Гурьянова Л.В

Л.В.Гурьянова

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ГИС

(для географических специальностей)

Курс лекций

МИНСК

УДК 002.6:55

ББК 26ф

Г91

…

Гурьянова Л.В.

Г91 Аппаратно-программные средства ГИС: Курс лекций. - Мн.:БГУ, 2003.-140 с.

В курсе лекций рассматривается широкий круг вопросов по географическим информационным системам (ГИС). Приводятся основные понятия и определения ГИС, аппаратных и программных средств ГИС, описываются вопросы перевода географической информации в электронную форму, дизайна и проектирования географической базы данных ГИС. Для преподавателей, аспирантов и студентов географических специальностей.

Рекомендовано Ученым советом географического факультета БГУ

2003 г.

©Гурьянова Л.В., 2003

©БГУ, 2003

ВВЕДЕНИЕ.. 6

Часть 1. Географические информационные системы 9

1. Современные технологии в географии.. 9

1.1. Определение ГИС.. 9

1.2. Классификации ГИС по назначению, тематике, территориальному охвату, способу организации географических данных. 9

1.3. История развития аппаратно-программных средств ГИС 10

1.4. Функциональные возможности ГИС.. 14

1.5. Нормативные документы и законодательство, регулирующие создание и эксплуатацию ГИС 15

2. Источники данных для ГИС.. 18

2.1. Географические карты.. 18

2.2. Данные дистанционного зондирования. 19

2.3. Система спутникового позиционирования. 24

2.4. Данные САПР.. 27

2.5. Геодезические технологии. 27

3. Организация информации в ГИС.. 28

3.1. Географические объекты.. 28

3.2. Пространственная информация в ГИС.. 29

3.3. Векторный способ цифрового представления пространственных данных 29

3.4. Модели организации связи между пространственными объектами: векторно-нетопологическая модель, векторно-топологическая модель. 30

3.5. Атрибутивная информация в ГИС.. 33

3.6. Понятие слоя, покрытия. 36

3.7. Геореляционные отношения. Связывание объектов и атрибутов в ГИС 37

3.8. Растровый способ цифрового представления пространственных данных 38

3.9. Гриды как способ цифрового представления пространственных данных 40

3.10. TIN как способ цифрового представления пространственных данных 44

3.11. Объектно-ориентированный подход в ГИС.. 48

3.12. Проекции и проекционные преобразования в ГИС.. 49

3.13. Координаты. Ошибка регистрации тиков (RMS). Десятичные градусы 58

3.14. Геопривязка изображений в ГИС. Реперные точки. Мировой файл (WF) 59

3.15. Классификаторы картографической информации для ГИС 64

4. Моделирующие функции в ГИС.. 66

4.1. Картографическая алгебра. Оверлейные операции. 68

4.2. Операции вычислительной геометрии (буферы) 71

4.3. Картографическая генерализация. 72

4.4. Построение моделей непрерывно распределенных признаков 72

4.4.1. Цифровые модели рельефа и местности. 76

4.5. Сетевой анализ. 77

4.6. Операции с трехмерными объектами. 78

5. Дизайн базы данных ГИС.. 80

5.1. Основы проектирования дизайна базы данных ГИС.. 80

5.2. Пилотный проект ГИС.. 83

5.3. Общие требования к документированию ГИС.. 83

6. Опыт применения ГИС.. 84

6.1. Использование ГИС-технологий. 84

6.2. Глобальные и международные проекты.. 85

6.3. Национальные программы.. 87

7. Перспективы развития ГИС.. 87

7.1. SDE-технологии в ГИС.. 87

7.2. Интеграция ГИС и глобальной сети ИНТЕРНЕТ. WEB-картографирование 89

7.3. Экспертные системы и ГИС.. 91

7.4. Геоиконика и ГИС.. 94

Часть 2. Аппаратное обеспечение ГИС.. 96

1. Аппаратные средства ГИС.. 96

2. Периферийные устройства ввода данных в ГИС.. 98

2.1. Дигитайзер. 98

2.2. Сканер. 98

3. Подготовка сканированной информации для использования в ГИС 104

4. Способы ввода графической информации в ГИС.. 105

4.1. Экспресс-оценка точности цифровых карт.. 107

4.2. Форматы графических данных. 109

4.3. Обменные форматы в ГИС. Проблемы стандартизации обменных форматов 110

5. Периферийные устройства вывода данных ГИС.. 112

5.1. Принтеры.. 113

5.2. Плоттеры.. 113

5.3. Цветовая калибровка плоттеров и принтеров. 115

6. Подготовка к печати пространственных данных ГИС.. 116

Часть 3. Программное обеспечение ГИС.. 119

1. Рынок программных ГИС продуктов. 119

2. Функциональная и предметная классификации программного обеспечения ГИС 120

3. Обзорные характеристики некоторых программных продуктов для работы с ГИС 122

3.1. Комплекс программных продуктов ESRI Inc., США.. 122

3.1.1. ArcView GIS. 122

3.1.2. ARC/INFO.. 126

3.1.3. ArcIms. 127

3.2. Комплекс программных продуктов КБ «Панорама» (Россия) 127

3.3. ГИС MapInfo (Mapinfo Corp., США) 129

3.4. Векторный редактор GeoDraw (г.Москва, Россия) 130

3.5. Комплекс программных продуктов для ГИС Autodesk Inc., США 131

3.5.1. AutoCAD Map 2000. 131

3.5.2. Autodesk CAD Overlay. 132

3.5.3. AutoCAD Land Development Desktop. 132

3.5.4. Autodesk MapGuide. 133

3.6. Геоинформационная система Map Manager (БГУ, г.Минск, Беларусь) 133

3.7. Комплекс программных продуктов Credo (г.Минск, Беларусь) 133

3.8. Векторизатор EasyTrace (г.Рязань, Россия) 134

3.9. Color Processor – растровый процессор (Россия) 135

ЛИТЕРАТУРА И РЕСУСЫ ИНТЕРНЕТ.. 137

ВВЕДЕНИЕ

В период развития новых информационных технологий (глобальные сетевые ресурсы, мультимедийные средства передачи изображений и звуков, беспроводные технологии и т.д.) условия преподавания географических дисциплин переходят на качественно новый уровень. Доступность через среду Интернет свободно распространяемых работоспособных программных средств для обработки географической информации, различных информационных источников (текст, таблицы и базы данных, изображения и др.) и информационных ресурсов (библиотеки, периодические издания, архивы и др.) увеличивают как объем доступной геоинформации, так и возможности ее представления.

Современная сеть Интернет (особенно ее англоязычный сектор) располагает большими информационными ресурсами по географическим дисциплинам [1]. В сети активно представлены сайты по цифровым коллекциям карт (http://hcl.harvard.edu), географическим координатам объектов (http://www.waypoint.org), web-атласам (http://www.gisca.adelaide.edu.au), распространяемым космоснимкам (http://www.spotimage.fr), электронным картам городов, стран и регионов (http://www.maps.com) Международная сеть достаточно наполнена и своевременно актуализируется свободно распространяемыми специальными программными продуктами для географов (http://www.geocomm.com) по обработке и представлению географической информации. Активное использование географических информационных систем (ГИС) в практике географических работ вызвало появление многочисленных сайтов по виртуальным ГИС-курсам (http://campus.esri.com), обеспечению технической поддержки ГИС-специалистов в on-line режиме (http://www.dataplus.ru), электронным версиям ГИС-журналов и газет (например, ArcReview на сайте www.dataplus.ru). В сети активно проводятся форумы, телеконференции по проблемам географии, публикуется информация о конференциях и семинарах (http://www.gisa.ru/). Общение со специалистами - коллегами в режиме реального времени осуществляется также по электронной почте, с поддержкой программного обеспечения ISQ [5].

