МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Экология» ОСНОВЫ ГЕОЭКОЛОГИИ И ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ. ПОСТРОЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МОДЕЛЕЙ СРЕДСТВАМИ ArcView GIS И Spatial Analyst Лабораторная работа М и н с к Б Н Т У 2 0 1 3 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Экология» ОСНОВЫ ГЕОЭКОЛОГИИ И ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ. ПОСТРОЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МОДЕЛЕЙ СРЕДСТВАМИ ArcView GIS И Spatial Analyst Лабораторные работы для студентов технических и технологических ВУЗов Минск БНТУ 2013 2 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, Основы геоэкологии и геоинформационных систем. Построение простран- ственных моделей средствами ArcView GIS и Spatial Analyst: лабораторные работы для студентов технических и технологических ВУЗов / сост.: С.А. Лаптёнок. – Минск.: БНТУ, 2013, – 22 с. Издание содержит сведения, необходимые студенту для выполнения лабора- торных работ по курсу «Основы геоэкологии и геоинформационных систем». В руководстве приведены основные методики использования инструментальных средств, реализующих технологии географических информационных систем, в целях пространственного моделирования природных и антропогенных объектов и систем. Описаны базовые приемы работы с одной из наиболее популярных систем ArcView GIS и рядом специализированных модулей, расширяющих ее возможно- сти: Spatial Analyst, Network Analys, 3D Analyst, ImageWarp и РАСТРПрофи. Издание предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей. ISBN © БНТУ, 2013 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. 4 В настоящее время ГИС выступают в качестве средства системного 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 примене- ния. 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 инновационно- го развития Республики Беларусь на 2007–2010 гг.» (ГПИР РБ) Государственная программа инновационного развития предусмат- ривает развитие наряду с другими видами новейших информацион- ных 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 ПОСТРОЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МОДЕЛЕЙ СРЕДСТВАМИ ArcView GIS И Spatial Analyst 1. ДОБАВЛЕНИЕ ДАННЫХ К ТАБЛИЦАМ АТРИБУТОВ Для добавления данных в проект закройте окно вида и выберите в окне проекта опцию “Tables” (“Таблицы”) (рис. 1). Нажмите кнопку “New” (“Новая”) и укажите путь для сохранения созданной таблицы (рис. 2, 3). Посредством выбора опции “Edit” (“Редактировать”) и “Add Field” (“Добавить поле”) и внесения в соответствующие поля – “Name” (“Имя”), “Type”, (“Тип”),“Width” (“Ширина”) и “Deci- mal Places” (“Десятичные разряды”) – добавьте в созданную таб- лицу данных (рис. 3) необходимые поля (рис. 4). Используя инструмент – “Edit” (“Редактировать”) запол- ните соответствующие поля таблицы данных (рис. 33). Для добав- ления записей в таблицу используйте опции меню “Edit” (“Редак- тировать”) – “Add Record” (“Добавить запись”) или комбинацию клавиш ‘Ctrl’+’A’. После заполнения каждой графы подтверждайте ввод нажатием клавиши ‘Enter’. Рис. 1. 6 По окончании ввода данных в таблицу выберите в меню опции “Table” (“Таблица”) – “Stop Editing” (“Прекратить редактирова- ние”). После сохранения изменений обычный шрифт в заголовках полей таблицы преобразуется в курсив (рис. 5). Совпадение порядка записей в атрибутивной таблице и в таблице данных (рис. 5) не обязательно. Но написание названий объектов (в данном случае названий городов) в обеих таблицах должно быть идентичным, иначе при связывании таблиц по данному полю по- добные записи будут проигнорированы программой. Рис. 2. Рис .3. 7 Рис. 4. Рис. 5. Для присоединения таблицы данных к атрибутивной таблице необходимо выделить в таблице данных поле, по которому связы- ваются таблицы (в данном случае поле «город»), свернуть (не за- крыть!) таблицу данных, выбрать в окне проекта опцию “Views” (“Виды”), открыть окно “View1” (“Вид1”), нажав кнопку “Open” (“Открыть”). Убедившись, что соответствующая тема активна и не редактируется (рис. 6), открыть атрибутивную таблицу темы ( ) и выделить поле для связывания (в данном случае «населен- ный пункт») (рис. 7). После этого на панели кнопок меню должна активизироваться – “Join” (“Соединить”). Нажатием на данную кнопку таблица данных соединяется с атрибутивной (рис. 8). 8 Рис. 6. Рис. 7. Рис. 8. Если в графе «население» в связанной таблице окажутся пустые графы, проверьте, одинаково ли написание соответствующих названий в графах «населенный пункт» и «город» в обеих таблицах. Если нет, то откройте для редактирования таблицу данных (“Table” (“Таблица”) – “Start Editing” (“Начать редактирование”)), отре- дактируйте необходимое, снова закройте таблицу для редактирова- ния. Теперь при каждом запуске проекта программа будет «подгру- жать» таблицу данных, которая может редактироваться самостоя- тельно. При необходимости удалить соединения откройте атрибутивную таблицу, выберите “Table” (“Таблица”) – “Remove All Joins” (“Удалить все соединения”). 9 2. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ Данные о численности населения в областных центрах Рес- публики Беларусь могут быть представлены в виде дискретной пространственной модели. Для этого необходимо активизировать редактор легенды и в строке “Legend Type” (“Тип легенды”) по- менять значение “Single Symbol” (“Одиночный символ”) на зна- чения “Graduated Color” (“Цветовая палитра”) или “Graduated Symbol” (“Градуированный символ”), установив в строке “Classi- fication Field” (“Поле классификации”) значение «население» (рис. 9). Рис. 9. 10 Применив изменения в легенде нажатием кнопки “Apply” (“Применить”), получим символы с изменяющимся цветом (от светлого к темному) или размером (от мелкого к крупному) в зави- симости от увеличения численности населения соответствующих городов (рис. 10). Рис. 10. 3. ОПЕРАЦИИ СО СПИСКОМ ТЕМАТИЧЕСКИХ СЛОЕВ Для удобства пользователя в ArcView реализуется ряд функций управления видом списка тематических слоев, включенных в вид (слева от рабочей области). Так, используя опции “Theme” (“Тема”) – “Properties” (“Свойства”) или кнопку , можно активизировать окно “Theme Properties” (“Свойства темы”) и изменить название темы, как показано на рис. 11 и 12. 11 Рис. 11. Рис. 12. Также для удобства пользования окном вида при значительном количестве тематических слоев имеется возможность скрыть изоб- ражения легенд, используя опции “Theme” (“Тема”) – “Hide/Show Legend” (“Спрятать/показать легенду”). Сделать активными сра- зу несколько тематических слоев можно, щелкая на их названиях одновременно с нажатием и удержанием клавиши ‘Shift’ (рис. 13). 12 Рис. 13. 4. ИНТЕРПОЛЯЦИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ Для расчета поверхностей используется модуль расширения ArcView – Spatial Analyst . Модуль поставляется и устанавливается отдельно от основной программы. Присутствие Spatial Analyst на Вашем компьютере можно определить по наличию в меню опций “Analysis” (“Анализ”). Если такая опция отсутствует, закройте ок- но вида и, выбрав в меню опции “File” (“Файл”) – “Extensions” (“Модули..”), поставьте «птичку» в соответствующую надписи “Spatial” квадратную кнопку. Затем выберите “Make Default” (“По умолчанию”) и нажмите “OK”. Для интерполяции поверхности по данным темы «Города» убе- дитесь, что тема активна и, если работаете с ArcView версии 3.0a, выберите опции “Analysis” (“Анализ”) – “Interpolate Surface” (“Интерполировать поверхность”) (рис 14). Если версия про- граммы более поздняя (3.1, 3.2, 3.2a, 3.3, 3.3a), используйте опции “Surface” (“Поверхность”) – “Interpolate Grid” (“Интерполиро- вать грид”) (рис. 15). 13 Рис. 14. Рис. 15. В окне “Output Grid Specification” (“Свойства расчетного грида”) установите в строке “Output Grid Extent” (“Экстент рас- четного грида”) значение “Same As View” (“В размер вида”) и нажмите “OK”. Остальные значения устанавливаются программой автоматически (рис. 16). 14 Рис. 16. В окне “Interpolate Surface” (“Интерполировать поверх- ность”) в строке “Method” (“Метод”) установите значение “IDW” (“ОВР”), в строке “Z Value Field” (“Поле значений Z”) – значение «население». Отметьте точкой пункт “Nearest Neighbors” (“Бли- жайшее соседство”), а в поле “No: of Neighbors“ (“Число сосе- дей”) введите максимальное количество соседей для каждой из то- чек (в данном случае каждая точка из шести может иметь не более 5 соседних) (рис.17). Нажатием “OK” запустите расчет поверхности. По окончании работы программы название новой темы с легендой отобразится в списке тематических слоев (рис. 18). Выведите тему в рабочей области. Полученная в результате ин- терполяции поверхность перекрывает отображения других темати- ческих слоев (рис. 19). Дело в том, что тематические слои, или те- мы, располагаются на рабочей области в такой же последовательно- сти, как и их названия в списке слева – сверху вниз. Поэтому, чтобы сделать видимыми остальные тематические слои, необходимо мы- шью с нажатой левой кнопкой «перетащить» название новой темы в нижнюю часть списка (рис. 20). 15 Поскольку логичнее было бы изображать более плотно населен- ные территории более темными цветами, инвертируйте распределе- ние оттенков на гриде, активизировав редактор легенды и используя инструмент (рис. 21, 22). Рис. 17. Рис. 18. Сделайте тему “Surface from…” активной и, используя инстру- мент – “Identify” (“Идентифицировать”), – определите «чис- ленность населения» в произвольных точках на карте (рис. 23, 24). Очевидно, что в любой произвольно выбранной точке определяется свое уникальное значение. Это является определяющей характери- стикой непрерывной пространственной модели. Для сравнения активизируйте тему «Города» и воспользуйтесь инструментом . В данном случае значения можно получить, только установив мар- кер точно на символ населенного пункта. В остальных точках на карте значения получить невозможно. Такая пространственная модель называется дискретной. 16 Рис. 19. Рис. 20. 17 Рис. 21. Рис. 22. 18 Непрерывные пространственные модели в виде гридов являются эффективным средством визуализации динамики различного рода процессов и явлений, распределенных в пространстве. Для повыше- ния уровня восприятия и усиления смысловых акцентов пользова- телям ArcView предоставлена возможность выбора различных цве- товых решений в процессе пространственного моделирования. Например, для выбора желаемой цветовой палитры расчетного гри- да используют окно “Color Ramps” (“Цветовые линейки”) в окне редактора легенды (рис. 25). Рис. 23. 19 Рис. 24. Рис. 25. 20 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какие приемы представления пространственных данных реа- лизуются средствами ArcView GIS? 2. В каком формате могут быть представлены данные для пред- ставления их в проектах ArcView GIS? 3. Какие пространственные операции реализуются средствами модуля Spatial Analyst? 4. В чем заключаются различия между дискретной и непрерыв- ной пространственными моделями представления геоданных? 5. Какие практические задачи можно решать с использованием непрерывных пространственных моделей? 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. Ти- кунов ; под ред. Д. В. Лисицкого. – М. : «Картгеоцентр», Геодезиз- дат, 1993. 3. Морзак, Г. И. Пространственное моделирование в промыш- ленной и социальной экологии / Г. И. Морзак, С. А. Лаптёнок. – Минск : БГАТУ, 2011. – 210 с. 4. Хаксхолд, Виллиам Ё. Введение в городские географические информационные системы / Виллиам Ё. Хаксхолд ; пер. с англ. – New York : Oxford University Press, 1991. – 317 с. 5. Longley, P. A. GIS Teoria i praktyka / P. A. Longley [et. al]. – Warszawa : Wydawnictwo Naukowe PWN, 2006. – 519 s. 6. Ресурсы web-сайта www.esri.com 7. Ресурсы web-сайта www.dataplus.ru 21 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ………..………………………………………………….. 3 ПОСТРОЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МОДЕЛЕЙ СРЕДСТВАМИ ArcView GIS И Spatial Analyst 1. ДОБАВЛЕНИЕ ДАННЫХ К ТАБЛИЦАМ АТРИБУТОВ …… 5 2. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ ….……………………………... 9 3. ОПЕРАЦИИ СО СПИСКОМ ТЕМАТИЧЕСКИХ СЛОЕВ ….... 10 4. ИНТЕРПОЛЯЦИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ………………………... 12 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ……………………………...…… 20 ЛИТЕРАТУРА …………………………………………………….... 20 22 Учебное издание ОСНОВЫ ГЕОЭКОЛОГИИ И ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ. ПОСТРОЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МОДЕЛЕЙ СРЕДСТВАМИ ArcView GIS И Spatial Analyst Лабораторные работы для студентов технических и технологических ВУЗов С о с т а в и т е л ь ЛАПТЁНОК Сергей Антонович Технический редактор __________________________________________________________ Подписано в печать ??.??.201? Формат 60×841/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 15.46+0,35 (вкл.). Уч.-изд. л. 12,09+0,14 (вкл.). Тираж 100. Заказ ????. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Проспект Независимости, 65. 220013, Минск.