Conference PaperPDF Available

Research of the transition from cartometric to analytical operations

Authors:

Abstract and Figures

The general research methodology is developed: determination of reference values of cartometric operations in MATLAB R2013b, conducting experiments in GIS environment, statistical analysis of the obtained results. Mathematical justification of rigorous computer methods of calculation areas of geospatial objects has been formed. The development of a special function for calculation an area will solve a number of problems: taking into account corrections for the reduction from the cartographic projection to the ellipsoid, work in any GIS environment; the use of rigorous analytical methods on the reference ellipsoid, which will be a prerequisite for the transition to analytical operations with geospatial data, regardless of the coordinate systems, scale and other factors. This function allows you to calculate the area of a geospatial object by the Simpson method, taking into account its reduction to a reference ellipsoid by ORDBMS PostgreSQL 9.5. Keywords: cartometric operations, reference-ellipsoid, cartographic projection, analytical methods, area, length, geoinformation system, calculate the surface integral by the Simpson’s rules.
Content may be subject to copyright.
... The principle is observed that modern computer technologies provide the possibility of implementing high-precision rigorous mathematical methods during the researching of peculiarities of calculation the geodetic areas of features on the reference ellipsoid in the geoinformation environment. As mentioned earlier by the authors of the research (Karpinskyi & Kin, 2020), standard tools of geographic information systems (hereinafter -GIS) are not published in general or are not described enough for confirming the use of a method. It creates problematic issues when using such a GIS product, for example, for tasks in cadastral systems, determination of hydrological characteristics during the design of hydraulic structures, during the design of roads and road structures. ...
... The transition from the cartographic to the geoinformation approach to the production of topographic maps determines the transition from cartometric to analytical operations in the geoinformation environment. In previous work (Karpinskyi & Kin, 2020), the authors of the research empirically determined that geodetic and cartometric operations in the implementation of standard GIS is usually hidden and it is like the "black box" in the process of determining the metric properties of geospatial features on the ellipsoid. It follows that the method of calculation cartometric characteristics are not open to the user, so it requires detailed researching. ...
... The methods of numerical integration are used in the research: the contour integration along by segments and the approximate contour integration. The first method has been previously researched (Karpinskyi & Kin, 2020), so authors considered the second in more detail. This research is based on the contour integration by the method of summing of curvilinear trapezoids. ...
Conference Paper
Full-text available
The transition from the cartographic to the geoinformation approach to the production of topographic maps determines the transition from cartometric to analytical methods in GIS. Authors researched the peculiarities of calculation the geodetic area of a feature on the reference ellipsoid by Simpson's method. Peculiarities of calculating feature's geodetic area are determined by developing the special function in PostgreSQL 12.0. The programmed special function for calculating the geodetic areas of features depends on the number of segments involved in Simpson's method because it is affected by the specified accuracy of determining these areas.
...  analogue cartometric methods (Guidelines, 1973;Rekhtzamer, 1974;Maling, 1989);  standard methods of tools of geographic information systems (hereinafter GIS), which were made in specialized software (Voser, 1999;Nishiyama, 2012;Berk and Ferlan, 2018;Idrizi, 2020;Karpinskyi and Kin, 2020); ...
Conference Paper
Full-text available
The period of traditional measurements on analogue maps is coming to an end. This is being replaced by rigorous computer methods that will determine the metric properties of a feature with user-defined accuracy. The article proposes the research of conceptual and ontological models of geodetic, cartometric and morphometric methods in the geoinformation environment to provide a clear understanding of all instances and properties of these methods and to specify the requirements for the software product and its components. The ontological approach has provided a strict structuring of terms and concepts of the geodetic, cartometric and morphometric methods. It has ensured the creation of ontologies that define entities as the root classes of research and explore the relationships between them. The developed conceptual UML model and ontological model of geodetic, cartometric and morphometric methods in the geoinformation environment defines the entities and properties of these methods using CASE-visual design tool and Web Ontology Language.
... During the edge matching process of the updated digital topographic maps in ArcGIS were founded the differences (gaps) between the frames of the map sheets at the boundaries of the Gauss-Krueger zones projections, which is 1 -8 mm on the ground. The reasons of these gaps are that standard tools of the ArcGIS execute incorrect geodetic and cartometric operations: the transformation of GeoTerrace-2020 07-09 December 2020, Lviv, Ukraine coordinates from one zone of the Gauss-Krueger projection to another with insufficient accuracy for the usage of analytical methods (Karpinskyi & Kin, 2020). ...
