Геоінформаційні системи в екології: методичні рекомендації

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Київський національний університет імені Тараса Шевченка Методичні рекомендації до курсу «Геоінформаційні системи в екології» Київ - 2018 УДК 911.3:004.94(075.8) Рецензенти: канд. геогр. наук, О. Г. Голубцов, канд. геогр. наук, К.Ю. Данько Рекомендовано до друку Вченою радою Навчально-наукового центру "Інститут біології та медицини" Київського національного університету імені Тараса Шевченка (протокол № 9 від 14 травня 2018 року) Ухвалено науково-методичною радою Київського національного університету імені Тараса Шевченка 05 квітня 2018 року Геоінформаційні системи в екології: методичні рекомендації / Упорядник Ю. В. Проценко – К.: 2018. – 130 с. В методичних рекомендаціях висвітлені питання організації і функціонування геоінформаційних систем (ГІС), в тому числі в екологічних дослідженнях. Розглядаються теоретичні основи ГІС (моделі, структура і джерела просторових даних), основи картографування та збору даних. Практична частина методичних рекомендацій містить описи стандартних процедур роботи в програмі QGIS. Для студентів вищих навчальних закладів за освітнім рівнем «Магістр», спеціальність 101 «Екологія», програма підготовки «Екологічна безпека». © Проценко Ю. В., 2018 1 Зміст Вступ .................................................................................................. 3 Заняття 1. Що таке ГІС? ................................................................... 4 Заняття 2. Історія розвитку геоінформаційних технологій .......... 8 Заняття 3. Функції й галузі застосування ГІС і геоінформаційних технологій........................................................................................ 18 Функціональні можливості ГІС ............................................... 26 Організація даних в ГІС ............................................................ 29 Моделі просторових даних ....................................................... 30 Нетопологічна модель даних ......................................................... 33 Топологічна модель даних .............................................................. 35 Модель транспортної мережі ...................................................... 36 Растрова модель даних .................................................................. 37 Тріангуляційна модель поверхонь .................................................. 39 Геореляційна модель даних ............................................................ 40 Геобаза даних .................................................................................. 42 Заняття 4. Системи координат. Географічні координати ........... 46 Картографічні проекції ............................................................. 50 Заняття 5. Джерела просторових даних....................................... 61 Картографічні джерела. ............................................................ 62 Дані польових досліджень ........................................................ 64 Глобальні системи позиціонування ......................................... 67 Дистанційне зондування ........................................................... 72 Проходження випромінювання крізь атмосферу землі .............. 82 Оптичні властивості природних об'єктів. .................................... 85 Методи дистанційного зондування ............................................... 89 2 Загальна характеристика космічної програми LANDSAT ......... 96 Практичні роботи ........................................................................... 99 Практична робота №1. Ознайомлення із QGIS. ..................... 99 Практична робота №2. Робота із векторними та растровими даними в QGIS.. ....................................................................... 103 Практична робота №3. Прив'язка карт. ................................. 108 Практична робота №4. Основи роботи із космознімками ... 112 Практична робота №5. Створення макету карт. ................... 124 Список рекомендованої літератури ............................................ 130 3 Вступ Дисципліна «Геоінформаційні системи в екології» є складовою циклу обов’язкових дисциплін освітньої програми другого рівня вищої освіти підготовки здобувачів освітнього ступеню магістр за спеціальністю 101-Екологія галузі знань 10 «Природничі науки», освітньої програми «Екологічна безпека». На вивчення дисципліни «Геоінформаційні системи в екології» відведено 150 год., або 5 кредитів ECTS, зокрема: лекції – 16 год., практичні – 32 год., самостійна робота – 100 год. Мета курсу є вивчення основного понятійного апарату в області геоінформаційних систем, отримання основних знань, умінь і навичок, необхідних для професійної діяльності по створенню і застосуванню геоінформаційних систем в області екології та природокористування; формування навичок володіння сучасними інструментами ГІС і методами аналізу просторової інформації. 4 Заняття 1. Що таке ГІС? У цей час географічні інформаційні системи (ГІС) є найбільш ефективним інструментом пізнання географічного середовища, що постійно змінюється. Вони знаходять застосування в різних областях людської діяльності – там, де йде робота з даними, що мають географічну прив'язку, де потрібно показати або оцінити взаємне розташування об'єктів на місцевості, де вирішення питання вимагає обліку географічного розподілу одного або декількох факторів. Ці системи призначені для створення цифрових карт, що демонструють розподіл певних властивостей навколишнього середовища й об'єктів на місцевості, для виявлення закономірностей і взаємин об'єктів у навколишньому світі, а також для дослідження змін, що відбулися на певній території за певний період часу. Розглянемо визначення, що належить Інституту системних досліджень навколишнього середовища (Environment System Research Institute – ESRI) – розробники таких всесвітньо відомих програмних продуктів, як ARC/INFO, ArcView й ArcGIS, і безсумнівному світовому лідерові в цій області. Це визначення наведене в посібнику з ARC/INFO, що вийшли в 1992 р.(у перекладі на російську мову – в 1995 р.). Відповідно до цього визначення, термін географічна інформаційна система (ГІС) означає «організований набір апаратур, програмного забезпечення, географічних даних і персоналу, призначений для ефективного введення, зберігання, відновлення, обробки, аналізу й візуалізації всіх видів географічно прив'язаної інформації». Це визначення, не просте для засвоєння при першому читанні, але відображає той факт, що ГІС – це складна, багатокомпонентна система. Варто зазначити, що в різних контекстах термін «географічна інформаційна система» може мати різні значення. Причина цього полягає в тому, що поняття це містить у собі багато компонентів і часто трапляється так, що термін використовують, маючи на увазі лише один з них. Відзначимо насамперед те спільне, що характерне практично для всіх визначень ГІС. По-перше, ГІС – це інформаційна система, тобто «система обробки даних, що має засоби 5 накопичення, збереження, відновлення, пошуку і видачі даних». По-друге, ця інформаційна система належить до категорії автоматизованих інформаційних систем, «що використовують ЕОМ на всіх етапах обробки інформації». Електроннообчислювальна машина (комп'ютер) є неодмінним атрибутом і основою геоінформаційної технології. По-третє, ця інформаційна система надає можливості маніпулювання і обробки просторової (просторово-розподіленої, просторовокоординованої) інформації. Характерною рисою географічних інформаційних систем є наявність у їхньому складі специфічних методів аналізу просторових даних, що в сукупності із засобами введення, збереження, маніпулювання і представлення просторовокоординованої інформації і складають основу технології географічних інформаційних систем, чи ГІС-технології. Саме наявність сукупності здатних генерувати нове знання специфічних методів аналізу з використанням як просторових, так і непросторових атрибутів і визначає головну відмінність ГІС-технології від технологій, наприклад, автоматизованого картографування чи систем автоматизованого проектування (САПР/CAD). Ця риса геоінформаційних систем у тому чи іншому вигляді простежується в багатьох визначеннях ГІС. Зокрема, у визначенні С.М. Сербенюка говориться про здатність ГІС «представляти геоінформацію в новій якості за умови одержання знань про досліджувані просторові системи». Здатність географічних інформаційних систем виконувати «трансформацію», «аналіз», «моделювання» просторових даних у загальному випадку не характерна для інших інформаційних систем, і це, як правило, проявляється в існуючих визначеннях. Основною відмінністю електронних карт в ГІС від паперових карт є те, що в ГІС карта не є звичайною статичною картинкою. Кожен умовний знак, зображений в ГІС, відповідає деякому об'єкту, який можна проаналізувати, зокрема, отримати вичерпну додаткову (неграфічну) інформацію з бази даних. Так, однією з базових функцій ГІС є отримання інформації про обраний на карті . Наприклад, вказавши в ГІС курсором мишки будівлю на карті міста, можна отримати детальну інформацію 6 про номер будинку, поверховість, матеріал стін, ступінь зносу, його власника. Слід звернути увагу на те, що визначення «географічна» у назві географічних інформаційних систем насправді є синонімом просторовості інформації. На це, зокрема, безпосередньо вказується в багатьох визначеннях ГІС. Однак це ще з більшою очевидністю випливає з аналізу історії розвитку і сучасних галузей застосування ГІС-технології, що охоплюють крім географічних наук, кадастр, інженерні дослідження і проектування, транспорт, зв'язок, комерцію, державне управління та ін. Проте відомі спроби виділення «чисто» географічних інформаційних систем з погляду професійногеографічної спрямованості. Необхідним і достатнім критерієм виділення «чисто» географічних інформаційних систем є проблемна орієнтація системи, тобто те, для яких цілей вона призначається і використовується і якого типу задачі розв'язує. Факт того, що сучасні геоінформаційні технологій, проникають в усе нові сфери людської діяльності, у тому числі й дуже далекі від географії, наочно демонструє їх міждисциплінарний характер. Таким чином, ГІС – це інформаційні системи, які від інших інформаційних систем відрізняються тим, що це, по–перше, автоматизовані інформаційні системи, з використанням ЕОМ, по-друге, вони призначені для роботи з просторовокоординованою інформацією, і, по-третє, ГІС здатні продукувати нове знання на основі використання досить широкого спектра аналітичних методів і процедур. Причини і передумови появи геоінформатики та ГІС 1. Накопичення величезного обсягу інформації, статистичних, картографічних, аерокосмічних та інших матеріалів. 2. Виникнення питань організації і використання великих обсягів даних. 3. Потреба в зберіганні та впорядкуванні відомостей в базах даних для вирішення різноманітних завдань. 4. Поява (а потім і широке поширення) комп'ютерів і засобів периферії. 7 Контрольні запитання: 1. Що таке інформаційні технології? 2. Що таке географічні інформаційні системи? 3. У чому основна відмінність ГІС від інших інформаційних систем? 4. У яких областях людської діяльності доцільно застосовувати ГІС? 5. Як організовані дані в ГІС? 6. Причини і передумови появи геоінформатики та ГІС 14 Темпи росту кількості реально діючих геоінформаційних систем досить вражаючі. За довідником видання комісії щодо збору та обробки географічної інформації Міжнародного географічного союзу «програмне забезпечення обробки просторових даних», до початку 80 рр. було створено близько 90 повномасштабних географічних інформаційних систем, а вже у середині 80 рр. їхня кількість перевищувала 500; зараз їх вже кілька сотень тисяч. Створюються значні системи субрегіонального та регіонального рівнів, часто на базі міжнародного співробітництва: GDPP – Проект глобальної бази даних; GRID – Глобальна інфомаційно-ресурсна база даних; WDDES – Світова база даних для наук про довкілля та ін. Розвиток індустрії комерційних програмних засобів, які широко почали застосовуватись в останні роки при створенні конкретних ГІС як базова програмна оболонка; серед найбільш ефективних та широко застосовуваних – ARC/INFO, MAP/INFO, MGE, IDRISI, GRASS, SYSTEM–9 та ін. Комерційні програмні засоби розробляються для розв’язання типових завдань на основі ГІС. Наприклад, MGE (Modular GIS Environment) має кілька спеціалізованих пакетів: MGE Atlas – для створення атласів на базі ГІС; MGE Map Publisher зареєстрована для видання картографічних творів; MGE Dynamic Analyst забезпечує аналіз і демонстрацію динаміки явищ тощо. В умовах насиченого ринку доступними програмними засобами, створювачі систем мають можливість вибору найбільш ефективних програм для вирішення конкретних задач. Дуже часто в одній системі застосовується кілька модулів. Розвиток та становлення ГІС-технології в Україні почалися в останні роки, таке відставання великою мірою зумовлено відсутністю необхідних технічних засобів, а також не усвідомленням тих можливостей, які надаються даною технологією. Досвід створення ГІС в Україні обмежується окремими спеціалізованими системами, зорієнтованими на вирішення вузьких задач для території рангу міста, адміністративного району чи області. 15 Геоінформаційні технології в Україні набули розвитку в середині 90 років XX ст. Серед позитивних чинників, що характеризують сучасний стан застосування геоінформаційних технологій у країні, слід відзначити такі: – формування в державних установах і організаціях груп фахівців, які активно працюють у напрямку застосування ГІС у різних сферах людської діяльності; – створення ГІС-асоціації (1997) і Асоціації геоінформатиків (2003) України, що сприяють активізації і консолідації геоінформаційної діяльності в країні; – щорічне проведення ГІС-форумів (1995–2001), конференцій «Геоінформатика: теоретичні і прикладні аспекти» (з 2002 p.), «ГІС і заповідні території» (2013) та ін..; – створення державних підприємств і комерційних компаній, що спеціалізуються на розробці і/або використанні геоінформаційних технологій, зокрема: державних наукововиробничого підприємства «Геосистема» (м. Вінниця) і науково–виробничого центру «Геодезкартінформатика» (м. Київ); - комерційних компаній «Інтелектуальні системи, Гео», «Інститут передових технологій», «ЕСОММ», ГЕОКАД, «Аркада», «Геоніка» (м. Київ); «Високі технології»(м. Одеса) та ін.; – розроблення спеціалізованого геоінформаційного пакета Рельєфпроцесор – Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, векторнорастрової інструментальної ГІС настільного типу ОКО – ВАТ«Геобіономіка» (м. Київ); програмних комплексів GEO+CAD і GeoniCS, призначених для обробки даних досліджень і геоінженерного проектування в галузі цивільного, промислового і транспортного будівництва – компанія «ГЕОКАД», AT «Аркада» і НПЦ «Геоніка» (м. Київ) та ін. – створення електронного атласу України – пілотної версії комп'ютерного Національного атласу України (2000) – Інститутом географії НАН України і компанією «Інтелектуальні системи, Гео» (Київ); 16 – внесення курсів з ГІС і геоінформаційних технологій до програми підготовки фахівців природознавчих і екологічних спеціальностей у багатьох вищих навчальних закладах країни; відкриття у деяких з них курсів підготовки фахівців у галузі геоінформаційних систем і технологій, зокрема, в Університеті «Львівська політехніка» (Львів) – у рамках спеціальності «Картографія», в Одеському національному університеті ім. І.І. Мечникова – у рамках спеціальності «Географія», в Одеському державному екологічному університеті – у рамках спеціальності «Інформаційні технології», у Національній гірській академії України (Дніпропетровськ) – за фахом «Геоінформаційні системи і технології». До факторів, що стримують розвиток геоінформаційних технологій, належать низький в цілому рівень комп'ютеризації в країні і відсутність у достатній кількості відповідних фахівців. Слід зауважити, що спочатку термін «ГІС» розшифровувався як географічна інформаційна система. Однак зараз такий термін вважається неправильним і його слід застосовувати тільки для позначення геоінформаційних систем, призначених для вирішення географічних завдань. В даний час геоінформаційні системи вирішують найрізноманітніші завдання в різних галузях економіки. В цілому можна сказати, що в ГІС зображення, що відображається на екрані, завжди відповідає деякому набору даних, що зберігається в базі даних ГІС. При цьому завжди можна перейти від умовного знаку на екрані до об'єкту в базі даних і отримати необхідну інформацію. А також, знайшовши за деяким критерієм об'єкт в базі даних, можна швидко знайти його на карті. Розширені можливості пошуку просторових об'єктів зазвичай називаються атрибутами об'єктів. 