Системы координат и высот, картографические проекции в ГИС

Координатные данные, составляющие один из основных классов геоинформационных данных, используют для указания местоположения на земной поверхности.

Для отображения положения точек поверхности на плоскости используют различные математические модели поверхности и различные системы координат. На практике применяют два основных типа координат: плоские и сферические. Реже применяют криволинейные или полярные.

Выбор системы координат зависит от размеров исследуемых участков поверхности, как следствие, от влияния кривизны Земли. При изображении небольших участков Земли часть уровненной поверхности принимают за плоскость. Такими участками будут участки до 20 км длиной и площадью до 400 км2.

В этих случаях применимы плоские координаты. Плоские декартовы координаты определяются заданием двух осей. При этом обычно координата Х указывает на восток, Y – на север. Задают масштабные отрезки. Упорядоченная пара (X, Y) определит положение точки в заданной системе.

Плоские полярные координаты используют расстояние от начала координат (r) и угол () от фиксированного направления. Направление обычно фиксируется на север, а угол отсчитывается по часовой стрелке от него. Полярные координаты удобны при проведении измерений от какой-либо заданной точки, например, когда используются данные таких источников, как радарные съемки.

При необходимости учета кривизны применяют пространственные системы координат.

Для определения географической системы координат (разновидности сферической системы) введены следующие понятия:

плоскость земного экватора – проходит через центр Земли перпендикулярно к оси вращения;

плоскость географического (астрономического) меридиана – проходит через ось вращения Земли и отвесную линию в точке земной поверхности;

меридиан – линия пересечения плоскостей географических меридианов с земной поверхностью;

параллель – линия, образованная пересечением плоскости, параллельной плоскости земного экватора, с поверхностью Земли.

 

Положение точки в географической системе координат определяется широтой () и долготой ().

Широта – это угол между точкой и экватором вдоль меридиана. Она изменяется от –90о (южный полюс) до +90о (северный полюс).

Долгота – это угол в плоскости экватора между меридианом точки и главным (нулевым) меридианом, проходящим через Гринвич (Англия). Она изменяется от –180о (западная долгота) до +180о (восточная долгота). Рассмотренные системы носят в большей степени теоретический характер. На практике используют более широкий набор систем координат: геоцентрические, топоцентрические, полярные геодезические и др.

2.4.4. Картографические проекции

При составлении карт пространственное (трехмерное) положение точек отображается в плоском (двухмерном) представлении. Для отображения положения точек трехмерной поверхности на плоскости применяют различные математические методы.

Картографические проекции выполняют функции представления на плоской поверхности объектов, расположенных на поверхности Земли. Более точно они отображают не сами объекты, а их образы, перенесенные на эллипсоид или геоид, т. е. некую регулярную поверхность, поскольку реальная поверхность и форма Земли не являются правильной геометрической фигурой.

В настоящее время существует множество подходов к построению картографических проекций. Это определяет разнообразие способов их классификации. Картографические проекции классифицируют по разным признакам [18]:

по характеру искажений;

по способам получения проекций;

по ориентировке картографической сетки в зависимости от положения точки полюса принятой системы координат;

по виду нормальной картографической сетки линий;

по виду общих уравнений картографических проекций и др.

 

Преимуществом ГИС как интегрированной системы является возможность выполнения проекционных преобразований не только при работе с картографической информацией, но и с любой другой. Например, возможно трансформирование космического снимка с дополнительным преобразованием его в заданную картографическую проекцию.

По способу построения выделяют три больших класса проекций, включающие разновидности: конические, цилиндрические, азимутальные.

2.4.5. Система координат, принятая в Роскартографии

В Роскартографии с 1 июля 2002 г. произошел официальный переход из системы координат 1942 г. СК-42 для топографических карт Российской Федерации масштаба 1: 10 000–1: 200 000 к системе координат 1995 г. СК-95, обязательной для применения при выполнении астрономо-геодезических, топографо-картографических и геоинформационных работ на территории России [2, 7, 20]. При этом, практически заметные графические расхождения между координатными сетками на топографических картах в старой и новой системах координат будут проявляться, начиная с масштаба 1: 50 000 и крупнее. Для локальных ГИС может быть использована местная система координат. При проектировании цифровой топографической основы для ГИС регионального и межрегионального уровня могут использоваться глобальные координатные системы WGS-84, ITRF-94, ПЗ-90.

