Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы геодезического информационного обеспечения устойчивого развития территорий 14
1.1 Устойчивое развитие и роль его геодезического обеспечения 14
1.2 Становление геодезического информационного обеспечения устойчивого развития территорий 18
1.3 Современное состояние геоинформационного обеспечения территорий 23
1.4 Геоинформатика 25
2 Методологические основы системного геодезического информационного обеспечения устойчивого развития территорий 31
2.1 Системная связь устойчивого развития с его геодезическим информационным обеспечением 31
2.2 Составляющие геодезического информационного обеспечения 42
2.3 Основные понятия геодезического информационного обеспечения 43
2.3.1 Территория и геопространство 43
2.3.2 Геоинформация 44
2.3.3 Пространственные предметы 45
2.3.4 Геоинформационные системы 47
2.4 Системное представление геодезического информационного обеспечения 49
2.4.1 Сбор данных о территории или её изучение 49
2.4.2 Информационное отображение территории 53
2.4.3 Моделирование территории 53
2.4.4 Пространственный анализ 55
2.4.5 Подготовка пространственных решений 56
2.4.6 Создание цифровых карт, визуализация 57
2.4.7 Структурно-функциональная модель системного геодезического информационного обеспечения 57
2.5 Информационная модель системного геодезического информационного обеспечения 58
2.6 Учёт динамичности при геодезическом информационном обеспечении 60
2.7 Отличия геодезического информационного обеспечения от гео-дезическотографического обеспечения 61
3 Сущность и методологические основы построения геоинформаци онного пространства 67
3.1 Сущность геоинформационного пространства 67
3.2 Различия геоинформационных моделей и цифровых картографических изображений 70
3.3 Геоинформационные характеристики геоинформационного пространства 74
3.3.1 Геоинформационные свойства 74
3.3.2 Геоинформационные параметры 75
3.3.3 Геоинформационное качество 77
3.3.4 Характеристики цифровых картографических изображений 78
3.4 Состав и структура геоинформационного пространства 80
3.5 Цифровая карта 83
3.6 Электронная карта 84
3.7 Сходство и различие моделей геопространства 85
3.8 Принципы формирования геоинформационного пространства 87
4 Технологические основы создания геодезической пространственной информационной системы 93
4.1 Сущность цифрового картографирования местности 93
4.2 Информационное обеспечение геодезической пространственной информационной системы 94
4.2.1 Применение систем координат при геодезическом обеспечении территорий в современных условиях 96
4.2.2 Общие понятия о системах перечисления и кодирования 101
4.2.3 Стандарты систем классификации и кодирования 105
4.2.4 Правила цифрового описания объектов 108
4.3 Получение геопространственных данных 110
4.3.1 Цифрование картографических материалов 111
4.3.2 Наземные съёмки 112
4.3.3 Дистанционное зондирование Земли 115
4.4 Создание геоинформационных моделей 116
4.5 Создание цифровых картографических изображений 120
4.5.1 Информационные основы создания цифровых картографических изображений 120
4.5.2 Преобразование геоинформационных моделей в цифровые картографические модели 124
4.5.3 Создание цифровой картографической модели в процессе формирования геоинформационной модели при цифровании карт 126
4.5.4 Картографическая визуализация 131
4.6 Ведение банка данных геоинформационного пространства 134
5 Оценка возможностей мониторинга территорий геодезическим спут никовым методом 139
5.1 Общая характеристика спутникового метода координирования 139
5.2 Возможности GPS и ГЛОНАСС в программах мониторинга 141
5.2.1 Методы спутниковых наблюдений 141
5.2.2 Абсолютный метод (точечное позиционирование). 143
5.2.3 Дифференциальный метод 145
5.2.4 Относительный метод. 147
5.3 Мониторинг с применением GPS 152
5.3.1 Виды динамики объектов и выбор метода наблюдений 152
5.3.2 Мониторинг земной поверхности 152
5.3.3 Мониторинг окружающей среды 161
5.3.4 Мониторинг объектов 162
5.3.4.1 Мониторинг состояния объектов 162
5.3.4.2 Мониторинг положений объектов 165
5.3.4.3 Мониторинг объектов при объединении с другими средствами позиционирования 172
5.4 Применение GPS в службах, основанных на определении поло жения 176
6 Геодезическое информационное обеспечение территорий на основе геоинформационных технологий 182
6.1 Сущность и классификация ГИС 182
6.2 Базовые функции инструментальных программных средств ГИС 186
6.2.1 Обеспечение взаимодействия с пользователями 186
6.2.2 Сбор геопространственных данных 187
6.2.3 Создание баз геопространственных данных и управление ими 189
6.2.4 Экспорт/импорт данных 190
6.2.5 Преобразование данных 190
6.2.6 Пространственный анализ 191
6.2.7 Картографическая визуализация 192
6.2.8 Формирование конечного продукта геоинформационной обработки 193
6.2.9 Обеспечение разработки ГИС-приложений 194
6.2.10 Администрирование системы 194
6.3 Детализация основных функций ГИС 194
6.4 Математическое обеспечение ПО ГИС 203
6.4.1 Математическое обеспечение геометрической части ПО ГИС 206
6.4.2 Математическое обеспечение атрибутивной части ПО ГИС 209
6.4.3 Математическое обеспечение интеграции геометрических и атрибутивных данных 210
