Outdated version of the documentation. Find the latest one here.

Введение в ГИС

gentlelogo

Цель:

Понять что такое ГИС и для чего они используются.

Основные понятия:

ИС, компьютер, карты, данные, информационная система, пространственный, анализ

Обзор

Так же, как мы используем текстовый процессор для создания документов и работы со словами на компьютере, мы используем ГИС-приложение для работы с пространственной информацией. ГИС это сокращение от Географическая Информационная Система.

ГИС состоит из:

  • Цифровые данные — географическая информация, которую вы просматриваете и

    анализируетер используя компьютер и программное обеспечение.

  • Аппаратное обеспечение — компьютеры, хранящие, отображающие и обрабатывающие данные.

  • Программное обеспечение — программы, запускаемые на компьютерах и позволяющие работать с цифровыми данными. Программы, являющие частями ГИС называют ГИС-приложениями.

ГИС-приложения позволяют открывать электронные карты на компьютере, создавать новые пространственные объекты и добавлять их на карты, изготавливать печатные карты и выполнять пространственный анализ.

Рассмотрим небольшой пример использования ГИС. Представьте себе, что вы медицинский работник и у вас есть записи с датой посещения и местом проживания каждого пациента.

Долгота

Широта

Заболевание

Дата

26.870436 -31.909519

Свинка

13/12/2008
26.868682 -31.909259

Свинка

24/12/2008
26.867707 -31.910494

Свинка

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

Свинка

02/02/2009
26.863354 -31.916406

Ветряная оспа

26/02/2009

По этой таблице видно, что больше всего случаев заболевания корью было в январе и феврале. Наш медицинский работник записал расположение каждого пациента, указав координаты (широту и долготу) его дома в таблице. Используя эти данные в ГИС-приложении мы можем намного больше узнать о распределении болезней:

Figure Patterns of illness:

../../_images/patterns_of_illness.png

Пример, показывающий данные о болезнях в ГИС приложении. Легко видеть, что больные свинкой живут рядом друг с другом.

Подробнее о ГИС

ГИС являются относительной новой областью — они появились в 1970-х. Раньше считалось, что компьютеризированные ГИС доступны только крупным компаниям и университетам, которые имели дорогое оборудование. В наше время любой человек, имеющий компьютер или ноутбук может использовать программное обеспечение ГИС. Со временем ГИС-приложения становились проще в использовании — раньше для работы с ГИС необходимо было пройти специальное обучение, теперь же начать использовтаь ГИС значительно легче: это по силам даже любителям и рядовым пользователям. Как было сказано выше, ГИС это не только программное обеспечение, они вовлечены во все аспекты управления и использования электронных геоданных. В дальнейшем мы сосредоточимся на изучении ГИС-приложений.

Что такое ПО ГИС / ГИС-приложение?

Получить общее представление о внешнем виде ГИС-приложения можно из рисунка figure_gis_application. Обычно, ГИС-приложения это программы с графическим интерфейсом, взаимодействие с которыми осуществляется при помощи мыши и клавиатуры. В верхней части окна приложения находится меню (пункты «Файл», «Правка» и т.д.). Нажатие на элемент меню открывает список доступных действий. При помощи действий мы сообщаем ГИС-приложению что мы хотим сделать. Например, можно использовать меню, чтобы добавить на карту новый слой.

Figure Menus in GIS Application:

../../_images/menus.png

При щелчке мышью меню приложения раскрывается и отображает список действий, которые можно выполнить.

Панели инструментов (ряд небольших картинок, на которые можно нажимать при помощи мыши) обычно расположены под меню и предоставляют быстрый доступ к наиболее используемым действиям.

Figure Toolbars in GIS Application:

../../_images/toolbars.png

Панели инструментов предоставляют быстрый доступ к наиболее востребованным функциям. Задержав курсор над кнопкой, как правило, можно получить краткое описание её назначения.

