Картографічне накладання (оверлей).

 

До найбільш потужних можливостей сучасних геоінформаційних систем відносяться їх можливості комбінувати картографічне подання тематичної інформації однієї визначеної теми з іншою. Такий процес називається накладанням (оверлеєм).

Розглянемо приклад. Сучасна база даних на певну місцевість має десятки тематичних покрить (шарів). Серед них можуть бути: дороги, населенні пункти, типи ґрунту, землекористування, рослинність, соціально-культурні об’єкти, гідрографія, промислові об’єкти, лінія зв’язку, тощо. Користувач, виконавши операцію накладання тематичних шарів інформації, та продивляючись результати операції, може знайти збіг окремих тематичних шарів в деяких місцях. Так окремі типи лісів збігаються з певними типами ґрунту. Райони заготівлі лісу припадають на лісові ділянки, що мають великий вік. Тобто існує кореляція, певний зв’язок між об’єктами різнихтематичних покрить (шарів). В цих покриттях можливо знайти і багато інших прикладів кореляції. Однак слід пам’ятати, що робити висновки про природу існуючих зв’язків на основі виявленої візуальної кореляції між об’єктами (шарами) – передчасно. Хоча це може бути дійсно так, але у дійсності розглядаєма кореляція може бути обумовлена зовсім іншими факторами.

І оскільки карту дуже легко прийняти за істинну картину дійсності, тим більш важливо отримати доведення дійсно існуючих зв’язків, наперед того як вони будуть використані.

Теоретична основа просторової кореляції різних феноменів (явищ) для деяких категорій картографічних даних вже існує. Першою працею в цьому напрямку досліджень була робота Сойера (1925 р.) з морфології ландшафтів (модель зв’язку загальних категорій даних про землю). Була виявлена суттєва кореляція між активністю людини, формами ландшафтів і іншимифізичними параметрами. В подальшому дослідники формалізували цю розробку у вигляді широкого спектру підходів. Серед найбільш значних розробників цього напрямку був Ян Мак Нарт, який використовував некомп’ютерний метод накладання з використанням пластикової плівки (1971 р.), на окремихаркушах якоївідображалися параметри оточуючого середовища: чим темніше ділянка плівки тим більше чутливість середовища оточення.

Сутність розробленого ним методу аналізу полягала в тому, що при накладанні аркушів покриття друг на друга чутливість по різним параметрам додавалася. В результаті створювалося нове, сумарне покриття, яке могло б використовуватися для розгляду варіантів і прийняття рішення.

Сучасні геоінформаційні системи надають тепер нам можливість легко виконувати процедури накладання, завдяки чому ми можемо мати великий обсяг даних про зв’язки між об’єктами (їх кореляцію). В ГІС використовуються десятки різних способів накладання тематичних шарів. Тому користувачу треба знати сутність процесу, що виконується, для уникнення помилок та помилкових висновків.

Традиційно, як з використанням плівок, так і з застосуванням комп’ютерів, накладання розглядається як метод порівняння полігональних покрить. Але існують і інші типи накладання, що використовують точкові і лінійні дані. Розглянемо їх сутність більш докладно на деяких прикладах.

Накладання “Точка у полігоні” і “лінія у полігоні”. Перший приклад. Необхідно встановити просторовийзв’язок між районами міста та випадками вуличних крадіжок. Знаючи адреси точок пригод та їх сутність, ми можемо їх нанести на карту міста. Крім того, нам відома статистика пригод за кожний місяць і рік. Виконавши аналіз точкового розподілу було з’ясовано, що в одному з районів – вуличних крадіжок найбільше. Тоді, можливо зробити один з висновків, що необхідно підсилити патрулювання в цьому районі, але головна причина підвищеної концентрації вуличних крадіжок, ще не була виявлена.

Далі була проаналізована статистика крадіжок щомісячно і за роками. Статистика говорить, що до 2003 р. (коли було побудовано торговий центр), випадки вуличних крадіжок мали більшу розсіяність за районами міста. В 2003 році було завершено будівництво торгового центру в цьому районі. Далі під час аналізу докладної карти району міста було встановлено, що точки, якими позначені всі випадки пригод (крадіжок), концентруються повздовж доріг з інтенсивним рухом до торгового центру та від нього. Це показує на підвищене значення деяких лінійних об’єктів (вулиць) всередині полігонів (району міста).

