ГИС В ГЕОДЕЗИИ Конспект лекций. Конспект лекций по предмету гис в геодезии
 Скачать 1.37 Mb.
|
|
5. ГЕОПРОСТРАНСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ 5.1. Определение и задачи геопространственного анализа Геопространственный анализ – это процесс поиска пространственных закономерностей в распределении географических данных и взаимосвязей между объектами. Преимущество геоинформационной методологии состоит в том, что ГИС позволяет идентифицировать, поддерживать и управлять пространственными связями между топологическими объектами, представляющими объекты реального мира, создавать новые объекты, связи, связывать новые атрибуты. Наиболее общие задачи геопространственного анализа следующие: a) анализ местоположения объектов – поиск, где размещаются объекты (Mapping where things are); Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко b) анализ распределения числовых показателей – выявление, где больше, где меньше (Mapping the most and least); c) построение карт плотности – картографирование плотности (Mapping density); d) поиск объектов внутри области – поиск того, что внутри (Finding what's inside); e) анализ оружения – поиск того, что рядом (Finding what's nearby); f) анализ пространственных изменений – картографирование изменений (Mapping change). 5.2. Классификация аналитических средств ГИС Базовые аналитические средства можно сгруппировать в 4 обширные категории: 1) функции измерений, выбора данных, классификации; 2) оверлейные функции; 3) функции окрестности; 4) функции связности. 5.3. Функции измерений Функции измерения (Measurement functions), как и выбора данных и классификации, позволяют анализировать данные без выполнения существенных изменений. Они часто используются в начале анализа. Функции геометрических измерений включают вычисления местоположения, длин линий, расстояний между двумя объектами и площади отдельных объектов. 5.3.1. Измерения на векторных данных Определение местоположения Свойство "местоположение" пространственных объектов описывается координатами, которые всегда хранятся в базе данных в виде списка координатных пар. В ГИС используются разные инструменты получения координат, в том числе внешне простейшее средство - курсором. Для некоторых аналитических задач представляет интерес определение координат особых точек. Например: определение координат точки пересечения двух прямых; определения координат центроидов и центров; Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко определение длин линий; определение площади полигона. 5.3.2. Измерения на растровых данных Измерения на растровых данных проще из–за регулярности ячейки. Размер площади ячейки постоянен, и определяется разрешающей способностью ячейки. Местоположение отдельной ячейки определяется точкой геопривязки растра, разрешением ячейки, номером колонки и номером ряда ячейки на растре. Точкой геопривязки растра может быть нижний левый или верхний левый угол растра; это условие учитывается программным продуктом. Расстояние между двумя ячейками растра есть функция местоположения их средних точек и разрешения ячеек. В растровой модели в ГИС определение длин вертикальных или горизонтальных линий проводится путем подсчета количества ячеек, по которым проходит линия, и умножением их на размер одной ячейки. Если линия ориентирована по диагоналям ячеек, то необходимо выполнить произведение количества ячеек на размер ячейки и на √2. Площадь выбранных объектов на растре вычисляется как произведение количества ячеек на площадь отдельной ячейки. 5.4. Функции выбора данных При исследовании пространственного набора данных, прежде всего можно выбрать определенные пространственные объекты, чтобы временно ограничить область исследования, используя функции выбора данных (Retrieval functions). Такие выделения могут быть сделаны на пространственном основании или на основании атрибутивных данных, связанных с пространственными объектами. Средством выбора данных являются запросы пространственного выбора (Spatial selection queries). Запросы пространственного выбора можно комбинировать или выполнять в некоторой последовательности для получения конечного результата. 5.4.1. Интерактивный пространственный выбор данных Интерактивный пространственный выбор данных (Interactive spatial selection) выполняется путем указания на объекте или вычерчивания пространственных объектов на дисплее. После этого выбранные пространственные объекты индицируются на карте. Интерактивно определенные объекты называются селектированными или выбранными Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко объектами. Затем ГИС выбирает пространственные объекты в активных слоях данных, которые накладываются на выбранные объекты. Пространственные данные связаны с атрибутивными данными. Выбор пространственных объектов посредством этих связей приводит к выбору записей в таблицах. И наоборот, выбор записей в таблицах приводит к выбору пространственных объектов. 5.4.2. Пространственный выбор по атрибутивным условиям Пространственные объекты могут быть выбраны путем формирования условий выбора на основе атрибутов пространственных объектов (Spatial selection by attribute conditions). Эти условия формулируются в форме запросов на языке структурированных запросов (Structured Query Language - SQL) (если данные находятся в реляционной базе данных) или на специфическом языке программного обеспечения (если данные находятся в ГИС непосредственно). Выражения запросов могут быть простыми и комбинированными. Для одного условия типа "где есть пространственные объекты с …?" создается простое выражение, которое содержит последовательно название атрибута, оператор вычисления – арифметический ( +, –, *, / ) или сравнения (=, <>, >, >=, <, <=, Like), значение атрибута. Например, условие "где есть земельные участки с площадью меньшей 0,05 га." трансформируется в выражение запроса: "площадь" < 0,05 Когда для выбора используется более одного критерия, создается составное выражение, которое