Иконография земли как сумма технологий

Любая информация, которая определяет географическое положение и свойства объектов, является информацией пространственной. Без нее немыслимы ни полнота описания объектов и систем материального мира, ни адекватное реагирование на чрезвычайные ситуации, будь то стихийные бедствия или вооруженные конфликты. Она являет собой альфу и омегу, начало и конец, стержень всякой ГИС-технологии.

В общем случае такая информация включает описание геометрии и пространственных отношений, или топологии, объектов (местоположение, взаиморасположение, форма и ориентацию), а также описательные данные, называемые атрибутами (наименование, государственная принадлежность, временные параметры и т. п.).

Добывание пространственной информации, ее обработка и распространение составляют три этапа любой геотехнологии. Причем такое представление приемлемо для описания как конкретной настольной ГИС - в каждой системе данные собираются, обрабатываются и подготавливаются для вывода, так и геоинформационной индустрии в целом - добывание, обработка и доведение информации до потребителей являются вполне самостоятельными секторами рынка информационных технологий. Следуя этой схеме, рассмотрим основные источники геоинформации, модели представления данных в ГИС и типовые информационные продукты ГИС-технологий.

Три источника...

Еще со времен Адама человек черпал геоинформацию из окружающей среды, выцарапывая на глиняной табличке план земельных угодий, определяя свое местоположение по высоте солнца и расположению звезд, обозревая окрестные земли с возвышенного места. К настоящему моменту первобытные навыки превратились в мощные технологически развитые индустрии. Традиционные бумажные карты, полевая съемка, данные навигации и дистанционное зондирование, включающее съемку как с воздуха, так и из космоса, являются сегодня основными источниками данных для ГИС.

Картографирование: от бумаги до компьютера

Самым эффективным, отточенным веками способом организации геоинформации является, безусловно, географическая карта. Как пространственная образно-знаковая модель земной поверхности, карта характеризуется, во-первых, определенным математическим построением, включающим модель Земли (шар или эллипсоид) и проекцию (коих существует множество), во-вторых, применением особых знаков, позволяющих говорить о карте как о тексте определенной языковой системы, и в-третьих, представлением изображаемых объектов и явлений в обобщенном виде, то есть основными, типичными чертами (это называется генерализацией). Огромный арсенал накопленных более чем за пятьсот лет картографических данных - карт, планов, атласов, - а также опыта их составления, стал отправным пунктом для создания цифровых электронных карт для нужд ГИС.

width=300

По сравнению с бумажными цифровые карты имеют ряд особенностей, главными из которых являются: представление в любых проекциях и масштабах; возможность хранения информации, многократно превышающей ту, что целесообразно отображать в данный момент; объединение однотипных объектов карты в отдельные слои, которыми можно манипулировать как самостоятельными объектами. Перевод карт с бумаги в компьютер (оцифровка) - занятие не из легких, оно требует не только специального аппаратного и программного обеспечения, но и соответствующих навыков.

width=300

В мире очень широко используются цифровые карты масштаба 1:1000000, изготовленные на основе тактических навигационных карт Министерства обороны США (например, DCW для Arc/Info и ArcView или ADC WorldMap для MapInfo; объемом немногим менее 2 Гбайт). Довольно низкая точность этих карт позволяет им либо служить первичным материалом для построения более совершенных карт, либо играть роль географического фона, так называемой базовой карты. Тем не менее, низкая цена, а также усилия распространителей по совершенствованию упомянутых цифровых продуктов делают их весьма привлекательным для многих пользователей. Конечно, и у нас ведутся работы по созданию цифровых карт, но те, что имеются сегодня, довольно дороги и часто требуют существенной доработки для конкретных приложений.

