Учебная дисциплина«Геоинформационные системы»

(презентация лекций)

Казанский государственный технический университет им. А.Н.ТуполеваИнститут радиоэлектроники и телекоммуникаций

Кафедра радиоэлектронных и телекоммуникационных систем

Казань, 2009 г.

Курс лекций

В курсе лекций даны основные понятия геоинформационных систем. Рассмотрены вопросы организации информации в ГИС, представление графической и тематической информации в геоинформационных системах. Описаны инструментальные ГИС.

Особое внимание уделено проектированию телекоммуникационных сетей на основе геоинформационных технологий. Рассмотрены этапы частотно-территориального планирования, преимущества использования геоинформационных технологий при планировании сетей, модели распространения радиоволн, используемые в ГИС. Описаны специализированные ГИС, ориентированные на решение задач в области телекоммуникаций.

Лекция 1.

В последние годы во всем мире, в том числе и в России происходит внедрение геоинформационных технологий различного уровня. Во всех областях, где осуществляется учет и управление территориями, необходима пространственная информация, представленная в цифровом виде. Процессы управления территориальными объектами осуществляются с использованием картографического материала. На современном этапе развития картографического производства и представления продукции широко используются геоинформационные технологии.

Тема 1. Введение 1/4ч (ауд/срс).Предмет и задачи курса. Роль и значение курса для радиоинженера. Учебная литература.

Лекция 1.

Телекоммуникации сейчас представляют один из наиболее динамичных и быстро растущих сегментов рынка для распространения геоинформационных технологий. Всю сферу телекоммуникаций с точки зрения применения геоинформационных систем (ГИС) можно разделить на две области:

1). Радиосвязь и сотовая телефония, в которой решаемые задачи связаны с определением территорий покрытых радиосигналом, для обслуживания произвольно расположенных абонентов. Эта область имеет особую специфику с точки зрения применения ГИС и именно в этой области происходит активное внедрение ГИС технологий.

2). Существующие сети, соединяющие, как правило, неподвижных абонентов. Это и магистральные линии связи, и обычная телефония, образующая сложнейшие по конфигурации и количеству элементов сети. Вторая область с точки зрения использования ГИС технологий имеет много общего с другими инженерными сетями. Хотя и в ней, разумеется, имеется определенная специфика, например, гораздо большая сложность устройств коммутации, динамичное состояние сети, высокая степень использования компьютерных технологий [20].

Лекция 1.

Рассмотрим основные типы задач, предполагающих применение ГИС технологий в области телекоммуникаций.

Планирование телекоммуникационной сети. При решении данной задачи необходимо провести подробный анализ расположения потенциальных клиентов будущей сети, спроса на предлагаемые услуги компании, осуществить прогноз дальнейшего развития. Для этого требуется обработать огромный объем пространственно распределенных данных. Использование цифровой картографической основы с тематическими слоями и сопутствующей информацией, хранящейся в базе данных, с удобным доступом к ней при планировании способствует повышению оперативности и обоснованности принимаемых решений.

Лекция 1.

Проектирование телекоммуникационной сети. После проведения планирования и оптимизации инвестиций наступает период инженерного проектирования сети, который включает в себя:

•выбор местоположения для радиопередающих станций (РПС), ретрансляторов с соответствующими расчетами зон обслуживания и зон помех;

•определение оптимального маршрута прокладки кабеля с учетом расположения улиц, шоссейных и железных дорог, различных подземных коммуникаций, а также данных о собственниках земельных участков и т.д.;

•определение оптимального расположения радиорелейных линий с учетом рельефа местности и подстилающей поверхности.

Лекция 1.

При решении задач оптимального размещения РПС, на планируемой территории необходимо учитывать влияния земной поверхности и местных предметов на распространение радиоволн. Препятствием могут быть как естественные элементы инфраструктуры города (неровности рельефа местности, деревья), так и искусственные (здания, мачты, башни, транспорт и т.д.). Применение электронных карт и ГИС технологий на этом этапе значительно упрощает получение исчерпывающей информации о любом из множества распределенных, и сложно связанных с окружающей обстановкой и между собой объектов, позволяет провести расчет зоны обслуживания с учетом рельефа местности и подстилающей поверхности, повышает качество результатов расчета, уменьшает затраты.

Лекция 1.

Обслуживание клиентов. Эта задача в свою очередь может быть разбита на ряд подзадач, в решении которых необходимо применение ГИС:

•анализ работы сети и качества обслуживания ее клиентов;•обеспечение взаимодействия с другими

телекоммуникационными сетями;•обеспечение взаимодействия с территориальными службами и

Россвязьнадзором;•анализ соответствия границ обслуживаемой области и

приходящейся на нее рабочей нагрузки, переопределение областей; прогнозирование;

•прогнозирование спроса на услуги для дальнейшего развития сети.

Решение вышеизложенных подзадач подразумевает использование карты существующей и планируемой сети с информацией об ее объектах, размещении потенциальных клиентов, динамике спроса в различных административных территориальных единицах и т.п.[20]

Лекция 1.

1.1. Что такое ГИС?Необходимость проанализировать географическое

расположение объектов, их количественные и качественные характеристики при помощи карты возникает у представителей разных профессий. Прежде всего, это управляющие структуры. Геоинформационные системы создаются на стыке нескольких наук, обычно цифровой картографии и автоматизированных систем управления, планирования и научных исследований по отраслям наук. ГИС объединяют информацию, содержащуюся на общегеографических картах и планах с экологическими, кадастровыми и другими данными в зависимости от назначения ГИС.

Тема 2. Общее понятие о геоинформационных системах 3/5ч (ауд/срс).Что такое ГИС? Составные части ГИС. История развития ГИС. Источники данных для геоинформационных систем.

Лекция 2.

1.2. Составные части ГИСЛюбая ГИС работает с базами данных (БД) двух типов –

графическими и тематическими. В графических БД хранится информация о расположении и очертании географических объектов, а в тематических БД – информация о количественных или качественных характеристиках объектов и связях между ними. Оба вида баз представляют собой файлы цифровых данных. Для работы с этими данными ГИС должна иметь систему управления базами данных (систему управления графическими БД (СУГБД) и систему управления тематическими БД (СУТБД)), при помощи которой производится поиск, сортировка, добавление и исправление информации в базах данных (рис.1.1). Кроме системы управления базами данных любая ГИС имеет систему визуализации данных, выводящую на экран имеющуюся информацию в виде карт, таблиц, схем и т.п., и систему анализа данных, при помощи которой происходит обработка и анализ информации [19].

Лекция 2.

Лекция 2.

1.3 История развития ГИСИнформатизация коснулась сегодня всех сторон жизни

общества, и трудно, пожалуй, назвать какую-либо сферу человеческой деятельности - где не ощущалось бы ее мощное воздействие. В науках о Земле информационные технологии породили геоинформатику и географические информационные системы ГИС, причем слово "географические" обозначает в данном случае не столько "пространственность" или "территориальность", а скорее комплексность и системность исследовательского похода [4].

Начало развития геоинформационных систем относится к концу 60-х годов. В 1963-1971гг. под руководством Р. Томплинсона в Канаде была создана крупная универсальная региональная геоинформационная система CGIS. В это же время велись работы шведской школы геоинформатики.

Лекция 2.

Первые геоинформационные системы были ориентированны на задачи инвентаризации земельных ресурсов, земельного кадастра и учета в интересах совершенствования системы налогообложения, решаемые путем автоматизации земельно-учетного документооборота. Основная функция ГИС состояла в воде в машинную среду первичных учетных документов для хранения и регулярного обновления данных, включая агрегацию данных и составление итоговых отчетов статистических табличных документов. В этот период сформировалось понятие пространственных объектов, описываемых позиционными и непозиционными атрибутами. Оформились две альтернативные линии представления - растровые и векторные, включая топологические линейно-узловые представления. Чуть позже создана технология массового цифрования карт - основного источника данных в ГИС. Поставлены и решены задачи, образующие ядро геоинформационных технологий: наложения (оверлей) разноименных слоев, генерация буферных зон и иные операции манипулирования пространственными данными, включая определения принадлежности точки полигону, а также операции вычислительной геометрии.