содержит названия атрибутов, операторы вычислений, значения атрибутов и логические операторы (And, Or, Not). Например, запрос "где есть земельные участки с площадью менее 0,05 га. и тип использования земель жилая застройка" содержит два выражения с логическим оператором: "площадь" < 0,05 And "тип" = 'жилая застройка' 5.4.3. Пространственный выбор на основании топологических отношений Пространственный выбор на основании топологических отношений (Spatial selection using topological relationships) может выполняться определенным оператором. Выбор пространственных объектов зависит от их местоположения относительно других пространственных объектов. Наиболее общими являются следующие типы запросов: Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Выбор пространственных объектов, которые находятся внутри объектов (Selecting features that are inside selection objects). Этот тип запроса использует отношение включения (containment) между пространственными объектами. Очевидно, что полигоны могут включать полигоны, линии и точки, а линии могут включать линии и точки; другие включения невозможны. Выбор пространственных объектов, которые пересекают (Selecting features that intersect). Необходимый для выбора оператор будет выделять пространственный объект, который геометрически использует совместно общую часть объекта–источника. Выбор пространственных объектов, смежных с выбранными объектами (Selecting features adjacent to selection objects). Смежность есть отношение встречи, которое выражает то, что пространственные объекты совместно используют границы. Оно применяется только для линейных или полигональных объектов. Выбор пространственных объектов по их удалению (Selecting features based on their distance). В качестве средства выбора пространственных объектов этот тип запроса использует функцию расстояния. Такой выбор может быть поиском внутри определенного расстояния от заданных объектов, или на заданном расстоянии, или больше заданного расстояния. 5.5. Функции классификации 5.5.1. Цели классификации по атрибутам Эффективным инструментом пространственного анализа в ГИС являются функции автоматизированной классификации объектов по значениям их атрибутов (Classification functions). Функции классификации по атрибутам – это техника целенаправленного извлечения деталей из множества начальных данных с целью выявления закономерностей в пространственном распределении объектов и их визуализации. Классификации по атрибутам могут быть: простыми, созданными на основе одного критерия (тип ландшафта); сложными, созданными на основе многих критериев одного покрытия (высота, количество осадков, экологические показатели и т.п.); комбинированными, созданными на основе многих параметров разных покрытий. Набор начальных данных может быть результатом некоторой классификации; в таком случае говорят о повторной классификации Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко (Reclassification). В процессе классификации входное множество значений атрибутов может быть оставлено неповрежденным. В классификации векторных данных могут быть два возможных результата. 1) Входные объекты могут стать выходными объектами в новом слое данных с дополнительно назначенной категорией. Другими словами, пространственная протяженность оригинальных пространственных объектов не изменилась. 2) Выходные объекты получены в результате объединения соседних пространственных объектов с близкими значениями атрибутов. Такая постобрабатывающая функция называется пространственным слиянием, агрегированием или растворением. 5.5.2. Методы автоматизированной классификации по атрибутам При автоматизированной классификации (Automatic classification) по атрибутам пользователь определяет атрибут классификации, метод классификации и число классов. Выбор метода классификации опирается на оценку распределения данных посредством гистограммы. На горизонтальную ось гистограм выносятся значения, а на вертикальную – частота их появления в пределах данной выборки. Для автоматизированной классификации по атрибутам ArcMap предоставляет возможность использовать один из шести стандартных методов классификации: Равный интервал: метод равных интервалов (Equal interval) основан на следующем принципе классификации: каждый класс имеет равный диапазон значений. Разность между максимальным и минимальным значением одинакова для каждого класса. Программа вычитает минимальное значение в наборе данных из максимального значения. Полученное значение делит на заданное число классов. Затем получает предельное значение для первого класса путем прибавления результата деления к самому меньшему значению выборки. Таким же образом устанавливаются интервалы для остальной части классов. Равные интервалы более просты для понимания, так как диапазон для каждого класса одинаков. Заданный интервал: метод заданных интервалов (Defined interval) позволяет пользователю определить интервал, на который будет разделен весь диапазон значений атрибута. В отличие от схемы равных интервалов, где пользователь определяет количество интервалов, здесь необходимо указать значения Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко интервалов. ГИС автоматически определяет количество классов на основании этого интервала. Квантиль: метод квантиль (Quantile) создает равное число объектов в каждом классе. ГИС упорядочивает объекты по принципу изменения их атрибута в интервале от максимального до минимального значения и суммирует их количество. Затем делит общее количество объектов на число классов, которые задал пользователь. После этого присваивает первым по порядку объектам значения самого низкого класса, пока этот класс не будет заполнен, затем перемещается к следующему классу, заполняет его и так далее. Естественная разбивка: метод естественной разбивки (Natural breaks) основан на следующем принципе классификации: границы классов определяются там, где имеется резкий перепад между группами значений. По Jenks ГИС автоматически определяет