Информационные системы в прикладной геодезии

Введение

Геоинформационная система (географическая информационная система, ГИС) — система сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных (географических) данных и связанной с ними информации о необходимых объектах. ГИС возникли ещё в античные времена и многие античные разработки актуальны и в наши дни. По этой причине мы рассмотрим исторические аспекты развития ГИС.
Данная работа имеет практический характер, но без знания основ теории практическая работа неэффективна. Пилоты самолётов и вертолётов не способны выполнять свою работу не имея представления об основах аэродинамики. Точно также специалисты по физической химии изучают радиоэлектронику. Современные ГИС используют передовые достижения науки и техники, и практическая работа с ГИС невозможна без хотя бы поверхностного знания современных технологий.
Лучший метод обучения – активный. Это относится и к ГИС. Для глубокого понимания ГИС целесообразно разработать её мини прототип. Современные программные средства настолько просты, что позволяют геодезистам работать не только как пользователям существующих ГИС, но и самим разрабатывать ГИС малой и средней сложности. В настоящей работе рассмотрена разработка простой ГИС и показано, что данная задача посильна не только программистам-профессионалам, но и геодезистам-практикам.
Краткая история ГИС

Появление ГИС, также как и возникновение геометрии напрямую связано с задачами земледелия и строительства. Впечатляющим результатом античных времён является высокая точность ориентации египетских пирамид. Ошибка ориентации составляет около 4 угловых минут, это величина того же порядка, что и погрешность современных навигационных приборов. Несмотря на обилие гипотез, до сих пор неясно как строители достигли такой точности. Не исключено, что будут найдены древние письмена, которые позволят узнать технологии древних египтян, и эти технологии будут актуальны и в наши дни.
Другим важным результатом является сделанное Пифагором открытие шарообразной формы Земли. 100 лет спустя Эратосфен дал оценку радиуса Земли.
Пифагор, Евклид и другие античные учёные внесли большой вклад в геометрию. Их результаты актуальны и в наши дни. В современных ГИС используются геометрические построения древних греков.
В 1552 г появился термин «теодолит» с тех пор теодолиты постоянно применялись в геодезии. В течение веков происходило их совершенствование.
Важной вехой в истории геодезии является экспедиция 1736-1737 года в долину реки Торнионйоки с целью определения формы Земли. В результате была подтверждена гипотеза о том, что Земля имеет форму сплюснутого эллипсоида. Этот факт используется в современных ГИС. Примечательно что экспедиция проходила в XVIII веке, в сложных условиях, тогда как геодезисты XX века находясь в пределах населенных пунктов совершали грубейшие ошибки.
В 1891 Сет Карло Чандлер установил явление колебания полюсов с периодом в 428 суток. Это было сделано в докомпьютерную эру. Открытие Чандлера тоже используется в современной геодезии.
В XX веке применение лазерных и других дальномеров существенно снизило трудоёмксть геодезических работ.
Применение спутников снизило трудозатраты и повысило точность геодезических измерений. Так как спутниковые средства вытесняют другие методы геодезии, в настоящей работе подробно рассмотрено системы, основанные на применении спутников.
Теоретические основы построения современных ГИС

Современные прецизионные ГИС требуют привлечения уникальных научных достижений. К примеру общая теория относительности долгое время считалась не имеющего практического применения наукой. Она предсказывала отклонение лучей во время затмения Солнца, и аномальное движение планеты Меркурий. Благодаря развитию ГИС общая теория относительности превратилась в прикладную науку. В данной главе мы рассмотрим теоретические вопросы и поясним зачем геодезисты-практики должны их понимать.


3.1 Математические алгоритмы ГННС

3.1.1 Прототип. Определение положения точки по дальностям

В качестве прототипа алгоритма ГННС рассмотрим задачу определения P(x,y,z)точки в трёхмерном пространстве по расстояниям D_A,D_B,D_C до трёх точек A(0,0,0),B(x_B,0,0),C(x_c,y_C,0) координаты которых известны. Графически эта ситуация изображена на рисунке 2.1.








Рис. 3.1 Определение трёх координат точки по трём дальностям
Согласно формулам аналитической геометрии получаем:
D_A^2=x^2+y^2+z^2; (3.1)
D_B^2=(x-x_B )^2+y^2+z^2; (3.2)
〖 D〗_C^2=(x-x_C )^2+(y-y_C )^2+z^2; (3.3)
Из уравнений (3.1) – (3.2) имеем:
D_A^2-D_B^2=2xx_B-x_B^2;
x=(D_A^2-D_B^2+x_B^2)/(2x_B ) . (3.4)
Теперь считая известным значение x и подставляя его в (2.3) получаем