Геоинформационные системы

Основными задачами данного МООК являются:

1 . Ознакомление студентов с основными понятиями и принципами работы с геоданными, освоение методик работы с геоинформационными системами, получение навыков по применению геоинформационных технологий в решении практических задач.

2. Ознакомление студентов с основными современными исследованиями и направлениями развития в области геоинформационных систем

3. Развитие интереса у студентов к области геоинформационных систем

Для бесплатного просмотра доступны только часть материалов курса. Полный доступ откроется только после оплаты сертификации. Стоимость сертификации составляет 3600 рублей.

В состав курса входят видео-лекции на русском языке продолжительностью 10-25 минут, материалы для самостоятельного изучения пользователями, задачи для самостоятельного решения.

Разделы курса завершаются самостоятельной работой (лабораторные работы, тесты на понимание материала к модулю).

1. Горобец В.П., Демьянов Г.В., Майоров А.Н., Побединский Г.Г. Современное состояние и направления развития геодезического обеспечения РФ. Системы координат // Геопрофи. 2013. № 6.

2. Журкин И. Г., Шайтура С. В. Геоинформационные системы. Москва: Кудиц-пресс, 2009. ISBN 978-5-91136-065-8

3. Капралов Е., Кошкарев А., Тикунов В., Лурье И., Семин В., Серапинас Б., Сидоренко В. , Симонов А. Геоинформатика. В 2 книгах. Москва: Academia, 2010. ISBN 978-5-7695-6820-6, ISBN 978-5-7695-6821-3.

4. D. Ian Heywood, Sarah Cornelius, Steve Carver. An Introduction to Geographical Information Systems. Pearson Prentice Hall, 2006.

5. QGIS Project. QGIS User Guide. Rev. 3.4. QGIS Project, 2019

6.  QGIS Project. QGIS Training Manual. Rev. 3.4. QGIS Project, 2019

7. Яцек Гродецки. Геодезические датумы. Imaging notes, т. 14, № 6, ноябрь/декабрь 1999 г., т. 15, № 1, январь/февраль 2000

8. Баранов Ю.Б., Берлянт А.М., Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Серапинас Б.Б., Филиппов Ю.А. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов. М.: ГИС-Ассоциация, 1999.

9. QGIS Project. PyQGIS developer cookbook. Rev. 3.4. QGIS Project, 2019

10. Guido van Rossum  and the Python development team. Python Tutorial. Release 3.8.2, 2020

11. Guido van Rossum  and the Python development team.  The Python Language Reference. Release 3.8.2, 2020

12. OSGeo Project.  PostGIS 2.5.4dev Manual, 2019.

Ресурсы информационно-телекоммуникационной сети "Интернет":

http://lib.mipt.ru/ – электронная библиотека Физтеха

http://www.edu.ru – федеральный портал «Российское образование».

https://ru.wikipedia.org – электронная энциклопедия Wikipedia.

http://www.gisa.ru/ - межрегиональная ГИС-Ассоциация

https://gis-lab.info/ -  неформальное сообщество специалистов в области ГИС и ДЗЗ

https://postgis.net/ - PostGis Project home page

https://pypi.org/project/pyhdf/ - Python interface to the NCSA HDF4 library.

http://www.oziexplorer4.com - Des Newman's OziExplorer GPS Mapping Software

http://www.sasgis.org/ - SASGIS Веб-картография и навигация

https://openlayers.org/ - проект OpenLayers

https://learn.arcgis.com/ru/gallery/#?i=publicsafety – Learn ArcGIS

http://wikimapia.org – портал Wikimapia

http://www.openstreetmap.org – портал OpenStreetMap

https://github.com/mapbox/awesome-vector-tiles - векторные тайлы

Курс рассчитан на круг участников, ознакомленных с основами информатики и информационных технологий и имеющих навыки работы с ПК на уровне продвинутого пользователя

Курс состоит из 14 разделов:

Раздел 1.ГИС и Геоинформатика

Неделя 1. Раздел 1. Часть 1 ГИС и Геоинформатика

• Понятие геоинформационной системы.
• Краткая история.
• Классификация ГИС.
• Геоданные.
• Функциональные группы в ГИС.
• Картографический интерфейс.
• Место ГИС среди смежных дисциплин (ДЗЗ, ЭК, САПР).
• Методы получения решения

Неделя 1. Раздел 1. Часть 2. ГИС и Геоинформатика

• Глобальные геоцентрические и локальные метрические проекции.
• ITRS, WGS-84, СК-42, СК-95. ПЗ-90, ГСК-2011. UTM и другие.
• Объект, тип. 2D, 3D и 4D-привязка (географическая и не только).
• Источники геоданных.
• Базы данных, примеры применения СУБД.

