Создание картографической базы данных Темниковского района Республики Мордовия

Размещено на http://www.allbest.ru/



Содержание

геоинформационный картографирование пространственный данные

• Введение
• 1. Формирование набора пространственных данных для целей геоинформационного картографирования
• 1.1 Краткая характеристика Темниковского района
• 1.2 Подбор и характеристика исходных данных
• 1.2.1 Векторные данные
• 1.2.2 Растровые данные
• 1.2.3 Прочие материалы
• 1.3 Выбор программного обеспечения
• 1.4 Подготовка и обработка исходных данных для целей картографирования
• 1.4.1 Выбор математической основы карт
• 1.4.2 Создание базы геоданных в ГИС-пакете ArcGIS
• 1.4.3 Обработка исходных данных средствами ГИС-технологий. Создание доменов
• 1.4.4 Оценка качества данных
• 1.5 Актуализация пространственных данных
• 2. Разработка структуры и содержания картографической базы данных Темниковского района
• 2.1 Проектирование структуры картографической базы данных
• 2.2 Разработка содержания и оформление электронных тематических карт средствами ГИС
• 2.2.1 Карты вводного раздела
• 2.2.2 Физико-географические карты
• 2.2.3 Социально-экономические карты
• 2.3 Итоговая файловая структура и состав базы данных цифровой картографической информации в ArcGIS
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Картографическая база данных - это организованное хранилище пространственных данных и связанной с ними атрибутивной информации, предназначенное для эффективного создания, хранения, обновления, поиска и анализа карт и геопространственных данных. Она представляет собой структурированную совокупность данных, описывающих географические объекты и явления, их расположение, характеристики и взаимосвязи. Эта структура позволяет легко извлекать и обрабатывать информацию, необходимую для решения различных задач картографии и геоинформатики.

В качестве объекта исследования выступает Темниковский район Республики Мордовия.

Предмет исследования - технология создания картографической базы данных Темниковского района Республики Мордовия.

Целью данной курсовой работы является разработка концепции и структуры картографической базы данных Темниковского района Республики Мордовия. Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

- изучить материал о муниципальном устройстве, природе, хозяйстве и населении Темниковского района Республики Мордовия, сформулировать назначения требований к БД;

- обосновать выбор наиболее подходящего программного обеспечения;

- подобрать исходные данные, оценить их качество;

- сформировать набор пространственных данных БД ГИС для целей картографирования;

- определить состав и характер локализации слоев географической основы карт;

- разработать содержание и составить электронные тематические карты.

1. Формирование набора пространственных данных БД ГИС для целей картографирования

1.1 Краткая характеристика Темниковского района

Темниковский муниципальный район географически расположен в северо-западной части Республики Мордовия (рисунок 1). По его территории с востока на запад протекает приток Оки река Мокша. Значительную часть территории района в северной части (32 000 га) занимают леса Мордовского государственного заповедника им. П. Г. Смидовича. Протяженность района с севера на юг - 50 км, с запада на восток - 44 км. Площадь территории района составляет 1,93 тыс. кв. км.

Темниковский район граничит на севере с Нижегородской областью, на востоке - с Ельниковским, на юге - с Краснослободским, Атюрьевским, Торбеевским, Зубово-Полянским, на западе - с Теньгушевским.

Темниковский район находится в 168 километрах от столицы Республики Мордовия - города Саранска. Ближайшая железнодорожная станция расположена в 80 км от района.

Рисунок 1 Местоположение Темниковского района на карте Мордовии [8]

В Темниковский район как административно-территориальную единицу входят 1 город районного значения и 6 сельсоветов. В рамках организации местного самоуправления в Темниковский муниципальный район входят 7 муниципальных образований (МО) ? 1 городское поселение и 6 сельских поселений. Сельсоветы одноимённы образованным в их границах сельским поселениям (таблица 1).

Таблица 1

Муниципальные образования Темниковского муниципального района

Наименование МО	Административный центр	Число населенных пунктов в МО
Темниковское городское поселение	г. Темников	1
Аксельское сельское поселение	с. Аксел	20
Андреевское сельское поселение	д. Андреевка	7
Бабеевское сельское поселение	с. Бабеево	30
Пурдошанское сельское поселение	с. Пурдошки	20
Русско-Тювеевское сельское поселение	д. Русское Тювеево	12
Старогородское сельское поселение	с. Старый Город	7

На территории района разведаны месторождения кирпичных глин (Горьковское, Пурдошанское), строительных песков (Дегтярёвское), карбонатных пород на щебень (Пурдошанское); выделены проявления кирпичных суглинков (Кичатовское, Максимовское, Урейское), строительных песков (Мокшанское-1, Мокшанское-2, Павловское, Пурдошанское), песчано-гравийных смесей (Староямское). Эксплуатируются верхнекаменноугольный и верхнекаменноугольно-ассельский водоносные горизонты.

Запасы подземных вод - 327,6 тыс. м3/сут. По химическому составу воды сульфатно-гидрокарбонатные кальциево-магниевые. Эксплуатационные запасы и качество подземных вод способны удовлетворить потребности всех водопользователей.

