CC BY
39ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ И ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ СОЗДАНИИ ЦИФРОВОЙ ТРЁХМЕРНОЙ МОДЕЛИ СТЕПНЫХ И ПОЛУПУСТЫННЫХ ЛАНДШАФТОВ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ
СТАВРОПОЛЬСКОГО КРАЯ THE USING MODERN INFORMATION AND GEOINFORMATION TECHNOLOGIES IN THE CREATION OF A DIGITAL THREE-DIMENSIONAL MODEL OF STEPPE AND SEMI-DESERT LANDSCAPES OF THE SOUTH-EASTERN PART OF THE STAVROPOL
TERRITORY
Малочкин Владимир Юрьевич, аспирант ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный аграрный университет», г. Ставрополь, ORCIDID: https://orcid.org/0000-0002-8230-2269, vladimir-zelenokumsk@yandex.ru Горбачёв Сергей Юрьевич, ассистент ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный аграрный университет», г. Ставрополь, Россия. ORCIDID: https://orcid.org/0000-0003-0159-3883, sergey93.93@mail.ru. Vladimir Yu. Malochkin, postgraduate student, ORCIDID: https://orcid.org/0000-0002-8230-2269, vladimir-zelenokumsk@yandex.ru
Sergey Yu. Gorbachev, assistant, ORCIDID: https://orcid.org/0000-0003-0159-3883, sergey93.93@mail.ru
УДК 528:004.9:504.4(470.630) DOI:10.24411/2588-0209-2019-10058
Аннотация
В статье представлены методика и результаты использования современных информационных и геоинформационных технологий при создании цифровой трёхмерной модели степных и полупустынных ландшафтов юго-восточной части Ставропольского края в пределах Советского района (городского округа). Актуальность создания карт и трёхмерных моделей ландшафтов предопределила необходимость совершенствования методик рационализации землеустройства на ландшафтно-экологической основе. Имея цифровую карту и трёхмерную модель ландшафтов в электронном виде, удобно последующее изучение территории путем послойного отображения информации на картографической основе с использованием ГИС, поскольку на экране компьютера объект имеет такой же вид, как и на местности.
Построение трёхмерной модели осуществляется в ГИС Mapinfo Professional в следующей последовательности:
- сбор и анализ архивного картографического материала;
- геореференсация и векторизация полученного картографического материала;
- получение сведений о рельефе по материалам радарной топографической съёмки (SRTM) и построение цифровой модели рельефа;
- создание трёхмерной модели степных и полупустынных ландшафтов юго-восточной части Ставропольского края в пределах Советского района.
В результате работ по созданию трёхмерной модели степных и полупустынных ландшафтов юго-восточной части Ставропольского края было выявлено, что в пределах Советского района находятся следующие ландшафты:
- Правокумско-Терский ландшафт злаковых степей и аллювиальных аккумулятивных четвертичных равнин, который занимает 60,6% или 126631 га
территории района;
- Левокумский ландшафт полынно-злаковых степей и аллювиальных аккумулятивных четвертичных равнин, занимающий 27,3% или 57046 га территории района;
- На западе района небольшие участки занимает Карамык-Томузловский ландшафт злаковых степей эрозионно-аккумулятивных равнин с долинно-балочным расчленением, который занимает 12,1% или 25284 га территории района.
Annotation
The article presents the methodology and results of using modern information and geoinformation technologies in the creation of a digital three-dimensional model of steppe and semi-desert landscapes of the south-eastern part of the Stavropol territory within the Soviet region. The relevance of the creation of maps and three-dimensional models of landscapes has made it necessary to improve the methods of rationalization of land administration on a landscape-ecological basis. Digital format of map and a three-dimensional model of landscapes provide an opportunity to examination the territory by layer-by-layer display of information on a cartographic basis using GIS, because on the computer screen the object has the same look as on the ground.
