курсовая. Хакимова Гузель Венеровна Курсовая. 1. гистехнологии. Программы для построения карт Геоинформационная система (гис)
 Скачать 224.36 Kb.
|
|
1.ГИС-технологии. Программы для построения карт Геоинформационная система (ГИС) - это многофункциональная информационная система, предназначенная для сбора, обработки, моделирования и анализа пространственных данных, их отображения и использования при решении расчетных задач, подготовке и принятии решений. Основное назначение ГИС заключается в формировании знаний о Земле, отдельных территориях, местности, а также своевременном доведении необходимых и достаточных пространственных данных до пользователей с целью достижения наибольшей эффективности их работы. Геоинформационная система может включать в свой состав пространственные базы данных (в том числе под управлением универсальных СУБД), редакторы растровой и векторной графики, различные средства пространственного анализа данных. Применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне и многих других областях. Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования геоинформационных систем изучаются геоинформатикой. Пространственная база данных — база данных, оптимизированная для хранения и выполнения запросов к данным о пространственных объектах, представленных некоторыми абстракциями: точка, линия, многоугольник и им подобных. В то время, как традиционные базы данных предназначены для хранения и обработки числовой и символьной информации, пространственные обладают возможностями работы с целостными пространственными объектами, объединяющими как традиционные виды данных (описательная часть или атрибутивная), так и геометрические (данные о положении объекта в пространстве). СУБД, поддерживающие работу с пространственными базами, позволяют выполнять аналитические запросы, содержащие пространственные операторы для анализа пространственно-логических отношений объектов («пересекается…», «касается…», «содержится в…», «содержит…», «находится на заданном расстоянии от…», «совпадает…» и другие). Существует множество программ для построения карт, такие как QGIS, GRASS GIS, ArcGIC, Spatial Feature Server и Surfer. Задачи ГИС: Ввод данных. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат (оцифрованы). В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, либо, при небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Манипулирование данными (например, масштабирование). Управление данными. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов, а при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными применяются СУБД. Запрос и анализ данных — получение ответов на различные вопросы (например, кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промышленная зона? Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Визуализация данных. Например, представление данных в виде карты или графика. Возможности ГИС ГИС включает в себя возможности СУБД, редакторов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в картографии, геологии, метеорологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике, обороне. ГИС позволяют решать широкий спектр задач — 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. ГИС-система позволяет: определить какие объекты располагаются на заданной территории; определить местоположение объекта (пространственный анализ); дать анализ плотности распределения по территории какое-то явления (например плотность расселения); определить временные изменения на определенной площади); смоделировать, что произойдет при внесении изменений в расположение объектов (например, если добавить новую дорогу). Классификация ГИС По территориальному охвату: глобальные ГИС; субконтинентальные ГИС; национальные ГИС; региональные ГИС; субрегиональные ГИС; локальные или местные ГИС. По уровню управления: федеральные ГИС; региональные ГИС; муниципальные ГИС; корпоративные ГИС. По функциональности: полнофункциональные; ГИС для просмотра данных; ГИС для ввода и обработки данных; специализированные ГИС. По предметной области: картографические; геологические; городские или муниципальные ГИС; природоохранные ГИС и т. п. Если помимо функциональных возможностей ГИС в системе присутствуют возможности цифровой обработки изображений, то такие системы называются интегрированными ГИС (ИГИС). Полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС основаны на множественных, или полимасштабных представлениях пространственных объектов, обеспечивая графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением. Пространственно-временные ГИС оперируют пространственно-временными данными. Области применения ГИСУправление земельными ресурсами, земельные кадастры. Для решения проблем, имеющих пространственную привязку и начали создавать ГИС. Типичные задачи — составление кадастров, классификационных карт, определение площадей участков и границ между ними и т. д. Инвентаризация, учет, планирование размещения объектов распределенной производственной инфраструктуры и управление ими. Например, нефтегазодобывающие компании или компании, управляющие энергетической сетью, системой бензоколонок, магазинов и т. п. Проектирование, инженерные изыскания, планировка в строительстве, архитектуре. Такие ГИС позволяют решать полный комплекс задач по развитию территории, оптимизации инфраструктуры строящегося