Как географические объекты представляются в гис.

3 Два способа представления географических данных

Географические объекты могут быть представлены в ГИС с помощью двух моде­лей: векторной и растровой.

В векторной модели каждый объект задается строкой в таблице, а форма объек­та определяется парами координат х, у точек в пространстве (ГИС соединяет точки в линии и контуры). Объекты могут быть дискретными местоположениями или собы­тиями, линиями или областями. Местоположения, например, адреса заказчиков или места преступлений, представляются в виде точек с одной парой географических ко­ординат.

Линейные объекты, такие как реки, дороги или трубопроводы, представляются в виде последовательных наборов пар координат.

Площадные объекты определяются их границами и представляются в виде зам­кнутых полигонов. В качестве границ могут использоваться границы, которые до­стоверно установлены, как для участков землепользования, или границы админи­стративного деления, например, округов, или могут использоваться естественные границы, например, границы речных бассейнов. Когда идет процесс ана­лизирования векторных данных, то значительная часть анализа включает работу с атрибутами в таблицах данных для слоев.

В растровой модели объекты представляются в виде ячеек в непрерывном про­странстве. Каждый слой представляет один атрибут (хотя можно присое­динить и другие атрибуты), и большая часть анализа заключается в комбинации растровых слоев, чтобы создавать новые слои с новыми значениями ячеек.

Размер ячеек, который используется, будет влиять на результаты, получаемые при анализе, и на то, как будет выглядеть создаваемая карта. Размер ячеек должен учитывать масштаб исходной карты и минимальные картографические единицы. Исполь­зование слишком больших или маленьких ячеек потребует большего объема памяти для хранения растра и увеличит время на его обработку без существенного повеше­ния точности карты.

Выбор большего размера ячеек (а) отражает общие закономерности, однако при этом теряются неко­торые детали.

Растровое представление (raster data structure, tessellation data structure, grid data st­ructure), син растровая модель данных (raster data model) - цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселов) с присво­енными им значениями класса объекта в отличие от формально идентичного регу­лярно-ячеистого представления как совокупности ячеек регулярной сети (элементов разбиения земной поверхности). Растровое представление предполагает позициони­рование объектов указанием их положения в соответствующей растру прямоуголь­ной матрице единообразно для всех типов пространственных объектов (точек, ли­ний, полигонов и поверхностей); в машинной реализации растровое представление соответствует растровому формату пространственных данных (raster data format). В цифровой картографии растровое представление соответствует матричной форме представления цифровой картографической информации.

Растровая графика - новейшая форма компьютерной графики. В настоящее вре­мя благодаря высокой степени разрешения экранов растрового изображения разли­чают пассивную и интерактивную визуализацию. Распределение растровых точек представляет собой иерархический метод обращения в пространственном хранении данных, при этом область, подлежащая обработке, делится на растровые ячейки оди­наковой величины. Обращение дано через индексы строк и столбцов, которые мож­но организовать как матрицы. Растровые данные обозначают вид геометрического изображения пространственных объектов, при которых объект дискретизируется с равных расстояний, а затем квантуется. Основные области применения сбора рас­тровых данных - цифровая фотограмметрия, дальняя разведка и тематическая кар­тография. Основным звеном в растровом представлении является пиксел.

Пиксел (pixel, pel) - син. пэл, пиксель - сокращение от англ, "picture element" ("элемент изображения") - элемент изображения, наименьшая из его составляющих, получаемая в результате дискретизации изображения (разбиения на далее неделимые элементы - дикреты, ячейки или точки растра); характеризуется прямоугольной фор­мой и размерами, определяющими пространственное разрешение изображения. Для представления тел или многослойных комбинаций изображений (цифровых трехмер­ных изображений) используется его трехмерный аналог - "кубическая" ячейка воксел (voxel от англ, "volume element" или "volume pixel", OBEL). Маргинальный пик­сель, образованный смешением нескольких смежных с ним (соседних) пикселов с отличными от него значениями классов, а также пиксель, не поддающийся отнесению ни к одному из классов заданного их набора, в технологии цифровой обработки изо­бражений получил название пиксель (mixel от англ, "mixed element").

Растровый метод может использовать элементы любой подходящей геометри­ческой формы при условии, что они могут быть соединены для образования сплош­ной поверхности, представляющей все пространство изучаемой области.

 

Как можно изменить порядок слоев в окне Карты?

Как представляются в растровой модели данных в ГИС?

