GIS jsou moderní mobilní geoinformační systémy, které mají schopnost zobrazit svou polohu na mapě. Tato důležitá vlastnost je založena na využití dvou technologií: geoinformace a globálního určování polohy. Pokud má mobilní zařízení vestavěný GPS přijímač, pak je pomocí takového zařízení možné určit jeho polohu a následně i přesné souřadnice samotného GIS. Bohužel geoinformační technologie a systémy v ruskojazyčné vědecké literatuře jsou zastoupeny malým počtem publikací, v důsledku čehož neexistují téměř žádné informace o algoritmech, které jsou základem jejich funkčnosti.
GIS klasifikace
Rozdělení geografických informačních systémů probíhá podle teritoriálního principu:
- Globální GIS se používá k prevenci člověkem způsobených a přírodních katastrof od roku 1997. Díky těmto údajům je možné za relativněpředvídat rozsah katastrofy v krátkém čase, sestavit plán následků, odhadnout škody a ztráty na životech a organizovat humanitární akce.
- Regionální geoinformační systém vyvinutý na úrovni obcí. Umožňuje místním úřadům předvídat vývoj konkrétního regionu. Tento systém odráží téměř všechny důležité oblasti, jako jsou investice, majetek, navigace a informace, právní atd. Za zmínku také stojí, že díky použití těchto technologií bylo možné působit jako garant bezpečnosti života celé populace. Regionální geografický informační systém je v současnosti využíván poměrně efektivně, pomáhá přitahovat investice a rychlý růst ekonomiky regionu.
Každá z výše uvedených skupin má určité podtypy:
- Globální GIS zahrnuje národní a subkontinentální systémy, obvykle se statutem státu.
- Na regionální - místní, subregionální, místní.
Informace o těchto informačních systémech lze nalézt ve speciálních částech sítě, které se nazývají geoportály. Jsou umístěny ve veřejné doméně ke kontrole bez jakýchkoli omezení.
Funkční princip
Geografické informační systémy fungují na principu sestavení a vývoje algoritmu. Právě on umožňuje zobrazit pohyb objektu na mapě GIS, včetně pohybu mobilního zařízení v rámci lokálního systému. NaPro zobrazení tohoto bodu na výkresu terénu potřebujete znát alespoň dvě souřadnice - X a Y. Při zobrazení pohybu objektu na mapě budete muset určit pořadí souřadnic (Xk a Yk). Jejich ukazatele by měly odpovídat různým časovým okamžikům místního systému GIS. To je základ pro určení polohy objektu.
Tuto sekvenci souřadnic lze získat ze standardního souboru NMEA přijímače GPS, který provedl skutečný pohyb na zemi. Zde uvažovaný algoritmus je tedy založen na použití dat souboru NMEA se souřadnicemi trajektorie objektu nad určitým územím. Potřebná data lze také získat jako výsledek modelování procesu pohybu na základě počítačových experimentů.
Algoritmy GIS
Geoinformační systémy jsou postaveny na počátečních datech, která jsou přijata k vývoji algoritmu. Zpravidla se jedná o soubor souřadnic (Xk a Yk) odpovídající nějaké trajektorii objektu ve formě souboru NMEA a digitální GIS mapy pro vybranou oblast. Úkolem je vyvinout algoritmus, který zobrazuje pohyb bodového objektu. V průběhu této práce byly analyzovány tři algoritmy, které jsou základem řešení problému.
- Prvním algoritmem GIS je analýza dat souboru NMEA, aby se z nich extrahovala sekvence souřadnic (Xk a Yk),
- Druhý algoritmus se používá k výpočtu úhlu stopy objektu, zatímco parametr se počítá od směru kvýchod.
- Třetí algoritmus je pro určení kurzu objektu vzhledem ke světovým stranám.
Zobecněný algoritmus: obecný koncept
Zobecněný algoritmus pro zobrazení pohybu bodového objektu na mapě GIS obsahuje tři výše uvedené algoritmy:
- analýza dat NMEA;
- výpočet úhlu dráhy objektu;
- určování kurzu objektu vzhledem k zemím po celém světě.
Geografické informační systémy se zobecněným algoritmem jsou vybaveny hlavním ovládacím prvkem - časovačem (Timer). Jeho standardním úkolem je, že umožňuje programu generovat události v určitých intervalech. Pomocí takového objektu můžete nastavit požadovanou dobu pro provedení sady procedur nebo funkcí. Například pro opakovatelné odpočítávání jednosekundového časového intervalu musíte nastavit následující vlastnosti časovače:
- Timer. Interval=1000;
- Timer. Enabled=True.
V důsledku toho se každou sekundu spustí procedura čtení souřadnic X, Y objektu ze souboru NMEA, v důsledku čehož se tento bod s přijatými souřadnicemi zobrazí na mapě GIS.
