СБОР ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ

До сих пор в нашем путешествии мы не обращали внимания на то, как мы будем выполнять и фиксировать наблюдения. Однако даже ранние путешественники брали с собой бумагу, карандаш, измерительные приборы и даже громоздкие кинокамеры, когда они появились. Времена изменились, изменились наше окружение, приборы, которыми мы пользуемся, и, конечно, сами вопросы, которые мы можем задавать. Вследствие этих перемен нам нужен беглый обзор инструментов для нашего путешествия. Конечно, вы познакомитесь с некоторыми из них гораздо лучше, чем с другими, в зависимости от вашей специализации и видов информации, с которыми вы будете работать. Но поскольку данные ГИС получаются из разных источников, было бы неплохо познакомиться с как можно большим числом таковых.

Многие данные все еще получаются в результате наземных наблюдений, не очень-то отличных от тех, что использовались нашими предшественниками. Измерения расстояний с помощью рулетки, все еще полезные для сравнительно малых объектов, заменены в некоторых случаях относительно недорогими лазерными дальномерами (range finders), которые посылают световой луч от наблюдателя до какого-либо препятствия. Другие, такие как качественные (qualitative), или описательные (categorical), данные собираются все еще посредством прямого визуального наблюдения или сбором образцов для последующей идентификации. Эти наблюдения должны выполняться внимательно, прежде чем быть принятыми за истину, поскольку их качество часто зависит от опытности наблюдателя. Этот момент иллюстрируется одним из традиционных методов выполнения исследований растительности с использованием так называемыхдеревьев-"представителей" (witness trees), оставляемых при вырубке под сельхозугодия. Специалисты предполагали, что эти деревья типичны для существовавшего леса и могут служить представителям для окружающей территории. Хотя некоторые из таких деревьев действительно представляют прежнюю растительность, многие из них оказываются гораздо менее типичными для данной местности, поскольку их оставляли из-за их значительного размера или удобного расположения.

Абсолютное положение на Земле когда-то определялось относительно положений небесных тел, таких как Полярная звезда. Ручной компас -простое устройство, действие которого основано на наличии у Земли как вращающегося тела двух полюсов — северного и южного. Для локальных измерений также можно сравнительно легко и дешево определять местоположения при помощи простых традиционных геодезических приборов, таких какмензула и кипрегель (plane-table and alidade). Эти устройства все еще используются в наши дни, когда территория и бюджет ограничены. Каждое из этих устройств подразумевает, что где-то поблизости есть точки с известными координатами, относительно которых и проводятся измерения.

Отточки с известными координатами, можно измерять расстояния и углы с помощью процесса, называемогосчислением пути (dead reckoning), перекрещивать некоторое число линий визирования (line-of-sight) при триангуляции, или выбирать известную базовую линию (baseline), от концов которой измеряются расстояния до объектов(трилатерация) (Рисунок 2.10).

Рисунок 2.10. Геодезические методы.

Некоторое число традиционных приборов теперь модернизированы для гораздо большей точности, легкости использования и считывания результатов на цифровом дисплее. Одним из примеров являются современные цифровыетеодолиты. Все эти улучшенные инструменты, как и их прежние собратья, имеют ограниченное применение, для больших территорий. С другой стороны, время, которое требуется для съемок этими приборами, значительно перевешивается ценностью высокоточных позиционных данных, которые могут быть важны для таких работ, как определение границ землевладений. А это гарантирует их дальнейшее использование.

Технические новшества улучшили методы, с помощью которых мы можем получать позиционную информацию, особенно для больших участков земли. Сегодня вокруг Земли вращаются спутники, положение которых известно с большой точностью. Эти спутники принимают радиосигнал от наземных управляющих станций с информацией об их местоположении, и передают ее полевому прибору (field unit), который определяет по ним свои координаты, отражающие позицию и высоту приемника. По-видимому, наиболее перспективной и наиболее используемой сегодня такой системой является упомянутая в Главе 1 Глобальная система позиционирования (GP.S) NAVSTAR*. (Рисунок 2.11). Точность ее зависит от числа видимых спутников, сервиса и объема информации, модели полевого устройства (GPS-приемника) и методики измерений. Имеющиеся сегодня системы обеспечивают точность определения местоположения от относительно грубых ста метров до 10 см и лучше. При этом не требуется прямой видимости управляющей станции от полевого прибора, однако требуется видимость спутника. Это создает определенные трудности применения таких приборов в местах с ограниченной видимостью спутников, например, в густом лесу, горных ущельях, крупных городах.

