Картографічне моделювання за допомогою географічної інформаційної системи.

 

Як було нами розглянуто в матеріалах попередніх розділів основне призначення географічної інформаційної системи – виконання завдань просторовогоаналізу об’єктів місцевості. Тому потрібно розглянути підсистему аналізу, як упорядкований набір взаємодіючих операцій з картами, що сумісно можуть використовуватися для виконання дуже складних завдань моделювання. Сутність, або ключ до цього розуміння полягає в тому, щоб побачити ці моделі як об’єкти, що складаються з більш менших та простих компонентів. Окремі компоненти можуть бути реалізовані відносно невеликою кількістю аналітичних операцій. Далі вони можуть поєднуватися з іншими для утворення більш крупних модулів, подальше об’єднання яких дозволить сконструювати всю модель. Як і будь-яка складна система, просторова модель у більшості випадків може бути розподілена на складові частини. Тому знання блок-схем для моделювання є дуже важливою умовою.

На практиці, їх здійснення може бути досить звичайною операцією, але воно потребує від користувача ГІС ретельного обґрунтування кількості покрить та елементів даних, що будуть необхідні для виконання завдань аналізу. Одночасно цей процес допомагає виявити відсутні покриття або покриття, що багатократно використовуються, ще до завершення моделі. Тому побудова блок-схем картографічних моделей повинна бути обов’язковим попереднім кроком. Це дозволить користувачу точно визначити мету роботи і характеристики кінцевого продукту.

І тому питання нашої лекції будуть присвячені розгляду сутності та теоретичних основ процесу картографічного моделювання за допомогою підсистеми аналізу геоінформаційної системи.

Картографічні операції.

Під час роботи з об’єктами на топографічній карті ми маємо можливість виконувати достатньо широкий перелік картометричних операцій за допомогою геоінформаційної системи. Найпростіші та найпоширеніші з них – це виміри, які ми вже розглянули у попередніх розділах. Тому зараз докладно розглянемо інші основні види картометричних операцій до яких відносяться наступні: перекласифікація та аналіз трьохвимірних поверхонь.

Перекласифікація. Всі об’єкти, що зображені на карті відносяться до того чи іншого типу класів. Класифікація залежить від типу об’єктів, які ми хочемо згрупувати. Вона також залежить від масштабу карт, функціональних зв’язків між об’єктами, від технічних засобів отримання вихідних даних, тощо.

Сучасні геоінформаційні системи дозволяють нам зберігати вихідні дані, які не класифіковані і, обробляти їх у відповідності з нашими вимогами. ГІС або використовує існуючу класифікацію, або виконує перекласифікацію об’єктів в залежності в завдання, що було встановлено. Виходячи з цього, сутність перекласифікації полягає в переробленні наявних атрибутів (характеристик) об’єктів для створення класифікації, яка краще буде відповідати потребам користувача.

Точки і лінії можуть бути перекласифіковані простим перекодуванням їх атрибутів в відповідних таблицях або перекодуванням значень чарунок растру для створення нових точкових або лінійних покрить. В цьому процесі користувач змінює тільки значення самих атрибутів і не більше того. Визначивши атрибути потрібних областей, ми просто змінюємо числа кодів або імена атрибутів для відповідних чарунок растру.

У випадку векторів процес перекласифікації потребує змін, як атрибутів, так і графіки. По-перше, потрібно усунути всі лінії, що розподіляють два класи, які повинні бути об’єднані. Ця операція називається розчиненням границь. Потім атрибути цих двох полігонів переписуються для нового покриття, як єдиний новий атрибут для обох (рис. 6.1).

 

Як в растровій так і у векторній моделі подання даних перекласифікація полігонів має цікаву особливість. В обох випадках, ми будемо мати наприкінці меншу кількість категорій, ніж спочатку. Це результат, який називається агрегіруванням даних – поширений і корисніший вид перекласифікації. Агрегірування даних – вид перекласифікації, кінцевим результатом якого є зменшення кількості характеристик (категорій) об’єктів.

Дуже цікавою і корисною є операція протилежна агрегіруванню даних. Сутність її виконання полягає у збільшенні характеристик об’єктів. Існують корисні методи виділення великої кількості деталей з загальної грубої полігональної інформації. Ці методи потребують порівняння двох і більше покрить під час їх накладання. Для цього необхідно виконати перекодування даних, що характеризують покриття, на основі класових інтервалів, в які вони попадають. Для цього ми виконуємо перекодування чарунок растру або заміну атрибутів та розчин або створення границь.

