Геоинформационные системы на транспорте

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тульский государственный университет» Кафедра геоинженерии и кадастра Струков В.Б. доцент КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ НА ТРАНСПОРТЕ Направление подготовки: Эксплуатация транспортно-технологических машин Профиль: «Автомобили и автомобильное хозяйство» Квалификация: бакалавр Форма обучения: очная, заочная Тула 2016 г. Рассмотрено на заседании кафедры ГиК протокол №___ от "___"____________ 20___ г. Зав. кафедрой________________И.А.Басова СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ 3 1 Понятие о ГИС 4 1.1 Определение географической информационной системы. 1.2 ГИС – связующая информационная среда для различных отраслей научно-практической деятельности человека. 1.3 Применение геоинформационных систем. 4 2 Введение в геодезию 9 2.1 Предмет и задачи геодезии. 2.2 Современное представление о фигуре Земли. 2.3 Виды измерений и ошибок. 2.4 Свойства случайных ошибок. 2.5 Оценка точности измерений. 9 3 Системы координат 14 3.1 Картографические модели местности и их применение в строительной практике. 3.2 Системы координат и высот, применяемые в геодезии. 3.3 Понятие о равноугольной проекции Гаусса-Крюгера и общегосударственной зональной системы плоских прямоугольных координат. 14 4 Топографические карты 19 4.1 Ориентирование линий. 4.2 Основные геодезические задачи. 4.3 Масштаб изображения на плоскости. 19 5 Топографические карты 22 5.1 Номенклатура карт. 5.2 Общие характеристики карт. 5.3 Условные знаки. 5.4 Изображение рельефа горизонталями и цифровые модели рельефа. 22 6 Картографические и атрибутивные базы ГИС 26 6.1. Построение картографических баз данных 6.2. Представление объектов картографической базы 6.3. Атрибутивные данные для ГИС 26 7 Создание геоинформационной системы автомобильные дороги 31 8 Анализ средствами ГИС 34 8.1. Работа с полями баз данных 8.2. Пространственный анализ баз данных 8.3. Другие возможности ГИС. 34 Библиографический список 37 1 Понятие о ГИС 1.1 Определение географической информационной системы. 1.2 ГИС – связующая информационная среда для различных отраслей научно-практической деятельности человека. 1.3 Применение геоинформационных систем. 1.1 Географическая информационная система чаще называется геоинформационной система. Это произошло потому, что ГИС в своем развитии вышла из рамок географии и в современном мире является аппаратом многоцелевых исследований территорий. Территорией называется ограниченный участок земной поверхности, объединенный под какими-то общими признаками – государственное и частное землевладение, промышленное и сельскохозяйственное предприятие, город, область, район, регион, страна и т.д. Геоинформационная система позволяет комбинировать с исходными данными, включающими в себя картографическую и тематическую информацию в целях получения новой информации для осуществления определенных целей. Так что же такое ГИС? Существует много различных определений геоинформационной системы, в которых можно определить следующие существенные аспекты: - система работает в диалоговом режиме "человек - ЭВМ"; - для функционирования ГИС необходима информация, которая связана с территориями, то есть информация, имеющая пространственную привязку; - для выполнения своего предназначения ГИС должна иметь определенный набор функциональных возможностей: описание и ввод исходных данных, их интерпретация, анализ, моделирование, прогноз, запрос, вывод промежуточных и конечных результатов; - ГИС предназначена для информационного обеспечения процесса принятия решений при управлении земельными участками, объектами недвижимости, промышленными предприятиями и природными ресурсами и всеми другими объектами, элементы которых связаны географически, т.е. положением, близостью и пространственным размещением. Геоинформационная система – это комплекс технического оборудования, программного обеспечения и процедур для сбора, хранения, обработки и представления данных о территориях, обеспечивающий интеграцию данных, информации и знаний для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием при управлении территориальными объектами. Хотя пространственные данные используются и во многих других компьютерных программах (например, AutoCAD и пакеты статистических программ), но ГИС обладает дополнительными возможностями производить операции с пространственными данными для получения информации. Под данными понимается совокупность фактов и сведений, выраженных в формализованном виде, для их использования в науке или других сферах человеческой деятельности. Данные соответствуют дискретно зарегистрированным фактам, относительно объектов и явлений реального мира. В геоинформационных системах данные содержат в себе составляющие и дополняющие себя компоненты: сведения, определяющие положение объекта в пространстве, атрибутивные данные, описывающие сущность, характеристики, переменные, значения и другие его квалификации и временные компоненты, определяющие время представления данных. Данная формулировка определяет ГИС, как функционирующую информационную систему в какой-то отрасли деятельности человека. В геоинформационной литературе часто используется понятие ГИС, как программный продукт, предлагаемый рынком, оболочка геоинформационной системы, которую нужно инсталлировать, наполнить, обработать информацию и получить результаты анализа исходной информации. Для оптимального решения управленческих, социальных, экологических технических проблем, для выполнения экспертиз как региональных, так и глобальных проектов необходимо анализировать большие объемы информации, которая имеет пространственную ориентацию. Основанное на анализе картографической и тематической информации решение проблем должно учитывать перспективу развития территории, как при региональном, так и централизованном подходе. Технология ГИС объединяет большие объемы картографической и тематической информации в единую систему и создает согласованную структуру для анализа территориальных данных благодаря переводу информации в цифровую форму. ГИС открывает новые, исключительно интересные пути комбинирования информацией о территориях и отображения результатов, основываясь на данных о пространственной связи. ГИС выявляет взаимосвязи между различными видами деятельности. Взгляд на данные, имеющие территориальную привязку, часто позволяет по-новому понять и объяснить их взаимосвязи, которые часто остаются незамеченными, хотя их значение для понимания и управления различными видами деятельности и ресурсов может быть чрезвычайно важным. Количественный состав тематической базы данных об объектах территории, имеющий пространственную привязку, приводит к качественному улучшению представленных результатов работы ГИС. ГИС актуальна как система, связывающая картографическую и тематическую информацию, тем самым она придает даже рутинным операциям управления и эксплуатации оттенок высокой технологии. Карты, созданные и используемые компьютером вместе с тематической информацией, являются важным инструментом познания и управления окружающей средой. ГИС является технологией, которая впитывает новые идеи и методы, часто возникающие в современной информатике. Даже поверхностное знакомство с ГИС вызывает положительное впечатление, детальное изучение применения геоинформационных систем позволяет оценить потенциальную выгоду для организации в качестве средства анализа территориально привязанной информации. Максимальная эффективность применения ГИС-технологии зависит от успешного решения следующих задач: - определения целей использования ГИС и приоритета задач, решаемых системой; - оснащение вычислительными средствами на уровне объемов информации (малые, средние или большие по объему территории) а также состава и количества программируемых задач (управление всеми службами территории или решение какой либо специальной задачи - управление земельными ресурсами, архитектурные и планировочные задачи или мониторинг окружающей среды); - выбор соответствующей проблемам и техническим средства оболочки ГИС, которые предлагает обширный рынок современных программных средств; - сбор, организация и ввод картографической и тематической информации в ГИС; - организация процедур интерпретации, анализа и моделирования результатов анализа; - решение проблем обеспечения пользователей пространственными данными, результатами функционирования геоинформационной системы; - оценка эффективности ГИС и совершенствование ее работы на основе новых достижений компьютерных технологий. Программное обеспечение - это оболочки геоинформационные системы, предлагаемые современным рынком. В существующих ГИС можно выделить два класса. ГИС можно классифицировать по принципам построения. Закрытые системы имеют функциональную неизменяемую базу, которая позволяет ответить на стандартные вопросы. В них отсутствуют встроенные языки программирования, позволяющие писать приложения. Такие системы стоят меньше, но они не могут удовлетворить пользователя, если он решить расширить применение ГИС для своих специализированных задач. Специализированные системы имеют свою библиотеку приложений, расширение которой может быть связано с большими затруднениями. Открытые системы имеют почти полный набор функций и могут быть расширены возможностями встроенных языков программирования. Они воспринимают широкий спектр форматов, могут конвертировать данные в свой формат. Они изначально дороги, но в дальнейшем могут окупить расходы широкой сферой применения. Информационное содержание ГИС составляют базы данных: графическую, содержащую информацию в векторном или растровом виде и тематическую информацию, обычно в табличной форме в цифровом и символьном виде. ГИС функционирует как совокупность взаимосвязанных подсистем. Подсистема обработки данных включает получение необходимой информации с карт, фотоснимков или в ходе полевых исследований территории, ввод полученной информации в цифровую базу данных, организация, хранение данных. Подсистема анализа данных включает поиск необходимой информации в картографических и атрибутивных данных, ее анализ, представление результатов анализа в виде карт, таблиц и диаграмм на бумажных или электронных носителях. Подсистема использования информации необходима для использования полученной в результате анализа информации и знаний при решении поставленных задач. 