Геоинформационные технологии в науках о Земле
Покупка
Новинка
Тематика:
Землеустройство
Издательство:
Оренбургский государственный университет
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 118
Дополнительно
Вид издания:
Практикум
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7410-3036-3
Артикул: 839132.01.99
В практикуме рассмотрены технологии и приемы дешифрирования космических снимков, а также методы обработки и анализа векторных и растровых пространственных данных средствами геоинформационных технологий. Теоретический материал дополнен примерами и практическими задачами. Практикум рекомендован для обучающихся по программам высшего образования по направлениям подготовки 05.03.02 География, 21.03.02 Землеустройство и кадастры, 20.03.01 Техносферная безопасность, 05.03.06 Экология и природопользование.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 05.03.02: География
- 05.03.06: Экология и природопользование
- 21.03.02: Землеустройство и кадастры
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет» Р.Ш. Ахметов, В.П. Петрищев, И.А. Степанова ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКАХ О ЗЕМЛЕ Практикум Рекомендовано ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский государственный университет» для обучающихся по образовательным программам высшего образования по направлениям подготовки 05.03.02 География, 21.03.02 Землеустройство и кадастры, 20.03.01 Техносферная безопасность, 05.03.06 Экология и природопользование Оренбург 2023
УДК 621.316.925.1 ББК 26.19я73+26.113я73 A 95 Рецензент – кандидат геолого-минералогических наук Леонтьева Т.В. А 95 Ахметов, Р. Ш. Геоинформационные технологии в науках о Земле [Электронный ресурс]: практикум / Р.Ш. Ахметов, В.П. Петрищев, И.А. Степанова; Оренбургский гос. ун-т. – Электрон. текстовые дан. (1 файл: 10,1 Мб ). – Оренбург: ОГУ, 2023. – 1 электрон. опт. диск (CD-R): зв., цв.; 12 см. – Системные требования: Intel Core или аналогич.; Microsoft Windows 7, 8, 10; 512 Mб; монитор, поддерживающий режим 1024х768; мышь или аналогич. устройство. – Загл. с этикетки диска. ISBN 978-5-7410-3036-3 В практикуме рассмотрены технологии и приемы дешифрирования космических снимков, а также методы обработки и анализа векторных и растровых пространственных данных средствами геоинформационных технологий. Теоретический материал дополнен примерами и практическими задачами. Практикум рекомендован для обучающихся по программам высшего образования по направлениям подготовки 05.03.02 География, 21.03.02 Землеустройство и кадастры, 20.03.01 Техносферная безопасность, 05.03.06 Экология и природопользование. УДК 528.77: 004.932(075.8) ББК 26.19я73+26.113я73 © Ахметов Р.Ш., Петрищев В.П., Степанова И.А., 2023 ISBN 978-5-7410-3036-3 © ОГУ, 2023
Содержание Введение................................................................................................................... 4 1 Применение геоинформационных технологий в науках о Земле.................... 5 1.1 Геопространственные исследования в науках о Земле.............................. 5 1.2 Геоинформационные технологии для целей устойчивого развития ........ 6 1.3 Геоинформационные технологии в управлении природными ресурсами8 1.4 Анализ водосборного бассейна ................................................................. 10 1.5 Подсчет объемов горной выработки.......................................................... 24 2 Работа с векторными и растровыми данными в ArcGIS................................ 34 2.1 Геопривязка растрового изображения ....................................................... 34 2.2 Создание шейп-файлов для векторизации исторических населенных пунктов и дорог.................................................................................................. 42 2.3 Векторизация растрового изображения..................................................... 