Геоинформатика (geographical information science) Введение в предмет

Что такое геосистема? Геосистема (природно- технологический комплекс) – планета Земля или ее территориально ограниченные части, рассматриваемые как единая система взаимосвязанных компонентов ( оболочек), объединённых потоками вещества, энергии и информации.природно- технологический комплекс Свойства геосистем: - территориальная привязка (размещение в географическом пространстве); - динамичность (развитие систем во времени); - сложность (качественные и количественные различия ее элементов).

Оболочки Земли - литосфера, твердая оболочка с рельефом от 40 до 100 км; - гидросфера – поверхностные и подземные воды, занимает 71% поверхности Земли: - атмосфера – газовая оболочка высотой до км (тропосфера –приземный слой воздуха – км) -биосфера – почвы, растительность, микроорганизмы, животные, люди; - техносфера (ноосфера) – социально- экономическая инфраструктура, созданная людьми

Оболочки Земли Как и другие планеты Земля вращается вокруг Солнца и при этом одновременно, подобно волчку, вращается вокруг своей оси. Земля вращается с запада на восток и делает один оборот вокруг своей оси, за 23 часа 56 минут 4 секунды. Угловая скорость вращения Земли Линейная скорость вращения Земли (на экваторе) 465,1013 м/с (1674,365 км/ч). Земля движется вокруг Солнца со средней скоростью 30 км в секунду, т. е. 108 тыс. км в час и совершает полный оборот вокруг Солнца Земля за 365 суток 5 часов 48 минут 46 секунд. С -1

Иерархия пространств Мы все живем в сложно организованном множестве пространств (иерархии геосистем): Земной шар Континент Страна Область Город Улица Дом, квартира, комната

На практике нам постоянно приходиться сталкиваться с задачами, связанными с пребыванием (ориентацией) в определенным пространстве (от части поверхности Земли до части квартиры), перемещением между пространствами (дом, работа, учеба, отдых) или преобразованием пространства. Решение этих задач требует использования данных, информации и знаний об организации соответствующих пространств.

Что такое информация? Данные – факты, представленные в определенном формате (описанные по известной схеме ) Информация – результат субъективного восприятия и осмысления данных. Информация – данные, представляющие интерес для получателя, т.е. то полезное, что извлекается из данных. Знания – представления о способах и возможностях использования информации: для чего, как (и когда) можно и как (и когда) нельзя, как лучше всего и т.п. Пример с температурой (воздуха и тела)

Пространство и обстановка. Динамика. Пространство – место (вместилище), в котором могут находиться и перемещаться объекты. Пространство определяется размерностью и границами. Пример: трёхмерное евклидово пространство.евклидово пространство Территория – ограниченное пространство. Обстановка - все, чем заполнено пространство; совокупность объектов, находящихся в пространстве. Структура обстановки – взаимное расположения объектов в данный момент времени. Описание обстановки – множество фактов, имеющих место в данный момент времени. Динамика – изменение обстановки. Изменятся могут как сами объекты, так и их расположение. Время – мера изменений. Время имеет направление (из прошлого в будущее). Хронология – упорядоченные во времени изменения обстановки.

Что такое карта? Карта – самое древнее и наиболее полезное статическое описание пространства и обстановки. Карта – средство для ориентации в пространстве. Для отражения изменений нужен временной ряд карт. Временной ряд - упорядоченная в хронологическом порядке последовательность карт. Сильнейший стресс вызывает попадание в незнакомое пространство и обстановку. Чтобы ориентироваться в пространстве нужно иметь его описание.

Концептуальная схема картирования

Что есть на карте ? Топографическая основа и содержательная нагрузка Топографическая основа – схема представления пространства Содержательна нагрузка – описание обстановки

Параметры топоосновы (характеристики описания пространства) Проекция Система координат Масштаб Граница

Проекция - способ отображения поверхности геоида (эллипсоида) на плоскость карты. Геоид Эллипсоид : - Красовского – ,5 м - WGS -84 – ,6 м Геодезическая сеть W GS-84: станций - 36 в Европе

Картографические проекции Наиболее часто используются два вида проекций: - Равноугольные (конформные) – сохранят углы. Величина искажений зависит только от положения точки и не зависит от направления. Эллипсы искажений вырождаются в окружности. Примеры проекция Меркатора. Равновеликие (эквивалентные) - сохраняются площади; точнее, площади фигур на картах,, пропорциональны площадям соответствующих фигур в натуре. Эллипсы искажений всегда имеют одинаковую площадь, различаясь формой и ориентировкой.

Виды изображения земной поверхности на картах: цилиндрические и конические проекции Конические проекции параллели изображаются концентрическими окружностями, меридианы ортогональными им прямыми. Особо пригодны для территорий, вытянутых вдоль параллелей. Цилиндрические проекции меридианы изображаются равноотстоящими параллельными прямыми, а параллели прямыми, перпендикулярными к ним. Выгодны для изображения территорий, вытянутых вдоль экватора. В навигации используется проекция Меркатора. Проекция Гаусса Крюгера применяется при составлении топографических карт.

