Міністерство освіти І науки, молоді та спорту України харківський національний автомобільно-дорожній університет

2
УДК 378.14:355.235
Гриф надано Міністерством освіти і науки, молоді та спорту
України лист №3034 від 19.10.2012 р.
Лабенко Д.П., Тімонін В.О. Геоінформаційні системи.
Підручник. – Харків: ХНАДУ, 2012. – 260 с.
Даний підручник присвячений геоінформаційним системам - напрямку сучасних інформаційних технологій, що бурхливо розвиваються. Розглянута історія виникнення і розвитку ГІС- технологій, області вживання, принципи організації. Розглянута математична основа карти: популярні географічні системи координат і їх проекції на площину, включаючи проекцію Гауса-
Крюгера і UTM. Розглянуті основні принципи роботи GPS - систем.
Дана коротка характеристика існуючих ГІС.
Підручник призначений для студентів вищих технічних закладів освіти у галузі знань “Транспорт і транспортна
інфраструктура” за напрямом підготовки “Транспортні технології” та суміжних спеціальностей освітньо-кваліфікаційного рівня – бакалавр. Може бути корисним магістрам, аспірантам, науково- педагогічним працівникам. Матеріали апробовані на протязі 7 років на факультеті Транспортних систем ХНАДУ.
Іл. 96. Табл. 10. Бібліограф. найм. 27.
Рецензенти: д-р техн. наук, професор Є.І.Бобир, зав. каф. економічної кібернетики (Новокаховський політехнічний інститут); д-р техн. наук, доцент К.О.Метешкін, професор кафедри геоінформаційних систем та геології (Харківська академія міського господарства). д-р техн. наук, професор М.П.Угрюмов, професор кафедри
інформатики
(Харківський національний аерокосмічний університет імені Н.Е.Жуковського “ХАІ”);
ISBN ________________
Лабенко Д.П., Тімонін В.О. ХНАДУ

3
ЗМІСТ
Вступ ......................................................................................................6
Розділ 1. Поява і розвиток ГІС ........................................................10 1.1. Поняття геоінформаційних систем .........................................10 1.2. Історія розвитку ГІС .................................................................13 1.3. Сфери використання і приклади використання ГІС ..............17 1.4. Схема узагальненої ГІС ............................................................22
Розділ 2. Принципи організації ГІС ...............................................28 2.1. Вступ в геоінформаційні технології .......................................28 2.2. Загальні принципи побудови моделей даних ........................30 2.2.1. Основні поняття моделей даних ..........................................32 2.2.2. Класифікаційні задачі ...........................................................36 2.2.3. Аспекти розгляду моделей даних ........................................38 2.3. Базові моделі даних
..................................................................41 2.3.1. Інфологічна модель ...............................................................41 2.3.2. Ієрархічна модель ..................................................................43 2.3.3. Квадратомічне дерево ...........................................................46 2.3.4. Реляційна модель ...................................................................48 2.4. Особливості організації даних в ГІС ......................................52 2.4.1. Загальна модель геоінформаційних даних ..........................52 2.4.2. Визначення положення точок на поверхні Землі ...............54 2.4.3. Координатні дані, основні типи координатних моделей ..57 2.5. Особливості моделювання в ГІС .............................................63 2.5.1. Основні види моделювання ..................................................63 2.5.2. Технологічніоснови моделювання в ГІС ............................67 2.5.3. Особливості моделювання в ГІС ..........................................70
Розділ 3. Математична основа карти ..............................................86 3.1. Карта, її значення і інформаційна складність .........................87 3.2. Поняття про картографічні проекції. Класифікація проекцій за спотвореннями і способами проектування ...........88 3.2.1. Проектування еліпсоїда на площину і пов'язані з ним спотворення ..................................................................................89 3.2.2. Співвідношення між спотвореннями і розподіл спотворень на карті ......................................................................92 3.2.3. Класифікація проекцій за видом меридіанів і паралелей нормальної сітки .......................................................93 3.3. Вибір системи координат ..........................................................99

