Программа курса...

Темы самостоятельного изучения

Персональный проект

Реферирование тематической статьи

Задания №1, №2, №3, №4, №5, №6, №7^новое, №8

Экзаменационные вопросы

Программное обеспечение

Полезные ресурсы к освоению дисциплины

13.02	Цели, задачи и содержание курса, 3 Mb. Источники пространственных данных: карты, каталоги космических снимков, базы данных полевых наблюдений, данные реанализов и др., 19 Мб
20.02 27.02	Создание инвентаризационной ГИС с набором базовых слоев : подготовка и привязка топооснов, снимков, векторизация, атрибуты, топологическая коррекция, буферные и оверлейные операции, интеграция данных глобального позиционирования. Персональный проект.
06.03 13.03	Базы данных. Структура БД, таблицы, формы, отчёты, запросы в среде Access Использование БД в составе ГИС
20.03	Геостатистика: вариография и интерполяция. Поля и резервуары.
27.03	Морфометрический анализ ЦМР: карты свойств и элементов рельефа
03.04	Индикационное цифровое картографирование свойств растительности и почв
10.04	Семинар по проблемам ПА: доклады по статьям.
17.04	Резерв. Допуск к экзамену

Темы для самостоятельного изучения

Персональный проект

Цель: Приобретение навыков использования геоинформационных технологий в исследовательской работе.

Содержание: Работа над персональным проектом расчитана на весь семестр. Отдельные элементы проекта будут рассмотрены в течении лекционных и семинарских занятий, а так же при выполнении практических заданий. Тематика проекта должна быть связана с содержанием курсовой работы, либо актуальным направлением исследования кафедрального НСО. Проект должен включать инвентаризационную ГИС, содержащую базовые слои пространственно-распределенной информации на выбранную и согласованную с преподавателем территорию персонального исследования. Базовая исходная информация будет использоваться для освоения стандартных операции ГИС-преобразований и визуализации (векторизация, запросы, тематические карты и др.). Проект предполагает получения новых содержательных знаний по тематике исследования.

1. Определить содержание, территориальный охват и пространственный масштаб (разрешение) персонального проекта
2. Найти базовые источники пространственной информации: топографические и тематические карты, аэрокосмические снимки.
3. Познакомиться с содержанием каталогов космических снимков, правилами их получения (характеристики снимков, критарии поиска), оформления заказа, особенностями скачивания (П №1).
4. Привязать топографические карты и аэрокосмические материалы с контролем точности (П №2).
5. Векторизовать горизонтали, другие высотные отметки рельефа, элементы гидро- и дорожной сети, административного деления и т.п.
6. Построить цифровую модель рельефа (ЦМР) и расчитать обоснованный набор морфометрических характеристик (крутизна, площадь водосбора и др.). Включить расчетные характеристики в состав геоинформационных слоев (П №5).
7. Выполнить тематический анализ в соответствии со спецификой исследования.
8. Подготовить серию презентаций, иллюстрирующих цели, задачи, материалы, методы и результаты первонального проекта.

Реферирование тематической статьи

Задание №1 «Источники пространственных данных для ГИС»

1. http://gis-lab.info/qa/topogrids.html - краткие сведения GIS-Lab.info о номенклатуре топографических карт и загрузка разграфки листов масштаба от 1:25000 до 1:1 000 000 на Россию и весь мир в форматах SHP, MapInfo и KMZ.