1.2 Геоинформационные системы, используя современные ЭВМ технику и достижения традиционных наук, открывают широкие возможности перед различными сферами человеческой деятельности, использующими пространственные данные. Методы многих областей знания интегрируются в геоинформационных технологиях. География является наукой, которая имеет длительные традиции пространственного анализа. Географы первыми создали тематические атласы, которые были первыми географическими информационными системами. Однако бумажные атласы быстро устаревали, ручной анализ ограничивал их применение для многих целей. Геодезия создает основу в виде геодезических построений для пространственного отображения территорий и обеспечивает высокоточный контроль местоположения объектов в картографических базах данных в ГИС. Дистанционное зондирование предлагает в геоинформационные технологии изображения, полученные с самолетов и спутников, которые являются главным источником географических данных, полученных с минимальными затратами для больших территорий, что дает возможность их постоянного обновления. Программы дистанционного зондирования включают в себя методы получения и обработки данных для любого района земного шара. Многие системы анализа изображений имеют сложные аналитические функции, необходимые для дешифрирования данных и это позволяет объединить их с другими слоями данных в ГИС. Информатика - автоматизированное проектирование обеспечивает программные средства, методы ввода, визуализации и представления данных, особенно для трехмерных объектов. Достижения компьютерной графики используются при обработке и демонстрации графических объектов. Системы управления базами данных дают методы представления данных в цифровой форме и процедуры обработки больших объемов данных. В геоинформационных системах применяется искусственный интеллект, который помогает выполнять функции эксперта в таких сферах как при решении внутренних задач, так и при анализе. Исследование операций расширяет возможности многих приложений ГИС, требующих применения методов оптимизации для принятия соответствующих решений. Картография занимается отображением пространственной информации, разрабатывая теорию составления карт, которые в настоящее время являются основным источником пространственных баз данных для ГИС. Компьютерная картография, именуемая также «цифровой картографией» или «автоматизированной картографией», дает методы цифрового представления картографических характеристик и расширяет возможности комбинирования ими, а также обеспечивает методы визуализации. Математика дает знания различных своих отраслей, особенно геометрии и теории графов, широко использующихся в ГИС при проектировании систем и анализе пространственных данных. Статистика предлагает многие модели для использования в ГИС. Эти модели во многих случаях являются статистическими по своей сущности, и получают пространственную привязку в картографических базах. Статистика важна для изучения вопросов погрешности и достоверности данных в ГИС. Топографическая съемка обеспечивает ГИС топографическими картами местности, на основе которых создаются все другие тематические карты. Масштабы топографических карт варьируются от 1:500 до 1:1000000. Фотограмметрия использует аэрофотоснимки для производства точных измерений, является источником большей части данных о ситуации и рельефе земной поверхности, которые вводятся в ГИС, как на картографическом, так и на топографическом уровне. Строительство, транспорт, энергетика и многие другие отрасли научной и практической деятельности человека предлагают свою специальную информацию для слияния ее с пространственными данными в геоинформационной технологии. После комбинирования и анализа информации результаты могут использовать в производственной деятельности объединений, предприятий и подразделений отрасли, а также для экологического анализа эксплуатируемых территорий. 1.3 В географии широко используются ГИС, охватывающие территорию всей планеты, континента или государства. Такие геоинформационные системы содержат большие массивы информации о странах, начиная со сведения о населении, а также географические, экономические, социальные, промышленные, военные и другие показатели. Такие ГИС называют планетарными или глобальными. Несмотря на обилие разнородной информации, специфика геоинформационной технологии позволяет быстро ориентироваться в этой информации, и анализировать ее, создавая тематические карты, графики и диаграммы. Далее по территориальному охвату можно интерпретировать региональные и локальные геоинформационные системы, которые менее универсальны по тематике, зато более точно решают узкоспециализированные задачи. В соответствии с предметной областью можно выделить ГИС, которые решают задачи рационального природопользования. В них большое значение имеют экологические геоинформационные системы. Такие ГИС обрабатывают большое количество специальной информации для контроля над техногенным воздействием на территорию промышленных регионов. Существуют геоинформационные системы, контролирующие влияние узкого техногенного воздействия на природу. Так ГИС помогает решать радиационные проблемы по следам Чернобыльской катастрофы или в местах сосредоточения ядерных арсеналов, атомных электрических станций. Широко применяется геоинформационные технологии в местах разработки нефтяных и газовых месторождений. Используя данные дистанционного зондирования, можно осуществлять мониторинги районов по результатам техногенного воздействия добычи и транспортировки нефти и газа. Попутно отслеживаются паводковые и тундровые пожары, опасные паводковые ситуации. Применение ГИС в контроле над окружающей средой возможно и в локальных проектах. Например, используя данные о топографической близости объектов, можно увязать сведения о токсичных отходах промышленного производства с местоположением учебных заведений и сделать оценку вредного влияния этих данных для здоровья детей. Использование ГИС при долговременном учете и управлении ресурсами имеет решающее значение. Например, при инвентаризации земель в любой момент времени ГИС позволяет получить сведения о землевладельце и параметрах участка, а также аналогичные сведения о соседних участках и напечатать бумажную копию по результатам запроса. При традиционном методе инвентаризации с использованием вручную составленных карт времени затрачивается столько, что вскоре после начала работ данные инвентаризации становятся уже устаревшими и требуют актуализации. На базе земельных наделов реализуется зонирование, пересмотр схем районирования, приобретение земель, обслуживание землевладения. При наличии базы данных о природных ресурсах становится возможным рациональное использование живописных природных водотоков, пойм, заболоченных территорий, сельскохозяйственных угодий, водоносных горизонтов, лесов, всех биологических ресурсов дикой природы. Можно выполнить анализ воздействия на окружающую среду, анализ обзорности (viewshed). При размещении опасных или вредных объектов можно смоделировать их распространение или рассчитать последствия их воздействия или возможности их нейтрализации. Моделирование движения подземных вод дает контроль над распространением загрязнения в почве. Анализ мест обитания дикой фауны поможет сделать безопасными пути миграции. При наличии в ГИС пространственной модели населенного пункта с адресом каждого здания можно решать очень много задач, используя функциональные возможности геоинформационных систем. Например, можно выполнить сопоставление адресов, осуществить поиск объекта по его адресу, разработать маршруты и составить расписание движения транспорта, выполнить анализ и выбор местоположения объектов, разработать планы эвакуации, вести мониторинг городской среды, оценивать влияние факторов мегаполиса на здоровье горожан. ГИС открывает быстрый доступ к данным административного характера (владение собственностью, сведения о налогах, коммунальные кабельные и трубопроводные системы) через их топографическое положение. При управлении оборудованием проектируется размещение подземных трубопроводов и кабелей, выравнивается нагрузка в энергосетях, планируется текущий ремонт оборудования, отслеживается энергопотребление. Таким образом, геоинформационные системы на основе картографической и связанной с ней тематической информацией позволяют отразить результаты математического моделирования природных и техногенных процессов и быстро представляют эту важную информация для поддержки принятых решений. 2 Введение в геодезию 2.1 Предмет и задачи геодезии. 2.2 Современное представление о фигуре Земли. 2.3 Виды измерений и ошибок. 2.4 Свойства случайных ошибок. 2.5 Оценка точности измерений. 2.1 Геодезия – одна из древнейших наук о Земле, - обязана своим происхождением практическим потребностям первых архитектурно-планировочных и строительных работ человечества, чему свидетельствует буквальный перевод с греческого названия этой науки – землеразделение. В недавнем прошлом геодезистов называли также геометрами или землемерами. На протяжении веков задачи геодезии усложнялись и теперь геодезию определяют как науку, изучающую фигуру и гравитационное поле Земли и их эволюцию во времени. Геодезия разрабатывает способы определения положения точек в различных системах координат. Она занимается точными измерениями на местности для создания карт и планов и решения многообразных инженерных задач. Геодезия подразделяется на ряд научных дисциплин (разделов) – высшую геодезию, космическую геодезию, топографию, фотограмметрию и инженерную (прикладную) геодезию. Высшая геодезия решает задачи по установлению фигуры и гравитационного поля Земли и разрабатывает способы определения положения точек в различных системах координат. В космической геодезии научные и практические задачи решаются с помощью наблюдений внеземных объектов – искусственных спутников Земли (ИСЗ), космических летательных аппаратов и других подвижных визирных целей. Здесь объектами исследований, помимо Земли, являются также планеты Солнечной системы. Топография разрабатывает способы детального изучения земной поверхности с целью отображения ее на планах и картах. Фотограмметрия рассматривает теорию и практику использования фотографических снимков (наземных и аэрокосмических) для картографирования Земли и внеземных объектов. Инженерная (прикладная) геодезия разрабатывает методы геодезических работ при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации разнообразных сооружений, а также при разведке и добыче полезных ископаемых (маркшейдерское дело) и, наконец, сопровождает различные инженерные мероприятия по обороне страны. 2.2 Земля – третья планета солнечной системы – движется по эллиптической орбите, в одном из фокусов которого находится Солнце. Средний радиус земного шара – 6371 км. 29,9 % поверхности Земли занимает суша, 70,2 % - Мировой океан. Максимальная высота поверхности над уровнем океана составляет 8848 м. (г. Джомолунгма), а средняя высота суши 875 м. Наибольшая глубина океана – 11022 м (Марианская впадина), средняя глубина – 3300 м. Общей фигурой Земли принято считать замкнутую поверхность, образованную средним уровнем океанов и морей, мысленно продолженную под материками. Такая фигура, по предложению немецкого ученого Листинга (XIX в), была названа геоидом. Поверхность геоида в каждой своей точке перпендикулярна к отвесной линии (вектору силы тяжести), то есть она всюду горизонтальна. Эта поверхность называется уровенной, и ей соответствует некоторое постоянное значение потенциала силы тяжести. Фигурой геоида вследствие неравномерного распределения масс в теле Земли имеет сложную неправильную форму и ее трудно описать замкнутыми математическими выражениями. Вообще говоря, горизонтальных поверхностей, перпендикулярных направлению силы тяжести, можно провести на разных уровнях множество. А так как средний уровень океана нигде не зафиксирован, то геоидом также называют уровенную поверхность поля силы тяжести, проходящую через точку начала отсчета высот. В России такой точкой служит нуль Кронштадтского футштока. По внешнему виду геоид близок к фигуре эллипсоида вращения (сфероиду) и для решения геодезических задач и создания системы геодезических координат подбирают такие параметры эллипсоида, и так располагаю его в теле Земли, чтобы его поверхность была наиболее близка к поверхности геоида. Такой эллипсоид называют общеземным. А эллипсоид вращения определенных размеров, некоторым образом ориентированный в теле Земли так, чтобы отступление его от поверхности геоида были минимальными в пределах данной страны (или группы стран), называют референц-эллипсоидом (рекомендованным эллипсоидом). Для территории России (СССР) с 1946 г. используется референц-эллипсоид Ф. Н. Красовского, параметры которого определяются большой полуосью a = 6378245 м, и полярным сжатием α = (а - b)/а = 1/298,3. Параметры нашего референц-эллипсоида близки к параметрам международного общеземного эллипсоида, для которого а = 6378136 м и α =1/298,26. На протяжении веков форму и размеры Земли определяли методом градусных измерений, предложенным греческим ученым Эратосфеном (III в. до н.