Никитина Ю.В. Никитин В.Н. Курс лекций Геоинформационные системы

Подождите немного. Документ загружается.

– модуль, разработанный собственно компанией Informix, — Geodetic DataBlade. Он

работает со сферической (геоидной) моделью Земли, в то время как предыдущие два моду-

ля – с плоскими проекциями. Этот модуль разрабатывался специально для NASA.

Контрольные вопросы

1. Технологии файл-сервер и клиент-сервер.

2. Два варианта построения пространственных баз данных по технологии клиент сер-

вер.

3. Типы пространственных индексов.

Лекция 10

Связь между пространственными и атрибутивными

данными

Связь между пространственными и атрибутивными данными обычно осуществляется

с использованием уникальных (в пределах одного слоя или класса) идентификаторов объек-

тов. Когда и пространственные, и атрибутивные данные создаются в рамках одного проекта,

то никаких проблем нет. Сложности возникают при добавлении какой-либо дополнительной

атрибутивной информации, сформированной, например, с использованием литературных ис-

точников или в другом ГИС-проекте. Для обозначения данной процедуры используется тер-

мин «геопривязка» или «геокодирование». Различают пять типов привязки:

1. Прямая привязка: каждой строке семантической таблицы соответствует иденти-

фикационный номер объекта.

2. Косвенная семантическая привязка: часть новых семантических данных совпадает

с имеющейся семантической информацией, в свою очередь уже связанной с объектами.

3. Косвенная геометрическая привязка: часть новых семантических данных задает

пространственное положение объекта.

4. Многоуровневая косвенная привязка: вместе с подключаемой семантикой имеется

некая классификация объектов, отличная от классификации объектов внутри базы данных.

5. Отсутствие привязки: по тем или иным причинам в подключаемой семантической

таблице нельзя выделить или алгоритмизировать какой-либо из видов связи с объектовым

составом базы данных.

В зависимости от типа привязки система должна подключать семантику различными

способами. Рассмотрим их в соответствии с перечисленными типами.

1. Каждый объект в базе данных должен иметь автоматически заводимый при его

создании уникальный идентификационный номер, который не изменяется до тех пор, пока

объект не будет удален из неё. Именно по этому номеру должна осуществляться привязка к

объекту семантической информации. В случае прямой привязки, когда в строке подключае-

мой семантической таблицы имеется непосредственно идентификационный номер объекта

базы данных, достаточно только указать слой или класс объектов системы, к которому отно-

сится эта таблица. То есть подключение можно полностью автоматизировать. Этот способ

используется при переносе семантической информации из одной пользовательской системы,

работающей с исходной базой данных, в другую пользовательскую систему, подключенную к

этой же базе данных. Другой вариант прямой привязки возможен при присвоении объекту в

базе данных не произвольного, а осмысленного идентификатора, характеризующего объект.

Например, для земельных участков и угодий естественным было бы использование в качест-

ве такого уникального идентификатора кадастрового номера объекта.

2. Наиболее распространенным типом привязки является косвенная семантическая

привязка. Она позволяет автоматически подключить к системе таблицу, у которой одно или

несколько указанных полей полностью совпадают с соответственными полями уже имею-

щейся в системе семантической таблицы и обладают уникальными значениями (например,

адрес дома) или когда между этими полями существует взаимно-однозначное соответствие. В

случае частичного совпадения значений или отсутствия совпадения в некоторых случаях (т.е.

когда соответствие задано, но не является взаимно-однозначным) используется интерактив-

ный метод, позволяющий пользователю выбрать один из удовлетворяющих критерию отбора

объектов.

3. Для подключения к системе семантической таблицы с косвенным геометрическим

типом поступают аналогично предыдущему пункту, за исключением того, что критерием от-

бора объектов являются их геометрические свойства.

4. Для подключения к системе семантической таблицы, в которой объекты класси-

фицированы отличным от принятого в базе данных образом (например, по таблице геокодов),

необходимо либо изменить структуру подключаемой семантической таблицы в соответствии

с классификатором базы данных, либо добавить к уже имеющейся в базе данных семантике

объектов новый классификатор, используя методы косвенной привязки, а затем подключить

саму семантику.

