ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ VISNYK LVIV UNIV

Серія географічна. 2004. Вип. 31. С. 263–270 Ser.Geogr. 2004. №31. Р. 263–273

УДК 911.52:528.94:681.3

Методи ландшафтного картографування

з використанням ГІС та інших комп’ютерних технологій

В. Давидчук, Л. Сорокіна, В. Родіна

Інститут географії Національної академії наук України,

в, м. Київ, 01034 Україна

Розглянуто методологічні та методичні аспекти застосування комп’ютерної техніки, елементів ГІС-технологій та засобів GPS для досліджен­ня ландшафтів, аналізу їхньої морфологічної структури і тенденцій сучасної еволюції. Наведено деякі прийоми оброблення інформації, що використовується при ландшафтному картографуванні з використанням ГІС. Сформульовано вимоги до традиційних операцій оброблення даних (сканування, реєстрації матеріалів тощо), подано проект робочого місця для укладання ландшафтної карти з використанням засобів ГІС.

Ключові слова: ландшафт, ГІС-технології, морфологічна структура ланд­шафту.

Методологічне та методичне опрацювання питань застосування сучасної комп’ютерної техніки, елементів ГІС-технологій для аналізу морфологічної структури і тенденцій сучасної еволюції ландшафтів спрямоване на дальший розвиток загальнонаукового та прикладного ландшафтного картографування, розроблення ГІС на ландшафтній основі та використання матеріалів ландшафтних досліджень для розв’язання наукових та прикладних задач комплексного характеру.

Видається перспективним і доцільним узагальнення досвіду застосування сучасних технічних засобів та матеріалів повторних космічних зйомок у поєднанні з даними багаторічних наземних ландшафтних досліджень для поліпшення вивченості структури ПТК, аналізу й оцінки сучасного стану та еволюції ландшафтів. Зокрема, при дослідженні радіоактивно забруднених територій це сприятиме підвищенню якості ландшафтної основи та ефективності її використання для вирішення задач радіоекологічного моніторингу та реабілітації виведених із використання земель.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Одною з головних можливостей, яку надають сучасні засоби ГІС, є багатошарова архітектура просторової інформації, можливість формувати її з цілого ряду окремих інформаційних шарів різного інформативного наповнення (ДеМерс, 1999). Залежно від характеру поставленої задачі та наявних даних, у ролі таких інформаційних шарів можуть виступати растрові картографічні матеріали (топографічні та вхідні тематичні карти), матеріали аерокосмічного знімання, а також створені на їхній основі вихідні тематичні карти, цифрові моделі місцевості та дані GPS-знімання. Комбіноване використання цих матеріалів, разом із комп’ютерною ландшафтною картою та програмно-апаратними засобами ГІС виводить процес ландшафтного картографування і подальшого комплексного прикладного ланд­шафтного аналізу на якісно новий рівень.

________________________

© Сорокіна Л., Родіна В., 2004

264 В. Давидчук, Л. Сорокіна, В. Родіна

У разі використання ГІС-технологій у ландшафтному аналізі і картографуванні виникає проблема переведення наявних матеріалів ландшафтних досліджень, зокрема, раніше укладених паперових ландшафтних карт та похідних картографічних матеріалів, у комп’ютерні формати, які підтримуються програмами ГІС. Для цього застосовують низку операцій попереднього комп’ютерного оброблення: сканування, координатні прив’язки (реєстрація), просторово-геометричні корегування та векторизацію. Оскільки такі операції досить специфічні, а точність виконання впливає на кінцевий результат, розглянемо їх окремо.

Сканування паперових картографічних матеріалів потребує дотримання таких вимог:

– збереження якості зображення та відображення його інформаційної наповненості шляхом вибору оптимальної роздільної здатності та кольорової індексації сканованих матеріалів з урахуванням апаратних можливостей комп’ютерної техніки;

– вибір необхідного файлового формату сканованих матеріалів для їхнього дальшого оброблення програмними засобами, що застосовуються.