Топографические карты, служащие источником данных для цифровой картографической основы, обычно строятся в равноугольной поперечной цилиндрической проекции Гаусса – Крюгера с отображением эллипсоида на плоскости по шестиградусным зонам, с сеткой одноименных плоских прямоугольных координат, использование которой для картографирования территорий, существенно больших зоны по широте, связано со сложностями, упомянутыми выше. В частности, за пределами шестиградусных зон становятся практически заметными искажения длин (расстояний).

ГИС работают и с другими распространенными проекциями: Меркатора, Ламберта, прямоугольной и др.

Источники данных для ГИС.

Источники пространственных данных

Источники пространственных данных для ГИС – основа их информационного обеспечения. Затраты на информационное обеспечение геоинформационных проектов достигают 90 % от их общей стоимости. В литературе постоянно упоминается еще одна цифра – до 70 % всех данных, составляющих информационные ресурсы наций, регионов и ведомств, имеют пространственную привязку или могут быть координированы, получив статус пространственных. Тем не менее, информационное обеспечение ГИС остается крайне трудоемким делом. Это связано с тем, что цифровая среда существования ГИС предполагает цифровую форму обрабатываемых ею данных, а основную массу источников составляют аналоговые данные («бумажные» карты, статистические табличные отчеты, тексты) [2].

ГИС, как правило, оперируют различными упорядоченными наборами данных. Среди них традиционно различают картографические, аэрокосмические материалы, которые преобразуются и вводятся в среду ГИС или заимствуются из других геоинформационных систем. Помимо указанных материалов, реже используются данные специально проводимых полевых исследований и съемок, а также литературные (текстовые) источники.

В 90-е гг. ХХ в. в России была проделана значительная работа по преобразованию аналоговой информации общегеографических, топографических и геологических карт в цифровой (векторный) вид. Для выполнения этих работ в Роскартографии были созданы центры геоинформатики (Росгеоинформ, ГосГИСЦентр, СевЗапГеоинформ, Сибгеоинформ, Уралгеоинформ и Дальгеоинформ), которые, используя технологии, разработанные в НИИ ПМК (г. Нижний Новгород), выполнили работы по цифрованию карт масштаба 1: 1 000 000 и 1: 200 000. Результаты работы центров хранятся и поддерживаются в актуальном состоянии в Фонде цифровой картографической информации в ГосГИСЦентре (г. Москва) [2].

Созданием цифровых карт практически всех перечисленных выше типов занимаются также соответствующие профильные организации и ведомства. Так, например, геологические карты в цифровом виде созданы региональными информационно-компьютерными центрами Министерства природных ресурсов РФ (МПР). Вся работа по созданию цифровых геологических карт выполняется с использованием нескольких ГИС – ArcInfo, ArcView (ESRI, Inc.), ГИС «ПАРК» (Ланэко), GeoGraph/GeoDraw (ЦГИ ИГ РАН). Созданные на настоящий момент карты хранятся в ГлавНИИВЦентре МПР России. Информация о состоянии работ по созданию цифровых геологических карт доступна в Интернет на сайте государственного банка цифровой геологической информации Министерства природных ресурсов.

Значительные объемы работ по созданию цифровых карт проводятся во многих городах России. Среди лидеров этого процесса: Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, Ростов-на-Дону, Краснодар, Казань, Уфа, Нижний Новгород, Сургут, Таганрог, Находка и др. В ряде случаев для этих целей используется гибридная растрово-векторная технология. При этом задействованы следующие программные продукты: ArcInfo, ArcView (ESRI, Inc.), MapInfo Professional (MapInfo Corp.), MicroStation (Bentley Systems, Inc.) и др.

4.2. Цифровые карты

4.2.1. Цифровое картографирование, определение цифровых карт

В результате автоматизации топографо-геодезического производства возникло новое направление – цифровое картографирование местности.

Под цифровым картографированием местности как части топографо-геодезического производства понимается технологический процесс, объединяющий сбор и обработку цифровой топографической информации, формирование на ЭВМ цифровой модели местности, хранение, дополнение и обновление еѐ с помощью машинного банка данных, получение по этой модели различных аналитических и графических материалов в соответствии с предъявленными требованиями.

В научном плане цифровое картографирование представляет собой новый метод, принципиально отличающийся от традиционных аналоговых и предназначенный для создания цифровой модели местности (ЦММ). Топографические планы и карты при этом рассматриваются как еѐ производные. Потребители топографо-геодезической информации имеют возможность получать не один универсальный документ (топографическую карту или план), требующий дополнительной переработки, а целый ряд материалов различного содержания и формы, необходимых для решения конкретных задач. Такой подход обеспечивает потребности различных отраслей народного хозяйства в топографо-геодезических и картографических материалах, даѐт большой экономический эффект, обусловленный многократным и многоцелевым их использованием [6].

