Семинар ГИС. Семинар Использование гис в географии гис в географических исследованиях. Общая характеристика
 Скачать 153.98 Kb.
|
|
Выполнил: Бажанов Д. В. Семинар: Использование ГИС в географии 1. ГИС в географических исследованиях. Общая характеристика. Функциональные возможности ГИС определяются понятиями ввода, предобработки и хранения данных; геоанализом и моделированием; визуализацией данных. Под данными следует понимать совокупность фактов и сведений, представленных в каком-либо формализованном виде (в количественном и качественном выражении) для их использовании в науке или других сферах человеческой деятельности. Слово «данные» происходит от латинского «datum», буквально означающего «факт». Под данными в среде ГИС понимают «вещи, известные об объектах реального мира; результаты наблюдений и измерений этих объектов». Практическое понимание информации сегодня основном включаются: процессы обмена разнообразными сведениями между людьми, человеком и автоматом - актуальная информация, процессы взаимодействия объектов неживой природы — потенциальная информация, степень сложности, организованности, упорядоченности той или иной системы. Информационная система (ИС) представляет собой коммуникационную систему по сбору, передаче, переработке информации об объекте, снабжающую работника любой профессии информацией для реализации функции управления. Другими словами информационная система - это упорядоченная совокупность документированной информации и информационных технологий. Понятие «географические информационные системы» (ГИС) появилось в 60-х годах двадцатого века в Канаде и в США, когда достижения техники и возросший объем запросов к географической информации обусловили переворот в средствах накопления, обработки и выдачи информации. Однозначное и краткое определение ГИС дать невозможно, так как термин трудноопределим и представляет собой объединение многих предметных областей. Несмотря на то, что единого, общепринятого определения ГИС нет, существует большое количество определений, каждое из которых описы- вает ГИС с разных сторон. Вот некоторые из них: Географическая информационная система или геоинформационная система (ГИС) - это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, анализ и отображение пространственных данных и связанных с ними непространственных, а также получение на их основе информации и знаний о географическом пространстве. ГИС — это возможность нового взгляда на окружающий нас мир. ГИС — это инструменты для обработки и управления пространственной информацией, привязанной к некоторой части земной поверхности. ГИС — информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственных данных. ГИС содержит данные о пространственных объектах в форме их цифровых представлений (векторных, растровых, квадротомических и иных). Если обойтись без обобщений и образов, то ГИС — это современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, а 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 особенности 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. Считается, что географические или пространственные данные составляют более половины объема всей циркулирующей информации, используемой организациями, занимающимися разными видами деятельности, в которых необходим учет пространственного размещения объектов. ГИС ориентирована на обеспечение возможности принятия оптимальных управленческих решений на основе анализа пространственных данных. Более 80% всей информации в мире составляют пространственные данные или геоданные, то есть не просто абстрактные, безличные данные, а имеющие свое определенное место на карте, схеме, плане и так далее. Создание карт, планов, схем и географический анализ не являются чем-то абсолютно новым. Однако технология ГИС предоставляет новый, современный, 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 геопространственной 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, 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 и землепользование. Ключевыми словами в определении ГИС являются - анализ пространственных данных или пространственный анализ. Современные ГИС расширили использование карт за счет хранения графических данных в виде отдельных тематических слоев, а качественных и количественных характеристик составляющих их объектов в виде баз данных. Большинство современных ГИС осуществляют комплексную обработку информации. Обобщенные функции ГИС-систем: 1 ввод и редактирование данных; 2 поддержка моделей пространственных данных; 3 хранение информации; 4 преобразование систем координат и трансформация картографических проекций; 5 растрово-векторные операции; 6 измерительные операции; 7 полигональные операции; 8 операции пространственного анализа; 9 различные виды пространственного моделирования; 10 цифровое моделирование рельефа и анализ поверхностей; 11 вывод результатов в разных формах. 