6. Методы выполнения поисковых операций с данными гис. Язык запросов, анализ пространственных отношений.
Пространственный анализ
три направления:
1) Исследование изменений объектов в про-
странстве; 2) Изучение пространственно-временных за-
кономерностей; 3) Пространственный прогноз, который предлагает варианты развития ситуации.
пространственного анализа - это набор процедур и методов анализа данных объектов, локализованных в пространстве
Наиболее мощным отличием ГИС от прочих информационных систем является возможность пространственного анализа. Это наиболее важные функции ГИС, и от их эффективности напрямую зависит эффективность и полезность самих ГИС. Все множество базовых функций пространственного анализа можно представить в виде совокупности 8 подгрупп.
Определение геометрических характеристик геопространства (измерительные операции):
1) длина прямой между двумя заданными точками;
2) длина кривой между двумя заданными точками;
3) периметр полигона;
4) площадь полигона;
5) кратчайшее расстояние от заданной точки до полигона;
6) кратчайшее расстояние между полигонами.
Определение топологических характеристик геопространства пространственных отношений объектов):
1) пересечение;
2) примыкание;
3) содержание;
4) включение;
5) соседство.
Выполнение булевых операций над объектами:
1) объединение;
2) пересечение;
3) разность.
Построение буферных зон:
Буферная зона, как область, ограниченная эквидистантными линиями, может быть построена при постоянном значении влияния различных факторов (буферизация без взвешивания) либо, в зависимости от влияния какого-либо фактора (буферизация с взвешиванием), вокруг объектов разной пространственной локализации:
1) вокруг точечного объекта (объектов);
2) вокруг линейного объекта (объектов);
3) вокруг площадного объекта (объектов).
Оверлей - топологическое наложение слоев:
1) точки - на точки, на линии, на полигоны;
2) линии - на точки, на линии, на полигоны;
3) полигоны - на точки, на линии, на полигоны.
Анализ сетей:
1) поиск кратчайшего пути между двумя точками сети (по какому-то фактору - например, по расстоянию, по времени, по затраченным ресурсам);
2) выбор оптимального (по разным факторам) маршрута на множестве точек сети (задача коммивояжера);
3) распределение ресурсов и размещение центров сети;
4) поиск ближайшего соседа.
Для решения данных задач требуется сеть, представленная определенным образом. На примере задачи оптимизации движения транспорта сетью является карта дорог. Причем необходима информация о связности отдельных участков между собой. Одним из продуктов, решающий данную задачу, является Network Analyst американской фирмы ESRI.
Анализ поверхностей:
1) вычисление углов наклона, определение линий стока;
2) определение экспозиции склонов;
3) построение изолиний и генерация профилей заданных сечений;
4) интерполяция высот;
5) определение границ зон видимости/невидимости;
6) моделирование сети тальвегов и водоразделов;
7) вычисление объемов относительно заданной плоскости по модели рельефа;
8) оконтуривание водосборных бассейнов;
9) генерация трехмерных изображений;
10) совмещение трехмерных и двухмерных изображений.
Данный анализ требует трехмерной модели местности. Трехмерная модель местности может быть представлена векторными и (или) матричными данными. Трехмерная векторная модель это электронная карта, содержащая объекты местности с координатным описанием XYH или характеристикой АБСОЛЮТНАЯ ВЫСОТА. В ряде случаев также используются другие характеристики: ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЫСОТА, ГЛУБИНА и др. Векторная модель описывает рельеф местности отдельными объектами, чем выше плотность объектов, тем точнее модель местности. Информацию о высоте местности в такой модели можно получить в точке, принадлежащей любому объекту. Для получения информации в точках, расположенных между объектами (другими словами в любой точке местности) применяют матричные модели: GRID и TIN. Эти модели являются производными от векторных данных, их точность напрямую зависит от плотности объектов векторной карты и точность представления информации на ней. Матрица высот рельефа также может быть получена фотограмметрическими методами по стереопаре снимков.
Рис. Трехмерная модель местности.
Анализ пространственного распределения объектов:
1) расстановка;
2) порядок;
3) концентрация или рассредоточенность;
4) связность или бессвязность.
Функции пространственного анализа, реализованные в Arcview, можно сгруппировать следующим образом.
Комбинирование объектов
Объединяет выбранные объекты в один объект.
