Разработка ГИС системы для оценки агрохимического состояния сельскохозяйственных земель

В промышленных масштабах, предпочтительно  использовать космоснимки с большим  разрешением, так например, для хозяйства  «Любовское», даже на сервисе Google Maps, имеются космоснимки с пространственным разрешением 0.5м/пиксель. Используя такие снимки, обрисовывать контура можно не используя планы, так как изображение настолько четкое, что можно разглядеть дренажные каналы и элементы растительности, которые обычно являются границами полей, и точность при этом будет довольно таки высока.

Космоснимки или материалы дистанционного зондирования получают с космических спутников. Это могут быть как платные  снимки, так и бесплатные. Платные  заказываются в специальных организациях, указывается место съемки и разрешение. Съемка производится такими спутниками как LandSat 7, SPOT 5 или др.

В последнее же время мы являемся свидетелями  бурного развития различных картографических сервисов в сети Интернет. Наиболее популярными из них являются Google Maps и отечественный сервис Яндекс. Карты. С их помощью можно просматривать  космоснимки интересующих мест на планете  Земля. Раньше эти просмотры носили познавательный характер. Однако, ситуация изменилась после того, как недавно  эти сервисы стали публиковать  космоснимки высокого разрешения (порядка 1 метра на пиксель).

Следующим этапом работы с космоснимками является «выкачивание» их из общедоступных  сервисов. Эта задача решается с  помощью бесплатной программы SASPlanet. Программа производит загрузку снимка в соответствии с выбранным масштабом. К сожалению ещё не все области планеты покрыты снимками высокой четкости.

Закачка идет в виде так называемых «Тайлов» (от англ. tile — плитка) -   фрагментов карты размером 256х256 пикселей. Эти  фрагменты карты записываются в  соответствующий подкаталог папки cache. Для каждого сервиса предусмотрен свой подкаталог  - для Яндекса  это, например, yasat, для Goggle'а - sat  и  т.д. Время закачки зависит, в основном, от площади выбранной области. Ставить  на закачку области более чем  на 2 часа для карт Google не имеет смысла. После превышения некоторого  объёма данных сервер Google'а прекращает выдачу информации. После того, как процесс  закачки прошёл успешно, приступаем к следующему логическому этапу - склейки тайлов в целое изображение.

Важное  значение имеет тот факт, что программа  создает файл координатной привязки. Открывая такой снимок, пропадает  необходимость регистрировать изображение. В файле привязке указывает тип  проекции, система координат и  точки (4 по краям и 1 в центре) с  координатами.

Проекция  – это уравнения или наборы уравнений, которые содержат  математические параметры для карты. Точное число  и природа параметров зависят  от типа проекции. Проекция – это  метод уменьшения искажений карты, вызванных кривизной земной поверхности  или, точнее говоря, проекция компенсирует недостатки отображения карты на плоскости в двух измерениях, в  то время как координаты существуют в трёх измерениях. Координатная система  – когда параметрам проекции присваиваются  определенные значения, они становятся системой координат. Система координат  – это набор параметров, описывающих  координаты, одна из которых является проекцией. Для выполнения представленной  в работе ГИС была использована общепринятая система координат Долгота/Широта.

Программный комплекс MapInfo хорошо приспособлен для  работы с соблюдением высокой  точности данных. Основным компонентом  ГИС являются пространственные данные, размещаемые на карте. Эти данные отображаются в соответствии с координатной системой. Точность, которую допускает  координатная система, определяет достоверность  размещения данных на карте.  Точность – это показатель того, насколько эффективно мы можем сохранять и извлекать пространственные данные.

Работа  с космоснимком на данном этапе заканчивается. Результатом её является геопривязаннй  файл с растровым изображением местности.

Подготовка  плана заключается в другом. В  хозяйстве имеются внутрихозяйственный  план, с нанесенными конурами, хозяйственными постройками и дорогами. Этот план существует в виде распечаток формата  А2. Подготовка плана начинается со сканирования изображения. Используется черно-белое сканирование с разрешением  не менее 600dpi(точек на дюйм). Далее проводят сшивку отдельных листов А2 в единую карту. Для этого используется программная среда Adobe Photoshop. Сшивка проводится  внахлест с перекрытием не менее 2см. По завершении этой операции желательно провести чистку растра, с изображения стирают координатную сетку, не нужные объекты, рамку карты, а также весь «цифровой мусор», ухудшающий удобочитаемость карты.

Следующим этапом является так называемая регистрация  плана. Задается проекция и система  координат. Привязка идет по уже зарегистрированному  космоснимку. На плане выбирается характерная  точка (это может быть пересечение  дорог, край дома) и на этом месте  ставится пункт привязки. В тоже время эта точка находится  на космоснимке, откуда извлекаются  её координаты, автоматически записываемые в выбранный пункт привязки плана. Таким образом, происходит присвоение координаты. Регистрация проводится минимум по 5 точкам, точность регистрации  прямо пропорциональна количеству пунктов привязки. К сожалению, внутрихозяйственный  план составлен не идеально, и поэтому  при наложении его на космоснимок, даже при достаточно точной регистрации, изображения могут не совпадать. Для этого в программе предусмотрена  опция «Оптимизация растрового изображения». Она позволяет произвести преобразования для плана таким образом, чтобы  все выбранные точки совпали  с аналогичными точками на космоснимке, то есть происходит не только перемещение  плана по вертикали и горизонтали, но растяжение, сжатие или наклон изображения.

После регистрации плана, программа создает  файл привязки с указанием точек  и их координат.

Далее в MapInfo происходит наложение двух растровых изображений, внутрихозяйственного плана на космоснимок. Здесь встает вопрос прозрачности верхнего слоя, так как он, при наложении, не дает возможности увидеть подложку. Это решается с помощью свойств слоя внутрихоза, где выставляется значение прозрачности. Стоит отметить, что данная функция присутствует не во всех ГИС программах, а в среде ArcGIS реализована менее качественно, что послужило одним из аргументов к выбору MapInfo.

4.1.2 Работа с векторными картами

Векторная графика — способ представления  объектов и изображений в компьютерной графике, основанный на использовании  геометрических примитивов, таких как  точки, линии, сплайны и многоугольники. Термин используется в противоположность  к растровой графике, которая  представляет изображение как матрицу  фиксированного размера, состоящую  из точек (пикселей) со своими параметрами.

Следует понимать, что объекты в векторной  графике, это не изображения, а математические формулы, записанные в ядре программы, и визуализированные на мониторе. Так, например, графический примитив «окружность» описывается следующими показателями: координаты центра окружности, значение радиуса, цвет заливки, и цвет и толщина границы.

Плюсом  такой графики является максимальная точность и бесконечные возможности  визуализации. Например, если векторному примитиву «линия» задать толщину  в 1 пиксель, то при любом масштабе эта линия будет отражаться на мониторе как линия толщиной в 1 пиксель. Это позволяет бесконечно масштабировать карту, вплоть до масштаба 1:1.

Основным  моментом в понимании устройства векторной карты, в среде MapInfo, станет понимание того, что такая векторная карта, по своей сути, не является картой вовсе. Векторный слой представлен таблицей, в которой указываются показатели графических примитивов. Конечно, пользователь не видит этих формул и атрибутов, а видит, их растровое отображение на мониторе. Векторный слой можно открыть как в виде карты, так и в виде списка. В списке отображается уникальное имя объекта,  дающееся ему при его создании, а также присоединяемая в последствие семантическая информация.    

Векторная карта рисуется поверх растрового изображения, в данном случае по космоснимку и  внутрихозу. Первое, что нужно сделать, это создать векторный слой, присвоить  ему имя, и выбрать стиль объектов. Далее,  происходит собственно создание векторных объектов. Создание может  проходить в двух режимах, ручном и автоматическом. В ручном режиме необходимо на мониторе как бы обрисовать объект, после чего он сохраняется  в таблице. Автоматическая векторизация проходит почти без участия человека, но не подходит, например, для трассировки  полей, так как автоматическая трассировка  идет по всем одинаковым линиям на карте  с определенными характеристиками. Линии границ полей точно такие  же, как и линии границ рек, домов  и других территорий, в этом случае произойдет трассировка всех объектов на карте. Автоматическая векторизация подходит, например, для обрисовки  топографии. Как правило, изолинии изображены в коричневом цвете, поэтому задав  соответствующий параметр трассировки, например, векторизовать линии коричневого  цвета, автоматическая трассировка  пройдет без проблем и с  хорошим результатом.

Таким образом, в ручном режиме происходит обрисовка контуров. Точность этой операции зависит от навыков оператора  и приближения карты, чем выше приближение, тем более точно  можно провести линии по границам контура. Для создания объектов, в  программе MapInfo, предусмотрен ряд инструментов. Это точка, линия, полилиния, дуга, полигон, эллипс, прямоугольник, скругленный прямоугольник и текст. Каждый из этих инструментов обладает своими свойствами.

Для обрисовки сельскохозяйственных контуров идеально подходит инструмент полигон, расставляя точки, в местах изменения  направления линии, и обрисовывая  весь контур в конце, полигон замыкается, и становится площадным объектом с такими характеристиками как координаты углов и центроида. Инструмент полилиния  работает по такому же принципу, но в  результате получается не площадной  объект, но который можно превратить в область (полигон). После создания площадных объектов можно легко  узнать их площадь (рассчитываемую программой по координатам Долгота/Широта взятых с растровой подложки в любых  единицах) и периметр. Инструмент полигон  также подходит для трассировки  рек, жилых массивов, хозяйственных построек. Программа предоставляет богатые возможности редактирования готовых объектов, например, при неточной обрисовке, всегда можно выбрать инструмент «Форма» и «Добавить узел» и подправить линии полигона.

Границы соседних полей часто совпадают  друг с другом, поэтому нет необходимости  рисовать общую сторону дважды. В  режиме совмещения точек есть возможность  объединить линии, таким образом, не происходит загромождения карты  и исключает ошибки. 

После завершения процесса трассировки контуров, обязательным этапом является процесс  проверки топологии. Выявляются ошибки на карте. Требования к  векторным  картам, такие же, как и к бумажным картам. Руководствуются здесь общими правилами картографии, которые  уже заложены в программу. При  проверке топологии выявляются перекрытия полигонов и их самопересечения. После обнаружения ошибок необходимо исправить ошибки, это можно сделать  как в ручную, так и автоматически. Программа прекрасно справляется  с этим сама.

Далее (или по ходу выполнения векторизации) каждому объекту присваивается  уникальное имя. Например, номер контура  или название реки. Имя обязательно  должно быть уникальным, так как  потом будет присоединяться семантическая  информация, и программа осуществляет сопоставление имени в таблице  объектов с именем в таблице данных.   

По  такой технологии были созданы слои контуров, гидрологии, дорог, города Каргополя  и границы хозяйства. Уникальные имена контуров брались с внутрихозяйственных  планов, которые присваиваются с  образованием контура и соответствует  ему всегда. 

Такие векторные слои, которые созданы  на основе растровых слоев, не нуждаются  в регистрации, так как были нарисованы уже по координатам Долгота/Широта.

4.1.3 Работа с атрибутивными данными

После завершения работы над слоями начинается работа с данными. Именно они позволяют  проанализировать информацию и наглядно отобразить её на карте.

Как отмечалось ранее, вся информация, открываемая  в MapInfo, упорядочивается в таблицах, будь то географические объекты или семантическая информация.  Основным понятием при работе с данными является База данных. База данных – это совокупность информации, организованная так чтобы доступ к ней во время работы был удобен. В базах данных выделяют поле – любая ячейка с информацией, строки, столбцы и индекс – для упрощения поиска по полям.

Стоит отметь, что программа MapInfo, в отличие  от многих других редакторов ГИС, работает со всеми известными видами баз данных.

Во  время создания векторного слоя, одновременно идет создание таблицы, в котором  указывается географический объект и его уникальное имя. Основной задачей, на данном этапе является присоединение  информации из базы данных к таблице  объектов. Эта функция основана на уникальности имени.

Для выполнения этой операции в первую очередь необходимо загрузить файл Microsoft Excel непосредственно в программу. При открытии таблицы необходимо указать тип данных для каждого  столбца, а также необходимость  индексировать поля.  Тип данных играет очень важную роль, так как  позволяет производить различные  операции в зависимости от типа данных.

  Существуют следующие типы: Вещественное  – уникальное имя, для его  идентификации необходимо чтобы  была введена точная копия  имени. В качестве вещественного,  можно использовать тип угодья, пашня, сенокос или пастбище. Символьное – состоит из букв любого языка. Численное – подразделяется на целое и десятичное. При выборе десятичного необходимо указать общее количество знаков (включая запятую),  и количество знаков после запятой. И последнее это тип данных время и дата.

Не  стоит пренебрегать этой операцией, поскольку после открытия таблицы, не выбрав правильный тип данных, данные в ней могут безвозвратно исчезнуть, например, если открыть число 6,8 с  типом данных целое, что оно преобразуется  в 68, а если открыть тоже число 6,8 с типом данных символьное, то программа  не сможет производить с ним математических вычислений.

Итак, после загрузки таблицы и выбора типа данных, в окне «Список» появится эта самая таблица. Сразу же будет  создан файл TAB, который поможет избежать, импортировать таблицу заново, определяя тип данных. При желании таблицу можно сохранить под другим именем, и сделать его резервную копию.