1. Контрольні запитання: 2. Коли і де була розроблена перша реально працююча геоінформаційна система у світі? 3. Чим характеризується «піонерський період» розвитку ГІС? 4. Чим характеризується «державний період» розвитку ГІС? 17 5. Що зіграло важливу стимулюючу роль у посиленні інтересу до ГІС у 80-х? 6. Чим характеризується третій етап розвитку ГІС? 7. Яку роль зіграли безкоштовні програмні продукти ГІСзабезпечення? 8. Яка історія розвитку ГІС технологій в колишньому Радянському Союзі? 9. Чим характеризується розвиток та становлення ГІС– технології в Україні? 10. Які фактори стримують розвиток ГІС–технології в Україні? 18 Заняття 3. Функції й галузі застосування ГІС і геоінформаційних технологій Умовно функції ГІС можна поділити на п'ять груп, при цьому перші три належать до традиційних функцій геоінформаційних технологій, останні дві – до нових, що розвинулися останнім десятиліттям. 1. Інформаційно–довідкова функція – створення і ведення банків просторово–координованої інформації , у тому числі: – створення цифрових (електронних) атласів. Перший комерційний проект розробки цифрових атласів – Цифровий атлас світу – був випущений у 1986 р. фірмою Delorme Mapping Systems (США). – створення й експлуатація кадастрових систем, у першу чергу автоматизованих земельних інформаційних систем (АЗІС), або Land Information Systems (LIS), і муніципальних(або міських) автоматизованих інформаційних систем (МАІС), а також просторово-розподілених автоматизованих інформаційних систем водного і лісового кадастрів, кадастрів нерухомості та ін. 2. Функція автоматизованого картографування – створення високоякісних загально-географічних і тематичних карт, що задовольняють сучасні вимоги до картографічної продукції. Прикладом реалізації цієї функції є діяльність в Україні Інституту передових технологій (м. Київ) з підготовки і друкування навчальних географічних і історичних атласів території України, а також Молдови і Росії на основі можливостей ГІС-пакетів фірми ESRI, США. 3. Функція просторового аналізу і моделювання природних, природно-господарських та соціально-економічних територіальних систем, що ґрунтується на унікальних можливостях, наданих картографічною алгеброю, геостатистикою і мережним аналізом, які складають основу аналітичних блоків сучасних інструментальних ГІС з розвинутими аналітичними можливостями. Вона реалізується в наукових дослідженнях, а також вирішенні широкого кола 19 прикладних завдань при територіальному плануванні, проектуванні і управлінні. 4. Функція моделювання процесів у природних, природногосподарських і соціально-економічних територіальних системах. Прикладами є сучасні просторово-розподілені моделі поверхневого стоку, змиву ґрунту та транспорту схилових і руслових наносів, різного роду забруднювачів. Реалізується при оцінці і прогнозі поведінки природних і природно– господарських територіальних систем та їх компонентів при вирішенні різних наукових і прикладних завдань, у тому числі пов'язаних з охороною і раціональним використанням природних ресурсів. 5. Функція підтримки прийняття рішень у плануванні, проектуванні та управлінні. Найбільш активно цей напрямок в Україні розвивається в містобудівному плануванні і проектуванні. Певні успіхи є в галузі геоінформаційного забезпечення надзвичайних ситуацій. У чому найголовніше призначення географічних інформаційних систем? Воно полягає в наданні можливості обробки й аналізу просторових даних, причому отримані результати служать найчастіше основою підтримки прийняття рішень у завданнях, використання ресурсів Землі або використовуються для керування середовищем, створеного людиною. Список галузей, де знаходять застосування географічні інформаційні системи: - системи обласного й місцевого керування - керування надзвичайними ситуаціями й суспільною безпекою - керування навколишнім середовищем - сільське господарство - екологія й охорона природи - гірська промисловість і науки про Землю - лісівництво - дистанційне зондування й обробка зображень - водопостачання й водні ресурси - океанографія, морські ресурси - бізнес–географія 20 - енергетичні мережі - телекомунікації - транспорт - нерухомість - охорона здоров'я - освіта. Найцінніша властивість ГІС полягає в тому, що ці системи здатні обробляти спільно досить різнорідну інформацію, а здатні вони це робити тому, що в якості загального ключа всіх наборів даних у них використається географічне (просторове) положення. Звичайно ГІС представляє інформацію у вигляді карт і за допомогою символів, інтегруючи дані з різних джерел у загальній географічній системі відліку. Дивлячись на карту, людина дізнається, що знаходиться в області простору, що її цікавить, де перебувають ті або інші об'єкти й процеси, як вони розподілені в просторі, як до них можна дістатися по автодорогах або в інший спосіб, що межує з ними й що перебуває поблизу. ГІС дозволяють найточнішим чином вираховувати координати об’єктів та площі ділянок. В галузі транспорту ГІС давно вже показали свою ефективність завдяки можливості побудови оптимальних маршрутів для перевезень в масштабі окремого міста або цілої держави. При цьому можливість використання найбільш актуальної інформації про стан дорожньої мережі та пропускної здатності дозволяє будувати дійсно оптимальні маршрути. ГІС дозволяють вести облік чисельності, структури та розподілу населення і одночасно використовувати цю інформацію для планування розвитку соціальної інфраструктури, транспортної мережі, оптимального розміщення об’єктів охорони здоров’я, протипожежних пунктів та сил правопорядку. Екологічні проблеми часто вимагають негайних і адекватних дій, ефективність яких безпосередньо пов'язана з оперативністю обробки та подання інформації. При комплексному підході, характерному для екології, зазвичай доводиться спиратися на узагальнюючі характеристики навколишнього середовища, 21 внаслідок чого, обсяги навіть мінімально достатньої вихідної інформації, безсумнівно, повинні бути великими. В іншому випадку обґрунтованість дій і рішень навряд чи може бути досягнута. Однак простого накопичення даних теж, на жаль, недостатньо. Ці дані повинні бути легкодоступні, систематизовані відповідно до потреб. Добре, якщо є можливість зв'язати різнорідні дані один з одним, порівняти, проаналізувати, просто переглянути їх в зручному і наочному вигляді, наприклад, створивши на їх основі необхідну таблицю, схему, креслення, карти, діаграму. Угруповання даних в потрібному вигляді, їх належне зображення, зіставлення і аналіз цілком залежать від кваліфікації і ерудованості дослідника, обраного ним підходу інтерпретації накопиченої інформації. На етапі обробки і аналізу зібраних даних істотне, але аж ніяк не перше, місце займає технічна оснащеність дослідника, що включає відповідні для вирішення поставленого завдання апаратні засоби і програмне забезпечення. В якості останнього в усьому світі все частіше застосовується сучасна потужна технологія географічних інформаційних систем. ГІС має певні характеристики, які з повним правом дозволяють вважати цю технологію основною для цілей обробки і управління інформацією. Засоби ГІС набагато перевершують можливості звичайних картографічних систем, хоча природно, включають всі основні функції отримання високоякісних карт і планів. У самій концепції ГІС закладені всебічні можливості збору, інтеграції та аналізу будь-яких розподілених в просторі або прив'язаних до конкретного місця даних. Якщо необхідно візуалізувати наявну інформацію у вигляді карти, графіка або діаграми, створити, доповнити або видозмінити базу даних, інтегрувати її з іншими базами – єдино вірним шляхом буде звернення до ГІС. У традиційному уявленні можливі межі інтеграції різнорідних даних штучно обмежуються. Близьким до ідеалу вважають, наприклад, можливість створення карти врожайності полів шляхом об'єднання даних про ґрунти, клімат і рослинності. ГІС дозволяє піти значно далі. До вищенаведеного набору даних можна додати демографічну інформацію, відомості про земельну 22 власність, добробут і доходи населення, обсягах капітальних вкладень і інвестицій, зонування території, стан хлібного ринку і т.д. В результаті з'являється можливість безпосередньо визначити ефективність запланованих або вже діючих заходів по збереженню природи, їх вплив на життя людей і економіку сільського господарства. Можна піти ще далі і, додавши дані про поширення захворювань і епідемій, встановити, чи є взаємозв'язок між темпами деградації природи і здоров'ям людей, визначити можливість виникнення і поширення нових захворювань. В кінцевому рахунку, вдається досить точно оцінити всі соціально-економічні аспекти будь-якого процесу, наприклад скорочення площі лісових угідь або деградації ґрунтів. Більш конкретні напрямки використання ГІС природоохоронних заходах: Деградація довкілля. ГІС з успіхом використовується для створення карт основних параметрів навколишнього середовища. Надалі, при отриманні нових даних, ці карти використовуються для виявлення масштабів і темпів деградації флори і фауни. При введенні даних дистанційних, зокрема супутникових, і звичайних польових спостережень з їх допомогою можна здійснювати моніторинг місцевих і широкомасштабних антропогенних впливів. Дані антропогенних навантаженнь доцільно накласти на карти зонування території з виділеними областями, що становлять особливий інтерес з природоохоронної точки зору, наприклад, парками, заповідниками і заказниками. Оцінку стану і темпів деградації природного середовища можна проводити і по виділених на всіх шарах карти тестовим ділянкам. Забруднення. За допомогою ГІС зручно моделювати вплив і поширення забруднення від точкових і неточкових (просторових) джерел на місцевості, в атмосфері і по гідрологічній мережі. Результати модельних розрахунків можна накласти на природні карти, наприклад карти рослинності, або ж на карти житлових масивів в даному районі. В результаті можна оперативно оцінити найближчі і майбутні наслідки таких екстремальних ситуацій, як розлив нафти та інших шкідливих 23 речовин, а також вплив постійно діючих точкових і площинних забруднювачів. Землеволодіння. ГІС широко застосовуються для складання і ведення різноманітних, в тому числі земельних, кадастрів. З їх допомогою зручно створювати бази даних і карти земельної власності, об'єднувати їх з базами даних з будь-якими природними і соціально-економічними показниками, накладати відповідні карти одну на одну і створювати комплексні (наприклад, ресурсні) карти, будувати графіки і різного виду діаграми. Природно-заповідні території (ПЗФ). Ще одна поширена сфера застосування ГІС - збір і управління даними з охоронних територій, таких як заказники, заповідники і національні парки. У межах охоронних територій можна проводити повноцінний просторовий моніторинг рослинних угруповань цінних і рідкісних видів тварин, визначати вплив антропогенних втручань, таких як туризм, будівництво доріг або ЛЕП, планувати і доводити до реалізації природоохоронні заходи. Можливо виконання і багатокористувацьких завдань, таких як регулювання випасу худоби та прогнозування продуктивності земельних угідь. Такі завдання ГІС вирішує на науковій основі, тобто обираються рішення, що забезпечують мінімальний рівень впливу на дику природу, збереження на необхідному рівні чистоти повітря, водних об'єктів та ґрунтів, особливо в часто відвідуваних туристами районах. Території, що не належать до ПЗФ . Регіональні та місцеві керівні структури широко застосовують можливості ГІС для отримання оптимальних рішень проблем, пов'язаних з розподілом і контрольованим використанням земельних ресурсів, улагоджуванням конфліктних ситуацій між власником і орендарями земель. Корисним і часто необхідним буває порівняння поточних меж ділянок землекористування до зонування земель та перспективними планами їх використання. ГІС забезпечує також можливість зіставлення меж землекористування з вимогами дикої природи. Наприклад, в ряді випадків буває необхідним зарезервувати коридори міграції диких тварин через освоєння території між заповідниками або 30 можуть бути описані у вигляді багатокутників, що оточували суцільні зони насаджень. Для кожного такого масиву дерев в атрибутах слід вказати щільність посадки, середню висоту дерев. 4. Шар будівель. Будинки представляються у вигляді багатокутників, що описують контур будівлі на рівні землі. Для будівель в атрибутах слід вказати тип будівлі (житлове, промислове, комерційне), адресу, висоту, кількість поверхів і ін. 5. Шар річок. Річки на карті міста зазвичай подаються у вигляді багатокутників. На інших більш дрібних картах (картах області або всієї країни) річки часто моделюють за допомогою ламаних. Розподіл даних на шари дозволяє працювати в ГІС тільки з тими даними, які необхідні для вирішення поставлених завдань. У найпростішому випадку можна «вимкнути» ті шари, які нам не потрібні, і побачити на карті те що залишилось. Моделі просторових даних Класифікація моделей В основі геоінформаційних систем лежать різні моделі даних, що є відображенням реальних об’єктів на місцевості, відносин між ними та інших додаткових знань, що мають просторову прив'язку. Кожна модель даних ГІС включає в себе різні окремі просторові об'єкти, пов'язані між собою. Просторовий об'єкт (цифрова модель об'єкта місцевості) - цифрове представлення деякого об'єкту реальності, що включає координатну прив'язку (опис геометрії) і набір атрибутів (текстових та числових характеристик). У сучасних ГІС зазвичай використовуються наступні базові типи просторових об'єктів: Векторні об'єкти (використовуються в нетопологічній і топологічній моделях даних, пізніше): 1. Точки – 0-мірні (точкові) об'єкти, які характеризуються координатами на площині або в просторі. 2. Мультиточка – 0-мірні (точкові) об'єкти, що складаються з кількох (не менше однієї) точок являють собою упорядковану колекцію точок. Цей тип об'єктів є узагальненням типу «Точки». 31 3. Лінії (полілінії, поліполілініі) – 1-мірні (лінійні) об'єкти, що складаються з послідовності (не менше двох) точок, з'єднаних між собою відрізками (сегментами, дугами). Зауважимо, що не всі послідовні точки можуть з'єднуватися між собою відрізками, а тому об'єкти даного типу можуть мати розриви, тобто бути топологічно непов'язаними. Топологічно пов'язані лінії зазвичай називають полілініями, а незв'язані – поліполілініями. 4. Полігони (області, регіони) – 2-мірні (майданні) об'єкти, що складаються з декількох (не менше одного) контурів, заданих у вигляді послідовності замкнутих ліній, і частин площині всередині контурів. Вищенаведені типи векторних фігур називають простими на противагу таким: 5. Складні фігури (фігури оформлення, об'єкти САПР - з систем автоматизованого проектування) - різноманітні 0-, 1-, 2і 3-мірні фігури, які використовуються в ГІС для оформлення. При цьому на практиці використовуються прямокутники, еліпси, дуги еліпса, сплайни, впроваджені зображення (у вигляді растрів і метафайлів), OLE-об'єкти (об'єкти для вставки на карту довільних графічних зображень за технологією OLE операційної системи Windows), різні текстові написи, покажчики, розмірні лінії, а також спеціальні об'єкти для оформлення карт в ГІС (масштабні лінійки, стрілки напрямку на північ, легенди карти, фрагменти інших карт). При виконанні операцій просторового аналізу з використанням складних фігур спочатку виконується їх перетворення в прості типи. Коміркові елементи (елементи растрових, регулярних та нерегулярних моделей): 6. Пікселі – 2-мірні (площинні) об'єкти, які є елементами регулярної прямокутної решітки в растровій моделі даних. 7. Осередки – 2-мірні (площинні) об'єкти, які є елементами регулярного розбиття в моделі регулярної мережі. 8. Трикутники – 2 мірні (площинні) об'єкти, які є елементами розбиття поверхні на трикутники в нерегулярній моделі тріангуляції. 