Как делают карты на компьютере 5 класс география кратко
Обновлено: 02.07.2024
Раздел программы: информационные системы и базы данных.
Тип урока: изучение нового материала, урок-исследование.
Вид урока: комбинированный.
Время проведения урока: один из последних уроков в указанном разделе.
Оборудование: компьютерный класс, проектор, листы с конспектом урока, листы с заданиями и алгоритмами для исследования.
Программное обеспечение: операционная система Windows, программа создания и демонстрации презентаций Microsoft Power Point, настольная ГИС TOPPLAN Санкт-Петербург; презентация по теме урока Геоинформационные системы.pps, подготовленная учителем.
- Образовательная - знакомство с новейшим классом информационных систем, освоение приемов поиска и средств навигации геоинформационной системы TopPlan Санкт-Петербург.
- Развивающая – развивать познавательный интерес учащихся, умения применять полученные знания на практике, привить навыки исследовательской работы в группах.
- Воспитательная – повысить уровень информационной культуры и социальной адаптации учащихся, воспитывать интерес и любовь к Петербургу, популяризация географических знаний о Петербурге.
1. Организационный момент.
С помощью проектора демонстрируется на экране первый слайд презентации. (Приложение 1) Тема нашего урока “Геоинформационные системы”. Наш век — век информации. ГИС — технология управления ею. Пусть эти слова послужат эпиграфом нашего урока. Озвучить цели и план урока. (слайды 1-3)
2. Актуализация знаний.
Что мы знаем? Что мы не знаем? Слайд 4.
Первым вопросом человека, не знакомого с географическими информационными системами (ГИС), будет, конечно, "зачем мне это нужно?". Действительно, мы не пользуемся атласами и картами каждую минуту нашей жизни. И географию, как известно из произведений классиков, тоже “изучать не обязательно - для этого извозчики есть”. К тому же информации из разных источников мы и так получаем больше, чем иногда хотелось бы. И нужно ли ее еще и систематизировать? Тут есть о чем задуматься. Но, если разобраться, то ГИС - это нечто большее, чем карта, перенесенная на компьютер. Так что же это такое - ГИС? Давайте вспомним, что мы уже знаем и на что мы можем опираться при знакомстве с новой темой. (См. слайд № 4) Организовать диалог с учащимися.
3. Объяснение новой темы с помощью презентации “Геоинформационные системы”
Сегодня важно уметь работать с имеющейся информацией. Методы работы с данными постоянно совершенствуются, и теперь уже привычно видеть документы, таблицы, графики, чертежи и картинки на экране компьютера. Одним из типов документов, в который компьютер вдохнул новую жизнь, стала и географическая карта. Существуют виды деятельности, в которых карты - электронные, бумажные или хотя бы представляемые в уме - незаменимы. Даже в быту, мы регулярно работаем с информацией о географическом положении объектов - магазин, детский сад, метро, работа, школа… Пространственное мышление естественно для нашего сознания.
Последние десятилетия ознаменовались бумом в области применения карт, и связано это с возникновением Географических Информационных Систем, воплотивших принципиально новый подход в работе с пространственными данными.
Слайд 5. Что такое геоинформационная система?
ГИС (географическая информационная система) - это современная компьютерная технология для картографирования и анализа объектов реального мира, а также событий, происходящих на нашей планете, в нашей жизни и деятельности.
Географическая Информационная Система - это компьютерная система, позволяющая показывать необходимые данные на электронной карте. Карты, созданные с помощью ГИС, можно смело назвать картами нового поколения. На карты ГИС можно нанести не только географические, но и статистические, демографические, технические и многие другие виды данных и применять к ним разнообразные аналитические операции.
Электронная карта, созданная в ГИС, поддерживается мощным арсеналом аналитических средств, богатым инструментарием создания и редактирования объектов, а также базами данных, устройствами сканирования, печати, средствами Интернет и даже космическими снимками и информацией со спутников. Общие геоданные используются при создании и в работе различных типов геоинформационных систем:
Профессиональных (для государственных и отраслевых структур);
Открытых ГИС, которые доступны на автоматизированных рабочих местах разных специалистов внутри региона и страны; Встроенных ГИС – системах, установленных на автомобилях, водном транспорте, подводных лодках, современном железнодорожном транспорте; GPS (Geo Position System) – система навигации с помощью спутниковой информации. Интернет-ГИС – различных сетевых порталах, предоставляющих электронные карты; САПР-ГИС – в системах автоматического проектирования в строительстве зданий и коммуникаций, ландшафтном дизайне; Настольных ГИС – тех системах, которые устанавливаются на рабочих и домашних компьютерах, например TOPPLAN Санкт-Петербург и др. системы настольного картографирования.