6.5 Функциональная структура ГИС 215
6.6 Оценка ГИС по целям использования 217
7 Опыт применения геодезической пространственной информацион ной системы 224
7.1 Автоматизированная технология создания геоинформационной основы земельного кадастра с использованием топографических планов 224
7.2 Создание земельно-информационной системы районов Новосибирской области 231
7.3 Технология создания геоинформационной модели и цифровой
карты города Урай и его окрестностей 235
7.4 Система геомониторинга автомобильных дорог 244
7.5 Автоматизированная технология паспортизации и инвентаризации автомобильных дорог 246
7.6 Технология создания цифровых кадастровых ортофотопланов полосы отвода автомобильных дорог. 252
7.7 Разработка справочно-картографической ГИС для специалистов
и широких слоев населения 258
7.7.1 Концепция типовой справочно-картографической ГИС 259
7.7.2 Типовые технические требования к созданию справочно-картографической ГИС 267
Заключение 272
Список использованной литературы 275
- Становление геодезического информационного обеспечения устойчивого развития территорий
- Основные понятия геодезического информационного обеспечения
- Геоинформационные характеристики геоинформационного пространства
- Информационное обеспечение геодезической пространственной информационной системы
Введение к работе
Современная геодезия охватывает, в широком смысле, междисциплинарный научный и производственный комплекс, предназначенный для определения формы, размеров и гравитационных полей Земли, топографических съемок и картографического изображения ее поверхности, для обеспечения решений оборонных, экологических, управленческих и разнообразных инженерных задач, что составляет содержание геодезического обеспечения территорий.
До сравнительно недавнего времени геодезическое обеспечение территорий характеризовалось отраслевой и картографической специализацией. Геодезическая отрасль на основе заявок других отраслей создавала геодезические сети и топографические карты и формировала геодезическо-картографические территориальные фонды, которые использовались геодезическими службами других-отраслей для создания специализированных геодезических сетей и тематических графических карт. Последние использовались для планирования, проектирования, управления, отраслевого изучения территории и создания гео-дезическо-картографических отраслевых фондов. При этом комплексное использование отраслевых материалов, особенно графических карт разных отраслей, являлось чрезвычайно сложной и трудоёмкой задачей.
Развитие экономики и общества в современных условиях неразрывно связано с многогранной актуальнейшей проблемой человечества - обеспечением устойчивости его развития. Проявление этой проблемы выражается чаще всего в необходимости взаимной увязки всех решений сферы управления и обеспечения жизнедеятельности общества локального, регионального и глобального уровней иерархии территорий. Соответственно возрастает необходимость междисциплинарных исследований и комплексного межотраслевого подхода к выработке решений. А это, в свою очередь, требует организации совместного комплексного использования информационных ресурсов различных отраслей. Применительно к пространственным информационным ресурсам это требование сводится к интегрированию различной тематической информации об объектах территории на единой пространственно-координатной основе, что является предметом геодезии.
Таким образом, в соответствии с новыми потребностями экономики и общества, усложнением окружающей среды за счёт техногенной составляющей, рамки геодезического обеспечения существенно расширяются, а его содержание изменяется.
Актуальность темы исследования. Сущность геодезического обеспечения территорий составляет комплекс процессов создания, представления, актуализации и использования пространственной информации на основе геодезического метода определения пространственного положения и формы предметов (включая процессы, явления и события) окружающего мира в геодезических системах координат.
На современном этапе развития экономики и общества перед геодезическим обеспечением встали новые цели и задачи, вытекающие из концепции устойчивого развития территорий, и новые возможности, обусловленные новыми техническими и технологическими достижениями.
В качестве новой цели геодезического обеспечения устойчивого развития территорий выступает потребность в интегрировании на единой пространственной основе информации различных отраслей экономики и жизни общества в общее информационное пространство, построенное на единой идеологии, единых принципах и удовлетворяющее единым требованиям. Следовательно, современное геодезическое обеспечение должно удовлетворять этим новым целям, условиям, требованиям: во-первых, быть основой для взаимной увязки и совместного использования множества природных и экологических характеристик и, во-вторых, позволять сохранять и сопоставлять модели состояний территории современных и прошлых периодов. Кроме того, обязательным является требование предоставлять результаты в цифровой форме, обеспечивающей компьютерный анализ и геоинформационную обработку данных.