32 Модель даних - спосіб опису однотипних просторових об'єктів, що включає спосіб опису окремих об'єктів, топологічних відносин між ними, а також додаткових знань про всю сукупність об'єктів в моделі. Всі безліч моделей просторових даних ділиться на дві великі групи. Векторні моделі призначені для опису сукупностей окремих об'єктів, наприклад, кордонів річок, озер, контурів будівель, осей доріг і інженерних комунікацій. У векторних моделях кожен об'єкт задається деяким набором координат на площині або в просторі, а також сукупністю атрибутів. У векторних не топологічних моделях всі об'єкти є повністю незалежними один від одного і можуть довільно розміщуватися в просторі. Векторні топологічні моделі складаються з власне опису окремих об'єктів, а також з описів топології – відносин окремих об'єктів між собою. Найбільш поширеними топологічними моделями є лінійно-вузлова модель (покриття) і транспортна мережа. Ніздрюваті моделі описують безперервні поля даних, такі як фотознімки місцевості, поля забруднень навколишнього середовища, висотних відміток (рельєф). У пористих моделях деяка ділянка території нерозривно розбивається на однакові (прямокутники в растровій або трикутники в регулярній моделі) або різні фрагменти (трикутники в нерегулярної тріангуляційній моделі), кожен з яких описується своїм набором атрибутів. У геоінформаційних системах всі дані організовуються в логічні групи (тематичні), звані шарами, які, в свою чергу, групуються в карти. На закінчення цього розділу розглянемо кілька найважливіших понять. Шар карти (тема) - сукупність однотипних просторових об'єктів, визначених в одній моделі даних на загальній території і в загальній системі координат. Карта в ГІС – сукупність різних шарів, визначених на загальній території і в загальній системі координат. 33 Цифрова модель місцевості (ЦММ) - математична модель місцевості, що складається з безлічі наборів просторових даних, що описують різні види сутностей і знань про Землю. ЦММ відповідає об'єктному складу топографічних карт і планів та включає в себе опис форми рельєфу Землі, природних і антропогенних об'єктів і споруд. Цифрова карта – математична модель графічного зображення паперових карт, загальноприйнятих в картографії. У певному сенсі цифрова карта є спрощеним уявленням ЦММ, що включає в себе тільки ті дані по об'єктах місцевості, які безпосередньо відображаються на карті. Цифрова модель рельєфу (ЦМР) - частина цифрової моделі місцевості, що описує форму земної поверхні. ЦМР в геоінформаційних системах моделюється за допомогою пористих моделей даних, званих зазвичай DEM (англ. Digital Elevation Model – регулярна мережа висот) і TIN (англ. Triangulation Irregular Network – нерегулярна тріангуляційна мережа). У геоінформаційних системах ЦММ, цифрові карти і ЦМР є частиною відповідних карт і представляються як набори шарів. Нетопологічна модель даних У векторних нетопологічних моделях всі об'єкти довільно і незалежно розміщені в просторі. Термін «не топологічна» на противагу «топологічна» підкреслює, що різні фігури в межах набору даних ніяк між собою не пов'язані і не впливають один на одного. Серед векторних не топологічних моделей виділяють два основних підвиди: шейп-модель і САПР-модель. Шейп-модель У шейп-моделі допустимі 4 види даних: точки, лінії, полігони і мультиточка. При цьому в межах одного шару карти, представленого у вигляді шейп-моделі, допускаються об'єкти тільки одного виду. Відповідні шари карти при цьому називаються точковими, лінійними, полігональними (площадковими) і багатоточковими. 34 Дані в шейп-моделі можуть бути визначені на площині, і тоді вони характеризуються двома координатами (x, y) а також в 3- (координати (x, y, z) або (x, y, m) і 4-вимірному (координати x, y, z, m) просторі. Координата m зазвичай використовується в якості так званої «міри» для ліній, коли значення міри описує відстань від деякого початку (пікетажна відстань). для інших типів шейп-даних (точок, полігонів і мультиточок) міра зазвичай не використовується. 1. Точки в шейп-моделі є 0-мірними об'єктами, що описуються набором відповідних координат на площині або в просторі. Точки використовуються для подання на мапі таких об'єктів, як міста на карті світу, колодязі, пожежні гідранти на плані міста, висотні відмітки рельєфу. 2. Мультиточки в шейп-моделі також є 0-мірними об'єктами і складаються з ненульового набору нез’єднаних точок. Цей тип об'єктів є узагальненням типу «точки». Мультиточки використовуються на практиці досить рідко. 3. Лінії в шейп-моделі є 1-мірними (лінійними) об'єктами і визначаються як послідовності з'єднаних відрізками точок. При цьому виділяють три види ліній: спагеті, струни і кільця. Спагеті можуть самоперетинатися, а струни і кільця не можуть. Кільця мають співпадаючі початкову і кінцеву точки. Всі лінійні об'єкти мають деяке значення довжини, але завжди нульову площу. Спагеті повинні складатися принаймні з одного відрізка, який з’єднує дві незбіжні точки. Спагеті зазвичай використовуються при експорті даних з деякого джерела лінійних даних, де топологічна коректність даних не гарантується. Струни також повинні складатися принаймні з одного відрізка, що з'єднує дві незбіжні точки. При введенні і редагуванні струн проводиться перевірка на те, щоб не було самоперетинів відрізків струни, а також послідовних колінеарних відрізків. Кільця повинні мати співпадаючі початкову і кінцеву точки. При введенні і редагуванні кілець проводиться перевірка на 35 відсутність самоперетинів відрізків кільця, а також послідовних колінеарних відрізків. 4. Полігони в шейп-моделі є 2-мірними (площинними) об'єктами і визначаються кількома (не менше одного) контурами, заданими у вигляді послідовності замкнутих непересічних ліній. Принаймні один з цих контурів повинен бути зовнішнім, а решта – внутрішніми. Внутрішні контури при цьому повинні задаватися в порядку обходу контуру за годинниковою стрілкою, а зовнішні – проти. Для кожної фігури в шейп-моделі даних може зберігатися певна кількість додаткових числових або текстових параметрів (атрибутів), що описують різні характеристики об'єктів, що моделюються. САПР-модель САПР-модель (модель даних, типова для систем автоматизованого проектування) використовується в геоінформаційних системах, як правило, для графічного оформлення карт і для створення складних креслень. При цьому в межах одного шару карти, представленого в САПР-моделі, допускаються об'єкти різних типів: прості (точки, мультіточка, лінії, полігони) і складні (прямокутники, дуги, еліпси, сплайни, растри, метафайли, OLE-об'єкти, написи, покажчики, розмірні лінії і елементи оформлення карт). САПР-модель використовується для створення на картографічній основі складних графічних зображень, наприклад схем інженерних мереж. Топологічна модель даних Векторна топологічна модель даних, на додаток до опису геометрії і локалізації об'єктів, описує їх взаємне розташування («зліва», «справа», «знизу», «зверху» і т. Д.) І їх взаємовідносини (взаємодії). Відносини між об'єктами описуються на рівні структури даних ГІС та називаються топологічними відносинами або топологією. Векторна топологічна модель даних містить 3 основних типи об'єктів: вузли, дуги і регіони. Кожен з цих об'єктів має 36 унікальний ідентифікатор ID, за допомогою якого встановлюються взаємні зв'язки між об'єктами. Шар карти, представлений у вигляді топологічної моделі даних, називається покриттям. Цей термін походить від того, що взаємне накладення дуг і регіонів в моделі покриття не допускається, а вся сукупність регіонів в моделі разом з універсальним регіоном «покриває» всю площину. Вузли є звичайними точковими об'єктами, що характеризуються координатами на площині (x, y). Дуги є лінійними об'єктами – ламаними, що з'єднують пару вузлів покриття і проходять через послідовність проміжних точок. Крім того, дуги характеризуються посиланнями на два суміжних (зліва і справа) регіону. Між собою дуги одного покриття перетинатися не можуть. Вони характеризуються набором контурів, кожен з яких, в свою чергу, описується послідовністю дуг покриття. Між собою регіони одного покриття перетинатися не можуть. Регіони бувають декількох основних видів: Простий регіон – регіон, який містить лише один контур. Складовий регіон – регіон, який містить більше одного контуру. При цьому складові регіони можуть складатися з топологічно незв'язаних частин і мати дірки. Універсальний регіон - частина площини, яка не входить ні в один регіон покриття. Це поняття є абстракцією і в явному вигляді не представляється в моделі покриття. Модель транспортної мережі Модель транспортної (геометричній) мережі призначена в першу чергу для опису схеми транспортних комунікацій (автомобільних і залізних доріг, авіаліній і водних маршрутів) з метою подальшого мережевого аналізу. Транспортна мережа містить два основних типи об'єктів (вузли та дуги), а також один додатковий - маршрути. 1. Вузли є звичайними точковими об'єктами, з певними координатами на площині (x, y). Вузли можуть додатково характеризуватися такими параметрами, як заборони на виконання деяких поворотів і час їх виконання. 37 2. Дуги є лінійними об'єктами – ламаними, що з'єднують пару вузлів транспортної мережі та проходять через послідовність проміжних точок. Кожна дуга характеризується довжиною або часом руху по ній, дозволеними напрямками руху, класом дороги або пропускною спроможністю і ін. 3. Додатково на транспортній мережі можуть бути визначені об'єкти ще одного типу – маршрути руху транспорту. Кожен маршрут визначається як замкнута впорядкована послідовність вузлів і дуг, а також різними числовими характеристиками (наприклад, розрахунковий час проходження транспорту через зупинки). Слід зауважити, що модель транспортної мережі схожа на модель покриття без регіонів. Однак, на відміну від покриття, в транспортній мережі допустимо взаємне перетинання дуг. Це необхідно, наприклад, щоб показати перетин автомобільних доріг в різних рівнях. Растрова модель даних Растрова модель даних є історично найпершою моделлю даних геоінформатики. У цій моделі вся площину розбивається системою рівновіддалених вертикальних і горизонтальних прямих на однакові осередки – пікселі, кожному з яких підтверджено якийсь код. У кожному пікселі може зберігатися якась числова характеристика простору (наприклад, висота рельєфу, колір на фотознімку, рівень забруднення навколишнього середовища) або код об'єкта, якому належить відповідний піксель. У векторній моделі для кожного полігону A, B, C і D задані координати меж полігонів, тобто в векторній моделі вказується, де знаходиться об'єкт. У растровій моделі весь простір розділено на пікселі, в кожному з яких зберігається код відповідної земельної ділянки, тобто в растровій моделі зберігається інформація про те, що знаходиться в заданій точці території. Точність задання меж земельних ділянок в растровій моделі невисока, так як відповідає розміру пікселя. Тому для підвищення точності даних доводиться істотно збільшувати кількість пікселів. Однак нескінченно збільшувати число 38 пікселів також не можна, так як ресурси комп'ютерів обмежені. Наприклад, якби ми захотіли на карті міста розміром 10 на 10 км уявити карту земельних ділянок з точністю 1 см (пікселями розміром 1 на 1 см), то нам знадобилося б 1012 пікселів. Якщо кожен піксель ми будемо кодувати 4 байтами, то нам знадобиться приблизно 4 Тб пам'яті, що значно перевершує можливості типового сучасного персонального комп'ютера. Саме тому при виборі розміру і числа пікселів доводиться йти на компроміс. Для економії витрат пам'яті існують різні алгоритмічні методи компресії растрів, які дозволяють в залежності від типу даних стискати їх в десятки, сотні і навіть тисячі разів. Тому в наведеному вище прикладі на практиці може виявитися досить тільки 1 Гб або навіть менше для зберігання вищевказаної карти земельних ділянок. Одним з достоїнств растрової моделі даних є простота алгоритмів обробки, включаючи операції просторового аналізу. Наприклад, дуже легко можна відшукати всі будівлі, розташовані в водоохоронній зоні, для чого треба накласти растрові шари будівель і водоохоронних зон і попіксельно знайти необхідні будівлі. В даний час растрова модель не є основною в ГІС, а використовується тільки в тих випадках, коли векторна модель не дає адекватного результату. Саме тому актуальними є операції перетворення даних з растра в вектор (векторизація) і навпаки (растеризація). Растеризація – це звичайна для ГІС і досить проста операція, проте векторизація є набагато складнішою і більшістю ГІС не підтримується. Векторизація зазвичай виконується в ручному або напівавтоматичному режимі за допомогою спеціальних програм – векторизаторів. Якщо ГІС підтримує тільки векторні моделі даних і нерегулярні мережі, то вона називається векторною. Якщо основною для ГІС є растрова модель даних, то вона називається растровою ГІС. Растрово-векторною називається така растрова ГІС, в якій є як підтримка векторних моделей, так і засоби векторизації і растеризації. 39 Тріангуляційна модель поверхонь Тріангуляційна модель даних (нерегулярна тріангуляційна мережа) призначена для опису поверхонь. Як модель поверхні може виступати рельєф земної поверхні або розподіл якогось параметра по земній поверхні, наприклад забруднення навколишнього середовища, кількості опадів, що випадають або середньорічної температури. Зауважимо, що для моделювання поверхонь може використовуватися і растрова модель, коли в кожному пікселі растра задається висота поверхні, що моделюється. Однак тріангуляційна модель має ряд переваг в порівнянні з растровою. По-перше, це більш висока точність моделювання і зазвичай менші витрати пам'яті. По-друге, в тріангуляційній моделі можна в наочному вигляді представляти різкі злами поверхні, тобто точки і лінії, уздовж яких різко змінюється кривизна поверхні (вершини гір, кордони ярів, обриви річок, межі штучних споруд). У растровій моделі передбачається, що вся поверхня, яка моделюється, є гладкою. Вихідними даними для побудови тріангуляційній моделі поверхні служать висотні позначки, ізолінії, а також різні структурні лінії, що змінюють форму поверхні. У найзагальнішому розумінні тріангуляція - це планарний граф, побудований на безлічі заданих вузлів, який розбиває всю площину на трикутники і одну зовнішню нескінченну фігуру. Тріангуляція може бути різного виду. У тріангуляційній моделі даних використовується так звана тріангуляція Делоне з обмеженнями, в якій трикутники будуються так, щоб вони були «максимально рівносторонніми», а точніше так, щоб всередину кола, описаного навколо будь-якого трикутника, по можливості не потрапляли вузли тріангуляції. Так як тріангуляція визначена на площині, то для моделювання поверхонь (зокрема, рельєфу) в кожному вузлі тріангуляції додатково додається ще одна координата - висотна відмітка. При цьому кожен трикутник тріангуляції стає просторовим, визначаючи деяку плоску частину поверхні, що моделюється. 46 Заняття 4. Системи координат. Географічні координати Основна мета введення деякої системи координат в геоінформатиці – це опис стану об'єктів на поверхні Землі в деякому «природному» вигляді. Для визначення місця розташування відносно Землі за допомогою географічних координат, використовують 3 основні характеристики: Точка відліку системи координат Кутові одиниці виміру (широта, довгота) Геодезичні дати / Датум Один з методів опису географічних місць розташування на земній поверхні використовує сферичні вимірювання широти і довготи. Вимірювання здійснюються в кутах (градусах) від центру Землі до точки на земній поверхні. Такий тип системи прив'язки координат називається географічної системою координат (рис. 1). Рисунок 1. Географічні системи координат (за Скворцовим О.