Слайд 6. Структура ГИС Из каких составляющих частей состоит ГИС?
Компьютер. Компьютер для работы с ГИС может быть от простейших ПК до мощнейших суперкомпьютеров. Компьютер является основой оборудования ГИС и получает данные через сканер или из баз данных. Наблюдать и анализировать данные ГИС позволит монитор. Принтеры и плоттеры – наиболее распространенные средства для выведения конечных результатов проделанной на компьютере работы с ГИС.
Программа. Программное обеспечение ГИС выполняет хранение, анализ и представление географической информации. Наиболее широко используемые программы ГИС - MapInfo, ARC/Info, AutoCADMap и другие.
Данные. Выбор данных зависит от задачи и возможностей получения информации. Данные могут быть использованы из различных источников – базы данных организаций, Интернет, коммерческие базы данных и т.д.
Пользователи. Люди, пользующиеся ГИС, условно могут быть разделены следующие группы: операторы ГИС, чья работа заключается в размещении данных на карте, инженеров/пользователей ГИС, чья функция заключается в анализе и дальнейшей работе с этими данными и теми, кому на основании полученных результатов нужно принять решение. Кроме того, ГИС могут пользоваться широкие слои населения через готовые программные приложения или Интернет.
Метод. Существует много способов создания карт в ГИС и методов дальнейшей работы с ними. Наиболее продуктивной будет та ГИС, которая работает в соответствии с хорошо продуманным планом и операционными подходами, соответствующими задачам пользователя.
Слайд 7 - 9. Как работает ГИС?
Слайд 7. В отличие от обычной бумажной карты, электронная карта, созданная в ГИС, содержит скрытую информацию, которую можно “активизировать” по необходимости. ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Каждый слой состоит из данных на определенную тему. Например, сведения о пространственном положении, привязка к географическим координатам или ссылки на адрес и табличные данные. При использовании подобных ссылок для автоматического определения местоположения объекта применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте, где находится интересующий объект.
Например, если вы изучаете определенную территорию, то один слой карты может содержать данные о дорогах, второй - о водоемах, третий – о проживающем там населении, четвертый о больницах и так далее. Вы можете просматривать каждый слой-карту по отдельности, а можете совмещать сразу несколько слоев, или выбирать отдельную информацию из различных слоев и выводить ее на карту. Вы также можете моделировать различные ситуации, всякий раз получая изображения в соответствии с поставленной задачей, причем без необходимости создавать новую карту.
Слайд 8. Например, ГИС “TopPlan Санкт-Петербург” содержит ландшафтные и тематические слои географических карт, связанные друг с другом.
Слайд 9. Графическая информация в ГИС хранится в векторном формате.
В векторной модели информация о точках, линиях и полилиниях (дома, дороги, реки, здания и т.п.) кодируется и хранится в виде набора координат X,Y (Z, T), что позволяет манипулировать изображением. Исходная картинка вводится со сканера в растровом формате, а затем подвергается векторизации – установке формульных соотношений между линиями и точками.
Слайд 10 - 12. Задачи, которые решает ГИС. Области и отрасли применения ГИС
ГИС обычно выполняет пять процедур с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.Слайд 10. Ввод. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. Манипулирование. Для совместной обработки все данные удобнее представить в едином масштабе и одинаковой картографической проекции. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи. Управление. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД). Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации Вы сможете получать ответы как на простые вопросы о расположении объектов, так и на сложные типа Что находится на…? Что изменилось с…? Что если. и др. Визуализация. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.
Слайд 11-12. ГИС используются не только специалистами-географами, но и учеными, бизнесменами, врачами, следователями, чиновниками, маркетологами, строителями, экологами. С помощью ГИС природоохранные организации следят за состоянием лесов, рек и почв. Коммунальные службы планируют и проводят мероприятия по обслуживанию городских сетей. Спасатели, пожарники и ремонтники оперативно рассчитывают оптимальные маршруты. ГИС все шире применяются в бизнесе. Внимательный взгляд на карту - и обнаруживаются резервы в обслуживании, незамеченные конкурентами, планируются новые торговые точки. Перевозчики грузов повышают надежность доставки, экономят время и горючее за счет оптимизации маршрутов.