The three-dimensional model developed in GIS Mapinfo Professional. Used the following sequence:
- collection and analysis of archival cartographic material;
- a georeferensation and vectorization of the received cartographic materials;
- obtaining data on a relief on materials of radar survey (SRTM) and creation of digital model of a relief;
- creation of three-dimensional model of steppe and semi-desert landscapes of a southeast part of Stavropol territory within Sovetsky region.
As a result of the work on the creation of a three-dimensional model of steppe and semi-desert landscapes of the south-eastern part of the Stavropol territory it was
revealed that within the Soviet region there are the following landscapes:
- The Pravokumsko-Tersky landscape of cereal steppes and alluvial accumulative quarternary plains which occupies 60.6% or 126631 hectares of the territory;
- The Levokumsky landscape of wormwood and cereal steppes and alluvial accumulative quarternary plains occupying 27.3% or 57046 hectares of the territory of the area;
- In the west of the district small sites are occupied by the Karamyk-Tomuzlovsky landscape of cereal steppes of erosive and accumulative plains with valley-beam the compartmentalization of the relief which occupies 12.1% or 25284 hectares of the territory.
Ключевые слова: GPS/ГЛОНАСС, ГИС, 3D-модель, цифровая трёхмерная модель, степные ландшафты, полупустынные ландшафты, Mapinfo Professional.
Keywords: GPS/GLONASS, GIS, 3D model, digital three-dimensional model, steppe landscapes, semi-desert landscapes, Mapinfo Professional.
На сегодняшний день наиболее значимыми геоинформационными продуктами являются цифровые модели рельефа, основанные на данных дистанционного зондирования Земли. Связано это с высокой потребностью в данных продуктах, а также благодаря использованию развитию современных информационных и геоинформационных технологий, обеспечивающих получение, обработку и предоставление данных потребителям [1]. Применение ГИС-технологий, интенсивно развивающихся на современном этапе, позволяет существенно упростить не только получение количественных данных, но и в дальнейшем провести по ним моделирование [3].
Цель исследования
Цель исследований заключается в создании цифровой трёхмерной модели степных и полупустынных ландшафтов юго-восточной части Ставропольского края в пределах Советского района (городского округа) с использованием современных информационных и геоинформационных технологий.
Объекты и методы исследования
Объектом исследований являются степные и полупустынные ландшафты юго-
восточной части Ставропольского края в пределах Советского района (городского округа)
(рис. 1).
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Ландшафты равнин Предкавказья
Провинция лесостепных ландшафтов | Ландшафты типичных песостепей
I - Вернеегорлыксхий
2- Прикалауссхо-Саблинский
] Ландшафты байрамных песостепей
3-Ташлянский
4 - Граче вено- Капаусский 5- Прмкалаусско-Буйволинский
Провинция степных ландшафтов
6 - Егорлыкско-Сенгилеевский*
7 - Расшеватско-Егорлыкский"
8 - Среднеегорлыкский"
9 - Бурухшунсхий" 10- Нижнекалаусский
II - Айгурский
12 - Карамык-Томузловский
13 - Кубано-Янкульско-Суркульский Провинция полупустынных ландшафтов
] ЛандшафтыТерско-Кумской низменности
14 - Левокумский
15 - Правокумско-Терский"
16 - Курско-При каспийский"
17 - Нижнекумско-Прмкаспийский"
] Ландшафты Кумо-Манычской впадины
18 - Чограйско-При каспийский"
19 - Западно-Манычский"
Ландшафты Большого Кавказа
~~] Провинция предгорных степных и лесостепных ландшафтов
20 - При куба некий"
21 - Воровсколесско-Кубанский*
22 - Подкумсхо-Золкимский*
23 - Малкинсхо-Терский"
■ Провинция среднегорных ландшафтов лесостепей и остепненных пугов
24 - Кубано- Ма лкинский'
- Границы ландшафтов
Рисунок 1 - Ландшафты Ставропольского края
Район занимает относительно высокую слабоволнистую равнину, которая является
частью обширного Терско-Кумского водораздела. Эта равнина прорезана сравнительно
глубокими долинами рек Кумы, Мокрого Карамыка, Горькой Балки, Золки.
