Геоинформационное картографирование земельных ресурсов

Оглавление

 

 

Введение

На сегодняшний день наиболее широко применяется геоинформационные системы ГИС в сфере информационного обеспечения и автоматизации землеустроительных работ, земельного кадастра и оценке земельных ресурсов. Особое значение для мониторинга земель и пространственного отображения негативных процессов и явлений играет картографическая информация. Специалистам в области ГИС принадлежит важная роль в информационной поддержке принятий решений по организации продуктивного использования земельных ресурсов, их улучшению и охране. Они должны уметь создавать и дополнять базу геоданных, использовать в своей работе данные дистанционного зондирования, материалы наземной инструментальной съемки, векторных и растровых моделей представления пространственных данных при геоинформационном картографировании земельных ресурсов.

Но прежде чем разрабатывать научное обоснованные мероприятия по проведению картографирования необходимо всесторонне изучить современное состояние окружающей природы, возможные изменения при хозяйственном использовании. Важно сохранить уникальные ландшафты, растительный и животным мир для будущих поколений. В наше время территория, измененная в результате хозяйственной деятельности достигает до 85% от площади всей суши, и эта территория постоянно изменяется. Изучение столь огромных площадей практически невозможно при использовании только традиционных методов. Продуктивное решение данных вопросов требует определения точного пространственного местоположения земель при составлении карт. В данной ситуации на помощь приходит метод изучения земельных ресурсов дистанционным зондированием из космоса. Эта процедура представляет собой комплекс разных способов фиксирования природной обстановки при помощи фотографической, сканерной, телевизионной, радиолакционной и другой специальной аппаратурой, и также визуальных наблюдений [3].

 Космические снимки служат основой для проработки традиционных карт природы по материалам фотоснимков из космоса, помогают при создании карт, отражающих современное состояние окружающей природы. Появление космической съемки помогла удешевить и упростить процесс картографирования.

Сегодня картографические материалы представлены в цифровом виде на базе ГИС, которая является системой для обеспечения сбора данных, его сохранности, обработки, отображения и передачи отработанных данных.

В моей курсовой работе будут рассмотрены такие важные вопросы:

- образование и развитие ГИС- методов картографирования земельных ресурсов;

- задачи и цели картографирования земельных ресурсов;

- рассмотрение программных средств для ГИС-картографирования земель;

- изучение основных характеристик  космических снимков;

- рассмотрение методов  дешифрования космических снимков;

- рассмотрены преимущества  использования космических снимков  при картографировании земель;

- определены перспективы  для дальнейшего развития данного  направления;

- на конкретном примере  освещен вопрос особенностей  картографирования растительности для кадастровой оценки земли на примере Лапландского заповедника;

-будет в заключении  сделаны выводы ко всей работе, о важности развития данного метода в будущем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1 Геоинформационное картографирование земельных ресурсов

1.1 Образование и развитие ГИС- методов  картографирования земельных ресурсов

В образовании и развитии ГИС-методов картографирования земельных ресурсов можно определить три основных этапа:

1. пионерные период (1960-е  годы);

2. эпоха государственных инициатив (1970-е годы);

3. период коммерческого  развития ( 1980-е и по наши дни).

Пионерный период развивался на фоне появления электронных вычислительных машин, плоттеров, цифрователей и другой периферийной аппаратуры, при создании программных алгоритмов и способов графического отображения информации на экранах, возникновения формальных способов пространственного анализа. Образование и стремительное развитие ГИС было обусловлено огромным опытом топографического и тематического картографирования, автоматизацией процесса составления карт и прорывом в развитии компьютерных технологий [3].

Впервые в 1960 г. В Канаде была создана база ГИС картографирования земель. Главной задачей было проанализировать многочисленные данные , накопленные Канадской службой земельного учета, и в добыче статистических данных, которые можно было бы применять при разработке планов землеустройства больших площадей, в основном к землям сельского хозяйства. Чтобы реализовать данный проект необходимо было создать классификацию земель, выявить и показать устоявшуюся структуру применения земель. Наиболее остро стоял вопрос об обеспечении продуктивного ввода данных имеющихся картографических и тематических знаний. Чтобы это достичь специалистами было разработано решение о применении таблиц атрибутивных данных, что разрешило поделить файлы геометрической геоинформации о местоположении объектов и файлы с тематическим содержанием об исследуемых объектах. Для введения крупномасштабных земельных планов ученые спроектировали уникальное сканирующее устройство.

