6: Національна інфраструктура просторових даних I

Девід ДіБіаз

6.1. Огляд

Розділи 6 та 7 розглядають походження та характеристики рамкових тем даних, які складають запропоновану Сполученими Штатами Національну інфраструктуру просторових даних (NSDI). Сім тем включають геодезичний контроль, ортозображення, висоту, транспорт, гідрографію, урядові одиниці (адміністративні кордони) та кадастрові (межі власності). Більшість рамочних даних, таких як друковані топографічні карти, які передували їм, виводяться прямо або опосередковано з аерофотознімків. Глава 6 знайомить з областю фотограмметрії, яка займається виробництвом географічних даних з аерофотознімків. Розділ починається з розгляду характеру і статусу NSDI США в порівнянні з іншими національними програмами картографування. Розглянуто витоки та особливості геодезичної контрольної та ортообразної тематики. Решта п'ять тем є предметом глави 7.

6.2. Контрольний список

Наступний контрольний список призначений для студентів штату Пенн, які зареєстровані для класів, в яких цей текст, і пов'язані вікторини та проекти в системі управління курсами ANGEL були призначені. Можливо, вам буде корисно спочатку роздрукувати цю сторінку, щоб ви могли слідувати інструкціям.

6.3. Національні географічні інформаційні стратегії

У 1998 році Ян Массер опублікував порівняльне дослідження національних геоінформаційних стратегій чотирьох розвинених країн: Великобританії (Англії та Уельсу), Нідерландів, Австралії та США Masser, побудованих на попередніх роботах, які виявили, що країни з відносно низьким рівнем доступності цифрових даних і розповсюдження ГІС також, як правило, є країнами, де відбулася фрагментація джерел даних за відсутності координації центрального або місцевого самоврядування» (p. ix). Порівнюючи свої чотири тематичні дослідження стосовно семи рамкових тем, визначених для NSDI США, Массер виявив значні відмінності в доступності даних, ціноутворенні та захисті інтелектуальної власності. Відмінності в доступності основних даних, виявлені він, пояснюються способами розподілу відповідальності за картографування та реєстрацію прав на землю між національними, державними та місцевими органами влади в кожній країні.

Наступна таблиця узагальнює ці розподіли обов'язків.

Розподіл обов'язків між різними рівнями правління (Masser, 1998).

Аналіз Masser допомагає пояснити, що геопросторові професіонали в США знають увесь час - що охоплення даних фреймворку в США є неповним або фрагментованим, оскільки тисячі органів місцевого самоврядування несуть відповідальність за масштабне картографування та реєстрацію прав на землю, і тому що ці діяльність, як правило, погано скоординована. На відміну від цього, охоплення основних даних є більш-менш повним в Австралії, Нідерландах та Великобританії, де центральні та державні уряди мають повноваження щодо масштабного картографування та реєстрації земельних титулів.

Інші відмінності між чотирма країнами стосуються зборів, що стягуються урядами за використання географічних та статистичних даних, які вони виробляють, а також захисту авторських прав, які вони стверджують щодо даних. Федеральні державні установи США, зазначає Masser, відрізняються від своїх колег тим, що стягують не більше витрат на відтворення своїх даних у формах, придатних для доставки клієнтам. Однак політика штату та місцевого самоврядування в США значно відрізняється. У США тривають багаторічні дискусії щодо життєздатності та етики відшкодування витрат, пов'язаних з публічними даними.

США також різко відрізняються від Великобританії та Австралії щодо захисту авторських прав. Більшість даних, опублікованих Геологічною службою США або Бюро перепису населення США, знаходяться у відкритому доступі і можуть використовуватися без обмежень. Дані опитування U.K. Ordnance Survey, навпаки, захищені авторським правом Корони і доступні для використання іншими особами за плату та на умовах обмежувальних ліцензійних угод. Одним із наслідків рішення федерального уряду про випуск своїх геопросторових даних у суспільне надбання, деякі стверджували, було раннє виникнення енергійної геопросторової галузі в США.

6.4. Застарілі дані: Топографічні карти USGS

Фахівці з географічної інформації розпізнають два широких функціональних класу карт, довідкових карт і тематичних карт. Як ви пам'ятаєте з глави 3, тематична карта зазвичай складається з однією конкретною метою. Часто намір полягає в тому, щоб зробити точку про просторовій закономірності окремого явища. Довідкові карти, з іншого боку, призначені для обслуговування багатьох різних цілей. Як і довідник, такий як словник, енциклопедія або вісник, довідкові карти допомагають людям шукати факти. Загальне використання довідкових карт включає визначення місцезнаходження назв місць та особливостей, оцінку відстаней, напрямків та районів та визначення бажаних маршрутів від відправних пунктів до пункту призначення. Довідкові карти також використовуються як базові карти, на яких можуть бути складені додаткові географічні дані. Оскільки довідкові карти служать різному використанню, вони, як правило, включають більшу кількість та різноманітність символів та імен, ніж тематичні карти. Наочним прикладом є частина топографічної карти Геологічної служби США (USGS), показана нижче.

Типова довідкова карта. Частина топографічної карти чотирикутника USGS (USGS, 1971)

Термін топографія походить від грецької топографіїв, «описати місце». Топографічні карти показують і називають багато видимих характеристик ландшафту, а також політичні та адміністративні кордони. Серії топографічних карт забезпечують базові карти рівномірного масштабу, змісту та точності (більш-менш) для цілих територій. Багато національних урядів включають установи, відповідальні за розробку та підтримку серій топографічних карт для різних цілей, від управління природними ресурсами до національної оборони. Заможні країни, країни з особливо цінними природними ресурсами та країни з великими або надзвичайно активними військовими, як правило, відображаються більш повно, ніж інші.

