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7.5.1: Einführung - Geowissenschaften

7.5.1: Einführung - Geowissenschaften


Überblick

Obwohl der Präsident eine Katastrophe erklären kann, ohne den Gouverneur oder lokale Beamte zu konsultieren, hat die Bundesregierung eine weitgehend beratende Rolle. Es sind die Bundesstaaten und ihre Landkreise, Städte und Multi-City-Regierungen, die Richtlinien in Bezug auf Erdbeben festlegen und durchführen müssen. Die USGS kann den Gouverneur über Erdbeben beraten und die NOAA kann über Tsunamis beraten, aber der letzte Anruf muss vom Gouverneur und von lokalen gewählten Amtsträgern erfolgen.

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die Institutionen, die Erdbebenpolitik in den drei Westküstenstaaten und der Provinz British Columbia durchführen. Beginnen wir mit Kalifornien, das im letzten Jahrhundert mehr Schäden durch Erdbeben erlitten und in größerem Maße bearbeitet hat als die anderen Bundesstaaten oder British Columbia. Kalifornien ist ein Schrittmacher für Mode, Musik und Technologie; es ist auch ein Schrittmacher bei der Stärkung der Gesellschaft gegen Erdbeben.


Das Global Positioning System for the Geosciences: Zusammenfassung und Proceedings eines Workshops zur Verbesserung der GPS-Referenzstationsinfrastruktur für Anwendungen in der Erd-, Ozean- und Atmosphärenforschung (1997)

Die technischen und betrieblichen Eigenschaften des GPS sind in drei unterschiedliche Segmente unterteilt: das Weltraumsegment, das Betriebskontrollsegment (OCS) und das Benutzerausrüstungssegment. Die GPS-Signale, die von jedem Satelliten ausgestrahlt werden und Daten sowohl an die Benutzergeräte als auch an die Bodenkontrolleinrichtungen übertragen, verbinden die Segmente zu einem System. Abbildung 1-1 charakterisiert kurz die Signale und Segmente des GPS.

ABBILDUNG 1-1 Die drei GPS-Segmente. Quelle: The Aerospace Corporation

Weltraumsegment

Die GPS-Konstellation besteht aus 24 Satelliten, die in 6 Orbitalebenen mit 55-Grad-Neigung angeordnet sind, 20.051 Kilometer (12.532 Meilen) über der Erde. Jeder Satellit vollendet eine Umlaufbahn in einem halben Sterntag und überfliegt daher einmal an jedem Sterntag den gleichen Ort auf der Erde, ungefähr 23 Stunden und 56 Minuten. Mit dieser Orbitalkonfiguration und Anzahl von Satelliten hat ein Benutzer an jedem Ort der Erde 24 Stunden am Tag mindestens vier Satelliten im Blick

Diese Beschreibung des GPS stammt aus Anhang C des Berichts des National Research Council, The Global Positioning System, A Shared National Asset &mdash Recommendation for Technical Improvements and Enhancements. 1995. Washington, D.C.: National Academy Press.

Operatives Kontrollsegment

Das GPS OCS besteht aus der Master Control Station (MCS) auf der Falcon Air Force Base in Colorado Springs, Colorado, Fernüberwachungsstationen auf Hawaii, Diego Garcia, Ascension Island und Kwajalein und Uplink-Antennen, die sich an drei der vier befinden Fernüberwachungsstationen und am MCS._Die vier Fernüberwachungsstationen tragen zur Satellitensteuerung bei, indem sie jeden GPS-Satelliten im Orbit verfolgen, sein Navigationssignal überwachen und diese Informationen an das MCS weiterleiten. Die vier Stationen können den Aufenthaltsort jedes GPS-Satelliten 20 bis 21 Stunden pro Tag verfolgen und überwachen. Land- und weltraumgestützte Kommunikation verbindet die Fernüberwachungsstationen mit dem MCS.