Системы координат Ra (экваториальный радиус)= 6378,1 км Rb ( полярный радиус) = 6356,8 км. 0 – центр масс Земли 0Z-Axis pointing to the North Pole 0X-Axis Meridian of Greenwich -Международная геодезическая система координат (International Terrestrial Reference System (IRTS). - Мировая геодезическая система WGS -84

Проекция Меркатора: параллели и меридианы Каждая точка на карте однозначно определяется двумя координатами: широтой и долготой. Формат данных: ггº мм'сс".дс Широта: экватор – 0 º. Северный полюс – 90 º с.ш.; Южный полюс- 90 º ю.ш. Долгота: гринвичский меридиан - 0 º; восточная долгота (0 º -180 º); западная долгота (0 º -180 º);

Универсальная система разграфки земного шара

Система координат UTM ( Гаусса-Крюгера) 1 : : : М 1: Экватор 0У Х

Масштаб карт. Цифрове карты территории РФ Масштаб Кол-во листов для РФ Оцифровано % Устарело % 1: ,7 1: ,3 1: (?)69,1 1 : ,8 1 : ,9 1: (города) Нет данных 84,6 (?) Площадь России ,4 тыс.кв.км

Описание обстановки. Содержательная нагрузка карты Космический снимок (RGB) Объектная карта территории

Границы территории и содержательная нагрузка

Функции карты Координатная привязка и расположение объектов в пространстве Мера для измерения расстояний и площадей Меры для оценки сходства/ различия в обстановке Меры для анализа изменений в обстановке

Цифровая карта – описание территории, которое может воспринимать и обрабатывать компьютер ГИС ( геоинформационная система) - инструмент для компьютерной обработки пространственных данных и карт. Функции ГИС – ввод, хранение, актуализация, обработка, отображение, распространение пространственных данных и карт Назначение ГИС – превратить картирование из искусства в технологию

Что такое ГИС? ( GIS - geographical information system) компьютер Программные Средства ГИС База данных территория ГИС ГИС – пространственная модель территории (ГИС –Дубна, ГИС - Московской области) ГИС – программная оболочка для формирования и поддержания пространственной модели территории (ArcGIS, MapInfo, Autodesk)

Классификация ГИС По масштабу территории: глобальные, региональные, локальные, объектные По тематическому содержанию По функциональным возможностям : профессиональные, настольные, полнофункциональные, мобильные

Основные функции ГИС ГИС Ввод исходных данных Хранение и актуализация данных Анализ данных/ моделирование Вывод (визуализация) данных

Исходные данные Вид исходных данных: -Векторные -Растровые -Атрибутивные Режимы ввода: - Первоначальное создание - Актуализация

Структура БД ГИС

Логическая структура БД:многослойная структура

Логическая структура: комплексирование данных

Типы пространственных данных Векторная и растровая модели

Dietrich Schröder GIS Структура растровых данных location, value, resolution, and appearance 24 location: E, N value: 24 resolution: 10m appearance: RGB(255,0,0)

Dietrich Schröder GIS point line area Типы векторных данных (геометрические примитивы) Тип Описание положения точка(Х, У) линия(Х1,У1; …;ХnУn ) полигон(Х1,У1; …;ХnУn;Х1,У1)

Dietrich Schröder GIS Преобразования «вектор – растр»

GIS in a Geodata Infrastructure Dietrich Schröder GIS

Геопортал обзорного мониторинга Геопортал мониторинга чрезвычайных ситуаций Геопортал мониторинга сельскохозяйственного производства WEB-ГИС сервисы отображения результатов космического мониторинга территории РК: Визуализация и распространение данных

Что такое геоинформатика? Геоинформатика = «гео» + «информатика». «Гео» определяет область (объекты) исследования, т. е. геосистемы различного масштаба и происходящие в них процессы. «Информатика» определяет основной «инструмент» исследования, т. е. изучение объектов исследования с использованием системного подхода, методов математического моделирования и компьютерных технологий. Инструментальная геоинформатика – разработка ГИС- оболочек и их компонент ГИС – оболочка представляет собой совокупность средств, методов и технологий сбора, хранения, обработки, отображения и распространения пространственно-временных данных. Прикладная геоинформатика занимается созданием и развитием приложений на основе ГИС-оболочек. Средства, методы и технологии дистанционного зондирования и спутниковой навигации входят в сферу интересов геоинформатики.

Резюме Геоинформатика - это совокупность научных методов, технологий и средств решения научных и прикладных задач, связанных с деятельностью человека, направленной на изучение, охрану, использование и преобразование природных и социально-экономических геосистем. Объекты исследования: геосистемы различного масштаба (литосфера, гидросфера,биосфера, атмосфера и техносфера Земли). Цели и задачи: изучения пространственно-временной структуры, связей и динамики геосистем в интересах практических потребностей человека и общества. Методы: современные компьютерные и информационные технологии, дистанционное зондирование Земли, спутниковая навигация, моделирование, систмный анализ.