Систематичне картографування всієї території США почалося в 1879 році, коли була створена Геологічна служба США (USGS). Протягом наступного століття USGS та її партнери створили серії топографічних карт в декількох масштабах, включаючи 1:250 000, 1:100 000, 1:63 ,360 та 1:24 000. Діаграма нижче ілюструє відносні межі різних серій карт. Оскільки значна частина сучасних цифрових картографічних даних була оцифрована з цих топографічних карт, однією з проблем створення безперервного цифрового покриття всієї США є об'єднання всіх цих окремих аркушів карт.

Відносні екстенти декількох серій карт чотирикутника USGS. (Томпсон, 1988).

Листи карти в серії масштабу 1:24 000 відомі як чотирикутники або просто квадрацикли. Чотирикутник - це чотиригранний багатокутник. Хоча кожен квадрат 1:24 000 охоплює 7,5 хвилин довготи на 7,5 хвилин широти, їх форми та зони покриття різняться. Площа, покрита 7,5-хвилинними картами, варіюється від 49 до 71 квадратних миль (126 до 183 квадратних кілометрів), оскільки довжина градуса довготи змінюється залежно від широти.

Топограф складання топографічної карти з використанням плоского столу і алідади (NOAA, 2007).

Через 1940-х роках топографи в польових умовах складали вручну дані, зображені на топографічних картах. Anson (2002) нагадує, що оснащений 14-дюймовим столом для трасування та штативом розміром 14 дюймів, плюс алідада [12-дюймовий телескоп, встановлений на латунній лінійці], 13-футовий складаний стрижень стадіону, мачете та їдальня... (стор. 1). Команди топографів замальовували потоки, берегові лінії та інші водні об'єкти; дороги, споруди та інші особливості побудованого середовища; контури висот та багато інших об'єктів. Для забезпечення геометричної точності їх ескізи базувалися на геодезичному контролі, наданих землевпорядниками, а також положеннях і точкових відмітках, які вони самі обстежували за допомогою алідад і стрижнів. Залежно від місцевості, складання одного 7,5-хвилинного чотирихвилинного аркуша може зайняти тижні або місяці. Однак у 1950-х роках фотограмметричні методи за участю стереоплотерів, які дозволяли топографам робити точні стереоскопічні вимірювання безпосередньо з перекриваються пар аерофотознімків, забезпечили життєздатну та більш ефективну альтернативу картографуванню полів. Більш детально ми розглянемо фотограмметрію пізніше в цьому розділі.

До 1992 року була завершена серія з більш ніж 53 000 окремих чотирикутників карт, що охоплюють нижчі 48 штатів, Гаваї та території США в масштабі 1:24 000, загальною вартістю 2 мільярди доларів. Однак до кінця століття середній вік 7,5-хвилинних чотирикутників становив понад 20 років, а федеральні бюджетні асигнування обмежили зміни лише 1500 квадроциклів на рік (Moore, 2000). Оскільки зміна ландшафту перевищила зміни у багатьох районах США, серія топографічних карт USGS стала застарілими даними з точки зору формату, а також вмісту.

6.5. Стандарти точності

Помилки і невизначеність притаманні географічним даними. Незважаючи на всі зусилля Відділу картографування USGS та його підрядників, топографічні карти включають в себе функції, які недоречні, функції, які названі або символізовані неправильно, та функції, які застаріли.

Як обговорювалося в розділі 2, точність розташування просторових ознак, закодованих в топографічних картах USGS та даних, гарантовано відповідає Національним стандартам точності карт. Стандарт для топографічних карт стверджує, що горизонтальні положення 90 відсотків чітко визначених точок, що перевіряються, будуть відбуватися в межах 0,02 дюйма (відстань карти) від їх фактичних положень. Аналогічно, вертикальні положення 90 відсотків чітко визначених точок перевірені повинні бути вірними в межах половини інтервалу контуру. Обидва стандарти, пам'ятайте, залежать від масштабу.

Об'єктивних стандартів для точності атрибутів, пов'язаних з географічними ознаками, не існує. Однак помилки атрибутів, безумовно, трапляються. Літописець національної програми картографування (Thompson, 1988, p. 106) згадує стурбованого користувача, який скаржився USGS, що «Моя віра в точність карти отримала поштовх, коли я зазначив, що на карті водойма району показана як очисна споруда стічних вод».

Проходження часу є, мабуть, самим клопітким джерелом помилок на топографічних картах. Як згадувалося на попередній сторінці, середній вік топографічних карт USGS становить понад 20 років. Географічні дані швидко втрачають цінність (за винятком історичних аналізів), якщо вони не будуть постійно переглянуті. Послідовність фрагментів карти нижче показує, як часто потрібні зміни між 1949 і 1973 роками для квадроциклів, який охоплює Кі-Ларго, штат Флорида. Ревізії ґрунтуються насамперед на географічних даних, отриманих за допомогою аерофотозйомки.

Географічні дані швидко втрачають цінність, якщо вони не оновлюються. (Томпсон, 1988). Виберіть кожен з років, щоб переглянути переглянуту карту. Примітка: Вам потрібно встановити програвач Adobe Flash, щоб побачити і взаємодіяти з цією ілюстрацією. Завантажити Flash Player безкоштовно можна за адресою http://www.adobe.com/flash.

6.6. Відскановані топографічні карти

Багато продуктів цифрових даних були отримані з серії топографічних карт USGS. Найпростішим з таких продуктів є Digital Raster Graphics (DRG). DRG - це скановані растрові зображення топографічних карт USGS 1:24 000. DRG корисні як фони, на які можуть накладатися інші цифрові дані. Наприклад, точність векторного файлу, що містить рядки, що представляють озера, річки та потоки, можна перевірити на повноту та точність шляхом побудови його на DRG.