Conference Paper
Full-text available
The article proposes the research of some aspects of the edge matching method of digital topographic maps in the scale of 1:50 000 for creation single seamless Topographic Database of the Main State Topographic Map in Ukraine within the framework of the Ukrainian-Norwegian project. The single seamless Topographic Database of the Main State Topographic Map (hereinafter – Topographic Database) is being created for the first time in Ukraine for the creation and development of the National Spatial Data Infrastructure which requires relevant, reliable and high-quality Core Reference Datasets which based on digital topographic maps. This research considers the edge matching of the updated digital topographic maps before the uploading into Topographic Database. Compliance with the proposed requirements for the edge matching of the updated digital topographic maps will raise the quality of the edge matched updated digital topographic maps in the scale of 1:50 000 for creation the seamless Topographic Database of the Main State Topographic Map. During researching of the edge matching method of the updated digital topographic maps in the scale 1:50 000 was defined that the transformation of coordinates from one zone of the Gauss-Krueger projection to another executes with insufficient accuracy for the usage of analytical methods in ArcGIS.
... During the edge matching process of the updated digital topographic maps in ArcGIS were founded the differences (gaps) between the frames of the map sheets at the boundaries of the Gauss-Krueger zones projections, which is 1 -8 mm on the ground. The reasons of these gaps are that standard tools of the ArcGIS execute incorrect geodetic and cartometric operations: the transformation of coordinates from one zone of the Gauss-Krueger projection to another with insufficient accuracy for the usage of analytical methods (Karpinskyi & Kin, 2020). It was created reference frame of the digital topographic maps of the scale 1:50 000 for solving these problems. ...
Preprint
Full-text available
The article proposes the research of some aspects of the edge matching method of digital topographic maps in the scale of 1:50 000 for creation single seamless Topographic Database of the Main State Topographic Map in Ukraine within the framework of the Ukrainian-Norwegian project. The single seamless Topographic Database of the Main State Topographic Map (hereinafter – Topographic Database) is being created for the first time in Ukraine for the creation and development of the National Spatial Data Infrastructure which requires relevant, reliable and high-quality Core Reference Datasets which based on digital topographic maps. This research considers the edge matching of the updated digital topographic maps before the uploading into Topographic Database. Compliance with the proposed requirements for the edge matching of the updated digital topographic maps will raise the quality of the edge matched updated digital topographic maps in the scale of 1:50 000 for creation the seamless Topographic Database of the Main State Topographic Map. During researching of the edge matching method of the updated digital topographic maps in the scale 1:50 000 was defined that the transformation of coordinates from one zone of the Gauss-Krueger projection to another executes with insufficient accuracy for the usage of analytical methods in ArcGIS.
Thesis
Full-text available
Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy (PhD) on speciality 193 – «Geodesy and Land Management» (19 «Architecture and Construction»). – Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv. – Kyiv National University of Construction and Architecture, MES, Kyiv, 2024. The dissertation is devoted to solving the scientific and applied problem of improving the accuracy of analytical and numerical methods of cartometric and geodetic computations in geographic information systems. As computer and geoinformation technologies develop, users are increasingly using digital models of geospatial objects for design, research, geospatial analysis and forecasting. Until now, all cartometric and morphometric characteristics of objects were determined on an analogue map using graphical and instrumental methods. Their maximum accuracy was 0.1 mm or more. To determine the length or area of territories that occupied more than two topographic map sheets, preparatory work had to be provided, which meant additional resources and costs. It should also be noted that all calculations were performed using approximate numerical methods, and ready-made tables and reference books were used to simplify them, which ensured a maximum accuracy of at least 1 mm. To solve the main geodetic problems, depending on the length of the line between the points, different surfaces of the mathematical model of the Earth (Cartesian coordinate system, projections, sphere, ellipsoid, etc.) were used, which affected the representation of this line (line, chord, geodetic line, etc.) and the methods of solving geodetic problems. A universal solution to the main geodetic problems existed, but it required a sufficient number of iterations and the decomposition of the binomial series into terms of the 6th order and higher. Without the use of computer technology, this is possible, but a very labour-intensive process that is not effective in real-world production. The current level of geoinformation technologies allows to determine the lengths and areas of objects with sufficient speed, regardless of their size, to convert and transform coordinates into different dates and coordinate systems. The question of the accuracy of these operations and the use of mathematical models