В Швеции специалисты уделяли внимание ГИС-земельно-учетной специализации, так был создан Шведский земельный банк данных, позволяющий автоматизировать учет землевладений и недвижимости. Карты в тот период строились виде грубых алфавитно-цифровых распечаток, состоящих из букв и чисел с разной плотностью отображения, что создавало эффект полутоновых изображений.

Во второй половине 1960-х годов были представлены уникальные разработки Гарвардских ученых, в их лабораториях были спроектировано программное обеспечение, которое стало классическим при в области картографирования.

Так была заложен фундамент и определена ведущая роль картографических моделей данных, картографический способ исследований, способы представления информации в геоинформационных системах.

Следующий период государственных инициатив ГИС были направлены на инвентаризацию земельных ресурсов, земельног окадастра и учета для совершенствования системы налогооблажения, при автоматизации земельных ресурсов в системе учетного документооборота в виде баз данных по соответусвующим разделениям. Важным шагом в развитии ГИС было в введении в число атрибутов операционных объектов признака пространства, бонитировка почв или признака пространства.

В это время появилось понятие протсранственных объектов, которые описывались с помощью позиционных и непозиционных атрибутов. Были сформировано два противоположных направления в представлении: растровые и векторные структуры, включаятопологические линейно-узловые представления. Были решены задания, образующие основу основ геоинформационных технологий, такие как наложение разноименных слоев, генерация буферных зон, полигонов Тиссена и другие действия управления пространственными данными, такими как определение принадлежности точки полигону, действия вычислительной геометрии и т.д. Определены эффективные решения иных геометрических вопросов,порядок действия оценочных операций и графоаналитических построений.

Период коммерческого развития приходит в 1980-е годы при сформировании единой системы путем объединения компьютерного обеспечения по обработке данных, по подготовке текстов и карт. Этот союх дает возможность человеку принять правильное решение в ответственных мероприятиях. В это время очень большими темпами развивается ГИС, новые возможности вычислительных средств, персональных ЭВМ существенно меняет все геоинформационное направление. Теперь программные продукты достаточно универсальны для оценивания и анализа проблем в вопросах ГИС. Так именно в этот период появляется прогаммное обеспечение ARC/INFO в институте изучения систем окружающей среды в США, основой для создания которой явились объединение стандартной реляционной системы управления базами данных (INFO) с программой ( ARC). Cегодня прогаммное обеспечение переросло в комплекс ArcGIS - солидное решение при ГИС - картографировании, в частности и земельных ресурсов.

В этот период времени в нашей стране происходит введение ГИС для картографирования земельных ресурсов. Была основана земельная информационная структура подразделяющаяся на локуальную, региональную и центральную, начинают накапливаться земельно-кадастровые данные. Проведена ГИС в процесс регистрации земельных наделов, мониторинг и охрану земельного фонда, получают свое развитие серверные фонды.

 

1.2 Задачи и цели ГИС -картографирования  земельных ресурсов. Классификация земельных ресурсов России

Сотрудничество геоинформатики и картографии стало базой для формирования нового направления - геоинформационного картографирования, суть которого составляет автоматизированное информационно-картографическое моделирование природных и социально-экономических геосистем на основе ГИС и баз знаний [2].

Применение карт при планировании и управлении в науке и других спектрам жизни доказывает о важности ГИС-картографирования в масштабах государства.

Для развития данной области стоят такие важные задачи и цели:

- создание тематических  карт и атласов и доступность  их потребителям, особенно, это актуально  при учете природных ресурсов  земли и карт, связанных с охраной  окружающей среды;

- рост объемов выпуска  картографических материалов и  оптимизация сроков ее выдачи;

- применение ЭВМ техники  для автоматизации картографических  процессов, проработке цифровых  карт;

- создание информационно- поисковой системы, обеспечивающей сбор, хранение и применение информации;

- разработка карт специалистами  с фундаментальными знаниями  в науке.