5. Для подключения к системе семантической таблицы, не имеющей никакой алго-

ритмизируемой пространственной привязки, система должна облегчить трудоемкий процесс

ручного набора идентификационных признаков объектов, предоставляя возможность инте-

рактивного задания соответствия объектов записям подключаемой семантической таблицы.

Контрольные вопросы

1. Виды привязки.

2. Прямая привязка.

3. Косвенная семантическая привязка.

4. Косвенная геометрическая привязка.

Лекция 11

Классификаторы

Как правило, атрибутивная информация записана в компактной форме, и для её ин-

терпретации необходимо воспользоваться соответствующим нормативным документом –

классификатором.

Приведём определение классификатора, приведённое в государственном стандарте

Российской Федерации [3].

Классификатор объектов цифровых топографических карт: нормативный доку-

мент, представляющий систематизированный свод наименований и кодовых обозначений

объектов ЦТК, их признаков и значений признаков, классифицированных и кодированных в

соответствии с принятой системой классификации и кодирования объектов ЦТК.

Классификация объектов цифровых топографических карт: разделение множест-

ва объектов ЦТК на подмножества в соответствии с имеющимися у них признаками.

Таким образом, классификатор – обязательная составляющая цифровой топографиче-

ской карты, один из компонентов её информационного обеспечения. На сегодняшний день

нет единого классификатора для использования в ЦТК, так как при решении практических

задач к ЦТК предъявляются слишком разные требования.

Всего существует два основных типа классификаторов: табличный и иерархический.

В табличном классификаторе данные разделены послойно и организованы в виде ре-

ляционных таблиц. Каждая запись в таблице описывает один из объектов, отнесённых к дан-

ному слою. Перечень характеристик объектов стабилен в пределах одного слоя. Некоторые

характеристики объекта могут быть расширенными (составными, списочными) за счёт ис-

пользования связанных таблиц.

В иерархическом классификаторе каждый объект ЦТК входит только в одну класси-

фикационную группировку нижнего уровня иерархии. Классификационные группировки мо-

гут быть вложенными, т.е. целиком входить одна в другую. Каждая нижняя по иерархии

классификационная группировка должна содержать объекты ЦТК с одним и тем же набором

основных признаков. Основные признаки объекта ЦТК однозначно определяют классифика-

ционную группировку, в которую входит данный объект.

Очевидно, что вполне может существовать система классификации с сетевой структу-

рой, в которой классификационные группировки пересекаются.

Табличный классификатор, по сути, это предельно вырожденный вариант иерархиче-

ского, с жёстко заданным набором характеристик для каждого слоя. Разбиение информации

по слоям во многом связано с ограниченностью модели описания свойств объекта в таблич-

ном классификаторе, а не с насущной необходимостью. Табличный классификатор использу-

ется в таких геоинформационных системах (ГИС) иностранного производства, как

«MapInfo», «ArсView 3.x». Напротив, использование иерархического классификатора больше

характерно для программных продуктов отечественного производства, таких как «ЦФС

ЦНИИГАиК», картографические системы «Панорама», «АРМ РАСТР-2», «Нева» и др.

Несмотря на существующее многообразие классификаторов, свойства объектов опи-

сываются с помощью примерно одинакового перечня типов данных. Типы данных можно

разделить на две большие группы: количественные и качественные. К количественным типам

данных можно отнести не только целые и вещественные цифровые типы, но и строковые, би-

нарные. Качественные характеристики отражают только наличие или отсутствие у объекта

определённого свойства. Обычно для их отображения в базах данных используются логиче-

ские поля. Однако существует ещё один способ работы с качественными характеристиками,

основанный на использовании справочных таблиц или, по другой терминологии, фасетов.

Этот способ применяется при выборе одного свойства из списка допустимых значений. При

этом в базе данных хранится ключ (обычно числовой) для связи со справочной таблицей. В

некоторых случаях используются так называемые составные характеристики. Каждая такая

характеристика может содержать несколько других (уточняющих) характеристик.