Развитие и доступность мультимедийных технологий вызвали активной рост создания и появления на рынке программных продуктов мультимедийных географических атласов с речевым сопровождением, двух- и трехмерной графикой, интерактивной навигацией. Например, в образовательном процессе на географическом факультете Белгосуниверситета специальные занятия посвящены представлению и демонстрации с использованием ГИС ArcView 3.2 таких крупных геоинформационных проектов, как комплексный электронный атлас «Наша земля», который разработан под руководством академика А.А.Лютого (Россия) и Дж. Данджермонда (ESRI Inc., США) [2], геоинформационная система «Балтийского региона» (BUGIS), выполненная в рамках международной программы «Балтийский университет» [3].

В настоящее время на рынке информационных технологий возрастает доля геоинформационных продуктов. Геоинформационные технологии или технологии географических информационных систем (ГИС) одновременно с наращиванием своих узкоспециальных возможностей по обработке географической информации, имеют тенденцию к упрощению интерфейса и представления любому пользователю доступных функций по обработке пространственных данных. Общепризнанно, что геоинформация доминирует в 70 % объема всей циркулирующей информации [6]. В этой связи использование ГИС-пакетов специалистами в своей повседневной деятельности, наряду с привычными уже офисными программами, становится реальностью. Современные стандартные функциональные возможности ГИС-пакетов позволяют в режиме реального времени оперативно построить по табличным данным или отредактировать тематическую картограмму, оперативно подготовить для печати отчет, иллюстрированный тестом, рисунками, таблицами, фотографиями, картами. Естественно, что для манипулирования значительными по объему и формам представления видами информации необходим достаточно высокий уровень компьютерной грамотности. В этой связи повышается роль постановки такого качества образовательного процесса, который бы обеспечивал систему всеобщего и непрерывного ГИС образования [7].

Опыт мировой практики показывает, что такие формы работы, как использование виртуальных компьютерных атласов в школьном процессе, открытые виртуальные ГИС-курсы в Интернете и web-географические атласы, виртуальные ГИС форумы по обсуждению проблемных вопросов, международные студенческие ГИС-ярмарки по представлению выполненных проектов, международный день ГИС, электронные библиотеки ГИС-проектов и литературы и др. – являются элементами постановки всеобщего и непрерывного ГИС образования. Следствием популяризации знаний по геоинформатике и универсальности применения ГИС-технологий является их активное использование в таких отраслях деятельности человека, как география, экология, архитектура и градостроительство, транспорт, археология, биология, территориальное управление, управление учреждением, предприятием, населенным пунктом, регионом и др.

Актуальность использования современных информационно-коммуникационных технологий в географии согласуется с государственной программой информатизации Республики Беларусь на 2003-2005 годы и на перспективу до 2010 года. Развитие геоинформационных технологий, подготовка квалифицированных кадров-географов являются необходимостью для выполнения программы "Электронная Беларусь", которая разработана на основании опыта зарубежных стран, в частности, Российской Федерации, и в согласовании с проектом Мирового банка по определению "информационной готовности" (E-Readiness) Беларуси. Основной целью программы является формирование в стране единого информационного пространства, которое повысит эффективность экономики, государственного и местного управления, обеспечит права на свободный поиск, передачу и распространение информации о состоянии экономического и социального развития общества. Все это рассматривается как один из этапов перехода к информационному обществу [31].

В целом использование телекоммуникаций при преподавании географических дисциплин является высокоэффективным приемом в образовательном процессе и имеет большие перспективы. В настоящее время для подготовки и переподготовки географических кадров необходима организация постоянно действующих реальных и дистанционных ГИС-курсов, развитие web-картографии, развитие SDE-технологий, т.е. сетевых технологий удаленной работы с картографическими материалами, применение данных космосъемок при составлении ГИС-проектов, организация полевых работ с использованием новейших навигационных средств и полевых компьютеров, формирование соответствующих учебно-методических комплексов.

В связи с недостаточным наполнением учебного процесса современными учебниками по ГИС-технологиям для географических специальностей автором выполнен конспект лекций по «Аппаратно-программным средствам ГИС». В данной работе наибольшее число примеров и методологий приводится для программных продуктов фирмы ESRI Inc., поскольку автор является сертифицированным пользователем данных программных продуктов. Лицензионные версии ГИС ArcView и ARC/INFO используются автором при преподавании дисциплины «Аппаратно-пограммные средства ГИС» на географическом факультете Белгосуниверситета.

Часть 1. Географические информационные системы

1. Современные технологии в географии

1.1. Определение ГИС

Согласно современным представлениям, принятым в русскоязычной литературе, географическая информационная система (ГИС) или Geographic Information System (GIS) - это совокупность технических, программных и информационных средств, обеспечивающих ввод, хранение, обработку, математико-картографическое моделирование и образное интегрированное представление географических и соотнесенных с ними атрибутивных данных для решения проблем территориального планирования и управления [8].

1.2. Классификации ГИС по назначению, тематике, территориальному охвату, способу организации географических данных

ГИС могут быть классифицированы по следующим признакам [8]:

§ по назначению - в зависимости от целевого использования и характера решаемых задач;

§ по проблемно-тематической ориентации - в зависимости от области применения;

§ по территориальному охвату - в зависимости от масштабного ряда цифровых картографических данных, составляющих базу данных ГИС;

§ по способу организации географических данных - в зависимости от форматов ввода, хранения, обработки и представления картографической информации.

По назначению возможно выделение следующих видов ГИС:

§ многоцелевые;

§ информационно-справочные;

§ мониторинговые и инвентаризационные;

§ исследовательские;

§ принятия решений;

§ учебные;

§ издательские;

§ иного назначения.

По проблемно-тематической ориентации возможно выделение следующих видов ГИС:

§ экологические и природопользовательские;

§ социально-экономические;

§ земельно-кадастровые;

§ геологические;

§ инженерных коммуникаций и городского хозяйства;

§ чрезвычайных ситуаций;

§ навигационные;

§ транспортные;

§ торгово-маркетинговые;

§ археологические;

§ иной ориентации.

По территориальному охвату устанавливают следующие виды ГИС:

§ глобальные;

§ общенациональные;

§ региональные;

§ локальные;

§ муниципальные.

По способу организации географических данных устанавливают следующие виды ГИС:

§ векторные;

§ растровые;

§ векторно-растровые;

§ трехмерные.

1.3. История развития аппаратно-программных средств ГИС

В современной литературе по ГИС-технологиям исследователи выделяют три основных периода развития аппаратно-программных средств ГИС: пионерный, государственных инициатив, коммерческий [9].