Лекция 2.

Функциональная ограниченность ГИС первого поколения имела чисто технические причины. Неразвитость периферийных устройств, пакетный режим обработки данных (без дисплея), критичность вычислительных ресурсов и времени вычисления задач. Ядро ГИС было сформировано в конце 60-х, определив облик ГИС первого поколения.

Для 70-х годов характерно тесное взаимодействие методов и средств геоинформатики с цифровыми методами картографирования и автоматизированной картографией. В Гарвардском университете была создана компьютерная программа построения карт. ГИС в современном их понимании развивались на базе информационно-поисковых систем, позднее приобретая функции картографических банков данных с возможностью моделирования и анализа данных. К этому периоду относится быстрый прогресс геоинформационных технологий в США.

Лекция 2.

1.4 Источники данных геоинформационных систем и их типы

В геоинформатике в качестве источников данных широко используются картографические, статистические и аэрокосмические материалы. Помимо указанных материалов гораздо реже используются данные специально проводимых полевых исследований и съемок, а также текстовые источники.

Для формирования тематических структур баз данных удобно и эффективно использовать географические карты, т.к. сведения, считанные с карт, обладают следующими достоинствами:

•имеют четкую территориальную привязку;•в них нет пропусков, “белых пятен” в пределах изображаемой

территории;•они в любой своей форме возможны для записи на машинные

носители информации.Картографические источники отличаются большим

разнообразием кроме общегеографических и топографических карт насчитываются десятки и даже сотни типов различных тематических карт.

Лекция 2.

Среди источников данных особое место занимает государственная статистика. Основное ее предназначение - дать представление об изменениях в народном хозяйстве, составе населения, уровне его жизни, развитии культуры, учете недвижимости, наличии материальных резервов и их использовании, соотношении в развитии различных отраслей хозяйства и др. Для получения государственной статистики на территории страны обычно используется единая методика ее сбора. В России кроме Госкомстата страны эту работу проводят также некоторые отраслевые министерства, например Министерство путей сообщения о железнодорожном транспорте и т.д. Статистическая отчетность различается по периодичности, она может быть суточной, недельной, полумесячной, квартальной, полугодовой и годовой. Кроме того, отчетность может быть и единовременной. Для упорядочения всей совокупности данных государственной службой определены показатели по отраслям статистики.

Лекция 2.

Лекция 3.

В настоящее время на рынке представлено несколько видов систем, работающих с пространственно распределённой информацией:

• системы автоматизированного проектирования (Computer-Aided Design (САD));

• системы автоматизированного картографирования (Automated Mapping (АМ));

• системы управления сетями (Facilities Management (FM));• геоинформационные системы.

Тема 3. Развитие, классификация и проблемы выбора ГИС 4/12ч (ауд/срс).Системы автоматизированного проектирования. Системы автоматизированного картографирования. Системы управления сетями. Системы мелкомасштабного пространственного анализа. Классификация ГИС по функциональным возможностям. Архитектура ГИС.

Лекция 3.

Лекция 3.

2.1. Системы автоматизированного проектирования

САD-системы – это системы для автоматизированного проектирования с использованием средств машинной графики. Эти системы работают только с техническими чертежами. В процессе проектирования передача информации происходит как правило, с помощью чертежей, графиков и диаграмм.

Преимущества применения систем автоматизированного проектирования перед традиционным черчением:

• быстрое выполнение чертежей (в среднем в 2,5-3 раза быстрее);

•повышение точности выполнения чертежей за счёт более детального просмотра любого элемента чертежа в произвольном масштабе;

• улучшение качества чертежей за счёт возможности быстрого внесения исправлений без ухудшения качества конечного продукта;

• возможность многократного копирования полностью чертежа или его части.

Лекция 3.

К системам автоматизированного проектирования относятся: DataCAD, AutoCAD, MaxiCAD, CAD-KEY-3, DesignCAD 3D, MegaModel и др.

Причины непригодности систем автоматизированного проектирования для решения задач, стоящих перед ГИС:

• CAD–системы неспособны обеспечить работу с пространственной информацией и в частности с картой. Главной причиной этого является использование условной декартовой системы координат для описания элементов чертежа и манипуляция только с геометрическими объектами (кругами, эллипсами, цилиндрами, кубами и т.п.), а не с реальными объектами;

•отсутствие в CAD-системах семантической или тематической части в описании объектов, следовательно, решение задач анализа практически невозможно.

Лекция 3.

2.2. Системы автоматизированного картографирования

AM–системы - это программные продукты, специально предназначенные для профессионального производства карт. Они позволяют создавать качественные стандартные карты типа морских навигационных, политических или топографических, где все элементы содержания известны заранее, хранятся в специальных библиотеках, содержащих сам символ и его код, и работа специалиста сводится к контролю за их правильным нанесением на создаваемую карту. Профессиональные системы автоматизированного картографирования позволяют в конечном итоге получить продукт, качество которого не уступает типографскому. В АМ-системах регламентируются все, вплоть до заливок, штриховок, видов и размеров шрифтов. Изображение наносится в строгом соответствии с принятыми условными знаками. Такой подход позволяет быстро создавать стандартные карты при очень хорошем качестве получаемого продукта.

Лекция 4.

2.3. Системы управления сетями

FM-системы (водопровод, трубопровод, энергетические и телефонные сети и.т.д.) – это системы управления пространственно распределёнными объектами, с каждым из которых связана существующая содержательная информация.

Следует отметить, что для решения большинства задач сетевого управления не важно действительное положение объектов в пространстве. Однако, в последнее время расширение функций этих систем не только функциями управления сетевыми объектами, но и задачами проектирования и эксплуатации привело к необходимости точной координатной привязки сетей и совместному использованию этой информации с другой пространственной информацией, определяющей взаимное положение и влияние объектов реального мира (сетей, зданий, сооружений и т.д.)

Лекция 4.

2.4. Системы мелкомасштабного пространственного анализа

Эти системы связаны, прежде всего, с задачами природопользования, а также территориального планирования и управления. В России такого рода системы появились впервые в организациях геологического и географического профиля.

Именно с системами пространственного анализа связаны два подхода к построению геоинформационных систем – растровый и векторный. В основе растровых систем лежит регулярное описание территорий. Вся анализируемая территория покрывается ячейками регулярного территориального деления, которым приписываются значения количественных или качественных характеристик. Такого рода описание территорий позволяет определить взаимосвязи явлений, производить построение буферных зон и т.д. В основе векторных систем лежит объёмное представление информации.

Лекция 4.

2.5 Классификация ГИС по функциональным возможностям

Можно выделить три группы ГИС:

1). Это мощные ГИС, ориентированные на рабочие станции или мощные персональные компьютеры и сетевую эксплуатацию системы, обрабатывающие колоссальные объёмы информации, имеющие разнообразные средства ввода и вывода, развитые средства документирования, которые позволяют создавать карты, работают в многооконном режиме, допускают настройку меню, обладают встроенными языками программирования различных уровней сложности, позволяют написание пользовательских приложений на языках высокого уровня (С, PASCAL).

Представителями этого класса являются геоинформационные системы фирм: INTERGRAPH, ESRI (Институт исследования систем окружающий среды), GDS.

Лекция 4.

2). Настольные ГИС. Они обладают несколько меньшими возможностями и предназначены для решения в первую очередь научных задач, но могут быть использованы и в задачах управления. В этих системах не ставится столь жестких требований к качеству и разнообразию средств визуализации, объёмам обрабатываемой информации, защите информации и её сохранности.

Представители: MapInfo, AtlasGis, WINGIS, GEOGRAPH/GEОDRAW, ARCINFO, АRCVIEW, Панорама и другие.

3). Система домашнего и информационно- справочного использования.