Поля характеристик в структуре описания объекта не являются равнозначными. Среди

них обычно выделяют так называемый тип объекта, по которому определяется его принад-

лежность к классификационным группировкам и однозначно задаётся перечень характери-

стик. ГОСТ «Система классификации и кодирования цифровой картографической информа-

ции» предусматривает, что тип объекта может описываться не одним, а несколькими полями

характеристик. В этом случае можно говорить о неявном задании типа объекта.

Контрольные вопросы

1. Определение классификатора.

2. Типы классификаторов.

3. Количественные типы данных.

4. Качественные характеристики, фасеты.

Лекция 12

Геодезические системы координат

Физическая поверхность Земли – это поверхностью, ограниченная твёрдой оболочки

Земли на суше и невозмущённой поверхностью морей и океанов.

Физическая поверхность Земли крайне сложна и использовать эту поверхность для

решения геодезических задач невозможно. Поэтому при решении математических задач ис-

пользуют поверхности более простой формы:

– геоид;

– квазигеоид;

– общий земной эллипсоид;

– референц-эллипсоид.

Геоид – это фигура, ограниченная невозмущённой поверхностью морей и океанов и

продолженная под материками. Для определения формы геоида необходимо измерять силу

тяжести непосредственно на поверхности геоида, что для суши сделать невозможно техни-

чески.

Квазигеоид – поверхность, определяемая по астрономо-геодезическим и гравиметри-

ческим наблюдениям. Она полностью совпадает с геоидом на морях и океанах, в равнинной

местности отличается от геоида на 2-4 см., в горах – не более 2 м.

Общий земной эллипсоид – эллипсоид вращения, центр которого совпадает с центром

тяжести Земли, его малая ось – с осью вращения Земли, и он наиболее точно должен соответ-

ствовать геоиду (квазигеоиду).

Для определения параметров общего земного эллипсоида необходимо выполнять гео-

дезические измерения на всей поверхности Земли. Однако большинство используемых эл-

липсоидов определены по результатам геодезических работ, охватывающих территорию кон-

кретной страны или группы стран. Такие «рабочие» эллипсоиды называются референц-

эллипсоидами. Референц-эллипсоид отличается от общего земного эллипсоида размерами и

положением центра. Он хорошо описывает геоид (квазигеоид) только для конкретного гео-

графического региона.

Референц-эллипсоид – эллипсоид с определёнными размерами и определённым обра-

зом ориентированный (расположенный) в теле Земли.

Расстояния между поверхностью эллипсоида и геоида (квазигеоида) достигают 150

метров.

Рисунок 12.1 – Различия геоида, общего земного эллипсоида и референц-эллипсоида

Референц-эллипсоид характеризует определённую систему геодезических координат,

определяющую:

– параметры эллипсоида вращения;

– положение его центра и ориентацию осей относительно центра тяжести Земли.

До недавнего времени земные эллипсоиды называли в честь учёных, определивших их

параметры:

– эллипсоиды Бесселя,

– Кларка,

– Красовского и т.д.

Эллипсоид определяется либо большой полуосью, a, и малой полуосью, b, либо вели-

чиной a и сжатием.

Сжатие - разность в длине между двумя осями, выраженная простой или десятичной

дробью. Сжатие, f, равно:

f = (a - b) / a

Сжатие – очень маленькая величина, поэтому обычно вместо него используется вели-

чина 1/f.

Нулевое значение сжатия означает, что две оси равны, что соответствует сфере.

Параметры эллипсоида для Международной геодезической системы координат 1984

года (World Geodetic System of 1984 - WGS 1984 или WGS84) следующие:

a = 6378137.0 метров

1/f = 298.257223563

Эллипсоид Красовского

a = 6 378 245.0

1/f = 298.300

Референц-эллипсоид с заданным начальным меридианом используется, как правило, в

качестве государственной системы координат при выполнении геодезических и картографи-

ческих работ и его название носит обезличенный характер:

– «Система координат 1942 года» (СК-42),

– «North American datum» (NAD 27).