Крім того, була встановлена сильна кореляція між точковими і полігональними об’єктами, і вона, як ми бачимо, виявилася дуже корисною. На основі цих висновків, можливо вже прийняти об’єктивне рішення.

Наступний приклад, показує можливість кореляції лінійних і полігональних об’єктів, або процедуру “лінія у полігоні”.

Припустимо, що нам потрібно дослідити розвиток нашого міста. Ми знаємо, що місто активно розвивається в деякі періоди і, що архітектурні рішення для кожного періоду були різні. Спочатку ми наносимо на карту, як окремі полігони, області з однаковою архітектурою. Розподіл, який виникнув, показує три великі зони, що виходять з центрального ядра міста і, що мають витягнуту форму. Внаслідок лінійної природи полігонів ми починаємо вважати, що причиною такого розподілу є якісь лінійні об’єкти.

Тоді ми далі складаємо набір карт з лінійними об’єктами міста – транспортними мережами. Після переносу цих карт (залізничних доріг, шосе, трамвайних ліній) на плівку і накладання їх на карти архітектурних періодів росту міста можливо провести аналіз. Так через полігони першого періоду забудови міста проходять залізничні дороги, що існували на той час. Для другого періоду зростання міста характерна забудова вздовж трамвайних ліній. І для третього періоду росту міста характерна забудова вздовж шосейних доріг.

Результати накладання допомагають довести, що подібність, яка спостерігається у просторовому розподілі об’єктів, демонструє дію деякого причинно-наслідкового механізму. Однак при виконанні робіт без застосування геоінформаційної системи потребується багато часу на складання карт і аналіз багатьох покрить. Крім того, якщо потрібно розглянути ще і інші додаткові показники, то для них потрібно складати власні шари карти, а потім накладати їх для вирішення завдання аналізу.

В той же час, наявність геоінформаційної системи з великою кількістю тематичних шарів дозволяє легко виконати накладання будь-якого набору з цих показників, щоб розглянути інші гіпотези про сутність просторових змін міста. Крім того, якщо можливо довести існування функціональної залежності між об’єктами спостереження, то ці дані можна використовувати для планування керуємого росту міста. Як ми бачимо, комп’ютеризація цих простих методів географічного аналізу приносить як концептуальні, так і практичні результати.

Накладання полігонів. Історично склалося, що порівняння полігональних покрить є найбільш поширеним підходом до виконання накладання, внаслідок чого розробники геоінформаційних систем спочатку розвивали цей тип накладання. Тому, існують різні підходи до виконання накладання полігонів, що орієнтовані на певні потреби користувачів. Розглянемо приклад використання накладання полігонів.

Згідно з завданням необхідно підготувати план контролюємого зростання населення у сільській місцевості на протязі найближчих 20 років. При чому забудова повинна здійснюватися в тих областях, де є ґрунт, що допускає будову будинків з фундаментами. В той же час існує ряд певних обмежень: ґрунти, що придатні для ведення сільського господарства не підлягають забудові. Крім того не підлягають забудові: землі, що є державною власністю; землі на яких ведеться сільське господарство; землі де проводяться археологічні розкопки, а також землі, де знаходяться зони мешкання окремих видів тварин, що охороняються законом.

Розглянувшивсі ці вимоги, дослідник збирає карти з визначеними видами інформації (темами) і готує плівки, кожна з яких містить затемнені ділянки, що відповідають забороні на будову по відповідному тематичному критерію, і прозорі ділянки, де даний критерій дозволяє забудову. Після накладання всіх цих плівок одна на одну, затемненими виявляться ділянки на яких заборонено вести будівництво, так як вони знаходяться на ґрунтах, що не дозволяють будувати будинки з фундаментами, або їх ґрунти мають великий агрономічний потенціал, або вони використовуються у сільському господарстві, або там ведуться археологічні розкопки, або на них знаходяться зони проживання видів тварин, що охороняються законом, або вони належать до державної власності. Ми бачимо, що всі наведені обмеження об’єднані сполучником"або", який позначається в алгебрі логіки операцію “або” (диз’юнкція), а у теоріїмножин –операцію об’єднання, в результаті якої ми отримуємо покриття, що поєднує всі названі обмеження (рис. 5.1).

Цей же приклад можливо розглядати як застосування логічної операції “і” або операції перетину множин. Тут ми звертаємо увагу вже на прозорі ділянки плівок, що відповідають відсутності обмежень. Тобто, в результаті накладання прозорою буде та частина карти, де можливо вести будівництво, де знаходяться ґрунти на яких можна будувати будинки з фундаментами, і земельні ділянки не мають агрономічного потенціалу, і вони не використовуються для сільського господарства, і вони не містять археологічних розкопок, і на них не мешкаютьвиди тварин, що охороняються, і вони не є державною власністю.

