Методика создания тематических карт с помощью ГИС

 

 

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ  ГОРОДА МОСКВЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ  ГОРОДСКОЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

Кафедра экономической  географии и социальной экологии

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

Методика  создания тематических карт с помощью  ГИС

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2012

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

Глава 1. Краткая историческая справка о ГИС ……………………………..5

1. Характеристика геоинформационных систем (ГИС)……………….5
2. Составные части ГИС………………………………………….…..….6
3. Как работает ГИС………………………………………………….….8

 

Глава 2. Методика создания тематических карт………………………...........16

2.1.  Возможности для  создания тематической карты  на примере программы  «ГИС  карта 2008» ………………………………………………...16

2.2.  Алгоритм создания тематической  карты ……………………….…..31

Заключение……………………………………………………………………..35

Список литературы………………………………………………………..…..36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В концепции модернизации российского образования на период 2010 года подчеркивается необходимость ориентации образования на усвоение обучающимся определенной суммы знаний, на развитие его личности, познавательных и созидательных способностей. Общеобразовательная школа должна формировать не только целостную систему универсальных знаний, умений и навыков, а также самостоятельную деятельность и личностную ответственность обучающихся, (т.е. ключевые компетентности) [4] .

Значительная доля информации, с которой имеет дело человек, является пространственной. Это общегеографические, топографические, тематические карты и атласы мелкого и среднего масштаба, аэрокосмические снимки, планы и схемы городов, планы домов и квартир, адреса размещения объектов, маршруты движения, информация о погоде и климате. В современном информационном обществе вся информация чаще представляется в цифровом (электронном) виде.

Происходит интеграция географической информации и данных в информационное образовательное  пространство на региональном и глобальном уровнях. Так, например, в ряде стран  Америки и Европы приняты и  внедряются государственные программы «электронного правительства», в рамках которых формируются общедоступные базы данных, содержащие географическую информацию (представлена в форме электронных карт или требует привязки к таковым в процессе эксплуатации).

В рамках ФЦП «Электронная Россия» разрабатывается Концепция формирования Российской инфраструктуры пространственных данных как элемента общегосударственных информационных ресурсов.

Целью данной работы было: кратко охарактеризовать ГИС (геоинформационные системы), а так же подробно описать сам алгоритм создания карт в программе «ГИС карта 2008».

Для достижения поставленной цели были использованы следующие задачи:

1. Определить структуру  и функции ГИС.

2. Изучить систему работы ГИС.

3. Научиться создавать тематическую карту.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Краткая историческая справка  о ГИС.

1. Характеристика геоинформационных систем (ГИС)

 

Однозначное краткое  определение этому явлению дать достаточно сложно. Географическая информационная система (ГИС) - это возможность нового взгляда на окружающий нас мир. Если обойтись без обобщений и образов, то ГИС - это современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, также событий, происходящих на нашей планете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.

Создание карт и географический анализ не являются чем-то абсолютно  новым. Однако технология ГИС предоставляет  новый, более соответствующий современности, более эффективный, удобный и  быстрый подход к анализу проблем и решению задач, стоящих перед человечеством в целом, и конкретной организацией или группой людей, в частности. Она автоматизирует процедуру анализа и прогноза. До начала применения ГИС лишь немногие обладали искусством обобщения и полноценного анализа географической информации с целью обоснованного принятия оптимальных решений, основанных на современных подходах и средствах.

В настоящее время  ГИС - это многомиллионная индустрия, в которую вовлечены сотни  тысяч людей во всем мире.

ГИС изучают в школах, колледжах и университетах. Эту  технологию применяют практически  во всех сферах человеческой деятельности - будь то анализ таких глобальных проблем  как перенаселение, загрязнение  территории, сокращение лесных угодий, природные катастрофы, так и решение частных задач, таких как поиск наилучшего маршрута между пунктами, подбор оптимального расположения нового офиса, поиск дома по его адресу, прокладка трубопровода на местности, различные муниципальные задачи.

2. Составные части ГИС

Работающая ГИС включает в себя пять ключевых составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, данные, исполнители и методы. 
Аппаратные средства. Это компьютер, на котором запущена ГИС. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.

Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые  для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных (DBMS или СУБД); инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс (GUI или ГИП) для легкого доступа к инструментам.

Данные. Это вероятно наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и  связанные с ними табличные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе.