Слід враховувати, що під час збільшення роздільної здатності зростає якість зображення та точність його дальшого оброблення, але одночасно відбувається збільшення розміру файла, що висуває підвищені вимоги до комп’ютерної техніки. На рисунку 1 показано розміри файлів фрагментів 10х10 см кольорової топографічної карти (16-bit в гамі RGB) і чорно-білого аерофотознімка (8-bit в гамі 256 градацій сірого кольору) при скануванні з різною роздільною здатністю.

Рис. 1. Розмір сканованих зображень (у кілобайтах) за різної роздільної здатності сканування (пікселів / дюйм)

Методи ландшафтного картографування з використанням

Скановані картографічні матеріали можуть бути використані як статичні інформаційні шари (растрові підкладки) або ж як вихідні матеріали для створення нових просторових даних. Залежати від цього будуть і вимоги до роздільної здатності сканування.

За показником відносної похибки, роздільну здатність сканування карт, що використовуватимуться як растрові підкладки, можна визначити за формулою:

X(pix/inch) = P(sc)Í 2,54,

де X(pix/inch) – оптимальна роздільна здатність сканування (пікселів на дюйм), P(sc) – відносна похибка карти у метрах.

Як видно з таблиці 1, оптимальна роздільна здатність сканування карт має бути витримана у межах 250 пікселів на дюйм.

Рівень деталізації при скануванні аерофотознімків залежить від низки чинників, зокрема, від параметрів фотокамери та фотоплівки, стану атмосфери під час знімання, характеру місцевості, особливостей оброблення відзнятих матеріалів та ін. У зв’язку з цим, мінімальні розміри видимих об’єктів на аерофотознімках однакового масштабу можуть відрізнятись.

Таблиця 1

Визначення оптимальної роздільної здатності

сканування аерофотознімків

Роздільна здатність сканування

(піксел /

дюйм)

Кількість метрів в одному пікселі зображення за різних масштабів

1:1

1:

1:

1:

1:50 000

1:25 000

1:10 000

1200

21,167

10,583

4,233

2,117

1,058

0,529

0,212

600

42,333

21,167

8,467

4,233

2,117

1,058

0,423

500

50,800

25,400

10,160

5,080

2,540

1,270

0,508

400

63,500

31,750

12,700

6,350

3,175

1,588

0,635

300

84,667

42,333

16,933

8,467

4,233

2,117

0,847

250

101,600

50,800

20,320

10,160

5,080

2,540

1,016

200

127,000

63,500

25,400

12,700

6,350

3,175

1,270

150

169,334

84,667

33,867

16,933

8,467

4,233

1,693

100

254,001

127,000

50,800

25,400

12,700

6,350

2,540

75

338,662

169,331

67,732

33,866

16,933

8,467

3,387

Відносна похибка (метрів)

100

50

20

10

5

2,5

1

Тому при скануванні матеріалів важливо враховувати паспортні характеристики аерофотознімків. У таблиці 2 показані метричні розміри пікселів, сканованих за різної роздільної здатності аерофотознімків, та середні значення розмірів мінімально видимих об’єктів на знімках масштабів від 1:10000 до 1:50000. Отже, оптимальна роздільна здатність сканування аерофотознімків знаходиться в межах 250–400 пікселів на дюйм.

266 В. Давидчук, Л. Сорокіна, В. Родіна

Таблиця 2

Розмір пікселів сканованих зображень

Роздільна здатність сканування

(піксел / дюйм)

Кількість метрів у одному пікселі зображення за різних масштабів

1 :

1 :

1 :

1 :

1 :

1 :

1 :

