Етапи проектування баз геоданих

Стор.

Вступ………………………………………………………………………………2

1. Методологія та методи наукових досліджень………………………………..3

1.1. Методи геоінформаційних досліджень…………………………………3

1.2. Етапи проектування баз геоданих………………………………………4

1.3. Вимоги до програмного забезпечення ГІС……………………………..5

1.4. Вимоги до апаратного забезпечення ГІС……………………………...6

2. Дослідження, оцінка та просторове моделювання показників родючості ґрунтів Херсонської області…………………………………………….……….8

2.1. Характеристика вивчаємих показників……………………….…….8

2.2. Етапи та результати проектування ГІС……………………………..10

2.2.1. Регіональний рівень еколого-агромеліоративна оцінка родючості ґрунтів……………………………………………….10

2.2.2. Локальний рівень Каланчацького район вміст гумусу, рухомого фосфору, обмінного калію…………………….…..12

Висновок………………………………………………………………………….54

Список використаних джерел…………………………………………………..55

Вступ

Метою даної розрахунково-графічної роботи є побудова просторових моделей досліджуваних показників, а саме вмісту гумусу, рухомого фосфору та обмінного калію в ґрунтах Каланчацького району Херсонської області.

Завдання даної розрахунково-графічної роботи:

- застосування методів наукових досліджень для забезпечення ГІС;

- провести оцінку достовірності просторових моделей з використанням метода ординарний крікінг;

- визначити параметри найкращих моделей для вмісту гумусу, рухомого фосфору та обмінного калію в ґрунтах Каланчацького району Херсонської області та оцінити достовірність просторової моделі;

- побудувати картограму кожного з досліджуваних показників в ґрунтах Каланчацького району Херсонської області.

Дана робота спрямована на дослідження, оцінку та просторове моделювання вмісту гумусу, рухомого фосфору та обмінного калію в ґрунтах Каланчацького району Херсонської області за допомогою ArcGis 9.2 та його модулю Geostatistical Analyst.

1. Методологія та методи наукових досліджень

1.1. Методи геоінформаційних досліджень

ГІС-технології – апаратно-програмний, людино-машиний комплекс, який забезпечує збір, обробку, відображення, розповсюдження просторово-координованих даних, інтеграцію даних і знань про територію для їх ефективного використання та при рішенні наукових прикладних географічних задач, пов’язаних з інвентаризацією, аналізом, моделюванням, прогнозуванням та управлінням навколишнім середовищем і територіальною організацією суспільства [11].

Геоінформаційні дослідження основані на картографічному методі.

Картографічний метод - метод наукового дослідження, в якому карта виступає як модель об’єкта, що вивчаються, і проміжна ланка між об’єктом та дослідником. Об’єктом досліджень ГІС в гідромеліорації завжди є складна, відкрита система із входом і виходом [11].

Картографічний метод дослідження включає в себе: опис по картам, графічні побудови: профілі, блок-діаграми та інші, виміри по картам, математичну та статистичну обробку цих вимірів та іншу інформацію.

Для побудови карт існує дуже потужна програма ArcGis 9.2, яка містить в собі багато інструментів для аналізу просторової моделі.
ГІС-аналіз являється процесом пошуку просторових закономірностей в розподілі даних і взаємозв’язку між об’єктами.

В ArcGis 9.2 існує модуль Geostatistical Analyst, який призначений для аналізу та моделювання поверхні з використанням детерміністичних і геостатистичних методів дослідження.

Ці методи дозволяють кількісно описати якість своїх моделей шляхом вимірювання статистичної помилки інтерпольованих поверхонь.

Використовуючи дослідженні дані в опорних точках, за допомогою Geostatistical Analyst можна інтерполювати значення в інших точках в межах даної території, для яких виміри не проводилися.

Етапи проектування баз геоданих

Основні етапи проектування бази даних:

1. Визначення мети створення бази даних. На першому етапі проектування бази даних необхідно визначити мету створення бази даних, основні її функції та інформацію, яку вона повинна містити. Тобто потрібно визначити основні теми таблиць бази даних та інформацію, що міститимуть поля таблиць [7].

