Введение

в

ГИС

Андрей Геоня17.11.2011

Пространственные (spatial) данные(Spatial - the space around you)

Географические координаты объекта - это хорошо, но этого мало. Важно отображать на карте границы стран/городов, дороги, реки, леса, озера и т.д.

Вся картографическая информация в ГИС организована в виде слоев. Каждый слой содержит объекты определенного вида, объединенные общими характеристиками.

Слои могут быть:• Точечные (аэропорты, скважины, магазины);• Линейные (дороги, реки, трубопроводы);• Полигональные (земельные участки);• Растровые изображения (космоснимки);• Сеточные модели или карты в изолиниях (изобата);• Другие.

Векторные изображения

Точка - простейшая форма векторных данных. На плоскости представлена координатами [X,Y], для 3D - добавляется Z-координата;

Линия - состоит из, как минимум, 2-х точек соединенных между собой;

Многоугольник - закрытая фигура, состоящая из линий. Для многих ГИС-приложений важно, чтоб координаты 1-й и последней точек совпадали.

Растровые изображения

Растровое изображение — изображение, представляющее собой сетку пикселей или цветных точек на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах.

Информация о пикселе (для ГИС не очень информативно):

Но можно "прокачать":

+All photos are rasters, but not all rasters are photos.

~>

Векторные VS Растровые - это как Круглые VS Желтые

Векторный формат - хранит информацию только об угловых точках изображения. Формат компактный, не насыщен огромным количеством информации. Логично использовать для обозначения разного рода границ, направлений, отметок.

Растровый формат - более "тяжеловесный". Логично использовать для предоставления детальной информации о чем-либо на карте.

Другими словами, если векторные данные позволяют отобразить объект в абстрактном виде, то растровые данные позволяют отобразить точное и детальное представление (фотографию) объекта.

Векторные форматы файлов

Shapefile - популярный и хорошо задокументированный векторный формат от компании ESRI. Из-за своей распространённости формат стал де-факто стандартом для обмена данными между геоинформационными системами;

Geographic Markup Language (GML) - открытый XML-like стандарт от Open Geospatial Consortium (OGC). GML является языком кодирования географического контента, описывая объекты и их свойства (мосты, дороги и т.д.);

Keyhole Markup Language (KML) - XML-like стандарт, разработан для GoogleEarth, предназначен для использования в двумерных веб-картах и трехмерных ГИС-приложениях. Данный формат расширяет возможности GML.

Анатомия shape-файлаShapefile - это не один файл, а набор: .shp, .shx, .dbf;

.shp - хранит геометрические данные. Только однородные данные: либо точки, либо линии, либо многоугольники. Смешивание - задача ГИС-viewer-а;

.shx - индексный файл. Хранит позицию и размер каждой записи из .shp-файла;

.dbf - хранит все непространственные данные. Например, если в .shp-файле хранится информация о границах страны, то .dbf может содержать название страны, население, государственный строй и т.п.;

.prj - необязательный файл, который содержит информацию о проекции;

Скачать shape-файлы можно у CloudMade, а посмотреть можно через Quantum GIS или ArcExplorer.

О чем думал каждый картограф...

Ох, если бы... Но нет...

Земля у нас круглая, монитор - плоский, с этим надо как-то жить...

Базовая картографическая терминология

Географические координаты определяют положение точки на земной поверхности.

Широта — угол между местным направлением зенита и плоскостью экватора, отсчитываемый от 0° до 90° в обе стороны от экватора.

Долгота — угол между плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, и плоскостью начального меридиана, от которого ведется отсчет долготы.

Картографиическая проекция — математически определенный способ отображения поверхности эллипсоида на плоскости.  

А как же глобус?

Глобус - это круто, так как это наиболее приближенный макет планеты, но...

