БИТ. Базовые информационные технологии и процессы_МУ_ТКР_09.03.04. Методические указания по выполнению контрольной работы для студентов фдо направления подготовки 09. 03. 04 Программная инженерия
 Скачать 2.68 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Факультет дистанционного обучения (ФДО) О. И. Жуковский БАЗОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОЦЕССЫ Методические указания по выполнению контрольной работы для студентов ФДО направления подготовки 09.03.04 «Программная инженерия» Томск 2020 Корректор: А. Н. Миронова Жуковский О. И. Базовые информационные технологии и процессы : методи- ческие указания по выполнению контрольной работы для студен- тов ФДО направления подготовки 09.03.04 «Программная инже- нерия» / О. И. Жуковский. – Томск : ФДО, ТУСУР, 2020. – 63 с. Изложены основные положения, необходимые для начального полу- чения навыков работы со свободно распространяемой геоинформационной системой QGIS, дающей необходимую инструментальную поддержку про- цесса знакомства с современными геоинформационными технологиями. Представлены задания для выполнения контрольной работы по дан- ному курсу. © Жуковский О. И., 2020 © Оформление. ФДО, ТУСУР, 2020 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ........................................................................................................... 4 1 Открытая ГИС QGIS ..................................................................................... 6 1.1 Основные особенности .......................................................................... 6 1.2 Установка QGIS ...................................................................................... 8 1.3 Графический интерфейс пользователя .................................................. 9 1.4 Модули .................................................................................................. 11 1.5 Основные типы данных........................................................................ 13 1.6 Понятие и структура проекта............................................................... 15 1.7 Проверка топологии ............................................................................. 20 2 Контрольная работа «Разработка и использование электронной карты в среде QGIS» ............................................................ 57 Литература ...................................................................................................... 63 4 ВВЕДЕНИЕ В данном пособии рассматриваются основные понятия, методы и про- цедуры, связанные с получением практических навыков при использовании современных геоинформационных технологий, рассматриваемых при изу- чении курса «Базовые информационные технологии и процессы». Основу предлагаемого материала составляет описание работы по со- зданию и использованию электронной карты в среде геоинформационной системы (ГИС) QGIS. Открытая ГИС QGIS распространяется под GNU General Public Li- cense v2. Являясь программным обеспечением (ПО) с открытым исходным кодом, QGIS предоставляет пользователю следующие уровни свободы: 1) использовать ПО для любых собственных целей; 2) изучать принципы его работы и модифицировать; 3) свободно тиражировать копии; 4) совершенствовать и публиковать производные продукты как обще- доступные. Главная цель контрольной работы, представленной в данном пособии, – в короткие сроки освоить базовые возможности современной полнофункци- ональной ГИС QGIS и приобрести следующие навыки: самостоятельно устанавливать и поддерживать QGIS в актуальном состоянии; создавать проекты (электронные карты) на основе публичных дан- ных сети Интернет; создавать векторные данные, контролировать их качество (тополо- гию) и наполнять атрибуты; визуализировать векторные слои; создавать и готовить к печати карты. 5 Таким образом, в процессе выполнения работы вы не просто научи- тесь работать в современной ГИС, а овладеете инструментами и данными, которые сможете свободно и независимо использовать в дальнейшем для многих своих целей. Выбор варианта предметной области для контрольной работы осу- ществляется по общим правилам с использованием следующей формулы: V = (N × K) div 100, где V – искомый номер варианта; N – общее количество вариантов; K – код варианта; div – целочисленное деление. При V = 0 выбирается максимальный вариант. 6 1 ОТКРЫТАЯ ГИС QGIS 1.1 Основные особенности Работа над QGIS была начата в мае 2002 г., а в 2007 г. она стала проек- том Open Source Geospatial Foundation (OSGeo) – международной некоммер- ческой организации, созданной для поддержки совместной разработки и ис- пользования геоинформационного ПО с открытым исходным кодом. На се- годняшний день это одна из наиболее динамично развивающихся и функци- ональных настольных ГИС, основными преимуществами которой являются: 1. Бесплатное распространение. Исходя из условий лицензии GNU General Public License использование, копирование и распространение QGIS для любых целей, в том числе коммерческих, не требует финансовых отчис- лений. 