 В процессе управления пространственными  данными ГИС интегрирует пространственные  данные с другими типами и  источниками данных, а также может  использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных.

Исполнители. Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей, которые  работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.

Методы. Успешность и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

Рис.1. Составные части  ГИС (point.govvrn.ru)

3. Как работает ГИС

ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.

Рис.1. Слои в ГИС (point.govvrn.ru)

Любая географическая информация содержит сведения о пространственном положении, будь то привязка к географическим или другим координатам, или ссылки на адрес, почтовый индекс, избирательный округ или округ переписи населения, идентификатор земельного или лесного участка, название дороги и т.п.

При использовании подобных ссылок для автоматического определения  местоположения или местоположений объекта (объектов) применяется процедура, называемая геокодированием. С ее помощью можно быстро определить и посмотреть на карте где находится интересующий вас объект или явление, такие как дом, в котором проживает ваш знакомый или находится нужная вам организация, где произошло землетрясение или наводнение, по какому маршруту проще и быстрее добраться до нужного вам пункта или дома.

Векторная и растровая  модели. ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y. Местоположение точки (точечного объекта), например буровой скважины, описывается парой координат (X,Y). Линейные объекты, такие как дороги, реки или трубопроводы, сохраняются как наборы координат X,Y. Полигональные объекты, типа речных водосборов, земельных участков или областей обслуживания, хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как типы почв или доступность объектов. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями.

Задачи, которые решает ГИС. ГИС общего назначения, в числе прочего, обычно выполняет пять процедур (задач) с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ, визуализацию.

Ввод. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование. Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями вашей системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах (осевые линии улиц имеются в масштабе 1: 100 000, границы округов переписи населения - в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты - в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), то специальными компьютерными средствами для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих, как ГИС, так и не ГИС приложениях.

Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации Вы сможете получать ответы простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промзона?) и более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мышью на определенном объекте, так и с посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу “что будет, если…”. Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в пределах 100 м от этого водоема? Сколько покупателей живет не далее 1 км от данного магазина? Какова доля добытой нефти из скважин, находящихся в пределах 10 км от здания руководства данного НГДУ? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика.

Карта - это очень эффективный  и информативный способ хранения, представления и передачи географической (имеющей пространственную привязку) информации. Раньше карты создавались  на столетия.

ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

Связанные технологии. ГИС тесно связана рядом других типов информационных систем. Ее основное отличие заключается в способности манипулировать и проводить анализ пространственных данных. Хотя и не существует единой общепринятой классификации информационных систем, приведенное ниже описание должно помочь дистанциировать ГИС от настольных картографических систем (desktop mapping), систем САПР (CAD), дистанционного зондирования (remote sensing), систем управления базами данных (СУБД или DBMS) и технологии глобального позиционирования (GPS).

Системы настольного картографирования используют картографическое представление для организации взаимодействия пользователя с данными. В таких системах все основано на картах, карта является базой данных. Большинство систем настольного картографирования имеет ограниченные возможности управления данными, пространственного анализа и настройки. Соответствующие пакеты работают на настольных компьютерах - PC, Macintosh и младших моделях UNIX рабочих станций.

Системы САПР способны чертежи проектов и планы зданий и инфраструктуры. Для объединения в единую структуру они используют набор компонентов с фиксированными параметрами.

Они основываются на небольшом  числе правил объединения компонентов  и имеют весьма ограниченные аналитические функции.

 

Некоторые системы САПР расширены до поддержки картографического  представления данных, но, как правило, имеющиеся в них утилиты не позволяют эффективно управлять  и анализировать большие базы пространственных данных.

Дистанционное зондирование и GPS. Методы дистанционного зондирования - это искусство и научное направление для проведения измерений земной поверхности с использованием сенсоров, таких как различные камеры на борту летательных аппаратов, приемники системы глобального позиционирования или других устройств. Эти датчики собирают данные в виде изображений и обеспечивают специализированные возможности обработки, анализа и визуализации полученных изображений. Ввиду отсутствия достаточно мощных средств управления данными и их анализа, соответствующие системы вряд ли можно отнести к настоящим ГИС.

Рис.3. Съемка местности  с самолета (sapr.ru)

 

Системы управления базами данных предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая географические (пространственные) данные.

