Глобальные системы позиционирования

Для выполнения топографо-геодезических работ в заданной системе координат одним из важнейших требований является наличие пунктов государственной геодезической сети (ГГС) в непосредственной близости от точки съемки. Однако на огромных территориях нашей страны такие пункты отсутствуют (они там не создавались либо разрушились).

Кроме того, существуют задачи, когда применение геодезических методов снятия координат невозможно, например, в движении, на борту воздушного или водного судна.

Для решения вышеприведенных задач предназначены глобальные системы позиционирования. В настоящее время функционируют американская система GPS (Global Positioning System) и российская глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Кроме того, сейчас готовится к эксплуатации европейская система Galileo.

Все эти системы состоят из трех основных подсистем: 1) наземного контроля и управления; 2) созвездия космических аппаратов; 3) аппаратуры пользователей.

Подсистема наземного контроля и управления состоит из 1) станций слежения за спутниками, 2) службы точного времени, 3) главной станции с вычислительным центром и станции загрузки данных на борт спутников.

Спутники проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранная на станциях слежения информация об орбитах спутников используется для прогнозирования точного положения спутников на орбите. Вся совокупность сведений о траекториях всех спутников называется альманахом и загружается на все спутники сразу.

В спутниковых системах GPS и ГЛОНАСС имеется по 24 основных работающих и несколько резервных спутников (рис. 3.46), которые равномерно распределены в околоземном пространстве на высотах около 20 тыс. км в 6 и 3 орбитальных плоскостях соответственно (рис. 3.47). В системе Galileo будет 27 основных и 3 резервных спутника, расположенных на высоте 23 200 км.

На каждом спутнике установлены солнечные батареи, маневровые двигатели, атомные эталоны частоты-времени, а также приемо-передатчики радиосигналов.

Для измерения дальностей передатчики на всех спутниках излучают радиоволны на двух частотах и с длинами волн 19,0 и 24,4 см в системе GPS и на волнах близких к 19 и 24 см (каждый спутник работает на своих волнах) в системе ГЛОНАСС, кроме того, планируется ввести также третью частоту с длиной волны 25,5 см.

 

Рис. 3.46. Российский навигационный спутник Глонасс-М, введенный в эксплуатацию в октябре 2004 г.

 

а) б)

 

Рис. 3.47. Орбитальные созвездия GPS (а) и ГЛОНАСС (б)

 

Различные частоты нужны, чтобы исключить из измерений существенные временные задержки, возникающие при прохождении радиоволн через ионосферу.

В основе аппаратуры пользователя лежит спутниковый приемник (обобщенно называемый GPS-приемником, вне зависимости от того, в какой системе он работает, в GPS, ГЛОНАСС или в Galileo), который совместно с передатчиком на спутнике образует радиодальномер. Приемник принимает радиоволны, передаваемые спутником, и сравнивает их с электрическими колебаниями, выработанными в самом приемнике. В результате определяется условное время распространения радиоволн, а следовательно, и дальность от приемника до спутника. Дальность определяется двумя способами: кодовым методом (стандартная точность) и фазовым методом (более высокая, «геодезическая», точность).

Кроме того, от спутника в приемник пользователя периодически (раз в два часа) передается так называемое навигационное сообщение, содержащее необходимую для определения координат информацию.

Современные приемники бывают ориентированными на использование только одной спутниковой системы - GPS или ГЛОНАСС, но бывают и комбинированные, при этом примерно в 2 раза возрастает количество доступных спутников, а следовательно, и повышается точность определения координат - примерно в 1,5 раза (рис. 3.48).

а) б) в)

 

Рис. 3.48. Навигационный GPS-приемник Garmin Etrex Legend (а), геодезический GPS-приемник Trimble R8 (б), комбинированый приемник GPS/ГЛОНАСС (в)

 

Приемники бывают кодовыми и кодово-фазовыми. Первые из них являются очень компактными (умещаются на ладони) и совмещают в одном корпусе приемник, антенну и источник питания. Такие приемники часто называют навигационными, т.к. они выдают относительно неточные координаты. В целом эти приемники достаточно дешевы и потому доступны для массового применения.

Фазово-кодовые приемники позволяют достигать гораздо большей точности координат. Они также являются очень компактными, но с отдельной выносной антенной; часто имеют внешние аккумуляторы и отдельные клавиатуру и дисплей. В случае, когда фазово-кодовые приемники работают в паре со вторым приемником в так называемом дифференциальном режиме, то возможно достижение точности до 1-2 сантиметров.

В силу определенных особенностей определения координат приемники глобальных систем позиционирования могут измерять координаты одной точки достаточно долго. Чем больше времени отводится на съемку, тем точнее результат. В навигационных приемниках определение координат выполняется достаточно быстро (секунды), однако точность составляет метры и даже десятки метров. В геодезических приемниках время установления координат может составлять от 5 минут до одного часа. Причем время и точность съемки существенно зависит от количества доступных на небосводе спутников.

Именно поэтому, из-за большого времени точной съемки координат, глобальные системы позиционирования используются в топографо-геодезических работах не для сплошной съемки всех объектов на местности, а только для установления координат небольшого количества специальных точек, выбираемых в качестве альтернативы необходимым, но отсутствующим пунктам государственной геодезической сети.

Навигационные же приемники могут быть использованы для массовой съемки точек, т.к. время съемки достаточно мало. Одно из применений навигационных приемников - это съемка осей автомобильных дорог для нанесения на мелкомасштабные карты. Одним из недостатков работы GPS-приемников в движении является снижение точности измерений и возможная временная потеря видимости некоторых спутников, например, при проезде автомобиля с GPS-приемником через густой лес, в низине или в тоннеле. Для исключения прерывания съемки координат в последнее время GPS-приемники начинают комбинировать с так называемыми инерциальными навигационными системами (ИНС), в которые встроены гироскопы и акселерометры, позволяющие достаточно точно измерять направление и скорость движения. Тогда при временной потере связи со спутниками данные о перемещениях получают от ИНС.

Фото и видеосъемка

Последнее время, в связи с появлением дешевых цифровых фото- и видеокамер и стремительным ростом объемов жестких дисков компьютеров, получила широкое распространение технология визуального сопровождения пространственных объектов. Следует отметить несколько основных вариантов этой технологии:

1. Отдельные снимки местности, сделанные обычными фотоаппаратами из какой-то точки пространства в одном направлении. Такие снимки служат обычным информационным дополнением к атрибутам пространственных объектов в базе данных.

2. Панорамные снимки позволяют осматривать местность, находясь в фиксированной точке пространства и поворачивая угол зрения по азимуту в любом направлении. Панорамные снимки делаются с помощью специальных панорамных объективов, либо с помощью специальной обработки нескольких снимков, сделанных в 4-х (иногда более) противоположных направлениях. В памяти компьютера такие снимки хранятся в виде обычных растровых изображений, существенно вытянутых по горизонтали (рис. 3.49, а). При изменении пользователем азимута просмотра на экран выводится только определенная часть снимка (рис. 3.49, б).

 

(а)

 

(б)

 

Рис. 3.49. Пример панорамного снимка (а - исходный снимок, б - окно просмотр снимка)

 

3. Снимки окружающей среды позволяют осматривать местность, находясь в фиксированной точке пространства и поворачивая угол зрения в любом направлении - влево-вправо и вверх-вниз. Такие снимки чаще используются внутри помещений, а также на местности, когда вблизи имеются сложные или высокие объекты. Такого рода снимки обычно делаются на основе 6 обычных квадратных фотоснимков, сделанных в 3 взаимноперпендикулярных направлениях (рис. 3.50). При выводе изображения на экран программа на ходу формирует из этих 6 снимков требуемое изображение, как будто пользователь смотрит в направлении заданного азимута и вертикального угла. В настоящее время поддержка такого рода снимков (кубических карт среды) реализована аппаратно на уровне видеокарт и доступна через интерфейсы DirectX 8.x/9.x и OpenGL 1.x.

 

 

Рис. 3.50. Пример набора снимков окружающей среды (кубическая карта)

 

4. Последовательности фотоснимков, сделанные вдоль некоторой траектории, например, вдоль автомобильной дороги с движущегося автомобиля. Такие последовательности снимков обычно делаются через некоторое фиксированное расстояние на местности (например, через 10 или 30 м), а каждый снимок имеет четкую пространственную привязку в виде абсолютных (x, y) или линейных (пикет, смещение) координат, получаемых с помощью GPS-приемников или иным способом (рис. 3.51). Геоинформационные системы, в которые включены функции работы с последовательностями фотоснимков, обычно позволяют: 1) выполнять навигацию по фотоснимкам как по видеофильму и одновременно показывать положение точки съемки на местности; 2) указывать точку на карте, переводить её координаты в линейные и отображать соответствующий фотоснимок.

