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 съёмки. Однако на огромных территориях нашей страны такие пунк­ты отсутствуют (они либо 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 вышеприведённых 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. В 2006 г. Китай заявил о намерении также создать собственную независимую систему Compass.

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

Подсистема наземного контроля и управления состоит: 1) из 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. 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. 4.15), которые равно­мерно распределены в околоземном пространстве на высотах порядка 20 тыс. км в 6 и 3 орбитальных плоскостях соответственно (рис. 4.16). В системе Galileo будет 27 основных и 3 резервных спутника, расположен­ных на высоте 23 200 км.

Рис. 4.15. Российский навигационный спутник Глонасс-М, введённый в эксплуатацию в октябре 2004 г.

Рис. 4.16.Орбитальные созвездия GPS и ГЛОНАСС

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

Для измерения дальностей передатчики на всех спутниках излучают радиоволны на двух частотах L, и L₂ 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 L_s с длиной волны 25,5 см.

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

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

Кроме того, от спутника в приёмник пользователя периодически (раз в два часа) передаётся 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. 4.17).

Рис. 4.17. Приёмники: а - навигационный GРS-приёмник Gаrmin Etrex Legend; б - геодезический GРS-приёмник TrimbIe R8; в - комбинированный приёмник GРS/ГЛОНАСС

Приёмники бывают кодовые и кодово-фазовые. Первые из них очень компактны (умещаются на ладони) и совмещают в одном корпусе приём­ник, антенну и источник питания. Такие приёмники часто называют нави­гационными, так как они выдают относительно неточные координаты. В целом эти приёмники достаточно дёшевы и потому доступны для массово­го применения.

Кодово-фазовые приёмники 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 кодово-фазовые приемники работают в паре со вторым приёмником в так называемом дифференци­альном режиме, то возможно достижение точности до 1-2 см.

В силу некоторых особенностей определения координат приемники глобальных систем позиционирования могут измерять координаты одной точки достаточно долго. Чем больше времени отводится на съёмку, тем точнее результат. В навигационных приёмниках определение координат выполняется достаточно быстро (ceкyнды), однако точность составляет мeтpы и даже десятки метров. В геодезических приёмниках время уста­новления координат может составлять от 5 минут до одного часа. Причём время и точность съёмки существенно зависят от количества доступных на небосводе спутников.

Именно поэтому из-за большого времени точной съёмки координат глобальные системы позиционирования используются в топографо-геоде­зических работах не для сплошной съёмки 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 приёмники могут быть использованы для массо­вой съёмки точек, так как время съёмки достаточно мало. Одно из приме­нений навигационных приёмников - это съёмка осей автомобильных дорог для нанесения на мелкомасштабные карты. К недостаткам работы GPS-­приёмников в движении можно отнести снижение точности измерений и возможную временную потерю видимости некоторых спутников, напри­мер при проезде автомобиля с GРS-приёмником через густой лес, в низине или в тоннеле. Для исключения прерывания съёмки координат в последнее время GРS-приёмники 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 объёмов жестких дисков компьюте­ров, получила широкое распространение технология визуального сопрово­ждения пространственных объектов. Следует отметить несколько основ­ных вариантов этой технологии.

1. Отдельные снимки местности, сделанные простыми 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. Они позволяют осматривать местность, на­ходясь в фиксированной точке пространства и поворачивая угол зрения по азимуту в любом направлении. Панорамные снимки получают с помощью специальных панорамных объективов либо программно обрабатывая не­сколько обычных снимков, сделанных в четырёх, восьми или больше противоположных направлениях. В памяти компьютера такие снимки хранят­ся в виде обычных растровых изображений, существенно вытянутых по горизонтали (рис. 4.18,а). При изменении пользователем азимута просмот­ра на экран выводится только определенная часть снимка (рис. 4.18,б).

3. Снимки окружающей среды. Они 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 квадратных фотоснимков, сделанных в трёх взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 4.19). 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 окружающей среды) реализована аппаратно на уровне видеокарт и доступна через интерфейсы DirectX 8.х/9.Х и OpenGL 1.x.

