План
География и ГИС
Геоинформационное моделирование в ГИС при обработке данных дистанционного зондирования
Карты как основа ГИС
1. География и ГИС
Проникновение ГИС в практику научных географических исследований началось с самого начала их развития в зарубежных странах. География посвящена изучению мира и места человека в нем и имеет длительные традиции пространственного анализа, обеспечивает методы для проведения такого анализа, предлагает пространственный взгляд на любое исследование. Общеизвестно, что географическая информация (география) доминирует в 70% объема циркулирующей информации. В отличие от других типов средств обработки информации, ГИС отражает концепцию геопространства, так как базируется на информации, привязанной к пространственным координатам и позволяет представить ее в графическом виде для интерпретации и принятия решений по управлению.
Бытует мнение, что широкое распространение ГИС и опыт их эксплуатации в различных сферах деятельности существенно упрощают задачи географии, сводя их к заимствованию, усвоению и воспроизведению накопленного опыта - задаче сугубо технической. В действительности совокупности географической (или потенциально географической) ин-формации системы не образуют.
Географическое разнообразие реального мира бесконечно сложно, но в то же время оно может быть представлено в виде отдельных элементов или объектов. Преимущество ГИС состоит в том, что она позволяет рассматривать объекты в их географическом окружении и исследовать взаимосвязи между объектами, а изучение взаимосвязей и взаимозависимостей - основа географического моделирования. Возможности ГИС для быстрого и точного совмещения различных срезов информации становятся действенным инструментом ее анализа. Значение ГИС для географии определил А. М. Берлянт: "Развитие ГИС дает современной географии уникальный и может быть единственный за всю ее историю шанс действительно стать основой передовых технологий в науках о Земле, концептуальной базой, на которую может опереться геоинформационная индустрия, одним из стержневых направлений информатизации общества на всех уровнях, начиная со школ".
Применение современной компьютерной технологии для нанесения на карту и анализа объектов и событий окружающего нас мира позволило значительно усовершенствовать принятие управленческих решений. Сегодня ГИС — одна из самых перспективных информационных технологий, которую используют многие компании и организации различных отраслей для усовершенствования своих бизнес-процессов.
Согласно исследованиям аналитиков компании MapInfo, до 80 % информации, хранимой в корпоративных базах данных, имеют географический компонент. Поэтому возможность визуализации данной информации в привычном для человеческого понимания виде позволит значительно упростить и усовершенствовать процесс принятия управленческих решений.
Идея создания карт и географический анализ не новы для человечества. Еще в древних Греции и Египте, основываясь на собранных знаниях, отображали на папирусе свое видение мира. С появлением технологий, позволяющих определять широту, а чуть позже долготу, карты стали намного точнее. Кроме того, появилась возможность позиционирования местонахождения объекта и составления траектории его движения.
Применение информационных технологий и использование баз данных дало новый виток развития картографии. Эти технологии получили определение ГИС (геоинформационные системы). Интеграция ГИС с данными дистанционного зондирования Земли и системами глобального позиционирования позволило многим компаниям получить новый, более быстрый, удобный и эффективный подход к анализу проблем.
Известно, что 85% всей имеющейся информации, с которой работает современное человечество, имеет географическую привязку. В гидрологии этот процент приближается к 100. Специализированная ГИС по гидрологическим расчетам (ГИС-Гидрорасчеты), включает в себя три основные части: базу данных (БД), комплекс программных средств для разработки методов и осуществления гидрологических расчетов и специализированный вьюер для представления результатов на экране или с выводом на бумажный носитель. Основные части технологической схемы ГИС по гидрологическим расчетам имеют следующие предназначения.
