Printsipi_GIS_A5_Shipulin

просторового аналізу. В принципі немає жодних обмежень на складність просторових аналітичних методів, які, можливо, знайшли застосування в світі, і можуть бути використані для стимулювання цікавих ідей і підтримки практичних дій і рішень. Насправді, деякі методи можуть бути простішими, кориснішими і глибшими, ніж інші.

Просторовий аналіз існує на стику між людиною і комп'ютером. Обоє в нім грають важливу роль – з одного боку, дорога людської інтуїції зі всією його розпливчатістю і неформальною, і з іншого боку, дорога формального, точного просторового аналізу світу.

5.1.2 Завдання геопросторового аналізу

Перевага геоінформаційної методології полягає в тому, що ГІС дозволяє ідентифікувати, підтримувати і управляти просторовими зв'язками між топологічними об'єктами, що представляють об'єкти реального світу, створювати нові об'єкти, зв'язки, зв'язувати нові атрибути.

Енді Мітчелл у керівництві по ГІС– аналізу [51] визначає найбільш загальні завдання геопросторового аналізу, які щодня виконуються людьми на їх робочих місцях:

аналіз місця розташування об'єктів – пошук, де розміщуються об'єкти (Mapping where things are);

аналіз розподілу числових показників – виявлення, де більше, де менше (Mapping the most and least);

побудова карт щільності – картографування щільності (Mapping density);

пошук об'єктів усередині області – пошук того, що усередині

(Finding what's inside);

аналіз оточення – пошук того, що поруч (Finding what's nearby);

аналіз просторових змін – картографування змін (Mapping change)

Вирішення цих питань за допомогою власних засобів ГІС і залучених зовнішніх моделюючих систем дає, наприклад, можливість:

обгрунтувати місце розташування учбового закладу або бизнес– центра з врахуванням багатьох, в т.ч. і просторових чинників;

прогнозувати розвиток і наслідки соціологічних і економічних ситуацій, стихійних лих і аварій природного техногенного характеру в просторі й часі;

знайти оптимальну трасу трубопроводу або шляхопроводу, який проектується;

250

визначити місце оптимального розташування нового родовища, а також обчислити його економічну ефективність;

оцінити ефективність діяльності міліції, служб охорони довкілля, пожежників і т.п.;

5.1.3 Методологія геопросторового аналізу

Одним із засобів просторового аналізу є картографічне моделювання. Картографічне моделювання – це загальна, і в той же час чітка методологія, яка використовується багатьма застосуваннями ГІС явним способом. Цим терміном визначається те, що картографічне моделювання включає моделі геопросторової інформації, представлені в картографічній формі, тобто, як карти.

Картографічне моделювання використовується для одночасного аналізу просторових і тематичних характеристик геопросторової інформації. Тематичний компонент геопросторової інформації аналізується за допомогою статистичних операцій з даними (наприклад, набуття середнього значення і середнього квадратичного відхилення), а просторові характеристики геопросторової інформації виходять методами просторового аналізу.

Аналітичні методи можуть бути як дуже простими – при звичайному створенні карти, так і складнішими, включаючими моделі, які імітують реальний світ шляхом объединения багатьох шарів інформації.

У більшості випадків геопросторовий аналіз виконується в наступній послідовності [51, 52]:

Етап 1. Постановка проблеми

Формулювання проблеми завжди починається з визначення мети аналізу у вигляді питань, на які необхідно отримати відповіді, наприклад:

яка ступінь ризтку будівництва в позначеному місці заплави річки?

де сталося понад усе крадіжок із зломом минулого місяця?

скільки лісу зростає в межах кожного басейну водозбору? Специфіка проблеми найчастіше визначає і вибір типа аналізу, і

метод, найбільш ефективний в даному випадку, і спосіб інтерпретації результатів. Від характеру проблеми залежить також необхідна детальність рішення, яка у свою чергу визначає витрати на здобуття даних, придбання або оренду необхідних програмних засобів і

251

обчислювальних потужностей. Саме на цьому етапі формується відповідність між масштабом виниклої проблеми і засобами, необхідними для її вирішення.

Важливим чинником, який значною мірою визначає детальність дослідження і метод вирішення даної проблеми, є уявлення про призначення результатів аналізу. В одному випадку треба провести попередні дослідження, щоб оцінити правомірність вибраного методу або виділити значимі чинники, в іншому – надати результати в звіті на вченій пораді. У останньому випадку методи мають бути строгішими, а результати – більш обгрунтованими.

На цьому етапі визначаються також критерії, які визначають параметри використання бази геоданих для здобуття відповідей. Наприклад, земельна ділянка для будівництва повинна мати градієнт не більше 10 %.

Етап 2 .Оцінка вхідних даних

Тип даних і об'єктів, доступних для проведення даного дослідження, значною мірою визначає специфіку методу, який буде використаний, і досяжну точність результату. З іншого боку, щоб отримати якісну інформацію, потрібно забезпечити відповідний рівень вхідних даних.