2. Свобода. Благодаря открытости исходного кода пользователи не толь- ко могут изучать особенности устройства QGIS, но и модифицировать ее в соответствии с собственными потребностями. 3. Динамичное развитие. Разработка QGIS ведется международной группой разработчиков, которая с 2014 г. перешла на 4-месячный цикл ре- лизов. Таким образом, новая версия выходит 3 раза в год. 4. Обширная документация. Для рядовых пользователей доступно «Руководство пользователя», для разработчиков – «Поваренная книга раз- работчика PyQGIS», есть также документация для тех, кто только начинает свое знакомство с ГИС или же хочет провести полноценный обучающий курс на основе QGIS. 5. Интероперабельность. Гибкость во взаимодействии с различными аппаратными базами, операционными системами и программным обеспече- нием, способами представления геоданных и их пространственными харак- теристиками. Благодаря этому комплексному свойству QGIS может: быть установлена для Windows, Mac OS X, Linux, BSD, Android; 7 поддерживать различные форматы и модели данных, а именно: бо- лее 60 форматов растровых данных (библиотека Geospatial Data Abstraction Library – GDAL), более 20 – векторных (OGR Simple Features Library); взаи- модействие с базами геоданных, OGC-сервисами; взаимодействовать с данными в различных проекциях и системах координат (в том числе и пользовательских) через библиотеку проекций Proj.4. QGIS изначально задумывалась как просто просмотрщик простран- ственных таблиц PostGIS, но со временем превратилась в полнофункцио- нальную ГИС, способную решать широкий спектр задач, к числу которых относятся нижеследующие. Создание геоданных: пространственная привязка изображений (геокодирование); создание и редактирование векторных (shape) файлов, в том числе с поддержкой топологии; создание и редактирование атрибутивных данных; инструменты для импорта и экспорта данных GPS; создание и редактирование таблиц пространственных баз данных; выгрузка и редактирование данных OpenStreetMap (OSM). Управление геоданными: поддержка стандартных проекций (более 2 700), а также параметров перехода между различными системами координат; создание пользовательских проекций; перепроецирование «на лету»; перепроецирование векторных и растровых слоев; проверка топологии; просмотр / поиск атрибутов (SQL-запросы); определение / выборка объектов (SQL-запросы). 8 Анализ геоданных: функции геообработки: буферные зоны, отсечение, объединение и др.; пространственные запросы; калькулятор полей атрибутов; калькулятор растров; морфометрический анализ. Наиболее широкие возможности анализа геоданных предоставляет фреймворк геообработки QGIS, а именно доступ к более чем 500 алгорит- мам других открытых ГИС (в частности, GRASS, SAGA, Orfeo Toolbox), пользовательским скриптам. Кроме того, он позволяет автоматизировать процессы благодаря возможностям пакетной геообработки и созданию мо- делей анализа. 1.2 Установка QGIS Файлы установки QGIS для различных операционных систем доступны на странице загрузок официального сайта https://www.qgis.org/ru/site/forusers/download.html . После установки про- грамм для дальнейшего изучения используйте модуль QGIS Desktop x.x.x, где x.x.x означает версию программного продукта. Обратите внимание, что поскольку установка (особенно первичная) требует загрузки большого числа файлов через Интернет, желательно нали- чие высокоскоростного интернет-соединения. Данная геоинформационная система развивается очень динамично, буквально каждые три месяца выходят новые версии, отличающиеся бо- лее развитыми функциями, что имеет отражение и в интерфейсе системы. В данном пособии представлены базовые возможности, присутствующие практически во всех версиях и релизах QGIS. Для более полного и подробного знакомства с возможностями той версии системы, которую вы установите, 9 рекомендуем воспользоваться описанием команд, приведенным в свободно распространяемых документах разработчиков ( https://www.qgis.org/ru/ docs/index.html ). 1.3 Графический интерфейс пользователя В интерфейсе QGIS выделяют пять областей: 1. Главное меню предоставляет доступ ко всем возможностям QGIS в виде стандартного иерархического меню. 2. Панели инструментов обеспечивают доступ к большинству тех же функций, что и меню, а также содержат дополнительные инструменты для работы с картой. Для каждого пункта панели инструментов доступна всплы- вающая подсказка. Для ее получения достаточно задержать мышь над пунк- том панели инструментов. Кроме того, каждую панель инструментов можно добавить/скрыть при помощи контекстного меню, на панели инструментов. Каждую панель инструментов можно перемещать в зависимости от ваших потребностей. 