Если у выбранных полигонов есть общая граница, она убирается и создается один непрерывный полигон. Если выбранные полигоны накладываются, область перекрытия удаляется из объединенного полигона и получается “дыра”. Если выбранные полигоны не примыкают друг к другу или не перекрываются, в результате получается один объект, состоящий из многих частей. Когда объединяется набор объектов, то записи объединяемых объектов удаляются их таблицы атрибутов объектов, и в таблицу добавляется одна новая запись, представляющая новый объект.
Функция «Комбинировать графику» (Combine Graphics) может применяться только для полигональных объектов.
Чтобы объединить объекты.
1. Щелкните на теме шейп-файла в Таблице содержания, чтобы сделать ее активной, если она еще не активна.
2. Из меню Тема выберите Начать редактирование.
3. Используйте инструмент выбора Указатель для выбора объектов, которые вы хотите объединить.
4. Из меню Редактировать выберите Объединить Объекты.
Объединение объектов
Объединяет выбранные объекты в один объект.
Когда набор объектов объединяется с помощью опции Объединить объекты (Union Features), то записи этих объектов удаляются из атрибутивной таблицы, и в таблицу добавляется одна новая запись, представляющая новый объект.
Опция объединения объектов работает только с линейными и полигональными шейп-файлами.
Объединение линейных объектов.
Когда две линии сходятся в одной точке, то в результате объединения получается одна непрерывная линия. В противном случае в результате получается один объект, состоящий из нескольких частей. Если линейные объекты накладываются друг на друга, перекрывающийся участок не удаляется.
Объединение полигональных объектов.
Если выбранные полигоны имеют общую границу, то общая граница удаляется и создается один полигон. Если выбранные полигоны накладываются друг на друга, то границы перекрытия удаляются и создается один полигон. Если полигоны не примыкают друг к другу или не перекрываются, то в результате получается один полигон, состоящий из нескольких частей.
Чтобы объединить объекты
1 Щелкните на теме шейп-файла в Таблице содержания, чтобы сделать ее активной, если она еще не активна.
2 Из меню Тема (Theme) выберите опцию Начать редактирование (Start Editing).
3 Откройте диалоговое окно Свойства темы (Theme Properties) и выберите опцию Свойства редактирования (Editing Property). Установите параметры обновления атрибутов для объединения.
4 Используйте инструмент Указатель для выбора объектов, которые Вы хотите объединить.
5 Из меню Редактировать (Edit) выберите опцию Объединить объекты (Union Features).
Вычитание объектов
Вычитает один перекрывающийся объект из другого объекта. Верхний объект вычитается из объекта, расположенного внизу. Часть нижнего объекта, которая перекрывается верхним объектом, удаляется, а объект, расположенный сверху, остается без изменений.
Опция Вычитание объектов (Subtract Features) работает только с полигональными объектами.
Чтобы вычесть объекты
1 Щелкните на теме шейп-файла (shapefile) в Таблице содержания, чтобы сделать ее активной, если она еще на активна.
2 Из меню Тема (Theme) выберите опцию Начать редактирование (Start Editing).
3 Используйте инструмент Указатель для выбора двух перекрывающихся объектов, которые вы хотите вычесть.
4 Из меню Редактирование (Edit) выберите опцию Вычесть объекты (Subtract Features).
Примечание Если Вы хотите изменить порядок этого действия, т.е. вычесть объект, который находится снизу, из объекта, находящегося сверху, то держите, не отпуская клавишу SHIFT, когда выбираете опцию Вычесть объекты из меню Редактирование.
Пересечь объекты
Создает новый полигон из области, которая входит в выбранные перекрывающиеся полигоны. Когда пересекаются несколько объектов, записи для этих объектов удаляются из таблица атрибутов для объектов и в таблицу добавляется одна новая запись, представляющая новый объект.
Функция Пересечь объекты (Intersect Features) работает только с полигональными шейп-файлами.
Для Пересечения объектов
1 Щелкните на тему шейп-файла в Таблице содержания, чтобы сделать ее активной, если она еще не активная.
2 Из меню Тема выберите Начать Редактирование.
3 Используйте инструмент Указатель для выбора перекрывающихся объектов, которые Вы хотите пересечь.
4 Из Меню Редактировать выберите опцию Пересечь объекты.
Выборка темой
Выбор объектов в одной теме объектами другой темы способствует решению многих задач пространственного анализа. Вы можете ответить на вопросы, находится ли один объект внутри другого, содержит ли он полностью другой, или он находится не далее определенного расстояния от другого, и т.д.