5. Видеосъемка по траектории. Данная технология является в целом аналогичной предыдущей (последовательности фотоснимков), только съемка выполняется на цифровую видеокамеру формата MiniDV. Видеосъемка позволяет в целом получить большее количество отдельных кадров, чем в фотосъемке, однако гораздо худшего качества. Низкое качество вызывается, во-первых, меньшим разрешением изображения (только 720 x 576 = 0,4 мегапикселей в стандарте MiniDV, тогда как сейчас широко доступны фотокамеры с матрицами 2, 3, 4, 6, 8 мегапикселей и больше), во-вторых, чересстрочной разверткой, что в движении, по сути, уменьшает вертикальное разрешение изображения в два раза. С другой стороны, видеосъемка, несмотря на большее общее число кадров, требует меньшего объема памяти для своего хранения (из-за меньшего разрешения кадров и из-за особенностей алгоритмов сжатия видеоизображений). Всё это позволяет создавать очень большие архивы видеоданных.

 

Рис. 3.51. Пример последовательности снимков автомобильной дороги

 

6. Ситуационная видеосъемка используется обычно для осмотра небольших участков местности. Такие видеоролики служат информационным дополнением к атрибутам пространственных объектов в базе данных.

Форматы данных

Большинство ГИС-приложений получает пространственные данные в виде уже готовых наборов. В п. 3.5 были кратко охарактеризованы основные источники пространственных данных. При этом следует отметить, что такие данные зачастую создаются отнюдь не в ГИС, а в некоторых других классах программ.

Так, растровые данные зачастую поступают в ГИС в виде готовых файлов, получаемых с цифровых фотоаппаратов, со сканеров или из других источников. Большинство ГИС не обладает достаточными средствами для глубокой обработки растровых изображений, а потому растры обычно обрабатываются в особом классе программ для обработки ДДЗ (такие программы могут быть растровыми ГИС, но совсем не обязательно). После соответствующей обработки растры уже поступают в ГИС.

Векторные данные также часто создают в других программах. Например, данные геодезических изысканий обычно обрабатываются вне ГИС в специализированных программах. Векторизация растровых данных в настоящее время также наиболее качественно выполняется в специализированных программах - векторизаторах.

Кроме того, так исторически повелось, что многие крупномасштабные карты создаются в программах класса САПР. Дело в том, что модели данных в САПР гораздо богаче, нежели в ГИС (это разница заметна именно в крупном масштабе); кроме того, САПР предоставляют более полные инструменты для ввода и редактирования геометрических данных, а также они более широко распространены, чем ГИС.

Справедливости ради надо отметить, что САПР не могут заменить ГИС, т.к. в большинстве САПР отсутствуют такие фундаментальные средства ГИС, как работа с атрибутами объектов, средства пространственного анализа, поддержка проекций и пр.

В силу вышесказанного, для любой ГИС является очень важным вопрос импорта пространственных данных, созданных в других программах, а также экспорта данных в другие программы.

Все форматы, используемые в ГИС, можно разделить на внутренние и обменные. Внутренние форматы обычно имеют закрытую структуру, и другие приложения, как правило, не могут их читать и создавать.

Импорт данных в ГИС выполняется с помощью файлов в обменных форматах. Эти файлы создаются в других программах, а в ГИС импортируются и при необходимости преобразуются во внутренний формат ГИС.

Рассмотрим основные векторные форматы файлов, используемых в ГИС для работы и обмена данными с другими приложениями.

1. Шейп-файлы. Эти файлы являются стандартным обменным форматом для представления векторных нетопологических данных от фирмы ESRI, Inc (производитель ArcGIS, ArcView, ARC/INFO). В этом файле можно представлять точки, мультиточки, линии или полигоны, при этом в одном файле смешивать фигуры разного типа запрещено. Все фигуры могут представляться с координатами в 2-мерном (X, Y), 3-мерном (X, Y, мера M) и 4-мерном (X, Y, Z, мера M) пространстве.

В шейп-файлах для фигур можно задать атрибуты, причем все фигуры будут иметь одинаковый набор атрибутов. Допустимы атрибуты числовые, логические, даты и строки.

Каждый шейп-файл сохраняется в виде трёх обязательных файлов: 1) с расширением.SHP для представления геометрии, 2) с расширением.DBF для представления атрибутики (этот файл хранится в формате dBase III), 3) с расширением.SHX для представления вспомогательных индексов.

В настоящее время формат шейп-файлов поддерживается большинством производителей ГИС в качестве обменного, а иногда даже в качестве основного (внутреннего) формата.

2. Покрытия ARC/INFO. Этот формат является стандартным для представления векторных топологических данных (покрытий) от фирмы ESRI. Формат поддерживается некоторыми другими компания, но он не сильно распространён, т.к. является закрытым.

Некоторым недостатком этого формата является то, что он состоит из множества файлов, находящихся в отдельном каталоге. Это не очень удобно при копировании, архивировании и т.д.

3. Обменный формат покрытия ARC/INFO (файлы с расширением.E00). Формат является открытым обменным эквивалентом файла покрытия. Он состоит только из одного файла, что достаточно удобно. Формат является текстовым, в силу чего размер файла E00 получается существенно больше по сравнению с обычным покрытием ARC/INFO.

