Будущее геоинформационных систем: направления развития
Ключевые тезисы
- Новые методы визуализации: анаморфозы, 3D-карты, анимации и тепловые карты.
- Распространение пространственных данных через веб-сервисы (WMS, WFS).
- Феномен волонтёрской географии, где пользователи становятся источниками данных.
- Революционное влияние систем глобального позиционирования (GPS/ГЛОНАСС) и их принципы работы.
- Современные источники данных: сверхвысокое разрешение ДЗЗ, гиперспектральная съёмка, открытые данные.
Новые способы картографической визуализации
Инфографика и упрощённые карты
Информация в графическом, картографическом виде воспринимается легче, чем в таблицах. Современная визуализация часто намеренно упрощает географические очертания (например, изображая страны прямоугольниками), чтобы размер фигуры отражал картографируемый показатель (население, производство).
Картографические анаморфозы
Анаморфоза — картографическое изображение, где размер полигонов (например, областей, штатов) пропорционален не их реальной площади, а какому-либо числовому показателю (населению, количеству преступлений).
Как строится анаморфоза:
- Исходная карта разбивается на регулярную сетку.
- Каждому узлу сетки, попавшему в определённый полигон (например, область), присваивается часть значения этого полигона (например, часть населения области).
- Точки сетки (узлы) рассматриваются как одноимённые заряды, которые отталкиваются с силой, пропорциональной произведению их значений и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
- В результате итеративного процесса точки с большими значениями «разъезжаются», увеличивая площадь исходного полигона на карте, а точки с малыми значениями сжимаются.
Картографические анимации и тепловые карты
- Анимация позволяет наглядно показать динамику явления во времени (например, изменение показателей по годам), что зачастую понятнее серии статичных карт.
- Тепловая карта (hotspot map) визуализирует интенсивность явления в пространстве (например, плотность преступлений).
- Принцип построения: На регулярную сетку точек накладываются события с определённым «весом». Для каждой точки сетки вычисляется «потенциал» — сумма отношений «веса» каждого события к квадрату расстояния от этого события до точки сетки.
- В местах скопления событий значения потенциала высоки, формируя «горячие пятна», которые выделяются цветом.
3D-визуализация и дополненная реальность
- 3D-ГИС позволяют натягивать картографические материалы на цифровые модели рельефа, что даёт новое восприятие и возможности (расчёт объёмов, планирование).
- Дополненная реальность (например, Google Glass) позволяет накладывать справочную информацию на реальное изображение с камеры, но её использование в России ограничено законодательно.
Распространение пространственных данных: веб-сервисы
Два основных стандарта для доступа к картографическим данным через интернет:
- Web Map Service (WMS): Сервер формирует и возвращает готовое растровое изображение карты по запросу клиента (координаты, масштаб, слои). Требует мощных серверов при большой нагрузке.
- Web Feature Service (WFS): Сервер передаёт клиенту сами векторные объекты (точки, линии, полигоны) в структурированном формате. Визуализация происходит на стороне клиента. Для хранения данных часто используются СУБД, что обеспечивает лучшие возможности для многопользовательской работы по сравнению с шейп-файлами.
Волонтёрская география (Citizen Science)
Массовое распространение смартфонов с GPS-приёмниками превратило пользователей в источники геоданных.
Примеры:
- Яндекс.Пробки: Скорость движения автомобилей, передаваемая со смартфонов, усредняется для отображения загруженности дорог в реальном времени.
- Системы оповещения о землетрясениях (Япония): Акселерометры в телефонах массово фиксируют толчки, что позволяет быстро определить эпицентр.
Системы глобального позиционирования (GPS/ГЛОНАСС)
Геометрический принцип работы
Координаты приёмника определяются путём измерения расстояний до нескольких спутников с известными координатами.
- На плоскости: Расстояние до одной точки задаёт окружность возможных положений, до двух — две точки пересечения окружностей. Третье измерение (или знание, с какой стороны от базовой линии находится приёмник) даёт однозначное решение.
- В пространстве: Расстояние до спутника задаёт сферу. Пересечение двух сфер даёт окружность, трёх — две точки. Четвёртое измерение (или знание приблизительной высоты над Землёй) позволяет выбрать единственную точку.
Как измеряется расстояние до спутника?
Измеряется время прохождения радиосигнала от спутника до приёмника. Для высокой точности используются псевдослучайные кодовые последовательности, а не одиночные импульсы.
Повышение точности: поправки и дифференциальный режим
- Атмосферные задержки искажают измеряемое расстояние. Для учёта используются двухчастотные приёмники и поправки, передаваемые в сообщении спутника.
- Дифференциальный режим (DGPS): Станция с точно известными координатами вычисляет поправки к данным GPS, вызванные локальными искажениями (в основном атмосферными), и передаёт их nearby приёмникам (например, самолётам при заходе на посадку). Это позволяет достигать сантиметровой и даже миллиметровой точности (мониторинг мостов, плотин).
Глобальные навигационные системы
- Полное глобальное покрытие: GPS (США), ГЛОНАСС (Россия).
- Региональное покрытие: BeiDou (Китай), QZSS (Япония) — используют геосинхронные орбиты для покрытия своей территории меньшим числом спутников.
Новые источники данных для ГИС
Дистанционное зондирование сверхвысокого разрешения
Появление спутников с разрешением ~30 см (например, GeoEye) против 60 см на публичных сервисах вроде Google Maps.
Гиперспектральная съёмка
В отличие от многоканальной съёмки (широкие диапазоны, например, RGB), использует множество узких спектральных каналов. Это позволяет строить детальные спектральные кривые отражения и точно идентифицировать материалы, состояния растений (болезни, готовность к уборке), что активно применяется в точном земледелии.
Совместное использование и открытые данные
Доступ к огромным массивам бесплатных данных меняет подходы:
- Открытые карты: OpenStreetMap, создаваемые сообществом.
- Открытые данные ДЗЗ: Landsat (среднее разрешение), Sentinel, а также коммерческие массивы данных от компаний вроде Planet Labs, которые с помощью роя микроспутников обеспечивают ежедневную съёмку Земли в высоком разрешении.
Выводы
Мир геоинформатики стремительно меняется под влиянием новых технологий визуализации, повсеместной доступности пространственных данных, краудсорсинга и высокоточного позиционирования. Совместное использование открытых данных и современных инструментов открывает unprecedented возможности для анализа и решения прикладных задач в самых разных областях.