Рассмотрим более подробно сущность и цели картографирования земельных ресурсов. Для правильного создания карт земельных ресурсов необходимо при изучении объекта решить ряд первоочередных задач:

- изучить земельные возможности  страны, ее ресурсы, их расположение, состояние, перспективы использования  и охраны, индивидуальные черты  и общие характеристики как  объекта картографирования;

- провести оценку имеющихся  научных публикаций и опыт  этого течения тематического  картографирования для выявления  содержания, тенденций, способов осуществления  и возможности использования  в работе;

- выполнить следуя разработанным концепциям работы проектирование карт, при этому учесть назначение каждой из них, принцип формирования, обоснование структуры, математических, общеографических и тематических элементов их содержания;

- при разработке карт  стремится унифицировать программные  средства соответственно современной  технической оснащенности государственной  и ведомственной картографических  служб;

- создать детальные авторские  макеты атласа, стенных карт, содержащие фрагменты основных и врезных карт, диаграммы, графики, таблицы.

 Для того чтобы понимать  о картографировании земельных  ресурсов, необходимо в первую  очередь понимать, а что значит  само понятие земельные ресурсы  в масштабах государства, видеть  классификацию.

Российская Федерация имеет самые большие земельные ресурсы в мире, площадь России занимает 12,5% мировой территории, что равняется 1709 млн. га земли. При наличии такого количества ресурсов государственная политика обеспечивает жесточайший контроль за ее характеристиками, состоянием.

При этом управление земельными ресурсами является важной функцией органов власти, они принимают правила управления земельными ресурсами, осуществляют это управление и надзирают за законностью принимаемых правил.

Классификация земельных ресурсов в России выделяет следующие группы:

- земли сельскохозяйственных  предприятий, а также земли используемые  для нужд сельского хозяйства, фермерские угодья;

- земли лесного фонда;

- земли водного фонда;

- земли, состоящие на учете городских, поселковых и сельских органов управления

- земли промышленного  назначение, транспорта, связи, непосредственно  участвующие в производственном  процессе;

- земли природоохранного назначения, имеющие природоохранное, научное, эстетическое, оздоровительное значение;

- земли запаса, не предоставляемые  юридическим и физическим лицам  во владение.

Особенностью земельного фонда Российской Федерации является то, что более 90% земель принадлежит государству. Это еще раз подтверждает важность правильного проведения ГИС-картографирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Программные  средства для ГИС-картографирования  земель

Развитие геоинформационных технологий привело к созданию фирм, распространяющих программное обеспечение ГИЧ, необходимое для целей ГИС-картографирования земель. Различают несколько классов программного обеспечение, отличающиеся по функциональным возможностям и этапам обработки материалов.

программные средства ГИС- картографирования земель по функциональным возможностям делят на следующие пять классов.

Рассмотрим первый из них, это инструментальные ГИС.

Они предназначены для организации ввода картографической и атрибутивной информации, ее хранения, отработки сложных информационных запросов, решения пространственных, аналитических задач, построения производных карт и планов, и в конечном итоге для подготовки к выводу на носитель оригиналов-макетов картографического изображения. В основном ГИС поддерживают работу как с растровыми, так и с векторными изображениями, имеют встроенную базу данных или используют такие базы как Paradox, Access, Oracle и другие. Помимо этого ГИС-картографирование земель возможно в AutoCAD Map, MapInfo Professional, ГИС- карта 2011, GeoDraw и другие [4].

Ко второму классу относят ГИС-вьюверы, программные продукты, которые позволяют пользование созданными при помощи инструментальных ГИС базами геоданных. Во все ГИС-вьюверы включен инструментарий запросов к базам данных, выполнение операции позиционирования и зуммирования картографических изображений. Вьюверы являются составной частью в средние и крупные проекты, что позволяет сэкономить затраты. ГИС-вьюверы  позволяют выводить картографический материал (планшеты) на твердый носитель. Наиболее распространены следующие программные продукты: Arc Reader, Vista Map, Win Map.

