Использование ГИС для мониторинга

Лекция 11

Использование ГИС для мониторинга

В настоящее время возрастает роль различных мониторинговых систем, основными целями которых является контроль состояния различных ресурсов и обеспечение их рационального использования, планирование и прогнозирование, и обеспечение безопасности, в т. ч. экологической.

Наиболее развитой системой мониторинга является система экологического мониторинга, составной частью которой является мониторинг земель. На современном этапе технологической основы мониторинга является ГИС, создание БД, характеризующих состояние объекта мониторинга.

ОН – объект наблюдений – земля, которая проявляет себя во многих ипостасях.

I - Пр. р. – природный (пространственный ресурс).

II – С. П. – средство производства.

III – О. С.Э. О. - объект социально-экономических отношений.

Обо всех ипостасях нужно соорудить:

1)БКД – база картографических данных;

2)БАД – база атрибутивных данных.

Анализируя, получаем: 1)ПКМ – производные картографических матриц

2)ПОМ - - « - отчетные матрицы.

Передаем потребителям информации – ПИ.

I. При формировании БД земель как природного и пространственного ресурса (Пр. р.) необходимо следующее набор картографических материалов:

- топографические карты;

- геологическая карта;

- тектоническая карта;

- почвенная карта;

- гидрологическая карта по поверхностным стокам;

- гидрологическая карта по подземным водам;

- ландшафтная карта;

- климатическая карта (для мониторинга на региональном уровне).

Атрибутивные данные содержат:

- состав пород;

- прогнозные свойства;

- наличие полезных ископаемых.

В тектонике необходимо охарактеризовать:

- наличие тектонических структур;

- направление и интенсивность неотектонических движений;

- результаты микросейсмоизвержений.

Для почв интересует:

- состав почв (минеральные, химические, гранулированные);

- тип почв;

- возраст.

Для гидрологии:

- тип водных объектов (озеро, залив, лужа);

- состав вод;

- гидрологический режим.

Для подземных вод:

- гидрологический режим;

- глубина залегания;

- генезис (происхождение);

Для ландшафтов:

- состав растительности;

- морфометрическую характеристику рельефа;

- состав растительности, взаимоотношение организмов.

Характеристики рельефа: морфология (морфостроение – впадина) и морфометрия (метрические показания – склон обладает уклоном, высота, длина склона).

II. С. П. – средства производства.

Следующая база карт:

- карта полезных ископаемых в зависимости от утвержденных категорий запасов;

- схемы з-ва;

- карта АПГГ;

- карта бонитировки земель;

- агрохимические карты;

- схемы мелиоративного устройства;

- календарные планы добычи полезных ископаемых и прогнозирование.

Атрибутивные данные (сложные иерархические структуры):

- целевое назначение (категории земель по целевому назначению);

- угодья в пределах категорий;

- показатели, характеризующие состояние угодий.

Например, земли с/х назначения включают 2 ступеньки:

1) с/х угодья 3) орошаемые

2) не с/х угодья 4) богарные.

Показатели, характеризующие состояние угодий:

1)урожайность – зависит от естественного плодородия;

2)состояние подвижных элементов в почве;

3)предшественники;

4)внесение удобрений и других агрохимических мероприятий;

5)агротехнические мероприятия: «когда посеяли и что»;

6)погодные условия;

7)наличие вредителей.

Земли жилой и общественной застройки:

1.Земли жилой застройки.

2.Земли общественного пользования.

3.Земли в границах НП.

Необходимо из картографической БД:

- рельеф;

- границы НП;

- здания и сооружения;

- карта транспортной сети (пешеходные, магистрали;

- карта инженерных коммуникаций;

- инженерно-геологическая карта;

- демографическая карта и др.

Атрибутивные данные:

- данные о населении;

- о половозрастном составе населения;

- данные о миграции населения;

- данные о составе здоровья населения;

- промышленная специализация территории;

- потребляемые ресурсы и выпускная продукция;

- развитие сферы услуг и т. д.

III. О. С.Э. О.

Картографические материалы:

- кадастровый план;

- картограмма оценки земель;

- карты ограничения и обрелон., связанные с использованием земли.

Атрибутивные данные:

- тип собственности на землю;

- данные о землевладении и землепользовании;

- данные о правоустановочных документах, регистрационное право собственности на данные землевладения и землепользования;

Конечной целью мониторинга является оценка состояния и прогнозирования развития объекта с целью принятия управленческих решений, обеспечивающих рациональное и эффективное использование объекта.

ГИС обладает мощным инструментом построения пространственных моделей, а также инструментом пространственного и непространственного анализа данных, с помощью которых выявляются закономерности, присущие объекту мониторинга, на основании выявленных закономерностей определяются показатели, характеризующие динамику изменений процесса или явления во времени и пространстве. Совмещение динамических характеристик, интерпретирование на основе выявленных закономерностей позволяет переходить к прогнозированию развития объекта мониторинга с большей или меньшей долей вероятностей, поэтому ГИС является наиболее эффективным инструментом технологий, осуществления вида мониторинга.

Стандартные технологии создания ГИС – мониторинга

Этапы:

1 – подготовительный;

2 – производственный;

3 – этап корректировки (изменения).