• Окружность Земли по экватору - это около 40,000 км.;• США - это примерно 10% планеты (около 4000 км. между побережьями); • Ширина среднего по величине штата - около 400 км.;• Типичный Американский город - это примерно 40 км. в ширину;• Баскетбольный мяч имеет около 24 см. в диаметре;• Если вы захотите рассматривать штат США на глобусе, тогда вам

потребуется глобус диаметром около 12 м.• Если вы захотите наслаждаться городским пейзажем на глобусе, тогда

придется иметь глобус диаметром около 120 м.

Одним словом, глобус - штука хорошая (особенно, если он будет в масштабе 1:1), но слегка неудобная.

Итак, карта

Планета Земля на плоскости 

Обратите внимание:• Меридианы параллельны друг другу;• Сравните форму Гренландии на карте и на космоснимке. 

Снимок Гренландии

От искажений никуда не деться

Виды искажений

На глобусе все ячейки градусной сетки между двумя соседними параллелями одинаковой формы и размера, а ячейки между двумя соседними меридианами сужаются и уменьшаются с отдалением от экватора.

Если на карте:• различные по длине отрезки меридианов между параллелями - имеем

искажение длин;• отклонение величины углов между меридианами и параллелями от 90° -

 имеем искажение углов;• неодинаковая форма и величина ячеек между двумя соседними

параллелями - имеем искажение форм и площадей.

Виды искажений: искажения длин, углов, площадей, форм.

О характере и размере искажений на карте можно узнать, сопоставив картографическую сетку с градусной сеткой глобуса.

Виды проекций

Равноугольные - проекции без искажений углов. Угол на местности всегда равен углу на карте, линия прямая на местности, прямая на карте. Однако в них сильно деформируются площади объектов.

Равновеликие - сохраняют площадь изображаемых объектов. Вследствие этого другие свойства: форма, углы, масштаб искажаются.

Произвольные проекции - имеют все виды искажений, но они распределяются на карте наиболее выгодным образом.

Равновеликая проекцияРавноугольная проекция

Конические проекции

Меридианы проецируются на коническую поверхность, сходясь на вершине конуса. 

Параллели проецируются на коническую поверхность как кольца. 

Конус затем “рассекается” вдоль любого меридиана для создания конечной конической проекции, в которой имеются прямые сходящиеся меридианы и параллели, представленные концентрическими окружностями. Меридиан, противолежащий линии сечения, становится центральным меридианом.

Цилиндрические проекции

Одной из наиболее простых цилиндрических проекций является проекция Меркатора. Проекция является равноугольной.

При проекции меридиан и параллелей создается координатная сетка с углами 90°. Меридианы расположены через равные интервалы, в то время как интервал между параллельными линиями широты возрастает по направлению к полюсам.

Затем цилиндр “рассекается” вдоль любого меридиана для получения конечной цилиндрической проекции. 

Проекции на плоскость проецируют картографические данные на плоскую поверхность, касающуюся глобуса.

Точкой контакта может быть Северный полюс, Южный полюс, точка на экваторе или любая точка между ними.

Проекции на плоскость

Небольшой перечень проекций

• Проекция Аитова;• Проекция Alaska Grid;• Проекция Аляска, серия E;• Коническая равновеликая проекция

Альберса;• Азимутальная равнопромежуточная;• Равновеликая цилиндрическая проекция

Берманна;• Биполярная косая коническая

равноугольная проекция;• Проекция Бонна;• Проекция Кассини-Зольднера;• Триметрическая проекция Шамберлена;• Параболическая проекция Крастера;• Кубическая;• Цилиндрическая равновеликая;• Двойная стереографическая проекция;• Проекции Эккерта I (II, III, IV, V, VI);• Равнопромежуточная коническая;• Равнопромежуточная цилиндрическая;• Проекция равных прямоугольников;

• Проекция Фуллера;• Стереографическая проекция Голла;• Проекция Гаусса-Крюгера;• Геоцентрическая система координат;• Географическая система координат;• Гномоническая, гномическая

проекция;• Национальная проекция

Великобритании;• Проекция Хаммера-Аитова;• Косая проекция Меркатора, косая

цилиндрическая ортоугольная, проекция, в версии Хотина (Hotine Oblique Mercator);

• Проекция Кровака;• Азимутальная равновеликая

проекция Ламберта;• Равноугольная коническая проекция

Ламберта;• Локальная проекция Декартовой

системы координат;• Локсимутальная проекция.

И много других...

Какую проекцию выбрать?

Зависит от назначения карты и её масштаба, которыми часто обусловливается характер допускаемых искажений в избираемой проекции.

Карты крупных и средних масштабов, предназначенные для решения метрических задач, обычно составляют в равноугольных проекциях, а карты мелких масштабов, используемые для общих обозрений и определения соотношения площадей каких-либо территорий — в равновеликих.

Если ни одна из известных проекций не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к составляемой карте со стороны её назначения, то изыскивают новую, наиболее подходящую проекцию, пытаясь (насколько это возможно) уменьшить искажения в ней. 

Проблема построения наивыгоднейших проекций, в которых искажения в каком-либо смысле сведены до минимума, полностью ещё не решена.

Растровые карты. Примеры из terraserverusa.com

Растровая топографическая карта (old school еще тот)

Аэроснимок

Космоснимок

ОртотрансформированиеОртотрансформирование – процесс геометрической коррекции изображения, во время которого вносятся поправки существенных геометрических неточностей, которые могут быть обусловлены топографией, геометрией камеры и ошибками сенсора.

Растровые форматы файлов

Tagged Image File Format (TIFF) - используется при сканировании, распознавании текста, в полиграфии, широко поддерживается графическими приложениями.

GeoTIFF - открытый формат метаданных, позволяющий включать информацию о географической привязке в файлы TIFF. Может включать в себя вид картографической проекции, систему географических координат, модель геоида, датум и любую другую информацию, необходимую для точного пространственного ориентирования космического снимка.

World File (.tfw) - файл с метаданными, является альтернативой внедренной в растровый файл (embedded) привязки (как в GeoTIFF), главным отличием является выделение описания в отдельный файл.

JPEG World File (.jgw) - аналог .tfw для jpeg-файлов.

Пространственные базы данных

Пространственная база данных - БД, оптимизированная для хранения и выполнения запросов к данным о пространственных объектах, представленных некоторыми абстракциями: точка, линия, полигон и др.

БД - это удобно:• скорость - БД оптимизированы для хранения большого количества

информации и возможности оперативного доступа к этой информации;• многопользовательский доступ - доступ через стандартные интерфейсы

(JDBC, ODBC, и т.д.), блокировки данных;• запросы - "сказать" shape-файлам "Хочу пиццерию в радиусе 300 м." не так

просто, как "сказать" это СУБД.

БД с поддержкой пространственных данных:• современные версии Oracle;• DB2 от IBM;• Microsoft SQL Server + MapInfo или ArcSDE;• PostgreSQL + PostGIS;• и некоторые другие.

OGC веб-сервисы

SOA (service-oriented architecture) - абстрагируем конечного пользователя (разработчика) от СУБД, shape-файлов, SQL-запросов и т.д. и предоставляем ему сервис. Другими словами, даем пользователю стандартизированный доступ к нужным ему данным.

Что нам для того потребуется:• спецификация интерфейса доступа;• данные;• хранилище данных;• геоинформационный сервер.

Спецификация интерфейса доступа

Web Feature Service (WFS) - описывает структуру запросов и ответов для получения информации о географических объектах (pure geodata) через веб. Ссылка на спецификацию:http://www.opengeospatial.org/standards/wfs

Web Map Service (WMS) - определяет интерфейс HTTP-запроса для получения изображений карт из одной или нескольких распределенных геопространственных баз данных. Ссылка на спецификацию: http://www.opengeospatial.org/standards/wms

OGC клиенты

OGC клиенты - отвечают за получение информации из OGC сервисов и отображают картографические материалы конечному пользователю.

Популярные OGC клиенты:

• Leaflet;• OpenLayers;• Map Browser;• Mapbender;• Dapple;• uDig.

Слайды внезапно закончились...

Можно начинать задавать вопросы и конструктивно критиковать доклад.