Основни дефиниции в Географските информационни системи (гис). Историческо развитие на гис. Значение на гис в съвременното общество

ГИС технологията може да се използва за специфични изследвания, управление на ресурси, регионално и териториално планиране, картография и във все повече области на човешкия живот. Един от основоположниците на ГИС Jack Dangermond казва, че "Приложението на ГИС се ограничава единствено от фантазията тези които я използват".

Преди 35 000 години по стените на пещерите близо до Ласко, Франция, кроманьонски ловци са рисували рисунки на животните, които са ловували. Заедно с рисунките имало линии и знаци, за които се смята, че изобразяват миграционни пътища. Тези ранни данни следват от типичната двуелементна структура на съвременните ГИС: графичен файл, свързан с база данни с атрибути. През 18 век са разработени модерни техники за изследване с цел правене на топографски карти, заедно с ранни варианти на тематична картография, например научни или статистически данни. Забележителен пример е картата на Джон Сноу от 1854 г., отразяваща епидемията от холера в Лондон, с помощта на която е локализиран източника на епидемията — една заразена помпа.

Географските Информационни Системи са се развили от две независими области - цифровата картография и базите данни. Това развитие е тясно свързано с бързото нарастване на мощта на компютърните технологии и спада в техните цени, започнало от началото на 60-те години на 20 век.

ГИС са ком­пютърни приложения за управление, анализ, съхраняване и експлоатация на данни с пространствени измерения. Въз основа на дефиницията се правят следните изводи:

Развитието на ГИС преминава през следните 4 етапа:

1. 
   Пионерски период - от края на 50-те г. до началото на 70-те. Това е период на изследване на принципните възможности за създаване на пространствени системи, на натрупване на изследователски опит и на създаване на първите проекти и на първите теоретични разработки.
   
2. 
   Период на държавната инициатива - от началото на 70-те до началото на 80-те г. Това е период на разработване на крупни геоинформационни проекти за нуждите на държавното управление. През този период се създават мрежи от асоциации за проектиране и внедряване на геоинформационните системи и тогава се правят първите опити за разработване на стандарти за пълнота, качество и достоверност на информацията.
   
3. 
   Комерсиално развитие - началото на 80-те г., валиден и до днес. През този период се фор­мира широк пазар на информационните системи с БД с интегрирани възможности за ин­тег­риран геоинформационен интерфейс. През този период освен държавните институции гео­информационни системи се създават и в областта на бизнеса в услуга на конкурентната среда.
   
4. 
   Потребителски период - края на 80-те г. валиден и до днес. Този период е характерен със създаване масово на потребителски клубове, най-разнообразни форми на разпространение на геоинформацията (видеоконференции) и създаване на механизмите на конкуренцията между самите производители на геоинформация.
   

Пазарната икономика има нужда от информация за продуктите, клиентите, територията, демографията, икономическите структури, покупателните възможности, околната среда и много други. Точно такъв вид информация се предлага от геоданните, а данните за територията са основа на мултидименсионалната информационна система.

Новите пътища и инструменти на информационните технологии дават възможност на всеки да получи данни или да ги регистрира на което и да е място. Съществуват достатъчно механизми за защита, проверка и регистрация на направени промени. В последно време все повече се предоставят и географски данни в Интернет, като приложенията са най-различни: от стандартните туристически карти за градовете до възможности за определяне на маршрути, търсене на подходящи недвижими имоти, следене на критични природни ситуации и предоставяне на данни за специфични потребителски групи. Публикуването и разпространението на географски данни в интернет и използването на пълния потенциал на световната мрежа са залегнали и в стратегическите документи на EUROGI (европейската организацията за географска информация), както и в различните инициативи на ЕК.

Системи за глобално позициониране (Global Positioning Systems – GPS)

Какво е GPS ?

Глобална система за позициониране (на английски „Global Positioning System“) или GPS (Дж Пи Ес) е името на спътникова радионавигационна система за определяне на положението, скоростта и времето с точност до 1 наносекунда във всяка точка на земното кълбо и околоземна орбита в реално време.

Системата се състои от минимум 24 спътника, разположени на 6 орбити на височина около 20 000 километра и наземен контролен център с наблюдателни станции, разположени в различни точки на Земята. Принципът на действие се базира на измерването на разстоянието от мястото, чиито координати търсим, до група спътници, чиито координати са точно определени и известни. Разстоянието се пресмята на базата на времето за разпространение на радиосигнала от спътника до потребителя.

Глобалната система за позициониране е проектирана и контролирана от Министерството на отбраната на САЩ. Тя може да бъде използвана безплатно от всеки. Поддръжката на системата струва около 400 млн. долара (USD) годишно, включително разходите по подмяна на остаряващите спътници. Първият от 24-те спътника, които формират сегашната GPS-групировка (Block II), е изведен в орбита на 14 февруари 1989 г. Последният изстрелян до момента спътник е 52-ри по ред от създаването на системата през 1978 г. и е изведен в орбита на 6 ноември 2004 с помощта на ракетата „Delta II“.

Глобалната система за позициониране е разделена на три сегмента: космически, контролен и потребителски.

