Системы сбора геопространственных данных

Основными источниками информации для сбора пространственно-временных данных ГИС являются карты, геодезические измерения, данные дистанционного зондирования, документальные архивы, Интернет, БД и другие источники.

Глобальный уровень сбора информации может, например, обеспечиваться космическими дистанционными средствами зондирования (ДЗ) (съемок) поверх­ности Земли и атмосферы. Масштаб таких съемок составляет порядка от 1:5* до 1: , точность определения координат снимаемых объектов в плане - около 1000 м, а по высоте от нескольких десятков метров до 100 м. Основное использо­вание результатов рассматриваемых съемок состоит в изучении климата планеты, распространения на ней видов растений и животных, глобальных геологических и геоморфологических исследований, а также контроля за состоянием атмосферы.

Для отмеченных целей, целесообразно использовать съем­ку с космических аппаратов с установленными на них системами зондирования, обеспечивающими как съемку в радиодиапазоне частот, так и в видимом и инфра­красном. В основном информация, получаемая глобальными системами сбора, не требует ее оперативной обработки и высокой повторяемости (это, естественно, не относится к таким катастрофическим явлениям, как лесные пожары, наводнения и др.), так как она служит для моделирования эволюционных процессов.

В том случае, когда процессы носят эволюционный характер, информацию о них целесообразно держать, кроме цифровой формы представления, также и в виде картографического графического документа. Кроме того, для создания математических моделей таких процессов необходимо использовать уже накопив­шуюся информацию об этих процессах в предыдущие периоды (например, даже десятки и сотни лет назад) и, скорее всего, представленную в виде различных кар­тографических материалов.

Региональный уровень сбора информации является наиболее распространен­ным и весьма востребованным. Масштаб съемок при этом распространяется от 1:500 000 до 1:50 000, точность определения координат точек снимаемых объек­тов составляет в плане от нескольких сот до десятков метров, а по высоте около десятка метров. Периодичность сбора информации в зависимости от изменчи­вости измеряемых факторов может существенно меняться от нескольких дней до нескольких лет. В качестве технических средств для сбора региональной информа­ции могут использоваться как космические, так и самолетные носители с разме­щенными на них различными по диапазону длин волн съемочными системами.

Для оперативного наблюдения и отображения быстро изменяющихся динами­ческих процессов в качестве дистанционных регистраторов используются скани­рующие съемочные системы с передачей регистрирующей информации с борта носителя на Землю по телеметрическим каналам. К таким динамическим процес­сам можно, например, отнести обнаружение и наблюдение за распространением вредных выбросов в атмосферу и на водную поверхность.

Естественно, необходимость в создании традиционных графических карто­графических документов для таких процессов отпадает, достаточно иметь набор цифровых данных об этих процессах с возможностью оперативного отображе­ния их в графическом виде на экране дисплея цифровых картографических сис­тем (ЦКС).

В качестве примеров динамических природных объектов с медленным измене­нием их состояния, наблюдение за которыми возлагается на региональные систе­мы сбора информации, можно привести изучение вулканических форм рельефа, региональное изучение таких геоморфологических процессов, как дельты, сети долин, морены.

Особое значение приобретает сбор информации на региональном уровне, связанный с нарушением природной среды из-за антропогенных воздействий на природную среду таких крупных промышленных сооружений, как, например, со­оружение и эксплуатация продуктопроводов, гидротехнических систем, освоение полезных ископаемых. В основном эти нарушения (изменения), если нет катастро­фических ситуаций, носят эволюционный характер, поэтому эти процессы кроме цифрового представления могут подлежать и графическому отображению в виде традиционных тематических карт.

Геопространственная информация на региональном уровне используется для создания топографических карт и управления территориями.

Следующий уровень сбора информации - локальный. Диапазон масштаба съе­мок для данного уровня достаточно широк: от нескольких сот метров до несколь­ких десятков километров на сантиметр карты. Точность определения координат объекта съемки должна быть в плане порядка нескольких метров, а по высоте в зависимости от цели решаемых задач составлять от нескольких сантиметров до нескольких метров. Информация, получаемая по материалам локальной съемки, как правило, весьма переменчива и требует как ее оперативной обработки, так и интерпретации. Исходя из указанного, для локального сбора информации ис­пользуются как наземные геодезические средства измерения, так и дистанционные средства постоянного наблюдения. В качестве носителей средств дистанционного наблюдения обычно применяется авиационная техника (вертолеты, малая авиа­ция, воздушные шары-зонды, аэростаты и т. д.) с установленными на ней сканиру­ющими системами сбора и передачи информации.

В последнее время стали активно использоваться для локального сбора ин­формации научные платформы (НП) и приборы, непосредственно расположен­ные на объектах исследования с оперативными средствами передачи информа­ции, включая и свое местоположение, по телеметрическим каналам через авиа- или космические (спутник) средства. В качестве примера такой действующей системы можно привести спутниковую систему сбора, передачи и обработки данных от научных платформ АКСОЗ, разработанную национальным центром Франции по исследованию из космоса для анализа окружающей среды: океано­логии, метеорологии, вулканологии, гляциологии. Источниками информации в этой системе являются датчики физических параметров среды (давления, тем­пературы, солености воды и др.), которые могут представлять собой морские радиобуи, воздушные шары или неподвижные станции. Информация через эту систему передается потребителю через несколько часов после получения ее дат­чиком НП.

