Аналітичні можливості ГІС. Оверлейний аналіз.

Аналітичні можливості ГІС. Оверлейний аналіз.

Аналітичні можливості сучасних інструментальних ГІС досить різноманітні. До складу блока аналізу пакетів з так званими розвинутими аналітичними можливостями (до яких належать пакети ARC/INFO, IDRISI, MGE, PCRaster і деякі інші) входить декілька десятків різних аналітичних процедур, які в сукупності складають могутній арсенал просторово-часового аналізу і моделювання. У той самий час слід відзначити, що набір аналітичних процедур, реалізованих у різних ГІС-пакетах, досить близький за складом. Це надає можливість розглянути методи ГІС-аналізу, який є основою аналітичного потенціалу технології географічних інформаційних систем, не прив'язуючи до особливостей конкретних ГІС-пакетів.

Сукупність аналітичних процедур, що звичайно входять до складу блоків аналізу ГІС-пакетів з розвинутими аналітичними можливостями, можна поділити на такі групи:

- картометричні операції;

- операції вибору;

- рекласифікація;

- картографічна алгебра;

- статистичний аналіз;

- просторовий аналіз;

- оверлейний аналіз;

- мережний аналіз.

Наведена класифікація є умовною, проте вона досить повно відображає спектр аналітичних процедур, які входять до складу сучасних інструментальних ГІС. Крім зазначених, у пакетах, орієнтованих на завдання, пов'язані з проблемами навколишнього середовища, у тому числі й екологічними, в окрему групу виділяють:

- аналітичні процедури, що базуються на цифровій моделі рельєфу;

- операції просторової інтерполяції, завданням яких є побудова безперервних поверхонь на основі наборів дискретних просторово-координованих даних.

Більшість аналітичних процедур ґрунтується на растровій моделі просторових даних. їх реалізація здійснюється з використанням операцій картографічної алгебри (Tomlin, 1983a, 1990. У рамках векторної моделі аналітичні процедури реалізуються з використанням алгоритмів аналітичної геометрії.

При представленні аналітичних можливостей ГІС серед інших звичайно називають і оверлейні операції, або оверлейний аналіз, хоча тлумачення цих термінів неоднозначне. Як правило, при цьому розуміють операції «накладення один на одного двох абобільше шарів, в результаті якого утворюється графічна композиція, або графічний оверлей, вихідних шарів (graphic overlay) або один похідний шар, що містить композицію просторових об'єктів вихідних шарів; топологія цієї композиції і атрибути арифметично або логічно похідні від топології і значень атрибутів вихідних об'єктів в топологічному оверлеї (topological overlay)» (Баранов и др., 1997). Таким чином, до понять «оверлейні операції» і «оверлейний аналіз» в загальному випадку можуть бути віднесені будь-які операції, пов'язані з графічним або аналітичним «накладенням» двох або більше шарів даних. Проте, враховуючи, що для растрової моделі просторових даних і арифметичні, і логічні операції з двома і будь-якою іншою кількістю шарів просторових даних виконуються з використанням алгоритмів картографічної алгебри, наведених вище (п. 7.5) уявляється доцільним в даному розділі розглянути операції, пов'язані з графічним оверлеем векторних даних, заснованих на алгоритмах аналітичної геометрії. Фактично це операції аналізу географічного збігу і включення та їх похідні на основі векторної моделі просторових даних.

У сумісних оверлейних операціях можуть використовуватися різні типи просторових об'єктів: точкові, лінійні і полігональні. Наприклад, аналіз вартості прокладення кабелю через кілька різних ділянок передбачає операцію накладення карти траси кабелю (лінійні дані) на карту землекористування (полігональні дані). При цьому визначається довжина ділянки траси, що проходить через кожне землекористування, і залежно від типу ділянки визначається вартість прокладення. Можуть також аналізуватися перетини з іншими підземними комунікаціями, розміщеними на різній глибині, наявність додаткових споживачів та ін. Проте найчастіше спостерігаються накладення двох полігональних шарів.

