Краткое введение в ГИС. Часть 1: Введение в ГИС
| Copyright (c) 2009 | Chief Directorate: Spatial Planning
& Information, Department of Land Affairs, Eastern Cape. |
Вы имеете право копировать, тиражировать и/или вносить изменения в этот документ в соответствии с условиями лицензии GNU Free Documentation License, версия 1.2 или позже, опубликованной организацией Free Software Foundation;
Без неизменяемых разделов и текста на передней и задней стороне обложки.
Копия текста лицензии включена в содержание под названием «GNU
Free Documentation License»
Вышепреведенный копирайт не относится к Руководству Пользователя QGIS, которое может быть прикреплено к этому документу. Для более подробной информации о лицензии Руководства Пользователя QGIS просмотрите его содержание.
Предисловие от редактора:
Финансирование данного проекта было осуществлено Главным Управлением Информации и Пространственного Планирования Министерства Земельных Отношений (DLA) Провинции Восточный Мыс, ЮАР совместно с Подразделением Управления Пространственной Информации Канцелярии Провинции Восточный Мыс, ЮАР.
Геоинформационные системы приобретают все большее и большее значение в качестве ценного инструмента для природопользования, экологии, здравоохранения, криминалистики, маркетинга и многих других сфер нашей жизни. Как любой обладатель компьютера или сотового телефона, Вы наверняка уже использовали ГИС в той или иной форме, даже не осознавая этого. Возможно, это была карта на веб-сайте, приложение Google Earth или обыкновенный информационный стенд, подсказывающий Ваше текущее местоположение в незнакомом городе. Проприетарное программное обеспечение в сфере ГИС (т.е. не предусматривающее бесплатное копирование и модификацию) позволяет производить многие операции, включая все описанные нами в данном руководстве. Тем не менее, цена такого программного обеспечения обычно достаточно высока, и лицензии так или иначе ограничивают Вашу свободу копировать, опубликовывать и вносить изменения в код программы. Поставщики ПО в сфере ГИС иногда делают исключение для образовательных учреждений, предоставляя им более дешевые или даже бесплатные копии своих программ. Они делают это потому, что преподаватели и студенты привыкают пользоваться их продуктами и скорее всего не захотят изучать другие программы в будущем. Окончив образовательные учреждения, при осуществлении своей профессиональной деятельности люди будут пользоваться коммерческим программным обеспечением, даже не зная о том, что есть бесплатные альтернативы, способные решать те же самые задачи.
С Quantum GIS мы предлагаем альтернативу – программное обеспечение, являющееся бесплатным и открытым в социальном плане. Вы можете делать столько копий, сколько захотите. Покидая образовательные учреждения, студенты смогут воспользоваться этим приложением для развития своих навыков и решения различных проблем, в конечном счете улучшая мир вокруг себя.
Когда Вы покупаете коммерческое ПО, Вы ограничиваете свои возможности в будущем. Изучая, используя и продвигая бесплатное и открытое ПО, Вы улучшаете собственные навыки, перенаправляете финансы на более важные вещи и улучшаете экономику в целом.
Финансируя создание этого ресурса, DLA создали почву, на которой будут произрастать молодые таланты. Когда люди придерживаются принципов свободного обмена знаниями и данными, перед ними открываются увлекательные возможности. Мы сердечно благодарим DLA за это!
Мы надеемся, что Вам понравится изучать QGIS в духе философии Убунту!