Растровое представление (raster data structure, tessellation data structure, grid data st­ructure), син растровая модель данных (raster data model) - цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек растра (пикселов) с присво­енными им значениями класса объекта в отличие от формально идентичного регу­лярно-ячеистого представления как совокупности ячеек регулярной сети (элементов разбиения земной поверхности). Растровое представление предполагает позициони­рование объектов указанием их положения в соответствующей растру прямоуголь­ной матрице единообразно для всех типов пространственных объектов (точек, ли­ний, полигонов и поверхностей); в машинной реализации растровое представление соответствует растровому формату пространственных данных (raster data format). В цифровой картографии растровое представление соответствует матричной форме представления цифровой картографической информации.

 

Как описывается информация в топологической модели?

Топологическая информация описывается набором узлов и дуг.

Узел - начальная точка или конечная точка дуги в векторно-гопологическом представлении (линейно-узловой модели) пространственных объектов типа линии или полигона; списки или таблицы. Узлы содержат атрибугы, устанавливающие топологическую связь со всеми замыкающимися в нем дугами; узлы, образованные пересечением двух и только двух дуг или замыканием на себя одной дуги, носят название псевдоузлов

Дуга - син. нить - 1. Последовательность сегментов, имеющая начало и конец в узлах; элемент (примитив) векторио-топологических (линейно-узловых) представлений линейных и полигональных пространственных объектов; - 2. кривая, описываемая относительно множества точек некоторыми аналитическими функциями. Дуги образуются последовательностями отрезков, соединенных промежуточными (формообразующими) точками. В этом случае каждая линия имеет два набора чисел: пары координат промежуточных точек и номера узлов. Кроме того, каждая дуга имеет свой идентификационный номер, который используется для указания того, какие узлы прелсгавляют ее начало» конец.

Области, ограниченные дугами, также имеют идентифицирующие их коды, которые используются для определения их отношений с дугами. Далее, каждая дуга содержит явную информацию о номерах областей слева и справа от нее, что позволяет находить смежные области.

 

Как работает GPS?

Вообще GPS - это система из 24 спутников, которые перемещаются по орбитам вокруг земли.

Сам прибор GPS имеет в памяти информацию обо всех этих спутниках. Имея эту таблицу, он может определять до них расстояние.

Основываясь на этих данных, прибор GPS узнает местоположение того или иного объекта. Но не все так просто. Если объект первый раз находится в этой мест­ности или переместился на значительное расстояние 500-1000 км необходимо про­извести инициализацию прибора. Инициализация - это определение спутников, которые участвуют в определении координат. Чем их больше тем лучше, но мини­мальное количество это 3 спутника. Чтобы получать высоту нужно 4 спутника. А во­обще чем больше, тем лучше. Дело в том, что спутник может быть скрыт, например зданием, если объект находится у подъезда.

Принцип работы GPS состоит из 4 основных этапов. Основой GPS является "три­ангуляция" спутников. При "триангуляции" GPS приемник измеряет расстояние, используя время прохождения радиосигналов.

Для измерения этого времени GPS использует очень точный таймер. Вместе с рас­стоянием понадобится точно знать нахождение спутников в космосе. Высокие ор­биты и тщательное управление являются секретной информацией. Далее объяснен каждый этап более подробно.

Этап 1. "Триангуляция" спутников. Разберемся, как измерения расстояния с трех спутников могут точно определить объект в пространстве. Необходимо измерить расстояние от спутника, проделав это получаем, что оно равно 11 000 миль.

Знание того, что объект в 11000 милях от определенного спутника сужает все воз­можные местоположения во всей вселенной к поверхности сферы, которая сосредо­точена на этом спутнике и имеет радиус 11 000 миль.

Далее допустим, что произведено измерение расстояния до второго спутника и установлено, что оно равно 12000 миль. Это говорит о том, что объект находится не только на первой сфере, но также на сфере, которая в 12000 милях от второго спут­ника. Или другими словами, объект находится где-то на окружности, где пересека­ются эти две сферы.

Этап 2. Измерение расстояния от спутника. Если затем произвести измерение от третьего спутника и определить, что объект от него на расстоянии 13 000 миль это сузит данные о положении до двух точек, где сфера 13 000 миль определяет положе­ние с помощью пересечения первых двух сфер.

Таким образом, имея измерения от трех спутников, можно свести местоположе­ние к двум точкам в пространстве.

Чтобы узнать, какая из двух точек является правильной, можно было бы рассчи­тать четвертый коэффициент. Но обычно одна из двух точек является неправдопо­добной (или слишком далекой от Земли, или передвигающейся на нереальной ско­рости) и ее можно опустить без измерения.

Далее рассмотрим, как система измеряет расстояние до спутников.

Как уже говорилось, позиция рассчитывается по расстояниям не менее чем до трех спутников. Но как же можно измерить расстояние до чего-либо, парящего в космо­се? Для этого необходимо определить это по времени прохождения сигнала от спут­ника на приемник.