Як правило, база геоданих вже існуватиме. Потрібно чітко представляти, яку інформацію ви маєте в своєму розпорядженні, і що ще потрібно отримати або створити. Створення нових даних, у свою чергу, може послужити причиною появи нових атрибутів в таблиці даних або навіть нових шарів карт. На цьому етапі може виникнути необхідність підготовки даних для просторових операцій, у тому числі, зміни даних, перетворення одиниць виміру і системи координат, додавання даних, конвертації даних з одного формату в іншій.

Оцінка вхідних даних – найважливіший етап аналітичного процесу. Саме в цей момент визначається принципова можливість реалізації вибраних методів аналізу і здобуття результату заявленої якості.

Етап 3. Вибір методу аналізу

Майже завжди є декілька шляхів отримання необхідної інформації. При виборі шляху слід спиратися на наступні положення.

По-перше, при виборі методу завжди виникає дилема: оперативність або точність аналізу. Оперативність аналізу виникає, коли потрібно швидко оцінити ситуацію в цілому й прийняти рішення. При цьому користуються простими, добре перевіреними методами, які

252

не потребують істотних витрат на здобуття детальної і всесторонньої вихідної інформації про стан об'єкта. Отриманий результат матиме невисоку точність і відображуватиме тільки загальні характеристики процесу, який вивчається. Точність аналізу потрібна для здобуття достовірної і повної вхідної інформації. Точність аналізу вимагає збільшення витрат часу і зусиль на обробку даних.

По-друге, метод аналізу визначається моделлю наявних даних. Векторні дані є найбільш зручними, коли необхідно зберігати точне місце розташування вхідного об'єкта, працювати з дискретними об'єктами, кордонами або моделювати лінійну мережу. Растрові дані доцільно використовувати для аналізу безперервних явищ. Триангуляційні дані доцільно використовувати для аналізу поверхонь. Сучасні ГІС дозволяють інтегрувати в процесі аналізу цих типів даних. У разі потреби перетворення можна конвертувати растрові дані у векторних і, навпаки, за допомогою вмонтованих функцій.

По-третє, залежно від вибраних моделей даних вибираються і засоби їх обробки. Сучасні ГІС мають велику кількість аналітичних засобів просторових і атрибутивних даних. Просторовий аналіз певного набору даних може включати операції, наприклад, витягання об'єктів, побудови буферних зон, накладення буферних зон на інші шари, роботу з об'єктами, що попали в буферні зони, і інші операції. Набор засобів аналізу визначається при інтерпретації критеріїв аналізу, виділених на етапі 1. Кожне твердження в постановці проблеми може транслюватися в ряд операцій аналізу.

Етап 4. Обробка даних

Як тільки вибраний метод, необхідно збудувати ланцюжок його реалізації засобами ГІС. Кожна просторова операція наводить до нової інформації. У більшості випадків аналізу потрібний набір операцій з множиною шарів. При роботі з векторними наборами даних вони виконуються ступінчастим чином – два вхідних шари використовуються для формування нового шару, цей проміжний шар обробляється спільно з третім шаром, щоб формувати інший проміжний шар, і так далі до досягнення бажаного результуючого шару карти. При роботі з растровими наборами даних є можливість одночасної обробки декількох шарів, алгоритм якої реалізується в растровому калькуляторі (Raster Calculator).

Наявність модуля побудовника моделей процесів (Model Builder) в АгсGIS 9.х дозволяє аналітику автоматизувати виконання алгоритму моделі без послуг програміста.

253

Рис. 5.1.1 - Приклад діаграми процесу аналізу в побудовнику моделей Моdelbuilder

Не зважаючи на досить великий перелік методів і підходів, які застосовуються в сучасному ГІС– аналізі й моделюванні, практично завжди з їх допомогою отримуємо відповіді на два головні питання:

1.Де розташовані об'єкти із заданими властивостями?

2.Чому досліджувані об'єкти розміщені саме в цьому місці і в даний час?

Етап 5. Оцінка і відображення результатів

У процесі оцінки результатів виконують інтерпретацію результатів, визначають об'єктивність і достатність отриманої інформації. Якщо необхідно, то приймається рішення про повторення аналізу з іншими параметрами, або уточнення аналізу, або вживання іншого методу. ГІС дозволяє порівняно легко і оперативно зробити необхідні зміни і отримати новий результат. Можна також оперативно порівняти результати різних аналізів і побачити, який з підходів виявився кращим.

Результати аналізу можуть бути представлені у вигляді карти, діаграми, значень в таблиці – фактично новій інформації. Необхідно вирішити, яку інформацію виносити на карту, як групувати значення для найкращого відображення даних.

Ця методологія використовує як векторні, так і растрові моделі реального земного простору.

