Частина III. Геоїнформаційні технології просторового аналізу і моделювання

розділ 7

Аналітичні можливості

сучасних інструментальних ГІС

7.1. Загальна характеристика

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 у сукупності складають могутній арсенал просторово-часового аналізу і моделювання. У той самий час необхідно відзначити, що набір аналітичних процедур, реалізованих у різних ГІС-пакетах, досить близький за складом. Це дає можливість розглянути методи ГІС-аналізу, що є основою аналітичного потенціалу технології географічних інформаційних систем, не прив’язуючи до особливостей конкретних ГІС-пакетів.

Сукупність аналітичних процедур, що зазвичай 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 достатньо повно відображає спектр аналітичних процедур, що входять до складу сучасних інструментальних ГІС. Крім перелічених, у пакетах, орієнтованих на задачі, 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,задачею 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, 1983а, 1990) (див. п. 7.5). У рамках векторної моделі аналітичні процедури реалізуються з використанням алгоритмів аналітичної геометрії.

7.2. Картометричні операції

Картометричні операції, тобто вимірювання по картах та інших геозображеннях з використанням програмних засобів,є одним з найбільш розповсюджених типів аналітичних операцій у ГІС. Можливість і точність виконання вимірювань багато в чому визначається моделлю даних (векторна чи растрова), методами вимірювань і точністю цифрування даних (просторова похибка для векторних об’єктів, розмір комірки растра та ін.). Найбільш часто вимірювальні операції в ГІС-пакетах реалізовані у вигляді спеціальних функцій і подані у вигляді окремого пункту меню. До таких функцій відносять:

• вимірювання (визначення) координат точки;

• вимірювання відстаней між двома зазначеними координатами (з урахуванням чи без урахування системи тривимірних координат);

• вимірювання довжини прямої чи ламаної лінії;

• вимірювання довжини периметра полігона;

• вимірювання площі полігона;

• вимірювання об’ємів з використанням поверхні і січної площини.

Вимірювання координат

Технологія і точність вимірювання координат точки (що існує у вигляді об’єкта на цифровій карті або курсора в площині карти) визначаються моделлю даних і використовуваною системою координат. При створенні цифрових карт зазвичай використовуються такі системи координат.

Двовимірна декартова система координат– початок відліку в нульовій точці в нижньому (чи верхньому) лівому куті площини карти, координатиХіУможуть мати тільки позитивні значення. Ця система координат, як правило, використовується в растрових цифрових чи сканованих картах. У більшості випадків такі системи координат створюються користувачем для локальних проектів.

Двовимірна картезіанська система координат– початок відліку в нульовій точці, координатиХіУможуть мати як позитивні, так і негативні значення. Широкого поширення набули дві глобальні системи координат, побудовані на цьому принципі, –географічназ нульовою точкою в місці перетинання екватора і Гринвіцького меридіана, одиниці вимірювання – кутові градуси-хвилини-секунди; ітопографічнасистема координат, з нульовою точкою також у місці перетинання екватора і Гринвіцького меридіана, одиниці вимірювання – метри.

Тривимірна сферична система координат– початок відлікуХіУз нульової точки в місці перетинання екватора і Гринвіцького меридіана, координатиХіУможуть мати як позитивні, так і негативні значення, для координатиZвідлік ведеться від геометричного центра еліпсоїда обертання.

Звичайно користувач має можливість вибору якого-небудь еліпсоїда і готової картографічної чи топографічної проекції, так само в деякі пакети ГІС входять функції створення користувальницьких систем координат і проекцій. При використанні стандартних проекцій і еліпсоїдів користувач має можливість переводити свої цифрові карти з однієї системи координат в іншу.

Координати точок у векторному представленні виміряються і подаються користувачу у визначеному форматі – шестидесятеричні градуси, десятичні градуси, метри з заданою кількістю знаків після коми. Для полігональних об’єктів визначаються крайні значення координат ХіУ, координати геометричного центра (центроїда) полігона. При растровому представленні просторових даних визначаються координати центральної точки комірки растра.

