Сферы применения ГИС 3 страница

Рис. 6.1 - TIN модель

Триангуляция Делоне в приложении к двумерному пространству формулируется следующим образом: система взаимосвязанных неперекрывающихся треугольников имеет наименьший периметр, если ни одна из вершин не попадает внутрь ни одной из окружностей, описанных вокруг образованных треугольников (рис.6.2).

Образовавшиеся треугольники при такой триангуляции максимально приближаются к равносторонним треугольникам. Каждая из сторон образовавшихся треугольников из противолежащей вершины видна под максимальным углом из всех возможных точек соответствующей полуплоскости. Интерполяция выполняется по образованным ребрам.

Отличительной особенностью и преимуществом триангуляционной модели является то, что в ней нет преобразований исходных данных. С одной стороны, это не дает использовать такие модели для детального анализа, но с другой стороны, исследователь всегда знает, что в этой модели нет привнесенных ошибок, которыми грешат модели, полученные при использовании других методов интерполяции. Немаловажен и тот факт, что это самый быстрый метод интерполяции. Однако, если в ранних версиях большинства ГИС триангуляционный методы был основной, то сегодня большое распространение получили модели в виде регулярной матрицы значений высот.

Рис. 6.2 - Триангуляция Делоне

GRID – модель, представляет собой регулярную матрицу значений высот, полученную при интерполяции исходных данных. Для каждой ячейки матрицы высота вычисляется на основе интерполяции. Фактически это сетка, размеры которой задаются в соответствии с требованиями точности конкретной решаемой задачи. Регулярная сетка соответствует земной поверхности, а не изображению.

При использовании GRID-модели существует некоторая сложность в выборе интервала между точками. Например, участки поверхности могут быть как сильно пересеченными, так и выположенными. В первом случае необходимо большее количество точек на единицу площади.

Рис. 6.3 - Плотность точек в модели GRID

TGRID (triangulated grid) – модель, сочетающая в себе элементы моделей TIN и GRID. Такие модели имеют свои преимущества, например, позволяют использовать дополнительные данные для описания сложных форм рельефа (обрывы, скальные выступы).

Восстановление поверхностей реализуется на основе интерполяции исходных данных.

Интерполяция – восстановление функции на заданном интервале по известным ее значениям конечного множества точек, принадлежащих этому интервалу.

В настоящее время известны десятки методов интерполяции поверхностей, наиболее распространенные: линейная интерполяция; метод обратных взвешенных расстояний, кригинг; сплайн-интерполяция; тренд-интерполяция.

Кригинг. Метод интерполяции, который основан на использовании методов математической статистики.

Рис. 6.4 - Элементы кригинга:

1 - тренд, 2 - случайные, но пространственно связанные высотные колебания, 3 - случайный шум.

В его реализации применяется идея регионализированной переменной, т.е. переменной, которая изменяется от места к месту с некоторой видимой непрерывностью, поэтому не может моделироваться только одним математическим уравнением.

Поверхность рассматривается в виде трех независимых величин. Первая - тренд, характеризует изменение поверхности в определенном направлении. Далее предполагается, что имеются небольшие отклонения от общей тенденции, вроде маленьких пиков и впадин, которые являются случайными, но связанными друг с другом пространственно.

Наконец, имеется случайный шум (например, валуны). С каждой из трех переменных надо оперировать в отдельности.

Тренд оценивается с использованием математического уравнения, которое наиболее близко представляет общее изменение поверхности, во многом подобно поверхности тренда.

Ожидаемое изменение высоты измеряется по вариограмме, на которой по горизонтальной оси откладывается расстояние между отсчетами, а на вертикальной - полудисперсия. Полудисперсия определяется как половина дисперсии между значениями высоты исходных точек и высот соседних точек. Затем, через точки данных, проводится кривая наилучшего приближения. Дисперсия в какой-то момент достигает максимума и остается постоянной (выявляется предельный радиус корреляции).

Интерполяция методом кригинга в большинстве случаев дает хорошие результаты, даже когда плотность исходных точек не велика. Однако, при некотором расположении точек возможно появление резких пиков и впадин.