Основной рекой является Мокша, среди притоков которой выделяются Сатис, Пушта, Ужовка, Урей. Площадь водосбора Мокши в створе города составляет 15800 км2. Средний многолетний сток 53,7 м3/с, его объем - 1 694,8 млн. м3 в год. В средний по водности год 79% его годового объема проходит весной, 6,5% - зимой и 14,5% - летом и осенью.

В структуре почвенного покрова сельскохозяйственных земель выделяются черноземы (30%), дерново-подзолистые (22%), пойменные (20%), серые лесные почвы (17%). В естественной растительности преобладают хвойные и смешанные леса. Под лесами занято 53,6%, под кустарниками - 3,3% площади района. Значительную часть его территории в северной части (32000 га) занимают леса Мордовского государственного природного заповедника им. П. Г. Смидовича.

Промышленность района представлена в основном предприятиями, перерабатывающими сельскохозяйственное, минеральное и лесное сырье. В районе проводится большая работа по развитию социальной инфраструктуры. Большинство дорог имеют асфальтовое покрытие, все населенные пункты газифицированы. Наращивание промышленного потенциала будет происходить за счет реконструкции и модернизации существующих производств. Целесообразны развитие переработки сельскохозяйственной продукции и создание туристского центра. Темников и его окрестности обладают богатыми рекреационными ресурсами, памятниками природы, истории и культуры, предоставляющими возможность создания здесь зоны отдыха и туризма.

1.2 Подбор и характеристика исходных данных

1.2.1 Векторные данные

Основным источником данных для создания картографической базы данных Темниковского района были векторные данные OpenStreetMap (OSM).

Загрузка данных с помощью QuickOSM. [11]

Плагин QuickOSM в QGIS упрощает загрузку данных из OpenStreetMap. После установки плагина, слой ограничивающей рамки Темниковского района, добавляем в проект QGIS (рисунок 2).

Рисунок 2 Слой с ограничивающей Темниковский район рамкой в QGIS

Затем, тщательно выбираем нужные данные, используя теги OpenStreetMap. Необходимо понимать, что OSM содержит огромное количество данных, и нецелесообразно загружать все. В нашем случае, были выбраны следующие данные:

- waterway (реки и ручьи) ? линейные объекты (линии). QuickOSM может позволять выбирать подтипы водотоков (river, stream, canal и т.д.);

- water (озера и водохранилища) ? полигональные объекты (полигоны);

- highway (дороги) ? линии. Выбор подтипов (motorway, trunk, primary, secondary, tertiary и т.д.) позволяет управлять уровнем детализации дорожной сети;

- place (населенные пункты) ? точки (для небольших населенных пунктов) или полигоны (для больших городов). В OSM тег place может указывать на различные типы населенных пунктов (city, town, village, hamlet и т.д.).

- natural ? один вариант для загрузки лесных массивов, который может быть более точным, чем landuse_forest.

После выбора всех необходимых слоев, запускается процесс загрузки (рисунок 3).

Рисунок 3 Окно плагина QuickOSM

Затем обработанные данные экспортируются в выбранный формат. В большинстве случаев используется формат shapefile (.shp), который хорошо поддерживается большинством ГИС-программ. Этот формат данных включает в себя несколько файлов:.shp (геометрия),.shx (индекс),.dbf (атрибутивная таблица),.prj (проекция).

Каждый векторный слой, экспортированный из OSM, имеет свою собственную атрибутивную таблицу, хранящую информацию о геометрических объектах этого слоя (рисунок 4).



Рисунок 4 Фрагмент атрибутивной таблицы слоя населенных пунктов OSM

Атрибутивная таблица векторного слоя «place», представляющего населенные пункты в виде полигонов, содержит информацию о каждом объекте. Важно понимать, что структура таблицы не жестко фиксирована; набор полей и их значения зависят от того, как каждый населенный пункт был описан участниками OSM.

Основные поля слоя и их типы данных:

? osm_id (целое число) ? уникальный идентификатор объекта в базе данных OpenStreetMap. Служит для связи с другими объектами OSM и позволяет однозначно идентифицировать каждый населенный пункт.

? osm_type (текстовое) ? тип объекта в OSM. Для населенных пунктов, представленных в виде полигонов, используется тип relation (для составного объекта) или way (для простого объекта).

? name (текстовое) ? название населенного пункта. Обычно дано на распространенном в данном регионе языке. Если населенный пункт имеет названия на разных языках, используются дополнительные поля, например: name:ru, name:en, name:de и т.д.

? population (целое число) ? численность населения. Это поле часто не заполнено или содержит устаревшие данные, особенно для небольших населенных пунктов. Наличие и достоверность данных сильно варьируются в зависимости от региона и активности пользователей OSM.

В таблицах OSM могут встречаться и другие, более специфические значения, зависящие от региона и особенностей картографирования.

Кроме того, в работе использовались векторные слои цифровой топографической основы (ЦТО) масштаба 1:200 000, взятые из фонда института геоинформационных технологий и географии МГУ им. Н. П. Огарёва. На рисунке 5 представлены характеристики населенных пунктов ЦТО.

