Создание карты в программе Arcgis

ВВЕДЕНИЕ

С помощью программы ArcGis можно выполнить задачу географической информационный системы (ГИС) любого уровня сложности. Сегодня тысячи различных организаций и сотни тысяч пользователей используют технологии ГИС для изучения и обработки разнообразных наборов географически связанной информации.

ArcGis возможно использовать разными способами в зависимости от сложности задач. Иногда ArcGis используют в качестве однопользовательского инструмента для картографии и анализа, обычно в контексте определенного ограниченного проекта. Такой способ использования ArcGIS иногда называют проектом ГИС. В других случаях ArcGIS - это многопользовательская система, признанная решать текущие задачи организации в области географической информации. Многопользовательские ГИС иногда подразделяются на ГИС отделов, ГИС организаций, в соответствии с уровнем сложности системы и интеграцией с ежедневной деятельностью организаций.

Цель данной курсовой работы изучение системы ArcGIS, которое включает расмотрение  Network Analist, изучение системы линейных координат в ArcGIS, 3Danalyst, а также ознакомиться с возможностями выбора картографических проекций в программном продукте ArcGIS.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- изучить особенности выбора картографических проекций;

- изучить структуру программного продукта ArcGIS и организацию данных о системах координат;

- выполнить анализ карторграфических проекций, поддерживаемых программным продуктом ArcGIS.

В ходе работы было произведено знакомство с программным продуктом ArcGIS с помощью руководств от разработчика программы (ESRI): «ArcGIS 9. Что такое ArcGIS», «ArcGIS 9. ArcMAP. Руководство пользователя», «ArcGIS 9. ArcCatalog.  
1. ИЗУЧЕНИЕ БАЗОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ГИС ARCGIS

1.1 Структура программного продукта ArcGIS

Географическая информационная система поддерживает несколько видов для работы с географической информацией:

1. Вид  Базы Геоданных: ГИС - это пространственная  база данных, содержащая наборы  данных, которые представляют географическую  информацию в контексте общей  модели данных ГИС (векторные  объекты, растры, топология, сети и  т.д.).

2. Вид  Геовизуализации: ГИС - это набор  интеллектуальных карт и других  видов, которые показывают пространственные  объекты и отношения между  объектами на земной поверхности. Могут быть построены разные  виды карт, и они могут использоваться  как окна в базу данных для  поддержки запросов, анализа и  редактирования информации.

3. Вид  Геообработки: ГИС - это набор инструментов  для получения новых наборов  географических данных из существующих  наборов. Функции геообработки извлекают  информацию из существующих наборов  данных, применяют к ним аналитические  функции и записывают результаты  в новые производные наборы  данных.

Например, в ArcGIS эти три вида представлены каталогом (ГИС как коллекция наборов геоданных), картой (ГИС как интеллектуальный картографический вид) и набором инструментов (ГИС как набор инструментов для обработки пространственных данных).

Использовать ГИС можно различными способами, в зависимости от сложности задач. В среде проекта ГИС или многопользовательской ГИС можно использовать в работе настольных приложений ArgGIS - ArcCatalog, ArcMap, ArcToolbox. ArcCatalog управляет хранением пространственных данных, структурой баз данных, а также записью и просмотром метаданных, ArcMap используется для всех задач создания карт и редактирования, а также для картографического анализа, ArcToolbox используется для преобразования данных и геообработки. Это приложение содержит множество инструментов

ArcGIS предоставляет  масштабируемую среду для работы  с ГИС как отдельных пользователей, так и групп пользователей, на  серверах, через Web и в полевых  условиях. ArcGIS 9 - это интегрированный  набор программных ГИС-продуктов  для создания полноценной ГИС ( Рисунок 1.1). В его состав входит ряд структурных компонентов для развития ГИС:

Рисунок 1.1 - Состав ArcGIS

1. ArcGIS Desktop - интегрированный набор профессиональных настольных ГИС-приложений;

2.  ArcGIS Engine - встраиваемые компоненты разработчика для создания пользовательских ГИС-приложений;

3. Серверные ГИС - ArcSDE, ArcIMS и ArcGIS Server;

4. Мобильные ГИС - ArcPad, а также ArcGIS Desktop и Engine для Tablet PC.