Полевая съемка и навигация: от секстанта до GPS

Во времена низких скоростей и приблизительных расчетов человек жил спокойной, размеренной жизнью. Для определения своего местоположения ему было вполне достаточно точных часов и ясного неба над головой. Например, для нахождения долготы места нужно было всего лишь умножить разность между показанием хронометра, отсчитывающего время Гринвича, и временем местного полудня (полуночи) на 15 (=360./24 часа), а измеренный угол между отвесной линией и направлением на Полярную звезду давал значение широты места. Используя секстант (отвес, зрительная труба и транспортир), опытный моряк по положению двух-трех звезд мог вычислить свои координаты с точностью до нескольких километров. Но то, что дают нам современные системы спутникового позиционирования (GPS, "Глонасс"), не снилось ни мореходу, ни звездочету. Сегодня навигационные приемники способны ежесекундно выдавать координаты и высоту с точностью до сантиметров, а скорость - с точностью до 0,1 м/с.

Принцип определения местоположения довольно прост. На спутнике и в приемнике позиционирования синхронно генерируются псевдослучайные сигналы. По времени запаздывания спутникового сигнала приемник определяет расстояние до спутника. Если приемник видит не менее трех спутников, то по их известным координатам и вычисленным до них расстояниям строятся сферы, пересечение которых дает искомую точку (точнее, некоторую область, см. рисунок), а если виден четвертый спутник, то можно определить и высоту. Количество спутников и их орбитальное построение таково, что в любой момент времени из любой точкой Земли можно увидеть до десятка космических аппаратов.

Дешевизна приемников (300 долларов), простота их встраиваемости в информационные системы, точность определения координат (порядка 100 м), а также все расширяющиеся возможности по сбору геоинформации произвели настоящий бум. GPS-технологии совершили переворот не только в полевых геодезических и топографических работах или вычислениях морских и авиационных штурманов, - приемниками спутниковой навигации стало оснащаться буквально все, что движется, от космических аппаратов и самолетов до поездов и личных автомобилей, а после выпуска миниатюрных устройств их планируют монтировать даже... в ошейники для домашних животных. Современные приемники имеют память, способную вместить несколько тысяч точек маршрута с развернутым описанием каждой из них, они могут работать от сигналов и GPS, и отечественной системы "Глонасс", оснащаются ЖК-экранами для визуализации местоположения на фоне встроенной карты и т. д.

width=250

Дистанционное зондирование: от аэростата до спутника

Под дистанционным зондированием понимается получение информации об объектах на расстоянии, методами измерения электромагнитного излучения (свет, тепло, радиоволны) или другими методами, например, эхолокацией. Большинство средств дистанционного зондирования (ДЗ) ориентировано на получение изображений поверхности Земли.

Технология ДЗ основывается, во-первых, на способности земной поверхности отражать излучение и излучать самой, во-вторых, на свойстве некоторых материалов регистрировать такое излучение, и в-третьих, на особенностях перемещения носителя съемочной аппаратуры. Наблюдение поверхности Земли ведется во всех возможных областях спектра: видимой, инфракрасной и в СВЧ-диапазоне. Изображения формируются специальной оптико-механической аппаратурой или радиолокатором и фиксируются на фотопленку или полупроводниковые фотоприемники (такие как ПЗС-матрицы, аналог которых собирает изображение в обычной видеокамере).

width=250

До недавних пор главным источником геоинформации служила аэрофотосъемка (на фото слева снимок времен войны: результаты бомбардировки авиазавода в Мариенбурге), с началом же космической эры эту роль взяли на себя космические аппараты (КА), активно использующие не только фотоаппаратуру, но и электронные системы, способные формировать многоспектральные (в нескольких диапазонах спектра) и гиперспектральные (до двухсот одномоментных снимков в узких участках спектра) изображения.

Аэрокосмические снимки являются "сырой" геопространственной информацией, требующей привязки к местности и, вследствие имеющихся геометрических и яркостных искажений, дальнейшей обработки. Одной из важнейших характеристик качества снимков является величина разрешения на местности, которая показывает, объекты каких размеров различимы на изображении. Например, разрешение всем хорошо известных изображений облачного покрова Земли, переданных с метеорологических спутников, составляет около одного километра; природопользовательские снимки со спутников типа Landsat или "Ресурс" имеют среднее разрешение от десятков до сотен метров; высокодетальные системы типа Spot, "Комета" и Ikonos доставляют информацию с разрешением 10, 2 и 1 метр соответственно. В зависимости от разрешения на местности строится и ценовая шкала снимков. Если метеоснимки и некоторые данные среднего разрешения бесплатны (необходимо лишь приобрести приемную аппаратуру), то более детальная геоинформация продается покадрово (например, 450-600 долларов за снимок со спутника Landsat 7), а высокодетальная - в расчете на квадратный километр площади земной поверхности (например, изображения с КА Ikonos, который был запущен в сентябре, будут стоить от 15 до 200 долл./км2). Кстати, это вовсе не значит, что снимки высокого разрешения лучше, на самом деле все зависит от задачи, а среди них есть и такие, для которых высокое разрешение даже вредно.

помножим на две модели...

Сложность рисунка земной поверхности и большой объем описывающей его информации требуют абстрагирования от несущественных свойств, упрощения и введения некоторых условностей при представлении данных в ГИС. История развития геоинформатики выявила определенные правила, в соответствии с которыми пространственная информация должна представляться на компьютерных носителях, и теперь мы имеем две "классические" модели данных. Выбор той или иной модели для каждой задачи производится исходя из характера пространственного распределения свойств объектов земной поверхности. Если некоторое свойство постоянно по всей площади объекта, то достаточно описать контур объекта, присвоив всей его внутренней области значение свойства (например, свойство "государственная принадлежность" для объекта "Австралия"). При непрерывном изменении свойства по полю объекта, необходимо иметь информацию в каждой точке (например, значение высоты над уровнем моря для объекта типа "рельеф"). В первом случае применяется векторная модель данных, во втором - растровая.

width=190

Векторная модель основана на идее описания пространства простыми графическими примитивами - точками, линиями и полигонами (многоугольниками). Каждая точка определяется парой координат (x, y). Линейные объекты создаются путем соединения точек и определяются наборами пар координат (x1, y1), (x2, y2) ... (xn, yn). Таким же образом представляются ломаные линии и полигоны, то есть замкнутые контуры. Каждый объект описывается набором координат и массивом атрибутивных данных, характеризующих непространственные свойства объекта. Однотипные объекты (объединенные, как правило, общим составом атрибутивных свойств) могут образовывать слои. Объекты, связанные между собой дополнительным набором параметров, характеризующих взаиморасположение, соединение, примыкание объектов и т. п., образуют так называемую векторно-топологическую модель данных.

Векторная модель имеет два возможных способа реализации, из которых наиболее распространенным является разнесение пространственной и атрибутивной информации в разные файлы, связанные между собой идентификатором объекта. Способ интеграции данных в едином файле (например, в реляционной таблице) менее распространен вследствие трудностей работы стандартных СУБД с массивами координат переменной длины (один объект может содержать и одну пару координат, и десятки тысяч пар) и по причине сложности реализации двумерного индексирования данных. Примерами простых векторных моделей могут служить шейп-файлы (shapefiles), используемые в продуктах компании ESRI, или обменный формат MIF/MID компании MapInfo.

width=300

Растровая модель характерна тем, что разбивает всю территорию на элементы регулярной сетки, или ячейки, при этом каждая ячейка содержит только одно значение. Эта величина может, например, выражать яркость земной поверхности (для снимков) или быть признаком принадлежности к тому или иному типу объектов (для растровых карт). Реализуются растровые модели в виде файла изображения, в заголовке которого указываются данные о географических координатах и проекции изображения. Примерами геоинформационного растрового формата могут служить файлы типа .img компаний ERDAS или GeoTIFF.

