Географический анализ и пространственное моделирование

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
___________ Волосникова Л.М.
__________ _____________ 2011г.
ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ПРОСТРАНСТВЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 021300.62 (Картография и геоинформатика)
очной формы обучения, профиль геоинформатика
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Авторы работы _______ Идрисов И.Р.
«______»___________2011 г.
Рассмотрено на заседании кафедры картографии и ГИС от
«______»___________ 2011г. протокол № _____
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем _________стр.
Зав. кафедрой ________ Новохатин В.В.
«______»___________ 2011г.
Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ
от «______»___________ 2011г. протокол № _____
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК _______ Столярова О.А.
«______»_____________2011г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ______ Федорова С.А.
«______»_____________2011 г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра картографии и ГИС
Идрисов И.Р.
ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ПРОСТРАНСТВЕННОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 021300.62 (Картография и геоинформатика)
очной формы обучения, профиль геоинформатика
Тюменский государственный университет
2011
Идрисов
И.Р.
ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ.
АНАЛИЗ
И
Учебно-методический
комплекс. Рабочая программа для студентов направления 021300.62
«Картография и геоинформатика» очной формы обучения, профиль
геоинформатика. Тюмень, 2011г., 15 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями
ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и
профилю подготовки.
Рабочая программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ:
Географический
[электронный
анализ
ресурс]
/
и
Режим
пространственное
доступа:
моделирование
http://www.umk3.utmn.ru.,
свободный.
Рекомендовано
к
изданию
кафедрой
картографии
и
геоинформационных систем. Утверждено проректором по учебной
работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой картографии и
геоинформационных систем, д.т.н. Новохатин В.В.
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Идрисов И.Р., 2011.
1. Пояснительная записка
1.1
Цель и задачи освоения дисциплины
Цель дисциплины «Географический анализ и пространственное
моделирование», как
одного
подготовки
направлению бакалавриата «Картография и
по
геоинформатика»,
из дополнительных курсов в системе
состоит
в
том, чтобы освоить методы
моделирования, основанные на современных технологиях.
Задачи дисциплины:
- изучить современные подходы к географическим исследованиям,
проводимым с использованием ГИС-систем
- изучить методы моделирования различных процессов и явлений;
- рассмотреть основные возможности использования полученных
знаний в практической деятельности.
Освоение дисциплины базируется на знании всего комплекса
основных
предметов
по
направлению
«Геоинформатика
и
картография».
1.2 Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина
моделирование»
«Географический
в
учебном
плане
анализ
и
пространственное
направления
бакалавриата
«Геоинформатика» относится к блоку дисциплин профессионального
цикла. Изучение современных методов моделирования географических
явлений и процессов относится к числу важных прикладных задач,
наиболее
востребованных
в
современной
практике
природопользования, охраны окружающей среды и проектирования.
Предмет изучения – моделирование географического пространства.
Современные программные средства предоставляют исследователями
обширные возможности по изучению природной среды и проходящих в
ней
процессов
при
помощи
моделирования.
Разнообразные
программные средства в большинстве случаев опираются на методы
математико-картографического моделирования, сетевого анализа и т.д.
В
ходе
изучения
дисциплины
«Географический
анализ
и
пространственное моделирование» основное внимание будет уделено
программной реализации приемов географического и математикокартографического моделирования.
1.3 Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые
в результате освоения данной ООП ВПО
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
компетенций:
уметь использовать навыки работы с информацией из различных
источников для решения профессиональных и социальных задач,
способен понимать, излагать и критически анализировать базовую
информацию в географии и картографии, обладает способностью
использовать теоретические знания на практике (ПК-10);
владеть
аэрокосмическими
методами
картографирования
и
моделирования, основанные на компьютерных технологиях обработки
снимков
нового
типа
(сверхвысокого
разрешения,
тепловых,
радиолокационных), а также методами компьютерных стереоизмерений
и трехмерного аэрокосмического моделирования (ПК-24).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
* современные методы моделирования, используемые в ходе
географических исследований.