Новые технические и технологические возможности базируются на новых методах и средствах сбора и компьютерной обработки пространственных данных. Методы определения положения точек местности вышли в последние годы на новый качественный уровень в связи с применением спутниковых технологий, электронных тахеометров, лазерного сканирования и дистанционного зондирования с использованием цифровых методов. Моделирование окружающего пространства стало осуществляться в цифровой форме с соблюдением требований компьютерного восприятия, пространственно-временной четырехмерное™, совместимости и согласованности моделей разного масштаба и тематического назначения. Появились новые компьютерные технологии накопления, обновления и использования геопространственных данных в геодезических территориальных банках данных. Все более широкое применение находят геоинформационные системы (ГИС).
В силу приведенных причин, требований и условий в геодезии в настоящее время активно формируется и развивается новое комплексное направление, связанное с применением современных геоинформационных методов для получения и использования пространственной информации о территориях всех иерархических уровней.
В процессе становления и формирования указанного направления возникла крупная научная проблема приведения геодезического обеспечения территорий в соответствие с современными требованиями на новой методологической и технологической информационной основе с учетом потребности в их устойчивом развитии.
В диссертации предлагается системное решение указанной проблемы путем формирования нового уровня геодезической деятельности - геодезического информационного обеспечения. Он представляет обобщающий продукт развития этого комплексного направления в виде целостной геодезической пространственной информационной системы (ГПИС) обеспечения устойчивого развития территорий, ориентированной на формирование и использование единой компь ютерно структурированной системы информации о территории, названной нами геоинформационным пространством.
Технические достижения в области геодезических методов и технологий, их доступность и простота в использовании обусловили существенное расширение областей их применения непосредственно в технологических процессах отраслей экономики. Поэтому геодезическая пространственная информационная система базируется на включении методов геодезии непосредственно в технологические информационные отраслевые процессы, что обеспечивает получение тематической пространственно-привязанной информации сразу как части геоинформационного пространства, пригодной для междисциплинарного использования. Кроме того, при решении любой пространственной задачи для территории предметом обработки является только пространственная (координатная) информация, получаемая только геодезическими методами, независимо от отрасли.
Это создает предпосылки для интегрирования отраслевых информационных фондов на единой пространственной основе.
Таким образом, геодезическое обеспечение территорий в современных условиях должно приобрести новую форму системного интегрирующего компонента, предназначенного для формирования и использования общего многоаспектного геоинформационного пространства, отображающего всю совокупность пространственных характеристик территорий. Следовательно, соответствующим образом должна измениться методология выполнения геодезических работ. Реализация рассматриваемой научной проблемы путем разработки геодезической пространственной информационной системы является актуальной и имеет важное народно-хозяйственное значение.
Методологической базой решения поставленной проблемы являются теоретические исследования, методические и технологические разработки ученых многих стран мира в области применения геоинформатики и системного подхода в геодезических науках.
Значительный вклад в развитие геоинформационного направления в геодезических науках внесли отечественные учёные: Берлянт A.M., Гук А.П., Жалковский Е.А., Журкин И.Г., Кошкарёв А.В., Лисицкий Д.В., Мартынен-ко А.И., Савиных В.П., Тикунов B.C., Черкашин А.К., Цветков В.Я. и другие. Из зарубежных учёных необходимо отметить: Р.А. Burrough, J.A. Dangermond, M.F. Goodchild, W. Huxhold, M. De Mers, F. Ormeling, R.F. Tomlinson.
В области системного формирования в геодезических науках широкое признание получили труды отечественных и зарубежных ученых: Антипова И.Т., Бывшева В.А., Гуляева Ю.П., Клюшина Е.Б., Конусова В.Г., Маркузе Ю.И., Неймана Ю.М., Панкрушина В.К., Ямбаева Х.К., D. Dikson и др.
Степень разработанности проблемы характеризуется разрозненностью выполняемых исследований и разработок, зачастую не отвечающих условиям системного подхода и не имеющих общих методологических принципов. Большинство из них не ориентированы на обеспечение устойчивости развития территорий и на комплексное применение геодезических и геоинформационных методов, на получение и использование цифровых пространственных дан ных, информации и моделей. Поэтому огромные потенциальные возможности геодезического обеспечения по комплексному позиционированию, интегрированию на системных принципах всего множества информационных компонентов, характеризующих территории, многомерному моделированию и компьютерному пространственному анализу окружающего мира реализуются в значительной степени недостаточно. Все это усиливает актуальность проблемы и определяет предпосылки к ее разработке на современном научно-техническом уровне.
В рамках представленной диссертации выполнены исследования для исходного локального уровня пространственной иерархии и, частично, для регионального. Локальный уровень является основополагающим, наиболее содержательным и трудоемким. Он служит базой для обобщения информации и выявления закономерностей устойчивости развития территорий на более высоких иерархических уровнях. В современных условиях недостаточного финансирования научно-технических разработок средства для создания геодезических пространственных информационных систем находятся, как правило, для территорий локальных уровней.
Целью исследования являлось методологическое и технологическое обоснование геодезической пространственной информационной системы, ориентированной на геодезическое информационное обеспечение устойчивого развития территорий.