2. ГИС в геоморфологии и палеогеографии Энергичное внедрение в современную науку методов ГИС- моделирования позволило полнее оценить практическую ценность карт как пространственно-временных моделей реального мира, отображающих те стороны, свойства и процессы действительности, которые существенны для целей конкретных исследований. Карты не только закрепляют и передают в экономной форме знания о положении и состоянии явлений, но и делают наглядными их пространственные взаимосвязи и закономерности размещения. Вместе с тем системный подход открыл большие возможности картографических моделей для изучения процессов развития и прогнозирования многих природных и общественных явлений. На современном этапе ГИС-технологии проникают во многие отрасли науки и практики. Не стала исключением и геоморфология – наука, изучающая рельеф. Применение ГИС в этой области позволяет поновому подойти к изучению самого рельефа, его морфологии и морфометрии, а также использовать данный инструмент при моделировании геоморфологических объектов и процессов и прогнозировании их развития. Важным свойством современных ГИС стало трехмерное моделирование. Для геоморфологии данные функции программных средств очень важны, так как они позволяют получать объемные модели рельефа конкретных территорий, а затем осуществлять по ним анализ и прогнозирование. Полученная исходная трехмерная модель поверхности является материалом для последующего моделирования как экзогенных, так и техногенных геоморфологических процессов. При моделировании и прогнозировании экзогенных процессов исследователь на основе ГИС может получить прогнозный вариант изменения поверхности в результате действия флювиальных (водных): плоскостной смыв, линейная эрозия, деятельность постоянных русловых водотоков; гравитационных, эоловых, биогенных и других геоморфологических процессов. Важное значение в формировании рельефа в последнее время играют техногенные процессы. Преобразование человеком рельефа, сопровождающееся развитием негативных процессов, ставит в число наиболее актуальных проблемы антропогенного воздействия на земную поверхность, ее устойчивости к техногенным нагрузкам и прогнозировании поведения геоморфологических систем в зависимости от их преобразованности. В решении этих задач геоморфологии могут помочь ГИС-технологии. Они актуальны при вычислении площадей и объемов техноморф (форм рельефа, созданных человеком). Зная районы запланированного строительства техноморф, их планируемой площади и возможного объема перемещаемого материала можно на основе трехмерной модели рельефа создать модель развития территории с учетом техногенных процессов рельефообразования. Примером ГИС-моделирования может служить трехмерная модель рельефа Воложинского района Минской области, созданная автором при зколого-геоморфологическом изучении данной административнотерриториальной единицы. Для создания цифровой модели был использован модуль 3D Analyst ГИС Arc View 3.2a., а основой трехмерного изображения служили ранее созданные цифровая карта рельефа (на основе топокарт местности), а также грид-поверхность рельефа (отображение рельефа методом цветового фона). 3D Analyst предназначен он для того, чтобы сделать доступными для пользователя многие сложные функции трехмерного и перспективного отображения, моделирования и анализа поверхностей. Для поддержания данных функций модуль включает в себя возможности создания и работы с триангуляционными нерегулярными сетями (TIN). TIN - это специфическая векторная топологическая модель данных, наиболее подходящая для отображения и моделирования поверхностей. В среде 3D Analyst имеются функции для создания и редактирования моделей TIN из существующих векторных тем (слоев) ArcView. Модуль также включает полностью интегрированные функции анализа данных грид-формата, а также создания трехмерных моделей, интерполируя поверхность, используя Z-координату. Для создания триангуляционных сетей в данном модуле используется триангуляция Делоне. Триангуляция – это процесс создания непересекающихся смежных треугольников, вершинами которого являются узлы нерегулярной сети. Трехмерная визуализация рельефа Воложинского района проходила согласно следующих этапов: 1. Создание 3D-темы с Z-координатой каждой точки: 1.1 Преобразование линейной темы изолиний в точечную и определение Z-координаты каждой точки; 1.2 Включеное точечных объектов тем ”отметки высот” и “омтетки урезов воды” в 3D-тему и определение Z-координаты каждой точки; 2. Создание TIN-поверхности рельефа; 3. Преобразование цифровой модели рельефа в приложении 3D Scene. Первый этап работы по созданию цифровой модели рельефа заключался с том, чтобы создать новую 3D-тему, где бы имелось как можно больше точечных величин по которым имеются сведения о их высоте. Для этого была взята тема “точки”, использованая для построения грид-поверхности (преобразованая из изолиний с помощью расширения Vector Conversions Extension (1.1)), а также темы ”отметки высот” и “омтетки урезов воды” из созданной ранее цифровой карты рельефа. Таким образом, была создана 3D-тема, в которой были собраны точечные объекты, имеющие пространственные координаты (X,Y), и, кроме этого, сведения о их абсолютной высоте (Z). На втором этапе работы была создана непосредственно цифровая модель рельефа. Для этого был задействован модуль Arc View 3.2a 3D Analyst, а именно – функция Create TIN from Features. Для создания триангуляционной сети в данном модуле используется триангуляция Делоне. Ее принцип заключается в создании непересекающихся смежных треугольников, вершинами которого являются узлы нерегулярной сети. Третий этап - преобразование цифровой модели рельефа в приложении 3D Scene. Через интерфейс пользователя в GIS Arc View реализован выбор различных параметров для создания 3D-сцен . Реализована возможность определения уровней высот непосредственно по цифровому рельефу местности. Каждому слою цифровой карты сопоставляется слой 3D-сцены, а каждому графическому объекту – 3D-объект. На созданную поверхность есть возможность наносить растровые образы (аэро-, фото- и космоснимки и т.