э.). В этом методе параметры земного эллипсоида определялись по дуге Земного шара и координатам конечных точек этой дуги, полученных из астрономических наблюдений. Современные методы определения фигуры Земли предусматривают использование большого набора средств измерений. В их числе гравиметрический метод, основанный на измерении ускорений силы тяжести в разных точках земной поверхности, что позволяет устанавливать отклонения фигуры геоида от идеального сфероида. Это земной сфероид – фигура, которую приняла бы Земля, находясь в состоянии гидростатического равновесия под влиянием сил только взаимного притяжения ее частиц и центробежной силы вращения вокруг постоянной оси. Для такого сфероида нормальное ускорение силы тяжести на экваторе gэ = 9,78 м/с2, а на полюсе gп = 9,83 м/с2. Поэтому уровенные поверхности сфероидальной Земли, проведенные на разных высотах, сжимаются у полюсов и, в отличие от идеального шара, они не параллельны между собой, что вызывает неравенство высот точек, лежащих на одной уровенной поверхности. 2.3 Многие геодезические задачи решаются при помощи геодезических измерений, среди которых различают следующие виды. Измерения называются прямыми, если их выполняют с помощью приборов, позволяющих непосредственно получить искомую величину и косвенными, когда искомую величину находят как функцию некоторых других непосредственно измеренных величин. Например, площадь прямоугольника определяют по результатам измерений двух его сторон. Необходимые измерения выполняются один раз, а дополнительные (избыточные), проводятся многократно. Они необходимы для контроля измерений и повышения точности получаемого результата. Равноточные измерения выполняются в одинаковых условиях, неравноточные, - в разных условиях. Под условиями измерений понимают пять слагаемых, взаимодействующих друг с другом в процессе измерений: объект измерения, метод измерения, мерный прибор, субъект измерения, внешняя среда. Все измерения на местности сопровождаются ошибками. По характеру их действия различают три вида ошибок: - грубые ошибки (промахи). В теории они не рассматриваются, так как их всегда можно исключить путем повторных измерений; - систематические, односторонне действующие ошибки. Возникают из-за неправильности мерного прибора, из-за нарушения методики измерений, неполного учета влияния внешней среды и индивидуальных свойств наблюдения. Действие этих ошибок всегда стараются по возможности ослабить, так как полностью устранить их влияние на результаты измерений нельзя, даже если их выполняют многократно. - случайные ошибки - неизбежно сопутствуют измерениям. Исключить их нельзя, но их влияние на окончательный результат можно уменьшить, если проводить многократные измерения или повышать их точность. В теории ошибок приняты следующие обозначения: Х - истинное значение измерений величины, l - результат измерения,  = l - X - истинная ошибка измерения,  - знак суммы по Гауссу. 2.4 Многократные наблюдения позволили установить следующие свойства случайных ошибок измерений. 1 В ряде равноточных измерений одной и той же величины одинаково возможно появление положительных и отрицательных ошибок (свойство симметричности). 2 При равноточных измерениях, чем меньше по абсолютной величине ошибка, тем чаще она появляется (свойство плотности). 3 В ряде измерений случайная ошибка не превосходит некоторого предела, характерного для данных условий измерений (свойство ограничения). 4 Предел отношения суммы случайных ошибок к их числу, при неограниченном возрастании количества измерений стремится к нулю, то есть lim /n = lim /n=0. n n (1) 5 В ряде равноточных измерений существует предел рассеивания, определяемый как сумма квадратов случайных ошибок, деленная на их число lim 2 /n= 2, n (2) где  2 - дисперсия ряда. Ее стандарт  =  2 зависит от условий наблюдений. Если случайные ошибки обладают этими свойствами, то они подчиняются нормальному закону распространения ошибок. На основе свойств случайных ошибок установлено, что при повторных измерениях, если они выполняются многократно, среднее арифметическое L из результатов измерений стремится к истинному значению при неограниченном возрастании числа измерений, то есть L = [l]/ n Х. n (3) 2.5 Для оценки точности равноточных измерений используют следующие характеристики. Средняя квадратическая ошибка одного измерения m = [2]/n . (4) Эта ошибка характеризует среднюю точность измерений в данном ряде. Предельная ошибка измерений, с вероятностью Р = 0.95,  max = 2m, а с вероятностью Р = 0,997 -  max = 3m. Средняя квадратическая ошибка арифметической средины М = m / n,. (5) то есть, ошибка среднего значения в  n меньше ошибки одного измерения. Если результат измерения зависит от размеров искомой величины, то для ее оценки используют относительную ошибку, отношение ошибки к результату измерений выражаемую в виде простой дроби 1/N. Например, если была измерена линия длиной S =110м, с ошибкой m = 2 см, то относительная ошибка 1/ N= m/ S=2/11000=1/5500, а относительная предельная ошибка с вероятностью Р = 0,95 будет равной 2m/S=4/11000= =1/2750. Средняя ошибка измерений, вычисляется по формуле  = [//] /n (6) составляет примерно 4 / 5 от значения средней квадратической ошибки, то есть  = 4/5 m. На практике истинные ошибки измерений обычно неизвестны и вместо них для оценки точности используют отклонения  отдельных результатов измерений от наиболее надежного значения. Если измерения равноточные, то таким наиболее надежным значением является среднее арифметическое L. Отклонения от нее обладают свойством: их сумма всегда равна нулю, то есть, если L=[l]/n и i =li -L, то []=0. Используя отклонения от среднего, вычисляют среднюю квадратическую ошибку одного измерения по формуле Бесселя m = [ 2]/n-1, (7) с погрешностью, равной m m = m /2(n-1). (8) Пример. Оценить точность ряда равноточных измерений некоторого отрезка, измеренного несколько раз. № п.п. l,м V = li - L V 2 1 120,06 2 120,14 + 8 64 3 120,04 - 2 4 4 120,05 - 1 1 5 120.01 -5 25 L = [ l ]/ n = 120.06м; [v] = 0; [ v 2 ] = 94. Средняя квадратическая ошибка одного измерения равна m2=[v2]/(n-1)= =94/(5-1)=23,5. m=4,8 см. m m = 4,8/8= 1,7 см. Предельная ошибка с вероятностью Р = 0.95,  max = 2m= 9,6см. Средняя квадратичная ошибка арифметической средины ML=m/n= =4,8/2,2=2,2 см. Относительная ошибка среднего значения ML/ L=2,2/12006=1/5460. Если искомая величина определяется как функция ряда независимо измеренных величин, то есть f = f (x, y, z ... u), где x, y, z,..., u - независимые аргументы, полученные из результатов измерений со средними квадратичными ошибками m x , m y , m z ,..., m u , то средняя квадратичная ошибка этой функции равна M2F=(дF/дx)2·m2x+(дF/дy)2·m2y+···+(дF/дu)2·m2u (9) где (дF/дx),( дF/дy),···,(дF/дu) - частные производные данной функции по каждому из аргументов. Примеры. 1) Пусть y = x1 x 2  ...  xn. Частные производные функции y по каждому из аргументов здесь равны 1. Поэтому m y2 = mx12 + mx22 + ... + mxn 2 = [mx2] При равенстве ошибок m xi = mx и m y2 =nmx2 , а my = m  n. 2) Для функции вида u =c1 x 1  c2 x 2  ...  cn xn , где ci - некоторые постоянные коэффициенты, и частные производные дu/дx i =ci. Тогда m u2 =c12 m x12 +c22 m x22 + ... +cn2 m xn 2 = ci2 m xi2. 3) Пусть для определения площади прямоугольника приведены два отрезка а = 203,21 с ошибкой m а =5 см и в = 315,42 с ошибкой m в =7 см. Р = а в = 64096,5 м2 mP 2=(дP/дa)2·ma 2+(дP/db)2·mb2 ; дP/дa =b; дP/дb = a. mP2 = b2ma2 + a2 mb2 = 3152 ·52·10-4+2032·72·10-4 = 450м4. mP = 21.2 м2. 3 Системы координат 3.1 Картографические модели местности и их применение в строительной практике. 3.2 Системы координат и высот, применяемые в геодезии. 3.3 Понятие о равноугольной проекции Гаусса-Крюгера и общегосударственной зональной системы плоских прямоугольных координат. 3.1 Для различных нужд народного хозяйства создаются разнообразные картографические модели местности. К их числу относят планы, карты, продольные профили (разрезы) по заданным направлениям, силуэты местности и блок-диаграммы рельефа. Опираясь на приведенные в первой лекции рассуждения, приходим к выводу, что если в пределах участка 2020 км расстояния, измеренные на сфере, практически равны плоским расстояниям, а сферические углы равны плоским углам, поэтому для такой территории можно построить на плоскости, в некотором масштабе, простейшую модель в виде подобного изображения участка, то есть его план. Планом называется уменьшенное и подобное изображения местности на плоскости. Характерным свойством плана является постоянство масштаба изображения во всех его частях. Таковыми, например, являются планы (чертежи) отдельных цехов промышленных предприятий или планы благоустройства территории, генеральные планы строящихся объектов. При изображении больших участков земной поверхности на плоскости уже нельзя обойтись без искажения длин линий или углов, так как шар невозможно развернуть в плоскость без разрывов. Поэтому в этом случае земную поверхность вначале ортогонально проектируют на референц-эллипсоид, а затем, используя различные картографические проекции (конические, цилиндрическое, и др.) переносят изображение с эллипсоида на эту поверхность, которая затем развертывается в плоскость. По своим свойствам проекции могут быть конформными (равноугольными), эквивалентными (с сохранением площадей фигур) и смешенными. Таким образом, картой называют уменьшенное, обобщенное (генерализованное) и построенное по определенным математическим законам изображение значительных участков или всей Земной поверхности на плоскости. Масштаб карты в различных ее точках неодинаков, - он сохраняется только по некоторым главным направлениям (обычно вдоль отдельных меридианов или параллелей) и называется главным масштабом. На карту, в отличие от плана, наносят сетку географических координат – линий меридианов и параллелей. Меридианом называют воображаемую линию на Земле, образованную секущей плоскостью, проходящей через ось вращения Земли. Начальным меридианом принято считать меридиан, проходящий через Гринвичскую обсерваторию в Англии. Параллель - воображаемая линия, образованная на поверхности Земли секущей плоскостью, перпендикулярной оси вращения Земли. Параллель, проходящая через