В процессе определения референц-эллипсоида могут определяться параметры собст-

венного земного эллипсоида, а может использоваться один из многочисленных земных эл-

липсоидов, определённых ранее.

На основе референц-эллипсоида определены различные системы координат, исполь-

зуемые в геодезии, картографии и ГИС.

Система прямоугольных пространственных координат X, Y, Z

За начало системы координат принимается центр эллипсоида.

Ось Z располагается по полярной оси эллипсоида, ось X – вдоль пересечения плоско-

сти экватора и плоскости начального меридиана.

Удобна для решения задач, связанных с космическими исследованиями.

Система геодезических координат B, L

Система координат «широта-долгота».

Широта (B) – угол между нормалью к поверхности эллипсоида в данной точке и плос-

костью экватора.

Долгота (L) –

двугранный угол между меридианом данной точки и начальным мери-

дианом.

Рисунок 12.2 – Система геодезических координат B, L

Примеры различных систем координат

СК 1942

Эллипсоид Красовского.

Ориентирован по пункту вблизи обсерватории Пулково.

Начальный меридиан – гринвичский.

Референц-эллипсоид, но так как разработана для СССР, который имел большую про-

тяжённость, то подходит для описания и других территорий.

ПЗ-90

Эллипсоид PZ-90.

Начальный меридиан – гринвичский.

Общий земной эллипсоид, предназначен для управления КА и обработки данных со

спутников.

WGS-84

Эллипсоид WGS-84.

Начальный меридиан – гринвичский.

Общий земной эллипсоид, предназначен для управления КА, определения координат

глобальной системой позиционирования.

Контрольные вопросы

1. Физическая поверхность Земли.

2. Геоид, квазигеоид.

3. Общий земной эллипсоид, референц-эллипсоид.

4. Параметры земного эллипсоида.

5. Система прямоугольных пространственных координат X, Y, Z.

6. Система геодезических координат B, L.

7. СК 1942.

8. ПЗ-90.

9. WGS-84.

Лекция 13

Картографические проекции

Проблема изображения земной поверхности на плоскости решается в два этапа:

1. Неправильная физическая поверхность Земли отображается на математически

правильную поверхность (поверхность относимости).

2. Поверхность относимости отображается на плоскости (по тому или иному за-

кону).

В результате получаются картографические проекции.

Картографическая проекция – определенный способ отображения одной поверхности

на другую, устанавливающий аналитическую зависимость между координатами точек эллип-

соида (сферы) и соответствующих точек плоскости.

Рассмотрим классификацию проекций по трем основным признакам: по характеру ис-

кажений; по виду нормальной сетки меридианов и параллелей и ориентировке карто-

графической сетки.

По характеру искажений проекции делятся на:

– равноугольные,

– равновеликие

– и произвольные.

В равноугольных проекциях сохраняется подобие бесконечно малых частей изображе-

ния.

В равновеликих проекциях сохраняется постоянным отношение площадей на карто-

графируемой поверхности и на плоскости.

Если картографическая проекция не обладает ни свойством равноугольности, ни свой-

ством равновеликости, то она относится к группе произвольных. В этих проекциях искажа-

ются углы и площади.

Среди произвольных проекций следует выделить проекции равнопромежуточ-

ные, в которых сохраняется постоянным экстремальный масштаб длин по одному из главных

направлений.

Нормальной сеткой называется сетка меридианов и параллелей, которая получается в

случае, когда полюс используемой системы координат совпадает с географическим полюсом;

проекции с такой сеткой называются нормальными.

Классификация проекций по виду нормальной сетки разработана В.В. Каврайским. Её

достоинство – простота и наглядность, однако многие проекции, используемые для создания

карт в настоящее время, не находят своего места в этой классификации.

По виду нормальной сетки картографические проекции подразделяются на следующие

классы:

– конические,

– цилиндрические,

– азимутальные,

– псевдоконические,

– псевдоцилиндрические,

– псевдоазимутальные,

– поликонические,

– производные (условные).

