Геоинформатические сиситемы

 

Министерство Топлива  и Энергетики Украины

Севастопольский Национальный Университет  Ядерной Энергии и Промышленности

 

 

 

Факультет ИТ

Кафедра КЭЭМ

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Геоинформатика»

на тему «Создание топоосновы карты участка поверхности.»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил ст. гр. № 631

Григорьев Д.Ю.

Проверила:

Дымченко И.В.

Оценка_____________

                                                                                      

 

 

 

 

                                                

 

 

 

 

            

 

Севастополь

2010

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ.

 

Тема: Создание топоосновы карты участка поверхности.

1. Осуществить сбор данных.
2. Создать файл данных (XYZ – файл).
3. Создать сеточный файл(*.GRD – файл). Обосновать выбранный метод построения и сглаживания сети. Произвести бланкирование.
4. Построить линию профиля (поперечное сечение).
5. Вычислить объемы и площади участков земной поверхности.
6. Создать карту изолиний. Произвести закраску, маскирование и построить файл уровней.
7. Создать каркасную модель.
8. Создать карту меток.
9. Создать векторную карту.
10. Создать оверлей.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность  темы. Выполняя различные картографические и землеустроительные работы по городской территории и сельской местности, специалисты столкнулись с проблемой, знакомой всем, кто имеет дело с картографическими данными. Пространственная информация быстро теряет свою актуальность; и проекты, основанные на таких данных, становятся неэффективными. Чтобы избежать этого, необходимо искать источники для актуализации данных и обновлять информацию. Традиционно для этого использовалась геодезическая съемка либо делалась аэрофотосъемка. Это достаточно дорогостоящие решения и, как правило, занимают много времени. Поэтому все чаще для получения пространственных данных используются различные космические снимки.

Цель и задачи работы. В данной работе задача состоит в том, чтобы с помощью программных средств Surfer создать топооснову карты участка поверхности. Для этого необходимо: проанализировать заданный участок карты и считать с нее необходимые нам данные; изучить методы создания и редактирования карт в Surfere.

Практическое значение работы. Данная работа имеет большое значение в различных задачах мониторингового характера. Вопросы создания цифровых карт должны решаться исходя из принципа использования единой топографо-геодезической основы, к которой привязываются объекты других информационных систем.

Основой цифровых карт являются топографические карты местности. На эту топографическую подоснову накладываются тематические слои природных и общественных явлений. Потребность нанесения тематических слоев может быть разнообразной в зависимости от целей и решаемых задач.

Структура работы. Данная работа состоит из введения, шести разделов пояснительной записки, заключения, литературы и двух приложений.

 

РАЗДЕЛ 1 
СОЗДАНИЕ XYZ ФАЙЛА

 

XYZ файл данных –  файл, содержащий, по крайней мере, три колонки данных. Первые две колонки – Х и Y координаты для точек данных. Третья колонка – ценность Z, назначена на точку Х, Y.

1.1.Сбор данных

 

Данные (datum, pl. data) – информация, представленная в виде, пригодном для обработки автоматическими средствами при возможном участии человека.

Типы данных бывают двух видов: пространственные и описательные.

Пространственные данные описывают положение и форму  географических объектов и их пространственную связь с другими объектами.

Описательные данные – это данные о географических объетах, состоящие их набора чисел, описывающих информацию организации в базу данных, отдельные таблицы связываются между собой по ключевым полям.

Пространственные данные представляются в двух основных формах:  векторная и растровая.

Векторная модель данных основывается на представлении данных виде точек, линий и заданных фигур, описывающихся при помощи математических уравнений.

Растровая модель данных представляется с помощью регулярной сетки, одинаковых по форме и площади  элементов. Построенные данные представляться в виде точек, линий и полигонов. В реальном мире точка обозначает дерево, фонарный столб, либо объект, расположение которого описывается единственной точкой. Дугами или линиями обозначаются  дороги, реки, городские коммуникации и другие. Полигоны – это замкнутые объекты, области которых представляют однородные, но некоторые критерии участков. Описательные или атрибутивные данные включают в себя идентификатор объектов, любую описательную информацию из БД, изображение и так далее.