Для достижения поставленной цели исследования решены следующие основные задачи:
- выполнен анализ современного состояния и задач геодезического обеспечения территорий в интересах их устойчивого развития;
- обоснована системная связь устойчивого развития с его геодезическим информационным обеспечением;
- обоснована методология, система понятий, информационная и функциональная структура геодезической пространственной информационной системы;
- сформулированы принципы формирования, сущность, характеристики, состав и структура геоинформационного пространства;
- разработана общая технология создания и функционирования геодезической информационной пространственной системы;
- сформулированы требования к составу, содержанию и технологии ведения территориального банка данных, предназначенного для хранения геоинформационного пространства;
- выполнена оценка потенциала спутниковых методов координирования для мониторинга территорий;
- выполнен анализ, обобщение и структурирование базовых функций инструментальных ГИС с позиций их применения при геодезическом обеспечении территорий;
- выполнен анализ математического обеспечения функционирования ГИС при решении задач геодезического информационного обеспечения;
- апробированы разработанные методические и технологические основы создания геодезической пространственной информационной системы.
Достоверность результатов исследований и разработок подтверждена экспериментально.
Объектом настоящих исследований является геодезическое информационное обеспечение устойчивого развития территорий как принципиально нового уровня выполнения геодезических работ.
Предметом исследования служит геодезическая пространственная информационная система создания, ведения и использования геоинформационного пространства.
Теоретическая и методологическая база исследования. Для обоснования теоретических обобщений, принципов и заключений использовались методология системного подхода, формально-логический и экспертный методы. Для обоснования рекомендаций и решения практических задач использовались методы геоинформационного моделирования и картографирования с применением компьютеров и ГИС.
Научную новизну исследований отражают следующие результаты:
- впервые определена системная связь устойчивого развития и геодезического информационного обеспечения и установлены их структурно-функциональные зависимости;
- обоснованы и предложены концепция, принципы и система понятий геодезического информационного обеспечения территорий для устойчивого развития, функциональная, информационная структура, технология создания и функционирования геодезической пространственной информационной системы;
- теоретически обоснованы и разработаны методологические и технологические принципы построения, создания и ведения геоинформационного пространства;
- обоснован необходимый набор функций и технологических средств, состав математического обеспечения и структура программного обеспечения для создания, ведения и использования геоинформационного пространства.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке концепции, принципов, методологических и технологических основ геодезического информационного обеспечения территорий с целью их устойчивого развития, создания и функционирования единой геодезической пространственной информационной системы, формирования, ведения и использования геоинформационного пространства.
Научные положения, выносимые на защиту:
- концепция, принципы и система понятий геодезического информационного обеспечения территорий обеспечивают интеграцию информационных ресурсов различных отраслей на единой пространственной основе;
- информационная и функциональная структура, технология создания и функционирования геодезической пространственной информационной системы позволяют реализовать системный подход к решению проблемы геодезического обеспечения устойчивого развития территорий;
- методологические и технологические принципы построения, создания и ведения геоинформационного пространства на основе необходимого набора функций, средств математического и программного обеспечения определяют его структуру и содержание, как интегрированную пространственную модель территории, позволяющую создавать, вести мониторинг и использовать геоинформационное пространство для решения задач устойчивого развития территорий.
Практическая значимость работы. Выполненные в работе исследования и разработки в области геодезического информационного обеспечения территорий для их устойчивого развития, создания и функционирования геодезической пространственной информационной системы, создания, ведения и использования геоинформационного пространства позволяют осуществлять практическую деятельность и реализацию конкретных территориальных геодезических и геоинформационных проектов, а также готовить специалистов в этом направлении.
Реализация основных результатов исследования осуществлялась в рамках выполнения хоздоговорных и госбюджетных НИР по заказам Министерства образования РФ, МВД, ГИБДД, отделов вневедомственной охраны, органов административной власти, комитетов по земельным ресурсам и землеустройству различного уровня и других организаций. В частности, выполнены работы по созданию геоинформационной основы земельного кадастра; земельно-информационной системы районов Новосибирской области; геоинформационных моделей и цифровой карты города Урай и его окрестностей; системы геомониторинга, автоматизированной технологии паспортизации и инвентаризации автомобильных дорог, цифровых кадастровых ортофотопланов автомобильных дорог; справочно-картографической ГИС для специалистов и широких слоев населения (концепции и типовые технические требования).
Основные положения диссертации используются в учебном процессе СГГА при изучении специальных дисциплин для студентов специальностей «Прикладная геодезия», «Астрономо-геодезия», «Космическая геодезия», «Информационные системы и технологии», «Картография» и «Геоэкология».