Benutzerausrüstung

Die Kosten und Komplexität der GPS-Benutzerausrüstung variieren stark, je nach Empfängerdesign und Anwendung. Empfängersets, deren Preise derzeit von ungefähr 135 US-Dollar oder weniger bis 30.000 US-Dollar variieren, können von relativ einfachen Geräten reichen, die nur grundlegende Positionsinformationen liefern, bis hin zu komplexen Mehrkanalgeräten, die alle sichtbaren Satelliten verfolgen und eine Vielzahl von Funktionen ausführen. Die meisten GPS-Empfänger bestehen aus drei grundlegenden Komponenten: (1) einer Antenne, die das Signal empfängt und in einigen Fällen Anti-Jamming-Fähigkeiten besitzt (2) einer Empfänger-Prozessor-Einheit, die das Funksignal in eine brauchbare Navigationslösung umwandelt und (3) eine Steuer-/Anzeigeeinheit, die die Positionsinformationen anzeigt und eine Schnittstelle zur Empfängersteuerung bereitstellt.

Signaleigenschaften und Betriebskonzepte

Das GPS beruht auf dem Prinzip der &ldquopseudoranging&rdquo, um genaue Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitinformationen bereitzustellen. Jeder Satellit im Orbit sendet ein kontinuierliches Funksignal mit einem einzigartigen Code, der Daten über die Position des Satelliten und den genauen Zeitpunkt enthält, zu dem die codierte Übertragung initiiert wurde, wie von den Atomuhren an Bord gespeichert. Eine Pseudoentfernungsmessung wird erstellt, indem die Entfernung zwischen dem Empfänger eines Benutzers und einem Satelliten gemessen wird, indem die Zeit, zu der das Signal vom Satelliten gesendet wurde, von der Zeit abgezogen wird, zu der es vom Benutzer empfangen wurde.

Im Allgemeinen kann die dreidimensionale Position eines Benutzers durch gleichzeitiges Messen der Entfernungen von einem Empfänger eines Benutzers zu drei Satelliten bestimmt werden. Da die GPS-Satelliten und die Empfängeruhren jedoch nicht perfekt synchronisiert sind, sind Beobachtungen von einem vierten Satelliten erforderlich, um die Empfängertakt-Bias, der allen Pseudorange-Messungen gemeinsam ist. Abbildung 1-2 veranschaulicht das GPS-Pseudoranging-Konzept.

Anstatt einen Code auf einem Funksignal zu übertragen (wie oben beschrieben), überträgt jeder Satellit tatsächlich zwei verschiedene Spreizspektrumsignale, die zwei verschiedene Codes enthalten, den Groberfassungscode (C/A) und den Präzisionscode (P). Der C/A-Code wird auf dem L-Band-Trägersignal (bekannt als L1) gesendet, dessen Frequenz bei 1575,42 MHz zentriert ist. Der P-Code wird auf dem L1-Träger in Phasenquadratur mit dem C/A-Träger und auf einer zweiten Trägerfrequenz (bezeichnet als L2) gesendet, die bei 1227,60 MHz zentriert ist.

Der L1 C/A-Code bietet zivilen und kommerziellen Nutzern auf der ganzen Welt kostenlose Positionsbestimmungsmöglichkeiten und ist als Standard Positioning Service (SPS) bekannt. Der P-Code wird normalerweise mit kryptografischen Techniken der National Security Agency verschlüsselt, und die Entschlüsselungsfunktion steht nur dem Militär und anderen autorisierten Benutzern zur Verfügung, wie vom US-Verteidigungsministerium festgelegt. Der als Anti-Spoofing (A-S) bekannte Verschlüsselungsprozess verweigert den unbefugten Zugriff auf den P-Code und verbessert auch die Fähigkeit eines Empfängers erheblich, dem Einrasten auf nachgeahmte GPS-Signale zu widerstehen, die einem GPS-Benutzer falsche Positionsinformationen liefern könnten. Die P-Code-Verfügbarkeit sowohl auf den L1- als auch auf den L2-Trägersignalen durch Entschlüsselungsfähigkeit bietet autorisierten Benutzern eine genauere Positionsbestimmung und ist als Precise Positioning Service (PPS) bekannt.