максимальное и минимальное значение для каждого класса, используя математическую процедуру, которая анализирует резкие изменения в данных. Данная процедура выбирает интервалы, которые лучше всего группируют близкие значения, и максимизирует различия между классами. Геометрический интервал: метод геометрического интервала (Geometrical interval) основывается на интервалах классов, которые имеют геометрическую серию. Геометрическая серия - это последовательность значений, где каждое последующее значение получается умножением предыдущего значения на геометрический коэффициент. Алгоритм создает эти геометрические интервалы, минимизируя сумму квадратов элементов на класс. Это гарантирует, что диапазон каждого класса имеет приблизительно одно количество значений в каждом классе и что изменения между интервалами довольно последовательные. Стандартное отклонение: метод стандартного отклонения (Standard deviation) основан на следующем принципе классификации: каждый класс определен величиной отклонения от среднего по выборке. ГИС сначала находит среднее по выборке, разделив сумму всех значений на общее число объектов. После этого вычисляется среднеквадратическое отклонение путем вычитания среднего из каждого значения и возведения разности в квадрат. Полученные значения суммируются и делятся на число объектов. Из полученного выражения извлекается корень. 5.6. Оверлейные функции 5.6.1. Определение и общая характеристика оверлейных функций Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко Оверлей (Overlay) – это совместная обработка наложения двух или более исходных слоев одной географической области, в результате которой создается производный слой с новыми географическими данными как комбинация топологических сегментов исходных географических данных. Оверлей – это мощное средство анализа множества разноименных и разнотипных пространственных объектов. Существует два основных пути выполнения оверлейных операций – на векторных моделях и на растровых моделях географических объектов. Геоинформационные системы предоставляют возможность использовать также комбинированный путь. Выбор метода зависит прежде всего от целей анализа, от того, какие данные уже существуют, от требуемой точности анализа, от сложности операций. Оверлейные операции могут приводить к отличающимся результатам. Каждый путь оверлейного анализа имеет свою специфику. В системе, основанной на векторных моделях, топологические оверлейные операции являются более сложными, чем в системе, основанной на растровых моделях. Так как пространственные данные хранятся как точки, линии и/или полигоны, они требуют относительно сложных геометрических операций, чтобы вывести пересечение полигонов и создать новые узлы и дуги с объединенными значениями атрибутов. Элементами оверлейных операций являются входной слой, оверлейный слой, выходной слой (Рис. 5.1). Наложение пространственных объектов входных слоев позволяет разделять их на топологические сегменты и комбинировать из этих сегментов новые объекты в зависимости от цели анализа. Рисунок 5.1 Топологическое наложение векторных слоев Новые полигоны создаются на пересечении полигонов входного и оверлейного слоев. Наложение линейного объекта на полигональный объект разделяет его на два новых полигональных объекта. Новые объекты хранятся в выходном слое; входной слой не изменяется. Атрибуты пространственных Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко объектов в оверлейном слое присваиваются соответствующим новым пространственным объектам вместе с атрибутами объектов входного слоя. Во многих случаях требуются манипуляции с более чем двумя слоями векторных данных для достижения цели анализа. Операции выполняются ступенчатым способом: два входных слоя обрабатываются, чтобы формировать производный слой; этот промежуточный слой затем обрабатывается с третьим слоем, чтобы формировать следующий промежуточный слой, и так далее до достижения желательного результирующего слоя карты. В системе, основанной на растровых моделях, топологические оверлейные операции являются более простыми, чем в системе, основанной на векторных моделях. Каждая ячейка растрового слоя связана с одним соответствующим географическим местоположением. Это делает ее удобной для комбинирования характеристик многих слоев в одном слое. Обычно каждой характеристике присваиваются многие значения, позволяя пользователю математически комбинировать слои и назначать новые значения каждой ячейке в выходном слое. 5.6.2. Булева алгебра в топологическом наложении Для реализации топологического наложения в ГИС используется алгебра логики. В алгебре логики истинностные значения высказываний принято обозначать числами 1 (истина – true) и 0 (ложь – false). Каждой логической операции соответствует функция, принимающая значения 1, 0. Такие функции называются функциями алгебры логики или булевыми функциями. Чтобы определить, является ли определенное состояние истинным или ложным, в пространственном анализе используются логические операторы Булевой алгебры, которые обозначаются AND (И), OR (ИЛИ), NOT (НЕ) в текстовом формате, и соответственно ∩, U, ¬ в символьном формате. Два входных слоя топологического наложения можно рассматривать как два набора данных – набор А и набор B. Для них определяются следующие базовые логические операции: логическая операция конъюнкция A ∩ B – определяет пересечение двух наборов данных, идентифицирующее те сущности, которые принадлежат и набору А и набору B (истинно А и В); логическая операция дизъюнкция A U B – определяет объединение двух наборов данных, идентифицирующее те сущности, которые принадлежат или набору А или набору B (истинно А или В); Конспект лекций по предмету «ГИС в геодезии». Составитель С.Г. Шнитко логическая операция отрицание А ¬ B – определяет разность двух наборов данных, идентифицирующая те объекты которые принадлежат А, но не B. (истинно не В). Эти соотношения можно визуализировать с помощью диаграмм Венна (рис. 5.2). |