4. Обменный формат MapInfo (файлы с расширением.MIF). Этот формат является стандартным форматом обмена векторными нетопологическими данными от фирмы MapInfo, Inc (США). Формат поддерживается большинством современных ГИС.

5. Форматы F1M и SXF. Эти форматы являются российским изобретением для представления электронных карт, а потому поддерживаются только некоторыми российскими ГИС. Формат F1M является стандартом Роскартографии, а SXF - стандартом Военно-топографической службы.

6. Формат DWG. Этот формат является стандартным форматом для представления чертежей в системе автоматизированного проектирования AutoCAD от фирмы Autodesk, Inc (США). В геоинформационных системах этот формат используется обычно только для того, чтобы прочитать чертеж и подложить его на карту в качестве слоя. Если ГИС предполагает выполнять пространственный анализ объектов чертежа DWG, то из чертежа читаются только точки, линии и полигоны.

Формат DWG долгое время оставался закрытым форматом, а потому был недоступен для чтения и создания во многих других программах. Начиная с 13-й версии AutoCAD, формат DWG был раскрыт и теперь доступен для широкого использования.

7. Обменный формат DXF. Этот формат изначально был задуман как открытый обменный эквивалент формата DWG. В настоящее время, когда формат DWG раскрыт, единственным достоинством формата DXF является то, что он является текстовым, а потому его достаточно просто создавать и читать.

8. Формат DGN. Этот формат является стандартным форматом для представления чертежей в системе автоматизированного проектирования Microstation от фирмы Bentley, Inc (США). В ГИС этот формат используется обычно только в режиме чтения, чтобы загрузить чертеж и положить его на карту в качестве слоя. Если ГИС предполагает выполнять пространственный анализ объектов чертежа DGN, то из чертежа читаются только точки, линии и полигоны. Этот формат является менее распространенным, нежели DWG, тем не менее поддерживается многими зарубежными ГИС.

9. Формат EMF (Enhanced Windows Metafile). Этот формат используется в ГИС, только чтобы передать графическое изображение слоя или всей карты в другие программы.

10. Стандартные растровые файлы (с расширениями.BMP,.JPG,.PCX,.TIF,.GIF,.PNG и др.). Эти форматы являются самыми обычными для хранения растровых изображений в среде Windows. Особенностью применения растров в ГИС является то, что на карте растры должны иметь геопривязку, указывающую, какому месту географического пространства соответствует растр. А такая информация отсутствует в обычных растровых форматах, поэтому её зачастую приходится вводить вручную при загрузке растра в ГИС. Еще одним недостатком типичных растровых форматов является то, что они малопригодны (очень медлительны) для работы с огромными растрами, типичными для ГИС, а также то, что они не позволяют работать с многозональными данных дистанционного зондирования.

11. Формат ERDAS Imagine (файлы с расширением.IMG). В этом формате возможно сохранение растровых данных с любым количеством слоёв совместно и параметрами геопривязки. При необходимости в этом файле сохраняется дополнительная пирамидальная структура, позволяющая очень быстро просматриваться данные в любом масштабе вне зависимости от реального (даже огромного) размера файла.

12. Формат GeoTIFF. Этот формат является развитием широко распространенного растрового формата TIFF. Формат GeoTIFF дополняет растр параметрами геопривязки. Недостатком данного формата (впрочем, как и его предшественника TIFF) является невысокая степень сжатия данных, не позволяющая интерактивно работать с растрами больших размеров.

13. Форматы Mr.SID и ECW. Эти форматы были изначально созданы для работы с растрами больших размеров в среде ГИС. Форматы отличаются гораздо более высоким уровнем сжатия (использует метод вейвлет-сжатия), нежели в других распространенных форматах данных. Кроме того, данные в файлах Mr.SID и ECW организованы так, что из файла можно очень быстро извлечь любой фрагмент растра в любом требуемом разрешении.

Вопросы для самопроверки

1. Какие системы координат используются в ГИС?

2. Что такое картографическая проекция?

3. Какие виды проекций бывают по характеру искажений?

4. Что такое анаморфизм?

5. Что такое картографическая и координатная сетки?

6. Что такое разграфка карт?

7. Какая система координат, проекция и какая номенклатура карт используется в Российской Федерации для составления топографических карт?

8. Каковы основные виды источников пространственных данных для ГИС?

9. Что такое векторизации и каковы её основные этапы выполнения?

10. Что такое ДДЗ?

11. Какие глобальные системы позиционирования сейчас существуют и создаются?

12. Как используется в ГИС фото- и видеосъемка?