Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Математическая основа геоинформационных систем

ВАК РФ 25.00.33, Картография

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Флейс, Мария Эдгаровна

1. «Пространственность» в определениях ГИС и координаты.

2. Традиционные системы координат математической картографии.

3. Специальные системы координат геоинформационных систем.

4. Преобразование систем координат.

ГЛАВА II. Определение математической основы геоинформационной системы.

1. Уточнение понятия математической основы геоинформационной системы

2. Картографические проекции в геоинформационных системах.

3. Масштабы карт геоинформационных систем.

4. Автоматизация построения координатных сеток.

Глава III. Выбор и изыскание картографических проекций в среде геоинформационной системы.

1. Методы получения равноугольных проекций с заданными величинами искажений

2. Методы получения равновеликих проекций с заданными свойствами

3. Выбор картографических проекций для создаваемых карт.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Математическая основа геоинформационных систем"

Доступность персональных компьютеров и распространение программного обеспечения геоинформационных систем (ГИС) привело к расширению круга людей, использующих различные автоматизированные способы манипулирования картографической информацией, но не имеющих необходимого картографического образования и подготовки. Между тем создание и применение ГИС требует не только учета существующей теории и практического опыта традиционной картографии, но и разработки механизма нового системного подхода к взаимосвязи картографических моделей, компьютерных технологий и структуры ГИС [39]. При выборе системы картографических моделей ГИС следует учитывать не только необходимость обеспечения точной локализации элементов для решения исследовательских задач, но и возможность взаимодействия моделей на основе преобразований данных.

В настоящее время определение математической основы при создании карт традиционными, или даже автоматизированными способами (но без использования ГИС) часто сводится к выбору соответствующих карт-источников и использованию их картографических проекций, а во многих случаях и компоновок. Не только топографические карты, разграфка и проекция которых в основном не меняется, но и мелкомасштабные карты создаются на основании сделанных прежде. При этом могут не сохраняться сведения о параметрах используемых проекций, так как отсутствует осмысление процесса выбора математической основы, оптимальной для создаваемой карты. Происходит «обучение по образцам», но без анализа соотношения планов содержания и выражения языкового слоя карты, отвечающего за отражение данных о размещении объектов картографирования, их взаимном положении, ориентации. (О языке карты см. [35]). Постепенно утрачиваются практические навыки по выбору картографических проекций, оптимальных для создаваемой карты, и снижаются требования к описанию выбранных проекций. Однако полноценная работа с картами в среде геоинформационной системы требует четкого определения их математических элементов даже в случае использования уже существующих карт и тем более при интеграции разнородных картографических материалов.

Настоящая работа ставит своей целью решение одной из насущных задач системного подхода к проблеме разработки и реализации соответствующих научно - методических основ ГИС - разработку теории математической основы ГИС. Такая теория должна включать в себя как определение и совершенствование математических элементов существующих и создаваемых геоинформационных систем, так и методику разработки соответствующих блоков программных оболочек ГИС.

Для достижения данной цели возникла необходимость решения следующих задач:

1. Проанализировать системы координат, применяемые в геоинформационных системах.

2. Определить какие преобразования систем координат, необходимы для взаимодействия данных ГИС.

3. Уточнить понятие математической основы ГИС с учетом системного подхода к проблеме.

4. Рассмотреть особенности применения картографических проекций в современных ГИС.

5. Разработать новые методы преобразования систем координат, позволяющие оптимизировать интеграцию данных ГИС

6. Разработать новые и усовершенствовать известные методы изыскания картографических проекций на основе возможностей, предоставляемых работой в среде ГИС.

7. Проанализировать особенности выбора других элементов математической основы карт ГИС (главных масштабов, компоновок и т.п.).

8. Рассмотреть геометрические аспекты применения материалов дистанционного зондирования и их преобразования в заданные картографические проекции для решения задач ГИС.

В первой главе рассматривается соотношение понятий пространственной привязки и геоинформационной системы, отличие использования координатных линий в традиционной картографии и в ГИС, анализируются традиционные системы координат математической картографии с точки зрения использования их в ГИС и вводятся специальные системы координат ГИС. В первой главе также рассматриваются преобразования систем координат, как аналитически заданные, так и преобразования по опорным точкам. Методы преобразований отобраны и адаптированы соискателем для разработки соответствующего блока программного продукта, используемого при создании различных ГИС. При этом три рассмотренных метода являются оригинальной разработкой соискателя.

Во второй главе уточняется определение понятия математической основы геоинформационной системы, рассматриваются особенности применения в ГИС картографических проекций, анализируется соотношение масштаба и территориального охвата карт в среде ГИС и описывается процесс вычисления и построения координатных сеток при создании карт на разных этапах развития автоматизации.