Рисунок 5 Фрагмент атрибутивной таблицы слоя населенных пунктов

Источником для составления почвенной карты служил готовый цифровой слой почвенных выделов, снятый с бумажной почвенной карты Мордовии. [6]



1.2.2 Растровые данные

Растровые данные - это данные, представленные в виде двумерной сетки (матрицы) пикселей, где каждый пиксель имеет определенное значение, которое может представлять различные характеристики, такие как цвет, интенсивность, высота и т.д. Растровые данные могут быть получены с помощью различных методов, включая спутниковую съемку, аэрофотосъемку и другие технологии.

В ходе работы по изучению изменений лесного массива Темниковского района Республики Мордовия были использованы растровые данные двух типов. В качестве растровой подложки послужили охватывающие всю территорию района отсканированные листы топографической карты масштаба 1:200 000 (рисунок 6).

Рисунок 6 Листы топографической карты в окне программы ArcMap

Для оценки динамики лесного покрова за определённый период времени был использован космический снимок (рисунок 7), полученный с помощью программы SAS Planet. Этот снимок уже имеет геопривязку, что позволило сравнить состояние лесного массива на разных временных отрезках. Анализ растровых данных позволил оценить изменение площади лесных массивов Темниковского района и обновить данные.

Рисунок 7 Космический снимок в окне программы ArcMap

В качестве источника информации о рельефе местности использовалась цифровая модель рельефа SRTM в виде матрицы высот, представленная в растровом формате. [14]

1.2.3 Прочие материалы

Создание картографической базы данных Темниковского района потребовало привлечения разнообразных источников информации помимо пространственных данных. В качестве дополнительных материалов использовались текстовые материалы и справочные данные:

Различные текстовые сведения, содержащие описания географических, исторических, социальных и экономических характеристик Темниковского района, представлены в научных журналах, краеведческих изданиях, отчетах местных органов власти, туристических путеводителях и т.д. Эти описания послужили основой для создания тематических карт и проверки качества имеющихся данных. Справочные данные (к ним относятся справочники и каталоги, содержащие информацию о населенных пунктах, объектах инфраструктуры, природных ресурсах и других характеристиках района) были получены из официальных государственных реестров, специализированных баз данных и других источников. Официальная документация - нормативные акты, планы развития, отчеты о деятельности местных органов власти и других организаций ? обеспечила достоверность и актуальность данных, используемых для создания картографической базы.

В основе создания картографической базы данных (КБД) Темниковского муниципального района лежали официальные статистические данные, обеспечивающие актуальность и достоверность информации. Численность населения населенных пунктов по состоянию на 01.10.2021 г. была получена из официальных результатов Всероссийской переписи населения 2020 года (ВПН-2020), размещенных на сайте Росстата (рисунок 8).

Помимо демографических данных в КБД были включены сведения о местоположении ключевых объектов инфраструктуры. Информация о медицинских и образовательных учреждениях взята на официальном сайте министерства здравоохранения Республики Мордовия, для дополнения информации об образовательных организациях были привлечены открытые интернет-источники. [9] [10] Сведения о сельскохозяйственных предприятиях Темниковского района получены с официального сайта соответствующего министерства (рисунок 9).



Рисунок 8 Фрагмент документа с материалами ВПН-2020 [13]

б)

Рисунок 9 Страницы официального сайта министерства сельского хозяйства и продовольствия Республики Мордовия



1.3 Выбор программного обеспечения

Выбор программного обеспечения играет одну из главных ролей в решение поставленной задачи. Выбор обусловлен уникальным сочетанием функциональных возможностей, которые критически важны для успешного выполнения подобных проектов. ArcMap не просто отображает данные на карте; он предоставляет мощный инструментарий для интеграции, обработки и анализа разнообразной пространственной информации, позволяя создавать действительно информативные и аналитически ценные картографические продукты. Его способность работать как с векторными, так и с растровыми данными делает его незаменимым инструментом при создании КБД, где часто встречаются топографические карты (растры), данные о границах участков, инфраструктуре (векторы), а также табличные данные о населении, экономических показателях и других характеристиках территории. Возможность работы с базами геоданных (geodatabases) обеспечивает не только целостность данных, но и их эффективное управление, особенно важную особенность при работе с крупными объемами информации.

Более того, ArcMap выходит за рамки простого отображения, предоставляя обширный набор инструментов для пространственного анализа. [7] Это позволяет не только визуализировать данные, но и проводить глубокий анализ пространственных взаимосвязей: вычислять площади, анализировать буферные зоны вокруг объектов, определять расстояния, накладывать слои друг на друга (overlay analysis) для выявления пространственных перекрытий и корреляций, и многое другое. Благодаря этому, можно выявлять закономерности, строить прогнозы, и получать более глубокое понимание исследуемой территории. Например, анализ пространственного распределения населения в сочетании с данными о местоположении медицинских учреждений или школ в ArcMap позволит оценить доступность этих социальных услуг. Критически важной функцией является возможность геопривязки (georeferencing) и геореференцирования сканированных карт и других изображений. Это позволяет интегрировать данные из различных источников, часто представленных в разных системах координат, в единую пространственную систему, обеспечивая точность и согласованность всей КБД.