Рис.1.1 – Участок карты земной поверхности, помещенный в графический редактор AutoCAD с расставленными точками

1.2. Построение XYZ файла в SURFER

 

XYZ файлы данных (XYZ Data Files) содержат исходные нерегулярные  данные, которые интерпретируются SURFERом  при построении сеточного [.GRD] файла (grid [.GRD] file).  Файлы данных можно также использовать для создания карт меток (Post maps).

Данные в файлах XYZ организованы в строки и столбцы. По умолчанию SURFER выбирает X-координату точки данных из столбца A, Y-координату из столбца B и Z-координату из столбца C.

Для создания файла данных, используется рабочий лист SURFERа. Необходимо открыть окно рабочего листа выполнить следующие действия:

1. Запустить программу SURFER. Активировать меню File - New. Выбрать опцию Worksheet в диалоговом окне. После этого нажать ОК, чтобы отобразить новое пустое окно рабочего листа (Рис.1.2.).

Рис.1.2 – создание нового рабочего листа

 

2. Далее последует ввод информации по координатам определенных ранее точек и их высот.
3. После ввода данных, необходимо сохранить файл данных. Меню File – Save, выбрать тип файла *.DAT, и нажать ОК.

В результате был создан XYZ файл данного участка карты  в SURFERе, содержащий 279 точек (Рис.1.3.).

.

.

.

Рис.1.3 – создание файла XYZ

 

РАЗДЕЛ 2. 
СОЗДАНИЕ КАРТЫ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ СЕТКИ

 

Построение сеточной функции (Gridding) – это процесс вычисления значений интерполяционной функции  в точках регулярной сети по значениям  хаотически расположенных экспериментальных  точек данных (наблюдений). Исходное множество экспериментальных точек вводится из XYZ файла данных (XYZ data [.DAT] file); значения сеточной функции сохраняются в сеточном файле с расширением [.GRD] (grid [.GRD] file).

 

2.1. Создание файла сетки

 

Сеточные файлы создаются  на основе XYZ файлов данных. Термин "нерегулярный массив координат" означает, что X,Y-координаты точек данных распределены по области карты неравномерно. Для создания карты изолиний (Contour) или графика поверхности (Surface) требуется регулярный массив узловых точек. Процедура построения сети представляет собой интерполяцию или экстраполяцию значений исходных точек данных на равномерно распределенные узлы в исследуемой области (Рис.2.1.), чтобы произвести файл сетки от исходный XYZ файл.dat необходимо:

При создании сеточного  файла необходимо задать несколько опций:

1. Метод построения сети (Gridding Method), который определяет, как исходные данные интерпретируются при создании сеточного файла.
2. Опции метода построения сети (Gridding Options), в том числе параметры Anisotropy (Анизотропия) и Data Treatment (Обработка повторных данных).
3. Формат сеточного файла (Grid File Format).
4. Геометрию сеточных линий (Grid Line Geometry), которая определяет пределы сети (Grid Limits) и плотность сеточных линий (Grid Density), используемые при построении сеточного файла.
5. Опции поиска (Search Options), которые определяют параметры Search Type (Тип поиска), Search Rules (Правила поиска) и Search Ellipse (Эллипс поиска).

Рис.2.1- сеточный файл, созданный по файлу данных XYZ используя метод радиальных базисных функций.

 

Программа SURFER предоставляет несколько методов построения сеточного файла. Каждый из этих методов использует свою процедуру интерполяции данных, поэтому сети, построенные по данным с помощью различных методов, могут несколько отличаться друг от друга.

Для большинства множеств экспериментальных данных самым эффективным является метод Криге (Kriging) с линейной (Linear) вариаграммой. Этот метод задается по умолчанию.

Бланкирование - это удаления изолиний из каких-то областей карты. Бланкирование  можно выполнить либо путем маскирования изолиний, либо с помощью команды Blank (Бланкировать) из меню Grid. Маскирование удаляет изолинии из областей карты только внутри заданной границы, а команда Blank может очищать области как внутри, так и вне заданной границы.

Команда Blank создает сеточный [.GRD] файл, содержащий бланковые области, то есть области, узлам которых присвоено специальное значение - код пробела. При построении карт изолиний бланковые участки сеточного файла остаются пустыми. При построении графиков поверхностей бланковые участки отображаются как плоские горизонтальные области, уровень которых равен минимальному значению Z сеточного файла.

 

2.2. Выбор метода построения и сглаживания сетки

 

Интерполяционные схемы, реализованные в SURFERе, оценивают  значения исследуемой поверхности в точках, где нет экспериментальных данных, на основе имеющегося множества исходных точек. Построенную сеточную функцию SURFER использует для генерации карт изолиний и графиков поверхностей.

Большинство методов  построения сети, реализованных в SURFERе, основаны на вычислении весовых коэффициентов, с помощью которых взвешиваются значения экспериментальных значений в точках наблюдений. Это значит, что при прочих равных условиях, чем ближе точка данных к узлу сети, тем больший вес она имеет при определении значения интерполяционной функции в этом узле.

В ходе проведенной курсовой работы для построения сети был выбран  метод радиальных базисных функций (Radial Basis Functions) как наилучший метод  с точки зрения построения гладкой  поверхности, проходящей через экспериментальные точки.

Метод радиальных базисных функций является точным интерполятором. Это значит, что интерполяционная функция в точках наблюдений совпадает  в точности с заданными значениями. Радиальные базисные функции аналогичны вариаграммам, используемым в методе Криге. Эти функции определяют оптимальную сеть весов, с помощью которых взвешиваются значения функции в точках наблюдений при построении интерполяционной функции.

В данной работе не было произведено бланкирование, т.к. бланкирование – это удаление изолиний из каких – либо областей сеточного файла. Учитывая тот факт, что полученный сеточный файл не имеет изъянов, данная команда не применяется.

 

РАЗДЕЛ 3 
СОЗДАНИЕ ЛИНИЙ ПРОФИЛЯ

 

Карта изолиний – это  двумерное представление трехмерной области. Рассматриваемый пакет строит карту изолиний при помощи сеточных файлов (с расширением .GRD). Эти файлы содержат множество Z значений функций на регулярном массиве X,Y координат.

3.1. Построение линий профиля

 

Для того чтобы построить контурную карту изолиний, необходимо активировать меню Map – Contour Map – New Contour Map. После открытия диалогового окна открытия сеточного файла (Open Grid) выбрать необходимый сеточный файл [*.GRD].  Заданные по умолчанию параметры в диалоговом окне Contour Map Properties создают приемлемую карту контура. Чтобы принять заданные по умолчанию параметры, нажать ОК(Рис.3.1.).

Рис.3.1 – карта контура, основанная на файле сетки

3.1.1. Изменение уровней контура

 

При открытии панель диалога Contour Map (Карта изолиний), уровни изолиний, используемые при построении карты, отображаются в списке окна Contour Levels (Уровни изолиний). Эти уровни можно задавать либо вручную для индивидуальных изолиний, либо автоматически по всему диапазону изолиний (Рис.3.1.1).

Рис.3.1.1 – изменение  уровней изолиний.

 

Для автоматического  определения уровней нужно задать минимальный и максимальный уровни изолиний, а также интервал между  соседними уровнями. В этом случае контуры изолиний будут строиться через регулярные интервалы.

Значение уровня изолинии можно определить вручную, дважды щелкнув  по соответствующему элементу списка уровней в панели диалога Contour Map (Карта изолиний) и введя новое  значение для этого уровня(Рис.3.1.2.).

Рис.3.1.2 – карта, основанная на файле сетки с измененным уровнем контура.

3.2. Вычисление объёма и площади участка земной поверхности

 

Команда Volume в пакете SURFER позволяет вычислять объемы и площади сетей, а также объемы впадин и выступов между двумя сеточными функциями. Кроме того, эта команда вычисляет площади плоских областей и площади поверхностей. Результат вычислений записывается в окно редактора .

Существует три метода вычисления объема и площади участка  земной поверхности: трапеций, метод Симпсона, метод Симпсона 3/8.

Необходимо вычислить объем фигуры, заключенной между данной поверхностью и плоскостью, уравнение которой Z=0.

Сначала необходимо сгенерировать  заданный сеточный файл, затем меню Grid- Volume в строку Upper Surface ввести исходный файл, в строку Lower Surface уравнение плоскости Z=0.