Частина цифрової растрової графіки (DRG) для Бушкілла, PA

DRG створюються шляхом сканування паперових карт з роздільною здатністю 250 пікселів на дюйм. Оскільки в 1:24 000 1 дюйм на карті представляє 2,000 футів на землі, кожен піксель DRG відповідає площі близько 8 футів (2,4 метра) збоку. Кожен піксель пов'язаний з одним атрибутом: числом від 0 до 12. Цифри позначені для 13 стандартних кольорів DRG.

Збільшена частина цифрової растрової графіки (DRG) для Бушкілла, Пенсильванія

Як і паперові карти, з яких вони скануються, DRG відповідають Національним стандартам точності карт. Підмножина з більш ніж 50,000 DRG, які охоплюють нижчі 48 станів, були вибрані та перевірені на повноту та точність позиціонування.

DRG відповідають універсальній поперечній проекції Меркатора, яка використовується в локальній зоні UTM. Відскановані зображення перетворюються в проекцію UTM шляхом узгодження положень 16 контрольних точок. Як і топографічні карти чотирикутника, всі DRG в межах однієї зони UTM можуть бути підігнані разом, щоб утворити мозаїку після видалення «комірів» карти.

Щоб дослідити DRG більш глибоко, відвідайте веб-сайт USGS Topomaps або шукайте в Інтернеті на «Цифрова растрова графіка USGS»

6.7. Федеральний комітет географічних даних

Ще до того, як USGS завершила свою загальнонаціональну серію чотирикутників 7,5 хвилин, федеральний уряд США почав переосмислювати та реорганізувати свою національну програму картографування. У 1990 році Управління управління та бюджету США видало Циркуляр A-16, який створив Федеральний комітет з географічних даних (FGDC) як міжвідомчий координаційний орган, відповідальний за сприяння співпраці між федеральними установами, місії яких включають виробництво та використання геопросторових даних. FGDC очолює Департамент внутрішніх справ, і управляється USGS.

У 1994 р. Виконавчий наказ президента Білла Клінтона 12906 доручив FGDC координувати зусилля державних установ та фірм приватного сектору, що ведуть до Національної інфраструктури просторових даних (NSDI). Наказ визначив NSDI як «технологію, політику, стандарти та людські ресурси, необхідні для придбання, обробки, зберігання, розповсюдження та вдосконалення використання геопросторових даних» (Білий дім, 1994). Він закликав FGDC створити Національний центр обміну геопросторовими даними, наказав федеральним агентствам зробити свої продукти геопросторових даних доступними для громадськості через Кліринговий дім, і вимагав від них документувати дані у стандартному форматі, що полегшує пошук в Інтернеті. Агентства були зобов'язані виробляти і поширювати дані відповідно до стандартів, встановлених FGDC. (Департаменти оборони та енергетики були звільнені від наказу, як і Центральне розвідувальне управління.)

Нарешті, Наказ доручив FGDC підготовку плану впровадження для Національної цифрової рамки геопросторових даних, «основи даних NSDI» (FGDC, 1997, p. v). Сім основних тем даних, які складають NSDI Framework, перераховані нижче, разом з державними установами, які несуть головну відповідальність за створення та підтримку кожної теми. Пізніше в цьому розділі, і в тому, що далі, ми будемо досліджувати рамки теми один за іншим.

Сім тем даних, які складають рамки NSDI та державні установи, відповідальні за кожну.

6.8. Національна карта USGS

Виконавчий наказ 12906 постановив, що призначений Секретар Департаменту внутрішніх справ очолюватиме Федеральний комітет з географічних даних. USGS, агентство Департаменту внутрішніх справ, несе відповідальність за три з семи рамкових тем NSDI - ортозображення, висота та гідрографія, а також вторинна відповідальність за кілька інших. У 2001 році USGS оголосила про своє бачення Національної карти, яка «узгоджується з цілями та є однією з декількох заходів USGS, які сприяють Національній інфраструктурі просторових даних» (USGS, 2001, стор. 31). Доповідь Національної дослідницької ради 2002 року визначила Національну карту як найважливішу ініціативу географічної дисципліни USGS в USGS (NRC, 2002). Визнаючи свою об'єднуючу роль у своїх наукових дисциплін, USGS переніс відповідальність за управління Національною картою з географії до Офісу геопросторової інформації USGS у 2004 році. (Однією з причин того, що термін «геопросторовий» використовується в USGS та інших місцях, є уникнення асоціації ГІС з певною дисципліною, тобто географією.)

У 2001 році USGS передбачав Національну карту як топографічну карту нації для 21-го століття (USGS, 2001, p.1). Покращення в порівнянні з оригінальними серіями топографічних карт повинні були включати:

Характеристика Національної карти (USGS, 2001, стор. 11-13.)

Станом на 2008 рік амбітне бачення USGS ще не повністю реалізовано. Оскільки це залежить від співпраці багатьох федеральних, державних та місцевих органів влади, бачення ніколи не може бути повністю досягнуто. Тим не менш, елементи Національної карти існують, включаючи національні теми даних, технології доступу та розповсюдження даних, такі як портал Geospatial One Stop та переглядач Національної карти та Національний атлас США. Новий Центр передового досвіду геопросторової інформаційної науки (CEGIS) був створений в рамках Управління геопросторової інформації USGS для проведення основних досліджень GIScience, необхідних для розробки та впровадження передових інструментів, які зроблять Національну карту більш цінною для кінцевих користувачів.

