Геоинформационные системы в лесном хозяйстве. Учебное пособие

ется с его таксационной характеристикой), т. е. формируются связи между картографической и тематической базами данных.

После установления связи между картографической и тематической базами данных, на карту наносятся таксационные формулы выделов.

Окончательно лесные картографические материалы формируются из подготовленных на предыдущих этапах планшетов. Планшеты объединяются в единую лесную карту и размещены в ней в соответствии с их координатной основой.

При необходимости производится генерализация изображения. В ходе этой операции выделы, имеющие площадь менее заданной,

всоответствии с установленными критериями объединяются с соседними.

Раскраска картографических материалов осуществляется в автоматическом режиме. Для этой цели оператор делает запрос из базы данных. Например, оператор запрашивает в тематической (атрибутивной) базе данных выделы, где преобладающей породой является лиственница. Для отображения результатов запроса на плане формируется слой, где выделы с преобладанием лиственницы окрашены

вцвет, соответствующий Инструкции о порядке создания и размножения лесных карт. Аналогичным образом может осуществляться автоматическая раскраска в соответствии с категориями земель, хозяйственными мероприятиями и т. п.

После формирования картографические материалы (планшеты, планы, схемы) редактируются с целью устранения ошибок и неточностей, после этого формируется зарамочное оформление.

Затем картографический продукт выводится на печать. Электронный вариант картографического продукта архивируется, при этом используется система архивации, включающая специальное программное обеспечение и устройства долговременного хранения информации.

Ввиде блока атрибутивной информации формируются таксационные описания, которые также хранятся в твердом и электронном виде.

Рассмотрим технологический процесс подготовки цифровой картографической продукции в лесоустроительной геоинформационной системы ЛУГИС, состоящей из пяти этапов.

1. Получение растрового изображения и его координатная привязка. Растр топокарты загружается в стандартный проект, в котором, помимо подготовленной библиотеки символов и информационных

51

слоев, сгенерирована сетка, соответствующая километровой сетке топографических карт с точным совпадением узлов, задавая географическую ориентацию будущих проектов вдоль осевого меридиана зоны. В случае использования сканера, формат которого меньше размеров исходных картографических материалов, процедура координатной привязки совмещается со «сшивкой» частей растрового изображения, которые сохраняются в отдельных файлах и загружаются на разные слои проекта, что позволяет несколько сократить время на перерисовку растра.

2.Векторизация растровых изображений. Векторизация элементов топографической основы (государственная граница и границы административных образований, населенные пункты, автомобильные

ижелезные дороги, линии связи и электропередач, объекты гидрографии, некоторые элементы инженерной инфраструктуры, имеющаяся на топографических картах квартальная сеть), нанесение которых предусмотрено действующей в отрасли Инструкцией по созданию и размножению лесных карт. На специальных слоях размещается относящаяся к топографической основе семантическая информация.

Проект лесоустроительного планшета формируется при загрузке растра обработанного таксатором аэрофотоснимка, содержащего графическую лесотаксационную информацию (о выделах различной площади и конфигурации, ограниченных сетью просек – кварталов), на оцифрованную топографическую основу. При оцифровке снимка границы выделов и квартальная сеть векторизуются линиями и наносятся на слой «Ситуация». Туда же копируются элементы топографической основы, по которым проходят границы кварталов и выделов.

В дальнейшем слой «Ситуация» преобразуется в слой «Полигоны», на котором из линий – границ выделов – собираются площадные объекты – полигоны, количество которых в пределах одного квартала соответствует количеству таксационных выделов. К элементам слоя «Полигоны» выполняется привязка базы данных, набор параметров которой ограничен площадью и номером выдела, а также номером квартала, в котором расположен выдел, – его «адресом».

3.Редактирование картографической продукции для подготовки планшета к печати включает: преобразование расположенных на слоях сплошных линий, которыми выполнялась векторизация, в условный знак; анализ планшета на существование вложенных полигонов; нанесение семантической информации; зарамочное оформление. По окончании редактирования проект планшета передается на рабочее место, предназначенное для печати и архивации, а также использует-

52

ся на следующей стадии обработки – при формировании тематических планов лесничества.

4.Формирование тематического плана лесничества, состоящего из собранных в едином проекте лесоустроительных планшетов. Первоначально планшеты копируются в единый проект со сдвигом друг относительно друга, характеризующим взаимное расположение участка планшета на местности. Величина сдвига задается введением при импорте данных планшетов значений Х и Y. При сборке плана информация, расположенная на одноименных слоях планшетов, автоматически объединяется в единый слой, сохраняющий свое наименование. Единая база данных, содержащая «адреса» выделов, формируется автоматически и дополняется таксационными характеристиками выделов, хранящихся в специализированной базе данных PLP (Петлеспро). Система PLP функционирует под управлением операционной среды DOS и хранит таксационные параметры в нестандартном формате. Поэтому их экспорту в базу данных проекта предшествует преобразование в стандартный формат DBF.

