Использование геоинформационных систем для изысканий и мониторинга на водных объектах

А. Г. ТУРЛОВ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ 

ДЛЯ ИЗЫСКАНИЙ И МОНИТОРИНГА 

НА ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ

Учебно-методическое пособие 

Йошкар-Ола

2022

УДК 556.012:004(07)
ББК  26.22:32.81я7

Т 86

Рецензенты:

профессор кафедры строительных конструкций и водоснабжения 
ПГТУ, доктор технических наук А. Г. Поздеев;
доцент кафедры строительных конструкций и водоснабжения 
ПГТУ, кандидат технических наук Ю. А. Кузнецова

Печатается по решению

редакционно-издательского совета ПГТУ

Турлов, А. Г.

Т 86
Использование геоинформационных систем для изысканий 

и мониторинга на водных объектах: учебно-методическое пособие / 
А. Г. Турлов. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2022. – 60 с.
ISBN 978-5-8158-2286-3

Приведены основные сведения о геоинформационных системах. Рас
смотрены методы обработки и анализа работ по проведению изысканий и 
мониторинга на водных объектах с использованием ГИС-технологий. 

Для студентов направления 20.04.02 «Природообустройство и водо
пользование».

УДК 556.012:004(07)

ББК 26.22:32.81я7

ISBN 978-5-8158-2286-3
© Турлов А. Г., 2022
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.............................................................................................................. 4
Введение.................................................................................................................... 5

1. Общие сведения о геоинформационных системах....................................... 6

1.1. Понятие о ГИС. Основные цели и задачи 
создания и использования ГИС. Структура ГИС ............................................ 6
1.2. Организация хранения данных в ГИС ....................................................... 9
1.3. Представление данных в ГИС .................................................................. 11
1.4. Организация ГИС-карты........................................................................... 13
Контрольные вопросы ..................................................................................... 15

2. Создание плановой основы для проведения изысканий и мониторинга .. 16

2.1. Создание плана........................................................................................... 16
2.2. Привязка растра ......................................................................................... 19
Контрольные вопросы ..................................................................................... 20
Задание.............................................................................................................. 21

3. Создание объектов на ГИС-карте.................................................................. 22

3.1. Оцифровка растра....................................................................................... 22
3.2. Ввод объектов с клавиатуры...................................................................... 25
3.3. Ввод объектов заливкой из файла............................................................. 26
Контрольные вопросы ..................................................................................... 28
Задание.............................................................................................................. 28

4. Работа с объектами геоинформационной системы..................................... 29

4.1. Организация запросов на поиск информации......................................... 29
4.2. Групповая обработка объектов................................................................. 35
4.3. Поиск и построение по спискам объектов............................................... 38
Контрольные вопросы ..................................................................................... 41
Задание.............................................................................................................. 41

5. Использование и анализ 3D-изображения 
в геоинформационной системе........................................................................... 42

5.1. Создание матриц высот............................................................................. 42
5.2. Построение горизонталей рельефа........................................................... 45
5.3. Построение профилей ............................................................................... 46
Контрольные вопросы ..................................................................................... 47
Задание.............................................................................................................. 47

6. Создание матрицы качеств............................................................................. 48

Контрольные вопросы ..................................................................................... 53
Задание.............................................................................................................. 53

7. Создание матрицы слоев................................................................................. 54

Контрольные вопросы ..................................................................................... 57
Задание.............................................................................................................. 57

Заключение.............................................................................................................. 58
Список литературы................................................................................................. 59

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс «Геоинформационные системы» является одной из дисциплин 

естественнонаучного модуля при подготовке магистров в области природообустройства и водопользования. Он направлен на получение обучающимися знаний в области применения методов современных информационных технологий при решении научных и практических задач. Геоинформационные системы предназначены для работы с пространственно 
привязанной информацией и наиболее востребованы в области инженерных изысканий и мониторинга окружающей среды.

Освоение дисциплины позволит выпускнику:
•
применять в дальнейшей профессиональной деятельности со
временные информационные методы обработки и анализа геоинформации;

•
решать конкретные организационно-технологические задачи для 

координации деятельности специалистов, занятых подготовкой, планированием и выполнением работ по инженерно-геодезическим изысканиям в области природообустройства и водопользования;

•
владеть методами производственного контроля качества выпол
ненных основных видов работ.

Настоящее пособие разработано в соответствии с государственным 

стандартом подготовки магистров по направлению 20.04.02 «Природообустройство и водопользование» (профиль «Комплексное использование и охрана водных ресурсов»).

Пособие предназначено для изучения теоретического курса и может 

служить в качестве справочного руководства при организации инженерных изысканий и мониторинга на водных объектах, а также при выполнении выпускной квалификационной работы.

ВВЕДЕНИЕ

При проведении изысканий и мониторинга на водных объектах 

необходимо определять широкий спектр показателей в различных точках, распределенных к тому же не только в плане, но и по водной и земной толще. При этом из-за больших размеров объектов и сложности 
проведения полевых работ точки наблюдений, как правило, отстоят достаточно далеко друг от друга. 