2. Визначення таблиць, що їх повинна містити база даних. Одним із найскладніших етапів у процесі проектування бази даних є розробка таблиць, тому що результати, які повинна видавати база даних (звіти, вихідні форми тощо), не завжди дають повне уявлення про структуру таблиці. У разі проектування таблиць зовсім не обов’язково використовувати СУБД. Спочатку краще розробити структуру на папері. Отже, у разі проектування таблиць слід керуватися такими основними принципами:

- інформація в таблиці не повинна дублюватися;

- кожна таблиця повинна містити інформацію лише на одну тему [7].

3. Визначення необхідних у таблиці полів. Кожна таблиця містить інформацію на окрему тему, а кожне поле в таблиці містить окремі дані по темі таблиці. Наприклад, у таблиці з даними про клієнта можуть бути поля з назвою компанії, адресою, містом, країною і номером телефону. Під час розробки полів для кожної таблиці необхідно пам’ятати:

- кожне поле має бути пов’язане з темою таблиці;

- не рекомендується включати до таблиці дані, що є результатом виразу;

- у таблиці має бути вся необхідна інформація;

- інформацію варто розбивати на найменші логічні одиниці (наприклад, поля «Ім’я» і «Прізвище», а не загальне поле «Ім’я») [7].

4. Завдання індивідуального значення кожному полю. З тим, щоб СУБД могла зв’язати дані з різних таблиць, наприклад дані про клієнта і його замовлення, кожна таблиця повинна містити поле чи набір полів, що задаватимуть індивідуальне значення кожного запису в таблиці. Таке поле чи набір полів називають основним ключем [7].

5. Визначення зв’язків між таблицями. Після розподілу даних по таблицях і визначення ключових полів необхідно вибрати схему для зв’язку даних у різних таблицях. Для цього потрібно визначити зв’язки між таблицями. Бажано вивчати зв’язки між таблицями в уже існуючій базі даних. Для перегляду зв’язків у вибраній базі даних відкриваємо її і вибираємо відповідні команди [7].

6. Відновлення структури бази даних. Після проектування таблиць, полів і зв’язків необхідно ще раз переглянути структуру бази даних і виявити можливі недоліки. Бажано це зробити на даному етапі, поки таблиці не заповнені даними. Для перевірки необхідно створити кілька таблиць, визначити зв’язки між ними та ввести кілька записів у кожну таблицю, потім подивитися, чи відповідає база даних поставленим вимогам [7].

7. Додавання даних і створення запитів, форм, звітів та інших об’єктів бази даних. Якщо структури таблиць відповідають поставленим вимогам, то можна вводити всі дані. Потім можна створювати будь-які запити, форми, звіти, макроси та модулі [7].

8. Використання засобів аналізу в СУБД.

1.3. Вимоги до програмного забезпечення ГІС

Основними вимогами до ГІС є повнота, охоплення всіх сторін інформаційного, програмного, технічного забезпечення, які зустрічаються в процесі експлуатації системи.

Система повинна бути комплексною. Основні переваги геоінформаційних технологій у порівнянні з традиційними методиками полягає у можливостях спільного аналізу великих груп параметрів у їх взаємозв’язку, що природно, дуже важливо для включення складних географічних явищ і процесів. Необхідна природна взаємна ув’язка блоків – ГІС повинна імітувати технологію досліджень. Система повинна бути відкритою, забезпечуючи легкість модифікації і експлуатації до нових умов для підтримки її на сучасному рівні.

АгсGIS є системою програм, що масштабується, для створення, управління, інтеграції, аналізу і розповсюдження географічних даних на будь-якому рівні, від індивідуума до величезної розподіленої корпорації. Версія 9.1 представляє повнофункціональну інтегровану систему, розроблену з урахуванням побажань широкого круга користувачів.

