IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

1. Геоинформационное картографирование. Базы данных: определение, модели структур.

В современном мире возрастает значение информационных технологий. Геоинформационное картографирование - отрасль картографии, занимающаяся автоматизированным составлением и использованием карт на основе геоинформационных технологий и баз географических (геологических, экологических, социально-экономических и др.) знаний. Базы данных являются неотъемлемым элементом большинства информационных систем. Базой данных является представленная в объективной форме совокупность самостоятельных материалов, систематизированных таким образом, чтобы эти материалы могли быть найдены и обработаны программой [1].

Рассматривая такую предметную область как природные ресурсы Курганской области, невозможно обойтись без структурирования информации в базу данных.

Актуальность создания баз данных, как части информационной системы, очевидна - хранение в удобном виде, возможность совместного использования базы данных несколькими пользователями, средства поддержания данных в актуальном состоянии, возможность построения отчетов по запросу пользователя.

Теория управления базами данных как самостоятельная дисциплина начала развиваться приблизительно с начала 50-х годов двадцатого столетия. За это время в ней сложилась определенная система фундаментальных понятий.

Предметной областью принято называть часть реального мира, подлежащую изучению с целью организации управления в этой сфере и последующей автоматизации процесса управления.

Объектом называется элемент информационной системы, сведения о котором хранятся в базе данных. Классом объектов называют их совокупность, обладающую одинаковым набором свойств.[7]

Атрибут - это информационное отображение свойств объекта. Каждый объект характеризуется некоторым набором атрибутов. Ключевым элементом данных называются такой атрибут (или группа атрибутов), который позволяет определить значения других элементов-данных.

В теории систем управления базами данных выделяют модели четырех основных типов: иерархическую, сетевую, реляционную и объектно-реляционную.[2,3,7]

В реляционной модели объекты и взаимосвязи между ними представляются с помощью таблиц. Важным преимуществом реляционной модели является то, что в ее рамках действия над данными могут быть сведены к операциям реляционной алгебры, которые выполняются над отношениями. Это такие операции как объединение, пересечение, вычитание, декартово произведение, выборка, проекция, соединение, деление.

Основным достоинством реляционной модели является ее простота. Именно благодаря ей она положена в основу подавляющего большинства реально работающих СУБД. [6]

2. Технологии создания и использование баз данных. В ГИС БД может быть создана, как с использованием табличных форм и специальных институтов ГИС, так и с помощью любых стандартных программных средств, предназначенных для создания БД. Данные в базу вносятся виде файла БД, который состоит из отдельных записей, содержащих информацию, хранящуюся в отдельной строке таблицы, поэтому количество записей в файле БД соответствует количеству строк в таблице. Записи осуществляются в соответствующих Полях, количество которых определяется количеством графов в таблице. Записи могут содержаться в разной форме в виде символов или в виде цифр – data/ string.[6]

Основные этапы создания базы данных:

1. Описание структуры хранящихся в БД записей описывается такое количество строк и полей, какое необходимо для файла БД.

2. Ввод данных и корректировка структуры.

3. Редактирование данных: внесение, исправление, дополнение, ликвидация дублированных и ошибочных данных.

4. Актуализация - введение БД, добавление записей соответствующих современному состоянию объекта и удаление данных, корректура формы и вида записей.

5. Использование БД: Формирование стандартных запросов, образование шаблонов ответов на запрос и обработка данных в соответствии с существующими запросами. [4]

ГИС-проектирование включает в себя процесс организации географической информации в группы тематических данных (темы данных), то есть слоев, которые могут быть объединены с использованием сведений об их географическом расположении. Таким образом, можно сделать вывод о том, что процесс проектирования базы геоданных должен начинаться с определения того, какие наборы тем данных будут использоваться. После этого вам будет нужно определить содержание и представление каждого из тематических слоев. Это включает в себя определение:

• Как географические объекты будут представлены в каждой теме данных (например, в виде точек, линий, полигонов или в виде растров), а также их табличные атрибуты;