Слайд 13 - 15. Геоинформационная система “TopPlan Санкт-Петербург”
Слайд 13. Геоинформационная система “TopPlan Санкт-Петербург” — интегрированная система, позволяющая пользователю одновременно работать с разными видами информации (картами, справочниками), имеющая стандартный Windows-интерфейс. “TopPlan Санкт-Петербург” связан с базами данных, поддерживает функции поиска по различным параметрам (названию, телефону, адресу, e-mail, www-адресу, сфере деятельности фирмы, а также по ее местоположению на карте), может быть персонифицирован.
Слайд 14. Информационное меню TopPlan Санкт-Петербург состоит из
Алфавитный каталог – перечень названий организаций и фирм с адресами, расположенный в алфавитном порядке. Петербург в Интернете. Тематический каталог – темы и рубрикатор. Карта районов Санкт-Петербурга с алфавитным каталогом по районам. Расписание транспорта. Телефонный справочник служб Петербурга. Календарь событий и Мастер поздравлений
Слайд 15. Навигацию и поиск в электронных картах можно осуществлять с помощью следующих средств: карты, главное и контекстное меню. Навигатор находится на панели любого из двух указанных меню и позволяет увеличивать и уменьшать изображение, передвигаться по карте при нажатой левой клавише мыши – все эти стандартные технологические приемы знакомы вам из Windows.
Слайд 16. Работа со слоями. Для того чтобы включить в карту тематические объекты, например, авиапредприятия или школы, нужно выбрать в меню опцию Состав карты и указать нужные тематические или ландшафтные объекты.
Слайд 17. Адресный поиск может осуществляться в алфавитном каталоге либо непосредственно в карте. И эти приемы вы освоите самостоятельно в практической части урока.
4. Проведение учебных исследований.
Сейчас я предлагаю выполнить вам самостоятельное мини-исследование с помощью программы TopPlan. Организуйтесь, пожалуйста, в группы-команды по 2 человека, так как вы сидите рядом, ребята, и так, как пронумерованы ваши бейджики. Каждая команда получает индивидуальное задание для нахождения оптимального решения, а также алгоритмы работы с программой TopPlan и представления результатов. Команда работает за одним компьютером. Результат исследования каждая команда представит спустя 12 минут в виде небольшой презентации Power Point (пока звучит музыка, вы работаете). Я буду кратко консультировать вас по вопросам, и помогать в возникших затруднениях.
Задания для 6 команд (по 2 ученика в команде за одним компьютером) См. Приложение 2.
5. Представление и защита мини-проектов по исследованиям учащихся.
Результаты исследований учащиеся оформляют с помощью презентаций или текстовых документов, в которых отражают ответы на вопросы исследования и демонстрируют копии экранных картинок, фрагменты карт, фотографии, найденные с помощью программы TopPlan Санкт-Петербург. Учащиеся отвечают на вопросы учителя о том, как проводилось исследование, какие средства программы они использовали.
Нарисованная от руки карта в Массачусетском музее современного искусства
Современным картографам гораздо проще, чем их коллегам из прошлого, создававшим далекую от идеала схему с весьма приблизительными расчетами местоположения объектов. До начала XX века картография менялась медленно и, хотя белых пятен к тому моменту почти не осталось, точностью карты похвастаться не могли.
С началом эры аэросъемки местности картографы получили отличный инструмент, позволявший составить детальный план любой территории. Спутниковая съемка должна была, по идее, завершить тысячелетнюю работу по созданию идеального инструмента ориентирования, но картографы столкнулись с новыми проблемами.
Как инструмент решения картографических проблем и ошибок, появился проект OpenStreetMap (OSM), на основе данных которого существует наш сервис MAPS.ME. В OSM огромное количество данных: не только обрисованные спутниковые снимки, но и информация, которую знают только местные жители. Сегодня мы подробнее расскажем, как оцифровывается и становится картой реальный мир.
