Оформление данных в QGIS. Картографический анализ структуры землепользования

1. Постановка задачи

Задание посвящено знакомству с пространственным анализом на основе векторных данных. Векторная модель представляет объекты в виде отдельных геометрических фигур с набором атрибутов. Она является объектно-ориентированной и удобна для анализа формы, размеров объектов, их взаимной конфигурации в пространстве. Один из широко используемых методов анализа на основе векторных данных — оверлей.

При оверлее происходит наложение двух или более слоёв, в результате чего образуется их геометрическая (пространственная) композиция. Полученные участки наследуют атрибуты от каждого слоя. Операция базируется на стандартных отношениях множеств: пересечении, объединении и симметрической разности.

С помощью оверлея можно, например, установить, как соотносятся площади объектов разных типов в пределах ячеек регулярной сетки. Это важно при моделировании локальных климатических зон или анализе экологической ситуации.

2. Визуальный анализ векторных слоёв

В первую очередь при анализе данных следует провести их визуальную оценку — она может натолкнуть на отыскание закономерностей во взаимном расположении объектов.

1. Распакуйте архив с материалами упражнения в свою рабочую директорию. Создайте проект QGIS в папке с распакованными материалами.
2. Добавьте на карту слои Industrial, Hydro, Green, Buildings из базы данных LandCover.gpkg. Присвойте слоям разные цвета (ПКМ по названию слоя → Свойства → Стили):
   • Buildings — gray 2 fill;
   • Green — topo forest;
   • Hydro — topo water;
   • Industrial — simple brown fill.

Пример корректно оформленной карты:

3. Создайте регулярную сетку квадратов инструментом Вектор → Анализ → Создать сетку… (реже — Вектор → Исследование → Создать сетку…).

В окне параметров инструмента:

• выберите прямоугольный тип сетки;
• укажите вертикальный и горизонтальный шаг сетки — 1000 м;
• в качестве экстента (охвата) задайте существующий слой проекта Buildings.

Сохраните сетку в отдельный файл GeoPackage в вашей рабочей директории.

4. Измените стиль слоя сетки так, чтобы отображались только границы полигонов; толщина линии границы — 0,26 мм. Переместите слой наверх таблицы слоёв. В стилях слоя используйте outline black.

Затем выделите «Простая линия» в верхнем меню и настройте ширину линии:

Результат должен выглядеть аналогично рисунку ниже:

2.1. Расчёт площадей ячеек

Для расчёта доли площади каждого типа объекта в пределах ячейки необходимо знать площадь самой ячейки. Для этого:

1. Выделите слой регулярной сетки в таблице слоёв QGIS.
2. Откройте таблицу атрибутов выбранного слоя (ПКМ по названию слоя → «Открыть таблицу атрибутов»).
3. Нажмите кнопку Калькулятор полей — она расположена на панели инструментов таблицы, в верхней части окна.

4. В интерфейсе калькулятора укажите, что создаёте новое поле.
5. Введите имя поля — CellArea — и выберите подходящий тип поля (числовой, с плавающей точкой).
6. В поле выражения введите функцию $area и выполните расчёт.

7. При использовании калькулятора полей автоматически включается режим редактирования.
8. После расчёта сохраните изменения и выключите режим редактирования.

3. Оверлей векторных наборов данных

Чтобы рассчитать площади каждого типа объекта в пределах ячеек регулярной сетки, выполните операцию пересечения слоёв:

1. Откройте инструмент Вектор → Геообработка → Пересечение.
2. В поле Входной слой (Input layer) выберите регулярную сетку.
3. В поле Пересекающий слой (Overlay layer) укажите слой растительности (Green).
4. Результат сохраните во временный слой.

Результирующий слой будет называться «Пересечение» или «Intersect». Переименуйте его так, чтобы было ясно, какие данные пересекались (например, grid_green_intersect). Изучите, чем полученный слой отличается от исходных по геометрии и атрибутам. Повторите операцию для остальных трёх слоёв (Buildings, Hydro, Industrial).

Для вычисления общей площади в пределах ячейки нужно объединить все попадающие в неё объекты в единый полигон — операцией объединения по признаку (Dissolve). Она объединяет все геометрии с совпадающими значениями одного или нескольких атрибутов. После оверлея у каждого объекта растительности появился уникальный идентификатор ячейки регулярной сетки (id) — именно его следует использовать как признак объединения.