СУБД оптимизированы для подобных задач, поэтому во многие ГИС встроена поддержка СУБД. Эти системы не имеют сходных с ГИС инструментов для анализа и визуализации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2.  Методика создания тематических карт.

2.1. Возможности для создания тематической карты на примере программы  «ГИС карта 2008»

 

«Карта 2008» —  универсальная геоинформационная система, имеющая средства создания и редактирования электронных карт, данных дистанционного зондирования (ДДЗ), выполнения различных измерений и расчетов, оверлейных операций, построения 3D-моделей, обработки растровых данных, средства подготовки графических документов в электронном и печатном виде, а также инструментальные средства для работы с базами данных [5].

Можно сказать, что по своим возможностям данная система превосходит ряд иностранных аналогов, а, зачастую, объединяет функции нескольких программ (например, MapInfo и Autocad).

Основные направления  работы в программе:

1. Разнообразные  средства редактирования векторных и растровых карт местности и нанесения прикладной графической информации на карту. Поддержка нескольких десятков различных проекций карт и систем координат.

2. Построение  трехмерных моделей местности, перемещение по ней в реальном времени и масштабе.

3. Построение  мозаики из любого числа векторных, растровых и матричных карт. Поддержка многослойных матричных (геологических) карт, матриц рельефа и матриц качественных характеристик местности со своими легендами.

4. Построение  ортофотопланов по материалам космической съемки в центральной проекции, панорамным и щелевым снимкам, аэрофотосъемке.

5. Выполнение  логических и математических операций над списками объектов. Построение пересечений или объединений контуров объектов одного списка с другим. Построение общей зоны вокруг объектов, входящих в список.

 Отбор на  карте объектов одного списка, имеющих определенную пространственную связь с объектами другого списка (вхождение, пересечение, примыкание, удаление в пределах заданного расстояния и т.п.)

6. Интерактивное  проектирование информационных систем на основе встроенного конструктора.[2]

Средства анализа  данных и построения графиков, диаграмм, тематического картографирования.

7. Поддержка  атласа карт. Быстрый переход между перекрывающимися картами разных масштабов систем координат и проекций. Конвертирование данных других форматов.

8. Тематическое  картографирование. Формирование графических изображений, наглядно иллюстрирующих соотношение значений выбранной характеристики для отдельных объектов карты.

9. Обработка  геодезических измерений и формирование землеустроительной документации и ряд других задач [5]. В связи с таким широким спектром задач программа может быть использована для решения научных, прикладных и тематических задач.

Можно выделить следующие основные задачи:

1) для земельного  кадастра и межевого дела: оперативного сбора, накопления и анализа кадастровых данных о земле и объектах недвижимости;

2) для решения  геодезических задач (программа позволяет напрямую переносить данные с электронных теодолитов) с последующим построением теодолитного полигона;

3) для создания  и обновления тематических и общегеографических карт по данным аэро- и космической съемки;

4) для прокладки  дорог и трубопроводов;

5) в сельском  хозяйстве для автоматизации управления сельскохозяйственным предприятием;

6) для решения  геологических задач: обработки результатов инженерно-геологических изысканий и т.д.;[2]

7) для тематического картографирования и расчетов по картам;

8) в МЧС для  целей мониторинга неблагоприятных природных явлений;

9) в экологии: отслеживание разлива нефтепродуктов  и т.д.

Ниже будет  рассмотрено несколько направлений использования ГИС «Карта 2008», которые могут быть применены в тематической картографии. Речь в основном пойдет о работе с планами и крупномасштабными картами.

Первое направление, которое будет рассмотрено — привязка растрового изображения. Очень часто возникает необходимость в переводе карты из бумажного вида в электронный. Но в результате сканирования карта имеет растровый вид, без какой-либо привязки.

Иными словами, на нее сложно будет нанести объект точно по географическим или прямоугольным координатам. Для того, чтобы привязать растровое изображение, достаточно открыть его в программе и путем совмещения точек привязать изображение.

В этом случае при  наведении курсора на любую точку на карте в нижней левой части экрана будут показаны координаты этой точки (рис. 4).

Причем, программа позволяет производить привязку тремя различными способами: по одной точке, по двум точкам и полностью. Также возможно создание единой карты из нескольких также путем привязки фрагментов.  При этом каждый привязанный фрагмент встанет на свое место. 