К третьему классу относят программные средства предобработки и дешифрования ДДЗ Земли. К ним относят пакеты обработки изображений, оснащенным математическим аппаратом, позволяющим производить манипуляции со сканированными или записанными в цифровом виде снимками поверхности Земли. Сюда входит большой набор операций, включающие все виды коррекции через географическую привязку снимков, до автоматизированного дешифрования земель. Среди данных продуктов ГИС отмечают ERDAS Imagine, ERDAS ER Mapper, Image Analyst for ArcGis, Stereo Analyst for ArcGis, ENVI, MultiSpec, PHOTOMOD.

К четвертому классу относят программы-векторизаторы. Эти ГИС-пакеты специализируются на сканировании, сшивке и коррекции бумажных планово-картографических данных с последующей векторизацией их содержимого в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Это обеспечивается следующими программами: AutoCAD Raster Design, Easy Trace, Arc Scan for ArcGIS, Map EDIT, Панорама-редактор и другие.

К пятому классу относят программные средства обработки полевых геодезических наблюдений, предусматривающие импорт информации с GPS-приемников, электронных тахометров, нивелиров и иной геодезической аппаратуры. Этот продукт проводит обработку и оценку данных, вычисление координат точек поворота границ земельных участков, создание планов границ земельных участков своим средствами, или экспорт информации с инструментальные ГИС. Используют такие программные продукты: Trimble Geomatics Office, CREDO_DAT и CREDO ТОПОПЛАН, Survey Analyst for ArcGIS, Комплекс геодезических расчетов и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4 Перспективы развития при ГИС- картографировании

Развитие картографирования определяется ростом потребления карт и увеличении их ценности в народном хозяйстве, строительстве и научно-исследовательской работе. Причины возросшего интереса объясняется в потребности более подробной и точной пространственной информации о земной поверхности, о развитии космических исследований, природных условиях и ресурсах, роста уровня образования среди населения, выработке стратегии в планировании народного хозяйства и строительства, при принятии решений об охране и защите окружающей среды. То есть внедрение картографического метода исследования природных и социально-экономических процессов.

Одни из этих факторов влияют на рост количества выпускаемых географических карт, некоторые ведут к детализации и уточнению содержания, к регулярному обновлению, другие порождают потребность создания новых видов карт и основание новых отраслей картографирования.

Для развития картографии требуются поиски более оптимальных способов исследования, получения данных, новых способов разработки и использования карт, которые повышают эффективность и продуктивность труда, что приводит к облегчению понимания карт, расширяет горизонты их применения.

Так, увеличение туристических стран ведет к росту объемов изготавливаемых карт для туристов, рост населения в свою очередь приводит к большему выпуску для учебных заведений атласов. Примеров можно приводить бесконечное множество, суть остается в том, что все вышеперечисленные факторы ведут к каким- либо изменениям для картографирования.

Так можно наблюдать рост тематического картографирования Мирового океана, значимость которого трудно переоценить в масштабах всей планеты. Решены вопросы комплексного картографирования Мирового океана, который рассматривается как сфера деятельности человечества, связанного с ростом использования биологических, минеральных и энергетических ресурсов как на поверхности, таки в толщах его воды. Это решено путем картографирования природных ресурсов шельфов.

Представляет большой интерес науке внедрение картографии в космос ради изучения Луны, планет, создание карт небесных тел.

При разработке земных, топографических карт работа не ограничивается лишь уточнением и обновлением, а ведет к появлению таких новых карт с фотоизображением земной поверхности, карты передающие застройку и городское хозяйство на различных уровнях.

Создание новых карт и атласов способствует накоплению огромного объема информации о расположении природных и социальных процессов, дает возможность оценить их состояние, взаимодействие, изменение.[2, 3].

Главные задачи которые ставят перед собой картографы:

- рост эффективности труда;

- совершенствование карт;

- расширение сфер использования  карт в практике и науке.