Пионерный период: поздние 1950-е - ранние 1970-е гг. В этот период в сфере информационных технологий выполняются работы по исследованию принципиальных возможностей картографирования с использованием вычислительной техники. Первый период развивался на фоне успехов компьютерных технологий: появления электронных вычислительных машин (ЭВМ) в 50-х годах, цифрователей, плоттеров, графических дисплеев и других периферийных устройств.

Большое влияние в этот период оказывают теоретические работы в области географии по оценке пространственных взаимосвязей между геообъектами, а также становление количественных методов в географии в США, Канаде, Англии, Швеции (работы У.Гаррисона (William Garrison), Т.Хагерстранда (Torsten Hagerstrand), Г.Маккарти (Harold McCarty), Я.Макхарга (Ian McHarg).

Первый безусловный крупный успех становления геоинформатики и ГИС - это разработка и создание Географической Информационной Системы Канады (Canada Geographic Information System, CGIS). Начав свою историю в 60-х годах, эта крупномасштабная ГИС поддерживается и развивается по настоящее время. Ведущим разработчиком ГИС Канады считается Роджер Томлинсон (Roger Tomlinson), под руководством которого были реализованы многие концептуальные и технологические решения.

Назначение ГИС Канады состояло в анализе многочисленных данных, накопленных Канадской службой земельного учета (Canada Land Inventory), и в получении статистических данных о земле для использования их при разработке планов землеустройства огромных площадей преимущественно сельскохозяйственного назначения. Для этих целей требовалось создать классификацию использования земель, используя данные по сельскохозяйственной, рекреационной, экологической, лесохозяйственной пригодности земель, отразить сложившуюся структуру использования земель, включая землепользователей и землевладельцев. Наиболее узким местом проекта являлось обеспечение эффективного ввода исходных картографических и тематических данных. Для этого разработчикам ГИС Канады, не имевшим опыта по внутренней организации больших массивов пространственных данных, потребовалось создать новую технологию, ранее нигде не применявшуюся, позволяющую оперировать отдельными слоями и делать картометрические измерения. Для ввода крупноформатных земельных планов было даже спроектировано и создано специальное сканирующее устройство. Расчленение картографической информации на тематические слои и разработка концептуального решения о "таблицах атрибутивных данных", позволило разделить файлы плановой (геометрической) геоинформации о местоположении объектов и файлы, содержащие тематическую (содержательную) информацию об этих объектах. Канадские исследователи разработали функции и алгоритмы оверлейных операций с полигонами, подсчет площадей и других картометрических показателей.

Большое воздействие на развитие ГИС в середине 60-х годов оказала Гарвардская лаборатория компьютерной графики и пространственного анализа (Harvard Laboratory for Computer Graphics & Spatial Analysis) Массачусетского технологического института. Руководителем лаборатории являлся Говард Фишер (Howard Fisher), который руководил исследованиями по многофункциональному компьютерному картографированию. Данные разработки явились существенным шагом в алгоритмическом совершенствовании ГИС и оставались ими вплоть до начала 80-х годов.

Программное обеспечение Гарвардской лаборатории широко распространялось и помогло создать базу для развития многих ГИС-приложений. Именно в этой лаборатории Дана Томлин (Dana Tomlin) заложила основы картографической алгебры, создав знаменитое семейство растровых программных средств Map Analysis Package - MAP, PMAP, aMAP. Одним из производных программных продуктов, свободно распространяемых в сети Internet, является OSU-MAP, созданный в Университете штата Огайо выходцами из Гарвардской лаборатории. Благодаря работам Гарвардской лаборатории в области компьютерного картографирования была окончательно закреплена ведущая роль, которую играют картографические модели данных, картографический метод исследований, картографические способы представления информации в современных геоинформационных системах.

Период государственных инициатив: ранние 1970-е - ранние 1980-е гг. В этот период прослеживается развитие крупных геоинформационных проектов поддерживаемых государством, формирование государственных институтов в области ГИС, снижение роли и влияния отдельных исследователей и небольших групп.

В конце 60-х годов в США сформировалось мнение о необходимости использования ГИС - технологий для обработки и представления данных Национальных Переписей Населения (U.S. Census Data). Для специалистов потребовалась методика, которая обеспечивает корректную географическую "привязку" данных переписи. Основной теоретической проблемой являлась необходимость конвертирования адресов проживания населения, присутствовавших в анкетах переписи, в географические координаты таким образом, чтобы результаты переписи можно было бы оформлять в виде карт по территориальным участкам и зонам Национальной переписи.

Для этих целей Национальное Бюро Переписей США (U.S. Census Bureau) разрабатывает комплексный подход к "географии переписей". В результате перепись населения США в 1970-м году впервые выполнена с картографической поддержкой. Для этих целей был разработан специальный формат представления картографических данных DIME (Dual Independent Map Encoding), для которого были определены прямоугольные координаты перекрестков, разбивающих улицы всех населенных пунктов США на отдельные сегменты. Алгоритмы обработки и представления картографических данных были заимствованы у разработчиков ГИС Канады и Гарвардской лаборатории и оформлены в виде программы POLYVRT, осуществляющей конвертирование адресов проживания в соответствующие координаты, описывающие графические сегменты улиц. Таким образом, в этой разработке впервые был широко использован топологический подход к организации управления географической информацией, содержащий математический способ описания пространственных взаимосвязей между объектами.

Создание, государственная поддержка и обновление DIME-файлов стимулировали также развитие экспериментальных работ в области ГИС, основанных на использовании баз данных по уличным сетям. В этот период развиваются работы автоматизированным системам навигации, картографическая поддержка для разработки системы вывоза городских отходов и мусора, пространственный сетевой анализ движения транспортных средств в чрезвычайных ситуациях и другие разработки. Одновременно на основе этой информации была создана серия атласов крупных городов, содержащих результаты Переписи 1970 года, а также большое количество упрощенных компьютерных карт для маркетинга, планирования розничной торговли и т.д.

Период коммерческого развития: ранние 1980-е - настоящее время. Этот период характеризуется наличием широкого рынка разнообразных программных средств, развитием настольных ГИС, расширением области их применения за счет интеграции с базами непространственных данных, появлением сетевых приложений, развитием систем, поддерживающих индивидуальные наборы данных на отдельных компьютерах, и в свою очередь развитием систем, поддерживающих корпоративные и распределенные базы геоданных. Ценовая политика производителей компьютерной техники делает доступными программные и аппаратные средства, сетевые информационные ресурсы широкому кругу специалистов-прикладников.

В исследовательском институте экологических систем (Environmental Systems Research Institute, ESRI Inc.), основанном Джеком Денджермонд (Jack Dangermond) в 1969 году, в начале 1980-х годов был реализован программный пакет ARC/INFO. В программе ARC/INFO используется принцип раздельного внутреннего представления геометрической (графической) и атрибутивной информации. Причем для хранения и работы с атрибутивной информацией в виде таблиц (INFO) применяется формат стандартной реляционной системы управления базами данных, а для хранения и работы с графическими объектами в виде дуг (ARC) было разработано специальное программное обеспечение. ARC/INFO является первым программным пакетом ГИС, который эффективно использует пользовательские качества персональных компьютеров, в то же время он доступен для разных технических платформ и операционных сред. Первые успехи ARC/INFO были связаны с его использованием в лесном хозяйстве, в настоящее время семейство программных средств ESRI Inc. для персональных компьютеров и рабочих станций является самым популярным в мире.

