Координатные темы событий.

Одним из первых шагов обработки результатов абсолютного большинства полевых геоэкологических исследований является локализация на карте мест отбора проб, выполнения измерений, определений, описаний и т.п. Несмотря на развитие методов дистанционного зондирования значения очень многих экологических показателей можно определить лишь путем непосредственного измерения на месте или химического анализа отобранных проб. По сравнению с районом исследований места измерений и отборов проб являются точечными объектами. Часто результаты натурных исследований отображаются в электронных таблицах формата Microsoft Excel. Для обработки данных в среде ГИС ArcView 3.2, следует перевести таблицу формата Microsoft Excel в формат баз данных dBASE (расширение dbf). Чтобы это было возможно, необходима специальная структура исходной таблицы Microsoft Excel, соответствующая структуре реляционных баз данных, т.е.: данные должны быть записаны по столбцам, внутри столбца не должно быть пустых ячеек, вверху столбцов, в самом первом ряду ячеек таблицы должны быть записаны будущие (после конвертации в формат dBASE) имена полей. В качестве имен полей следует применять комбинации латинских букв и арабских цифр, причем буква должна быть первой! Ни в коем случае нельзя применять в названии символы косой черты /, скобок ( ), знаков препинания (точек, запятых и т.д.), крайне нежелательно применение символов дефиса – и черты в нижнем положении _, символов кириллицы. Необходимо также определить формат ячеек с числовыми данными именно как числовой с указанием количества знаков после запятой. Игнорирование этого требования приведет к тому, что дробная часть значений будет при конвертации отброшена. Разумеется, можно сразу создавать и заполнять таблицы в среде ГИС ArcView 3.2. Для этого следует сделать активным в окне проекта тип документов «Таблицы». В появившемся диалоговом окне «Новая таблица» задать имя вновь создаваемого файла формата dBASE и место его размещения. Затем вызвать ниспадающее меню «Редактировать» в верхнем ряду Панели Инструментов окна ArcView, в нём последовательным выбором опции «Добавить поле» сформировать структуру таблицы. При этом появляется диалоговое окно «Определение поля», в котором следует устанавливать имя поля, его тип, число символов или знаков («Ширина») и число знаков после запятой («Десятичные разряды»). Разумеется, отличное от нуля значение последнего параметра может устанавливаться только для полей числового типа.

ГИС ArcView 3.2 предоставляет пользователю возможность локализации на электронной карте точечных объектов на основании добавленной в проект таблицы, содержащей их координаты. Координаты могут быть либо декартовые – результаты привязки при помощи буссольных или теодолитных ходов, а также засечек. В этом случае мы будем добавлять наши точечные объекты в так называемый спроецированный «Вид», координатами объектов которого являются координаты x и y определенной картографической проекции. В России топографические карты строятся в проекции Гаусса-Крюгера, которая в терминологии ArcView 3.2 именуется «Поперечная Меркатора».

Координатами проекции Гаусса-Крюгера являются расстояния в метрах: x - до экватора и y - до осевого меридиана 6-градусной зоны. Небольшие по протяженности участки земной поверхности (не более 15 км) можно считать плоскими и абстрагироваться от понятия географической проекции. Так, в Санкт-Петербурге применяется местная декартовая система координат 1964 года. Данная система является открытой: координаты реперов можно узнать в тресте ГРИИ и уже от этих реперов вести свои теодолитные или буссольные ходы. Государственной тайной является способ пересчета данной системы в географические координаты. Обратите внимание, что в российских геодезических системах координат направления осей отличаются от направлений ГИС ArcView 3.2: ось x направлена снизу вверх, а y – слева направо, т.е. оси как бы «поменялись местами». Поэтому в случае геодезической привязки объектов значения «x» по результатам съемки следует записать в поле "Y" таблицы и значения "y" съемки в поле "X" таблицы.

Другой возможный случай – географические координаты, получаемые при помощи спутниковых навигационных систем: американской GPS ("Global positioning system") или российской ГЛОНАСС («Глобальная навигационная спутниковая система»), чьё создание на стадии завершения. Она уже позволяет получать координаты на территории России. Применение спутниковых систем обеспечивает необходимую для экологических исследований точность пространственной привязки и существенно экономит время: в этом случае нет затрат времени на расчеты теодолитных или буссольных ходов, или выполнение астрономических наблюдений и вычислений – географические координаты точек определяются сразу. Кроме того, спутниковые приемники позволяют вести запись координат точек в файлы текстового формата, что существенно облегчает автоматизацию обработки данных.