Теми даних, включені до Національної карти, наведені в наступній таблиці, порівняно з рамковими темами NSDI, описаними раніше в цьому розділі. Як бачите, теми Національної карти узгоджуються з п'ятьма з семи рамкових тем, але не включають геодезичний контроль та кадастрові дані. Крім того, Національна карта додає земельний покрив і географічні назви, які не включені в рамки NSDI теми. Враховуючи лідерську роль USGS у FGDC, чому теми Національної карти відхиляються від рамок NSDI? Згідно з Комітетом з пріоритетів досліджень для Центру передового досвіду USGS для геопросторової науки, «ці теми були обрані, оскільки USGS уповноважений надавати їх, якщо немає інших джерел, і [тому що] вони зазвичай містять інформацію, зображену на топографічних картах USGS (NRC, 2007, с. 31).

Порівняння тем даних, включених до Національної карти та системи NSDI.

Наступні розділи цієї глави, і той, що далі, описують виведення, характеристики та статус семи тем NSDI стосовно Національної карти. Глава 8 «Дані віддаленого зондування зображень» включатиме опис Національної програми даних про земельний покрив, яка забезпечує тему земельного покриву Національної карти. Зареєстровані студенти використовували інформаційну систему географічних імен USGS для завдання проекту.

6.9. Тема: Геодезичний контроль

У США Національна геодезична зйомка (NGS) підтримує національну мережу геодезичного контролю під назвою Національна система просторової прив'язки (NSRS). NSRS включає приблизно 300 000 горизонтальних і 600 000 вертикальних контрольних точок (Doyle, 1994). Високоточні мережі управління необхідні для картографічних проектів, що охоплюють великі площі; для проектування та обслуговування міждержавних транспортних коридорів, включаючи автомобільні дороги, трубопроводи та лінії електропередачі; та для моніторингу тектонічних рухів земної кори та змін рівня моря, серед інших застосувань (FGDC, 1998) а).

Деякі контрольні пункти більш точні, ніж інші, в залежності від методів, використовуваних геодезистами для їх встановлення. На сторінці глави 5 під назвою «Контроль обстеження» викладено класифікацію точності, прийняту в 1988 році для контрольних пунктів в РСЗС. Оскільки технологія GPS геодезичного класу стала доступною для геодезистів, очікування щодо точності контрольної мережі зросли. У 1998 році Федеральний підкомітет з геодезичного контролю FGDC опублікував набір стандартів точності геопросторового позиціонування. Одним з таких є Стандарти геодезичних мереж (FGDC, 1998a). У таблиці нижче представлена остання класифікація точності для горизонтальних координат і висот (еліпсоїдальних і ортометричних). Наприклад, теоретично нескінченно мале розташування горизонтальної контрольної точки, класифікованої як «1-міліметр», повинно мати 95% ймовірність потрапляння в межах 1 мм «радіуса невизначеності» (FGDC, 1998b, 1-5).

Класифікація точності для геодезичних мереж управління (FGDC, 1998).

Якщо у розділі 2 ви отримали таблицю даних NGS для контрольної точки, ви, ймовірно, виявили, що точність вашої точки була повідомлена з точки зору класифікації 1988 року. Якщо у вас була контрольна точка «першого порядку» (С), її класифікація точності становить 1 сантиметр. NGS планує модернізувати NSRS, однак. Його 10-річний стратегічний план стверджує, що «геодезична широта, довгота та висота точок, що використовуються при визначенні NSRS, повинні мати абсолютну точність 1 міліметр в будь-який час» (NGS, 2007, 8).

6.10. Тема: Ортообразність

Федеральний комітет з географічних даних (FGDC, 1997, стор. 18) визначає ортозображення як «географічне зображення, підготовлене з аерофотознімка або інших віддалених даних... [що] має ті ж метричні властивості, що і карта і має рівномірний масштаб». На відміну від ортозображень, масштаб звичайних аерофотознімків змінюється по всьому зображенню, через зміну висоти поверхні місцевості (серед іншого). Процес створення ортозображення зі звичайного повітряного знімка називається орторектифікацією. Фотограмметристи - це професіонали, які спеціалізуються на створенні орторектифікованих аерофотознімків, а також на складанні геометрично-точних векторних даних з аерофотознімків. Отже, щоб оцінити вимоги теми ортообразності фреймворку NSDI, нам спочатку потрібно дослідити область фотограмметрії.

6.11. Фотограмметрія

Фотограмметрія - це професія, пов'язана з виробництвом точних вимірювань об'єктів з фотографій і фотозображень. Одним з об'єктів, що вимірюються найчастіше фотограмметристами, є поверхня Землі. З середини 20 століття аерофотознімки були основним джерелом даних, що використовуються USGS та аналогічними установами для створення та перегляду топографічних карт. До цього топографічні карти складалися в польових умовах за допомогою магнітних компасів, стрічок, плоских столів (креслярська дошка, встановлена на штативі, оснащена нівелюючим телескопом на зразок транзитного) і навіть барометрів для оцінки висоти від перепадів тиску повітря. Хоча польові зйомки продовжують залишатися важливими для встановлення горизонтального та вертикального контролю, фотограмметрія значно підвищила ефективність та якість топографічної зйомки.

Пряма лінія між центром лінзи і центром видимої сцени називається оптичною віссю. Вертикальна аерофотознімок - це знімок поверхні Землі, зроблений зверху камерою, орієнтованою таким чином, щоб її оптична вісь була вертикальною. Іншими словами, коли вертикальна аерофотографія піддається впливу світла, відбитого від поверхні Землі, аркуш фотоплівки (або поверхня цифрового зображення) паралельний землі. На відміну від цього, зображення, яке ви можете створити, прив'язавши зображення землі під час подорожі літаком, називається косою аерофотознімком, оскільки оптична вісь камери утворює похилий кут із землею.

