Методи аналізу в географічних інформаційних системах.

Підсистема аналізу – це серцевина будь-якої географічної інформаційної системи, тобто те за ради чого і існує ГІС. Проте, як показує практика, це є і підсистема, що найбільш неправильно використовується. Неправильне застосування цієї підсистеми у значній мірі обумовлюється недоліком усвідомлення природи просторових даних, що є у системі. Перелік можливих помилок дуже великий, в наслідок того, що притаманна геоінформаційним системам потужність дуже велика, щоб бути коректно застосована користувачами без докладного розуміння базових географічних, математичних і статистичних концепцій подання вихідних даних.

Найпоширенішою причиною неправильного застосування ГІС є твердження, що геоінформаційна система – це засіб вирішення усіх завдань, які включають географічний елемент. Але ГІС не є повним набором просторово-аналітичних засобів. У багатьох випадках користувачу прийдеться комбінувати інструменти геоінформаційної системи з програмами статистичного аналізу, аналізу мереж, засобами для математично складних обчислень, пакетами для просторового аналізу та об’ємного моделювання, і крім того з засобами програмування для спрощення роботи з ГІС у визначеному спектрі завдань.

Крім того, потрібно ураховувати, що існує велика кількість різних геоінформаційних систем, кожна з яких має своє сильні сторони. Одні з них забезпечують прямий зв’язок з іншими аналітичними програмами для підвищення віддачі від наявних даних, інші підтримують структури даних, що дозволяють передавати інформацію з ГІС для зовнішнього аналізу і зворотно. Тому обмеження геоінформаційної системи, яку нам необхідно вибрати для подальшого застосування, повинні бути порівняні по відношенню до видів аналізу, які будуть виконуватися найбільш частіше. За цією причиною і для того, щоб вміти вибрати необхідну систему або системи, які найбільш повно будуть задовольняти потребам користувача, необхідно розглянути існуючі можливості аналізу інформації за допомогою геоінформаційної системи.

 

Класифікація об’єктів на карті. Визначення об’єктів. Атрибути об’єктів.

Дані, що зустрічаються на карті, являють собою окремі об’єкти, які пов’язані між собою. Кожний об’єкт складається з геометричних примітивів та їх атрибутів. Основними видами геометричних примітивів є точка, лінія, площа, дуга, вузол. За їх допомогою можливо побудувати графічний об’єкт. Деякі геоінформаційні системи додають власні примітиви типу: “спагеті”, еліпс, коло, тощо. Для опису властивостей об’єктів їм надаються певні характеристики – атрибути.

Атрибути – це числові чи символьні характеристики, що містяться у базі даних. Вони можуть відноситися як до примітивів, так і до об’єктів. Сукупність атрибутів і примітивів утворює простий об’єкт (криниця, вулиця, будівля) (рис.4.1). Сукупність простих об’єктів створює складний об’єкт.

 

	Рис.4.1. Типи об’єктів.

 

Ієрархія об’єктів дуже корисна, оскільки вона не дозволяє виникненню дублювання інформації і забезпечує послідовність: зміна об’єкту або його атрибуту забезпечують зміну у всіх об’єктах, частиною яких він є.

Усі об’єкти і примітиви повинні мати свій номер або ідентифікатор, за допомогою якого можна прив’язати до графічної інформації тематичну. Усі об’єкти місцевості за їх типом можливо розподілити на точкові, лінійні та площинні. Окрему групу складають поверхні.

Атрибути об’єктів.

Точкові об’єкти. Вони як і усі інші об’єкти, розподіляються не тільки за місцеположенням, але, що найбільш суттєво, за їх атрибутами, характеристиками. Ця різниця дає нам різні, але часто взаємопов’язані просторові розподіли кожної групи об’єктів. Точкові об’єкти можуть розподілятися по віднесенню їх до конкретних типів точкових об’єктів: дерева, дома, машини, підприємства, тощо. Ці типи можуть у свою чергу розподілятисяна підкатегорії (сосна, береза, дуб, клен - дерева). Кожна з названих підкатегорій має свої, притаманні тільки їй властивості за допомогою яких вона відрізняється від інших з великої категорії.