Соотношение моделей. Обработку пространственных данных огрубленно можно свести к нахождению ответа на два вопроса: где расположен некоторый объект и что находится в данной точке пространства. Так как на первый вопрос лучше "отвечает" векторная модель, а на второй - растровая, то в общем случае ГИС должна работать и с той, и с другой моделью. Векторная модель представления характерна для общегеографических и топографических карт, планов местности, данных полевых съемок, на ней реализуются свойства ГИС как информационной системы. В растровых форматах представляются аэрокосмические снимки земной поверхности, тематические карты, описывающие непрерывные свойства явлений, модели рельефа. При выполнении некоторых сложных аналитических функций векторные данные могут переводиться в растровую форму как более удобную для выполнения задачи, а результаты потом опять преобразуются в "вектор". Таким образом, можно сказать, что растр и вектор - это две взаимодополняющие друг друга модели данных, выбор между которыми зависит от решаемой задачи.

width=300

...получим результат, или шесть групп продуктов

Применение геоинформационных технологий в мире настолько широко, что рассмотреть все возможные формы информационных продуктов не представляется возможным, тем более что таким вопросом интереснее заниматься в конкретных прикладных областях. Кроме того, для ГИС-индустрии характерен своеобразный круговорот пространственных данных, при котором первоначально грубые данные являются источником для получения более полной и точной информации, в свою очередь, составляющей основу для следующего пополнения и уточнения. Тем не менее, весь поток геоданных, являющийся результатом обработки и направляемый к тому или иному потребителю, можно разделить на шесть групп.

На первое место традиционно поставим карты, а именно электронные цифровые карты, предназначенные как для визуального восприятия и не машинного анализа, так и для обработки в ГИС.

Еще одну группу образуют так называемые электронные атласы, представляющие собой универсальный геоинформационный продукт, объединяющий различные формы данных - картографические, текстовые, графические, мультимедийные. Примером могут служить атлас мира "Наша Земля" на CD-ROM или атлас Москвы в Интернете (www.mos.ru/intermap).

Фирмы, специализирующиеся на дистанционном зондировании, поставляют следующую группу - растровые снимки и информационные продукты на их основе. На рынке геоинформации можно найти данные разной степени обработки - от "сырых" материалов до фотокарт и цифровых моделей рельефа. Фотокарты, или ортофотоизображения, представляют собой результат геометрического трансформирования снимков, выполняемого таким образом, что на них устраняются практически все виды искажений, включая искажения, вносимые ракурсом съемки, кривизной Земли и неровностями рельефа местности, вследствие чего фотокарты ничем не уступают обычным картам. С целым атласом высококачественных аэрокосмических снимков можно ознакомится на сайте Terraserver (terraserver.microsoft.com). Цифровые модели рельефа являются одним из интенсивно развивающихся видов геоинформации, предназначенным для решения пространственных задач в трех измерениях.

Различные комбинации векторно-растровых данных можно отнести к отдельной группе, которая включает в себя многослойные карты, содержащие набор векторных слоев на растровой подложке. Кстати, доступность именно таких карт на основе ортофотоснимков привела в США к массовому проникновению ГИС в самые разные области человеческой деятельности.

Навигационные данные и данные о подвижных объектах составляют еще одну группу геоинформационных данных, свойственных задачам слежения, планирования маршрутов движения и т. п. Данные этой группы характеризуются, в первую очередь, точечным местоположением, направлением, историей перемещения и другой командно-управляющей информацией.

Атрибутивная информация как результат пространственного анализа геоданных составляет последний класс информационных продуктов. Здесь используются как данные поставщиков электронных карт, так и информация из других баз данных, в том числе и тех, что существовали еще до реализации ГИС. Примером таких данных может быть, в частности, значение минимальной стоимости одной сотки земли на участке, расположенном не далее двух километров от какой-либо железнодорожной станции в Истринском районе Московской области, - конечно, при условии, что существует ГИС, способная ответить на этот запрос.

width=300

В целом, всю совокупность информационных продуктов, производимых всемирной геоинформационной индустрией, можно сравнить с большим гипотетическим атласом, содержащим полноту знаний человека о мире земном, обозрение которого становится в наши дни все более нужным и важным.