3. Панель управления слоями отвечает за добавление/создание/удале- ние растровых и векторных слоев из различных источников (растровых и векторных файлов, таблиц пространственных баз данных, данных GPS, слоев WMS/WFS, текстовых файлов и др.). Данная панель является обычной панелью инструментов, поэтому может быть скрыта, располагаться стан- дартно на панели инструментов или же вертикально рядом с легендой. 4. Легенда содержит список всех слоев проекта. Флажок у каждого элемента легенды используется для показа или скрытия слоя, а порядок их расположения в легенде определяет порядок отображения на карте. Слои можно объединять в группы, в том числе и вложенные, создавая сложную иерархию и выстраивая собственную логику организации данных. При 10 зажатой клавише CTRL можно выделять несколько слоев или групп одно- временно. При нажатии правой кнопки мыши на слое становится доступным его контекстное меню, содержание которого определяется типом слоя (растр или вектор). Не зависящий от легенды порядок отображения слоев можно настроить с помощью панели Порядок отрисовки. 5. Область карты – карта, отображаемая в области, зависит от того, какие слои загружены в QGIS. Данные в окне карты можно панорамировать (прокручивать, смещать фокус отображения карты на другую область) и масштабировать (увеличивать или уменьшать). Карта отображает измене- ния, вносимые в легенде. 6. Строка состояния отображает текущую позицию в координатах карты (например, в метрах или десятичных градусах) курсора мыши при его перемещении в окне карты. Слева от отображаемых координат в строке со- стояния находится маленькая кнопка, которая позволяет переключаться между отображением координат позиции курсора и координат границ вы- вода карты при масштабировании и панорамировании. Рядом с полем отоб- ражения координат курсора показывается масштаб карты. При масштабиро- вании это значение меняется автоматически. Масштаб можно выбирать из списка предустановленных значений от 1:500 до 1:1 000 000. Справа в строке состояния находится маленький флажок, который используется для временного прекращения отрисовки слоев в окне карты. Нажатием на кнопку Остановить отрисовку можно немедленно прекратить отри- совку карты. Последним справа в строке состояния находится код EPSG те- кущей системы координат и значок преобразования координат. Нажатие на этот значок открывает окно свойств текущего проекта с активной вклад- кой Система координат. Интерфейс QGIS представлен на рисунке 1. 11 Рис. 1 – Основные области интерфейса QGIS 1.4 Модули С самого начала QGIS имела модульную архитектуру, что позволяет легко добавлять множество новых возможностей или функций. Большин- ство функций в QGIS реализованы как основные или внешние модули: основные модули разрабатываются командой разработчиков QGIS и автоматически входят в каждый новый релиз программы, написаны на языках программирования C++ и Python; внешние модули находятся во внешних репозиториях и поддержи- ваются авторами, в большинстве случаев написаны на языке Python. Неко- торые наиболее востребованные внешние модули со временем входят в ядро QGIS. Управление модулями подразумевает их активацию, установку или удаление с помощью менеджера модулей QGIS. Загрузка основных модулей QGIS осуществляется из главного меню Модули → Управление модулями... . Для активации соответствующего установленного модуля достаточно про- сто установить флажок (рис. 2). 12 Рис. 2 – Пример окна активации модулей Для установки модуля перейдите на вкладку Не установленные, вы- берите соответствующий модуль и нажмите Установить модуль (рис. 3). После этого начнется установка модуля, а по ее завершении будет выведено соответствующее сообщение. Рис. 3 – Пример перечня модулей на вкладке Не установленные 13 Установленный модуль появится в меню Модули или же будет добав- лен в соответствующее меню (например, Вектор или Растр). Кроме того, некоторые модули будут появляться в виде отдельных панелей инструмен- тов, которые пользователь может отключать/активировать по собственному желанию. Вкладка Параметры позволяет настроить частоту проверки обновле- ний (фактически определяет, насколько быстро и часто вы будете получать информацию о выходе новых версий установленных модулей), разрешить установку экспериментальных модулей (при этом число доступных моду- лей значительно увеличится, но не все из них гарантируют стабильную ра- боту), а также подключить сторонние репозитории. По умолчанию подклю- чен только официальный репозиторий модулей QGIS ( http://plugins.qgis.org/plugins ). Более подробную информацию о модулях QGIS можно получить на сайте https://plugins.qgis.org/ 1.5 Основные типы данных Одним из преимуществ QGIS является поддержка большого числа ти- пов данных и форматов файлов, их представляющих. Это значит, что с ка- ким бы ПО ГИС вы не работали ранее, у вас всегда будет возможность про- должить работу с этими данными в QGIS или же импортировать/экспорти- ровать их с помощью QGIS в необходимый формат. Форматы векторных файлов данных Для чтения и записи векторных данных QGIS использует библиотеку OGR, которая позволяет работать с такими форматами, как ESRI shape, MapInfo (MIF, TAB), Keyhole Markup Language (KML), GeoJSON, ESRI Per- sonal GeoDatabase, AutoCAD DXF и многими другими. Также поддержива- ется загрузка векторных данных напрямую из архивов (zip, tar.gz). 