Пространственное ГИС-моделирование геоэкологических объектов в ArcGIS

С. В. Лебедев, Е. М. Нестеров 

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ 
ГИС-МОДЕЛИРОВАНИЕ 
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 
В ARCGIS

Санкт-Петербург
Издательство РГПУ им. А. И. Герцена
2018

РОССИЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ  им.  А. И. ГЕРЦЕНА

© С. В. Лебедев, Е. М. Нестеров, 2018
© Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2018
© C. В. Лебединский, дизайн обложки, 2018
ISBN  978-5-8064-2486-1

ББК 26.17
 Л33

Лебедев С. В., Нестеров Е. М.
Л33       Пространственное ГИС-моделирование геоэкологических 
объектов в ArcGIS: учебник. — СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2018. — 260 с. 
ISBN  978-5-8064-2486-1

В учебнике рассматриваются теоретические и практические вопросы создания 
цифровых 2D и 3D моделей в среде ГИС ArcGIS. В практической части учебника последовательно реализуются шаги по созданию ГИС-проектов на основе 
данных геологического и геоэкологического картирования различных по охвату 
территорий и данных топографической картографии (рельеф, природные и техногенные объекты местности). В процессе подготовки ГИС-проектов обучающийся приобретает навыки картосоставителя высокой квалификации в области 
ГИС-технологий.
В части учебника, непосредственно посвященной проблемам геоэкологиче ской 
картографии, читатель познакомится с примерами создания проектов изучения 
загрязнения снежного покрова Санкт-Петербургского региона, отдельных районов Санкт-Петербурга, загрязнения донных отложений Невской губы.
Хотя учебник ориентирован, прежде всего, на студентов вузов, он представляет интерес и для преподавателей, научных работников, а также всех сотрудников, занимающихся проектированием и составлением цифровых моделей 2D 
и 3D карт.
ББК 26.17

Р е ц е н з е н т ы: 
М. А. Холмянский, д-р геолого-минералогических наук, проф. 
(ВНИИОкеангеология);
А. В. Любимов, д-р сельскохозяйственных наук, проф. 
(СПбГЛТА)

Оглавление

Предисловие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
7

Ч а с т ь  I. Системы координат и проекции. . . . . . . . . . . . . . . . . . .  11
1. Геодезическая и математическая основа карт  . . . . . . . . . . . . . .  11
1.1. Форма и размеры Земли  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  11
1.2. Системы координат  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  14
1.3. Координаты и датумы в спутниковых навигаторах  . . . . .  21
1.4. Картографические проекции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  23
1.5. Искажения при проецировании  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  26
1.6. Проекции для топографических карт. . . . . . . . . . . . . . . . .  28
1.7. Зона Гаусса — Крюгера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  30
1.8. Разграфка и номенклатура карт  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  32
2. Работа с проекциями карт мира. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  35
2.1. Создание рабочей папки проекта с файлами исходных 
данных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  35
2.2. Добавление в пустой документ карты слоя Страны  . . . .  36
2.3. Добавление на карту слоев с городами и градусной 
сеткой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  38
2.4. Сохранение и открытие документа карты . . . . . . . . . . . . .  40
2.5. Проекции карт мира. Проекция World Plate Carree  . . . . .  42
2.6. Равнопромежуточная азимутальная проекция  . . . . . . . . .  44
2.7. Средства манипулирования масштабом карты для 
изображения нужной территории  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  46
2.8. Измерение расстояния между объектами карты   . . . . . . .  48
2.9. Сравнение свойств различных равнопромежуточных 
проекций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  50
2.10. Примеры карт в равновеликой (Альберта) 
и равноугольной (Ламберта) проекциях  . . . . . . . . . . . . . .  54
2.11. Зональные проекции. Проекция Гаусса — Крюгера  . . .  57