Програмна реалізація векторних оверлейних алгоритмів досить складна і пов'язана з великими витратами машинного часу на пошук координат всіх перетинів і лінійних сегментів, що утворюють полігони. Аналіз перетину двох ліній — основна дія оверлейного аналізу. Багато алгоритмів ГІС для складних процесів часто містять декілька простих, що використовується, наприклад, у виробництві оверлея багатокутників (шляхом з'єднання і роз'єднання багатокутників у лінії).

У разі оверлея двох прямих ліній для знаходження точки перетину двох ліній, що проходять через точку з відомими координатами, може використовуватися такий алгоритм (Core Curriculum..., 1991).

На практиці найчастіше спостерігаються випадки аналізу перетину складних ліній, що складаються з безлічі прямих сегментів. Вони також можуть бути оброблені простим алгоритмом, що перевіряє кожний сегмент в одній лінії проти кожного сегмента в іншій. Кількість роботи, яку необхідно виконати, пропорційна кількості сегментів (лі х п2). Обсяг непродуктивної роботи, спрямованої на аналіз сегментів, що явно не перетинаються, може бути значно скорочений за рахунок введення в алгоритм елементів евристичного аналізу.

Одним з таких методів є метод мінімально прилеглого прямокутника. Розміри такого прямокутника визначаються мінімумом і максимумом X і У координат лінії. Якщо мінімально прилеглі прямокутники двох ліній не перетинаються, то і лінії не можуть перетнутися. Якщо вони перетинаються, то знаходяться мінімально прилеглі прямокутники для кожного сегмента лінії, щоб виділити ті, що мають нагоду перетнутися.

При оверлеї багатокутників, якими звичайно представлені полігони, використовується ряд інших алгоритмів, вибір яких залежить від типу операції. Вирізування вікна, побудова буфера навколо об'єкта, створення нової топологічної структури полігонів — основні цілі оверлейних операцій для багатокутників. У цьому випадку більш ефективні структури типу «дуга-вузол», оскільки для дуги виконується тільки одна операція пошуку замість чотирьох-п'яти для багатокутників-блоків, і при цьому доступна більша кількість атрибутивної інформації.

Цифрова обробка оверлея полігонів дуже трудомістка і тому є найскладнішою операцією для векторних ГІС. Необхідність забезпечення топологічної точності генерації нових полігонів передбачає залучення додаткових процедур для пошуку і обробки специфічних для оверлею похибок. Прикладом такої ненавмисної похибки можуть бути оверлей лінії (дуги), що має однакове розміщення на двох аналізованих картах (річка, залізниця, адміністративна границя і т.ін.). Через похибки дигітизування, навіть які не перевищують технічні допуски пристрою введення, дві лінії матимуть дещо різні координати і кілька разів взаємно перетинатимуться. У результаті оверлею на межі може утворитися ланцюжок маленьких витягнутих «паразитних» полігонів, які згодом доведеться видаляти вручну.

Сучасні ГІС-пакети, що використовують оверлеї, передбачають можливість автоматичного видалення нестиковок у процесі роботи. Критерії для відбору полігонів, що видаляються в автоматичному режимі, можуть бути такі:

- розмір полігона, що генерується, менше заданої умови;

- форма полігона дуже вузька і витягнута;

- кількість дуг, що утворюють полігон, становить 2, що досить рідко спостерігається в реальних полігонів (звичайно 3-4 і більше);

- має місце регулярне чергування дуг у ланцюжку суміжних полігонів.

 

 

Аналітичні можливості ГІС. Аналіз географічного збігу і включення. Аналіз близькості.

Аналіз близькості

Завданням даного виду географічного аналізу є пошук об'єктів, що лежать на визначеній відстані від початкового об'єкта. Результати аналізу можуть бути використані для подальшої обробки. Концептуально ця процедура подібна до побудови буфера «на льоту» і не вимагає розроблення нової карти — карти буферів.