центр Земли, называется экватором. По своему назначению карты бывают трёх видов - общегеографические, топографические и тематические. Общегеографические карты обычно составляются в мелких масштабах. Примером таких карт служат школьные карты и атласы или настенные обзорные карты. Общегеографические карты масштаба 1:1000000 и крупнее называют топографическими. В содержание этих карт входит рельеф, гидрография, населенные пункты, пути сообщения, объекты промышленности, сельского хозяйства и культуры. На карты наносят также границы административного деления. Тематические карты отличаются специальной направленностью своего содержания. Это могут быть карты планировочной структуры города, то есть карты размещения промышленных предприятий, жилого массива зданий, транспортных магистралей, линий связи, подземных и наземных коммуникаций. Карты природных условий бывают геологические, почвенные, гидрогеологические, климатические с показом ветрового режима, влажности, загазованности воздуха и загрязнения почвы. В последнее время нашли свое применения комплексные карты экологической обстановки территории, содержание которых описывается в прилагаемых легендах. Наконец социально-экономические карты содержат сведенья о плотности населения и социальных условиях жизни города. Топографические карты служат основой для архитектурно-планировочных работ, а тематические используются для планирования рационального размещения застройки, систем транспорта, озеленения и других работ. Для линейных сооружений (дорог, каналов, линий электропередач, линий связи и подземных коммуникаций) используется продольные и поперечные профили (разрезы). Профилем называют проекцию на вертикальную плоскость, линии пересечения трассы (оси линейного сооружения) с земной поверхностью. Обычно, для предания большей наглядности, профили строят в различных горизонтальном и вертикальном масштабах. Процессы, характеризующие осадки и деформации сооружений представляются виде профилей, диаграмм, или картограмм. Строитель должен знать, что для решения пространственной организации обширных территориальных систем, включающий ряд поселений, используются карты масштаба 1:100000 – 1:200000. Для составления схем комплексной оценки территорий и планирования пригородной зоны требуются карты более крупного масштаба 1:10000 – 1:25000. Генеральные планы городов и поселков составляются на картах и планах крупного масштаба 1:5000 – 1:10000, а генеральные планы промышленных предприятий, и сельских населенных пунктов на планах масштаба 1:2000 - 1:5000. Наконец, технические проекты сооружений и их рабочие чертежи - на планах масштаба 1: 500 - 1:2000. В стадии эксплуатации производственных объектов ведутся работы по ведению дежурного генерального плана, на котором отмечают произошедшие изменения в планировке территории, появление новых объектов или исчезновение ранее существовавших. 3.2 Для определения положения точек в масштабе всей Земли в геодезии используют три системы координат – астрономическую, геодезическую и геоцентрическую пространственную прямоугольную систему. Астрономические координаты – это угловые величины  и , определяющие положение точек относительно земного экватора и начального гринвичского меридиана. Астрономическая широта  - угол, составленный отвесной линией и плоскостью экватора. Широты отсчитываются к северу и югу от экватора и называются северными и южными. Астрономическая долгота  - двугранный угол между плоскостью начального (гринвичского) меридиана и плоскостью меридиана данной точки. Долготы могут быть западными и восточными. Астрономические координаты получают из астрономических наблюдений. Геодезические координаты определяют положение точек земной поверхности на референц-эллипсоиде. Геодезическая широта B (Breite) – угол, составленный направлением нормали к эллипсоиду в данной точке и плоскостью геодезического экватора. Геодезическая долгота L (Lange) – двугранный угол между плоскостями начального геодезического меридиана и геодезического меридиана данной точки. Геодезические координаты вычисляют от пункта к пункту по результатам наземных геодезических измерений, спроектированных на поверхность референц-эллипсоида. В России начальным пунктом геодезической системы координат послужил центр круглого зала Пулковской обсерватории, координаты которого были получены из точных астрономических определений. Геодезические координаты отличаются от астрономических на величины, зависящие от уклонений отвесных линий от нормалей к эллипсоиду. Природа этих уклонений обусловлена неравномерностью распределения масс в теле Земли и неточностью ориентирования референц-эллипсоида. Географические координаты - обобщенные понятия двух выше названных систем координат, когда не учитываются уклонения отвесных линий. В космической геодезии наибольшее распространение получила геоцентрическая пространственная прямоугольная система координат. В этой системе ось Z направлена на северный средний полюс, соответствующий положению, принятого в качестве условного международного начала. Ось х представлена линией пересечения плоскостей гринвичского меридиана и экватора, а ось у дополняет эту систему до правой. В настоящее время в России используется система координат «Параметры Земли – 1990 (ПЗ – 90)». Для этой системы параметры эллипсоида составляют: а=6378136 м и α=1/298,258. При составлении карт и планов земной поверхности всегда используют левую систему плоских прямоугольных координат. В ней вертикальная линия, обычно направленная на север, является осью абсцисс х, а горизонтальная, с положительным направлением к востоку, - осью ординат у. Четверти в этой системе нумеруют по ходу часовой стрелки, но знаки тригонометрических функций остаются те же, что и в правой системе. Для определения высот точек Земли относительно принятой отсчетной уровенной поверхности используются несколько систем высот Высотой (отметкой, альтитудой) точки называют расстояние, отсчитанное по отвесной линии (или нормали) от принятой уровенной поверхности до заданной точки. Абсолютная (ортометрическая) высота Н измеряется от поверхности геоида, относительная (условная) Н - от произвольной условно принятой уровенной поверхности, а геодезическая НГ от поверхности референц-эллипсоида. Превышением h называют разность высот двух точек. На небольшой территории (до нескольких сотен квадратных километров) величина h не зависит от принятой системы высот, так что hAB = HB – HA = HB – HA = HГВ – HГА (10) В России за начало отсчета высот принят многолетний средний уровень Балтийского моря в районе Кронштадтского футштока и наша система высот называется Балтийской (нормальной). В ней отсчетной поверхностью служит квазигеоид – фигура близкая к поверхности геоида. Балтийская система высот в пределах одного метра отличается от Адриатической системы (Австрия) и северной (Германия). Сам уровень Балтийского моря выше уровня Черного моря на 0,7 м и, что самое любопытное, близкие друг к другу уровни Тихого и Атлантического океанов в районе Панамского перешейка отличаются по высоте на 0,6 метра. Все эти обстоятельства следует учитывать при использовании картографических материалов разных стран. С конца прошлого века геодезистами делалась попытка перейти к единой системе ортометрических высот. С этой целью проводились многолетние определения потенциалы силы тяжести на поверхности среднего (Листингового) геоида. Согласно последней международной договоренности величина этого потенциала была принята равной W0 =62636856,16 м2/с2 , и чтобы привести футштоки отдельных стран к единой системе высот, необходимо знать потенциал силы тяжести Wi в районе того или иного футштока (он определяется по установленным фундаментальным постоянным Нормальной Земли и географическим координатам футштока). Тогда высота футштока относительно поверхности международного геоида станет равной Hi = (W0-Wi) /g0i, (11) где g0i - среднее интегральное значение ускорения силы тяжести от геоида до данной точки (практически g0i = gi). В опытном порядке такого рода приведение высот было в недавнее время осуществлено для Северного футштока. Кроме того, следует знать, что уровенные поверхности Земли не параллельны между собой (они сжимаются у полюсов) и потому высоты точек, лежащих на одной уровенной поверхности уменьшаются по мере приближения к полюсу. Это уменьшение выражается формулой Н = -0,0056Нsin2φср. Δφ/р (12) где Δφ/р – разность широт точек, выраженная в радианной мере. Например, воды озера Байкал, расположенного на средней широте φср =53,50, с размахом широт Δφ = 4,30 и средней высотой Н=450м на севере и на юге отличаются на 0,2 м. 3.3 Все топографические карты России (СССР) с 1928 года составляются в поперечно-цилиндрической проекции Гаусса-Крюгера, которая служит так же основой для общегосударственной зональной системы плоских прямоугольных координат. В этой проекции изображение малых частей эллипсоида на плоскости является подобным (конформным) и масштаб в их границах остается практически неизменным. В упрощенном изложении, при реализации такой проекции референц-эллипсоид как бы оборачивается цилиндром, ось которого проходит через центр Земли и находится в плоскости экватора. Чтобы уменьшить искажения линий при переносе с эллипсоида на плоскость, проектирование на цилиндр осуществляется по частям (зонам), каждая из которых ограничена меридианами, отстоящими друг от друга на 60 или 30 (более широко представлены шестиградусные зоны). Нумерацию зон ведут от Гринвичского меридиана на восток, и вся территория России занимает 28 шестиградусных зон от №4 (Калининград) до №32 (Чукотка). При проектировании зоны средний меридиан ее, по которому эллипсоид касается цилиндра, называется осевым меридианом. Его долготу можно вычислить по формуле N=6N- 3 (13) где N – номер зоны. После проектирования территории зоны на цилиндр, он разделяется по своей образующей и развертывается в плоскость. Аналогично проектируются и все другие зоны, соприкасаясь, друг с другом точками на экваторе. Свойства проекции: 1 Осевой меридиан зоны переносится на плоскость без искажения и изображается прямой вертикальной линией. 2 Экватор изображается прямой перпендикулярной осевому меридиану. 