Появляется отчёт (Приложение С) с высчитанными объемами фигуры, заключенный между данными, по методам трапеций, Симпсона и Симпсона 3/8.

 

РАЗДЕЛ 4 
СОЗДАНИЕ КАРКАСНОЙ МОДЕЛИ

 

Каркасные модели карт –  трехмерное представление сеточного  файла. В каждом пересечении столбца и строки (то есть в каждом узле сетки), высота поверхности пропорциональна значению Z сетки в той точке. Номер столбцов  и строк в файле сетки определяет номер X и Y линий нарисованных на каркасной карте.

4.1. Построение каркасной модели карты

 

SURFER строит графики  поверхностей по сеточным [.GRD] файлам (grid [.GRD] file). Для того, чтобы построить  график поверхности, Вы должны  сначала создать сеточный [.GRD] файл  по Вашему исходному XYZ файлу  данных (XYZ data [.DAT] file).

Для представления графика поверхности можно использовать любую комбинацию линий постоянного значения X, Y и Z. При выборе X и Y линий график имеет вид "проволочной сети", положенной на поверхность. При выборе линий постоянного уровня Z график поверхности представляет собой трехмерную карту изолиний.

SURFER позволяет удалять  скрытые линии, показывать верхнюю  или нижнюю стороны поверхности,  отображать на графике границу  поверхности вдоль сторон основания  и т.д.

Для того, чтобы указать SURFERу, какие линии следует использовать для построения графика поверхности, нужно выполнить следующие действия:

1. Дважды щелкнуть по графику поверхности, чтобы открыть панель диалога Surface Plot (График поверхности).
2. Для того, чтобы указать SURFERу, какие линии нужно использовать для построения графика поверхности, необходимо щелкнуть по соответствующим переключателям в групповом окне Plot Lines of Constant (Отобразить линии постоянного значения). Можете выбрать любую комбинацию X, Y и Z линий.  Если для представления поверхности выбрать Z линии, то с помощью опции Z Level можно задать уровни изолиний, которые должны отображаться на графике.

Панель диалога Z Levels (Z уровни) позволяет задавать значения уровней и атрибуты для индивидуальных изолиний. При этом выводятся только сами Z линии; метки изолиний и штрихи на графике поверхности не отображаются (Рис.4.1.).

Рис.4.1 - каркасная карта данного участка земной поверхности.

4.1.1. Изменение ориентации и наклона каркасной модели карты

 

Для того, чтобы изменить ориентацию и наклон построенной каркасной карты участка земной поверхности, необходимо:

1) Нажать Wireframe map, и маркеры выделения кажутся окружающими карту.

2) Выбрать Map, 3D View. Диалоговое окно View отображено. Это поле позволяет управлять наклоном, вращением и типом проектирования для выбранной карты.

3) Использовать полосу  прокрутки Rotation, чтобы изменить вращение на 145 . Поскольку изменяем угол вращения, графическое изображение в диалоговом окне тоже изменяется, чтобы указать ориентацию.

4) Используем полосу прокрутки Tilt, чтобы изменить угол на 40 .

5) Нажать ОК в диалоговом  окне, и каркасная карта повторно  отображена при новой ориентации  и углах наклона.

Рис. 4.1.1. – каркасная карта при новой ориентации и углах наклона.

4.1.2. Изменение масштаба модели каркасной карты

 

Можно изменить масштабирование любой  карты в каждом из трех кардинальных измерений. При изменении  масштабирования  Z каркасная карта становится  несколько преувеличенной в Z измерении.

Для изменения масштабирования Z необходимо:

1) Нажать Wireframe map, и маркеры выделения кажутся окружающими каркас.

2) Выбрать Map, Scale, чтобы отобразить диалоговое окно Scale. Это позволяет установить масштабирование, вводя модуль номера карты, в дюйм, или вводя длину для карты в координатах страницы.

3) В окне редактирования Length группы ZScale, изменим значение на 3, листая до 3. Значение модулей Карты изменяется, чтобы отразить изменение, которое было сделано.

4) Нажать ОК, и каркасная карта  повторно оттянута преувеличенной в Z измерении.