По завершении заполнения базы данных таксационными параметрами выполняется раскраска плана, для чего формируется серия запросов к базе данных, результаты которых отображаются на специально подготовленных слоях. Для окрашенного плана формируется легенда и редактируется зарамочное оформление.

5.Печать и архивация готовых материалов. Большинство операций по подготовке лесной картографической продукции проводится

сиспользованием стандартных функций системы WinGIS.

4.2. НЕПРЕРЫВНОЕ ЛЕСОУСТРОЙСТВО

Основное назначение непрерывного лесоустройства – это актуализация и поддержание баз данных, а также обеспечение управления лесным хозяйством. Кроме этого обеспечение информацией организаций, занимающихся охраной природы, лесопользователей, научных и других заинтересованных организаций и лиц комплексом объективной информации о состоянии и динамике лесного фонда.

Опираясь на эту информацию, государственные предприятия лесного комплекса и арендаторы могут повысить оперативность и обоснованность перспективного и текущего планирования всего комплекса лесохозяйственных и иных мероприятий, эффективность работ по охране и защите лесов, использованию и воспроизводству лесных ресурсов и всех функций леса.

53

Из значительного числа функций непрерывного лесоустройства можно выделить несколько, имеющих наиболее важное значение

вСибири и на Дальнем Востоке:

–учет изменений в лесном фонде, приведших к изменению категорий земель (вырубки, гари, несомкнувшиеся лесные культуры, облесившиеся не покрытые лесом земли и т. п.);

–периодическая актуализация таксационных характеристик древостоев в связи с их естественным ростом и развитием, а также

всвязи с изменениями, произошедшими в результате хозяйственной и антропогенной деятельности;

–перспективное и текущее планирование мероприятий по охране и защите леса, лесопользованию, рубкам ухода, лесовосстановлению и т. п.;

–прогнозирование хода роста, ресурсных и экологических свойств выращиваемых насаждений в каждом конкретном выделе, подвергающемся какому-либо хозяйственному воздействию;

–корректировка данных учета лесного фонда.

На территориях с интенсивным ведением лесного хозяйства и интенсивной лесопромышленной деятельностью, где идет достаточно быстрая трансформация категорий земель, актуализацию целесообразно проводить ежегодно, а в связи с естественным ростом

иразвитием насаждений – раз в 5 лет.

Взоне экстенсивных форм ведения хозяйства, где лесной фонд изучен фото-статметодом или аэротаксацией, где лесохозяйственная деятельность, как правило, ограничивается охраной лесов от пожаров, актуализацию можно проводить через более продолжительные периоды.

Основные изменения в лесном фонде связны с гибелью насаждений от лесных пожаров и естественным лесовосстановлением на гарях прошлых лет. Так как эти территории, как правило, являются труднодоступными, учет текущих изменений реально может быть осуществлен лишь на основе дистанционного зондирования. Поскольку стоимость материалов аэрокосмических съемок значительна, а процессы лесовосстановления в северных районах замедлены, учет текущих изменений здесь можно произвести один раз в 5 лет.

Учитывая, что непрерывное лесоустройство предназначено обеспечивать решение комплекса задач по хранению информации, ее обновлению, многоцелевому использованию в оперативном режиме, оно должно базироваться на современных интегрированных географических информационных системах (ГИС).

54

Введение непрерывного лесоустройства должны осуществлять специалисты лесоустроительных предприятий при участии специалистов лесхоза.

Допуск в базу данных должен быть ограничен кругом ее создателей, т. е. только представителями лесоустроительных предприятий.

Контрольные вопросы и задания

1.Опишите применение ГИС при лесоустройстве.

2.Как осуществляется создание лесных карт?

3.Как происходит непрерывное лесоустройство?

4.Назовите, какие работы должна поддерживать ГИС в лесоустройстве.

5.Опишите преимущества цифровых карт перед бумажными.

55

5. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА

5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Работы в области автоматизации обработки данных дистанционного зондирования для целей изучения и мониторинга лесов ведутся уже более двадцати лет. Однако наибольшее развитие эти методы получили при использовании технологий, основанных на использовании пространственно распределенной информации. При этом большинство технологических приемов и решений, которые сейчас составляют основу ГИС-технологий, были разработаны и оценены еще до появления самого понятия ГИС. Еще до того, как при обработке данных аэро- и космических снимков стали использовать цифровые методы, были разработаны ручные и инструментальные методы дешифрирования с использованием совмещения изображений (снимков)

иразличных картографических материалов. Однако сложность и высокая трудоемкость таких работ являлись причинами отказа от их использования в практике. С развитием техники эти методы развивались

исовершенствовались. Современные программно-технические средства ГИС и обработки изображений позволяют в реальном режиме времени производить сложнейшие преобразования и операции с изображениями, картами и атрибутивными данными, в том числе разновременными, совмещенными в единой пространственной основе.

