Применение технологии геоинформационных систем в природообустройстве и водопользовании
Покупка
Новинка
Издательство:
Директ-Медиа
Автор:
Федорян Алексей Валерьевич
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 192
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
Среднее профессиональное образование
ISBN: 978-5-4499-3172-6
Артикул: 827599.01.99
Доступ онлайн
В корзину
В учебном издании рассмотрены вопросы: основы геоинформатики; особенности современных геоинфомационных систем; сферы применения ГИС; развитие практических навыков работы с современными ГИС; вопросы цифрового картографирования; организации пространственных и атрибутивных данных в ГИС и др.
Учебное пособие предназначено для студентов среднего профессионального образования по специальностям: «Рациональное использование природохозяйственных комплексов»; «Природоохранное обустройство территорий».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- Среднее профессиональное образование
- 20.02.01: Экологическая безопасность природных комплексов
- 20.02.03: Природоохранное обустройство территорий
- ВО - Бакалавриат
- 05.03.03: Картография и геоинформатика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А. В. Федорян Применение технологии геоинформационных систем в природообустройстве и водопользовании Учебное пособие Москва 2022
УДК 628.1:550:004.9(075) ББК 38.761я723+26.190я723 Ф33 Рецензент: Гурин К. Г., канд. техн. наук, заведующий каф. ВиИВР НИМИ Донской ГАУ Федорян, А. В. Ф33 Применение технологии геоинформационных систем в природообустройстве и водопользовании : учебное пособие / А. В. Федорян. — Москва : Директ-Медиа, 2022. — 192 с. ISBN 978-5-4499-3172-6 В учебном издании рассмотрены вопросы: основы геоинформатики; особенности современных геоинфомационных систем; сферы применения ГИС; развитие практических навыков работы с современными ГИС; вопросы цифрового картографирования; организации пространственных и атрибутивных данных в ГИС и др. Учебное пособие предназначено для студентов среднего профессионального образования по специальностям: «Рациональное использование природохозяйственных комплексов»; «Природоохранное обустройство территорий». УДК 628.1:550:004.9(075) ББК 38.761я723+26.190я723 ISBN 978-5-4499-3172-6 © Федорян А. В., текст, 2022 © Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2022
Оглавление Предисловие ........................................................................................................................... 7 Введение ................................................................................................................................... 8 I. Теоретическая часть..................................................................................................... 10 Тема 1. Геоинформационные системы, основные понятия, особенности. Классификация и функции геоинформационных систем ................................................................................. 10 1. Геоинформатика и геоинформационные системы, основные понятия. Особенности геоинформационных систем ............................................................................ 10 2. История становления геоинформационных систем...................... 13 3. Данные, информация и знания в геоинформационных системах .................................................................... 14 4. Классификация геоинформационных систем ................................... 15 5. Функции геоинформационных систем .................................................. 17 Контрольные вопросы ......................................................................................... 19 Тема 2. Основные компоненты геоинформационных систем. Источники и модели данных ............................................................... 20 1. Основные компоненты геоинформационных систем ................. 20 2. Источники данных геоинформационных систем .......................... 21 3. Понятие цифровой карты, качество цифровых карт ................... 23 4. Отображение объектов реального мира в геоинформационных системах .................................................................... 25 5. Структуры и модели данных геоинформационных систем ...... 26 Контрольные вопросы ......................................................................................... 30 Тема 3. Управление базами данных ................................................................... 31 1. Особенности базы данных геоинформационных систем ........... 31 2. Организация связи пространственной и атрибутивной информации в геоинформационных системах ..................................... 34 3. Управление данными в геоинформационных системах ............. 36 4. Системы управление базами данных в геоинформационных системах .................................................................... 37 5. Функции системы управления базы данных ..................................... 38 Контрольные вопросы ......................................................................................... 41 Тема 4. Анализ пространственных данных ................................................... 41 1. Цели и задачи пространственного анализа ........................................ 41 3
2. Основные функции пространственного анализа данных .......... 42 3. Анализ пространственного распределения объектов ................. 46 4. Картографические способы отображения результатов анализа данных ........................................................................... 48 Контрольные вопросы ......................................................................................... 49 Тема 5. Картографические проекции. Визуализация данных в ГИС ..................................................................................................................................... 49 1. Картографические проекции ...................................................................... 49 2. Электронные карты и атласы ..................................................................... 55 3. Трехмерная визуализация ............................................................................ 56 Контрольные вопросы ......................................................................................... 57 Тема 6. Цифровое моделирование рельефа .................................................. 