 

Рис. 4.1.2 – каркасная карта с измененным масштабом.

4.2. Закраска линий каркасной  карты

 

В SURFERе можно изменить цвет линии любой каркасной карты, применяя цветные зоны. Для того, чтобы добавить цветовую зону к каркасной карте, необходимо:

1) Двойной щелчок на  каркасной карте, и диалоговое  окно Wireframe Properties отображен.

2) Нажать на позицию  табуляции Color Zones.

3) Нажать на кнопку Line, чтобы отобразить диалоговое окно Line Spectrum.

4) Нажать на кнопку Minimum Line Properties, и диалоговое окно Line Properties отображено. Отсюда можно выбрать цвет строки, стиль или толщину.

5) Нажать на кнопку Color и выбрать оранжевый цвет. Нажать ОК и вернутся к диалоговому окну Line Spectrum (Рис.4.2.).

Рис.4.2 – меню Line Spectrum.

6) Нажать на кнопку Maximum Line Properties  и изменить цвет строки на коричневый.

7) Нажать ОК в диалоговом  окне Line Spectrum.

8) В диалоговом окне Wireframe Properties, нажать Apply Zones to Lines of Constant X and Y.

9) Нажать ОК, и каркасная  карта отображена с gradational цветами.

В результате проделанных  пунктов в программном пакете SURFER была создана каркасная карта заданного участка земной поверхности, то есть, файл сетки был представлен в трехмерном виде. С помощью опций SERFERа было произведено изменение ориентации и наклона построенной каркасной карты, а также изменено масштабирование оси Z. Для того, чтобы придать карте более реалистичный вид произвели добавку цветной зоны к каркасной карте.

Рис.4.3 – каркасная карта с закрашенными линиями.

 

РАЗДЕЛ 5 
СОЗДАНИЕ КАРТЫ МЕТОК И ОВЕРЛЕЯ

 

Команды Post (Метка) и Classed Post (Групповая метка) из меню Map позволяют  размещать на карте идентификационные метки точек данных.

Положение точки на карте  определяется (X,Y)-координатами, заданными  в файле данных, и может быть отмечено любым символом. Размеры  и ориентацию этих символов можно  задавать с помощью опций команд Post и Classed Post.

Карты групповых меток  используют разные символы для представления  данных из разных диапазонов. Команда Classed Post позволяет отобразить подмножества данных, определенные на основе заданных пользователем или автоматических диапазонов. Для представления каждого дианазона данных задается свой символ со своими атрибутами символа. Создадим карту меток (Рис.5.1). А когда мы сделаем оверлей двух карт получим готовый вид (Рис.5.2)

Рис. 5.1 – карта меток

 

Метки точек данных могут  быть нанесены поверх карт изолиний или графиков поверхностей.

Для того чтобы нанести  метки точек данных на карту изолиний или график поверхности, необходимо сначала отобразить эту карту  или этот график в активном окне Графика. Точки файла данных, используемого  для размещения меток, должны принадлежать тем же диапазонам (X,Y) – координат, что и точки данных сеточного файла, по которому строились соответствующая карта изолиний или график поверхности.

Рис. 5.2 – готовая карта меток

 

Панель диалога Label Format (Формат меток) позволяет задать числовой формат, используемый при выводе на карту числовых меток. Образец заданного формата отображается в левом нижнем углу панели диалога.

Опция Fixed (Фиксированный) задает отображение чисел в виде dd.dd, где dd –одна или несколько цифр.

Опция Exponential (Экспоненциальный) задает отображение чисел в виде d.ddE+dd, где d – одна цифра, dd – одна или несколько цифр, а +dd – знак и одна или две цифры.

Опция General (Общий) задает отображение чисел либо в формате Fixed (Фиксированный), либо в формате Exponential (Экспоненциальный) в зависимости от того, какое представление короче.

Окно редактирования Decimal Digits (Количество десятичных цифр) определяет количество цифр в числе  справа от десятичной точки или, в  случае формата General (Общий), общее количество цифр.

Переключатель Thousands (Тысячи) задает отображение запятых между  каждыми тремя цифрами числа  влево от десятичной точки. Такое  отображение может использоваться со всеми форматами, кроме Exponential.