В научно-технической литературе и нормативных документах приведены понятия цифровых моделей местности, электронных, цифровых карт, цифровых топографических карт, различные их классификации.

Как в России, так и в других государствах, цифровые топографические карты и планы создаются государственными топографо-картографическими и кадастровыми службами и другими ведомствами государства, покрывая всю территорию или отдельные регионы и охватывая большую часть топографического масштабного ряда [2, 6].

Цифровые карты (ЦК) в векторном формате – наиболее распространенный вид цифровой карты. Их создавали (в конце прошлого века) по технологии цифрования с помощью дигитайзера с ручным обводом или сканированием оригиналов с последующей векторизацией (в настоящее время), используя программные средства – векторизаторы. Альтернативный подход – растровая цифровая карта, создаваемая сканированием топографических карт.

Векторная ЦК обладает рядом преимуществ. Тем не менее, практика показывает, что при отсутствии необходимости в векторной основе, ограниченности финансовых ресурсов и по другим причинам может быть использована растровая копия топографической карты (плана).

Существенные недостатки растровой основы: трудность актуализации, ограниченные возможности изменения масштаба изображения, невозможность разгрузки (удаления излишних элементов содержания и их атрибутов), трудность атрибутирования, невозможность адресации к элементам содержания, большие объемы данных, их труднопереносимость.

В процессе цифрования происходит перевод исходных картографических материалов на твердой основе в цифровую форму. Используемое программное обеспечение и цели работы накладывают определенный отпечаток на технологию цифрования, однако существуют требования, выполнение которых необходимо для создания качественного продукта в виде ЦК. Результатом цифрования является цифровая карта. Однако это еще «сырой» продукт. Для того чтобы ЦК стала законченным результатом, ее качество должно быть оценено и признано удовлетворительным. Существуют различные способы нахождения и устранения ошибок – от ручных до полуавтоматических. Созданная по исходным картографическим материалам и прошедшая процедуры контроля цифровая карта является законченным продуктом и используется далее в соответствии со своим предназначением.

Под цифрованием принято понимать процесс перевода исходных (аналоговых) картографических материалов в цифровую форму, т. е. перевод графических объектов исходных картографических материалов в цифровую форму.

Создание ЦК может осуществляться с помощью дигитайзера или цифрованием растрового изображения исходных картографических материалов.

С помощью дигитайзерного ввода основная масса ЦК создавалась до середины 1990-х гг., затем дигитайзеры уступили место цифрованию по растру. В настоящее время при создании ЦК дигитайзеры имеют ограниченную область использования.

Преимущества дигитайзерного ввода:

возможность обзора всего листа карты или участка карты, окружающего цифруемую территорию. Этот способ позволяет разобраться в ситуации при низком качестве графики исходных материалов;

возможность оцифровки исходных материалов практически любого качества. Это имеет решающее значение, если используемый сканер по своим техническим возможностям не позволяет оцифровывать карты (планы) на жесткой основе (алюминий, дерево), ветхие картографические материалы или картографические материалы с локальными участками неравномерной толщины (в качестве таких материалов часто выступают бумажные планы, оперативное редактирование которых происходит путем срезания бритвой устаревших объектов и наклеивания актуализированных участков поверх устаревших).

 

При векторизации растра субъективные факторы влияют меньше, чем при дигитайзерном вводе, так как растровая подложка позволяет все время корректировать ввод. Программы векторизации растровых изображений условно можно разделить на три группы: ориентированные на ручную векторизацию, полуавтоматическую и автоматическую.

Алгоритмы автоматической векторизации для ввода картографической информации в настоящее время не используются для массового ввода картографического материала, поэтому здесь они рассматриваться не будут.

Полуавтоматическая векторизация дает хорошие результаты при цифровании четких контуров на растре соответствующего качества, например расчлененные оригиналы рельефа на пластике.

Точность ввода информации у опытного оператора при ручной векторизации выше, так как при полуавтоматической векторизации на передачу формы влияет качество растра, и при «изрезанных» краях растровой линии начинают появляться изгибы проводимой векторной линии, которые вызваны не общей формой линии, а локальными нарушениями растра. Оператор же в таких и подобных случаях форму объекта передает более точно, ориентируясь на дополнительные материалы (источник получения растра) и анализируя ситуацию. Нужно отметить, что при векторизации растра точность вода значительно выше, чем при цифровании дигитайзером, и в основном зависит от качества исходного растра [3].

