений может быть простота выявления его границ. Если границу между шоссе и окружающими его полями можно определить довольно просто, то граница между болотом и заболоченным лугом определяется не столь очевидно и сетка растра, состоящая из ячеек, позволит представить ее с большей или меньшей точностью, не хуже, чем в векторном способе.

Растровый и векторный - два принципиально разных, но совершенно равноправных способа представления географического пространства, одинаково важны при изучении географического пространства. Выбор модели данных зависит от того, какие объекты мы собираемся исследовать, и какие методы исследования хотим применить.

Объектом моделирования в ГИС- пространственный объект. Некоторое множество цифровых данных о пространственных объектах образует пространственные данные. Они включают две части – геометрической и атрибутивно1, описание пространственного положения и тематического содержания данных.

Общее описание пространственного объекта включает: наименование (название, если имеется, ID); местоположение (координаты, наборы координат – геометрия); перечнь свойств – атрибутика – качественные и количественные характеристики и любые другие типы данных об объекте, содержательные и тематические свойства объектов; топология – размерность, мерность, связность, простота (нет самопересечений и полигонов внутри полигонов), топологические отношения – пересечение, совпадение, содержание внутри, соприкосновения.

Управление атрибутивной частью обычно возлагается на СУБД встроенных в системы ГИС.

Пересчет коорд-т в растр. и вектор. моделях различаются. Для векторной-простой пересчет, для растра-любое изменение корд-т ведет к необх-ти пересчета всех атрибутивных значений.

Модельные объекты(точки, линии, полигоны) имеют четкие границы. Для представления пространственно-непрерывных объектов использ-ся растровая модель, а для дискретных-векторная.

Генерализация- процессы отбора и обобщения содержания при составлении карт. Имеет целью сохранить и выделить на карте основные, типические черты и характерные особенности изображаемых явлений в соответствии с назначением данной карты, её тематикой и возможностями масштаба. Изобразить местность в разных масштабах с одинаковой подробностью и насыщенностью невозможно. Неизбежно исключение деталей и менее значимых объектов, возрастающее по мере уменьшения масштаба.

Масштабом называется отношение длины линии на плане или карте к соответствующей проекции этой линии на местности.Масштабы на картах и планах могут быть представлены численно или графически.

Размерность исп-ся в векторной модели, для предст-я реального объекта(0-точка, 1-линия, 2-площади,3-тела).

Пространственные данные подразделяются на 2 взаимосвязанные составляющие-позиционные и непозиционные. Позиц-я сост-я характеризует положение географ-х объектов(или пространственную форму) в координатах 2-х и 3-хмерного пространства-декартовых(x,y,z) или географич-х(φ,λ). К непозиц-ной отн-ся качеств-я характеристика простр-ных объектов(семантика) и статистика; эта инф-ция наз-ся атрибутивной и представляется в виде текстовых или числовых параметров. Она соответствует тематической форме данных или кодированному представлению взаимосвязей объектов(топологии).Почти всегда тип объекта макируется и опознается по его атрибутивным параметрам(дорога имеет название и идентиф-ся по ее классу-грунтовая, шоссе и т.д).Обычно атрибут. инф-ция не имеет простран-го харак-ра, хотя некоторая ее часть м.иметь связь с пространственной природой изучаемого объекта, н-р площадь, периметр. Количественные атрибуты создаются в соответствии с номинальными(=качественные-здесь числа служат для замены названий и имен), порядковыми(=ординальные-числа имеют упорядоченные категории, т.е могут сравниваться м/у собой), интервальными или скалярными(можно выполнять ариф.действия,м.б непрерывными и дискретными, в отл. от др-х, к-е м.б тока дискретными) шкалами измерений. Идентификатор (ID)-уникальный номер, приписываемый пространственному объекту слоя; может присваиваться автоматически или назначаться пользователем; служит для связи позиционной и непозиционной части пространственных явлений данных.

Непрерывность и дискретность. Точечные объекты - это такие объекты, каждый из которых расположен только в одной точке пространства. Примером таких объектов м. быть деревья, дома, перекрестки дорог, и многие другие. О таких объектах говорят, что они дискретные, в том смысле, что каждый из них м. занимать в любой момент t только определенную точку пр-ва.

Линейные объекты представляются как одномерные в нашем координатном пространстве. Такими "одномерными" объектами м. быть дороги, реки, границы, любые др объекты, у α один из геометрических параметров существенно больше другого. Масштаб, при α мы наблюдаем эти объекты, опять же, обусловливает порог, при пересечении которого мы можем считать эти объекты не имеющими ширины. Для линейных объектов, в отличие от точечных, мы можем указать пространственный размер простым определением их длины.

Площадными объектами. Примеры областей, или "двухмерных" объектов, включают территории, занимаемые двором, городом или целым континентом. Граница является линией, α начинается и кончается в одной и той же точке.

Некоторые сущности непрерывно изменяются в пространстве. Поэтому есть объекты, которые наилучшим образом представляются непрерывными поверхностями. Н-р: рельеф, t⁰, давление, плотность населения.