В., 2006 (зі змінами)). Екватор Гринвіцький меридіан 47 Довгота вимірюється в градусах (східна і західна довгота). Вимірювання довготи традиційно виконуються щодо початкового меридіана – уявної лінії, що проходить від Північного до Південного полюса через Гринвіч (Великобританія). Кут на цьому меридіані дорівнює 0. Зазвичай на захід від нього значення меридіанів негативні, а на схід - позитивні. Наприклад, координати Лос-Анджелеса (Каліфорнія) приблизно 33 градуси, 56 хвилин широти і мінус 118 градусів, 24 хвилини довготи. Широту прийнято відраховувати від екватора на північ. Таким чином, широта точок, що лежать в північній півкулі, позитивна, а в південному – негативна. Широта будь-якої точки екватора дорівнює 0 °, північного полюса - + 90 °, південного полюса - -90 °. У всіх точок однієї паралелі широта однакова. Широти, близькі до екватора, називають «низькими», а близькі до полюсів – « високими». Координати (широта від -90 ° до + 90 °, довгота від -180 ° до + 180 °) можуть записуватися: в ° градусах у вигляді десяткового дробу (сучасний варіант) в ° градусах і ' хвилинах з десятковим дробом (найсучасніший варіант) в ° градусах, ' хвилинах і "секундах з десятковим дробом (історично сформована форма запису) Хоча широта і довгота визначає точне місце розташування на поверхні глобуса, такі дані не дають точних відомостей про вимірювання відстаней. Тільки на екваторі відстань, відповідна одному градусу довготи приблизно дорівнює відстані, відповідному одному градусу широти. Причина в тому, що екватор – це єдина паралель, чия довжина відповідає довжині меридіана. Вище і нижче екватора, кола, які визначають паралелі, стають поступово все коротшими і коротшими, поки не перетворяться в точку на Північному і Південному полюсах, в якій сходяться меридіани. У міру того, як меридіани сходяться до полюсів, відстань, відповідна одному градусу широти зменшується до нуля. На сфероїді Кларка 1866 р. один градус широти на екваторі дорівнює 111,321 км, в той час як на широті 48 60 ° - тільки 55,802 км. Так як у градусів широти і довготи немає стандартної довжини, за допомогою них неможливо коректно міряти довжини і площі на плоских картах або комп'ютерних моніторах. Пройшли ті часи коли Землю вважали пласкою, потім круглою. Якщо не вдаватися в історичні перипетії, то за сучасними поглядами найбільш точно відому форму землі називають "геоїдом". Це не земля із горами та долинами, а уявна поверхня морів і океанів, якщо її продовжити під материками. На такій землі в будь-якій точці сила тяжіння спрямована строго перпендикулярно до її поверхні. Поверхня геоїду досить складна, тому в геодезії та картографії використовують більш просту фігуру – еліпсоїд обертання (іноді сферу), мала вісь якого співпадає з віссю обертання Землі. Хоча форма Землі краще відображається сфероїдом, форма Землі іноді приймається за сферу, що полегшує виконання математичних обчислень. Допущення, що Земля є сферою, можливо для дрібномасштабних карт (для карт, чий масштаб дрібніше 1: 5000000). У цьому масштабі різниця між сферою і сфероїдом не помітна на карті. Тим не менш, для отримання точності на великомасштабних картах (картах масштабу 1: 1000000 або більше), для опису форми Землі необхідно користуватися сфероїдом. Для карт, чий масштаб лежить в діапазоні між цими двома масштабами, використання сфери або сфероїда залежить від призначення карти і від необхідної точності даних. Якщо вважати землю кулею, то ми помилимося як мінімум на 22 кілометри. Якщо трохи сплюснути її з полюсів і представити її собі у вигляді еліпсоїда обертання (двовісний еліпсоїд), то помилка зменшиться вже до 150-200 метрів. Ще більшої точності можна досягти, якщо ще трохи стиснути Землю з боків. Така фігура називається тривісним еліпсоїдом. Існує й інший метод підвищення точності – еліпсоїд можна взяти більш простий (двовісний), але трохи його зсунути і повернути, щоб він максимально відповідав поверхні Землі в даній країні (датум). Саме так зазвичай і роблять. 49 Якщо опустити геодезичні тонкощі, то для нас датум - це розміри еліпсоїда, прийнятого за основу в даній країні (так званий опорний або референт-еліпсоїд) плюс коефіцієнти, що характеризують його зміщення і поворот, для суміщення з територією даної країни. Необхідно зупинитись на визначенні ще кількох термінів: Уровеною називається поверхня, ортогональна в кожній своїй точці до векторів сили тяжіння. Загальноземним називають еліпсоїд обертання, площина екватора і центр якого збігаються з площиною екватора і центром мас Землі і який найкращим чином апроксимує поверхню геоїда. Референц-еліпсоїдом (референц-сферою) називається такий еліпсоїд (сфера), який найкращим чином апроксимує поверхню геоїда на відповідній території Землі (рис.2). Крім своїх розмірів, референц-еліпсоїди характеризуються становищем центру в тілі Землі і орієнтацією вертикальної осі. Коли для роботи на території береться деякий місцевий референц-еліпсоїд, то він вибирається так, щоб максимально точно відповідати поверхні геоїда на цій території. Саме тому даний референт-еліпсоїд може дуже сильно відрізнятися від поверхні геоїда на інших територіях. Рисунок 2. Апроксимація поверхні Землі референцеліпсоїдаим (за Скворцов О.В., 2006 (зі змінами)). Геоїд Загальноземний референц-еліпсоїд Геоїд Місцевий референц-еліпсоїд Район робіт 50 Серед безлічі наявних у світі референц-еліпсоїдів в Україні та інших країнах Східної Європи найбільш часто використовується еліпсоїд Красовського, початковий пункт в Пулково, перевищення геоїда над референц-еліпсоїдом в початковому пункті дорівнює нулю, а вимір висот робиться в Балтійській системі висот, що веде відлік від нуля Кронштадтського футштоку. Ця система координат називається СК-42, так як вона була розроблена в 1942 р, а з 1946 р була введена в експлуатацію на території СРСР. Картографічні проекції Застосування географічних координат зручно з точки зору їх розуміння і обчислення різними астрономічними методами, проте вкрай незручно для виконання будь-яких геометричних вимірювань і побудов. Наприклад, дуже складно визначити найкоротшу відстань між двома пунктами на поверхні Землі, положення яких задані в градусах. Тому картографам і ГІС-фахівцям доводиться якимось чином зображати реальний світ на площині, або планарній системі координат. Процес переміщення інформації з об'ємної поверхні Землі на площину називається проектуванням, звідси і береться термін ''картографічна проекція''. При цьому існують певні проблеми. Щоб глибше зрозуміти дилему, уявіть, як би ви зробили плоскою шкоринку апельсину. Об'ємну форму неможливо перетворити в плоску без спотворень або розривів. Тому при побудові паперових або електронних карт використовуються так звані картографічні проекції – математичні методи відображення поверхні Землі на площину. До теперішнього часу розроблено велику кількість різних проекцій, вибір яких залежить від розмірів картографуваної території, призначення карти, а також стандартів, прийнятих в тій чи іншій країні світу. Найважливішими характеристиками проекцій є характер і величина спотворень. При цьому виділяють наступні види проекцій: 51 1. Рівнокутні проекції. У цих проекціях зберігаються без спотворень кути і форми малих об'єктів, але сильно спотворюються довжини і площі об'єктів. У математиці такі перетворення називаються конформними. Такі проекції використовуються, наприклад, для навігації і прокладки транспортних маршрутів (рис.3). Рисунок 3. Рівнокутна циліндрична проекція (за Скворцовим О.В., 2006). 2. Рівновеликі проекції. Ці проекції зберігають площі всіх об'єктів, але спотворюють кути і форми об'єктів. У таких проекціях дуже зручно, наприклад, визначати площі земельних ділянок (рис.4). 52 Рисунок 4. Рівновелика синусоїдальна псевдоциліндрична проекція з полюсами у вигляді точок (за Скворцовим О.В., 2006). 3. Рівнопроміжні проекції. У цих проекціях зберігаються довжини уздовж одного з головних напрямків (зазвичай вздовж паралелей або уздовж одного або всіх меридіанів) (рис. 5). Рисунок 5. Равнопроміжна по меридіанах циліндрична проекція (за Скворцовим О.В., 2006). 4. Довільні проекції. У таких проекціях не зберігаються довжини, площі або кути, проте перетворення проекції 53 підбирається так, щоб спотворення кутів, площ і довжин були в цілому по карті мінімальні. Як правило, в центрі карти роблять мінімальні спотворення, які плавно зростають до країв (рис. 6). Рисунок 6. Довільна еліптична псевдоциліндрична проекція Каврайського (за Скворцовим О.В., 2006). Розглянемо деякі із проекцій і з’ясуємо, що з ними не так. Перша проекція – так звана «Географічна» (рис.7). Строго кажучи, вона навіть не зовсім є проекцією, тому що виходить шляхом інтерпретації полярних кутових координат, як лінійних прямокутних, без всяких обчислень. Цю проекцію використовують, тому що вона здатна відобразити всю поверхню Землі цілком і тому, що вона найпростіша математично, а дані дуже часто поширюються не спроектовані, тобто саме в географічних координатах (градусах широти і довготи). 54 Рисунок 7. «Географічна» проекція (за Ликбез по …, 2014). Що ж виходить? Виходить прямокутник, де точки полюсів звернені в лінії (верхню і нижню межі). Чим далі від екватора, тим сильніше будь-який об'єкт на карті виявляється сплюснутим по вертикалі і розтягнутий по горизонталі. Це зображення годиться для відображення глобальних наборів даних, але полярні території (Канада, Норвегія, Швеція, північ Росії, Фінляндія, Гренландія, Антарктида, Ісландія) виявляються спотворені. Проекції, які дозволяють уникнути цього, існують, і про них піде мова далі. Єдина причина використовувати цю проекцію – її простота програмної реалізації – потрібно просто відобразити систему координат від -180º до 180º по X і від -90º до 90º по Y на площину, вважаючи кутові одиниці лінійними. Інша дуже популярна проекція - «проекція Меркатора» (рис. 8). Вона також використовується для візуалізації даних, що покривають весь світ, але її популярність продиктована не тільки простотою – її варіанти є стандартом де-факто для глобальних картографічних сервісів, таких як Google Maps, Bing Maps, Here. У варіанті Google і OpenStreetMap вона носить назву Web Mercator і має код EPSG / WKID: 3857, іноді на неї також посилаються, як на EPSG: 900913. Принцип її побудови не сильно складніше Географічної – це проекція на циліндр, чия 55 вісь збігається з географічною віссю Землі, проектування відбувається лініями, що виходять з центру планети, від чого помилка розтягування приполярних областей по горизонталі виявляється скомпенсованою пропорційним розтягуванням по вертикалі. Проблема з цим тільки в тому, що карта вийде занадто великою по вертикалі, якщо спробувати відобразити і північ Гренландії. Рисунко 8. Проекція Меркатора (за Ликбез по …, 2014). На чийсь погляд виглядає трохи краще, ніж Географічна, але одну проблему ми вже згадали, а друга – чим ближче об'єкт до полюсів, тим він здається більше, хоча його форма вже не так спотворена. Тому, якщо предмет візуалізації – щільність маркерів на одиницю території або відстані, такий спосіб відображення буде вводити в оману. При грамотному виборі способу візуалізації, звичайно, це можна компенсувати, а для якихось випадків це взагалі не проблема: наприклад, якщо величина якогось показника в цілій країні співвіднесена з кольором цієї країни на карті, ефект розтягування площ не 62 сканування поверхні Землі, а також інші дані, отримані неконтактним способом. Картографічні джерела. Процедура векторизації призначена для перекладу існуючих картографічних зображень з растрового в векторний вигляд. Передбачається, що за допомогою сканера або цифрового фотоапарата отримано растрове зображення, яке належить векторизувати за допомогою комп'ютера. В даний час масове застосування векторизації в ГІС - це багато в чому вимушене і тимчасове явище. Згодом роль векторизації в підготовці даних для ГІС буде падати, так як вже зараз майже всі нові карти виготовляють за допомогою комп'ютерів відразу в векторній формі, а тому в майбутньому для всіх паперових карт повинні бути вихідні векторні дані, на основі яких вони були створені. Процедура векторизації розбивається на кілька основних етапів: 1. Геометрична корекція знімка. Необхідність цього етапу може виникати, наприклад, через невеликі похибки в роботі механіки сканера, що призводить до нерівномірного руху скануючої головки по протилежних краях сканованого листа. В результаті прямокутник на карті може перетворитися в трапецію в пам'яті комп'ютера. Якщо введення даних в комп'ютер виконувалось за допомогою цифрового фотоапарата, то на цьому етапі виправляються оптичні спотворення, викликані оптикою об'єктива фотоапарата. 2. Прив'язка до необхідної картографічної проекції. На даному етапі визначається використана в оригінальному документі картографічна проекція і на растрі відзначається деяке число характерних точок, координати яких можна точно встановити з якихось міркувань. Такими характерними точками зазвичай виступають хрести координатної або картографічної сітки, і тільки при їх недостатній кількості - інші точкові об'єкти. 3. Склеювання різних растрів в єдине полотно для суцільного покриття території. Для виконання склейки на суміжних растрових зображеннях знаходяться загальні об'єкти 63 (наприклад, дорога, що проходить через кілька аркушів карти), координати яких повинні бути суміщені на карті. Після цього програма векторизації підбирає оптимальне перетворення що дозволяє досягти заданих вимог з мінімальними спотвореннями растра. Після закінчення перших трьох етапів растр зазвичай перетворюється в новий, в якому виправлені всі геометричні та проекційні спотворення, а також даний растр пов'язаний з іншими, суміжними. 4. Підготовка до векторизації. На даному етапі зазвичай послідовно виконується коригування яскравості та контрасту (ручним або гістограмним способом), видалення різних шумів (видалення дуже дрібних плям, усунення маленьких розривів ліній і ін.). Крім того, в зв'язку з тим, що для друку карт зазвичай застосовується невелика кількість різних кольорів, кожен з яких використовується для позначення різного роду просторових сутностей, на даному етапі растр може бути розділений за кольорами на кілька окремих растрів. Наприклад, на картах залізниці можуть бути відзначені чорним кольором, червоним кольором - автомобільні дороги державного значення, а синім - автомобільні дороги місцевого значення. Тому для векторизації транспортних мереж має сенс розділити за кольорами вихідний растр на 3 різних. 5. Власне векторизация. Існує 3 способи векторизації: ручний, напівавтоматичний і автоматичний. При ручному способі користувач самостійно зазначає координати фігур просторових об'єктів поверх растра за допомогою комп'ютерної мишки. При напівавтоматичному способі користувач зазначає об'єкт, який належить векторизувати, а система пропонує векторний варіант (лінію або полігон), який може бути прийнятий користувачем, відхилений або модифікований. В автоматичному режимі програма аналізує відразу весь растр і виділяє всі наявні об'єкти. Головним недоліком автоматичного режиму є невисока точність розпізнавання. Це пов'язано як безпосередньо з математичними і алгоритмічними проблемами вирішення задачі розпізнавання, так і з проблемою каскадних 64 помилок, коли один невірно розпізнаний об'єкт може вплинути на розпізнавання наступного об'єкта. Тому після автоматичного розпізнавання оператор змушений візуально повністю перевіряти отримані результати і вносити корективи. У підсумку загальний час такої роботи може перевершити час напівавтоматичної векторизації. Саме тому на практиці найбільшого поширення набули програми напівавтоматичної векторизації, що дозволяють гнучко управляти процесом перекладу растра в векторний вигляд. Дані польових досліджень Найточніші відомості про просторові об'єкти на Землі можна отримати тільки в результаті польових геодезичних робіт. Розділ науки, що займається збором і обробкою таких досліджень, називається інженерною геодезією. В даний час в геодезії найбільш часто використовуються наступні основні технічні засоби збору інформації: 1. Далекоміри (вимірювачі відстаней). Сюди відносяться рулетки (сталеві, фібергласові і тканинні) і лазерні далекоміри. Лазерний далекомір випромінює лазерний промінь, який відбивається від вимірюваного об'єкта, а далекомір вимірює з високою точністю час ходу променя. Після цього на основі виміряного часу далекомір обчислює відстань до об'єкта. 2. Оптичні нівеліри (вимірювачі перевищень). Нівеліри призначені для вимірювання перевищення однієї ділянки місцевості над іншою. Прилад складається з площадки, яка може обертатися в горизонтальній площині і на яку встановлена зорова труба. Перед початком роботи з нівеліром перший дослідник повинен встановити прилад строго горизонтально за допомогою вбудованого в прилад рівня, обертаючи регулювальні гвинти. Після цього можна починати виконувати зйомку. До нівеліру додається спеціальна вимірювальна рейка, яка встановлюється другим дослідником в вимірюваному місці. Далі перший дослідник повинен навести візир оптичної труби приладу на вимірювальну рейку, а потім записати видиме в трубі значення на рейці. 