Вимірювання відстаней

Вимірювання відстаней може проводитися:

• за найкоротшою прямою з урахуванням чи без урахування сферичності земної поверхні (“по повітрю”);

• за заданим маршрутом з використанням точок повороту;

• за заданим маршрутом з урахуванням нерівностей рельєфу (“по землі”).

До складу більшості ГІС-пакетів входить спеціальний інструмент "Лінійка" чи "Рулетка", що дозволяє проводити вимірювання найкоротшою прямою або за складним маршрутом.

У складі растрових ГІС-пакетів вимірювання відстаней реалізовано у вигляді аналітичної функції Dіstance, яка дозволяє будувати карти полів рівної далекості комірок растра відносно одного чи декількох об’єктів. Вимірювання відстаней з урахуванням нерівностей рельєфу може бути реалізоване при спільному використанні карти поля рівних відстаней і цифрової моделі рельєфу.

Вимірювання довжин ліній і периметрів полігонів

Вимірювання довжини лінії чи периметра полігона багато в чому подібне до вимірювання відстаней між двома і більше точками. Процедура вимірювання довжини лінії чи периметра зазвичай реалізована у вигляді окремої функції (Object Lenght, Perіmeter), доступної при побудові просторових запитів (див. п. 7.3) або при виконанні розрахункових операцій у картографічних базах даних. За допомогою цієї функції можливий пошук лінійних об’єктів заданої довжини, а також автоматичне визначення довжини чи периметра в заданих одиницях вимірювання і поміщення результату в зазначене поле бази даних. Визначення довжин ліній і периметрів може виконуватися як з урахуванням, так і без урахування сферичності поверхні Землі.

Вимірювання довжин ліній у растровому представленні виконується через центри комірок, що містять відповідні ідентифікатори. Вимірювання виконується по вертикалі, горизонталі і діагоналі комірки; вертикальна і горизонтальна відстань дорівнює розміру сторони комірки растра, діагональна відстань збільшується на коефіцієнт 1,44, отримані довжини сумуються. Периметри растрових полігонів підраховуються за сумою вертикальних і горизонтальних сторін суміжних комірок растра з однаковими числовими значеннями.

Вимірювання площ

Вимірювання площі векторних і растрових полігонів виконується з використанням спеціальної функції Area. Вимірювання площі може виконуватися як з урахуванням, так і без урахування сферичності поверхні Землі. За допомогою цієї функції можливий пошук полігонів заданої площі, а також автоматичне визначення площі в заданих одиницях вимірювання і поміщення результату в зазначене поле бази даних.

Площі растрових полігонів підраховуються за сумою комірок растра з однаковими числовими значеннями. При відомій довжині сторони комірки растра сума комірок перераховується в площинні одиниці вимірювання.

Вимірювання об’ємів

Вимірювання об’ємів виконується з використанням цифрових моделей рельєфу (як GRІD, так і TІNверсій, див. п. 7.9). Користувач повинен задати рівень горизонтальної площини, що розсікає, в одиницях вимірювання цифрової моделі рельєфу. Найпростіші процедури вимірювання об’ємів визначають об’єми, обмежені земною поверхнею знизу чи зверху, які розміщені нижче чи вище площини, що розсікає. Звичайно цей спосіб використовується для визначення об’ємів води у водоймищах при різних рівнях заповнення. Так само широко поширені методи розрахунку об’ємів шляхом порівняння рівнів двох поверхонь, що характеризують геологічні чи ґрунтові шари.

У спеціалізованих інженерних системах для гірської промисловості чи будівництва реалізовані більш складні алгоритми розрахунку об’ємів. Тут можуть використовуватися площини, що розсікають, з ухилом чи кривизною, декілька площин, що розсікають, площини визначеної форми і розміру, що обмежують ділянку розрахунку (наприклад, для окремого будівельного майданчика чи ділянки дорожньої поверхні).