Вертикальна аерофотозйомка (Національна програма аерофотозйомки, 28 червня 1994 р.).

Номінальна шкала вертикальної повітряної фотографії еквівалентна f/H, де f - фокусна відстань камери (відстань між об'єктивом камери та плівкою — зазвичай шість дюймів), а H - висота польоту літака над землею. Можна зробити вертикальну повітряну фотографію таким чином, щоб масштаб був узгодженим по всьому зображенню. Однак це можливо лише в тому випадку, якщо місцевість на сцені абсолютно рівна. У рідкісних випадках, коли ця умова виконується, топографічні карти можуть бути складені безпосередньо з вертикальних аерофотознімків. Однак найчастіше фотографії змінної місцевості повинні бути перетворені або виправлені, перш ніж їх можна буде використовувати як джерело для картографування.

Державні установи всіх рівнів потребують сучасних аерофотознімків. Ранні зусилля спонсорувати повне і повторюване висвітлення США включали Національну програму аерофотозйомки, яка замінила більш ранню програму Національної висотної фотографії в 1987 році. NAPP був консорціумом федеральних урядових установ, який мав на меті спільно спонсорувати вертикальну аерофотозйомку всіх нижчих 48 штатів кожні сім років або близько того на висоті 20,000 футів, придатних для виготовлення топографічних карт у масштабах 1:5 000. Зовсім недавно NAPP був затьмарений іншим консорціумом під назвою Національна програма сільськогосподарських зображень. За словами студентки Енн О'Коннор (особисте спілкування, весна 2004), яка представляла Бюро перепису населення в консорціумі

Місії аерофотозйомки передбачають захоплення послідовностей зображень, що перекриваються вздовж багатьох паралельних шляхів польоту. У частині повітряної фотомозаїки, показаної нижче, зверніть увагу, що фотографії перекривають один на інший кінець в кінець, і збоку в бік. Це перекриття необхідно для стереоскопічного перегляду, що є ключем до випрямлення фотографій змінної місцевості. Потрібно близько 10 перекриваються аерофотознімків, зроблених уздовж двох сусідніх шляхів польоту північ-південь, щоб забезпечити стереопокриття для 7,5-хвилинного чотирикутника.

Частина мозаїки перекриваються вертикальними аерофотознімками. (Міністерство сільського господарства США, служба стабілізації товарів, н.д.).

6.12. Перспектива і планіметрія

Щоб зрозуміти, чому топографічні карти не можна відстежити безпосередньо від більшості вертикальних аерофотознімків, спочатку потрібно оцінити різницю між перспективою та планіметрією. У перспективі всі світлові промені, відбиті від поверхні Землі, проходять через одну точку в центрі об'єктива камери. Планіметричний (план) вид, навпаки, виглядає так, ніби кожне положення на землі розглядається безпосередньо зверху. Масштаб змінюється в перспективі. У переглядах плану масштаб скрізь узгоджений (якщо ми не помічаємо варіації маломасштабних карт через картографічні проекції). Топографічні карти, як кажуть, є планомірно правильними. Так само і ортообрази. Вертикальні аерофотознімки не є, якщо тільки вони не трапляються, щоб бути зроблені по рівній місцевості.

Як обговорювалося вище, масштаб аерофотознімка частково є функцією висоти польоту. Таким чином, коливання висоти спричиняють коливання масштабу на аерофотознімках. Зокрема, чим вище висота об'єкта, тим далі об'єкт буде зміщений від фактичного положення від основної точки фотографії (точка на поверхні землі, яка знаходиться безпосередньо під об'єктивом камери). І навпаки, чим нижче висота об'єкта, тим більше він буде зміщений до основної точки. Цей ефект, званий рельєфним зміщенням, проілюстрований на діаграмі нижче. Зверніть увагу, що ефект збільшується з відстанню від основної точки.

Зсув рельєфу - це зміна масштабу на аерофотознімках, викликана варіаціями висоти місцевості.

У верхній частині діаграми вище світлові промені, відбиті від поверхні, сходяться на одній точці в центрі об'єктива камери. Менша трапеція під лінзою являє собою аркуш фотоплівки. (Плівка насправді розташована за лінзою, але оскільки геометрія падаючого світла симетрична, ми можемо мінімізувати висоту діаграми, показавши дзеркальне відображення плівки під об'єктивом.) Зверніть увагу на чотири трикутні фідуціальні позначки по краях плівки. Мітки вказують на головну точку фотографії, яка відповідає розташуванню на землі безпосередньо під об'єктивом камери в момент експозиції. Викривлення шкали дорівнює нулю в головній точці. Інші ознаки, показані на фото, можуть зміщуватися в бік або подалі від основної точки, залежно від висоти поверхні рельєфу. Більша трапеція являє собою середню висоту поверхні місцевості в межах сцени. У лівій частині діаграми точка на поверхні землі на висоті вище середнього зміщується назовні, подалі від основної точки та її фактичного розташування. З правого боку інше місце на менш ніж середній висоті зміщується до основної точки. Зі збільшенням висоти рельєфу висота польоту зменшується, а масштаб фотографій збільшується. Зі зменшенням висоти рельєфу висота польоту збільшується, а масштаб фотографій зменшується.

Порівняйте карту і фотографію нижче. Обидва показують один і той же газопровід, який проходить по горбистій місцевості. Відзначте деформацію траси трубопроводу на фото щодо форми маршруту на топографічній карті. Деформація на фото викликана рельєфним зміщенням. Фотографія не послужила б добре сама по собі джерелом для топографічної зйомки.