Использование ГИС при классификации изображений. Существующие алгоритмы классификации изображений условно делятся на контролируемые и неконтролируемые. Контролируемая классификация основана на предварительном обучении классификатора. Иными словами, необходим выбор и указание участков, предназначенных для обучения. Например, в ГИС на изучаемый район имеются данные наземного обследования отдельных участков, характеризующих представленные на этой территории классы насаждений. Необходимо произвести классификацию всего района. Для этого изображение совмещают с топографической основой ГИС и накладывают на него контуры участков разных классов, по которым далее производится обучение классификатора.

Оценка результатов классификации с помощью ГИС. Возможность пространственного совмещения карт и изображений, реализо-

56

ванная в большинстве инструментальных пакетов ГИС, позволяет производить сравнение различных пространственных данных. Результаты классификации, представленные в виде растровой картинки, сегментированной по классам, совмещают с имеющимися в ГИС данными о контрольных участках. Анализ попадания в контрольные участки классов, полученных в результате классификации, позволяет оценить вероятность правильного их распознавания. Аналогичным образом можно оценивать принадлежность кластеров, полученных в результате неконтролируемой классификации, к реальным классам.

Выявление изменений с помощью ГИС. Выявление изменений является одной из наиболее эффективных областей применения ГИС и данных дистанционного зондирования. Здесь, как правило, также используются методы сопоставления пространственных данных. Сравнивают результаты классификации разновременных изображений, результаты классификации изображения и данные более раннего, по сравнению со временем съемки, сплошного наземного обследования (лесоустройства), результаты классификации изображения и плановые данные (например, данные отвода лесосек) и т. п.

В настоящее время нет единой классификации ГИС, которая бы охватывала все имеющиеся системы. Это объясняется главным образом тем, что пользователей интересует лишь своя сфера деятельности, а разработчики не нуждаются в классификации ГИС, поскольку работают для конкретных потребителей. В зависимости от степени автоматизации информационных процессов в сфере управления, геоинформационные системы подразделяются на автоматические и автоматизированные. Любая информационная система является эргатической. В таких системах человеку (оператору) отводится важная роль. Автоматические геоинформационные системы обеспечивают обработку информации на определенном этапе ее преобразования без участия человека (оператора). Автоматизированные геоинформационные системы, в отличие от этого, предполагают непрерывное взаимодействие оператора и технических средств на протяжении всего процесса обработки информации.

Таким образом, автоматизированная система – это совокупность управляемого объекта и автоматических управляющих устройств, в которых часть функций управления выполняет человек (оператор). По назначению можно выделить ГИС, используемые для поддержания процесса принятия решения, а также создания справочных и офисных систем. Системы поддержки принятия решения представляют собой информационные системы, в которых с помощью запро-

57

сов производятся отбор и анализ данных по временным, географическим и прочим показателям. Современные информационно-справоч- ные системы формируются главным образом в виде гипертекстовых документов и мультимедиа. Наибольшее распространение такие системы получили в Internet. Гипертекст представляет собой структурированный, вложенный и связанный по смыслу текст с ключевыми словами. Офисные системы обеспечивают перевод в электронный вид документов, представленных на бумажной основе, для целей автоматизации делопроизводства.

С учетом функциональных возможностей ГИС можно выделить следующие основные группы: инструментальные ГИС – это системы с наиболее широкими возможностями, включающие подсистемы ввода данных, подсистемы пространственного моделирования и анализа данных, мощные средства запросов, средства вывода информации на твердые носители, средства расширения возможности систем; ГИС-вьюеры (вьюверы) представляют собой системы сопровождения инструментальных ГИС и предназначены для просмотра информации. Они также позволяют формировать информационные запросы и корректировать данные; справочные картографические системы являются аналогом ГИС-вьюеров (вьюверов). Они содержат встроенные базы данных, которые пользователь не может редактировать, и в них отсутствуют средства расширения, обновления и корректировки данных; средства обработки данных дистанционного зондирования. В процессе классификации по охвату описываемой территории, в зависимости от масштабного ряда и цифровой картографической информации, составляющей базы данных, можно выделить глобальные, общенациональные, региональные, локальные и муниципальные ГИС, обеспечивающие потребителей информацией в указанных границах.