Таким образом, информация, собираемая на локальном уровне, в большинстве случаев требует представления в цифровой форме, а результаты ее анализа долж­ны быть оперативно интерпретированы либо в виде специальных электронных карт на экране дисплея, либо в виде экранных или печатных таблиц. Локальный уровень сбора геоданных особенно важен для решения задач кадастра и муници­пального управления.

Кроме дистанционных методов сбора информации существуют и другие мето­ды, средства и виды ее сбора. Одним из таких важных средств является использо­вание цифровых картографических материалов (ЦК). Топографические карты слу­жат топографической основой при создании экологических и других тематических и природоохранных картографических документов (как цифровых, так и графи­ческих). По картографическим данным может быть получена априорная оценка факторов еще на этапе планирования для данной территории проведения каких- либо социально-экономических мероприятий или создания технических сооруже­ний. Кроме того, наблюдение за развитием какого-либо из факторов по материа­лам временного ряда (набора) картографического материала в результате экстра­поляции помогает сделать прогноз о его поведении в дальнейшем.

Основной вид представления картографической информации, безусловно, дол­жен быть цифровой. Это вызвано следующими причинами.

Во-первых, проведение анализа обстановки, обработка информации из раз­личных источников, имеющей разнообразные формы и требующей ее точного сопоставления и привязки с картой, является крайне сложной и трудоемкой про­блемой, решение которой возможно только на достаточно производительных со­временных вычислительных системах.

Во-вторых, передача данных дистанционного зондирования и с НП произво­дится или по телеметрическим (чаще всего цифровым) каналам, или с магнитных цифровых носителей, установленных на борту съемочной аппаратуры.

И наконец, в-третьих, интерпретация различных факторов должна быть в боль­шинстве случаев оперативной.

Однако наличие ЦК или возможность вызовов в любой момент электронной карты на экран дисплея ЭВМ не исключает необходимости иметь в ряде случаев и традиционные графические картографические материалы на твердой основе. Например, для длительного, архивного хранения картографической информации, независимо от времени ее получения, вряд ли возможно использовать только маг­нитные носители.

Кроме дистанционных средств сбора информации для функционирования ГИС, как отмечалось выше, необходима и соответствующая картографическая информа­ция (КИ), которая в конечном виде должна быть представлена в цифровой форме. Основным назначением картографической информации в системе ГИС является:

получение по ней данных для расчета значений и априорных экспертных оце­нок состояния исследуемой территории с учетом как ее естественного природ­ного развития, так и возможных антропогенных воздействий, которые могли бы возникнуть, например, при планировании размещения и эксплуатации на ней технических сооружений;

осуществление прогнозирования состояния заданного района земного шара по существующей как на его территории, так и на других территориях природных районов-аналогов текущей и архивной КИ.

Основу любой КИ, которая будет использоваться для решения перечисленных выше задач, должны составлять топографические карты, по которым осуществля­ется привязка различных данных и получение информации о рельефе местности, и другие данные. Однако состав КИ, необходимый для решения тематических за­дач, как правило, должен содержать и данные, которые отсутствуют на топографи­ческих картах или не присутствуют на ней в явном виде. Поэтому наряду с топографическими картами должны использоваться и тематические природные карты, также специальные картографические данные, представленные в виде набора таблиц, графиков и являющиеся или результатом инженерно-геологических, геофических изысканий, или санитарно-социальных обследований и др. В связи с тем что обе перечисленные выше задачи являются многофакторными, решение которых представляет собой в общем случае крайне сложную проблему, их практическая реализация возможна только в интерактивном режиме на специальной производительной вычислительной системе.

Весьма важным источником геопространственной информации служат природные полигоны, одним из видов которых являются и природные заповедники, назначение природных полигонов достаточно разнообразно. В одних случаях их можно использовать в качестве эталонных природных участков некоторых видов природных объектов (ПО), за которыми производится наблюдение одновременно с наблюдением за подобными же видами ПО, расположенных в районах, подлежащих, например, экологическому контролю. В других случаях природные полигоны служат для размещения (например, высаживания) специальных ПО-индикаторов, по состоянию которых можно судить о протекании физических процессов и природных явлений в данном регионе.

Большинство источников информации взаимосвязаны между собой. Так, информация с природных полигонов может передаваться непосредственно через дистанционные средства зондирования. Аналогично для обновления ЦК широко используются материалы аэрофотогеодезической съемки. С другой стороны, для привязки геофизических данных могут быть использованы ЦК. Огромный объем данных, который получается с подсистемы сбора информации, требует своей обработки прежде всего для решения основной задачи, постав­нленной вначале.

Одновременно решение этих вопросов связано и с необходимостью ответа и на такие вопросы, как выбор наиболее рациональной съемки для сбора информации Важность его определяется теми высокими материальными затратами, которыми, как правило, сопровождаются аэрокосмические съемки. Кроме того, при переходе к рыночной экономике существенным становится и учет конкурентной борьбы между различными ведомствами за получение заказа на проведение этих съемочных работ. Подобные ведомственные интересы могут возникнуть и при проведении природоохранных мероприятий или при планировании социально-экономического развития региона.

Все это вызывает необходимость в разработке специальной автомати­зированной системы, позволяющей на основе современных информационных технологий обеспечивать интерактивную обработку поступающей от различных источников как топографической, так и тематической информации в достаточ­но сжатые сроки с выдачей обновленных картографических материалов (графи­ческого, электронного и цифрового видов), а также результатов оценок текущего и прогнозного состояния региона на заданный период времени.