Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Экология» ОСНОВЫ ГЕОЭКОЛОГИИ И ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ. Лабораторные работы Минск БНТУ 2012 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Экология» ОСНОВЫ ГЕОЭКОЛОГИИ И ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ. БАЗОВЫЕ СРЕДСТВА ArcView GIS 3.x Лабораторные работы для студентов технических и технологических вузов Минск БНТУ 2012 УДК 550.8:504(075.8) ББК 26.22я7 О-75 С о с т а в и т е л ь С.А. Лаптёнок Р е ц е н з е н т ы: С.Г. Оника, В.Н. Копиця О 75 Основы геоэкологии и геоинформационных систем. Базовые сред- ства ArcView GIS 3.x: лабораторные работы для студентов техни- ческих и технологических вузов / сост. С.А. Лаптёнок. – Минск: БНТУ, 2012. – 25 с. Издание содержит сведения, необходимые студенту для выпол- нения лабораторных работ по дисциплине «Основы геоэкологии и геоинформационных систем». В руководстве приведены основные методики использования инструментальных средств, реализующих технологии географических информационных систем, в целях про- странственного моделирования природных и антропогенных объек- тов и систем. Описаны базовые приемы работы с одной из наиболее популярных систем ArcView GIS и рядом специализированных модулей, расширяющих ее возможности: Spatial Analyst, Network Analyst, 3D Analyst, ImageWarp и РАСТРПрофи. Издание предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей. ISBN 978-985-525-886-6 © БНТУ, 2012 3 ВВЕДЕНИЕ Последние десятилетия явились периодом интенсивного разви- тия вычислительной техники и программных средств, ориентиро- ванных на решение различного рода задач, в частности, и геогра- фических информационных систем (ГИС). ГИС-технологии все шире используются для эффективной автоматизации процесса при- нятия решений в многочисленных народнохозяйственных задачах. Эффективность такого подхода обусловлена возможностью эффек- тивной наглядной интерпретации имеющейся информации, пред- ставляемой в форме оперативных географических и топографиче- ских изображений (различного рода карт), которые наиболее ин- формативны благодаря своей наглядности и обзорности. Целевым назначением ГИС является обеспечение географической информа- цией исследований и широкого круга пользователей в области мо- делирования и управления окружающей средой. Географические информационные системы в процессе своего развития претерпели эволюцию от систем автоматизированного картографирования до полнофункциональных территориально раз- вернутых информационных систем. В настоящее время средствами ГИС инвентаризируются при- родные и трудовые ресурсы, планируются сети здравоохранения и обслуживания населения, развитие городов, проектируются трассы нефтепроводов и транспортные магистрали, разрабатываются эко- логические мероприятия и анализируются результаты выборов, ре- шается широкий спектр научных и практических задач. Основное назначение ГИС состоит в том, чтобы представлять пользователю достоверную и адекватно обработанную информацию для решения управленческих и аналитических задач в наглядной форме, удобной для оперативного анализа. Во всех промышленно развитых странах созданы сотни ГИС самого различного назначения: земельные, ка- дастровые, муниципальные, ресурсные, экологические, океанологи- ческие, навигационные и т.