of the Earth remains open, which is the problematic issue of this dissertation. Improving the efficiency of territory management, and maintaining state cadastres, in particular the State Land Cadastre, the State Water Cadastre and the State Forest Cadastre, requires geographic information systems to provide accurate and reliable geospatial data, determine cartometric and morphometric characteristics of geospatial objects with the necessary and sufficient accuracy. To study and investigate the accuracy of geodetic and cartometric operations, the development of methods for determining metric characteristics on maps was analysed and systematised. The determined indices of rigour of calculation methods characterise the stages of this development and reflect the processes of reducing labour intensity and increasing the accuracy of calculations since these parameters are among the main ones in the latest research in this area. To unify and systematise operations, a register of geodetic, cartometric and morphometric calculations was created following the requirements of ISO 19127:2019 Geographic information - Geodetic codes and parameters, as well as the relevant passports for operations and their methods. This makes it possible to implement the functions of these calculations in any geographic information system and any geographic information system and database management system. Due to insufficient documentation of standard tools in geographic information systems or the absence of such specifications, a methodology was developed to determine the capabilities of standard GIS tools, which allowed us to establish how and with what models geodetic and cartographic operations are performed in commercial and open-licensed GIS. One of the main results of this study is the creation of reference models that were compared with the empirical one, which led to the conclusion that geographic information systems practically do not contain functionality for calculations on the reference ellipsoid, except for some functions of QGIS. Based on the analysed recent studies, the Karney method was considered in detail, which substantiated and implemented the use of the extended Kruger series for solving the main geodetic problems on the reference ellipsoid. His method formed the basis of the cartometric and geodetic operations implemented in this thesis. It should also be noted that Karney's method was adapted to the territory of Ukraine, namely, the reference systems, ellipsoid parameters, and cycles for determining lengths from arrays of geodetic coordinates were changed. The following functions were also implemented separately: conversion of flat Gauss-Kruger coordinates from one zone to another; conversion of Gauss-Kruger coordinates from one zone to another UTM projection zone; determination of parallel and meridian arc lengths; determination of the area of map sheets at a scale of 1:50,000; determination of the geodetic area, taking into account the reduction to the Krasovsky reference ellipsoid using integration along the given object contour using the Simpson method. The proposed function for determining the length of the watercourse calculates with an accuracy of 0.0005 mm, which is 1000 times higher compared to the maximum accuracy of the tools.
Thesis
Full-text available
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 193 – «Геодезія та землеустрій» (19 – «Архітектура і будівництво»). – Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ. – Київський національний університет будівництва і архітектури, МОН України, Київ, 2024. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-прикладного завдання підвищення точності аналітичних та числових методів геодезичних та картометричних обчислень у геоінформаційному середовищі на основі застосування строгих математичних методів на поверхні референц-еліпсоїда без обмеження кількості членів ряду. З розвитком комп’ютерних та геоінформаційних технологій користувачі все частіше використовують цифрові моделі місцевості для проєктування, виконання досліджень, моніторингу, геопросторового аналізу та прогнозування. До цього моменту всі картометричні та морфометричні характеристики об’єктів визначались на друкованих картах за допомогою графічних та інструментальних методів. Максимальна їх точність не вище 0,1 мм і більше. Щоб визначити довжину або площу територій, які займали більше двох аркушів топографічних карт, треба було передбачати підготовчі роботи, а це зумовлювало додаткові ресурси та витрати. Також слід зазначити, що всі обчислення виконувались наближеними числовими методами, а для їх спрощення використовувались готові таблиці та довідники, що забезпечувало максимальну точність не менше 1 мм. Для вирішення головних геодезичних задач в залежності від довжини лінії між точками використовували різні поверхні математичної моделі Землі (Декартова система координат, проєкції, сфера, еліпсоїд тощо), що впливало на подання цієї лінії (пряма, хорда, геодезична лінія тощо) і на способи рішення геодезичних задач. Універсальний розв’язок головних геодезичних задач існував, проте він вимагав достатню кількість ітерацій та розкладання біноміального ряду Тейлора на члени 6-ого і вище порядку. Без застосування комп’ютерних технологій це можливий, але дуже трудомісткий процес, що є не ефективним на виробництві. Сучасний рівень геоінформаційних технологій дозволяє з достатньою швидкістю визначати довжини та площі об’єктів не залежно від їх розміру, перетворювати та трансформувати координати у різні дати та системи координат. Відкритим залишається питання точності цих операцій та застосування математичних моделей Землі, що є проблемним питанням цієї дисертаційної роботи. Підвищення ефективності управління