ГІС - це... Географічні інформаційні системи

ГІС - це... Географічні інформаційні системи


ДВС - це сучасні геоінформаційні мобільні системи, які мають можливість відображати своє місце розташування на карті. В основі цієї важливої властивості лежить використання двох технологій: геоінформаційної та глобального позиціонування. Якщо мобільний пристрій має вбудований GPS-приймач, то за допомогою такого приладу можна визначити його місце розташування і, отже, точні координати самої ГВС. На жаль, геоінформаційні технології та системи в російськомовній науковій літературі представлені невеликою кількістю публікацій, внаслідок цього практично повністю відсутня інформація про алгоритми, що лежать в основі їх функціональних можливостей.

Класифікація ГВС

Підрозділ геоінформаційних систем відбувається за територіальним принципом:

  1. Глобальна ГВС використовується для запобігання техногенних і природних катаклізмів з 1997 року. Завдяки цим даним можна за відносно короткий час спрогнозувати масштаби катастрофи, скласти план ліквідації наслідків, оцінити завдані збитки і людські втрати, а також організувати гуманітарні акції.
  2. Регіональна геоінформаційна система розроблена на муніципальному рівні. Вона дозволяє місцевій владі прогнозувати розвиток певного регіону. Дана система відображає практично всі важливі сфери, наприклад інвестиційні, майнові, навігаційно-інформаційні, правові та ін. Також варто відзначити, що завдяки використанню даних технологій з'явилася можливість виступати гарантом безпеки життєдіяльності всього населення. Регіональна геоінформаційна система в даний час використовується досить ефективно, сприяючи залученню інвестицій та стрімкому зростанню економіки району.

Кожна з вищеописаних груп має певні підвиди:

  • У глобальну ДВС входять національні та субконтинентальні системи, як правило, з державним статусом.
  • У регіональну - локальні, субрегіональні, місцеві.

Інформацію про дані інформаційні системи можна знайти в спеціальних розділах мережі, які називаються геопорталами. Вони розміщуються у відкритому доступі для ознайомлення без будь-яких обмежень.

Принцип роботи

Географічні інформаційні системи працюють за принципом складання та розробки алгоритму. Саме він дозволяє відображати рух об'єкта на карті ГВС, включаючи переміщення мобільного пристрою в межах локальної системи. Щоб зобразити цю точку на чортежі місцевості, необхідно знати принаймні дві координати - X і Y. Під час відображення руху об'єкта на карті потрібно визначити послідовність координат (Xk і Yk). Їх показники повинні відповідати різним моментам часу локальної системи ДВС. Це є основою для визначення місцезнаходження об'єкта.

Цю послідовність координат можна витягти зі стандартного NMEA-файлу GPS-приймача, який виконав реальний рух на місцевості. Таким чином, в основі розглянутого тут алгоритму лежить використання даних NMEA-файлу з координатами траєкторії об'єкта по певній території. Необхідні дані можна отримати також у результаті моделювання процесу руху на основі комп'ютерних експериментів.

Алгоритми ГІС

Геоінформаційні системи побудовані на вихідних даних, які беруться для розробки алгоритму. Як правило, це набір координат (Xk і Yk), що відповідає деякій траєкторії об'єкта у вигляді NMEA-файлу і цифрової карти ГВС на обраній ділянці місцевості. Завдання полягає в розробці алгоритму, що відображає рух точкового об'єкта. В ході даної роботи були проаналізовані три алгоритми, що лежать в основі вирішення поставленого завдання.

  • Перший алгоритм ГВС - це аналіз даних NMEA-файлу з метою вилучення з нього послідовності координат (Xk і Yk),
  • Другий алгоритм використовується для обчислення колійного кута об'єкта, при цьому відлік параметра здійснюється від напрямку на схід.
  • Третій алгоритм - для визначення курсу об'єкта щодо країн світла.

Узагальнений алгоритм: загальне поняття

Узагальнений алгоритм відображення руху точкового об'єкта на карті ГВС включає три зазначені раніше алгоритми:

  • аналіз даних NMEA;
  • обчислення подорожнього кута об'єкта;
  • визначення курсу об'єкта щодо країн всієї земної кулі.

Географічні інформаційні системи з узагальненим алгоритмом оснащені основним керуючим елементом - таймером (Timer). Стандартне завдання його полягає в тому, що він дозволяє програмі генерувати події через певні проміжки часу. За допомогою такого об'єкта можна встановлювати необхідний період для виконання набору процедур або функцій. Наприклад, для багаторазово виконуваного відліку часу в одну секунду треба встановити такі властивості таймера:

  • Interval = 1000;
  • Enabled = True.

У результаті кожну секунду буде запускатися процедура зчитування координат X, Y об'єкта з NMEA-файлу, внаслідок чого дана точка з отриманими координатами відображається на карті ГВС.