57 1. Поверхность и цифровая модель рельефа........................................... 57 2. Нерегулярные триангуляционные сети ............................................... 59 3. Растровая цифровая модель местности................................................ 61 4. Интерполяции при создании цифровых моделей рельефа ....... 62 5. Технология построения цифровых моделей рельефа .................. 64 Контрольные вопросы ......................................................................................... 66 Тема 7. ГИС как основа интеграции пространственных данных и технологий ...................................................... 66 1. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование Земли ....................................................... 66 2. Компьютерные методы обработки спутниковых данных ............................................................................................ 70 3. Геоинформационные системы и глобальные системы позиционирования ............................................. 70 4. Геоинформационные системы и Интернет ........................................ 72 Контрольные вопросы ......................................................................................... 75 Тема 8. Краткий обзор программных средств в области геоинформатики, используемых в России ..................................................... 75 1. Обзор инструментальных геоинформационных систем ............ 75 2. Перспективы развития и будущее геоинформационных систем ............................................................................ 79 Контрольные вопросы ......................................................................................... 82 II. Практическая часть ..................................................................................................... 83 Тема 1. Программное обеспечение ArcGIS Desktop, общие сведения ............................................................................................................. 83 4
Тема 2. Создание проекта ........................................................................................ 84 2.1. Понятие проекта ............................................................................................. 84 2.2. Режимы работы в проекте ........................................................................ 85 2.3. Упражнение. Создание проекта и основные элементы интерфейса ............................................................... 85 Тема 3. Управление видом ....................................................................................... 90 3.1. Упражнение. Навигация в проекте ....................................................... 91 Тема 4. Системы координат и проекции ......................................................... 94 4.1. Географическая и спроектированная системы координат ................................................................................................ 95 4.2. Локальная система координат ............................................................... 96 4.3. Распространенные географические системы координат ....... 96 4.4. Проекции ............................................................................................................. 97 4.5. Переход между системами координат ............................................... 97 4.6. Упражнение 1. Назначение спроектированной системы координат фрейму данных ........................................................... 98 4.7. Упражнение 2. Смена географической системы координат ............................................................................................. 101 4.8. Упражнение 3. Экспорт данных в другой системе координат (перепроектировка) ............................................... 104 Тема 5. Данные геоинформационных систем ........................................... 105 5.1. Общие требования к данным в ГИС .................................................. 107 5.2. Упражнение 1. Обзор основных типов данных............................... 107 Тема 6. Структура данных в ГИС ....................................................................... 114 6.1. Упражнение 1. Организация данных в ГИС .................................. 115 Тема 7. Векторные, растровые данные ......................................................... 120 7.1. Упражнение 1. Загрузка и отображение векторных и растровых данных, элементарные составляющие этих типов данных ............................................................. 122 III. Лабораторная часть ................................................................................................ 128 Тема 1. Знакомство с интерфейсом ArcCatalog и ArcMap. Освоение начальных навыков работы в среде ArcGIS 10.0 ..................................................................................................... 128 Лабораторная работа № 1 ............................................................................... 128 Тема 2. Картографические проекции и системы координат. Управление отображением слоя, изменение легенды, надписывание объектов ......................................... 134 5
Лабораторная работа № 2 ............................................................................... 134 Тема 3. Вид компоновки. Подготовка карты к выводу на печать ................................................................................................... 140 Лабораторная работа № 3 ............................................................................... 140 Тема 4. Редактирование существующих и создание новых пространственных данных .......................................... 147 Лабораторная работа № 4 ............................................................................... 147 Тема 5. Редактирование атрибутов объектов. Топологическое редактирование .......................................................................................................... 154 Лабораторная работа № 5 ............................................................................... 154 Тема 6. Векторная трансформация пространственных данных .................................................................................. 162 Лабораторная работа № 6 ............................................................................... 