65 3. Лазерні рівні (лазери). Лазерний рівень, як і нівелір, призначений для вимірювання перевищень. Лазерний рівень складається з горизонтального кола, яке швидко крутиться, на якому встановлений лазерний випромінювач, зазвичай червоного кольору. Перед початком роботи лазерний рівень встановлюється оператором горизонтально за допомогою регулювальних гвинтів і вбудованого рівня. Деякі моделі лазерних рівнів встановлюють горизонталь автоматично. Після вмикання приладу в просторі навколо нього утворюється червона площина, видима людським оком. 4. Теодоліти (вимірювачі кутів). Теодоліти дозволяють вимірювати вертикальні і горизонтальні кути. Основними частинами теодоліта є: зорова труба, горизонтальний та вертикальний круги, алідада, кремальєра. Теодоліт встановлюється на підставці - трегері. Основними конструктивними елементами теодоліта є вертикальна та горизонтальна осі обертання. Прилад складається з лімба – площадки обертового навколо вертикальної осі горизонтального кола (лімба) з алідадою, на підставки якої спирається горизонтальна вісь обертання зорової труби і вертикального кола. лімба – горизонтальної площадки яка обертається навколо вертикальної осі з алідадою1, на підставку якої спирається горизонтальна вісь обертання зорової труби і вертикального кола. Перед початком роботи з теодолітом оператор повинен встановити його строго горизонтально за допомогою вбудованого в прилад рівня, обертаючи регулювальні гвинти. Після цього можна виконувати зйомку. Для цього оператор повинен навести візир оптичної труби приладу на відбивач або вимірюваний об'єкт, а потім записати вертикальний і горизонтальний кути, які відображаються приладом. 1 частина астрономічного або геодезичного кутомірного приладу у вигляді лінійки чи круга, які обертаються всередині лімба навколо однієї з ним осі і несуть на собі навідний, візувальний (чи орієнтувальний) і відліковий пристрої 66 5. Тахеометри. Тахеометром називають теодоліт, поєднаний з далекоміром. Сучасні електронні тахеометри оснащуються мікрокомп'ютерами, які показують на дисплеї обчислені кути і відстані, а також можуть відразу ж перетворювати їх в координати на місцевості. Тахеометри бувають відбивні і безвідбивні. Відбивні тахеометри вимагають для своєї роботи відбивачів, що встановлюються на вишках. Безвідбивні тахеометри використовують в своїй роботі потужний лазерний промінь, який може відбиватися від будь-яких об'єктів на місцевості. При роботі зі звичайним тахеометром оператор повинен навести візир оптичної труби приладу на відбивач, а потім натиснути кнопку виконання зйомки. Для роботи з автоматизованими тахеометрами не потрібно оператора, що стоїть у тахеометра і наводить прилад на відбивач. Кнопка виконання зйомки знаходиться на вишці з відбивачем. При натисканні цієї кнопки радіосигнал з вишки передається на тахеометр, той самостійно виконує наведення по радіосигналу і виконує зйомку точки. 6. Лазерний сканер. Лазерні сканери за своїми функціями схожі на електронні безвідбивні тахеометри (вони вимірюють кути і відстані до будь-яких об'єктів), але вони виконують вимірювання не по одній точці, про яку йдеться оператором, а відразу пакетами. Сканери переміщують лазерний промінь по горизонталі і вертикалі, знімаючи поспіль всі об'єкти, що потрапляють на шляху. В результаті утворюється щільна мережа точок зйомки. 7. Прилади супутникової навігації. В даний час в геодезії застосовуються геодезичні приймачі систем GPS і ГЛОНАСС. При проведенні геодезичних вишукувань вони використовуються зазвичай тільки для зйомки окремих ключових точок на місцевості, наприклад тих, де встановлюються тахеометри. Це пов'язано з низькою швидкістю роботи супутникових приймачів і їх невисокою точністю. 67 Глобальні системи позиціонування Для виконання топографо-геодезичних робіт в заданій системі координат одним з найважливіших вимог є наявність пунктів державної геодезичної мережі (ГГС) в безпосередній близькості від точки зйомки. Однак на величезних територіях такі пункти відсутні (вони або не створювалися, або зруйнувалися). Крім того, існують завдання, коли застосування геодезичних методів зняття координат неможливо, наприклад в русі, на борту повітряного або водного судна. Для вирішення вищенаведених завдань призначені глобальні системи позиціонування. В даний час функціонують американська система GPS (Global Positioning System), російська глобальна навігаційна супутникова система ГЛОНАСС - Глобальна навігаційна супутникова система, європейська система Galileo та китайська Бэйдоу. Galileo - супутникова система навігації Європейського Союзу та Європейського космічного агентства, - як альтернатива американській системі GPS та російській ГЛОНАСС. Проект вартістю 10 мільярда доларів названий в честь Італійського астронома Галілео Галілея. Європейська система призначена для вирішення навігаційних завдань для будь-яких рухомих об'єктів з точністю менше одного метра. Крім країн європейського співтовариства, досягнуті домовленості на участь у проекті з державами - Китай, Ізраїль, Південна Корея й Україна. Крім того, ведуться переговори з представниками Аргентини, Австралії, Бразилії, Чилі, Індії, Малайзії. 15 грудня 2016 року, відбувся остаточний запуск системи із 18 супутниками на орбіті та їх підтримуючої наземної інфраструктури. На відміну від американської GPS і російської ГЛОНАСС, система Галілео не контролюється національними військовими відомствами, однак, у 2008 році парламент ЄС ухвалив резолюцію «Значення космосу для безпеки Європи», згідно з якою допускається використання супутникових сигналів для військових операцій, що проводяться в рамках європейської 68 політики безпеки. Розробку системи здійснює Європейське космічне агентство. Бэйдоу (вэйсин даохан ситун, скорочено – BD) - китайська супутникова система навігації. Планується, що космічний сегмент навігаційної супутникової системи Бэйдоу буде складатися з 5 супутників на геостаціонарній орбіті, 3 супутників на геосинхронній орбіті і 27 супутників на середній навколоземній орбіті. Система була запущена в комерційну експлуатацію 27 грудня 2012 як регіональна система позиціонування, при цьому супутникове угруповання складало 16 супутників. Планується, що на повну потужність система вийде до 2020 року. Китайські представники також зазначили, що ще належить врегулювати питання, що стосуються частотних діапазонів, з російської, американської і європейської сторонами, які також володіють супутниковими навігаційними угрупованнями. ГЛОНАСС (Глобальна Навігаційна Супутникова Система) мала спочатку військове призначення, була запущена одночасно з системою попередження про ракетний напад (СПРН) в 1982 році для оперативного навігаційно-часового забезпечення користувачів наземного, морського, повітряного і космічного базування. Додатково система транслює цивільні сигнали, доступні в будь-якій точці земної кулі, надаючи навігаційні послуги російським та іноземним споживачам на безоплатній основі та без обмежень. Основою системи є 24 супутники, що рухаються над поверхнею Землі. Принцип вимірювання аналогічний американській системі навігації NAVSTAR GPS. Основна відмінність від системи GPS в тому, що супутники ГЛОНАСС в своєму орбітальному русі не мають резонансу (синхронності) з обертанням Землі, що забезпечує їм більшу стабільність. Таким чином, угруповання космічних апаратів (КА) ГЛОНАСС не вимагає додаткових коригувань протягом всього терміну активного існування. Проте, термін служби супутників ГЛОНАСС помітно коротше. 69 З налаштуванням ГЛОНАСС виникали певні проблеми, наприклад, із виведенням на орбіту супутників, виходом із ладу супутників та ін. Система глобального позиціонування (GPS) створена і застосовується Збройними силами США, однак за спеціальною угодою вона доступна і для цивільних організацій. Залізничні компанії використовували GPS для першої в історії точної зйомки залізних доріг США і для стеження за рухом поїздів. За допомогою GPS були уточнені висоти багатьох гірських вершин, включаючи Монблан. GPS має великий потенціал і можливості для інтеграції з іншими геоінформаційними технологіями. Зокрема, для завдань великомасштабних зйомок доводиться виконувати великий обсяг геодезичних вимірів. Вирішення цього завдання ефективно здійснюється із застосуванням системи CPS. Вона дозволяє вирішити два завдання: - створення геодезичного обґрунтування кадастрових планів; - визначення координат точок контурів (що включають межі земельних ділянок). Всі ці системи складаються з трьох основних підсистем: 1) наземного контролю і управління; 2) сузір'я космічних апаратів; 3) апаратури користувачів. Підсистема наземного контролю і управління складається: 1) з станцій спостереження за супутниками; 2) служби точного часу; 3) головної станції з обчислювальним центром і станції завантаження даних на борт подорожніх. Супутники проходять над контрольними пунктами двічі на добу. Зібрана на станціях спостереження інформація про орбітах супутників використовується для прогнозування точного положення супутників на орбіті. Сукупність відомостей про траєкторії всіх супутників називається альманахом і завантажується на всі супутники відразу. На кожному супутнику встановлені сонячні батареї, маневрові двигуни, атомні еталони частоти-часу, а також приймачі і передавачі радіосигналів. 70 Для вимірювання відстаней передавачі на всіх супутниках випромінюють радіохвилі на трьох частотах. Різні частоти потрібні, щоб виключити з вимірювань істотні тимчасові затримки, що виникають при проходженні радіохвиль через іоносферу. В основі апаратури користувача лежить супутниковий приймач (узагальнено званий GPS-приймачем, незалежно від того, в якій системі він працює: у GPS, ГЛОНАСС або в Galileo), який спільно з передавачем на супутнику утворює радіодальномір. Приймач приймає радіохвилі, передані супутником, і порівнює їх з електричними коливаннями, виробленими в самому приймачі. В результаті визначається умовний час поширення радіохвиль, а отже, і дальність від приймача до супутника. Дальність визначається двома способами: кодовим методом (стандартна точність) і фазовим методом (більш висока, «геодезична», точність). Крім того, від супутника в приймач користувача періодично (раз на дві години) передається так зване навігаційне повідомлення, що містить необхідну для визначення координат інформацію. Раніше приймачі були орієнтованими на використання тільки однієї супутникової системи - GPS або ГЛОНАСС, але зараз є комбіновані, при цьому приблизно в 2 рази зростає кількість доступних супутників, а отже, і підвищується точність визначення координат - приблизно в 1,5 рази. Необхідно зауважити, що точність визначення коодинат залежить від кількості супутників в зоні прийому (бажано щоб їх було не менше 4). Приймачі бувають кодовими і кодово-фазовими. Перші з них дуже компактні (поміщаються на долоні) і поєднують в одному корпусі приймач, антену і джерело живлення. Такі приймачі часто називають навігаційними, так як вони видають дещо неточні координати. В цілому ці приймачі досить дешеві і тому доступні для масового застосування. Фазово-кодові приймачі дозволяють досягати набагато більшої точності координат. Вони також є дуже компактними, але з окремою виносної антеною; часто мають зовнішні 71 акумулятори та окремі клавіатуру і дисплей. У разі, коли фазово-кодові приймачі працюють в парі з другим приймачем в так званому диференціальному режимі, то можна досягти точності до 1-2 см. В силу деяких особливостей визначення координат приймачі глобальних систем позиціонування можуть вимірювати координати однієї точки досить довго. Чим більше часу відводиться на зйомку, тим точніше результат. У навігаційних приймачах визначення координат виконується досить швидко (секунди), проте точність становить метри і навіть десятки метрів. В геодезичних приймачах час встановлення координат може становити від 5 хвилин до однієї години. При чому час і точність зйомки істотно залежать від кількості доступних на небосхилі супутників. Саме тому через необхідну велику кількість часу для точної зйомки координат, глобальні системи позиціонування використовуються в топографо-геодезичних роботах не для суцільної зйомки всіх об'єктів на місцевості, а тільки для встановлення координат невеликої кількості спеціальних точок, які обирають в якості альтернативи необхідним, але відсутнім пунктам державної геодезичної мережі. Навігаційні ж приймачі можуть бути використані для масової зйомки точок, так як час зйомки досить малий. Одне із застосувань навігаційних приймачів - це зйомка осей автомобільних доріг для нанесення на дрібномасштабні карти. До недоліків роботи GPS-приймачів в русі можна віднести зниження точності вимірювань і можливу тимчасову втрату видимості деяких супутників, наприклад, при проїзді з GPSприймачем через густий ліс, в низині або в тунелі. Для запобігання перериванню зйомки координат останнім часом GPS-приймачі починають комбінувати з так званими інерційними навігаційними системами (ІНС), в які вбудовані гіроскопи і акселерометри, що дозволяють досить точно вимірювати напрямок і швидкість руху. Тоді при тимчасовій втраті зв'язку з супутниками дані про переміщення отримують від ІНС. 78 вивчення; можлива також реєстрація власного, а не відбитого випромінювання об’єкта. Елементи цього процесу зображено на рисунку 14. Рисунок 14. Основні складові процесу ДЗЗ (за Свідзінська, 2014): A - джерело енергії або освітлення; B - радіація та атмосфера; C - взаємодія з об’єктом; D - реєстрація енергії сенсором; Eпередавання , прийняття та обробка; F - інтерпретація та аналіз; G - прикладне застосування. Відомо, що всі природні та штучні земні утворення випромінюють електромагнітні хвилі, які можуть бути власними і відбитими. Електромагнітні хвилі виникають між змінами електричного і магнітного полів. Кожна зміна електричного поля в будь-якій точці простору викликає в суміжних точках появу змінного магнітного струму, зміна якого також породжує змінне електричне поле. Саме тому здійснюється передача коливань електричного й магнітного полів з однієї точки простору, до сусідніх, тобто відбувається поширення електромагнітної хвилі. Характер усіх електромагнітних хвиль однаковий. Вони поширюються у вакуум: зі швидкістю світла й мають власну A B B C E F G 79 частоту, довжину хвилі та енергію. Залежно від цих параметрів електромагнітні хвилі відрізняються одна від одної й займають відповідне місце в електромагнітному спектрі. Загальний спектр природного електромагнітного випромінювання, що існує в природі, охоплює хвилі довжиною від фемтометрів (10-15 метра) до десятків кілометрів. Він безперервний і поділяється на частини, які називають діапазонами. Межі між ними умовні. Прийнято виділяти: низькочастотне випромінювання, радіовипромінювання, інфрачервоні промені, видиме світло, ультрафіолетові, рентгенівські промені та гамма-випромінювання (рис. 15). Рисунок 15. Електромагнітний спектр (за Свідзінська, 2014) Відомо, що видимий спектр розкладається на ряд кольорів від фіолетового до червоного. Усі ці кольори доступні людському зору. Однак світло - це набагато більший діапазон, ніж видиме світло. У високих частотах, за межами фіолетового кольору, знаходиться ультрафіолетовий діапазон. Він невидимий для людини. За ультрафіолетовим діапазоном міститься рентгенівський. Ще далі розташована область гаммавипромінювання. У зоні низьких частот за червоним світлом розташований інфрачервоний діапазон. Між інфрачервоним і радіодіапазоном виділяють область мікрохвильового випромінювання, саме її використовують у мікрохвильових печах. Далі йде великий діапазон радіохвиль. 