2. http://srtm.csi.cgiar.org - самый простой доступ к гранулам 5°х5° цифровой модели рельефа SRTM v4 на сайте Consortium for Spatial Information (CGIAR-CSI).
3. http://www.vsegei.ru/ru/info/gisatlas - ГИС-АТЛАС «НЕДРА РОССИИ» на сайте Всероссийского научно-исследовательского геологического института им. А.П. Карпинского» (ФГУП «ВСЕГЕИ»)
4. http://portal.onegeology.org - геопортал геологических карт Мира масштаба 1:1 000 000 и мельче.
5. http://www.geolkarta.ru/index.php - доступ к обзорным растровым копиям листов государственной геологической карты России. В стандартный комплект по каждому листу госгеолкарты входят следующие схемы: карта дочетвертичных образований (геологическая), карта четвертичных образований, карта полезных ископаемых и дополнительные схемы (стратиграфическая колонка, геоморфологическая, тектоническая схемы, схема гравитационных аномалий и аномального магнитного поля, разрез, легенда, схема расположения листов и т.д.).
6. http://www.hge.pu.ru/mapgis/start.html - доступ к мелко- среднемасштабным картам субъектов РФ геологической и гидролого-геологической тематики.
7. http://earthexplorer.usgs.gov - EarthExplorer - самый полный и простой доступ к свободным и коммерческим данным (космическим снимкам LANDSAT всех поколений, моделям рельефа ETOPO, SRTM, GDEM, шпионским снимкам Corona и др.) от Геологической службы США (USGS). Требуется регистрация.
8. http://www.geogr.msu.ru/science/projects/geoportal - Геопортал МГУ, предоставляет студентам и сотрудникам МГУ: 1) доступ к космическим снимкам SPOT 4/5, Formosat-2, Iconos, RadarSat; 2) возможность их анализа в научно-образовательных целях в специализированных программах; 3) размещать свои пространственные данные на базе технологии Scanex GeoMixer
9. http://fgis.minregion.ru/fgis/ - ФГИС Территориального планирования Российской Федерации федерального, регионального и муниципального уровней
10. http://openstreetmap.ru/ - российский сегмент международного проекта по созданию и свободному распространению детальных карт всего мира
11. http://www.worldclim.org/ - глобальные климатические поля температуры (мин., ср., макс.) и осадков с разрешением от 30 угловых секунд (0.93 x 0.93 км на экваторе) до 2.5, 5 и 10 угловых минут (18.6 x 18.6 км на экваторе)
12. http://climexp.knmi.nl/ - база данных метеорологических наблюдений и рядов реанализа
13. http://gcmd.nasa.gov - Earth Science data and services.

В программе SAS.Планета найти самое информативное космическое изображение целевого региона и выкачать его в рабочую среду ГИС (QGIS, SAGA, ...) в пять шагов: 1) выбрать тематическое покрытие из списка (рис. 1); 2) слева выбрать оптимальный масштаб (z1-z23), внизу см. подпись текущего пространственного разрешения; инструментом [Операции с выделенной областью] выделить область интересов (рис. 2); 3) определить условия скачивания фрагментов изображения (рис. 3); 4) склеить фрагменты (тайлы) в единое покрытие с файлом геогргафической привязки (рис. 4); 5) открыть изображение в программе QGIS (Слой - Добавить растровый слой..., рис. 5).

Задание №2 «Базовые слои инвентаризационной ГИС»

Цель: привязать в ГИС: фрагмент топографической карты, космические снимки, лесотаксационный планшет 91-ого квартала Центрально-Лесного заповедника (Тверская обл.). Освоить векторизацию линейных и площадных объектов, SQL-запросы, построение тематических карт разного вида.

1. Привязать фрагмент космического снимка Landsat 7 (CLGZ_LANDSAT7_020927.bmp). Координаты левого-верхнего пикселя (471550.0; 6278870.0) в проекции UTM (WGS84), зона №36.
2. Привязать в проекции Гаусса-Крюгера (Пулково 1942), зона №6, фрагмент топографической карты (91_topo.png). Координаты пересечения геодезических линий подписаны на изображении. Шаг линий координатной сети - 1 км.
3. Привязать в той же проекции лесотаксационный планшет (q91_tax.png) по углам лесного квартала. В качестве координатной основы использовать привязанный фрагмент топокарты.
4. Привязать в той же проекции фрагмент панхроматического космического снимка сверхвысокого разрешения (q91_roskosm_z17.jpg) по углам лесного квартала (отмечены красными точками). В качестве координатной основы использовать привязанный фрагмент топокарты.
5. Векторизовать высотные отметки топографической карты (горизонтали и точки). Заполнить их атрибуты.
6. Векторизовать лесотаксационные выдела с простановкой их индексов вида 90S091-номер выдела (например, 90S091-001 - индекс первого выдела 91-ого квартала южного лесничества лесоустройства 1990 года).
7. Присоединить к контурам лесотаксации записи аттрибутивной таблицы q91_Tax_data.xls. В качестве общего поля использовать индекс выдела (id).
8. Построить серию тематических карт, раскрывающих особенности лесных экосистем 91-го квартала Центрально-Лесного заповедника. В качестве обязательных характеристик использовать: 1) основную лесообразующую породу (Species), 2) сумму площадей сечений ели (Е), 3) соотношение основных пород внутри выдела (S, E, B, OS, KL), 4) балл ветровальной нарушенности (WindFall).
9. Отчет о проделанной работе представить в виде рабочего набора всех слоев ГИС и тематических карт. При желании можно сделать презентацию, иллюстрирующую стадии выполнения задания.