ArcMap обеспечивает не только обработку данных, но и их эффективное управление. Функции редактирования данных, создание и управление базами геоданных позволяют поддерживать актуальность и качество КБД на протяжении всего жизненного цикла проекта. Но возможности ArcMap не ограничиваются анализом и обработкой; он предоставляет широкие возможности для визуализации и картографирования. Гибкие настройки символики, легенд, аннотаций позволяют создавать наглядные, информативные и эстетичные карты, адаптированные к конкретным потребностям пользователей и предназначению КБД.

Кроме того, ArcMap может интегрироваться с другими приложениями, такими как табличные процессоры (например, Microsoft Excel) и программное обеспечение для статистического анализа, расширяя аналитические возможности и позволяя использовать данные из самых разных источников. И наконец, широкое распространение ArcMap, обширная документация, наличие обширного сообщества пользователей и множество обучающих материалов упрощают работу с программой и поиск решений в случае возникновения трудностей. В совокупности все эти факторы делают ArcGIS ArcMap оптимальным выбором для создания качественной, точной и информативной КБД, отвечающей самым высоким требованиям к подобным проектам, обеспечивая их эффективность и надежность.



1.4 Подготовка и обработка исходных данных для целей картографирования

1.4.1 Выбор математической основы

Выбор математической основы в ArcMap для подготовки и обработки исходных данных картографирования является критическим шагом, определяющим точность и достоверность итоговой картографической продукции. Он включает в себя определение системы координат (СК) и картографической проекции. Неправильный выбор может привести к искажениям, ошибкам в измерениях и анализе, делая результаты ненадёжными.

Перед выбором математической основы необходимо тщательно проанализировать все имеющиеся исходные данные. Данные могут быть представлены в различных форматах (shapefile, geodatabase, растровые данные и т.д.). Каждый формат может содержать информацию о своей системе координат. Необходимо определить, в каких системах координат и проекциях представлены исходные данные (например, WGS 84, UTM, географические координаты). Эта информация часто указывается в метаданных файлов.

Карты Темиковского района создавались в проекции Гаусса-Крюгера (зона 8), все исходные слои хранились в этой проекции (Pulkovo_1942_GK_Zone_8), поскольку она подходит для территории Мордовии (протяженность по долготе меньше 7°). Для преобразования слоёв из географической системы координат в проекцию Гаусса-Крюгера (зона 8) использовались два метода в ArcGIS ? либо перепроецирование всей рамки данных с последующим экспортом слоёв с унаследованной проекцией, либо послойное перепроецирование с помощью инструмента ArcToolbox. В обоих случаях проекция Гаусса-Крюгера выбиралась из списка проекций ArcGIS как проекция Gauss_Kruger Pulkovo 1942 GK Zone 8 (рисунок 10).



Рисунок 10 Установка системы координат картографической проекции для фрейма данных

1.4.2 Создание базы геоданных в ГИС-пакете ArcGIS

Создание файловой базы геоданных в ArcGIS Pro является начальным, но критическим этапом любого ГИС-проекта. Файловая база геоданных (.gdb) представляет собой самодостаточный контейнер, хранящий геопространственные данные и связанную с ними атрибутивную информацию. В отличие от более простых форматов, таких как shapefile, файловая база геоданных в ArcGIS обладает существенными преимуществами, обеспечивая целостность данных, эффективность управления и расширенные возможности анализа. Она идеально подходит для множества задач, от небольших проектов до достаточно сложных исследований, не требующих масштабируемости корпоративных баз данных.
Процесс создания файловой базы геоданных в ArcGIS Pro интуитивно понятен, но требует понимания некоторых базовых концепций. Прежде всего, необходимо выбрать подходящее место на жестком диске или в сетевом хранилище для размещения новой базы данных. Рекомендуется создавать отдельные, логически структурированные папки для хранения различных проектов и их данных, что значительно облегчит последующую навигацию и управление файлами.

После определения местоположения, непосредственно создается база геоданных. В ArcGIS Pro это делается через удобный интерфейс, доступный из различных меню и панелей инструментов. Независимо от выбранного способа (через контекстное меню, панель инструментов или перетаскиванием), процесс начинается с указания имени для будущей базы данных. Выбор имени должен быть осмысленным и информативным, отражающим содержание проекта. Важно соблюдать правила именования файлов, избегая пробелов, специальных символов и недопустимых знаков, которые могут привести к ошибкам. После подтверждения имени и местоположения, ArcGIS Pro создает файл с расширением ".gdb". Этот файл и является файловой базой геоданных (рисунок 11).

Рисунок 11 Фрагмент созданной базы геоданных ArcGIS

Внутри файловой базы геоданных хранятся данные в виде различных объектов. Ключевыми элементами являются классы пространственных объектов (feature classes), представляющие собой наборы геометрических объектов (точки, линии, полигоны) с соответствующими атрибутами. Каждый класс пространственных объектов имеет свою схему, определяющую структуру атрибутивной таблицы, типы данных полей и взаимосвязи между ними. Внимательное проектирование схемы базы данных еще на начальном этапе крайне важно для эффективной работы с данными и последующего анализа. Грамотно продуманная схема обеспечивает целостность данных и предотвращает множество ошибок.