Уметь:
* проводить моделирование географических процессов и явлений
при помощи различных наборов данных и программных инструментов;
Владеть:
* основными программными средствами, используемыми при
проведении географических исследований.
2. Трудоемкость и структура дисциплины
Семестр 8. Форма промежуточной аттестации – зачет. Общая
трудоёмкость дисциплины составляет 2 зачётных единицы 72 часа.
3. Тематический план
Модуль 1
1. Введение.
2. Географическая
информация
моделирование
геопространства
3. Моделирование
поверхностей
Всего
и
Модуль 2
1. Математикостатистический
анализ данных
2. Геометрический
анализ
векторных
данных
3. Анализ поверхностей
Всего
Модуль 3
данных
1. Анализ
дистанционного
зондирования
2. Определение
характеристик
подстилающей
поверхности
3. Создание
карт
динамики
Всего
Итого
Из них в интерактивной
форме
Из них в
интерак
тивных
формах,
час.
Неделя
семестра
Раздел
дисциплины
Виды учебной работы,
включая
самостоятельную
работу и трудоёмкость
(в часах)
Л
Лаб.
СР
ОТ
Семестр
N
п/
п
Итого
количество
баллов
Таблица 1.
8
1
2
2
-
4
2
0-2
8
2-3
2
2
-
4
2
0-9
8
4-5
4
4
4
12
4
0-9
5
8
8
4
20
8
0 - 20
8
6-7
4
4
4
12
4
0 – 12
8
8-9
4
4
2
10
4
0 – 12
8
10-12
7
2
10
2
10
6
4
26
2
10
0–6
0 - 30
8
13-15
4
4
4
12
4
0 - 10
8
16-17
4
4
2
10
4
0 - 25
8
18
2
2
-
4
2
0 - 15
8
6
18
10
28
10
28
6
16
26
72
10
28
0 - 50
0 -100
28
28
Л*- лекции; Лаб.*- лабораторные работы; СР* - самостоятельная работа студентов; ОТ*- общие часы
Таблица 2.
Виды и формы отдельных оценочных средств в период текущего
2
3
1
2
3
комплексные
ситуационные
задания
1
программы
компьютерного
тестирования
3
реферат
2
Технические
формы контроля
контрольная
работа
1
Письменн
ые работы
лабораторная
работа
№
Информационные
системы и
технологии
собеседование
Устный
опрос
Итого количество
баллов
контроля
0-2
-
-
-
-
-
0-2
0-1
0-6
-
-
-
0-2
0–9
0-1
0-4
-
0-2
-
0-2
0–9
0-4
0-10
-
0-2
-
0-4
0 – 20
0-4
0-6
-
0-2
-
-
0 – 12
0-3
0-6
-
0-3
-
-
0 – 12
0-2
0-2
-
0-2
-
-
0-6
0-9
0-14
-
0-7
-
-
0 – 30
0-2
0-3
0-1
0-1
-
0-3
0 – 10
0-4
0-7
0-2
0-2
0-2
0-8
0 – 25
Создание карт
динамики
0-2
0-3
0-3
0-3
0-2
0-2
0 – 15
Всего
Итого
0-8
0-21
0-13
0-37
0-6
0-6
0-6
0-15
0-4
0-4
0-13
0-17
0 – 50
0 -100
Модули и темы
Модуль 1
Введение.
Географическая
информация и
моделирование
геопространства
Моделирование
поверхностей
Всего
Модуль 2
Математикостатистический
анализ данных
Геометрический
анализ векторных
данных
Анализ
поверхностей
Всего
Модуль 3
Анализ данных
дистанционного
зондирования
Определение
характеристик
подстилающей
поверхности
Таблица 3.
Планирование самостоятельной работы студентов
Виды СРС
№
1.
2.
3.
Модули и темы
Модуль 1
Введение.
