XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Применение графических редакторов и геоинформационных систем в анализе пространственных данных
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Геоинформатика — самая современная наука об измерении и исследовании Земли, направленная на цифровизацию пространства.
Это направление науки объединяет в себе всё, что происходит на Земле, в воздушном пространстве и под землёй, а также в космосе, описывая это с помощью координат. В результате формируются пространственные данные, карты и геоинформационные системы.
В данном исследовании геоинформатика играет наиболее важную роль, поскольку актуальность работы заключается в изучении инструментария и функциональных особенностей геоинформационной системы QGIS и улучшения результатов, полученных ранее при помощи графического редактора CorelDRAW. Полученные компетенции дадут возможность развития исследования в дальнейшей перспективе.
Объект исследования – г. Усолье-Сибирское, Иркутская область.
Предмет исследования: векторный графический редактор CorelDRAW и геоинформационная система QGIS.
Цель исследования – Сравнить функциональные особенности графического редактора CorelDRAW и геоинформационной системы QGIS при анализе пространственных данных на примере г. Усолье-Сибирское.
Задачи исследования:
Познакомиться с инструментарием программных комплексов CorelDRAW и QGIS и ознакомиться с методами районирования территории;
Составить карты-схемы территории г. Усолье-Сибирское в программных комплексах CorelDRAW и QGIS;
3. Сравнить между собой полученные результаты.
Методы исследования: 1. Проблемный, познавательный, исследовательский; 2. Описательный и сравнительный; 4. Экспериментальный и измерительный (CorelDRAW и QGIS); 6. Картографический и визуальное дешифрирование.
В ходе исследования в рамках кейса «Современные карты, или как описать Землю?» на основе научного задела проведено ознакомление с инструментарием и базовым функционалом программного комплекса QGIS в сравнении с графическом редактором CorelDRAW.
Автор проекта изучил основные методы районирования в современной географии, что позволило применить ранее полученные навыки и составить карту-схему с авторским районированием территории г. Усолье-Сибирское (Иркутская область) на основе данных из открытых источников.
Данный проект по изучению инструментария и функциональных особенностей геоинформационной системы QGIS и улучшения результатов, полученных ранее при помощи графического редактора CorelDRAW, представляется на конференции впервые.
1. ХАРАКТЕРИСТИКА Г. УСОЛЬЕ-СИБИРСКОЕ (ИРКУТСКАЯ ОБЛАСТЬ)
Город Усолье-Сибирское – промышленный центр и железнодорожный узел Иркутской области. Площадь города составляет 74 км2, население около 83,4 тыс. жителей. Он располагается на юге Среднесибирского плоскогорья на левом берегу р. Ангары (рисунок 1).
Первое поселение на месте современного города было основано енисейскими казаками в 1669 году. В этих местах был обнаружен соляной источник и построена соляная варница. Спустя время в селе Михалево был открыт Усольский солеваренный завод, который являлся вторым по производству соли в Сибири.
В окрестностях города распространены сосновые и лиственнично-сосновые леса (Беркин и др., 1993). Растительный покров представлен ассоциациями из толокнянки и брусники. Пригородные леса играют важную роль в оздоровлении воздушного бассейна города и его окрестностей.
Особенностью лесов района является различий возрастной структуры насаждений, чему способствует вторичный характер этих лесов.
Рисунок 1. Территориальные границы г. Усолье-Сибирское.
Основные лесные массивы города располагаются на северо-западе и юго-западе. С восточной стороны города леса представлены относительно небольшими массивами (Винокуров, Суходолов, 2010). Почвенный покров обследованной территории отличается значительным разнообразием. Наиболее широкое распространение на территории исследования имеют серые лесные почвы (Кузьмин, 1988).
2. ГЕОИНФОРМАТИКА В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ
Работа началась с изучения понятия геоинформатика. Это наука о хранении, организации, анализе и использовании географической информации. Целью геоинформатики является, как накопление географических знаний и системный анализ, так и эффективное использование полученных результатов. Перспективы дальнейшего развития геоинформатики весьма многообещающе. Уже сейчас методы и результаты исследований с применением геоинформационных систем и технологий найдут широчайшее применение в мировой науке.