Фотофиксация местности
Возраст этой карты — 14 000 лет
Первые карты появились еще в период первобытной истории. Изгибы рек, гребни, овраги, скалистые пики, звериные тропы — все объекты обозначалось простыми насечками, волнистыми и прямыми линиями. Последующие карты недалеко ушли от первых схематичных рисунков.
Изобретение компаса, телескопа, секстанта, других приборов морской навигации, и последовавший вслед за этим период Великих географических открытий, привели к расцвету картографии, но карты все еще оставались недостаточно точными. Использование различных приборов и математических методов не могло стать решением проблемы — в конце концов, карты рисовал человек, используя описание или схемы, созданные на натуре.
Пример дешифрования середины прошлого века
После аэросъемки необходим длительный и сложный этап дешифрования. Объекты на снимке нужно выявить и распознать, установить их качественные и количественные характеристики, а также зарегистрировать результаты. Метод дешифрования основывается на закономерностях фотографического воспроизведения оптических и геометрических свойств объектов, а также на взаимосвязях их пространственного размещения. Проще говоря, учитываются три фактора: оптика, геометрия изображения и пространственное размещение.
Для получения данных о рельефе используются контурно-комбинированный и стереотопографический методы. При первом методе непосредственно на местности с помощью геодезических приборов определяют высоты важнейших точек поверхности и затем на аэрофотоснимки наносят положение горизонталей. Стереотопографический метод подразумевает частичное перекрытие друг другом двух снимков таким образом, чтобы на каждом из них изображался один и тот же участок местности. В стереоскоп этот участок выглядит как трехмерное изображение. Далее по этой модели с помощью приборов определяют высоты точек местности.
Спутниковая съемка
Пример стереопары со спутника WorldView-1
Схожим образом, создавая стереоизображение, работают и спутники. Информацию по рельефу (и многие другие данные, включая радарную интерферометрию — построение цифровых моделей местности, определение смещений и деформаций земной поверхности и сооружений), предоставляют радарные и оптические спутники дистанционного зондирования Земли.
Спутники сверхвысокого разрешения фотографируют не все подряд (бескрайние сибирские леса не нужны в высоком разрешении), а по заказу для определенной территории. К таким спутникам относятся, например, Landsat и Sentinel (на орбите находятся Sentinel-1, ответственный за радарную съемку, Sentinel-2, ведущий оптическую съемку поверхности Земли и изучение растительности, и Sentinel-3, наблюдающий за состоянием мирового океана).
Изображение Лос-Анджелеса, снятое спутником Landsat 8
Спутники присылают данные не только в видимом спектре, но и в инфракрасном (и еще нескольких других). Данные из невидимых для глаза человека диапазонов спектра позволяют анализировать типы поверхности, следить за ростом сельскохозяйственных культур, выявлять пожары и многое другое.
Изображение Лос-Анджелеса включает в себя полосы частот электромагнитного спектра, соответствующие (в терминологии Landsat 8) диапазонам 4-3-2. Landsat обозначает красный, зеленый и синий сенсоры как 4, 3 и 2 соответственно. Полноцветное изображение появляется при комбинации изображения с этих сенсоров.
Множество сервисов создано на основе наборов данных Global Land Survey (GLS) от US Geological Survey (USGS) и NASA. GLS получают данные преимущественно от проекта Landsat, создающего спутниковые фотоснимки всей планеты в реальном времени с 1972 года. С помощью Landsat можно получить сведения обо всей земной поверхности, а также об ее изменениях за последние десятилетия. Именно этот проект для всех публичных картографических сервисов остается главным источником данных дистанционного зондирования Земли по мелким масштабам.
Багамские острова с точки зрения MODIS
Сканирующий спектрорадиометр среднего разрешения MODIS (MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer) расположен на спутниках Terra и Aqua, являющихся частью комплексной программы NASA EOS (Earth Observing System). Разрешение получаемых изображений грубее результатов большинства других спутников, но охват позволяет получать ежедневную глобальную коллекцию снимков практически в режиме реального времени.
Мультиспектральные данные полезны для анализа земной поверхности, океана и атмосферы, позволяя в оперативном режиме (буквально за несколько часов) изучать изменения облаков, снега, льда, водных объектов, состояние растительности, отслеживать динамику наводнений, пожаров и т.д.
Геопортал Роскосмоса — бесплатный (частично) источник данных. Спутниковые снимки предоставлены Роскосмосом и NASA, картографические данные — OpenStreetMap и Росреестром, средства поиска — GeoNames и OpenStreetMap Nominatim.