4 3.3.1. Географічна система координат ............................................99 3.3.2. Поширені системи координат і картографічні проекції ....100 3.3.3. Порівняння проекції Гауса – Крюгера із UTM ………......103 3.4. Номенклатура і розграфка топографічних карт ...................105 3.4.1. Побудова топографічних карт ............................................106 3.4.2. Атрибутивний опис ...............................................................112 3.4.3. Питання точності координатних і атрибутивних даних ..113 3.5. Цифрові моделі місцевості .....................................................115 3.5.1. Основні поняття. Методи побудови ...................................115 3.5.2. Характеристики ЦММ .........................................................120
Розділ 4. Система глобального позиціонування .........................127 4.1. Введення в основи системи GPS ............................................128 4.2. Принципи роботи GPS – приймачів .......................................137 4.3. Протокол NMEA для обміну даними GPS ……………...….141 4.4. Огляд GPS – приймачів ...........................................................144 4.5. Система управління рухом автомобільного транспорту з використанням системи GPS ....................................................149
Розділ 5. Огляд сучасних ГІС .........................................................151 5.1. Internet, як геоіформаційна система .......................................152 5.1.1. Комп'ютерні мережі ..............................................................152 5.1.2. Розподілена БД. Розподілені технології .............................158 5.1.3. Загальна структура INTERNET ...........................................158 5.1.4. Електронна пошта .................................................................167 5.2. Інструментальна ГІС ArcInfo ..................................................170 5.3. Програмний пакет ARCVIEW GIS 3.1 ...................................177 5.4. Інструментальна ГІС MapInfo .................................................179 5.5. AutoCad map 2000 ....................................................................183 5.6. Інші ГІС – програми ................................................................184 5.7. Територіальні рівні застосування ГІС....................................188
Розділ 6. Загальна теорія картографічних проекцій..................189 6.1. Системи координат прийняті в ГІС .......................................189 6.1.1. Система координат 1942 р. (СК-42) ………………..……..192 6.1.2. Система координат WGS-84 ………………………..…….193 6.1.3. Система координат ПЗ-90 ……………………………..…..194 6.1.4. Система координат 1995 р. (СК-95) …………………..…..196 6.1.5. Перетворення координат ………………………….…….…202 6.1.6. Методи перетворення координатних систем ………….…205

5 6.2. Визначення картографічних проекцій ...................................208 6.3. Нескінченно мала сфероїдальна трапеція і її зображення на площині .............................................................209 6.4. Масштаби ..................................................................................211 6.5. Умови відображення поверхні еліпсоїда (сфери) на площину ………………………………………………………..212 6.6. Спотворення картографічних проекцій .................................213 6.7. Методи перетворення картографічних проекції при створенні карт ГІС ......................................................................218 6.8. Теорія класів і окремих варіантів картографічних проекцій .......................................................................................219 6.8.1. Циліндричні проекції ...........................................................220 6.8.2. Псевдоциліндричні проекції ................................................221 6.8.3. Конічні проекції ....................................................................222 6.8.4. Азимутальні проекції ............................................................223 6.8.5. Перспективні азимутальні проекції ....................................224 6.8.6. Псевдоконічні проекції ........................................................227 6.8.7. Псевдоазимутальні проекції ................................................228 6.8.8. Поліконічні проекції ...........................................................228 6.8.9. Проекції Гауса-Крюгера і UTM ..........................................230 6.8.10. Проекції Чебишева. Стан розв’язання загальної проблеми пошуку найкращих проекцій ..................................231
Глосарій .............................................................................................233
Список скорочень ............................................................................257
Література .........................................................................................259

6
ВСТУП
У всі часи знання про просторову орієнтацію об'єктів або, просто кажучи, про їх географічне положення, були дуже важливі для людей. Наприклад, первісні мисливці завжди знали місцезнаходження своєї здобичі, а життя або смерть мандрівників напряму залежало від їх знань географії. Сучасне суспільство теж живе, працює і співпрацює, спираючись на інформацію про те, хто і де знаходиться. Прикладна географія у вигляді карт і інформації про простір допомагала здійснювати відкриття, сприяла торгівлі, підвищувала безпекe життєдіяльності людства на протязі як мінімум минулі 3000 років, а карти є одними з найкрасивіших документів, що повідомляють про історію нашої цивілізації
(рис.В1.1).
Найбільш часто наші знання з області географії застосовуються до розв’язання повсякденних задач, таких як, пошук потрібної вулиці в незнайомому місті або обчислення найкоротшого шляху руху між об'єктами.
Як і багато аспектів нашого життя в останні десятиріччя, процес накопичення і використання просторових даних був сильно трансформований інтенсивним розвитком мікроелектроніки.
У другій половині минулого сторіччя людство інтенсивно розвивало
інструментальні засоби, названі географічними
інформаційними системами (ГІС), які покликані посприяти в
розширенні і поглибленні географічних знань.
Геоінформаційна система - це автоматизована система, що має велику кількість графічних і тематичних баз даних, пов'язана з модельними і розрахунковими функціями для маніпулювання ними
і перетворення в просторову картографічну інформацію для прийняття на її основі різноманітних рішень і здійснення контролю за ними.
Суть ГІС полягає в діяльності колективів фахівців
(картографів, математиків, програмістів, управлінців тощо) по збору, системній обробці, моделюванню і аналізу просторових даних, їх відображенню і використанню при розв’язанні розрахункових задач, підготовки і прийняття рішень.

7
Основним призначенням ГІС слід рахувати формування знань про Землю, окремих територіях, місцевості, об'єктах на місцевості, а також своєчасне доведення необхідних просторових даних численним користувачам з метою досягнення найбільшої ефективності їх роботи.
Рис.В.1. Рисунок із книги «Древняя Русь» Петрухіна В.
Одним з основоположних принципів створення
і функціонування ГІС є системний підхід. Він полягає в розгляді об'єкту дослідження як цілісної складної системи, що складається з ряду підсистем і має функціональні залежності і зв'язки як усередині системи, так і між її підсистемами. Системний підхід

8 забезпечує
єдність створення технічного, математичного,
інформаційного і лінгвістичного забезпечення, їх сумісність, визначає методи дослідження і проектування ГІС, її структуру
(рис.В.2).
Рис.В.2. Структура геоінформаційної системи
Сучасні підходи до створення систем управління рухом автомобільного транспорту допускають широке використання сучасних методів геодезичних вимірювань, в першу чергу GPS -
технологій. Супутникова радіонавігаційна система або, як вона ще називається, глобальна система визначення місцеположення GPS
(Global Position System) забезпечує високоточне визначення координат і швидкості об'єктів в будь-якій точці земної поверхні, у будь-який час доби, в будь-яку погоду, а також точне визначення часу.
Сучасні геоінформаційні системи (ГІС) є новим типом
інтегрованих інформаційних систем, які, з одного боку, включають методи обробки даних раніше існуючих автоматизованих систем
(АС), з другого - володіють специфікою в організації і обробці даних. Практично це визначає ГІС як багатоцільові, багатоаспектні системи.
Зокрема, як системи управління ГІС є новою основою автоматизованих систем управління (АСУ). Це обумовлює
Векторні дані
(карти)
Растрові дані
(сканіровані карти)
Растрові дані
(зображення)
Літерно -числові дані
Введення даних
Аналіз даних
Технічні засоби
і програми
Дані
Система технічних і програмних засобів
Збереження даних
(БД)
Виведен ня даних
Адміністрація
Планування
Застосування
Моніторинг
Виконання плану

9 підвищене значення ГІС - сучасного засобу організації багатьох видів виробництв.
Основу процесів обробки складає цифрове моделювання. Воно дозволяє здійснювати векторно-топологічне моделювання, буферизацію об'єктів, аналіз мереж, побудову цифрових моделей місцевості тощо.
У інструментальних системах підтримується набір моделей
(цифрових уявлень) просторових даних (векторна, топологічна і нетопологічна моделі, квадродерево, растрова модель, лінійні мережі) для введення даних, їх аналізу, моделювання і представлення.
ГІС нового покоління відрізняє орієнтація на призначені для користувача моделі даних з урахуванням предметної області і особливостей додатків. Їх моделі даних визначаються класами об'єктів, наборами атрибутів, розширеними можливостями реалізації запитів і операцій над об'єктами в порівнянні з попереднім поколінням.
Вони дозволяють обробляти геоінформаційні дані за розподіленою технологією, що підвищує гнучкість і продуктивність систем.
Як правило, модулі і додатки утворюють єдине призначене для користувача середовище інструментальних ГІС. До ядра підключаються тематично орієнтовані модулі, які доповнюються додатками для управління моделями даних, побудови цифрових моделей, обробки растрових зображень, виконання розрахунків, аналізу і проектування, організації інтерфейсів. При цьому є можливість підключення модулів, розроблених конкретним користувачем. Це підвищує універсальність систем і ефективність при розв’язанні нетипових задач.

10
Розділ 1. ПОЯВА І РОЗВИТОК ГІС
1.1. Поняття геоінформаційних систем
Дані, накопичувані про реальні об'єкти і явища нашого світу, в тій чи іншій мірі містять так звану "просторову" складову.
Просторовий аспект в інформації мають будівлі і споруди, земельні ділянки, водні, лісові і інші природні ресурси, транспортні магістралі і інженерні комунікації.
Не можна знайти реальний матеріальний об'єкт або подію, пов'язану з об'єктом, які б не мали координат на поверхні Землі, і які не можна б було відобразити на карті. Всім відомо, що карта - це дуже наглядний спосіб опису деякої території.
По кожному об'єкту, відображеному на цифровій карті, в пам'яті комп'ютера зберігається
атрибутивна
(описова)
інформація. Її можна обробити статистичними методами і відобразити результати такого аналізу безпосередньо "наклавши" їх на карту.
Існує багато визначень поняття ГІС. На наш погляд, найприйнятніші і придатні наступні два визначення.
Геоінформаційна
система
(ГІС)
-
автоматизована
інформаційна система, призначена для обробки просторово-
часових даних, основою інтеграції яких служить географічна
інформація.
Або іншими словами:
ГІC визначається як комплекс, що включає персонал,
технічні засоби програмне забезпечення і призначений для
введення, зберігання, обробки інформації про території
(об'єктах на території) з метою аналізу цієї інформації,
моделювання результатів аналізу і відображення отриманих
моделей при розв’язанні задач планування і управління (рис.1.1).
Аналіз місця ГІС серед інших автоматизованих систем дозволяє зробити висновок про те, що комплексна автоматизована обробка інформації в ГІС не має прямих аналогів з технологією обробки в інших автоматизованих системах. В той же час ГІС поєднує в собі на різних етапах перетворення інформації, обкатані елементи технологій інших систем (систем автоматизації проектування, експертних систем, а також автоматизованих систем

11 для наукових досліджень або управління виробництвом). Через це, в ГІС присутні властивості, властиві іншим автоматизованим системам.
Рис. 1.1. Схема геоінформаційної системи.
Інтеграція технологій в інформаційних системах передбачає не просте підсумовування відомих технологічних процесів і рішень, а отримання оптимальних технологічних рішень обробки інформації на основі відомих методів і розробки нових технологій.
Це досягається шляхом використовування різного спеціального математичного і програмного забезпечення, які з погляду науковості і технологічності взаємозв'язані.
У ГІС здійснюється комплексна обробка інформації - від її збору до зберігання, оновлення і представлення, у зв'язку з цим слід розглянути ГІС з різних позицій.
Як системи управління ГІС призначені для забезпечення прийняття рішень по оптимальному управлінню землями і ресурсами, міським господарством, по управлінню транспортом і роздрібною торгівлею, використовуванню океанів або інших просторових об'єктів. При цьому для прийняття рішень в числі
інших завжди використовують картографічні дані.
На відміну від АСУ в ГІС з'являється безліч нових технологій просторового аналізу даних. Через це ГІС служать могутнім засобом перетворення і синтезу різноманітних даних для задач управління.
Введення даних в БД
Вх
ід ні
д ан
і
(кар ти
, зн
імк и, ци ф
ро ві
д ан ні
)
Сховище даних
Дані в цифровому форматі
Перетворення і аналіз даних
Виведення готової продукції
(цифрові карти, друковані карти, атрибутивні дані

12
Як автоматизовані інформаційні системи ГІС об'єднують ряд технологій або технологічних процесів відомих інформаційних систем типу автоматизованих систем наукових досліджень (АСНД), систем автоматизованого проектування (САПР), автоматизованих довідково-інформаційних систем (АДІС) тощо. Основу інтеграції технологій ГІС складають технології САПР. Оскільки технології
САПР достатньо апробовані, це, з одного боку, забезпечило якісно більш високий рівень розвитку ГІС, з іншого - істотно спростило розв’язання проблеми обміну даними і вибору систем технічного забезпечення. Цим самим ГІС стали в один ряд з автоматизованими системами загального призначення типа САПР, АСНД, АДІС.
Як геосистеми ГІС включають технології (перш за все технології збору інформації) таких систем, як географічні
інформаційні системи (ГІС), системи картографічної інформації
(СКІ), автоматизовані системи картографування
(АСК), автоматизовані фотограметричні системи (АФС), земельні
інформаційні системи (ЗІС), автоматизовані кадастрові системи
(АКС) і т.п.
Як системи, що використовують бази даних, ГІС
характеризуються широким набором даних, які збираються за
допомогою різних методів і технологій. При цьому слід
підкреслити, що вони об'єднують в собі як бази даних звичайної
(цифрової) інформації, так і графічні бази даних. У зв'язку з
великим значенням експертних задач, що розв’язуються за
допомогою ГІС, зростає роль експертних систем, що входять до
складу ГІС.
Як системи моделювання ГІС використовують максимальну кількість методів і процесів моделювання, що використовуються в
інших автоматизованих системах.
Як системи отримання проектних рішень ГІС багато в чому застосовують методи автоматизованого проектування і вирішують ряд спеціальних проектних задач, які в типовому автоматизованому проектуванні не зустрічаються.
Як системи представлення інформації ГІС є розвитком
автоматизованих систем документаційного забезпечення (АСДЗ) з
використанням сучасних технологій мультимедіа. Це визначає
велику наглядність вихідних даних ГІС в порівнянні із звичними

13
географічними картами. Технології виведення даних дозволяють
оперативно одержувати візуальне представлення картографічної
інформації з різними навантаженнями, переходити від одного
масштабу до іншого, одержувати атрибутивні дані в табличній
або графічній формі.
Як інтегровані системи ГІС представляють собою приклад об'єднання різних методів і технологій в єдиний комплекс, створений при інтеграції технологій на базі технологій САПР і
інтеграції даних на основі географічної інформації.
Як прикладні системи ГІС не мають собі рівних за широтою вживання, оскільки використовуються на транспорті, в навігації, геології, географії, військовій справі, топографії, економіці, екології і т.д. Завдяки широким можливостям ГІС на їх основі
інтенсивно розвивається тематичне картографування.
Як системи масового користування ГІС дозволяють застосовувати картографічну інформацію на рівні ділової графіки, що робить їх доступними будь-якому школяреві або бізнесмену, не тільки фахівцю географу. Саме тому при прийнятті рішень на основі ГІС - технологій не завжди створюють карти, але завжди використовують картографічні дані.