XXI век – век информационных технологий. С развитием технологий становятся доступнее устройства, которые упрощают жизнь людей. Это, в первую очередь, касается компьютеров. В современном постиндустриальном обществе человек уже не мыслит себя без компьютера. Компьютер стал неотъемлемой частью во всех сферах человеческой жизни. Геоинформатика как научная дисциплина совершенствуется в течение последних полутора десятков лет. Геоинформационные технологии относятся к ключевым технологиям, с помощью которых решается самая главная цель – обеспечение устойчивого развития страны, ее социальной, экономической, экологической и военной безопасности в современном мире с его многочисленными и разнообразными проблемами. Геоинформатика как наука очень важна для решения практических задач общества. В современном мире методы и технологии геоинформатики имеют огромное значение. Геоинформатика коснулась всех сторон жизни общества и трудно назвать какую-нибудь сферу деятельности, где не ощущалось бы ее влияния. Она используется в географии, экологии, геологии, природопользовании, экономике, транспортной логистике, политологии, археологии, истории, градостроительстве. С помощью геоинформатики осуществляются территориальное проектирование, планирование и прогнозирование.
Практически во всех развитых странах создана геоинформационная индустрия, которая включает производство геопространственных данных, создание и эксплуатацию геоинформационных систем (ГИС) различного назначения и территориального охвата, проведение научных исследований на базе ГИС-технологий, подготовку специалистов в области разработки и использования геоинформационных систем и технологий в решении региональных и отраслевых проблем (Клабукова, Пучкарева, 2017).
Со времени своего появления, во второй половине 20-го века, наука информатика начала широко внедряться и сотрудничать (и продолжает это и в наши дни) с другими науками. Сейчас трудно найти такую область науки, которая бы обходилась без методов информатики.
3. ГРАФИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММЫ CORELDRAW
В первичных исследованиях для составления карты-схемы была использована графическая программа CorelDRAW. Основным понятием в редакторе является векторный объект.
Работа с компьютерной графикой – одно из самых популярных направлений использования персонального компьютера. Компьютерная графика – раздел информатики, занимающийся проблемами создания и обработки на компьютере графических изображений. CorelDRAW – один из лучших представителей векторных графических редакторов. Свойства и возможности этой программы позволяют работать с формой изображения: сжатие, растяжение, изменения размера и другое (Андрианов, 2004; Федоров, 2005). CorelDRAW предназначен для работы с векторной графикой и является несомненным лидером среди подобных программ. Популярность CorelDRAW объясняется большим набором средств создания и редактирования графических образов, удобным интерфейсом и высоким качеством получаемых изображений. С его помощью можно создавать как простые контурные рисунки, так и эффективные иллюстрации с поражающим воображение переливом красок и ошеломляющими эффектами. CorelDRAW уникален, так как он обладает и интуитивностью, понятностью, универсальностью, и ни с чем несравнимой привлекательностью, делающей его доступным и востребованным для всех пользователей. С другой стороны, этот редактор очень мощный, в него включен весь набор профессиональных функций, реализованных на высоком программном уровне, что делает его основной программой, использующейся профессионалами в большинстве издательств, типографий и фирм, занимающихся допечатной подготовкой. Эта программа доступна для всех пользователей, по ней существует много русскоязычной и переводной литературы. Основным понятием в редакторе является понятие объекта. Векторным объектом называется элемент изображения: прямая, кривая, круг, прямоугольник и т.д. (Анцыпа, Куприянов 2005). При помощи комбинации нескольких объектов можно создавать группы объектов или новый сложный единый объект, выполнив операцию группировки. Независимо от внешнего вида любой векторный объект имеет ряд общих характеристик. Область внутри замкнутого объекта можно залить одним цветом, смесью цветов или узором. У замкнутого объекта не может быть различных заливок или соединительных линий различной толщины и разных цветов (Балухта, 2005). Редактор CorelDRAW позволяет вставлять растровые рисунки в документ. При этом каждый растровый рисунок является отдельным объектом и его можно редактировать независимо от других объектов. Хотя CorelDRAW предназначен для обработки векторной графики, он располагает также мощными средствами для работы с растровыми рисунками (Андрианов, 2004; Федоров, 2005). Именно в CorelDRAW сделана первичная карта-схема авторского районирования территории г. Усолье-Сибирское (Иркутская область).
4. ГРАФИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММЫ QUANTUM GIS
Как уже упоминалось, создание картографической продукции с помощью компьютера можно осуществить разными способами. Существует ряд графических редакторов (CorelDraw, Adobe illustrator, Adobe Indesign и др.), которые позволяют подготавливать карты со сложным содержимым очень высокого качества. Однако, даже точные картографические изображения, созданные в графическом редакторе, нельзя именовать геоинформационной системой. Такие изображения называют цифровыми картами и рассматривают как составные элементы или результат функционирования ГИС. Очень часто понятие цифровой карты путают с понятием компьютерной карты. В то же время далеко не всегда цифровая карта может простым путем войти в состав ГИС, даже если их внешние границы совпадают. Нужно различать цифровую карту, изготовленную для тиражирования на бумагу или пластик, и для ГИС. Обычно выделяют целый ряд признаков, которые позволяют отличать цифровые карты для ГИС от цифрового макета карты для печати. Из таблицы можно увидеть, что в технологии подготовки цифровой карты для ГИС и макета для печати много принципиальных различий. Важным признаком ГИС является географическая привязка объектов, что дает возможность пользоваться единым координатным пространством. Трансформирование из одной координатной системы в другую и изменения проекций можно выполнять, опираясь на особенности конечного продукта. Используя жесткую координатную привязку, можно с легкостью управлять одними и теми же слоями или объектами ГИС различного типа и масштабности. В итоге пользователю предоставляют набор деталей, которые можно собирать разными способами, а вид готовой ГИС будет определяться только его творческими способностями. Другой фундаментальный признак ГИС – это применение аналитической обработки. В этом случае аналитический алгоритм составляется самим пользователем на основании запросов. Выполнив несколько последовательных операций пространственного анализа (объединение, вырезание, наложение), почти всегда можно получить необходимый результат.
С помощью удобного графического интерфейса можно создавать карты и исследовать пространственные данные. Графический интерфейс включает в себя множество полезных инструментов, например: компоновщик карт; панель обзора; пространственные закладки; определение/выборка объектов; редактирование/просмотр/поиск атрибутов; подписывать объекты; изменение символики векторных и растровых слоев и многие другие.
Важно, что QGIS – это всемирное сообщество, состоящее из преданных волонтеров: отдельных людей и организаций. Существуют группы пользователей – это региональные объединения, которые проводят встречи пользователей, предоставляют платформу для общих интересов и координируют разработку с учётом региональных или национальных стандартов и требований. Они же организуют встречи с разработчиками, обмен новостями и опытом. Количество таких групп постоянно растёт и их можно найти на всех континентах, что означает, что как сообщество, так и профессиональная коммерческая поддержка доступны по всему миру.
5. ИЗУЧЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ГОРОДСКОЙ ТЕРРИТОРИИ В ПРОГРАММЕ CORELDRAW
Работа относится к проектно-экспериментальной. Все исследования выполнены автором самостоятельно. Изучение разных показателей растений по экологическим методикам (Щебланов, 1997; Экология города, 2004) ведется уже более трех лет. Картографирование территории г. Усолье-Сибирское в программах CorelDRAW и QGIS и наложение данных на графическое изображение выполнено самостоятельно.
Биологические объекты – деревья березы повислой обследовались на десяти ключевых участках в г. Усолье-Сибирском. Были выбраны следующие территории:Участок №1. При въезде в город; Участок №2. Парк вблизи железной дороги; Участок №3. Центральный парк; Участок №4. Насаждения в «Старом городе»; Участок №5. Территория ТЭЦ; Участок №6. Территория вблизи Химпрома; Участок №7. Березово-сосновый лес на Лыжной базе; Участок №8. Станция «Лужки»; Участок №9. Насаждения в «Зеленом городке»; Участок №10. Чистый сосново-берёзовый лес.
Все территории характеризуются разной транспортной, рекреационной и промышленной нагрузкой. Условно их можно поделить на три категории территории с высокой транспортной нагрузкой (Участок №1. При въезде в город, Парк вблизи железной дороги), территории с высокой рекреационной нагрузкой (Участок №3. Центральный парк, Участок №4. Насаждения в «Старом городе»), территории с высокой промышленной нагрузкой (Участок №5. Территория ТЭЦ, Участок №6. Территория вблизи Химпрома) и территории с низкой антропогенной нагрузкой (Участок №7. Березово-сосновый лес на Лыжной базе, Участок №8. Станция «Лужки», Участок №9. Насаждения в «Зеленом городке»). Для сравнения полученных данных изучались деревья березы в естественном сосново-берёзовом лесу, где доля отдыхающих людей не высока.