ArcGIS Desktop – это инструмент ГИС-профессионалов  для создания и использования  информации. Продукты ArcGIS Desktop содержат  интегрированный набор развитых  ГИС-приложений. В их состав входит  ряд настольных Windows- приложений (таких  как ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox и ArcGlobe) с компонентами пользовательского интерфейса. ArcGIS Desktop доступны с тремя уровнями функциональности (Рисунок 1.2) - ArcView, ArcEditor и ArcInfo - и могут быть настроены и расширены с использованием входящего в их состав пакета разработчика ArcGIS Desktop Developers Kit.

Рисунок 1. 2 - Состав ArcGIS Desktop

Три уровня функциональности ArcGIS Desktop:

- ArcView предоставляет современные инструменты картографирования, использования данных и их анализа, а также начальные возможности редактирования и обработки геоданных ( Рисунок 1 3);

- ArcEditor включает всю функциональность ArcView, развитые возможности редактирования шейп-файлов и баз геоданных;

- ArcInfo – полнофункциональная, наиболее мощная настольная ГИС-система. Она включает всю функциональность ArcView и ArcEditor, а также предоставляет широкие возможности геообработки. Кроме того, в состав этого продукта включены прикладные модули, унаследованные от популярной в прошлом системы ArcInfo Workstation.

Рисунок 1.3 – ArcView

ArcMap - основное  приложение ArcGIS Desktop для выполнения  всех картографических задач, таких  как создание и публикация  карт, анализ карт и редактирование данных [3].

ArcMap - это  документ для просмотра запроса, редактирования и компоновки  карты. Мы можем использовать  множество различных символов  для отображения наших данных (Рисунок 1.4).

Данная карта содержит три слоя данных - здания, улицы и парки. Каждый из слоев перечислен в таблице, и их можно отключать при необходимости. Для изображения слоя используются символы. Чтобы карту было легко читать, мы добавили на нее данные общего назначения о городе.

Рисунок 1.4 – Пример карты АrcMap

Построение карты состоит из следующих этапов:

- добавление слоя к карте;

- добавление объекта из базы данных;

- изменение отображения объектов;

- добавление надписей к карте;

- компоновка карт.

Добавление слоя происходит из дерева ArcCatalog. Добавление надписей и последующая компоновка карты заключается в формировании страницы для распечатки, добавление стрелки севера, легенды.

В ArcMap есть два способа просмотра карты: в виде географических данных и в виде компоновки. В виде географических данных вы работаете с географическими слоями, определяете символы, проводите анализ и компиляцию наборов данных ГИС. Интерфейс таблицы содержания помогает структурировать ГИС-данные по слоям в фрейме данных, управлять свойствами их отображения. Вид данных - это окно, в котором отображаются все наборы ГИС-данных на заданную область. В виде компоновки вы работаете со страницами карт, содержащими вид географических данных и другие элементы карты, такие как легенда, масштабная линейка, стрелка Севера и обзорная карта. ArcMap используется для размещения карт со всеми необходимыми элементами на странице для их публикации и вывода на печать.

ArcCatalog - это инструмент для просмотра, организации, распределения и документирования  данных ГИС организации. ArcCatalog представляет  структуру для организации хранения  больших объемов разнотипных  данных ГИС. Разные представления  помогают найти нужные данные.

ArcCatalog представляет  собой дерево, где находятся данные  о городе. Эти данные мы добавляем  поочередно на карту. Их также  можно рассмотреть отдельно.

Рисунок 1.5 - Структура ArcCatalog

Приложение ArcCatalog помогает структурировать и управлять всей вашей ГИС-информацией, такой как карты, глобусы, наборы данных, метаданные и сервисы. Входящие в него инструменты позволяют [4]:

- просматривать и искать географическую информацию;

- записывать, просматривать и управлять метаданными;

- определять, экспортировать и импортировать структуру и дизайн баз геоданных;

- осуществлять поиск ГИС-данных по локальным сетям и через Web;

- администрировать ArcGIS Server.