Нормальными коническими называются проекции (рисунок 13.1), в которых картогра-

фическая сетка имеет следующий вид: меридианы – прямые, сходящиеся в одной точке под

углами, пропорциональными разности долгот соответствующих меридианов, а параллели –

дуги концентрических окружностей, центр которых находится в точке схода меридианов.

Если представить, что точка схода меридианов удалится в бесконечность, то паралле-

ли превратятся в прямые линии и вместо конической проекции получим цилиндрическую.

Нормальные цилиндрические проекции (рисунок 13.2) имеют наиболее простую кар-

тографическую сетку; меридианы изображаются в них равноотстоящими параллельными пря-

мыми, а параллели – параллельными прямыми, ортогональными меридианам.

Рисунок 13.1 – Нормальная коническая проекция

Рисунок 13.2 – Нормальная цилиндрическая проекция

В азимутальных проекциях (рисунок 13.3) меридианы нормальной сетки – прямые, пе-

ресекающиеся в одной точке под углами, равными разности долгот соответствующих мери-

дианов, параллели – концентрические окружности с центром в точке пересечения ме-

ридианов.

Эти проекции применяют для изображения территорий округлой формы, чаще всего

для карт мелкого масштаба.

Рисунок 13.3 – Нормальная азимутальная проекция

Рисунок 13.4 – Псевдоцилиндрическая проекция

В псевдоцилиндрических проекциях (рисунок 13.4) параллели – прямые линии, перпен-

дикулярные к прямолинейному осевому меридиану, остальные меридианы – кривые (сину-

соиды, эллипсы), симметричные относительно осевого. Сетка проекций неортогональна, по-

этому по характеру искажений псевдоцилиндрические проекции могут быть только равнове-

ликими и произвольными.

В проекциях псевдоконических (рисунок 13.5) нормальная сетка имеет следующий вид:

параллели – дуги концентрических окружностей, а меридианы – кривые, симметричные от-

носительно осевого прямолинейного. Сетка проекции неортогональна, поэтому по характеру

искажений эти проекции могут быть только равновеликими и произвольными; ортогональ-

ность сохраняется на осевом меридиане и на средней параллели с широтой

ϕϕ

Рисунок 13.5 – Псевдоконическая проекция

Рисунок 13.6 – Нормальная псевдоазимутальная проекция

Псевдоазимутальные проекции (рисунок 13.6) появились в советской картографии

сравнительно недавно. Параллели нормальной сетки этих проекций являются концентриче-

скими окружностями, а меридианы кривыми, за исключением двух, взаимно перпендикуляр-

ных, которые служат осями симметрии.

Поликонические проекции (рисунок 13.7) широко применяются в современной карто-

графической практике, особенно для карт мира. В этих проекциях параллели изображаются

дугами эксцентрических окружностей, а меридианы – кривыми, симметричными относитель-

но осевого прямолинейного меридиана и экватора.

Рисунок 7 – Поликоническая проекция

Частными вариантами поликонических проекций являются круговые проекции, в кото-

рых параллели и меридианы изображаются дугами эксцентрических окружностей.

Кроме рассмотренных классов существует ещё большой класс производных (услов-

ных) проекций, которые получают, видоизменяя имеющиеся проекции в соответствии с по-

ставленными условиями. Этот класс проекций непрерывно пополняется.

Кроме нормальных проекций существуют проекции косые и поперечные. В основу

этого подразделения положено значение широты полюса сферической системы координат

(

ϕϕ

). При

ϕϕ

= 90° получают нормальные проекции, при

ϕϕ

= 0° — поперечные, при

0°<

ϕϕ

<90° — косые.

Контрольные вопросы

1. Классификация картографических проекций по характеру искажений.

2. Классификация картографических проекций по положению полюса сферической

системы координат

3. Классификация проекций по виду нормальной картографической сетки.

4. Цилиндрические проекции.

5. Азимутальные проекции.

6. Конические проекции.

7. Круговые проекции.