45 2.4 Растровые модели данных и работа с ними.............................................. 47 2.5 Инструменты пространственной статистики............................................ 69 3 Геоинформационные системы и дешифрирование данных дистанционного зондирования ......................................................................................................... 77 3.1 Программные средства и Интернет-ресурсы............................................ 78 3.2 Классификация поверхности в ENVI 4.7.................................................. 83 3.3 Обработка георадарных данных и получение горизонталей .................. 90 3.4 Анализ эрозионных процессов (получение локальных бассейнов и тальвегов) в Global Mapper................................................................................ 95 3.5 Регистрация топографической основы в Global Mapper.......................... 96 3.6 Работа с базами данных в MapInfo............................................................. 98 3.7 Алгоритм обработки данных продуктивности сельскохозяйственных земель с использованием данных вегетационного индекса NDVI............. 110 Список использованных источников............................................................. 116
Введение Практикум предназначен для студентов уже знакомых с географическими информационными системами (ГИС) и нацелен на расширение навыков решения прикладных задач в области геоинформатики и смежных с ней областях. Подробные пошаговые инструкции научат создавать и редактировать пространственные базы данных и пространственные объекты, получать и дешифрировать материалы дистанционного зондирования, выполнять пространственный анализ. Текст сопровождается большим количеством цветных иллюстраций, облегчающих освоение материала пособия. Каждый из разделов содержит по несколько упражнений, посвященных конкретному направлению применения ГИС-технологий и включает такие задачи, как поиск данных ГИС в Интернете, настройку картографических проекций, классификацию данных, создание пространственных баз данных, редактирование данных, обработку данных и анализ и т. д. Выполнение заданий и упражнений практикума будет способствовать более глубокому освоению профессиональных компетенций будущими специалистами в области наук о Земле. .
1 Применение геоинформационных технологий в науках о Земле 1.1 Геопространственные исследования в науках о Земле В связи с растущими проблемами, связанными с природными ресурсами, стихийными бедствиями и воздействием деятельности человека на окружающую среду, профессионалам в разных отраслях требуются научные знания, основанные, в частности, на знаниях в области наук о Земле, для поддержания устойчивости ресурсов, управления стихийными бедствиями и защиты окружающей среды. По мере того, как технологические инновации и достижения распространяются по всему миру, трансформируя экономику, страны и общество, наблюдение Земли и геоинформационные технологии приближаются к общественной сфере и становятся чрезвычайно важной всеобъемлющей частью повседневной жизни людей, с большим количеством применений и пользователей. Эти технологии сегодня являются не просто «инструментами исследования и визуализации», они затрагивают все аспекты жизни разных групп людей. Эти технологии и приложения предоставляют людям возможность получать информацию, связываться друг с другом, исследовать и связываться с новыми рынками и новыми областями ресурсов, что может повысить эффективность и производительность, а также помочь в предоставлении эффективных услуг [1]. Геопространственные технологии охватывают широкий спектр исследований, включая съемку и картографирование, дистанционное зондирование (ДЗ), географическую информационную систему (ГИС), глобальную систему позиционирования (GPS) и т. д. для создания, обработки и визуализации геопространственных данных или геоинформации.