Tim Sutton, апрель 2009
Содержание
| Часть 1: Введение в ГИС | 5
|
| Часть 2: Векторные данные | 13
|
| Часть 3: Атрибутивные данные | 25
|
| Часть 4: Создание данных | 39
|
| Часть 5: Растровые данные | 51
|
| Часть 6: Топология | 60
|
| Часть 7: Системы координат | 66
|
| Часть 8: Подготовка карт | 79
|
| Часть 9: Пространственный анализ векторных данных: построение буферов | 87
|
| Часть 10: Пространственный анализ растровых данных: интерполяция | 95
|
| Об авторах и участниках | 103
|
| Текст лицензии GNU Free Documentation License на русском языке | 105
|
| Текст лицензии GNU Free Documentation License на английском языке | 113
|
| ГИС для преподавателей | Часть 1: Введение в ГИС | |
 |
Цель: | Понимание, что такое ГИС и для чего они используются. |
| Ключевые слова: | ГИС, Компьютер, Карты, Данные, Информационные системы, Пространство, Анализ | |
Обзор:
Подобно тому, как мы пользуемся текстовым редактором для работы с наборами слов и подготовки документов, мы можем использовать ГИС-приложение для работы с наборами пространственной информации на компьютере. ГИС расшифровывается как «Географическая Информационная Система». Любая ГИС состоит из следующих взаимосвязанных компонентов:
- Цифровые данные – географическая информация, которую Вы просматриваете и анализируете, используя аппаратное и программное обеспечение.
- Аппаратное обеспечение – компьютеры, используемые для хранения, отображения и обработки данных.
- Программное обеспечение – компьютерные программы, исполняемые на аппаратном обеспечении и позволяющие работать с цифровыми данными. Программное обеспечение, являющееся частью геоинформационной системы, называется ГИС-приложением.
С ГИС-приложением Вы можете открывать цифровые карты на своем компьютере, создавать новую пространственную информацию и добавлять ее на карту, подготавливать карты для печати, отвечающие Вашим потребностям, и выполнять пространственный анализ.
Ниже приведен простой пример использования ГИС. Представьте, что предприятие здравоохранения отметило место проживания и дату визита для каждого проходящего лечение пациента:
| Долгота | Широта | Болезнь | Дата |
| 26.870436 | -31.909519 | Грипп | 13/12/2008 |
| 26.868682 | -31.909259 | Грипп | 24/12/2008 |
| 26.867707 | -31.910494 | Грипп | 22/01/2009 |
| 26.854908 | -31.920759 | Корь | 11/01/2009 |
| 26.855817 | -31.921929 | Корь | 26/01/2009 |
| 26.852764 | -31.921929 | Корь | 10/02/2009 |
| 26.854778 | -31.925112 | Корь | 22/02/2009 |
| 26.869072 | -31.911988 | Грипп | 02/02/2009 |
| 26.863354 | -31.916406 | Ветряная оспа | 26/02/2009 |
Из таблицы видно, что случаи кори приходятся на январь и февраль. Местоположение дома каждого пациента отмечено в таблице в виде широты и долготы. Используя эти данные в ГИС-приложении, мы можем быстро узнать больше деталей о закономерностях распространения болезни:
Больше о ГИС:
ГИС – это относительно новая область знаний, берущая свое начало в 1970-х годах. Раньше компьютеризированные системы были доступны только для крупных компаний и университетов, располагающих дорогостоящим оборудованием. Сегодня любой обладатель персонального компьютера или ноутбука может пользоваться ГИС-приложениями. Со временем ГИС-приложения также стали более простыми в использовании – раньше требовалось длительное обучение, а теперь любой человек может приступить к использованию ГИС для повседневных нужд. Как описано выше, ГИС – это больше, чем просто программное обеспечение, они охватывают все аспекты управления и использования цифровых геоданных. В предложенном руководстве мы будем говорить главным образом о ГИС-приложениях.
Что такое ГИС-приложение (программное обеспечение)?
Вы можете видеть пример того, как выглядит ГИС-приложение, выше на Рисунке 1. ГИС-приложения – это компьютерные программы с графическим пользовательским интерфейсом, управляемым мышью и клавиатурой. Приложение содержит главное меню в верхней части окна («Файл», «Редактирование» и др.), которое при нажатии мышью показывает соответствующие командные панели. Команды предоставляют возможность сообщить ГИС-приложению, что именно Вы хотите сделать. Например, Вы можете использовать меню для отправки команды на добавление нового слоя в список отображения.