Окно редактирования Prefix (Префикс) позволяет ввести текстовую строку, которая будет отображаться перед каждой меткой.

Окно редактирования Postfix (Окончание) позволяет ввести текстовую  строку, которая будет отображаться после каждой метки.

Панель диалога Proportional Scaling (Пропорциональное масштабирование) позволяет задать способ масштабирования символов при построении карты меток и определить столбец Рабочего листа, используемый для этого масштабирования.

Групповое окно Scaling Method (Метод масштабирования) позволяет  задать способ масштабирования символов:

1. При выборе опции Linear (Линейный) используется линейное масштабирование в направлении обеих осей координат. Линейное масштабирование обеспечивает наилучшее визуальное представление при масштабировании символов, состоящих из линий (то есть являющихся, по существу, одномерными), таких, например, как стрелки.
2. Опция Square Root (Квадратный корень) обеспечивает наилучшее визуальное представление при масштабировании символов, имеющих какую-то площадь, таких, например, как круги или квадраты.

Список открывающегося окна Worksheet Column Containing Height (Столбец Рабочего листа, содержащий высоту) позволяет задать столбец Рабочего листа, который содержит значения, используемые при масштабировании меток точек данных.

Переключатель Use Data Limits (Использовать пределы данных) управляет окном редактирования at Data Value (при значении данного). Если переключатель включен, то из столбца Рабочего листа, содержащего высоту, автоматически вычитываются минимальное и максимальное значения и помещаются в окна редактирования at Data Value.

В окна редактирования Symbol Height at Data Value (Высота символа при значении данного) вводятся размеры символов, присваиваемые заданным значениям  данных. Размеры символов для значений данных, лежащих между введенными пределами, масштабируются пропорционально в соответствии с заданными значениями. Если значение какой-то точки данных лежит вне заданных пределов, то после масштабирования размер символа, представляющего эту точку, может оказаться больше или меньше, чем определённые ранее пределы.

 

РАЗДЕЛ 6 
СОЗДАНИЕ ВЕКТОРНОЙ КАРТЫ

 

Векторная карта –  графическое представление, составленное из поля маленьких стрелок, каждая стрелка  показывает направление и величину, связанную с местоположением, в  котором стрелка отображена. Например, векторная карта может изобразить местные градиенты топографической поверхности: точка стрелок в направлении самого крутого подъема, и размера стрелок масштабируется к величине местных наклонов.

Создаем векторную карту  с одной сеткой  и оверлей на каркасной карте, чтобы произвести карту, показывая поток воды на топографической поверхности. Для этого необходимо:

1) Выбрать File, New, или нажать New. Диалоговое окно New отображено. Выбираем Plot Document, и нажимаем ОК. В результате получаем новое пустое графическое окно.

2) Выбрать Map, Vector Map, New 1-Grid Vector Map. Диалоговое окно Open Grid отображено.  Файл сетки, который был создан, автоматически введен в окно редактирования File name. Нажимаем Open, и диалоговое окно Vector Map Properties отображено (Рис.6.1).

Рис.6.1 – диалоговое окно Map

3) Заданные по умолчанию  параметры в диалоговом окне Vector Map Properties создают приемлемую векторную карту. Чтобы принять заданные параметры по умолчанию, нажимаем ОК (Рис.6.2.).

Рис.6.2 - векторная карта участка

4) Выбрать Map, Wireframe, или нажать Wireframe Map. Диалоговое окно Open Grid отображено. Выбираем файл сетки из списка файлов, и ОК щелчка. Диалоговое окно Wireframe Properties отображено.

5) На позиции табуляции Options, выбираем Plot Lines of Constant Z. Снимаем выделения Plot Lines of Constant X и Plot Lines of Constant Y. Нажимаем ОК, чтобы принять остающиеся параметры значения по умолчанию. Каркасная карта отображена.

6) Выделяем векторную  карту и каркасную карту. Выбираем Map, Overlay Maps для оверлея двух карт.

Рис.6.3 - оверлей двух карт векторной и каркасной

В результате была построена  векторная карта участка земной поверхности (Рис.6.3.)  с одной сеткой  и оверлей на каркасной карте, чтобы произвести карту, показывая поток воды на топографической поверхности.