Підсистема даних у географічних інформаційних системах.

 

Одне з основних завдань, що виконує географічна інформаційна система, є проведення просторового аналізу. Для його здійснення потрібно спочатку земну поверхню подати у вигляді сукупності різних картографічних об’єктів, які будуть мати графічне та численне подання. Ці об’єкти будуть розрізнятися між собою розміром, формою, кольором, шкалою вимірювання та ступенем важливості. Їх численне подання може бути отримано за допомогою вимірів на земній поверхні інструментами, космічними супутниками, що знаходяться на відстані сотень кілометрів від земної поверхні, або створено людьми, що проводять перепис, або отримано з різних документів та карт, що були створені раніше. Таким чином ми бачимо, що для дослідження моделі оточуючого простору (тобто вирішення завдань просторового аналізу) необхідно збирати, організовувати і створювати картографічні об’єкти.

Необхідно пам’ятати, що природа інформації визначається не тільки тим, як ми її подаємо у базі даних геоінформаційної системи, але і як ефективно ми зможемо аналізувати та використовувати результати цього аналізу. Більш того, подання і корисність у великій мірі будуть залежати від можливості виділяти не тільки об’єкти, що нам важливі, а і ті, що можуть змінюватися в просторі та часі, поки ми їх спостерігаємо. В подальшому, ця інформація буде визначати способи зберігання, вибору, моделювання і подання результатів аналізу. Крім того, додатково для часової шкали та фізичних розмірів об’єктів, які зберігаються у базі даних ГІС, необхідно розглядати і шкали вимірів, що використовуються для подання характеристик опису або атрибутів об’єктів. Наприклад: власна назва (номінальна шкала), умови розміщення об’єкту (порядкова шкала – добрий, дуже добрий, задовільний), середньорічна температура (інтервальна шкала), середньорічний доход на душу населення (шкала відношень). Всі ці типи даних подають принципово різні ознаки, що виміряються суттєво відрізняющимися методиками вимірювання та з різними рівнями точності даних.

Тому дуже важливо засвоїти взаємопов’язані концепції подання об’єкту та вимірів перед тим, як починати роботу з геоінформаційною системою.

2.1. Просторові елементи. Дискретні та безперервні поверхні.

 

Просторові елементи.

Просторові елементи оточуючого середовища можна розподілити на чотири типи, які легко встановити: точки, лінії, області, поверхні. Разом вони можуть представляти більшість природних і соціальних явищ, з якими ми зустрічаємось кожний день. В той же час, в геоінформаційних системах об’єкти дійсного миру подаються трьома типами об’єктів з встановлених чотирьох: т очки, лінії, області. Вониможуть виражатися відповідними символами, поверхні ж найчастіше подаються висотами точок, або іншими комп’ютерними засобами (растрове або векторне подання). Головною особливістю ГІС – інформації є те, що вона просторова. Непросторова інформація (ідеї, національність…) не можуть безпосередньо застосовуватися в геоінформаційних системах, якщо тільки їм не присвоїти деякі їх просторові характеристики.

Тепер більш докладно розглянемо характеристики просторових об’єктів та їх зміст.

Точкові об’єкти – це такі об’єкти, кожний з яких розміщений тільки в одній точці простору. Про такі об’єкти говоримо, що вони дискретні, тобто кожний з них може займати в будь-який момент часу тільки визначену точку простору. З метою моделювання вважають, що у таких об’єктів немає просторової протяжності, довжини або ширини, але кожний з них може бути позначений координатами свого місцеположення. Крім того, говорять, що точки мають нульову кількість просторових вимірів.

Лінійні об’єкти. Такі об’єкти подаються, як одновимірні у нашому координатному просторі. До них відносяться: дороги, річки, кордони тощо. Для таких об’єктів ми можемо вказати, на відміну від точкових об’єктів, просторовий розмір нескладним визначенням їх довжини. Крім того, для таких об’єктів ми повинні знати мінімально дві точки – початкову та кінцеву. Це потрібно для опису місцеположення лінійного об’єкту у просторі. Чим складніша лінія, тим більше точок необхідно для вказування точного її місцеположення.

Об’єкти, що мають довжину і ширину, називаються областями, або площинними об’єктами. При визначенні місцеположення області у просторі ми бачимо, що її границею є лінія, яка починається та закінчується у одній тій самій точці. Тобто, крім вказування місцеположення областей через використання ліній, ми можемо уявити її три характеристики: як для ліній – це форма і орієнтація, а тепер і ще величина площі, яку займає область.

Додавання нового виміру – висоти – до площинних об’єктів дозволяє нам спостерігати і фіксувати поверхні. Будь-яка поверхня складається з необмеженої кількості точок з відповідними значеннями висот. Ми говоримо, що такі поверхні безперервні так, як точки поверхні розподілені без розривів, безперервно по усій поверхні.

Будь-які точкові, лінійні, площинні об’єкти та поверхні існують у просторі, вони мають власне місцеположення де їх можна знайти. Але, як ми можемо визначити важливість площинного об’єкту, що має форму кола з площею у 10 гектарів та має певну орієнтацію у просторі. Тому потрібен спосіб класифікації таких об’єктів, що базується на використанні інших властивостей і термінології, яка зрозуміла користувачам.

 

Шкали вимірів.