Раздел 2.Геопространственные данные

Неделя 2. Раздел 2. Геопространственные данные

• Множество моделей, преобразования моделей.
• Первичные и вторичные данные.
• «Авторитетные» данные.
• Гепространственная привязка.
• Выбор системы координат.
• Геореляционная (объектно-картографическая) модель. 
• Картографические покрытия, слои.
• Растровая и векторная модели данных.
• Другие модели данных (регулярно-ячеистая, квадротомическая, специальные топологические модели).
• Получение растровых и векторных данных. 
• Построение картографического классификатора.
• Наполнение атрибутивных данных.
• Ошибки и борьба с ними.
• Вопросы модификации и актуализации геоданных.

Раздел 3.Геопространственный анализ и моделирование

Неделя 3. Раздел 3. Часть 1. Геопространственный анализ

• Формирование и редактирование пространственных данных.
• Геопривязка.
• Картометрические функции.
• Анализ закономерностей.
• Функции расчета близости.
• Построение буферных зон.
• Оверлей.
• Интерполяция.
• Сетевой анализ.
• Комплексные запросы и проблемно-ориентированый анализ.

Неделя 3. Раздел 3. Часть 2. МКМ (математико-картографическое моделирование)

• Фактические данные и моделирование.
• Картографические модели.
• Принципы имитационного моделирования.
• Цели моделирования.
• Комплексирование моделей.
• Интерактивность.  
• Средства моделирования.
• Пример: работа координатора ПСР (картографическая модель).
• Пример: модель распространения лесных пожаров.

Раздел 4.Цифровая модель рельефа и вывод информации

Неделя 4. Раздел 4. Часть 1.  Цифровая модель рельефа. 4D-модели, зависящие от времени

• 2,5D vs 3D, действительный vs воображаемый. Изолинии (горизонтали).
• Регулярная сеть (матрица высот).
• Иррегулярная сеть (TIN).
• Методы построения ЦМР.
• Задачи, решаемые с помощью ЦМР.
• Время. Жизненный цикл первичных данных.
• Версионность.
• Хронологическая модель данных.
• Задачи имитационного моделирования реальных процессов - ретроспективный анализ, прогнозирование.
• Моделирование природных и антропогенных процессов

Неделя 4. Раздел 4. Часть 2. Средства вывода информации

• Картографический интерфейс.
• Слои.
• Интерактивность.
• Связанные представления.  
• Мультимедиа.
• Анимации.
• Моделирование движения по маршруту. Неевклидова метрика (картсхемы, картоиды).
• Таблицы, диаграммы, гистограммы, схемы.
• Печатные карты, 3D-печать.
• Виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR).

Раздел 5.На пути к ГИС

Неделя 5. Раздел 5. Часть 1 .На пути к ГИС: обзор популярного картографического ПО

• OZI Explorer.
• Garmin BaseCamp.
• SASPlanet.
• Модель геоданных, ввод и хранение данных, функции геоанализа и моделирования.
• Почему не ГИС?

Неделя 5. Раздел 5. Часть 2. Обзор Blue Marble Global Mapper

• Blue Marble Global Mapper.
• Модель геоданных.
• Ввод и хранение данных.
• Атрибутивные данные.
• Классификаторы.
• Функции геоанализа и моделирования.
• А может быть, ГИС?

Раздел 6.QGis. Концепции

Неделя 6. Раздел 6. Часть 1. QGis. Введение

• Модель интерфейса пользователя.
• Проект и настройки проекта.
• Слои и источники.
• Работа с файлами, СУБД и удаленными хранилищами данных.
• Стили.
• Операции и инструменты.
• Анализ данных.
• Открытая архитектура.
• Модули, управление модулями.
• Консоль, механизм сценариев.
• Справочные материалы.

Неделя 6. Раздел 6. Часть 2. QGis. Входные данные.

• Источники. Библиотека GDAL.
• Файловые форматы векторных данных: shapefile, GeoPackage.
• Файловые форматы растровых данных: GeoTIFF, варианты с файлами привязки.
• WKT/WKB. Интернет-источники, форматы WMS/WMTS, XYZ, WFS и другие.
• QuickOSM, пример получения данных для Клинского района.

Раздел 7. QGis. Слои и системы координат

Неделя 7. Раздел 7. Часть 1. QGis. Слои.

• Слой и источник.
• Векторные слои.
• Точки, линии, полигоны.
• Свойства векторных слоев.
• Таблицы атрибутов.
• Растровые слои.
• Слои данных.
• Связь данных и векторных объектов.
• Временные слои.
• Виртуальные слои.
• Калькулятор полей.
• Калькулятор растра.