Точкові об’єкти можуть бути розподілені за типами (номінальна шкала вимірювання даних), вони також можуть бути розподілені і класифіковані у відповідності з порядковою шкалою. Крім того, ми можемо розподіляти точкові об’єкти також і за їх значенням в шкалах інтервалів і відношень (висота об’єктів в м). Ці кількісні показники дозволять нам вибирати у широкому діапазоні груп, або класів кожного виду об’єктів у залежності від наших потреб.

Дуже важливо, щоб геоінформаційна система могла визначити кожну категорію об’єктів окремо і вносити в таблицю результати пошуку. Крім того, нам потрібна можливість створення графічного покриття з точкових об’єктів визначених категорій або значень показників, і тільки цих категорій або значень. Іншими словами, потрібна можливість уособлювати ці групи точкових об’єктів від тих, які не важливі для нашого аналізу.

Крім простого уособлення об’єктів певних категорій, ГІС повинна дозволяти користувачу визначати положення кожного елемента окремо з кожного класу об’єктів і порівнювати його з іншими об’єктами того ж типу, що і він сам. Іншими словами, потрібна можливість показати просторові відношення між одними об’єктами визначеного точкового класу з іншими об’єктами того ж класу для того, щоб ми могли надалі виконувати аналітичні операції з кількісного визначення цих відносин. Крім того, геоінформаційна система повинна забезпечувати порівняння чисельності і просторового положення однієї групи точкових об’єктів і другої, а також відношення між об’єктами різних розмірів (дома і дороги до них, лініями електропередач, зв’язку, каналізації, тощо).

Перед тим, як закінчити розгляд точкових об’єктів, важливо відмітити, що хоча більшість геоінформаційних систем дозволяє вибирати, підраховувати і визначати положення точкових об’єктів, але не всі вони орієнтовані на визначення просторових відношень між цими об’єктами. В такому випадку необхідно створити окреме покриття з об’єктів, які потрібно дослідити, а для подальшого аналізу використати більш потужну ГІС.

Лінійні об’єкти. Як нам відомо, лінійні об’єкти – це одновимірні суттєвості, що визначаються двома чи більше точками з відповідними парами координат. Лінійний об’єкт може також містити вузли, що є точками, які вказують початок і кінець дуг або зміни атрибутів уздовж неї. Лінійні об’єкти, як і точкові характеризуються атрибутами, які можуть бути виражені із застосуванням різних шкал вимірів даних (річки, залізниці, вулиці, дороги, тощо). Кожний з них може бути визначений серед інших, так як усі вони різняться за типом. Іншими словами, повинна бути можливість ідентифікації, вибору та визначення положення окремого об’єкту, крім того можливість зведення їх у таблиці за типами і окремого зображення для здійснення подальшого аналізу.

Подібно точковим, лінійні елементи повинні мати розподіл на основі порядкового ранжування або іншої міри. Приклад, існує три типи шосе: однорядне, двохрядне, трьохрядне, тощо. В залежності від типів лінійних об’єктів може застосовуватися і чисельне порівняння для характеристики цих об’єктів (ширина, швидкість руху (течії) для річок).

В деяких випадках одна лінія може мати зміни в значеннях атрибутів уздовж своєї довжини. Наприклад, зміна дороги з однорядної у двохрядну, тощо. Використовуючи вузли для ідентифікації змін та зберігаючи кожний відрізок між вузлами з відповідними атрибутами, ми можемо визначити кожний сегмент лінії, як сутність, що окремо ідентифікується, тобто дугу. Таким чином, атрибути можуть використовуватися для вибору, як цілих ліній, так ї їх частин.

Інші характеристики лінійних об’єктів включають не просто атрибути самої лінії, але і порівняння того, що буде по її сторонах. У растрових системах подібні дії можуть викликати заперечення та труднощі. Їх називають аналізомсусідства.

У векторних системах, використовуючи топологічну модель даних, відношення між лінією та прилеглими до неї полігонами записуються у базу даних під час введення даних та побудови топології. Ці дані зберігаються у окремих колонках таблиці атрибутів.