Другим успешным коммерческим предприятием в области производства аппаратно-программных средств для ГИС стал и до сих пор является Intergraph Corp. Эта фирма была организована в 1969 году, первоначально под названием M&S Computing, бывшим сотрудником IBM Джимом Мидлоком (Jim Meadlock). Первые успехи были связаны с разработкой для ВПК США систем управления ракетами в реальном времени. В 1973 фирма впервые создала мощную удаленную рабочую станцию стоимостью порядка 100 000 долларов. В активе Intergraph Corp. и создание первой системы интерактивного картографирования для местного управления. И сейчас фирма является лидером по разработке и выпуску рабочих станций для ГИС, программного обеспечения, в том числе, пользовательского интерфейса.

В настоящее время период коммерческого развития ГИС продолжается. Общемировой объем продаж в области ГИС оценивается до 7 млрд. долларов в год. ГИС-технологии являются эффективными инструментами исследований в области природы, биологии, культуры, демографии, экономики и других естественнонаучных, социальных, медицинских и инженерных наук, а также для бизнес-планирования и геомаркетинга.

1.4. Функциональные возможности ГИС

ГИС должны выполнять следующие основные функции [8]: функции автоматизированного картографирования (АК); функции пространственного анализа (ПА); функции управления данными (УД).

Функции АК должны обеспечивать работу с картографическими данными ГИС с целью их отбора, обновления и преобразования для производства высококачественных карт и рисунков. Функции АК должны включать векторно-растровые преобразования, преобразования координатной системы, картографических проекций и масштабов, "склейки" отдельных листов, осуществления картометрических измерений (вычисления площадей, расстояний), размещение текстовых надписей и внемасштабных картографических знаков, формирование макета печати.

Функции ПА должны обеспечивать совместное использование и обработку картографических и атрибутивных данных в интересах создания производных картографических данных. Функции ПА должны включать анализ географической близости, анализ сетей, топологическое наложение полигонов, интерполяцию и изолинейное картографирование полей, вычисление буферных зон.

Функции УД должны обеспечивать работу с атрибутивными (неграфическими) данными ГИС с целью их отбора, обновления и преобразования для производства стандартных и рабочих отчетов. Функции УД должны включать пользовательские запросы, генерацию пользовательских документов, статистические вычисления, логические операции, поддержание информационной безопасности, стандартных форм запросов и представления их результатов.

В общем виде ГИС должны состоять из следующих четырех подсистем: сбора, подготовки и ввода данных; хранения, обновления и управления данными; обработки, моделирования и анализа данных; контроля, визуализации и вывода данных. Основная задача подсистемы сбора, подготовки и ввода данных - формирование баз географических и атрибутивных данных ГИС; подсистемы хранения, обновления и управления данными - организация хранения данных, обеспечение процедур их редактирования и обновления, обслуживание запросов на информационный поиск, поступающих в систему; подсистемы обработки, моделирования и анализа данных - организация обработки данных, обеспечение процедур их преобразования, математического моделирования и сопряженного анализа; подсистемы контроля, визуализации и вывода данных - генерация и оформление результатов работы системы в виде карт, графических изображений, таблиц, текстов на твердых или магнитных носителях.

1.5. Нормативные документы и законодательство,
регулирующие создание и эксплуатацию ГИС

Картографическая и топографо-геодезическая деятельность в Российской Федерации (и в Беларуси прим авт.), как и во всех развитых странах мира, в настоящее время переходит в область информационных технологий, которые в недалеком будущем составят единое геоинформационное поле страны [55].

Основу глобального геоинформационного поля составляет совокупность: ГИС; систем сбора информации о Земле; систем координатно-временного обеспечения и телекоммуникационной инфраструктуры. В результате этих революционных преобразований сложилась тенденция, ведущая к тому, что человеку или управляемой им технической системе в любой точке земного пространства могут быть известны собственные точные координаты и время и доступна точная и актуальная топографическая информация о любой местности Земли. В совокупности это и позволяет характеризовать современное топографо-геодезическое и картографическое обеспечение как глобальное геоинформационное поле.

В качестве примера разрабатываемой законодательной базы, регулирующей вопросы создания и эксплуатации ГИС, рассмотрим основные черты структуры нормативных документов Российской Федерации. Наиболее важным звеном в системе нормативного регулирования создания и эксплуатации ГИС является система защиты топогеодезической информации с целью сохранения национальных интересов государства.

Защита топогеодезической информации в государстве обеспечивается следующими основными мерами: действующими законодательными и другими правовыми актами в области топогеодезической и картографической деятельности; организационными, методическими и программно-аппаратными средствами защиты топогеодезической информации; надзорной деятельностью уполномоченных органов.

Одним из основных правовых режимов по защите топогеодезической информации является режим охраны государственной тайны, определяемый соответствующим законодательством Российской Федерации (РФ). До 1989 года согласно этому режиму секретными являлись координаты с ошибкой менее 150 м, с 1989 по 1996 год - с ошибкой менее 70 м, с 1996 года - с ошибкой менее 30 м. Таким образом, существует тенденция по рассекречиванию координат, которая приводит в свою очередь к рассекречиванию топографических карт соответствующих масштабов, а также данных дистанционного зондирования Земли из воздушного пространства и космоса [55].

Юридическим основанием необходимости уточнения требований по засекречиванию координат являются такой фактор, как изменение объективных обстоятельств, вследствие которых дальнейшая защита сведений, составляющих государственную тайну, является нецелесообразной. Так в настоящее время навигационная аппаратура потребителя (НАП) системы спутникового позиционирования NAVSTAR «карманного» типа весом не более 3 кг беспрепятственно ввозится в РФ. Ею оборудованы многие иностранные воздушные и морские судна, а также наземные транспортные средства, совершающие перевозки в Россию и по России. Использование НАП, интегрированных в ГИС, в том числе и со съемочной аппаратурой, на борту транспортных средств (наземных и воздушных) позволяет проводить как геодезическую съемку местности в режиме реального времени, так и оперативное высокоточное ориентирование на местности (с точностью на уровне 1 м) даже с использованием электронных планов местности, не имеющих координатной сетки, т.е. несекретных. На зарубежном рынке прослеживается динамичная тенденция создания новых высокоточных (до 2 м) карто-, фотоматериалов на отдельные участки территории РФ. В ряде западных стран, в том числе США, приняты меры по либерализации дистанционного зондирования Земли из космоса. Это в ближайшие 3-5 лет приведет к существенному развитию рынка данных ДЗЗ на любую территорию Земли. Одновременно бурное развитие мировой телекоммуникационной инфраструктуры в ближайшее время позволит передавать топогеодезическую информацию любому потребителю в любую точку Земли.

