Лекция 10. Геоинформатика. Гис. Цмр.

Понятие о геоинформатике. Геоинформатика разрабатывает принципы, методы и технологии сбора, накопления, передачи, обработки и представления данных для получения на их основе новой информации и знаний о пространственно-временных явлениях в геосистемах.

Данные – зарегистрированные факты, описания явлений реального мира или идей

Информация – одно из свойств предметов, явлений, процессов, отражающее смысл, вкладываемый человеком в данные

Знания – отражение семантических аспектов реального мира в мозгу человека или системах искусственного интеллекта. Интерпретация информации об окружающих объектах или явлениях.

Пространственные данные делятся на позиционные и атрибутивные. Первые характеризуют положение объекта в 2-х или 3-х мерном пространстве, вторые дают качественные или количественные тематические характеристики объекта.

Общее представление о ГИС.

ГИС – информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных.

ГИС (ГИС-пакет) – программный продукт, в котором реализованы функциональные возможности ГИС. Поддерживается программным, аппаратным, информационным, нормативно-правовым, кадровым и организационным обеспечением.

Типы ГИС.

По территориальному охвату различают:

• глобальные или планетарные

• субконтинентальные

• национальные

• региональные

• субрегиональные

• локальные или местные.

ГИС различаются предметной областью информационного моделирования:

• городские или муниципальные

• природоохранные

• геологические

• земельные информационные системы.

• …

Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами:

• инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр)

• анализ

• оценка

• мониторинг

• управление и планирование, поддержка принятия решений.

Набор функций ГИС и соответствующих им программных средств включает:

• ввод данных в машинную среду путем их импорта из существующих наборов цифровых данных или с помощью цифрования источников;

• преобразование или трансформация данных, включая конвертирование данных из одного формата в другой, трансформацию картографических проекций, изменение систем координат;

• хранение, манипулирование и управление данными во внутренних и внешних базах данных;

• картометрические операции, включая вычисление расстояний между объектами в проекции карты или на эллипсоиде, длин кривых линий, периметров и площадей полигональных объектов;

• операции обработки данных геодезических измерений, оверлея

• пространственный анализ – группа функций, обеспечивающих анализ размещения, связей и иных пространственных отношений объектов, включая анализ зон видимости/невидимости, анализ соседства, анализ сетей, создание и обработку цифровых моделей рельефа, анализ объектов в пределах буферных зон и др.;

• визуализация исходных, производных или итоговых данных и результатов обработки, включая картографическую визуализацию, проектирование и создание картографических изображений;

• вывод данных в виде графической, табличной и текстовой документации, в том числе ее тиражирование;

• обслуживание процесса принятия решений.

Структура ГИС определяется набором функций.

Реализация ГИС-проекта включает этапы:

• предпроектных исследований, в том числе изучение требований пользователя и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения "затраты/прибыль";

• системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, разработку ГИС;

• тестирование на небольшом территориальном фрагменте (тестовом участке);

• внедрение ГИС;

• эксплуатацию и использование.

Под цифровыми моделями рельефа обычно понимается логико-математическое описание объекта или явления в цифровом виде, включая заданную форму представления исходных данных, их взаимосвязи и структуру, а также метод восстановления рельефа (интерполяция, аппроксимация или экстраполяция) по его цифровым данным.

Форма представления исходных данных определяет тип ЦМР.

- регулярные сетки (прямоугольные, треугольные и гексагональные). Здесь необходимо отметить, что самыми распространенными являются прямоугольные (квадратные) сетки в силу более простого и как следствие более разработанного математического аппарата; при использовании треугольных сеток объем вычислений значительно возрастает, но они обладают преимуществом однозначной трактовки характера форм рельефа.

- нерегулярные сетки (структурные линии, профиля, локальные точки, случайным сеткам и т.п.

• изолинейное задание точек.

Выбор типа ЦМР обычно бывает определен источником исходных данных. С другой стороны, при построении ЦМР необходимо помнить о некоторых обязательных критериях: точность задания геополя, наименьшее количество точек, простейшая структура расположения.

Методы восстановления рельефа. Для построения ЦМР необходимо решить задачу восстановления (интерполяции) поверхности. Что значит «восстановление» поверхности? Для пояснения можно привести следующую аналогию. На плоскости наколоты булавки различной высоты, определяющие значения показателя в этой точке. Например, для рельефа земной поверхности это будут высоты, для характеристики загрязнения природной среды - концентрации поллютантов и т.д. Метод, которым будет восстановлена поверхность, можно уподобить резиновому листу, опирающемуся на эти булавки. Методы отличаются друг от друга тем, будут ли все отметки касаться листа или некоторые будут над (под) ним, а также как будет выглядеть поверхность между ними.

Выбор метода построения зависит от конкретной цели исследования. Если необходимо проследить каждый “всплеск”, например, загрязнения, нельзя использовать сглаживающие методы, следует обратиться к методу триангуляции. А если, наоборот, необходимо “увидеть” общий тренд, направление распространения какого-либо процесса, то нужно воспользоваться методами средневзвешенной интерполяции, минимальной кривизны поверхности или полиномиальной регрессии.

Анализ геополей может существенно облегчить исследование структуры, взаимосвязей и динамики различных природных, социально-экономических и экологических явлений. Список таких задач обширен: планирование строительства сооружений, проблемы гидрологической направленности (площади и объем затопления), оценка воздействия человека на окружающую среду, задачи геологического характера, прогнозирование опасности возникновения чрезвычайных ситуаций (лавины, сели, обвалы) и т.д.

Особенно полезно сравнительное изучение нескольких геополей, например, поля загрязнения почвенного покрова и рельефа земной поверхности, демонстрирующего очаги накопления и миграцию загрязнителей по территории. Эффективность использования геополей зависит во многом от формы представления исходных данных и методов его моделирования.

Источниками исходных данных для создания ЦМР суши служат топографические карты, аэрофотоснимки, космические снимки и другие ДДЗ, данные альтиметрической съемки, спутниковых систем позиционирования, нивелирования и других методов геодезии; подводного рельефа акваторий (батиметрии) -- морские навигационные карты, данные промерных работ, эхолотирования, в том числе с использованием гидролокатора бокового обзора; рельефа поверхности и ложа ледников -- аэросъемка, материалы фототеодолитной и радиолокационной съемки.

Обработка ЦМР служит для получения производных морфометрических или иных данных, включая вычисление углов наклона и экспозиции склонов; анализ видимости/невидимости; построение трехмерных изображений, в том числе блок-диаграмм; профилей поперечного сечения; оценку формы склонов через кривизну их поперечного и продольного сечения, измеряемую радиусом кривизны главного нормального сечения или ее знаком, т.е. выпуклостью/вогнутостью; вычисление (положительных и отрицательных) объемов; генерацию линий сети тальвегов и водоразделов, образующих каркасную сеть рельефа, его структурных линий локальных минимумов, или впадин и локальных максимумов, или вершин, седловин, бровок, линий обрывов и иных нарушений "гладкости" поверхности, плоских поверхностей с нулевой крутизной; интерполяцию высот; построение изолиний по множеству значений высот; автоматизацию аналитической отмывки рельефа путем расчета относительных освещенностей склонов при вертикальном, боковом или комбинированном освещении от одного или более источников; цифровое ортотрансформирование при цифровой обработке изображений и другие вычислительные операции и графо-аналитические построения.

Методы и алгоритмы создания и обработки ЦМР применимы к иным физическим или статистическим рельефам и полям: погребенному, барическому рельефу и т.п.

Взаимодействие картографии, геоинформатики и дистанционного зондирования.