Важно подчеркнуть, что файловая база геоданных - это не просто набор отдельных файлов, как, например, shapefile. Она представляет собой единое целое с внутренней структурой, обеспечивающей целостность и эффективность хранения данных. Это позволяет использовать все возможности ArcGIS Pro для работы с данными - редактирования, анализа, создания карт и выполнения других геопространственных операций. В отличие от shapefile, которые часто требуют использования вспомогательных файлов, файловая база геоданных ArcGIS предоставляет единый, интегрированный подход к управлению данными.

1.4.3 Обработка исходных данных средствами ГИС-технологий. Создание доменов

Обработка исходных векторных данных, полученных из OpenStreetMap (OSM), включала несколько технологических операций, направленных на подготовку данных для последующего анализа и картографирования. [12]

Первоначально полученные слои OSM в QGIS могли охватывать территорию, значительно превышающую интересующий район. Для вырезания фрагмента данных необходимо было определить границы интересующего района. После создания рамки района с помощью инструмента вырезания (clip) были получены новые слои, содержащие объекты только в пределах установленной рамки (рисунок 12). Эта процедура выполнялась для каждого слоя данных (населенные пункты, лесной массив и т.д.). Атрибутивная таблица каждого слоя OSM содержала различные поля, описывающие объекты. Необходимо было проверить наличие и корректность информации в атрибутивных таблицах, а также удалить лишние поля.

Рисунок 12 Подготовленные слои в ArcGIS

Домены, по сути, представляют собой правила, определяющие допустимые значения для атрибутивных полей в классах пространственных объектов базы геоданных. Это позволяет контролировать ввод данных, предотвращая ошибки и обеспечивая согласованность информации. Без доменов, значения атрибутов могут быть произвольными, что затрудняет анализ данных и снижает их ценность.

В ArcGIS реализованы различные типы доменов, каждый из которых предназначен для определенного типа данных и задач. Например, для качественных характеристик, таких как тип землепользования или тип дорожного покрытия, идеально подходит домен значений, задающий набор допустимых кодов и соответствующих им описаний. Для количественных данных, например, для высоты или площади, можно использовать домен диапазона, устанавливающий минимальное и максимальное допустимые значения. Для текстовых данных могут применяться домены, ограничивающие длину строки или задающие формат ввода. В более сложных случаях, использование доменов подтипов позволяет управлять атрибутами на уровне подтипов объектов, обеспечивая гибкость и детализацию моделирования.

Процесс создания домена относительно прост, но требует понимания структуры данных и задач проекта. Сначала выбирается тип домена, исходя из типа атрибутивного поля, к которому он будет применяться. Затем домену присваивается уникальное имя, описывающее его назначение. На этом этапе также задаются конкретные параметры: список значений и кодов для домена значений, диапазон для числового домена, ограничения длины и формата для текстового домена (рисунок 13). После этого созданный домен сохраняется в базе геоданных, становясь доступным при настройке полей таблиц.

Применение созданного домена к атрибутивному полю происходит в свойствах класса пространственных объектов. После назначения домена ArcGIS будет автоматически проверять все значения в этом поле на соответствие правилам, определенным в домене. При попытке ввода недопустимого значения, программа выдает предупреждение или ошибку, предотвращая сохранение некорректных данных. Это значительно повышает качество данных и снижает время на их последующую проверку и очистку.



Рисунок 13 Настройка доменных значений в базе геоданных

1.4.4 Оценка качества данных

Проведение оценки топологической согласованности геопространственных данных позволяет выявить и исправить геометрические несоответствия и ошибки в пространственном положении объектов. Топология устанавливает правила пространственных отношений между объектами, например, запрещая наложение полигонов или разрывы линий. Благодаря этому, достигается целостность данных и повышается их пригодность для анализа и картографирования.

Процесс начинается с определения необходимых топологических правил, которые зависят от специфики данных и задач проекта. Например, для слоя границ земельных участков важно проверить отсутствие наложений и незамкнутых полигонов. Для дорожной сети актуально выявить разрывы и самопересечения линий. Выбор правил - это критичный этап, определяющий эффективность всей процедуры. Неправильно заданные правила могут привести либо к излишней строгости, либо к пропуску важных ошибок.

После определения правил создается топологический набор. Этот набор связывает выбранные топологические правила с конкретными классами пространственных объектов. Здесь важно указать, какие именно слои будут участвовать в топологической проверке и какие правила к ним применяются. После создания топологического набора выполняется сама проверка. ArcGIS анализирует данные, проверяя их соответствие заданным правилам. Результатом проверки является отчет, содержащий информацию обо всех выявленных ошибках. Отчет обычно включает в себя описание типа ошибки, её местоположение и идентификатор(ы) затронутых объектов. Визуальное представление ошибок часто осуществляется с помощью выделения соответствующих объектов на карте. Это позволяет быстро оценить масштаб и характер проблем в данных (рисунок 14).

Рисунок 14 Отчет об ошибках при проверке топологии

Дальнейший этап - исправление обнаруженных ошибок. Это может быть ручная корректировка геометрии объектов или использование автоматических инструментов ArcGIS.

1.5 Актуализация пространственных данных

Актуализация пространственных данных является важной практикой в сфере геоинформационных систем (ГИС) и в области геопространственной аналитики. Её цель заключается в обновлении, улучшении и поддержании актуальности информации о местоположении объектов и явлений.