Аналіз близькості передбачає, наприклад, пошук усіх будинків, що містять небезпечні матеріали, у межах 300 м від місця пожежі. Ця процедура може також бути використана, наприклад, для виявлення всіх людей похилого віку, а також інших людей із хронічними респіраторними захворюваннями, які потрапляють у зону задимлення і потребують евакуації при пожежі тощо.

Аналітичні можливості ГІС. Оверлейний аналіз.

Аналітичні можливості сучасних інструментальних ГІС досить різноманітні. До складу блока аналізу пакетів з так званими розвинутими аналітичними можливостями (до яких належать пакети ARC/INFO, IDRISI, MGE, PCRaster і деякі інші) входить декілька десятків різних аналітичних процедур, які в сукупності складають могутній арсенал просторово-часового аналізу і моделювання. У той самий час слід відзначити, що набір аналітичних процедур, реалізованих у різних ГІС-пакетах, досить близький за складом. Це надає можливість розглянути методи ГІС-аналізу, який є основою аналітичного потенціалу технології географічних інформаційних систем, не прив'язуючи до особливостей конкретних ГІС-пакетів.

Сукупність аналітичних процедур, що звичайно входять до складу блоків аналізу ГІС-пакетів з розвинутими аналітичними можливостями, можна поділити на такі групи:

- картометричні операції;

- операції вибору;

- рекласифікація;

- картографічна алгебра;

- статистичний аналіз;

- просторовий аналіз;

- оверлейний аналіз;

- мережний аналіз.

Наведена класифікація є умовною, проте вона досить повно відображає спектр аналітичних процедур, які входять до складу сучасних інструментальних ГІС. Крім зазначених, у пакетах, орієнтованих на завдання, пов'язані з проблемами навколишнього середовища, у тому числі й екологічними, в окрему групу виділяють:

- аналітичні процедури, що базуються на цифровій моделі рельєфу;

- операції просторової інтерполяції, завданням яких є побудова безперервних поверхонь на основі наборів дискретних просторово-координованих даних.

Більшість аналітичних процедур ґрунтується на растровій моделі просторових даних. їх реалізація здійснюється з використанням операцій картографічної алгебри (Tomlin, 1983a, 1990. У рамках векторної моделі аналітичні процедури реалізуються з використанням алгоритмів аналітичної геометрії.

При представленні аналітичних можливостей ГІС серед інших звичайно називають і оверлейні операції, або оверлейний аналіз, хоча тлумачення цих термінів неоднозначне. Як правило, при цьому розуміють операції «накладення один на одного двох абобільше шарів, в результаті якого утворюється графічна композиція, або графічний оверлей, вихідних шарів (graphic overlay) або один похідний шар, що містить композицію просторових об'єктів вихідних шарів; топологія цієї композиції і атрибути арифметично або логічно похідні від топології і значень атрибутів вихідних об'єктів в топологічному оверлеї (topological overlay)» (Баранов и др., 1997). Таким чином, до понять «оверлейні операції» і «оверлейний аналіз» в загальному випадку можуть бути віднесені будь-які операції, пов'язані з графічним або аналітичним «накладенням» двох або більше шарів даних. Проте, враховуючи, що для растрової моделі просторових даних і арифметичні, і логічні операції з двома і будь-якою іншою кількістю шарів просторових даних виконуються з використанням алгоритмів картографічної алгебри, наведених вище (п. 7.5) уявляється доцільним в даному розділі розглянути операції, пов'язані з графічним оверлеем векторних даних, заснованих на алгоритмах аналітичної геометрії. Фактично це операції аналізу географічного збігу і включення та їх похідні на основі векторної моделі просторових даних.