Для полевых исследований животных существуют устройства для отслеживания перемещений оленей, птиц, мелких млекопитающих и даже пчел (если устройства достаточно малы). Традиционно такие устройства прикрепляются к животным, и их положение определяется наблюдением за постоянно излучаемым сигналом с помощью полевой станции, которая может быть наземной или размещенной на летящем самолете. Последним развитием этогорадиотелеметрического (radiotelemetry) способа сбора данных, является интеграция его с GPS, что позволяет наблюдать объекты на гораздо больших территориях и с большей точностью. Поскольку эти технологии продолжают улучшаться в качестве, легкости использования и цене, больше данных лучшего качества будет доступно для ввода в ваши ГИС.

* Существует аналогичная российская система ГЛОНАСС. Сегодня уже имеются GPS-приемники, способные работать одновременно с обеими системам. — прим. ред.

Рисунок 2.11. Полевой комплект GPS (GPS-приемник).

Когда нашим делом является сбор информации о распределении объектов, растений, животных и даже людей, а не об индивидуальных местоположениях, мы используем другой способ сбора данных, называемыйпереписью (census), техника выполнения которого зависит от природы собираемых данных. Например, мы могли бы использовать непосредственный контакт с целью физически определить точные положения и характеристики отдельных кустов на открытой местности. Но, как подразумевает пример, целью метода является получение информации обо всей популяции объектов в пространстве. Наиболее общим примером, конечно, является перепись населения, проводимая государством. Эти методики направлены на получение как позиционных (locational), так и описательных (attribute) данных о людях с тем, чтобы можно было сделать обобщения о популяциях в выбранных областях или районах. Собираемые сведения часто включают семейное положение, доход, жилищные условия, возраст, пол. Из таких обобщений можно определить, по меньшей мере приблизительно, какие области имеют наименьший подушный годовой доход, становится ли население в целом старше, каково соотношение людей живущих в квартирах и отдельных домах и т.д. Эти результаты, в свою очередь, позволяют органам власти предлагать пути реагирования на изменяющиеся условия. Другими словами, теперь власти имеют методику планирования, основанную на знании пространственного распределения населения.

Потенциал переписи в описании пространственных отношений внутри населения страны вызвал движение в сторону автоматизации этого процесса. Перепись стала компьютеризованной, тем самым и получая преимущества от компьютеризованной географии, и внося вклад в нее. В главе 4 мы увидим, как Бюро переписи США создало методику обновления данных с тем, чтобы сделать переписную информацию доступной для большинства коммерческих ГИС-продуктов.

Однако, иногда ни наземные измерения, ни перепись не подходят для сбора данных и получения адекватной пространственной информации о больших участках земной поверхности. Это утверждение особенно применимо к природным явлениям, но также верно и для многих антропогенных феноменов. Получение информации в региональном или даже континентальном масштабе может потребовать использования косвенных методов (indirect methods) сбора данных. Эти косвенные методы часто используют датчики (sensing devices), значительно удаленные от исследуемых объектов, и поэтому называются обобщенно дистанционным зондированием (remote sensing). Хотя термин часто подразумевает использование в некоторой форме спутникового зондирования, мы будем использовать его более широко, включая сюда и аэрофотосъемку, которая иногда исключается из этого определения вследствие существовавшего различия методов интерпретации данных.

Если в дистанционном зондировании датчик удален от объекта измерения, то в телеметрических методах от датчика удален получатель информации. Такие устройства часто располагаются на стратегических позициях, которые должны представлять характер окружающей местности. Кроме того, датчики могут устанавливаться по всему интересующему региону для того, чтобы получить информацию о как можно большей его части. Автоматическая метеорологическая станция является, наверное, наиболее известным представителем устройства телеметрического сбора данных. Существуют целые сети датчиков для непрерывного или периодического сбора данных о температуре, влажности и других важных параметрах почвы. Чаще всего такие сети подключаются через сети передачи данных к базовой станции, которая получает и хранит информацию либо на бумажной ленте, либо в виде цифровых данных в компьютере. Разработаны и более экзотические устройства для записи траекторий полета насекомых, движения пресмыкающихся, перемещения частиц песка, или для наблюдения за загрязнением воды и атмосферы, сейсмической активностью и, конечно, похитителями драгоценностей. Все вместе, эти устройства могут дать широкую картину явлений, на которые они реагируют.