Очищення трубопроводу виглядає криво на фотографії через переміщення рельєфу.

Все ще плутали? Подумайте про це так: там, де висота місцевості висока, земля ближче до аерофотокамери, а масштаб фотографій трохи більший, ніж там, де висота місцевості нижче. Хоча висота камери постійна, ефект хвилеподібної місцевості полягає в збільшенні та зменшенні масштабу. Ефект безперервно змінюваного масштабу полягає в спотворенні геометрії аерофотознімка. Цей ефект називається рельєфним зміщенням.

Спотворені погляди перспективи можуть бути перетворені на вигляд плану за допомогою процесу, який називається виправленням. У дискусійному форумі розміщення під час літа 2001 року пропозиції цього класу, студент Джоел Гамільтон розповів один дуже незручний спосіб виправити аерофотознімки:

В даний час цифрові аерофотознімки можна виправити аналогічним (але набагато менш безладним) способом, використовуючи спеціалізоване фотограмметричне програмне забезпечення, яке зміщує пікселі зображення в бік або від основної точки кожної фотографії пропорційно двом змінним: висоті точки поверхні Землі на розташування, яке відповідає кожному пікселю, і відстань кожного пікселя від основної точки фотографії.

Ще одним ще простішим способом виправлення перспективних зображень є стереоскопічний перегляд пар зображень.

6.13. Стереоскопія

Якщо у вас нормальний або виправлений зір в обох очах, ваш погляд на світ є стереоскопічним. Перегляд оточення одночасно з двох дещо різних точок зору дозволяє дуже точно оцінити, які об'єкти у вашому полі зору ближче, а які - далі. Ви знаєте цю здатність як глибинне сприйняття.

Коли ви фіксуєте свій погляд на об'єкт, перетин ваших двох оптичних осей на об'єкті утворюють те, що називається параллактичним кутом. В середньому люди можуть виявляти зміни лише 3 секунди в параллактичному куті, кутовій роздільній здатності, яка добре порівнюється з транзитами та теодолітами. Гострота сприйняття глибини людини - це те, що робить можливими фотограмметричні вимірювання.

Ваше сприйняття тривимірного середовища виробляється з двох окремих двовимірних зображень. Зображення, створені вашими очима, аналогічні двом аерофотознімкам, зробленим один за одним вздовж траєкторії польоту. Об'єкти, які з'являються в області перекриття між двома аерофотознімками, розглядаються з двох різних точок зору. Пара перекриваються вертикальних аерофотознімків називається стереопарою. Коли стереопара розглядається таким чином, що кожне око бачить тільки одне зображення, можна уявити собі тривимірне зображення області перекриття.

На наступній сторінці ви знайдете кілька прикладів того, як стереоскопія використовується для створення планомірно-правильних поглядів поверхні Землі. Якщо у вас є анагліфні стерео (червоні/сині) окуляри, ви зможете побачити стерео самостійно. Для початку давайте потренуємося переглядати анагліфні стереозображення.

6.14. Ректифікація за допомогою стереоскопії

Повітряні знімки повинні бути перетворені з перспективних поглядів на види плану, перш ніж їх можна буде використовувати для відстеження об'єктів, які з'являються на топографічних картах, або для оцифрування векторних об'єктів у цифрових наборах даних. Один із способів здійснити трансформацію - це стереоскопічний перегляд.

Нижче наведені частини вертикальної аерофотозйомки та топографічної карти, які показують ту саму територію, синклінальний хребет під назвою «Маленька гора» на річці Саскуеханна в центральній Пенсільванії. Лінійний просвіт, вирізаний для лінії електропередач, з'являється на обох (виділено жовтим кольором на карті). Галявина з'являється криво на фотографії через рельєфне зміщення. Але ми знаємо, що повітряне зображення, подібне до цього, було використано для складання топографічної карти. Повітряна фотографія повинна була бути виправлена для використання в якості джерела для топографічної зйомки.

Деформація очищення лінії електропередач, показана на фото повітря, викликана рельєфним зміщенням. (USGS. «Східний чотирикутник Гаррісберг, Пенсільванія»)

Нижче наведені частини двох аерофотознімків, що показують Маленьку гору. Дві фотографії були зроблені з послідовних шляхів польоту. Дві перспективи можуть бути використані для створення стереопари.

Стереопара: дві повітряні фотографії однієї області, зроблені з різних точок зору.

Далі стереопар накладається в анагліфному зображенні. Використовуючи свої червоні/сині окуляри, ви повинні мати можливість побачити тривимірне зображення Маленької гори, в якому лінія електропередач виглядає прямо, як якщо б ви змогли побачити її особисто. Зверніть увагу, що висота Маленької гори перебільшена через те, що відстань між основними точками двох фотографій не зовсім пропорційна відстані між вашими очима.

Анагліфний (червоний/синій) стереозображення, яке сплавляє стереопару, показану на малюнку вище. При перегляді з червоним фільтром над лівим оком і блакитним (синім) фільтром над правим оком утворюється стерескопічне зображення. Зверніть увагу, що очищення лінії електропередач, яке виглядає криво на обох повітряних фотографіях, з'являється прямо в стереоскопічному зображенні. (USGS. «Східний чотирикутник Гаррісберг, Пенсільванія»)

Давайте спробуємо це ще раз. Ми повинні переконатися, що ви можете візуалізувати, як стереоскопічний перегляд перетворює перекриваються аерофотознімки з перспективних поглядів на планіметричні погляди. Аерофотознімок і топографічна карта частин нижче показують ті ж особливості, лінії електропередач, що перетинають Sinnemahoning Creek в центральній Пенсільванії. Лінія електропередач, здається, згинається, коли вона спускається до струмка через рельєфне зміщення.