Метод обратных взвешенных расстояний. Этот метод основан на предположении, что чем ближе друг к другу находятся исходные точки, тем ближе их значения. Для точного описания топографии набор точек, по которым будет осуществляться интерполяция, необходимо выбирать в некоторой окрестности определяемой точки, так как они оказывают наибольшее влияние на ее высоту.

Это достигается следующим образом. Вводится максимальный радиус поиска или количество точек, ближайших по расстоянию от начальной (определяемой) точки. Затем значению высоты в каждой выбранной точке задается вес, вычисляемый в зависимости от квадрата расстояния до определяемой точки. Этим достигается, чтобы более близкие точки вносили больший вклад в определение интерполируемой высоты по сравнению с более удаленными точками.

Тренд интерполяция. В некоторых случаях исследователя интересуют общие тенденции поверхности, которые характеризуются поверхностью тренда.

Аналогично методу обратных взвешенных расстояний для поверхности тренда используется набор точек в пределах заданной окрестности. В пределах каждой окрестности строится поверхность наилучшего приближения на основе математических уравнений, таких как полиномы или сплайны.

Поверхности тренда могут быть плоскими, показывая общую тенденцию или более сложными. Тип используемого уравнения или степень полинома определяет величину волнистости поверхности. Например, поверхность тренда первого порядка будет выглядеть как плоскость, пересекающая под некоторым углом всю поверхность. Если поверхность имеет один изгиб, то такую поверхность называют поверхностью тренда второго порядка.

Сплайн интерполяция. Возможность описания сложных поверхностей с помощью полиномов невысоких степеней определяется тем, что при сплайн интерполяции вся территория разбивается на небольшие непересекающиеся участки.

Аппроксимация полиномами осуществляется раздельно для каждого участка. Обычно используют полином третьей степени - кубический сплайн. Затем строится общая функция "склейки" на всю область, с заданием условия непрерывности на границах участков и непрерывности первых и вторых частных производных, т.е. обеспечивается гладкость склеивания полиномов.

Сглаживание сплайн-функциями особенно удобно при моделировании поверхностей, осложненных разрывными нарушениями, и позволяет избежать искажения типа "краевых эффектов".

7 ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА

7.1 Основные процессы

Основными процессами построения ЦМР по картам являются:

1) Преобразование исходных карт в растровые изображения, т.е. сканирование. При сканировании важным является выбор разрешения получаемого изображения, излишне высокое разрешение требует больших объемов памяти для хранения исходной информации, в тоже время разрешение должно обеспечить необходимую точность сбора информации, которая определяется целями формирования ЦМР.

2) Монтаж растровых фрагментов. Монтаж или "сшивка" - это стыковка нескольких изображений произвольной формы в одно таким образом, чтобы границы между исходными изображениями были незаметны. При монтаже осуществляется геопривязка растровых данных. В ГИС имеются различные модули для решения этой задачи.

3) Векторизация растрового изображения. Векторизация, или дигитализация горизонталей может выполняться в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. Для различных ГИС разработаны отдельные модули, реализующие эту задачу в автоматических режимах, например, Мар Еdit.

4) Формирование ЦМР. ЦМР создается на основе методов интерполяции и может быть представлена в разных форматах.

5) Визуализация результатов. ЦМР обеспечивает визуализацию информации о поверхностях в разных формах.

7.2 Требования к точности выполнения процессов

В общем случае можно сказать, что чем больше исходных точек, тем более точной будет интерполяция и тем с большей вероятностью построенная модель поверхности будет адекватно отображать земную поверхность.

Однако, существует предел числу точек (дискретности), поскольку для любой поверхности излишнее количество точек обычно не улучшает существенно качество результата, но лишь увеличивает объем данных и время вычислений. В некоторых случаях избыточные данные в отдельных областях могут приводить к неравномерному представлению поверхности и, следовательно, неодинаковой точности. Другими словами, большее число точек не всегда повышает точность.

Конечно, чем сложнее поверхность, тем больше исходных точек требуется. А для сложных объектов, таких как впадины и долины рек, требуются дополнительные точки, чтобы гарантировать представление с достаточной детальностью. Особая проблема интерполяции точек на границе исследуемых областей, например, граница листа карты. В этом случае следует для интерполяции использовать большую область перекрытия соседних листов.