Вторым фактором, влияющим на уровень засекречивания координат, является взятие РФ международных обязательств по открытому обмену сведениями, составляющими в РФ государственную тайну. В качестве примера можно указать на объявление РФ о готовности предоставлять систему спутникового позиционирования ГЛОНАСС для использования зарубежными и российскими гражданскими потребителями. Точность системы ГЛОНАСС достигает 20-30 м. Следовательно, при ее использовании на территории РФ потребитель может получить секретные координаты. Также РФ приняла обязательства выполнять требования международных морской (ИМО) и авиационной (ИКАО) организаций. Совет ИКАО 28 февраля 1994 года принял поправку 28 к приложению 15 Службы аэронавигационной информации, предусматривающую введение с 1 января 1998 г. стандарта на применение WGS-84 в качестве стандартной геодезической системы отсчета для международной гражданской авиации. Согласно требованиям ИКАО в зависимости от категорийности посадки и применяемых имитационных средств международные аэродромы должны иметь геодезические точки с точностью от 0,5 м до 30 м в системе WGS-84, что тоже находится далеко за порогом секретности, определенным в РФ.

Указанные обстоятельства приводят к необходимости постановки и решения ряда новых научно-технических задач и организационных мер по защите, регулированию и упорядочиванию коммерческого использования топогеодезической информации. В частности наряду с уже действующими Законом о геодезической и картографической деятельности, Постановлением Правительства РФ «О лицензировании в области геодезии и картографии» от 28 мая 2002 г., государственным стандартом ГОСТ Р 540828-95 «Геоинформационное картографирование. Пространственные данные, цифровые и электронные карты. Общие требования» разработаны такие нормативные документы, как ГОСТ 28441-90 Т02 «Картография цифровая. Термины и определения», ГОСТ Р 51607-2000 «Карты цифровые топографические. Правила топографического описания картографической информации. Общие требования», ГОСТ Р 51606-2000 «Карты цифровые топографические. Система классификации и кодирования цифровой картографической информации», ГОСТ Р 51605-2000 «Карты цифровые топографические. Общие требования», ГОСТ Р 51608-2000 «Карты цифровые топографические. Требования к качеству».

2. Источники данных для ГИС

Источниками данных для ГИС являются карты, планы, схемы, представленные как в специфических объектных форматах, так и традиционных растровых и векторных форматах. Информационное наполнение ГИС осуществляется путем ввода различных первичных материалов, в том числе результатов измерений на местности, геологических исследований, картографирования, аэрофото- и космической съемки, специальной тематической информации.

2.1. Географические карты

Географические карты являются основополагающим источником информации при создании ГИС. Географические объекты реального мира смоделированы на карте с использованием графических примитивов (точка, линия, полигон), специальных символов, цвета и текстовых подписей. При описании географических объектов в ГИС карта является важным источником информации о пространственных отношениях между объектами, т.е. взаимоотношениях между различными географическими объектами. Пространственные отношения присутствуют на карте в неявном виде - все зависит от того, каким образом и как интерпретируется ее содержание. В зависимости от разных задач можно определить по карте:

Какие географические объекты соединяются с другими объектами.
Какие географические объекты являются соседними.
Какие географические объекты содержатся в заданном пространстве.
Какие географические объекты пересекаются.
Какие географические объекты находятся рядом с другими объектами.
Определить разницу по высоте для разных географических объектов.
Определить относительное положение географических объектов между собой и др.[10].

Как пространственная образно-знаковая модель земной поверхности, карта характеризуется, во-первых, определенным математическим построением, включающим модель Земли и проекцию, во-вторых, применением особых знаков, позволяющих говорить о карте как о тексте определенной языковой системы и, в-третьих, представлением изображаемых объектов и явлений в обобщенном виде, т. е. основными, типичными чертами (генерализация географических объектов).

Карты масштаба 1:200 000 обычно используются для решения задач на региональном уровне. Цифровые основы с данного масштаба - последний наиболее подробный материал, который можно использовать безо всяких ограничений по уровню секретности топогеодезической информации [18]. Карты масштаба 1:100 000 имеют статус «Для служебного пользования», а более крупных масштабов - гриф секретности. Они также устарели и продолжают устаревать намного быстрее, чем их обновляют. Тем не менее, карты данного масштаба - хорошая база для их уточнения в ГИС по данным дистанционного зондирования, полевых съемок, проектных материалов, а также для подготовки и ведения собственных тематических слоев информации.

Необходимо также отметить, что при использовании в ГИС бумажных карт, наиболее оптимальным вариантом является работа с исходными пластиками цветоделения этих карт [18]. Синтетический материал, на который в издательстве наносятся отдельные цвета карты является более надежной основой при цифровании для ГИС по сравнению с бумагой. Пластики не имеют ошибок сдвигов печати. Например, сдвиг цвета при оттиске может дать ошибку на картах упомянутого масштаба до 600 м, что на порядок выше допуска в бумажных картах. Это приводит к тому, например, что реки в цифровых картах начинают нарушать законы гравитации, не попадая в тальвеги рельефа.

2.2. Данные дистанционного зондирования

Наряду с традиционной картографической информацией, данные дистанционного зондирования (ДДЗ) составляют информационную основу ГИС-технологий. Под дистанционным зондированием понимаются исследования географических объектов неконтактным способом с использованием съемки с летательных аппаратов - атмосферных и космических, в результате которых получается изображение земной поверхности в каком-либо диапазоне (диапазонах) электромагнитного спектра.

На одной платформе (т.е. космическом летательном аппарате, спутнике, самолете и др.) может размещаться несколько съемочных устройств, называемых инструментами или сенсорами. Например, спутники Ресурс-01 несут сенсоры МСУ-Э и МСУ-СК, а спутники SPOT- по два одинаковых сенсора HRV (SPOT-4 - HRVIR). При этом, чем дальше находится платформа с сенсором от изучаемого объекта, тем больший охват и меньшую детализацию будут иметь получаемые изображения [29].

По методу регистрации изображения можно подразделить на аналоговые и цифровые. Аналоговые системы – это сегодня практически только фотографические системы. Системы с телевизионной регистрацией существуют, но за исключением некоторых специальных случаев их роль ничтожно мала. В фотографических системах изображение фиксируется на пленку, которая после приземления летательного аппарата или специальной спускаемой капсулы проявляется и сканируется для использования в компьютерных технологиях. Среди цифровых систем съемки выделяются сканерные, т. е. системы с линейно расположенным набором светочувствительных элементов и некоторой системой развертки, часто оптико-механической, изображения на эту линейку. Все цифровые системы съемки имеют преимущество перед фотографическими в отношении оперативности получаемых данных. Во время космических съемок цифровые снимки передаются на Землю по радиоканалу в режиме реального времени [12].

Также ДДЗ могут классифицироваться по различным видам разрешения и охвата, по принципу работы сенсора (фотоэффект, пироэффект и др.), по способу формирования (развертки) изображения, по специальным возможностям (стереорежим, сложная геометрия съемки), по типу орбиты, с которой производится съемка, и т.д.

При обработке данных дистанционного зондирования важным показателем является пространственное разрешение на местности, т. е. минимально различимый размер географического объекта. ДДЗ характеризуются несколькими видами разрешений: пространственным, спектральным, радиометрическим и временным. Под термином "разрешение" обычно подразумевается пространственное разрешение.