Картографічні об’єкти містять інформацію не тільки про те, яке вони займають положення у просторі, але і про те, чим вони є. Наприклад: завод – з виробництва вантажних автомобілів.

Додаткова непросторова інформація, яка допомагає нам описувати об’єкти, що спостерігаються у природі, утворює набір атрибутів об’єкту. Але перед тим, як надавати ці атрибути об’єктам, ми повинні знати, як їх вимірювати. В протилежному випадку ми не зможемо порівняти об’єкти в одному місці з об’єктами в іншому місці.

На практиці існує відпрацьована основа для вимірів практично всіх видів даних, в тому числі і географічних. Це так звані шкали вимірів даних. Встановлено три види шкал виміру даних, що пов’язані з географічними об’єктами.

Перший вид – номінальна шкала. З її назви наслідує, що ці об’єкти розрізняються за іменами. Ця система дозволяє нам зробити висновок про те, як називається об’єкт, але не дозволяє зробити висновок про якості різних об’єктів. Приклади: місто, шахта, міст, дорога, річка, ліс.

В такому випадку, коли необхідно провести більш докладне порівняння об’єктів, то необхідно встановлювати більш високу шкалу вимірів. В такому випадку застосовують порядкову шкалу – від кращого до поганого для конкретного випадку. Приклад: місто: маленьке, середнє. велике.

В тому випадку, коли ми прагнемо бути більш точними у вимірах, необхідно застосовувати інтервальну шкалу вимірів, в якій величинам, що вимірюються, приписуються численні значення. Приклад: горизонталь з відміткою 20.0; горизонталь з відміткою 30.0; горизонталь з відміткою 40.0.

Крім того, на практиці використовують і шкалу відношень. Прикладом є розподіл місцевості за рівнем доходу населення. Так в одній місцевості він складає 2000 гр., а в другій – 4000 гр. Розділив одну величину на іншу, ми можемо коректно стверджувати, що середньорічний доход родини в першому районі у двічі менший, ніж у другому.

Розглянувши основи порівняння об’єктів, тепер ми можемо об‘єкти спостереження розподіляти на точки, лінії, поверхні, площини та класифікувати їх за допомогою вимірів їх характеристик у чотирьох різних шкалах – номінальній, порядковій, інтервальній, відношень. Конкретна шкала вибирається в залежності від того, який нам потрібний опис та, як ми збираємося порівнювати об’єкти дослідження.

Але ще одним з завдань просторового аналізу є визначення місцеположення об’єктів в просторі. Це необхідно для встановлення картини взаємодії об’єктів для яких ми отримали їх характеристики. На практиці використовують визначення абсолютного та відносного місцеположення об’єкту.

Абсолютне місцеположення дозволяє нам визначити положення точки на поверхні Землі. Найпоширеніша система відліку, що пов’язана з Землею – географічна система відліку.

Положення точки на поверхні Землі характеризується географічними координатами: широта (В) та довгота (L). За їх допомогою ми можемо визначити положення будь-якого визначеного об’єкту. Крім того, ці кутові величини В і L можуть бути легко перетворені у метри або кілометри, що дозволяє нам вимірювати відстані на поверхні Землі за допомогою відповідних формул.

Під час виконання завдань географічного аналізу дуже важливим є відносне місцеположення об’єкту дослідження. Маючи систему абсолютних координат, ми можемо визначити відносне положення простим відніманням з більших координат менших (рис.2.1).

A(X,Y) B(X,Y)

 

 

Просторовий розподіл.

 

Аналіз відношень об’єктів – одне з головних завдань, що вирішується за допомогою геоінформаційних систем. Тому і в базу даних ГІС вводиться велика кількість даних різних типів.

Кожний набір об’єктів має встановлене просторове розміщення. За особливостями просторового розміщення об’єктів, як правило, стоять певні процеси, що їх визначають. Наприклад, для посадки фруктового саду дерева повинні розмішуватися на відстані 5 метрів друг від друга. Виходячи з цього, ми створимо регулярний і рівномірний розподіл рослин. Такий розподіл суттєво відрізняється від розміщення дерев в лісі, які розміщені випадково, без певного плану. З іншої сторони, аналізуючи розміщення населених пунктів в різних країнах, дуже часто можемо бачити, що ці населені пункти розміщуються поблизу річок, озер, океанів. Нам відомо, що водоймища є джерелами питної води, корисні для розвитку торгівлі, тому ми можемо легко здогадатися, що властивість міст групуватися поблизу таких об’єктів обумовлена цими потребами. Згруповане розміщення міст є прикладом просторового розподілу з високою щільністю об’єктів, в той же час розміщення інших об’єктів, таких як ферм у сільській місцевості, є прикладом більш розрідженого розподілу.

Тому на практиці визначають: регулярне і рівномірне розміщення; випадкове розміщення; згруповане і розріджене розміщення об’єктів. Крім того, аналізуючи розміщення об’єктів ми дуже часто можемо встановити, що один просторовий розподіл об’єктів може частково або повністю бути пов’язаним з іншим просторовим розподілом. В цьому випадку ми говоримо, що маємо справу з просторово корельованими розподілами.

Потужні можливості сучасних геоінформаційних систем дозволяють показувати, описувати і подавати у числовому вигляді усі можливі просторові зв’язки між об’єктами.

 

2.2. Збір географічної інформації. Графічне подання об’єктів та їх атрибутів.