База данных содержит информацию по основным гидрологическим характеристикам в пунктах наблюдений (гидрологические посты и станции). Помимо этих основных гидрологических характеристик за многолетний период, для каждого пункта наблюдений должна содержаться общая информация о физико-географических характеристиках реки и водосбора, включая площадь, уклон, среднюю высоту водосбора, длину реки, процент озер, болот и лесов на водосборе, координаты центра тяжести водосбора и пункта наблюдений и т. д., которые представляют собой своеобразный паспорт пункта наблюдений и водосбора, замыкаемого этим пунктом. Кроме многолетних рядов гидрологических характеристик БД должна включать в себя ряды наблюдений за стокоформирующими метеорологическими факторами, информацию о факторах хозяйственной деятельности (например, о заборах и сбросах поверхностных и подземных вод и т. д.), а также любую дополнительную информацию, необходимую и полезную при выполнении гидрологических расчетов.
Другим видом информации является электронная карта территории (в векторном или растровом виде) с нанесенными на нее пунктами наблюдений. Основное назначение карты в БД - визуализация территории и размещенных на ней пунктов для выбора однородных подрайонов или отдельных пунктов. Вместе с тем электронная карта со стандартными геоинформационными слоями (гидрография, рельеф местности, контуры лесов, болот, озер) будет иметь назначение при уточнении физико-географических характеристик водосборов, на которых имеются данные наблюдений, или для осуществления расчетов при отсутствии данных гидрометрических наблюдений для любого водосбора на рассматриваемой территории. Еще одним дополнительным видом информации, содержащимся в БД, могут быть аэрокосмические снимки территории или ее части.
По сравнению с картами, которые, как правило, создаются нерегулярно, аэрокосмические снимки характеризуют ситуацию ландшафта на последний момент времени и также могут быть использованы для уточнения физико-географических характеристик водосборов и водотоков. Дополнительной особенностью является необходимость трансформации снимков в картографическую проекцию и их дешифрирования с целью определения требуемых характеристик, для чего используются специальные средства обработки аэрокосмической информации.
Очевидно, что помимо стандартных слоев карты должны быть представлены и специализированные слои контуров водосборов, расположения пунктов наблюдений и центров тяжестей водосборов.
Основное назначение БД состоит в подготовке информации и выборе рядов наблюдений для последующего проведения гидрологических расчетов.
Комплекс программных средств для осуществления гидрологических расчетов является второй и основной частью ГИС-Гидрорасчеты и должен решать следующие задачи:
- определение расчетных гидрологических характеристик в пунктах, где проводятся (или проводились ранее) наблюдения или экспедиционные и полевые работы;
- разработка региональных методов для расчетов в любой точке территории, где наблюдения отсутствуют.
При решении первой задачи последовательно выполняются следующие операции:
приведение непродолжительных рядов наблюдений или эпизодических, экспедиционных и полевых данных к многолетнему периоду на основе специальных методов и информации по наиболее продолжительным рядам-аналогам в данном регионе;
анализ однородности и стационарности восстановленных или наблюденных рядов для оценки эффективности восстановления и оценки влияния на естественный гидрологический режим факторов хозяйственной деятельности и современного антропогенного изменения климата;
определение расчетных гидрологических характеристик для условий естественного водного режима или с учетом влияния антропогенных факторов в зависимости от результатов анализа однородности.
После осуществления расчетов для каждого пункта наблюдений и для каждой характеристики стока (среднегодовой, максимальный, минимальный и т. д.) результаты заносятся в слой пунктов наблюдений и центров тяжести водосборов в виде атрибутивных таблиц. Пользователь, находясь в среде ГИС, может получить информацию о расчетных гидрологических характеристиках для любого пункта, где проводятся или когда-либо проводились наблюдения любой продолжительности.
Здесь же следует отметить, что полученные значения расчетных гидрологических характеристик не остаются постоянными навсегда и их надо пересчитывать и корректировать при получении новой информации, особенно при появлении экстремальных величин, выходящих за амплитуду предыдущих многолетних колебаний. Поэтому программные средства для определения расчетных гидрологических характеристик являются необходимой частью специализированной ГИС.