Третья глава в основном посвящена описанию методов изыскания картографических проекций, разработанных соискателем под руководством Л.М.Бугаевского. Получение новых равноугольных и равновеликих проекций опирается на возможности работы с картографическим изображением, предоставляемыми ГИС. В третьей главе также рассматривается применение существующей теории выбора картографических проекций к картам геоинформационных систем.

Основные результаты, изложенные в диссертации, использованы соискателем при разработке расчетной части блока преобразований комплекса программного обеспечения геоинформационных систем GeoDraw/GeoGraph/GeoConstructor, распространяемого в нашей стране и за рубежом начиная с 1992 года. Краткое описание этих программных продуктов можно найти, например в [50], в ведущих периодических Российских изданиях, посвященных ГИС, (Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, ГИС-Обозрение), а наиболее подробное на сайте ЦГИ ИГРАН [51]. Более поздние разработки соискателя, в частности, алгоритмы обратных преобразований для отдельных проекций, а также методы изыскания картографических проекций использованы соискателем при модификации блока преобразований для новой версии СеоСгарЬЮеоСошйцсШг. Теория математической основы ГИС, предлагаемая в диссертации, была использована соискателем при разработке технологий преобразования данных в конкретных геоинформационных системах.

Заключение Диссертация по теме "Картография", Флейс, Мария Эдгаровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с целью и задачами диссертации выполнено следующее:

1. Проведен анализ различных систем координат, применяемых в ГИС, и предложены специальные системы координат ГИС (система координат цифрования, внутренняя и внешняя системы координат).

Анализ систем координат, применяемых в ГИС, позволил определить преобразования, обеспечивающие оптимальное взаимодействие данных. На основании этого была выявлена необходимость разработки новых методов преобразования систем координат, в частности метода, который дал бы возможность совмещения изображения по любому числу точек, и универсального метода преобразования картографических проекций.

Определение специальных систем координат ГИС вызвало разделение преобразований на динамические и преобразования сохраняющие результат, что потребовало разработки методов, позволяющих ускорить динамический пересчет координат, и решения некоторых дополнительных задач, в частности построение кривой ограничивающей изображение Земли в проекции.

2. Систематизированы существующие способы преобразования систем координат и разработаны новые: универсальное преобразование прямоугольных координат в географические для любой аналитически заданной проекции, локально-аффинное преобразование плоскости, преобразование прямоугольных координат в географические для проекции Гаусса-Крюгера на основе метода JI.M. Бугаевского.

3. Уточнено понятие математической основы ГИС в рамках системного подхода к проблеме и даны соответствующие определения.

Уточненное понятие математической основы ГИС включает в себя не только принятые элементы математической основы карт, но и все необходимые преобразования систем координат, выполняемые в ГИС.

4. Определены особенности применения картографических проекций при использовании современных программных оболочек ГИС.

Применение картографических проекций в ГИС имеет три аспекта - это определение проекций карт при их погружении в ГИС, жесткий выбор проекции базовой карты и свободный выбор и изыскание картографических проекций для карт-приложений.

5. Проведен анализ соотношения масштаба и территориального охвата карт в среде ГИС, определен подход к структурированию информации при погружении карт в ГИС и оформлении базовой карты с учетом текущего масштаба изображения.

Анализ изменения понятия масштаба карты в среде ГИС показал, что оформление базовой карты требует обязательного применения правил традиционной картографии как при выборе масштабного ряда в диапазоне изменения текущего масштаба, так и при отборе объектов для отображения.

6. Разработаны новые методы изыскания равноугольных и равновеликих проекций на основе использования возможностей ГИС.

Предложенный в диссертации метод изыскания равноугольных проекций, основанный на использовании метода последовательных итераций Ньютона для реализации метода наименьших квадратов, позволяет получать проекции Чебышева для контура любой сложности, а также равноугольные проекции с увеличением масштаба отдельных участков карты. Второй рассмотренный в диссертации метод получения равноугольных проекций дает возможность изменения характера искажений с сохранением компоновки карты.

Один из предложенных в работе методов изыскания равновеликих проекций позволяет управлять характером искажений, второй - получать равновеликие проекции правильно отображающие относительное географическое положение территорий.

7. Предложена методика обработки космических снимков на основе проективного и локально-аффинного преобразований.

Основные теоретические разработки, выполненные автором, реализованы в комплексе программного обеспечения геоинформационных систем ОеоВгаш/ОеоСгарЬ/ОеоСошЬпсШг. Все карты, представленные в диссертации, созданы в программной среде ОеоВга\¥/ОеоОгар11.