Распределение земельного фонда по категориям земель представлено в таблице 1.
Таблица 1 - Распределение земельного фонда Советского района по категориям
№ п/п Наименование Площадь, га
1 Земли сельскохозяйственного назначения 192622
2 Земли населенных пунктов 6174
3 Земли промышленности, энергетики, транспорта, связи, радиовещания, телевидения, информатики, земли для обеспечения космической деятельности, земли обороны, безопасности и земли иного специального назначения 1823
4 Земли особо охраняемых территорий и объектов -
5 Земли лесного фонда 5284
6 Земли водного фонда 3058
7 Земли запаса -
Итого земель в административных границах 208961
Основную часть территории района представлена двумя ландшафтами: - Левокумский ландшафт расположен на юго-восточных склонах
Ставропольской возвышенности в среднем течении левобережной части р. Кумы.
- Правокумско-Терский ландшафт расположен в междуречье Терека и Кумы в восточной части района.
На западе района небольшими участками представлен Карамык-Томузловский ландшафт. Расположен в бассейнах левых притоков Кумы (Томузловки, Сухого и Мокрого Карамыка) на восточных склонах Ставропольской возвышенности.
Левокумский и Правокумско-Терский ландшафты относятся к провинции полупустынных ландшафтов, а Карамык-Томузловский к степной провинции [15].
Развитие компьютерных ГИС-технологий напрямую связано с распространением компьютерных информационных технологий, ведь более тридцати лет разрабатывались двухмерные ГИС, в которых информация о географических объектах представлена набором данных на плоскости [2].
Применение трёхмерных моделей связано с потребностью реалистичного отображения рассматриваемого объекта, так как такой способ облегчает планирование, контроль, а также принятие решений во многих отраслях, поскольку на экране компьютера объект имеет такой же вид, как и в реальном мире.
Имея цифровую карту и трёхмерную модель ландшафтов в электронном виде проводить анализ информации путем совмещения векторных слоёв в единой геоинформационной базе данных с использованием современного программного обеспечения.
В России наиболее распространённым программным обеспечением в области ГИС является MapInfo Professional. Применяя данную геоинформационную систему можно получить векторную графику следующим образом:
- ввод координат с клавиатуры;
- векторизация растровых изображений;
- импорт из GPS/ГЛОНАСС-приемников и другого геодезического оборудования, а также из других ГИС.
MapInfo Professional позволяет работать как картографическими, так и с семантической данными [5].
Построение трёхмерной модели осуществляется в ГИС Mapinfo Professional в следующей последовательности:
- сбор и анализ фондового (архивного) картографического материала;
- геореференсация и векторизация полученного картографического материала;
- получение сведений о рельефе по материалам радарной топографической
съёмки (SRTM) и построение цифровой модели рельефа;
- создание трёхмерной модели степных и полупустынных ландшафтов юго-восточной части Ставропольского края в пределах Советского района.
На первом этапе осуществляется сбор и анализ фондового (архивного) картографического материала, проводится инвентаризация и формализация данных. В нашей стране большое количество картографического материала хранится только на бумажных носителях, в виде таблиц и описаний, которые не могут быть использованы в современных геоинформационных технологиях без предварительной обработки данных и структурирования семантической составляющей карт. Только после этого появляется возможность создания на их основе цифровых картографических материалов посредством векторизации.
На втором этапе проводится геореференсация и векторизация картографического материала. До настоящего времени основой для пространственно-территориальной привязки карт и наземных обследований являлись топографические карты. С появлением системы глобального позиционирования (GPS) топографические карты перестали быть единственной основой пространственно-территориальной привязки наземных обследований. Совершенствование материалов дистанционного зондирования, математического аппарата позиционирования спутников и ортофотографических проекционных преобразований позволило получать данные с точностью пространственно-территориальной привязки, не уступающей топографическим картам [11].
Для пространственной привязки можно использовать до трёх геореференцированные космические снимки высокого разрешения, топографическую карты, а также материалы, полученные из государственного кадастра недвижимости, такие как кадастровые планы и выписки на земельные участки.
В данной работе пространственная привязка картографического материала проводится на основе материалов из государственного кадастра недвижимости, имеющих координатную привязку МСК-26 от СК-95. Поэтому каждый контур ландшафта, прошедший процедуру векторизации имеет свою пространственную привязку в геодезической системе координат [8].
Векторизация проводится в ГИС Mapinfo Professional, которая проводится посредством оцифровки пространственных данных и созданием векторного слоя из полигонов и точек на растровом изображении карты ландшафтов Ставропольского края и послойным отображением ландшафтов в границах района на космоснимке (рис. 2) [7].
Рисунок 2 - Степные и полупустынные ландшафты юго-восточной части Ставропольского края в пределах Советского района
На следующем этапе необходимо получить сведения о рельефе местности для построения цифровой модели рельефа путём векторизации топографической карты или по материалам радарной топографической съёмки (SRTM). В данной работе данные о рельефе местности получены по материалам радарной топографической съёмки (SRTM) (рис. 3) [6,
9].
International agricultural journal №3/2019
к- ,,
V ' f. л,' f
Рисунок 3 - Радарная топографическая съёмка Советского района
По результатам обработки данных SRTM получены данные о рельефе местности в виде горизонталей с сечением 5 метров (рис. 4).
Рисунок 4 - Рельеф Советского района с сечением горизонталей
5 метров
Далее создается цифровая модель рельефа в ГИС Mapinfo Professional в следующей последовательности:
выполнить команду «Карта - создать тематическую карту - выбрать слой с
International agricultural journal №3/2019
рельефом и поле с отметкой высоты»;
- выбрать метод интерполяции (TIN или IDW) - ОК. В данном случае выбрали TIN-интерполяцию (рис. 5).
Рисунок 5 - Тематическая карта рельефа Советского района
(TIN-интерполяция)
выполнить команду «Карта - создать 3D-карту - поставить разрешение модели и вертикальный масштаб, в данном случае указали разрешение 1000 на 1000 и масштаб 0,16 (рис. 6).
Рисунок 6 - 3D-модель рельефа Советского района (ТШ-интерполяция)
На последнем этапе на полученную 3D-модель рельефа накладывается оцифрованный слой ландшафтов, в результате чего получена трёхмерная модель степных и
полупустынных ландшафтов юго-восточной части Ставропольского края в пределах Советского района (рис. 7) [10, 12].
Ландшафты
I I Карамык-Томузловский
|_| Левокумский
I I Правокумско-Терский
Рисунок 7 - Трёхмерная модель степных и полупустынных ландшафтов юго-восточной части Ставропольского края в пределах Советского района
Результаты исследований
В результате работ по созданию трёхмерной модели степных и полупустынных ландшафтов юго-восточной части Ставропольского края было выявлено, что в пределах Советского района (городского округа) находятся ландшафты, представленные в таблице 2.
Таблица 2 - Экспликация ландшафтов в границах Советского района (городского
округа)
Провинция Номер ландшафта Ландшафт Площадь, га %
Провинция полупустынных ландшафтов 15 Правокумско-Терский 126631 60,6
14 Левокумский 57046 27,3
Провинция степных ландшафтов 12 Карамык-Томузловский 25284 12,1
Итого 208961 100
Проанализировав данные таблицы 2 можно сделать вывод:
- Правокумско-Терский ландшафт занимает 60,6% или 126631 га территории района;
- Левокумский ландшафт занимает 27,3% или 57046 га территории района;
- На западе района небольшие участки (12,1% или 25284 га территории района) занимает Карамык-Томузловский ландшафт [13, 14].
Благодаря применению современных информационных и геоинформационных
технологий были выполнены следующие работы:
- проведена векторизация карты степных и полупустынных ландшафтов юго-восточной части Ставропольского края в пределах Советского района;
- по результатам обработки данных SRTM получены данные о рельефе местности в виде горизонталей с сечением 5 метров;
- создана тематическая карта и 3D-модель рельефа с TIN-интерполяцией;
- создана трёхмерная модель степных и полупустынных ландшафтов юго-восточной части Ставропольского края в пределах Советского района.
