Применение технологии геоинформационных систем в природообустройстве и водопользовании

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