7.3 Использование ЦМР

ЦМР важны для решения целого ряда прикладных экологических задач.

ЦМР особенно могут быть использованы для прогнозирования чрезвычайных ситуаций, например наводнений, оценки степени нарушенности ландшафтов и т.д.

По результатам анализа ЦМР средствами ГИС получают карты углов наклона (уклонов) местности и экспозиций склонов, формируют продольные и поперечные профили по заданному направлению, выполняют оценку зон видимости с намеченных точек обзора и др. Для отображения ЦМР используют разные формы.

8 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ВИЗУАЛИЗАЦИИ

8.1 Электронные карты и атласы

Визуализация (графическое воспроизведение, отображение) - генерация изображений, в том числе и картографических, и иной графики на устройствах отображения (преимущественно на мониторе) на основе преобразования исходных цифровых данных с помощью специальных алгоритмов.

Наиболее компактными и привычным способом представления географической информации остаются карты.

Электронная карта (ЭК) – картографическое изображение, визуализированное на мониторе, на основе цифровых карт или баз данных ГИС.

Электронный атлас (ЭА) – система визуализации в форме электронных карт, электронное картографическое произведение, функционально подобное электронной карте.

Поддерживаются программным обеспечением типа картографических браузеров, обеспечивающих покадровый просмотр растровых изображений карт, картографических визуализаторов, систем настольного картографирования. Помимо картографического изображения и легенд электронные атласы обычно включают обширные текстовые комментарии, табличные данные, а мультимедийные электронные атласы – анимацию, видеоряды и звуковое сопровождение.

Таблицы и графики, включающие различные характеристики объектов (атрибуты) или их соотношения, могут использоваться как самостоятельные или дополнительные к другим средствам визуализации.

Анимации применяют для показа динамических процессов, т.е. последовательный показ рисованных статичных изображений (кадров), в результате чего создается иллюзия непрерывной смены изображений.

8.2 Картографические способы отображения результатов анализа данных

Для отображения результатов анализа данных в ГИС реализованы ряд способов, которые применяют при создании тематических карт.

Способ размерных символов (значков) – анализируемые характеристики объектов отображаются специальными символами, размер которых передаёт количественную информацию, а форма и цвет качественную информацию.

Способ качественного или (количественного) фона – в этом случае группируются данные с близкими значениями и созданным группам присваиваются определенные цвета, типы символов или линий.

Точечный способ – изобразительным средством является множество точек одинакового размера, каждая из которых имеет определенное значение количественного показателя.

Столбчатые и круговые локализованные диаграммы – позволяют отобразить соотношение нескольких характеристик, при этом диаграммы имеют географическую привязку (например, в точке размещения поста наблюдений показывают соотношение загрязняющих веществ).

Способ изолиний – один из широко распространённых способов отображения различных показателей. С их помощью формируют карты изогипс (топографические и гипсометрические), карты изотерм, изобар, изокоррелят и др.

С помощью изолиний выделяются территории, которые характеризуются одинаковыми свойствами (температурами, давлением, осадками, одновременностью наступления событий, равной величиной аномалий, равными скоростями тектонических движений и др.)

При этом различают две группы изолиний: истинные изолинии (характеризуют непрерывное изменение какого-либо показателя, к ним относятся горизонтали) и псевдоизолинии, отображающие данные, имеющие статистическую природу (например, дискретные значения от источников выбросов).

Для представления изолиний применяют разные изобразительные средства: линии разных типов, толщины и цвета, послойная цветовая окраска фона (либо штриховка) промежутков между изолиниями.

8.3 Трехмерная визуализация

Трехмерное изображение поверхности (3D-поверхность) – средство цифрового объемного представления поверхностей в виде проволочных диаграмм, при этом используются различные типы проекции, при этом изображение можно поворачивать и наклонять, используя простой графический интерфейс.

Для отображения рельефа по данным ЦМР могут быть сформированы растровые изображения.

Растровая поверхность (изображение) - формируется по Grid-модели, при этом каждому пикселю присваивается значение, пропорциональное высоте соответствующей ячейки сетки.

