Файл: Курс лекций Учебное пособие Зерноград 2015 2 удк 528 (075. 8) Печатается по решению методической комиссии.pdf

1
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВПО ДГАУ)
АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКИЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ ИНСТИТУТ
ФГБОУ ВПО «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В Г. ЗЕРНОГРАДЕ
Кафедра «Землеустройство и кадастры»
ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ
СИСТЕМЫ
Курс лекций
Учебное пособие
Зерноград – 2015

2
УДК 528 (075.8)
Печатается по решению методической комиссии
агротехнологического факультета
«Азово-Черноморского инженерного института»
Федерального государственного образовательного учреждения
Высшего профессионального образования
«Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде
Рецензент
доктор технических наук, профессор Алексенко Н.П.
Ответственный редактор
кандидат технических наук, доцент Калинин А.А.
Географические информационные системы. Курс лекций: учебное пособие
/ А.А. Калинин, А.М. Бондаренко, Б.Н. Строгий, М.Н. Семенцов. – Зерноград:
Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ, 2015. – 58 с.
Пособие содержит курс лекций «Географические информационные системы.
Пособие предназначено для студентов агротехнологического факультета дневной формы обучения, обучающихся по направлению подготовки 120700.62 – Земле- устройство и кадастры, профиль 120701.62 – Землеустройство.
Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры
«Землеустройство и кадастры».
Протокол № 3 от 25.09.2014 г.
Рассмотрено и одобрено методической комиссией по направлению подготовки 120700.62 – Землеустройство и кадастры.
Протокол № 2 от 2.10.2014 г.
© Калинин А.А., Бондаренко А.М.,
Строгий Б.Н. и др., 2015
© Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ
, 2015

3
Содержание
Введение…………….………………………………………………………………..5 1.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОГРАФИЧЕСКИХ
ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ…………………………………………….8 1.1
Понятие о геоинформационных системах………………………………….8 1.2.
«Данные», «информация», «знания» в геоинформационных системах...9 1.3.
Обобщенные функции ГИС-систем………………………………………10 1.4.
Классификация ГИС…………………………………………………….....11 1.5.
Источники данных и их типы……………………………………………..11 2.
ГЕОИНФОРМАТИКА…………………………………………………….….….13 2.1 Геоинформатика…………………………………………………..………...13 2.2
История развития ГИС………………………………………………..……14 3. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГИС…………………………………………....16 3.1. Техническое обеспечение……………………………………………….....16 3.2. Программное обеспечение…………………………………………….…..17 3.3. Информационное обеспечение……………………………………………17 4.
ТЕХНОЛОГИИ ВВОДА ДАННЫХ…………………………………………….18 4.1. Способы ввода данных…………………………………………………….18 4.2. Преобразование исходных данных……………………………………….19 4.3. Ввод данных дистанционного зондирования………………………..…...20 5. СТРУКТУРЫ И МОДЕЛИ ДАННЫХ……………………………………….....21 5.1. Отображение объектов реального мира в ГИС…………………………..21 5.2.
Структуры данных………………………………………………………....22 5.3.
Модели данных………………………………………………………….….24 5.4.
Форматы данных…………………………………..…………………….....27 5.5.
Базы данных и управление ими………………………………….……......28 6.
ВЕКТОРНЫЕ МОДЕЛИ ДАННЫХ. ТОПОЛОГИЯ……….……………….…31 7. АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ…………………..……………39 7.1. Задачи пространственного анализа…………………………….………....39 7.2. Основные функции пространственного анализа данных………………..40 7.3. Анализ пространственного распределения объектов……………………41 8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ…………………………..…………...42 8.1. Поверхность и цифровая модель……………………………………….....42 8.2. Источники данных для формирования ЦМР………………………….....42 8.3. Интерполяции………………………………………………………………42 9. ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА…...…48 9.1. Основные процессы ……………………………………………………….48 9.2. Требования к точности выполнения процессов………………...………..48 9.3. Использование ЦМР……………………………………………………….49 10. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ВИЗУАЛИЗАЦИИ………………………………...49 10.1. Электронные карты и атласы…………………………..…………….…..49