Геопространственные технологии выросли в качестве инструмента для лиц, принимающих решения, потому что их применение в основном ориентировано на реальные проблемы управления природной и техногенной средой [2]. 1.2 Геоинформационные технологии для целей устойчивого развития Население мира постоянно растет, и в настоящее время темпы, и пространственные масштабы антропогенного воздействия на землю и воду беспрецедентны. Проще говоря, это означает, что земля и вода потребляются, деградируют и чрезмерно эксплуатируются в масштабах, не имеющих прецедентов в истории. Европейское космическое агентство (ЕКА) в течение нескольких лет сотрудничает с крупными международными финансовыми организациями и местными заинтересованными сторонами для улучшения планирования, реализации и мониторинга деятельности для сокращения бедности и содействия экономическому росту [3]. Краеугольным камнем европейской программы спутникового наблюдения Земли является программа Copernicus, в которую входят спутники Sentinel. Потоки данных Copernicus являются бесплатными и общедоступными, и на них распространяется гарантия оперативного обслуживания на многие годы вперед. Данные предоставляются с небольшой задержкой (несколько дней или меньше). Как указано в космической стратегии для Европы, существуют широкие возможности для повышения ценности Copernicus за счет развития нисходящих услуг для общественных благ. Как государственные, так и частные субъекты могут получать значительную
выгоду от более широкого использования спутниковых данных об исследованиях Земли. Миссии Sentinel, среди прочего, обеспечат долгосрочный доступ к улучшенным радиолокационным и оптическим наблюдениям с высоким и средним пространственным разрешением, а также к тепловым наблюдениям с более низким разрешением, открывая новую эру для систематического картирования, оценки и мониторинга земной среды во всем мире. Copernicus позволяет создавать полные, высококачественные ежемесячные композиты изображений, которые необходимы для динамического мониторинга. Относительно высокое пространственное разрешение Sentinel-1 и Sentinel-2 (10 и 20 м соответственно) повышает точность классификации, особенно для мелких объектов. Доступность растущего объема экологических данных от Sentinel в сочетании с данными из долгосрочных архивов наблюдения за Землей (например, Landsat) представляет собой уникальную возможность для оперативного использования изображений для поддержки проектов устойчивого развития [4]. Тем не менее, существуют серьезные проблемы с точки зрения доступа к данным и их использования, полноты реализации данных. На протяжении многих лет глобальный доступ к данным о наблюдениях за Землей – и в то же время к данным с более высоким разрешением и/или уже разработанным информационным продуктам – явно облегчается непрерывным и растущим прогрессом в космических технологиях с последующими поколениями спутников, а также в информационных технологиях с увеличением пропускной способности и в вариабельности управления данными и их распространения. Таким образом, применение технологии наблюдения Земли также связано с наращиванием потенциала для обеспечения развития необходимого человеческого, технического и институционального потенциала для предоставления местным заинтересованным сторонам возможности
использовать данные, продукты и услуги наблюдения Земли независимым и устойчивым образом. Это требует значительных усилий, направленных на повышение долгосрочной подготовки операторов, техников и ученых, а также лиц, принимающих решения. Кроме того, стоит подчеркнуть, что полное использование Sentinels для оперативного мониторинга поверхности земли на больших площадях требует обработки больших данных, поэтому связь с существующими и хорошо зарекомендовавшими себя инфраструктурами данных или облачными платформами имеет решающее значение для успешного использования Sentinel для обработки информационных продуктов высокого разрешения и национального и регионального масштабов. Облачные платформы позволяют пользователям выполнять обработку рядом с хранилищами спутниковых данных и тем самым уменьшают потребность в загрузке терабайтов или даже петабайтов необработанных спутниковых данных [5]. 1.3 Геоинформационные технологии в управлении природными ресурсами Развитие дистанционного зондирования и геоинформационных технологий способствует применению ГИС для контроля и управления природными ресурсами. Спутниковое наблюдение Земли является мощным и экономически эффективным методом оценки эко- и техносистем в труднодоступных районах в широком диапазоне пространственных и временных масштабов. Оно предоставляет исторические и операционные данные и может быстро идентифицировать изменения природных ресурсов последовательным и повторяемым образом.
