Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова

Географический факультет




Е.Ю.Колбовский

ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ
В ГЕОЭКОЛОГИИ



МОСКВА

2022





УДК 528.94:004.94:504.54:911.52


Рецензенты

доктор географических наук, профессор А.А.Ямашкин

доктор географических наук, профессор А.Н.Бармин


ISBN 978-5-89575-259-3

Колбовский Е.Ю.
Пространственный анализ в геоэкологии. М.: МГУ, 2022. 820 с.

Пространственный анализ – неотъемлемый инструмент исследования в современной геоэкологии, непосредственно связанный с геоинформационным моделированием, геостатистикой и современными подходами к анализу так называемых Больших Данных.
Содержание и построение книги рассчитано на последовательное освоение основ пространственного анализа и базовых процедур работы с геоданными.
Издание предназначено для студентов, аспирантов, а также для широкого круга лиц, занимающихся научно-исследовательской деятельностью, практическими изысканиями и проектированием в сфере геоэкологии.



Рекомендовано Ученым советом географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова


© Е.Ю.Колбовский, 2022



Содержание


ПРЕДИСЛОВИЕ

I.

ОСНОВЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО АНАЛИЗА

1.

КОНЦЕПТУАЛИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОТНОШЕНИЙ

1.1. Геопространственный анализ
1.2. "Что", "Где" и "Почему" - три этапа геопространственного моделирования
1.3. Концептуализация пространственных отношений: дистанция, смежность, взаимодействие
2.

ДЕСКРИПТИВНЫЙ АНАЛИЗ ДАННЫХ

2.1. Краткая характеристика дескриптивной статистики
2.2. Нью-Йорк как объект геопространственной статистики
2.3. Карты хороплет в ArcGIS
2.4. Карты хороплет в SAGA GIS
3.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ АНАЛИЗ ДАННЫХ

3.1. Набор переменных для изучения феномена преступности в Нью-Йорке
3.2. Базовые статистики одномерного исследовательского анализа
3.3. Характеристики переменных
3.4. Двумерный исследовательский анализ
4.

ЦЕНТРОГРАФИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКА

4.1. Центральный объект, усредненный и медианный центры
4.2. Дистанционные статистики
4.3. Типы пространственных паттернов
4.4. Метод ближайшего соседа и Функция K Рипли
4.5. Функция плотности ядра
4.6. Факторы веса на примере сети городов
5.

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ АВТОКОРРЕЛЯЦИЯ

5.1. Пространственная автокорреляция
5.2. Глобальный Индекс Морана и Общая G-статистика
5.3. Пошаговая пространственная автокорреляция
5.4. Анализ кластеров и выбросов
5.5. Анализ горячих точек
6.

РЕГРЕССИОННЫЙ АНАЛИЗ: ЛИНЕЙНАЯ И ГЕОГРАФИЧЕСКИ ВЗВЕШЕННАЯ РЕГРЕССИЯ

6.1. Регрессионный анализ: последовательность действий
6.2. Анализ Главных Компонент для выбора переменных
6.3. Исследовательская регрессия
6.4. OLS - Метод наименьших квадратов
6.5. Географически взвешенная регрессия
II.

БАЗОВЫЕ ПРОЦЕДУРЫ ОПЕРИРОВАНИЯ С ДАННЫМИ В ГЕОЭКОЛОГИИ

7.

ИЗВЛЕЧЕНИЕ ДАННЫХ И ОВЕРЛЕЙ СЛОЕВ В ГИС: ОСНОВНЫЕ СЮЖЕТЫ И ИНСТРУМЕНТЫ

7.1. ГИС-моделирование в геоэкологии: типичные блоки
7.2. Типы слоев ОТЕ и переменных в составе модели
7.3. Извлечение данных и взаимоотношения слоев в оверлее
7.4. Инструменты извлечения данных растровых "полей"
7.5. Инструменты извлечения данных растровых "мозаик"
7.6. Инструменты извлечения дисперсных векторных данных
7.7. Инструменты извлечения данных векторных "мозаик"
8.

АНАЛИЗ ГРУППИРОВАНИЯ И КЛАСТЕРИЗАЦИЯ КАК СПОСОБЫ КЛАССИФИЦИРОВАНИЯ И РАЙОНИРОВАНИЯ

8.1. Районирование как типология и районирование как классификация
8.2. Анализ группирования как способ районирования в ArcMAP
8.3. Кластеризация как способ классифицирования в SAGA GIS
8.4. Районирование по набору разнородных признаков
III.

ГЕОМОРФОМЕТРИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ЛАНДШАФТНОМУ СИНТЕЗУ

9.

ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ РЕАЛЬНОСТЬ: О СЛОЖНОСТЯХ ГИС-МОДЕЛИРОВАНИЯ

9.1. Место географических объектов в мире моделей
9.2. Научные категории как прототипы здравого смысла
9.3. Географические объекты как "поля" и ограничения традиционного категориального картографирования
9.4. "Патчевые модели" как упрощение непрерывных полей
9.5. Сложность в исходных данных: "гауссово" и "паретианское" восприятие в геопространственном моделировании
9.6. Паретианское распределение и проблема классификации
9.7. В поисках оптимальной классификации: что, все-таки делать с паретианскими множествами?
10.

ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА

10.1. География и "Большие Данные"
10.2. ЦМР: источники данных и краткая характеристика типов
10.3. Геоморфометрия и инструменты геоинформационного моделирования земной поверхности
10.4. Загрузка и репрезентация ЦМР в ГИС
10.5. 3D-визуализация ЦМР
11.

МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

11.1. Морфометрические переменные и элементарные поверхности
11.2. Переменные группы формы и потоков
11.3. Переменные относительного положения на склоне
11.4. Сложные переменные разных групп
11.5. Классификация и генерализация морфометрических переменных
11.6. Классификация в SAGA GIS
11.7. Техника комбинирования морфометрических переменных
12.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДОСБОРОВ НА ОСНОВЕ ГЕОМОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ

12.1. Водосборы и ландшафтные местоположения
12.2. Алгоритм делимитации водосборов в ArcGIS
12.3. Делимитация водосборов в других ГИС
12.4. Ландшафтные метрики, связанные с гидрологическими параметрами
13.

СЛОЖНЫЕ АЛГОРИТМЫ СЕГМЕНТАЦИИ РЕЛЬЕФА

13.1. Поколение новых моделей
13.2. Классификации рельефа с использованием нечеткой принадлежности и нечеткого наложения
13.3. Методы сегментации рельефа, основанные на алгоритмах кластерного анализа
13.4. Методы "машинного" обучения и нейронных сетей
14.

МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОТЫ И ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ СРЕДСТВАМИ GIS

14.1. Краткая характеристика и параметры снимков серии Landsat
14.2. Загрузка и визуализация Landsat в ГИС SAGA
14.3. Композитные сочетания Landsat
14.4. Вегетационные индексы
14.5. Компонентные и ландшафтные индексы
15.

ВОЗМОЖНОСТИ СИНТЕЗА БИОТЫ С МОРФОДИНАМИЧЕСКОЙ ОСНОВОЙ ЛАНДШАФТА

15.1. Объектно-ориентированная классификация изображений
15.2. Кластерная классификация состояний ландшафта
15.3. Подходы к синтезу ландшафтного покрова и морфологической основы ландшафта в гис-моделировании
15.4. Первый подход: оверлей готовых классификаций ландшафтных местоположений и биоты
15.5. Второй подход: синтез набора различных переменных ландшафтных местоположений и биоты
15.6. Сложные алгоритмы моделирования - классификация с возможностью обучения
16.

16. ИЗОКЛАСТЕРНЫЙ АНАЛИЗ КЛИМАТИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ ДЛЯ ДЕЛИМИТАЦИИ ПРОТОТИПОВ ПРИРОДНО-ЛАНДШАФТНЫХ ЗОН

16.1. Проблемы моделирования дифференциации биосферы на глобальном уровне
16.2. Исходные данные и выбор факторных переменных
16.3. Моделирование с помощью неконтролируемой классификации изокластера
16.4. Сравнение полученной модели с традиционной схемой экологических зон мира
16.5. Возможности локализации модели изокластерного анализа
IV.

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЛАНДШАФТНОЙ ЭКОЛОГИИ

17.

"MEASURING LANDSCAPE" ИЛИ МОДЕЛИ СТРУКТУРЫ В ЛАНДШАФТНОЙ ЭКОЛОГИИ

17.1. Ландшафтная матрица" и ее метрики как показатели структуры в ландшафтной экологии
17.2. Концепция изменения ландшафтной мозаики во времени и типы нарушений структуры естественного ландшафта
17.3. AREA/DENSITY/EDGE METRICS - метрики размерности, плотности и конфигурации
17.4. SHAPE METRICS – Метрики формы
17.5. CORE AREA METRICS – Метрики Размерности Внутреннего Ареала
17.6. ISOLATION/PROXIMITY METRICS – Метрики Изоляции и Близости
17.7. CONTRAST METRICS – Метрики Контрастности
17.8. CONTAGION/INTERSPERSION METRICS – Метрики Сцепления и Вкрапления
17.9. CONNECTIVITY METRICS – Метрики Непрерывности-Связанности
17.10. DIVERSITY METRICS – Метрики Разнообразия
17.11. FRAGSTAT - свободный софт для расчета метрик
17.12. Patch Analyst -"ландшафтный" модуль ArcMAP10
17.13. Особенности использования ландшафтных метрик на примере Москвы
18.

СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ГИС-МЕТОД В ЛАНДШАФТНОЙ ЭКОЛОГИИ

18.1. Теория графов и Morphological Spatial Pattern Analysis
18.2. Программа MSPA Guidos Tool Box
18.3. Группа Object - расчеты представленности классов различной размерности и метрики парцелляции
18.4. Группа Pattern - морфологический пространственный анализ
18.5. Группа Fragmentation - фрагментация
18.6. Группа Distance - определение расстояний, доступности и зон влияния
18.7. Реализация темы MSPA анализа в ArcGIS
18.8. Реализация темы MSPA анализа в SAGA GIS
V.

ПРИКЛАДНЫЕ СЮЖЕТЫ ГИС-МОДЕЛИРОВАНИЯ В ГЕОЭКОЛОГИИ

19.

СОЦИАЛЬНО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФЕНОМЕНА БЛИЗОСТИ

19.1. Постановка проблем: исчезающие деревни
19.2. Статистики пространственного паттерна
19.3. Деревни на рельефе: размещение в пространстве мезоформ
19.4. Поселения в ландшафте: моделирование расположения и параметров близости
19.5. Кластеризация населенных пунктов по расположению
19.6. Оценка веса и значимости факторов расположения
19.7. Регрессионный анализ феномена людности сельских населенных пунктов
19.8. Географически взвешенная регрессия
20.

ДИАГНОСТИКА ТРАНСФОРМАЦИИ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ В СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-МОДЕЛИРОВАНИЯ

20.1. Трансформация землепользования в сельской местности и ГИС-моделирование
20.2. Гипотеза и состав модели для исследования процессов экореабилитации
20.3. Моделирование степени зарастания сельскохозяйственных угодий
20.4. Оценка вклада основных природных и социально-географических факторов в трансформацию землепользования
20.5. Оценка изменения функций и типологии сельских поселений в связи с трансформацией землепользования
21.

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УРБАНИЗАЦИИ И ОБОБЩЕННАЯ ОЦЕНКА ЭКОСИСТЕМНЫХ УСЛУ

21.1. ATLAS of URBAN EXPANSION: опыт использования открытых данных для ГИС-моделирования процессов урбанизации
21.2. URBAN ATLAS как геоинформационная модель городского землепользования и метод обобщенной оценки дифференциации экосервисных услуг
22.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОРФОТИПОВ ЗАСТРОЙКИ

22.1. Морфотип застройки в иерархии пространств городской среды
22.2. Основные характеристики морфотипов
22.3. Моделирование базовых параметров структуры морфотипов
22.4. Классификация морфотипов по параметрам внутренней структуры
22.5. Моделирование индексов формы
22.6. Моделирование локальных климатических параметров морфотипов
22.7. Моделирование ландшафтных и температурных индексов подстилающей поверхности
21.8. Регрессионный анализ температуры подстилающий поверхности города как зависимой переменной
23.

ИНСТРУМЕНТЫ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКОСИСТЕМНЫХ УСЛУГ

23.1 Природный капитал, экосистемные услуги и инструменты оценки
23.2 Теоретические подходы к оценке
23.3 Общая характеристика моделей оценки ЭСУ
23.4 Краткий обзор наиболее популярных инструментов оценки ЭСУ
23.5 Развитие картографического блока в составе оценок
23.6 Ключи для выбора подходящих методов
23.7 Интерпретация, валидация и пределы использования моделей ЭСУ
24.

ГИС-МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭСТЕТИЧЕСКИХ ЭКОСИСТЕМНЫХ УСЛУГ

24.1. Эстетика ландшафта как часть нематериальных экосистемных услуг
24.2. Алгоритм оценки эстетических услуг на примере Европейской России
24.3. Оценка параметров рельефа
24.4. Оценка параметров ландшафтного покрова и землепользования
24.5. Оценка потенциально используемого объема эстетических экосистемных услуг
24.6. Финальная оценка объема эстетических экосистемных услуг
25

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИЗУАЛЬНО-ЭСТЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛАНДШАФТА

25.1. Пейзажная модель в рамках задачи оценки эстетических свойств ландшафта
25.2. Поисковое поведение наблюдателя в пределах визуальных субпространств
25.3. Моделирование вьюшедов как элементов визуальной структуры ландшафта
25.4. Детализация модели визуальной структуры с учетом растительного покрова
25.5. Использование геолинкованных фотографий для типологии визуальных сцен
25.6. Использование 3-D сцен для верификации визуальной структуры ландшафта
26.

ВЗВЕШЕННЫЙ ОВЕРЛЕЙ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОИМОСТИ ПУТИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТУРИСТСКО-РЕКРЕАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

26.1. Рекреационная нагрузка как актуальная задача геинформационного моделирования
26.2. Гипотеза рекреационного поведения в терминах "доступности" и "стоимости пути"
26.3. Моделирование "стоимости пути" на примере природного парка "Ергаки"
26.4. Моделирование ареалов рекреационной доступности на основе "стоимости пути"
26.5. Моделирование ареалов степени туристско-рекреационного воздействия
26.6. Решение задачи моделирования ареалов потенциального воздействия в SAGA GIS

Список литературы