Система правління базами даних (СУБД) базується на використанні певної моделі даних, яка відображає взаємозв'язок між об'єктами. У використовуваній моделі даних об'єкти та взаємозв'язок між ними подано за допомогою таблиць (реляційна модель даних). Взаємозв'язки також розглядаються як об'єкти. Використовувана модель даних (СУБД) повинна задовольняти такі умови:

- база даних повинна легко розширюватися при реорганізації та розширенні предметної зони;

- база даних має легко змінюватися при зміні програмного та апаратного середовища;

- дані до включення у базу даних слід перевіряти на достовірність;

- доступ до даних, які розміщуються в базі даних, повинні мати лише особи з відповідними повноваженнями;

- дані мають розміщуватись у форматах, доступних для використовуваної ГІС.

1.4. Вимоги до апаратного забезпечення ГІС

Геоінформаційні системи базуються на певному наборі технічного обладнання, основними функціями якого є забезпечення роботи програмних ГІС-продуктів і допоміжних програм, збереження масивів цифрових даних, забезпечення збору і введення даних, представлення готової інформації. Комплекс електронних і електронно-механічних пристроїв, призначений для технічної підтримки працездатності ГІС, називається апаратним забезпеченням ГІС [11].

Основним елементом географічної інформаційної системи є апаратна частина, до якої входить:

- комп'ютер - сервер баз даних;

- виробничі комп'ютери для співробітників;

- сканер, для конвертації карт і документів у цифрову форму для Digitals;

- плотер або принтер, які використовують для подання результатів;

- міжкомп'ютерні комунікації, які забезпечують зв'язок з локальними і глобальними мережами або телефонними лініями з використанням "модема".

2. Дослідження, оцінка та просторове моделювання показників родючості грунтів Херсонської області

2.1. Характеристика вивчаємих показників

Гумус – це складний динамічний комплекс різних специфічних ґрунтових органічних сполук. Гумус складає 60-90 % органічної частини ґрунту, крім торфових [5].

Гумусні речовини поліпшують фізичні властивості грунту. Грунти з високим умістом гумусу мають широкий діапазон фізичної стиглості, тобто їх можна обробляти в широкому інтервалі вологості. Такі грунти потребують менших затрат на механічний обробіток.

Гумус є основним джерелом поживних речовин та енергетичним матеріалом для більшості ґрунтових мікроорганізмів. Він уповільнює процеси вимивання поживних речовин з кореневмісного шару, підвищує ефективність мінеральних добрив, тепловий режим ґрунту. Продукція, вирощена на збагачених гумусом ґрунтах, має вищу якість, рослини характеризуються підвищеною стійкістю до хвороб та шкідників. Вміст гумусу в ґрунтах коливається в широких межах. Найбільше його в чорноземах, найменше в сіроземах та дерново-підзолистих ґрунтах [5].

Особливого значення набуває оптимізація фосфатного режиму живлення рослин, яка зумовлена активною участю фосфору у процесах фотосинтезу, утворенні ядра і поділі клітини, забезпеченні енергією процесів синтезу органічних сполук.

Під впливом фосфатів прискорюються процеси біологічного циклу розвитку рослин, підвищується їхня стійкість до негативного впливу посухи.

Встановлено, що характерною особливістю фосфору є швидке поглинання його грунтом, тому рослини використовують фосфати не з добрив, а зі сполук, які утворились під час взаємодії добрив з ґрунтом. Фосфатний режим ґрунту визначається розчинністю фосфатних сполук ґрунту і внесених добрив. Найбільш поширеною є оцінка рухомості іонів у ґрунті за фактором ємності (кількості іонів, мг/кг ґрунту, що переходить у різні витяжки) [5].

Калій – важливий елемент для оптимального росту рослин, а отже, і для отримання високих врожаїв та підтримання високого рівня родючості ґрунту. Аналогічно фосфору, розрахунки вмісту калію роблять у вигляді оксиду К₂О [5].

Вміст і форми калію в ґрунті визначаються гранулометричним складом, природою глинистих мінералів і ступенем їх вивітреності. В ґрунтах важкого гранулометричного складу валовий вміст калію може досягати 2 % і більше. Значно менше його в ґрунтах легкого гранулометричного складу. Основна частина калію в ґрунті входить до складу кристалічної решітки первинних і вторинних мінералів, тобто знаходиться в малодоступній для рослин формі. Деякі з цих мінералів (біотит, мусковіт) віддають калій досить легко і є джерелом мобілізації доступного калію [5].