ArcCatalog используется  для структурирования, поиска и  использования данных ГИС, а также  при каталогизации наборов данных  на основе стандартных метаданных. Администратор баз данных ГИС  использует ArcCatalog при определении  и построении баз геоданных. Администратору  ГИС-сервера ArcCatalog нужен для администрирования архитектуры ГИС-сервера.

ArcToolbox и ModelBuilder доступны во всех продуктах ArcGIS Desktop и используются для геообработки, пространственного анализа и  моделирования.

1.2 Организация данных о системах координат проекций в программном продукте ArcGIS.

В комплект ArcGIS входит большое количество предустановленных систем координат, географических (Geographic coordinate systems) и прямоугольных (системы координат проекций - Projected coordinate systems). Все они хранятся в виде отдельных файлов с разрешением prj в специальной папке Системы координат (Coordinate Systems), которая обычно находится в папке куда был установлен ArcGIS, например [10]:

С:\Program Files\ArcGIS\Coordinate Systems.

В других папках можно иметь свои собственные пользовательские системы координат, которые были созданы с помощью ArcInfo Workstation или ArcCatalog. При желании, их можно переместить в папку Системы координат (Coordinate Systems).

Папка Системы координат проекций (Projected coordinate systems) содержит огромное число систем координат, сгруппированных по различным признакам. Здесь мы видим папку World, в которой находятся файлы систем координат, используемых для составления карт мира. В папке Continental подобраны системы координат для составления карт пяти материков, а в папке Polar – для карт приполярных территорий. В папке National Grids собраны системы координат, разработанные для картографирования территорий конкретных государств.

Для хранения систем координат, используемых для картографирования Соединенных Штатов Америки, выделено целых три папки: State Systems, State Plane и Country Systems.

Папка UTM содержит разнообразные системы координат в универсальной поперечной проекции Меркатора (Universal Transverse Mercator), в том числе системы координат WGS 1984, NAD 1983 и др. В папке Gauss Kruger мы видим системы координат Pulkovo 1942, Xian 1980 и пр. В папке ARC (equal arc-second) видим системы координат WGS 1984 ARC system для 18 широтных зон.

1.3 Работа с системами координат в ArcMAP и ArcGis

Чтобы определить, в какой системе координат отображаются данные, нужно [7]:

Щелкнуть правой кнопкой мыши на фрейме данных, для которого нужно определить систему координат, и выбрать Свойства (Properties).

Перейти на закладку Система координат (Coordinate system).

В окне диалога появится информация о текущей системе координат фрейма данных (Рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 – Определение систем координат

Для отображения данных в предопределенной системе координат нужно :

1. Щелкнуть правой кнопкой мыши на фрейме данных, для которого нужно выбрать систему координат, и выбрать Свойства (Properties).

2. Перейти на закладку Система координат (Coordinate system).

3. Дважды щелкнуть на папке Предопределенные (Predefined).

4. Найдите нужную систему координат и щелкнуть на ней.

5. Нажать ОК.

Все слои фрейма данных будут теперь отображены в выбранной системе координат (Рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 – Переход в другую систему координат

Для изменения параметров системы координат нужно:

- щелкнуть правой кнопкой мыши на фрейме данных, для которого нужно выбрать систему координат, и выбрать Свойства (Properties);

- перейти на закладку Система координат (Coordinate system);

- щелкнуть Изменить (Modify);

- изменить свойства системы;

- нажать ОК в диалоге Свойства фрейма данных.

Изменение системы координат фрейма данных не меняет систему координат источников данных, входящих во фрейм данных

По умолчанию, папка Системы координат не отображается в дереве Каталога. Для отображения или скрытия папки, нужно включить или отключить опцию её отображеия в диалоговом окне Опции (Options) на закладке Общие (General).

Если все данные, которые требуется отобразить на карте, хранятся в одной и той же системе координат, то достаточно добавлять данные к карте, не задумываясь о том, правильно ли будут накладываться слои [7].

Если, однако, данные собираются из различных источников, то необходимо знать, какую систему координат использует каждый источник, чтобы обеспечить возможность совместного отображения данных в ArcMap.

При добавлении слоя к пустому фрейму данных, этот слой определяет систему координат для фрейма данных. Позднее можно при необходимости ее изменить. При добавлении дополнительных слоев, они автоматически преобразуются в систему координат фрейма данных, если имеется достаточно информации, связанной с источником данных слоя, позволяющей определять его текущую систему координат. Если информации недостаточно, ArcMap не сможет преобразовать данные и корректно отобразить их. В этом случае необходимо будет самому предоставить информацию о системе координат.

ArcMap ожидает, что информация о системе координат  будет храниться вместе с источником  данных. Для слоя базы геоданных  эта информация является частью  метаданных слоя. Для покрытий, шейп/файлов  и растров она хранится на  диске в отдельном файле, названном  по имени источника данных, но  с расширением .prj. Эти файлы являются  необязательными; таким образом, может  все же потребоваться определить  систему координат для одного  из таких источников данных. Создать  файл .prj можно с помощью ArcCatalog. Если  с источником данных не связана  информация о системе координат, ArcMap оценивает значения координат, чтобы проверить, находятся ли  они в интервале от 1800 до 1800 для  значений x и от 900 до 900 для значений y. Если «да», ArcMap считает, что это  географические координаты, широта  и долгота.Если значения не  находятся в этом интервале, ArcMap считает их плоскими координатами x,y.

1.4 Изучение данных и представление проекта ГИС

ArcGIS может  хранить и использовать географические  данные в нескольких форматах. Одним из способов представления  географической информации - в виде  точек, линий и полигонов. Такое  представление называется векторной  моделью данных. Она особенно  удобна для хранения и представления  дискретных объектов, таких как  здания, трубопроводы или границы  участков.

ГИС можно назвать базой данных, воспринимающей геометрическую информацию, ГИС позволяет связывать таблицу и пространственные данные. Этот формат называется табличные данные.

Значительная часть географических данных сегодня хранятся в шейп-файлах. В них хранятся два типичных точечных объектов: точечные и многоточечные. Базы геоданных реализуют объектно-ориентировачную модель данных ГИС - модель данных, где каждый пространственный объект хранится в виде строки таблицы.

При выполнении типичного аналитического проекта ГИС мы выполняли следующие этапы:

- определение цели анализа;

- создание базы данных объекта (проектирование базы данных, ввод и загрузка данных в базу и управление базой данных);

- анализ данных с помощью функций ГИС;

- представление результатов анализа (в виде карты).

Необходимые для проекта данные находятся в разных местах и представлены в разных форматах. Чтобы выполнить анализ нужно найти данные, получить информацию о них, и скопировать их в соответствующую рабочую область. ArcCatalog позволяет изучить данные и организовать их так как угодно. На этом этапе работы мы построили базу данных проекта, которая будет содержать все данные, которые мы получили. Мы просмотрели и скопировали данные с помощью ArcCatalog и создали папки для хранения данных и слои для представления удаленных данных. Далее с помощью ArcMap отобразили наборы из базы данных проекта, чтобы изучить географические взаимосвязи между наборами данных, с которыми мы будем работать в процессе анализа. Добавление данных в папку проекта состоит из следующих этапов:

- добавление к карте слоя участков;

- добавление к карте остальных данных города;

- добавление к карте шейп-файла реки;

- добавление данных высот;

- создание  грида высот.

Теперь, когда мы собрали и организовали все доступные данные, нужно подготовить данные для анализа. Данные ГИС представлены в разных системах координат, их нельзя правильно наложить и отобразить. Поэтому важно было сохранить данные в той же системе координат и в том же формате, что и другие данные. Объекты, которые хранились в виде наборов серий карт, мы соединили и работали с ними, как с единым целым.

Подготовка данных к анализу состояла из следующих шагов:

1. Определение системы координат для данных высот.

2. Выполнение проецирование шейп-файла реки в систему координат базы геоданных города.

3. Экспортирование шейп-файла реки.

4. Оцифровка нового парка в класс объектов парка.

5. Выполнение слияния слоев участков.

Выполнение анализа

На этапе планирования мы определили, какие данные потребуются для соблюдения заданных критериев, собрали данные и подготовили их к анализу. Далее выполнили анализ. В анализе участки должны удовлетворять определенным критериям для строительства. В пределах которых станция должна стоять и объекты, в пределах которых станция должна находится. Таким образом, определяют пригодные и непригодные области.