80 Фізичні властивості суші й моря, геометричні властивості земної поверхні, загальна її кривизна, окремі нерівномірності значно впливають на поширення радіохвиль. Цей вплив різниться за довжинами хвиль. Наприклад, гірський хребет буде відкидати "радіотінь" у випадку коротких радіохвиль, а достатньо довгі (у декілька кілометрів) без перешкод огинають гори (явище дисперсії). Максимальна кількість (до 99,9%) сонячної енергії, що потрапляє на поверхню Землі, припадає на спектральний діапазон 0,3-4,0 мкм з перевагою у видимій області 0,4-0,7 мкм. При довжині хвилі понад 5 мкм відбиття випромінювання не відбувається. Об'єкти на земній поверхні випромінюють також власну радіацію, яка у видимій частині спектра практично відсутня. Власне випромінювання об'єктів відбувається на довжинах хвиль більше 5 мкм, а максимум припадає на довжину хвилі 10 мкм. Інтенсивність власного випромінювання залежить від температури об'єкта та довжини хвилі. З усієї різноманітності видів випромінювання найбільше значення для дистанційних методів дослідження Землі має оптичний діапазон, в якому основним джерелом випромінювання енергії є Сонце. Довжини хвиль в оптичному діапазоні становлять: менше 0,39 мкм - ультрафіолетовий; 0,39-0,76 мкм - видимий; 0,76 мкм - 1 мм — інфрачервоний. В ультрафіолетовому діапазоні виділяють частини: ближню (0,3-0,4 мкм), середню (0,2-0,3 мкм) і дальню (менше 0,2 мкм). Найбільш вивченим діапазоном електромагнітного випромінювання є видиме світло. Випромінювання, яке сприймається людським оком, охоплює послідовність кольорів: фіолетовий (0,39-0,45 мкм), синій (0,45-0,48 мкм), блакитний (0,48-0,51 мкм), зелений (0,51-0,55 мкм), жовтий (0,55—0,58 мкм), оранжевий (0,58—0,62 мкм) і червоний (0,62-0,76 мкм). Діапазон інфрачервоного випромінювання поділяють на ближню (0,75-1,5 мкм), середню (1,5-3 мкм) і дальню (3-1000 мкм) області. У ближній реєструється відбите земною поверхнею сонячне випромінювання шляхом фіксації його на 81 фотоматеріалі, чутливому до даної області спектра. У середній і дальній областях реєструється власне теплове випромінювання земної поверхні, яке називається тепловим. Частину спектра, яка охоплює ультракороткі радіохвилі (110000 мм), розбивають на діапазони міліметрових, сантиметрових, дециметрових і метрових радіохвиль. Сантиметрові й дециметрові хвилі часто об'єднують у діапазон радіохвиль надвисоких частот (НВЧ). Видимий спектр та ІЧ-діапазон широко використовуються та є основними й найбільш інформативними. До основних недоліків реєстрації випромінювання в них можна віднести значну залежність результатів їхньої фіксації від різних перешкод (метеорологічних умов, забруднення атмосфери тощо) і можливість виконання знімання лише при освітленні земної поверхні Сонцем. При випромінюваннях у інфрачервоній (тепловій) області перевагою є можливість реєстрації температури природних утворень і виконання знімання в нічний час. До недоліків реєстрації випромінювання в цій області можна віднести меншу чутливість результатів до фізикохімічних характеристик природних утворень, а також поглинання випромінювання в атмосфері аерозольними частками. Перспективним є використання радіодіапазону електромагнітного спектра. У ньому можна виділити радіотепловий, або надвисокочастотний (НВЧ), діапазон, в якому реєструється радіотеплове випромінювання земної поверхні в діапазоні довжин хвиль від 3 мм до 30 см. Перевагою знімання в радіодіапазоні є можливість дослідження значних товщ земної поверхні, визначення глибин залягання ґрунтових вод, пошук підземних вод; більша чутливість результатів випромінювання до геометричних характеристик поверхні, незалежність випромінювання від метеорологічних умов і впливу атмосфери. Недоліками цього знімання є менш деталізований обсяг інформації про природні ресурси порівняно з видимою та ІЧ-областями та значно менша роздільна здатність знімальних систем. 82 Найоптимальнішими умовами знімання, які дозволяють отримувати різноманітну інформацію про природні ресурси, є випромінювання відбитої чи власної радіації земної поверхні одночасно в декількох спектральних діапазонах, тобто використання багатозонального та спектрального методу досліджень. Проходження випромінювання крізь атмосферу землі Аерокосмічне знімання виконується крізь значну товщу атмосфери. Проходячи крізь неї, сонячне випромінювання частково розсіюється атмосферними газами і аерозольними домішками, частково поглинається й переходить у тепло, нагріваючи атмосферу. Не розсіяна й не поглинута в атмосфері пряма сонячна радіація досягає земної поверхні, значною мірою поглинається й нагріває її, та частково відбивається нею. Атмосфера складається з газів, водяного пару й різних домішок - аерозолів. Основна маса атмосфери (99,9 %) сконцентрована у шарі нижче 50 км, тому тут і відбуваються основні викривлення випромінювання, яке проходить крізь атмосферу. На невеликих висотах знімання (до 200-400 м) атмосфера практично не змінює спектральний склад випромінювання. Основними поглинальними елементами є водяна пара, діоксид вуглецю та озон. Короткохвильова частина випромінювання Сонця (приблизно до 300 нм) розсіюється та поглинається в найвищих шарах атмосфери, а радіохвилі довжиною більше 20-30 м екранізуються іоносферою. Тому для дистанційного зондування практичний інтерес становить область 300 нм - 20 м. Якби атмосфера складалася лише з газів, то вона була б достатньо прозорою, а видимість для світлового часу становила б 250-300 км, що є достатньо великою дальністю, і ця величина була б постійною. Однак до складу атмосфери входять, окрім основних газів, водяна пара, пил, мікроорганізми тощо, які впливають на прозорість атмосфери. Сонячні промені, що проходять крізь атмосферу, зіштовхуються з молекулами газу, води й пилу, розсіюються в усіх напрямках і гублять близько 20 % своєї енергії. Особливо 83 сильне розсіювання відбувається у приземному шарі, де концентрація водяного пару й пилу найбільша. Розсіяне в атмосфері світло при значній його товщі створює ефект світіння повітря, який назвали атмосферним серпанком. Отже, при проходженні крізь атмосферу сонячне випромінювання відчуває подвійну дію: поглинання й розсіювання молекулами різних газів, водяною парою, твердими частками. Послаблення випромінювання за рахунок розсіювання відбувається плавно (залежно від довжини хвилі), а за рахунок поглинання – більш різко і сильно. Успішне виконання космічного знімання земної поверхні залежить від правильного вибору так званих "вікон прозорості" атмосфери, тобто тих ділянок спектра, де електромагнітне випромінювання не поглинається атмосферою (рис.16). В оптичному діапазоні є невеликі смуги поглинання, пов'язані з киснем і озоном. У ближньому інфрачервоному діапазоні смуги поглинання пов'язані з наявністю аерозолів, водяної пари та вуглекислого газу. Вода поглинає випромінювання з довжинами хвиль 720; 810; 940; 1100 нм і особливо сильно - з 1,4; 1,9; 2,7 мкм. Вуглекислий газ має сильні смуги поглинання з довжинами хвиль 2,7; 4,3 мкм. В оптичному діапазоні електромагнітного спектра з кількох "вікон прозорості" атмосфери найбільше практичне значення мають ті вікна, що містяться у видимому (0,4-0,8 мкм) та інфрачервоному (3-5 і 8-14 мкм) діапазонах. Обидва діапазони використовуються для дистанційних спостережень за земною поверхнею. Зокрема, перший із них широко застосовується для знімання фотографічною та телевізійною апаратурою, а другий - інфрачервоними радіометрами, що спроможні реєструвати теплове випромінювання Землі. Решта теплового випромінювання Землі поглинається водяною парою, озоном, вуглекислим газом і метаном. Хвилі інших довжин інфрачервоного діапазону не досягають носіїв знімальної апаратури й не можуть бути зареєстрованими. 84 А Видимий діапазон Довжина хвилі, мкм (поза масштабом) (Пік випромінюваної Землею енергії близько 9,7мкм) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 2,0 4,0 6,0 10 20 40 60 100 0,5 мм 200 1,0 мм 1 см 1 м 10 м 100 м Багатозональний сканер Фотоапарат Тепловий сканер Людське око Пасивні мікрохвилі Спектральни й діапазон Радар К - зона Х - зона С-зона Р-зона Пропускання, Енергія 100 Б В 0 0 Смуги поглинання атмосфери Землі УФ Блакитний Зелений Червоний ІЧ Випромінювання енергії сонцем її абсолютно чорним тілом Чорне тіло при 5800 К (Сонце) Сонячна радіація зовнішньої частини атмосфери (пік близько 0,5 мкм, тут же пік відбитого від поверхні 1200 К 600 К 300 К 0,2 0,3 0,6 0,8 1,0мкм 2,0 4,0 6,0 10 20 40 10 20 0,5 мм 1,0 мм 1 см 1 м 10 м 100 м Рисунок 16. Сонячна радіація зовнішньої частини атмосфери (пік близько 0,5 мкм, тут же пік відбитого від поверхні випромінювання) / Спектр електромагнітної енергії (а), прозорість атмосфери (б) і використовувані в дистанційному зондуванні діапазони електромагнітних хвиль (в) (за Кронбергом, 1988) 85 Зі збільшенням довжини хвилі атмосфера стає прозорішою, тому доцільно використовувати для космічного знімання й деякі ділянки мікрохвильового діапазону. Тут є також непрозорі смуги, спричинені наявністю водяної пари та атмосферного кисню. Вікна прозорості, що вклинилися між ними, дозволяють вести спостереження навіть в умовах суцільної хмарності. Довгохвильові промені цього діапазону (від 1мм до 1 м) спроможні проникати крізь потужні хмари й навіть зливові фронти. При збільшенні довжини радіохвиль посилюється відбивання їх від іонізуючих шарів атмосфери і хвилі довжиною понад 10 м не можуть проникати крізь іоносферу. Для радіохвиль цих довжин атмосфера повністю непрозора. Оптичні властивості природних об'єктів. Випромінювання, що йде від Сонця або від штучного джерела у вигляді світлового потоку певної сили, досягає земної поверхні і вступає з нею у взаємодію. Частина падаючої енергії відбивається або розсіюється залежно від підстильної поверхні. Частина світлового потоку, котра проникає в середовище, заломлюється та поглинається, нагріваючи його. Можливе проникнення хвиль усередину середовища на деяку глибину від поверхні, тобто його просвічування. При проходженні електромагнітної енергії крізь будь-який матеріал відбуваються такі взаємодії, як поглинання, заломлення, відбивання. Космічні датчики працюють в основному з відбитою складовою, але при цьому не можна не враховувати й енергію вторинного теплового випромінювання - емісію, яка виникає внаслідок поглинання речовиною падаючого потоку енергії. Тіло, яке нагрілося в результаті цього, випромінює вторинне тепло, тобто є джерелом теплового випромінювання. Очевидно, що має сенс ураховувати ефект емісії при дослідженнях у тепловому діапазоні. 86 Відбиванням називають повернення електромагнітного випромінювання від поверхні середовища без зміни частоти хвиль. Поглинанням світла називають явище зменшення інтенсивності світла, яке проходить через середовище, внаслідок взаємодії його з частками середовища. Коефіцієнт поглинання - це відношення величини поглиненутого потоку енергії до величини падаючого потоку. Заломленням світла називають явище зміни напрямку світлового променя на межі поділу двох середовищ. При дистанційному зондуванні земної поверхні важливо враховувати інтенсивність взаємодії між світловим потоком і фізико-хімічними характеристиками підстильної поверхні. Більша частина сумарної сонячної радіації, досягаючи земної поверхні, поглинається у верхньому шарі ґрунту чи води й переходить у тепло, а деяка її кількість відбивається від земної поверхні. Залежно від характеру поверхні, на яку падає випромінювання, при відбиванні може відбутися перерозподіл падаючого потоку променів. Характер взаємодії потоку енергії з земною поверхнею можна уявити у вигляді полярних діаграм, які називаються індикатрисами розсіювання, за видом відбивання яких виділяють три типи поверхонь: 1. Дзеркальні поверхні (спокійна водна гладь, чистий лід, сухі кам'яні поверхні, накатані ґрунтові дороги) відбивають випромінювання у напрямку, протилежному джерелу випромінювання, тому індикатриса випромінювання витягнута й має добовий хід залежно від кута падіння сонячних променів. Дзеркальне відбивання на космічному знімку інколи проявляється як відблиск на водній поверхні, котрий має вигляд білої плями з розмитими краями. 2. Слабошорсткі поверхні (сипучі піски, розсипчастий сніг, солончаки) рівномірно відбивають світло в усіх напрямках, тому індикатриса відбиття кругова. 3. Змішані поверхні (рослинний прокрив, зоране поле, рідколісся, мікрорельєф) відбивають випромінювання з максимумом у напрямку до джерела випромінювання та 87 яскравість таких об'єктів змінюється залежно від кута напрямку сонячних променів. Різні об'єкти земної поверхні неоднаково відбивають сонячні промені й також по-різному їх поглинають. Тому для кожного об'єкта місцевості характерні певні особливості відбиття та поглинання. Для аерокосмічного знімання найбільш цікавою є відбивна здатність об'єктів земної поверхні, оскільки саме відбиті промені діють на світлочутливий шар. Оскільки реальні об'єкти місцевості не є оптично нейтральними, тобто з коефіцієнтами яскравості, однаковими для всіх променів спектра, то при оцінці факторів, які визначають характер зображення об'єктів на космічних знімках, враховують спектральну відбивну здатність об'єктів. Спектральні сигнали природних об'єктів відрізняються залежно від їхнього класу інтенсивністю та шириною діапазону відбитого випромінювання та температурою. Спектральні характеристики об'єктів є їхніми розпізнавальними ознаками при дистанційному зондуванні. Також знання характеристик спектрального відбиття окремих об'єктів та інтегральної яскравості ландшафтів у цілому необхідні для вибору зон спектра, дослідження в яких забезпечать найкраще дешифрування об'єктів. Найважливішими властивостями земної поверхні (суші), що визначають її спектральні ознаки, є вид нерівностей поверхні, їхній розмір і форма, текстура та структура поверхні, мінеральний склад. Ці властивості поверхні впливають на спектральну характеристику відбитого й поглинутого сонячного випромінювання. Найбільший вплив на величину спектральної яскравості об'єкта мають мінеральний склад, пористість, величина кристалів тощо гірської породи. Наприклад, підвищення вмісту в ґрунті гумусу та оксидів заліза зумовлює зниження його інтегрального коефіцієнта яскравості в оптичному діапазоні, а збільшення світлозабарвлених мінеральних сполук приводить до зростання інтегрального коефіцієнта яскравості. 94 радіохвилі. Перспективність обох методів полягає у відсутності обмежень, пов'язаних зі станом атмосфери (погодними умовами, хмарністю) і рівнем освітленості. Радіолокаційне знімання (РЛЗ) здійснюється в сантиметровому та дециметровому діапазонах радіохвиль електромагнітного спектра. РЛ-зображення формується унаслідок опромінювання земної поверхні радіопроменем і приймання відбитого сигналу з реєстрацією його у вигляді окремих рядків на електронно-променевій трубці. У результаті утворюється фотографічне зображення місцевості, густина якого залежить від потужності відбитого радіосигналу. Характер зображення залежить від цілого ряду факторів, перш за все – від особливостей рельєфу земної поверхні, характеру рослинного покриву й таких фізичних параметрів, як вологість, електропровідність (метал чи не метал), щільність гірських порід тощо. Як сприймається шорсткість об’єктів. Промінь відбивається від поверхні і або повертається до сенсорів або ні. Якщо поверхня гладка – вона буде зображена чорним кольором – так розливи нафти на поверхні води чорніші ніж сама вода. Суша як більш шорстка – більш світла, нафтові плями – більш темні, а кораблі – білими точками на морі. На сьогодні всі існуючи акваторії активного судноплавства і порти моніторять із використанням радіолокаційної зйомки. Ультрафіолетове знімання (УФЗ) здійснюється в УФдіапазоні електромагнітного спектра й також базується на реєстрації відбитого та власного електромагнітного випромінювання Землі. Воно може виконуватись в УФ-області спектра, найближчій до видимої в діапазоні 0,30-0,38 мкм, звичайним фотографуванням земної поверхні. При цьому використовують фотознімальні системи з кварцовим об'єктивом, оскільки звичайний об'єктив не пропускає ультрафіолетові промені. Цей вид знімання має обмежене застосування через значне поглинання та розсіювання ультрафіолетового випромінювання атмосферою. Спектрометричне знімання - це реєстрація зображення поверхні Землі в одному чи декількох інтервалах спектра за 95 допомогою фотоелектронних приймачів. Воно забезпечує одержання точних даних про спектральну відбивну здатність природних об'єктів, необхідних для встановлення характеру зображення об'єкта на фотознімку. Спектрометричне знімання виконується спеціальними приладами - спектрометрами. Вони можуть використовуватись для наземних досліджень, а також у польоті на літаках і космічних літальних апаратах. Відбивна здатність елементів ландшафту в інфрачервоному та радіодіапазонах досліджується за допомогою спеціальних приладів – ІЧ-радіометрів, скатерометрів. Геофізичне знімання побудоване на вимірюванні гравітаційного та магнітного полів Землі. Здійснюється у вигляді магнітного, радіометричного, гравітаційного знімання, електрота сейсморозвідки. Геофізичне знімання має обмежене застосування через низьку роздільну здатність зображень. З усіх видів геофізичного знімання найчастіше застосовують магнітне й радіометричне знімання, оскільки воно економічне і придатне для виконання широкого кола геологічних робіт. Геофізична апаратура не має властивості променевої направленості приймання, оскільки інтенсивність фізичного поля вимірюється вздовж лінії переміщення датчика й інформація записується у вигляді графіка (одновимірна розгортка), тоді як при фотографічному, телевізійному та радіолокаційному зніманнях реєструється відбите електромагнітне випромінювання поверхні по площині (двовимірна розгортка). Тому аерокосмічні знімки забезпечують вивчення географічних об'єктів в основному по площині, а геофізичні методи - у глибину. Цим і пояснюється використання геофізичного знімання для геологічних досліджень, де основним фактором, який забезпечує формування сигналу, є гірські породи (їхні фізичні властивості та хімічний склад), тоді як вплив інших компонентів ландшафту близький до нуля. Лазерне знімання належить до активних знімальних систем, що працюють в оптичному діапазоні. У його основі закладено принцип світлодальноміра без відбивача - лазерна локація. Відбивачем є поверхня об'єкта знімання. За допомогою лазера здійснюють направлене опромінення поверхні. Сигнал, відбитий 96 від поверхні, приймає оптична система. Ця методика дозволяє дуже точно визначати відстань, яку пройшла хвиля і тому використовується для отримання тривимірного цифрового зображення. Лазерні знімальні системи використовують для побудови профілів рельєфу на закритих лісами територіях і для створення цифрових моделей місцевості. Досить перспективна технологія, але на сьогодні її використання обмежено високою трудомісткістю, оскільки час зйомки доволі тривалий. Голографічне знімання. Вивченням способів визначення розмірів і просторового положення об'єктів шляхом вимірювання їхніх голографічних зображень займається наука голограмметрія. Сутність голографічного знімання полягає в опроміненні лазером через систему дзеркал об'єкта, потім відбита об'єктом світлова хвиля потрапляє на фотопластинку й фіксується на ній. Для отримання голографічного зображення голограму опромінюють лазером. При цьому через неї можна спостерігати об'ємне й навіть кольорове зображення об'єкта. Загальна характеристика космічної програми LANDSAT Більше 40 років (з 1972 р.) супутники Landsat забезпечують безперервний моніторинг природних та антропогенних змін земного покриву в глобальному масштабі. За цей період програма Landsat забезпечила світову спільноту безпрецедентним об’ємом космічної інформації про земну поверхню – цінним ресурсом для всіх, хто працює в сільському та лісовому господарстві, геології, освіті, регіональному плануванні, картографуванні та дослідженні глобальних змін. Історія В середині 1960-х років, стимульовані успіхами країни у дистанційному вивченні земної поверхні з використанням безпілотних супутникових систем, Міністерство внутрішніх справ США, NASA та Міністерство сільського господарства розпочали програму з розробки та запуску першого цивільного супутника для спостережень за Землею. Мету було досягнуто 23 липня 1972 р., коли відбувся запуск Landsat 1 також відомого як Earth Resources Technology Satellite – ERTS (рис. 17). 