Результаты решения первой задачи имеют не только самостоятельное значение, но являются основой для разработки региональных методов, т. е. решения второй основной задачи ГИС-Гидрорасчеты. Для реализации каждого регионального метода должны быть разработаны соответствующие программные средства и собрана необходимая информация в БД.
Для решения данной задачи необходим более высокий уровень квалификации специалистов, чем, например, для первой. Это в большей степени исследовательская работа, для выполнения которой среда ГИС имеет преимущество в основном в плане удобства представления промежуточных и окончательных результатов, а также оценки эффективности полученных региональных зависимостей по пространству. В результате решения второй задачи в ГИС-Гидрорасчеты будут получены параметры и коэффициенты региональных формул, карты изолиний и т. д., которые легче всего представить в БД расчетных методов, реализуемой в следующей третьей части ГИС - вьюере результатов.
Вьюер результатов предназначен для представления пространственных обобщений, таблиц и графиков на экране или для формирования файла результатов с целью последующей печати. Вьюер содержит результаты двух видов: таблицы с расчетными гидрологическими характеристиками в пунктах наблюдений и разработанные региональные методы (формулы и уравнения, интерполяционные карты и т. д.).
Вьюер может быть дополнен некоторыми вычислительными функциями для выполнения гидрологических расчетов для любой точки гидрографической сети. Это весьма полезно, но требует разработки способов задания и получения информации для неизученных водосборов. В зависимости от используемого регионального метода требуется тот или иной объем информации. Так, при использовании карт изолиний необходимо иметь средства для оконтуривания неизученного водосбора, определения его центра тяжести и интерполяции между изолиниями с целью получения расчетного значения в требуемой точке пространства. При использовании региональных зависимостей надо задать или определить в контуре выделенного водосбора те физико-географические характеристики, которые входят в качестве факторов в расчетные зависимости, а также иметь средства для выполнения расчетов по этим зависимостям. При применении метода гидрологической аналогии необходимо определить требуемые характеристики неизученного водосбора и осуществить поиск наиболее подходящего аналога по установленным условиям. При использовании погодичных зависимостей от стокоформирующих факторов объем задаваемой информации должен быть намного больше.
Поэтому в общем случае вместо вьюера должна быть создана система, подобная системе автоматизированного проектирования на базе ГИС, включающая:
- программные средства для определения основных физико-географических характеристик для любого выбранного неизученного водосбора на основе слоев электронной карты в ГИС;
- БД, в которую пользователем заносится вся необходимая информация для выполнения гидрологических расчетов при отсутствии данных гидрометрических наблюдений;
- комплекс региональных методик и программных средств для расчетов по данным методикам;
- средства для представления результатов.
Кроме того, если наблюдения в пункте проектирования отсутствуют, необходимо проводить полевые изыскания. Поэтому результаты расчетов по региональным методам должны дополняться конкретной информацией в пункте проектирования, которая также приводится к многолетнему периоду на основе продолжительных рядов-аналогов.
Как видно из перечисленных функций, подобная система также является самостоятельной специализированной ГИС. На основе данного примера, можно сделать вывод, что в гидрологии специализированная ГИС по гидрологическим расчетам имеет два основные варианта, реализуемых в следующей последовательности:
- разработка методов и получение основных результатов для территории (ГидроГИС-разработчик);
- использование разработанных методик для решения конкретных задач (ГидроГИС-пользователь).
Первый вариант ГИС используется в основном специалистами-гидрологами, разрабатывающими методы и проводящими территориальные обобщения, и предназначен для представления всех региональных обобщений в виде вьюера результатов или бумажной версии документа Территориальных строительных норм (ТСН).
Второй вариант ГИС предназначен для пользователя, который на основе данных полевых изысканий и полученных обобщений и методов осуществляет расчеты для любого неизученного водосбора или использует результаты расчетов, полученные для пунктов, в которых имеются наблюдения.