п.). В итоге, 3D-сцена может состоят из одного растрового слоя, накладываемого на поверхность, и, нескольких векторных. Над созданной 3D-сценой можно выполнять различные операции: · просмотр сцены в прозрачном и непрозрачном режимах; · масштабирование сцены относительно вертикальной оси; · поворот сцены относительно вертикальной оси; · изменять параметры и координаты источника освещения, оптические свойства объектов; · осуществлять обзор сцены с любой заданной точки в любом направлении; Моделировать «облет» территории с помощью специального механизма навигации на любой высоте по произвольному маршруту. На основе созданной объемной модели рельефа становится возможным дальнейшее моделирование и прогнозорование. В частности, наиболее важным в контексте эколого-геоморфологического изучения Воложинского района является изучение и прогнозорование техногенных процессов. Таким образом, посредством применения ГИС-технологий возможен достаточно глубокий анализ, моделирование и прогнозорование развития рельефа. На конкретном примере создания трехмерной модели рельефа Воложинского района показаны возможности ГИС-моделирования и прогнозирования. Кроме этого, ГИС-технрологии позволили более оперативно провести эколого-геоморфологическое изучение рельефа данной административно-территориальной еденицы. 3. ГИС в гидрологии Географические информационные системы (ГИС) стали полезным и важным инструментом в области гидрологии для изучения водных ресурсов Земли и управления ими . Изменение климата и рост спроса на водные ресурсы требуют более грамотного распоряжения, возможно, одним из наших самых жизненно важных ресурсов. Поскольку вода в своем возникновении изменяется в пространстве и во времени на протяжении гидрологического цикла , ее изучение с помощью ГИС особенно практично. В то время как предыдущие системы ГИС были в основном статичными в их геопространственном представлении гидрологических объектов, платформы ГИС становятся все более динамичными, сокращая разрыв между историческими данными и текущей гидрологической реальностью. Элементарный водный цикл имеет входы, равные выходам плюс или минус изменение накопления. Гидрологи используют этот гидрологический бюджет при изучении водосбора . Входы в гидрологический бюджет включают осадки , поверхностный сток и сток грунтовых вод. Выходные данные включают суммарное испарение , инфильтрацию , поверхностный сток и потоки поверхностных / подземных вод. Все эти величины могут быть измерены или оценены на основе данных об окружающей среде, а их характеристики могут быть отображены в графическом виде и изучены с использованием ГИС. В области гидрологического моделирования анализ обычно начинается с отбора проб и измерения существующих гидрологических районов. На этом этапе исследования ключевыми вопросами являются масштаб и точность измерений. Данные могут быть собраны на местах или с помощью онлайн-исследований. Геологическая служба США ((USGS)) является общедоступным источником данных дистанционного зондирования гидрологических данных. Исторические данные и данные о речном стоке также доступны через Интернет из таких источников, как Национальная метеорологическая служба (NWS) и Агентство по охране окружающей среды США (EPA). Преимущество использования программного обеспечения ГИС для гидрологического моделирования заключается в том, что цифровая визуализация данных может быть связана с данными в реальном времени. ГИС произвела революцию в курировании, управлении и вводе сложных вычислительных гидрологических моделей. Для моделирования поверхностных вод в цифровые модели рельефа часто накладываются гидрографические данные, чтобы определить границы водораздела. Понимание этих границ является неотъемлемой частью понимания того, куда будут стекать атмосферные осадки. Например, в случае таяния снега количество выпавшего снега можно ввести в ГИС, чтобы предсказать количество воды, которая пойдет вниз по течению. Эта информация находит применение в управлении активами местного самоуправления, сельском хозяйстве и науке об окружающей среде . Еще одно полезное приложение для ГИС касается оценки риска наводнений . Использование цифровых моделей высот в сочетании с данными о максимальных расходах позволяет предсказать, какие области поймы будут затоплены в зависимости от количества осадков. В исследовании реки Иллинойс водораздела, Раби (2014) обнаружила , что достойно точная карта риски наводнений может быть получена с использованием только ЦМРА и потоком калибровочных данных. Анализ, основанный только на этих двух параметрах, не учитывает антропогенных разработок, включая дамбы или дренажные системы, и поэтому не должен рассматриваться как всеобъемлющий результат. Использование ГИС для анализа подземных вод относится к области гидрогеологии . Поскольку 98% доступной пресной воды на Земле - это подземные воды, необходимость в эффективном моделировании и управлении этими ресурсами очевидна. Поскольку потребность в подземных водах продолжает расти вместе с ростом населения мира , жизненно важно, чтобы этими ресурсами управляли должным образом. Действительно, когда использование подземных вод не контролируется в достаточной степени, это может привести к повреждению водоносных горизонтов или проседанию грунтовых вод , как это произошло в водоносном горизонте Огаллала в Соединенных Штатах. В некоторых случаях ГИС можно использовать для анализа данных о дренажных и грунтовых водах с целью выбора подходящих участков для пополнения запасов грунтовых вод . 