Типы пространственной связи
ArcView предоставляет возможность выбирать объекты из одной или более тем, используя объекты из другой темы. ArcView обеспечивает несколько типов пространственной связи или оснований, чтобы обосновать выборку, которую Вы делаете в диалоговом окне Выборка темой. Эти связи ассоциируются с типом объекта в теме выбора. Доступные типы пространственной связи появляются в диалоговом окне Выборка темой и выражены следующим образом:
Находятся полностью внутри - выбирает объекты в целевых темах, если они попадают полностью внутрь одного или нескольких объектов в теме выбора.
Полностью содержат - выбирает объекты в целевых темах, которые полностью содержат один или несколько объектов в теме выбора.
Имеет своим центром - выбирает объекты в целевых темах, если их центр попадает внутрь объектов темы выбора.
Содержат центр - выбирает объекты в целевых темах, которые содержат центр одного или нескольких объектов в теме выбора
Имеют общими - выбирает пересекаемые объекты в целевых темах. Пересечение подразумевает, что есть по крайней мере одна общая точка для объектов и в теме выбора, и в целевой теме, либо один из них - полностью внутри другого. Если тема выборки и целевая тема - одно и то же, то опция Имеют общими выберет смежные объекты.
Отстоят от - выбирает объекты в целевых темах, которые находятся в пределах определенного расстояния от объектов темы выбора. Вы можете определить тип единиц измерения в диалоговом окне
Пространственное соединение
Если Вы соединяете две атрибутивных таблицы тем, используя их поле Shape как общее поле, ArcView автоматически основывает соединение на пространственной связи между объектами в двух темах. Эта операция называется пространственным соединением.
Чтобы выполнить пространственное соединение
1 Из окна Вида откройте таблицы атрибутов тем, которые Вы хотите соединить.
2 Сделайте исходную таблицу активной. Это таблица, которую Вы хотите соединить с другой таблице.
3 Щелкните на имени поля Shape.
4 Сделайте результирующую таблицу активной. Это таблица, для которой Вы хотите получить значения из исходной таблицы.
5 Щелкните на имени поля Shape.
6 Из меню Таблица выберите опцию Соединить или щелкните на кнопке Соединить . Исходная таблица соединяется с результирующей таблицей. Исходная таблица закрывается автоматически.
Язык запросов, главное средство взаимодействия с базой данных, – это основное необходимое условие существования СУБД. Популярным коммерческим языком запросов управления базами данных является SQL.
Отчасти он основан на формальном языке запросов, реляционной алгебре (РА), его отличают простота использования, интуитивность и универсальный характер.
Реляционная алгебра – это формальный язык запросов, связанный с реляционной моделью. Алгебройназывается математическая структура, состоящая из двух различных множеств (Ωa, Ωo). Ωa – множествооперандов, Ωo – множество операций. Алгебра должна удовлетворять большому количеству аксиом, однако решающее значение имеет то, что результат операции над операндом должен входить во множество Ωa. Простым примером алгебры является множество целых чисел. Операндами являются целые числа, операциями – сложение и умножение.
В РА существует только один тип операндов и шесть базовых операций. Операнд – это отношение (таблица), к операциям же относятся выборка (selection), проекция (project), объединение (union),векторное произведение (cross-product), разность (difference) и пересечение (intersection)
SQL – коммерческий язык запросов, изначально разработанный корпорацией IBM. С момента появления он приобрел статус стандартного языка запросов к реляционным СУБД. SQL является декларативным языком, другими словами, пользователь должен описать только ответ на запрос, не указывая процедуру получения этого ответа.
Язык SQL включает, по меньшей мере, два отдельных компонента: язык описания данных и язык модификации данных
Язык описания данных используется для создания, удаления или изменения структур описания таблиц базы данных, на языке модификации данных формулируются запросы, инициирующие вставку и удаление строк из таблиц
Варианты запросов
1. если значение, которое необходимо использовать в запросе не указано в списке значения, то его следует печатать с клавиатуры
2. строки символов (н-р имена собственные следует писать в ковычках). В строках символов можно использовать символ * для задания группового шаблона и ? для задания отдельного шаблона. Например, нужен регион, когда первая буква неизвестна пишем [Region] = «?алд*» и новая выборка. 3.Чтобы выбрать города с названием начинающимся с буквы л до я,то пишем [Name] > = «л» и новая выборка.
4.Сложные запросы можно сформировать комбинируя выражения с помощью логических операторов (and = и or = или)
([Площадь] > 0.00007 and ([Периметр] < 0.07.