В зависимости от решаемых задач, могут использоваться данные низкого (более 100 м), среднего (10 – 100 м) и высокого (менее 10 м) разрешений. Снимки низкого пространственного разрешения являются обзорными и позволяют одномоментно охватывать значительные территории - вплоть до целого полушария. Такие данные используются чаще всего в метеорологии, при мониторинге лесных пожаров и других масштабных природных бедствий. Снимки среднего пространственного разрешения на сегодня –это основной источник данных для мониторинга природной среды. Спутники со съемочной аппаратурой, работающей в этом диапазоне пространственных разрешений, запускались и запускаются многими странами - Россией, США, Францией и др., что обеспечивает постоянство и непрерывность наблюдения. Съемка высокого разрешения из космоса до недавнего времени велась почти исключительно в интересах военной разведки, а с воздуха - с целью топографического картографирования. Однако сегодня уже есть несколько коммерчески доступных космических сенсоров высокого разрешения (КВР-1000, IRS, IKONOS), позволяющих проводить пространственный анализ с большей точностью или уточнять результаты анализа при среднем или низком разрешении [29].

Спектральное разрешение указывает на то, какие участки спектра электромагнитных волн (ЭМВ) регистрируются сенсором. При анализе природной среды, например, для экологического мониторинга, этот параметр - наиболее важный. Условно весь диапазон длин волн, используемых в ДДЗ, можно поделить на три участка - радиоволны, тепловое излучение, ИК-излучение и видимый свет. Такое деление обусловлено различием взаимодействия электромагнитных волн и земной поверхности, различием в процессах, определяющих отражение и излучение ЭМВ.

Наиболее часто используемый диапазон ЭМВ - это видимый свет и примыкающее к нему коротковолновое ИК-излучение. В этом диапазоне отражаемая солнечная радиация несет в себе информацию, главным образом, о химическом составе поверхности. Подобно тому, как человеческий глаз различает вещества по цвету, сенсор дистанционного зондирования фиксирует "цвет" в более широком понимании этого слова. В то время как человеческий глаз регистрирует лишь три участка (зоны) электромагнитного спектра, современные сенсоры способны различать десятки и сотни таких зон, что позволяет надежно выявлять объекты и явления по их заранее известным спектрограммам.

В целом по снимаемым спектральным диапазонам данные дистанционного зондирования могут различаться как полученные в одном спектральном диапазоне (чаще всего в широком видимом участке спектра - панхроматические), съемки в реальных или условных цветах, когда одновременно совместно фиксируются 2 или 3 зоны спектра на одной и той же фотопленке (и дальше изображения в этих зонах уже реально неразделимы) и съемки многозональные - самый информативный и перспективный вид съемок, когда одновременно, но раздельно фиксируются несколько изображений в различных зонах спектра. Их может 3, 4, 5, 7 и даже больше, вплоть до нескольких десятков и даже сотен узких спектральных зон [22]. Если этих зон больше 16, то такие снимки уже называют не многозональными или мультиспектральными, а гиперспектральными. Такие съемки позволяют изучать спектры отражения объектов местности столь детально, что можно определить типы и даже конкретные виды растительности, горные породы и почвы, определить состав пленки загрязнений на поверхности воды, материал, из которого выполнено дорожное покрытие.

Тепловое ИК-излучение несет информацию, в основном, о температуре поверхности. Помимо прямого определения температурных режимов видимых объектов и явлений (как природных, так и искусственных), тепловые снимки позволяют косвенно выявлять то, что скрыто под землей - подземные реки, трубопроводы и т.п. Поскольку тепловое излучение создается самими объектами, для получения снимков не требуется солнечный свет (он даже, скорее, мешает). Такие снимки позволяют отслеживать динамику лесных пожаров, нефтяные и газовые факелы, процессы подземной эрозии. Следует отметить, что получение космических тепловых снимков высокого пространственного разрешения технически затруднительно, поэтому сегодня доступны снимки с разрешением около 100 м. Много полезной информации дает также тепловая съемка с самолетов.

Сантиметровый диапазон радиоволн используется для радарной съемки. Важнейшее преимущество снимков этого класса - в их всепогодности. Поскольку радар регистрирует собственное, отраженное земной поверхностью, излучение, для его работы не требуется солнечный свет. Кроме того, радиоволны этого диапазона свободно проходят через сплошную облачность и даже способны проникать на некоторую глубину в почву. Отражение сантиметровых радиоволн от поверхности определяется ее текстурой ("шероховатостью") и наличием на ней всевозможных пленок. Так, например, радары способны фиксировать наличие нефтяной пленки толщиной 50 мкм и более на поверхности водоемов даже при значительном волнении. Еще одной особенностью радарной съемки является ее высокая чувствительность к влажности почвы, что важно и для сельскохозяйственных, и для экологических приложений. В принципе, радарная съемка с самолетов способна обнаруживать подземные объекты, например, трубопроводы и утечки из них.

Радиометрическое разрешение определяет диапазон различимых на снимке яркостей. Большинство сенсоров обладают радиометрическим разрешением 6 или 8 бит, что наиболее близко к мгновенному динамическому диапазону зрения человека. Но есть сенсоры и с более высоким радиометрическим разрешением (10 бит для AVHRR и 11 бит для IKONOS), позволяющим различать больше деталей на очень ярких или очень темных областях снимка. Это важно в случаях съемки объектов, находящихся в тени, а также когда на снимке одновременно находятся большие водные поверхности и суша. Кроме того, такие сенсоры, как AVHRR имеют радиометрическую калибровку, что позволяет проводить точные количественные измерения.

Наконец, временное разрешение определяет, с какой периодичностью один и тот же сенсор может снимать некоторый участок земной поверхности. Этот параметр весьма важен для мониторинга чрезвычайных ситуаций и других быстро развивающихся явлений. Большинство спутников (точнее, их семейств) обеспечивают повторную съемку через несколько дней, некоторые - через несколько часов. В критических случаях для ежедневного наблюдения могут использоваться снимки с различных спутников [29].

В настоящее время появилась возможность прямого получения данных дистанционного зондирования насобственные приемные станции потребителя. Хотя эти снимки сравнительно низкого разрешения, они позволяют добавить, например, к региональной ГИС, слой оперативной информации. Сегодня существуют и могут быть приобретены ГИС-специалистами передвижные станции приема данных со спутников.

Например, во всем мире широко используются данные NOAA, Landsat, SPOT, IRS, RADARSAT, ERS, а также российские данные КВР-1000, ТК-350. Гораздо реже применяются в мире, но активно используются в России, данные с аппаратов Ресурс-0 и Ресурс-Ф [23]. Лидером среди данных дистанционного зондирования являются данные AVHRR с метеорологических спутников серии NOAA, существующих с 1978 года. Несмотря на невысокое пространственное разрешение (1,1 км), данные AVHRR обладают очень высоким радиометрическим разрешением и возможностью абсолютной калибровки информации. Очередной спутник NOAA- 15 был запущен в мае 1998 года, и сейчас в активной эксплуатации находятся 3 космических аппарата NOAA. Еще одним важным достоинством этих данных является высокая периодичность съемок (15-20 раз в сутки). Данные AVHRR используются для определения температуры суши, температуры поверхности моря, выявления пожаров, измерения вегетационного индекса, наблюдениями за облачным, снежным и ледовым покровами.