Деформація очищення лінії електропередач, показана на фото повітря, викликана рельєфним зміщенням. (USGS. «Кітінг чотирикутник, Пенсільванія»).

Дві аерофотознімки однієї області, зроблені з різних точок зору, складають стереопару.

Стереопара, дві повітряні фотографії однієї області, зроблені з різних точок зору.

Переглядаючи дві фотографії стереоскопічно, ми можемо перетворити їх з двовимірних перспективних поглядів на єдиний тривимірний вигляд, в якому геометричні спотворення, спричинені зміщенням рельєфу, були видалені.

Деформація, викликана зміщенням рельєфу, виправляється, коли повітряні фотографії переглядаються в стерео. (USGS. «Кітінг чотирикутник, Пенсільванія»).

Фотограмметристи використовують інструменти, звані стереоплотерами, для відстеження або компіляції даних, показаних на топографічних картах із стереоскопічних зображень, як ті, які ви бачили тут. Оператор, зображений нижче, переглядає стереоскопічну модель, подібну до тієї, яку ви бачите, коли переглядаєте анагліфні стереозображення з червоними/синіми окулярами. Стереопара накладається на правий екран робочої станції оператора. На лівому екрані відображаються діалогові вікна та командні вікна, за допомогою яких вона управляє програмним забезпеченням стереоплотера. Замість червоних/синіх окулярів оператор носить окуляри з поляризованими фільтрами лінз, які дозволяють їй візуалізувати тривимірне зображення місцевості. Вона обробляє тривимірну мишу, яка дозволяє їй розміщувати курсор на зображенні місцевості в межах дюймів від його фактичного горизонтального та вертикального положення.

Меррі Маккей (випускник Державної програми сертифікатів Пенна в ГІС та співробітник BAE Systems ADR) використовує аналітичний стереоплотер для оцифрування вертикальних та горизонтальних положень із стереоскопічної моделі. Фото близько 1998 року, використовується з дозволу пані Маккей і ADR, Inc. коли вона зіткнулася з її фотографією як студент в класі в 2004 році, Меррі написав «У мене коротке волосся і чотири онуки зараз...»

6.15. Орторектифікація

Ортозображення (або ортофото) - це єдине повітряне зображення, в якому були видалені спотворення, спричинені зміщенням рельєфу. Масштаб ортозображення рівномірний. Як і планометрично правильна карта, ортозображення зображують сцени так, ніби кожна точка розглядалася одночасно безпосередньо зверху. Іншими словами, ніби кожна оптична вісь ортогональна поверхні землі. Зверніть увагу, як розчищення лінії електропередач було випрямлено в ортофото праворуч внизу.

Порівняння вертикальної аерофотозйомки (зліва) та ортофото.

Зсув рельєфу викликаний перепадами висот. Якщо висота поверхні місцевості відома по всій сцені, геометричні спотворення, які вона спричиняє, може бути виправлена. Оскільки фотограмметрія може бути використана для вимірювання вертикальних, а також горизонтальних положень, вона може бути використана для створення колекції вертикальних положень, які називаються моделлю місцевості. Автоматизовані процедури перетворення вертикальних аерофотознімків у ортофотографії вимагають цифрових моделей місцевості.

З початку 1990-х років ортофотографії широко використовуються як джерела для редагування та перегляду цифрових векторних даних.

6.16. Метадані

Через решту цієї глави та наступного ми будемо досліджувати конкретні продукти даних, які складають рамки теми Національної інфраструктури просторових даних США (NSDI). Формат, який я використовуватиму для обговорення цих продуктів даних, відображає стандарт метаданих Федерального комітету з географічних даних (FGDC, 1998c). Метадані — це дані про дані. Він використовується для документування вмісту, якості, формату, власності та походження окремих наборів даних. Як зазначає FGDC, найвідомішим прикладом метаданих є панель «Факти про харчування», надрукована на етикетках продуктів харчування та напоїв у метаданих США, також надає ключові слова, необхідні для пошуку доступних даних у спеціалізованих інформаційних центрах та у Всесвітній павутині.

Деякі з ключових заголовків, включених до стандарту метаданих FGDC, включають:

1. Ідентифікаційна інформація: хто створив дані, короткий опис їх змісту, форми та призначення; їх статус, просторовий обсяг та обмеження використання;
2. Інформація про якість даних: Точність і повнота атрибутів, горизонтальних та вертикальних положень, джерел та процедур, що використовуються для створення даних;
3. Просторова довідкова інформація: Проекція та/або система координат; дата та еліпсоїд;
4. Інформація про сутність та атрибут: використані категорії функцій та атрибутів; і
5. Інформація про розповсюдження: Доступність та спосіб отримання даних.

Стандарт вмісту FGDC для цифрових геопросторових метаданих опублікований тут. Професіонали з геопросторових питань розуміють цінність метаданих, знають, як їх знайти та як їх інтерпретувати.

6.17. Цифровий ортофото чотирикутник (DOQ)

6.18. Резюме

Багато місцевих, державних та федеральних урядових установ виробляють і покладаються на географічні дані для підтримки своїх щоденних операцій. Національна інфраструктура просторових даних (NSDI) призначена для сприяння співпраці між агентствами для зменшення витрат та підвищення якості та доступності публічних даних у США. Ключові компоненти NSDI включають стандарти, метадані, дані, координаційний центр для розповсюдження даних та партнерські відносини. Сім рамкових тем даних були описані як «магістраль даних NSDI» (FGDC, 1997, p. v). У цій главі та наступному огляді витоки, характеристики та статус рамкових тем. Порівняно з деякими іншими розвиненими країнами, рамочні дані є фрагментарними в США, значною мірою тому, що картографічна діяльність на різних рівнях уряду залишається недостатньо скоординованою.