Для получения полной информации об исследуемом объекте в лю
бой его точке требуется не просто обработать данные изысканий, а получить информационную модель объекта. Именно для этой цели наиболее пригодны геоинформационные системы (ГИС), средства представления координатно привязанной информации. 

Применение геоинформационных систем позволяет не только полу
чить информацию о современном состоянии территорий. С их помощью 
можно проследить динамику изменения различных показателей, спрогнозировать последствия тех или иных природных и техногенных явлений, выявить опасные зоны и объекты, попадающие в эти зоны. 

Геоинформационные системы позволяют хранить большой объем 

разнообразной информации, проводить поиск информации по различным сочетаниям условий. Слоистая структура организации данных 
обеспечивает требуемую наглядность представления информации. ГИСсистемы можно легко подстроить под конкретные задачи пользователя, а 
также обеспечить вывод информации для обеспечения принятия управленческих решений.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 

О ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ 

СИСТЕМАХ

1.1. Понятие о ГИС. Основные цели и задачи 

создания и использования ГИС. Структура ГИС

Информация, в первую очередь пространственная информация, ста
ла важнейшим ресурсом и ценным товаром: тот, кто владеет ею, способен контролировать ситуацию в сферах экономики и экологии, политики 
и национальных отношений и во многих других отраслях человеческой 
деятельности. Отсутствие пространственной географической информации неизбежно приводит к серьезным упущениям и просчетам. Сегодня 
в промышленно развитых странах существуют тысячи геоинформационных систем (ГИС), используемых в экономике, политике, экологии, 
управлении ресурсами и охране природы, ведении кадастров, науке и 
образовании и т. д.

ГИС охватывают все пространственные уровни – от глобального до 

муниципального, интегрируя самую разнообразную информацию о 
нашей планете: картографическую, аэрокосмическую, статистическую, 
материалы полевых экспедиций и т. д.

В создании ГИС участвуют международные организации (ООН, 

ЮНЕП, ФАО и др.), крупнейшие государственные учреждения, министерства и ведомства, картографические, геологические и земельные 
службы, 
статистические 
управления, 
частные 
фирмы, 
научно
исследовательские институты и университеты. На разработку ГИС ассигнуются значительные финансовые средства, в деле участвуют целые 
отрасли промышленности, создается разветвленная (нередко транснациональная) геоинформационная инфраструктура, сопряженная с телекоммуникационными сетями.

ГИС является прежде всего средством моделирования и познания 

природных и социально-экономических геосистем для обеспечения 
управления и принятия решений. Для выполнения этой задачи в ГИС
реализуется технология сбора, хранения, преобразования, отображения и 
распространения пространственно-координированной геоинформации.

Для 
реализации 
ГИС
требуется 
совокупность 
аппаратно
программных продуктов (ГИС-оболочек), баз данных, систем управления разного целевого назначения.

Обязательными признаками ГИС являются:
1) географическая (пространственная и (или) пространственно
временная) привязка данных;

2) возможность создания новой информации на основе синтеза име
ющихся данных;

3) автоматическое обновление баз данных за счет вновь поступаю
щей информации;

4) обеспечение принятия решений.
Области использования ГИС очень разнообразны:
- поиск и рациональное использование природных ресурсов;
- территориальное и отраслевое планирование и управление про
мышленностью и энергетикой, сельским хозяйством, транспортом, финансами;

- обеспечение комплексного и отраслевого кадастра;
- мониторинг экологических ситуаций и опасных природных явле
ний, оценка техногенных воздействий на среду и их последствий, обеспечение экологической безопасности страны и ее регионов, экологическая экспертиза;

- контроль условий жизни населения, здравоохранение и рекреация, 

социальное обслуживание, обеспеченность работой;

- обеспечение деятельности органов законодательной и исполни
тельной государственной власти, политических партий, средств массовой информации;

- обеспечение деятельности правоохранительных органов и военных 

ведомств, решение оборонных задач;

- образование и культура;
- научные исследования и прогнозирование;
- морская и авиационная навигация, оптимизация транспортных пе
ревозок и связи;

- картографирование (комплексное и отраслевое), создание темати
ческих карт, национальные и региональных атласов, дешифрирование и 
интерпретация материалов дистанционного зондирования, обновление 
карт, оперативное картографирование.

Несмотря на многообразие решаемых задач в различных сферах че
ловеческой деятельности, работа ГИС построена на решении основных 
вопросов [1]:

•
Где находится А?

•
Как расположено А по отношению к В?

•
Сколько А расположено в пределах расстояния D от В?

•
Каково значение функции Z в точке X?

•
Как велико по размерам В?

•
Каков результат пересечения А и В?

•
Каков оптимальный маршрут от Х до У?

•
Что находится в Хь Х;,..., Хц?

•
Какие объекты следуют за теми, у которых наблюдается опреде
ленное сочетание определенных свойств?