Выводы
Актуальность создания карт и трёхмерных моделей ландшафтов связана с необходимостью совершенствования методик рационализации землеустройства на ландшафтно-экологической основе. При наличии цифровой карты и трёхмерной модели ландшафтов удобно последующее изучение территории, благодаря совмещению векторных слоёв в единой геоинформационной базе данных, с использованием современных информационных и геоинформационных технологий.
В настоящее время применение трёхмерной модели ландшафтов актуально для оценки сельскохозяйственных земель, проведения работ по инвентаризации земель и землеустройству, решения прикладных мелиоративных задач, а внедрение ГИС-технологий позволит сократить время их проведения и повысить качество полученных результатов [4].
Литература
1. Аншаков Г. П., Мятов Г. Н., Малиновский В. А. Метод создания цифровых моделей рельефа местности и его практическое применение на примере Самарской области // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (Национального исследовательского университета). 2015. № 4 (14). С. 7-16.
2. Варламов А. А., Гальченко С. А. Земельный кадастр. Т. 6 Географические и земельные информационные системы : М. : КолосС, 2005. 400 с.
3. Глейзер И. В., Копанева И. М., Рублёва Е. А. Некоторые аспекты использования ГИС-технологий при морфометрическом анализе рельефа // Вестник Удмуртского университета. Серия «Биология. Науки о Земле». 2006. №2. С. 143-146.
4. Глотов А.А. Применение данных о рельефе для эффективного использования сельскохозяйственных земель // Геопрофи. Москва, 2013. № 4. С. 20-22.
5. Коцур Е. В., Веселова М. Н. Применение ГИС Mapinfo Professional при создании карты агроландшафтов (на примере Павлоградского района Омской области) // Вестник ОмГАУ. 2016. №2 (22). C. 121-127.
6. Кошелев А.В. Цифровое картографирование почв с использованием данных SRTM // Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2018. № 4 (52). С. 159-166.
7. Лисицкий Д. В., Кацко С. Ю. Назначение и особенности цифрового картографического изображения в геоинформационном картографировании // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2005. №.4. С. 22-28.
8. Малочкин В. Ю. Разработка методики проведения инвентаризации земель сельскохозяйственного назначения посредством ГИС // Международный сельскохозяйственный журнал. 2019. №2. С. 17-21.
9. Павлова А.И., Каличкин В.К. Использование материалов космической съемки и ГИС для геоморфологического районирования территории // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2009. № 11. С. 5-14.
10. Павлова А. И. Применение методов цифрового моделирования рельефа для картографирования эрозионных земель // В мире научных открытий. 2016. №2 (74). С. 159169
11. Руководство по среднемасштабному картографированию почв на основе ГИС / М.С. Симакова, Д.И. Рухович, В.И. Белобров, Э.Н. Молчанов, Н.П. Чижикова, И.П. Гаврилова, М.И. Герасимова, М.Д. Богданова. М.: Почв, ин-г им. В.В. Докучаева, 2008. 243 с.
12. Сысоев А. В., Елшина Т. Е. Создание и обработка цифровых моделей рельефа в среде ГИС // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2017. №1. С. 72-77
13. Целовальников А. С., Клюшин П. В., Марьин А. Н. Использование ГИС-технологий при ландшафтном мониторинге земель Ставропольского края // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2010. №6. С. 57-63.
14. Целовальников А. С. Мониторинг антропогенной нагрузки и деградационных процессов земель сельскохозяйственного назначения Ставропольского края с использованием геоинформационных технологий: автореф. дис. ... канд. геогр. наук. Москва, 2010. 27 с.
15. Шальнев В. А. Современные ландшафты Ставропольского края : моногр. Ставрополь : СГУ, 2002. 227 с.