Аналіз трьохвимірних поверхонь. Найбільш широко на практиці використовують наступні чотири характеристики трьохвимірних поверхонь: нахил, азимут (експозиція) схилу, форма, взаємна видимість. Розглянемо кожну з них більш докладно.

Нахил (схил). Сутність визначення цієї величини полягає у визначенні зв’язку між відстанню по горизонталі і відповідною різницею значень їх висот. Відношення другої величини до першої є звичайним способом вираження нахилу. Для вирішення такого завдання у векторній системі нам потрібна модель даних, яка подібна до нерегулярної мережі тріангуляції (ТІN). В випадку використання растрової системи відразу ж можна виконати це завдання, хоча буде потреба у компенсації помилок, що обумовлені дискретністю растрового простору.

На практиці, сутність обчислення нахилу полягає в тому, щоб провести найбільш відповідну поверхню через сусідні точки і виміряти відношення зміни значення висоти на одиницю відстані. Геоінформаційна система підраховує це відношення за всім покриттям, створюючи набір значень величин нахилу.

Визначення нахилу можливо розповсюджувати і на інші поверхні, не обов’язково топографічні. Умовою є те, що дані про поверхню повинні вимірюватися в шкалах рангів, інтервалів, відношень. Такі поверхні називаються статистичними поверхнями і є поверхневим поданням просторово-розподілених статистичних даних. Таким чином ми можемо аналізувати величину схилу (градієнт) у зміні висоти рельєфу, кількості населення, ступеня забруднення шкідливими речовинами, атмосферного тиску, тощо.

Розглянемо найпростіший приклад, який полягає в оцінці безпосередніх сусідів кожної чарунки растрового покриття (рис. 6.2).

 

Розмір чарунки 100 на 100 метрів. Відстань по

діагоналі становить 141 м.

Величина нахилу: 220-190=30 (м) по вертикалі

30: 141=21% - нахил.

 

На практиці визначення нахилу здійснюється наступним чином. Програма будує площину за восьма найближчими сусідніми чарунками пошуком або найбільшої величини схилу для оточуючих чарунок растру, або середнього схилу (вибір здійснює користувач). Для кожної групи чарунок растру програма використовує дозвільну здатність растру в якості міри відстані по горизонталі і порівнює значення атрибуту (висоти) в центральній точці з всіма оточуючими чарунками (рис. 6.2).

Експозиція схилів (аспект). Оскільки поверхні мають схил, то вони також мають і орієнтацію, яка називається експозицією або аспектом. Ідеї схилу і експозиції неподільні, як у фізичному, так і в аналітичному плані. Без схилу неможливий топографічний аспект. Прикладами його практичного використання є наступні приклади. Визначення орієнтованих на північ і південь схилів важливе для порівняння існуючої рослинності. Розміщення вітроелектрогенераторів на схилах здійснюється в залежності від інформації про експозиції схилів.

У векторних геоінформаційних системах, що використовують модель даних подібну до ТІN, робота з аспектами проста. Кожна грань моделі ТІN має нахил і аспект. Аспект визначається як азимут нормалі кожної трикутної грані поверхні. Коли виконується обчислення аспекту то ці значення можуть вибиратися з бази даних ТІN без додаткових обчислень. І як і раніше, ми маємо можливість групувати їх у класи. Так північні схили будуть мати азимут від 345º до 15º, а південні – від 165º до 195º.

У випадку растрової моделі, потрібно провести аналіз по всьому покриттю, в якому послідовно всі точки, як центральні точки деяких ділянок порівнюються з сусідніми. В такому випадку, підігнана до матриці з дев’яти чарунок, поверхня дає напрям по середньому або по максимуму шляхом перегляду всіх значень висот у межах матриці. А на підставі визначеного напрямку ми можемо встановити аспект поверхні. Так якщо найвища і найнижча точки поверхні знаходяться відносно в лівому верхньому і правому нижньому кутах, то це дає нам південно-східний аспект даної ділянки поверхні. Результати растрового аналізу (значення аспекту) можуть виражатися як в градусах (0º - 360º), так і більш простим набором векторів, де (північ, південь, захід, схід позначаються 0, 2, 4, 6), а (північ-схід, південь-схід, південь-захід, північ-схід – як 1, 3, 5, 7).