4. ГИС в геологии Практически с момента появления, геоинформационные системы нашли широкое применение в практике геологических исследований на различных стадиях изучения, оценки и эксплуатации различных полезных ископаемых. Традиционно, геоинформационными называют разновидность информационных систем, обеспечивающих сбор, хранение, обработку, доступ, визуализацию и распространение пространственно привязанной информации. В состав геоинформационных систем входят аппаратная часть, программный комплекс, данные, блок анализа данных и квалифицированный персонал, который управляет работой ГИС. Геоинформационные системы работают с различными видами данных: пространственными, атрибутивными и библиотеками условных знаков. Пространственные данные указывают на местоположение и геометрию объектов. Наиболее часто используемыми моделями пространственных данных являются растровое и векторное (нетопологическое и топологическое) представление для отображения «плоских» объектов и GRID и TIN представление для описания поверхностей. Атрибутивные данные используются для описания свойств пространственных объектов. Атрибутивные данные представляются в виде внутренних и внешних баз данных. В современных ГИС для описания пространственных данных используется аппарат реляционной алгебры. Библиотеки условных знаков применяют для однообразного отображения пространственных объектов в конкретных предметных областях. Для геологических карт различного содержания стандартные библиотеки условных знаков разработаны во ВСЕГЕИ и обязательны для применения при картосоставительских работах. Программное обеспечение, используемое при геолого-разведочных работах, можно разделить на несколько групп: векторные ГИС, растровые ГИС, горно-геологические системы для моделирования месторождений полезных ископаемых, сервисные программы. Векторные геоинформационные системы широко используются при картосоставительских работах. Из наиболее часто встречающихся пакетов следует отметить ArcGIS, Mapinfo, ПАРК и др. Растровые ГИС традиционно используют для дешифрирования материалов аэрофото- и космосъемок при поисково-съемочных работах. Геологи здесь используют Erdas Imagine, ENVI, ER Mapper и др. Горно-геологические системы предназначены для моделирования месторождений полезных ископаемых, подсчета запасов, планирования и оптимизации горных работ, моделирования рудничной вентиляции, проведения маркшейдерских расчетов. На Российских предприятиях наибольшее распространение получили Surpac, Micromine, Datamine, Gemcom, MineScape и др. Сервисные программы позволяют подготовить данные для геоинформационных и горно-геологических систем. Это векторизаторы, электронные таблицы, программы для скачивания данных с GPS и др. Применение конкретных программных средств обусловлено рядом факторов: удобством работы, выполняемыми функциями, требованиями МПР и его структур. В настоящее время, при производстве геолого-разведочных работ ГИС используется для: топографической привязки; удобной среды для картосоставительских работ; обработки и наглядного представления результатов геохимических и геофизических исследований; среды для моделирования МПИ с подсчета запасов ПИ; среды для комплексной обработки разнородной геолого-геофизической информации; удобной среды для накопления и обобщения любой геологической информации. По методам, способам и технологиям работы, а также по применяемому оборудованию и программному обеспечению можно выделить несколько направлений применения геоинформационных систем в геологии: при геологическом картировании; при геохимических и геофизических исследованиях; при моделировании МПИ для подсчета запасов и прогнозных ресурсов и управления горнодобывающим предприятием; при прогнозировании МПИ. При использовании геоинформационных и горно-геологических систем систем на предприятиях геологического профиля традиционно возникает ряд проблем. Первый блок проблем связан, прежде всего, с практически полным отсутствием высококвалифицированных специалистов в области геологии и геоинформатики в одном лице. Второй блок проблем возникает в связи с разнообразием используемых форматов данных. Третий круг проблем возникает в алгоритмах обработки данных. Не секрет, что большинство производителей не публикуют заложенные в программное обеспечение алгоритмы. Последний круг проблем связан с практически полным отсутствием литературы по большинству вопросов геоинформатики. Следует признать, что большинство литературных источников, которые получили широкое распространение, морально устарели, или описывают только теоретические вопросы построения и функционирования ГИС. Тем не менее, геоинформационные и горно-геологические системы будут продолжать использоваться при геолого-разведочных работах на разных стадиях производства. |