Теневой рельеф (аналитическая отмывка рельефа) - растровое отображение ЦМР, при формировании которого кроме высоты каждого участка сетки Grid-модели, учитывается освещенность склонов.

Реализованы возможности совмещения 3D - поверхностей с другими тематическими слоями. Для достижения реалистичности отображения объектов местности 3D-поверхности совмещаются с картографическими или ортоизображениями.

Виртуальная модель местности (ВММ) - модель местности, содержащая информацию о рельефе земной поверхности, ее спектральных яркостях и объектах, расположенных на данной территории, предназначена для интерактивной визуализации.

ВММ позволяет обеспечить эффект присутствия на местности, может быть отображена в виде трехмерной статической сцены (3D-вид) или в режиме имитации полета над местностью, когда наблюдатель находится в точке с заданными координатами.

9 ЭТАПЫ И ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИС

Применение ГИС для решения различных задач, в разных организационных схемах и с разными требованиями, обуславливает разные подходы к процессу проектирования ГИС.

Выделяют пять основных этапов процесса проектирования ГИС.

1. Анализ системы принятия решений. Процесс начинается с определения всех типов решений, для принятия которых требуется информация. Должны быть учтены потребности каждого уровня и функциональной сферы.

2. Анализ информационных требований. Определяется, какой тип информации нужен для принятия каждого решения.

3. Агрегирование решений, т.е. группировка задач, в которых для принятия решений требуется одна и та же или значительно перекрывающаяся информация.

4. Проектирование процесса обработки информации. На данном этапе разрабатывается реальная система сбора, хранения, передачи и модификации информации. Должны быть учтены возможности персонала по использованию вычислительной техники.

5. Проектирование и контроль за системой. Важнейший этап – это создание и воплощение системы. Оценивается работоспособность системы с разных позиций, при необходимости осуществляется корректировка. Любая система будет иметь недостатки, и поэтому её необходимо делать гибкой и приспособляемой.

Геоинформационные технологии призваны автоматизировать многие трудоёмкие операции, ранее требовавшие больших временных, энергетических, психологических и других затрат от человека. Однако разные этапы технологической цепочки поддаются большей или меньшей автоматизации, что в значительной степени может зависеть от правильной постановки исходных задач.

Прежде всего, это формулирование требований к используемым информационным продуктам и выходным материалам, получаемым в результате обработки. Сюда можно отнести требования к распечатке карт, таблиц, списков, документов; к поиску документов и т.д. В результате должен быть создан документ с условным названием "Общий список входных данных".

Следующий шаг – определение приоритетов, очерёдности создания и основных параметров (территориального охвата, функционального охвата и объёма данных) создаваемой системы. Далее устанавливают требования к используемым данным с учётом максимальных возможностей их применения.

10 ТЕМАТИЧНЕ КАРТОГРАФУВАННЯ В ГІС.

По содержанию карты распределяются на общегеографические и тематические.

Тематическими называются карты, основное содержание которых определяется отображаемой конкретной темой, специально посвящены какому-либо элементу или явлению, например, населенным пунктам, климату, почвам, транспорту, событиям истории и т.п. Они подразделяются на карты природных явлений (физико-географические) и карты общественных явлений (социально-экономические) и далее делятся на группы карт более узкой области картографирования, к каждой из которых уже относится ряд карт конкретной тематики.

Например, к группе геологических карт относятся стратиграфические, тектонические, гидрогеологические, металлогенические, инженерно-геологические и другие карты; к группе ботанических карт относятся геоботанические, флористические карты лесов и другие.

В ряде случаев эти карты относятся одновременно к двум различным областям картографирования, например, агрохимические карты могут быть отнесены к почвенным и к геохимическим картам, а сейсмические – к геологическим и к геофизическим картам. Такое "двойное подчинение" встречается и на более высоком уровне.

Например, вся группа медико-географических карт (нозогеографические, медико-географического прогнозирования и др.) может быть отнесено и к картам природных явлений, и к картам общественных явлений.

Тематические карты делятся также и по ширине охвата темы – на общие, отображающие относительно более широкую тему, и частные, или отраслевые, посвященные более узкой теме. Степень широты темы может определяться на разных уровнях, например, карты промышленности по отношению к общеэкономическим являются отраслевыми, а по отношению к картам текстильной промышленности – общими.