•
Как изменится пространственное распределение объектов, если 

изменить существующую классификацию?

•
Что может случиться с А, если изменится В и его расположение 

относительно А? [1].

Функции ГИС складываются из четырех типов решаемых ею задач:
1)
сбор,

2)
обработка,

3)
моделирование и анализ,

4)
принятие решений.

Структурной особенностью является наличие у ГИС четырех

подсистем:

•
ввода – для оцифровки, редактирования и форматирования карт, 

изображений, таблиц;

•
хранения – для поиска, изменения и редактирования данных;

•
анализа – для получения из данных полезной информации путем 

их обработки, а также принятия решений по оптимизации хранения и 
доступа;

•
вывода – для просмотра всей или части базы данных и отобра
жения информации в табличной или картографической форме.

Выделяют четыре основных типа источников данных для ГИС

(рис. 1).

Рис. 1. Источники данных для ГИС

Обычно преобладающая масса источников данных – это аналоговые 

данные (карты, таблицы, фотоматериалы), требующие их перевода в 
цифровую форму, пригодную для обработки средствами автоматизации. 
Это вызывает необходимость иметь в структуре ГИС особый блок ввода 
данных, позволяющий выполнять операции цифрования и кодирования 
источников различного типа. Зачастую это наиболее трудоемкая, дорогая и менее всего автоматизированная часть технологической цепи ГИС. 
Существуют схемы цифрования карт с помощью цифрователей (дигитайзеров) с ручным обводом, устройств отслеживания линий в автоматическом режиме и сканирующих устройств.

В настоящее время планомерное цифрование карт, перевод всего 

процесса создания карт на цифровые методы и формирование картографических (топографических) банков данных осуществляется многими 
государственными топографо-картографическими службами.

Существенная часть материалов аэрокосмических съемок и других 

данных, получаемых по программам дистанционного зондирования Земли из космоса, принимается сейчас непосредственно в цифровом виде, 
что значительно облегчает их использование в качестве источников данных для геоинформационных систем.

1.2. Организация хранения данных в ГИС

Пространственные данные организуются в ГИС в виде отдельных слоев

вне зависимости от того, в каком формате они представлены (рис. 2). 

Рис. 2. Хранение данных в виде отдельных слоев в ГИС

Это позволяет выполнять операции по анализу совокупности данных 

для определенной области или получать новую информацию по совокупности выбранных слоев с получением новой информации и формированием нового слоя (рис. 3).

Рис. 3. Примеры формирования информации из различных слоев ГИС

Вывод карты на экран дисплея может быть выполнен при любом со
четании слоев, а также при последовательном выводе слоёв, описывающих одни и те же объекты в разные моменты времени. Это удобно для 
показа динамики явления, когда одна карта, сменяя другую, помогает 
уяснить ход процесса. При этом может быть реализована и анимация 
отдельных точек или знаков. Изображение с экрана может быть скопировано на бумагу, то есть могут быть получены так называемые «твердые копии».

Интересные результаты получаются при использовании объемно
перспективных изображений, прежде всего трехмерных.

России наиболее известны следующие ГИС: ArcView, Arclnfo фир
мы ESRI, Maplnfo корпорации Maplnfo, ГИС «Карта» КБ «Панорама», 
Atlas GIS из Strategic Mapping Inc., GeoGraph ЦГИИГ РАН, Sinteks/Tri
фирмы Трисофт, WinGIS от Progis.

1.3. Представление данных в ГИС

Вся совокупность данных, представленных в ГИС, основана на век
торных моделях и растрах.

Векторная модель данных

Данная модель основана на векторах (направленных отрезках пря
мых). Базовым примитивом является точка. Объекты создаются путем 
соединения точек прямыми линиями или дугами. Площади определяются набором линий.

Точка является безразмерным типом объектов и определяет геомет
рическое положение. Точка имеет координаты в двухмерном или трехмерном пространстве.

Линия является одномерным типом объектов. Линия состоит из 

прямых отрезков, соединяющих точки, и имеет координаты всех последовательных точек. Линия имеет длину, состоящую из суммы длин отрезков. Но линия не имеет толщины.

Площадные объекты является двумерными. Площадные объекты 

образуются внутри замкнутых линейных объектов. 

Можно выделить следующие подтипы линейных объектов:
область – ограниченный непрерывный объект, который может 

включать или не включать в себя собственную границу;

внутреннюю область – область, которая не включает собственную 

границу;

полигон – область, состоящую из внутренней области, одного внеш
него кольца и непересекающихся, невложенных внутренних колец.

Таким образом векторная модель данных представляет собой объ
ектно-ориентированную систему. Исходя из этого, можно выделить следующие достоинства векторной модели: 

1)
компактную структуру, т.е. большие объемы данных требуют 

небольших объемов памяти компьютера;

2)
топологию, т.е. возможность поиска, преобразования, переме
щения и других операций с отдельными объектами;