Princip časovače
Použití geografických informačních systémů je následující:
- Na digitální mapě jsou vyznačeny tři body (symbol - 1, 2, 3), které odpovídají trajektorii objektu v různých okamžicíchčas tk2, tk1, tk. Jsou nutně spojeny plnou čarou.
- Povolení a zakázání časovače, který řídí zobrazení pohybu objektu na mapě, se provádí pomocí tlačítek stisknutých uživatelem. Jejich význam a určitou kombinaci lze studovat podle schématu.
soubor NMEA
Pojďme stručně popsat složení souboru GIS NMEA. Jedná se o dokument napsaný ve formátu ASCII. V podstatě se jedná o protokol pro výměnu informací mezi přijímačem GPS a dalšími zařízeními, jako je PC nebo PDA. Každá zpráva NMEA začíná znakem $, následuje dvouznakové označení zařízení (GP pro přijímač GPS) a končí \r\n, znak návratu vozíku a posunu řádku. Přesnost údajů v oznámení závisí na typu zprávy. Všechny informace jsou uvedeny na jednom řádku s poli oddělenými čárkami.
Abyste pochopili, jak fungují geografické informační systémy, stačí si prostudovat široce používanou zprávu typu $GPRMC, která obsahuje minimální, ale základní sadu dat: polohu objektu, jeho rychlost a čas.
Uvažujme na určitém příkladu, jaké informace jsou v něm zakódovány:
- datum určení souřadnic objektu - 7. ledna 2015;
- Souřadnice univerzálního času UTC - 10h 54m 52s;
- souřadnice objektu - 55°22.4271' s. š a 36°44,1610' E
Zdůrazňujeme, že souřadnice objektujsou uvedeny ve stupních a minutách, přičemž poslední jsou uvedeny s přesností na čtyři desetinná místa (nebo tečka jako oddělovač mezi celým číslem a zlomkem reálného čísla ve formátu USA). V budoucnu budete potřebovat, aby v souboru NMEA byla zeměpisná šířka umístění objektu na pozici za třetí čárkou a zeměpisná délka za pátou. Na konci zprávy je za znakem '' odeslán kontrolní součet jako dvě hexadecimální číslice - 6C.
Geoinformační systémy: příklady sestavení algoritmu
Uvažujme algoritmus analýzy souboru NMEA pro extrahování sady souřadnic (X a Yk) odpovídajících trajektorii pohybu objektu. Skládá se z několika po sobě jdoucích kroků.
Určení souřadnice Y objektu
Algoritmus analýzy dat NMEA
Krok 1. Přečtěte si řetězec GPRMC ze souboru NMEA.
Krok 2. Najděte pozici třetí čárky v řetězci (q).
Krok 3. Najděte pozici čtvrté čárky v řetězci (r).
Krok 4. Najděte znak desetinné čárky (t) od pozice q.
Krok 5 Extrahujte jeden znak z řetězce na pozici (r+1).
Krok 6. Pokud je tento znak roven W, pak je proměnná NorthernHemisphere nastavena na 1, jinak -1.
Krok 7. Extrahujte (r- +2) znaky řetězce začínajícího na pozici (t-2).
Krok 8. Extrahujte (t-q-3) znaky řetězce začínajícího na pozici (q+1).
Krok 9. Převeďte řetězce na reálná čísla a vypočítejte souřadnici Y objektu v radiánech.
Určení souřadnice X objektu
Krok 10. Najděte pozici pátéhočárka v řetězci (n).
Krok 11. Najděte pozici šesté čárky v řetězci (m).
Krok 12. Začněte od pozice n a najděte znak desetinné čárky (p). Krok 13. Extrahujte jeden znak z řetězce na pozici (m+1).
Krok 14. Pokud je tento znak roven 'E', pak je proměnná EasternHemisphere nastavena na 1, jinak -1. Krok 15. Extrahujte (m-p+2) znaky řetězce, počínaje pozicí (p-2).
Krok 16. Extrahujte (p-n+2) znaky řetězce, počínaje pozicí (n+ 1).
Krok 17. Převeďte řetězce na reálná čísla a vypočítejte souřadnici X objektu v radiánech.
Krok 18. Pokud soubor NMEA není přečten do konce, pak přejděte ke kroku 1, jinak přejděte ke kroku 19.
Krok 19. Dokončete algoritmus.
Kroky 6 a 16 tohoto algoritmu použijte proměnné severní polokoule a východní polokoule k číselně zakódovat polohu objektu na Zemi. Na severní (jižní) polokouli nabývá proměnná NorthernHemisphere hodnotu 1 (-1), v tomto pořadí, podobně na východní (západní) polokouli EasternHemisphere - 1 (-1).
GIS aplikace
Použití geografických informačních systémů je rozšířené v mnoha oblastech:
- geologie a kartografie;
- obchod a služby;
- inventory;
- ekonomika a management;
- obrana;
- engineering;
- vzdělání atd.