територіями, ведення державних кадастрів, зокрема Державного земельного кадастру, Державного водного кадастру та Державного лісового кадастру, потребує від геоінформаційних систем точних та достовірних геопросторових даних, визначення картометричних та морфометричних характеристик геопросторових об’єктів з необхідною та достатньою точністю. Для вивчення та дослідження питання щодо точності геодезичних та картометричних операцій були проаналізовані та систематизовані етапи розвитку методів, за допомогою яких визначались метричні характеристики об’єктів на картах. Визначенні індекси точності та трудомісткості методів обчислення характеризують етапи цього розвитку і відображають процеси зменшення трудомісткості та підвищення точності обчислень, оскільки ці параметри є одними із головних в останніх дослідженнях науковців за цим напрямом. З метою уніфікації та систематизації операцій було створено реєстр геодезичних, картометричних та морфометричних обчислень відповідно до вимог стандарту ISO 19127:2019 Географічна інформація – Геодезичні коди і параметри, а також відповідні паспорти на операції та їх методи. Це дозволяє не залежно від мови програмування реалізувати функції цих обчислень у будь-якій геоінформаційні системі та системі керування базами даних. Через недостатнє документування стандартних засобів у геоінформаційних системах або взагалі відсутність таких специфікацій було розроблено методику визначення можливостей стандартних засобів ГІС, що дозволило встановити яким чином та за допомогою яких моделей виконуються геодезичні та картометричні операції у комерційних ГІС та з відкритою ліцензією. Одними із основних результатів цього дослідження є створені еталонні моделі, які порівнювались з емпіричними, що дозволило зробити висновок: геоінформаційні системи практично не містять функціоналу для обчислень на референц-еліпсоїді, окрім деяких функцій QGIS. На основі проаналізованих останніх досліджень було детально розглянуто метод Karney, у якому обґрунтовано та реалізовано використання розширеного ряду Крюгера для вирішення головних геодезичних задач на референц-еліпсоїді. Цей метод ліг в основу картометричних та геодезичних операцій, які були реалізовані у цій дисертаційній роботі. Також слід зазначити, що метод Karney був адаптований для території України, а саме змінено системи відліку, параметри еліпсоїда та додано цикли для визначення довжин за масивами геодезичних координат. Також були окремо реалізовані функції перетворення плоских координат Гаусса-Крюгера із однієї зони в іншу; перетворення координат Гаусса-Крюгера із однієї зони в іншу зону проєкції UTM; визначення довжин дуг паралелі і меридіана; визначення площі знімальних трапецій аркушів масштабу 1:50000; визначення геодезичної площі з урахуванням редукування на референц-еліпсоїд Красовського за допомогою інтегрування по заданому контуру об’єкта методом Сімпсона. Запропонована функція визначення довжини водотоку обчислює з точністю 0,0005 мм, що у 1000 разів більше у порівнянні з максимальною точністю інструментальних засобів. У 10000 разів збільшується точність обчислення геодезичної площі за методами Сімпсона і Karney від картографічної похибки м2 на 1 м2 до середньоквадратичної похибки обчислення геоінформаційним методом м2 на 1 м2.
Article
Full-text available
Мета цієї роботи – визначення та обґрунтування використання аналітичних і чисельних геодезичних та картометричних методів на референц-еліпсоїді, а також їх точність обчислення у геоінформаційному середовищі. Методика. У досліджені було сформовано реєстр геодезичних та картометричних методів, які використовуються у геодезичній практиці та реалізовані у сучасних геоінформаційних системах. Стандартні інструменти у ГІС часто використовують наближені чисельні методи, що впливає на точність моделей геопросторових об’єктів у середовищі геоінформаційних систем. Тому було проаналізовано та встановлено для геодезичних і картометричних методів математичну модель, яка визначає ту чи іншу картометричну властивість з максимальною точністю або аналітичним, або чисельним методом з кількістю членів у біноміальному ряді від 6 і більше. Результати. Розглянуто 10 операцій геодезичного та картометричних методів, для яких були встановлені та обґрунтовані математичні моделі та їх точності з відповідною їх реалізацією у програмному середовищі MATLAB v. R2018a. Досліджено математичні моделі геодезичних та картометричних методів, які практично не мають обмежень для досягнення необхідної точності, особливо для великих та надвеликих відстаней. Наукова новизна досліджень полягає у визначенні і обґрунтуванні чіткого переліку математичних моделей чисельних та аналітичних геодезичних та картометричних методів замість аналогових картометричних і стандартних методів інструментальних ГІС; з використанням поверхні референц-еліпсоїда, а не лише картографічних проекцій, сфероїда або сфери. Практична значущість досліджень полягає у використанні чисельних та аналітичних геодезичних та картометричних методів, які суттєво підвищують точність виконання операцій у ГІС, а також під час створення/оновлення цифрових топографічних карт, навігації та планування маршрутів тощо. З огляду на отримані результати досліджень можна зробити висновок, що обґрунтовані математичні моделі забезпечать підвищення точності обчислювальних операцій з урахуванням кривизни Землі, що вплине на якісне ведення обліку та моніторингу відповідних об’єктів практично у всіх галузях та сферах економіки, виконання інтеграції та геопросторового аналізу різнорідних геопросторових даних, підвищить якість (топологічну узгодженість) геопросторових даних тощо. Ключові слова: референц-еліпсоїд; геодезичні методи; картографія; строгі комп’ютерні методи; база топографічних даних; картометрія; топологія.
