7 - 2010

Общий обзор информационно-аппаратного обеспечения ГИС

Андрей Татарников (Ведущий инженер направления ГИС, канд. техн. наук.)

Сегодня использование географических информационных систем (ГИС) в различных аспектах жизнедеятельности человека стало вполне обыденным делом. При этом у многих людей возникает вопрос: что такое ГИС и для чего они нужны?

ГИС — это географическая информационная система, предназначенная для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации.

Изначально создание информационного обеспечения для ГИС базировалось на оцифровке традиционного бумажного картографического материала. Получение цифровой картографической информации осуществлялось в несколько этапов:

1. Сканирование бумажного оригинала (получение растрового изображения).

2. Устранение ошибок сканирования.

3. Геопривязка растрового изображения.

4. Оцифровка растрового изображения.

5. Формирование цифровой картографической информации.

Во время работы с информацией, полученной с бумажного картографического материала, возникали и возникают проблемы с ее достоверностью. Многие топографические карты отражают состояние местности в лучшем случае на конец 80-х — начало 90-х годов прошлого века. В связи с этим сегодня остро стоит задача их актуализации. Применение традиционных технологий обновления и составления карт делает этот процесс долгим и трудоемким, и по его завершении возникает вопрос об актуальности.

Современные информационные технологии предоставили возможность оперативно получать пространственные данные, что значительно повышает их актуальность и многократно сокращает время их формирования.

В ГИС применяются два основных метода получения пространственной информации: полевой и дистанционный. Полевой метод включает: геодезические работы, полевое дешифрирование аэроснимков, полевую магнитную съемку и т.д. Дистанционный — работу с данными без выезда на местность, полученными с помощью технологий дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Часто для оптимального создания пространственной информации применяется комбинированный способ.

Наиболее распространненым видом полевого метода являются геодезические работы. До недавних пор они осуществлялись, как правило, с помощью оптико-механических приборов, при этом дальнейший процесс камеральной обработки был трудоемким и занимал много времени. С появлением и развитием электронных геодезических приборов и специализированного программного обеспечения трудоемкость и сроки их выполнения многократно сократились.

В качестве примера можно привести использование электронных тахеометров, позволяющих на этапе геодезических работ в поле проводить первоначальную обработку съемки, вводить коды объекта и осуществлять выгрузку данных непосредственно на персональный компьютер для дальнейшей обработки и визуализации. Такая организация работы сокращает время проведения и автоматизирует трудоемкие процессы, связанные с дальнейшей обработкой полученных результатов.

Выгрузку или загрузку данных геодезической съемки можно осуществлять как при непосредственном подключении электронного тахеометра через стандартные компьютерные порты, так и через формирование обменного файла, позволяющего в цифровом формате импортировать информацию с прибора. В дальнейшем на компьютере производится обработка и редактирование полученных данных.

Обработка тахеометрической съемки осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, основанного на геоинформационных технологиях, позволяющих:

  • преобразовывать и визуализировать данные геодезической съемки;
  • выполнять обработку геодезических измерений (уравнивание теодолитных, нивелирных ходов);
  • редактировать данные геодезической съемки;
  • преобразовывать в необходимый рабочий формат;
  • увеличивать скорость процесса камеральной обработки геодезической съемки во много раз.

Применение современных электронных геодезических приборов значительно облегчает процесс формирования цифровой пространственной информации, а следовательно, работу геодезистов. Однако при выполнении полевых изысканий не всегда целесообразно проведение геодезических работ.

Появление и развитие глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), GPS/ГЛОНАСС послужило толчком к развитию новых подходов при выполнении полевых работ. Теперь для определения точного положения объекта на местности нет необходимости прокладывать теодолитный ход, достаточно воспользоваться приемником GPS/ГЛОНАСС и получить координаты.

Некоторые виды полевых изысканий требуют высокой точности определения местоположения объектов в пространстве. Для этого требуется минимизировать ошибку определения координат. Чтобы реализовать эту задачу, необходимо при проведении, к примеру, геодезических работ использовать базовую станцию, осуществляющую корректировку измерений и позволяющую осуществлять съемку с требуемой точностью. В среднем базовая станция обеспечивает работу в радиусе от 20 до 80 км.

Современное навигационное оборудование позволяет не только получать координаты объектов с высокой точностью, но и производить редактирование и создание цифровой картографической информации в полевых условиях. Существует два основных способа:

  • в специализированное навигационное оборудование загружается цифровая картографическая информация, и при помощи предустановленного программного обеспечения выполняется редактирование или формирование данных;
  • подключается специализированное навигационное оборудование к портативному персональному компьютеру, и в программном обеспечении ГИС производится редактирование или формирование картографической информации.

Этим совместное применение ГНСС- и ГИС-технологий не ограничивается.

Одним из самых заметных достижений совместного использования ГИС и ГНСС стало появление аппаратно­программного средства для транспорта, позволяющего определять местоположение объекта в пространстве, получать дополнительную информацию и проводить мониторинг его движения.

С помощью специализированных ГИС осуществляется визуализация полученных данных на мониторе диспетчера, который может не только видеть местоположение транспорта, но и определить скорость его передвижения, направление движения, окружающую ситуацию, и в соответствии с полученной информацией оперативно принять решение, позволяющее оптимально расходовать имеющиеся ресурсы и средства.

Сегодня совместное применение ГИС, ГНСС и интернет-технологий позволило подойти к проблеме получения пространственной информации с новых позиций. Публикуемые на некоторых интернет-порталах электронные карты дают пользователю возможность определять местоположение объекта, производить расчет оптимального маршрута, получать дополнительную информацию. Их сочетание с современными системами дистанционного наблюдения, передающими информацию в режиме реального времени, дает пользователю возможность получать актуальную информацию о различных природных и техногенных ситуациях. Наглядным примером является сбор и публикация информации о пробках на улицах городов.

Эффективным средством формирования и актуализации картографического обеспечения ГИС являются данные дистанционного зондирования Земли (ДДЗ), получаемые с помощью аэросъемки, воздушной магнитной или гравиметрической съемки, а также различных видов спутниковой съемки.

Аэрофотосъемка предназначена для создания и обновления топографических карт и осуществляется путем облета местности воздушным судном с фотографированием территории. При облете формируются стереопары — фотографии с перекрытиями, позволяющие создать стереоэффект для отрисовки рельефа. Кроме того, на основе результатов аэрофотосъемки создается ортофотоплан, предназначенный для работ как самостоятельный картографический материал, так и для обновления существующих карт.      

Аэромагнитная съемка широко применяется в процессе поиска и разведки месторождений полезных ископаемых. Аэрогравиметрическая съемка предназначена для получения геофизических данных о гравитационном поле Земли. Результаты, полученные при этих видах воздушной съемки, визуализируются и интерпретируются в ГИС.

Воздушная съемка имеет множество ограничений по реализации. Процесс подготовки и обработки в ней довольно сложен и требует большого количества времени. В связи с этим распространение получила спутниковая съемка, где процессы подготовки получения информации минимизированы. Результатом спутниковой съемки являются актуальные данные о местности, имеющие точность от несколько десятков метров до долей метра.

В зависимости от типов пространственных данных, применяемых для решения конкретных задач, используется соответствующий тип съемки:

  • видимой части спектра (оптическая съемка);
  • невидимой части спектра (инфракрасная, ультрафиолетовая и т.д.);
  • радиолокационная.

Например, данные, полученные в инфракрасном диапазоне высокого разрешения, позволяют определять тепловые потери как на самой теплотрассе, так и в зданиях, к которым они подводятся, обнаружить по тепловому следу невидимые в оптическом диапазоне объекты. Применение радиолокационной съемки дает возможность получать данные на территории, имеющей высокую облачность, к примеру данные о ледовой обстановке на Севере.

Широко используется съемка в оптическом диапазоне. Информация, полученная при данном типе спутниковой съемки, попадает к пользователю в виде спутниковых фотографий, формируемых в различных цветовых диапазонах. Результаты применяются как в виде самостоятельного картографического материала, так и для создания из них мозаики — ортофотопланов на требуемую территорию. Ортофотопланы используются в виде геопривязанной растровой подложки в ГИС или в качестве самостоятельного картографического материала, наглядно отображающего местность.

Современные цифровые фотограмметрические станции и соответствующее специализированное программное обеспечение позволяют получать цифровую модель рельефа в 2D- и 3D-форматах. При этом в качестве текстуры в 3D-форматах часто используются ортофотопланы.

Данные спутниковой съемки позволяют осуществлять актуализацию имеющейся картографической информации, проводить мониторинг изменения ситуации в режиме реального времени, формировать актуальные цифровые картографические базы данных. В качестве примера можно привести получение данных по экологической катастрофе в Мексиканском заливе — мониторинг распространения нефтяного пятна, прогнозирование и анализ ситуации. Все эти операции осуществляются в среде ГИС на основе данных дистанционного зондирования Земли.

Сегодня для анализа и моделирования природных и техногенных ситуаций, проектирования инфраструктуры с использованием геоинформационных технологий требуется трехмерная модель. Ранее мы рассказывали о ее создании на основе ДДЗ, однако информация, полученная на основе этих данных, не всегда соответствует необходимым требованиям.

В последнее время всё большую популярность приобретает технология лазерного сканирования. При выполнении этого вида съемки получают практически трехмерная модель объекта. Существует наземное и воздушное лазерное сканирование. При наземном сканировании съемка производится аппаратом, установленным на земле. При воздушном методе сканер (LIDAR) устанавливается на борту воздушного судна и съемка происходит во время полета. Во время съемки привязка к местности осуществляется с помощью глобальных навигационных спутниковых систем.

Наземная лазерная съемка используется для формирования трехмерных моделей различных промышленных объектов. Небольшое время съемки и обработки данных, а также возможность работы с труднодоступными объектами делает технологию востребованной при проектных работах и мониторинге состояния объектов в эксплуатации.

Воздушную лазерную съемку активно применяют для формирования трехмерной цифровой модели местности (ЦММ). В настоящее время стала распространенной тенденция создания трехмерных моделей городов, или генпланов, где в качестве топоосновы используют трехмерную модель местности. Технология лазерного сканирования позволяет в короткие сроки сформировать актуальную цифровую пространственную информацию для создания цифровой трехмерной модели местности.  

Данные и цифровые модели, полученные с применением дистанционных методов, могут использоваться в виде самостоятельного информационного ресурса. Для этого пользователю необходимо обеспечить доступ к информации, что реализуется путем совместного использования ГИС и интернет-технологий. Через веб­интерфейс пользователь получает возможность без специализированного программного обеспечения работать с пространственными данными, которые периодически обновляются. Тем самым осуществляется доступ к актуальной информации, на основе которой принимаются решения по большому спектру вопросов — от нахождения искомого объекта в пространстве до выполнения картометрических задач.

Описанные в статье современные технологии, предоставляющие возможность формирования информационного обеспечения ГИС, продолжают активно развиваться. Их функциональность постоянно расширяется, тем самым позволяя использовать актуальную и точную цифровую пространственную информацию для решения научных, технических, промышленных и других задач.

САПР и графика 7`2010