5. Логический оператор not, используется для изменения значения логического выражения на противоположное. Н-р выбрать все города, периметр которых < 3, кроме Москвы. ([периметр]<3 and (not ([name] = «Москва»))
6. В запросах можно сравнивать значение 2-х полей, например найти все города с уменьшающейся численностью населения ([нас2000]>[нас2005] новая выборка.
7. в запрос можно включать вычисления. Пример найти все города с плотностью населения меньше или равным 25 человек на м2
[нас2005] / [площадь] <= 25
7.Картографическая проекции, их виды и назначение.
Картографическая проекция — это математически определенное отображение поверхности эллипсоида или шара (глобуса) на плоскость карты. Это способ перехода от шара к плоскости.
Классификация проекций по характеру искажений
Равновеликие проекции сохраняют площади без искажений. Такие проекции удобны для измерения площадей объектов, однако, в них значительно нарушены углы и формы, что особенно заметно для больших территории. Например, на карте мира приполярные области выглядят сильно сплющенными.
Равноугольные проекции (Меркатора) оставляют без искажений углы и формы контуров, показанных на карте. Элементарная окружность в таких проекциях всегда остается окружностью, но размеры ее сильно меняются. Такие проекции особенно удобны для определения направлений и прокладки маршрутов по заданному азимуту, поэтому их всегда используют на навигационных картах. Зато карты, составленные в равноугольных проекциях, имеют значительные искажения площадей.
Равнопромежуточные проекции — произвольные проекции, в которых масштаб длин по одному из главных направлений постоянен и обычно равен главному масштабу карты. Различают проекции равнопромежуточные по меридианам и по параллелям. В таких проекциях присутствуют искажения площадей и углов, но они как бы уравновешиваются
Произвольные проекции — это все остальные виды проекций, в которых в тех или иных произвольных соотношениях искажаются и площади, и углы (формы).
Классификация проекций по виду меридианов и параллелей
цилиндрические, когда вспомогательной поверхностью служит боковая
поверхность цилиндра, касательного к эллипсоиду или секущего эллипсоид;
Если ось цилиндра совпадает с осью вращения Земли, а его поверхность касается шара по экватору (или сечет его по параллелям), то проекция называется нормальной (прямой) цилиндрической.
Если ось цилиндра расположена в плоскости экватора, то это - поперечная цилиндрическая проекция.
В тех случаях, когда ось вспомогательного цилиндра расположена под углом к плоскости экватора, проекция называется косой цилиндрической.
Конические проекции — поверхность шара (эллипсоида) проектируется на поверхность касательного или секущего конуса, после чего она как бы разрезается по образующей и разворачивается в плоскость. Как и в предыдущем случае, различают нормальную (прямую) коническую проекцию, когда ось конуса совпадает с осью вращения Земли, поперечную коническую — ось конуса лежит в плоскости экватора и косую коническую — ось конуса наклонена к плоскости экватора
Азимутальные проекции — поверхность земного шара (эллипсоида) переносится на касательную или секущую плоскость. Бывают нормальная (полярная), поперечная (экваториальная) и косая азимутальные проекции.
По виду нормальной сетки различают также проекции:
Псевдоцилиндрические (у которых параллели – прямые, параллельные друг другу, а меридианы – кривые, симметричные относительно среднего прямолинейного меридиана);
Псевдоконические (где параллели – дуги концентрических окружностей, а меридианы – кривые, симметричные относительно среднего прямолинейного меридиана);
Поликонические (параллели которых – дуги эксцентрических окружностей с центрами на среднем прямолинейном меридиане, а меридианы – кривые, симметричные относительно среднего меридиана).
На выбор проекции для конкретной карты влият ряд факоров, в первую очередь назначение карты (требования потребителей) и географические особенности территории.
Для морских, навигационных карт применяют равноугольную цилиндрическую проекцию, носящую имя Меркатора, в которой линия, пересекающая меридианы на эллипсоиде под постоянным углом изображается прямой.
На картах для целей телекоммуникаций предпочитают косые стереографические проекции.
Для карт Мира преимущественно используют цилиндрические и псевдоцилиндрические проекции, имеющие сетки с прямолинейными и параллельными друг другу параллелями, что ценно при изучении явлений широтной зональности. Цилиндрические проекции сохраняют главный масштаб по параллели 30°. Псевдоцилиндрические проекции дают в высоких широтах меньшее искажение площадей, но увеличивают искажения углов.
Карты полушарий строят в азимутальных проекциях. В настоящее время для учебных карт предлагают произвольные азимутальные проекции, промежуточные по величине искажений.