В случае с GPS измеряем радиосигнал, так что скоростью будет скорость света или, грубо говоря, 186 000 миль в секунду. Задачей является измерение времени про­хождения сигнала. В первую очередь, продолжительность времени должна быть ко­роткой. Если спутник был прямо над объектом, время будет около 0.06 секунд. Итак, понадобятся очень точные часы.

Предположим, есть точные часы, как можно измерить время прохождения? Для этого проведем аналогию: допустим, найден способ, чтобы и спутник, и приемник одновременно заиграли одну песню ровно в 12.00. Если бы звук достиг объект из кос­моса (что, конечно, невозможно) и остался бы затем в приемнике, можно было бы услышать две версии песни, одну с приемника, другую со спутника. Эти две версии не были бы синхронными. Версия, идущая от спутника, была бы с небольшой за­держкой из-за расстояния в 11 000 миль.

Если необходимо узнать время задержки версии со спутника, нужно было бы про­извести задержку версии с приемника, пока они не были бы абсолютно синхронны. Время, на которое задержалась версия приемника, равнялось бы времени прохожде­ния версии спутника. Итак, просто умножаем это время на скорость света и получим расстояние до спутника. Вот, в основном, как работает GPS.

Спутники и приемники используют так называемый "Псевдослучайный Код" (Pseudo Random Code (PRC)), который является фундаментальной частью GPS. Это очень сложный цифровой код или, другими словами, сложная последовательность импульсов "on" и "off':

Сигнал настолько сложен, что выглядит как случайный электрический шум. От­сюда и название "Псевдослучайный".

Существует несколько причин для такой сложности: во-первых, приемник не синхронизируется случайно с любым другим сигналом. Во-вторых, маловероятно, что случайный сигнал будет иметь точно ту же самую форму. Благодаря тому, что каждый спутник имеет свой псевдослучайный код, это гарантирует, что приемник не примет случайно сигнал с другого спутника.

Этап 3. Абсолютное измерение времени. На спутниках стоят невероятно точные атомные часы, поэтому время они измеряют идеально.

Как же насчет приемников на земле? Разработчики GPS изобрели технологию, позволившую получить почти такие же точные часы. Это означает, что каждый GPS приемник является по существу часами с атомной точностью.

Секрет подобной точности заключается в дополнительном вычислении. Как толь­ко происходит сдвиг от универсального времени, приемники производят корректи­ровку для синхронизации часов и определения точной позиции. Чтобы это условие выполнялось необходимо, чтобы приемник имел не менее четырех каналов для од­новременных измерений.

Этап 4. Определение спутников в космосе. GPS спутники вращаются на очень точ­ных орбитах, в соответствии с главным планом Воздушных Сил. Главное условие - минимум 5 спутников должны быть видны в любой точке планеты. Во все земные GPS приемники запрограммирован календарь нахождения каждого спутника в не­бе, секунда и секунду.

Министерство Обороны США постоянно контролирует спутники, проверяя их положение и скорость.

Каковы источники погрешности при определении местоположения? Основным источником можно считать наличие, так называемого, режима "ограниченного до­ступа". В этом режиме в сигналы спутников Министерством обороны США априор­но вводится погрешность, позволяющая определять местоположение с точностью 30 - 100 м, хотя принципиально точность GPS-системы может достигать нескольких сантиметров.

Другими источниками погрешности являются неудачная геометрия взаимного расположения спутников, многолучевое распространение радиосигналов (влияние ереотраженных радиоволн на приемник), ионосферные и атмосферные задержки сигналов и др.

Дифференциальная коррекция - это метод, который значительно увеличивает точ­ность собираемых GPS-приемником данных. Используя такой метод, можно опре­делить местоположение буквально до сантиметров.

В этом случае один приемник расположен в точке с известными координатами (базовая станция), а второй приемник собирает данные в точке с неизвестными ко­ординатами (передвижной приемник).

Так как координаты базовой станции известны, то она может вычислить ошибки, содержащиеся в спутниковом сигнале, т.е. базовая станция может уточнить коорди­наты спутников и передать скорректированные данные подвижному приемнику.

Уточненные данные называются дифференциальными коррекциями и использу­ются для точного определения месторасположения. Как дифференциальные коррек­ции передаются с базовой станции на приемник? Посредством радиосвязи.

Например, в США скорректированный сигнал передается береговой охраной че­рез морские радио-буи, работающие на частоте 283.5 - 325 KHz.

Пользоваться этим сервисом может каждый, кто имеет специальный DGPS-при-емник. Он подключается к GPS-терминалу и принимает корректированный сигнал.