Неделя 7. Раздел 7. Часть 2 QGis. Работа с системами координат

• Система координат проекта и слоя. EPSG.
• СК и единицы измерения.
• Выбор подходящей СК/проекции (пример: WGS84 - WGS84/Pseudo-Mercator - UTM).
• Операции над системой координат слоя (исходная, изменение, перепроецирование).
• Перепроецирование «на лету» (под СК проекта).
• Геопривязка растрового изображения.
• Модуль Georeferencer.
• Выбор подложки для операции привязки.
• Пример (Тращеево).
• Использование для ручной привязки Blue Marble Global Mapper.
• Особенности высокоширотных и полярных областей. UPS.
• Пример: данные Modis.

Раздел 8.Введение в SQL

Неделя 8. Раздел 8. Введение в SQL

• Реляционные БД.
• Тип, поле, запись, таблица.
• Первичные и вторичные ключи, ссылки. Индексы.
• Объектные БД, хронологические БД.
• Краткая история языка SQL.
• Построение SQL-запроса.
• Команда SELECT.
• Примеры.
• Модификация данных.
• Метаданные, DDL.
• Представления.
• Триггеры, процедуры.
• Индексы. SpatiaLite (расширение SQLite).

Раздел 9.QGis и пространственно-ориентированные базы данных

Неделя 9. Раздел 9. Часть 1. Пространственно-ориентированные расширения БД (поддержка геоданных)

• Пространсвенные расширения: подход  
• OpenGIS Consortium (OGC) – “ Simple Features for SQL”.
• WKB/WKT.
• Реализация в рамках PostGIS (расширения PostgreSQL).
• EWKB/EWKT (3DM, 3DZ, 4D координаты). SRID.
• Типы данных GEOMETRY и GEOGRAPHY.
• Функции доступа.
• Примеры использования в запросах.

Неделя 9. Раздел 9. Часть 2. QGis. Работа с базами данных.

• Менеджер БД (модуль DB Manager).
• Создание, модификация, доступ к БД (на примере PostGIS).
• Конфигурирование и запуск сервера БД, использование утилиты pgAdmin.
• Создание слоев с источником PostGIS.
•  Формирование запросов.
• Примеры запросов в QGis.
• Использование представлений.
• Альтернативы.
• SpatiaLite/GeoPackage.
• Механизм фильтров для слоя.

Раздел 10.QGis. Растровые слои, пользовательские системы координат и основы геоанализа

Неделя 10. Раздел 10. Часть 1. QGis. Работа с растром. Работа с навигационными приборами. Пользовательские системы координат

• Параметры отображения растровых слоев.
• Виртуальный растр.
• Перепроецирование.
• Калькуляторы растра (встроенный, GDAL, SAGA).
•  Инструмент raster alignment (перепроецирование, обрезка, ресамплинг).
• Пример использования для полевых измерений.
• Постановка задачи исследовательской группе треком и точками, выгрузка в формат GPX.
• Импорт результата (трек, данные, формирование связанного слоя).
• Еще раз про ESPG.
• Пользовательские системы координат, формат PROJ.4.
•  Другие форматы описания СК (WKT, MapInfo).
• Пример определения границ объекта, изначально заданных в МСК-26.

Неделя 10. Раздел 10. Часть 2. Геообработка и анализ (обзор).

• Создание и редактирование векторных объектов.
• Выделение.
• Операции над векторными объектами.
• Преобразования векторных объектов.
• Операции над векторными слоями.
• Растеризация.
• Операции над растровыми слоями.
• Построение регулярных сеток.
• Векторизация.
• Растровый слой как ЦМР (пример – определение области прямой видимости).
• Комплексный пример – обработка данных нетмониторинга.

Раздел 11.QGis. Работа со стилями, создание сервера WEB. Ячеистые структуры.

Неделя 11. Раздел 11. Часть 1. QGis. Стили и рендеринг. QGIS-сервер.

• На что влияет стиль.
• Работа со стилями.
• Рендеринг векторных слоев.
• Отображение объектов, подписи, диаграммы, 3D.
• Классификация, использование аттрибутивных данных.
• Механизм выражений.
• QGIS-сервер.
• Настройка проекта QGis для использования сервером.
• Особенности установки и конфигурирования сервера, интеграция с WEB-сервером Apache.
• Поддержка WMS и WMTS, примеры запросов.
•  Пример: WMS-источник на примере проекта из предыдущей лекции, использование SASPlanet в качестве клиента.

Неделя 11. Раздел 11. Часть 2. QGis. Работа с ячеистыми структурами (mesh data).