Векторный топологический редактор ОеоБга\у содержит функции аналитического трансформирования векторных и растровых данных, включая преобразование плоскости по опорным точкам и преобразование картографических проекций. Система конечного пользователя ОеоОгарЬ и пакет разработчика СеоСош^п^ог позволяют проводить динамический пересчет координат из прямоугольных в географические, получать картографические сетки для различных проекций и границы листов карты масштаба 1:1000000 и 1:200000. Новая версия ОеоОгарЬ/СеоСог^га^ог содержит все указанные выше функции и позволяет проводить динамическую смену проекции изображения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Флейс, Мария Эдгаровна, Москва

1. Арманд А.Д. «Сильные» и «слабые» системы в географии и экологии// сб. Устойчивость геосистем. М.: Наука, 1983, с.50-61.

2. Арманд А.Д., Таргульян В.О. Некоторые принципиальные ограничения эксперимента и моделирования в географии// Известия АН СССР. Серия Географическая. М.: Наука, 1974, №4, с. 129-138.

3. Берлянт A.M. Геоинформационное картографирование. М.: Астрея, 1997,- 64с.

4. Берлянт A.M., Жалковский Е.А. К концепции развития ГНС в России//ГИС-обозрение, 1996, №1(7), с.7-11.

5. Билич Ю.С., Васмут A.C. Проектирование и составление карт. М.: Недра, 1984-364с.

6. Богинский В.М. Способ изыскания произвольных проекций мелкомасштабных карт. М.: Недра, 1972 101с.

7. Бойков В.В.,Галазин В.Ф., Каплан Б.Л., Максимов В.Г., Базлов Ю.А, Опыт создания геоцентрической системы координат ПЗ-90.// Геодезия и картография. Недра, 1993, № 11, с. 17-21.

8. Бугаевский JI.M. Математическая картография. М.: Златоуст, 1998 -400с.

9. Бугаевский JI.M. Теория картографических проекций регулярных поверхностей. М.: Златоуст, 1999 144с.

10. Бугаевский JI.M., Мусрепов С.Б. Получение наилучших равноугольных проекций.// Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1990, №3, с 126-131.

11. Бугаевский JI.M., Портнов A.M. Теория одиночных космических снимков, М.: Недра, 1984 280с.

12. Бугаевский JI.M., Цветков В.Я. Геоинформационные системы. М.: Златоуст, 2000 222с.

13. Бугаевский Ю.Л. Переменно-масштабные проекции для создания анаморфированных тематических карт// Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1986, №5, с.139-144.

14. Вахрамеева Л.А. Картография, М.: Недра, 1981 -224с.

15. Вахрамеева Л.А., Бугаевский Л.М., Казакова З.Л. Математическая картография, М.: Недра, 1986 286 с.

16. Вахрамеева Л.А., Бугаевский Ю.Л. Исследования переменно-масштабных проекций для социально-экономических карт// Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1985, №3, с.95-99.

17. Верещака Т.В., Курбатова И.Е. Геоинформационное картографирование морских побережий // Картография на рубеже тысячелетий. Всероссийская научная конференция по картографии. М.,1997, с.400-404.

18. Галазин В.Ф., Каплан Б.Л., Лебедев М.Г., Максимов В.Г., Петров Н.В., Сидорова-Бирюкова Т.Л. Под общей редакцией Хвостова В.В. Система Геодезических Параметров Земли «Параметры Земли 1990 года» (ПЗ-90). М.:1998 37с.

19. Герасимов А.П., Ефимов Г.Н., Насретдинов К.К. Совместное уравнивание астрономо-геодезической и космических сетей.// Геодезия и картография, Недра, 1993, № 11, с.23-24.

20. Гинзбург Г.А., Салманова Т. Д. Атлас для выбора картографических проекций//Труды ЦНИИГАиК, вып. 110, Москва, 1957, 239с.

21. Гинзбург Г.А., Салманова Т.Д. Пособие по математической карто-графии//Труды ЦНИИГАИК, вып. 160, 1964, 456с.

22. ГИС «Черное море»/ Под ред. Берлянта A.M., Мамаева В.О., Мусина О.Р. М.: МГУ, 1999 60с.

23. Каврайский В.В. Избранные труды, том П, Вып. 2-3. М.: Издание Управления начальника Гидрографической службы ВМФ, 19591960. Вып.2 -456с., вып.З 352с.

24. Казанцев H.H., Флейс М.Э., Яровых В.Б. Использование разнородных пространственных данных в геоинформационных системах // Гис-обозрение, 1994, осень, с.22-24.

25. Казанцев H.H., Флейс М.Э., Яровых В.Б. Проекционные преобразования в геоинформационных системах // Гис-обозрение, 1995 лето, с. 23-25.

26. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978 512с.

