Основы геоинформатики
Введение
Геоинформатика - дисциплина, изучающая алгоритмы формирования, информационного насыщения и использования геоинформационных систем для обработки пространственных данных.
Геоинформационные системы (ГИС) это программное обеспечение, позволяющее создавать базу данных, обрабатывать пространственные данные, имеющие географическую привязку, и визуализировать результаты обработки.
Целью курса является изучение структуры геоинформационных систем, условий создания баз данных, методов хранения и обработки пространственной информации для геологических нужд.
Кроме геологических с помощью геоинформационных систем (ГИС) решаются задачи географического, экологического, социологического, экономического, природоведческого характера.
пространственный геоинформационный обработка
1. Понятие о географической информационной системе
Появление понятия географические информационные системы (ГИС) относится к началу шестидесятых годов прошлого века. Под аббревиатурой ГИС в настоящее время понимается диалоговый человеко-машинный комплекс, который в отличие от просто информационных систем обладает возможностью хранить и обрабатывать пространственные данные, имеющие географическую привязку по широте, долготе и, иногда, по высоте. Это значит, что весь комплекс информации, который хранится в базе данных ГИС, имеет координаты либо географические, либо линейные (прямоугольные). При этом важно отметить, что с некоторых пор все, вновь изданные листы топографической основы имеют сетки и прямоугольных, и географических координат.
1.1 Источники и характер данных
В настоящее время затраты на информационное обеспечение геоинформационных проектов достигает 90% от общей их стоимости. При этом известно, что до 70% информационных ресурсов имеют географическую привязку, то есть, большинство информации обрабатывается в геоинформационных проектах. Тем не менее, информационное обеспечение ГИС остаётся крайне трудоёмким делом. Это связано с тем, что цифровая среда существования ГИС предполагает получение исходных данных для обработки в цифровой форме, в то время как основную массу источников составляет аналоговая (качественная) информация - карты, таблицы, тексты. Очевидно, что перевод в цифровую форму исходных данных требует временных и трудовых затрат, что и объясняет увеличение стоимости информационного обеспечения геоинформационных проектов.
В качестве источника информации геологических ГИС-проектов в основном служат результаты геологоразведочных работ. К ним относятся геологические карты и разрезы, таблицы содержания химических элементов, значения замеров параметров геофизических съёмок и многое другое. Вся эта информация совсем недавно, как правило, была представлена аналоговыми данными, требующими обработки для ввода в компьютер. Но в последнее время процент данных, получаемых в цифровом виде, значительно возрос. Результаты аэрофотосъёмки, геодезических работ, геофизических исследований, космоснимки и некоторая другая информация поступает в цифровой форме непосредственно с приборов на электронных носителях.
Кроме того, при центральных и территориальных геологических организациях созданы центры по переводу архивной аналоговой информации в цифровую.
Таким образом, различают первично цифровые данные и аналоговую информацию, подвергшуюся оцифровке с помощью дигитайзеров или сканирования с последующей векторизацией.
Использование ГИС при геологических исследованиях значительно облегчило, увеличило достоверность и, главное, ускорило процесс обработки данных и получения результирующих карт при прогнозных, поисковых и разведочных работах.
Поэтому, определение для геоинформационных систем геологического направления звучит так: ГИС это информационные системы, обеспечивающие сбор, хранение, отображение, распространение, обработку и анализ данных, имеющих географическую привязку, и полученных в результате геологоразведочных работ.
Под термином «данные» понимается совокупность фактов и сведений, представленных в каком либо формализованном виде, для обработки и последующего использования в качестве информации. Иначе говоря, данные соответствуют дискретным зарегистрированным фактам явлений реального мира, выраженным в количественном или качественном определении. Слово «данные» происходит от латинского «datum», буквально означающего - «факт». Пример. Точки оценки содержания хим. элементов.
Под термином «информация» понимаются обобщённые данные, полученные в результате целенаправленной обработки, визуализации и последующего анализа связей с известной информацией. Обработка исходных данных ставит своей целью выявление закономерностей, не наблюдаемых без обработки. Анализ связей с известной информацией и последующее обобщение позволяет выявлять эмпирические закономерности и обосновывать гипотезы, которые требуют дальнейшего планомерного изучения согласно принципу последовательных приближений от общего - к частному и от простого - к сложному. Пример. Вулканический аппарат.
Таким образом, в результате анализа и обобщения полученной информации мы обретаем «знания» в виде выявленных первичных эмпирических закономерностей или созданных гипотез. И если идти дальше в направлении углубления познания, то подтверждённые гипотезы становятся научной теорией, а теории выраженные формулой - законом природы.
Контрольные вопросы
1. Что составляет предмет и методы геоинформатики? Главное отличие от информатики?
2. Источники и характер информации для ГИС и в частности для решения геологических задач?
3. Какие функции геоинформационных технологий наиболее проблемные и трудоёмкие и почему?
4. Как соотносятся такие понятия как «данные», «информация», «знания», «первичные эмпирические закономерности»?
2.Картографические проекции
Для того, что бы создавать ГИС-проекты и обрабатывать пространственные данные необходимо иметь геологическую цифровую основу, представляющую собой систему координат, в которой будут фиксироваться все исследуемые объекты, имеющие географическую привязку на поверхности земного шара. Геологическая или географическая цифровая основа это проекция поверхности земного шара на плоскость.