3 Прочие меридианы и параллели представлены в виде некоторых кривых линий. Искажение длин линий S малой протяженности зависит от их удаления от осевого меридиана. В относительной мере эти искажения равны ΔS/S=y2ср/2R2, (14) где уср - среднее удаление дуги S от осевого меридиана, R – радиус Земли. В средних широтах на границе шестиградусной зоны ΔS/S=1/1500, а в трехградусной зоне ΔS/S=1/5000. Эти погрешности сопоставимы с точностью непосредственных измерений при составлении карт и считаются допустимыми. В каждой зоне создается своя система плоских прямоугольных координат. Ее началом служит точка О пересечения осевого меридиана и экватора. За ось абсцисс ОХ принимается осевой меридиан с положительным направлением к северу, а за ось ординат ОУ – линия экватора с положительным направлением на восток. Наибольшее значение абсциссы в зоне может достигать значения ±10000 км, а ордината у ±333 км (в шестиградусной зоне). Показанные на рисунке 1.5 линии параллельные осевому меридиану и экватору образуют сетку прямоугольных координат, которую в шестиградусных зонах наносят на топографические карты. За рамкой карты на выходах этих линий подписывают значение координат в километрах. Величины абсциссы Х на территории нашей страны, расположенной в северном полушарии, имеют только положительные значения, но ординаты У в каждой зоне могут быть и отрицательными. Это вызывает определенные неудобства в их использовании и чтобы избежать этого все, значения ординат увеличивают на 500 км (как бы перенося начало координат в зоне на 500 км к западу). Измененные таким образом ординаты называют приведенными, - их и наносят на координатную сетку топографической карты, указывая перед значением ординаты номер координатной зоны. Величины приведенных координат в шестиградусной зоне могут находиться в пределах от 167 до 833 км. Если некоторая точка А на карте имеет координату х=6045870м (удаление от экватора), у=3395580м, то это означает, что точка А расположена в третьей координатной зоне на удалении 395580-500000=-104420м к западу от осевого меридиана. Точка В с у=13720450м, расположена в 13 координатной зоне на удалении 220450м к востоку от осевого меридиана зоны. На листах карт, лежащих на границах зон (в пределах 20 долготы) делают двойную разграфку сетки координат для данной и соседней зоны. Это сделано для того, чтобы при работе с картами, расположенными на стыке зон, можно было бы использовать какую-то одну систему координат (данной или соседней зоны). 4 Топографические карты 4.1 Ориентирование линий. 4.2 Основные геодезические задачи. 4.3 Масштаб изображения на плоскости. 4.1 Ориентировать линию - значит определить (или задать) ее направление относительно другого направления, принятого исходным (начальным). В геодезии исходными направлениями служат северные направление истинного меридиана, магнитного меридиана, а так же осевого меридиана или линии ему параллельной. Северное направление истинного меридиана определяется из астрономических наблюдений, поэтому его называют иногда астрономическим меридианом. Северное направление магнитного меридиана определяется в данной точке при помощи компаса по магнитной стрелке. Астрономический и магнитный азимуты, дирекционный угол – эти ориентирные углы широко применяются в геодезической практике. Астрономическим (истинным) азимутом А называется горизонтальный угол, отсчитанный в начальной точке линии от северного направления истинного меридиана по ходу часовой стрелки до заданного направления. Азимут А в разных точках одной и той же линии различен. Он изменяется при переходе от одной точки к другой, а величина изменения называется сближением меридианов γ. Переход выражается формулой А23 = А12 +γ, где γ(2-1)sin. (15) Для каждой линии существует прямое и обратное направление. Приняв условно направление 12, как прямое, а 21, как обратное, получим А21 = А12 +180˚+γ. (16) Магнитным азимутом Ам называется горизонтальный угол, отсчитанный от северного направления магнитного меридиана до заданного направления. Северное направление указывает магнитная стрелка буссоли (компаса). Дирекционным углом  называется горизонтальный угол, отсчитанный по ходу часовой стрелки от положительного направления осевого меридиана или линии ему параллельной до заданного направления (рис.6с). Прямой дирекционный угол связан с обратным соотношением  = 12 ±180. (17) Все ориентирные углы связаны между собой определенными соотношениями, зависящими от сближения меридианови склонения магнитной стрелки . Склонение магнитной стрелки угол между магнитным и истинным меридианом. Если северный конец магнитной стрелки отклоняется на восток, то склонение называется восточным и имеет знак «плюс», если на запад, то склонение называется западным и имеет знак «минус». Отсюда формула связи между магнитным и истинным азимутами имеет вид. А = Ам+δ, Ам=А- δ (18) Угол, на который отклоняется в данной точке линия параллельная оси абсцисс, от направления истинного меридиана, называется Гауссовым сближением меридианов . Если точка находится к востоку от осевого меридиана зоны, то угол имеет положительный знак, если к западу, то угол  (-N)sinимеет отрицательный знак. А = α+γ, α = А -γ (19) Из формул (25) и (26) можно получить формулу (27) связи между дирекционным углом и магнитным азимутом Ам = α+γ - δ, α = Ам -γ +δ. (20) Для ориентирования линий используются также румбы - острые горизонтальные углы между ближайшим концом меридиана (или осью абсцисс) и направлением данной линии. Перед численным значением румба указывают его направление относительно сторон света. Дирекционные углы и румбы связаны между собой соотношениями (табл. 1). Таблица 1 Четверть Значения углов α Румбы Дирекционные углы 1 0 - 90 r-св = α α = rсв 2 90 -180 rюв = 180 - α α = 180-rюв 3 180 - 270 rюз = α -180 α =180 - rюз 4 270 - 360 rсз = 360- α α = 360 - rсз 4.2 Связь между координатами соседних точек на плоскости осуществляется при помощи геодезических задач. В прямой геодезической задаче по координатам одной точки, дирекционному углу отрезка линии и его длине определяются координаты второй точки. В обратной геодезической задаче по координатам двух точек определяют дирекционный угол и расстояние между этими точками. Эти задачи имеют основное значение при развитии геодезических построений для передачи координат от одной точки к другой. Обратимся к правилам их решения. Для решения прямой задачи должны быть известны координаты одной точки: Х1, и Y1; дирекционный угол линии 12 -  12, и расстояние между определяемыми точками d12. В задаче определяются координаты второго пункта Х2, Y 2. В построенном прямоугольном треугольнике Δ12С его катеты являются приращениями координат, которые можно вычислить по формулам: Х12 = d12cos 12, Y12= d12sin 12. А так как Х2=Х1+Х12, У2=У1+У12, то решением задачи являются соотношения Х2=Х1+d12cos12, У2=У1+d12sin12. (21) Для решения обратной геодезической задачи должны быть известны координаты двух точек: Х1, У1; Х2, У2 . В результате решения определяется дирекционный угол линии - 12, и расстояние между точками d12. Из того же прямоугольного треугольника следует одно из возможных решений задачи. tg12=(У2-У1)/(Х2-Х1); d12=(Х2-Х1)/cos12=(У2-У1)/sin12 или d12=(Y122+Х12 2). (22) При последовательном вычислении координат точек по ходовой линии необходимо воспользоваться правилом последовательной передачи дирекционных углов по углам поворота β ходовой линии (1.14) и формулами прямой геодезической задачи =i-1,i ±180 ± βi , (23) где βi – угол поворота хода, то есть, чтобы получить дирекционный угол последующей стороны ходовой линии нужно к дирекционному углу предыдущей линии, измененному на 1800 , прибавить или отнять угол βi поворота хода. Причем, угол βi прибавляется, если он измерен с левой стороны хода и отнимается правый по ходу угол. При вычислении по формуле 1.14, если получается отрицательный результат, то к нему прибавляется 3600 , а при результате большем 3600 из него убирают полные периоды. 12 =8525; β2лев =20017; β2пр =15943. 23 =8525 +180+20017=46542-360=10542, 23 =8525 +180 -15943=10542, или, наконец, 23 =8525 -180 -15943= -25418+360=10542. 4.3. Степень уменьшения линий на карте (плане) по сравнению с горизонтальными проекциями тех же линий на местности называют масштабом карты. Численный масштаб представляется простой дробью 1/М, у которой числитель равен единицы, а знаменатель М показывает степень уменьшения линий, иначе говоря 1/М =s/S (24) где s – расстояние на плане (карте), S – длина горизонтальной проекции той же линии на местности (s и S имеют одну и ту же размерность). Чем больше знаменатель М масштаба, тем большая будет степень уменьшения. Из двух принятых масштабов более крупным считается тот, у которого знаменатель М меньше. Пользуясь формулой (31) можно решать ряд задач, связанных с масштабом, (определять третью неизвестную величину при двух известных). Все топографические карты России составлены в стандартных масштабах от 1:1000000 до 1:5000. Численный масштаб подписывается под южной рамкой карты. Вместе с численным масштабом так же дается его расшифровка в виде именованного масштаба, который указывает, сколько метров на местности содержится в одном сантиметре на карте (плане). Например, если масштаб карты равен 1:10000, то именованный масштаб указывает, что в одном сантиметре содержится 100 метров. Точностью масштаба называют наименьший отрезок на местности, который можно изображать или различать на карте данного масштаба. Поскольку наименьший отрезок, различимый простым глазом равен sо =0,01см, то по формуле (1.20), соответствующие ему расстояние на местность равно S0 = sоМ = 0,01М см – это будет точностью масштаба карты. Например, при масштабе 1:5000, точность масштаба будет равна S0 =0,01·5000 = 50 см (реально – в два раза больше). Если же в строительной практике ставится обратная задача – заказать такую карту, на которой различались наименьшие детали, равные S0 , то масштаб такого плана должен быть равен 1/М = 0,01/S0. (25) Пусть S0 =10см. Тогда 1/М=0,01см/10см=1/1000. Графические масштабы бывают двух видов – линейные поперечные, - они используются, чтобы избежать расчетов по формуле (1.15). Линейный масштаб представляется двумя прямыми линиями, разделенными на равные отрезки, равные 1см или 2см, которые называются основанием а масштаба. Первое основание делят на 10 равных частей и на правом конце его пишут нуль, а на левом – то число метров на местности, которому соответствует в данном масштабе основание. Вправо от нуля под каждым основанием подписывают соответствующие расстояния на местности. С помощью такого построения можно уверенно измерять или откладывать на плане отрезки с точностью до десятых долей основания «а». Для более точных измерений используется график поперечного масштаба. На графике одиннадцать горизонтальных параллельных линий разделены перпендикулярами на отрезки. Эти отрезки равны основанию масштаба. Обычно в нормальном (сотенном) масштабе, а=2см. Крайнее левое основание вверху и внизу поделено на 10 частей, равных 0,1а = 2мм и полученные отрезки соединены трансверсалями (наклонными линиями). Из подобия прямоугольных треугольников Δofh ~ Δode следует, что катет de =0,1fh=0,01a, то есть цена наименьшего деления этого графика равна сотой доли основания. Следующие катеты (отрезки между вертикалью и наклонной линией) будут соответственно равны 0,02а, 0,03а, … 0,1а (горизонтальное расстояние между наклонными линиями равно 0,1а). Любой отрезок на поперечном масштабе можно представить в виде числа, состоящего из целых и дробных частей основания, с точностью до 0,01а. 5 Топографические карты 5.1 Номенклатура карт. 5.2 Общие характеристики карт. 5.3 Условные знаки. 5.4 Изображение рельефа горизонталями и цифровые модели рельефа. 