27. Капчиц Б.З., Флейс М.Э., Спасская Н.В. Автоматизация создания математических основ мелкомасштабных карт. Экспресс-Информация. Геодезия, Аэросъемка, Картография. М.: ЦНИИГАиК ГУГК, 1984. Вып. 12, с. 1-4.

28. Королев Ю.К. Общая геоинформатика. Часть I. ООО СП ДАТА+, М.: 1998-118С.

29. Кошкарев A.B. Толковый мини-словарь основных терминов по геоинформатике (с английскими эквивалентами). http://libriary.boom.ru/dict/dict.htm

30. Кошкарев A.B., Тикунов B.C. Геоинформатика. М.: Картгеоцентр-Геодезиздат: 1993-213с.

31. Дедовская JI.C. Дополнение к Атласу для выбора картографических проекций (Тр. ЦНИИГАиК, вып. 110) под редакцией В.М. Богинско-го//ОНТИ ЦНИИГАиК, М., 1975, 108с.

32. Луканин В.В., Шредере A.M., Шредере М.А. Атлас окружающей среды Белого моря//ГИС-обозрение 1997, №4, с.37-39.

33. Лютый A.A. Язык карты: сущность, система, функции. М.: 1988 -291с.

34. Макаренко H.JL, Демьянов Г.В., Новиков Е.В., Бровар Б.В., Ефимов Г.Н., Зубинский В.И., Майоров А.Н., Назарова Н.Г. Под общей редакцией A.A. Дражнюка. Единая Государственная Система Геодезических Координат 1995 года (СК-95). М.: ЦНИИГАиК, 2000 28с.

35. Мартыненко А.И. Автоматический способ создания математической основы карт// Геодезия и картография, Недра, 1966, № 1, с.57-67.

36. Мартыненко А.И. Воланд знал секрет электронных карт и их стандартов// Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, 1998, № 5(17), с.24.

37. Мартыненко А.И., Бугаевский Ю.Л., Шибалов С.Н. Основы ГИС: теория практика. М: Астра семь, 1995 100с.

38. Математическая энциклопедия. т.З. М.: Советская Энциклопедия, 1982, с.10.

39. Мещеряков Г.А. Теоретические основы математической картографии. М.: Недра, 1968 160с.

40. Морозов В.П. Курс сфероидической геодезии. М.: Недра, 1969 -304с.

41. Светличный A.A., Андерсон В.Н., Плотницкий C.B. Географические информационные системы: технология и приложения. Одесса: Ас-тропринт, 1997 196с.

42. Соловьев М.Д. Математическая картография, М.: Недра, 1969- 288с.

43. Тикунов B.C., Цапук Д.А. Устойчивое развитие территорий: карто-графо-геоинформационное обеспечение. Москва Смоленск: СГУ, 1999 - 176с.

44. Урмаев H.A. Методы изыскания новых картографических проекций. М.: ВТУ Генштаба ВС СССР, 1947 93с.

45. Урмаев H.A. Основы математической картографии.//Труды ЦНИИ-ГАиК, 1962, вып. 144 128с.

46. Флейс М.Э., Погодина И.Е.Особенности составления цифровой карты Москвы и Московской области. Материалы конференции «Проблемы ввода и обновления пространственной информации». М.: 1998, с.61.

47. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Финансы и статистика, 1998 288с.

48. Центр Геоинформационных Исследований Института Географии РАН. http://geocnt.geonet.ru

49. Чебышев П.Л. Черчение географических карт, в сб. Избранные математические труды, ОГИЗ. ГОСТЕХИЗДАТ, 1946, с. 100 110.

50. Шингарева К.Б., Краснопевцева Б.В., Родионова Ж.Ф. и др. Атлас планет земной группы и их спутников. М.: МИИГАиК, 1992 208с.

51. Шайтура C.B. Геоинформационные системы и методы их создания.

52. Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 1998 -252с.

53. Arc View. Версия 3.05. Руководство пользователя, 1998 367с.

54. Arc View. Версия 3.05. Электронный справочник (Help).

55. Fleis Maria Е. Control system of the cartographic projections formula data Abstracts 14th World Conference International Cartographic Association, 17-24 August, Budapest, 1989, p.629.

56. Mapinfo Interchange File (MIF) Format Specification, October, 1999. http://www.mapinfb.com/corrmunity/free/library/interchangefile.pdf

57. Mapinfo Версия 6.0. Электронный справочник (Help).

58. Snyder John P. Map Projections A Working Manual, U.S. Geological Survey professional paper 1395, Washington, 1987 - 383p.

59. Snyder John P., Philip M. Voxland. An Album of Map Projections U.S. Geological Survey professional paper 1453 (introduction by Joel L. Morrison), Washington, 1989 239p.

60. The OpenGIS Specification Model. Open GIS Consortium. http://www.opengis.org