В отличие от телеметрии использование аэрофотосъемки, как и космической съемки, позволяет собирать информацию о непрерывных изменениях феноменов от места к месту, делая ненужным опираться на наблюдения только в отдельных точках. Этот тип дистанционного зондирования чаще всего использует фотоаппарат аналогичные цифровые устройства на борту самолета или спутника, регистрирующие участки спектра электромагнитных волн. Фотоаппараты бывают различных видов и могут использовать разные виды пленки — от традиционной черно-белой до цветной и спектрозональной (псевдо-цветной инфракрасной (false-color infrared)) - в зависимости от требуемых данных. Во многих случаях используются специальные комбинации пленок и фильтров для устранения нежелательных участков спектра и выделения областей спектра, более информативных для изучаемых феноменов. Цифровые устройства также могут вести съемку как в одном, так и в нескольких зонах спектра одновременно.

Аэрофотосъемка, опора многих видов пространственного анализа, имеет давнюю традицию использования для оценки и управления лесами и другими природными ресурсами, поскольку фотографии позволяют аналитикам охватывать большие участки земли одним взглядом. Почвоведы используют эти фотографии для распознавания небольших изменений типов почв на больших площадях, а также в качестве основы для почвенных карт. Специалисты по урбанистике используют их для оценки величины населения через подсчет жилых строений при известном среднем числе жителей на одно строение. Геологи давно уже используют аэрофотосъемку в качестве источника информации о пространственном распределении форм рельефа, а также глубинных феноменов, таких как соляные купола и зоны разломов. Военные, конечно, используют аэрофотосъемку в целях разведки. На самом деле, цветная спектрозональная пленка, сначала названная пленкой • обнаружения маскировки, была разработана в значительной степени при участии военных. На самолетах устанавливаются и другие, более экзотические приборы, такие какрадары бокового обзора (side-looking airborne radar (SLAR)), сканирующие радиометры (scanning radiometers),цифровые видеокамеры и цифровые фотоаппараты. Таким образом, использование аэросъемки как средства сбора географической информации давно существует и все еще актуально для небольших площадей. Для больших же территорий, таких как целые страны, затраты средств и времени слишком велики. Однако, большие площади могут исследоваться другими методами, многие из которых реализованы с помощью спутников, летающих за сотни километров от обозреваемой земной поверхности, причем некоторые из них используют те же технологии, что сегодня используются на самолетах.

Большое расстояние между чувствительным прибором и его объектом позволяет спутникам обозревать большие площади одновременно. Вдобавок, поскольку спутниковые приборы дистанционного зондирования обращаются вокруг Земли, они способны собрать информацию почти обо всей планете за небольшую долю того времени, которое потребовалось бы для аэросъемки. Как указывалось, имеется широкий диапазон зондирующих устройств, каждое со своими спектральными, временными и пространственными характеристиками. Некоторые спутники созданы для наблюдений за погодой, другие же могут "видеть" и наземные объекты. Например, спутник SEASAT был разработан главным образом для исследования морских феноменов, таких как волны и айсберги. Спутниковые камеры дальнего инфракрасного диапазона, например, используемые в составе AVHRR на борту спутника NOAA, позволяют геологам обнаруживать горячие точки и предсказывать вулканическую активность. А приборы спутника GOES, находящегося на высокой орбите, позволяют увидеть сразу поверхность целого полушария планеты.

Следует помнить, что данные дистанционного зондирования не являются непосредственными. То, что получается от аэрофотосъемки, радаров и цифровых снимков дистанционного зондирования, больше или меньше представляет то, что находится на поверхности. Хотя в них нет, например, типов растительности или видов человеческой деятельности, аналитик могут использовать эти данные в качестве косвенных признаков того, что реально находится на земле. В большинстве случаев эти данные должны быть обработаны специалистами, опытнымив их дешифрировании (interpretation), прежде чем категории объектов будут адекватно установлены. Чаще всего в базу данных ГИС вводятся результаты такой классификации, нежели сами необработанные данные. Как мы увидим позднее, возможность человека или машины-интерпретатора правильно идентифицировать объекты в пространстве сильно связана с ценностью таких данных для принятия решений (decision making).

Область спутникового дистанционного зондирования огромна и изменчива, как благодаря внедрению новых систем с новыми чувствительными устройствами, илисенсорами (sensing devices), так и потому, что специалисты изобретают все новые пути их использования. При этом каждая из таких систем видит вещи по-своему. Специалисты по дистанционному зондированию продолжают разрабатывать всё новые применения этих устройств, так что каждый специалист по ГИС должен быть в курсе потенциальных возможностей этой технологии.