5.1 Чтобы изобразить территорию страны или одного города необходимо иметь много листов топографических карты. Для удобства пользования такой картой каждый ее лист получает определенное обозначение. Разделение топографических карт территории на листы называется разграфкой. Система обозначения отдельных листов топографических карт называется номенклатурой. В основу разграфки и номенклатуры топографических карт положена карта масштаба 1:1000000. Для получения такой карты земной шар делится меридианами через 6 на колонны и параллелями через 4 на ряды. Колонны нумеруются арабскими цифрами от 1 до 60 с запада на восток, начиная от меридиана с долготой 180. Ряды обозначаются заглавными буквами латинского алфавита от A до V, начиная от экватора к полюсам. Каждый, полученный таким образом, участок земной поверхности изображается на отдельном листе карты масштаба 1:1000000 и его номенклатура будет состоять из буквы, обозначающей ряд, и числа, определяющего номер колонны, например, номенклатура листа карты для Москвы — N-37, для Новосибирска — N-44. Каждый лист карты 1:1000000 делится меридианами и параллелями на 4 листа карты масштаба 1:500000 (рис.1.12). При обозначении листов данного масштаба к номенклатуре 1:1000000 добавляются буквы А, Б, В или Г (N-44-А). Для получения листа карты масштаба 1:200000 лист карты миллионного масштаба делится на 36 листов (рис.1.12), каждый из которых получает к номенклатуре карты миллионного масштаба римскую цифру, например, N-44-ХХХVI. Чтобы получить лист карты 1:100000 необходимо лист карты миллионного масштаба разделить на 144 части (рис.1.13), каждая из которых получает к номенклатуре карты миллионного масштаба арабскую цифру (N-44-50). Лист карты 1:100000 масштаба является основой для листов карты 1:50000. Для этого он делится на 4 части и полученные листы пятидесятитысячного масштаба и обозначаются буквами А, Б, В или Г вместе с номенклатурой исходного масштаба, например, (N-44-50-Г). Затем этот лист делится на четыре листа масштаба 1:25000, который в свою очередь делится на четыре листа масштаба 1:10000. Обозначения листов карты для таких масштабов имеют, соответственно, вид N-44-50-Г-г и N-44-50-Г-г-1. В основе номенклатуры топографических карт масштаба 1:5000 лежит лист масштаба 1:100000, который делится меридианами и параллелями на 256 частей. Номенклатура такого листа включает в себя номенклатуру листа масштаба 1:100000 с добавлением порядкового номера листа масштаба 1:5000, заключенного в скобках, например, N-44-50-(256). В одном листе масштаба 1:5000 содержится 9 листов масштаба 1:2000, обозначаемых буквами а, б, в, г, д, е, ж, з, и (N-44-50-(256)-и). Информация о системе разграфки и номенклатуры топографических карт, включая размеры рамок, приведена в таблице 2. Организованная, таким образом, разграфка и номенклатура топографических карт позволяет учитывать и по возможности обновлять картографическую информацию для территории России. Для территорий, площадь которых позволяет избежать больших ошибок при проектировании на плоскость, используется квадратная разграфка листов топографических планов, не связанная с общегосударственной номенклатурой, где границами листов топографических карт являются меридианы и параллели. Размеры рамок для планов масштаба 1:5000 составляют 40х40см, а для планов масштаба 1:2000, 1:1000 и 1:500 – 50х50 см. Листы масштаба 1:5000 могут нумероваться арабскими цифрами, каждый такой лист делится на четыре листа топографического плана 1:2000, обозначаемых А, Б, В и Г, например 5-Г. Листу плана масштаба 1:2000 соответствует четыре листа масштаба 1:1000, обозначаемых римскими цифрами I, II, III, IV и шестнадцать листов масштаба 1:500, обозначаемых арабскими цифрами. Примеры номенклатуры для масштабов 1:1000 и 1:500, соответственно, 5-Г-II, 5-Г-16. Таблица 2. Масштаб Номенклатура Размеры рамок Исходный масштаб Число листов широта долгота 1:1000000 N-44 4° 6°″ - - 1:500000 N-44-Г 2° 3° 1:1000000 4 1:200000 N-44-XXXVI 40′ 1° 1:1000000 36 1:100000 N-44-144 20′ 30′ 1:1000000 144 1:500000 N-44-144-Г 10′ 15′ 1:100000 4 1:25000 N-44-144-Г-г 5′ 7′30″ 1:50000 4 1:10000 N-44-144-Г-г-4 2′ 30″ 3′ 45″ 1:25000 4 1:5000 N-44-144-(256) 1′ 15″ 1′ 52,5″ 1:100000 256 1:2000 N-44-144-(256)-и 25″ 37,5″ 1:5000 9 5.2 Как следует из предыдущего раздела, географическими границами каждого листа карты служат меридианы и параллели. Эти линии ограничивают изображение местности на карте и образуют ее внутреннюю рамку. В углах рамки надписаны над параллелями и у меридианов значение широт и долгот этих линий. Параллельно внутренней рамки проведена минутная рамка, разделенная на минуты дуги черными (четными) и белыми (нечетными) интервалами. В свою очередь минуты поделены точками на десятисекундные отрезки. Эта рамка необходима для определения географических координат точек, расположенных на карте. Внешняя рамка выполнена только для оформления и не несет в себе какого-либо смыслового значения. Над северной рамкой карты надписана ее номенклатура с указанием наиболее крупного населенного пункта, а под южной указывается численный масштаб, его расшифрованное значение (именованный масштаб) и график линейного масштаба, который можно использовать для приближенного измерения расстояний. Там же указывается среднее значение магнитного склонения, сближения меридианов и высота сечения рельефа. На листах топографических карт, начиная с масштаба 1:500000 и крупнее нанесена координатная (километровая) сетка, которая служит для определения прямоугольных координат точки в зональной системе. На выходах сетки за рамку карты подписаны значения абсцисс в километрах (вдоль западной и восточной рамки) и ординат – вдоль северной и южной. Под южной рамкой карты построен также график заложений для определения крутизны склонов по горизонталям рельефа. 5.3 На всех топографических картах местность изображена с помощью условных знаков, пояснительных надписей и цифровых характеристик. Для практического пользования условные знаки издаются в виде альбомов, таблиц и плакатов. По своему назначению и внешнему виду условные знаки подразделяются на три вида: масштабные (контурные), внемасштабные и пояснительные. Масштабные условные знаки изображаются объемно в их действительных границах и их размеры (длину, ширину и площадь) можно измерить по карте. Каждый такой знак состоит из контура, пояснительных надписей и пояснений. Условными внемасштабными знаками обозначаются объекты небольшого размера (за пределом точности масштаба карты): памятники, отдельно стоящие деревья, колодцы, геодезические пункты. Истинному положению такого объекта соответствует либо геометрический центр знака, либо его ось (для дорожной сети), либо основание знака (деревья, дорожные указатели, речные навигационные знаки). Надписи и условные пояснительные знаки служат для характеристики объектов. Полностью показываются названия населенных пунктов, рек, озер, гор и т.п. Сокращенные названия используются для пояснения назначения объектов, например, «Вдх» - водохранилище, «бум» - бумажная фабрика, «вкз» - вокзал, А – асфальтовое покрытие, Б – бетон и другие. Цифровые обозначения даны для технических характеристик (длина, ширина и грузоподъемность мостов, высота, диаметр стволов деревьев и среднее расстояние между ними, глубина брода, скорость течения реки, ширина дорог и другие). 5.4 Рельефом называется совокупность неровностей физической поверхности Земли. Рельеф называют естественным, если неровности поверхности имеют природное происхождение. Преобразованный в результате практической деятельности человека рельеф называется искусственным. Для представления рельефа на картах и планах существует много способов. Из них наиболее распространенным является принцип представления пространственной информации методом изолиний. «Изо» - равный, а главным показателем рельефа является высота, следовательно, линии должны соединять точки с равным значением высоты Н. Такие изолинии называются горизонталями. Горизонталь - это линия равных высот. Ее можно получить как линию пересечения земной поверхности некоторой уровенной поверхностью. Лучшим примером горизонтали является береговая линия озера, поверхность которого находится в спокойном состоянии. Для изображения рельефа на участке местности одной горизонтали недостаточно, поэтому проводят несколько горизонталей, отстоящих друг от друга по вертикали на величину h - высоту сечения рельефа - интервал по вертикали, через который осуществляется сечение физической поверхности земли уровенными поверхностями. Расстояние а между соседними горизонталями в плане называется заложением ската. Эти две величины используются для определения крутизны склона, называемой уклоном i и вычисляемой по формуле i= tgν=h/a, (34) где ν – угол наклона местности по данному направлению. На горизонталях ставятся короткие штрихи, указывающие направление падения склона. Эти штрихи называются бергштрихами. Для большей наглядности и выполнения измерений каждая пятая горизонталь выделяется более толстой линией и в разрыве этой линии подписывается ее высота так, чтобы верх цифры был направлен в сторону повышения рельефа. Свойства горизонталей: а) горизонталь соединяет точки местности, лежащие на одной высоте; б) горизонтали не пересекаются и не раздваиваются; в) высоты горизонталей всегда кратны h; г) при заданной высоте сечения расстояния между ними в плане уменьшаются по мере увеличения крутизны ската; д) горизонтали пересекают линии водораздела и водослива под прямым углом. Недостатки горизонталей: а) отсутствует наглядность при изображении форм рельефа; б) нельзя изобразить некоторые формы рельефа (идеальную равнину, микрорельеф, крутые и нависающие обрывы и овраги). Для того чтобы избавиться от этих недостатков, используются условные знаки в виде полугоризонталей (проведенных через половину высоты сечения) и линий с зубцами, показывающие обрыв или овраг. Формы рельефа - гора, холм, впадина, лощина, хребет, седловина. Гора, холм - возвышенность конической формы в виде купола или конуса. Наивысшая точка горы называется вершиной, а основание горы или холма подошвой. Скаты или склоны, направлены от вершины во все стороны. Вершина в виде площадки называется плато, а остроконечная вершина - пиком. Котловина - чашеобразная вогнутая часть земной поверхности. Котловина имеет дно - самую нижнюю часть, скаты, направленные от дна во все стороны и бровку - линию перехода скатов в равнину. Небольшая котловина называется впадиной. Хребет – вытянутая возвышенность, постепенно понижающаяся в одном направлении и имеющая два склона, пересечение которых образует ось хребта, называемую водораздельной линией. Лощина – углубление, вытянутое в одном направлении. Лощина имеет линию водослива, скаты и бровку. Разновидностями лощины являются долина, ущелье, балка и овраг. Седловина – понижение между двумя соседними возвышенностями. В горах седловина называется перевалом. Характерными точками рельефа называют вершину горы или холма, низкую точку котловины и седловины. Линии водораздела на хребте и водослива (тальвег) лощины называют характерными линиями рельефа. 