Принцип роботи таймера

Використання геоінформаційних систем відбувається наступним чином:

  1. На цифровій карті позначаються три точки (умовне позначення - 1, 2, 3), які відповідають траєкторії руху об'єкта в різні моменти часу tk2, tk1, tk. Вони обов'язково з'єднані суцільною лінією.
  2. Увімкнення і вимкнення таймера, що керує відображенням пересування об'єкта на карті, здійснюється за допомогою кнопок, натисканих користувачем. Їх значення та певну комбінацію можна вивчити за схемою.

Файл NMEA

Опишемо коротко склад NMEA-файлу ГВС. Це документ, записаний у форматі ASCII. По суті, він являє собою протокол для обміну інформацією між GPS-приймачем та іншими пристроями, наприклад ПК або КПК. Кожне повідомлення NMEA починається зі знака $, за яким слід двохсимвольне позначення пристрою (для GPS-приймача - GP) і закінчується послідовністю\r\n - символом перекладу каретки і переходу на новий рядок. Точність даних у повідомленні залежить від виду повідомлення. Вся інформація міститься в одному рядку, причому поля розділяються комами.

Для того щоб розібратися, як працюють геоінформаційні системи, цілком достатньо вивчити широко використовуване повідомлення типу $ GPRMC, яке містить мінімальний, але основний набір даних: розташування об'єкта, його швидкість і час.
Розглянемо на певному прикладі, яка інформація в ньому закодована:

  • дата визначення координат об'єкта - 7 січня 2015 р.;
  • всесвітній час UTC визначення координат - 10h 54m 52s;
  • координати об "єкта - 55 ° 22.4271'ц.ш. та 36 ° 44 .1610'в.д.

Підкреслимо, що координати об'єкта представлені в градусах і хвилинах, причому останній показник дається з точністю до чотирьох знаків після коми (або точки як роздільника цілої і дробової частин речового числа у форматі USA). Надалі знадобиться те, що в NMEA-файлі широта місця розташування об'єкта знаходиться в позиції після третьої коми, а довгота - після п'ятої. Наприкінці повідомлення передається контрольна сума після символу «*» у вигляді двох шістнадцяткових цифр - 6C.

Геоінформаційні системи: приклади складання алгоритму

Розгляньмо алгоритм аналізу NMEA-файлу з метою вилучення набору координат (X і Yk), що відповідають траєкторії руху об'єкта. Він складається з декількох послідовних кроків.

Визначення координати Y-об'єкта

Алгоритм аналізу даних NMEA

Крок 1. Прочитати рядок GPRMC з файлу NMEA.

Крок 2. Знайти позицію третьої коми у рядку (q).

Крок 3. Знайти позицію четвертої коми у рядку (r).

Крок 4. Знайти, починаючи з позиції q, символ десяткової точки (t).

Крок 5. Виштовхнути один символ з рядка (r + 1).

Крок 6. Якщо цей символ дорівнює W, змінна NorthernHemisphere отримує значення 1, інакше -1.

Крок 7. Виштовхнути (г - + 2) символів рядка, починаючи з позиції (t-2).

Крок 8. Витягніть (t-q-3) символів рядка, починаючи з позиції (q + 1).

Крок 9. Перетворити рядки на речові числа і обчислити координату Y об'єкта радіанною мірою.

Визначення координати X об'єкта

Крок 10. Знайти позицію п'ятої коми в рядку (n).

Крок 11. Знайти позицію шостої коми у рядку (m).

Крок 12. Знайти, починаючи з позиції n, символ десяткової точки (p).

Крок 13. Виштовхнути один символ з рядка (m + 1).

Крок 14. Якщо цей символ дорівнює «E», змінна EasternHemisphere отримує значення 1, інакше -1.

Крок 15. Виштовхнути (m-p + 2) символів рядка, починаючи з позиції (p-2).

Крок 16. Виштовхнути (p-n + 2) символів рядка, починаючи з позиції (n + 1).

Крок 17. Перетворити рядки на речові числа і обчислити координату X об'єкта радіанною мірою.

Крок 18. Якщо NMEA-файл не прочитаний до кінця, то перейти до кроку 1, інакше перейти до кроку 19.

Крок 19. Закінчити алгоритм.

На кроці 6 і 16 даного алгоритму використовуються змінні NorthernHemisphere і EasternHemisphere для чисельного кодування місця розташування об'єкта на Землі. У північній (південній) півкулі змінна NorthernHemisphere приймає значення 1 (-1) відповідно, аналогічно в східній (західній) півкулі EasternHemisphere - 1 (-1).

Застосування ГІС

Застосування геоінформаційних систем широко поширене в багатьох областях:

  • геології та картографії;
  • торгівлі та послугах;
  • кадастрі;
  • економіці та управлінні;
  • оборони;
  • інженерії;
  • освіті та ін.