Спутники предоставляют огромное количество разнообразной информации и могут сфотографировать всю Землю, но компании заказывают данные только для нужной им территории. В связи с дороговизной спутниковой съемки, компании предпочитают детализировать территории крупных городов. Все, что считается малонаселенной местностью, обычно снимается в самых общих чертах. В регионах с постоянной облачностью спутники делают новые и новые снимки, добиваясь четкого изображения и повышая затраты. Впрочем, некоторые IT-компании могут позволить себе закупать снимки целыми странами. Например, Bing Maps.
На базе спутниковых снимков и замеров на местности создаются векторные карты. Обработанные векторные данные продают компаниям, печатающим бумажные карты и/или создающим картографические сервисы. Рисовать карты самостоятельно по спутниковым снимкам дорого, поэтому многие компании предпочитают купить готовое решение на базе Google Maps API или Mapbox SDK и доработать собственным штатом картографов.
Проблемы спутниковых карт
В простейшем случае, чтобы нарисовать современную карту, достаточно взять снимок со спутника или его фрагмент и перерисовать все объекты в редакторе или в каком-нибудь сервисе online interactive map creator. На первый взгляд в примере выше из OSM все отлично — дороги выглядят, как и должны выглядеть. Но это только на первый взгляд. На самом деле эти цифровые данные не соответствуют реальному миру, так как они искажены и сдвинуты относительно реального расположения объектов.
Спутник фотографирует под углом на большой скорости, время фотографирования ограничено, снимки склеиваются… Ошибки накладываются друг на друга, поэтому для создания карт стали использовать фото- и видеосъемку на местности, а также геотрекинг автомобилей, который является очевидным доказательством существования определенного маршрута.
Пример снимка, на котором возникла проблема из-за плохой орторектификации: у воды треки легли отлично, а на горе справа — съехали
Рельеф, условия съемки и тип камеры влияют на появление искажений в снимках. Процесс устранения искажений и преобразования исходного снимка в ортогональную проекцию, то есть такую, при которой каждая точка местности наблюдается строго вертикально, называют орторектификацией.
Перераспределение пикселей на изображении в результате ортокоррекции
Использовать спутник, который снимал бы только над заданной точкой, затратно, поэтому съемка ведется под углом, который может достигать 45 градусов. С высоты в сотни километров это приводит к значительным искажениям. Для создания точных карт качественная орторектификация жизненно необходима.
Карты быстро теряют актуальность. Открыли новую парковку? Построили объездную дорогу? Магазин переехал по другому адресу? Во всех этих случаях устаревшие снимки территории становятся бесполезны. Не говоря уже о том, что множество важных деталей, будь то брод на реке или тропа в лесу, не видны на снимках из космоса. Поэтому работа над картами — это процесс, в котором невозможно поставить финальную точку.
Как делают карты OpenStreetMap
Изображение
OpenStreetMap — некоммерческий картографический проект, в котором сообщество пользователей со всего мира создает открытую, бесплатную географическую карту. Для создания карт применяют данные с персональных GPS-трекеров, аэрофотографии, видеозаписи, спутниковые снимки, а также знания человека. Ближайший проект, с которым можно сравнить OSM — это Википедия. Аналогичным образом в OSM любой пользователь редактирует карту, а данные проекта распространяются на условиях свободной лицензии.
В OpenStreetMap используют в качестве основы для карт GPS-треки, записанные пользователями, и спутниковые снимки от компаний Bing, Mapbox, DigitalGlobe. Карты коммерческих компаний, например Google и Яндекса, нельзя использовать из-за юридических ограничений.
Снимки привязываются к местности автоматически на этапе получения. Сканы также можно привязать с помощью опорных точек с известными координатами, полученными из треков либо ассоциированными с пунктами геодезической сети.
При редактировании карт снимки со спутников в OSM всегда сдвигаются так, как показывают записанные на земле треки, компенсируя большинство ошибок. Есть масса приложений, позволяющих записывать GPS-треки и делиться ими, например, Geo Tracker, Strava (Android) и GPX Tracker (iOS).