• Как данные будут организованы в таких наборах данных, как классы пространственных объектов, наборы атрибутов, наборы растровых данных и так далее;

• Какие дополнительные пространственные элементы и элементы базы данных будут нужны для обеспечения правил целостности данных, для реализации расширенных ГИС-моделей поведения (например, топология, сети и каталоги растров), а также для определения пространственных и атрибутивных отношений между наборами данных. [2]

Хотя хранящаяся в ГИС информация и представляет собой основную ценность, она приносит реальную пользу только при ее использовании для решения прикладных задач. Каждая ГИС наряду с модулями для ввода и вывода данных обязательно имеет средства, предназначенные для выполнения общих функций пространственного анализа, и средства для решения специфических задач пользователя. В ГИС к настоящему времени сложился перечень функций, наличие которых практически обязательно. Это, прежде всего, функции организации выбора объектов по тем или иным условиям, редактирования структуры и информации в базах данных; (картографической визуализации; картометрические; построения буферных зон; анализа наложений; сетевого анализа и др.) Широкий круг операций поддерживается в той или иной мере многими геоинформационными системами.

Функции анализа при работе с базами данных включают: изменения структуры баз данных (добавление или удаление полей, изменение их типов); ввода новых данных и редактирование имеющихся, в том числе в автоматическом режиме и посредством выполнения специальных процедур анализа. [6]

Создание графиков в ГИС является одним из способов визуализации данных официальной статистики. На основании составленных графиков можно проводить различные виды анализа информации: определение максимальных и минимальных значений, сравнительный анализ, анализ развития или динамики процессов и явлений, а также составление прогноза.

Особым видом геоинформационного анализа, во многом унаследованным от традиционной картографии является построение и анализ тематических карт.

Электронные карты в полной мере обладают всеми свойствами обычных карт, и добавляют к ним ряд других, среди которых наиболее существенные:

• Программная управляемость – изменение параметров и внешнего вида модели в интерактивном режиме с помощью меню и команд, выбираемых пользователем;

• Обновляемость – внесение новых данных, коррекция и модификация, которые осуществляются в оперативном режиме;

• Многомасштабность и мультиуровневая генерализация – переход с одного масштабного уровня на другой за счет изменения уровня детальности и текстуры изображения;

• Многотемность – изменение тематического содержания модели путем замены или комбинации картографических слоев.[3,10]

Способы картографирования в ГИС несколько отличаются от традиционных способов картографирования. Некоторые из них получили в ГИС иное название, другие были объединены исходя из единообразия задания их параметров. В ГИС, как правило, нет инструментария, который отслеживает корректность применения того или иного способа, более того в некоторых ГИС нет инструментария, позволяющего построить корректный вариант карты в традициях современной картографии. В результате пользователи ГИС часто создают картографические произведения, противоречащие канонам отечественной картографии.[6]

3. Геоинформационное картографирование природно-ресурсного потенциала Курганской области.

Для создания базы данных необходимы статистические данные. Источником статистической информации послужили следующие издания: Доклад департамента природных ресурсов Курганской области «Природные ресурсы и охрана окружающей среды Курганской области в 2013 году», тематические сборники геолфонда г. Кургана по запасам природных ресурсов Курганской области.[5,8,9]

Основной программой используемой для создания базы данных послужила MAPINFO PROFESSIONAL 11.5. Практически все операции в MapInfo начинаются с открывания тех или иных таблиц. Таблицы предварительно создаются в программе Microsoft Office Excel или же в самой программе MapInfo.

Чтобы открыть таблицу необходимо выполнить команду: ФАЙЛ> ОТКРЫТЬ. В появившемся окне необходимо выбрать нужную нам таблицу (файл с расширением TAB). Таблицу можно отобразить как в виде списка, так и в виде карты. Чтобы табличные данные отобразились в виде карты, необходим открытый базовый графический слой. Если нет базового графического слоя, то таблица откроется в виде списка. [4] При создании комплекса тематических карт в качестве основы были использованы границы районов и муниципальных образований.

Точечные объекты на картах природных ресурсов служат, как правило, для обозначения месторождений и имеют координатную привязку к базовому слою. Поскольку данные о координатах месторождений полезных ископаемых отсутствуют в открытом доступе, в ходе работы был найден способ определения наиболее точного расположения объектов. На спутниковой интерактивной карте полезных ископаемых Департамента природных ресурсов Курганской области нужно было определить наиболее точное расположение каждого месторождения, после чего аналогичное местоположение необходимо было найти на спутниковой карте Яндекс. В картах Яндекс можно определить координаты любой точки на карте.

Полученные данные в виде десятичных координат Y и X заносились в колонки таблиц Excel с соответствующими названиями. В отдельной колонке таблицы выписаны названия месторождений. Чтобы точечные объекты отобразились на карте, необходимо выполнить команду ТАБЛИЦА>СОЗДАТЬ ТОЧЕЧНЫЕ ОБЪЕКТЫ. В появившемся окне выбрать нужные колонки из таблиц в соответствующие поля с названиями и координатами X и Y.

Для создания тематических слоев на картах необходимы табличные данные. Таблицы, как правило, имеют однородную структуру: колонка с названиями районов в алфавитном порядке и колонка с числовым показателем для каждого района. Исключения составляют таблицы, созданные для отображения динамики в виде графика и таблицы с координатами месторождений. На основе табличных данных создаются тематические слои. Так для создания тематического слоя, отражающего запасы ресурсов для отдельного района, использовался способ диапазонов. Для совместного отображения и сравнения численности водных биологических ресурсов и охотничьих ресурсов использовался способ круговых картодиаграмм. Точечным способом отражены локальные месторождения. Дополнительные данные включают в себя различные диаграммы и графики, отражающие динамику добычи или динамику численности тех или иных ресурсов. Например, карта «озерные запасы сапропеля» построена способом диапазонов и дополнена месторождениями торфа, представленными точечным способом, а также графиком добычи лечебных грязей.

Для удобства отображения слои можно делать видимыми и невидимыми. Для этого необходимо нажать правой кнопкой мыши в области карты и выбрать «УПРАВЛЕНИЕ СЛОЯМИ». В отобразившейся панели слева можно отображать слои по отдельности или сделать невидимым какой-то определенный слой, убрав галочку напротив нужного слоя. В этой же панели можно делать слои изменяемыми/ неизменяемыми, отображать подписи, изменять стиль подписей, изменять стиль границ базового слоя и т.д. Названия и подписи можно изменять прямо в окне карты обычным перетаскиванием левой кнопкой мыши. Это необходимо для удобства восприятия и наглядности картографического изображения, если названия и подписи накладываются друг на друга.

Данные из таблиц отображаются на тематических картах. Чтобы создать новую тематическую карту необходимо выполнить команду: ОКНО > НОВАЯ КАРТА. Выделяем появившееся окно карты. Далее – КАРТА> СОЗДАТЬ ТЕМАТИЧЕСКУЮ КАРТУ. В открывшемся окне нужно выбрать наиболее подходящий способ картографирования, диапазоны, а также цветовую гамму, способ штриховки, тип и размер значка и т.д. Таким образом, каждый слой карт создается отдельно. После создания слоя автоматически создается легенда карты.

Дополнительные данные создаются аналогично. Для построения графика требуется выполнить команду ОКНО>НОВЫЙ ГРАФИК.

В появившемся окне необходимо выбрать подходящий тип графика (например, круговая диаграмма, точечная диаграмма, столбиковая диаграмма). Далее выбираются колонки из таблиц в соответствии с осью графика, на которой они будут отображены. Например, для столбиковой диаграммы на горизонтальной оси отображены данные из колонки «год», на вертикальной оси – из колонки «объем вырубленной древесины».