1200

1,058

0,741

0,444

0,381

0,296

0,254

0,212

600

2,117

1,482

0,889

0,762

0,593

0,508

0,423

500

2,540

1,778

1,067

0,914

0,711

0,610

0,508

400

3,175

2,223

1,334

1,143

0,889

0,762

0,635

300

4,233

2,963

1,778

1,524

1,185

1,016

0,847

250

5,080

3,556

2,134

1,829

1,422

1,219

1,016

200

6,350

4,445

2,667

2,286

1,778

1,524

1,270

150

8,467

5,927

3,556

3,048

2,371

2,032

1,693

100

12,700

8,890

5,334

4,572

3,556

3,048

2,540

75

16,933

11,853

7,112

6,096

4,741

4,064

3,387

Розміри мініма­льно видимих об’єктів (метри)

4,5

3,0

1,7

1,5

1,0

1,0

0,8

Скануючи растрові матеріали з метою створення нових інформаційних шарів, слід враховувати вимоги програмного забезпечення, на якому буде проводитись їхнє дальше комп’ютерне оброблення. Так, для векторизації топографічних карт з використанням програмного пакета Easy Trace Pro, мінімальна рекомендована роздільна здатність сканування становитиме 300–400 пікселів на дюйм.

Сучасні програмні засоби ГІС підтримують широкий набір форматів растрових графічних файлів. На практиці найчастіше використовують формати JPEG, PCX, TIFF та BMP. Вони мають різний рівень стиснення та алгоритм кодування растрової інформації, що позначається на розмірах файлів.

На рисунку 2 зображено розміри файлів фрагментів 10 х 10 см кольорової топографічної карти (16-bit в гамі RGB) і чорно-білого аерофотознімка (8-bit в гаммі 256 градацій сірого кольору) зі збереженням різних растрових форматів.

Географічну прив’язку (реєстрацію) сканованих растрових матеріалів проводять за допомогою спеціальних модулів програм ГІС. Найчастіше використовують два методи реєстрації:

– реєстрацію за контрольними точками з відомими координатами;

– інтерактивну реєстрацію за готовим прототипом (image to image registration).

Методи ландшафтного картографування з використанням

Рис. 2. Розмір файлів растрових зображень залежно від формату

Для реєстрації планшетів топографічних карт, як правило, достатньо п’яти точок прив’язки – чотири кутові і контрольна, яку ставлять у центрі планшета. Для прив’язки картографічних растрових матеріалів, які не мають кутових координат і топографічної сітки, можна використати точки, отримані за допомогою GPS-приймача, або ж застосувати другий метод реєстрації – за готовом прототипом. Як прототип можна використовувати прив’язані раніше топографічні карти або спеціальні матеріали аерокосмічного знімання – цифрові ортофотокарти.

У разі використання матеріалів аерокосмічного знімання виникає проблема усунення геометричних викривлень, зумовлених проекцією знімання, рельєфом, змінами висот і кутів нахилу знімальних апаратів та інших. Процес виправлення цих викривлень має назву орторектифікації (Lillesand, Kiefer, 1995). Вона здійснюється з використанням спеціалізованих програмних пакетів для оброблення таких даних дистанційного зондування, як ENVI, ERDAS IMAGINE, ER Mapper, PCI та багатьох інших.

Для більш ефективного використання сканованих растрових ландшафтних карт засобами ГІС, виникає необхідність їхньої конвертації з растрового у векторний формат, тобто їхньої векторизації. Існують три види векторизації: автоматична, напівавтоматична й мануальна. За відсутності таких спеціальних апаратних засобів, як дигітайзер, векторизація проводиться за допомогою спеціалізованих програм-векторизаторів, найбільш відомими з них є Easy Trace Pro, EasyVec та MapEdit. Як за-

268 В. Давидчук, Л. Сорокіна, В. Родіна

свідчує наш досвід, незважаючи на бурхливий прогрес у розвитку та вдосконаленні програмного забезпечення, результати автоматичної та напівавтоматичної векторизації з використанням цих програм ландшафтних карт залишають бажати ліпшого. Виграш у швидкості проведення програмної векторизації повністю нівелюється дальшими часовими і трудовими затратами на редагування і доведення отриманих векторних полігонів. У той же час, мануальна векторизація за сканованою і прив’язаною растровою ландшафтною картою, з використанням стандартних засобів редагування програм MapInfo або ArcView, дає змогу отримати векторні карти значно більшої якості і повністю компенсує витрачений час.