Ч а с т ь  II. Привязка растров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  62
1. Создание рабочей папки проекта с файлами исходных 
данных  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  63
2. Привязка растров номенклатурных карт  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  64
2.1. Выбор и определение координат точек привязки. . . . . . .  65
2.2. Привязка по реперным точкам  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  67
3. Пример привязки растра туристской карты Ленинградской 
области масштаба 1:800 000. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  72
3.1. Создание таблицы dBASE с координатами точек 
привязки в десятичных градусах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  74

3.2. Отображение в документе карты точек привязки 
и установка географической системы координат   . . . . . .  76
3.3. Перепроектирование координат опорных точек из 
географической системы координат в проекцию Гаусса — 
Крюгера  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  76
3.4. Пространственная привязка по опорным точкам . . . . . . .  78

Ч а с т ь  III. Построение геоэкологических карт с модулем 
Spatial Analyst ArcGIS  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  86
1. Карты распределения тяжелых металлов в снежном покрове 
Санкт-Петербургского региона  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  86
1.1. Сноухимическая съемка  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  86
1.2. Создание рабочей папки проекта с файлами исходных 
данных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  87
1.3. Нанесение на карту точек пробоотбора. . . . . . . . . . . . . . .  88
1.4. Подготовка программы к интерполяции растра . . . . . . . .  94
1.5. Интерполяция растра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  97
1.6. Выбор границ фоновых и аномальных значений 
исследуемого параметра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  99
2. Карты распределения нефтепродуктов в донных осадках 
Невской губы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  103
2.1. Мониторинг содержания нефтепродуктов в акватории 
Невской губы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  103
2.2. Запуск документа карты со слоями исходных данных. . .  104
2.3. Установка источника данных для всех слоев карты. . . . .  107
2.4. Интерполяция данных наблюдений в пунктах 
мониторинга в акватории Невской губы. . . . . . . . . . . . . .  109
2.5. Вырезание слоев в границах акватории Невской губы  . .  112
2.6. Выбор интервалов классификации загрязнения 
нефтепродуктами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  114

Ч а с т ь  IV. Основы геостатистики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  118
1. Что такое геостатистика? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  118
2. Интерполяция данных  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  119
3. Геостатистические методы интерполяции . . . . . . . . . . . . . . . . .  120
3.1. Геостатистика как пространственная статистика . . . . . . .  120
3.2. Построение поверхности с использованием 
геостатистических методов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  121
3.3. Принципы и понятия, лежащие в основе кригинга  . . . . .  122
3.4. Построение эмпирической вариограммы  . . . . . . . . . . . . .  123
3.5. Использование области поиска соседства 
для интерполяции значений параметра. . . . . . . . . . . . . . .  131

4 

4. Статистические показатели распределения  . . . . . . . . . . . . . . . .  134
5. Детерминистские методы интерполяции  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  136
5.1. Интерполяция по методу обратно взвешенных 
расстояний  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  137
5.2. Интерполяция по методу радиальных базисных 
функций  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  140
6. Отображение геостатистических слоев  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  142
6.1. Классификация данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  143
6.2. Равные интервалы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  143
6.3. Квантиль  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  143
6.4. Геометрический интервал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  145
6.5. Установка границ классов вручную. . . . . . . . . . . . . . . . . .  146
6.6. Обрезка растра и экстраполяция значений на всю 
территорию. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  149