- инструкция к выполнению задания

- zip-архив с комплектом материалов

Задание №3 «Объекты БД Microsoft Access»

Цель: познакомиться с объектами релятивистских БД (таблица, форма, отчет), приобрести опыт разработки простой БД в среде MS ACCESS на примере разработки БД «Участники_XII_ландшафтной_конференции»

1. Создать таблицы «Участники» и «Доклады» XII Ландшафтной конференции
2. Заполнить записи для двух участников с одним-двумя докладами каждому
3. Создать форму для ввода данных в две таблицы, заполнить записи еще о двух участниках конференции
4. Создать отчет для печати бэйджиков (бирок, идентификаторов) для участников конференции

- инструкция к выполнению задания ^{обновлено}

- пример БД "Ландшафтной конференции" OpenOffice 4.0 Base (таблица и форма)

Задание №4 «Взаимодействие баз данных и ГИС»

Цель: визуализировать в QGIS пространственное варьирование сумм площадей сечений древостоя, измеренных в Центрально-Лесном заповеднике (Тверская обл.) в ходе учебных практик 2 курса.

• База данных полевых описаний db_land.mdb (таблицы [Биттерлих], [Координаты_точек])
• Космический снимок Landsat (LANDSAT7_020927.jpg, пространственное разрешение 28,5 м, координаты левого-верхнего пикселя 488415, 6266322 в проекции UTM (WGS84), 36 зона)

Содержание задания:
Хранение полевых описаний в БД организовано в виде таблиц, связанных друг с другом по общему полю [Index]. Структура таблиц предназначена для эффективного ввода и хранения данных. Для визуального и статистического анализа данные должны быть преобразованы в подходящую для этих целей структуру с помощью запросов (query). Результат - таблица, строки которой содержат точки описаний, а колонки - их характеристики (суммы площадей сечений древесных пород, проективное покрытие трав, мощности почвенных горизонтов и т.п.). В том числе два поля с географическими координатами (долгота/широта) позволяют каждую строку таблицы представить в ГИС как объект-точку. Массив всех точек может быть представлен в виде тематической карты, демонстрирующей особенности пространственной изменчивости избранного/избранных показателя/лей.

- инструкция к выполнению задания

- MS Office 2003 Portable для работы на компьютерах без офисного пакета (при первом запуске - office.exe, после всегда - Access.2003.exe, перестало работать - удалить папку [Data])

Задание № 5 «Геостатистическое моделирование торфозапасов»

Цель: для верхового болота Катин Мох (Тверская область, Центрально-Лесной заповедник) по данным торфоразведки построить модели поверхности болота, поверхности его дна, расчитать запасы торфа.

Время выполнения задания 2 часа.

- инструкция к выполнению задания

- zip-архив с комплектом материалов

Задание № 6 «Построение и анализ ЦМР»

ЦЕЛЬ: знакомство с регулярными пространственными сетями (гриды, решетки, матрицы), методами их построения, анализа и способами визуализации. Построение цифровой модели рельефа (ЦМР) на основе высотных отметок топографической карты и расчет карты элементарных поверхностей мезорельефа.

Время выполнения задания 2-3 часа.

- инструкция к выполнению задания

- моренной равнины ОП "Зеленоградский" РИН РАСХН, плюс снимок VE z18 80Mb;

- эрозионной равнины Центрально-Черноземного заповедника, плюс снимок Formosat-2 5Mb

- Золотой щели в низкогорьях черноморского побережья Западного Кавказа

Задание № 7 «SRTM - густота эрозионного расчленения»

Цель: приобрести опыт работы с глобальными цифровыми моделями рельефа (SRTM, GDEM и др.).

1. прочитать тематические статьи;
2. подготовить фрагмент глобальной ЦМР на район исследований: скачать и совместить целевые гранулы разграфки SRTM, вырезать целевую область для морфометрического анализа, подготовить эффектную визуализацию земной поверхности (см. Конюшкова, 2017);
3. расчитать водосборную площадь каждого пикселя и сеть водотоков (SAGA);
4. сгладить/отфильтровать ЦМР и повторить расчеты;
5. рассчитать густоту эрозионной сети в SAGA GIS по алгоритму Минеев и др. (2015) при сетке 1х1 км;
6. оформить отчетную презентацию с содержательными комментариями к результатам рассчета;

• Минеев А.Л., Кутинов Ю.Г., Чистова З.Б., Полякова Е.В. Подготовка цифровой модели рельефа для исследования экзогенных процессов северных территорий Российской Федерации / Пространство и Время, 2015, №3 (21), стр. 279-291.
• Кошель С.М., Энтин А.Л. Современные методы расчета распределения поверхностного стока по цифровым моделям рельефа / Геоморфологи: Современные методы и технологии цифрового моделирования рельефа в науках о Земле, 2016, серия Вып. 6, место издания Медиа-ПРЕСС Москва, с. 24-34.
• Конюшкова М.В. Морфометрический анализ рельефа для целей цифровой почвенной картографии // Цифровая почвенная картография. Сборник упражнений», РУДН, 2017, в печати

Время выполнения задания 2 часа.

- инструкция к выполнению задания

- zip-архив с комплектом материалов

Задание № 8 «Лесопользование Тверской области»

Цель: освоить базовые ГИС-операции (оверлей, буферные) и технологии взаимодействия различных программ (SAGA - MS Access – QGIS) на примере лесохозяйственной оценки административных районов Тверской области.

Содержание задания: для административных районов Тверской области рассчитать площади лесов трех групп (спелых, приспевающих и молодых) по классифицированному изображению GeoCover’90. Определить площади лесосек для трех периодов лесопользования (0-20, 20-60, 60-80 лет). Визуализировать расчетные показатели в виде тематических карт и определить на их основе районы Тверской области наиболее и наименее перспективные для лесопользования.

1. презентация с описанием цели и задач, исходных материалов, этапов выполнения работы, тематической картой с пояснениями и рекомендациями по организации лесопользования в районах Тверской области;
2. согласованный набор слоев, тематических карт, оформленных в едином проекте QGIS, включая итоговый слой с информацией о площадях разных типов лесов, размерах расчетных лесосек, суммарной площади лесов трех категорий (по желанию);

Время выполнения задания 2 часа.

- инструкция к выполнению задания ^{обновлено}

- zip-архив с комплектом материалов

Экзаменационные вопросы 2017

1. Объект - Сатинский учебный полигон. Привязать в QGIS лист N37-25 топографической карты масштаба 1:100 000 (test2_satino_N37_25.jpg); фрагмент космического снимка Landsat (test2_satino_landsat.jpg, проекция UTM, Zone 37, Spheroid WGS84, Datum WGS84, Upper Left point - 310665.0 6148511.0, pixel size - 28.5 m), ортофотоплан сатинского учебного полигона (test5_satino_afs.bmp, используя координаты в географической проекции сфероида WGS84:
   704,460 36.38398,55.20711
   747,460 36.38746,55.20729
   756,473 36.38822,55.20652
   684,413 36.38227,55.20917
   690,300 36.38240,55.21414
   592,195 36.37425,55.21888
   737,213 36.38579,55.21851
   143,135 36.33822,55.22088
   354,254 36.35549,55.21591
   определить площадь Межуринских озер, Барского луга, протяженность дальнего маршрута ландшафтной практики
2. Объект - Старая Москва. Привязать в QGIS лист N37-004 топографической карты масштаба 1:100 000 (test1_moscow_N37_004.jpg); снимок Landsat (test1_moscow_landsat.jpg, проекция UTM, Zone 37, Spheroid WGS84, Datum WGS84, Upper Left point - 396528.0 6203766.0; pixel size - 50 m) и фрагмент снимка сверхвысокого разрешения участка 5*5 км из Sas.Planet. Определить площадь Старой Москвы, дешифировать функциональные зоны Москвы в границах фрагмента снимка сверхвысокого разрешения (селитебная, рекреационная, промышленная).
3. Объект - Лесуновский ключевой участок. Привязать в QGIS лист N37-034 топографической карты масштаба 1:100 000 test3_lesunovo_N37_034.jpg. Для участка 10*10 км с центром в Лесуново выкачать из Sas.Planet самый информативный снимок наиболее детального разрешения. Отдешифрировать структуру землепользования в границах участка 10*10 км (населенные пункты, с/х земли, лес) и линейную сеть дорог и рек.