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на международной научно-практической конференции «Проблемы кадастра и планирования городских территорий» (г. Красноярск, 1996 г.); на международной конференции Интеркарто-3 «ГИС для устойчивого развития окружающей среды» (г. Новосибирск, 1997 г.); на международной научно-технической конференции, посвященной 65-летию СГГА (г. Новосибирск, 1998 г.); на третьем Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (СО РАН, г. Новосибирск, 1998 г.); на международной научно-технической конференции, посвященной 220-летию со дня основания Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) (г. Москва, 1999 г.); на четвертом Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (СО РАН, г. Новосибирск, 2000 г.); на VII научной конференции по тематической картографии «Картографическое и геоинформационное обеспечение управления региональным развитием», посвященной 45-летию института географии СО РАН (г. Иркутск, 2002 г.); на LIII международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию СГГА «Современные проблемы геодезии и оптики» (г. Новосибирск, 2003 г.); на LIV научно-технической конференции, посвященной 225-летию геодезического образования в России «Современные проблемы геодезии и оптики» (г. Новосибирск, 2004 г.); на международной научно-технической конференции, посвященной 225-летию МИИГАиК (г. Москва, 2004 г.).
Публикации (по теме диссертации). По результатам исследований опубликованы одна монография и 20 научных статей.
Структура и объём работы. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения и списка использованной литературы из 305 наименований. Общий объем составляет 295 страниц, включающих 79 рисунков, 12 таблиц.
Становление геодезического информационного обеспечения устойчивого развития территорий
Особенности современного этапа становления геодезического обеспечения территорий обусловлены двумя важнейшими факторами: новыми требованиями к геодезической информации со стороны отраслей экономики в аспекте всеобщей информатизации общества; новыми требованиями к геодезическому обеспечению в свете потребностей устойчивого развития территорий. Рассмотрим эти факторы более детально.
В работах [25, 26, 27, 28, 29] рассматриваются две концепции развития геодезии, первая - это наука о Земле и вторая - наука о пространстве. При этом в первой концепции предметом геодезии является фигура и поверхность Земли, а во второй концепции предметом геодезии является геометрия объектов окружающего пространства, в том числе самого пространства. На основании исследований сформулированы задачи геодезии: создание координатного каркаса, координатизация пространства, описание окружающего пространства по структурным линиям, поверхностям и точкам, геодезическое обоснование строительства и эксплуатации сооружений.
В настоящее время в самом общем случае предметом геодезии являются пространственные отношения и формы объектов и явлений окружающего мира, что подтверждено историей её развития
Как техническая наука, геодезия занимается разработкой методов, средств и технологий получения информации, характеризующей пространственно-временное состояние объектов реального мира, хранения и использования её для создания математических, цифровых и графических моделей объектов. Пространственно-координированная информация получается в результате производства геодезических измерений в координатной системе или земной системе отсчёта. Объектами реального мира могут быть: планета Земля, геодезические сети, предметы и рельеф местности, инженерные сооружения (существующие и их проекты), объекты любой тематики (геологической, топографической, экономической, кадастровой, ландшафтной, экологической и др.), стационарно расположенные в пределах территории или перемещающиеся по ней.
Предназначение геодезической отрасли - специфическое геодезическое обеспечение народного хозяйства. В разные исторические периоды перед геодезической отраслью ставились конкретные задачи, которые она решала с использованием передовых, соответствующих тому времени, технологий. В XX в. геодезическая отрасль Советского Союза (и России) последовательно решала задачи по созданию единой плановой и высотной государственной геодезической сети, картографированию территории страны в масштабах 1 : 100 000, 1 : 25 000 и 1 : 10 000, городов и посёлков в масштабах 1 : 5 000, 1:2 000 и 1 : 500, выполнению инженерно-геодезических работ, геодезическому обеспечению мелиорации земель, разведки и добычи полезных ископаемых (в том числе на шельфе морей и океанов), лесоустроительных работ, земельного кадастра. При этом целью работ являлось зафиксировать пространственное состояние объекта геодезического изучения на конкретный момент времени. Геодезическое проектирование выполнялось в виде вертикальной планировки, трассирования линейных сооружений. Изучение динамики объектов производилось на отдельных локальных территориях или инженерных сооружениях. Результаты геодезических работ в виде геодезических сетей и топографических карт сохранялись в картографо-геодезических фондах, откуда их получали потребители для использования при решении своих разовых задач.До сравнительно недавнего времени геодезическое обеспечение территорий характеризовалось отраслевой и картографической специализацией.
Геодезическая отрасль на основе заявок других отраслей создавала геодезические сети и топографические карты и формировала геодезическо-картогра-фические территориальные фонды, которые использовались геодезическими службами других отраслей в качестве основы для создания специализированных геодезических сетей и тематических графических карт. Последние использовались исключительно внутри отраслей для прогнозирования, проектирования и создания геодезическо-картографических отраслевых фондов.
Геодезическая информация о территориях создавалась и использовалась в двух основных формах: дискретной (прерывной) и аналоговой (непрерывной).
В дискретной форме в виде координат отдельных точек пространства информация получается методами геодезии с использованием средств и методов топографии, фотограмметрии и картографии. Методы геодезии и фотограмметрии широко используются для изучения не только дневной поверхности, но и подземного пространства (в маркшейдерии), пространства помещений, дна водоёмов, для контроля пространственного состояния зданий, инженерных сооружений и агрегатов, определения траектории движения. В последние годы координаты отдельных точек пространства измеряются спутниковыми методами.
