Файл: Моделирование и пространственный анализ в гис цифровое моделирование рельефа.pdf

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГЕОСИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ»
(СГУГиТ)
Т. А. Хлебникова, С. Р. Горобцов
МОДЕЛИРОВАНИЕ
И ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ В ГИС
ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЛЬЕФА
В ГИС «ПАНОРАМА»
Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия для обучающихся по специальности 21.05.01 Прикладная геодезия, специализация Инженерная геодезия (уровень специалитета), и по специальности 21.05.04 Горное дело, специализация Маркшейдерское дело (уровень специалитета)
Новосибирск
СГУГиТ
2018

УДК 528.94:004
Х553
Рецензенты: кандидат технических наук, ведущий инженер АО «Сибтех- энерго» А. В. Никонов кандидат технических наук, доцент, СГУГиТ Т. Е. Елшина
Хлебникова, Т. А.
Х553 Моделирование и пространственный анализ в ГИС. Цифровое моделирование рельефа в ГИС «Панорама» [Текст] : учеб.-метод. пособие / Т. А. Хлебникова, С. Р. Горобцов. – Новосибирск : СГУГиТ,
2018. – 70 с.
ISBN 978-5-907052-17-8
Учебно-методическое пособие подготовлено доктором технических наук, профессором кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела СГУГиТ
Т. А. Хлебниковой и кандидатом технических наук, доцентом кафедры инже- нерной геодезии и маркшейдерского дела СГУГиТ С. Р. Горобцовым.
Содержит общие сведения о цифровых моделях местности, цифровых мо- делях рельефа. В пособии рассмотрены способы представления рельефа, источ- ники данных для цифровых моделей рельефа. Основное внимание уделено про- екту «Панорама», включающему в себя ГИС «Панорама», широко используемую в производственных подразделениях Росреестра для подготовки цифровых карт, планов, цифровых моделей местности. Приведены необходимые указания для выполнения лабораторных работ.
Учебно-методическое пособие по дисциплине «Моделирование и простран- ственный анализ в ГИС» предназначено для обучающихся по специальности
21.05.01 Прикладная геодезия, специализация Инженерная геодезия (уровень специалитета) и по специальности 21.05.04 Горное дело, специализация Марк- шейдерское дело (уровень специалитета).
Рекомендовано к изданию кафедрой инженерной геодезии и маркшейдер- ского дела, Ученым советом Института геодезии и менеджмента СГУГиТ.
Ответственный редактор: доктор технических наук, профессор СГУГиТ
Г. А. Уставич
Печатается по решению редакционно-издательского совета СГУГиТ
УДК 528.94:004
ISBN 978-5-907052-17-8
© СГУГиТ, 2018

3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ............................................................................................................ 4
1. Цифровое картографирование. Понятие цифровой модели
местности ...................................................................................................... 6 1.1. Цифровые модели .................................................................................. 6 1.2. Понятие цифровой модели местности ................................................. 7
2. Цифровое моделирование рельефа ........................................................ 10 2.1. Понятие цифровой модели рельефа ................................................... 10 2.2. Способы представления рельефа ....................................................... 11 2.3. Источники данных для цифрового моделирования рельефа ........... 16
3. Программа ГИС «Панорама» ................................................................. 22
4. Содержание лабораторных работ ........................................................... 25 4.1. Лабораторная работа № 1. Изучение структуры данных цифровых векторных, растровых карт (планов). Изучение инструментальной среды ГИС «Панорама» ..................................... 25 4.2. Лабораторная работа № 2. Создание фрагмента номенкла- турного листа цифрового топографического плана по ис- ходным картографическим материалам средствами техно- логии создания электронных карт в ГИС «Панорама» .................... 25 4.3. Лабораторная работа № 3. Создание цифровых моделей рельефа и оценка их точности ............................................................ 37 4.4. Лабораторная работа № 4. Решение прикладных задач сред- ствами ГИС «Панорама» ..................................................................... 44
Контрольные вопросы .................................................................................. 66
Заключение ..................................................................................................... 67
Библиографический список ........................................................................ 68

4
ВВЕДЕНИЕ
Цифровая модель рельефа (ЦМР) – средство цифрового представле- ния трехмерных пространственных объектов (поверхностей или рельефов) в виде трехмерных данных, образующих множество высотных отметок
(отметок глубин) и иных значений аппликат (координаты Z) в узлах регу- лярной или нерегулярной сети, или совокупность записей горизонталей
(изогипс, изобат) или иных изолиний.
ЦМР территории необходимы при решении различных топографиче- ских и инженерных задач:
1) создание географических, топографических, морских навигацион- ных, тематических карт и отображение на них рельефа суши, дна океана, гравитационных и геомагнитных полей и пр.;
2) задачи вертикальной планировки территории для нужд граждан- ского и промышленного строительства: построение разрезов, изолиний
(линий одинаковой высоты), изоклин (линий одинакового уклона), трех- мерная визуализация, вычисление объемов земляных работ;
3) гидрологические задачи, мелиорация земель: построение полей градиентов, линий водоразделов, бассейнов стока;
4) экологические задачи: прогнозирование распространения загряз- нений и др.
В современных отечественных и зарубежных геоинформационных системах цифровое моделирование рельефа реализовано в виде модулей по созданию цифровых моделей рельефа и их использованию.
В настоящее время существует множество различных способов мате- матического моделирования рельефа, основанных на линейных и нели- нейных схемах интерполирования отметок между опорными точками.
Способ математической обработки цифровой информации о рельефе во многом определяется схемой получения и организации исходных данных.
При создании ЦМР необходимо решать вопросы оценки источников данных о рельефе, выбора моделей пространственных данных для его

5
описания, методов реализации модели применительно к решаемой задаче, оценки точности ЦМР.
В этой связи в учебно-методическом пособии изложены общие сведе- ния о цифровом картографировании, цифровых моделях местности, циф- ровых моделях рельефа. Основное внимание уделено географической ин- формационной системе (ГИС) «Панорама», широко используемой в про- изводственных подразделениях Росреестра для подготовки цифровых карт, планов, ЦМР. Рассмотрены примеры прикладного использования
ГИС «Панорама». Приведено содержание и необходимые пошаговые ука- зания по выполнению лабораторных работ.

6
1. ЦИФРОВОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ.
ПОНЯТИЕ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ
1.1. Цифровые модели
Развитие автоматизированных методов обработки информации при- вело к появлению нового направления в моделировании – цифрового мо- делирования и новых цифровых геопространственных продуктов назы- ваемых цифровыми моделями местности, цифровыми моделями рельефа.
Термин «цифровое моделирование» – синоним термина «компьютерное моделирование».
Цифрование (англ. digitizing, digitising, digitalization) – информацион- ная технология преобразования аналоговых данных в дискретную (цифро- вую) форму, пригодную для использования в компьютерных технологиях.
Термин «цифровые» заимствован из названия «цифровые вычисли- тельные машины» (ЦВМ). На ранних этапах развития вычислительной техники существовало два типа вычислительных машин – аналоговые и цифровые.
Аналоговые вычислительные машины (АВМ) обрабатывали непре- рывные аналоговые сигналы. Они использовали специально разработан- ные электронные схемы, в которых осуществлялось функциональное пре- образование аналоговой информации (сигналов). Переходная характери- стика такой схемы соответствовала требуемому алгоритму обработки [1].
Например, для дифференцирования непрерывного сигнала, посту- пающего на вход системы, использовалась дифференцирующая цепочка и непрерывный сигнал преобразовывался в другой, который представлял непрерывную производную от исходного. Аналогично дело обстояло с интегрированием или решением дифференциальных уравнений. Други- ми словами, алгоритм обработки был жестко зашит в электронную схему обработки и был неперестраиваемым. По данной причине такие ЭВМ бы- ли узкоспециализированными и дорогими в изготовлении.

7
Цифровые вычислительные машины были основаны на преобразова- нии аналоговых сигналов в дискретные последовательности с сохранени- ем информативности.
Для того, чтобы информацию можно было обработать с помощью
ЦВМ, она должна быть дигитализована (от англ. digtal – цифра), т. е. пре- образована в цифровой код. Именно цифровой код и является доминан- той, определяющей суть термина «цифровой».
ЦВМ были более универсальны в обработке, так как позволяли обра- батывать данные с помощью наборов программ. Кроме того, они были бо- лее дешевыми с точки зрения стоимости производства. Таким образом, универсальность и низкая стоимость явились существенными конкурент- ными преимуществами ЦВМ перед АВМ, что и привело к вытеснению с рынка АВМ.
В настоящее время аналоговые вычислительные машины практически не используются, за исключением специальных устройств анализа дан- ных. Все персональные компьютеры являются цифровыми, и поэтому данный термин не употребляют по отношению к компьютерам.
Термин «цифровой» сохранился как характеристика для некоторых данных и систем (цифровые методы, цифровые снимки, цифровые фото- камеры, цифровые данные, цифровая информация). В настоящее время он означает, что информация в этих данных и системах содержится в дис- кретной форме и предназначена для обработки с помощью современных компьютерных технологий.
В информатике и геоинформатике цифровое моделирование заключа- ется в реализации возможностей математических методов и программных средств для моделирования объектов [1].
1.2. Понятие цифровой модели местности
В результате автоматизации топографо-геодезического производства возникло новое направление – цифровое картографирование местности.
Под цифровым картографированием местности как частью топогра- фо-геодезического производства понимается технологический процесс, объединяющий сбор и обработку цифровой топографической информа-

8
ции, формирование на ЭВМ цифровой модели местности, хранение, до- полнение и обновление, получение по этой модели различных аналитиче- ских и графических материалов в соответствии с предъявленными требо- ваниями.
В научном плане цифровое картографирование представляет собой новый метод, принципиально отличающийся от традиционных аналого- вых и предназначенный для создания цифровой модели местности (ЦММ).
Топографические планы и карты при этом рассматриваются как ее произ- водные [2].
Сущность и содержание топографических работ определяет метод мо- делирования, при котором данному реальному физическому объекту – мест- ности – ставится в соответствие некоторый объект, называемый моделью.
Под моделью понимают объект (например, систему, знаковое образование), подобный моделируемому. С позиции топографо-геодезического производ- ства эти модели представляют собой некоторую информационную систе- му свойств местности и могут быть как моделями отдельных объектов
(здания, дороги), так и моделями различных совокупностей объектов, на- чиная от аспектного набора объектов (гидрография, растительность), их совокупностей (ситуация, рельеф) и заканчивая моделью всей системы объектов (местности). По форме представления модели могут быть абст- рактными (например, дорога отображается линией, дерево – в виде точки, совокупность отдельных деревьев – в виде площадного объекта – леса), цифровыми топографическими, цифровыми картографическими (цифро- вая карта) и картографическими (карта, план) [2].
Расширение области применения цифровых моделей местности и принятие ЦММ в качестве информационной основы автоматизирован- ного картографирования и информационных систем накопления топогра- фической информации в банках данных определили сущность ЦММ как совокупности информации обо всех элементах местности – рельефе, си- туации, топографических объектах.
При этом появились новые понятия, характеризующие узко ориенти- рованные модели: цифровые модели рельефа или цифровые модели по- верхности, цифровые модели ситуации, цифровые модели застройки или цифровые модели контуров, цифровые модели топографических объектов.

9
Отличительная особенность цифровой модели местности – ее содер- жание, ориентированное на отображение топографических свойств мест- ности. Поэтому цифровую модель местности называют топографической моделью или указывают, что она содержит топографическую информа- цию.
Важной особенностью ЦММ является наличие структуры в виде упо- рядоченного множества точек или чисел, совокупности взаимосвязанных точек и элементов.
Характерная черта ЦММ – дискретная форма представления инфор- мации, что обусловлено применением ЭВМ для целей моделирования.
Наряду с перечисленными особенностями имеется еще ряд свойств
ЦММ, обеспечивающих решение топографических и инженерных задач: адекватность модели исходному объекту – местности, непрерывность, точность, однозначность и реальность модели.
Базовым понятием цифрового картографирования является понятие
«цифровая (топографическая) модель местности». Составными частями
ЦММ являются «цифровая модель рельефа» и «цифровая модель ситуа- ции». Следующими по уровню детализации понятиями будут «цифровая модель топографической поверхности» и «цифровая модель топографиче- ского объекта».

10
2. ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЛЬЕФА
2.1. Понятие цифровой модели рельефа
Цифровое моделирование рельефа – одна из важных моделирующих функций геоинформационных систем. ЦМР включает две группы опера- ций, первая из которых создает модель рельефа, вторая – обеспечивает ее использование.
Под цифровой моделью рельефапонимают средство цифрового пред- ставления трехмерных пространственных объектов (поверхностей или рельефов) в виде трехмерных данных, образующих множество высотных отметок (отметок глубин) и иных значений аппликат (координаты Z) в уз- лах регулярной или нерегулярной сети или совокупность записей гори- зонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний [3].
Первые эксперименты по созданию ЦМР относятся к самым ранним этапам развития геоинформатики и автоматизированной картографии пер- вой половины 60-х гг. ХХ в. С тех пор разработаны методы и алгоритмы решения различных задач, созданы программные средства моделирова- ния, крупные, в том числе национальные и глобальные, массивы данных о рельефе, накоплен опыт решения с их помощью разнообразных научных и прикладных задач.
Каждую точку поверхности Земли невозможно отобразить в модели.
Поэтому используются цифровые модели рельефа, которые передают от- дельные точки. Наборы этих точек позволяют восстанавливать поверх- ность средствами компьютерного моделирования [3–5]. В англоязычной ли- тературе используется специальный термин digital elevation model (DEM).
В учебнике [6] под цифровой моделью рельефа понимается упорядочен- ный в пространстве численный набор дискретных высотных точек. В Кар- тографическом словаре [7] термин «цифровая модель рельефа» трактуется так: «трехмерная цифровая модель, содержащая информацию о координа- тах и высотах (глубинах) земного рельефа или поверхности других небес- ных тел. Может быть представлена отметками высот в узлах регулярной

11
сети (матрица высот), нерегулярной триангуляционной сети или как за- пись высот изолиний (горизонталей, изобат)».
2.2. Способы представления рельефа
Способ моделирования рельефа местности будет зависеть от его ха- рактера, масштаба модели, требуемой точности представления рельефа, по которому будут решаться прикладные задачи.
Наиболее распространенные способы цифрового представления рель- ефа имеют вид [5, 8, 9]:
− векторных линий (горизонталей или иных изолиний с равным или неравным шагом);
− регулярной матрицы (регулярная или матричная модель) высот земной поверхности (представление на регулярной сетке квадратов, пря- моугольников или треугольников, когда в ее узлах заданы значения высо- ты); далее – регулярная матрица высот или регулярная модель.
В английском языке регулярная сетка квадратов называется GRID, поэтому в русскоязычной литературе часто используют слово «грид».
По способу вычисления значения уровней поля между узлами сетки различают решеточные и ячеистые сетки. В первой из них такие значения интерполируются по значениям высот в соседних точках, вторая модель рассматривает точки как центры ячеек с постоянным значением отметки высоты [8–10];
− нерегулярной, так называемой TIN-модели (TIN − Triangulated
Irregular Network), включающей некоторую совокупность точек с высот- ными отметками, по которым проведена триангуляция с учетом линий разрыва непрерывности (далее – нерегулярная триангуляционная сеть).
Важнейшим недостатком представления рельефа в виде регулярной матрицы является несоответствие координатной сетки (точек матрицы) структуре рельефа. Здесь предполагается равнозначность всех точек циф- ровой модели (иными словами, предполагается непрерывность и плав- ность рельефа) и допускается возможность игнорировать особые, наибо- лее значимые точки рельефа, находящиеся на линиях тальвегов и водораз- делов, перегибах скатов. В связи с этим важным является выбор опти-