Literatura
1. Anshakov G. P., Myatov G. N., Malinovskij V. A. Metod sozdaniya cifrovyh modelej rel'efa mestnosti i ego prakticheskoe primenenie na primere Samarskoj oblasti // Vestnik
Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akademika S.P. Korolyova (Nacional'nogo issledovatel'skogo universiteta). 2015. № 4 (14). S. 7-16.
2. Varlamov A. A., Gal'chenko S. A. Zemel'nyj kadastr. T. 6 Geograficheskie i zemel'nye informacionnye sistemy : M. : KolosS, 2005. 400 s.
3. Glejzer I. V., Kopaneva I. M., Rublyova E. A. Nekotorye aspekty ispol'zovaniya GIS-tekhnologij pri morfometricheskom analize rel'efa // Vestnik Udmurtskogo universiteta. Seriya «Biologiya. Nauki o Zemle». 2006. №2. S. 143-146.
4. Glotov A.A. Primenenie dannyh o rel'efe dlya effektivnogo ispol'zovaniya sel'skohozyajstvennyh zemel' // Geoprofi. Moskva, 2013. № 4. S. 20-22.
5. Kocur E. V., Veselova M. N. Primenenie GIS Mapinfo Professional pri sozdanii karty agrolandshaftov (na primere Pavlogradskogo rajona Omskoj oblasti) // Vestnik OmGAU. 2016. №2 (22). C. 121-127.
6. Koshelev A.V. Cifrovoe kartografirovanie pochv s ispol'zovaniem dannyh SRTM // Izvestiya nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. 2018. № 4 (52). S. 159-166.
7. Lisickij D. V., Kacko S. YU. Naznachenie i osobennosti cifrovogo kartograficheskogo izobrazheniya v geoinformacionnom kartografirovanii // Interekspo Geo-Sibir'. 2005. №.4. S. 22-28.
8. Malochkin V. YU. Razrabotka metodiki provedeniya inventarizacii zemel' sel'skohozyajstvennogo naznacheniya posredstvom GIS // Mezhdunarodnyj sel'skohozyajstvennyj zhurnal. 2019. №2. S. 17-21.
9. Pavlova A.I., Kalichkin V.K. Ispol'zovanie materialov kosmicheskoj s"emki i GIS dlya geomorfologicheskogo rajonirovaniya territorii // Sibirskij vestnik sel'skohozyajstvennoj nauki. 2009. № 11. S. 5-14.
10. Pavlova A. I. Primenenie metodov cifrovogo modelirovaniya rel'efa dlya kartografirovaniya erozionnyh zemel' // V mire nauchnyh otkrytij. 2016. №2 (74). S. 159-169
11. Rukovodstvo po srednemasshtabnomu kartografirovaniyu pochv na osnove GIS / M.S. Simakova, D.I. Ruhovich, VI. Belobrov, E.N. Molchanov, N.P. CHizhikova, IP. Gavrilova, M.I. Gerasimova, M.D. Bogdanova. M.: Pochv, in-g im. V.V. Dokuchaeva, 2008. 243 s.
12. Sysoev A. V., Elshina T. E. Sozdanie i obrabotka cifrovyh modelej rel'efa v srede GIS // Interekspo Geo-Sibir'. 2017. №1. S. 72-77
13. Celoval'nikov A. S., Klyushin P. V., Mar'in A. N. Ispol'zovanie GIS-tekhnologij pri landshaftnom monitoringe zemel' Stavropol'skogo kraya // Zemleustrojstvo, kadastr i monitoring zemel'. 2010. №6. S. 57-63.
14. Celoval'nikov A. S. Monitoring antropogennoj nagruzki i degradacionnyh processov zemel' sel'skohozyajstvennogo naznacheniya Stavropol'skogo kraya s ispol'zovaniem geoinformacionnyh tekhnologij: avtoref. dis. ... kand. geogr. nauk. Moskva, 2010. 27 s.
15. SHal'nev V. A. Sovremennye landshafty Stavropol'skogo kraya : monogr. Stavropol' : SGU, 2002. 227 s.