5. Запустите инструмент Вектор → Геообработка → Объединение по признаку…

В параметрах инструмента укажите:

• Исходный слой — результат пересечения сетки и растительности;
• Поле классификации — столбец таблицы атрибутов, по которому выполняется объединение (в данном случае id).

Результат сохраните в тот же файл GeoPackage, где хранится регулярная сетка, и задайте имя новой таблицы green_intersect_dissolve.

Результирующий временный слой будет называться «Объединённый слой» или «Dissolved». Переименуйте его по типу объектов (например, Green_dissolved).

6. Повторите операцию объединения по признаку для оставшихся трёх слоёв. Подсказка: не закрывайте окно инструмента — достаточно изменить параметры входных данных и нажать «Выполнить».

После получения всех объединённых слоёв рассчитайте площади объектов калькулятором полей. Для каждого набора данных используйте осмысленные имена полей, отличающиеся друг от друга: green_area, buildings_area, hydro_area, industrial_area. Пример для green_area:

4. Тренажёр: оверлей вживую

Как именно «Пересечение» + «Dissolve» + калькулятор полей дают долю покрытий в ячейке? Модель ниже повторяет весь конвейер на игрушечном городе: сетка 4 × 4 км наложена на четыре типа покрытий. Щёлкните по любой ячейке — тренажёр честно вычислит пересечение каждого полигона с ячейкой, сложит площади фрагментов (это и есть Dissolve по id ячейки) и построит круговую диаграмму долей, включая непокрытую площадь other_area.

5. Соединение таблиц по ключевому полю

На данном этапе у вас должны быть четыре слоя с известными площадями объектов в пределах ячеек, а также слой ячеек с рассчитанной площадью. Для дальнейшего анализа необходимо соединить атрибутивные таблицы всех этих слоёв.

Соединение таблиц (table join) — операция, при которой к одной таблице временно добавляются столбцы из другой. Чтобы установить соответствие между строками целевой и присоединяемой таблиц, в каждой из них должны быть поля с одинаковыми значениями — ключевые поля: числовой идентификатор объекта (как в нашем случае) или короткий текстовый код (например, трёхбуквенный код административной единицы по ISO).

Во время соединения QGIS сопоставляет значения в этих полях. Если найдено совпадение, строка из присоединяемой таблицы добавляется к атрибутам соответствующего объекта целевой таблицы. Если совпадения нет, столбцы всё равно создаются, но значения остаются пустыми (NULL).

Соединение в QGIS реализовано по схеме M:1: одна строка присоединяемой таблицы может быть добавлена к нескольким строкам целевой, а вот к одной строке целевой таблицы может быть присоединена только одна строка из другой. Ключевое поле присоединяемой таблицы называется первичным ключом, целевой — внешним ключом; для первичного действует требование уникальности значений, для внешнего — нет.

С помощью настроек, показанных на скриншоте, выполняются действия:

• Связанный слой — таблица, атрибуты которой присоединяются к выбранному слою;
• Связываемое поле — поле из таблицы со значениями, по которым выполняется соединение;
• Целевое поле — поле из слоя с соответствующими значениями для установления связи;
• Редактируемый связанный слой и Изменения или вставка при редактировании позволяют при изменении данных в таблице автоматически обновлять значения в связанном слое — удобно, чтобы проверить, для скольких объектов данные успешно привязаны;
• Присоединённые поля — список колонок, добавляемых из таблицы к слою;
• Пользовательский префикс имени поля — текст, добавляемый к названию присоединённого поля; если удалить префикс, новые колонки появятся с исходными именами.

5.1. Практика соединения таблиц

1. Откройте свойства слоя регулярной сетки и перейдите на вкладку Связи (Joins).
2. Чтобы добавить новое соединение, нажмите кнопку «+» внизу окна. В появившемся диалоге укажите: слой для соединения (таблицу с площадями) и ключевые поля с общими значениями — в нашем случае поле id.
3. Отметьте флажок Присоединённые поля (Joined fields) и выберите только нужные столбцы — нас интересует поле с площадью объектов. Дополнительно можно активировать «Пользовательский префикс имени поля» и очистить форму, чтобы имена присоединённых полей сохранились без приставок.

6. Расчёт площадей, не покрытых объектами

Четыре типа объектов охватывают не всю территорию: существуют и другие категории землепользования, не рассматриваемые в этом задании. Для корректного анализа и визуализации необходимо рассчитать оставшуюся площадь каждой ячейки — вычесть из площади ячейки площади всех типов объектов.