Географическая
информация и
моделирование
геопространства
Моделирование
поверхностей
Недел
я
семес
тра
1.
2.
3.
дополнитель
ные
-
-
1
реферат
-
2-3
-
0-1
реферат
подготовка
сообщений к
докладу
4-5
4
0-1
4
0-2
-
расчётнографическая
исследовате
льская
6-7
4
0-2
расчётнографическая
исследовате
льская
8-9
2
0-3
расчётнографическая
подготовка
сообщений к
докладу
10-12
-
0-2
Всего по модулю 2:
Модуль 3
Анализ
данных
дистанционного
зондирования
Определение
характеристик
подстилающей
поверхности
Создание
карт
динамики
Колво
балл
ов
обязательн
ые
Всего по модулю 1:
Модуль 2
Математикостатистический анализ
данных
Геометрический
анализ
векторных
данных
Анализ поверхностей
Объе
м
часо
в
6
0-7
реферат
исследовате
льская
работа
13-15
4
0-1
реферат
исследовате
льская
работа
16-17
2
0-2
реферат
подготовка
сообщений к
докладу
18
-
0-3
Всего по модулю 3:
6
0-6
ИТОГО:
16
0-15
1.
2.
3.
4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи
Таблица 4.
№
п/п
1.
Наименование
освоенных ранее
дисциплин
Основы
геоинформатики
2.
Геоинформационные
системы в географии
3.
Теория
геоизображений
4.
Темы
дисциплины,
опирающиеся
материал изученных ранее дисциплин
на
1.1.
1.2.
1.3.
2.1.
2.2.
2.3.
3.1.
3.2.
3.3.
+
+
+
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
+
-
-
+
-
-
+
-
+
+
+
-
+
+
+
+
-
+
+
-
+
+
+
+
-
-
+
-
-
-
-
-
+
+
+
+
-
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
+
-
+
+
-
-
Геоинформационное
картографирование
ландшафтов
5.
Аэрокосмическое
зондирование и
фотограмметрия
6.
Мультимедиа
технологии в
картографии и
геоинформатике
7.
Базы
пространственных
геоданных
8.
Математикокартографическое
моделирование
9.
Дешифрирование
аэрокосмических
снимков
5. Структура и содержание дисциплины
1. ВВЕДЕНИЕ.
Предмет и задачи курса. Особенности
развития
ГИС-систем.
Моделирование
в
современного этапа
географии
и
методы
моделирования, представленные в программных пакетах ГИС.
2.
ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ
ИНФОРМАЦИЯ
И
ИНФОРМАЦИОННОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОПРОСТРАНСТВА.
Пространственная,
геоинформация.
информации:
сетевая;
временная,
Концептуальная
модель
объектно-ориентированная,
растровая
и
векторная
непространственная
пространственной
географического
дискретизация.
поля;
Понятие
пространственного объекта. Пространственные отношения.
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ.
Характеристика цифровых моделей местности, особенности их
использования. Трехмерные и псевдотрехмерные поверхности: TIN,
GRID, DEM и GDEM поверхности. Применение программных средств при
создании различных моделей местности.
4. МАТЕМАТИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДАННЫХ.
Основные свойства атрибутов. Построение сложных баз данных.
Арифметические и статистические операции с данными. Классификация
объектов по атрибутам.
5. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЕКТОРНЫХ ДАННЫХ.
Анализ топологии. Географическое выделение. Операции оверлея.
Анализ расстояний. Вычисление буферных зон объектов. Сетевой
анализ.
6. АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТЕЙ.
Построение поверхности и карт плотности объектов.
поверхностей.
Выборка
и
переклассификация.
Наложение
Исследование
морфологии поверхностей. Построение профилей и изолиний. Анализ
поверхностного стока.
7. АНАЛИЗ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ.
Использование снимков высокого разрешения при создании ЦМР.
Построение регулярной ЦМР
и автоматические способы коррекции.
Геометрическая и яркостная коррекция. Синтез изображения.
8.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ХАРАКТЕРИСТИК
ПОДСТИЛАЮЩЕЙ
ПОВЕРХНОСТИ
Автоматизированные методы обработки снимков. Кластерный анализ,
Классификации с обучением.
9. СОЗДАНИЕ КАРТ ДИНАМИКИ.
Сопоставление разновременных снимков- основные подходы и
ограничения. Карты динамики и прогноза на основе разновременных
данных ДЗ.
6. Лабораторные работы
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
МОДЕЛИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС И ОСНОВНЫЕ
ПРОТСРАНСТВЕННЫЕ МОДЕЛИ.
Цель работы – знакомство с программами, используемыми в
процессе моделирования
ЗАДАНИЕ.
Изучение
основных
методов
создания
моделей
с
использованием ARCGIS и ENVI
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Цель
работы
–
изучение
особенностей
создания
ЦМР
с
использованием различных программных комплексов.
ЗАДАНИЕ.
Построение
ЦМР с использованием готовых наборов
данных с использованием ARCGis, ENVI.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
МАТЕМАТИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДАННЫХ
Цель работы – изучение способов обработки данных.
ЗАДАНИЕ. Применить различные виды классификации к готовому
набору данных средствами программных комплексов ARCGIS и Mapinfo
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЕКТОРНЫХ ДАННЫХ
Цель работы – изучение способов анализа векторных данных
ЗАДАНИЕ. Создание полигональной топологии. Применение операций
оверлея, построения буферных зон для различных объектов. Сетевой
анализ средствами ARCGIS.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Цель работы – анализ данных с использованием поверхностей.
ЗАДАНИЕ. Построение карты плотности на основе имеющегося набора
данных.
Построение
специализированных
поверхностей
с
использованием ARCGIS.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
АНАЛИЗ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
ЗАДАНИЕ. Автоматизированные способы классификации космоснимков.
Изучение свойств природных комплексов с использованием ENVI.
Создание карт динамики.
7. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной
работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля
успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения
дисциплины.
7.1. Темы докладов и рефератов для самостоятельной работы
1. Моделирование средствами ГИС.
2. Информация в ГИС.
3.
Трехмерные
и
псевдотрехмерные
поверхности:
особенности
создания, отличия, сферы применения
4. Программные средства моделирования.
5. Анализ данных в ГИС.
6. Топология и пространственное «поведение» объектов в ГИС.
7. Анализ данных ДЗ.
8. Картографическое представление результатов моделирования.
7.2. Примеры комплексных ситуационных заданий
1. Задание по теме 2 «Географическая информация и моделирование
геопространства». По набору векторных данных необходимо привести
примеры возможного анализа информации средствами ARCGis.
2. Задание по теме 2 «Моделирование поверхностей». На основе
имеющихся данных построить трехмерную модель рельефа, провести
анализ тематических данных с использованием полученной модели.
3. Задание по теме 7 «Анализ данных дистанционного зондирования». С
использованием высокоточной съемки провести различные варианты
классификации снимка в ENVI.
4. Задание по теме 8 «Определение характеристик подстилающей
поверхности». С использованием данных ДЗ провести оценку сосотяния
растительности территории.
5. Задание по теме 9 «Создание карт динамики». С использованием
разновременных
снимков
провести
оценку
качественных
и
количественных параметров поверхности.
7.3. Вопросы к зачету
1.
Предмет и задачи курса.
2.
Характеристика современного этапа развития
моделирования
средствами ГИС.
3.
Моделирование в географии и основные алгоритмы создания
моделей в ГИС.
4.
Особенности моделирования различных процессов и явлений.
5.
Концептуальная модель пространственной информации.
3.
Модели данных, структура баз данных.
4.
Информационное обеспечение ГИС. Типы источников данных.
5.
Понятия: данные, информация, знания.
6.
Особенности представления и хранения пространственной и
атрибутивной информации о географических объектах.
7.
Преобразования форматов данных (конвертирование).
8.
Способы
хранения
и
преобразования
векторных
данных
(вычисление длин, площадей, определение взаимоположения точек,
линий и полигонов).
9.
Представление топологии (связи в сетях и между полигонами).
10.
Операции оверлея полигонов.
11.
Операции с цифровой моделью рельефа.
12.
Триангуляционные модели (построение и использование).
13.
Использование метода нечетких множеств.
14.
Блок моделирования ГИС, примеры построения математико-
картографических моделей в ГИС; гидрологические приложения.
15.
Возможности моделирования в стандартных ГИС-пакетах.
16.
Моделирование поверхностей.
17.
Классификация данных ДЗ
8. Образовательные технологии.
Тема 1. – Тема 6. Основное внимание уделено проведению
лабораторных
работ,
собеседованиям,
написанию
рефератов
по
заданным темам.
Тема 7. Выполнение индивидуальных творческих работ по созданию
моделей на основе доступных материалов для различных районов
Тюменской области.
Тема 8. Работа в группах по проведению классификации снимков
различными способами.
Тема 9. Диспут на тему «Создание картографических материалов на
основе данных ДЗ с использованием ГИС».
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение
дисциплины
9.1 Основная литература
1. Берлянт A.M. Картография и телекоммуникация. - М., 2003. - 73 с.
2. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубалина О.В. Аэрокосмические
методы в географических исследованиях. – М.: Академия, 2004. –
336 с.
3. Космические
методы
изучения
среды:
Автоматизированный
аэрокосмический практикум 1 Под ред. А.П .Капицы, Ю.Ф.
Книжникова. - М..Изд-во Моск. ун-та, 2001. - 144 с.
4. Лурье И.К. Основы геоинформационного картографирования: Учеб.
пособие. - М: Изд-во Моск. ун-та, 2002. - 143 с.
5. Мусин
О.Р.,
Сербенюк
С.Н.
Цифровые
модели
рельефа
континуальных и дискретных полей / Банки географических данных
для тематического картографирования. - М.: Изд-во Моск. ун-та ,
1987. -С. 156-170.
9.2 Дополнительная литература
1. Автоматизированная картография и геоинформатика / Под ред.
А.М. Берлянта, В.Т. Жукова // Материалы к науч. конференции,
посвященной 50-летию проф. С.Н. Сербенюка -М., 2000.- 131 с.
2. Берлянт А.М. Геоинформационное картографирование. - М.: 2005. 64 с.
3. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов / Под ред.
А.М. Берлянта, А.В. Кошкарева, -М.: ГИС Ассоциация, 2000. -204 с.
4. Государственный
стандарт
"Геоинформационное
Российской
картографирование.
Федерации
Пространственные
данные, цифровые и электронные карты. Общие требования ''
(ГОСТ Р 50828-95). - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1996. - 19 с.
5. Кошкарев А.В., Тикунов B.C. Геоинформатика / Под ред. Д.В.
Лисицкого. - М.: Изд-во Картгеоцентр-Геодезиздат, 2004. - 213 с.
Лурье И.К.
9.3 Программное обеспечение и ресурсы
1.
Геоинформационные
системы
и
ДЗ
–
http://gis-lab.ru
–
неформальное объединение специалистов в области ГИС и ДЗ.
2.
Фонд картографических материалов Российской национальной
библиотеки – http://www.nlr.ru/fonds/maps/
3.
Программные комплексы ENVI – для дешифрирования материалов
космосьемки.
4.
ARCGis – для создания векторных и растровых моделей на основе
данных топографических карт.
10. Технические средства и материально-техническое
обеспечение дисциплины
1. Учебная аудитория с мультимедийным проектором для лекционных
занятий.
2. Учебные аудитории для проведения лабораторных занятий.
3. Комплект цифровых топографических карт масштаба 1: 25000, 1:
100000.
4. Комплект космических снимков высокого разрешения
5. Фотограмметрические станции.