Для карт отдельных материков применяют преимущественно равновеликую косую азимутальную проекцию Ламберта с точкой нулевых искажений в центре изображаемого материка. В азимутальной проекции искажения нарастают по мере удаления от центра проекции и потому достигают наибольшей величины в углах прямоугольной рамки карты
Карты России составляются главным образом в нормальных конических проекциях. Равнопромежуточная по меридианам коническая проекция Каврайского В.В. С параллелями сечения 47° и 62° с.ш., разработанная при условии, что сумма квадратов искажения длин в пределах материковой части – наименьшая (по площади не превышает 3%, а для углов - 2°)
В картографических проекциях могут присутствовать следующие виды искажений:
♦ искажения длин — вследствие этого масштаб карты непостоянен в разных точках и по разным направлениям, а длины линий и расстояния искажены;
♦ искажения площадей — масштаб площадей в разных точках карты различен, что является прямым следствием искажений длин и нарушает размеры объектов;
♦ искажения углов — углы между направлениями на карте искажены относительно тех же углов на местности;
♦ искажения форм — фигуры на карте деформированы и не подобны фигурам на местности, что прямо связано с искажениями углов.
В картографических проекциях могут присутствовать следующие виды искажений:
♦ искажения длин — вследствие этого масштаб карты непостоянен в разных точках и по разным направлениям, а длины линий и расстояния искажены;
♦ искажения площадей — масштаб площадей в разных точках карты различен, что является прямым следствием искажений длин и нарушает размеры объектов;
♦ искажения углов — углы между направлениями на карте искажены относительно тех же углов на местности;
♦ искажения форм — фигуры на карте деформированы и не подобны фигурам на местности, что прямо связано с искажениями углов.
8. Состав информационной базы ГИС: слои данных, шейп-файлы. Методы географической визуализации в ГИС. Цвет, размер символов, масштабирование,классификация.
Шейп-файл – формат ArcView предназначенный для хранения геометрии и атрибутивной информации географических объектов. Шейп-файлы могут быть созданы на основании существующих тем, либо путем создания пустого шейп-файла и последующего добавления в него объектов
Шейп-файл: типы пространственных объектов.
Наибольшее распространение имеют векторные форматы данных. Векторные данные лучше всего подходят для описания объектов с определенными формами и границами. Однородные географические объекты объединяются в однородные наборы данных или классы.
Классы простых пространственных объектов представляют объекты с помощью точек, линий и полигонов, но не содержат топологических связей. Преимущество такой структуры состоит в простоте и высокой скорости отображения. Все недостатки модели вытекают из отсутствия топологии. Кроме того, классы простых пространственных объектов не пригодны для описания отношений и сложного поведения объектов.
Тем не менее, простые пространственные объекты составляют значительную часть существующих географических данных, т.к. они легко создаются и достаточны для географических данных, образующих фоновые слои карт.
Простые пространственные объекты очень часто создаются и распространяются в форматах шейп-файла или чертежа САПР (Система автоматизированного проектирования).
Шейп-файлы удобны для картопостроения и некоторых видов анализа. Этот формат был разработан компанией ESRI в начале 1990-х годов, для того, чтобы удовлетворить потребность в использовании наборов данных с простыми пространственными объектами.
Шейп-файлы представляют собой нетопологическую векторную структуру данных. В каждом шейп-файле хранятся объекты только с одним видом геометрии: точки, многоточечные объекты, линии, полигоны.
Точечные формы – это просто объекты- отдельные точки, например скважины.
Мультиточка – это набор точек, составляющих один объект. Несмотря на то, что мы видим несколько графических элементов, программа будет воспринимать их как один объект, и в атрибутивной таблице ему будет соответствовать одна запись. Примером многоточечного объекта может быть группа маленьких островов или несколько отдельно стоящих деревьев.
Линейные формы могут быть простыми непрерывными линиями, как, например, линия разлома на карте. Они могут быть также составными: состоящими из связанных частей (разветвляющиеся полилинии, как, например, река). Или состоять из несвязанных частей. Составные полилинии, как и мультиточка, являются единым объектом.
Полигональные формы могут представлять собой простые области (простой полигон), например, территорию государства. Они могут состоять из нескольких частей (составные полигоны), например, несколько участков леса, разделенных полями. Полигональные формы могут пересекаться друг с другом, но в шейп-файле не содержится информация об этом. Примером налагающихся полигонов могут служить сферы обслуживания магазинов.
Составные полигоны (несвязанные или пересекающиеся) также являются единым объектом.