Это наиболее закрытые системы, которые либо не допускают вовсе внесения изменений в информацию или допускают незначительное её изменение (например, редактирования записей в базе данных или внесение новых записей). Это дешёвые системы, которые предъявляют очень скромные требования к персональным компьютерам. Представителями таких систем являются системы фирм Хорис (Санкт-Петербург), M-City(Москва).

Лекция 4.

2.6 Виды архитектуры ГИС

Все геоинформационные системы по своей архитектуре делятся на два вида: инструментальные и специализированные.

Инструментальные (открытые) ГИС. Системы этой категории обычно имеют от 70% до 90% встроенных функций и на 10-30% могут быть достроены самими пользователями при помощи специального аппарата создания приложений. Термин «открытые» - означает открытость для пользователя, легкость приспособления, расширения, изменения, адаптацию к новым форматам, изменившимся данным и т.д. Эти системы обычно дороги первоначально, но имеют большой жизненный цикл.

Специализированные (проблемные, закрытые) ГИС направлены на решение одной проблемы. Они не имеют возможности расширения, у них отсутствуют встроенные языки, не предусмотрено написание приложений, т.е. они выполняют только то, что выполняют на момент их покупки. Эти системы имеют низкие цены и короткий жизненный цикл.

Лекция 5.

3.1. Понятие объекта

Данные, встречающиеся на карте, представляют собой связанные объекты. Каждый объект может быть описан одним или несколькими геометрическими примитивами и атрибутами. К геометрическим примитивам, прежде всего, относятся (риc.3.1):

•точки (узлы, вершины);•линии (незамкнутые линии, контура(замкнутые линии);•площади.

Тема 4. Организация информации в ГИС 4/12ч (ауд/срс).Понятие объекта. Понятие слоя. Системы координат и проекции, используемые в ГИС.

Лекция 5.

Совокупность примитивов и атрибутов образует простой объект. Совокупность простых объектов образует сложный или составной объект [19].

Лекция 5.

Точечные объекты – простейший тип пространственного объекта. В этом случае точечные объекты представляются в виде записей, содержащих три числа: уникальный номер объекта (идентификатор) и две его координаты. Выбор объектов, представляемых в виде точек, зависит от масштаба карты и решаемых задач. Например, на крупномасштабной карте точками называются отдельные строения, а на мелкомасштабной карте – города (населенные пункты). На рисунке 3.2 приведено описание и вид точечного объекта (телерадиовещательной станции).

Лекция 5.

Лекция 5.

Линейные объекты – имеют вид ломаной линии. Помимо идентификатора, запись в базе данных должна содержать координаты точек, образующих ломаную, а также признак окончания записи (число точек в линии, специальный набор символов и т.д.). Линейные объекты применяются для описания сетей (дороги, реки и т.д.). На рисунке 3.3 приведено описание и вид линейного объекта (река).

Лекция 5.

Лекция 5.

Площадные объекты – представляются в виде замкнутой ломаной линии, являющейся границей этого объекта (социально-экономические зоны, зоны покрытия базовых станций, данные об угодьях, микрорайоны и т.д.). На рисунке 3.4. приведено описание и вид площадного объекта (зона действия телерадиовещательной станции).

Лекция 5.

Лекция 5.Атрибуты – это прежде всего числовые или символьные

характеристики, содержащиеся в базе данных, они могут относится как к самим примитивам, так и к объектам. Данные, хранящиеся в атрибутах этих видов, принадлежат, как правило, к целым, вещественным и символьным типам. Например, атрибуты для телерадиовещательной станции можно задать следующим образом (табл. 3.1)

Лекция 5.

По мере развития геоинформационных систем разнообразие используемых атрибутов увеличивается. Многие ГИС используют атрибуты «действия» или «поведения», т.е. функции должны быть выполнены при определенных условиях (например, оценка радиуса зоны покрытия при выборе телерадиовещательной станции).

Все объекты и примитивы имеют свой номер или идентификатор, при помощи которого можно привязать к графической информации тематическую. Использование идентификаторов открывает широкие возможности для просмотра и анализа. Пользователь может указать на объект, например, курсором, и система определит его идентификатор, по которому найдет относящиеся к объекту одну или несколько баз данных, и наоборот, по информации в базе данных можно определить графический объект (рис. 3.5).

Лекция 5.

Лекция 6.

3.2 Понятие слоя

Совокупность точек, линий, площадей образует цифровое представление карты. Карта во многих системах логически организована как набор слоев информации. Слой составляют объекты, объединенные одной темой.

Слой – это элемент проекта, состоящий из объектов, обладающих некоторыми общими признаками. Примеры слоев: гидрография (рис.3.6), слой населенных пунктов (рис.3.7), слой жилых зданий, слой «зона радиовидимости» (рис.3.8) и т.п. Слой может содержать объекты как одного типа, так и нескольких. В разных геоинформационных системах принципы формирования слоев могут отличаться. Каждый слой имеет свои атрибуты. Важной особенностью векторных ГИС является то, что они обладают гибкой структурой отображения слоев на экране компьютера или при печати.

Лекция 6.

Лекция 6.

Лекция 6.

Лекция 6.

3.3. Системы координат и проекции, используемы в ГИС

Все объекты земной поверхности, представляемые на карте, являются двумерными, т.е. задаются координатами . Картографическая информация может поступать с карт, имеющих различные системы координат. Свои системы координат имеют также дигитайзеры. Поэтому актуальной проблемой ГИС является преобразование координат в некую единую систему.

Картографируемая поверхность Земли имеет сложную форму (рис.3.9). Эту поверхность называют геоидом. Геоид – это поверхность, совпадающая в океане с невозмущенной поверхностью воды, мысленно продолженной под материками таким образом, чтобы направления отвесных линий пересекали эту поверхность во всех точках под прямым углом. Данная поверхность является непрерывной, замкнутой, всюду выпуклой. Поскольку фигура геоида зависит от неизвестного распределения масс внутри Земли, то она, строго говоря, неопределима [10].

Лекция 6.

Лекция 6.

Для того чтобы отобразить поверхность Земли, необходимо от физической поверхности перейти к математической, которая наиболее близка к физической (геоиду) поверхности и может быть описана уравнениями. В математической картографии [5] в качестве модели поверхности Земли используют эллипсоид вращения (иногда сферу), малая ось которого совпадает с осью вращения Земли. Допущение, что Земля является сферой, возможно для мелкомасштабных карт (для карт, масштаб которых мельче 1:5000000) - в этом масштабе разница между сферой и эллипсоидом не различима по карте. Для получения точности на крупномасштабных картах (крупнее масштаба 1:1000000) необходимо использовать эллипсоид вращения.

Лекция 6.

Лекция 6.

Широко используется геоцентрический датум, центр, которого совпадает с центром масс Земли. Наиболее поздней его версией является Геодезическая система мира 1984 года (WGS84 - World Geodetic System of 1984). Локальные датумы разработаны для Северной Америки, Европы, Австралии, Новой Зеландии, Аляски и других областей. Датум обеспечивает относительную систему для измерения параметров местоположений на поверхности Земли, он задает начало отсчета и ориентацию для линий широты и долготы. В России для проведения геодезических работ используется референц - эллипсоид, получивший название эллипсоида Кросовского (большая полуось , малая полуось ).

Лекция 6.

Рассмотрим сначала, как описывается положение объекта на поверхности Земли в географической системе координат, а затем перейдем к проблеме проектирования трехмерной поверхности на плоскость. В географической системе координат используют координатную сетку, образованную параллелями и меридианами (рис.3.11).

Лекция 6.

Параллели - это линии, образованные пересечением поверхности эллипсоида плоскостями, проходящими перпендикулярно полярной оси (оси, соединяющей два полюса).

Меридианы – это линии образованные пересечением поверхности эллипсоида плоскостями, проходящими через полярную ось.

Для измерения координат в описанной системе необходимо назначить точку отсчета, т.е. определить линии нулевой широты и долготы. Нулевой линией широты считается параллель, расположенная посередине между полюсами (экватор), а нулевым меридианом назначен тот, что проходит через обсерваторию г. Гринвич в Великобритании. На рисунке 3.11 они показаны более жирными линиями. Положение объекта на поверхности Земли в рассматриваемой системе координат описывается двумя угловыми координатами – широтой и долготой (рис.3.12).

Лекция 7.

Широта – это угол между отвесной линией в данной точке и плоскостью экватора, отсчитываемый от 0 до 90° в обе стороны от экватора. Широты от 0 до 90° к северу от экватора называют северными, к югу – южными.

Долгота – это угол между плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, и плоскостью начального меридиана. Долготы от 0 до 180° к востоку от начала меридиана называют восточными, к западу – западными.

Лекция 7.

Для определения положения точки в трехмерном пространстве нужно задать ее третью координату, которой в геодезии является высота. В нашей стране счет высот ведется от уровневой поверхности, соответствующей среднему уровню Балтийского моря; эта система высот называется Балтийской.

При отображении объектов на плоскости в геоинформационных системах применяют системы прямоугольных и полярных координат.

Систему плоских прямоугольных координат образуют две взаимно перпендикулярные прямые линии, называемые осями координат; точка их пересечения называется началом системы координат. Положение точки в прямоугольной системе однозначно определяется двумя координатами и ; координата выражает расстояние точки от оси , координата - расстояние от оси (рис.3.13). Значения координат бывают положительные (со знаком " + " ) и отрицательные (со знаком " - ") в зависимости от того, в какой четверти (квадранте) находится искомая точка.

Лекция 7.

Положение любой точки в полярной системе определяется двумя координатами: радиусом-вектором - расстоянием от начала координат до точки, и углом β, образованным осью и радиусом вектором точки и отсчитываемым от оси по ходу часовой стрелки (рис. 3.14).

Лекция 7.

Лекция 7.

Картографические проекции – это математические способы изображения на плоскости поверхности земного эллипсоида или сферы. Картографические проекции определяют зависимость между координатами точек на поверхности земного эллипсоида и плоскости. Картографические проекции строятся в определённом масштабе. Уменьшая мысленно земной эллипсоид в раз, например в раз, получают его геометрическую модель - глобус, изображение которого уже в натуральную величину на плоскости даёт карту поверхности этого эллипсоида. Величина (в примере ) определяет главный, или общий масштаб карты.

Лекция 7.

•Равноугольные проекции (конформные) – это картографические проекции, передающие на картах углы без искажений и сохраняющие в каждой точке постоянный масштаб по всем направлениям, хотя в разных местах карты масштаб различен (масштаб зависит только от положения точки и не зависит от направления). Используются для построения крупно- и среднемасштабных карт (примеры: проекция Меркатор; стереографическая проекция).

•Равновеликие проекции (эквивалентные) – это картографические проекции, которые не искажают площадей, но в них искажены углы и формы объектов.

•Произвольные проекции – это картографические проекции, которые имеют искажения углов, площадей и длин, но эти искажения распределены по карте (например, минимальные искажения имеются в центральной части и возрастают к краям). К произвольным проекциям относятся равнопромежуточные проекции – это картографические проекции, у которых искажения длин отсутствуют по одному из направлений вдоль меридиана или вдоль параллели.

Лекция 7.

Лекция 7.

Лекция 7.

Лекция 7.

Лекция 7.

Лекция 8.

4.1. Растровая модель представления данных. Стандартные форматы

Растровые данные получаются как фотография, в виде отдельных точек, которыми манипулируют компьютерные программы. Растровые данные применяются в основном там, где пользователей не интересуют отдельные пространственные объекты, а интересует точка пространства как таковая с ее характеристиками.

Тема 5. Графическая информация в ГИС 4/10ч (ауд/срс).Растровая модель представления данных, стандартные форматы. Векторная модель представления данных, стандартные форматы. Способы представления изображений. Триангуляция Делоне. Способы ввода графической информации в ГИС.

Лекция 8.

4.2. Векторная модель представления данных. Стандартные форматы

Векторные данные исторически используются в большинстве ГИС и CAD-системах для представления информации, которая имеет объектную природу и нуждается в анализе и манипулировании. Как показывает название, они хранятся в виде точек и линий, связанных геометрически и математически. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат . Местоположение точечного объекта, например, базовой станции телекоммуникационной сети, описывается парой координат . Линейные объекты, такие как коаксиальные линии передач, сохраняются как наборы координат . Полигональные объекты, типа зон видимости базовых станций, хранятся в виде замкнутого набора координат.

Лекция 8.

4.3.Способы представления изображений

Вопрос эффективного способа представления изображений некоторой структурой данных остается актуальным в течение долгого времени. Ответ на данный вопрос всегда является неким компромиссом между объемом памяти, необходимым для представления изображения и временем доступа к элементам изображения.

Одной из наиболее изученных и хорошо зарекомендовавших себя структур данных для представления двумерных изображений является квадротомическое дерево или квадродерево. Благодаря естественной иерархической структуре и способу организации квадродеревья сочетают в себе значительную экономию объемов памяти с эффективностью доступа к элементам изображения. Идеология квадродеревьев применяется не только для представления растровых изображений, но и используется для эффективной организации больших баз любых пространственных данных, состоящих как из растровых, так и векторных изображений.

Лекция 8.

Квадротомическое дерево – это структура данных, используемая для представления двумерных пространственных данных. Существует несколько типов квадродеревьев в зависимости от базового типа данных (точки, площади, кривые, поверхности или объемы). Наиболее общим типом квадродерева и примером использования является квадродерево растрового изображения (рис.4.1.а). Далее, для конкретности, под пространственными данными везде будем понимать растровое изображение.

Лекция 8.

Лекция 8.

Лекция 8.

Лекция 9.

Важной составной частью ГИС являются базы данных (БД), в которых содержится тематическая информация. Базами данных называют электронные хранилища информации, доступ к которым осуществляется с помощью одного или нескольких компьютеров.

В ГИС применяют разные подходы к использованию СУБД: часть ГИС реализуют собственные встроенные системы управления базами данных (СУБД), другие пользуются готовыми системами, такими как PARADOX, dBASE и др., третьи применяют смешанный способ – внутренние СУБД, пока общий объем баз не превысит определенной величины, и СУБД, предназначенные для больших объемов данных (ORACLE, Informix, SyBase, Ingress, DB2), если информации очень много.

Тема 6. Тематическая информация в ГИС 4/12ч (ауд/срс).Системы управления базами данных. Основные функции систем управления базами данных. Компоненты систем управления базами данных. Геокодирование. Тематическое картографирование.

Лекция 9.

5.1. Системы управления базами данных

Системы управления базами данных – это программные средства, предназначенные для создания наполнения, обновления и удаления баз данных. В зависимости от расположения СУБД различают локальные и распределенные (удаленные) СУБД. Все части локальной СУБД размещаются на компьютере пользователя базы данных. Если к одной БД обращаются несколько пользователей одновременно, каждый пользовательский компьютер должен иметь свою копию локальной СУБД. В отличие от этого значительная часть программно-аппаратных средств распределенной СУБД централизована и находится на одном достаточно мощном компьютере (сервере), в то время как компьютеры пользователей несут относительно небольшую часть СУБД, которая называется клиентом.

Лекция 9.

Лекция 9.

5.2. Основные функции систем управления базами данных

Рассмотрим основные функции СУБД.

1. Непосредственное управление данными во внешней памяти. Эта функция включает обеспечение необходимых структур внешней памяти как для хранения данных, непосредственно входящих в БД, так и для служебных целей, например, в некоторых случаях для убыстрения доступа к данным. В некоторых реализациях СУБД активно используются возможности существующих файловых систем, в других работа производится вплоть до уровня устройств внешней памяти.

Лекция 9.

2. Управление буферами оперативной памяти. СУБД работают с базами данных значительного размера, причем, этот размер обычно существенно больше доступного объема оперативной памяти. Понятно, что если при обращении к любому элементу данных будет производиться обмен с внешней памятью, то вся система будет работать со скоростью устройства внешней памяти. Практически единственным способом реального увеличения этой скорости является буферизация данных в оперативной памяти. В развитых СУБД поддерживается собственный набор буферов оперативной памяти с собственной дисциплиной замены буферов.

3. Управление транзакциями. Транзакция - это последовательность операций над базой данных, рассматриваемых СУБД как единое целое. Если транзакция успешно выполняется, то СУБД фиксирует изменения БД, произведенные этой транзакцией, во внешней памяти. Если нет, то ни одно из этих изменений никак не отражается на состоянии БД. Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД.

Лекция 9.

4. Журнализация. Одним из основных требований, предъявляемых к СУБД, является надежность хранения данных во внешней памяти, т.е. СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя. Обычно рассматриваются два возможных вида аппаратных сбоев: так называемые мягкие сбои, которые можно трактовать как внезапную остановку работы компьютера, и жесткие сбои, характеризуемые потерей информации на носителях внешней памяти. Примерами программных сбоев могут быть: аварийное завершение работы СУБД (по причине ошибки в программе или в результате некоторого аппаратного сбоя) или аварийное завершение пользовательской программы, в результате чего некоторая транзакция остается незавершенной. Первую ситуацию можно рассматривать как особый вид мягкого аппаратного сбоя; при возникновении последней требуется ликвидировать последствия только одной транзакции.

Лекция 10.

5. Поддержка языков БД. Для работы с базами данных используются специальные языки, называемые командными языками баз данных. В ранних СУБД поддерживалось несколько специализированных по своим функциям языков. Чаще всего выделялись два языка - язык определения схемы БД (SDL - Schema Definition Language) и язык манипулирования данными (DML - Data Manipulation Language). SDL служил главным образом для определения логической структуры БД, т.е. той структуры БД, какой она представляется пользователям. DML содержал набор операторов манипулирования данными, т.е. операторов, позволяющих заносить данные в БД, удалять, модифицировать или выбирать существующие данные. В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный командный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД, начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время реляционных СУБД является язык SQL (Structured Query Language).

Лекция 10.

5.3. Компоненты систем управления базами данных

В состав большинства СУБД входит три основных компонента: командный язык, интерпретирующая система или компилятор для обработки команд и интерфейс пользователя.

Командный язык служит для выполнения требуемых операций над данными. Он позволяет манипулировать данными, создавать прикладные программы, оформлять на экране и печатать формы ввода и вывода информации и т.п. Возможности СУБД в значительной степени определяются структурой и возможностями ее командного языка.

Лекция 10.

5.4. Геокодирование

При решении различных прикладных задач с помощью ГИС нередко возникает задача размещения на карте объектов, построенных на основе информации, заданной в виде таблицы. В простейшем случае такая таблица может в явном виде содержать координаты некоторых точек, в которых требуется разместить объекты. В более сложных случаях, помимо исходной таблицы, может использоваться и другая информация, имеющаяся в ГИС, такая как координаты существующих объектов и табличная информация об объектах.

Лекция 10.

5.5. Тематическое картографированиеПод тематическим картографированием понимают комплекс

мероприятий и процессов по созданию тематических карт и атласов. В качестве разделов тематического картографирования выделяют:

•картографирование природы: геологическое, климатическое, почвенное, геоботаническое и др.;

•картографирование общества: населения, хозяйства, историческое и др.;

•картографирование взаимодействия природы и общества: инженерно-геологическое, экологическое, природоохранное и др.

По практической специализации тематическое картографирование может быть инвентаризационным, оценочным, прогнозным, рекомендательным, а по уровню обобщения - аналитическим, комплексным и синтетическим. Наибольшая синтетичность и разносторонность присуща системному картографированию.

Лекция 10.

Лекция 10.

Лекция 11.

Инструментальные пакеты программного обеспечения в отличие от жестко функциональных систем позволяют настраивать систему с учетом особенностей работы, вида информации, методов ее обработки, хранения и представления.

В большинстве инструментальных ГИС осуществляется комплексная обработка информации - от сбора данных до ее хранения, обновления и представления. Такие системы относятся к классу полных. Они включают технологии сбора информации, используют максимальное количество методов моделирования, автоматизированного проектирования и решают ряд специальных проектных задач, которые в типовом автоматизированном проектировании не встречаются [19].

Тема 7. Инструментальные ГИС 5/12ч (ауд/срс).Программные продукты фирмы INTERGRAPH. Программные продукты фирмы ESRI. Система Atlas GIS. Система WinGIS. Система MapInfo. Система GeoGraph/GeoDraw. ГИС «ПАНОРАМА».

Лекция 11.

В последнее время более 100 организаций и фирм распространяют в России зарубежные системы для создания ГИС-технологий. Эти системы отличаются как назначением, так и требуемыми ресурсами. Среди современных ГИС особо выделяются системы фирм INTERGRAPH, ESRI, GDS и др. Это мощные системы, созданные первоначально для рабочих станций и сетевого использования. Такие системы поддерживают многочисленные приложения. Они включают блоки цифрования картографического материала в различных режимах, работают с большим количеством внешних устройств, имеют многооконный режим, допускают настройку меню, позволяют встраивать пользовательские программы на языках высокого уровня. Рассмотрим структуру и основные возможности различных инструментальных ГИС.

Лекция 11.

6.1. Программные продукты фирмы INTERGRAPHКомпания INTERGRAPH является мировым лидером по

разработке специализированного программного обеспечения для задач управления огромными массивами картографических данных. Знание рынка, многолетний инновационный опыт обеспечивают компании лидерство в области разработки и поставки настраиваемых географических пространственных решений для муниципальных, региональных и федеральных правительственных учреждений; транспортных компаний; организаций, работающих в сфере коммуникаций; коммунальных предприятий; служб, учитывающих местоположение абонента; фотограмметрии; дистанционного зондирования; картографии; а также на рынок продукции военного и разведывательного назначения.

Лекция 11.

Основу программных ГИС продуктов фирмы INTERGRAPH составляет семейство модулей MGE:

•MGE Basic Nucleus (MGNUC) – модуль, обеспечивающий управление проектами, организацию запросов и визуализацию данных, использование различных картографических проекций и систем координат;

•MGE Basic Administrator (MGAD) – модуль, формирующий структуру данных проекта, т.е. осуществляющий взаимодействие графической, тематической и индексной информации;

•MGE Basic Mapper (MGMAP) – модуль отображения графической части модели данных;

•программа MicroStation - графическое ядро системы;•модуль RIS осуществляет взаимодействие с СУБД по схеме

клиент-сервер. В качестве СУБД могут использоваться Oracle, Informix, Ingres, SyBase и др.

Лекция 11.Основные возможности программных продуктов фирмы

INTERGRAPH:•модульная архитектура, упрощающая конфигурирование

системы для конкретного применения;•совместимость данных для всех платформ, на которых

работает система;•поддержка промышленных СУБД различных фирм-

производителей;•наличие языка программирования высокого уровня;•удобные средства настройки интерфейса системы на

конкретного пользователя;•возможность хранения очень больших объемов

структурированной информации;•работа в многопользовательском режиме и режиме клиент-

сервер;•работа с растровыми изображениями;•работа с различными картографическими проекциями,

преобразования из проекции в проекцию;•построение и анализ трехмерных моделей территорий;•работа с распределенными БД;•мощные аналитические средства;•развитая система создания карт.

Лекция 11.

Кратко охарактеризуем программные продукты фирмы INTERGRAPH.

GeoMedia позволяет (без конвертации данных) переносить данные из разнородных баз данных в единую среду ГИС для просмотра, анализа и презентации, предоставляет полный набор мощных инструментов для анализа, а также для разработки карт, отвечающих уникальным требованиям любой организации.

GeoMedia Professional имеет все функциональные возможности GeoMedia, а также интеллектуальные инструменты для сбора и редактирования пространственных данных. Данная система построена на гибкости, масштабируемости и открытых стандартах GeoMedia, а также обеспечивает продуктивность сбора и изменения данных, ускоряет внедрение баз данных ГИС, предоставляет прямую связь с многочисленными данными ГИС, хранящихся совместно.