В результате актуализации данных были исправлены векторные слои с населенными пунктами и лесными массивами. В векторном слое с населенными пунктами были обнаружены неактуальные данные ? населенные пункты, прекративших свое существование. По данным Росстата количество населенных пунктов Темниковского района за 2020 г. равно 96. После удаления полигонов упраздненных населенных пунктов в атрибутивную таблицу класса объектов было добавлено новое поле и внесено число жителей в соответствии с последней переписью населения. 8 населенных пунктов Темниковского района - без жителей. Это д. Идеево, д. Кривошеево, д. Шурбино, д. Кочемасово, д. Айсино, д. Андреевка, д. Верясы, п. Нижний Сатис.

Актуализация данных слоя лесного массива в ArcGIS с использованием геопривязанного космического снимка методом оцифровки представляет собой процесс ручного или полуавтоматического создания, или корректировки полигонов, отображающих границы лесного массива на основе визуальной интерпретации снимка. Эффективность этого метода напрямую зависит от разрешения снимка и опыта специалиста, проводящего оцифровку. Высокое разрешение снимка позволяет более точно определять границы лесных участков, включая мелкие детали, такие как просеки или отдельные деревья.

Перед началом оцифровки необходимо было убедиться в правильной геопривязке снимка, чтобы гарантировать соответствие координат на снимке и в базе данных. Любые неточности в геопривязке приведут к искажениям в пространственном положении создаваемых или корректируемых полигонов. Важно также иметь доступ к предыдущим данным о лесном массиве, чтобы сравнивать новые оцифрованные данные с существующими, выявляя изменения и оценивая степень их достоверности. Это позволяет сократить время работы и повысить точность.

Процесс оцифровки обычно начинался с выбора подходящего инструмента в ArcGIS, например, инструмента создания полигонов. Затем, руководствуясь визуальной интерпретацией снимка, вручную прочерчивали границы лесного массива. При этом учитывались различные признаки, позволяющие различить лесную растительность от других типов растительности или открытых пространств, ? текстура, цвет и формы объектов на снимке.



2. Разработка структуры и содержания картографической базы данных Темниковского района

2.1 Проектирование структуры картографической базы данных

Грамотно разработанная структура обеспечивает эффективное хранение, управление и анализ пространственных данных, а также определяет возможности дальнейшей работы с данными. На этапе проектирования необходимо тщательно продумать все аспекты организации данных, учитывая специфику проекта и предполагаемые виды анализа. Неправильно спроектированная база данных может привести к проблемам с производительностью, сложностям в обновлении и анализе данных, а также к неточностям в результатах.

Каждый класс объектов представляет собой набор пространственных объектов одного типа, например, населенные пункты, дороги, реки. Для каждого класса объектов необходимо определить его геометрический тип (точка, линия, полигон) и атрибутивную схему. Атрибутивная схема включает в себя описание атрибутивных полей, их типов данных и ограничений.

Взаимосвязь между классами объектов - еще один ключевой аспект проектирования. Часто данные разных классов объектов связаны между собой. Например, дороги могут быть связаны с населенными пунктами. Эти связи должны быть правильно определены и реализованы в базе данных, например, с помощью пространственных отношений или табличных связей. Грамотно спроектированные связи значительно облегчают пространственный анализ и получение интегрированной информации.

Структура созданной картографической базы данных представлена на рисунке 15.



Рисунок 15 Структура картографической базы данных

2.2 Разработка содержания и оформление электронных тематических карт средствами ГИС

2.2.1 Карты вводного раздела

К картам вводного раздела относятся карты: общегеографическая и муниципального устройства.

Общегеографическая карта (рисунок А.1) отображает обобщенное изображение земной поверхности, отображающее разнообразные географические объекты и явления. В отличие от тематических карт, которые фокусируются на одном конкретном аспекте, общегеографическая карта стремится к всестороннему показу географической среды, включая рельеф, гидрографию, населенные пункты, транспортную сеть и другие значимые элементы ландшафта. Она служит основой для множества других картографических построений и анализа, предоставляя целостный контекст для понимания географического пространства. [2]

На карте изображены границы субъектов Российской федерации (РФ) и районов Республики Мордовия (РМ). Площадным условным знаком показана растительность. Площадными и внемасштабными условными знаками показаны населенные пункты Темниковского района. На карте изображены основные автомобильные дороги. Гидрография показана линейными (реки и ручьи) и площадными (озера и пруды) условными знаками. Подписаны названия населенных пунктов и рек. Нанесены горизонтали, которые проведены через 20 метров (рисунок 16).

Рисунок 16 Легенда общегеографической карты

Ha карте муниципального устройства (рисунок A.2) способом качественного фона показаны сельские поселения. Каждому сельскому поселению соответствует отдельный цвет. Темниковское городское поселение изображено с помощью штриховки. Населенные пункты изображены внемасштабными и площадными условными знаками. С помощью пунсонов разной стилистики и размера выделены: центр района, административные центры и населенные пункты без жителей.

Линейными условными знаками изображены: границы субъектов Российской Федерации, районов Республики Мордовия и сельских поселений. Так как Темниковский район граничит с Нижегородской областью, то была выделена граница Республики Мордовия.

Автомобильные дороги показаны на карте с делением на 3 класса: федерального, регионального и межмуниципального значения и прочие (рисунок 17).