Ч а с т ь  V. Построение геоэкологических карт с модулем 
Geostatistical ArcGIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  151
1. Начало работы с модулем Geostatistical Analyst  . . . . . . . . . . . .  151
1.1. Исходные данные. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  151
1.2. Создание рабочей папки проекта с файлами исходных 
данных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  151
1.3. Подключение и запуск модуля Geostatistical Analyst . . . .  153
2. Исследовательский анализ пространственных данных. . . . . . .  153
2.1. Гистограмма  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  153
2.2. Нормальный график КК (Квантиль — Квантиль)  . . . . . .  156
2.3. Преобразования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  159
3. Построение поверхности с использованием кригинга  . . . . . . .  159
Шаг 1. Выбор метода интерполяции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  161
Шаг 2. Выбор типа кригинга  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  161
Шаг 3. Построение вариограммы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  161
Шаг 4. Поиск соседства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  162
Шаг 5. Перекрестная проверка  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  165
Карта проинтерполированной поверхности. . . . . . . . . . . . . . .  165
4. Вариант построения поверхности с трансформацией данных  168
5. Построение поверхности с использованием детерминистского 
метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  170
5.1. Исследование данных  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  170
5.2. Выбор метода интерполяции  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  173
5.3. Построение поверхности с использованием ОВР (IDW)  174
6. Обрезка и экстраполяция растра по контуру территории. . . . .  177
7. Способы отображения слоев, количество и границы 
интервалов классификации  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  180

5

7.1. Способы разбиения значений на классы . . . . . . . . . . . . . .  182
7.2. Установка границ интервалов при использовании 
кригинга  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  183
7.3. Установка границ интервалов при использовании 
жесткого метода интерполяции  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  188

Ч а с т ь  VI. Растровая 3D-модель карты Ленинградской области 
(модуль ArcGIS 3D Analyst). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  193
 1. Создание рабочей папки проекта с файлами исходных 
данных  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  193
 2. Перепроектирование исходных слоев данных. . . . . . . . . . . . .  194
 3. Подготовка данных к преобразованию в растр  . . . . . . . . . . . .  200
 4. Создание растровой модели рельефа  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  205
 5. Количественный анализ поверхностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  208
6.1. Инструмент Отмывка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  209
6.2. Инструмент Уклон  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  211
6.3. Инструмент Экспозиция  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  213
 6. Подключение и запуск модуля 3D Analyst. . . . . . . . . . . . . . . .  214
 7. Запуск и интерфейс приложения ArcScene  . . . . . . . . . . . . . . .  214
 8. Масштабирование рельефа по высоте  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  216
 9. Добавка на сцену векторных слоев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  217

Ч а с т ь  VII. TIN-модель рельефа в районе Саблинского 
учебного полигона  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  222
 1. TIN-поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  222
 2. Создание рабочей папки проекта с файлами исходных 
данных  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  223
 3. Начало работы с приложением ArcScene . . . . . . . . . . . . . . . . .  224
 4. Создание TIN из точечных данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  226
 5. Масштабирование рельефа по высоте  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  232
 6. Создание боковых граней и нижней поверхности сцены . . . .  233
 7. Добавление на карту слоя полигональных рек  . . . . . . . . . . . .  234
 8. Использование линий перегиба для создания TIN  . . . . . . . . .  237
 9. Добавление на карту слоя полигональных дорог  . . . . . . . . . .  243
10. Редакция границ интервалов классификации  . . . . . . . . . . . . .  248
11. Создание профиля рельефа  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  250
12. Создание линии взгляда на рельефе  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  252
13. Количественный анализ поверхностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  254
13.1. Карта уклонов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  254
13.2. Карта экспозиции склонов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  256
Рекомендуемая литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  257

6 

Предисловие

Под пространственным моделированием мы понимаем в контексте настоящего учебника создание компьютерных 2D и 3D моделей 
геоэкологических объектов. Геоэкологическими объектами, на наш 
взгляд, являются любые природные и техногенные объекты и явления, 
которые входят в круг интересов экологических направлений наук о 
Земле — геоэкология, экологическая геология, экологические геофизика, геохимия, минералогия и др. Отличительной особенностью 
таких объектов является то, что в качестве абиотических факторов 
окружающей среды они могут оказывать негативное влияние на биоту, включая человека. 
В качестве средств компьютерного моделирования мы ориентируемся на географические информационные системы (ГИС). ГИС — это 
компьютерные системы для сбора, хранения, управления, анализа и 
представления пространственно определенной информации. ГИСтехнология объединяет традиционные операции при работе с базами 
данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуще ствами 
визуализации и пространственного анализа, которые предоставляет 
карта. Данные свойства определяют возможность применения ГИС в 
широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений 
и событий окружающего мира, например, со стратегическим и текущим 
планированием природоохранных мероприятий.
Осознание технологических преимуществ ГИС привело к тому, 
что сегодня во всех развитых странах, в Российской Федерации в том 
числе, государственные фонды геологической, географической, экологической и прочей геоинформации переведены или переводятся 
в электронную форму.
Те или иные ГИС-программы (ArcGIS, MapInfo, QantumGIS и др.) 
обладают как преимуществами, так и недостатками. Мы остановили 
свой выбор на программных продуктах ESRI (Environmental Systems 
Research Institute — Институт исследований систем окружающей 
среды) — мирового лидера-разработчика ГИС-инструментария. 
С началом XXI в. новым товарным знаком ESRI стало семейство 
программных продуктов ArcGIS. При довольно высокой цене лицензионного программного обеспечения российским высшим учебным 
заведениям ESRI предоставляет существенные скидки.
Настоящий учебник состоит из 7 частей. В первой части вы познакомитесь с геодезической и математической основой карт и выполните 

Пространственное ГИС-моделирование геоэкологических объектов…

упражнения по работе с различными проекциями. Поскольку в настоящем учебнике речь идет о пространственном моделировании земных 
объектов необходимо четко представлять себе: в какой системе координат (опорная система для определения положения точек в пространстве 
или на плоскостях и поверхностях относительно выбранных осей, 
плоскостей или поверх ностей) представлены геоэкологические  объекты, 
и какую проекцию необходимо использовать для минимизации искажений (форма, направление, площадь) тех параметров, которые наи более существенны для решения конкретных задач моделирования. 
Выполняя упражнения Части II, вы познакомитесь с процедурой 
«привязки растра», когда на основе нескольких опорных точек с известными координатами каждому пикселю отсканированного изображения присваивается значение мировых координат. Для привязки 
используют такие опорные точки, координаты которых в выбранной 
координатной системе известны или могут быть достоверно определены по карте. Определить координаты опорных точек можно c 
помощью сервиса таких порталов, как Google Maps — набор приложений, построенных на основе бесплатного картографического сервиса и технологии, предоставляемых компанией Google.
Рассмотренная в учебнике техника привязки растров может использоваться для привязки туристских карт. Часто такие карты не 
имеют ни градусной, ни километровой сетки, либо разграфка листа 
карты носит условный характер. В этом случае, чтобы привязать 
карту, вы сможете воспользоваться самостоятельно определенными 
координатами нескольких опорных точек на карте с помощью средств 
GPS или ГЛОНАСС.
Часть III посвящена построению геоэкологических карт с помощью 
модуля Spatial Analyst ArcGIS. Построение карт распределения какого-либо параметра по площади основано на интерполяции растров. 
Суть интерполяции состоит в том, чтобы, используя в качестве исходных данных распределенные по некой схеме точки замеров определенных параметров, рассчитать значения параметров между точками измерений по более густой сети, определяемой требуемой 
точностью интерпретации исследуемого объекта (явления). Вы познакомитесь с техникой построения карт на примерах обработки 
результатов геохимической съемки снежного покрова Санкт-Петербургского региона и мониторинга загрязнения донных осадков 
Невской губы нефтепродуктами. 
Главная проблема, с которой сталкиваются специалисты, занимающиеся моделированием в ГИС, — построение наиболее точной 

Предисловие 
9

из возможных поверхностей на основе существующих опорных (исходных) точек, наряду с оценкой ошибки интерполяции и отклонений 
проинтерполированной поверхности от искомой. Построенные поверхности впоследствии используются в ГИС-моделировании и 
анализе, наряду с их трехмерной визуализацией. Понимание каче ства 
этих построений может значительно улучшить эффективность и направленность ГИС-моделирования. 
Центральное место в учебнике занимают Части IV, V. Здесь рассматриваются основы геостатистики и приводятся упражнения по 
обработке и визуализации геоэкологических данных с использованием модуля Geostatistical Analyst ArcGIS. Особое внимание при построении карт уделяется методологии выбора и обоснования интервалов классификации исследуемого геоэкологического параметра.
Модуль Geostatistical Analyst предназначен для усовершенствованного моделирования поверхности с использованием детерминистских и геостатистических методов. Он расширяет возможности ArcMap 
за счет появления дополнительных инструментов, предназначенных 
для исследовательского анализа пространственных данных (ESDA), 
а также Мастера операций геостатистики, который поможет вам 
в процессе построения статистически достоверной поверхности.
Выполняя упражнения Части VI, вы приобретете навыки практического 3D-моделирования растровых поверхностей. На основе векторных объектов — изогипсы, реки, озера и заливы — вы создадите растровую цифровую модель рельефа Ленинградской области масштаба 
1:200 000. При этом вы воспользуетесь инструментами и функциями 
дополнительного модуля 3D Analyst и приложения ArcScan. Наряду с 
методикой 3D-моделирования вы освоите такие частные, но важные 
для ГИС-технологии процедуры, как пространственная конвертация 
данных из одной системы координат в другую, калькуляция растров, 
выборка по атрибутам и создание новых слоев данных и др.
Завершает учебник Часть VII, посвященная практическим навыкам 
создания TIN-поверхностей (Triangulation Irregular Network — триангуляционная нерегулярная сеть). На примере создания цифровой 
модели рельефа территории Саблинской учебной базы (Тосненский 
район, Ленинградская обл.) рассмотрены такие важные технологические проблемы, как моделирование «площадных» естественных 
объектов — рек. В отличие от морей и озер, имеющих постоянную 
высоту зеркала воды, реки меняют Z-координату. Среди секущих 
рельеф географических объектов особое место занимают дороги с 
насыпями и выемками. Вы научитесь использовать линии перегиба 

Пространственное ГИС-моделирование геоэкологических объектов…

(жесткие, мягкие) для более точного моделирования таких техногенных объектов, изучите приемы их 3D-редакции. Понимание проблем 
создания таких поверхностей, как рельеф поможет вам в практиче ском 
освоении навыков создания любых других сложных геоэкологических 
3D-моделей. 
Учебник написан по материалам лекций и практических занятий, 
проводимых на протяжении ряда лет для студентов факультетов 
географии, биологии, информационных технологий, обеспечения 
безопасности жизнедеятельности Российского государственного 
педагогического университета им. А. И. Герцена, естественнонаучных 
факультетов Санкт-Петербургского государственного университета 
(геологический, географический). 
В учебнике содержатся также базовые сведения о свойствах цифровых моделей тематических карт и принципах работы программного комплекса ArcGIS. Текст учебника максимально сжат и лаконичен. 
В упражнениях названия команд меню, инструментов и пр. даны для 
русскоязычного интерфейса программы ArcGIS 10. В скобках приводится вариант оригинала на английском языке. Все иллюстрации, 
касающиеся интерфейса программы, воспроизведены на языке оригинала.
Текст, иллюстрации и содержание упражнений в основном авторские. Исключение составляет содержание Части III (Основы геостатистики), которое в определенной степени совпадает с руководством 
пользователя [ArcGIS 9 Geostatistical Analyst, 2001] и интерактивной 
справки к ArcGIS 10.2.
Все необходимые для выполнения упражнений исходные данные 
можно получить на сайте по адресу http://earth.spbu.ru (с главной 
страницы вы можете перемещаться по ссылкам Отделения и лаборатории > Сотрудники от А до Я > Л > Лебедев Сергей Васильевич > 
Материалы к книге).