Рис. 4.18. Пример панорамного снимка: а - исходный снимок; б - окно просмотра снимка

Рис. 4.19. Пример набора снимков окружающей среды

4. Последовательности фотоснимков, сделанные вдоль некоторой траектории, например вдоль автомобильной дороги с движущегося авто­мобиля или низколетящего летательного аппарата. Такие последователь­ности снимков обычно делаются через некоторое фиксированное расстоя­ние на местности (например, через 10 м), а каждый снимок имеет чёткую пространственную привязку в виде абсолютных (х, у) или линейных (пи­кет, смещение) координат, получаемых с помощью GРS-приёмников или иным способом (рис. 4.20). Геоинформационные системы, в которые включены функции работы с последовательностями фотоснимков, позво­ляют: 1) выполнять навигацию по фотоснимкам как по видеофильму и од­новременно показывать положение точки съёмки на местности; 2) указы­вать точку на карте, переводить её координаты в линейные и отображать соответствующий фотоснимок.

Рис. 4.20. Пример последовательности снимков автомобильной дороги

5. Видеосъёмка по траектории. Данная технология является в целом аналогичной предыдущей (последовательности фотоснимков), только съёмка выполняется на цифровую видеокамеру формата MiniDV. Видео­съёмка позволяет в целом получить большее количество отдельных кад­ров, чем фотосъёмка, однако гораздо худшего качества. Низкое качество вызывается, во-первых, меньшим разрешением изображения (только 720х576 = 0,4 мегапикселя в стандарте MiniDV, тогда как сейчас широко доступны фотокамеры с матрицами 5-10 мегапикселей и больше); во ­вторых, чересстрочной разверткой, что в движении, по сути, уменьшает вертикальное разрешение изображения в два раза. С другой стороны, ви­деосъёмка, несмотря на большее общее число кадров, требует меньшего объёма памяти для своего хранения (из-за меньшего разрешения кадров и из-за особенностей алгоритмов сжатия видеоизображений). Всё это позво­ляет создавать очень большие архивы видеоданных.

6. Ситуационная видеосъёмка. 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 начале лекции 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 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 - векторuзаторах.

Кроме того, так исторически повел ось, 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, так как 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 не топологических данных от фирмы ESRI, lпс. (производитель ArcGIS, ArcView, ARC/INFO). В этом файле можно представлять точки, мультиточки, линии или полигоны, но смеши­вать фигуры разного типа в одном файле запрещено. Все фигуры могут представляться с координатами в 2-мерном (Х, У), 3-мерном (Х, У, мера м) и 4-мерном (Х, У, Z, мера м) пространстве.

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

Каждый шейп-файл сохраняется в виде трёх файлов: 1) с расширени­ем .SHP для представления геометрии; 2) с расширением .DBF для пред­ставления атрибутики (этот файл хранится в формате dBase); 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 ARCIINFO. Этот формат является стандартным для представления векторных топологических данных (покрытий) от фирмы ESRI. Формат поддерживается некоторыми другими компаниями, но он не сильно распространён, так как является закрытым.

Недостатком этого формата считается 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 ARCIINFO (файл с расширением .ЕОО). Формат является открытым обменным эквивалентом файла покры­тия. Он состоит только из одного файла, что достаточно удобно. Формат является текстовым, в силу чего размер файла ЕОО получается существенно больше по сравнению с обычным покрытием ARCIINFO.

4. Обменный формат MapIпfo (файлы с расширением .МIF). Этот формат является стандартным форматом обмена векторными не топологи­ческими данными от фирмы MapInfo Corp. (США). Формат поддерживает­ся большинством современных ГИС.

5. Форматы FIM u SXF. Эти форматы являются российским изобре­тением для представления электронных карт, а потому поддерживаются только некоторыми российскими ГИС. Формат FIM 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 чертёж 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 текстовый, 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, lпс. (США). В ГИС этот формат использу­ется обычно только в режиме чтения, чтобы загрузить чертёж 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 менее распространён, нежели DWG, тем не менее, поддерживается многими зарубежными ГИС.

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

10. Стандартные растровые файлы (с расширениями .ВМР, .JPG, .РСХ, .ТIF, .GIF, .PNG и др.). Эти форматы являются самыми обычными для хранения растровых изображений в среде Windows. Особенность при­менения растров в ГИС состоит в том, что на карте растры должны иметь геопрuвязку, 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. Ещё 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 данными дистанционного зондирования Земли.

11. Формат ERDAS Imagiпe (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 просматривать данные в любом масштабе вне зависимо­сти от реального (даже огромного) размера файла.

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

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