Рисунок 17 Легенда карты муниципального устройства

2.2.3 Физико-географические карты

Физико-географические карты включают в себя два варианта гипсометрической карты, почвенную карту, карты экспозиции склонов и крутизны склонов.

Гипсометрическая карта строилась в двух вариантах:

1) с использованием цифровых матричных данных SRTM и векторных данных, полученных в результате оцифровки листов топографических карт. В целях составления гипсометрической карты была создана цифровая модель рельефа. Интерполяция проводилась по горизонталям c использованием дополнительных векторных слоев - рек и озер (рисунок 18). Благодаря такому способу интерполяции была построена гидрологически корректная модель рельефа. [12] С помощью инструмента «отмывка» на основе SRTM данных была создана отмывка рельефа в оттенках серого при относительном положении солнца. Полученная поверхность использовалась для отображения рельефа территорий, граничащих с Темниковским районом;

2) с использованием данных SRTM. Полученный вариант гипсометрической карты отображает рельеф на всю картографируемую территорию.

После анализа особенностей рельефа территории была разработан0а цветовая шкала послойной окраски, состоящая из 7 классов (ступеней высот), каждому классу задан свой цвет (рисунок 19). Предложенная шкала использовалась для обоих вариантов гипсометрической карты (рисунок А.3 и рисунок А.4).

Рисунок 18 Настройки инструмента «топо в растр» в ArcGIS

Рисунок 19 Настроенная в ArcMap шкала высот

Помимо рельефа на гипсометрических картах линейными условными знаками изображены горизонтали и реки, площадными - озера, точечным - центр района (рисунок 20).

Рисунок 20 Легенда гипсометрических карт

На почвенной карте (рисунок А.5) отображена информация о типах почв территории Темниковского района. В результате анализа схожих по тематике картоиздательских материалов была подобрана цветовая гамма для шкалы. Показатель был отображен при помощи качественного фона. Помимо информации о почвах на карте представлены: гидрография с подписями наиболее крупных объектов, а также границы субъектов РФ и границы районов (рисунок 21).

Карта экспозиции склонов (рисунок А.6) отображает ориентацию различных форм рельефа относительно направления света и разделяет их на «северные» (холодные) и «южные» (теплые) направления. Полученная карта является результатом обработки цифровой модели рельефа с использованием инструмента «Экспозоция». Затем была выполнена классификация с заданными интервалами. На карте присутствует информация о границах субьектов Российской Федерации и районов Республики Мордовия (рисунок 22).



Рисунок 21 Легенда почвенной карты

Рисунок 22 Легенда карты экспозиции склонов

При составлении карты крутизны склонов (рисунок А.7) был использован инструмент «уклон» из набора Поверхность, который рассчитывает максимальный перепад высот по значениям четырех или восьми соседних ячеек, который обычно используется для определения крутизны склона местности. Входной растр - ранее созданный слой цифровой модели рельефа. Для отображения углов наклона была выбрана методика Н. Л. Беручашвили и В. К. Жучковой, в соответствии с которой и была настроена шкала. [1] Помимо углов наклона на карте были линейными условными знаками изображены реки, площадными - озера, точечными - центр района (рисунок 23).

Рисунок 23 Легенда карты крутизны склонов

2.2.4 Социально-экономические карты

К картам социально-экономического раздела относятся:

- карта национального состава;

- карта агропромышленного комплекса;

- карта социальной сферы.

На карте национального состава (рисунок А.8) город Темников показан с помощью структурного диаграммного значка, каждый сектор которой соответствует одному типу национальности (русские, татары, мордва-мокша, мордва-эрзя). Размер значка зависит от величины численности населения в населенном пункте. Цвет значка указывает на этнический состав населения. Также на карте изображены автодороги, гидрография (реки, озера), лесной массив, границы районов и субъектов (рисунок 24).



Рисунок 24 Легенда карты национального состава

На карте социальной сферы изображены учреждения здравоохранения и образовательные организации (приложение А.9). Учреждения здравоохранения подразделяются на 2 класса: центральную районную больницу и фельдшерско-акушерский пункт. Образовательные учреждения разделены на 5 классов: учреждение дошкольного образования, начальная школа, основная школа, средняя школа, колледж. На карту также нанесены населенные пункты, дорожная сеть, гидрография, границы, лесной массив (рисунок 25).

Рисунок 25 Легенда карты социальной сферы

На карте агропромышленного комплекса (приложение А.10) способом значков изображены сельскохозяйственные предприятия, цветом показана их специализация (рисунок 26).

Рисунок 26 Легенда карты агропромышленного комплекса

2.3 Итоговая файловая структура и состав базы данных цифровой картографической информации в ArcGIS

Итоговым результатом работы является картографическая база данных цифровой информации, содержащая в себе классы пространственных объектов на территорию Темниковского района (рисунок 27).

Рисунок 27 Фрагмент базы геоданных Темниковского района

С использованием этих данных были созданы электронные карты различной тематики.

Оценивая преимущества и недостатки базы геоданных и ее функциональные возможности, можно утверждать, что данная система обладает всеми необходимыми инструментами для создания, редактирования, хранения и подержанием целостности пространственных данных.