Решение трудностей при выполнении поставленных задач были решены во многом благодаря развитию компьютерных технологий, вычислительной техники, автоматики и дистанционного зондирования, опытных исследований по картографии.

Но наряду с этим существует ряд карт и процессов, которые практически не поддаются математической задаче из-за большого количества критериев, значимость которых трудно применить к определенной мере, закону. И именно новейшая техника дает доступ картографу включаться в работу автоматической системы и индивидуально решать вопросы в режиме диалога "человек-машина".

Именно такой симбиоз человеческой мысли и безграничных возможностей новейшей техники числится как представляющая огромную перспективу последующего развития картографии.

Космические съемки, которые дают огромный пространственный обзор и отражают закономерности географии, позволяют картографу избежать процессов поэтапного уменьшения крупномасштабных источников и удаления множества лишних данных, в связи с этим определенно убыстряют процессы получения среднемасштабных и мелкомасштабных тематических карт. Большое значение имеет то, что автоматика разрешает преобразование в картографическую форму данных, полученных при космических съемках.

Таким образом, изучая перспективы картографии можно выделить две основные цели:

- создание новых карт, направленное к кругу картографов  и иных специалистов, принимающих  участие в проектировании, съемках, составлении карт;

- применение карт в  науке и практике, служащее для  интересов потребителей.

Хочется подчеркнуть, что именно применение карт формирует будущее данного течения науки и поэтому требует беспрерывного совершенствования.

 

 

 

 

Глава 2 Космические снимки при картографировании земель

2.1 Основные виды и характеристики космических снимков

Космическая съемка занимает ведущее место среди других способов дистанционного зондирования, представляющего собой собрание способов неконтактной съемки для изучения Земли и ее частей методом регистрации и оценки их собственного и отраженного излучения с летательных и космических аппаратов.

Космическая съемка происходит при помощи искусственных спутников Земли, межпланетных автоматических станций, долговременных автоматических станций, пилотируемых космических кораблей. Основной характеристикой космических снимков служит пространственное разрешение, делящиеся на следующие классы:

- космические снимки очень  низкого разрешения 10000-100000 м.;

- космические снимки низкого  разрешения 300-1000 м;

- космические снимки среднего  разрешения 50-200 м.;

- космические снимки относительно  высокого разрешения 20-40 м.;

- космические снимки высокого разрешения 10-20 м.;

- космические снимки очень  высокого разрешения 1-10 м.;

- космические снимки сверхвысокого  разрешения 0,3-0,9 м.

По особенностям покрытия земной поверхности можно выделить следующую группу снимков:

- одиночное фотографирование, выполняется космонавтами ручными камерами, снимки получаются перспективными со значительными углами наклона;

- маршрутное фотографирование, оно производится вдоль трассы полета спутника, в данном случае ширина полосы съемки зависит от высоты полета и угла обзора аппаратуры;

- прицельное фотографирование, предназначается для получения снимков заданных участков земли в стороне от трассы;

- глобальное фотографирование, которое производится с геостационарных и полярно-орбитальных спутников, обеспечивающих получение мелкомасштабных обзорных снимков всей Земли, кроме полярных шапок.

Существует ряд параметров определяющие возможность дешифрования космических снимков, это масштаб, пространственное разрешение, обзорность и спектральные характеристики.[2]

Масштаб и обзорность космических снимков позволяют выявить объекты разного уровня, заснятые в одно время и в одном режиме съемки.

Обзорность снимков космических снимков охватывает большую площадь по сравнению с аэроснимками. Для сравнения один снимок с космоса перекрывает площадь как 10000 аэрофотоснимков. При этом большие площади охватываются одновременно при одинаковых условиях, что позволяет изучать региональные и зональные закономерности, глобальные явления, вести исследования с мировом масштабе.

Комплексное отображение компонентов геосферы.

При совместном отображении разных компонентов геосферы (литосферы, гидросферы, биосферы, атмосферы) позволяет изучить их связи. Благодаря большой высоте съемок на снимках отображены облачные покровы планеты, в следствии обобщения изображения на них находят отображение глубинные геологические структуры. Исходя из этого космические снимки обеспечивают:

- изучение процессов в атмосфере;

- взаимодействие атмосферы  и океана;

- проявление гидродинамики  течений.