6 Картографические и атрибутивные базы ГИС 6.1. Построение картографических баз данных 6.2. Представление объектов картографической базы 6.3. Атрибутивные данные для ГИС 6.1 Геоинформационная система начинается с создания картографической базы данных. Содержание и состав картографической базы данных зависит от того, какие задачи призвана решать данная ГИС. Задачи определяют конечные пользователи ГИС, проектирующие базы данных. Практически во всех случаях картографические базы данных в геоинформационных системах являются моделями физической поверхности Земли, в них отражаются многие реальные объекты или процессы и явления, происходящие на ней. При формировании базы картографической информации необходимо помнить, что потребности двух различных предприятий в однотипных данных могут сильно различаться. При создании картографической базы муниципальной геоинформационной системы городской автомобильной инспекции и управлению транспорта необходима картографическая информация об улицах и проездах города, но разного содержания. Земли с точки зрения налоговой службы являются объектом налогообложения, а для министерства сельского хозяйства это производственные территории, имеющие очень сложную классификацию. Для каждой организации или службы при проектировании базы данных необходимо представить себе ограниченный набор объектов и их характеристик и это состояние действительности должно описываться в прошлом, настоящем и прогнозироваться для будущего средствами геоинформационных систем и их приложений. Элементы действительности, моделируемые с помощью геоинформационной системы, имеют следующее представление. 1. Объектом является элемент исследования - это может быть здание, участок местности, колодец, участок дороги, местность, пораженная источником загрязнения, причем элемент должен быть последним в ряду подразделения. Один и тот же объект в разных картографических базах может быть одновременно и сложным и простым. Например, город может быть простым объектом на климатической карте, а на крупномасштабной топографический карте город является очень сложным объектом, состоящим из множества простых объектов. Определение набора объектов для картографической базы данных является очень важным этапом проектирования ГИС. 2. Изучаемый объект представляется в картографической базе ГИС в цифровом виде. 3. Для показа объекта на экране монитора используется картографический знак. Цифровая форма представления объектов в картографической базе данных определяется пространственной размерностью. Нульмерные предметы имеют положение в пространстве, но не имеют длины. Таким предметом является точка. Одномерные предметы имеют длину и представлены отрезками прямых и кривых линий. Двухмерные предметы имеют длину и ширину и ограничены, по крайней мере, тремя одномерными предметами, называются территориями, площадными объектами или ареалами. Трехмерные предметы имеют длину, ширину и высоту или глубину и ограничены, по крайней мере, четырьмя 2-мерными предметами и характеризуются объемом. Рисунок 1. Формирование слоев карты: 1- полный набор слоев, 2- поселения, 3- автомобильные дороги, 4 - гидрография. Объекты объединяются в группы, которые отражают одинаковые по признакам. Такой группой можно считать дорожную сеть, гидрографию, рельеф. Для создания базы данных нужно отобрать группы объектов, необходимые для решения поставленных перед ГИС задач. Очень важно правильно совершить отбор объектов, потому что эти действия во многом определяют дальнейшую разработку. Группы объектов в базе организуются слоями или перекрытиями, или наложениями (рис. 1). Один слой может представлять один тип объектов или группу концептуально взаимосвязанных типов объектов. Возможны самые разные варианты системы слоев, как и модели данных, некоторые базы пространственных данных созданы путем объединения всех объектов в один слой. При проектировании картографической базы данных количество объектов в слое было оптимальным для решения поставленной задачи. Например, при проектировании объектов дорожного строительства в одном слое должны находятся транспортные магистрали и населенные пункты. Количество слоев будет соответствовать количеству регламентированных тематических групп (рис.1). При проектировании базы данных все объекты имеют, по меньшей мере, три измерения, но не все эти измерения могут быть одинаково необходимыми для исследования. Например, дорожное покрытие имеет толщину, но важность этого параметра меньше ширины, которая, в свою очередь, не так важна, как длина дороги. Проект картографической базы данных должен учитывать возможные преобразования картографических данных с учетом ограничений, связанных с масштабом исходного документа. К базе данных предъявляются требования одновременности имеющихся в ней количественных данных. Информация должна быть достаточно подробной, категории данных и их подразделения должны включать все необходимые сведения для анализа или моделирования исследуемого объекта. К ней должны предъявляться требование абсолютной совместимости с другими данными, которые могут накладываться на нее. База данных должна правильно отражать характер явлений, для этого необходимо четко определить включенные в нее явления. Организация базы данных должна иметь возможность обновления имеющейся информации. 6.2 Много объектов исследуемой территории являются нульмерными и их можно представить в виде точек. Выбор такого представления зависит от масштаба карты и темы исследования. Например, на крупномасштабной карте точками показываются отдельные элемента трасс подземных коммуникации - смотровые колодцы и камеры, а на мелкомасштабной карте точки могут обозначать города. Тематическая информация, описывающая точечные объекты, представляется в таблице атрибутов. В строках хранятся качественные и количественные признаки, и каждая строка соответствует точке, а столбец атрибуту. Координаты точек можно также хранить в таблице атрибутов в двух дополнительных столбцах. Каждая точка независима от всех остальных точек, представленных отдельными строками в модели базы картографических данных Одномерные объекты называют линейными и образуют сети: инфраструктурные, транспортные, коммунальные, природные сети и т.д. Любая сеть состоит из: узлов (соединений, концов обособленных линий), звеньев (цепей в модели базы данных) Валентность узла определяется количеством звеньев в нем, концы обособленных линий одновалентны, для уличных сетей наиболее характерны четырехвалентные узлы, в гидрологии чаще всего встречаются трехвалентные узлы, в древовидной сети каждая пара трехвалентных узлов имеет лишь одно соединение, не допускаются петли и замкнутые контура, большая часть речных сетей древовидны. Для звеньев выбирают необходимые для анализа атрибуты. Для звена автомобильной дороги представляет интерес направление и интенсивность движения, протяженность, количество полос, время пути вдоль звена. Для газопровода необходимыми могут быть данные о параметрах трубы, давлении газа и направлении движения газа. Линия электрической передачи – это сведения о напряжении, количестве проводов, высоте опор. Звено железной дороги обеспечивается сведениями о количестве путей, количестве поездов, уклоне, ширине самого узкого тоннеля, грузоподъемности. Для узла выбираются свои атрибуты. Для перекрестка улиц - наличие светофора, наличие перехода и названия пересекающихся улиц. Некоторые атрибуты характеризуют непосредственно узел, а другие, например, названия пересекающихся улиц, связывают один тип объектов с другим (узлы со звеньями). Некоторые атрибуты характеризуют только участки звеньев сети, например, часть звена железной дороги между двумя соединениями может проходить внутри тоннеля, например, часть звена автодороги между двумя соединениями может нуждаться в текущем ремонте дорожного полотна. Во многих ГИС для включения таких атрибутов в сеть необходимо разбиение существующих звеньев и создание новых узлов, например, звено улицы разрывается на месте здания, его атрибуты присваиваются новому (двухвалентному) узлу. Для отрезка железной дороги внутри тоннеля создается новое звено и два новых узла, такое требование может привести к появлению недопустимо большого числа звеньев и двухвалентных узлов. Сети как системы линейной адресации - сети часто приходится использовать как систему адресации (пример - уличная сеть) - сопоставление адресов - это процесс определения местоположения здания на уличной сети по его адресу. Например, если известно, что в данный квартал входят дома с номерами от 100 до 198, то дом № 124 будет, вероятно, находиться на расстоянии 1/4 длины этого звена. Точки можно размещать в сети по данным о номере звена и о расстоянии от его начала. Это удобнее, чем использовать (x,y) координаты точки, поскольку такие данные непосредственно указывают положение точки в сети - подобный подход позволяет решить проблему присвоения атрибутов отдельным участкам звеньев - такие объекты (здания, тоннели) хранятся в отдельных таблицах, с сетью они увязаны путем указания номера звена и расстояния от его начала. Для точечных объектов необходимо указать одно расстояние, для протяженных объектов (тоннели) - два (для начальной и конечной точек). Площадные или ареальные объекты картографических данных имеют широкий диапазон приложений и определяются искусственными или естественными явлениями. Можно выделить несколько типов ареалов. Зоны, имеющие отношение к окружающей среде или природным ресурсам. Массивы леса, озера, заболоченные пространства, сельские и городские территории, геологические и почвенные данные, определяющие типы пород и почв, территории распространения вредного воздействия от промышленного производства. В некоторых случаях эти ареалы определяются естественными явлениями, но многие определяются искусственно, земельные участки в селе и городе, социально-экономические зоны, включая переписные участки, территории почтовых индексов, территории интегральной оценки, микрорайоны и т.п. Почти все соединения границ ареалов трехвалентны. При использовании ареальных данных требуется учитывать геометрические вариации пространственного покрытия. Площадные объекты представляют собой обособленные ареалы, возможно перекрывающиеся, объект может находиться внутри любого числа объектов или не входить ни в один из них. Ареалы не всегда покрывают все пространство, любой объект может находиться внутри любого объекта. Границы разделяют два или три ареала, которые не могут перекрываться. Многократное перекрытие ареальных объектов осложняет использование данных такого типа. Внутри ареала материка находится ареал страны, внутри которой ареал природной зоны, внутри ареал озера, внутри ареал острова, внутри ареал леса. Для каждого из них необходимо создать таблицу атрибутов, которая должна восприниматься базой данной ГИС. Необходимо, чтобы база данных правильно воспринимала такие ситуации. Примерами непрерывных поверхностей, представляемых в геоинформационных системах, являются: рельеф местности, осадки, давление, температура, плотность населения, распределение в атмосфере и на поверхности любых химических элементов. Для обработки этой ступени картографических данных должна существовать возможность выборки нужной информации в любом месте исследуемой территории. В объектах исследования, характеризуемых непрерывными поверхностями, выделяют существенные признаки. Такими признаками являются характерные точки, отмечающие максимальные и минимальные значения (вершины и впадины). Хребты и днища долин являются линиями резкой смены экспозиции склонов, перевалы или седловины являются схождением двух хребтов и двух долин, сбросы представляют резкое нарушение непрерывности высот - береговые уступы, фронты - резкое нарушение непрерывности угла наклона, углы наклона и экспозиции можно определить, исходя из высот. В традиционных моделях данных отсутствуют способы представления поверхностей, поэтому поверхности представляются с использованием точек, линий или ареалов. Цифровая модель рельефа - ЦМР - основана на данных о поверхности высотах, взятых через одинаковые интервалы, в итоге получается матрица точек, такую форму имеют многие данные о высотах. Представление поверхностей методом горизонталей широко используется в геоинформационных системах. 