Растрова система, навпаки ж, потребує створення окремого покриття лінійних об’єктів для зберігання таких атрибутів.

Для визначення положення лінії необхідно знати пари координат усіх точок, що утворюють лінію у векторній системі, або значення рядів і колонок усіх утворюючих її чарунок растра у растровій системі. Це додає три інших параметри, що мають використовуватися для вибору лінії: її довжина, орієнтація, форма. Лінійні об’єкти можуть мати просту орієнтацію, або неоднозначну орієнтацію (кожний відрізок лінії має свою орієнтацію). Одні лінійні об’єкти прості, складаються з однієї лінії, а інші – складні (складаються з кількох ліній).

Для підрахунку довжини лінійного об’єкту використовують теорему Піфагора, якщо координати дані у декартовій системі відліку, або між точками за дугою великого кола, якщо використовуються географічні координати.

Мірою орієнтації використовують стандартні формули тригонометрії на сфері. Мірою форми для лінійних об’єктів є покрученість, яка визначається як відношення суми довжини сегментів лінії до відстані між її граничними точками.

Ці три основні характеристики – довжина, орієнтація, форма – можуть бути приписані, як окремі атрибути до кожного лінійного об’єкту, або до кожного окремого елементу (ділянки) лінійного об’єкту. В деяких випадках лінійні об’єкти можуть виходити за межі карти. Тому, може бути корисним включення атрибута, який показує, що лінія не завершена.

Площинні об’єкти. Як і точкові та лінійні об’єкти, площинні або полігональні об’єкти можуть бути визначені, відокремлені та вибрані на основі категорії або розміру. Кожна з цих характеристик повинна зберігатися у явному виді в базі даних, як атрибути чарунок растра або, як атрибути векторних полігонів. Визначення та вибір здійснюється так, як і з точками та лініями. Але на відміну від них, площинні об’єкти мають додатковий вимір, що дозволяє присвоювати їм більше атрибутів на основі їх геометрії (фігури).

Серед корисних атрибутів полігональних об’єктів знаходиться вимір їх форми. Форма може бути суворо евклідовою, тобто вона є похідною від відомої геометричної фігури – кола або квадрата. Пов’язаною з формою є міра витягнутості полігону або відношення довжини його найдовшої вісі до найкоротшої. Координати вершин полігонів можуть використовуватися для знаходження найбільш віддалених із них у визначеному напрямку.

Іншим, більш широко використовуємим атрибутом полігонів є їх площа. В растровому поданні площа визначається як кількість чарунок, встановленої категорії, які утворюють полігон. Периметр векторного полігона легко підрахувати додаванням довжини відрізків, що утворюють кордон полігону; площа ж визначається розподілом полігону на прямокутні трикутники та сумуванням їх площин, кожна з яких є половиною добутку довжини катетів. Необхідно пам’ятати, що чим складніше за формою є полігон, тим складніше буде процес обчислення.

Крім того, потрібно розглянути дві інші характеристики. Перша – цілісність полігона. Полігон, який містить множину отворів, має меншу величину цілісності ніж полігон, що має кілька отворів, або не має їх зовсім. Ця величина важлива під час вирішення спеціальних завдань аналізу (аналіз лісових ділянок).

Другим додатковим атрибутом, що може бути корисним для площинних об’єктів, є однорідність області, яка не обов’язково є окремим полігоном. Однорідність є мірою того, наскільки площина даної частини карти знаходиться у прямому контакті з площинними об’єктами, що мають ті ж самі атрибути. Однак, неоднорідність може бути також визначена таким чином, щоб включати величину внутрішньої неоднорідності області (можливо групування деякої кількості полігонів не на основі подібності їхніх атрибутів, а на основі деякої різнорідної суміші атрибутів).

І растрові і векторні геоінформаційні системи, як правило, мають деякі можливості для виконання подібного аналізу, хоча у деяких системах такі функції можуть бути відсутні. В такому випадку використовують деяку послідовність команд для досягнення такого ж результату. Програмні команди створюють за допомогою вмонтованих мов програмування.