У сумісних оверлейних операціях можуть використовуватися різні типи просторових об'єктів: точкові, лінійні і полігональні. Наприклад, аналіз вартості прокладення кабелю через кілька різних ділянок передбачає операцію накладення карти траси кабелю (лінійні дані) на карту землекористування (полігональні дані). При цьому визначається довжина ділянки траси, що проходить через кожне землекористування, і залежно від типу ділянки визначається вартість прокладення. Можуть також аналізуватися перетини з іншими підземними комунікаціями, розміщеними на різній глибині, наявність додаткових споживачів та ін. Проте найчастіше спостерігаються накладення двох полігональних шарів.

Програмна реалізація векторних оверлейних алгоритмів досить складна і пов'язана з великими витратами машинного часу на пошук координат всіх перетинів і лінійних сегментів, що утворюють полігони. Аналіз перетину двох ліній — основна дія оверлейного аналізу. Багато алгоритмів ГІС для складних процесів часто містять декілька простих, що використовується, наприклад, у виробництві оверлея багатокутників (шляхом з'єднання і роз'єднання багатокутників у лінії).

У разі оверлея двох прямих ліній для знаходження точки перетину двох ліній, що проходять через точку з відомими координатами, може використовуватися такий алгоритм (Core Curriculum..., 1991).

На практиці найчастіше спостерігаються випадки аналізу перетину складних ліній, що складаються з безлічі прямих сегментів. Вони також можуть бути оброблені простим алгоритмом, що перевіряє кожний сегмент в одній лінії проти кожного сегмента в іншій. Кількість роботи, яку необхідно виконати, пропорційна кількості сегментів (лі х п2). Обсяг непродуктивної роботи, спрямованої на аналіз сегментів, що явно не перетинаються, може бути значно скорочений за рахунок введення в алгоритм елементів евристичного аналізу.

Одним з таких методів є метод мінімально прилеглого прямокутника. Розміри такого прямокутника визначаються мінімумом і максимумом X і У координат лінії. Якщо мінімально прилеглі прямокутники двох ліній не перетинаються, то і лінії не можуть перетнутися. Якщо вони перетинаються, то знаходяться мінімально прилеглі прямокутники для кожного сегмента лінії, щоб виділити ті, що мають нагоду перетнутися.

При оверлеї багатокутників, якими звичайно представлені полігони, використовується ряд інших алгоритмів, вибір яких залежить від типу операції. Вирізування вікна, побудова буфера навколо об'єкта, створення нової топологічної структури полігонів — основні цілі оверлейних операцій для багатокутників. У цьому випадку більш ефективні структури типу «дуга-вузол», оскільки для дуги виконується тільки одна операція пошуку замість чотирьох-п'яти для багатокутників-блоків, і при цьому доступна більша кількість атрибутивної інформації.

Цифрова обробка оверлея полігонів дуже трудомістка і тому є найскладнішою операцією для векторних ГІС. Необхідність забезпечення топологічної точності генерації нових полігонів передбачає залучення додаткових процедур для пошуку і обробки специфічних для оверлею похибок. Прикладом такої ненавмисної похибки можуть бути оверлей лінії (дуги), що має однакове розміщення на двох аналізованих картах (річка, залізниця, адміністративна границя і т.ін.). Через похибки дигітизування, навіть які не перевищують технічні допуски пристрою введення, дві лінії матимуть дещо різні координати і кілька разів взаємно перетинатимуться. У результаті оверлею на межі може утворитися ланцюжок маленьких витягнутих «паразитних» полігонів, які згодом доведеться видаляти вручну.

Сучасні ГІС-пакети, що використовують оверлеї, передбачають можливість автоматичного видалення нестиковок у процесі роботи. Критерії для відбору полігонів, що видаляються в автоматичному режимі, можуть бути такі:

- розмір полігона, що генерується, менше заданої умови;

- форма полігона дуже вузька і витягнута;

- кількість дуг, що утворюють полігон, становить 2, що досить рідко спостерігається в реальних полігонів (звичайно 3-4 і більше);

- має місце регулярне чергування дуг у ланцюжку суміжних полігонів.