Допущено Учебно-методическим объединением по
классическому университетскому образованию
в качестве учебного пособия для студентов высших
учебных заведений, обучающихся по направлению
подготовки ВПО 020400 "Биология" и специальности
020803 "Биоэкология".
Данное учебное пособие основано на курсах
«Геоинформационные системы и технологии в лесном
хозяйстве» и «Методы и средства анализа
пространственной информации в лесном хозяйстве»,
разработанных автором для бакалавров, магистров
и студентов 4 и 5 курсов факультета лесного
хозяйства Московского государственного
университета леса (МГУЛ), обучающихся по
специальности 250201 (260400) «Лесное
хозяйство».
Учебный материал, представленный в пособии,
связан с такими дисциплинами образовательной
программы для лесных специалистов, как геодезия,
лесоустройство, геоботаника, экология,
информатика, информационные технологии в лесном
хозяйстве.
Первые три главы книги посвящены рассмотрению
базовых принципов работы в ГИС.
В четвертой главе рассматриваются физические
основы работы с космическими снимками.
В главе 5 излагаются теоретические основы
ландшафтоведения и геоботаники, вскрывающие
основные закономерности строения наземных
экосистем и их динамику во времени. Шестая и
седьмая главы посвящены рассмотрению методов
пространственного анализа лесоустроительных и
геоботанических данных. В восьмой главе
рассматриваются принципы и методы работы в ГИС с
использованием представлений о закономерностях
динамики биогеоценозов в геоботанике. Наконец, в
последней главе дается представление о специфике
работы ГИС-специалиста в лесном хозяйстве.
Материал, использованный для составления данного
учебного пособия, отчасти является компиляцией
многочисленных разрозненных материалов по
основам ГИС в Интернете, которые автор
использовал при чтении лекций для студентов, но
большая часть книги основана на личном научном
опыте работы автора в геоботанических проектах и
проектах освоения лесов Костромской,
Нижегородской, Архангельской и Кировской
областей.
Оглавление
ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОСНОВА КАРТ
1.1. Выбор эллипсоида
1.1.1. Геоид и эллипсоид
1.1.2. Географические координаты
1.1.3. Системы отсчета – датумы
1.2. Выбор масштаба
1.3. Выбор проекции
1.3.1. Искажения на картах
1.3.2. Классификация проекций по характеру
искажений
1.3.3. Классификация проекций по виду
географической сетки
1.4. Проекция Гаусса-Крюгера (ГК) и проекция
Universal Transverse Mercator (UTM)
1.4.1. Номенклатура зон в проекциях ГК и UTM
1.5. Системы координат
1.5.1. Географическая и прямоугольная системы
координат
1.5.2. Параметры проекции
1.6. Разграфка и номенклатура карт
1.7. Привязка топокарт
1.7.1. Сканирование топографических карт
1.7.2. Трансформация и привязка карты в ГИС
1.7.3. Геокодирование растров путем создания файла
привязки
1.8. Чтение карт
1.8.1. Компоновка карты
1.8.2. Правила чтения топографических карт
1.8.3. Изображение рельефа на топографических
картах
1.9. Актуализация топокарт
1.10. Глобальные системы позиционирования
ГЛАВА 2. ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДАННЫХ В ГИС
2.1. Данные в ГИС
2.1.1. Виды данных в ГИС
2.1.2. Источники данных в ГИС
2.2. Структура данных в ГИС
2.2.1. Общая туктура ГИС
2.2.2. Структура векторных данных
2.2.3. Файловая структура данных в ГИС
2.3. Правила топологии
ГЛАВА 3. БАЗЫ ДАННЫХ В ГИС
3.1. Внешние базы данных
3.1.1. Структура сложных БД
3.1.2. Экранное представление сложной БД
3.1.3. Создание выборок во внешней БД
3.2. Внутренние БД
3.2.1. Структура внутренней БД
3.2.2. Экранное представление атрибутивных таблиц
3.2.3. Создание выборок в ГИС
3.3. Метаданные
3.4. Связь внешней и внутренней БД
ГЛАВА 4. ОСНОВЫ РАБОТЫ С ДАННЫМИ
ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ (ДДЗ)
4.1. Физические основы дистанционного зондирования
4.1.1. Электромагнитный спектр
4.1.2. Влияние атмосферы на поглощение солнечного
излучения
4.2. Методы получения ДДЗ
4.2.1. Типы спутниковых орбит
4.2.2. Принципиальная схема получения ДДЗ
4.2.3. Различные методы съемки поверхности Земли
4.3. Разнообразие космических снимков
4.3.1. Виды классификаций снимков
4.4. Структура данных космической съемки
4.4.1. Спутниковые системы получения космических
снимков
4.4.2. Файловая структура космических снимков
4.5. Обработка снимков
4.5.1. Создание пирамидных слоев
4.5.2. Улучшение отображения снимка
4.5.3. Синтез каналов снимка
4.5.4. Интерпретация ситезированных изображений
4.5.5. Композиты
4.5.6. Дешифровочные признаки