14 Форматы растровых файлов данных Реализация работы с растрами в QGIS основана на библиотеке GDAL, что позволяет открывать данные в форматах Arc/Info Binary Grid, Arc/Info ASCII Grid, GeoTIFF, Erdas Imagine и многих других. Также поддерживается загрузка растровых данных напрямую из архивов zip и gzip. OGC-сервисы Open Geospatial Consortium (OGC, Открытый геопространственный консорциум) – это международная организация, в состав которой входит свыше 300 как коммерческих, так и некоммерческих, правительственных и исследовательских организаций со всего мира. Ее участники занимаются разработкой и практической реализацией стандартов в области геоинформа- ционных сервисов. Наиболее важные спецификации OGC: WMS – Web Map Service (клиент WMS/WMTS); WMTS – Web Map Tile Service (клиент WMS/WMTS); WFS – Web Feature Service (клиент WFS и WFS-T); WFS-T – Web Feature Service – Transactional (клиент WFS и WFS-T); WCS – Web Coverage Service (клиент WCS); SFS – Simple Features for SQL (слои PostGIS); GML – Geography Markup Language. OGC-сервисы все чаще используются для обмена геопространствен- ными данными между различными ГИС и хранилищами данных. В настоя- щее время QGIS поддерживает все вышеприведенные спецификации в роли клиента (SFS как провайдер данных PostgreSQL/PostGIS). 15 Пространственные базы данных Пространственные базы данных предоставляют улучшенные возмож- ности контроля над геоданными, распределенного доступа к ним, геообра- ботки больших объемов данных. QGIS поддерживает работу со следую- щими базами данных и их пространственными расширениями: PostgreSQL/PostGIS; SQLite/SpatiaLite; MSSQL 2008 Spatial; SQL Anywhere; Oracle Spatial. Взаимодействие с серверными и файловыми пространственными ба- зами данных в QGIS существенно упрощается благодаря наличию специ- альных модулей, объединенных меню База данных: DB Manager, SPIT, офлайновое редактирование. 1.6 Понятие и структура проекта Перед началом работы с ГИС пользователь загружает в систему раз- личные данные (растровые и векторные слои, данные OGC, таблицы), настраивает их символику и порядок отрисовки, устанавливает масштаб, т. е. формирует рабочее окружение или сессию. Проект – это специальный файл формата XML с расширением .qgs, в который записывается текущее состояние рабочей сессии QGIS. В даль- нейшем этот файл может использоваться для восстановления рабочего окру- жения. Проект можно рассматривать как «папку», где хранится информация о загруженных слоях, их настройках, используемой системе координат, па- раметрах прилипания и многое другое. Открывая и закрывая проекты, мы открываем и закрываем все компоненты, необходимые для решения той или иной задачи. 16 Например, можно создать проект для оцифровки (векторизации) раст- ровых данных, в котором кроме собственно растров будет только один слой для оцифрованных объектов. В другом проекте могут быть собраны слои, необходимые для проведения гидрологического анализа. Кроме настройки рабочего окружения проекты могут использоваться и для обеспечения безопасности. Так, можно подготовить проект, в котором в зависимости от введенного пароля будут отображаться дополнительные слои или станет возможным редактирование определенных данных. Обратите внимание, что проект не содержит сами данные, в нем хра- нятся только ссылки на них. Данные и файл проекта могут находиться не только в разных каталогах одного компьютера, но и на разных компью- терах локальной сети. При передаче проекта третьим лицам также необхо- димо передавать и данные. Исключение составляют проекты, использую- щие публичные сервисы OGC. В большинстве случаев слои представляют собой файл или набор фай- лов на диске (исключение – сервисы OGC и базы данных). При сохранении проекта в файл для каждого слоя записывается путь, указывающий на раз- мещение файла – источника слоя. При переносе или переименовании файлов, образующих слой, путь меняется, и QGIS при открытии проекта не сможет найти данные. Для предотвращения подобных ситуаций QGIS по умолчанию при сохранении проекта записывает пути к слоям в относительной форме. Кроме слоев и их параметров в проекте также хранятся некоторые настройки, влияющие на все слои или поведение QGIS. К ним относятся: цвет фона главного окна карты; цвет выделения; пользовательский список масштабов (если задан); параметры прилипания (если заданы); система координат проекта; 17 макросы; настройки сервера; макеты карт; определяемые слои (если заданы); стили по умолчанию (если заданы). |