района, требующегося количества техники, сил и средств. Тематическое картографирование. Управление наземным, воздушным и водным транспортом. ГИС позволяет решать задачи управления движущимися объектами при условии выполнения заданной системы отношений между ними и неподвижными объектами. В любой момент можно узнать, где находится транспортное средство, рассчитать загрузку, оптимальную траекторию движения, время прибытия и т. п. Управление природными ресурсами, природоохранная деятельность и экология. ГИС помогает определить текущее состояние и запасы наблюдаемых ресурсов, моделирует процессы в природной среде, осуществляет экологический мониторинг местности. Геология, минерально-сырьевые ресурсы, горнодобывающая промышленность. ГИС осуществляет расчеты запасов полезных ископаемых по результатам проб (разведочное бурение, пробные шурфы) при известной модели процесса образования месторождения. Чрезвычайные ситуации. С помощью ГИС производится прогнозирование чрезвычайных ситуаций (пожаров, наводнений, землетрясений, селей, ураганов), расчет степени потенциальной опасности и принятие решений об оказании помощи, расчет требуемого количества сил и средств для ликвидации чрезвычайных ситуаций, расчет оптимальных маршрутов движения к месту бедствия, оценка нанесенного ущерба. Военное дело. Решение широкого круга специфических задач, связанных с расчетом зон видимости, оптимальных маршрутов движения по пересеченной местности с учетом противодействия и т. п. Сельское хозяйство. Прогнозирование урожайности и увеличения производства сельскохозяйственной продукции, оптимизация ее транспортировки и сбыта. Сельское хозяйствоПеред началом каждого сельскохозяйственного сезона фермеры должны принять 50 важнейших решений: что выращивать, когда сеять, использовать ли удобрения и т. д. Любое из них может отразиться на урожайности и на конечном результате. Прежде фермеры принимали такие решения, основываясь на прошлом опыте, традиции или даже разговорах с соседями и другими знакомыми. Сегодня сельское хозяйство порождает больше данных с географической привязкой, чем большинство других отраслей. Данные поступают из различных источников: телеметрии машин, метеорологических станций, наземных датчиков, образцов почвы, наземного наблюдения, спутников и беспилотного. С помощью ГИС сельскохозяйственные компании могут собирать, обрабатывать и анализировать данные для максимизации ресурсов, мониторинга сохранности урожая и повышения урожайности[1]. Перевозки и логистикаПеремещение людей и вещей часто сопряжено с огромными логическими трудностями. Представьте себе больницу, которая хочет предоставить своим пациентам в определенное время лучший и самый быстрый маршрут до дома, или орган местного самоуправления, который хочет организовать оптимальные маршруты автобусов и скоростных трамваев, или производителя, который хочет как можно эффективнее и экономичнее доставлять свои продукты, или нефтяную компанию, которая планирует прокладку трубопроводов. В каждом из этих случаев для принятия бизнес-решений на основе полной информации необходим анализ данных о местоположении. Энергетика В разведке запасов энергоносителей для определения экономической целесообразности добычи в той или иной местности используются спутниковые фотографии, геологические карты поверхности земли и дистанционное зондирование пластов. Энергетические компании используют огромный объем географических данных, поскольку промышленные сенсоры сейчас устанавливаются везде: лазерные сенсоры на самолетах, датчики на поверхности земли при бурении скважин, мониторы трубопроводов и т. д. Картографирование и пространственный анализ дают необходимые знания для принятия решений с соблюдением требований регуляторов о выборе площадок и локализации ресурсов. Розничная торговляВ связи с тем, что потребители все шире используют смартфоны и носимые устройства, традиционные продавцы могут использовать геопространственную технологию для получения более полной картины поведения покупателей в прошлом и настоящем. Потому что геопространственные данные не сводятся к определению местоположения, а охватывают связанные с этим положением данные, такие как демографические характеристики покупателей или информацию о том, где в магазине люди проводят больше всего времени. Все эти данные можно использовать при выборе места для магазина, определении набора товаров и их размещении и т. д. Оборона и разведкаГеопространственная технология изменила военные и разведывательные операции в любой части мира, где размещены воинские контингенты. Командование, аналитики и другие специалисты нуждаются в точных данных ГИС для решения своих задач. ГИС помогает оценивать ситуацию (создает полное визуальное представление тактической информации), проводить операции на суше (показывает условия местности, высоты, маршруты, растительный покров, объекты и населенные пункты), в воздухе (передает данные о погоде и видимости пилотам; направляет войска и снабжение, дает целеуказание) и на море (показывает течения, высоту волн, приливы и погоду). Федеральное правительствоСвоевременная и точная геопространственная разведка имеет важнейшее значение для принятия решений федеральными агентствами, которые отвечают за охрану и безопасность, инфраструктуру, управление ресурсами и качество жизни. ГИС позволяет организовать охрану и безопасность с операционной поддержкой, координировать оборону, реагирование на природные катастрофы, действия правоохранительных органов, органов национальной безопасности и экстренных служб. Что касается инфраструктуры, то ГИС помогает управлять ресурсами и активами, предназначенными для автомагистралей, портов, общественного транспорта и аэропортов. Федеральные агентства также используют ГИС для лучшего понимания актуальных и исторических данных, необходимых для управления сельским и лесным хозяйством, горнодобывающей промышленностью, водными и другими природными ресурсами. Местные органы властиМестные органы ежедневно принимают решения, напрямую затрагивающие жителей и приезжих. Начиная с ремонта дорог и коммунальных услуг и заканчивая оценкой стоимости земли и развитием территорий — везде картографические приложения применяются для анализа и интерпретации данных ГИС. Кроме того, население и ландшафт городов и поселков может сильно измениться за сравнительно короткое время. Чтобы адаптироваться к этим изменениям и обеспечить людям тот уровень обслуживания, которого они ожидают, местные органы власти широко применяют современную технологию ГИС для наблюдения за дорожным движением и дорожными условиями, качеством окружающей среды, распространением заболеваний, распределением предприятий коммунального хозяйства (например, электро- и водоснабжения и канализации), для управления парками и другими общественными участками земли, а также для выдачи разрешений на создание кемпингов, на охоту, рыбалку и т. д. 2.Использование геоинформационных систем в экологии. В ходе экологического наблюдения (мониторинга) осуществляют сбор и совместную обработку данных, относящихся к различным природным средам, моделирование и анализ экологических процессов и тенденций их развития, а также использование данных при принятии решений по управлению качеством окружающей среды. Результат экологического исследования представляет оперативные данные трех типов: констатирующие (измеренные параметры состояния экологической обстановки в момент обследования), оценочные (результаты обработки измерений и получение на этой основе оценок экологической ситуации), прогнозные (прогнозирующие развитие обстановки на заданный период времени). Совокупность перечисленных типов данных составляет основу экологического мониторинга. Особенностью представления данных в системах экологического мониторинга является то, что на экологических картах в большей степени представлены ареальные геообъекты, чем линейные. В экологических ГИС применяются в первую очередь динамические модели, в которых большую роль играют технологии создания электронных карт. Относительно цифрового моделирования принципиальным следует считать использование цифровых моделей типа цифровая модель явления, поле и т.п. На уровне сбора информации наряду с топографическими характеристиками дополнительно определяются параметры, характеризующие экологическую обстановку. Это увеличивает объем атрибутивных данных в экологических ГИС по сравнению с типовыми ГИС; соответственно возрастает роль семантического моделирования. На уровне моделирования используют специальные методы расчета параметров, характеризующих экологическое состояние среды и определяющих форму представления цифровых карт. На уровне представления при экологических исследованиях осуществляют выдачу не одной, а серии карт, особенно при прогнозировании явлений. В некоторых случаях карты выдаются с применением методов динамической визуализации, что можно наблюдать при метеопрогнозах, показываемых по телевидению. Например, объектами мониторинга города являются атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почва, зеленые насаждения, радиационная обстановка, среда обитания и состояние здоровья населения. Большое число организаций (федеральных, муниципальных, ведомственных) занимаются независимо друг от друга сбором данных о состоянии параметров объектов окружающей среды. Производится контроль состава атмосферного воздуха, количества выбросов промышленных предприятий и автотранспорта, качества поверхностных и подземных вод и т.д. Эти работы выполняют различные организации - от ГАИ до санэпидемстанций. Недостатками существующего порядка сбора экологических данных являются бессистемность, разрозненность, разобщенность городских природоохранных организаций и отсутствие комплексных оценок и прогнозов развития экологической обстановки. Главная задача городского экомониторинга - получение комплексной оценки экологической ситуации в городе на базе интеграции всех видов данных, поступающих от различных организаций. Интеграционной основой множества данных является карта. Следовательно, решение задач экомониторинга города неизбежно приводит к применению ГИС. Для этого объединяют существующие сети различных измерений и специализированные мониторинги природоохранных служб. Создание системы основано на внедрении современных средств контроля на базе единого информационного пространства. Геоинформационные системы являются оптимальным средством для представления и анализа пространственно-распределенных экологических данных, т.