Необходимо сказать о методике отбора листьев деревьев. На каждом участке было выбрано 5 деревьев березы возраста 30-50 лет. В средней части крона с помощью специального секатора на длинной палке срезалось несколько веток с разных частей кроны (С-Ю, З-В), потом листья отрывались вместе с черешками, перемешивались и бралась средняя проба для изучения. Свежие листья (более 200 штук) упаковывались в полиэтиленовый пакет, доставлялись домой и свежие образцы обрабатывались с помощью светового сканера и компьютерной программы CorelDraw. Все линейные параметры растений измерялись с помощью компьютерных инструментов и обрабатывались математически (таблица).
Далее проводилась работа с картой-схемой г. Усолье-Сибирское. Для ее построения, сначала было необходимо найти карту с границами города, где были бы отмечены территории жилой застройки, выделена промышленная зона и городские леса. После этого, согласно масштабу городской территории, была составлена карта-схема в графическом редакторе CorelDraw.
Таблица. Морфологические показатели листьев березы, измеренные в CorelDraw
Это была трудоемкая и кропотливая работа. Этапы работы представлены на рисунке 2.
Рисунок. 2. Этапы построения карты-схемы г. Усолья-Сибирского в CorelDraw.
Далее было выполнено нанесения важной экологической информации на данную карта-схему. Для этого были нанесены всплывающие диаграммы с процентом пораженных листьев и неповрежденных в том или ином участке города (рисунок 3). Такие же диаграммы можно построить и по другим показателям листьев березы, например, по площади листовой поверхности.
После выполненной работы, моя карта-схема отражает важную экологическую информацию. На ней наглядно изображены территории с разной антропогенной нагрузкой на древесные насаждения. Всю эту работу мне помог выполнить интереснейший графический редактор – CorelDraw. Поскольку деревья березы служат хорошими индикаторами окружающей среды, то можно заключить, что с помощью проведенных исследований, определены зоны разного экологического уровня окружающей среды города.
Рисунок 3. Карта-схема повреждения березовых насаждений г.Усолье-Сибирское, выполненная в CorelDraw.
Программа CorelDraw имеет большой набор графических средств, позволяющих с большой точностью измерять параметры биологических объектов, имеющих сложную геометрическую форму. Также данная программа незаменима в построении визуальных карт-схем, таких как я представила в своей работе.
6. ПРИМЕНЕНИЕ QUANTUM GIS ДЛЯ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ГОРОДСКОЙ ТЕРРИТОРИИ – НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОЕКТА
Одна из задач нашей работы состоит в развитии навыков картографическими приемами проведения границ и выделения областей распространения территориальных данных, например, таких как экологическая информация о том или ином объекте.
В моей работе в рамках кейса «Современные карты, или как описать Землю?» представлен первый этап – построение карты-схемы городской территории Усолья-Сибирского с выделением функциональных зон: городские застройки, промышленная зона, зеленые насаждения. Последний блок – зеленые насаждения, являются главным в моих исследованиях. Именно влияние городских застроек и промышленного загрязнения на этот компонент экосистемы для меня важен. На первом этапе работы, мною построена детальная карта расположения трех функциональных зон. В дальнейшем на карты будет накладываться вся экологическая информация, которая будет выполнена мною. Карта, построенная в QGIS – модуль/основа дальнейших исследований и картографирования состояния окружающей среды городской территории.
Конечно, ГИС-технологии не следует рассматривать лишь как средство построения карт. С созданием тематической карты экологическое исследование не заканчивается. Карта – это модель местности, отражающая (как и любые другие модели) некие основные с точки зрения исследователя черты ее строения. Известно, что на карте всегда отражается интеллектуально переработанная картографом информация, а «границы лишь изображают полученные данные». Карта всегда строится с позиции определенной цели. Для одной и той же территории можно построить бесконечное множество карт – в зависимости от поставленных целей. С помощью ГИС эколог строит не карту, а модель происходящих процессов. В этом и стоит мне разобраться. Построение детальной карты в QGIS поможет мне в дальнейшем правильно отобразить экологическую информацию. Экология берет у географии картографический метод (применение карт для познания изображенных на них явлений), но использует его на свой манер – для познания процессов! Именно поэтому я пришла к такому решению – использование современных методов картографии для воплощения и представления своих проектных идей!