Інший корисний приклад – оцінка форми поверхні. Найпростіший спосіб візуалізації форми поверхні – її поперечний профіль. Він будується перенесенням кожного відліку висоти на графік, де по горизонталі відкладається відстань від однієї з точок (початкової), а вертикальна вісь несе значення висоти. Процес легко виконується у векторних геоінформаційних системах, де використовують моделі ТІN, і лінія проводиться по ділянці покриття. Тоді програма будує профіль, що ідентичний тому, який ми будуємо вручну за допомогою паперової карті.

Растрові ГІС, на відміну від векторних, не мають засобів побудови поперечних профілів. Однак, більшість з них використовують метод, який створює растрове покриття в результаті порівняння центральної чарунки з двома сусідніми. Ми можемо визначити орієнтацію такого пошуку, щоб він був здатний характеризувати набір профілів для чарунок растру шляхом перегляду: горизонтальних рядів, вертикальних колонок, або діагональних наборів чарунок растру.

Програма буде брати чарунки растру групами по три і порівнювати центральну з двома сусідніми. Вона буде описувати кожну чарунку присвоєнням одного з номерів типу форм: площинна, зростаюча, падаюча, площинна потім зростаюча, площинна потім падаюча, зростаюча потім падаюча, падаюча потім зростаюча. Кожний з цих типів форм рельєфу має значення власного коду, які розміщуються в новому покритті. Потім коди повинні інтерпретуватися користувачем (рис. 6.3).

Обидва варіанти, растровий і векторний, використовують зміну поверхневої величини, які можуть інтерпретуватися користувачем для подання певних утворень. Як окремі топографічні об’єкти при подальшому аналізі можуть ідентифікуватися гірські хребти, протоки, піки, площі водозбору, тощо.

Взаємна видимість. Розглянуті картометричні операції дозволяють характеризувати поверхню або її точки по відношенню до сусідніх. Але рельєф поверхні може аналізуватися і більш складним образом. Так взаємна видимість показує, що якщо ви розміщені в певній точці топографічної поверхні то одні області рельєфу будуть нам видимі, а другі ні. Ця операція необхідна для розміщення телевізійних і радіо передавачів, ретрансляторів, прокладки швидкісних шосе, планування позицій артилерії, місць аеродромів, тощо.

 

 

 

У векторній системі найпростіший метод визначення видимості полягає у поєднанні точки спостереження з кожною можливою точкою покриття. Потім виконується трасування променів (ми шукаємо відмітки висот, які вище цієї лінії). Більш високі точки будуть загороджувати для спостерігача те, що за ними є (рис. 6.4). Ці області будуть невидимими для спостерігача, а всі інші будуть видимі.

 

Результуюче полігональне покриття покаже нам, яка площа проглядається з кожної потенційної точки.

Растрові методи визначення видимості діють також, як і у векторних моделях, але мають більшу вартість обчислення. Процес аналізу видимості починається з визначення чарунки спостерігача, як окремого покриття, з яким буде порівнюватися покриття висот. Починаючи від чарунки спостерігача, програма оцінює висоту в другому покритті, яке відповідає цьому місцезнаходженню. Потім вона переміщується по всім напрямкам, по чарунці крок за кроком, порівнюючи значення висоти кожної нової чарунки растру з висотою чарунки растру спостерігача. Кожний раз, коли вона зустрічає чарунку растру із значенням висоти, більшим ніж висота чарунки спостерігача, вона класифікує її як невидиму та присвоює їй відповідний код. Коли ж висота цієї чарунки нижче, ніж спостерігача, то їй присвоюється код видимої чарунки. Це ми розглянули реалізацію всього методу.

Області видимості базуються на основі лише топографічної поверхні, але в деяких випадках така поверхня може мати лісний покров з відомими висотами окремих дерев або їх груп. Для виконання аналізу при відомих висотах об’єктів, їх значення повинні включатися в аналіз разом зі значеннями висот топографічного покриття. Такі значення можуть додаватися як у векторних, так і в растрових системах шляхом накладання покрить з арифметичним додаванням. У тому випадку, коли топографія (форми рельєфу) не має ролі для визначення видимості, висоти перепон можуть використовуватися самостійно.