97 Рисунок 17. Історія розвитку програми Landsat (Landsat Missions, 2014) За весь тривалий час існування місії Landsat судилося пережити істотні ідеологічні та організаційні зміни, особливо в 1980-90-х рр. Це і передача управління програмою до різних установ, і вичерпання коштів на підтримання програми, аварії із супутниками. В решті решт важливість програми Landsat була визнана конгресом в жовтні 1992, при прийнятті закону Land Remote Sensing Policy Act (Public Law 102-555), що дозволив продовжити роботу Landsat 7, і гарантує доступність даних і зображень з Landsat за найнижчими цінами, як поточним, так і новим користувачам. А з 18 грудня 2008 р. було прийнято рішення остаточно відкрити весь глобальний архів даних програми Landsat (починаючи з 1972 р.) без стягнення платні за будь-яку сцену. Це рішення мало далекосяжні революційні наслідки, забезпечивши світову спільноту необмеженим доступом до ДДЗ. Програма Landsat - найбільш тривалий проект по отриманню супутникових фотознімків планети Земля. Перший з супутників в рамках програми був запущений в 1972; останній, на даний момент, Landsat 8 - 11 лютого 2013. 98 Обладнання, встановлене на супутниках Landsat зробило мільярди знімків. Знімки, отримані в США і на станціях отримання даних із супутників по всьому світу, є унікальним ресурсом для проведення безлічі наукових досліджень в галузі сільського господарства, картографії, геології, лісівництва, розвідки, освіти і національної безпеки. Наприклад, Landsat 7 поставляє знімки в 8 спектральних діапазонах з роздільною здатністю від 15 до 60 метрів на піксель; періодичність збору даних для всієї планети становить 16-18 діб. Контрольні запитання: 1. Які складові включає в себе процедура векторизації? 2. Які прилади використовують при польових дослідженнях? 3. Для чого використовують теодоліти? 4. Для чого використовують тахеометри? 5. Які системи глобального позиціонування на сьогодні використовують? 6. Яка необхідна мінімальна кількість супутників для функціонування GPS? 7. Що таке ДЗЗ і в чому їх користь? 8. Назвіть діапазони загального спектра електромагнітного випромінювання. Яку частину спектра найбільше використовують у ДЗЗ? 9. Які механізми взаємодії відбуваються при проходженні електромагнітного випромінювання через атмосферу Землі? 10. Чи можна вважати вплив атмосфери при виконанні космічного знімання постійним фактором? 11. Чи можна вважати оптичні характеристики природних об'єктів постійними? Назвіть фактори, які впливають на значення коефіцієнта спектральної яскравості та форму індикатрис розсіювання. 12. Назвіть два основні методи дистанційних досліджень. У чому їхня різниця? 99 Практичні роботи Практична робота №1. Ознайомлення із QGIS. Мета роботи. Ознайомлення із графічним інтерфейсом QGIS. Розуміння функціонального навантаження кожної частини інтерфейсу. Ознайомлення із Модулями та їх використанням в межах програми. Хід роботи. Робота над QGIS була розпочата в травні 2002 р, а в 2007 р вона стала проектом Open Source Geospatial Foundation (OSGeo) - міжнародної некомерційної організації, створеної для підтримки спільної розробки і використання геоінформаційного ПЗ з відкритим вихідним кодом. Тобто вихідний код створюваної програми відкритий і доступний для перегляду та зміни. Це дозволяє використовувати вже створений код для створення нових версій програм, для виправлення помилок і допомогти в доопрацюванні відкритої програми. Так в розробці різноманітних додаткових модулів для QGIS приймають участь сотні людей із різних куточків планети. Метою створення QGIS було зробити використання геоінформаційних систем легким і зрозумілим для користувача. На сьогоднішній день ця настільна ГІС найбільш динамічно розвивається. Інтерфейс розділяється на п'ять областей (рис. 18): 1. Головне меню - надає доступ до всіх можливостей QGIS у вигляді стандартного ієрархічного меню. 2. Панелі інструментів - забезпечують доступ до більшості тих же функцій, що і меню, а також містять додаткові інструменти для роботи з картою. Для кожного пункту панелі інструментів також доступна підказка. Для її отримання досить затримати мишу над пунктом панелі інструментів. Крім того, кожну панель інструментів можна додати/приховати за допомогою контекстного меню, на панелі інструментів. Кожну панель інструментів можна переміщати в залежності від потреб. 3. Панель управління шарами - відповідає за додавання/створення/видалення растрових і векторних шарів з різних джерел (растрових і векторних файлів, таблиць просторових баз даних, даних GPS і ін.). 100 4. Легенда – містить список всіх шарів проекту. Прапорець біля кожного елемента легенди використовується для показу або приховування шару, а порядок їх розташування в легенді визначає порядок відображення на карті. Шари можна об'єднувати в групи, в т. ч. і вкладені, створюючи складну ієрархію і вибудовуючи власну логіку організації даних. При натиснутій клавіші CTRL можна виділяти декілька шарів або груп одночасно. При натисканні правої кнопки миші на шарі, стає доступним його контекстне меню, зміст якого визначається типом шару (растр або вектор). 5. Область карти - карта, яка відображається в області, залежить від того, які верстви завантажені в QGIS. Дані у вікні карти можна панорамувати (прокручувати, зміщувати фокус відображення карти на іншу область) і масштабувати 6. Рядок стану - відображає поточну позицію в координатах карти (наприклад, в метрах або десяткових градусах) курсору миші при його переміщенні у вікні карти. Зліва від відображуваних координат в рядку стану, знаходиться маленька кнопка, яка дозволяє перемикатися між відображенням координат позиції курсору і координат меж виведення карти при масштабуванні і панорамуванні. Поруч з полем відображення координат курсору показується масштаб карти. При масштабуванні це значення змінюється автоматично. Масштаб можна вибирати зі списку попередньо встановлених значень від 1: 500 до 1: 1 000 000. Справа в рядку стану, знаходиться маленький прапорець, який використовується для тимчасового припинення відтворення шарів у вікні карти. натисканням на кнопку «Зупинити відтворення зображення» можна негайно припинити відтворення карти. Останнім справа в рядку стану знаходиться код EPSG поточної системи координат і значок Перетворення координат. Натискання на цьому значку відкриває вікно властивостей поточного проекту з активною вкладкою Система координат. 101 Модулі З самого початку QGIS мала модульну архітектуру, що дозволяє легко додавати безліч нових можливостей або функцій. Більшість функцій в QGIS реалізовані як основні або зовнішні модулі: • основні модулі розробляються командою розробників QGIS і автоматично входять в кожен новий реліз програми, написані на мовах програмування C ++ і Python. • зовнішні модулі находяться в зовнішніх репозиторіях і підтримуються авторами, в більшості випадків написані на мові Python. Деякі найбільш затребувані зовнішні модулі з часом входять в ядро QGIS. Управління модулями має на увазі їх активацію, установку або видалення з допомогою менеджера модулів QGIS. Завантаження основних модулів QGIS здійснюється з головного меню Плагіни – Керування та встановлення модулів. Для активації відповідного встановленого модуля досить просто встановити прапорець. Для установки модуля перейдіть на вкладку Невстановлені, виберіть відповідний модуль і натисніть Встановити модуль. Після цього почнеться встановлення модуля, а по її завершенні буде виведено відповідне повідомлення. Встановлений модуль з'явиться в меню Модулі або ж буде доданий до відповідного меню (наприклад, Вектор або Растр). Крім того, деякі модулі будуть з'являтися у вигляді окремих панелей інструментів, які користувач може відключати/активувати за власним бажанням. Вкладка Параметри дозволяє налаштувати частоту перевірки оновлень (Фактично визначає, наскільки швидко і часто ви будете отримувати інформацію про вихід нових версій встановлених модулів), дозволити встановлення експериментальних модулів (при цьому число доступних модулів значно збільшиться, але не всі з них гарантують стабільну роботу), а також підключити сторонні репозиторії. Рисунок 18. Інтерфейс QGIS: пояснення позначень в тексті. 1 2 3 4 5 6 103 Практична робота №2. Робота із векторними та растровими даними в QGIS.. Мета роботи. Опанувати стандартні процедури роботи із векторними та растровими даними. Ознайомлення із атрибутивною таблицею, опанувати навички створення та редагування атрибутів, обрахунку геометричних характеристик векторних даних. Хід роботи. Векторні дані – важливе джерело інформації про об'єкти навколишнього світу, які в середовищі ГІС можуть бути представлені у вигляді точок, ліній і полігонів. Будучи повнофункціональною настільною ГІС, QGIS надає можливості створення векторних шарів, підтримки топології, формування атрибутивної складової даних, а також візуалізації векторних шарів на підставі атрибутів. Якщо проект новий і відсутні векторні шейп-файли, то необхідно створити новий шейп-файлш. Для цього необхідно зайти у меню Шар-Створити шар-Новий шар Shapefile… (рис. 19). У вікні, що відкрилось необхідно задати ім’я шейпу, вибрати тип геометрії (точка, лінія, полігон тощо), обрати систему координат. В частині «Додати поле» – знаходяться інструменти для створення атрибутивної таблиці. За замовчуванням автоматично створено поле «id». Якщо користувач чітко розуміє які ще йому необхідні поля, їх можна додати на етапі створення шейп-файлу. При необхідності їх можна додати і пізніше (див. нижче). Після натискання «OK», в проекті з’явиться новий шар – новоствореного шейп-файлу. Після натиснення на панелі інструментів піктограми олівчика «Переключити режим редагування», то в закладці «Редагувати» активуються різні інструменти для векторизації. Вони розташовані в закладці Редагування і об'єднуються двома панелями. Вони по різному активуються в залежності від тип шару, що редагується (точка, лінія, полігон тощо). Меню інтуїтивно зрозуміле і не повинно виникнути ускладнень. Але якщо виникають певні непорозуміння, про основні функції можна прочитати в електронному підручнику Основы QGIS (Свидзинская, Бруй), якій можна знайти в інтернеті у вільному доступі. 110 і центр рамки) і у вікні введіть координати (які можна знайти по кутах карти). Після натискання ОК на карті з'явиться точка, ідентифікатор з номером і її координатами, переведеними в десяткові градуси. Аналогічним чином введіть наступні точки. Пам'ятайте, що мінімально необхідну їх кількість незалежно від обраного методу трансформації становить 4-5. Збільшення кількості точок здатне поліпшити точність прив'язки, але при цьому додавання кожної нової точки також буде вносити вклад в загальну помилку. Ви також можете відстежувати коректність ведення точок в основному вікні карти. Часто при введенні координат плутають осі Y та X, будьте уважні. Рисунок 24. Діалогове вікно Параметри трансформації. Остаточне налаштування трансформації проводиться в діалозі Параметри трансформації (рис. 24). Для здійснення трансформації доступні кілька методів, у більшості випадків найбільш прийнятний результат дає метод Поліноміальна 111 трансформація 1-го порядку. Якщо відбувається прив’язка карти генштабу – то при виборі системи координат обирати необхідно Географічну систему координат Pulkovo1942 / Gauss-Kruger zone 6 (EPSG:28406). Розпочніть процес за допомогою інструменту Почати прив'язку. По закінченню, прив'язаний растр з'явиться в основному вікні карти і ви зможете оцінити результати більш детально. Якщо поставити прапорець навпроти Відкрити результати у QGIS (у вікні Параметри трансформації), то після трансформації, шар прив’язаної карти відкриється у головному вікні програми. Якщо його не буде видно в області карти, необхідно натиснути правою клавішею миші на шарі карти і вибрити Наблизити до шару. Якщо ви задоволені результатом, то у вікні прив'язки растрів виберіть Файл - Вихід, при цьому QGIS запропонує зберегти точки прив'язки. Рекомендується зробити це, тоді точки автоматично збережуться в папку з вихідним растром під його ж ім'ям з розширенням *.points (т. е. до основного файлу *.jpeg додасться файл точок прив'язки *.jpeg.points). Наступного разу, коли ви завантажте файл у вікно прив’язки точки прив'язки підключаться автоматично. Прив'язка зображень (тематичних карт, планових матеріалів) на відміну від растрів топографічних карт ускладнюється тим, що вони, як правило не мають точок з чітко підписаними координатами, а це значить, що їх прив'язка повинна проводитися до вже наявної основи. Наприклад, відкрити карти OpenStreetMap і на її основі прив’язувати малюнок-карту. У такому випадку важливо спочатку на основі зовнішнього вигляду карти (форми, характеру спотворень, малюнка ліній градусної сітки) мати уявлення про передбачувану проекцію і встановити її у властивостях растра (для OpenStreetMap це WGS 84/ Pseudo Mercator (EPSG:3857)). Необхідно зазначити цю проекцію для нашого проекту (у нижньому правому кутку). У діалоговому вікні Прив’язка растрів відкрити растр, при цьому програма запропонує вибрати систему координат, необхідно обрати EPSG:3857. При введенні точок прив'язки скористатися опцією «З карти». 