У регулюванні калійного режиму ґрунту першочергове значення мають зміни вмісту доступного для рослин калію і швидкість переведення його загальних запасів у доступну форму. Підвищення вмісту доступного для рослин калію здійснюється внесенням добрив з урахуванням особливостей їх впливу на ґрунт [5].

Більшість ґрунтів важкого гранулометричного складу містять достатню кількість калію. Однак рослини не завжди можуть використати ці запаси через їх низьку доступність. Тому на таких ґрунтах також необхідно вносити калійні добрива.

2.2 Етапи та результати проектування ГІС

2.2.1 Регіональний рівень еколого-агромеліоративна оцінка родючості ґрунтів

Таблиця Агрохімічна характеристика обстежених земель Херсонської області за вмістом рухомих фосфатів

2.2.2 Локальний рівень Каланчацький район вміст гумусу, рухомого фосфору, обмінного калію

Вміст гумусу

Просторова оцінка даних

Рис. 2.1. Просторова динаміка вмісту гумусу за стаціонарами досліджень

Рис. 2.2. Гістограма просторового розміщення даних

Рис. 2.3. Оцінка стандартного нормального розподілу вмісту гумусу

Рис. 2.4. Аналіз просторового тренду

Рис. 2.5. Оцінка просторового вмісту гумусу за допомогою карти Воронного (кластери)

Рис. 2.6. Аналіз просторового тренду

Рис. 2.7. Аналіз просторової коваріації даних

Просторове моделювання з використанням геостатистичного метода ординарний крігінг

Визначення параметрів моделі і створення тематичної картограми вмісту гумусу в грунтах Каланчацького району Херсонської області

Рис. 2.8. Визначення анізотропії, просторового напрямку пошуку результатів і типу сектору зв’язку

Функція регресії: 0,250 * x + 1,581

Рис. 2.9. Оцінка достовірності просторової моделі

Апроксимація просторових моделей

Функція регресії: 0,253 * x + 1,577

Рис. 2.10. Кругова модель

Функція регресії: 0,257 * x + 1,568

Рис. 2.11. Сферична модель

Функція регресії: 0,255 * x + 1,572

Рис. 2.12. Тетрасферична модель

Функція регресії: 0,250 * x + 1,581

Рис. 2.13. Пентасферична модель

Функція регресії: 0,268 * x + 1,548

Рис. 2.14. Експоненційна модель

Функція регресії: 0,246 * x + 1,592

Рис. 2.15. Гаусова модель

Вміст рухомого фосфору

Просторова оцінка даних

Рис. 2.16. Просторова динаміка вмісту гумусу за стаціонарами досліджень

Рис. 2.17. Гістограма просторового розміщення даних

Рис. 2.18. Оцінка стандартного нормального розподілу вмісту гумусу

Рис. 2.19. Аналіз просторового тренду

Рис. 2.20. Оцінка просторового вмісту гумусу за допомогою карти Воронного (кластери)

Рис. 2.21. Аналіз просторового тренду

Рис. 2.22. Аналіз просторової коваріації даних

Просторове моделювання з використанням геостатистичного метода ординарний крігінг

Визначення параметрів моделі і створення тематичної картограми вмісту рухомого фосфору в грунтах Каланчацького району Херсонської області

Рис. 2.23. Визначення анізотропії, просторового напрямку пошуку результатів і типу сектору зв’язку

