Цель дисциплины Основная цель дисциплины — сформировать у студентов знания и практические навыки работы с геоинформационными системами и цифровыми картами для решения задач пространственного анализа, моделирования и визуализации территорий.
Объект дисциплины Объектом дисциплины выступает пространственная (географическая) информация в цифровой форме: -векторные и растровые данные, - геоданные, -карты, -слои, -модели рельефа, -спутниковые снимки, -базы геоданных.
ВВЕДЕНИЕ Географическая информационная система (ГИС) — это многофункциональная компьютерная система, предназначенная для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных (географических) данных.
С труктура ГИС
Основные источники данных для ГИС 1. Топографические карты бумажные или цифровые форматы; могут оцифровываться вручную. 2. Спутниковые снимки и данные дистанционного зондирования (ДЗЗ) Sentinel, Landsat, PlanetScope и др.; используются для анализа рельефа, растительности, водных объектов. 3. Аэрофотоснимки и данные дронов высокое разрешение; применяются в кадастре, архитектуре, землепользовании. 4. GPS/ГЛОНАСС измерения сбор точек, треков, маршрутов. 5. Кадастровые и статистические данные границы, земельные участки, атрибуты. 6. Open-source ресурсы OpenStreetMap, геопорталы, публичные сервисы. 7. Импорт готовых цифровых данных Это самый простой способ. Вы загружаете уже созданные кем-то файлы. Векторные форматы: Shapefile (. shp ), GeoJSON, KML/KMZ (Google Earth). Растровые форматы: GeoTIFF ( снимки с привязкой), JPEG/PNG. Таблицы: Excel или CSV с координатами (широта/долгота). Этапы обработки при вводе При вводе данных почти всегда требуется дополнительная настройка: Геопривязка ( Georeferencing ): Если вы отсканировали бумажную карту, компьютер не знает, где она находится. Вам нужно «приколоть» её к виртуальному глобусу, указав координаты нескольких опорных точек. Трансформация проекций: Приведение всех данных к единой системе координат (например, из WGS 84 в МСК вашего региона). Создание топологии: Проверка данных на ошибки (чтобы границы участков не накладывались друг на друга, а линии дорог соединялись в узлах).
Растровые данные ( Raster Data) Хранят информацию в виде пиксельной сетки. Примеры форматов: TIFF / GeoTIFF JPEG / PNG IMG GRID (ArcGIS) Используются для: спутниковых снимков аэрофотоснимков DEM ( цифровая модель рельефа) тематических карт (например, NDVI) Векторные данные ( Vector Data) Хранят информацию в виде точек, линий и полигонов. Основные форматы: Shapefile (. shp ) — старый, но популярный На самом деле это набор из 3–5 файлов (. shp,. dbf,. shx и др.). Несмотря на возраст, остается самым популярным форматом обмена. GeoPackage (GPKG): Современный открытый формат, который хранит все слои (вектор и растр) в одном файле. Это «золотой стандарт» для бесплатной программы QGIS. File Geodatabase (. gdb ) — формат ESRI KML/KMZ — формат Google Earth, удобен для визуализации, но не всегда подходит для сложного анализа. GeoJSON Текстовый формат, идеально подходящий для веб-карт и JavaScript. Используются для: административных границ дорог и рек земельных участков объектов инфраструктуры
Атрибутивные данные Хранятся в виде таблиц и содержат характеристики объектов: Форматы: DBF (для shapefile ) CSV, Excel Таблицы внутри GDB или GeoPackage Объект Назначение Площадь Владелец здание коммерческое 320 Бабкенова Л.Т
Характеристика Векторная модель Растровая модель Принцип Мир как набор дискретных объектов (точки, линии, полигоны). Мир как непрерывная сетка ячеек (пикселей). Что храним Точные координаты границ. Одно значение характеристики для каждой ячейки. Примеры Границы стран, дороги, гидранты. Снимки из космоса, рельеф, температура. Плюсы Высокая точность, мало места. Удобно для анализа поверхностей и фото. Облачное хранение и Веб-сервисы Сегодня данные всё чаще хранятся не на диске, а на сервере и передаются в ГИС «на лету» через интернет-протоколы: WMS ( Web Map Service ): Сервер присылает вам готовую картинку карты. WFS ( Web Feature Service ): Сервер присылает сами векторные объекты с их геометрией и атрибутами. Это позволяет использовать спутниковые снимки Google или OpenStreetMap, не скачивая терабайты данных к себе на компьютер.
Метаданные Метаданные — это «паспорт» набора данных. Они включают: источник и дата создания координатная система точность метод получения контакт автора Метаданные важны для научных работ, отчётов, оценки качества данных. Проблемы и требования хранения данных в ГИС Основные вызовы: большие объёмы информации необходимость поддерживать целостность данных работа с разными форматами старение данных (устаревшие карты) Требования: регулярное обновление резервное копирование единые стандарты файловой структуры использование геобаз для больших проектов
Атрибутивные запросы (Поиск по свойствам) Это работа с таблицей данных, скрытой за графическими объектами. Для этого используется язык SQL ( Structured Query Language ). Суть: Вы задаете условие для характеристик объекта, не учитывая его положение на карте. Пример: «Выбрать все дома, где количество этажей > 9 и материал стен = 'кирпич'». Синтаксис: SELECT * FROM Buildings WHERE Floors > 9 AND Material = ' Brick '
Поверхностный анализ (3D и Рельеф) Работа с цифровыми моделями рельефа (ЦМР/DEM). Анализ уклонов: Определение крутизны склонов для строительства дорог. Анализ экспозиции: Определение того, куда «смотрит» склон (на север или юг), что критично для сельского хозяйства. Зоны видимости ( Viewshed ): Расчет того, какие участки местности будут видны с определенной точки (например, при установке вышки связи или камеры наблюдения).
5. Сетевой анализ ( Network Analysis ) Анализ объектов, организованных в связанные сети (дороги, трубопроводы, кабели). Оптимизация маршрутов: Решение «задачи коммивояжера» для курьерской службы. Зоны обслуживания: Определение территории, которую может охватить пожарная часть за нормативные 10 минут. Моделирование и прогноз Современный ГИС-анализ не только констатирует факты, но и строит прогнозы: Гидрологическое моделирование: Прогноз того, какие территории будут затоплены при разливе реки определенного уровня. Эрозионное моделирование: Расчет того, как почва будет вымываться с полей в зависимости от осадков. Мультикритериальный анализ (MCA): Принятие сложных решений на основе десятков факторов с разным «весом» важности.
Векторные инструменты: Buffer Clip Intersect Union Dissolve Erase Spatial Join Растровые инструменты: Raster Calculator Reclassify Slope/Aspect Con Raster Zonal Statistics Моделирование: ModelBuilder Python ( ArcPy ) Геообработка ( Geoprocessing Tools) Значение анализа в ГИС Позволяет: выявлять скрытые закономерности; принимать обоснованные решения; моделировать сценарии; проводить мониторинг; поддерживать управление территориями.
Способы визуализации данных В зависимости от типа данных и целей исследования, в ГИС используются разные графические методы: Картографические способы изображения Управление символикой ( Symbology ) В ГИС-программах отображение каждого слоя настраивается индивидуально. Вы можете менять: Цвет: От простых заливок до сложных градиентов (шкал). Размер: Для отображения количественных различий (чем больше точка, тем выше продажи). Текстуру и штриховку: Полезно для черно-белой печати или выделения особых зон Трехмерное (3D) отображение Современные ГИС позволяют выходить за рамки плоских карт: Цифровые модели рельефа (DEM): Визуализация гор, оврагов и низменностей. 3D-моделирование городов: Отображение зданий с учетом их реальной высоты и архитектуры. Текстурирование : Наложение спутниковых снимков на 3D-рельеф для создания реалистичного вида местности. Динамическое отображение и Веб-карты Сейчас карты всё чаще становятся интерактивными: Временные шкалы ( Time Slider ): Позволяют «прокрутить» время и увидеть, как менялась территория (например, рост города за 20 лет). Всплывающие окна ( Pop-ups ): При клике на объект на карте открывается окно с его атрибутами, фотографиями или ссылками. Дашборды ( Dashboards ): Интерактивные панели, где карта связана с живыми графиками и счетчиками.
Картографическое оформление При подготовке итоговой карты используется Layout View (в ArcGIS ). Элементы карты: заголовок; масштабная линейка; легенда; северная стрелка; рамка; атрибутивная информация; источник данных. Эти элементы помогают сделать карту профессиональной и читаемой. Значение отображения в ГИС От отображения зависит: насколько понятны данные пользователю; насколько легко обнаружить закономерности; удобство анализа; корректность интерпретации. Качественная визуализация — ключ к успешным ГИС-проектам.
Картографический вывод Это самый традиционный способ — создание готовой карты. Твердые копии: Печать на бумаге или пластике (атласы, настенные карты, планшеты). Электронные документы: Файлы в форматах PDF, JPEG или TIFF. Они статичны, их легко отправить по почте или вставить в отчет. Компоновка ( Layout ): Специальное пространство в ГИС-программе, где карта дополняется заголовком, легендой, масштабом и подписями. 2. Цифровые и программные продукты Данные передаются для использования в других системах или приложениях. Экспорт в CAD: Передача данных в системы проектирования ( AutoCAD ) для инженеров и архитекторов. Геосервисы (API): Публикация данных в виде веб-служб (WMS/WFS), чтобы другие сайты или мобильные приложения могли отображать вашу карту «на лету». Обменные форматы: Сохранение результата в виде очищенных векторных файлов ( Shapefile, GeoPackage ) для коллег-аналитиков.
Значение вывода в ГИС Вывод — это завершающий этап, который позволяет: представить результаты анализа; документировать данные; передавать информацию пользователям; использовать карты в учебных, научных, управленческих целях. Цифровые карты ( Softcopy ) Экспорт в графические или картографические форматы: PDF PNG JPEG TIFF SVG Преимущества: можно просматривать без ГИС-программ; легко отправлять и публиковать; сохраняют стиль и оформление. Публикация веб-карт Используется для онлайн ГИС: ArcGIS Online Web ArcGIS Portal QGIS Web GeoServer Позволяет: делиться картами через интернет, создавать интерактивные панели, добавлять данные в WebGIS.