В показанном ниже примере фрагмент топографической карты масштаба 1:25 000 привязан по прямоугольным координатам.

Второе направление — построение трехмерной модели местности. Создание трехмерной модели не требует длительной подготовки; достаточно иметь двухмерную карту и матрицу высот [5] (т.е. заранее имеющиеся на карте высотные отметки).

 Как правило, матрица высот имеется на многих картах. По этим данным можно построить трехмерную модель рельефа выбранного участка местности [5], по которой можно «полетать», посмотреть, как выглядят те или иные объекты в трехмерном виде. Также по ней можно делать различные расчеты (рис. 5). В приведенном ниже примере по высотным отметкам имеющегося кадастрового плана построена трехмерная модель участка.[2]

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

Б

Третье направление  — построение профиля по заданной линии. Для этого на боковой панели программы необходимо нажать соответствующую кнопку и затем курсором на карте определить профильную линию. На экране появится профиль по заданной линии с легендой. При этом если курсор навести на любую точку профильной линии, то автоматический эта точка отразится и на самом профиле (рис. 6). В показанном ниже примере профильная линия проведена по достаточно сильно расчлененной местности: от более низкого участка к более высокому, при этом линия пересекаюет реку. На профиле отразилась достаточно неоднородная территория по рельефу.

Четвертое направление  — изображение рельефа. Как правило рельеф на крупномасштабных картах изображается способом горизонталей. Однако это не всегда наглядно. Поэтому для большей наглядности программа позволяет изображать рельеф способом отмывки. Способ отмывки содержит в своей основе принцип сгущения теней по мере увеличения крутизны склонов. Оттенения склонов показывают коричневой или серой краской. Способ отмывки создает эффект выпуклости земной поверхности [2: с. 37] Для этого необходимо в задачах указать соответствующую функцию. Программа сама все рассчитает и выдаст готовый вариант (рис. 7).

Пятое направление  — создание тематических карт по статистическим данным. Программа позволяет создавать тематические карты двух типов: картограммы и картодиаграммы. Основное их различие заключается в том, что картограмма показывает распределение одной характеристики между указанными объектами карты, а по картодиаграммам можно оценить соотношение нескольких характеристик для каждого из объектов.

 

 Картограммы могут быть цветными (заливка полигонов различными цветами), штриховыми (нанесение на полигоны различного вида штриховок) и точечными (заполнение полигонов массивами точек различного размера и степени сгущения) [5] (рис. 8).

 

 

А

 

 

Б

 

 

 

 

Шестое направление  — для целей мониторинга и прогнозирования неблагоприятных природных явлений. В качестве примера можно привести создание карты зоны затопления. Для этого необходимо включить в программе соответствующую функцию на боковой панели и задать следующие параметры: курсором показать интересующую реку, в дополнительной таблице указать уровень подъема воды. В результате на экране возникает предполагаемая зона затопления с заданными параметрами (рис. 11). Для расчета зоны затопления был выбран участок р. Пахры в районе г. Домодедово и его окрестностях при условии поднятия воды в реке на 1 м.

Несколько перечисленных выше примеров показывают, что ГИС оказывают неоценимую помощь и значительно облегчают работу как в тематической картографии, так и других областях. Программа также позволяет решать прикладные задачи как по физической, так и по экономической географии, а также и геоэкологические задачи.[2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.11. Расчет зоны затопления участка реки Пахры (Воронова, 2010)

 

 

2.2. Алгоритм  создания тематической карты

Для создания карты  требуется ввести имя карты, имя  района, название электронного классификатора (например сельскохозяйственный классификатор используется для создания картосхем сельскохозяйственных угодий, ведения паспортов полей, оперативного агрохимического мониторинга полей, тематического картографирования по различным категориям и показателям) установить тип карты, эллипсоид, систему высот и масштаб, указать вид хранения координат. При хранении координат в метрах требуется установить точность координат.

При необходимости  нужно заполнить поля в закладках Постоянные проекции, Датум и Метаданные.

Для создания карты с рамкой необходимо включить элемент диалога «Территорию карты ограничивать рамкой», при этом появится закладка Рамка карты.

Обязательному заполнению при наличии рамки  подлежат поля координат (прямоугольных  или геодезических). Для топографических  карт со стандартной номенклатурой эти данные заполняются после ввода номенклатуры.