Информация о пространстве в аналоговой форме создавалась вначале в виде рисунков-схем, затем появились картографические произведения: различного вида и назначения карты, атласы, глобусы и макеты местности. Постепенно развивалась и формировалась картография область науки, техники и производства, охватывающая изучение, создание и использование картографических произведений.
Результаты определения (с совместным использованием астрономических, гравиметрических и геодезических измерений) размеров и формы Земли в виде координатных систем, а также результаты аэрофотосъёмки, дистанционного зондирования и топографических съёмок используются в картографии в качестве исходных материалов и данных для составления, обновления и издания общегеографических (топографических) карт. В свою очередь, общегеографические карты используются в качестве географической основы при создании множества географических, тематических, отраслевых и специального назначения картографических произведений.
Вышеизложенное составляет в самом общем виде содержание геодезиче-ско-картографического обеспечения (ГКО) экономики и общества, сложившегося к настоящему времени. Полный перечень современных геодезических и картографических работ федерального и специального (отраслевого) назначения, выполняемых в рамках ГКО, приведён в федеральном законе «О геодезии и картографии» [30, 31].
До начала 1980-х гг. геодезическая информация о территориях поставлялась потребителю и использовалась в виде каталогов координат, а топографическая и картографическая в графическом виде.Научно-технический прогресс двух последних десятилетий привёл к созданию и широкому распространению персональных компьютеров, а также возникновению и бурному развитию информатики и их революционному влиянию
Основные понятия геодезического информационного обеспечения
Геодезическая деятельность традиционно осуществляется на определённой территории, являющейся частью географического пространства (геопространства).
Геопространство географическая оболочка Земли, подлежащая изучению, отображению, моделированию в пределах ограниченной территории, периода времени, объектового состава, перечня и степени подробности его свойств, указанных потребителем пространственной информации [121]. Пространство микромира и космическое пространство не включаются в это понятие. Другим критерием, ограничивающим включение пространств в понятие «географического» и рассматриваемого в настоящем исследовании, является применимость для их изучения и моделирования различных координатных систем.
Территория, как часть пространства, характеризуется протяженностью, динамичностью, структурностью, непрерывностью [36].
Протяженность характеризуется территориальным охватом планеты, полушария, континентов или океанов, группы государств, страны, географической провинции (например, Западная Сибирь, Алтай), единицы административно-территориального деления, населённого пункта, его части или иным.
Динамичность обусловлена изменчивостью территории и неразрывной связью со временем. Это обстоятельство, с одной стороны, позволяет сообщать как о прошлом состоянии рассматриваемой территории, так и о будущем (в виде проекта, прогноза). С другой стороны, требуется фиксация момента изучения территории или пространственных объектов, её составляющих [122, 123].
Структурность проявляется в наличии и расположении пространственных объектов территории (в том числе, явлений и проявлений процессов), содержащихся и происходящих на территории на каждый конкретный момент времени. Примерами процессов, происходящих на территории, являются: наводнения, распространение болезней, загрязнение окружающей среды, военные операции, демографические процессы, распределение температур и прочее. Пространственные объекты территории могут быть конкретные (например, на селённые пункты) и абстрактные (плотность населения), реальные (речная сеть) и предполагаемые (проектируемая сеть орошения) [124].
Непрерывность характеризуется непременным наличием в каждой точке территории какого-нибудь объекта; т. е. не существует «пустой» территории.
Исходя из сущности понятия «обеспечение» (указание на то, чем осуществляется обеспечение территории), геодезическое информационное обеспечение, также как ГИО, основывается на базовом понятии геоинформации - одной из разновидностей пространственной информации, востребованной и потребляемой обществом. Поскольку в отечественной технической литературе пока нет общепринятого определения этого понятия, рассмотрим его и сопутствующие понятия подробнее.
На основе анализа современной теории и практики получения и использования этой информации можно прийти к следующей системе понятий.
Окружающее нас пространство одна из форм (наряду со временем) существования бесконечно развивающейся материи, сосуществования материальных объектов и процессов, характеризует структурность и протяженность материальных систем. Время форма и последовательные смены состояний объектов и процессов (характеризует длительность их бытия). Пространство и время имеют объективный характер, они неразрывно связаны друг с другом, бесконечны. Всеобщие свойства пространства протяженность, единство прерывности и непрерывности. Геопространство может быть реальным или воображаемым (виртуальным).
Информационное обеспечение подразумевает предоставление необходимой информации для решения конкретных задач. Поэтому геоинформационное обеспечение в каждом отдельном случае занимается информацией о конкретно рассматриваемом пространстве. Однако информация о пространстве, или пространственная информация, также требует уточнения. Ибо в общем случае к пространственной информации можно отнести: чертёж конструкции, генплан, схему расположения, фотографию, зарисовку, фразу типа «Слева от него сидел Петров» и многое другое.Рассматриваемым в геоинформатике и геодезии пространством является географическая оболочка Земли в целом или частично, т. е. географическое пространство, или территория. Таким образом, первая особенность геоинформации это информация о конкретном географическом пространстве, территории.