Article
Full-text available
The aim of this work – research of topological inconsistencies during adjustment and junction of adjacent map sheets of digital topographic maps of scale 1:50000 with the use of rigorous analytical geodetic methods on the reference ellipsoid in the geoinformation environment. The research analyzes the phenomenon of topological inconsistencies of frames of adjacent digital topographic maps of 1:50000 scale within the zones of Gauss-Krueger projections and the feasibility of transition to rigorous analytical geodetic methods in the geoinformation environment during the creation of the topographic database “The Main state topographic map” by determining the differences between the vertices of the frames of digital topographic maps at a scale of 1: 50000 at the boundaries of the projection zones. This phenomenon was discovered during work at the state enterprise “Research Institute of Geodesy and Cartography”. The dependences are shown and analyzed, which show the changes in the distances between the vertices of the frames of adjacent map sheets of scale 1: 50000 in longitude and latitude. These values range from 1 mm to 8 mm, which leads to topological inconsistencies in the form of gaps and overlaps of adjacent map sheets. These gaps and overlaps complicate the process of adjustment of map sheets and make it impossible to automate the process of the junction of features into the topographic database. The scientific novelty of the research is to justify the use of rigorous analytical geodetic methods and tools instead of analog cartometric and standard methods of instrumental GIS; the use of a reference ellipsoid, not just cartographic projections, a spheroid or a sphere. The practical significance of research is the use of rigorous analytical geodetic methods that significantly minimize the values of gaps and overlaps, as the establishment of tolerances for these values does not automate the process of correct adjustment and junction of map sheets. The performed research can be used to create the topographic database “The Basic topographic map scale 1: 10000”, during the creation and updating of geospatial data in the geoinformation environment and the implementation of geodetic methods to determine the cartometric characteristics of features using GIS. Given the results of research, we can conclude that the present stage of application of geographic information systems in topographic and geodetic activities requires increasing the level of data topology and accuracy of all cartometric methods, which leads to the transition to extremely rigorous analytical geodetic methods directly on the reference ellipsoid.
Preprint
The period of traditional measurements on analogue maps is coming to an end. This is being replaced by rigorous computer methods that will determine the metric properties of a feature with user-defined accuracy. The article proposes the research of conceptual and ontological models of geodetic, cartometric and morphometric methods in the geoinformation environment to provide a clear understanding of all instances and properties of these methods and to specify the requirements for the software product and its components. The ontological approach has provided a strict structuring of terms and concepts of the geodetic, cartometric and morphometric methods. It has ensured the creation of ontologies that define entities as the root classes of research and explore the relationships between them. The developed conceptual UML model and ontological model of geodetic, cartometric and morphometric methods in the geoinformation environment defines the entities and properties of these methods using CASE-visual design tool and Web Ontology Language.
Article
Full-text available
Changes in urban areas are happening faster than they are being mapped. Modern methods of collecting topographic information and conducting topographic monitoring allow you to quickly track and record these changes. Retrospective cartographic data contain valuable geographical information about territories in historical terms. The purpose of the article is to study the changes in the territory by means of geospatial-retrospective analysis on the example of Kharkiv city. This article proposes for the first time the use of geospatial-retrospective analysis to study changes in territories on the example of the city of Kharkiv. To find the geospatial pattern of development of boundaries and changes in the area of the city of Kharkiv, a geospatial-retrospective analysis was performed, the results of which confirmed the high rate of increase in the area and boundaries of the city. Keywords: geospatial-retrospective analysis; GIS-monitoring; geospatial data; retrospective cartographic data.
ResearchGate has not been able to resolve any references for this publication.