Заключение

Результатом проделанной работы является созданная картографическая база данных на территорию Темниковского района. Она обладает всеми необходимыми свойствами и соответствует предъявляемым требованиям.

В процессе работы были выполнены поставленные цели:

- изучен материал о муниципальном устройстве, природе, хозяйстве и населении Темниковского района Республики Мордовия, сформулированы назначения требований к БД;

- обоснован выбор наиболее подходящего программного обеспечения;

- подобраны исходные данные, оценено их качество;

- сформирован набор пространственных данных БД ГИС для целей картографирования;

- определен состав и характер локализации слоев географической основы карт;

- разработано содержание и составлены электронные тематические карты.

Работа выполнялась с помощью программного обеспечения ArcGIS, так как основным его преимуществом является наличие развитого математического аппарата обработки пространственных атрибутивных данных.

В результате изучения материалов и способов реализации картографического материала была получена серия тематических карт на территорию Темниковского района Республики Мордовия.



Список использованных источников

1. Беручашвили Н. Л., Жучкова В. К. Методы комплексных физико- географических исследований: Учеб. для студентов вузов, обучающихся по направлению и спец. «География» / Н.Л. Беручашвили, В.К. Жучкова. М.: Изд- во МГУ, 1997. ISBN 319 с. 5-211-03502-X. Текст: электронный.

2. Востокова А. В. Оформление карт. Компьютерный дизайн: учебник / А. В. Востокова, С. М. Кошель, Л. А. Ушакова; под ред. А. В. Востоковой. Москва: Аспект Пресс, 2002. 288 с. ISBN 5-7567-0269-5. Текст: непосредственный.

3. ГОСТ Р 52293-2023. Геоинформационное картографирование. Система электронных карт. Карты электронные топографические. Общие требования. / Разработан институтом телекоммуникаций Академии инженерных наук Российской Федерации (ИТ АИН РФ), 29 Научно-исследовательским институтом министерства обороны Российской Федерации (29 НИИ МО РФ). Москва: Стандартинформ: 2023. 11 с. Текст: электронный // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов: [справ.-правов. система]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200038326. Режим доступа: сеть Интернет. Текст: электронный.

4. ГОСТ Р 52440-2005. Модели местности цифровые. Общие требования. / Разработан Федеральным государственным унитарным предприятием "Государственный научно-внедренческий центр геоинформационных систем и технологий" (ФГУП "ГОСГИСЦЕНТР") и Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении" (ВНИИНМАШ). Москва: Стандартинформ: 2006. 11 с. Текст: электронный // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов: [справ.-правов. система]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200044676. Режим доступа: сеть Интернет.

5. ГОСТ Р 57773-2017. Пространственные данные. Качество данных. / Разработан Федеральным государственным бюджетным учреждением "Федеральный научно-технический центр геодезии, картографии и инфраструктуры пространственных данных" (ФГБУ "Центр геодезии, картографии и ИПД"). Москва: Стандартинформ: 2017. 138 с. Текст: электронный // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов: [справ.-правов. система]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200157078. Режим доступа: сеть Интернет.

6. Единый государственный реестр почвенных ресурсов России: сайт / Министерство сельского хозяйства Российской Федерации; Почв. ин-т им. В. В. Докучаева. Москва, 2019. URL: http://egrpr.esoil.ru/ (дата обращения: 19.11.2022). Режим доступа: сеть Интернет. Текст: электронный.

7. Ивлиева Н. Г. Создание карт с использованием ГИС-технологий: учеб. пособие / Н. Г. Ивлиева. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005. 124 с. Текст: непостредственый.

8. Классификатор объектов цифровой топографической основы карт геологического содержания масштаба 1:200 000: учеб. пособие / Текст: электронный // ФГУНПП «Росгеолфонд». 2008. 58с. URL: http://fondhmao.com/ (дата обращения: 20.12.2023).

9. Министерство образования Республики Мордовия: сайт. Саранск. URL: https://mo.edurm.ru/ (дата обращения: 10.12.2024.) - Режим доступа: свободный. Текст: электронный.

10. Министерство здравоохранения Республики Мордовия: сайт. Саранск. URL: http://minzdravrm.ru/7.php (дата обращения: 10.12.2024.) - Режим доступа: свободный. Текст: электронный.

11. OpenStreetMap - wiki-карта мира: сайт - URL https://www.openstreetmap.org/#map=3/69.62/-74.90/ (дата обращения: 10.12.2024). Режим доступа: сеть Интернет. Текст: электронный.

12. Понятие о цифровой модели рельефа. Модели данных для хранения цмр. Типы представления цмр: сайт. URL 44 https://studfile.net/preview/6878165/page:19/ (дата обращения 12.12.24).Режим доступа: сеть Интернет - Текст: электронный

13. Федеральная служба государственной статистики Росстат: официальный сайт Российской Федерации. URL: http://www.gks.ru/ (дата обращения: 22.12.2024). Текст: электронный.

14. Хромых В. В. Цифровые модели рельефа: учебное пособие / В. В. Хромых, О. В. Хромых ; Томский гос. ун-т. Томск: ТМЛ-Пресс, 2007. 174 с. ISBN 5-91302-033-2. Текст: непостредственый.

Размещено на Allbest.ru

...