10.1 Області застосування тематичних карт.

Карты применяются в науках о Земле для решения самых разнообразных задач. Сейчас трудно назвать какое-либо изыскание в географии, геологии, планетологии, которое обходилось бы без карт. Поэтому перечислить все направления использования карт означало бы дать полный перечень исследовательских задач решаемых в науках о Земле. Впрочем, такой перечень никогда не будет полным.

Геологические карты. Это обширная группа, куда входят карты тектонические, структурные, стратиграфические, метологические четвертичных отложений, гидрологические, полезных ископаемых, сейсмические, неотектонические, охраны геологической среды и др. они используются для познания глобальных, региональных и локальных особенностей строения земной коры, происходящих в ней процессов, поиска полученных ископаемых и т.д.

В последние годы отчетливо появилась тенденция совместного использования геологических карт, аэрокосмических снимков, космофотогеологических карт для познания глобальных геологических систем, особенно литосферных плит и рифтовых зон, а также для поиска полезных ископаемых, оценки современных геологических процессов и опасных явлений.

Геофизические карты. Карты магнитного, гравитационного, сейсмического, электрического, теплового и других физических полей Земли используются для изучения геодинамических явлений и процессов, протекающих в оболочках планеты и в ее ядре, для поисков и разведки полезных ископаемых. По сейсмическим картам определяют расположение качественных и количественных характеристик землетрясений, а также сопутствующие явления.

Карты рельефа. Гипсометрические, геоморфологические, палеогеоморфологические карты используют для изучения морфологии, генезиса, возраста и динамики рельефа суши и морского дна.

По картам решают следующие задачи:

1. Изучение выраженности тектонических, неотектонических структур разного ранга и геофизических аномалий в рельефе, морфоструктурный анализ рельефа;

2. Изучение экзогенных рельефообразующих факторов, эрозионно-аккумулятивных, дефляционных, карстовых, креагенных и других процессов;

3. Прогноз полезных ископаемых;

4. Инженерно -геоморфологическая оценка рельефа для обеспечения разных видов строительства и освоения территории;

5. Изучение рельефа, как главного компонента окружающей среды, его динамики и связей с другими компонентами для планирования и проведения природоохранных мероприятий;

6. Создание цифровых моделей рельефа, как основы банков тематической информации.

По картам рельефа составляется множество производных морфометрических карт: глубины и густоты расчленения, овражности, озерности, закарстованности территории, крутизны, длины, экспозиции и освещенности склонов, кривизны и асимметрии разного порядка, остаточного рельефа, продольных профилей речных долин и их деформаций.

Климатические карты используются, прежде всего, для анализа и прогноза климата территорий и его элементов по месяцам, сезонам, годам, климатическим периодам, эпохам.

По климатическим картам получают картолитрические и математико-статические характеристики климатообразующих факторов, термического режима, увлажнения, ветрового режима, атмосферных явлений..

Одна из главных областей практического применения – оценочные исследования:

а) условий жизни населения, воздействия климата на здоровье людей и возможностей адаптации к неблагоприятным погодно климатическим факторам;

б) агроклиматических условий и влияния колебаний климата на урожайность сельскохозяйственных культур;

в) условий освоения территории для гражданского, промышленного и других видов строительства;

г) рекреационных условий местности.

Гидрологические карты применяются для изучения распределения режима, состава и свойств поверхностных вод суши, водного баланса и ресурсов территорий. Количественная оценка параметров речной и озерной сети структуры речных бассейнов выполняется с помощью хорошо разработанных приемов гидрологической картометрии и морфометрии, топологический анализ гидрологической сети осуществляется методами математико–картографического моделирования.

В числе новых направлений использования гидрологических карт следует отметить изучение малых рек и малых водосборов, динамики водных потоков и водохранилищ.

Практические народно – хозяйственные потребности ведут к разработке методики применения карт для оценки водных ресурсов, прогноза опасных гидрологических явлений, исследования руслового режима рек, изучения влияния стока на интенсивность эрозионных процессов.