Космическият сегмент се състои от групировка от минимум 24 оперативни GPS-спътника, разположени в 6 геоцентрични орбитални равнини, съдържащи по 4 спътника с наклон на орбитата спрямо екватора под ъгъл 55°. Спътниците са разположени така, че във всеки момент и във всяка точка на Земята да се виждат най-малко 4 от тях. Всеки спътник има на борда 4 атомни часовника и извършва една пълна обиколка на своята орбита за 11 часа и 58 минути. GPS-спътниците излъчват сигнал на две носещи честоти: L1 (1575,42 MHz) и L2 (1227,60 MHz), които са кратни на стандартната честота (10,23 MHz) на атомните часовници на борда. Целта на използването на две честоти е елиминирането на грешката, получена от закъснението на сигнала при преминаването му през йоносферата.

Контролният сегмент се състои от 5 наблюдателни наземни станции, разположени по целия свят; наземни антени и един главен контролен център в Колорадо Спрингс, които контролират работата на всеки спътник и са отговорни за измерване параметрите на орбитите на спътниците и на отклонението на часовниците, прогнозиране на параметрите на орбитите, синхронизирането на атомните часовници, подаване на данни за препредаване от сателитите.

Потребителският сегмент се състои от GPS-приемници, използващи се както за военни, така и за цивилни приложения. GPS-приемникът декодира времеви сигнал, подаван от атомните часовници на няколко сателита, и изчислява позицията си с помощта на трилатерация (сходен, но различен от триангулацията метод).

GPS-приемници се използват главно за навигация в пътния, морския и авиационния транспорт, в селското стопанство, както и за точно определяне на времето и синхронизация в някои области на индустрията.

Принцип на действие

Принципът на действие на GPS се базира на т. нар. метод на трилатерация, чрез който позицията на една точка се определя като пресечената точка на няколко окръжности (или сфери) с известен радиус и известни координати на центъра. В контекста на GPS, всеки спътник може да се определи като център на сфера с координати — позицията на спътника и радиус — разстоянието от спътника до приемника. За да се определи положението на един приемник, то той трябва да разполага с разстоянието до спътниците и техните точни координати.

Разстоянието от всеки спътник до потребителя се пресмята като времето, за което сигналът изминава разстоянието от спътника до приемника, се умножи по скоростта на светлината (скоростта, с която се разпространяват електромагнитните вълни). Времето, за което сигналът достига до потребителя, е разликата във времето на приемане и на изпращане на сигнала. В математически вид това се представя със следния израз:

Където R е изчисленото разстояние до спътника, t_r и t_e са съответно времето на приемане и излъчване на сигнала, а c е скоростта на светлината.

Точността на направеното измерване зависи основно от стабилността на бордовия еталон на честота. Приемниците и спътниците се нуждаят от изключително точни часовници, за да могат да генерират синхронизирани сигнали. Затова като основен елемент на спътниковата навигационна апаратура се използва генератор на честота с много голяма стабилност, реализиран с атомен часовник. Поради високата им цена обаче, в приемниците се използват по-евтини, но и по-неточни кварцови часовници. Ако часовниците на приемника и спътника бяха идеално синхронизирани, то всички сфери с център — позициите на спътниците и радиус — разстоянията до тях щяха да се пресичат в една точка, която е и търсената позиция. При непрецизни часовници, тези сфери не се пресичат в една и съща точка, поради грешката в определянето на радиусите им.

Приложение на GPS. Определяне на положението на GPS спътниците

За да могат да се определят координатите на обектите, освен с разстоянието до спътниците, е необходимо да се знае и тяхното точно текущо местоположение. Информация за това се съдържа в излъченото от тях навигационно съобщение, чрез което се предават орбиталните параметри необходими за определяне на точното местоположение, параметрите за точността на часовниците, за корекциите им и оценка за точността на положението. Координатите на всеки спътник се пресмятат в приемника въз основа на тези параметри.

GPS е система, проектирана от американските военни, и основно се употребява за военни цели. Тя се използва на всяко място, където е разположена американската армия, за определяне на позицията на бойните единици, управление на бойни ракети и др. GPS-сателитите са оборудвани с детектори на ядрени детонации и се използват като част от прoграмата на САЩ за откриване на ядрени взривове.

Освен за военни цели, системата се използва широко и от цивилни потребители, тъй като дава възможност да се определя положението и времето смного висока точност.
Важна характеристика на системата е възможността тя да бъде използвана безплатно, което я прави изключително интересна на потребителския пазар.

Някои от основните области на приложение на GPS са:

• 
  Навигация в транспорта - използва се за навигация в пътния, морския и въздушния транспорт, оптимизация на маршрути. В момента съществува голям брой сравнително евтини приемници и приложения, които се използват за навигация в автомобилите.
  
• 
  Науката и изследователската дейност — в географията, картографията, геологията, геодезията, археологията и др.
  
• 
  Селското стопанство — за планиране на терени, навигация на селскостопански машини и др.
  
• 
  Комуникациите - за синхронизиране на комуникационни системи
  
• 
  Туризъм и спорт — ориентиране, планински спасителни служби
  
• 
  Определяне на точното време и др.
  

Естествено на всички, които използват GPS системата целите не са еднакви, което и определя наличието на множество приемници с различни възможности и предназначение. Разликата в цените им също е огромна, най-евтините модели са от порядъка на десетки долари, а цените на най-скъпите се измерват с 6-цифрени числа.