Лекция 11.

GeoMedia Image предоставляет набор инструментов для отображения и улучшения изображений. Мощные инструменты позволяют манипуляцию с бинарными изображениями, изображениями и картами (цветными и в градации серого). С помощью GeoMedia Image возможно обработать и объединить векторные данные и растровые изображения в одной среде.

GeoMedia Objects является мощным инструментарием, состоящим из встраиваемых компонентов картографической и географической информационной системы, который позволяет создавать собственные ГИС приложения. GeoMedia Objects включает более чем 100 компонентов, которые можно использовать в любой среде разработки, совместимой с Windows (Visual Basic, Visual C++, Delphi, PowerBuilder.

Лекция 12.

GeoMedia Fusion представляет собой гибкую рабочую среду, позволяющую пользователям создавать и поддерживать совокупность геопространственных данных, согласовывать уникальность их данных и рабочий стиль.

GeoMedia WebMap – это программный продукт, предназначенный для работы в сети Internet, который предоставляет гипертекстовые ссылки на базы данных ГИС, а также позволяет просматривать векторные карты в форматах MGE и FRAMME.

Лекция 12.

6.2. Программные продукты фирмы ESRIАббревиатура ESRI (Environmental Systems Research Institute)

означает Институт Исследования Систем Окружающей Среды. Однако среди ГИС-специалистов компания известна в первую очередь под сокращённым названием.

Основной системой фирмы ESRI является система ARC/INFO, которая существует в двух видах:

•ARC/INFO для UNIX и Windows NT;•PC ARC/INFO для DOS и Windows.ARC/INFO состоит из базового комплекта программ и модулей

расширения. Базовый комплект – это полнофункциональная геоинформационная система для работы с пространственной информацией. Он поддерживает все операции по созданию и использованию ГИС, т.е. ввод информации, ее редактирование, организацию пространственных запросов и анализ информации, а также создание качественной картографической продукции.

Лекция 12.

6.3. Система Atlas GISAtlas GIS, продукт фирмы Strategic Mapping Inc.(США),

представляет собой интерактивную оболочку географических информационных систем и относится к классу настольных ГИС. Atlas GIS - состоит из главного модуля - Atlas GIS и нескольких вспомогательных программ:

•Atlas Import/Export - позволяет осуществлять конвертацию файлов из/в форматов DXF, E00, MIF;

•Atlas Apps позволяет наносить на карты диаграммы различных видов с автоматическим построением легенды;

•Atlas SDK - средство разработчика для создания приложений в среде Atlas GIS.

Лекция 12.

6.4. Система WinGISWinGIS (разработчик фирма PROGIS W.Н.М. (Австрия))

используется для работы с пространственными базами данных, построения сложных изображений, их дигитализации, преобразования и вывода на графопостроитель. Структура данной системы включает следующие модули:

•WinGIS - инструментальная ГИС;•WinMAP - ГИС для конечного пользователя;•WinMAP SDK — программная система, разработки ГИС

приложений конечного пользователя;•GPS - модуль для отображения на карте в реальном времени

движущихся объектов;•ROUTING — модуль для выбора оптимального маршрута по

критериям наикратчайшего пути, минимального времени, минимальной стоимости с учетом типов дорог, наличия "пробок" и т.д. Работает как из графики, так и из базы данных;

•TURBORASTER — модуль для загрузки и редактирования на ПС растровой информации объемом свыше 4 Гбайт.

Лекция 12.

Основные возможности WinGIS: •создание электронных карт любой сложности;•обеспечивает обмен с графическими форматами других ГИС и

различными СУБД;•наличие SQL языка запросов при работе с таблицами;•работа с векторной, растровой и текстовой информацией на

одном слое;•поддержка дигитайзерного ввода и векторизации растра;•наличие деловой графики;•подключение мультимедиа к любому графическому объекту;•наличие современного генератора отчетов;•поддержка архитектуры клиент-сервер;•наличие DDE, OLE, что дает возможность пользователям

создавать свои приложения.

Лекция 12.

6.5. Система MapInfoФирмой Mapping Information Systems Corporation в начале 90-х

годов была разработана геоинформационная система MapInfo, которая представляет собой развитую систему настольной картографии, позволяющая решать сложные задачи географического анализа, такие как создание районов, связь с удаленными базами данных, включение графических объектов в другие приложения, создание тематических карт и многое другое.

В систему заложены следующие возможности:•работа с векторными данными и связанной с ними

тематической информацией;•использование открытой и гибкой структуры обменного

формата для передачи информации из других систем, наличие возможности использования формата DXF;

•прямой доступ к данным в форматах DBF, Excel, Access, Lotus 1-2-3, текстовом;

•возможность редактирования картографической информации, в том числе с использованием растра в качестве подложки.

Лекция 12.

6.6. Система GeoGraph/GeoDrawСистема GeoGraph/GeoDraw – отечественная ГИС,

разработанная Центром геоинформационных исследований института географии РАН (г. Москва). GeoDraw - векторный топологический редактор, предназначенный для создания картографических баз данных, относится к классу настольных ГИС. Он поддерживает построение картографической структуры, содержащей многослойное отображение данных, позволяет осуществлять идентификацию объектов и их привязку к базам атрибутивных данных, вести работу с 40 картографическими проекциями и выполнять конвертацию форматов данных в широком диапазоне. GeoGraph - средство композиционного построения уже существующих цифровых карт, позволяет создавать электронные тематические атласы на основе оверлейного представления цифровых карт и связанных с ними атрибутивных цифровых данных. В совокупности с системой Геоконструктор эти средства образуют некую законченную модульную систему. Геоконструктор - средство создания приложений пользователя по его собственным алгоритмам и программам с использованием Borland C++, Visual Basic, Delphi и т.п. Также в структуру GeoGraph/GeoDraw включен модуль создания и редактирования DBF-таблиц – GеоТаblе и модуль построения изолиний и регулярной квадратной сетки GeoFit.

Лекция 13.

6.7. Проект "Панорама"Проект "Панорама" [11] - это набор геоинформационных

технологий, включающий в себя: профессиональную ГИС «Карта 2005»; профессиональный векторизатор электронных карт «Панорама-Редактор»; инструментальные средства разработки ГИС приложений для различных платформ GIS ToolKit; систему учета и регистрации землевладений «Земля и право»; конверторы для обмена данными с другими ГИС (DXF/DBF, MIF/MID, Shape, S57/S52 и т.д.) и специализированные приложения (связь, навигация, экологический мониторинг и др.).

ГИС «Карта 2005» (рис.6.1) - это геоинформационная система, предназначенная для создания и редактирования электронных карт (векторных, растровых и матричных), решения типовых прикладных задач и разработки специализированных ГИС-приложений в среде Windows 95, 98, Windows NT и Windows CE.

Лекция 13.

Лекция 13.

6.8. Системы четвертого поколенияГеоинформационные системы нового поколения отличает

ориентация на пользовательские модели данных с учетом предметной области и особенностей приложений. Их модели данных определяются классами объектов, наборами атрибутов, расширенными возможностями реализации запросов и операций над объектами по сравнению с предыдущим поколением. Среди таких ГИС можно выделить: SICAD/open фирмы Siemens Nixdorf (Германия); Star фирмы Star Informatic (Бельгия); GRADIS GIS фирмы Straessle (Швейцария); Smallworld GIS фирмы Smallworld Systems Ltd (Великобритания); Spans GIS фирмы Tydac Technologies Inc. (Канада) [19].

Лекция 13.

7.1. Этап частотно-территориального планирования. Преимущества использования геоинформационных технологий при планировании сетей

Основным этапом проектирования телекоммуникационных сетей является этап частотно-территориального планирования (ЧТП). Согласно [2] под ЧТП понимается выбор места размещения радиоэлектронных средств (РЭС), типа и мощности передатчиков, высоты установки антенн; распределение частот между РЭС с учетом обеспечения внутрисистемной и межсистемной электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭС; расчет зоны обслуживания радиоэлектронных средств, зоны помех и санитарно-защитной зоны. Таким образом, ЧТП включает в себя этап частотного планирования, на котором происходит выбор и назначение частот РЭС специальными службами, а также этап территориального планирования.

Тема 8. Проектирование сетей связи и вещания на основе геоинформационных технологий 5/12ч (ауд/срс).Этап частотно-территориального планирования. Требования к картографической информации при планировании сетей связи. Модели распространения радиоволн, используемые в ГИС.

Лекция 13.

Лекция 13.

Обобщенная функциональная схема системы ЧТП представлена на рис. 7.1. Первый этап ЧТП соответствует подготовке района работ на цифровой карте местности. Он включает в себя анализ обслуживаемой территории (в результате которого необходимо получить данные: о рельефе местности, распределении населения, об имеющемся в распоряжении частотном ресурсе; осуществить прогноз числа абонентов; определить рекомендуемые участки для размещения РЭС), задание границ района работ, начального расположения РЭС, ввод исходных параметров сети и характеристик оборудования. Для того чтобы избежать помех со стороны других систем, следует получить данные о системах, работающих в той же полосе частот или в соседних полосах, сигналы которых попадают в зону обслуживания развертываемой системы. При формировании данных используются характеристики стандартов, приемопередающего оборудования и антенн, требуемая напряженность поля полезного сигнала, нагрузка на одного абонента, допустимая вероятность блокирования вызова и ряд других характеристик оборудования. Использование ГИС на первом этапе способствует повышению оперативности и обоснованности решений, принимаемых при выборе мест размещения РЭС, за счет анализа влияния земной поверхности и местных предметов на распространение радиоволн.

Лекция 13.

Лекция 13.

7.2. Модели распространения радиоволн, используемые в ГИС

При частотно-территориальном планировании телекоммуникационных сетей зона обслуживания РЭС определяется на основе статистических и детерминированных методов, которые учитывают параметры, описывающие географический район развертывания сети.

При использовании детерминированных методов алгоритмы прогноза качества связи основаны на учете влияния местных условий и препятствий на трассе распространения сигнала. Следовательно, данные методы требуют построения профиля трассы для каждой из возможных точек ведения связи. Точность расчета величины затухания сигнала на трассе зависит от точности метода расчета и точности задания исходных данных. В связи с многообразием реальных рельефов условия распространения вдоль неровной поверхности можно оценить количественно с некоторой степенью приближения. Для оценки ослабления проводят аппроксимацию неровностей телами правильной геометрической формы [48].

Лекция 13.

7.2.1. Методики прогноза зон обслуживания на основе статистической модели напряженности поля сигнала. Большинство РЭС размещено в крупных населённых пунктах, где инфраструктура современного города оказывает существенное влияние на условия распространения радиоволн. В городской среде сигнал от излучателя с мощностью и коэффициентом усиления , размещённого на высоте над поверхностью почвы, может проходить в точку приёма в виде прямой волны (точка траектория на рис.7.2), а также за счёт отражения радиоволн от препятствий (траектория ); дифракции радиоволн (траектория ) и рассеяния радиоволн (траектория ), точка . Высота расположения точек приёма и над поверхностью почвы равняется . Условием прохождения прямой волны здесь является наличие прямой видимости между точками излучения и приёма. Препятствием могут быть как естественные элементы инфраструктуры города (неровности рельефа местности, деревья), так и искусственные (здания, мачты, башни, транспорт и т.д.).

Лекция 14.

Лекция 14.

Лекция 14.

Модель Окамуры основана на экспериментальных результатах. Сначала определяется ослабление сигнала при распространении для квазигладкой местности. Трасса протяженностью несколько километров, на которой средняя высота неровностей не превышает , определена в модели Окамуры как «квазигладкая».

В модели Окамуры приняты базовые значения высоты подвеса приемной антенны и эффективной высоты передающей антенны , причем последняя определяется над средним уровнем квазигладкой поверхности. Для квазигладкой местности уровень УММС

где - дополнительное ослабление сигнала в городе (медианное значение), определенное для квазигладкого городского района при базовых высотах передающей и приемной антенн; - коэффициент «высота - усиление передающей антенны», учитывающий, что высота передающей антенны может отличаться от значения 200м; - коэффициент «высота - усиление приемной антенны», учитывающий влияние реальной высоты подвеса приемной антенны

Лекция 14.

Лекция 14.

Лекция 14.

Лекция 14.

Лекция 14.

Лекция 14.

Лекция 15.

Лекция 15.

Лекция 15.

Лекция 15.

Лекция 15.

•7.2.2. Методика расчета зон обслуживания на основе детерминированной модели напряженности поля сигнала. Детерминированные методы требуют построения профиля трассы радиопередающая станция – приемная станция для каждой из возможных позиций ведения связи и для практических приложений требуют автоматизации расчетов с использованием ГИС на основе цифровых карт местности.

•Условия распространения вдоль неровной поверхности можно оценить количественно с некоторой степенью приближения в связи с многообразием реальных рельефов. Для оценки ослабления проводят аппроксимацию неровностей телами правильной геометрической формы.

Лекция 15.

Лекция 15.

Лекция 15.

Лекция 15.

Лекция 15.

Лекция 16.

Специализированные ГИС — это геоинформационные системы направленные на решение одной проблемы (например, планирование транспорта, связи и т.д.). Из рекламных проспектов известны такие специализированные ГИС, как система автоматизированного проектирования (САПР) «Балтика», программный комплекс RADIUS, программный комплекс проектирования и анализа радиосетей (ПИАР), САПР «Радиозона» и другие.

Тема 9. Специализированные ГИС, ориентированные на решение задач в области телекоммуникаций 4/10ч (ауд/срс).Система автоматизированного проектирования «Балтика». Комплекс «RADIUS». Отраслевая научно-исследовательская лаборатория САПР сетей ТВ и звукового радиовещания. Программные комплексы «Алтай», «Банк-4», «Запрос». Программный комплекс «Частотно-территориальное планирование радиосетей». Программный комплекс «ПИАР». Программные комплексы «GIS-ZONE», «Ресурс».

Лекция 16.

8.1. Система автоматизированного проектирования «Балтика».

САПР «Балтика» [55] является разработкой Ленинградского отраслевого научно-исследовательского института Радио и предназначена для частотно-территориального планирования и экспертизы ЭМС сотовых, транкинговых, пейджинговых сетей, а также сетей абонентского радиодоступа с использованием векторных цифровых карт местности. Положенный в основу САПР «Балтика» алгоритм прогнозирования напряженности поля базируется на рекомендациях МСЭ-Р и, кроме рельефа местности, учитывает такие факторы, влияющие на распространение радиоволн как растительность, застройку, водные массивы. Данный программный комплекс позволяет прогнозировать радиопокрытие, создаваемое как отдельной базовой станцией, так и всей системой связи в целом (рис.8.1), определять зоны взаимных помех радиосредств и строить матрицу электромагнитной совместимости (рис.8.2), на основе которой производится построение частотного плана.

Лекция 16.

Лекция 16.

8.2. Комплекс «RADIUS».Комплекс RADIUS [35] разработан Центром компьютерных

программных технологий «Силикон-Телеком Софт» и предназначен для автоматизированного проектирования сетей сотовой радиотелефонной связи. ПК RADIUS позволяет: определить необходимое количество, оптимальное расположение и требуемые параметры базовых станций (БС) (рис.8.3); рассчитать для любого участка распределение уровня радиосигнала от одной или нескольких БС (рис.8.4); оценить форму и размеры ячеек; оценить трафик, количество каналов и вероятность блокировки при различных гипотезах о демографической ситуации; провести автоматическое планирование частот; оценить зоны обслуживания по критериям (сигнал/помеха), чувствительности, трафику.

Лекция 16.

Лекция 16.

Лекция 16.

8.3. Отраслевая научно-исследовательская лаборатория САПР сетей ТВ и звукового радиовещания

Отраслевая научно-исследовательская лаборатория САПР сетей ТВ и звукового радиовещания при Сибирском государственном университете телекоммуникации и информатики [45] предлагает к внедрению автоматизированные системы для разработки текущих и перспективных частотных планов сетей телерадиовещания; для управления базой данных радиосредств; для расчёта зон обслуживания ТВ и ОВЧ ЧМ передатчиков с учётом рельефа местности, застройки и помех от действующих ТВ и ОВЧ ЧМ передатчиков. Находятся в стадии разработки автоматизированные системы для выбора оптимальных местоположения и технических параметров (мощности передатчика, высоты подвеса и диаграммы направленности антенны) передающих радиотелевизионных станций с учётом рельефа местности и застройки; для оценки эффективности использования частотного ресурса (номинала частоты) в зависимости от технических параметров используемого оборудования передающих радиотелевизионных станций с учётом рельефа местности и застройки; для разработки текущих и перспективных частотных планов сетей цифрового радиовещания.

Лекция 16.

8.4. Программные комплексы «Алтай», «Банк-4», «Запрос»Самарский отраслевой научно-исследовательский институт

радио (СОНИИР) [37] занимается разработкой методик расчета ЭМС РЭС и частотно-территориального планирования сетей фиксированной и подвижной радиосвязи уже более 30 лет. За это время были разработаны и изданы методики и методические указания [26,27]. В рамках ряда научно-исследовательских работ по совершенствованию методической базы и программного обеспечения ГРЧЦ РФ для расчетов ЭМС была создана обобщенная методическая база для расчетов ЭМС. Параллельно с работами по совершенствованию методической базы расчетов ЭМС РЭС и частотного планирования проводились работы по разработке компьютерных программ, автоматизирующих процессы расчетов. В результате был разработан ряд автоматизированных систем: "Банк", "Алтай", "Запрос-М", позволяющих проводить расчеты напряженности поля в любой точке трассы между передатчиком и приемником радиосигнала (рис.8.5), рассчитывать покрытие территории радиосигналом заданного уровня (расчет зоны покрытия) и проводить расчеты ЭМС средств радиосвязи, работающих на одинаковых или близких частотах (рис.8.6).

Лекция 16.

Лекция 16.

Лекция 17.

8.5. Программный комплекс «Частотно-территориальное планирование радиосетей»

Программный комплекс частотно-территориального планирования радиосетей (ПК ЧТПР) [54], разработанный в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники, предназначен для проектирования сетей сотовой радиосвязи, радиотранкинга, радиопейджинга, теле- и радиовещания, систем спутникового вещания и связи в полосе частот 0.1МГц÷40ГГц. Данный комплекс позволяет вести расчет базовых потерь и уровней радиосигналов при распространении радиоволн с учетом топографических и электрических неоднородностей местности, частоты и поляризации излучения, растительности, в том числе при распространении радиоволн в зонах городской застройки; расчет зон уверенного приема радиосигналов и зон радиопомех с учетом рельефа местности, электрической проводимости поверхности и наличия растительности, а также влияния других передатчиков; анализ ЭМС средств сотовой радиосвязи и средств воздушной радионавигационной службы (рис. 8.7,8.8).

Лекция 17.

Лекция 17.

8.6. Программный комплекс «ПИАР»Пакет программ «Проектирование и анализ радиосетей -

ПИАР» [10] разработан в Ярославском государственном университете и предназначен для расчета и построения зон уверенного приема, зон уверенной двухсторонней связи, расчета электромагнитной совместимости РЭС, ведения соответствующих баз данных, выдачи рекомендаций по частотным присвоениям.

ГИС «ПИАР» обладает следующими функциональными возможностями:

•ввод в базы данных географических координат почтовых отделений и РЭС;

•измерения на топографических картах (определение расстояний, площадей, азимута, географических координат в градусах минутах и секундах), анализ рельефа местности с построением сечения рельефа между двумя выбранными точками на карте с учетом кривизны поверхности Земли;

Лекция 17.

•отображение информации на топографических картах;•конфигурирование и редактирование сетей РЭС;•установка экспериментального радиопередатчика;•многофункциональный анализ напряженности

электромагнитных полей; •расчет карт напряженности поля, а так же формирование карт

населенных пунктов и других объектов в формате SURFER*;•построение зон уверенного радиоприема и радиосвязи для

выбранных РЭС, в том числе с учетом мешающих передатчиков, работающих на той же частоте (для ТВ передатчиков с учетом СНЧ);

•использование методики расчета ЭМС, позволяющей моделировать процессы передачи и приема сигналов и анализировать причины возникновения помех (см. функциональные возможности анализа ЭМС);

•анализ напряженности электромагнитных полей, создаваемых РЭС за счет побочных и внеполосных излучений;

•возможность выбора и оценки влияния среды распространения радиоволн;

•построение карт «просветов» для заданных районов области с учетом зон Френеля в СВЧ диапазоне;

Лекция 17.

•построение карт линий равной напряженности для передатчиков, работающих на одной частоте;

•корректировка уровня индустриальных помех по точечным экспериментальным оценкам;

•учет метеоусловий при распространении радиоволн.•формирование рекомендаций по выбору частот радиосвязи;•документирование результатов;•одновременная обработка десятков и сотен тысяч источников

радио излучений.•Функциональные возможности анализа ЭМС•учитывается характеристика излучения по основному каналу,

10-ти гармоникам и двум субгармоникам основного излучения;•осуществляется учет помех по 10-ти побочным каналам

приема на гармониках гетеродина и каналу промежуточной частоты;

•анализируются помехи интермодуляции 3-го и 5-го порядка и помехи блокирования. Расчет помех производится с учетом параметров канала распространения, ДНА и поляризации;

Лекция 17.

•производится оценка реальной чувствительности приемных устройств, определяемой собственными шумами приемника и внешними индустриальными шумами (помехами). Возможно задание конкретного измеренного значения уровня индустриальных шумов в месте расположения приемника или его расчетных значений в зависимости от частоты и места установки (город, пригород, село);

•в результате расчета осуществляется оценка ухудшения реальной чувствительности приемника для каждого вида помех с указанием их конкретных источников. Возможна ранжировка пораженных частот по количеству помех, поразивших данную частоту, по максимальной помехе или по суммарной помехе. Источники помех могут быть отображены на карте а выходная форма расчета ЭМС экспортирована в редактор MS Word;

•проводится оценка корректности входных данных и задается глубина анализа с целью минимизации времени расчета.

Специальные методы и алгоритмы обработки пространственно распределенной информации, взаимодействия с базами данных, обеспечивают быстрое проведение анализа электромагнитной совместимости и выработку рекомендаций по выбору частот.

Лекция 17.

8.7. Система автоматизированного проектирования «Радиозона»

САПР «Радиозона» разработана в Московском НИИ Радио на базе геоинформационной системы «Панорама». Использование САПР «Радиозона» позволяет производить автоматизированное назначение свободных частотных каналов базовым станциям (БС) проектируемой сети; расчет на цифровой карте местности радиопокрытия БС и сети в целом с учетом оценки внутрисистемной и межсистемной ЭМС; расчет зон приоритетного обслуживания каждой БС; оценку плотности трафика и спектральной эффективности сети сухопутной подвижной связи.

Лекция 17.

•8.8. Программные комплексы «GIS-ZONE», «Ресурс»•Программный комплекс «GIS-Zone 2001», разработанный в

Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева на кафедре Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем, является специализированной геоинформационной системой и предназначен для решения задач частотно-территориального планирования радиосредств связи и вещания в диапазоне частот 40÷1000 МГц.

•Программный комплекс «Ресурс» [49,50] предназначен для решения задач оптимизации параметров сети телерадиовещания на этапе территориального планирования в диапазоне частот 40÷1000 МГц. В основу программного комплекса «Ресурс» был положен разработанный ранее пакет программ «GIS-Zone 2001» [16], который предназначен для решения задач анализа сетей телерадиовещания и создан для практических нужд СПКБ «Татсвязьпроект» и Радиотелевизионного передающего центра в рамках хозяйственных договоров.

Лекция 17.

Лекция 17.

Лекция 17.