6.3 Картографические материалы, представленные в геоинформационных системах, отличаются от обычных карт тем, что они снабжены необходимой дополнительной информацией, которая называется тематической или атрибутивной. Атрибутом называется количественный или качественный признак объекта, выбранного для представления. Обычно атрибуты не имеют пространственного характера, хотя некоторые могут иметь связь с пространственной природой изучаемого объекта (координаты, длина, площадь, периметр, объем). Значение атрибута измеряется или определяется методом экспертной оценки и хранится в базе данных. Почти всегда тип объекта маркируется и опознается по своим атрибутам. Дорога обычно имеет название и идентифицируется по ее классу - переулок, скоростная автострада и снабжается другой тематической информацией, содержание которой оговаривается на стадии проектирования объекта. Значения атрибутов часто упорядочиваются в виде таблиц атрибутов, строки которых соответствуют отдельным объектам, а столбцы - тематическим признакам. Каждая клетка таблицы отражает, таким образом, значение определенного признака для определенного объекта и соответствует свойствам объекта. Есть смысл загрузить как можно больше информации, для того, чтобы более полно отразить его свойства. Очень важной для функционирования геоинформационной системы является организация картографической базы данных. Однако определяющее значение имеет содержание тематической атрибутивной базой данных и связь ее параметров с картографическими объектами. Именно наличие достаточных, актуализированных атрибутов, описывающих графические объекты, помогает поднять на другой уровень применение картографической информации при управлении территориями. В качестве атрибутивной информации могут быть использованы социально-экономические данные, данные о населении, экологическая информация о внешней среде, информация об объектах недвижимости и земельных участках, информация об условиях эксплуатации объектов, технологическая информация и пр. Атрибуты содержатся в СУБД, различают три класса: иерархические, сетевые и реляционные системы управления базами данных. Наиболее распространены реляционные базы, в которых информация помещена в табличной форме, обеспечивает использование простых непроцедурных языков запроса. Таблица 3 Атрибуты автомобильной дороги код номер тип начало конец длина ширина покрытие Ремонт Автодор Контакт 71.. 1 3 20 км 39,3 км 19,3 6,5 Асфальт 10.04 Теплое 221562 71.. 4 3 12 км 37,6 км 25,6 6,5 Асфальт 09.04 Теплое 221562 При решении других задач таблицу атрибутов можно изменить или, продублировав слой, сделать другую таблицу, например, с экономическими расчетами стоимостей ремонта или инвентаризации объектов. 7 Создание геоинформационной системы автомобильные дороги Слои в геоинформационной системе могут быть построены по растровой основе бумажной карты. Для этого необходимый участок карты сканируется и сохраняется файлом в растровом формате. На этом носителе выделяются не менее четырех точек, для которых определяются или задаются плановые координаты. При этом необходимо помнить, что в геодезии и в местных системах координат ось абсцисс совмещается с направлением меридиана, а в ГИС MapInfo, принято направление оси (У) совмещать с направлением на север. Полученный файл следует поместить в отдельную папку в каталоге Data, или в папке своих документов. В нашем примере эта папка называется «Участок автодороги т». В программе MapInfo открываем растровый файл и выбираем функцию «регистрировать». В появившемся диалоговом окне «Регистрация изображения» определяемся с проекцией – «План-схема» и размерностью проекции «метры». Регистрация изображения выполняется по четырем точкам и ошибка регистрации не должна превышать 1-2 единиц. После завершения регистрации растровый файл становится доступным для работы в геоинформационной системе (рисунок 2). В меню «карта» выбираем «режимы» и активизируем функцию «положение курсора». В этом же меню делаем доступным для рисования иначе изменяемым косметический слой и выбирая стиль линии для построения дороги, проводим первую автомобильную трассу. После этого создаем слой автомобильных дорог, для этого в меню «карта» выполняем операцию «сохранить косметику» и назвать новый файл - «Дороги_авто_т». В этом файле наносим всю дорожную сеть. И создаем тематическую базу данных в таблице, которая сохраняется в этом же файле. Для изменения таблицы атрибутов в меню «таблица» выполняем команду «перестроить» в подменю «изменить». Пример таблицы атрибутов приведен в предыдущей лекции. По аналогии с этими действиями создаются слои «поселения» и «гидрография» (рисунок 1) Рисунок 2 Регистрация растрового изображения участка т Рисунок 3 Слой автомобильных дорог Рисунок 4 Создание точечных объектов новой трассы При проектировании новых дорог или занесения в базу данных построенных магистралей можно использовать графический метод, когда трасса заносится в слой обычным способом. В другом варианте координаты точек трассы оформляются в электронных таблицах (Excel). Программа MapInfo читает файл координат и создает точечные объекты (рисунок 4), по которым проводится трасса и в таблицу атрибутов заносятся необходимые сведения. Рисунок 5 Слой автомобильных дорог с проектируемой трассой 8 Анализ средствами ГИС 8.1. Работа с полями баз данных 8.2. Пространственный анализ баз данных 8.3. Другие возможности ГИС. Функции работы с полями баз данных должны включать в себя поиск названия поля и определение характеристик значения поля, создание, редактирование и удаление поля, калькуляцию, классификацию и перегруппировку. Калькуляция заключается в получении нового значения по полям старых значений баз данных. Калькуляция осуществляется по формуле. Примером может служить расчет площади участка по координатам его угловых точек, полученное значение сохраняется для участка в новом поле с названием «площадь». Классификация позволяет создать новые значения по классификационным правилам. Примером классификации является задача определения классов предприятий по заданным показателям и присвоение каждому предприятию условного класса: «большой», «средний» и «малый». В результате по составленной формуле, описывающей показатели класса, в строке каждого предприятия появляется соответствующий класс. Перегруппировка позволяет определить новое значение по подобным группам объектов. Например, все дороги имеют такие атрибуты, как класс и длина. В новом поле будет показана длина автодорог каждого класса: 1- 40 км, 2 -59,8 км, 3- 18,6 км. 8.2 Графические утилиты геоинформационных систем заключаются в работе с пространственными объектами. Определение видов перекрытия для объектов двух типов. Входные данные Выходные данные В таблице 4 показано пересечение трех видов: ареал, линия и точка. Распознавание внутренних областей показано в таблице 5. Таблица 5 Распознавание внутренних областей Входные данные Выходные данные Объединение областей показано в таблице 6. Таблица 6 Объединение областей Входные данные Выходные данные Показанные в таблицах 4-6 операции называются оверлеем, наложением слоев В обычном случае оверлея полигонов в ГИС берутся два слоя карты и накладываются друг на друга. Каждый слой карты состоит из неперекрывающихся полигонов, имеющих одинаковые атрибута для отдельного слоя, то задача состоит в том, чтобы найти все полигоны комбинированного слоя. Атрибуты каждого комбинированного полигона будут включать атрибуты полигонов первого и второго слоев. Этот процесс можно представить как соединение атрибутов. Обычно составляется новая таблица атрибутов из сочетаний старых или создаются новые атрибуты путем логических или математических операций со старыми атрибутами. Количество полигонов, образующихся при наложении, трудно предсказуемо. Из двух полигонов можно образовать множество полигонов с одинаковыми соединенными атрибутами. Операцией, требующей оверлея полигонов, является операция вырезания, при которой на карту накладывается окно и все, что не входит в него, удаляется это частный случай оверлея полигонов. В геоинформационных системах широко используется операция построения буферной зоны, которая может быть построена вокруг точки, линии или полигона, возможно более сложное сочетание геометрических объектов картографической базы данных. Построение буферной зоны позволяет сделать выбор объектов, попадание которых в зону желательно или нежелательно. На рисунке 4 показаны буферные зоны шумового воздействия, для трассы типа 1 -500 м, для трассы типа 2 – 300 м. Рисунок 4 Буферные зоны шумового воздействия автомобильных дорог Геоинформационные системы представляют такие функции, как измерение длин, площадей, углов и пр. Анализ сетей является весьма важным для множества линейных объектов геоинформационных сетей. Линейные объекты являются коммуникационными сетями между ареалами или точечными объектами и тем самым обеспечивать существование многих технологий. В анализе сетей важным является поиск кратчайшего пути с учетом заданных значений атрибутов, суммирование значений атрибутов по элементам сети, размещение центров и распределение ресурсов в сети, поиск ближайшего соседа и составление маршрутов по адресам. Наличие атрибутивной информации в картографической базе данных позволяет осуществлять вычисление средних, максимальных и минимальные значений ячейки по множеству слоев, осуществлять логические комбинации слоев, сложение, вычитание, умножение, деление слоев карты, возведение в степень и дифференцирование. ГИС позволяет осуществлять операции анализа в режиме скользящего окна и выполнять группировку или идентификацию неразрывных зон равных значений. Библиографический список 1. Варламов А.А. Земельный кадастр : учебник для вузов:в 6 т. Том 6. Географические и земельные информационные системы / А.А.Варламов ,А.С.Гальченко .— М. : КолосС, 2005 .— 400с. 2. Абрамов, В.П.Тульский государственный университет Лекции по геоинформационным системам в управлении дорожным движением(с фрагментами методического комплекса : учеб. пособие / П. В. Абрамов, О. С. Разумов, Д. О. Прохоров ; ТулГУ .— Тула : Изд-во ТулГУ, 2008 .— 119 с. : ил. 3. Берлянт, А.М. Картоведение : Учебник для вузов / А.М.Берлянт, А.В.Востокова, В.И.Кравцова и др.;Под ред.А.М.Берлянта;МГУ им.М.В.Ломоносова .— М. : Аспект-Пресс, 2003 .— 477с. : ил. 4. Чандра А.М. Дистанционное зондирование и географические информационные системы / А. М. Чандра, С. К. Гош ; пер. с англ. А. В. Кирюшина.— М. : Техносфера, 2008 .— 312 с. : ил. 5. Миротин, Л. Б. Логистика интегрированных цепочек поставок : учебник для вузов / Л. Б. Миротин, А. Г. Некрасов ; Моск. автомобильно-дорож. ин-т(ГТУ) .— М. : Экзамен, 2003 .— 254 с. : ил 6. ГИС: теория и практика. – Мартыненко А.И., Бугаевский Ю.Л., Шибалов С.Н. М.: Геоинформационные технологии, 1995. 7. Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. №1-23, 1994-2006. 8. Условные знаки для топографических планов 1:5000, 1:2000,1:1000,1:500.- М.: Недра, 1989.