Панели инструментов (ряды небольших иконок с командами, которые могут быть запущены кликом мыши) обычно располагаются прямо под главным меню и предоставляют быстрый доступ к наиболее часто используемым функциям.
Часто используемая функция ГИС-приложения – отображение картографических слоев. Картографические слои хранятся в виде файлов на диске или внутри базы данных. Обычно каждый картографический слой соответствует конкретным объектам реального мира, например слой дорог показывает дорожную сеть.
Когда Вы открываете слой в ГИС-приложении, он появляется в области карты.
Область карты показывает графическое представление Вашего слоя. Когда Вы добавляете более одного слоя на карту, слои накладываются друг на друга. Рисунки 4-7 показывают карту, имеющую несколько добавленных слоев. Важная функция карты – навигация, включающая увеличение, уменьшение и передвигание карты.
 |
 |
 |
 |
В отличие от бумажных карт, карты, открытые в ГИС-приложениях, могут быть изменены после их создания. Вы можете менять форму и цвет условных обозначений картографических слоев. Например, если мы возьмем карту из Рисунка 7 и изменим ее условные обозначения, это полностью поменяет ее внешний вид, как показано на Рисунке 8. Условные обозначения играют важную роль в том, как мы читаем карты, и они быстро и просто меняются в ГИС-приложении.
Другая распространенная функция ГИС-приложений – это легенда карты. Легенда карты содержит список картографических слоев, загруженных в ГИС-приложение. В отличие от легенды бумажной карты, легенда в ГИС-приложении предоставляет возможность менять порядок слоев, скрывать их и создавать группы слоев. Перетаскивания слои мышью, можно изменить порядок их прорисовки на электронной карте. На Рисунках 9 и 10 легенда карты показана в левой части окна ГИС-приложения. После изменения порядка слоев реки отображаются поверх дорог, а не наоборот.
| ||
| Рисунок 9: Перед изменением порядка слоев реки перекрываются дорогами. | Рисунок 10: После изменения порядка слоев реки отображаются поверх дорог. | |
Установка ГИС-приложения на Ваш компьютер:
Существует множество ГИС-приложений. Некоторые включают продвинутые узко специализированные инструменты и стоят десятки тысяч долларов за каждую лицензию. В то же время, существует ряд бесплатных ГИС-приложений. Выбор приложения зависит от того, какими финансами Вы располагаете, и от Ваших личных предпочтений. В контексте данного руководства используется приложение Quantum GIS, также известное как QGIS. Программа Quantum GIS абсолютно бесплатна, Вы можете копировать ее и предоставлять стольким людям, скольким пожелаете. Если Вы получили это руководство в печатной форме, к нему должна прилагаться копия QGIS. В ином случае, Вы можете посетить Интернет-страницу http://qgis.org и загрузить бесплатную копию.
Геоданные:
Теперь мы знаем, что такое ГИС и ГИС-приложения, поговорим о геоданных. Данные – это определенная информация. Информация, которую мы используем в ГИС, обычно имеет географическую (пространственную) привязку. Вспомните вышеупомянутый пример данных предприятия здравоохранения. Для хранения записей о пациентах создана таблица следующего вида:
| Долгота | Широта | Болезнь | Дата |
| 26.870436 | -31.909519 | Грипп | 13/12/2008 |
Колонки долготы и широты содержат географические (пространственные) данные. Название болезни и дата являются непространственными данными. Распространенная функция ГИС – установление связи между первыми и вторыми. В сущности, ГИС-приложение может хранить множество сведений о каждом местоположении, в отличие от бумажной карты, возможности которой ограничены. Например, в рассматриваемую таблицу можно без труда вносить также пол и возраст пациентов. Добавив слой местоположений пациентов в ГИС-приложение, Вы можете задать его отображение так, что оно будет основано на возрасте или типе болезни, или на другом свойстве пациента по Вашему желанию, в то время как бумажная карта будет показывать только одно свойство. Таким образом, с ГИС-приложением мы можем изменить внешний вид своей карты, основываясь на непространственной информации, сопутствующей конкретным местоположениям.