В следующем окне выбираем диапазоны, цветовую гамму и прочие элементы оформления аналогично созданию тематической карты. Следующим важным элементом создания картографического изображения является масштабирование и добавление масштабной линейки. Для этого нужно в активном окне карты выполнить команду КАРТА>СОЗДАТЬ МАСШТАБНУЮ ЛИНЕЙКУ. В появившемся окне выбрать удобный масштаб. Завершающим этапом служит создание отчета: ОКНО>НОВЫЙ ОТЧЕТ. В окне отчета необходимо произвести компоновку элементов карты, проверку на наличие ошибок, чтобы изображение приобрело пользовательский вид.

По созданной базе данных были построены следующие тематические карты:

1. Месторождения полезных ископаемых (рис. 1).

На данной карте представлены все разведанные месторождения полезных ископаемых Курганской области, как разрабатываемые, так и не разрабатываемые. Месторождения показаны точечным способом. Для каждой категории полезных ископаемых был создан отдельный слой. Дополнительные данные – графики «Динамика добычи бентонитовых глин» и «Динамика добычи строительного камня, строительного песка и ПГП».

Рис. 1. Месторождения полезных ископаемых

1. Озерные запасы сапропеля. Месторождения торфа (рис. 2).

Данная карта отражает запасы сапропеля для каждого района способом количественного фона. Точечным способом отмечены месторождения торфа. В качестве дополнительных данных служит график «Добыча лечебных грязей». По карте можно сделать вывод, что наибольшими запасами сапропеля обладают северо-западные районы Курганской области, в то время как в юго-восточных районах запасы близки к нулю.

Рис. 2. Озерные запасы сапропеля. Месторождения торфа.

1. Балансовые запасы кирпично-черепичного сырья (рис. 3).

Запасы кирпичных глин по районам отображены способом количественного фона. Месторождения кирпичных глин - точечным способом. Дополнительные данные: столбиковая диаграмма «Динамика добычи кирпичных глин», таблица запасов наиболее крупных месторождений кирпичных глин. По карте видно, что почти все районы Курганской области обладают запасами кирпично-черепичного сырья. Нет месторождений только в Варгашинском, Частоозерском и Петуховском районах.

Рис. 3. Балансовые запасы кирпично-черепичного сырья, 2013 г.

1. Запасы подземных вод (рис. 4.).

Карта показывает распределение запасов подземных вод по районам. Способ картографирования – количественный фон. Согласно информации из Департамента природных ресурсов Курганской области, подземными водами считаются только воды для непосредственно использования в питьевых и хозяйственных целях, то есть, не учитывая минеральные воды. По этой причине в Каргапольском районе не отображены запасы подземных вод. Наибольшими запасами обладают северо-западные районы.

Рис. 4. Запасы подземных вод, 2013 г.

1. Запасы подземных вод (на душу населения) (рис. 5.).

За основу были взяты данные запасов подземных вод и были рассчитаны на численность населения для каждого района. Полученные результаты отображены на карте способом картограмм. Дополнительными данными служит график «Добыча минеральных вод».

Рис. 5. Запасы подземных вод (на душу населения), 2013 г.

1. Лесные ресурсы (рис. 6.).

На карте представлена лесистость территории каждого района (в процентах) способом картограмм. Лесистость территории и таблицы к дополнительным данным даны в приложении 6. Наибольшая лесистость – в Шатровском районе. Наименьшая – в южных и юго-восточных районах. Дополнительные данные – график «Объем вырубленной древесины» и столбиковая диаграмма «Распределение покрытой лесом площади по преобладающим породам».

Рис. 6. Лесные ресурсы, 2013 г.

1. Добыча водных биологических ресурсов (рис. 7.).

На данной карте показана площадь рыбохозяйственного фонда для каждого района способом количественного фона. Объем добычи водных биологических ресурсов представлен способом картодиаграмм. Картодиаграммы содержат информацию об общей добычи водных биологических ресурсов и долю добычи рыбы и биокормов, как видов водных биологических ресурсов, в отдельности. Из карты следует, что наибольшими запасами и объемами добычи водных биологических ресурсов, а также наибольшими размерами рыбохозяйственного фонда располагают восточные районы Курганской области.

Рис. 7. Добыча водных биологических ресурсов, 2013 г.

1. Численность основных видов охотничьих ресурсов (зверей) (рис. 8.).