162 Тема 7. Импорт данных САПР ............................................................................. 168 Лабораторная работа № 7 ............................................................................... 168 Тема 8. Перенос атрибутов пространственных объектов ................. 173 Лабораторная работа № 8 ............................................................................... 173 Вопросы для итогового контроля ......................................................................... 179 Вопросы для экспресс-опроса контроля усвоения практической части ....................................................................................................... 181 Вопросы для составления теста для оценки качества усвоения лабораторного курса ..................................................................................................... 183 Вопросы для защиты отчета по лабораторным работам ........................ 188 Литература ......................................................................................................................... 190
Предисловие Учебное издание ставит своей целью ввести читателя в сферу геоинформационных технологий, развить теоретические знания в области геоинформатики и помочь освоить практические навыки работы с программными комплексами геоинформационных систем. Издание базируется на основе детального материала учебно-методических трудов [3, 4, 5, 6] автором которых является Селюков В. И. и фундаментальных трудов в раскрываемой тематике [1, 2] авторов Капралова Е. Г., Кошкарева А. В., Тикунова В. С. Данное учебное пособие предназначено для студентов среднего профессионального образования по специальностям: «Рациональное использование природохозяйственных комплексов»; « Природоохранное обустройство территорий» при освоении дисциплин в области информационных технологий, геоинформатики, геоинформационных систем. А также, будет полезно при освоении пакетов прикладных лицензионных и свободно распространяемых программных комплексов в области профессиональной деятельности выпускников. Так как целью учебного издания поставлено развить теоретические знания и практические навыки в указанных областях учебное пособие разбито на три части, где первая часть «Теоретическая» посвящена изложению накопленных знаний в области геоинформатики, а вторая и третья части пособия «Практическая часть» носят прикладной характер, где раскрыто проведение практических занятий и лабораторных работ. 7
Введение Географические информационные системы (геоинформационные системы) лежат в основе геоинформатики — новой современной научной дисциплины, изучающей природные и социально-экономические географические системы различных уровней иерархии посредством аналитической компьютерной обработки создаваемых баз данных различного типа и имеющихся баз знаний. Геоинформатика, как и другие науки о земной поверхности, направлена на изучение процессов и явлений, происходящих в геосистемах, но в отличии от других она завязана исключительно на своих современных технических средствах и специальных методах. Основой геоинформатики является создание компьютерных геоинформационных систем, имитирующих процессы, происходящие в изучаемой географической системе (геосисте- ме). Для этого необходимо использование информации — как правило, фактического материала, который группируется и систематизируется в базах данных и базах знаний. Информация может быть самой разнообразной — картографической, точечной, векторной, статической, динамической описательной, качественной и любой другой, подходящей под требования геоинформатики. Учитывая специфику предмета, в независимости от поставленной цели, обработка информации ее может производиться только с помощью существующих программных продуктов на основе различных методик. Основные задачи изучения дисциплины включают: освоение базового понятийно-терминологического аппарата; методологии представления и обработки геоданных в специализированной вычислительной среде; изучение главных направлений применения технологии географических информационных систем; формирование навыков представления географических объектов средствами современной компьютерной графики; оценку и анализ географической информации с использованием технологии геоинформационных систем. Карты и картографическая информация используются сотни лет, но сравнительно недавно, около 50 лет назад, 8
графическая и описательная информация были объединены для создания первой географической информационной системы. Этот принцип является одним из важнейших основополагающих принципов геоинформационных систем. Первые геоинформационные системы появились в организациях связанных именно с управлением природными ресурсами и эта сфера их применения носит наиболее прикладной характер. В современном мире развитие геоинформационных систем, связано с бурным развитием информационных технологий и их технической оснащенности и производительности. Ресурсная база первых геоинформационных систем представляла собой большие площади, занятые громоздкой аппаратурой и километрами коммуникаций. Основной функцией таких систем была пространственно-описательная информация об объектах — координаты объектов. Первой геоинформационной системой принято считать систему, созданную в 1962 году в Канаде, Аланом Томлинсоном, которая так и называлась Канадская географическая информационная система. Спустя годы появились первые общедоступные, полнофункци- ональные геоинформационные системы, способные работать на персональных электронно-вычислительных машинах имеющих современную конфигурацию, недавно — в 1994 г (Arcview 2.0), бурное развитие области геоинформационных систем следует связывать именно с ними. Считается, что геоинформационные системы является лучшим способом хранения информации об участке географического сегмента как суши, так и водной поверхности. Для всех современных организаций любой сферы деятельности, особенно для организаций непосредственно управляющими территориями, например, администрациям особо охраняемых природных территорий, отделами по природообустройству и водопользованию, управлений различного рода, геоинформационная система и ее компоненты становится инструментарием без которого невозможно вести качественную работу на современном уровне.