Создатель карты на спутниковом снимке первым делом рисует дороги, используя данные треков. Поскольку треки описывают перемещение в географических координатах, по ним легко определить, где именно проходит дорога. Затем наносятся все остальные объекты. Недостающие и площадные объекты создаются по снимкам, а подписи, указывающие на принадлежность объектов либо дополняющие их справочной информацией, берутся из наблюдений или реестров.
Чтобы создать карту, наполненную различной информацией, используют географическую информационную систему (ГИС), предназначенную для работы с геоданными — для их анализа, преобразования, аналитики и печати. С ГИС можно создать свою собственную карту с визуализацией любых данных. В ГИС для карт можно добавить данные Росстата, муниципальных образований, министерств, ведомств — все так называемые геопространственные данные.
Откуда берутся геоданные
Итак, спутниковые снимки сдвинуты относительно реальности в несколько десятков метров. Чтобы сделать действительно точную карту, нужно вооружиться навигатором (GPS приемником) или обычным телефоном. А затем с помощью приемника или приложения в телефоне записать максимальное количество точек трека. Запись осуществляется вдоль линейных объектов, расположенных на земле — подойдут реки и каналы, тропинки, мосты, ж/д и трамвайные пути и т.д.
Одного трека никогда не бывает достаточно для любого участка — сами они тоже записываются с определенным уровнем погрешности. В дальнейшем спутниковая подложка выравнивается по множественным трекам, записанным в разное время. Любая другая информация берется из открытых источников (или дарится провайдером данных).
Трудно представить карты без информации о различных компаниях. Сбор локальных данных об организациях с привязкой к GPS-позиции делают Yelp, TripAdvisor, Foursquare, 2ГИС и другие. Сообщество (включая непосредственно представителей локального бизнеса) самостоятельно вносит данные на OpenStreetMap и Google Maps. Не все большие сети хотят сами заморачиваться с добавлением информации, поэтому обращаются к компаниям (Brandify, NavAds, Mobilosoft и другие), помогающим размещать филиалы на картах и следить за актуальностью данных.
Будущее: нейросети-картографы
Сервис для обмена фотографиями с геометками Mapillary в прошлом году добавил функцию, которая обеспечивает семантическую сегментацию изображений объектов. Фактически они смогли разделить изображения на отдельные группы пикселей, соответствующие одному объекту с одновременным определением типа объекта в каждой области. Люди делают подобное очень легко — например, большинство из нас могут идентифицировать и находить автомобили, пешеходов, дома на изображениях. Однако компьютерам тяжело было ориентироваться в огромном массиве данных.
Используя глубокое обучение на свёрточной нейронной сети, в Mapillary смогли в автоматическом режиме выявить 12 категорий объектов, которые чаще всего встречаются в дорожной сцене. Их метод позволяет добиться прогресса и по другим задачам машинного зрения. Игнорируя совпадения между движущимися объектами (например, облаками и транспортными средствами) можно значительно улучшить цепочку процессов преобразования исходных данных в двухмерную или стереоскопическую картинку. Семантическая сегментация Mapillary позволяет получить приблизительную оценку плотности растительности или наличия тротуаров на некоторых территориях городов.
Юго-Запад Москвы нейросеть поделила на зоны в зависимости от типа застройки
В проекте CityClass проводится анализ типов городской застройки при помощи нейросети. Делать карту функционального зонирования города долго и однообразно, но можно обучить компьютер отличать промышленную зону от жилой, а историческую застройку от микрорайона.
Группа ученых из Стэнфорда натренировала нейросеть предсказывать уровень бедности в Африке по дневным и ночным спутниковым снимкам. Сначала сетка находит крыши домов и дороги, а потом сопоставляет с данными об освещенности территорий в ночное время.
Сообщество продолжает следить за первыми шагами в области автоматического создания карт, и уже использует машинное зрение для рисования некоторых объектов. Трудно сомневаться в том, что будущее будет принадлежать картам, создаваемым не только людьми, но и машинами.
Так выглядели карты в XVI веке: кругосветное путешествие Френсиса Дрейка, обратите внимание на очертания материков
Новый виток в развитии картографии появился благодаря возможности аэросъемки местности, а позже и спутниковых систем. Наконец-то люди смогли решить тысячелетнюю задачу — создание идеального объекта ориентирования с максимальной точностью. Но даже тогда все проблемы не закончились.