Все это дает ряд преимуществ при комплексном методе показаны взаимосвязи объектов, что облегчает дешифрование и дает возможность применение снимков для создание тематических карт.

Регулярная повторяемость космических снимков обеспечивают регулярную повторяемость съемки с заданным интервалом (годы, месяцы, дни и т.д.), что невозможно реализовать при других способах [11].

Также космические снимки могут использоваться как модель местности. Снимки представляют собой пространственно-временные модели, позволяя на их базе изучить временные изменения, используя принцип пространственно-временных рядов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Методы дешифрования космических  снимков при картографировании  земельных ресурсов

После проведения необходимых этапов на основе данных дистанционного зондирования выполняется ГИС- картографирование земельных ресурсов путем дешифрования.

Дешифрованием называют способ изучения объектов, явлений и процессов на земной поверхности, заключающийся в распознавании объектов по их признакам, определении характеристик, установлении взаимосвязей с другими объектами. Дешифрование различают по содержанию на топографическое, при котором со снимков получают информацию о земной поверхности и расположенных на ней объектах; и специальное, при котором информацию по тематике сельского хозяйства, геологического и т.д.[12].

Процесс дешифрования начинают с постановки общей задачи, которая определяется, учитывая реальные возможности получения материалов съемки, наличия соответствующей аппаратуры, опыта дешифровщиков и т.д.

При любом из видов дешифрования обязательно проводится подготовительный этап, включающий в себя подготовительные работы, обработку материалов снимков и создание растровой пространственной базы.

Обработка материалов космической съемки состоит из следующих этапов:

- формирование проекта  цифровой фотограмметрической системы  и загрузку в проект данных  космических снимков;

- выполнение планово-высотной привязки космоснимков;

- фотограмметрические работы  по внешнему ориентированию космоснимков;

- уравнивание результатов  фототриангуляции.

На данном этапе используют программный продукт Photomod и фотограмметрические сканеры [10].

Существуют три основных способов проведение дешифрования космических снимков: полевой, камеральный и комбинированный.

При полевом дешифровании сопоставляется изображение на снимках с местностью, в результате чего опознаются объекты и определяются и их свойства. Основными преимуществом этого способа является наибольшая полнота и достоверность результатов, при существенном недостатке, заключающемся в высокой трудоемкости, больших временных и денежных затратах.

При камеральном дешифровании происходит логический анализ изображений и применением всего комплекса дешифровочных признаков, с привлечением специальных программных устройств в лаборатории. стоит отметить плюсы данного метода:

-экономия времени и  денежных средств;

- хорошие условия труда;

- применение различных  средств автоматизации;

- использование вспомогательных  источников информации.

При всем этом возможно допущение погрешностей, что в итоге скажется на достоверности и потребует доработки данных полевым способом.

При комбинированном дешифровании применяют процессы и технологические методы полевого и камерального способов, что обеспечивает высокую экономическую продуктивность и достоверность полученных данных.

Благодаря таким очевидным достоинствам именно этот метод наиболее распространен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Преимущества недостатки использования космических снимков

При изучении космических снимков при картографировании для ГИС выделила ряд достоинств их применения:

- спутник не испытывает  вибраций и резких колебаний, поэтому космоснимки удается  получать с высокой разрешающей  способностью и высоким качеством  изображения;

- снимки могут быть  переведены в цифровую форму  для последующей компьютерной  обработки;

- получение целостности окружающей  среды;

- многозональность и многофакторность  космических данных обеспечивает  комплексность оценки ситуации;

- оперативность, возможность  получения повторных изображений;

- относительно низкая  стоимость съемки единицы площади;

- возможность использования  полученных документов съемки  в делопроизводстве.

Однако следует отметить и ряд недостатков данного вида исследования:

- при работе на орбите  не удается получить съемки  чаще чем раз в 6-12 часов;

- возникновение трудностей для модернизации систем, так новые образцы датчиков могут работать только при новых запусках аппаратов;