Существует несколько способов получения координат объектов, расположенных на земной поверхности. Первый из них уже упомянутые спутниковые навигационные системы. Спутниковые навигационные системы работают следующим образом: вокруг Земли по орбитам, координаты которых известны с очень высокой точностью, летают навигационные спутники. В каждый момент времени известно положение каждого спутника в трёхмерной декартовой системе координат, связанной с Землёй. Однако из-за колебаний центра тяжести Земли, вызываемых перемещениями масс в атмосфере и гидросфере, выпадением и таянием снежного покрова и т.д. орбиты спутников также испытывают колебания. Поэтому наземные станции слежения и коррекции ведут постоянный мониторинг орбит спутников и периодически посылают на спутники корректировки координат орбиты данного спутника. Каждый спутник постоянно передает сигналы, содержащие позывной данного спутника, свои координаты и время посылки сигнала. GPS-приемник получает сигнал спутника и по разнице времени посылки сигнала и его получения вычисляет расстояние до спутника, декартовы координаты которого известны. Геометрическое место точек, соответствующее известному расстоянию от спутника, представляет собой сферу. Если одновременно удаётся поймать сигнал другого спутника, то пересечение двух сфер даст окружность, на которой находится GPS-приемник. Если есть сигнал от третьего спутника, то пересечение окружности с третьей сферой даст местоположение точки GPS-приемника. Разумеется, это идеальная схема. В реальности из-за погрешностей определяется область пространства, в которой находится GPS-приемник. Чем большее количество сигналов спутников поймает GPS-приемник, тем точнее определятся его местоположение. Обычно одновременно приемник получает сигналы от 6-8 спутников. Это первый источник погрешностей, возникающий при определение координат с помощью спрутниковых навигационных систем. Однако погрешности определения возникают не только из-за непостоянства положения орбиты спутника, но и вследствие колебаний скорости сигнала в атмосфере, вызываемых изменениями характеристик атмосферы на пути прохождения сигнала.

Другой источник погрешностей связан с пространственным положением спутников. Идеальный вариант – когда «пойманных» приёмником спутников много и они равномерно рассредоточены по всему небосводу. Тогда точность определения максимальна. Наихудший вариант – спутников всего 3-4 и они «сбились в кучу» рядом друг с другом. Поэтому станции коррекции рассчитывают поправку: они получают свои координаты по GPS и сравнивают со своими точными географическими координатами. Поправка посылается в виде сигнала для GPS-приемников. Она может применяться на расстояниях вплоть до 300-500 километров от станций коррекции.

Геодезические GPS-приемники обеспечивают точность определения координат до 5 см. В этих приемниках установлена обработка сигналов только в оптимальных условиях: несколько спутников в разных частях небосвода.

На территории России станций коррекции GPS-сигналов нет, однако северо-западный регион находится в зоне действия финской станции в Лапперанте. Такая избыточная точность совершенно не нужна при проведении полевых исследований. Полевые GPS-приемники обеспечивают точность до 2 м при использовании корректирующей поправки в зоне действия станции коррекции и 10-15 м без использования поправки. Для условий северо-запада средняя точность определения координат полевыми приёмниками фирмы "Garmin" составляет 5 м. Такая точность вполне достаточна при проведении геоэкологических исследований. Не страшна даже ошибка в 10-15 м: если Вы отметите несколько точек в течение 20-30 мин, то ошибка будет одинаковой для всех точек и их относительное положение друг относительно друга будет абсолютно верно.

Однако нам не нужны трёхмерные декартовые координаты точки – необходимо определить местоположение на карте. Создание любой карты предполагает перенос точки с поверхности Земли, которая не может быть описана математически, на воображаемую поверхность сферы или эллипсоида вращения и уже оттуда – на воображаемую поверхность определённой проекции.

Чтобы получить географические координаты точки, необходимо восстановить из неё перпендикуляр на поверхность воображаемой сферы или эллипсоида вращения. Разные страны используют различные эллипсоиды, чья поверхность в пределах этих стран лучше всего совпадает с поверхностью геоида. Поэтому при использовании разных эллипсоидов будут получаться отличающиеся координаты одной точки, поскольку формы эллипсоидов отличается и их поверхности не совпадают.

В России топографические карты строятся на основании эллипсоида Красовского в системах координат Пулково-42 и Пулково-95. В геодезических GPS-приемниках имеется возможность расчета координат на основе различных эллипсоидов, однако в наиболее распространённых полевых GPS-приемниках фирмы "Garmin" возможность расчета для эллипсоида Красовского отсутствует. По умолчанию координаты рассчитываются для общемирового эллипсоида WGS-84 ("World geodesic system"). Смещение положения точек при переходе от WGS-84 к эллипсоиду Красовского и Пулковским системам составляет в среднем для России 100-150 м. Разумеется, с такой погрешностью можно смириться, например, при создании карты загрязнения Баренцева моря, однако она совершенно недопустима при исследованиях урбанизированных и вообще существенно неоднородных территорий и акваторий.

Для решения этой проблемы имеются способы пересчета координат. Можно сделать по-другому: помещать точечные объекты на электронные карты, координаты объектов которых получены для эллипсоида WGS-84 .

Другим источником данных о точечных объектах, координаты которых представлены в географической системе координат (широта и долгота), являются материалы мониторинга морских акваторий и морских экспедиций. Например, результаты многолетнего мониторинга экологического состояния Невской губы и восточной части Финского залива.