Многозональные данные со спутника Landsat за период многолетнего функционирования этой системы приобрели огромную известность. Несомненное преимущество снимков Тематического Картографа (Thematic Mapper - ТМ) перед другими данными - сравнительно большое число спектральных диапазонов - 7 зон съемки, наличие теплового канала, цифровая форма данных, богатейшие архивы. К недостаткам данных снимков Landsat ТМ относится невысокое геометрическое разрешение (30 м, а в дальнем ИК диапазоне – 120 м) и высокая стоимость.

Уже более десяти лет функционирует французская съемочная система SPOT. Геометрическое разрешение данных SPOT при панхроматической съемке – 10 м, при многозональной – 20 м. Кроме высокого геометрического разрешения этих цифровых данных, существует еще одно важное преимущество снимков SPOT - возможность получения стереопар.

Еще одним хорошо известным в мире источником цифровых данных является индийская система дистанционного зондирования IRS. Сенсоры на спутниках последнего поколения (IRS-1С, IRS-1D) позволяют получать панхроматические снимки с геометрическим разрешением 5 – 6 м, а в многозональном режиме – 23 м.

Для ГИС-пользователей доступны радиолокационные данные с канадского спутника RADARSAT или европейского ERS. Использование радиолокационных данных позволяет выполнить геометрическое трансформирование радарных данных с учетом специфической геометрии радиолокационной съемки, построение цифровых моделей рельефа как по стереопаре, так и с использованием новейших методов радарной интерферометрии.

Благодаря высокому разрешению большой популярностью в мире пользуются данные с российского спутника КОМЕТА. Фотографические изображения КВР-1000 имеют разрешение 2 м, а устанавливаемая на том же спутнике специальная топографическая камера ТК-350 позволяет получать стереоснимки, предназначенные для обновления топографических карт (разрешение на местности – 10 м). Как правило, спутники КОМЕТА запускаются на короткие сроки (около 1 месяца). Для организации ГИС-проектов также используются данные со спутников серии Ресурс-Ф, оснащенных фотографическими камерами КФА-1000, КФА-3000, МК-4 и КАТЭ-200 и данные со спутников Ресурс-О (сканеры МСУ-Э и МСУ-СК).

2.3. Система спутникового позиционирования

Техника навигационных определений по сигналам искусственных спутников Земли (ИСЗ) стала отрабатываться, начиная с 1957 г. Спутниковые радионавигационные системы 1-го поколения появились в начале 60-х годов. В США с 1964 г. действует космическая навигационная система (КНС) «Транзит», разработанная для военно-морского флота. В КНС «Транзит» на орбитах высотой 1000 км обращаются 6 ИСЗ, узлы орбит равномерно распределены по экватору [11].

КНС второго поколения обеспечивают высокоточное определение местоположения и скорости движения. В состав системы входят: созвездие ИСЗ (космический сегмент); сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления); собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей).

Например, космический сегмент «Навстар» (NAVSTAR) (США) состоит из 26 спутников (21 основной и 5 запасных), которые обращаются на 6 орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол около 55° к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы орбит - около 26 тыс. км, а период обращения составляет половину звездных суток (примерно 11 ч. 58 мин.). Этим достигается то, что сигнал хотя бы от некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время.

Сегмент управления «Навстар» cодержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в штате Колорадо), пять станций слежения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн и Колорадо-Спрингс и три станции закладки: острова Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн. Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников. Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.

Каждый спутник весит более 900 кг и имеет размер около 5 м (с раскрытыми солнечными батареями). Мощность радиопередатчика составляет 50 ватт. Каждый спутник передает сигналы на 3-х частотах. Гражданские GPS-приемники используют частоту "L1", равную 1575.42 МГц. На борту каждого спутника установлены часы, обеспечивающие точность 10-9 сек. Каждый спутник рассчитан на работу примерно в течение 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости.

Каждую миллисекунду спутник излучает сигнал, содержащий так называемый "псевдослучайный код" (PRN - pseudo-random code), эфимерис (ephimeris) и альманах (almanach). Псевдослучайный код служит для идентификации передающего спутника. Данные эфимериса, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат такую важную информацию, как состояние спутника (рабочее или нерабочее), текущая дата и время. Данные альманаха содержат параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.

В аппаратуре потребителя (GPS-приемнике) принимаемый сигнал декодируется. Все приборы GPS работают в системе Гринвичского времени (всемирное время -UTC). Внутренние часы GPS-приемников постоянно синхронизируются с прецизионными атомными часами, установленными на спутниках. Это позволяет обеспечить точность измерения времени от микро- до наносекунд.

Имея сигналы от минимум трех спутников, GPS-приемник может определить широту и долготу своего расположения на местности - это называется двумерной фиксацией. Если же спутников четыре или более, то GPS-приемник может определить положение в 3-х мерном пространстве, т.е. указать широту, долготу и высоту. Постоянно отслеживая местоположение в течении некоторого времени, приемник также может рассчитать скорость и направление движения (имеется ввиду так называемые "наземная скорость" и "наземный курс").

Обычные гражданские GPS-приемники обеспечивают точность от 10 до 100 м в зависимости от количества видимых спутников и их геометрии. Однако точность даже обычных гражданских GPS-приемников может быть увеличена до 4 м и более (в ряде случаев - до 1 м) с помощью дифференциальной GPS (DGPS). DGPS использует дополнительный фиксированный в одной точке GPS-приемник для определения коррекции спутниковых сигналов. В настоящее время в мире существует несколько бесплатных и платных служб, оказывающих услуги по DGPS. Так, например, Береговая охрана США и Инженерный корпус Армии США передают GPS-коррекции через морские радио-буи. Они работают в диапазоне 283.5 - 325.0 кГц для бесплатного использования. Платные DGPS-службы работают в УКВ-диапазоне или осуществляют вещание через спутники.

Точность определения координат также зависит от класса используемого GPS-приемника и может составлять от 10-50 см (Trimble 4800) до 5-15 м (приемники фирмы GARMIN). В GPS-приемниках реализована функция внутренней памяти, которая позволяет сохранять путевые точки и маршруты с заданным именем и зафиксированными координатами. Для выгрузки данных из GPS-приемника используется различное программное обеспечение. Применяются программы Garmin (PCX), MapSource, Waypoint+и др. Обычно в результате этой процедуры создается текстовый ASCII-файл с разделителями определенной структуры, передающий информацию о сохраненных точках, треках или маршрутах. ASCII-файл при необходимости можно просмотреть и отредактировать с помощью любого текстового редактора. Все GPS-приемники по умолчанию настроены на международную систему координат WGS-84. Для использования других систем координат необходимо вводить соответствующие поправки.