Функція регресії: 0,348 * x + 32,808

Рис. 2.24. Оцінка достовірності просторової моделі

Апроксимація просторових моделей

Функція регресії: 0,348 * x + 32,808

Рис. 2.25. Кругова модель

Функція регресії: 0,312 * x + 34,537

Рис. 2.26. Сферична модель

Функція регресії: 0,301 * x + 35,093

Рис. 2.27. Тетрасферична модель

Функція регресії: 0,230 * x + 38,880

Рис. 2.28. Пентасферична модель

Функція регресії: 0,304 * x + 34,949

Рис. 2.29. Експоненційна модель

Функція регресії: 0,325 * x + 33,964

Рис. 2.30. Гаусова модель

Вміст обмінного калію

Просторова оцінка даних

Рис. 2.31. Просторова динаміка вмісту гумусу за стаціонарами досліджень

Рис. 2.32. Гістограма просторового розміщення даних

Рис. 2.33. Оцінка стандартного нормального розподілу вмісту гумусу

Рис. 2.34. Аналіз просторового тренду

Рис. 2.35. Оцінка просторового вмісту гумусу за допомогою карти Воронного (кластери)

Рис. 2.36. Аналіз просторового тренду

Рис. 2.37. Аналіз просторової коваріації даних

Просторове моделювання з використанням геостатистичного метода ординарний крігінг

Визначення параметрів моделі і створення тематичної картограми вмісту обмінного калію в ґрунтах Каланчацького району Херсонської області

Рис. 2.38. Визначення анізотропії, просторового напрямку пошуку результатів і типу сектору зв’язку

Функція регресії: 0,708 * x + 129,554

Рис. 2.39. Оцінка достовірності просторової моделі

Апроксимація просторових моделей

Функція регресії: 0,708 * x + 129,554

Рис. 2.40. Кругова модель

Функція регресії: 0,695 * x + 135,971

Рис. 2.41. Сферична модель

Функція регресії: 0,681 * x + 142,112

Рис. 2.42. Тетрасферична модель

Функція регресії: 0,675 * x + 145,265

Рис. 2.43. Пентасферична модель

Функція регресії: 0,607 * x + 177,080

Рис. 2.44. Експоненційна модель

Функція регресії: 0,686 * x + 135,394

Рис. 2.45. Гаусова модель

Оцінка похибки апроксимованих просторових моделей

Таблиця 2.1

Оцінка похибки апроксимованих просторових моделей вмісту гумусу

Рис. 2.46. Порівняльна оцінка середньої похибки моделей

Рис. 2.47. Порівняльна оцінка середньоквадратичної похибки моделей

Рис. 2.48. Порівняльна оцінка середньої стандартної похибки моделей

Рис. 2.49. Порівняльна оцінка середньої стандартизованої (нормативної) похибки моделей

Рис. 2.50. Порівняльна оцінка середньоквадратичної стандартизованої (нормативної) похибки моделей

За статистичними критеріями оцінки похибки, пентасферична модель краще описує процес просторового розміщення вмісту гумусу в грунтах Каланчацького району Херсонської області.

Таблиця 2.2

Оцінка похибки апроксимованих просторових моделей вмісту рухомого фосфору

Рис. 2.51. Порівняльна оцінка середньої похибки моделей

Рис. 2.52. Порівняльна оцінка середньоквадратичної похибки моделей

Рис. 2.53. Порівняльна оцінка середньої стандартної похибки моделей

Рис. 2.54. Порівняльна оцінка середньої стандартизованої (нормативної) похибки моделей

Рис. 2.55. Порівняльна оцінка середньоквадратичної стандартизованої (нормативної) похибки моделей

За статистичними критеріями оцінки похибки, кругова модель краще описує процес просторового розміщення рухомого фосфору в грунтах Каланчацького району Херсонської області.

Таблиця 2.3

Оцінка похибки апроксимованих просторових моделей обмінного калію

Рис. 2.56. Порівняльна оцінка середньої похибки моделей

Рис. 2.57. Порівняльна оцінка середньоквадратичної похибки моделей

Рис. 2.58. Порівняльна оцінка середньої стандартної похибки моделей

Рис. 2.59. Порівняльна оцінка середньої стандартизованої (нормативної) похибки моделей

Рис. 2.60. Порівняльна оцінка середньоквадратичної стандартизованої (нормативної) похибки моделей

За статистичними критеріями оцінки похибки, кругова модель краще описує процес просторового розміщення обмінного калію в грунтах Каланчацького району Херсонської області.