Проще всего сделать это калькулятором полей, однако возникает проблема: в таблице атрибутов встречаются пустые значения (NULL) в полях площадей — они означают отсутствие объектов соответствующего типа в ячейке. Вычисления с NULL дадут некорректный результат, поэтому сначала NULL заменяется на 0.

1. Сохраните слой регулярной сетки с присоединёнными полями как новый набор объектов (GeoPackage): ПКМ по слою → соответствующий пункт контекстного меню. Это позволит не изменять исходные данные.
2. Запустите калькулятор полей для вновь сохранённого слоя.
3. Выберите опцию обновить существующее поле и укажите одно из полей площадей (например, buildings_area).
4. В левой панели калькулятора раскройте раздел «Условные» и найдите функцию if; изучите краткую справку к ней.
5. Составьте выражение, заменяющее пустые значения нулями:

if("buildings_area" IS NULL, 0, "buildings_area")

Функция if проверяет, является ли значение поля NULL: если да — возвращает 0, иначе оставляет исходное значение.

6. Проделайте аналогичную последовательность действий для остальных трёх типов объектов — замените NULL на 0 в соответствующих полях площадей.

После этого используйте калькулятор полей, чтобы рассчитать площадь ячейки, не покрытую ни одним из типов объектов. Создайте новое поле other_area с выражением:

"CellArea" - ("buildings_area" + "green_area" + "hydro_area" + "industrial_area")

Выражение вычисляет остаток площади в пределах каждой ячейки, вычитая из общей площади ячейки (CellArea) площади всех типов покрытий. Результат отражает непокрытую площадь — часть территории, не относящуюся ни к одному из четырёх классов объектов.

7. Выключите режим редактирования.

Пример таблицы атрибутов после редактирования:

7. Способ локализованных значков

Локализованные значки — особый способ картографического изображения, применяемый для обозначения местоположения объектов, не выражающихся в масштабе карты или занимающих площадь меньшую, чем сам картографический знак. Такие значки используются для показа явлений, локализованных в конкретных пунктах.

На топографических картах с их помощью обозначают местные предметы: указатели дорог, радиомачты, отдельно стоящие деревья и другие ориентиры. На тематических и общегеографических картах мелкого масштаба значки могут не только указывать местоположение, но и характеризовать величину, значение или динамику объектов: значок населённого пункта может передавать тип поселения (город, посёлок городского типа, сельское поселение), его численность или административное значение. Значки широко применяются также для отображения промышленных и сельскохозяйственных предприятий, месторождений полезных ископаемых и других объектов.

По форме значки подразделяются на абстрактные, буквенные и наглядные. Среди абстрактных наиболее распространены геометрические фигуры — круги, квадраты, треугольники, прямоугольники, ромбы. Такие значки просты в исполнении, хорошо различаются по легенде, занимают немного места, точно указывают положение объекта и легко сопоставимы по размеру. Хотя количество элементарных геометрических фигур ограничено, их разнообразие можно увеличить разными цветами и вариациями внутреннего рисунка.

Буквенные значки — одна или две начальные буквы названия изображаемого явления, например Р и Fe для месторождений фосфора и железа. Их применение сравнительно ограничено: они делают карту излишне пёстрой, не указывают точное положение объектов и плохо сопоставимы по размеру, особенно при буквах разной ширины и плотности штриха (например, I и W). Обычно буквенные значки применяются, когда требуется чётко выделить определённую категорию объектов — например, месторождения среди промышленных пунктов, отображаемых геометрическими символами. Сравнение и локализация упрощаются, если буквы вписаны в геометрическую фигуру (например, квадрат) — сочетаются преимущества обоих типов значков.

Наглядные значки напоминают изображаемые объекты. Различают символические, форма которых вызывает ассоциацию с объектом (маска для театра на плане города), и натуралистические, передающие облик объекта прямо (изображение трактора для тракторных заводов).

Такие значки менее удобны для сравнения и локализации объектов, однако встречаются на массовых картах-плакатах, где должны бросаться в глаза, быть доходчивыми и восприниматься с большого расстояния.

Передача количественных соотношений размером значков может осуществляться на разных основаниях. Нередко площадь значка принимают строго пропорциональной величине объекта (например, числу рабочих при картографировании предприятий) — тогда линейный размер значка пропорционален квадратному корню из показателя. Шкалы строятся различно: при равноделенном основании горизонтальной шкалы величин по вертикалям откладывают линейные размеры значков, пропорциональные корню квадратному из соответствующих величин, соединяют их плавной кривой и вписывают значки.

Соизмеримость («масштабность») значков, точно пропорциональная величине объектов, называется абсолютной. Она наглядна, но неудобна, когда крайние величины сильно различаются (население больших, средних и малых городов): приходится либо принимать чрезмерно большие значки для крупных объектов, либо микроскопические для малых. И то и другое нежелательно. Поэтому при значительных различиях либо прибегают к рисункам объёмных фигур в перспективе (шары с диаметром, пропорциональным кубическому корню из показателя), либо используют условную соизмеримость в порядке убывающей прогрессии или произвольную, отражающую лишь общую тенденцию изменения величин. Объёмные фигуры употребляются редко: как показывает опыт, даже зрительное сопоставление площадных знаков приводит к недооценке действительной величины крупных знаков, а при объёмных недооценка проявляется ещё сильнее.

Как при абсолютной, так и при условной соизмеримости шкала значков может быть непрерывной либо ступенчатой, т. е. разбитой на интервалы. При непрерывной шкале размер знаков изменяется непрерывно вслед за изменением величины объекта; при ступенчатой размер, постоянный в пределах каждого интервала и определяемый по среднему значению интервала, возрастает скачком при переходе к следующей ступени. Ступенчатые шкалы предпочтительны при изображении и группировке объектов по разрядам (классам) величин.

Принципы построения ступенчатых шкал. Удобство запоминания и пользования шкалой, а также лёгкость распознавания значков выдвигают два условия, общие для любых шкал: во-первых, разграничение ступеней круглыми числами; во-вторых, сокращение числа ступеней до 5–7, максимум до 10–12. Эти требования не предопределяют величины интервалов — их устанавливают, руководствуясь особенностями картографируемого явления и назначением карты.

Простейший приём — выбор равных интервалов, т. е. построение шкалы по принципу арифметической прогрессии: a, a+b, a+2b, a+3b и т. д. Он пригоден для характеристики однокачественных величин, изменяющихся в относительно ограниченных пределах. Когда же пределы широки и для малых величин существенны небольшие изменения, мало влияющие на крупные величины, предпочтительна шкала с кратными интервалами по принципу геометрической прогрессии: a, ak, ak², ak³. Числовая интерпретация такой шкалы — например: менее 100; от 100 до 1 000; от 1 000 до 10 000; от 10 000 до 100 000; от 100 000 до 1 000 000; свыше 1 000 000 — дифференцирует и малые, и крупные величины при ограниченном числе ступеней.

При разработке шкал учитывают также качественные различия картографируемых явлений (для населённых пунктов — подразделение на городские и сельские) и их особенности на конкретной территории (крайние значения величин, распределение объектов по ступеням шкалы). Ступенчатая шкала не так определённа, как непрерывная, но легче воспринимается и позволяет обойтись без циркуля, линейки и арифметических подсчётов: принадлежность значка к ступени устанавливается на глаз. Основание шкалы значков (число единиц на 1 мм² площади значка) выбирается так, чтобы обеспечить читаемость малых значков и не перегрузить карту крупными.

Значки как внемасштабные изображения (размер которых может передавать непространственные характеристики) не выражают площадь, занимаемую объектами на карте, но позволяют определять их положение — для правильных геометрических значков оно обычно совпадает с центром. В этом случае даже перекрывающиеся значки не вызывают сомнений в действительном размещении объектов.

Различные виды суммарных (структурных) значков: каждый значок изображает пункт с предприятиями трёх отраслей промышленности — 1 текстильной (10 %), 2 пищевой (30 %), 3 машиностроительной (60 %):

8. Визуализация долей покрытий локализованными значками

Для отображения соотношения площадей различных типов землепользования в пределах ячеек регулярной сетки удобно использовать круговые диаграммы. Такой способ визуализации наглядно представляет структуру покрытия каждой ячейки, сохраняя её пространственное положение.

1. Настройка диаграмм. Щёлкните ПКМ по слою с сеткой и выберите «Свойства»; в открывшемся окне перейдите на вкладку Диаграммы.