Работа на этом этапе состояла из следующих шагов:

- подготовка к анализу;

- определение области, где должна быть станция;

- поиск участков по пространственному критерию;

- поиск свободных участков;

- поиск пригородных участков вблизи дорог и узлов сети водостока;

- поиск пригородных участков, удовлетворяющих критерию площади;

- просмотр результатов анализа;

- представление результатов.

На этом этапе проекта мы создали карту-постер для представления результатов анализа. Постер содержит три карты. На первой - географическое положение пригодных участков относительно остальной части города. На другой - показаны все пригодные участки. На третьей - отображены наиболее пригодные участки. Также добавили список критериев и картографические элементы. Окончательная карта представлена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – Окончательная карта по проекту

2. NETWORK ANALIST

2.1 Обзор Network Analyst

Основная техническая характеристика Network Analist

Расширение Network Analyst ArcGIS позволяет построить сетевой набор данных (Network Analyst dataset - NDS) и выполнять анализ на сетевом dataset. Это расширение сформировано из множества частей: Мастер создания NDS (в ArcCatalog), плавающее окно (Window) Network Analyst (в ArcMap), Панель инструментов (toolbar) (в ArcMap), и множество инструментальных средств геообработки содержимых в составе ArcToolbox (в ArcCatalog и в ArcMap) .

Мастер создания NDS создает NDS из элементов множественных и точечных классов и устанавливает связь этот NDS в базу геоданных или множество в виде шейп-файла. Этот Мастер помогает идентифицировать классы пространственных объектов, которые будут использованы как источники и роль, которую они играют в сети, определить связность в пределах сети и идентифицировать атрибуты сети. Network Analyst Window помогает управлять входными данными для анализа и результатами. Оно отображает такие объекты, как барьеры, остановки и маршруты.Network Analyst toolbar - комбинация меню и кнопок для дополнения и модификации позиций на сети, создания направлений, идентификации сетевых объектов, построения сети, и выполнения анализа на базе наборов сетевых данных (network datasets).содержит инструментальные средства, поддерживающие разнообразные операции Network Analyst.

Расширение Network Analyst также поддержит использование и создание слоев в ArcMap, включая слой набора данных и слой сетевого анализа. Слой набора данных позволяет отображать и запрашивать базовый набор сетевых данных. Слой сетевого анализа является слоем, созданным посредством одной из операций Network Analyst. Этот слой может быть использован в дальнейшем анализе, как в пределах интерфейса пользователя ArcMap, так и в пределах конструктива геообработки. Он может быть также сохранен как постоянный слой.

Элементы Сети (Network elements)

Наборы сетевых данных (Network datasets - NDS) формируются из элементов сети. Элементы сети сгенерированы из источников, используемых для создания network dataset. Геометрия исходных данных используется, чтобы устанавливать связность. Кроме того, элементы сети имеют атрибуты, которые управляют навигацией по сети.

Есть три типа элементов сети: ребра, соединения, и повороты (edges, junctions, and turns). Ребра являются элементами, которые подключаются к другим элементам (соединениям) и являются связями, по которым текут ресурсы. Соединения соединяют ребра и обеспечивают навигацию от одного ребро к другому. Повороты - факультативные элементы, которые хранят информацию о движениях между двумя или более ребрами.

Ребра и соединения формируют базовую структуру любой сети. Связность в сети имеет дело с соединением ребер и соединений друг с другом. Повороты являются дополнительными элементами, которые хранят информацию о конкретном поворотном движении; например, левый поворот с одного конкретного ребра на другое ограничен.

Источники сети (Network sources)

Есть три типа источников сети, которые принимают участие в создании набора сетевых данных (network dataset (NDS)): источники пространственных объектов-ребер (edge feature sources), источники пространственных точек-соединений (junction feature sources) и источников пространственных объектов Поворот (turn feature sources). Классы линейных пространственных объектов участвуют в сети как edge feature sources. Классы точечных пространственных объектов участвуют в сети как junction feature sources. Классы пространственных объектов Поворот участвуют в сети как turn feature sources. Источников пространственных объектов Поворот моделирует исключительно поднабор возможных перемещений между элементами-ребрами в процессе навигации.