ГидроГИС-разработчик в случае появления новых региональных методик и когда требуется пересчет расчетных гидрологических характеристик по мере поступления новой информации, будет периодически изменяться, что приведет к соответствующим изменениям в ГидроГИС-пользователь. В действительности ГИС будет осуществлять мониторинг расчетных гидрологических характеристик и их периодический пересчет, что потребует постоянной поддержки ведения системы и ее совершенствования.
3. Электронные карты являются основой для выбора пунктов наблюдений, выполнения расчетов в этих пунктах, разработки методов расчетов при отсутствии данных и для представления результатов. В качестве базовой карты для ГИС- Гидрорасчеты может быть использована электронная карта России масштаба 1:1 000 000 по следующими стандартными геоинформационными слоями: озера, реки, водохранилища, каналы для орошения, каналы для осушения, рельеф, горы, острова, береговая линия островов, населенные пункты (крупные), населенные пункты (с небольшим числом жителей), автодороги, железные дороги, вулканы, административные районы, области, края, округа, федеральные округа. Пример сдоя гидрографии электронной карты России, переведенной в формат MapInfo , представлен на рис.2. Электронная базовая карта масштаба 1:1000 000 может быть использована для представления всей гидрологической информации на территории России с разделением, например. по УГМС, однородным районам, административным округам и т.д. На этой карте могут быть представлены специализированные слои пунктов наблюдений, границ УГМС, однородных районов и т.д.
Рис.2. Базовая электронная карта России масштаба 1: 1 000 000.
В тоже время при осуществлении расчетов на региона и формировании региональной базы данных базовой картой может быть электронная карта масштаба 1: 200000, которая в формате ArcView в настоящее время подготовлена практически для всей территории России. Пример такой карты, переведенной в формат MapInfo , представлен на рис.3.
Рис. 3. Фрагмент электронной карты масштаба 1: 200 000.
Данная электронная карта является более детальной и содержит большее число геоинформационных слоев.
К основным специализированным гидрологическим слоям относятся следующие:
- слой однородных гидрологических районов - площадные объекты или полилинии в варианте границ контуров района (рис.4),
Рис. 4. Пример слоя однородных гидрологических районов.
- слой пунктов наблюдений - точечные объекты с атрибутами широты и долготы гидрологических постов (рис.5);
Рис. 5. Пример слоя пунктов наблюдений.
- слой контуров водосборов до замыкающих створов пунктов наблюдений – площадные объекты (рис.6);
- слой центров тяжести контуров водосборов до замыкающих створов пунктов наблюдений - точечные объекты с атрибутами широты и долготы (рис.6);
Рис. 6. Пример слоев контуров и центров тяжести водосборов до замыкающих пунктов с наблюдениями.
Перечисленные специализированные геоинформационные слои необходимы для представления как исходных данных, так и результатов расчетов в пунктах наблюдений. В тоже время полученные расчетные гидрологические характеристики в центрах тяжести водосборов являются основой для дальнейшего обобщения данных по территории.
Следующая группа специализированных геоинформационных слоев предназначена для выполнения расчетов в тех точках гидрографической сети, в которых данные гидрологических наблюдений полностью отсутствуют. Прежде всего, необходимо сформировать слой (или слои) объектов для которых осуществляется проектирование или эксплуатация сооружений в местах перехода через водотоки или в местах их использования. Для рассматриваемой территории количество таких технических объектов обычно является конечным числом и их можно представить в виде слоя точечных и линейных объектов. Так, например, если для рассматриваемой территории техническими объектами являются магистральные нефтепроводы, то их можно представить в виде двух слоев:
- слой магистральных нефтепроводов (полилинии);
- слой переходов магистральных нефтепроводов через водотоки (точечные объектами с координатами пунктов переходов).
Один слой технических объектов может иметь место, когда проектируется один нефтепровод (дорога), а мест переходов через водотоки несколько. В частном случае слой может состоять из одного проектируемого объекта.
Следующие два специализированных слоя представляют собой гидрологические объекты:
- слой контуров водосборов с замыкающим створом в местах переходов через водотоки (площадные объекты);
- слой центров тяжести водосборов с замыкающим створом в местах переходов через водотоки (точечные объекты).
База данных в пунктах наблюдений
Следующей частью специализированной ГИС является база многолетних гидрологических данных в пунктах наблюдений, связанная с геоинформационными слоями. При этом должны иметь место как прямые, так и обратные связи:
- переход от объектов специализированных геоинформационных слоев (пункты наблюдений) к информации БД;
- представление информации из БД на географическом пространстве в виде полей атрибутивных таблиц специализированных геоинформационных слоев (пункты наблюдений, центры тяжести водосборов).
Пример связи между геоинформационным слоем пунктов наблюдений и информацией в БД программного комплекса «Гидрорасчеты» показан на рис.8. В данном варианте реализовано включение геоинформационных слоев в программный комплекс «Гидрорасчеты» в виде программного модуля «Карта». На основе выбранного пункта (или пунктов) наблюдений можно перейти к информации БД, которая может быть представлена в виде метаданных по одному или группе выбранных пунктов или в виде многолетних рядов наблюдений разных гидрологических характеристик для одного выбранного пункта.
Вторая функция взаимосвязи состоит в передаче информации из БД в поля атрибутивных таблиц специализированных геоинформационных слоев. Информация может быть исходной или расчетной, полученной с помощью программных средств. Пример передачи расчетной информации в таблицу специализированного слоя центров тяжести водосборов показан на рис.9.
Рис. 9. Передача расчетной информации в таблицу специализированного слоя.
Для передачи расчетной информации в таблицу в каждой вычислительной программе должна быть соответствующая функция и пользователь должен иметь возможность выбрать и передать в таблицу не одну, а несколько расчетных характеристик. Например, если вычислены расчетные гидрологические характеристики, то в таблицу можно передать и вычисленные параметры (среднее значение, Cv , Cs /С v ) и сами расчетные характеристики разной обеспеченности, например, 1%.10% и т.д. В Таблица 1 является примером сформированной таблицы специализированного слоя центров тяжести водосборов, включающее поля вычисленных параметров максимального стока.
Рассчитанные и исходные данные, переданные в атрибутивные таблицы геоинформационного слоя могут быть использованы в двух вариантах:
- для оперативного получения информации в пунктах наблюдений в среде ГИС;
- для определения расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных наблюдений.
Во втором случае необходимо разработать комплекс методов и программ для создания региональных моделей, позволяющих на основе рассчитанной информации в пунктах наблюдений определить расчетные гидрологические характеристики в любой точке пространства. Можно использовать и существующие интерполяции, реализованные в среде стандартных ГИС. Пример применения такой функции MapInfo для интерполяции средних модулей максимального стока из табл.1, приведен на рис.10.
Рис.10. Интерполяция средних модулей максимального стока в среде ГИС MapInfo . Опыт использования интерполяционных процедур стандартных ГИС, однако, свидетельствует о том, что эни не достаточно эффективны для гидрологических данных, имеющих редкую и неравномерную пространственную распределенность. Кроме того, интерполяционные методы являются далеко не единственными для определения расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных наблюдений. Поэтому первостепенной и отдельной задачей является разработка технологий пространственного моделирования и обобщения данных (см. соответствующий раздел технологий).
Технологическая схема расчетов в среде ГИС при отсутствии данных наблюдений представлена на рис.11. В связи с тем, что эта схема включает в себя и расчеты при наличии и недостаточности данных наблюдений, то ее можно считать общей схемой всех видов гидрологических расчетов. В данной схеме информация представлена в виде следующих основных подсистем:
- исходная (и приведенная к многолетнему периоду) информация в пунктах наблюдений;
- геоинформационные слои;
- расчетная информация в пунктах наблюдений;
- параметры региональных моделей;
- информация пользователя по неизученному водосбору (плщадь, высота и т.д.). На основе всех этих видов информации расчеты при отсутствии данных осуществляются двумя способами:
- пространственным статистическим обобщением (интерполяция, аналоги, пространственные модели, средние в районах и т.д.) по данным в пунктах наблюдений;
- на основе региональных моделей по их параметрам и информации по неизученному водосбору.
В частных случаях в этой схеме осуществляются расчеты при наличии и недостаточности данных наблюдений, а также построение новых региональных зависимостей.
3. Картография, имеющая богатые традиции отображения пространственной информации на картах, на которые ранее возлагалась и задача ее хранения, представляет основные источники данных для ГИС. Поэтому традиционные методы картографии имеют основополагающее значение для них. В то же время можно выделить основные области ГИС-приложений для картографии:
автоматизация создания картографического произведения;
обновление и создание производных карт как результат анализа, преобразования данных и моделирования на основе ГИС-технологий;
новые методы использования карт как в ГИС, так и например, при построении динамических картографических анимаций.
ГИС базируется на анализе картографической информации и позволяет преодолеть ограниченность "ручного" анализа. С другой стороны, появляется возможность составления производных карт по имеющимся, например, морфометрических карт по картам рельефа, карт изменений на основе разновременных карт. ГИС, использующая для создания слоев множество тематических карт, представляет хорошее средство их согласования.
Компьютерная картография разрабатывает методы цифрового представления картографических характеристик. Современные ГИС-пакеты обладают средствами форматирования карт и размещения надписей, огромными библиотеками знаков и шрифтов, управления дорогостоящими устройствами, обеспечивающими высокое качество конечной продукции. Получило развитие новое направление в картографии - геоинформационное картографирование (ГК), занимающееся автоматизированным составлением и использованием карт на основе геоинформационных технологий и баз географических данных и знаний.
Геоинформационное картографирование не сводится только к использованию ГИС-технологий. Это, прежде всего картографирование объектов и явлений, основанное на методах анализа и синтеза их содержательной сущности.
Однако карты обладают ограниченными аналитическими средствами по сравнению с ГИС. В отличие от данных для ГИС, форма хранения картографических данных не обеспечивает, например, возможности анализа взаимосвязей между различными феноменами, если они не отображены на карте. Некоторые вопросы могут вызвать затруднения или потребовать много времени для ответа, например, "какова площадь этого озера?", "что показано на определенной тематической карте для данной точки на этой топографической карте?".
Перевод карт и других источников пространственной информации в цифровую форму и ГИС-технологий ее анализа открывают новые пути манипулирования географическими знаниями и их отображения (визуализации).
Карты для ГИС поставляют разную информацию и в ГИС они используются по-разному. Топографические карты, показывающие контуры объектов на поверхности Земли, чаще всего являются основой для БД ГИС, для привязки и отображения другой дополнительной информации. Тематические карты служат средством изображения географических явлений, поставляя информацию для тематических слоев БД ГИС, служат основой для пространственного анализа взаимосвязей, отраженных на картах.
Существенное значение для ГИС имеет использование тематических карт и фотокарт, созданных на основе данных дистанционного зондирования.
При использовании карт в ГИС нужно постоянно помнить их важные особенности:
- изображение на картах абстрактно и генерализовано, что требует их весьма осторожной интерпретации;
- карты показывают только статичную картину, один временной срез;
- от масштаба карты зависит не только как, но и какие объекты изображены, а большая часть ГИС не учитывает различий между наборами данных, полученных с разномасштабных карт;
- при показе сферической поверхности Земли на плоском листе карты неизбежны искажения; наименьшие искажения возникают, когда на карте изображены небольшие территории, наибольшие - когда на карте стремятся показать всю поверхность Земли.
Свойства карт, заложенные при их создании, переносятся и на данные, полученные с этих карт, а обнаруживаются часто лишь при последующей обработке цифровых данных.