Основные промысловые звери в Курганской области: косуля, лось, заяц-беляк, кабан. Их общая численность для каждого района, а также доля от общего числа представлена способом картодиаграмм. Дополнительные данные содержат график «Динамика численности основных видов охотничьих ресурсов (зверей)». В этот график добавлена динамика численности лис. В общей численности промысловых зверей подавляющее большинство – косули. Далматовский и Белозерский районы имеют показатели с наибольшей численностью по всем основным видам промысловых зверей.

Рис. 8. Численность основных видов охотничьих ресурсов (зверей), 2013 г.

1. Численность основных видов охотничьих ресурсов (птиц) (рис. 9).

Способ картографирования – как в предыдущей карте. Основные виды птиц: глухарь и тетерев. Дополнительные данные: график «Динамика численности основных видов охотничьих ресурсов (птиц)». В график добавлены: динамика численности серой куропатки, гусей и речных уток. В общей численности промысловых птиц преобладают тетерева. Наибольшая численность глухаря и тетерева – в Шадринском и Шатровском районах.

Рис. 9. Численность основных видов охотничьих ресурсов (птиц), 2013 г.

В ходе проведенного исследования были достигнуты следующие результаты:

1. Собраны и систематизированы информационные материалы по объемам и добыче природных ресурсов Курганской области.

2. Создана цифровая картографическая основа в виде границ районов и муниципальных образований с указанием названий районов и административных центров.

3. Разработана структура таблиц MapInfo и Excel, на основе которой были созданы базы данных «Природные ресурсы Курганской области».

4. Определены координаты точечных объектов с помощью сервиса спутниковых карт Яндекс.

5. Созданы тематические слои карт по исходным базам данных, и сформирован готовый проект в виде таблиц, тематических слоев, рабочих наборов MapInfo и растровых тематических карт.

6. Точечные объекты были дополнены количественными показателями, благодаря чему тематические слои стали более информативными.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гражданский кодекс Российской Федерации о 18.12.2006, №230-Ф3, часть 4, ст. 1260.

2. Журкин И.С. Геоинформационные системы: учебное пособие/ И.С. Журкин, С.В. Шайтура. М: КУДИЦ-ПРЕСС, 2009. – 272 с. Режим доступа: www.bookfi.org./book/1352345

3. Коновалова Н.В. Введение в ГИС: учеб.пособие./ Н.В. Коновалова, Е.Г. Капралов. М.: ГИС-Ассоциация, 1997. - 160 с.

4. MapInfoProfessional 10.0. Руководство пользователя. М.: ООО «ЭСТИ-МАП», 2009 г. Режим доступа: www.esti-map.ru

5. Природные ресурсы и охрана окружающей среды Курганской области: доклад/ под ред. В.П. Шевелева. – Курган: Департамент природных ресурсов и охраны окружающей среды Курганской области, 2013. – 220 с.

6. Самардак А.С. Геоинформационные системы: учебное пособие/ А.С. Самардак. - Владивосток: ТИДОТ ДВГУ, 2005. - 123 с. Режим доступа: http://window.edu.ru/resource/ 012/41012/files/ dvgu133.pdf

7. Силина Е.К. Введение в геоинформационные системы: практикум/ Силина Е.К., Фортыгина Е.А., Фокин В.С. – М.: РГОУТПС, 2007. – 64 с. Режим доступа: www.knigafund.ru/books/.

8. Территориальный баланс запасов полезных ископаемых Курганской области: стат. сборник/ Министерство природных ресурсов и экологии России, Департамент по недропользованию по Уральскому федеральному округу, Курганский филиал ФБУ «ТФГУ по УРФО», Курган, 2014. – 44 с.

9. Территориальный баланс запасов сапропеля: стат. сборник/ Правительство Курганской области, Департамент природных ресурсов и охраны окружающей среды Курганской области, 2014. – 44 с.

10. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии: учебное пособие/ В.Я. Цветков.- М.-Финансы и статистика, 1998. - 231 с.

Код для цитирования: Скопировать