Геоинформационные технологии в науках о Земле

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),