п. В настоящее время основной задачей является развитие ГИС и оперативного автоматизированного карто- графирования, координация программ получения, обработки и рас- пределения геоинформации, создания сетей ГИС, совершенствова- ние поддерживающего технического и программного обеспечения. В настоящее время ГИС выступают в качестве средства системного 4 и целевого накопления информации и управления окружающей средой. Развитие и прогресс ГИС-технологий во многом связан с телекоммуникационными сетями, обеспечивающими широкому кругу пользователей доступ к геоинформационным ресурсам. Соче- тание и взаимодействие средств телекоммуникации, геоинформати- ки и автоматизированного картографирования многократно усили- вает их эффективность и существенно расширяет сферу применения. Реализуемая в Республике Беларусь в соответствии с Указом Президента Республики Беларусь от 26 марта 2007 г. № 136 «О гос- ударственной программе инновационного развития Республики Бе- ларусь на 2007 –2010 годы» и постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 25 апреля 2007 г. № 523 «Об утверждении Плана реанимации Государственной программы инновационного развития Республики Беларусь на 2007–2010 гг.» (ГПИР РБ) Госу- дарственная программа инновационного развития предусматривает развитие наряду с другими видами новейших информационных технологий и технологий ГИС. Данное издание является частью учебно-методического ком- плекса преподавания дисциплины «Основы геоэкологии и геоин- формационных систем» и направлено на более качественное освое- ние студентами навыков использования ГИС в профессиональной деятельности. Автор выражает благодарность В.И. Былю за неоценимую тех- ническую и методическую помощь в подготовке исходных матери- алов. 5 БАЗОВЫЕ СРЕДСТВА ArcView GIS 3.x 1. ЗАПУСК ПРИЛОЖЕНИЯ И ПОДГОТОВКА ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНОВЫ Включите персональный компьютер. Если на рабочем столе от- сутствует иконка ArcView ( ), запустите приложение, выбирая последовательно следующие опции меню: “ПУСК”, “Программы” или “Все программы” (в зависимости от версии операционной системы Microsoft Windows, установленной на Вашем компьютере), “ESRI” и “ArcView version 3.0a” (“ArcView version 3.1, 3.2, 3.2a, 3.3, 3.3a”). В открывшемся окне вида “Untitled” (“Безымянный”) выбери- те опцию “Views” (“Виды”) и щелкните левой кнопкой мыши на кнопке “New” (“Новый”) (рис. 1). Для удобства работы с подроб- ными картографическими изображениями рекомендуется открывать все окна на максимальный размер. Рис. 1 6 В открывшееся окно “View 1” (“Вид 1”) (рис. 2) поместите те- матический слой, содержащий топографическую основу будущей модели. Как правило, в качестве топографической основы (или кар- тографической «подложки») выбирают графические файлы, полу- ченные в результате сканирования «жестких копий» картографиче- ского материала, нанесенного на бумажные или пленочные носите- ли. Это файлы в формате .bmp, .jpg, .tif и др. Рис. 2 Для добавления в вид топографической основы выберите в главном меню опции “View” (“Вид”) и “Add Theme” (“Добавить тему”) или щелкните мышью на кнопке . 7 Рис. 3 В соответствующем окне (рис. 3) в строке “Data Source Types” (“Типы данных”) выберите “Image Data Source” (“Растровые данные”) и найдите указанный преподавателем файл, предназна- ченный к использованию в качестве топографической основы Ва- шей модели. Рис. 4 В окне вида в списке тематических слоев появится название вы- бранной темы, выделенное в виде «приподнятой» панели (рис. 4). Для отображения тематического слоя в рабочем пространстве окна вида щелкните мышью на выступающей квадратной кнопке слева 8 от названия темы. Тема отобразится в активной области, а в квадра- те появится «птичка» (рис. 5). При повторном щелчке значок исчез- нет, и отображение темы будет отключено. Рис. 5 2. СОЗДАНИЕ ТЕМАТИЧЕСКИХ СЛОЕВ. ГЕОКОДИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ В ArcView для моделирования пространственных объектов до- ступны следующие виды данных: полигональные, линейные и то- чечные. В виде полигональных объектов, как правило, отображают- ся административные зоны, озера, лесные массивы, территории населенных пунктов на крупномасштабных картах, территории предприятий и т.п. В виде линейных – реки и каналы, автомобиль- ные и железные дороги, линии электропередачи, трубопроводы и др. В виде точек отображаются объекты, размеры которых относи- тельно малы в масштабах отраженной территории, например, насе- ленные пункты на мелкомасштабной карте. 9 Поскольку процесс подробного геокодирования является достаточ- но трудоемким, создаваемые модели будут носить условно- приближенный характер, позволяющий, тем не менее, освоить ос- новные приемы работы со средствами ArcView GIS. 2.1. Геокодирование полигональных объектов Для создания тематического слоя, отображающего границу Рес- публики Беларусь, выберите в меню опции “View” (“Вид”) – “New Theme” (“Новая тема”). Рис. 6. В соответствующем окне выберите тип “Polygon” (“Полигон”) (рис. 6). Выберите путь на диске для сохранения файлов создавае- мого тематического слоя и его наименование (рис. 7). В данном случае можно оставить путь и имя, предложенные программой, так как учебные файлы повторно не используются. При разработке соб- ственных проектов рекомендуется сохранять все ресурсы в специ- ально созданных для них директориях (папках), присваивая им наименования, позволяющие легко идентифицировать содержание. После указания наименования и пути для сохранения файлов в списке тематических слоев вида появится название новой темы (рис. 8). Вновь созданная тема по умолчанию активна (выделена «приподнятым» прямоугольником) и отображена в рабочей области (квадратная кнопка слева отмечена «птичкой»). Тема открыта для редактирования, о чем свидетельствует пунктирная линия по пери- метру кнопки. 10 Рис. 7. Рис. 8. Нажатием и удержанием кнопки откройте вертикальное меню инструментов и выберите кнопку – “Polygon” (“Полигон”). Щелкая кнопкой мыши на выступающих точках границы, сформи- руйте в рабочей области полигон. Для завершения создания поли- гона щелкните кнопкой мыши дважды. Во избежание ошибок даль- нейшей обработки линии при создании полигона не должны пере- секаться (рис. 9). После завершения создания полигона 11 тематический слой отобразится в рабочей области в следующем ви- де (рис. 10). Рис. 9. Рис. 10. 12 Дальнейшее редактирование в данном случае затруднено, поэто- му следует изменить представление темы на более удобное для ра- боты. Для этого выберите опции меню “Theme” (“Тема”) – “Edit Legend” (“Редактировать легенду”), нажмите кнопку или дважды щелкните на названии темы в списке. В открывшемся окне редактора легенды также дважды щелкните “Symbol” (“Символ”) (рис. 11). В открывшемся окне редактирования элементов легенды (рис. 12) используя кнопку – “Fill Palette” (“Палитра штрихо- вок”) измените заливку (штриховку) и толщину контура в окне прокрутки “Outline” (“Контур”) (рис. 13). Нажатием кнопки “Ap- ply” (“Применить”) внесите изменения в изображение в рабочей области (рис. 14). Для дальнейшего редактирования темы исполь- зуются инструменты – “Vertex Edit” (“Редактировать вер- шины”), – “Zoom In” (“Увеличить”), – “Предыдущий экстент” (возвращает изображение на один шаг назад) и – “Полный экстент” (возвращает рабочую область в первоначальное состояние). При включенной кнопке щелчком мыши на линии добавляются новые точки излома и «перетягиваются» в нужное ме- сто (рис. 15). По окончании редактирования выберите опции меню “Theme” (“Тема”) – “Stop Editing” (“Прекратить редактирование”) и со- храните произведенные изменения нажатием соответствующей кнопки (рис. 16). При этом пунктирный контур вокруг квадратной кнопки возле названия в списке тематических слоев будет отключен – тема недоступна для редактирования. Для последующих сеансов редактирования необходимо выбрать “Theme” (“Тема”) – “Start Editing” (“Начать редактирование”). Индикатором доступности темы для редактирования послужит включенный пунктирный контур. 13 Рис. 11. Рис. 12. Рис. 13. 14 Рис. 14. Рис. 15. 15 Рис. 16 2.2. Геокодирование линейных объектов В качестве примера представления линейного объекта отобразим в качестве тематического слоя векторной пространственной модели автомобильную дорогу Е30-М1 «Брест – граница Российской Феде- рации». Для этого выберите в меню опции “View” (“Вид”) и “New Theme” (“Новая тема”). В соответствующем окне обозначьте тип отображаемого объекта – “Line” (“Линия”) (рис. 17). Рис. 17 Используя кнопку – “Pen Palette” (“Палитра линий”) в строке “Size” (“Размер”) установите желаемую толщину, а кнопку – “Color Palette” (“Палитра цветов”) – цвет линии (рис. 18). Вне- сенные изменения отобразятся в окне редактора легенды (рис. 19). 16 Рис. 18 Рис. 19. 17 После нажатия кнопки “Apply” (“Применить”) изменения отобразятся и в окне вида (рис. 20). Выбрав в меню инструментов кнопку , щелчками левой кнопки мыши в точках перегиба по- стройте линию. Последнюю нанесенную точку можно удалить щелчком правой клавиши мыши. Завершение нанесения объекта – двойной щелчок левой кнопкой мыши. Рис. 20. Прекратите редактирование темы и сохраните внесенные измене- ния. Если после завершения редактирования нанесенная линия окрасится в желтый цвет, используйте кнопку – “Отменить выборку”. 18 2.3. Геокодирование точечных объектов Произведите геокодирование в виде точечных объектов област- ных центров Республики Беларусь. Для этого выберите в меню оп- ции “View” (“Вид”) и “New Theme” (“Новая тема”). В соответ- ствующем окне обозначьте тип отображаемого объекта – “Point” (“Точка”) (рис. 21), и произведите все необходимые процедуры аналогично пп. 2.1. и 2.2. Рис. 21. Активизируйте редактор легенды и с помощью инструмента – “Marker Palette” (“Палитра маркеров”) – установите вид симво- ла, который будет обозначать на карте геокодируемые точечные объекты, а с помощью инструмента – “Color Palette” (“Па- литра цветов”) – желаемый цвет символа (рис. 22). Выбрав в меню инструментов кнопку , нанесите на карту в соответствии с топографической основой символы областных цен- тров. Для более точного размещения символов используйте ин- струменты – “Zoom In” (“Увеличить”), – “Pan” (“Пере- двинуть”), – “Zoom Out” (“Уменьшить”), – “Преды- дущий экстент” и – “Полный экстент”. Последнюю нанесенную точку можно удалить щелчком правой клавиши мыши. После нанесения первой точки посредством нажатия кнопки – “Open Theme Table” (“Открыть таблицу темы”) откройте атри- бутивную таблицу редактируемой темы и добавьте в нее поле для 19 внесения названий геокодируемых населенных пунктов. Для этого выберите в меню опции “Edit” (“Редактировать”) и “Add Field” (“Добавить поле”). В соответствующие поля открывшегося окна – “Name” (“Имя”), “Type”, (“Тип”) и “Width” (“Ширина”) – вне- сите соответственно название поля, его тип (в данном случае “String” –“Символьное”) и количество знаков (рис. 23). Рис. 22. Рис. 23. 20 Выберите инструмент – “Edit” (“Редактировать”) – и по- зиционируйте курсор в соответствующей ячейке таблицы атрибу- тов. Введите название населенного пункта, соответствующее нане- сенной точке, нажмите ‘Enter’ (рис. 24). Рис. 24. Закройте атрибутивную таблицу, нанесите следующую точку, снова откройте ее и внесите соответствующее название населенного пункта, как указано выше. Когда все точки будут соответствующим образом нанесены, за- кончите редактирование темы, выбрав “Table” (“Таблица”) – “Stop Editing” (“Прекратить редактирование”). После сохране- ния изменений обычный шрифт в названиях полей таблицы, ис- пользуемый в режиме редактирования, будет преобразован в курсив (рис. 25). Рис. 25. 21 2.4. Нанесение подписей Проверьте, является ли тема, объекты которой вы собираетесь подписывать, активной! Для нанесения на карту подписей геокодированных объектов выберите в меню опции “Window” (“Окно”) – “Show Symbol Window” (“Показать окно символов”). С помощью инструмента – “Font Palette” (“Па- литра шрифтов”) выберите для подписей характеристики шрифта, соответствующие масштабу карты, размерам и количеству объектов и другим условиям, обеспечивающие комфортное восприятие изоб- ражения (рис. 26). Рис. 26. Затем выберите опции “Theme” (“Тема”) – “Auto Label” (“Авто- подпись”) или воспользуйтесь комбинацией клавиш ‘Ctrl’+‘L’. В строке “Label field” (“Поле подписи”) установите название поля таблицы, из которого должны быть взяты значения для подписи объектов (рис. 27). После нажатия клавиши ‘Enter’ подписи будут выведены в рабочей области (рис. 28). 22 Рис. 27. Рис. 28. 23 Для нанесения подписей отдельных объектов в интерактивном режиме используют инструмент (устанавливают маркер на нужный объект и щелкают левой кнопкой мыши). Удаляют подпи- си, выбирая опции меню “Theme” (“Тема”) – “Delete label” (“Уда- лить подписи”) или комбинацию клавиш ‘Ctrl’+’R’. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какие инструменты ArcView GIS предназначены для управле- ния масштабом и размещением картографических изображений? 2. Параметры каких картографических изображений – растровых или векторных – можно редактировать средствами ArcView GIS? 3. Каким образом можно наглядно продемонстрировать различия между растровой и векторной моделями представления геоданных? 4. Какими типами графических объектов позволяют оперировать средства ArcView GIS? 5. Какие типы реальных пространственных объектов отобража- ются посредством графических объектов в ArcView GIS? ЛИТЕРАТУРА 1. Бубнов, В.П. Решение задач экологического менеджмента с использованием методологии системного анализа / В.П. Бубнов, С.В. Дорожко, С.А. Лаптенок. – Минск: БНТУ, 2009. – 266 с. 2. Кошкарев, А.В. Геоинформатика / А.В. Кошкарев, В.С. Тику- нов; под ред. Д.В. Лисицкого. – М.: «Картгеоцентр», Геодезиздат, 1993. 3. Морзак, Г.И. Пространственное моделирование в промышлен- ной и социальной экологии / Г.И. Морзак, С.А. Лаптёнок. – Минск: БГАТУ, 2011. – 210 с. 4. Хаксхолд, Виллиам Ё. Введение в городские географические информационные системы / Хаксхолд Виллиам Ё; пер. с англ. – New York: Oxford University Press, 1991. – 317 с. 5. P.A. Longley, M. F. Goodchild, D.J. Maguire, D.W. Rhind GIS Teor- ia i praktyka. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2006, 519 s. 6. Ресурсы web-сайта www.esri.com 7. Ресурсы web-сайта www.dataplus.ru 24 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 БАЗОВЫЕ СРЕДСТВА ArcView GIS 3.x. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1. ЗАПУСК ПРИЛОЖЕНИЯ И ПОДГОТОВКА ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНОВЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. СОЗДАНИЕ ТЕМАТИЧЕСКИХ СЛОЕВ. ГЕОКОДИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 2.1. Геокодирование полигональных объектов. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2. Геокодирование линейных объектов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3. Геокодирование точечных объектов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4. Нанесение подписей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 25 Учебное издание ОСНОВЫ ГЕОЭКОЛОГИИ И ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ. БАЗОВЫЕ СРЕДСТВА ArcView GIS 3.x Лабораторные работы для студентов технических и технологических вузов С о с т а в и т е л ь ЛАПТЁНОК Сергей Антонович Технический редактор О.В. Песенько Подписано в печать 02.04.2012. Формат 60×841/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 1,45. Уч.-изд. л. 1,14. Тираж 100. Заказ 337. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Проспект Независимости, 65. 220013, Минск.