По топологии ГИС подразделяются на топологические и нетопологические. Топологические ГИС обеспечивают связь между объектами и их элементами, которая может быть разорвана только по желанию пользователя. Такие ГИС используются для решения многих задач пространственного анализа (определение расстояний между объектами, видимости между ними и т. д.). Все информационные системы, включая ГИС, могут быть объединены в сеть. В связи с этим классификация по топологии подразумевает также подразделение систем по типу соединения на сетевые и локальные. Сетевые геоинформационные системы обслуживают самую многочисленную группу пользователей. Они оказали существенное влияние на развитие ГИС, ориентированных на векторные данные. Задачей таких систем являет-

58

ся документирование и обработка информации о различных видах производственной деятельности физических и юридических лиц. При этом широко используются сети Internet и Intranet. Сетевые геоинформационные системы представляют собой инструмент, обеспечивающий сбор, поиск, анализ, преобразование и выдачу заявителям данных о любом объекте недвижимости или конкретном землепользователе. В данном случае под топологией сети понимается описание физического расположения, т. е. того, каким образом информационные системы соединены друг с другом.

В кольцевых системах команды и информация распределяются от компьютера-источника по кольцу на периферийные устройства и возвращаются в исходное состояние.

Соединения типа «звезда» основаны на распределении команд и информации с помощью центрального компьютера, называемого сервером. Сервер (от английского server – обслуживать) – это мощный компьютер, обеспечивающий управление внешней памятью, базами данных, электронной почтой.

Виды сетевых топологий. В соединениях типа «цепочка» («шина») команды и информация проходят по всему каналу, пока не достигнут нужного адресата. Ячеистая топология обеспечивает попарное соединение информационных систем. Это наиболее устойчивая к сбоям система, поскольку информация в ней может быть передана различными путями. Кроме указанных топологий, имеют место также их комбинации. Локальные системы работают без подключения к внешним компьютерам. Предназначены такие системы главным образом для решения корпоративных задач.

По типу представления данных различают системы, работающие с двумерной графикой, и системы, работающие с трехмерной графикой. Во втором случае пользователям предоставляются широкие возможности по формированию объемных изображений объектов, а также по изучению рельефа без выхода на местность. ГИС можно классифицировать по аппаратным средствам и программному обеспечению. Аппаратные средства представляют собой совокупность технических средств, необходимых для функционирования системы. Сюда включается процессор, монитор, клавиатура, «мышь», сканер, плоттер, принтер и другие устройства. Программное обеспечение – это совокупность входящих в состав ГИС программных средств, обеспечивающих работу геоинформационной системы. Здесь можно выделить системное программное обеспечение, которое включает операционную систему, разрабатываемую поставщиком ГИС и пред-

59

назначенную для функционирования системы (например, DOS или Windows), а также прикладное программное обеспечение, состоящее из баз данных и пакетов прикладных программ, необходимых для взаимодействия оператора и системы. Программное обеспечение геоинформационных систем формирует функции и средства, необходимые для хранения, анализа и представления различных данных. Наиболее широко используются программы ГИС: ArcGis, MapInfo, WinGis, ArcInfo, AutoCad Map, ObjecLand и др. Тем не менее следует учитывать, что каждая программа имеет свои специфические особенности. Если, например, требуется недорогая и несложная в применении программа, то MapInfo будет наиболее приемлемой, поскольку она проста в работе, но в то же самое время позволяет выполнять многие важные функции. ArcInfo может быть использована для более специфического и детального пространственного анализа, а AutoCad Map является наилучшим вариантом для тех, кто использует в своей работе высокоточную графику. ArcGis незаменима для разработчиков, которые используют топологические отношения между объектами в своей деятельности.

В 2007 г. введена в действие геоинформационная система по ведению государственного кадастра объектов недвижимости. Данная система разработана Федеральным кадастровым центром «Земля»

ипредназначена для ведения государственного земельного кадастра

игосударственного кадастрового учета объектов недвижимого имущества. С учетом аппаратных средств и программного обеспечения можно выделить два класса ГИС: инструментальные и ГИС-прило- жения.

Классы геоинформационных систем. Инструментальные ГИС могут быть полнофункциональными, узкоспециализированными и настольно-картографическими. Они обеспечивают формирование сложных запросов и пространственный анализ. Полнофункциональные системы содержат все стандартные функции, включающие ввод, хранение, формирование сложных запросов, пространственный анализ, вывод твердых копий на печать. К узкоспециализированным относятся системы, выполняющие одну из основных функций. К таким системам можно отнести векторизаторы и вьюверы (вьюеры).

Настольно-картографические системы базируются на программных продуктах, у которых на высоком уровне реализованы картографические функции. ГИС-приложения ориентированы на одну из предметных областей и обычно создаются на базе инструментальных ГИС. Основой интеграции данных в ГИС служит географическая

60