4 10.2.
Картографические способы отображения результатов анализа данных………………………………………………...………………………....50 10.3. Трехмерная визуализация………………………………………..….…....51 11. ЭТАПЫ И ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИС…………………….…….52 12. КРАТКИЙ ОБЗОР ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ
В РОССИИ……………………………………………………………………….….53
ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………….…...56

5
Введение
Во все времена знания о пространственной ориентации физических объ- ектов или, попросту говоря, об их географическом положении, были очень важ- ны для людей. К примеру, первобытные охотники всегда знали местонахожде- ние своей добычи, а жизнь или смерть исследователей первопроходцев напря- мую зависела от их знаний географии. Также и современное общество живет, работает и сотрудничает, опираясь на информацию о том, кто и где находится.
Прикладная география в виде карт и информации о пространстве помогала со- вершать открытия, способствовала торговле, повышала безопасность жизнедея- тельности человечества в течение как минимум прошлых 3000 лет, а карты яв- ляются одними из наиболее значимых документов, рассказывающих об истории нашей цивилизации.
Рисунок 1 – Карта Новой Англии, составленная в 1685 году
Николасом Висчером
Наиболее часто наши знания из области географии применяются к реше- нию повседневных задач, таких как, поиск нужной улицы в незнакомом городе или вычисление кратчайшего пешего пути до места своей работы. Простран- ственная информация помогает нам эффективно производить сельскохозяй- ственную продукцию и промышленные товары, добывать тепло и электроэнер- гию.

6
Последние тридцать лет прошлого столетия человечество интенсивно развивало инструментальные средства, названные географическими инфор-
мационными системами (ГИС), призванные помочь в расширении и углубле- нии географических знаний. ГИС помогают нам в накоплении и использовании пространственных данных. Некоторые компоненты ГИС исключительно техно- логические; они включают в себя современные хранилища пространственных данных, передовые телекоммуникационные сети и усовершенствованную вы- числительную технику. Хотя есть и другие методы ГИС, которые очень просты.
Например, использование простого карандаша и листа бумаги для верификации карт.
Как и многие аспекты нашей жизни в последние пятьдесят лет, процесс накопления и использования пространственных данных был сильно трансфор- мирован интенсивным развитием микроэлектроники. Программное обеспечение и аппаратная платформа ГИС – это главный технологический результат, так как получение и обработка пространственных данных значительно ускорились за прошлые три десятилетия и продолжает неустанно развиваться.
Ключевые слова ко всем понятиям ГИС – «что» и «где?». ГИС и про- странственные исследования имеют прямое отношение к абсолютной и относи- тельной локализации особенностей рельефа местности, также как к свойствам и признакам этих особенностей. Обычно регистрируется не только локализация важных географических объектов, например, рек и течений, но также их размер, скорость течения, качество воды или вид рыбы, найденной в них. Действитель- но, эти признаки часто зависят от пространственного расположения “важных” рельефных особенностей. ГИС помогает анализировать и отображать эти про- странственные зависимости.
Курс лекций предназначен для формирования у обучающихся следующих профессиональных компетенций:
ПК-1 – Способность и готовность использовать информационные техно- логии, в том числе современные средства компьютерной графики в своей пред- метной области;
ПК-2 – Способность демонстрировать базовые знания в области есте- ственнонаучных дисциплин и готовность использовать основные законы в про- фессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования;
ПК-4 –Способность и готовность использовать нормативные правовые документы.
В результате освоения указанных компетенций обучающиеся должны:
- знать–особенности и оценку значимости географических информаци- онных систем, которая является разделом естественно научной дисциплины и неразрывно связана с элементами математического анализа и аналитической геометрии (векторный анализ); основы компьютерной графики; правовые и экономические аспекты создания землеустроительной и градостроительной

7
ГИС и ЗИС; инвестиционные проекты создания землеустроительной и градо- строительной ГИС и ЗИС.
- уметь–выполнять проектно-конструкторскую документацию с приме- нением систем автоматизированного проектирования и черчения; применять компьютерную технику и информационные технологии в профессиональной деятельности; выстраивать последовательность использования ГОСТов и пра- вил оформления графической (чертежи) и текстовой (спецификации) докумен- тации.
- владеть – навыками использования информационных технологий, в том числе современные средства компьютерной графики в своей предметной обла- сти; основами построения графиков, оси координат, числовые отметки и т.д.; навыками применения Государственных Стандартов и справочной литературой.

8
1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОГРАФИЧЕСКИХ
ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
1.1
Понятие о геоинформационных системах
1.2
«Данные», «информация», «знания» в геоинформационных системах
1.3
Обобщенные функции ГИС-систем
1.4
Классификация ГИС
1.5
Источники данных и их типы
1.1
Понятие о геоинформационных системах
Географическая информационная система или геоинформационная си-
стема (ГИС) – это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, анализ и отображение пространственных данных и связанных с ни- ми непространственных, а также получение на их основе информации и знаний о географическом пространстве.
Считается, что географические или пространственные данные составляют более половины объема всей циркулирующей информации, используемой орга- низациями, занимающимися разными видами деятельности, в которых необхо- дим учет пространственного размещения объектов. ГИС ориентирована на обеспечение возможности принятия оптимальных управленческих решений на основе анализа пространственных данных.
Ключевыми словами в определении ГИС являются – анализ простран- ственных данных или пространственный анализ. ГИС может ответить на сле- дующие вопросы:
Что находится в заданной области?
Где находится область, удовлетворяющая заданному набору условий?
Современные ГИС расширили использование карт за счет хранения графи- ческих данных в виде отдельных тематических слоев, а качественных и количе- ственных характеристик составляющих их объектов в виде баз данных. Такая организация данных при наличии гибких механизмов управления ими, обеспе- чивает принципиально новые аналитические возможности.
Географическая информационная система поддерживает несколько видов для работы с географической информацией:
1. Вид Базы Геоданных: ГИС – это пространственная база данных, содер- жащая 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,

9 анализа и редактирования информации.
3. Вид Геообработки: ГИС – это набор инструментов для получения но- вых наборов географических данных из существующих наборов данных. Функ- ции обработки пространственных данных (геообработки) извлекают информа- цию из существующих наборов данных, применяют к ним аналитические функ- ции и записывают полученные результаты в новые производные наборы дан- ных.
В программном обеспечении ESRI
®
ArcGIS
®
эти три вида ГИС представле- ны каталогом (ГИС как коллекция наборов геоданных), картой (ГИС как интел- лектуальный картографический вид) и набором инструментов (ГИС как набор инструментов для обработки пространственных данных). Все они являются неотъемлемыми составляющими полноценной ГИС и в большей или меньшей степени используются во всех ГИС-приложениях.
Рисунок 2 – Структура ГИС
1.2
«Данные», «информация», «знания» в геоинформационных системах
Конкретизируя термины «данные», «информация», «знания», примени- тельно к оперированию ими в информационной системе, можно отметить, что, имея много общего, эти понятия различаются по своей сути.

10
Под данными понимается совокупность фактов, известных об объектах, либо результаты измерения этих объектов. Данные, используемые в ГИС, отли- чаются высокой степенью формализации. Данные – это строительный элемент в процессе создания информации, поскольку она получается в процессе обработ- ки данных.
Применительно к ГИС под информацией понимается совокупность сведе- ний, определяющих меру наших знаний об объекте.
В таком контексте знания можно рассматривать как результат интерпрета- ции информации. Наиболее общее определение: знание – результат познания действительности, получивший подтверждение в практике. Научное знание от- личается своей систематичностью, обоснованностью и высокой степенью структуризации.
Информационные системы можно рассматривать как эффективный ин- струмент получения знаний.
Различия между терминами «данные», «информация» и «знания» просле- живаются в истории развития технических систем, так вначале появились банки данных, позднее информационные системы, затем появились системы, основан- ные на знаниях – интеллектуальные системы (экспертные системы).
В настоящее время на рынке программных продуктов представлено не- сколько видов систем, работающих с пространственно распределенной инфор- мацией, к ним в частности, относятся системы автоматизированного проектиро- вания, автоматизированного картографирования и ГИС. ГИС по сравнению с другими автоматизированными системами обладают развитыми средствами анализа пространственных данных.
1.3
Обобщенные функции ГИС-систем
Большинство современных ГИС осуществляют комплексную обработку информации, используя ниже приведенные функции:
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.

11
1.4
Классификация ГИС
ГИС системы разрабатываются с целью решения научных и прикладных задач по мониторингу экологических ситуаций, рациональному использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, город- ского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в услови- ях чрезвычайных ситуаций др.
Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных
ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:
По функциональным возможностям:
– полнофункциональные ГИС общего назначения;
– специализированные ГИС ориентированы на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;
– информационно-справочные системы для домашнего и информационно- справочного пользования.
Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:
– закрытые системы – не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на мо- мент покупки.
– открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможно- стями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при по- мощи специального аппарата (встроенных языков программирования).
По пространственному (территориальному) охвату:
– глобальные (планетарные);
– общенациональные;
– региональные;
– локальные (в том числе муниципальные).
По проблемно-тематической ориентации:
– общегеографические;
– экологические и природопользовательские;
– отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т.д.).
По способу организации географических данных:
– векторные;
– растровые;
– векторно-растровые ГИС.
1.5
Источники данных и их типы
В качестве источников данных для формирования ГИС служат:
– картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы

12 и др.). Сведения, получаемые с карт, имеют территориальную привязку, поэто- му их удобно использовать в качестве базового слоя ГИС. Если нет цифровых карт на исследуемую территорию, тогда графические оригиналы карт преобра- зуются в цифровой вид.
– данные дистанционного зондирования (ДДЗ)все шире используются для формирования баз данных ГИС. КДДЗ, прежде всего, относят материалы, получаемые с космических носителей. Для дистанционного зондирования при- меняют разнообразные технологии получения изображений и передачи их на
Землю, носители съемочной аппаратуры (космические аппараты и спутники) размещают на разных орбитах, оснащают разной аппаратурой. Благодаря этому получают снимки, отличающиеся разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в разных диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон). Все это обуславливает широкий спектр экологических задач, решаемых с применением
ДДЗ.
К методам дистанционного зондирования относятся и аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы, например гидроакустические съемки рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах при- родной среды.
Материалы полевых изысканий территорий, включают данные топогра- фических, инженерно-геодезических изысканий, кадастровой съемки, геодези- ческие измерения природных объектов, выполняемые нивелирами, теодолита- ми, электронными тахеометрами, GPS приемниками, а также результаты обсле- дования территорий с применением геоботанических и других методов, напри- мер, исследования по перемещению животных, анализ почв и др.
Статистические данные содержат данные государственных статистиче- ских служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеоро- логические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и т. д)).
Литературные данные (справочные издания, книги, монографии и статьи, содержащие разнообразные сведения по отдельным типам географических объ- ектов).
В ГИС редко используется только один вид данных, чаще всего это сочета- ние разнообразных данных на какую-либо территорию.
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Дайте определение ГИС.
2. Охарактеризуйте термины «данные», «информация», «знания».
3. Назовите основные функции ГИС–систем.
4. Классификация ГИС.
5. Каковы основные источники данных для формирования ГИС?