Глава 6 розглядає дві з семи рамкових тем: геодезичний контроль та ортозображення. Обговорюється вплив високоточного супутникового позиціонування на стандарти точності для Національної системи просторової прив'язки - горизонтальних та вертикальних мереж управління США. Глава підкреслює той факт, що багато рамочних даних отримується, прямо чи опосередковано, з аерофотознімків. Геопросторові фахівці розуміють, як фотограмметристи збирають планометрично-правильні векторні дані шляхом стереоскопічного аналізу аерофотознімків. Вони також розуміють, як ортозображення створюються та використовуються, щоб допомогти підтримувати поточні векторні дані, серед інших застосувань.

Найбільш амбітною спробою впровадження загальнонаціонального збору рамочних даних є Національна карта USGS. Складається з деяких продуктів цифрових даних, описаних у цьому розділі, та тих, що слідують, запропонована Національна карта повинна включати цифрові ортозображення з високою роздільною здатністю (1 м), цифрові дані висоти зі змінною роздільною здатністю (10-30 м), векторний транспорт, гідрографію та межі, земля із середньою роздільною здатністю (30 м) характеристики даних, отриманих із супутникових знімків, та географічних назв. Ці дані повинні бути безшовними (на відміну від більш ніж 50 000 аркушів, які містять 7,5-хвилинний топографічний чотирикутник серії) і постійно оновлюватися. Тим часом, у 2005 році USGS оголосила, що два з трьох національних картографічних центрів (у Рестоні, Вірджинія та Ролла, штат Міссурі) будуть закриті, а понад 300 робочих місць ліквідовано. Хоча фінансування центру Ролла було згодом відновлено Конгресом, залишається з'ясувати, чи буде USGS достатньо ресурсів для виконання своїх пошуків Національної карти.

6.19. Бібліографія

Anson, A. (2002) Топографічна зйомка з плоскою таблицею та алідадою в 1940-х роках. [CD-ROM] Професійні геодезисти Видавництво Co.

Дойл, Девід Р. 1994 Розробка національної системи просторової прив'язки. Отримано 9 листопада 2007 з http://www.ngs.noaa.gov/PUBS_LIB/develop_NSRS.html

Федеральний комітет геодезичного контролю (1988). Геометричні геодезичні стандарти точності та специфікації для використання методів відносного позиціонування GPS. Отримано 27 березня 2013 р., зDocs.lib.noaa.gov/noaa_документи/ні/ns/ngs/geom_geod_accu_standards.pdf

Федеральний комітет з географічних даних (1998a). Стандарти точності геопросторового позиціонування частина 2: стандарти для геодезичних мереж. Отримано 11 лютого 2008 р., з http://www.fgdc.gov/standards/standards_publications/

Федеральний комітет з географічних даних (1998b). Стандарти точності геопросторового позиціонування частина 1: методологія звітності. Отримано 11 лютого 2008 р., з http://www.fgdc.gov/standards/standards_publications/

Федеральний комітет з географічних даних (1998c). Стандарт вмісту для цифрових геопросторових метаданих. Отримано 19 лютого 2008 р., з http://www.fgdc.gov/standards/standards_publications/

Гідон П. Альпи_стерео. Отримано 10 травня 2006 р., зperso.infonie.fr/alpes_stereo/i_index.htm (Закінчився посилання.)

Масер І. Уряди та географічна інформація. Лондон: Тейлор і Френсіс.

Мур, Ларрі (2000) Програма перегляду геологічної служби США для 7,5-хвилинних топографічних карт. Отримано 14 грудня 2007 року з http://pubs.usgs.gov/of/2000/of00-325/moore.html

Національне управління аеронавтики та космічного простору (1997). Марс слідошукач. Отримано 7 червня 2006 р., з http://mars.jpl.nasa.gov/MPF/index0.html

Національна геодезична зйомка (2007). Національна геодезична зйомка 10-річний план; місія, бачення та стратегія 2007-2017 рр. Отримано 19 лютого 2008 року з www.ngs.noaa.gov/інфо/ngs_tenyearplan.pdf

Національне управління океанічних та атмосферних впливів (2007) Історія NOAA. Отримано 18 лютого 2008 р., з http://www.history.noaa.gov/

Національна наукова рада (2002). Дослідницькі можливості в географії в Геологічній службі США. Вашингтон, округ Колумбія: Преса Національних академій.

Національна наукова рада (2007). Програма досліджень географічної інформаційної науки в Геологічній службі США. Вашингтон, округ Колумбія: Преса Національних академій.

Управління управління та бюджету (1990) Циркуляр A-16, переглянутий. Отримано 19 лютого 2008 р., з http://www.whitehouse.gov/omb/circulars_a016_rev

Перрі, Р.Б. (1987). Стан світового картографування. У R. Parry & C. Perkins (ред.), Світове картографування сьогодні. Баттерворт-Хайнеман.

Робінсон, А. та ін. (1995). Елементи картографії (5-е видання). Нью-Йорк: Джон Вілі та сини.

Томпсон, М.М. (1988). Карти для Америки, картографічні продукти США геологічних вишукувань та ін. (3-е видання). Рестон, штат Вірджинія: Геологічна служба США.

Геологічна служба США (2001). Національна карта: топографічна зйомка ХХІ ст. Підсумковий звіт, 30 листопада. Отримано 11 січня 2008 з http://nationalmap.gov/report/national_map_report_final.pdf

Білий дім (1994) Виконавчий наказ 12906: координація доступу до географічних даних. Отримано 19 лютого 2008 р., з http://www.fgdc.gov/policyandplanning/executive_order