Основная работа заключалась в составлении карты-схемы г. Усолье-Сибирское. Согласно масштабу городской территории, была составлена карта-схема в графическом редакторе CorelDRAW. Данная карта-схема является экспериментальной частью, которая нуждается в улучшении с помощью геоинформационных систем и технологий. В качестве геоинформационной системы был выбран программный комплекс QGIS, при помощи которого была составлена карта-схема путем создания, редактирования и комбинирования векторных слоёв в формате shape-файлов в системе координат WGS 84/Preudo-Mercator и географическая проекция EPSG: 3857.
Работа выполнялась поэтапно, конечный результат представлен на рисунке 4.
Рисунок 4. Карта-схема с расположением жилых застроек, промышленной зоны и зеленых насаждений г. Усолья-Сибирского в Quantum GIS.
Полученная в ходе работы карта-схема позволит в дальнейшем сохранять экологические результаты моих исследований с помощью современной картографии. Известно, что экологические проблемы часто требуют незамедлительных действий, которые напрямую связаны с оперативностью обработки и представления информации. В экологии, обычно приходится опираться на данные, полученные экспериментальным путем. Однако простого накопления данных тоже, к сожалению, недостаточно. Эти данные должны быть легкодоступны в соответствии с потребностями современных технологий. Хорошо, если есть возможность связать, сравнить, проанализировать, просто просмотреть их в удобном и наглядном виде, например, создав на их основе необходимую таблицу, схему, чертеж, карту, диаграмму. А можно просто создать интересную, доступную, информативную карту. И на данном этапе исследований не маловажную роль играет программное обеспечение. Поэтому, Quantum GIS – это удивительный инструмент моих будущих исследований в области городской экологии!
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Карта-схема, полученная в процессе работы в QGIS, дала лучший результат по сравнению с предыдущим продуктом, сделанным в CorelDRAW. В связи с этим, следует отметить, что программный комплекс QGIS является более корректным для решения подобного рода задач, поскольку имеет ряд специализированных картографических инструментов, необходимых для наглядного отображения элементов карты-схемы. Полученные компетенции дают возможность применения вышеупомянутых методов в дальнейшей научно-исследовательской деятельности автора проекта в различных естественно-научных и технических дисциплинах.
QGIS – это, прежде всего интересная и познавательная компьютерная программа, позволяющая искать, просматривать, редактировать и распечатывать картографическую и связанную с ней описательную информацию. QGIS – профессиональная программа, которой пользуются ученые во многих областях знаний. QGIS обеспечивает управление визуальной информацией. Появляется возможность выводить на экран только те объекты или их множества, которые интересуют нас в данный момент. При этом улучшается структурированность информации, а, следовательно, повышается эффективность ее обработки и анализа. И важно, что использовать эту программу может самый обычный школьник!
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Андрианов В. И. Самое главное о CorelDRAW. – СПб.: Питера, 2004. – 127с.
Анцыпа В. А. Растровые и векторные графические изображения // Информатика и образование. – 2005. – № 8. – С. 56–63.
Балухта К. В. Учимся рисовать на компьютере. – М.: Эксмо, 2005. – 384 с.
Беркин Н.С., Филиппова С.А., Бояркин В.М., Наумова А.М., Руденко Г.В. Иркутская область (природные условия административных районов). – Иркутск: ИГУ, 1993.– 304 с.
Винокуров М.А., Суходолов А.П. Города Иркутской области. – Иркутск: Изд-во БГУЭП, 2010. – 344 с.
Клабукова Ю.А., Пучкарева К.Э. Геоинформатика в современном мире // Интернет-ресурс: Научный электронный архив академии естествознания. 2017. Режим доступа: [http://econf.rae.ru/pdf/2017/12/6719.pdf]
Кузьмин В.А. Почвы Предбайкалья и Северного Забайкалья. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. – 175 с.
Куприянов Н. И. Рисуем на компьютере: Word, Photoshop, CorelDRAW, Flash. – СПб.:Питер, 2005. – 128 с.
Ретеюм А.Ю. Земные миры. М., 1988. С. 27.
Федоров А. В. CorelDRAW. Экспресс-курс. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 400 с.
Щебланов В.Ю. Методы определения площади листовой пластинки и расчета поверхности листвы кроны древесных пород // Бюл. ВНИАЛМИ. – 1977. – Вып. 2(24). – С. 58-60.
Экология города / Под ред. Н.С. Касимова. – М.: Научный мир, 2004. – 624 с.