Використання ДДЗ і GPS у польових дослідженнях. Сучасні комп’ютерні та ГІС-технології відкривають нові можливості під час польових ландшафтних дослідженнях і водночас висувають нові вимоги до матеріалів досліджень. Насамперед це пов’язано із можливостями точної географічної прив’язки об’єктів польових спостережень – положення точок, лінійних та площинних об’єктів, безпосе­редньо у полі, засобами глобального супутникового геопозиціонування (GPS). Ці перспективи донині ще недостатньо вивчені і оцінені, як і можливості вивчення еволюції ПТК з використанням матеріалів повторного космічного знімання та аналітичних засобів ГІС.

Розпочаті польові підсупутникові дослідження радіоактивно забруднених ландшафтів Київського Полісся якраз мають на меті опрацювання методичних задач вивчення морфологічної структури та еволюції ПТК із використанням засобів ГІС та GPS.

Рис. 3. Блок-схема робочого місця для укладання ландшафтної карти з використанням засобів ГІС

Методи ландшафтного картографування з використанням

Розроблення проекту робочого місця укладача ландшафтної карти, що використовує засоби ГІС. Сучасні програмні засоби дають можливість, викорис­товуючи різноманітні геопросторові дані, одночасно виводити їх на монітор комп’ютера у різних поєднаннях у кількох вікнах перегляду, відображати в цих вікнах результати редагування, масштабування та аналізу даних за допомогою програмних модулів, створених із використанням інтегрованих мов програмування. На часі постановка задачі опрацювання робочого місця географа-ландшафтознавця, що використовує засоби ГІС. Блок-схема такого робочого місця зображена на рисунку 3.

Такий підхід надає можливість укладати ландшафтну карту, водночас використовуючи кілька інформаційних картографічних блоків, якими можуть слугувати растрова топографічна карта-основа, набір тематичних карт, включаючи раніше укладені ландшафтні карти, матеріали аерокосмічних знімань, додаткові векторні шари спеціальної інформації тощо.

Висновки. Розроблені методологічні підходи до комп’ютерного ландшафт­ного картографування основані на використанні переваг комп’ютерної техніки та засобів GPS. Серед них – нові можливості масштабування, корегування, викорис­тання і зберігання фондових матеріалів та результатів дистанційного зондування; збирання та прив’язки даних польових досліджень, побудови, корегування, оформлення і подання картографічного зображення. Зокрема, опрацьовано і випробувано варіанти методики укладання ландшафтної карти безпосередньо у комп’ютерному форматі із використанням топографічної основи, аеро - та космічних знімків.

________________________

1. Де Географические информационные системы. Основы. М., 1999.

2. Lillesand T. M., Kiefer R. W. Remote Sensing and Image Interpretation // New York: John Wiley & Sons, 1995.

Methods of the Landscape Mapping with

using GIS and others computer technologies

V. Davydchuk, L. Sorokina, V. Rodyna

Institute of Geography, National Academy of Sciences of Ukraine,

Volodymyrs’ka st., 44, Kyiv, 01034 Ukraine

The article devoted to methodological and methodical aspects of the investigations of landscape – analyzing of its morphological structure and actual evolution tendencies – by using modern computer technique and elements of GIS and GPS technologies. Some approaches of the information treatment, which was used for the landscape GIS-mapping,

270 В. Давидчук, Л. Сорокіна, В. Родіна

are cited. A demand to the standard operations (scanning, data georeference etc.) has formulated. A project of the workplace for the landscape mapping using GIS and GPS have proposed. The methodological and methodical approaches to computer landscape mapping are based on the possibilities and advantages for collection, visualization, manipulation and analysys of landscape information, proposed by computer technique and GIS-technologies.

Key words: landscape, GIS-technologies, morphological structure landscape.

Стаття надійшла до редколегії 12.04.2004

Прийнята до друку 16.06.2004