2. Выбор типа диаграммы. В разделе «Тип диаграммы» установите Круговая диаграмма — она лучше всего подходит для долей категориальных данных.
3. Настройка размера. В поле «Размер» установите фиксированное значение 3 мм — это обеспечит читаемость диаграмм и позволит избежать их перекрытия.
4. Выбор атрибутов. В блоке «Атрибуты» отметьте поля площадей:
   • buildings_area — застроенные территории;
   • green_area — зелёные насаждения;
   • hydro_area — водные объекты;
   • industrial_area — промышленные зоны;
   • other_area — прочие типы территорий.
   Каждому типу покрытия назначьте собственный цвет.
5. Проверка отображения. После применения настроек на карте появятся диаграммы структуры покрытий в каждой ячейке:

6. Оформление карты. Откройте компоновщик макета:
   • добавьте два элемента «Карта» — один для основной части Москвы, второй для Зеленограда;
   • разместите их так, чтобы оба фрагмента были читаемы и сопоставимы;
   • добавьте легенду, масштабную линейку и при необходимости заголовок карты.

В результате получится наглядная тематическая карта, где каждая ячейка регулярной сетки отображает структуру землепользования круговой диаграммой, а карта в целом отражает пространственное распределение разных типов покрытий.

Контрольные вопросы

• Что такое оверлейный анализ и на каких отношениях множеств он основан?
  Оверлей — наложение двух и более слоёв пространственных данных с образованием их геометрической композиции; полученные участки наследуют атрибуты от каждого слоя. Основан на отношениях множеств: пересечении, объединении и симметрической разности.
• Зачем после «Пересечения» выполняется Dissolve и по какому полю?
  После пересечения внутри одной ячейки сетки остаётся несколько фрагментов покрытия, а для анализа нужна суммарная площадь. Dissolve (объединение по признаку) сливает все фрагменты с одинаковым идентификатором ячейки (поле id, унаследованное от сетки при оверлее) в один полигон.
• Как в калькуляторе полей QGIS вычислить площадь объекта и что означает знак $?
  Функцией $area: area() — системная функция площади, а знак $ указывает, что она применяется к текущему объекту. Результат — в единицах системы координат данных (для прямоугольных систем обычно метры).
• Почему NULL в полях площадей ломает вычисления и как правильно проверить поле на NULL?
  NULL означает отсутствие объектов типа в ячейке; арифметика с NULL даёт некорректный (пустой) результат, поэтому NULL заменяют нулём: if("поле" IS NULL, 0, "поле"). Проверять нужно оператором IS — выражение "поле" = NULL в QGIS корректный результат не возвращает.
• Опишите схему соединения таблиц в QGIS. Где первичный ключ, а где внешний?
  Соединение M:1: одна строка присоединяемой таблицы может достаться нескольким строкам целевой, но не наоборот. Ключевое поле присоединяемой таблицы — первичный ключ (требуется уникальность), поле целевого слоя — внешний ключ (уникальность не требуется). При отсутствии совпадения присоединённые поля заполняются NULL.
• Назовите три вида значков по форме и их сильные и слабые стороны.
  Абстрактные (геометрические) — просты, точно локализуют, сопоставимы по размеру; буквенные — выделяют категорию, но пестрят, плохо локализуются и сравниваются; наглядные (символические и натуралистические) — доходчивы на картах-плакатах, но неудобны для сравнения и точной локализации.
• Чем непрерывная шкала значков отличается от ступенчатой и какие два требования предъявляются к любой шкале?
  В непрерывной шкале размер значка меняется непрерывно вслед за величиной объекта; в ступенчатой размер постоянен внутри интервала и растёт скачком. Общие требования: границы ступеней — круглые числа; число ступеней — 5–7, максимум 10–12. При широких пределах величин применяется шкала геометрической прогрессии.
• Почему для структуры землепользования в ячейках выбраны круговые диаграммы и какие поля в них входят?
  Круговая диаграмма показывает доли категориальных данных, сохраняя пространственное положение ячейки. Атрибуты: buildings_area, green_area, hydro_area, industrial_area и other_area (непокрытая площадь) — каждому назначается свой цвет; фиксированный размер 3 мм предотвращает перекрытия.

Источники

1. Энтин, А. Л. Основы геоинформатики: практикум в QGIS / А. Л. Энтин, Т. Е. Самсонов, А. А. Карпачевский. — М. : МГУ, 2020. — URL: https://aentin.github.io/qgis-course/ (дата обращения: 18.08.2026).
2. Салищев, К. А. Картоведение : учебник / К. А. Салищев. — 3-е изд. — М. : Изд-во МГУ, 1990. — 400 с.
3. QGIS Documentation. Vector geoprocessing tools : [сайт]. — URL: https://docs.qgis.org/3.34/ru/docs/user_manual/processing_algs/qgis/vectoroverlay.html (дата обращения: 18.08.2026).