Физическая поверхность Земли имеет неправильную форму и потому не может быть описана замкнутыми формулами. В силу этого, для решения задач, эту поверхность заменяют математически правильной поверхностью. В самом точном приближении таковой поверхностью является поверхность геоида.
Геоид - это геометрическое тело, ограниченное уровенной поверхностью морей и океанов, связанных между собой и имеющих единую водную массу. В каждой своей точке эта поверхность нормальна направлению силы тяжести.
Геоид тоже не может быть описан замкнутыми формулами. Вместо него, в качестве поверхности относимости, используется эллипсоид вращения с малым сжатием, причем, берут его таких размеров и так ориентируют в теле Земли, чтобы он напоминал геоид - это референц - эллипсоид (земной эллипсоид, рис.1.).
В разных странах приняты свои референц - эллипсоиды, различающиеся своими параметрами (табл.1.). В нашей стране используется референц-эллипсоид Красовского.
Таблица 1. Примеры параметров Земного эллипсоида
Эллипсоид вращения - это тело, образованное вращением эллипса вокруг полярной оси (рис. 2.).
В случае использования эллиптической модели Земли, мы должны учитывать параметры, определяющие главную (большую) и второстепенную (малую) оси эллипса (рис. 3.). Параметр сжатия (уплощения) определяется как отношение этих осей и примерно равен 0.003353.
Для решения практических задач, земная поверхность может быть принята за сферу (рис. 4.).
Рис.4
Сжатием эллипсоида можно пренебречь в следующих случаях:
При создании мелкомасштабных обзорных карт
Когда при заданных величинах искажений невозможно получить непосредственно проекцию эллипсоида на плоскости.
В этих случаях прибегают к двойным преобразованиям:
Размеры земной сферы могут быть получены по-разному. В частности, можно потребовать, чтобы земная сфера имела равную площадь с эллипсоидом. Если сфера равновелика с поверхностью эллипсоида, то ее радиус равен 6 376 116 метров. Можно потребовать, чтобы сфера была равна объему эллипсоида, тогда ее радиус будет равен 6 376 110 метров.
2.1 Понятие о картографической проекции
Проблема изображения земной поверхности на плоскости решается в два этапа:
Неправильная физическая поверхность Земли отображается на математически правильную поверхность (поверхность относимости) - сферу.
Поверхность относимости отображается на плоскости (по тому или иному закону).
В результате получаем картографические проекции.
Картографическая проекция позволяет установить зависимость между точками на земной поверхности и на плоскости (карте).
Картографическая проекция - определенный математический закон отображения одной поверхности на другую, при следующих условиях:
точки, взятые на одной поверхности, соответствуют точкам на другой поверхности и наоборот;
непрерывному перемещению точки на одной поверхности соответствует перемещение на второй поверхности.
Картографическая проекция - определенный способ отображения одной поверхности на другую, устанавливающий аналитическую зависимость между координатами точек эллипсоида (сферы) и соответствующих точек плоскости.
2.2 Система координат
Конечная практическая цель пространственной привязки на земле -определение положения пункта наблюдения на поверхности принятого референц-эллипсоида. Положение пункта (точки) наблюдения можно определить в различных системах координат. Удобнее всего вычислять координаты в такой системе, которая была бы проста и обеспечивала бы наиболее удобное и легкое использование координат в разнообразных практических целях.
Наиболее известной, еще со школьной скамьи, системой определения положения на Земле, является система географических (геодезических) координат.
Сферическая географическая система координат.
Поскольку земной шар изначально имеет форму близкую к сферической, положение любой точки на поверхности достаточно просто определяется относительно условного центра Земли (условного центра вращения земного эллипсоида) в угловых величинах. Эта система, основана на определении углов отклонения условной линии, проведенной через центр земли и определяемую точку, от нулевого меридиана и экватора. Как и всякая сферическая система координат, географическая делит земной шар на условные горизонтальные линии- параллели (широты) и условные вертикальные линии-меридианы (долготы).
Широта - угол между нормалью к поверхности эллипсоида в данной точке и плоскостью экватора.
Долгота - двугранный угол между меридианом данной точки и начальным меридианом (Гринвичским).
Для географической системы координат в качестве нулевого меридиана принят Гринвичский меридиан, а в качестве нулевой параллели - экватор.
Земной шар делится по долготам на 360 условных единиц- градусов, а по широтам - на 180. Измерения выражаются в градусах, минутах и секундах. Значения долготы меняются от 0° до 180° в восточном полушарии, в западном полушарии от 0° до -180°. Значения широты изменяются от 0° до 90° в северном полушарии, в южном полушарии от 0° до -90°.
Поскольку взаимное расположение точек в географической системе координат определяется в угловых единицах (градусы, минуты и секунды широты и долготы), эта система наиболее удобна для высокоточных измерений. Практически точность положения в пространстве для географической системы координат зависит только от одного параметра- радиуса земного эллипсоида в данной точке.
Однако эта система не удобна для решения широкого круга практических задач, поскольку линейное значение угловых единиц различно в зависимости от широты места, а направления меридианов, от которых насчитываются азимуты, не параллельны между собой.
Прямоугольная система координат.
Наиболее простой и легкой для восприятия, при практическом определении пространственного положения на карте, является прямоугольная система координат. Она основана на плоскости. Реальные географические координаты измеряются в значениях x, y- координат от определенной начальной точки. x, y- координаты имеют положительные величины и измеряются в метрах.
Преобразование географических координат из сферической системы в двумерную систему координат приводит к искажениям одного или более свойств пространства (площади, формы, расстояния и направления).