к. они могут обеспечить эффективное использование накапливаемых данных, комплексную их обработку и совершенные методы моделирования и представления. Структура такой системы может включать два уровня. Нижний уровень системы экомониторинга: федеральные, городские, ведомственные подсистемы специализированных мониторингов (атмосферы, поверхностных вод, здоровья населения, радиологический мониторинг, мониторинг санитарной очистки территории города, недр и подземных вод, почв, зеленых насаждений, акустический и градостроительный мониторинг); территориальные центры сбора и обработки данных. Эти подсистемы обеспечивают сбор полной и по возможности качественной информации о состоянии окружающей среды на всей территории города. В локальных центрах проводится также анализ информации и ее отбор для передачи на верхний уровень. Территориальные центры обеспечивают сбор информации по источникам антропогенного загрязнения на территории административных округов. Верхний уровень системы экомониторинга составляет информационно-аналитический центр, в задачи которого входят: - оперативная оценка экологической ситуации в городе; - расчет интегральных оценок экологической ситуации; - прогноз развития экологической обстановки; - подготовка проектов управляющих воздействий и оценка последствий принимаемых решений. Интеграция данных в единую систему происходит двумя путями: 1. на основе конвертирования форматов данных в единый для всей системы формат; 2. на основе выбора единого программного обеспечения ГИС. Кроме ведения баз данных возможно моделирование и получение тематических карт. В системе может производиться расчет платежей за использование природных ресурсов, расчет полей концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, воде, почве. Система экологического мониторинга предусматривает обмен данными между его участниками, поэтому одним из главных требований, предъявляемых к программному обеспечению всех подсистем, является возможность конвертирования файлов данных в стандартные форматы (DBF для файлов баз данных и DXF для графических файлов). 3. Исходные данные Исходные данные мы брали из таблицы 1. Содержание загрязняющих веществ в снежном покрове измеряли по ХПК. Таблица 1.Содержание загрязняющих веществ в снежном покрове г. Стерлитамак
Продолжение таблицы 1.
4 Построение карт загрязненности снежного покрова с помощью программы Surfer. Surfer – мощная программа, предназначенная для создания различных трехмерных карт, моделирования поверхности и их анализа, визуализации самого разнообразного ландшафта. Создание карт с приложением Surfer – занятие довольно простое и между тем увлекательное, так как широчайший инструментарий программы позволяет создавать трехмерные карты практически любой сложности. Мощные функции интерполяции ПО Surfer, позволяют ей создавать точнейшие поверхности с самым высоким качеством ландшафта, любой фактуры и сложности. Программа Surfer изначально, конечно же не рассчитана на начинающих пользователей, без каких-либо скальных знаний, однако интуитивно понятный интерфейс, разработанный ее создателями, позволит работать с программой пользователю, с практически любым уровнем подготовки. Для того, чтобы сконфигурировать абсолютно все параметры карты, необходимо просто дважды кликнуть на ее поверхности – довольно просто, не правда ли? Вдобавок к простоте конфигурации, Surfer также предлагает доверить конфигурирование карты самой программе – она обеспечит точную установку параметров, благодаря набору так называемых intelligent defaults. Surfer поддерживает контурные карты, трехмерные карты поверхностей, 3D Wireframe карты, векторные карты, карты с теневыми рельефами, а также множество других, самых разнообразных типов карт, имеет удобный встроенный менеджер объектов и поддерживает самые разнообразные установки для каждой карты, словом – предлагает абсолютно все что нужно для создания абсолютно любых трехмерных карт и разнообразных ландшафтов. В целом, программа Surfer достаточно удобна в использовании, имеет множество конфигурируемых параметров, а также предлагает пользователям все что нужно для создания трехмерных карт абсолютно любой сложности. Построение карт Создание XYZ-данных. Построение любой карты в Surfer обычно начинается с подготовки фала, содержащего XYZ-данные. XYZ-данные – это, как правило, числовая информация, состоящая из не менее чем трёх столбцов, первые два из которых чаще всего рассматриваются как аргументы X и Y, а третий (или остальные) – как функция (функции) Z этих аргументов.  Рисунок 1. Вид окна Surfer в режиме рабочего листа Ввод числовой информации в рабочем листе Создать файл, содержащий данные из табл. I.1. Дополнить данные столбцами «M» (ввести номер месяца), «D» (ввести дату) и «h» (ввести время)  Рисунок 2. Данные о погоде в г. Стерлитамак с 0 часов 25 января до 21 часов 23 февраля 2021 г. с интервалом в 2 часа. Создание контурной карты Создание контурной карты начинается с выполнения команды Map/Contour Map/New Contour Map.  Рисунок 3. Окно плот - документа после создания контурной карты. Добавление цветной заливки между линиями контуров Цветная заливка, так же как и параметры линий, может быть применена к отдельным уровням. В то же время ко всем уровням сразу можно применить цвета, основанные на градиентном спектре (плавном переходе) между двумя задаваемыми цветами.  Рисунок 4. Окно плот-документа с увеличенным фрагментом контурной карты «Погода» после применения цветовой заливки между контурами 5.Обработка результатов |