Вторая особенность геоинформации её представление в пространственно-временной координатной системе.Третья особенность геоинформации её цифровая форма, поскольку формируется, сохраняется, преобразуется и используется она компьютерной средой, а не человеком.Таким образом, можно предложить следующее определение. Геоинформация — это координированная информация о геопространстве и его объектах в цифровой компьютерно-воспринимаемой форме, предназначенная
Геоинформационные характеристики геоинформационного пространства
Проблемная ориентация. В зависимости от круга потребителей и решаемых задач, геоинформационное пространство, геоинформационная модель и геоинформация содержат определённый набор моделей и геоинформации о территории, являясь специальными (для решения специальных задач), отраслевыми (для решения отраслевых задач), межотраслевыми (для решения межотраслевых задач) или едиными (для решения всего комплекса задач, возникающих на территории). Особо выделяются ГИМ и ГИ общегеографического содержания, предназначенные для использования в качестве геоинформационной основы при создании всех других ГИМ.
Территориальный охват. Геоинформационное пространство, геоинформационная модель и геоинформация ограничены границами изучаемой территории и отображают её некоторый участок: географической или политико-административной единицы (мира, полушария, континента, страны, региона, района, населённого пункта, его части), производственного комплекса или отдельного сооружения. Дополнительно возможно отображение, как правило, с меньшей степенью детальности окружающей территории, расположенной за границами изучаемой территории. Территориальный охват ГИ и ГИМ равен или, как правило, меньше территориального охвата ГИЛ. Составляющие ГИМ пространственные объекты ограничены своими границами (контуром или поверхностью) на изучаемой территории, занимая определённое местоположение.
Содержание. Геоинформационное пространство, геоинформационная модель и геоинформация содержат в компьютерно-распознаваемых формах цифровое описание некоторого набора пространственных предметов и их свойств, необходимых для пространственного анализа и/или картографического отображения территории. Необходимое для решения задачи содержание определяется заданием списка (перечня, каталога, классификатора) отображаемых пространственных предметов и их свойств, т. е. отвечает на вопрос: «что отображать и по каким свойствам?» Содержание ГИМ обычно меньше содержания ГИ, поскольку используется выборка из ГИ по части территории, перечня пространственных предметов и их свойств. Содержание ГИП соответствует содержанию ГИ.
Система координат. Геоинформационное пространство и его составляющие характеризуются системой координат, включающей три пространственных и одну временную оси координат. Наиболее целесообразно использование геоцентрической системы прямоугольных пространственных координат (X, Y, Z). Для небольших локальных пространств можно использовать геодезические (В, L, Н) или геодезические прямоугольные координаты и высоты (X, Y, Н), отнесенные на референц-эллипсоид. Географические координаты и картографические проекции в координатной системе ГИП используются для отображения территорий с обширным территориальным охватом. Для отображения в одном геоинформационном пространстве территории с различным территориальным охватом (населённого пункта, района, региона, федерации, мира) применяются соответствующие системы координат. При применении ряда систем возникает дополнительная задача перевычисления координат.Для указания временной координаты в России принято летоисчисление «от рождества Христова» и декретное время. В других странах применяются другие системы.
Пространственно-временные системы координат геоинформационной модели и геоинформации, как правило, идентичны системам координат соответствующих территориальных разделов геоинформационного пространства.
Основные составляющие геоинформационного пространства характеризуются некоторыми количественными величинами, которые являются параметрами. Параметры являются более индивидуализированными характеристиками, чем геоинформационные свойства. Они разнятся для разных геоинформационных моделей, а для геоинформации могут разниться по группам пространственных объектов. Поэтому для характеристики ГИП в целом или его разделов, являющихся совокупностью множества самых разных ГИ и ГИМ, параметры следует применять как обобщающие показатели с учётом их значимости для решения конкретной задачи.
В результате выполненных исследований предлагается следующий набор параметров: - детальность; - полнота; - достоверность; - актуальность; - точность; - мерность. Рассмотрим сущность указанных параметров. Детальность степень подробности отображения свойств (пространственных и непространственных) пространственных предметов (для ГИ) или пространственных объектов (для ГИМ). Детальность обеспечивается заданием цензов отбора и обобщения пространственных предметов или объектов, а также их отображаемых свойств, т. е. отвечает на вопрос, «с какой степенью подробности отображена территория?»Полнота степень соответствия набора пространственных предметов и их свойств (для ГИ) или объектов и их свойств (для ГИМ) условиям решаемой пространственной задачи.
Информационное обеспечение геодезической пространственной информационной системы
Указанные выше укрупненные технологические процессы выполняются одинаково в любой отрасли. Общим для всех отраслей является информационное обеспечение систем координат (отсчётных систем).
Отраслевая специфика проявляется на этапе выделения пространственных предметов на изучаемой территории и отображается в виде семантических данных. Основанием для выделения пространственных предметов является информационное обеспечение, разрабатываемое в каждой отрасли отдельно. Именно в информационном обеспечении системы проявляется отраслевая специфика геоинформации.