Требовалось создание инструмента, который бы мог обрабатывать не только спутниковые снимки, но и информацию, которую, например, могут знать только местные жители. Так появились сервисы OpenStreetMap (OSM) и Wikimapia. Давайте более подробно обсудим то, как оцифровывается и становится картой реальный мир.
Фиксация местности
Первые карты появились тысячи лет назад. Конечно, это были непривычные в современном понимании карты, а скорее схемы, где прямыми и волнистыми линиями изображались изгибы рек морей, вершины гор и т.д. Недавно была найдена похожая схематическая карта районов Мадрида возрастом около 14 тысяч лет.
Позже были изобретены компас, телескоп, секстант и другие навигационные приборы, которые в период Великих географических открытий позволили масштабно изучить и нанести на бумагу тысячи географических объектов. Ярким примером этому служит карта Хуана де ла Коса, датированная 1500 годом. Именно середину прошлого тысячелетия принято считать расцветом картографии. Примерно в то время были изобретены основные картографические проекции, математические методы и принципы построения карт. Но все равно этого было недостаточно, чтобы создавать точные карты.
Карта Хуана де ла Коса, 1500 год. На ней уже есть очертания Нового Света
Новый этап в картографии начался с топографической наземной съемки местности, а позже и аэросъемки. Первая снимки труднодоступных участков были сделаны с борта самолета в 1910 году. После аэросъемки местности следует сложный процесс дешифрования изображений. Каждый объект нужно распознать, выявить качественные и количественные характеристики и после зарегистрировать результаты. Проще говоря, нужно учесть три основополагающих фактора: оптику изображения, его геометрию и размещение в пространстве.
Далее идет этап создания рельефа местности. Для этого используются контурно-комбинированный и стереотопографический метод. При первом с помощью геодезических приборов определяются основные высоты местности и затем на снимки наносятся горизонтали географических объектов. При втором методе два снимка накладываются друг на друга таким образом, чтобы получить подобие трехмерного изображения местности, а далее с помощью приборов определяются контрольные высоты.
Появление аэрофотосъемки в XX веке позволило создавать более точные карты и учитывать рельеф местности
Спутниковая съемка
Сейчас наземной- и аэросъемкой занимаются все меньше, а на смену им пришли спутники дистанционного зондирования Земли. Спутниковые снимки открывают перед современными картографами намного более широкий спектр возможностей. Помимо данных о рельефе снимки спутников помогают строить стереоизображения, создавать цифровые модели местности, определять смещение и деформацию объектов и так далее.
Спутники условно можно разделить на обычные и сверхвысокого разрешения. Естественно для фотографирования тайги или океана не нужны очень качественные фотографии, а для определенных территорий или задач спутники, фотографирующие в сверхвысоком разрешении просто необходимы. К таким спутникам, например, относятся модели Landsat и Sentinel, отвечающие за глобальное изучение состояния окружающей среды и безопасности с точностью пространственного разрешения до 10 метров.
Эпоха спутниковой съемки довела точность карт до разрешения 10 метров
Спутники регулярно передают терабайты данных в нескольких спектрах: видимом, инфракрасном и некоторых других. Информация из невидимого для глаза человека спектра позволяет отслеживать изменение рельефа, состояние атмосферы, океана, появление пожаров и даже рост сельскохозяйственных культур.
Данные со спутников принимают и обрабатывают непосредственно их владельцы или официальные дистрибьюторы, такие как DigitalGlobe, Airbus Defence and Space и другие. На основе данных Global Land Survey (GLS), получаемых преимущественно от проекта Landsat было создано множество различных сервисов. Спутники Landsat создают снимки всего земного шара в реальном времени с 1972 года. Именно этот проект остается для всех картографических сервисов главным источником информации при проектировании карт мелкого масштаба.
Спутниковые снимки предлагают широкий спектр данных обо всей земной поверхности, но обычно компании закупают фотографии и данные опционально и для отдельных территорий. Для густонаселенных районов изображения детализируются, а для менее населенных — снимаются в низком разрешении и в общих чертах. В районах с облачностью спутники делают снимки несколько раз, пока не добиваются желаемого результата.
На основе спутниковых снимков и замеров местности создаются векторные карты, которые потом продаются компаниям, печатающим бумажные карты или создающим картографические сервисы (Google Maps, Яндекс.Карты). Самостоятельно составлять карты на основе данных со спутников очень сложное и дорогостоящее занятие, поэтому многие корпорации покупают готовые решения на основе Google Maps API или Mapbox SDK и затем доработать какие-то детали собственным штатом картографов.