Selektive Verfügbarkeit und andere Positionierungsfehler

Die Genauigkeit von GPS wird für Benutzer des SPS durch einen Prozess beeinträchtigt, der als selektive Verfügbarkeit (SA) bekannt ist. SA ist eine absichtliche Verschlechterung der GPS-Genauigkeit, die durch absichtliches Variieren der genauen Zeit der Uhren an Bord der Satelliten erreicht wird, was Fehler in das GPS-Signal einführt, und durch Bereitstellung falscher Umlaufbahnpositionsdaten in der GPS-Navigationsnachricht. SA ist normalerweise auf einen Wert eingestellt, der den Benutzern des SPS eine Positionierungsgenauigkeit von 100 Metern (2 drms) bietet. 2 Die GPS-Richtlinie des Präsidenten vom März 1996 besagt, dass es die Absicht der US-Regierung ist, die Verwendung von GPS einzustellen

Die SPS-Genauigkeit wird normalerweise mit einer horizontalen Messung von 2 drms oder dem doppelten quadratischen Mittelwert des radialen Distanzfehlers dargestellt. Normalerweise können 2 drms grafisch als Kreis um die wahre Position dargestellt werden, der ungefähr 95 Prozent der Positionsbestimmungen enthält.


1.1 Was ist Geocomputation?

Geocomputation ist ein junger Begriff, der auf die erste Konferenz zu diesem Thema im Jahr 1996 zurückgeht. 1 Was Geocomputation von dem (damals) gebräuchlichen Begriff „quantitative Geographie“ unterschied, schlugen seine frühen Befürworter vor, war seine Betonung auf „kreativ und experimentell“. “ (Longley et al. 1998) und die Entwicklung neuer Werkzeuge und Methoden (Openshaw und Abrahart 2000): “GeoComputation beschäftigt sich mit der Nutzung der verschiedenen Arten von Geodaten und der Entwicklung relevanter Geowerkzeuge im Gesamtkontext eines ‚wissenschaftlichen‘ ' Ansatz." Dieses Buch zielt darauf ab, über das Lehren von Methoden und Code hinauszugehen. Am Ende sollten Sie in der Lage sein, Ihre Geoinformatik-Fähigkeiten anzuwenden, um „praktische Arbeit zu leisten, die nützlich oder nützlich ist“ (Openshaw und Abrahart 2000) .

Unser Ansatz unterscheidet sich jedoch von Early Adopters wie Stan Openshaw durch die Betonung von Reproduzierbarkeit und Zusammenarbeit. Um die Wende zum 21. Jahrhundert war es unrealistisch zu erwarten, dass Leser Codebeispiele reproduzieren können, da Barrieren den Zugriff auf die erforderliche Hardware, Software und Daten verhinderten. Schneller Vorlauf von zwei Jahrzehnten und die Dinge haben sich rasant weiterentwickelt. Jeder mit Zugriff auf einen Laptop mit

4 GB RAM können realistischerweise davon ausgehen, Software für Geoberechnungen auf öffentlich zugänglichen Datensätzen installieren und ausführen zu können, die so verbreitet sind wie nie zuvor (wie wir in Kapitel 7 sehen werden). 2 Im Gegensatz zu frühen Arbeiten auf diesem Gebiet sind alle in diesem Buch präsentierten Arbeiten mit Code und Beispieldaten reproduzierbar, die zusammen mit dem Buch bereitgestellt werden, in R-Paketen wie spData, deren Installation in Kapitel 2 behandelt wird.