У розглянутому прикладі всі показники мали однакову вагу і, тому можуть бути названі змінними виключення, тобто кожна з них може заборонити будівництво. Але цей підхід, хоча і розповсюджений, все ж таки обмежений бінарними даними шкали вимірювання властивостей. Але дійсність звичайно більш різноманітна.

Наприклад, властивості ґрунту по відношенню до будівництва будинків, як правило подаються набором певних класів, від суворої заборони будівництва – через помірні обмеження – до відсутності обмежень. Це дає можливість при плануванні забезпечити гнучкість рішення, завдяки можливості використання ґрунтів з помірними обмеженнями. В кінці кінців, якщо сучасні будівельні технології дозволяють подолати раніше встановлені обмеження, то можливо розглянути забудову цих ділянок, якщо вони не мають обмежень за іншими параметрами.

Крім того, в нашому випадку, ми можемо змінити аналіз, перейшовши від бінарних показників до більш високих шкал вимірів,призначаючи більшому ступеню обмежень – більше затемнення на плівці. Такий підхід називається математичним накладанням. В розглянутому прикладі, можливо, області з непридатними для будівництва ґрунтами повністю затемнити, ділянки з обмеженнями різного ступеню зробити більш або менш прозорими (світлими), а ділянки без обмежень залишити прозорими. Відповідно ми можемо поступити зкожним іншим параметром, що розглядається. Все це можливо зробити вручну, але для цього потрібно багато часу. Тому цю ж саму операцію більш ефективніше робити за допомогою, як растрових так і векторних географічних інформаційних систем.

Залишилося нерозглянутим ще одне питання – це ступінь впливу кожного окремого фактора на прийняття рішення про будівництво. Для цього, кожному показнику присвоюється власна вага, яка показує його важливість у порівнянні з іншими показниками. Ця процедура легко реалізується тим самим математичним накладанням, при якому обчислюється значення вагової функції, яка являє собою добуток значень показників, що помножені на відповідні їм вагові коефіцієнти.

Додавання – це не єдина математична операція, яка може бути використана для комбінування покрить. Можуть також використовуватися множення, ділення, віднімання, піднесення у ступінь, вибір найбільшого або найменшого значення, усереднення та інші операції. Більшість з цих операцій потребує використання обчислювальної техніки та ПЕОМ. Крім того, існує набір методів для комбінації покрить на основі математичних операцій над покриттями, що діють як статистичні поверхні.

Існує ще одна категорія накладання, яку можливо виконувати без використання комп’ютера. Ця категорія називається селективною у протилежність математичному накладанню. Але селективне відображення – це не обов’язково окрема категорія, а скоріше об’єднання та розширення розглянутих методів. В багатьох випадках ми маємо набір правил, що дозволяють нам вирішувати, які з факторів можливо використовувати для виконання накладання. Цей підхід іноді називають накладанням з правиламикомбінування. Він дозволяє нам використовувати логіку виключення, вагові коефіцієнти та математичні операції одночасно. Набір таких правил буде виглядати як алгоритм з використанням конструкції “якщо – то – так”. Наш останній приклад міг би використовувати наступні правила комбінування: “або”

(помірні вимоги або зовсім немає обмежень на побудову за типами ґрунтів) і (помірні вимоги або зовсім немає обмежень по сільському господарству) або (віддаленість від археологічних майданчиків становить більше 200 м) то встановити мінімальне значення покриття в протилежному випадку встановити максимальне значення покриття.

Для того щоб побудувати такий алгоритм користувачу потрібно заздалегідь знати всі можливі комбінації умов. В такому випадку було б корисно звести в таблицю всі можливі значення кожного показника (параметра), а така табуляція потребує іншої форми накладання, що називається ідентифікуючим накладанням, яке може виділяти будь-які з цих значень і зберігати їх всю інформацію опису. Оскільки ідентифікуюче накладання звичайно виконується в рамках селективного накладання, то в будь-якомувипадку ідентифікуюче накладання, як і селективне, дуже складно для виконання вручну, без використання ПЕОМ.

Тому потрібно більш докладно розглянути типи накладання з точки зору їх виконання за допомогою ПЕОМ.