I. Теоретическая часть Тема 1. Геоинформационные системы, основные понятия, особенности. Классификация и функции геоинформационных систем План 1. Геоинформатика и геоинформационные системы, основные понятия. Особенности геоинформационных систем 2. История становления геоинформационных систем 3. Данные, информация и знания в геоинформационных системах 4. Классификация геоинформационных систем 5. Функции геоинформационных систем 1. Геоинформатика и геоинформационные системы, основные понятия. Особенности геоинформационных систем Современные информационные системы, как правило, являются цифровыми, то есть, основаны на использовании компьютерной техники, и информация в них находится в цифровом виде. Информационные системы, создаются с использованием специального программного обеспечения, называемого системами управления базами данных (СУБД), а упорядоченные массивы данных, организованные с помощью СУБД, называются базами данных. Существуют специализированные пространственные информационные системы для работы с информацией об объектах и явлениях, которые имеют привязку к определенной позиции в пространстве и для которых важную роль играет их положение, форма, размеры, взаиморасположение по отношению к другим объектам и явлениям. Такие системы относятся к классу геоинформационных систем. Специфический отдел информатики, имеющий дело с такой пространственно привязанной информацией, называется геоинформатикой. Отсюда — географическая информационная система, геоинформационная система (далее по тексту — ГИС). 10
Разберем три части термина геоинформационная система. Географическая — подразумевает работу с пространственными объектами, положение которых описывается системой координат, т. е. для ГИС характерны методы присущи географической науке, которая изучает и представляет закономерности присущие природным и антропогенным объектам в пределах географической оболочки земли. Географическая оболочка земли включает: литосферу, гидросферу, биосферу, атмосферу — пределы проникновения жизни. Информационная — как такого определения не существует. Это совокупность данных и знаний, которые подлежат обработке и представлению. С точки зрения ГИС особым видом информации является знание, определенным образом упорядоченных данных и предписаний по их использованию. Система — определенным образом упорядоченная совокупность компонентов, образующих функциональное целое. Целостность — универсальное свойство системы, функциональное — значит предназначено для чего-то. Географическая информационная система или геоинформационная система (ГИС) — это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, анализ и отображение пространственных данных и связанных с ними непро- странственных, а также получение на их основе информации и знаний о географическом пространстве. Из определения следует, что данные для ГИС делятся на два отличительных класса: – пространственные данные; – непространственные, атрибутивные данные. Пространственные представляют положение объекта в пространстве и содержат описание пространственного положения в принятой системе координат (карты, космо-, фото-, аэро-снимки, видеоизображение, результаты непосредственных геодезических измерений в виде снимков). Пространственные данные в ГИС хранятся в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе их географического положения. Такой гибкий подход и возможность геоинформационных систем работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных. 11
Непространственные (атрибутивные) данные содержат характеристику свойств субъектов, которые представляются обычно в табличной форме и может содержать любые виды данных (текст, числовые значения, фото, видео — изображение, звуковые данные). Пространственно-распределенная информация в ГИС кодируется в одной из моделей пространственных данных, а непространственная или атрибутная информация — в виде реляционных таблиц, обрабатываемых СУБД. Основной особенностью ГИС является географическая привязка обрабатываемых данных. ГИС объединяет традиционные операции при работе с базами данных — запрос и статистический анализ — с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эта особенность дает уникальные возможности для применения ГИС в решении широкого спектра задач, связанных с анализом явлений и событий, прогнозированием их вероятных последствий, планированием стратегических решений. Геоинформационные системы тесно связаны с другими информационными системами и используют их данные для анализа объектов. ГИС отличают: – развитые аналитические функции; – возможность управлять большими объемами данных; – инструменты для ввода, обработки и отображения пространственных данных. Распространено мнение, утверждающее тождественность понятий «географические информационные системы» и «пространственные ( пространственно-координированные, пространственно- распределенные) информационные системы», т. е. слово «географические» в данном контексте имеет смысл не обозначения науки, а характеристики пространственности. При таком подходе нельзя поставить в один ряд с географическими системами геологические, геофизические и другие системы, что также встречается в литературе. Они все являются пространственными, а следовательно, и географическими. 12
Естественно и то, что ГИС объединяет в единую систему пространственную информацию и информацию других типов для решения пространственных задач. 2. История становления геоинформационных систем Первый этап развития ГИС 60-ые г. XX в.. в недрах Пентагона США и СССР ВПК (военно-промышленный комплекс) зарождаются основы цифровой картографии, система создания картографических данных на основе использования компьютерных технологий — исследования носят закрытый характер. Информация накапливается, разрабатываются способы ее обработки в компьютерных системах и способы представления, визуализации. Второй этап середина 70-ых г. XX в. Это первые опыты использования ГИС для решения хозяйственных нужд. Первыми использовали ГИС лесники. Они первыми внедрили ГИС для учета и планирования лесотехнических работ. После этого началось внедрение ГИС в другие отрасли. В первую очередь в политику, потом и в землеустройство, геологию (особенно в части геологоразведки), в водное хозяйство и др. Характерные черты развития ГИС на этом этапе: – техника начинает развиваться; – относительная недоступность вычислительной техники, ее было мало; – низкий уровень быстродействия; – отсутствие специалистов в области информационной технологии. Третий этап 80–90-ые гг. интенсивное внедрение ГИС и формирование рынка геоинформационной системы услуг. Характерно внедрение ГИС в сферу управления территориального развития передовых стран Европы и Азии, начал формироваться потребитель ГИС. MicrStation — первая фирма. В этот период компьютеры стали доступнее, возрастает быстродействие вычислительных систем, возрастает объем памяти при компактных размерах компьютера. Четвертый этап начало 90-ых г. Стремительное развитее ГИС их проникновение во все сферы хозяйственной 13
деятельности. Причины «бума»: удешевление компьютеров, формирование грамотного потребителя, большого количества специалистов, увеличение объемов памяти. 3. Данные, информация и знания в геоинформационных системах Термины «данные», «информация» и «знания», применительно геоинформационным системам, хотя и имеют много общего, заметно разняться по своей сути. Под данными понимается совокупность фактов, известных об объектах, либо результаты измерения этих объектов. В составе элемента данных ГИС выделяют три основных компонента [ 1]: 1) атрибутивные сведения, которые содержат описательную информацию об объекте; 2) географические сведения, характеризующие его положение в пространстве относительно других данных; 3) временные сведения, описывающие момент или период времени, для которого предоставляются данные. В составе ГИС данные выступают как сырье, которое путем обработки можно превратить в информацию, т. е. данные — это как бы строительный элемент в процессе создания информации. Что же касается термина «информация», здесь складывается парадоксальная ситуация — разработаны количественные методы вычисления информации, имеется множество определений понятия «информация», но при этом существующие теории не дают адекватного, качественного понимания ее смысловой сущности. В практическое понимание «информации» в настоящее время в основном включаются процессы обмена разнообразными сведениями между людьми, человеком и автоматом, процессы взаимодействия объектов живой и неживой природы и др. Применительно к ГИС под информацией понимается совокупность сведений, определяющих меру наших знаний об объекте. В таком контексте знания можно рассматривать как результат интерпретации информации. Наиболее общее опреде- 14
Доступ онлайн
В корзину