Информационное обеспечение осуществляется на основе комплекса нормативно-технических документов. Современное состояние нормативной поддержки процессов геоинформатики и цифрового картографирования в России характеризуется соответствующими разработками по линии Федерального органа исполнительной власти по геодезии и картографии [143]. Учитывая направленность работ и ответственность этого ведомства за создание государственного картографо-геодезического фонда, нормативно-техническая документация разрабатывалась с ориентацией на топографические цифровые карты (ЦТК) и ЦММ, необходимые в качестве топографической основы при использовании в геоинформационной индустрии.
Основными нормативно-техническими документами при создании ЦТК являются действующие государственные и отраслевые стандарты [144], а также отраслевые руководящие технические материалы (РТМ). Положения государственных стандартов подлежат применению учреждениями, организациями и предприятиями, расположенными на территории Российской Федерации, независимо от форм собственности и подчинения, которые занимаются сбором, систематизацией, анализом, обработкой и передачей пространственных данных, созданием и использованием ЦТК и ЦММ.
Таким образом, нормативные документы являются основополагающими при проектировании и создании как непосредственно самих ЦТК, так и, в определенной степени, ГРШ и ГИС (как систем, содержащих и использующих эти карты и модели).
Стандарты устанавливают требования к основным компонентам ЦТК. Требования нормативных документов предъявляются к четырем основным элементам ЦКМ: системе классификации цифровой картографической информации, системе её кодирования, правилам цифрового описания картографической информации, а также к обменным форматам и формам представления ЦТК. Элементы ЦКМ, подлежащие стандартизации, отображены на рисунке 14.
Условные обозначения должны соответствовать перечню и изображениям, используемым на графических топографических картах. Система условных обозначений, обычно представляемая в виде файла-библиотеки, должна обеспечивать с использованием системы кодирования автоматический вывод ЦКИ на устройства отображения и получение его копий на графических устройствах вывода.
Основополагающими элементами нормирования ЦКМ (до сих пор вызывающими разногласия) являются системы перечисления и кодирования. Поэтому рассмотрим их более подробно.Предварительно рассмотрим состояние применения систем координат при геодезическом обеспечении территорий в современных условиях.
Определение координат для обеспечения территорий в современных условиях может производиться как традиционными методами геодезии (триангуляция и полигонометрия, нивелирование, инерциальные системы), так и методами космической геодезии (GPS/ГЛОНАСС технологии, РСДБ, системы типа DORIS, PRARE и др.). Среди второй группы методов особенно активно развиваются спутниковые методы определения координат, начавшиеся с систем TRANSIT и Цикада, в настоящее время реализуемые системами GPS NAVSTAR, ГЛОНАСС, ARGOS, GEOSTAR, Бейдоу. В 2007 г. ожидается запуск спутников Европейской навигационной системы Галилео.
Определение координат в методах классической геодезии выполняется с использованием инструментов, снабженных уровнями или заменяющими их датчиками горизонта или вертикали, то есть используются физические принципы позиционирования (относительно отвесной линии). При этом определение плановых координат и высот производится раздельно. Плановые координаты в России представлялись в системе СК-42, которая в настоящее время заменена системой СК-95 [145]. Следует отметить, что обе эти системы являются квазигеоцентрическими, причем несовпадение с геоцентром достигает величины более 100 м, а точность привязки к геоцентру (в СК-95) порядка 1 м. Плановые положения обычно задаются в виде геодезических (эллипсоидальных) координат В, L (геодезическая широта и геодезическая долгота) или плоских координат х, у в проекции Гаусса-Крюгера. Высоты задаются в Балтийской системе нормальных высот 1977 г. (БСВ-77), использующей в качестве поверхности от-носимости - квазигеоид [146, 147, 148].
При развитии системы геодезического обеспечения в современных условиях явное предпочтение отдаётся спутниковым технологиям [149, 150, 151, 152, 153, 154].
В спутниковых методах определение положений производится по измеренным расстояниям (а также по псевдодальностям, разностям дальностей или их производным по времени), являющимися инвариантными относительно системы координат. Таким образом, в отличие от физического принципа позиционирования, применяемого в классических геодезических технологиях, здесь применяется геометрический принцип. Координаты определяются в системе осей общего земного эллипсоида, относительно центра которого происходит движение и задаются эфемериды космических аппаратов. Положения пунктов выводятся в виде прямоугольных пространственных координат X, Y, Z, которые при необходимости преобразовываются в геодезические координаты В, L, Н. Наиболее точными системами координат, применяемыми преимущественно для научных исследований, являются Международные земные системы отсчета ITRFyy (International Terrestrial Reference Frame, yy - последние цифры в обозначении года реализации системы) [155]. Эти системы поддерживаются Международной службой вращения Земли и референцных систем совместно с Международной GPS службой. В соответствии с внутренней согласованностью