Человеческое общество давно осознало свою зависимость от товаров и услуг, предоставляемых экосистемами, особенно от продуктов питания, топлива и волокон. К таким экосистемам относятся, например, агроэкосистемы, лесные экосистемы, пастбищные экосистемы и водные экосистемы Леса являются одной из ключевых экосистем на Земле, и их экологические услуги многочисленны. Леса регулируют местный и глобальный климат, улучшают погодные явления, регулируют гидрологический цикл, защищают водоразделы и их растительность, водные потоки и почвы, а также обеспечивают обширный запас генетической информации, большую часть которой еще предстоит раскрыть. Леса являются важным источником средств к существованию для миллионов людей и способствуют национальному экономическому развитию многих стран. Они имеют жизненно важное значение для поглощения углерода и способствуют стабилизации климата, почвообразования и регулирования водных ресурсов и, по оценкам, обеспечивают непосредственную занятость не менее 10 миллионов человек [5,6]. Исследование, проведенное Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединённых Наций (англ. Food and Agriculture Organization, FAO) показало, что существует зависимость уменьшения мировых лесов от увеличения населения, и это происходит во всем мире на протяжении многих веков. Геоинформационные технологии позволяют отслеживать сельскохозяйственные угодья, лесной покров, травяные угодья, открытую землю и водоемы. Пространственно-временной анализ изменений растительного покрова землепользования за последние три десятилетия показывает, что в распределении категорий почвенного покрова происходят значительные изменения [7,8]. Резкое сокращение лесного покрова, связывают с расширением сельскохозяйственных угодий, лесными пожарами, ростом населения, незаконными рубками, добычей древесного угля и топливной древесины, а
также неустойчивым управлением природными ресурсами. Быстрые темпы обезлесения в основном происходят из-за крупного и мелкого сельского хозяйства, лесных пожаров, иммиграции и роста населения, незаконных рубок для строительства, производства древесного угля и топливной древесины. Как правило, быстрое расширение сельскохозяйственных угодий приводит к дальнейшему уменьшению лесного покрова, что, в свою очередь, приводит к широкомасштабной эрозии почвы и утрате биоразнообразия. Сокращение лесного покрова имеет негативные последствия, создающие угрозу для видов животных из-за утраты мест обитания, деградации почв и сокращения биоразнообразия. Основным воздействием обезлесения является потеря поглотителей углерода, что приводит к накоплению углекислого газа в атмосфере. Увеличение содержания углерода в воздухе приводит к изменению климата, что представляет большую угрозу для экосистем [9]. 1.4 Анализ водосборного бассейна Цель работы - создание водосборной зоны и анализ морфометрических характеристик водосборных бассейнов и определение степени влияния характеристик системы водосборных бассейнов на потенциал подземных вод регионов с использованием технологии ГИС Постановка задачи: 1) создание водосборой зоны с помощью инструментов QGIS и Saga gis; 2) проведение анализа морфометрических характеристик водосборных бассейнов и определение степени влияния характеристик системы
водосборных бассейнов на потенциал подземных вод регионов с использованием инструментов Qgis и Saga gis Применение ГИС для анализа водосборного бассейна. ГИС технологии применяются для анализа водосборного бассейна. Потенциал подземных вод на любой территории может быть связан и напрямую зависеть от гидрогеологических и геоморфологических характеристик. Морфометрический анализ представляет собой количественную оценку характеристик формы земной поверхности и любой единицы формы рельефа. Это наиболее распространенный метод анализа бассейнов, поскольку морфометрия представляет собой идеальную единицу площади для интерпретации и анализа форм рельефа. Анализ водосборного бассейна важен в любых гидрологических исследованиях, таких как оценка потенциала подземных вод, управление подземными водами, почвоведение и оценка состояния окружающей среды. Различные гидрологические явления могут быть соотнесены с физико-географическими характеристиками водосборных бассейнов, такими как размер, форма, уклон водосборной площади, плотность дренажа и т. д. Географические информационные системы (ГИС) используется в течение последних лет при изучении водоразделов и является очень эффективным инструментом для определения геометрии бассейна и морфометрического анализа или количественного описания морфологических характеристик водосбора. ГИС также используется для оценки различных рельефных и морфометрических параметров водосборных бассейнов; предоставляя гибкую среду и важные инструменты для обработки и анализа пространственной информации. Изучается длина потока (Lu), средняя длина потока (La), объём сухопутного стока (Lg), площадь бассейна (P), плотность дренажа (Dd), частота дренажа (Fs), интенсивность дренажа (Di), текстура дренажа (Dt),