Каждый класс пространственных объектов, который участвует в сети как источник, генерирует элементы, основанные на предназначенной им роли. Например, класс линейных пространственных объектов используется как источник для элементов-ребер, а класс точечных пространственных объектов используется для генерации элементов-соединений. Элементы Поворота создаются из класса пространственных объектов Поворота. Созданные соединения-элементы, ребра-элементы и элементы Поворота формируют базовый (основной) граф, который и является сетью.

Все классы пространственных объектов, которые размещены в наборе классов пространственных объектов (feature dataset), входящем в NDS, могут участвовать в образовании сети в качестве источников. Но в шейп-файловом NDS только два источника могут принимать участие в его образовании - линейный шейп-файл и шейп-файловый класс пространственных объектов Поворот.

Повороты в сетевом наборе данных

(Turns in the network dataset (NDS))

Повороты могут быть сделаны в любой точке, где соединяются ребра. Количество возможных поворотов n²±1 в каждой точке сети, где n число ребер соединенных в точке. Даже в точке с единственным ребром, есть возможность сделать один разворот.

Мультиреберные повороты (Multiedge turns)

ArcGIS Network Analyst поддерживает моделирование  мультиреберных поворотов. Мультиреберный  поворот есть движение от одного  элемента-ребра сети к другому  через последовательность связанных  промежуточных элементов-ребер. Эти  промежуточные ребра считаются  внутренними ребрами поворота. В  УДС внутренние ребра поворота  обычно те элементы-ребра, которые  представляют интерьер пересечения  дорог с раздельным движением.

Развороты (U-turns)

Разворот (U-turn) это движение с выходом из одного конца элемента-ребра обратно на этот конец этого ребра. Обычно это моделируется как поворот с двумя входами в последовательности ребер, где оба входа - это один и тот же элемент ребра.

Строго определенные повороты

Повороты могут быть использованы в сети только, если они строго определены. Строго определенные повороты должны отвечать следующим 5-ти правилам:

.Поворот - это последовательность по крайней  мере двух ребер. Разворот представляет  движение от ребра к нему  самому.

.Первое  и последнее ребро (любое внешнее  ребро) в повороте не может  быть внутренним ребром другого  поворота.

.Каждое  ребро в последовательности соединяется  со следующим ребром в последовательности, с тем чтобы сформировать неразветвлетвленную  цепь соединенных ребер. В пределах  поворота, любое ребро (внутреннее  или внешнее) может быть соединено  только с одним (другим) ребром.

.Внутренние  ребра могут быть поделены  между поворотами (использоваться  разными поворотами). Ребра, являющиеся  внутренними для одного поворота  становятся внутренними для всех  поворотов.

Два поворота (как два пространственных объекта) не могут представлять одно и тоже поворотное движение. Это означает, что два поворота не могут иметь одни и те же первое и последнее внешние ребра.

Пространственные объекты Повороты (Turn features)

В ArcGIS Network Analyst повороты моделируются как пространственные объекты (features) в классе пространственных объектов Поворотов (turn feature class). Turn feature class является пользовательским (определяемым пользователем) классом полилинейных пространственных объектов типа ESRI Turn Feature.

Вне сети, turn feature class не имеет смысла. Чтобы сделать возможным использование его содержательной (оцениваемой) информации, необходимо иметь возможность добавить этот класс к сетевому набору данных (NDS). Чтобы добавить turn feature class к сети, он должен быть в том же NDS что и другие источники сетевого набора данных. Элемент-источник пространственного объекта поворота (turn feature source) не может принимать участия в группах связности (connectivity groups), как и не может содержать поля с высотной информацией.

Когда создается turn feature class, можно определить максимальное число ребер, поддерживаемых в повороте. Поворот имеет минимум два ребра. ArcGIS NA поддерживает повороты, которые могут иметь максимум 20 ребер. Встроенное по умолчанию максимальное число ребер соответствует пяти.

Атрибуты Поворотов (Turn attributes)

Повороты могут иметь атрибуты, содержащие информацию о продвижении по сети. Обычный пример атрибутов включает в себя время, необходимое для совершения этого движения и является ли движение ограниченным для конкретного вида транспорта.