• Построить картодиаграмму проективного покрытия видов травяного яруса Центрально-Лесного заповедника: кислица, копытень, таволга вязолисная и локализовать положение редких для ЦЛГЗ видов травяного яруса - воронец колосистый и пальчатокоренник мясокрасный. Источник - БД db_land.mdb, в качестве подложки использовать космический снимок Landsat (LANDSAT7_020927.jpg, пространственное разрешение 28,5 м, координаты левого-верхнего пикселя 488415, 6266322 в проекции UTM WGS84 36 зона.

• Определить площадь междуречий эрозионных равнин окрестностей Центрально-Черноземного заповедника по набору данных из задания №3 (индекс топографического положения в радиусе 1000 м больше 5 м и крутизна менее 2.5°)
• Построить регрессионную модель влажности гумусового горизонта почв ОП "Зеленоградский" от топографического индекса влажности и относительного превышения в окрестности 100 м (Terrain Analysis - Morphometry - Topographical position index (TPI), radius 100 m) по набору данных из задания №3.

• Определить соотношение спелых, преспевающих, молодых лесов и безлесных пространств для водосборов Волги, Западной Двины и Мологи в границах Тверской области. Использовать набор данных из задания №7, границы трех водосборов проводить по модели SRTM и топографической карте масштаба 1:500 000.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

	Quntum GIS (QGIS) - дружественная к пользователю cвободная географическая информационная система с открытым кодом, распространяющаяся под GNU General Public License. QGIS является проектом Open Source Geospatial Foundation (OSGeo). Она работает на Linux, Unix, Mac OSX, Windows и Android, поддерживает множество векторных, растровых форматов, баз данных и обладает широкими возможностями.
	System for Automated Geoscientific Analyses (SAGA) - одно из лучших некоммерческих средств анализа пространственно распределенных данных (ГИС-операции, геостатистика, морфометрический анализ ЦМР, тематический анализ аэрокосмической снимков и др.). Программа разрабатывается под руководством Джергена Бохнера (Juergen Böhner) и Олафа Конрада (Olaf Conrad) в Университете Гамбурга (отдел физической географии Института географии и Klimacampus, Германия). Распространяется по GNU Lesser General Public License (LGPL).
	Программа Gimp 2 - полнофункциональный графический редактор с русским интерфейсом и возможностями, не уступающими Adobe Photoshop.
	Программа ImageJ - графический редактор c возможностями количественного анализа изображений.

Полезные ресурсы к освоению дисциплины

1. Encyclopedia of GIS, Springer-Verlag, N.Y., 2008 ISBN-10: 0387359737, 1370 pages 35,4 Mb
2. ДеМерс М.Н. Геоинформационные системы. Основы. М., Изд-во «Дата+», 1999. 490 с. ( 39,4Мб)
3. Геоинформатика = Geo-informatics : Толковый словарь основных терминов / Баранов Ю.Б. , Берлянт А.М., Капралов Е.Г. и др.; Берлянт А.М. , Кошкарев А.В. (ред.); ГИС-Ассоц. и др М, 1999 ( 18,5Мб)
4. Козлов Д.Н. ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ЛАНДШАФТНОГО ПОКРОВА МЕТОДАМИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ЛАНДШАФТНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ // ЛАНДШАФТНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ: ОБЩИЕ ОСНОВАНИЯ. МЕТОДОЛОГИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ: Труды Международной школы-конференции "Ландшафтное планирование", М., Географический факультет МГУ, 2006 - 280 с. с цв. ил. ( 3,3Мб)
5. Скворцов А.В., Поспелов П.И., Крысин С.П. Геоинформатика в дорожной отрасли (на примере IndorGIS). – М.: Изд-во МАДИ, 2005. – 389 с. – 1000 экз.

[07.05.15]

доцент Д.Н. Козлов