112 При прив'язці зображення і розстановці точок прив'язки на карті слід керуватися правилом рівномірності і надмірності, тобто точки повинні по можливості регулярно розташовуватися по карті і бути в достатній кількості для здійснення складної трансформації (рис. 25). Якщо в результаті карта досить точно зійдеться з контурами адміністративно-територіального поділу, що при вихідній якості матеріалів можна вважати задовільним рішенням. Для більш якісного результату рекомендується випробувати кілька варіантів проекцій і розстановки точок прив'язки. Практична робота №4. Основи роботи із космознімками Мета роботи. Опанувати алгоритм отримання космознімків заданої території, використовуючи данні супутників Landsat з каталогу EarthExplorer. Навчитися збирати знімки в QGIS, працювати із каналами знімку та робити обрізку знівка в заданих параметрах. Хід роботи. Система пошуку та завантаження даних, що поширюються USGS, об’єднує декілька каталогів, найбільш зручними та популярними з яких є – EarthExplorer та Global Visualization Viewer (GloVis). Для того, щоб скористатись можливостями не лише пошуку, але і завантаження даних необхідна реєстрація в системі. Процедура реєстрації відбувається в 4 етапи на кожному з яких користувач повинен надати певну інформацію. На першому етапі встановлюються загальні деталі облікового запису, такі як логін та пароль. Другий етап реєстрації – заповнення детальної інформації про користувача: місце роботи, основні напрямки та потреби у використанні даних. Цю сторінку варто заповнювати з уважністю, адже USGS використовує її для отримання інформації про практичне значення поширюваних даних та покращення обслуговування. Третій етап реєстрації – адресна інформація. Необхідно звертати особливу увагу на адресу електронної пошти – 113 важливо, щоб це була скринька до якої ви маєте особистий доступ, оскільки на електронну пошту вам буде відправлятись інформація про замовлені файли та посилання для їх завантаження. Рисунок 25. Діалогового вікна Прив’язка растрів. 114 Після завершення цього етапу ви отримаєте підтвердження вашої реєстрації та увійдете до каталогу під обраним логіном. Зареєстровані логін та пароль можуть бути також використані і при роботі з каталогом GloVis. Пошук та завантаження даних. Спочатку необхідно визначити первинні критерії пошуку – територію та часовий діапазон. Задати межі області інтересу можна декількома способами: рухаючи курсор і наближаючи певну місцевість (як зазвичай це можна робити в GoogleEarth або Google Map) і клікнути в чотирьох точках, які обмежують необхідну місцевість. Другий спосіб – через географічні координати, для цього необхідно ввести координати кутів листа топокарти (наприклад, карти генштабу). Визначившись з територією, встановимо часовий діапазон пошуку даних. Якщо нас цікавлять дані Landsat 8, то в якості початку пошуку можна встановити 11.02.2013, кінцевою датою за замовчуванням встановлюється день запиту. Розібравшись з початковими критеріями натискаємо кнопку Data Sets для переходу на вкладку визначення наборів даних. У вкладці визначення наборів даних Data Sets з усього переліку обираємо Landsat, а в ній обираємо Landsat Collection 1 (Level 1 або 2). Далі натискаємо Additional Criteria для визначення додаткових критеріїв відбору. Дана група критеріїв не є обов’язковою, але вона може бути корисною в тому випадку якщо для вашої ділянки доступно декілька наборів даних і ви бажаєте відфільтрувати необхідні за визначеним критерієм: індивідуальним номером сцени (Landsat Scene Identifier), положенням в системі розграфки WRS-2 (path/ row), сенсором (Sensor Identifier), рівнем обробки даних (Data Type Level), наявністю хмарного покриву (Cloud Cover), часом знімання (Day/Night). Якщо нас цікавлять всі наявні дані, тому ми залишимо всі параметри незмінними і переходимо до вкладки результатів Results. Генерування переліку результатів, що відповідають умовам вашого запиту може зайняти декілька секунд і після цього перед вами з’явиться список доступних для завантаження сцен. Для 115 зручності, біля кожної сцени знаходиться меню, кожний елемент якого має своє призначення: Show Footprint – показує на карті «відбиток» сцени, тобто її межі, допомагає побачити взаємне просторове положення сцени та області інтересу; Show Browse Overlay – накладає на карту мінімізоване оглядове зображення сцени, яке дозволяє краще оцінити її зміст; Compare Browse – дозволяє порівнювати оглядові зображення; Show Metadata and Browse – відкриває вікно з метаданими файлу та оглядовим зображенням сцени, корисне для отримання більш детальної інформації про знімок; Download Options – налаштування опцій завантаження через визначення окремих файлів; Add To Bulk Download – додавання файлів до замовлення з наступним їх завантаженням; Exclude Scene from Results – виключення сцени з результатів пошуку, якщо вона не задовольняє ваші вимоги. Із запропонованих знімків необхідно обрати ті, які є найкращими для аналізу: дають повне уявлення про актуальний наземний покрив території, типи землекористування та мають мінімальну хмарність. Для завантаження обраної сцени скористаємось пунктом меню Download Options для визначення необхідних продуктів. У випадку з даними Landsat нас цікавить вся сцена поканально, тому ми обираємо опцію Level 1 GeoTIFF Data Product (найбільший за розміром набір) і натискаємо Download. Після цього перед вами з’явиться вікно, натиснувши в якому Download ви перейдете до режиму завантаження файлу. Після завершення завантаження отримаємо архів, який необхідно розпакувати. Як зібрати і показати знімок Landsat з окремих каналів в QGIS? Для роботи нам необхідно розширення GDALTools, яке входить до складу QGIS починаючи з версії 1.5.0. Отже, у нас є знімок Landsat (наприклад Landsat 8 ) у вигляді растрів, що представляють окремі канали зображення, всього 12 файлів (11 каналів та один пан хроматичний канал). 116 Відкриваємо меню «Растр» і вибираємо «Розбіжності» пункт «Об'єднати» (рис.26). Починаємо заповнювати поля діалогу: навпроти поля «Вихідні шар» натискаємо кнопку «…» і у відкритому віконці знаходимо необхідну папку зі знімками, потім вибираємо необхідні. Так як нам потрібен растр з 11 каналами, ставимо прапорець «Place each input file into a separate band». Якщо не поставити його, то отримаємо одноканальний растр. Якщо отриманий растр потрібно використовувати в подальшій роботі, можна встановити прапорець «Open output file after algorithm» Після того як всі необхідні поля заповнені натискаємо «Run in Background» і чекаємо закінчення процесу. Рисунок 26. Діалогового вікна «Об’єднання каналів знімку». 117 Збираємо растр з каналів віртуально Перший спосіб збирання растра фізично об'єднує всі файли. Якщо файлів багато і вони великого розміру, результуючий файл може вийти за обмеження формату Tiff за розміром. У такому випадку може бути корисний спосіб "віртуального" об'єднання каналів: створення віртуального растра. Отже, меню «Растр» і вибираємо «Розбіжності» пункт «Побудувати віртуальний растр». Діалог налаштування дуже схожий на попередній (рис.27). Рисунок 27. Діалогового вікна Об’єднання каналів знімку віртуально. В полі «Віртуальний» можна нічого не заповнювати. 118 Пункт «Роздільна здатність» відповідає за якість віртуального растра: вихідні файли можуть бути різного розміру. Наприклад, при виборі "максимальне" результуючий растр матиме роздільну здатність, відповідне максимальній роздільній здатності з набору вихідних файлів. Після натискання «Run in Background» і чекаємо закінчення процесу, після чого із ним працюємо, як з будь-яким звичайним растром. Налаштування відображення растра Результатом попередньої операції був новий файл і тепер ми хочемо на нього подивитися. За замовчуванням растр завантажується з використанням стандартної комбінації каналів 1-2-3, що не завжди зручно. Змінити комбінацію каналів і деякі інші параметри відображення растра можна в діалоговому вікні «Властивості шару» (викликається з контекстного меню шару, натиснувши праву кнопку мишки, пункт «Властивості»). Комбінація каналів і алгоритм поліпшення контрасту налаштовуються на вкладці «Стиль». При цьому застосування різних комбінацій зон дозволяє створювати кольорові зображення, які підкреслюють ті чи інші особливості об’єктів. Інтерпретація комбінацій каналів Landsat (Костикова, 2005, Landsat Missions, 2014) Комбінація каналів Можлива інформація Landsat 5, 7 Landsat 8 1 2 3 3-2-1 4-3-2 Справжні (або природні) кольори – в цій комбінації використовуються канали видимого діапазону, тому об’єкти земної поверхні виглядають схожими на те, як вони сприймаються людським оком. Здорова рослинність виглядає зеленою, прибрані поля – світлими, нездорова рослинність – коричневою та жовтою, дороги – сірими, лінії узбережжя –білястими. Ця комбінація каналів дає можливість аналізувати стан водних об’єктів та процеси седиментації, оцінювати глибини. Також використовується для вивчення антропогенних об’єктів. Вирубки та розріджена рослинність погано піддаються детекції, на відміну від комбінацій 4-5-1 або 43- 119 2. Хмари та сніг виглядають однаково білими та погано розрізняються. Крім того, різні типи рослинності погано відрізняються один від одного. Ця комбінація не дозволяє відрізнити мілководдя від ґрунтів на відміну від комбінації 7-5-3. 4-3-2 5-4-3 Штучні (або хибні) ІЧ-кольори – рослинність відображається в відтінках червоного, міська забудова – зелено-блакитних, а колір ґрунту варіюється від темно до світло-коричневого. Крига, сніг та хмари виглядають білими або світло-блакитними (крига та хмари по краях). Порівняно з листяними хвойні ліси виглядатимуть більш темно-червоними або навіть коричневими. Ця комбінація кольорів дуже поширена і застосовується, головним чином, для вивчення стану рослинного покриву, моніторингу дренування та ґрунтової мозаїки, а також вивчення агрокультур. В цілому, насичені відтінки червоного є індикаторами здорової та (або) широколистяної рослинності, в той час як більш світлі відтінки характеризують трав’янисту або розріджену (рідколісся/ чагарники) рослинність. 7-4-2 7-5-3 Хибні кольори – комбінація дає зображення близьке до природних кольорів, але в той самий час дозволяє аналізувати стан атмосфери та дим. Здорова рослинність виглядає яскраво зеленою, трав’янисті угруповання – зеленими, яскраво рожеві ділянки ідентифікують відкритий ґрунт, коричневі та помаранчеві кольори характерні для розрідженої рослинності. Сухостійна рослинність виглядає помаранчевою, вода – блакитною. Пісок, ґрунт та гірські породи можуть бути представлені значною кількістю кольорів та відтінків. Ця комбінація дає добрий результат при аналізі пустель та спустелених територій. Крім того, вона може бути використана для вивчення сільськогосподарських земель та водно-болотяних угідь. Території, що вигоріли, виглядатимуть яскраво-червоними. Дане поєднання каналів використовується для вивчення динаміки пожеж та аналізу території після пожеж. Міська забудова відображається у відтінках рожево-фіолетового, трав’яниста рослинність – зеленим та світло- 126 1. Заголовок - як правило це перше, на що звертає увагу користувач. Заголовок повинен бути коротким і в той же час давати уявлення про те, що зображено на карті. Іноді застосовують дворівневі заголовки. 2. Легенда - ключ до розуміння вашої карти, повинна дозволяти будь-якому користувачеві карти «читати» її. 3. Масштаб - зазвичай вказується на крупно-і середньомасштабних картах, особливо якщо передбачається їх використовувати для виконання вимірювань. 4. Пояснювальний текст - містить додаткову інформацію, яка може бути корисна користувачам карти. 5. Рамка і координатна сітка - рамка визначає край області, відображеної на карті. Координатна сітка використовується для спрощення орієнтації користувачів. 6. Покажчик напрямку - як правило, застосовується якщо: 1) картка не орієнтована строго на північ і 2) на карті зображена територія, незнайома аудиторії. Зрозуміло, всі перераховані вище елементи не є обов'язковими. Для додавання карти QGIS, натисніть на кнопку «Додати карту» на панелі інструментів редактора макетів і, затиснувши ліву кнопку миші, протягніть курсор, намалювавши прямокутник на аркуші макета. Додана карта може відображатися в одному з трьох режимів, вибрати які можна на вкладці «Властивості елемента» при виділеній мапі: • Прямокутник є режимом за замовчуванням. Відображається порожній прямокутник з текстом «Місце зображення карти». • Кеш малює карту в поточному масштабі екрану. При виконанні масштабування у вікні компоновщика, карта не перемальовується, але саме зображення масштабується • Відтворення вибір цього режиму означає, що при виконанні масштабування в вікні компоновщика карта буде перемальовуватись, але з метою економії місця тільки до максимального дозволу. Кеш є режимом за замовчуванням для всіх тільки що доданих карт. Рисунок 30. Діалогового вікна Макет. 1 2 3 4 5 128 Крім додавання карти QGIS на компоновку можна додавати, розміщувати, пересувати і налаштовувати легенду, масштабну лінійку, зображення і текст. Додавання всіх цих елементів однакове - шляхом вибору відповідного інструменту на панелі і клацанням миші по листу макета. Створення атласів Починаючи з версії 1.8 QGIS дозволяє створювати атласи. Атлас - це набір карт, компоновка яких однакова, але вміст відрізняється. Наприклад, це може бути набір карт областей або національних парків. Створення атласу засобами QGIS від створення звичайного макета карти відрізняється всього лише додатковими налаштуваннями самого макета. Для створення атласу відкрийте панель Атлас і активуйте прапорець Створити атлас. Тепер налаштуйте параметри: • Шар покриття - задає межі областей, які будуть виводитися на друк. Це можуть бути межі регіонів, національних парків або просто автоматично згенерована сітка необхідних розмірів. • Прапорець приховати шар покриття - дозволяє не відображати шар кордонів на карті, при цьому всі інші верстви будуть виводитися • Фільтр - дозволяє виконати друк атласу тільки для заданої підмножини об'єктів шару кордонів. • Шаблон імен файлів - тут вказується шаблон, по якому будуть генеруватися імена вихідних файлів. • Створювати багатосторінковий документ - дозволяє створювати один багатосторінковий документ замість безлічі файлів. Важливо! необхідна підтримка багатосторінкових документів обраним форматом. • Впорядкувати по полю - дозволяє налаштувати порядок друку атласів, вказавши поле і напрямок сортування об'єктів шару кордонів Залишилось тільки вказати карту, яка буде використовуватися для друку атласу. Для цього необхідно виділити її і на панелі Властивості елемента активувати прапорець Використовується для атласу. Також користувачеві надається вибір: або масштаб карти буде підбиратися 129 автоматично з урахуванням заданих полів, або буде використовуватися фіксований масштаб. Контрольні запитання: 1. На які області розділяється інтерфейс QGIS? 2. Для чого необхідні модулі в QGIS? Для чого їх пошук і встановлення? 3. Які існують основні інструменти для роботи із векторними даними? 4. Що таке атрибутивна таблиця? Як вносити в неї правки? 5. Як розрахувати геометричні характеристики векторних даних? 6. Як прив’язати карту із відомими координатами? 7. Як прив’язати растрове зображення? 8. Алгоритм викачування знімків із EarthExplorer? 9. Як зібрати і показати знімок Landsat з окремих каналів в QGIS? 10. Для чого використовують інтерпретацію комбінацій каналів Landsat? 11. Для чого використовують основні розрахункові індекси? 12. Перерахуйте етапи створення макету карти. 130 Список рекомендованої літератури 1. Андрейчук Ю.М., Ямелинець Т.С. ГІС в екологічних дослідженнях та природоохоронній справі: навч. посіб. – Львів: "Простір-М"', 2015. – 284 с. 2. Геоинформатика: Учебник для студентов вузов / Под ред. В.С.Тикунова. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 480 с. 3. Геоінформаційні системи в екології / Під ред. Є. М. Крижановського. – Вінниця : ВНТУ, 2014. -192 с. 4. Дистанційне зондування з основами фотограмметрії: навчальний посібник / упоряд. Т. М. Курач. – К.: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет", 2011. – 367 с. 5. Иванников А.Д., Кулагин В.П., Тихонов А.Н., Цветков В.Я. Геоинформатика. – М: МАКС Пресе, 2001 – 349 с. 6. Кронберг П. Дистанційне вивчення Землі: Основи і методи дистанційних досліджень в геології: Пер. з нім. – М.: Мир, 1988. – 343 с. 7. Ликбез по картографическим проекциям с картинками [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://habrahabr.ru/post/235283/ 8. Растоскуев В.В., Шалина Е.В. Геоинформационные технологии при решении задач экологической безопасности: Учеб.–метод. – СПб: ВВМ, – 2006. – 256 с. 9. Свидзинская Д.В., Бруй А.С. Основы QGIS [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://lab.osgeo.org.ua/files/QGIS_intro.pdf 10. Свідзінська, Д.В. Методи геоекологічних досліджень: геоінформаційний практикум на основі відкритої ГІС SAGA: навчальний посібник. – К.: Логос, 2014. – 402 с. 11. Світличний О.О., Плотницький С.В. Основи геоінформатики: Навчальний посібник – Суми: ВТД «Університетська книга», 2006. – 295 с. 12. Скворцов А.В. Геоинформатика: Учебное пособие. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2006. – 336 с. 13. Стурман В. И. Экологическое картографирование: Учебное пособие. - М.: Аспект Пресе, 2003. -251 с. Формат 90х90/16. Умовн.друк.арк.0,9 Зам. №422. Наклад 120 прим. Видавництво ТОВ «Геопрінт» м.Київ, вул. Велика Васильківська, 96 тел. 502-80-60