Современные GPS-приемники имеют память, способную вместить несколько тысяч точек маршрута с развернутым описанием каждой из них, они могут работать от сигналов и GPS (США) и системы "Глонасс" (GLONASS) (Россия), оснащаются жидко-кристаллическими экранами для визуализации местоположения на фоне встроенной карты и т. д. В 2004 г. США планируют реализацию программы по модернизации спутников, в ходе которой будут запущены восемь модернизированных аппаратов GPS-2RM, которые заменят устаревшую орбитальную технику. На смену GPS-2RM придут спутники GPS-2F, а к 2012 г. планируется начать развертывание спутниковой навигационной системы третьего поколения GPS-3.

2.4. Данные САПР

Модель данных САПР (т.е. систем автоматического проектирования) – это одна из первых компьютерных моделей, с помощью которой начали создавать цифровой картографический материал. Ее основой являются точки, линии и полигоны. Данные хранятся в виде файлов. С ними также может быть связана некоторая атрибутивная информация, но основой все же являются векторные данные, которые только графически описывают местность на карте.

В настоящее время значительное количество исходных данных для ГИС (например, планы населенных пунктов, чертежи инженерных коммуникаций и др.) выполнены в САПР. В этой связи поддержка ГИС распространенного формата данных САПР DXF является необходимостью.

2.5. Геодезические технологии

Самый важный этап в создании ГИС - это сбор данных для нее. От точности, достоверности и актуальности этих данных всецело зависит эффективность всей системы. При сборе данных для ГИС непосредственно на местности необходимым является получение корректной и достоверной информации. Использование современных технологий топографо-геодезических работ позволяет автоматизировать сбор информации в полевых условиях для ее дальнейшего использования в ГИС.

Наиболее эффективными методами при выполнении геодезических работ на местности является использование электронных геодезических приборов (GPS-приемники, тахеометры, цифровые нивелиры), которые позволяют исключить такие характерные для работы с оптическими приборами источники ошибок как снятие отсчета, диктовка, запись, перенос данных из полевых журналов в вычислительную ведомость, вычисления [46]. Так как результаты измерений электронными приборами представлены в цифровом виде, то с использованием встроенного в приборы программного обеспечения автоматически в полевых условиях выполняются такие задачи как уравнивание теодолитных ходов, преобразование координат, вычисление площади и др., что значительно повышает качество получаемых материалов.

Использование электронных тахеометров при топографических съемках позволяет не только измерять горизонтальные и вертикальные углы и расстояния, но и кодировать полевую информацию, которая в дальнейшем оперативно обрабатывается на компьютере. Безотражательные модели тахеометров позволяют производить измерения до объектов, на которые трудно или невозможно установить отражатель, осуществлять съемку дорог без перекрытия движения по ним. Особый интерес представляют приборы для роботизированных измерений с автоматическим поиском отражателя, рассчитанные на проведение работы одним человеком. Существенно расширить возможности электронных тахеометров можно с помощью карманного компьютера, например, Psion Organiser II с пакетом программ Geodos фирмы Viker Data АВ, Швеция [47].

3. Организация информации в ГИС

3.1. Географические объекты

Согласно существующей терминологии в ГИС любой конкретный или абстрактный объект реального мира, который может быть определен однозначным содержанием и границами и описан в ГИС в виде набора геоданных, носит название реального пространственного объекта (Spatial Entity Object) или географического объекта (Geographic Entity) [8]. Географические объекты в ГИС представляются в виде набора пространственных и атрибутивных данных с общим названием географические данные (Geographic data).

Географические данные содержат четыре интегрированных компонента:

§ Географическое положение (размещение) пространственных объектов представляется 2-х, 3-х или 4-х мерными координатами в географически соотнесенной системе координат (широта/долгота).

§ Атрибуты - свойство, качественный или количественный признак, характеризующий пространственный объект (но не связанный с его местоуказанием).

§ Пространственные отношения определяют внутренние взаимоотношения между пространственными объектами (например, направление объекта А в отношении объекта В, расстояние между объектами А и В, вложенность объекта А в объект В).

§ Временные характеристики представляются в виде сроков получения данных, они определяют их жизненный цикл, изменение местоположения или свойств пространственных объектов во времени.

3.2. Пространственная информация в ГИС

Пространственные данные (Spatial Data) или геоданные (Geodata) –это набор данных, которые индивидуально или в определенной совокупности определяют географическое положение и форму реальных пространственных объектов [8}. Для представления пространственных данных в ГИС используются формализованные системы представления географических данных, т.е. определенные способы цифрового описания пространственных объектов.

Наиболее распространенными способами цифрового описания пространственных объектов являются:

векторное представление (точки, линии, полигоны);
растровое представление (ячейки, сетки);
грид-модель;
TIN-модель и др.

Существуют способы и технологии перехода от одних способов цифрового описания к другим (например, растрово-векторное преобразование, векторно-растровое преобразование и т.д.).

3.3. Векторный способ цифрового представления
пространственных данных

Векторная модель географических данных (Vector Geographic Data Model) -это способ представления географических данных в базе данных ГИС в виде задания пар прямоугольных координат точек (X,Y), которые определяют начало и направление вектора (элементарную дугу). Последовательность дуг образует линейный пространственный объект базы данных ГИС. Каждый линейный объект определяется упорядоченным набором пар координат точек. В свою очередь, набор замкнутых линейных объектов образует полигон - площадной пространственный объект базы данных ГИС [8].

В векторной модели данных ГИС реальные географические объекты представляются в виде графических примитивов. Например, определенные географические объекты могут быть представлены точками (колодец, водонапорная башня, скважина и др.). В русскоязычной литературе по ГИС-технологиям точка (Point) - это элементарный геометрический объект географической базы данных ГИС нулевой размерности, который определяет местоположение соответствующего точечного реального пространственного объекта [8]. Соответственно, реальные географические объекты линейной протяженности (дороги, реки, трубопроводы и др.), моделируются в ГИС виде дуг. Дуга (Arc) – это элементарный геометрический объект географической базы данных ГИС, который определяет местоположение соответствующего линейного реального пространственного объекта или его части, а также границы полигона или ее фрагмента. Площадные географические объекты (земельные участки, озеро, постройка и др.) – представляются полигонами. Полигон (Polygon) – это элементарный геометрический объект географической базы данных ГИС, который определяет местоположение соответствующего площадного реального пространственного объекта. Менее распространенными классами графических примитивов, как, например, в ГИС ARC/INFO, являются секции, маршруты, регионы, границы простирания покрытия [10].

Векторная графика обрабатывается компьютером как идеальные геометрические фигуры, которые можно масштабировать, вращать и производить другие действия, при этом изменяются лишь координаты вершин отрезков и параметры кривых. К числу преимуществ представления пространственных объектов ГИС векторными моделями являются компактная структура, качественная графика, топология.

3.4. Модели организации связи между пространственными
объектами: векторно-нетопологическая модель,
векторно-топологическая модель

Векторно-нетопологическое представление данных - это цифровое представление точечных, линейных и полигональных пространственных объектов в виде набора координатных пар, с описанием только геометрии объектов. Векторно-топологическое представление (линейно-узловое представление) - это разновидность векторного представления линейных и полигональных пространственных объектов, описывающего не только их геометрию, но и топологические отношения между полигонами, дугами и узлами.

Топология - это математическая дисциплина, занимающаяся определением пространственных связей. Топология в ГИС определяется как пространственные взаимоотношения между смежными или близкорасположе