1.Предварительный этап:

1)разработка концепций мониторинга (что наблюдаем, зачем, какие результаты обследования – картинка);

2)разработка требований к технологическому и программному обеспечению мониторинга;

3)разработка ТЭО (сколько, чего, в какое время).

2.Производственный этап:

1)включает организацию сети наблюдения за объектом;

2)организация информационного обеспечения ГИС;

3)создание и постоянное пополнение БД;

4)разработка (выработка) критериев и оценка состояния объекта мониторинга;

5)разработка алгоритмов моделирования и прогнозирования состояния объектов мониторинга;

6)визуализация результатов мониторинга для потребителей (представление).

3.Корректировочный этап:

1)оценка оперативности и качества промежуточных материалов;

2)оценка достоверности прогнозов;

3)совершенствование системы получения и передачи информации;

4)совершенствование структуры БД;

5)корректировка алгоритма моделирования и прогнозирования.

Способы формализации пространственной информации

Пространственная информация является информационной основой информационного блока ГИС и описывает положение объекта. Для работы на машинных носителях эта информация определенным образом формализуется.

Пространственная информация в ГИС имеет:

- метрическую часть, описывает позиционные свойства объекта;

- атрибутивную часть, содержащую семантические данные или тематические.

По отношению к пространственной информации атрибуты бывают: внешние и внутренние.

Внутренние: идентификаторы объекта (код) и топология.

Внешние: количественные и качественные, характеризующие состояние объекта (агрогруппы почв, категории земель, землевладение, землепользование и т. д.).

В ГИС пространственная информация содержится в виде тематических слоев, определяемых единством класса изображений. Эти слои в ГИС могут, определенным образом, наложены (соединены) в сочетаниях определяемых задачами картографирования или задачами исследования.

Способы формализации растровой информации

Так как растровая графика представляется в виде регулярности сети, ячеек разной формы, то растровый способ формализации пространственных данных в простейшем случае заключается в изображении пространственных объектов в виде мозаики, элементов с общими границами.

Виды элементов ячеек (пикселей) в растровой графике:

- квадратные;

- прямоугольные;

- треугольные;

- многоугольные (6-ти угольные).

Чаще всего используются прямоугольные растры (наиболее удобные для формализации), треугольные (для моделирования рельефа), 6-ти угольные (обладают эквидистантностью центра).

Пространственная информация кодируется в виде прямоугольной матрицы по строкам и столбцам. Размер элемента матрицы соответствует размеру исходного растра. Обычно столбцы располагаются в направлении север-юг, строки – запад-восток.

Положение каждого элемента растра определяется номерами строки и столбца, в которой расположен данный пиксель. В качестве начала ячейки растра изображение с координатами (0;0) или (1;1) обычно задается ячейка в верхнем левом углу поля изображения.

На начальных стадиях развития ГИС формализация растра изображения осуществляется вручную. Этот метод эффективен и сейчас, если количество ячеек не превышает 1 – 1,5 тысяч.

Для сложных изображений (больше 1,5 тысяч пикселей) применяются автоматизированные способы формализации.

Растровое изображение позволяет работать с иерархически организованной пространственной информацией, которая представляет собой несколько уровней, образующих единство. При этом нижний уровень соответствует исходному представлению растра, а каждый вышележащий уровень обобщает информацию по строго определенному количеству элементов ниже лежащего уровня.

Иерархические растровые системы имеют пирамидальную и древовидную структуру.

Использование иерархических моделей в растровом изображении позволяет детально представлять структуру сколь угодно больших поверхностей (Goodle Earth).

Сжатие информации в растровых моделях

Так как формальное представление растровых моделей требует использование больших объемов машинной памяти, ускорения работы с растром достигается путем сжатия изображения.

Одна из процедур сжатия:

1)групповое кодирование – заключается в записи информации в виде кода, описывающего содержание матрицы с помощью пар, описывающих каждую строку.

Первое из значений описывает количество следующих друг за другом одинаковых значений кодируемого элемента.

Второе – значение элемента.

Матрица приобретает вид: 4.1 5.2

2.1  7.2

9.2

9.2

6.2 1.1 2.2

6.2 2.1 1.2

9.2

Достигается сжатие (уменьшение объема памяти) до 75%.

Если растровое изображение представлено двумя значениями (0 и 1), 1-ое из которых соответствует ячейкам, лежащим вне контура исследуемого объекта, 2-ое – внутри контура растрового изображения может быть представлено в виде строчного кода, который выглядит так:

1 1,4; 2 1,2; 5 7; 6 7,8

2)Сжатие с использование квадротонических структур

Квадротоническая структура имеет древовидный вид, в котором размер ячейки каждого вышележащего уровня в 4 раза превосходит нижележащий.

Хранение и кодирование информации осуществляется только для значащих элементов растра. Поэтому при хранении растровой информации переход на нижележащие уровни квадродерева осуществляется только для пространства неоднородных ячеек данного уровня; поскольку архитектоника пирамиды жестко задана и отпадает необходимость хранить незначащие данные, скорость поиска и извлечение информации значительно возрастает.