И спутниковые системы, и материалы мониторинга морских акваторий дают координаты в градусах, минутах и секундах, или градусах и минутах с долями. Для обработки в среде ArcView 3.2 необходимы десятичные градусы, т.е. градусы с долями. Существует два способа добавления переведенных координат в ГИС ArcView 3.2 – спомощью Microsoft Excel и с помощью самого ГИС ArcView 3.2. Для этого в исходной таблице Microsoft Excel следует рассчитать в отдельных столбцах координаты в десятичных градусах. Если, к примеру, координаты по спутниковым данным записаны в градусах и минутах с долями, то десятичные градусы рассчитываются следующим образом: минуты делятся на 60 и результат прибавляется к градусам. Если координаты записаны в градусах, минутах и секундах, то секунды делятся на 60 – получаем доли минут. Добавляем их к минутам. Далее минуты делим на 60 – получаем доли градусов и добавляем их к градусам. Если долгота западная, то градусы, минуты и секунды должны быть отрицательными! Обязательно установите числовой формат ячеек, в которых записаны координаты в десятичных градусах! Далее следует сохранить таблицы в формате dBASE IV.

Так как таблица создана вне проекта, то её необходимо добавить в него. Для этого в диалоговом окне проекта выберите тип документов «Таблицы», после чего появится список всех таблиц проекта, включая открывавшиеся атрибутивные таблицы векторных тем. Нажмите кнопку «Добавить». На экране появится диалоговое окно «Добавить таблицу», позволяющее выбрать содержащий таблицу файл следующих типов: dBASE, INFO или текстовой. Выберите созданную Вами таблицу и нажмите кнопку «OK». Таблица будет импортирована в проект.

Второй способ – создание таблицы непосредственно в ArcView. Для этого в окне проекта также выберите тип документов «Таблицы», нажмите кнопку «Новый». После этого выберите место для сохранения новой таблицы, желательно в папке разрабатываемого проекта. После нажатия кнопки «OK» перед вами появится диалоговое окно с пустым бланком новой таблицы. Далее в пункте меню «Редактировать» выберите пункт «Добавить поле». Появится диалоговое окно создания нового поля. Оно предложит Вам ввести название создаваемого нового поля. Следует помнить, что у каждой точки отбора проб при мониторинговых и экспедиционных исследованиях должны быть свое название или идентификационный номер (или символ), а лучше и то и другое. Также необходимо выбрать тип поля: «Числовое», «Символьное», «Логическое» и «Дата». Для поля типа «Числовое» необходимо определить не только общее число знаков в блоке «Ширина», но и количество знаков после запятой в блоке «Десятичные разряды». Таким образом, можно задавать как целые, так и вещественные значения. Тип поля «Символьное» используется для сохранения текстовых характеристик объектов, например, названий городов, озер, рек и т.п. При создании данного поля ArcView 3.2 предложит Вам определить наибольшее количество символов, для этого необходимо поставить соответствующее число в текстовом блоке «Ширина». Тип поля «Дата» используется для сохранения дат, например, отбора проб. Тип поля «Логическое» предполагает содержание типа ложь или истина, значения в нем могут быть трех типов: «true», «false» и «nil». Последнее значение означает, что поле не имеет данных и вносится автоматически. Итак, мы создаем три или четыре новых поля: одно для внесения в него широты, второе – долготы, третье – идентификационного номера. Возможно создание и четвертого поля для хранения названий мест наблюдения или адресов. Первые три поля имеют формат «Числовой», причем широта и долгота должны иметь количество знаков после запятой, определяемое степенью точности определения координат. А вот идентификационный номер представляет собой уникальное целое число. Разумеется, вместо идентификационного номера может использоваться идентификационный символ. Внимание! Пакет ArcView 3.2 не воспринимает русскоязычные названия полей.

После создания полей создаём записи и вносим в них данные. Для этого в пункте меню «Редактировать» необходимо выбрать пункт «Добавить запись». Результатом будет создание одной пустой строки (записи), в которую затем заносим информацию. Записей нужно создать столько, сколько у нас точек с координатами.

Теперь, когда необходимая информация добавлена в виде таблицы в проект, её можно добавить в Вид. Для этого в диалоговом окне проекта сделайте активным тип документов «Виды», затем выберите из списка нужный Вид и откройте его. Далее в ниспадающем меню «Вид» выберите опцию «Добавить тему Событие», на экране появится соответствующее диалоговое окно. По умолчанию стоит добавление координатных тем событий: активна кнопка в верхнем левом углу с изображением точки и символов X и Y. Выберите в списке прокрутки «Таблица» созданную Вами таблицу. В списке прокрутки «X поле» выбрать поле, в котором содержатся значения долготы, а в списке прокрутки «Y поле» – широты. Разумеется, для Видов спроецированных координат следует указывать поля со значениями координат X и Y. Теперь нажмите кнопку «OK». В Вид будет добавлена новая точечная тема, имеющая такое же название, как и исходная таблица. Когда Вы сделаете ее видимой, то на карте появятся точки, например, отбора проб в соответствии с их географическими координатами. С темой события можно производить все действия, что и точечной темой, источником которой служит шейпфайл.