Общей для всех ГИС-приложений является способность отображать слои карты. Слои хранятся в виде файлов на диске или как записи в базе данных. Как правило, каждый слой соответствует каким-либо объектам реального мира — например, слой дорог содержит информацию о дорожной сети.

После открытия слоя в ГИС-приложении он появится в области карты. Область карты отображает графическое представление слоя. При добавлении нескольких слоёв в область карты они будут наложены друг на друга. На рисунках figure_map_view_1, figure_map_view_2, figure_map_view_3 и figure_map_view_4 показано ГИС-приложение с несколькими загруженными слоями. Важной возможностью области карты является масштабирование (увеличение и уменьшение) представленных данных, а также панорамирование (прокрутка, перемещение) карты.

Figure Map View 1:

../../_images/map_view_towns.png

Карта с добавленными слоями. На карту добавлен слой городов.

Figure Map View 2:

../../_images/map_view_schools.png

Карта с добавленными слоями. На карту добавлен слой школ.

Figure Map View 3:

../../_images/map_view_railways.png

Карта с добавленными слоями. На карту добавлен слой железных дорог.

Figure Map View 4:

../../_images/map_view_rivers.png

Карта с добавленными слоями. На карту добавлен слой рек.

Ещё одним общим элементом ГИС-приложений является легенда. В легенде отображаются слои, загруженные в ГИС-приложение. В отличие от легенды на бумажных картах, легенда или «список слоёв» ГИС-приложения позволяет упорядочивать, скрывать, отображать и группировать слои. Изменение порядка слоёв выполняется путем выбора слоя в легенде, и перетаскивании его в новое положение при зажатой клавише мыши. На рисунках figure_map_legend_1 и figure_map_legend_2 легенда расположена в левой части окна ГИС-приложения. Изменение порядка слоёв влияет на их отрисовку — в нашем случае слой рек отрисован поверх слоя дорог, вместо того чтобы быть под ними.

Figure Map Symbology 1:

../../_images/symbology1.png

ГИС позволяет легко менять стиль — способ отображения информации.

Figure Map Legend 1:

../../_images/map_legend_before.png

Изменение порядка слоёв позволяет настраивать их отображение. Перед изменением порядка слоёв, реки отображались под дорогами.

Figure Map Legend 2:

../../_images/map_legend_after.png

Изменение порядка слоёв позволяет настраивать их отображение. Перед изменением порядка слоёв, реки отображались над дорогами.

Получение ГИС-приложения

Существует множество различных ГИС-приложений. Некоторые из них имеют обширные возможности и стоят десятки тысяч долларов за копию. В то же время вы можете найти и бесплатные ГИС-приложения. Выбор того или иного приложения определяется личными предпочтениями и наличием средств. В этом руководстве мы будем использовать QGIS. QGIS полностью свободна и вы можете копировать и распространять её среди своих друзей в любых количествах. Если вы получили это руководство в печатном виде, вы также должны были получить копию QGIS. Если это не так, при наличии выхода в Интернет вы всегда можете посетить http://hub.qgis.org/projects/quantum-gis/wiki/Download и загрузить копию.

ГИС данные

Теперь, когда мы знаем что такое ГИС и что такое ГИС-приложение, поговорим о ГИС-данных. Данные это синоним слова информация. Информация, используемая в ГИС, как правило имеет географическую составляющую. Вспомните приводившийся пример о медицинском работнике. Он создал таблицу с заболеваниями, которая выглядит так:

Долгота

Широта

Заболевание

Дата

26.870436 -31.909519

Свинка

13/12/2008

Столбцы с широтой и долготой содержат географические данные. Столбцы с названием болезни и датой содержат не географические данные.

Общей для всех ГИС возможностью является «связывание» информации (не географических данных) с местами (географическими данными). Само собой, ГИС-приложение может хранить разную информацию, которая привязанна к одному и тому же месту, что невозможно при использовании бумажных карт. Например, наш медицинский работник может в своей таблице хранить сведения о возрасте и поле пациентов. Когда ГИС-приложение отображает слой, мы можем выполнить отрисовку на основе информации о поле, или о типе заболевания и т.д. Таким образом, при помощи ГИС-приложения мы можем легко изменять внешний вид карты в зависимости от не географических данных, связанных с местами.

