85401

Применение ГИС технологий в экологическом мониторинге

Доклад

Экология и защита окружающей среды

Применение ГИС технологий в экологическом мониторинге Геоинформационные системы ГИС автоматизированные информационные cистемы предназначенные для обработки пространственновременных данных основой интеграции которых служит географическая информация. В ГИС проявляется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого ГИС служит мощным средством преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управления. Как системы использующие базы данных ГИС характеризуются широким набором данных собираемых с помощью...

Русский

2015-03-24

154 KB

45 чел.

11

11. Применение ГИС технологий в экологическом мониторинге

Геоинформационные системы (ГИС) - автоматизированные информационные cистемы, предназначенные для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация.

В ГИС осуществляется комплексная обработка информации - от ее сбора до хранения, обновления и представления, в связи с этим ГИС рассматривается с различных позиций.

Как системы управления ГИС предназначены для обеспечения принятия решений по оптимальному управлению землями и ресурсами, городским хозяйством, по управлению транспортом и розничной торговлей, использованию океанов или других пространственных объектов. При этом для принятия решений в числе других всегда используют картографические данные.

В ГИС проявляется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого ГИС служит мощным средством преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управления.

Как автоматизированные информационные системы ГИС объединяют ряд технологий или технологических процессов известных информационных систем типа автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных справочно-информационных систем (АСИС) и др.

Основу интеграции технологий ГИС составляют технологии САПР. Поскольку технологии САПР достаточно апробированы, это обеспечило качественно более высокий уровень развития ГИС и существенно упростило решение проблемы обмена данными и выбора систем технического обеспечения. Этим самым ГИС стали в один ряд с автоматизированными системами общего назначения типа САПР, АСНИ, АСИС.

Как геосистемы ГИС включают технологии (прежде всего технологии сбора информации) таких систем, как географические информационные системы (ГИС), системы картографической информации (СКИ), автоматизированные системы картографирования (АСК),автоматизированные фотограмметрические системы (АФС), земельные инфор-мационные системы (ЗИС), автоматизированные кадастровые (АСК) и т.п.

Как системы, использующие базы данных, ГИС характеризуются широким набором данных, собираемых с помощью разных методов и технологий. При этом следует подчеркнуть, что они объединяют в себе как базы данных обычной (цифровой) информации, так и графические базы данных. В связи с большим значением экспертных задач, решаемых при помощи ГИС, возрастает роль экспертных систем, входящих в состав ГИС.

Как системы моделирования ГИС используют максимальное количество методов и процессов моделирования, применяемых в других автоматизированных системах.

Как системы получения проектных решений ГИС во многом применяют методы автоматизированного проектирования и решают ряд специальных проектных задач, которые в типовом автоматизированном проектировании не встречаются.

Как системы представления информации ГИС являются развитием автоматизированных систем документационного обеспечения (АСДО) с использованием современных технологий мультимедиа.

Ученые подсчитали, что 85% информации, с которой сталкивается человек в своей жизни, имеет территориальную привязку. Поэтому перечислить все области применения ГИС просто невозможно. Этим системам можно найти применение практически в любой сфере трудовой деятельности человека.

ГИС эффективны во всех областях, где осуществляется учет и управление территорией и объектами на ней. Это практически все направления деятельности органов управления и администраций: земельные ресурсы и объекты недвижимости, транспорт, инженерные коммуникации, развитие бизнеса, обеспечение правопорядка и безопасности, управление ЧС, демография, экология, здравоохранение и т.д.

ГИС позволяют точнейшим образом учитывать координаты объектов и площади участков. Благодаря возможности комплексного (с учетом множества географических, социальных и других факторов) анализа информации о качестве и ценности территории и объектов на ней, эти системы позволяют наиболее объективно оценивать участки и объекты, а также могут давать точную информацию о налогооблагаемой базе.

Интеграционные возможности ГИС поистине безграничны. Эти системы позволяют вести учет численности, структуры и распределения населения и одновременно использовать эту информацию для планирования развития социальной инфраструктуры, транспортной сети, оптимального размещения объектов здравоохранения, противопожарных отрядов и сил правопорядка.

ГИС позволяют вести мониторинг экологической ситуации и учет природных ресурсов. Они не только могут дать ответ, где сейчас находятся "тонкие места", но и благодаря возможностям моделирования подсказать, куда нужно направить силы и средства, чтобы такие "тонкие места" не возникали в будущем.

С помощью геоинформационных систем определяются взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью сельскохозяйственных культур), выявляются места разрывов электросетей.

Для космических и аэрофотоснимков важно то, что ГИС могут выявлять участки поверхности с заданным набором свойств, отраженных на снимках в разных участках спектра. В этом - суть дистанционного зондирования. Но на самом деле эта технология может с успехом применяться и в других областях. Например, в реставрации: снимки картины в разных областях спектра (в том числе и в невидимых).

Геоинформационная система может использоваться для осмотра как больших территорий (панорама города, штата или страны), так и ограниченного пространства, к примеру, зала казино.

ГИС служат для графического построения карт и получения информации как об отдельных объектах, так и пространственных данных об областях, например о расположении запасов природного газа, плотности транспортных коммуникаций или распределении дохода на душу населения в государстве. Отмеченные на карте области во многих случаях гораздо нагляднее отражают требуемую информацию, чем десятки страниц отчетов с таблицами.

ГИСы рассматриваются как инструменты познания закономерностей структуры, организации экосистем и геосистем. Объединяющих  геоморфологические, климатические, гидрологические и биологические элементы на определённых участка земной поверхности.

ГИСы являются своеобразной базой данных для изучения природных особенностей региона, динамики происходящих в них процессов и явлений.

В ГИСах имеется программный механизм генерации картографических, векторных изображений, в которых в виде отдельных символов, на определённых участках карты указываются специализированные базы данных, характеризующие данный объект на карте.

С помощью специальных символов на карте могут быть обозначены машинные имитационные модели, связанные с объектом на карте.

ГИСы могут включать в себя объекты типа справочно-информационных систем. Постоянное обновление БД и имитационных моделей может осуществляться с помощью мониторинга.

  •  
  •  
  •  

Информация, вырабатываемая ЕГСЭМ, получает обработку в структурах ГИСа и приобретает новое качество: наложение экологической информации в системе ГИСа на карту основу придаёт ей пространственно организованный характер, степень характерных для экологических систем, биогеоцинозов.

Основы геоинформатики и ГИС-технологий  

 

  1.  Обзор базовых ГИС-концепций

"Географическая информационная система" - это совокупность аппаратно-программных средств и алгоритмических процедур, предназначенных для сбора, ввода, хранения, математико-картографического моделирования и образного представления геопространственной информации.

"Геопространственные данные" означают информацию, которая идентифицирует географическое местоположение и свойства естественных или искусственно созданных объектов, а также их границ на земле. Эта информация может быть получена с помощью (помимо иных путей) дистанционного зондирования, картографирования и различных видов съемок.

Географические данные содержат четыре интегрированных компонента:

  1.  местоположение;
  2.  свойства и характеристики;
  3.  пространственные отношения;
  4.  время.

Связь ГИС с научными дисциплинами и технологиями

Концептуальная схема организации данных в ГИС

Существующие области использования ГИС

2. Базовые структуры данных в ГИС

Природа географических данных 

  1.  Географическое положение (размещение) пространственных объектов представляется 2-х, 3-х или 4-х мерными координатами в географически соотнесенной системе координат (широта/долгота).
  2.  Свойства (атрибуты) являются описательной информацией определенных пространственных объектов. Они часто не имеют прямых указаний на пространственное размещение, поэтому часто атрибуты называют непространственной информацией.
  3.  Пространственные отношения определяют внутренние взаимоотношения между пространственными объектами (например, направление объекта А в отношении объекта В, расстояние между объектами А и В, вложенность объекта А в объект В).
  4.  Временные характеристики представляются в виде сроков получения данных, они определяют их жизненный цикл, изменение местоположения или свойств пространственных объектов во времени.

Модель базы пространственных данных

  1.  Каждый тип реального объекта представлен определенными пространственными объектами базы данных.
  2.  Пространственные объекты могут быть сгрупированны в слои, также называемые оверлеями, покрытиями или темами.
  3.  Один слой может представлять одиночный тип объекта или группу концептуально связанных типов.

Общие подходы к представлению пространственных объектов в БД

  1.  растровый способ: ячейки, сетки. 
  2.  векторный способ: точки, линии, полигоны.

Растровая модель данных 

  1.  Разбивает всю изучаемую территорию на элементы регулярной сетки или ячейки.
  2.  Каждая ячейка содержит только одно значение.
  3.  Является пространственно заполненной, поскольку каждое местоположение на изучаемой территории соответствует ячейке растра, иными словами - растровая модель оперирует элементарными местоположениями.

Соглашения, принятые для растровой ГИС

Разрешение

Минимальная линейная размерность наименьшей единицы географического пространства, для которой могут быть приведены какие-либо данные

В растровой модели даных наименьшей единицей для большинства систем выступает квадрат или прямоугольник. Такие единицы известны как сетка, матрица или пиксель. Множесво ячеек образует решетку, растр, матрицу.

Площадной контур (зона)

Набор смежных местоположений одинакового свойсва. Термин класс (или район) часто используется в отношении всех самостоятельных зон, которые имеют одинаковые свойства.

Основными компонентами зоны являются ее значение и местоположение.

Значение

Единица информации, хранящаяся в слое для каждого пикселя или ячейки. Ячейки одной зоны (или района) имеют одинаковое значение.

Местоположение

Наименьшая единица географического пространства, для которой могут быть приведены какие-либо характеристики или свойства (пиксель, ячейка).

Такая частица картографического плана однозначно идентифицируется упорядоченной парой координат - номерами строки и столбца.

Векторная модель данных

  1.  Основана на векторах (направленных отрезках прямых).
  2.  Базовым примитивом является точка.
  3.  Объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями или дугами.
  4.  Площади определяются набором линий.
  5.  Представляет собой объектно-ориентированную систему.

Пример векторного представления пространственных объектов

Типы векторных объектов, основанные на определении пространственных объектов

Безразмерные типы объектов 

Точка - определяет геометрическое положение.

Узел - топологический переход или конечная точка, также может определять местоположение.

Одномерные типы объектов 

Линия - одномерный объект.

Линейный сегмент - прямая линия между двумя точками.

Строка - последовательность линейных сегментов.

Дуга - геометрическое место точек, которые формируют кривую, определенную математической функцией.

Связь - соединение между двумя узлами.

Направленная связь - связь с одним определенным направлением.

Цепочка - направленная последовательность непересекающихся линейных сегментов или дуг с узлами на их концах.

Кольцо - последовательность непересекающихся цепочек, строк, связей или замкнутых дуг.

Двумерные типы объектов 

Область - ограниченный непрерывный объект, который может включать или не включать в себя собственную границу.

Внутренняя область - область, которая не включает собственную границу.

Полигон - область, состоящая из внутренней области, одного внешнего кольца и нескольких непересекающихся, невложенных внутренних колец.

Пиксель - элемент изображения,который является самым малым неделимым элементом изображения.

Пример слоев, составленных из пространственных объектов линейного типа

Примеры слоев, составленные из пространственных объектов полигонального типа

Формы векторной модели данных 

  1.  Цельнополигональная структура (структура типа "спагетти").
  2.  Линейно-узловая структура (топологическая структура).
  3.  Реляционная структура.
  4.  Нерегулярная триангуляционная сеть (TIN).

Топологическое представление векторных объектов

 

Сопоставление векторной и растровой моделей данных

Преимущества

Растровая модель                                                           Векторная модель 

1. Простая структура данных                                                1. Компактная структура

2. Эффективные оверлейные операции                                2. Топология

3. Работа со сложными структурами                                    3. Качественная графика

4. Работа со снимками

3. Представление пространственных объектов в ГИС

Представление пространственных объектов реальной действительности 

Пространственные данные состоят из цифровых представлений реально существующих дискретных пространственных объектов

Свойства, показанные на карте, например, озера, здания, контуры, должны пониматься как дискретные объекты

Содержание карты может быть зафиксированно в базе данных, путем превращения свойств карты в пространственные объекты

Многие свойства, которые показанны на карте, на самом деле виртуальны. Например, контуры или границы реально не существуют, но здания и озера - реальные объекты.

Содержание базы пространственных данных включает: 

  1.  Цифровые версии реально существующих объектов (например, зданий).
  2.  Цифровые версии искусственно выделенных свойств карты (например, контуры).
  3.  Искусственные объекты, созданные специально для целей построения базы данных (например, пиксели).

Разновидность непрерывных свойств 

Некоторые свойства пространственных объектов существуют повсеместно и изменяются непрерывно над земной поверхностью (высота, температура, атмосферное давление) и не имеют реально представленных границ

 

Непрерывная изменчивость может быть представленна в базе данных несколькими способами:

  1.  посредством величин измерений в некоторых характерных пунктах (точках),например, метеостанции, посты.
  2.  посредством описания трансектов (профилей).
  3.  Посредством разделения площади на контуры, зоны, принимая при этом, что некоторое значение свойства внутри контура (зоны) есть величина постоянная.
  4.  посредством построения изолиний, например горизонталей для отображения рельефа.

Каждый из этих способов создает дискретные объекты, которые могут быть зафиксированны в виде точек, линий, площадей.

 Компоненты пространственных данных

Расположение: пространственные данные вообще часто называются данными о размещении.

Пространственные отношения: взаимосвязи между пространственными объектами описываются как пространственные отношения между ними (например, А содержит В, смежен с С, находиться к северу от D).

Атрибуты: фиксируют тематические описания, определяя различные характеристики объектов.

Время: временная изменчивость фиксируется разными способами:

  1.  интервалом времени, в течение которого существует объект;
  2.  скоростью изменчивости объектов;
  3.  временем получения значений свойств.

Источники пространственных данных

Совокупности первичных данных (измерений и съемок) по выборкам:

  1.  произвольная выборка, каждое место или время одинаково вероятно, чтобы быть выбранным;
  2.  систематическая выборка проводится согласно правилу, например, через каждый 1 км;
  3.  упорядоченная (стратиграфическая) выборка, когда известно, что генеральная совокупность содержит существенно различные под-совокупности.

Совокупности вторичных данных, полученных из существующих карт, таблиц или других баз данных.

4. Ввод данных в ГИС

Ввод данных - процедура кодирования данных в компьютерночитаемую форму и их запись в базу данных ГИС.

Ввод данных включает три главных шага: 

  1.  Сбор данных;
  2.  Их редактирование и очистка;
  3.  Геокодирование данных.

Последние два этапа называются также предобработкой данных.

Типы систем ввода данных

1. Ввод с помощью клавиатуры 

  1.  Главным образом для атрибутивных данных;
  2.  Редко используется для пространственных данных;
  3.  Может быть совмещен с ручным цифрованием;
  4.  Обычно более эффективно используется как отдельная операция.

2. Координатная геометрия 

  1.  Процедуры, используемые, чтобы ввести данные по земельным наделам;
  2.  Очень высокий уровень точности, полученной за счет полевых геодезических измерений;
  3.  Очень дорогой;
  4.  Используемый для земельного кадастра.

3. Ручное цифрование 

  1.  Наиболее широко используемый метод ввода пространственных  данных с карт;
  2.  Эффективность зависит от качества программного обеспечения цифрования и умения оператора;
  3.  Требует много времени и допускает наличие ошибок.

4. Сканирование 

  1.  Цифровое изображение карты полученное сканером;
  2.  Размер ячейки, который можно отсканировать (минимальный фрагмент карты составляет около 20 микрон (0.02 мм));
  3.  Снимок нуждается в обработке и редактировании для улучшения качества;
  4.  Изображение должно преобразовываться в векторный формат:
  •  Маркировка для обеспечения взаимосвязи с атрибутами;
  •  Сканированные изображения могут непосредственно использоваться для производства карты;
  •  Данные дистанционного зондирования.

5. Ввод существующих цифровых файлов 

  1.  Наборы данных различных ведомств и организаций должны быть доступны;
  2.  Приобретение и использование существующих цифровых наборов данных; являются наиболее эффективным способом заполнения ГИС.

5. Картографические основы ГИС-технологий

Общая схема применения картографических знаний при работе с ГИС

Роль картографических моделей в создании и применении ГИС:

  1.  карта как источник пространственных данных;
  2.  карта как способ хранения и интеграции данных о пространственных объектах;
  3.  карта как средство организации запросов к БД;
  4.  карта как средство пространственного анализа;
  5.  карта как способ представления результатов работы с ГИС.

Способы визуализации пространственных объектов на карте

Типы преобразования картографических изображений в ГИС: 

  1.  Удаление/добавление тематического слоя.
  2.  Удаление/добавление элементов слоя.
  3.  Изменение тематического содержания приемами генерализации (утрирование, обобщение,упрощение, сглаживание), изменение цветового решения карты.
  4.  Замена картографического способа изображения тематического содержания (например, точечный способ на ареалы).
  5.  Построение анаморфированных (картоподобных изображений).
  6.  Переход к динамическому картографическому изображению (бликование или цветовая инверсия элементов специального содержания, интерактивная мультипликация.

6.   Пространственный анализ, основанный на векторном представлении данных

Аналитические возможности векторных ГИС 

  1.  Осуществление запросов к БД и упрощенная визуализация.
  2.  Переклассификация, декомпозиция и объединение пространственных объектов.
  3.  Топологические оверлеи.
  4.  Буферизация.

Способы осуществления пространственных запросов к базе данных способом картографического интерфейса 

  1.  произвольное ограничение территории выборки.
  2.  определение границ выборки аналитическим путем (площадные геометрические примитивы, географические зоны).
  3.  использование библиотеки контуров территориальной выборки (ареалы обслуживания, административные районы и проч.).

Пример создания производной карты путем переклассификации

пространственных объектов

Пример применения процедуры топологического оверлея "точка-в-полигон" с перестройкой таблицы атрибутов


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72987. Приемы форматирования документа. Вспомогательные средства подготовки документов 153.5 KB
  Создание маркированных и нумерованных списков: автоматическое создание нумерованного списка в процессе набора текста; создание маркированного списка из последовательности абзацев; создание и настройка многоуровневого списка. Форматирование с помощью стилей и шаблонов: задание и смена стиля...
72988. Структура Робочого столу. Головне меню системи. Запуск програм 19.09 MB
  Мета: Визначити структуру Робочого столу Windows, правила роботи з графічним інтерфейсом, навчитись користуватися командами головного меню системи та об’єктами Робочого столу для запуску програм.
72989. ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА 202 KB
  Особенность магнитного поля состоит в том что оно создается движущимися заряженными частицами или переменным электрическим полем. Обобщение основных законов электродинамики законов Кулона Био-Савара-Лапласа закона электромагнитной индукции привело Максвелла к выводу что магнитное...
72990. ОБЩИЙ РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭКСКАВАТОРА С РАБОЧИМ ОБОРУДОВАНИЕМ ОБРАТНАЯ ЛОПАТА 54.46 KB
  Цель работы: изучить виды и методику определения производительности и основных параметров гидравлического экскаватора с рабочим оборудованием обратная лопата. Содержание работы Производительность экскаватора зависит от конструктивных качеств машины, уровня организации производства...
72991. Вимірювання відносної вологості повітря за допомогою гігрометра та психрометра 22.99 KB
  Навчитися дослідним шляхом вимірювати відносну вологість повітря використовуючи психрометр і гігрометр. На основі проведених дослідів зробити обчислення відносної вологості повітря і з′ясувати наскільки вологість повітря в лабораторії відхиляється від нормальної вологості повітря.
72992. Вимірювання коефіцієнта лінійного розширення твердого тіла 23.01 KB
  Мета: Експериментально навчитися визначати коефіцієнт лінійного розширення твердого тіла. Завдання: Провести досліди з трьома зразками твердих тіл і на основі дослідних даних визначити коефіцієнт лінійного розширення для кожного зразка. Порівняти їх з табличними значеннями.
72993. Построение простейшей коммутируемой сети 305.5 KB
  Цель: Знакомство с программой Cisco Packet Tracer и проектирование простейшей сети. Теоретическая часть. Для построения простейшей сети, обслуживающей больше двух персональных компьютеров, используются коммутаторы. Коммутатор работает на 2 уровне системы OSI(канальный).
72994. Технологія приготування супів, лабораторна робота 20.83 KB
  Мета: Закріплення теоретичних, організація робочого місця, дотримування технології приготування супів, економно використовувати сировину, електроенергію та воду, дотримування вимог санітарії та гігієни технічних вимог безпеки праці. Скласти звіт про роботу.
72995. Етапи створення нового підприємства 27.08 KB
  Мета: Сформувати в студентів знання про туристичне підприємство засвоїти їх форми види правила та порядок реєстрації. Класифікація підприємства за різними критеріями. Характеристика основних етапів творення туристичного підприємства.