5.1.4 Класифікації аналітичних засобів ГІС

Геоінформаційні системи містять багатий набір різноманітних аналітичних засобів для проведення операцій з географічними об'єктами. Існує ряд підходів для класифікації аналітичних засобів

254

ГІС. Відсутність єдиної їх класифікації породжує різні трактования і погляди на суть аналітичного процесу взагалі.

У ряді фундаментальних робіт [53], [54], [55] набула поширення класифікація базових аналітичних засобів на основі виконуваних функцій, запропонована Стеном Ароноффом (Stan Aronoff) [56]. Згідно цієї класифікації базові аналітичні засоби згруповані в чотири обширних категорії:

1.Функції вимірів, вибору даних, класифікації;

2.Оверлейні функції;

3.Функції околу;

4.Функції зв'язності.

Деякі функції, що не увійшли до цієї класифікації, є спеціальними функціями геопроцесінгу. Слід також мати на увазі, що в багатьох випадках процес аналізу виконується за допомогою використання набору як аналітичних, так і спеціальних операцій.

5.1.5 Контрольні питання і завдання для самостійної роботи

1)Наведіть визначення і загальні завдання геопросторового аналізу.

2)У якій послідовності виконують геопросторовий аналіз?

3)Яка класифікація базових аналітичних засобів набула поширення?

255

Розділ 5.2

ФУНКЦІЇ ВИМІРІВ

Функції вимірів (Measurement functions), як і вибору даних і класифікації, дозволяють аналізувати дані без виконання істотних змін. Вони часто використовуються на початку аналізу. Функції геометричних вимірів включають обчислення місця розташування, довжин ліній, відстаней між двома об'єктами і площі окремих об'єктів.

5.2.1 Виміри на векторних даних

Властивість "місце розташування" просторових об'єктів описується координатами, які завжди зберігаються в базі даних у вигляді списку координатних пар. У ГІС використовуються різні інструменти здобуття координат, у тому числі зовні простий засіб - курсором. Для деяких аналітичних завдання представляє інтерес визначення координат особливих точок.

Визначення координат точки пересічення двох прямих

Операція знаходження точки пересічення ліній є одній з базових в ГІС– аналізі, оскільки вона використовується у ряді операцій геопроцесінгу і в оверлейних операціях.

Початковим є рівняння прямої, відоме з аналітичної геометрії:

а) б)

Рис. 5.2.1 – Точка пересічення: а) усередині відрізків прямих; б) зовні відрізків прямих

256

Спільне вирішення цих двох рівнянь дозволяє знайти координати точки пересічення цих двох ліній:

У оверлейних операціях при визначенні приналежності точки полігону враховується спеціальний випадок, коли одна лінія паралельна вибраної оси, наприклад, осі ОХ. В цьому випадку до k = 0, а координати точки пересічення таких двох ліній будуть рівні:

Для визначення пересічення двох поліліній з n1 і n2 сегментами розроблено декілька способів.

Найпростішим способом знаходження їх точок пересічення є послідовна перевірка пересічення кожного сегменту першої лінії з кожним сегментом другої лінії. Складність цього алгоритму пропорційна добутку n1 * n2. Вона може бути зменшена, якщо заздалегідь перевіряти на пересічення екстенты (Extent - мінімальний обмежуючий прямокутник) сегментів і поліліній, подані на рис.5.2.2.

Рис. 5.2.2 - Екстенти сегментів і полілінії

Другий метод, використаний в ГІС ARCINFO, заснований на розбитті полілінії на секції, в яких лінія монотонно зростає або убуває по x і по у. Розбиття відбувається в точках локального мінімуму або максимуму по x або по у. Горизонтальна або вертикальна лінія пересікає таку секцію тільки в одній точці.

257

Визначення координат центроїдів і центрів

Терміни центри і центроїди мають різні значення і формули. Центри і центроїди полігонів виконують ряд важливих функцій в ГІС. Вони часто використовуються як "ідентифікаційні точки" полігонів. Для аналітичних цілей їх застосовують як об'єкти, які представляють полігони. Ефект заміщення точкою полігонів полягає в менших обсягах даних, а також в можливості виконувати деякі аналітичні операції. Доцільно використовувати центри полігонів, коли полігони невеликих розмірів однорідні або відносно компактні. У растрових ГІС представлення площадкових чарунок растру їх центрами розширює можливості геопросторового аналізу безперервних поверхонь.

Точковими об'єктами, які представляють полігон, можуть бути: 1) центр екстента - с1, 2) серединний центр – с2, 3) центроїд – с3 (рис.

5.2.3).

Рис. 5.2.3 - Точка заміщення полігонального об'єкта: 1 - центр екстента, 2 - серединний центр, 3 – центроїд

У деяких випадках центри і центроїди можуть знаходиться поза полігоном. ArcGIS включає функцію Features to Points, яка може створювати центри усередині полігону.

Центр экстента полігонального об'єкта обчислюють за

Серединний центр (Mean Centre) визначається серединною точкою або точкою симетрії геометричної фігури. Його місце розташування визначають середніми координами: