В основе современных географических информационных систем лежат принципы интеграции. Все объекты, процессы или явления имеют определенное место расположения. Достаточно часто местоположение становится единственным звеном, способным связать всевозможные факты, которые в свою очередь соединяют различные результаты наблюдений в единое целое.
Точные математические отношения предоставляют возможность анализировать общую картину реальности, а также классифицировать полученные данные.
Географическая информация нередко благодаря своим интеграционным способностям являются важным элементом при принятии решений. Одним из примеров может выступать определение оптимального маршрута, места и периода сбора тех или иных сельскохозяйственных культур и т.п. Основная масса людей не догадываются, что данный выбор основан на данных географических информационных систем.
Сегодня географические карты не только находятся в атласах или висят на стенах, оно постоянно отображаются на мониторах в рубках морских судов, в офисах фирм и, конечно, в геологических лабораториях.
Аэроснимки, фото морского дна, теле-, радио- и гидролокационные, сканированные изображения и т.д. классифицируются как плоские геоизображения. На сегодня присутствует возможность как покадровой, так и построчной, поэлементной съемки. Геометрические свойства , а также разрешение полученного снимка напрямую зависят от вида съемки. Не стоит забывать, что съемка ведется в различных диапазонах электромагнитного спектра, что существенней расширяет возможности применения снимков.
Движущиеся геоизображения способны сегодня передавать изменения объектов как в пространстве, так и во времени. Они представляют собой плоские или стереоскопические картографические анимации.
С помощью систем координат (СК) каждое место на Земле может быть описано набором из трех цифр, называемых координатами. В общем, СК делят на системы географических координат и системы проекционных координат (также называются картезианскими, или прямоугольными).
Применение географических координат довольно широко распространено. Системы географических координат базируются на широте и долготе и на дополнительном значении высоты, используемом для описания местоположений на Земле. Самой распространенной в наше время является WGS 84.
Линии широты (параллели) проходят параллельно экватору и делят Землю на 180 равных частей с севера на юг. Точкой отсчета широты считается экватор, и каждое полушарие поделено на девяносто частей, каждая из которых является одним градусом широты. Градусы широты измеряются от 0 на экваторе до 90 на полюсах (Северный полюс располагается на 90° северной широты, Южный полюс – на 90° южной широты). Для упрощения математического представления, градусы широты в Южном полушарии представляют с минусовым знаком (от 0 до -90°). В любой точке Земли расстояние между параллелями одинаково – 60 морских миль.
Линии долготы (меридианы) не являются регулярными. Линии пересекают экватор под прямым углом, а затем сходятся на полюсах. Линия нулевой долготы (нулевой меридиан) проходит от Северного полюса к Южному полюсу через Гринвич, Англия. Долгота измеряется от 0 до 180 градусов к западу или востоку от нулевого меридиана. Стоит отметить, что в ГИС-приложениях значения к западу от нулевого меридиана имеют негативные значения.
Сферическая геометрия — математическая дисциплина, изучающая геометрические образы (точки, линии, фигуры), находящиеся на сфере, и соотношения между ними.
Сферой называется геометрическое место точек пространства, расположенных на данном расстоянии от данной точки, называемой её центром.
Отрезок, соединяющий центр сферы с какой-либо его точкой, называется радиусом сферы. Отрезок, соединяющий де точки сферы и проходящий, кроме того, через его центр, называется диаметром. Из определения следует, что все радиусы равны и что диаметр равен удвоенному радиусу. Плоскость, проходящая через центр сферы, называется диаметральной плоскостью.
Так как через всякие три точки пространства, не лежащие на одной прямой, проходит единственная плоскость, то через всякие две точки сферы, не являющиеся диаметрально противоположными проходит единственная диаметральная плоскость. Поэтому через всякие две точки сферы, не являющиеся диаметрально противоположными, проходит единственная большая окружность (Рисунок 3).
Классический метод представления формы Земли – это глобус. Однако и здесь возникает ряд трудностей. Несмотря на то, что глобусы довольно точно передают форму Земли и очертания континентов, их нельзя носить с собой в кармане. Также они подходят для применения в довольно малых масштабах (примерно 1 к 100 млн). Довольно много тематических данных, которые используются в картографических приложениях, имеют гораздо более крупный масштаб. Стандартные наборы геоданных имеют масштаб 1:250 000 или больше, в зависимости от уровня детализации. Глобус данного масштаба довольно трудно произвести и еще труднее сдвинуть с места. В связи с этим картографы внедрили ряд математических техник, именуемых картографическими проекциями, разработанными для изображения сферической поверхности Земли в двух измерениях.
Смотря на Землю вблизи, люди воспринимают ее плоской. Однако, из космоса она выглядит шарообразной. Карты же, в свою очередь, являются представлением реальности. Они созданы для представления как самих объектов, так и их формы, размеров и пространственных отношений. Любая картографическая проекция имеет свои плюсы и минусы. Подбор лучшей проекции зависит от масштаба карты и от цели ее создания. К примеру, проекция, имеющая неприемлемые искажения в случае создания карты на весь африканский континент, может быть хорошим решением для составления крупномасштабной (детальной) карты одного из африканских городов. Свойства картографической проекции также влияют на визуальные характеристики карты. Одни из проекций хороши для малых областей, некоторые – для территорий с большим протяжением с запада на восток, другие – с севера на юг.
На глобусе основные направления розы ветров (север, запад, юг и восток) всегда находятся под углом 90 градусов друг к другу. Иными словами, меридианы всегда находятся под прямым углом к параллелям. Такие углы могут быть отображены на картографической проекции, именующейся равноугольной. Кроме того данная проекция называется конформной, или ортоморфической.
Проекция Меркатора используется тогда, когда весьма важно сохранить правильные углы, например, для навигационных и метеорологических задач. Важно иметь ввиду, что отображение правильных углов на карте влечет искажение других параметров и действительно на малых площадях. К примеру, конформная проекция искажает площади, т.о. если на карте с конформной проекцией будут замерены площади, их значения будут неверными. Чем больше область, отображенная на карте, тем больше искажение площадей. Примеры конформных проекций – Проекция Меркатора (Рисунок 11) и Конформная Коническая Проекция Ламберта. Данные проекции используют на многих картах Геологической Службы США.
Когда площади объектов на карте имеют те же пропорциональные отношения, что и площади объектов на Земле, это означает, что использована равновеликая проекция. Такие проекции широко используют на картах общего назначения, а также на образовательных картах. Как подсказывает название, эти карты лучше всего подходят для расчетов площадей. Например, если Вам нужно проанализировать конкретный район города, чтобы определить, достаточно ли там свободного места для нового супермаркета, лучшим выбором для карты будет равновеликая проекция. С одной стороны, чем больше будет территория покрытия Вашей карты, тем более точными будут Ваши измерения площадей в случае использования равновеликой проекции по сравнению с другими типами. С другой стороны, равновеликая проекция приводит к искажению углов при больших территориях охвата. На малых площадях искажения углов будут незначительными. Примеры равновеликих проекций, часто используемых в ГИС: Равновеликая Проекция Альберса, Равновеликая Проекция Ламберта и Равновеликая Цилиндрическая Проекция Мольвейде (Рисунок 13).
Разложить сфероид на плоскость ничуть не легче, чем сплющить часть арбузной кожуры. При переходе на плоскость, чаще всего, искажаются углы, площади, формы и длины линий, по этой причине для конкретных целей возможно создание проекции, которая в значительной мере уменьшит один вид искажений, к примеру, длины. Картографическое искажение - это нарушение геометрических параметров участков земной поверхности и находящихся на них объектов при их отображении на плоскости.
Искажения всех типов тесно связаны друг с другом. Они находятся в зависимости, при которой уменьшение одного типа искажения моментально влечет увеличение другого. При уменьшении искажений длины увеличиваются искажения площадей и т.п. Рис. 4.2 показывает, как трехмерные объекты сжимаются для возможности размещения на плоской поверхности.
На разных картах искажения могут быть разных размеров: на крупномасштабных они почти неощутимы, но на мелкомасштабных они весьма велики. В середине XIX века французским ученый Николя Аугуст Тиссо представил общую теорию искажений. В своем труде он внес предложение применять специальные эллипсы искажений, представляющие собой бесконечно малые эллипсы в данной точке карты, которые являются отображением бесконечно малых окружностей в данной точке на поверхности земного шара. Эллипс станет окружностью в пункте нулевых искажений. Изменение формы эллипса показывает степень искажения углов и расстояний, а изменение размера – степень искажения площадей.
Заключение
В данной курсовой работе были рассмотрены геометрические основы геоинформационных систем. Были затронуты вопросы сферической геометрии в картографии, картографических проекций, особенностей их применения в навигации и при анализа пространственно расположенных данных, рассмотрены проблемы искажения проекций.
Географические информационные системы сегодня применяются как основной фактор при экономии ресурсов с помощью поиска с последующим использования полученной информации для эффективного роста человеческой деятельности.
Сегодня исследования в экологии и в области охраны окружающей среды успешно проводятся во всех сферах науки и техники разными организациями и на разных уровнях, не стоит забывать и о государственном уровне. Стоит отметить, что информация в данных исследованиях характеризуется высокой рассеянностью. Огромные объемы экологических данных, информация многолетних наблюдений, последние новые разработки рассредоточены по разным информационным базам, а бывает даже находятся на простых бумажных носителях в огромных архивах, что, естественно, не просто затрудняет их анализ, но также приводит критике в плане достоверности таких данных и эффективности в применении средств, которые выделяются на экологию из бюджетов или коммерческими структурами.
влияние информационных технологий на человека и окружающую среду носит двунаправленный характер. С одной стороны, информационные технологии – это один из наиболее перспективных инструментов сбора данных и научного познания, в том числе в медицине и экологии. С другой – это важный фактор, влияющий на здоровье человека и окружающую среду.