ГИС работают с данными различных видов. Векторные данные хранятся как последовательности пар координат X, Y. Векторные данные используются для отображения точек, линий и площадных объектов (полигонов). На рисунке figure_vector_data показаны различные типы векторных данных в ГИС-приложении. В последующих разделах векторные данные рассматриваются подробнее.

Figure Vector Data 1:

../../_images/vector_data.png

Векторные данные используются для отображения точек (например, городов), линий (например, рек) и полигонов (например, административных границ).

Растровые данные хранятся в виде таблицы значений. Вокруг Земли вращается множество различных спутников и снимки, которые они делают являются примером растровых данных, используемых в ГИС. Важным отличием между растровыми и векторными данными является то, что при сильном увеличении растров они становятся «зернистыми» (см. рисунки figure_raster_data_1 и figure_raster_data_2). Эти блоки являются отдельными ячейками таблицы, которая и формирует растр. Мы рассмотрим растровые данные в деталях чуть позже.

Figure Raster Data 1:

../../_images/raster_data.png

Растровые данные это чаще всего спутниковые изображения. Здесь показаны горы Восточно-Капской провинции.

Figure Raster Data 2:

../../_images/raster_data_zoomed.png

Те же растровые данные, но увеличенные. Можно увидеть пиксельную сетку.

Что мы узнали?

Подведем итоги:

  • ГИС это система, состоящая из аппаратного обеспечения, программ и пространственных данных.

  • ГИС-приложение позволяют просматривать пространственные данные и являются важной частью ГИС.

  • ГИС-приложение как правило имеет меню, панели инструментов, область карты и легенду.

  • В ГИС-приложениях используются векторные и растровые данные.

  • Пространственные данные могут быть связаны с непространственными данными.

Попробуйте сами!

Вот некоторые идеи для заданий:

  • География: Опишите учащимся концепцию ГИС, как это сделано в этом разделе. Попросите их найти 3 причины по которым использование ГИС лучше обычных бумажных карт. Вот несколько подсказок:

    • ГИС-приложения позволяют создавать разные виды карт из одного и того же набора данных.

    • ГИС — отличный инструмент визуализации, который может показать различные аспекты данных и то как они связанны в пространстве (выше приводился пример со вспышками заболеваний).

    • Бумажные карты должны быть созданы, а для их просмотра требуется много времени. ГИС могут обрабатывать огромные объемы картографических данных и позволяют легко и быстро найти необходимый участок.

  • География: Попросите учащихся придумать примеры использования растровых данных со спутников. Наши подсказки:

    • В случае природных катаклизмов растровые данные могут быть полезны для поиска пострадавших областей. Например, снимок полученный во время наводнения позволит выявить районы, где люди нуждаются в спасении.

    • Иногда люди наносят вред окружающей среде, например создавая свалки опасных химикатов, которые убивают растения и животных. Использование растровых данных со спутников помогает в мониторинге таких проблем.

    • Спутниковые снимки могут использоваться при планировании городской застройки (рациональное использование инфраструктуры).

Стоит учесть

Если у вас нет компьютера, для объяснения большинства разделов можно использовать доску и прозрачную пленку, так как подход в наложении слоёв одинаков. Однако, для более полного понимания ГИС лучше все таки иметь компьютер.

Дополнительная литература

Книга: Desktop GIS: Mapping the Planet with Open Source Tools. Автор: Gary Sherman. ISBN: 9781934356067

Website: http://www.gisdevelopment.net/tutorials/tuman006.htm

Подробную информацию об использовании QGIS можно найти в Руководстве пользователя QGIS.

Что дальше?

В следующих разделах мы будем углублять полученные знания и учиться использовать ГИС-приложения. Все задания будут выполняться в QGIS. Давайте познакомимся с векторными данными!