Geocomputation ist eng mit anderen Begriffen verbunden, darunter: Geographic Information Science (GIScience) Geomatics Geoinformatics Spatial Information Science Geoinformation Engineering (Longley 2015) und Geographic Data Science (GDS). Allen Begriffen gemeinsam ist die Betonung eines „wissenschaftlichen“ (d. h. reproduzierbaren und falsifizierbaren) Ansatzes, der von GIS beeinflusst wird, obwohl sich ihre Ursprünge und Hauptanwendungsgebiete unterscheiden. GDS zum Beispiel betont „Data Science“-Fähigkeiten und große Datensätze, während sich Geoinformatik eher auf Datenstrukturen konzentriert. Aber die Überschneidungen zwischen den Begriffen sind größer als die Unterschiede zwischen ihnen, und wir verwenden Geocomputation als grobes Synonym für alle: Sie alle versuchen, geografische Daten für angewandte wissenschaftliche Arbeit zu verwenden. Im Gegensatz zu frühen Benutzern des Begriffs versuchen wir jedoch nicht zu implizieren, dass es ein zusammenhängendes akademisches Gebiet namens „Geocomputation“ (oder „GeoComputation“, wie Stan Openshaw es nannte) gibt. Stattdessen definieren wir den Begriff wie folgt: Computergestütztes Arbeiten mit geografischen Daten mit Fokus auf Code, Reproduzierbarkeit und Modularität.

Geocomputation ist ein neuer Begriff, der jedoch von alten Ideen beeinflusst ist. Es kann als Teil der Geographie angesehen werden, die eine über 2000-jährige Geschichte hat (Talbert 2014) und eine Erweiterung von Geografisches Informationssystem (GIS) (Neteler und Mitasova 2008) , die in den 1960er Jahren entstanden (Coppock und Rhind 1991) .

Die Geographie hat jedoch schon lange vor der Erfindung des Computers eine wichtige Rolle bei der Erklärung und Beeinflussung der Beziehung des Menschen zur Natur gespielt. Alexander von Humboldts Reisen nach Südamerika zu Beginn des 19. Jahrhunderts verdeutlichen diese Rolle: Die daraus resultierenden Beobachtungen legten nicht nur den Grundstein für die Traditionen der Physischen und Pflanzengeographie, sondern ebneten auch den Weg für eine Politik zum Schutz der Natur (Wulf 2015) . Dieses Buch soll zur „Geographischen Tradition“ (Livingstone 1992) beitragen, indem es die Leistungsfähigkeit moderner Computer und Open-Source-Software nutzt.

Die Verbindungen des Buches zu älteren Disziplinen spiegelten sich in vorgeschlagenen Titeln für das Buch wider: Geographie mit R und R für GIS. Jedes hat Vorteile. Erstere vermittelt die Botschaft, dass es sich um weit mehr als nur um räumliche Daten handelt: Nicht-räumliche Merkmalsdaten sind unweigerlich mit Geometriedaten verwoben, und Geographie ist mehr als nur, wo etwas auf der Karte steht. Letzterer teilt mit, dass dies ein Buch über die Verwendung von R als GIS ist, um räumliche Operationen auf geografische Daten (Bivand, Pebesma und Gómez-Rubio 2013). Der Begriff GIS vermittelt jedoch einige Konnotationen (siehe Tabelle 1.1), die eine der größten Stärken von R einfach nicht vermitteln: seine konsolenbasierte Fähigkeit, nahtlos zwischen geographischen und nicht-geographischen Datenverarbeitungs-, Modellierungs- und Visualisierungsaufgaben umzuschalten. Im Gegensatz dazu impliziert der Begriff Geocomputation reproduzierbare und kreative Programmierung. Natürlich sind (Geocomputer-)Algorithmen mächtige Werkzeuge, die sehr komplex werden können. Alle Algorithmen bestehen jedoch aus kleineren Teilen. Indem wir Ihnen die Grundlagen und die zugrunde liegende Struktur vermitteln, möchten wir Sie befähigen, Ihre eigenen innovativen Lösungen für geografische Datenprobleme zu entwickeln.


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