ГИС-системы работают с многочисленными типами данных. Векторные данные хранятся в памяти компьютера в виде последовательностей координатных пар (X,Y). Векторные данные используются для представления точек, линий и областей (полигонов). На рисунке 11 показаны различные типы векторных данных, открытые в ГИС-приложении. Векторные данные будут более подробно рассмотрены в последующем содержании данного руководства.
Растровые данные хранятся в виде сетки значений. Многочисленные спутники пролетают по околоземным орбитам, и создаваемые ими фотографии являются растровыми изображениями, которые можно просматривать в ГИС-приложении. Одно из основных видимых отличий растровых данных от векторных состоит в том, что когда Вы приближаете растровое изображение слишком близко, оно состоит из квадратов (см. Рисунки 12 и 13). Каждый из этих квадратов – отдельная клетка в сетке данных, составляющей растровое изображение. Растровые данные будут более подробно рассмотрены в последующем содержании данного руководства.
| ||
| Рисунок 12: Спутниковый снимок – типичный пример растровых данных. На этом снимке изображены горы. | Рисунок 13: Те же самые данные, но на этот раз в большем приближении. Видна сеточная структура изображения. | |
Что мы узнали?
Закрепим изученный материал:
- ГИС – это система из аппаратного и программного обеспечения и геоданных.
- ГИС-приложение позволяет Вам просматривать геоданные и является важной частью ГИС.
- ГИС-приложение обычно включает главное меню, панели инструментов, область карты и легенду.
- Географические данные, используемые в ГИС-приложении, бывают растровые и векторные.
- Географические данные могут быть объединены с непространственными данными.
Попробуйте сами!
Ниже приведено несколько примеров практических заданий для Ваших учеников:
- Опишите понятие ГИС своим ученикам, как сделано в данном руководстве. Попросите их назвать 3 причины, по которым использование ГИС более удобно по сравнению с бумажными картами. Ниже приведены примеры ответов:
- ГИС-приложение позволяет создавать множество различных карт на основе одних и тех же данных;
- ГИС – это отличный инструмент визуализации, который позволяет посмотреть на Вашу карту в разных масштабах;
- Бумажные карты требуют длительной работы по созданию, и даже их просмотр занимает много времени. ГИС может хранить очень большие объемы данных и делает процесс поиска нужных местоположений простым и быстрым.
- Подумайте, как используются растровые данных из спутников. Например:
- Во время природных катастроф растровые данные могут отображать пострадавшие территории. Например, свежий спутниковый снимок, сделанный во время наводнения, помогает найти людей, чьи дома ушли под воду.
- Иногда люди причиняют вред окружающей среде, например складируют опасные химикаты, убивающие растения и животных. Используя данные со спутников, мы можем отслеживать подобные проблемы.
- Службы городского планирования используют растровые данные со спутников, чтобы обнаружить новые постройки, и помочь в планировании инфраструктуры.
Если у Вас нет компьютера:
Многие темы, затрагиваемые в данном руководстве, можно наглядно показать с помощью проекционного аппарата и прозрачной пленки, т.к. они изображают похожее наложение слоев с информацией. Тем не менее, правильное понимание ГИС всегда достигается лучше с использованием компьютера.
Дополнительные материалы:
Книга: Desktop GIS: Mapping the Planet with Open Source Tools. Gary Sherman. ISBN: 9781934356067
Веб-сайт: http://www.gisdevelopment.net/tutorials/tuman006.htm
Руководство Пользователя QGIS также содержит более полную информацию о работе с QGIS.
Что дальше?
В следующих разделах мы более подробно покажем, как пользоваться ГИС-приложением. Все руководство основано на приложении QGIS. Давайте рассмотрим векторные данные.