• Модель геоданных mesh. 2D, 3D.
• Наборы данных, ассоциированные с узлами.
• Временной аспект.
• Слои, загрузка, поддерживаемые форматы.
• Стили и рендеринг.
•  Визуализация скалярных и векторных данных.
• Работа с временной шкалой.

Раздел 12.QGis Processing Framework.

Неделя 12. Раздел 12. Часть 1. QGis processing framework

• Модуль processing framework.
• Единый интерфейс пользователя для алгоритмов.
• Панель «инструменты анализа».
• Библиотеки QGis, GDAL, SAGA, GRASS.
• Настройка параметров и запуск.
• Результат и история.
• Автоматизация: пакетная обработка, консоль Python, графическое моделирование.
• Примеры использования.

Неделя 12. Раздел 12. Часть 2. QGis processing framework. Графическое моделирование.

• Построение пользовательских алгоритмов на основе существующих.
• Инструмент Graphical modeler.
• Интерфейс пользователя.
• Входные параметры, схема применения, связи, выход.
• Пример – расчет TWI.
• Дополнительные численные параметры.
• Вычисляемые параметры.
•  Пример – карта бассейнов водосбора.
• Построение комплексных моделей и связанные с ними проблемы.
•  Особенности графической нотации.
• Возможности аналогичных инструментов в других продуктах на примере ArcGIS.

Раздел 13.QGis. Расширение возможностей алгоритмов обработки за счет Phyton API

Неделя 13. Раздел 13. Часть 1. Введение в язык программирования Python.

• Краткая характеристика языка.
• Интерпретатор.
• Программная модель.
• Типы, объекты.
• Классы и наследование.
• Функции, методы.
• Динамическое связывание.
• Структура кода.
• Выражения.
• Простые операторы.
• Составные операторы.
• Модули, пакеты, импорт.
• Исключения.
• Библиотеки и использование в научной деятельности.
• Пример: работа с библиотекой pyhdf (данные Modis, парсинг формата HDF4).

Неделя 13. Раздел 13. Часть 2. QGis processing framework. Реализация алгоритмов на языке Python.

• Получение представления графической модели на языке Python.
• Класс QgsProcessingAlgorithm, реализация наследника.
• Главный метод. Основные интерфейсы Processing Framework API (краткий обзор).
• Пример – карта бассейнов водосбора.
• Использование консоли Python для вызова библиотечных алгоритмов.
• Для чего это нужно (задачи, не решаемые средствами графического моделирования).

Раздел 14.WEB ГИС. Заключение

Неделя 14. Раздел 14. Часть 1. WEB ГИС. Обзор подхода, примеры

• Клиент-серверная модель.
• Использование возможностей WEB-браузеров. Java Script.
• Библиотека OpenLayers.
• Подход к реализации, возможности.
• Примеры.
• Использование источников и интеграция с ГИС-сервером (на примере QGis).
• ArcGis Online.
• Интерфейс для разработчика и результирующие WEB-приложения.
• Пример (из набора обучающих примеров «Learn ArcGis»).

Неделя 14. Раздел 14. Часть 2.. Заключение. Краткий обзор существующих решений.

• Не только QGis: обзор альтернатив.
• Универсальные и специализированные решения.
• Задачи обработки и анализа данных ДЗЗ, сетевой анализ.

Курс направлен на формирование общепрофессиональных компетенций:  

ОПК-1 Способен самостоятельно приобретать, развивать и применять математические, естественнонаучные, социально-экономические и профессиональные знания для решения нестандартных задач, в том числе в новой или незнакомой среде и в междисциплинарном контексте

Курс направлен на формирование профессиональных компетенций:

ПК-1 Способность использовать и развивать методы научных исследований и инструментария в области проектирования и управления ИС в прикладных областях;

ПК-2 Способность к разработке технологий создания тематических информационных продуктов и оказания услуг на основе использования данных ДЗЗ.

• основные понятия, связанные с использованием геоданных и геоинформационных систем,
• критерии применимости и варианты использования ГИС,
• основные модели информационных пространств и принципы построения интерфейсов пользователя ГИС,
• структура программного интерфейса рассмотренных в рамках курса ГИС

• на основе анализа проблемы прикладной предметной области принимать решение об использовании ГИС.
• работать с выбранной ГИС в качестве продвинутого пользователя; создавать, модифицировать и анализировать геоданные
• при необходимости, расширять функционал ГИС под конкретную задачу, используя как средства автоматизации, заложенные в саму ГИС, так и внешний программный интерфейс;

• работы с популярными ГИС в качестве продвинутого пользователя; навыками создания, модификации и анализа геоданных
• использования ПО, рассмотренного в рамках курса
• проектирования и реализации специализированного ПО, использующего программный интерфейс популярных ГИС;
• самостоятельного освоения программ, предназначенных для работы с геоданными