Океанологические карты. Использование тематических карт для изучения мирового океана – одна из самых актуальных областей применения картографического метода исследования.

Круг научных и практических задач, решаемых с широким привлечением карт, охватывает:

1) изучение состояния и динамики природы океана: структур и рельефа дна, размеров акваторий и их частей, объемов водных масс и растворенных веществ, геофизических и геохимических полей, климата, биогеографии и др.;

2) анализ взаимодействия океана с литосферой, атмосферой и биосферой, процессов массо- и энергообмена между ними;

3) освоение минеральных и биологических ресурсов моря, прежде всего, в пределах шельфа, обеспечение рыбного промысла;

4) охрану среды океана, особенно наиболее уязвимых прибрежных зон и эстуариев, мониторинг различных видов загрязнения.

Специфика исследований океанических геосистем связана с изучением пространственного распределения всех параметров и процессов не только по горизонтам, но и по вертикали, вглубь, и с большой изменчивостью этих параметров во времени. Поэтому активно разрабатываются трехмерные картографические модели (блок диаграммы и метахронные диаграммы), а также приемы сопоставления карт разных уровней.

Карты почв. Основные направления практического применения карт связаны с кадастровым учетом почвенных ресурсов, экономической оценкой почв, разработкой агрономических мероприятий и мелиорацией, борьбой с почвенной эрозией. Карты почв непосредственно используются на всех этапах сельскохозяйственного освоения территорий.

Широко практикуется изучение почвенных карт совместно с другими картами природы, населения и хозяйства.

Для практических и исследовательских целей очень важны частные почвенные карты, характеризующие отдельные свойства почв: кислотность, солонцеватость, засоление, ощелачивание и т.п., а также прикладные карты.

Карты растительности. Существует 5 главных направлений использования карт растительности:

1. Инвентаризация и оценка растительных ресурсов.

2. Выявление связей растительности с главнейшими факторами окружающей среды, определяющими структуру и динамику растительного покрова.

3. Анализ возможностей сельскохозяйственного освоения территории, условий жизни населения, рекреационного потенциала.

4. Контроль за состоянием и динамикой растительного покрова, степенью ее нарушенности; разработка мер по охране растительного мира и всей окружающей среды.

5. Индикация геологических структур, полезных ископаемых, четвертичных отложений и почв, гидрогеологических и мерзлотных условий, полезных ископаемых и геохимических ареалов.

Зоогеографические карты применяются для инвентаризации, изучения размещения, миграции животных, их связей со средой обитания, для разработки мер по охране и воспроизводству животного мира. В практическом плане имеет значение выявление ареалов и картометрическая оценка ресурсов промысловых животных, определение условий промысла.

Ландшафтные карты. Ландшафтным картам, так же как и картам растительного покрова, принадлежит ведущая роль в комплексных исследованиях природы и взаимодействия человека с окружающей средой.

Социально-экономические карты. В эту обширную группу входят карты населения, экономики и хозяйства, науки, образования и культуры, обслуживания и здравоохранения, истории развития общества. Увеличивается удельный всех карт, синтезирующих природную и социально-экономическую тематику, что отражает усиливающее взаимодействие общества с окружающей средой. Это карты экономической оценки природных ресурсов, агроклиматические, инженерно-географические, оценки условий жизни и отдыха населения и т.д.

Социально-экономические карты используются в науках о Земле и при разработке проектов освоения ресурсов Мирового океана, для экономической оценки ресурсов, планирования мер по их охране и воспроизводству, развитию и размещению воспроизводства, добыче полезных ископаемых на шельфе и т.д. также социально-экономические карты привлекаются для реализации крупных научно-исследовательских программ и проектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС: Учебное пособие – М.: ГИС-Ассоциация, 1997. - 160с.

2. Основы геоинформатики: В 2кн: Учебное пособие для вузов /Е.Г.Капралов, А.В. Кошкарев, В.С. Тикунов и др. – М.: Академия, 2004

3. Демерс, Майкл Н. Географические информационные системы: пер. с англ. – М.: Дата +, 1999

4. Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощеков А.Н. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях – М.:, УМО РФ, 2005. - 349с.

Дата добавления: 2015-06-25