При работе с различными цифровыми картографическими материалами следует понимать, что в качестве непосредственного результата цифрования исходных картографических материалов получаем цифровую карту, являющуюся моделью источника, с которого она была получена. Если при создании ЦК в качестве источника использовались «бумажные» карты, то непосредственно в результате цифрования получаем цифровую картографическую модель исходной бумажной карты, если в качестве источника использовались данные наземных полевых съемок, то полученная по «безбумажной» технологии цифровая карта является цифровой картографической моделью местности и т. д.

Рассмотрим основные определения электронных топографических карт и основные требования (п. 4.2.3.) к ним, принятые Национальным стандартом Российской Федерации [8].

«Электронная топографическая карта (ЭТК) – электронная (векторная или растровая) карта, изготовленная в принятых для общегосударственных топографических карт математической и геодезической основах, содержании, графическом и цветовом оформлении.

Формат записи электронной карты – структура расположения данных в файлах, описание вида данных и точность их представления» [8].

В Межгосударственном стандарте (ГОСТ) даны следующие определения.

Цифровая модель местности (ЦММ) – цифровая картографическая модель, содержащая данные об объектах местности и ее характеристиках.

Цифровая модель объектов местности – цифровая модель местности, содержащая информацию о плановом и высотном положении объектов местности, кроме рельефа.

Цифровая карта (ЦК) – цифровая картографическая модель, содержание которой соответствует содержанию карты определенного вида и масштаба. Цифровой план – цифровая картографическая модель, содержание которой соответствует содержанию плана определенного вида и масштаба.

Электронная карта (ЭК) – цифровая картографическая модель, визуализированная или подготовленная к визуализации на экране средствами отображения информации в специальной системе условных знаков, содержание которой соответствует содержанию карты определенного вида и масштаба.

Графическая копия цифровой (электронной) карты – графическое изображение на твердом носителе, содержание которого адекватно содержанию цифровой (электронной) карты.

Графическая копия цифрового (электронного) плана – графическое изображение на твердом носителе, содержание которого адекватно содержанию цифрового (электронного) плана [17]

4.3. Материалы дистанционного зондирования

Одним из основных источников данных для ГИС являются материалы дистанционного зондирования. Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей космического (пилотируемые орбитальные станции, корабли многоразового использования типа «Шаттл», автономные спутниковые съемочные системы т. п.) и авиационного базирования (самолеты, вертолеты и микроавиационные радиоуправляемые аппараты) и составляют значительную часть дистанционных данных (remotely sensed data) как антонима контактных (прежде всего, наземных) видов съемок, способов получения данных измерительными системами в условиях физического контакта с объектом съемки. К неконтактным (дистанционным) методам съемки, помимо аэрокосмических, относятся разнообразные методы морского (наводного) и наземного базирования, включая, например, фототеодолитную съемку, сейсмо-, электромагниторазведку и иные методы геофизического зондирования недр, гидроакустические съемки рельефа морского дна с помощью гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основанные на реГИСтрации собственного или отраженного сигнала волновой природы.

Аэрофотосъемки регулярно выполняются в нашей стране с 1930-х гг., и за прошедший период накоплен фонд снимков, полностью покрывающих страну, а для многих районов – с многократным перекрытием, что особенно важно при изучении динамики объектов. Материалы аэрофотосъемки используются в основном для топографического картографирования страны, также широко применяются в геологии, лесном и сельском хозяйстве. Космические снимки начали поступать с 1960-х гг., и к настоящему времени их фонд исчисляется десятками миллионов [2].

Виды космических материалов разнообразны. Существует две технологии космических съемок: с использованием фотографических и сканерных систем.

4.4. Особенности программного обеспечения для обработки данных дистанционного зондирования Земли

Дистанционное зондирование Земли в широком смысле – это получение любыми неконтактными методами информации о поверхности Земли, объектах на ней или в ее недрах, обычно в виде изображения земной поверхности в определенных участках электромагнитного спектра [12]. Информация, полученная в виде фотографического, сканерного, радиолокационного или иного изображения в цифровом либо аналоговом виде, получила название материалов дистанционного зондирования (МДЗ), данных дистанционного зондирования (ДДЗ) или материалов аэрокосмосъемок (МАКС) [3]. Далее для обозначения такой информации используется только аббревиатура ДДЗ.