4.5.7. Проблемы дешифрирования
ГЛАВА 5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ И
ДИНАМИКИ БИОГЕОЦЕНОЗОВ
5.1. Основы почвоведения
5.1.1. Факторы почвообразования
5.1.2. Морфология почв
5.1.3. Физика почвы
5.1.4. Химия почвы
5.1.5. Органическая часть почвы. Типы гумуса
5.1.6. Основные почвенные процессы
5.1.7. Формирование почвенного профиля
5.2. Основы биогеоценологии и лесоведения
5.2.1. Понятие «биогеоценоз»
5.2.2. Структура фитоценозов
5.2.3. Тип леса, бонитет, тип лесорастительных
условий
5.2.4. Типы болот и их генезис
5.2.5. Классификация растительности
5.2.6. Закономерности пространственного
распределения биогеоценозов
5.2.7. Закономерности динамики биогеоценозов
5.2.8. Виды экзогенных смен
5.2.9. Механизмы эндогенных сукцессий
ГЛАВА 6. НЕПРЕРЫВНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ
6.1. Создание непрерывных поверхностей
6.1.1. Типы распределения объектов в пространстве
и шкалы измерений
6.1.2. Методы интерполяции данных при создании
непрерывных покрытий
6.1.3. Ошибки интерполяции
6.2. Форматы данных непрерывных поверхностей
6.2.1. TIN
6.2.2. GRID
6.3. Виды непрерывных поверхностей
6.3.1. Грид-покрытия для анализа поверхностей
6.3.2. Цифровая модель рельефа
6.3.3. Вегетационный индекс
ГЛАВА 7. ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ДАННЫХ
7.1. Операции пространственного анализа для
векторных данных
7.1.1. Cводные таблицы (суммаризация)
7.1.2. Минимальное расстояние между объектами
(Distance matrix)
7.1.3. Слияние объектов по общему атрибуту
(Dissolve)
7.1.4. Вырезание одной темы по другой (Clip)
7.1.5. Слияние векторных слоев (Merge)
7.1.6. Объединение векторных слоев (Union)
7.1.7. Пересечение векторных слоев (Intersect)
7.1.8. Опознание слоев (Identity)
7.1.9. Пространственное соединение двух тем
(Assign data by location)
7.1.10. Выборка объектов по пространственному
расположению
7.1.11. Объединение смежных полигонов (Dissolve
adjacent polygons)
7.1.12. Буферные зоны
7.2. Операции пространственного анализа для
непрерывных покрытий
7.2.1 Анализ расстояний
7.2.2. Зональная статистика
7.2.3. Алгебра карт
7.2.4. Статистика гридов
7.2.5. Гидрология
ГЛАВА 8. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ
ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ
8.1. Модели данных
8.1.1. Описательные модели
8.1.2. Предсказательные модели
8.2. Принципы моделирования лесных экосистем
8.2.1. Постановка задачи
8.2.2. Составление геоботанической карты
8.2.3. Исследование динамики биогеоценозов
8.2.4. Миграционные возможности расселения
древесных растений
8.2.5. Оценка местообитаний по степени пригодности
для их заселения позднесукцессионными видами
8.2.6. Составление прогнозных карт
8.3. Примеры составления моделей
8.3.1. Ландшафтная карта Слободского лесничества
Кировской области
8.3.2. Модель динамики биогеоценозов Керженского
заповедника
ГЛАВА 9. ГИС-ПРОЕКТ В ЛЕСОУСТРОЙСТВЕ
9.1. ГИС и лесное дело
9.1.1. Организационая структура предприятий лесной
отрасли
9.2. Цикл работ в составе ГИС-проекта по
лесоустройству
9.2.1. Подготовительный этап
9.2.2. Полевой этап
9.2.3. Камеральный этап
9.3. Характеристика лесного фонда
9.3.1. Категории земель
9.3.2. Виды целевого назначения лесов и категории
защитности
9.3.3. Хозяйственные секции
9.4. Особенности составления лесных карт
9.4.1. Дешифровочные признаки растительности
9.4.2. Проблемы дешифрирования растительного
покрова
9.4.3. Дешифровочные признаки растительности на
аэрофотоснимках
9.4.4. Дешифровочные признаки растительности на
космоснимках
9.4.5. Дешифровочные признаки категорий земель
9.4.6. Требования к картографическим материалам
при проведении лесоустройства
9.4.7. Лесоустроительные планшеты
9.4.8. План лесонасаждений
9.4.9. Тематические карты
9.4.10. Карта-схема лесничества
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. СЛОВАРЬ ЛЕСНЫХ ТЕРМИНОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ТАБЛИЦЫ ДЛЯ ПОЛЕВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МОРФОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПОВ ГУМУСА И ПОЧВ
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ЭКОЛОГОЦЕНОТИЧЕСКИЕ ГРУППЫ (ЭЦГ)
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. СОСТАВЛЕНИЕ ТАКСАЦИОННОГО И
ГЕОБОТАНИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ
Введение
Геоинформационные системы (ГИС) предназначены для
управления большим количеством разномасштабной
картографической информации, анализа взаимосвязей
объектов в пространстве, управления атрибутными
характеристиками объектов.
ГИС – понятие многозначное и с концептуальной
точки зрения может пониматься очень по-разному.
ГИС применяются в самых разных отраслях науки и
техники, и каждый конкретный специалист может
вкладывать в это понятие свой смысл. Так, для
программиста ГИС – это программная среда, для
простого пользователя ГИС – это набор электронных
карт (что-то вроде атласа), для картографа ГИС –
это инструмент создания топографических карт, для
специалиста лесного хозяйства ГИС – это средство,
с помощью которого можно не только создавать
лесоустроительные карты и планы и проектировать
лесохозяйственные мероприятия, но и производить
анализ пространственных объектов разной сложности.
Поскольку ГИС имеют дело с объектами,
расположенными на поверхности земли или с почвами,
их можно отнести и к наукам о Земле.
Предметом исследования в ГИС являются
пространственные объекты, т.е. объекты,
расположенные на том или ином участке земной
поверхности, – от элементов хозяйственной
инфраструктуры (дороги, линии электропередач,
населенные пункты и т.д.) до отдельных элементов
биогеоценотического покрова, из которых
складывается биосфера Земли.
Таким образом, пользователь ГИС должен являться
специалистом широкого профиля, ведь для того чтобы
пытаться анализировать пространственные
закономерности строения биосферы, необходимо знать
принципы функционирования ландшафтной оболочки и
растительного покрова, знать закономерности
строения и генезис форм рельефа, закономерности
размещения типов леса и почв по элементам рельефа
и т.д. Кроме того, от пользователя ГИС требуются
элементарные знания математики, основ геодезии и
картографии, умение работать с геодезическими и
лесотаксационными приборами, базами данных, ну и,
конечно, навыки полевой жизни, так как
дешифрирование аэро- и космоснимков невозможно без
сбора полевых описаний.
Следует отметить одну важную особенность
геоинформационных систем. ГИС – это в первую
очередь интерактивный инструмент взаимодействия с
картами. Каждая карта имеет встроенную базу данных
(так называемую атрибутивную таблицу), в строках
которой отражаются характеристики пространственных
объектов, представленных на карте. Благодаря
наличию встроенной базы данных, пользователь может
производить различные выборки по тем или иным
атрибутам, изменять вид карты, акцентируя внимание
на нужных объектах, производить статистические
расчеты.
ГИС – это не одна программа, а пакет программ,
несколько различающихся не только интерфейсом, но
и возможностями работы с данными. Обычно из этого
пакета программ выбирается та, которая позволяет
наилучшим образом решить поставленную задачу.
Поэтому, с точки зрения программного обеспечения,
ГИС ни в коем случае не ограничиваются какой-то
одной программой. Квалифицированный пользователь
ГИС должен уметь владеть пакетом программ.
В настоящее время наиболее распространенными
программными продуктами ГИС являются следующие.
Универсальные ГИС:
- MapInfo, MicroStation
- ArcInfo, ArcView, ArcGIS (ESRI)
- QGis
Универсальные системы «Обработка изображений»
Отраслевые ГИС
Бесплатные ПО для просмотра геоданных
- (ArcExplorer, ENVI_freelook, GeoExpress,
Google Earth).