Проблемы спутниковых снимков и OpenStreetMap
В теории для того, чтобы создать векторную карту достаточно снимка со спутника и графического редактора или сервиса, с помощью которого можно срисовать с изображения все объекты. Но на деле все не совсем так: практически всегда реальные объекты на поверхности земли не соответствуют цифровым данным на несколько метров.
Искажение происходит из-за того, что все спутники фотографируют под углом к Земле на большой скорости. Поэтому в последнее время для уточнения местоположения объектов стали использовать фото- и видеосъемку, и даже трекинг автомобилей. Также для создания точных карт крайне необходима ортокоррекция — преобразование снимков со спутника, сделанных под углом в строго вертикальные изображения.
Картографические данные, полученные со спутников, требуют коррекции в ручном режиме
И это только малая вершина айсберга. Построили новое здание, на реке появился брод, а часть леса вырубили — все это практически невозможно быстро и точно обнаружить с помощью спутниковых снимков. В таких случаях на помощь приходит проект OpenStreetMap и подобные, работающие по схожему принципу.
OSM — это некоммерческий проект созданный в 2004 году, который представляет собой открытую площадку для создания глобальной географической карты. Любой желающий может внести свой вклад в повышение точности карт, будь то фотоснимки, GPS-треки, видеозаписи или простые знания местных жителей. Комбинируя эту информацию и спутниковые снимки, создаются карты максимально приближенные к реальности. В какой-то степени проект OSM схож с Википедией, где люди со всего мира трудятся над созданием бесплатной базы знаний.
Любой пользователь может самостоятельно редактировать карты, а после проверки и одобрения этих изменений сотрудниами проекта, обновленная карта становится доступной для всех. В качестве основы для создания карт используются GPS-треки и спутниковые снимки компаний Bing, Mapbox, DigitalGlobe. Из-за коммерческих ограничений карты Google и Яндекс нельзя применять.
Открытые картографические проекты позволяют любому человеку присоединиться к созданию точных карт
Чтобы привязать или сместить объекты со спутникового снимка используются геоданные. С помощью GPS-приемника нужно записать как можно большее число точек треков вдоль линейных объектов (дорого, береговой черты, рельсовых путей и т.д.), а после нанести их на спутниковые снимки. Обновлением названий различных объектов с привязкой к геопозиции занимаются компании Yelp, TripAdvisor, Foursquare и др., которые самостоятельно вносят их на OpenStreetMap и Google Maps.
Прогресс не стоит на месте и картография не стала исключением. Уже сейчас создаются сервисы на основе машинного обучения и нейронных сетей, которые способны самостоятельно добавлять объекты, определять густонаселенные территории и делать анализ карт. Пока что, эта тенденция еще не сильно видна, но в ближайшем будущем, возможно, редактировать карты в OSM людям не придется совсем. Картографы считают, что будущее за автоматическим созданием карт, где машинное зрение будет использоваться для моделирования объектов с точностью до сантиметра.
Для тех, кто хочет знать больше
Подписывайтесь на наш нескучный канал в Telegram, чтобы ничего не пропустить.
Современные карты создаются с помощью космических снимков и ГИС.
Ещё по теме
Что называют рельефом?
Перечислите, какие животные и растения лесов вам известны.
Как образуются речные долины?
Что такое биосфера и чем она отличается от других оболочек Земли?
География сегодня. Перечислите источники географической информации. Какова их роль для географии?
Какие воды суши вам известны?
Назовите виды озерных котловин.
Какие планеты относят к земной группе? В какой части Солнечной системы они расположены?
Как происходит извержение вулкана?
Какие планеты вы знаете?
Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!
О сайте
На нашем сайте вы найдете множество полезных калькуляторов, конвертеров, таблиц, а также справочных материалов по основным дисциплинам.
Самый простой способ сделать расчеты в сети — это использовать подходящие онлайн инструменты. Воспользуйтесь поиском, чтобы найти подходящий инструмент на нашем сайте.
На сайте используется технология LaTeX.
Поэтому для корректного отображения формул и выражений
пожалуйста дождитесь полной загрузки страницы.
Читайте также: