Пространственный анализ в системе ГИС

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

ТАШКЕНТСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

кафедра «ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по предмету: Геоинформационные системы на железнодорожном транспорте

Тема: Пространственный анализ в системе ГИС

Ташкент - 2020



Введение

Геоинформационная система (ГИС) -- система сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных (географических) данных и связанной с ними информацией о необходимых объектах.

Понятие геоинформационной системы также используется в более узком смысле -- как инструмента (программного продукта), позволяющего пользователям искать, анализировать и редактировать как цифровую карту местности, так и дополнительную информацию об объектах.

Структура ГИС:

Данные (пространственные данные):

- позиционные (географические): местоположение объекта на земной поверхности, его координаты в выбранной системе координат;

- непозиционные (атрибутивные, или метаданные) - описательные текстовые, электронные документы, данные графического типа, включая фотографии объектов, трехмерные изображения объектов, видеоматериалы и т.д.

Аппаратное обеспечение (ЭВМ, компьютерные сети, накопители, сканеры, дигитайзеры и т. д.);

Программное обеспечение (ОС, приложение и надстройки к нему);

Технологии (методы, порядок действий и т. д.);

Операторы, администраторы, пользователи.

Типичный набор функций ГИС

- ввод данных в машинную среду (data input) путем их импорта из существующих наборов цифровых данных или с помощью оцифровывания источников;

- преобразование или трансформация данных (data transformation), включая конвертирование данных из одного формата в другой, трансформацию картографических проекций, изменение систем координат;

- хранение, манипулирование и управление данными во внутренних и внешних базах данных;

- картометрические операции (см. картометрия), включая вычисление расстояний между объектами в проекции карты или на эллипсоиде, длин кривых линий, периметров и площадей полигональных объектов;

- операции обработки данных геодезических измерений (COGO);

- операции оверлея (наложение);

- операции "картографической алгебры" (map algebra) для логико-арифметической обработки растрового слоя как единого целого;

- пространственный анализ (spatial analysis) - группа функций, обеспечивающих анализ размещения связей и иных пространственных отношений объектов, включая анализ зон видимости/невидимости, анализ соседства (см. анализ близости), анализ сетей, создание и обработку цифровых моделей рельефа, анализ объектов в пределах буферных зон и др.;

- пространственное моделирование или геомоделирование (spatial modeling, geo-modeling), включая операции, аналогичные используемым в математико-картографическом моделировании и картографическом методе исследования;

- визуализация исходных, производных или итоговых данных и результатов обработки, включая картографическую визуализацию, проектирование и создание (генерацию) картографических и иных пространственных изображений, включая трехмерные;

- вывод данных (data output) - графической, табличной и текстовой документации, в том числе ее тиражирование, документирование, или генерацию отчетов (reporting);

- обслуживание процесса принятия решений (decision making)

Дополнительный набор функций:

- цифровая обработка изображений (данных дистанционного зондирования);

- средства экспертных систем;

- средства настройки на требования пользователя (customization);

- средства расширения функциональных возможностей ГИС:

- встроенные макроязыки (макросы);

- инструментарии разработчика (developer's toolkit).

Как работает ГИС?

Каждому пространственному объекту соответствует запись в базе данных с набором атрибутивной информации. ГИС хранит информацию в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою ценность при решении разнообразных реальных задач.

Примеры слоев:

Населенные пункты

Гидротехнические сооружения (шлюзы, каналы, насосные станции, дамбы)

Мосты

ЛЭП

Газопроводы

Заповедные территории (местного, национального и международного значения)

Сельхозугодья (пашни, сады, виноградники, пастбища, рисовые чеки)

Земли водного, лесного, природоохранного и с/х назначения

Растительный покров (плавни, леса)

Административное деление, государственная граница

Водотоки (реки, протоки, малые реки)

Водоемы (озера, рыбпруды и т.д.)

Рельеф

Векторная и растровая модели данных

ГИС может работать с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми. Обе модели имеют свои преимущества и недостатки. Современные ГИС могут работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных.

В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат X,Y (в современных ГИС часто добавляется третья пространственная и четвертая, например, временная координата). Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств (например, плотность населения).

Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами (описывает непрерывные объекты и явления). Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек), оно подобно отсканированной карте или картинке.

Информационно-справочные задачи:

ГИС позволяют просматривать любой участок любой карты из имеющейся базы данных (БД) и получить доступ к информации, связанной с объектами на данном участке карты.

Пространственный анализ и моделирование:

Класс наиболее сложных, но, в то же время, и наиболее полезных для поддержки принятия решений задач, например, моделирование различных внештатных ситуаций и прогнозирование экологических и социальных последствий аварий.



1. О системе ГИС. Пространственный анализ

Пространственный анализ или пространственная статистика включает в себя какой - либо из формальных методов, которые изучают объекты, используя их топологические, геометрические или географические свойства.

Пространственный анализ включает в себя различные методах, многие до сих пор в их ранних стадиях развития, используя различные аналитические подходы и применяются в таких разнообразных областях, как астрономия, с его исследованиями размещения галактик в космосе, для изготовления чипа инженерии, с его использованием «место и маршрут» алгоритмы для построения сложных монтажных конструкций. В более узком смысле, пространственный анализ представляет собой метод применяется к структурам в человеческом масштабе, прежде всего в анализе географических данных.

Сложные проблемы возникают в пространственном анализе, многие из которых не являются ни четко определены и не полностью решены, но служат основой для современных исследований. Самым фундаментальным из них является проблема определения пространственного положения субъектов изучаемой.

Классификация методов пространственного анализа затруднено из-за большого числа различных областей исследований, участвующих, различные фундаментальные подходы, которые могут быть выбраны, и многие формы данные могут принимать.

Некоторые примеры пространственного анализа

Пространственный анализ - это произведение вычислительных операций над геоданными с целью извлечения из них дополнительной информации. Обычно пространственный анализ выполняется в ГИС-приложениях.

ГИС-приложения имеют специализированные инструменты пространственного анализа для статистики объектов (например, определяет, из скольких вершин состоит полилиния) или для геообработки (например, интерполяция). Используемые инструменты зависят от области применения. Специалисты, занятые в сфере водопользования и гидрологии, больше заинтересованы в анализе рельефа с целью моделирования водного стока. Экологи используют аналитические функции, помогающие выявить взаимоотношения между территориями дикой природы и освоенными областями. Каждый пользователь сам определяет используемые инструменты в зависимости от того, какие проблемы ему нужно решить.

Подробнее о пространственной интерполяции:

Рисунок 1. Карта температур ЮАР, созданная методом интерполяции на основе данных с метеостанций

геоинформационный программный пространственный интерполяция

Использование известных значений той или иной величины в определенных точках для оценки неизвестных значений в неизвестных точках называется пространственной интерполяцией. Например, создавая карту температур какой-либо страны, Вы не найдете достаточно метеостанций, равномерно распределенных по ее территории. Пространственная интерполяция помогает оценить температуры на всей территории, используя существующие данные, взятые с метеостанций (см. Рисунок 1). Результат такой интерполяции часто называют статистической поверхностью. Модели рельефа, карты осадков и накопления снега, а также карты плотности населения - вот некоторые примеры результатов пространственной интерполяции.

Из-за высокой стоимости и ограниченности времени и ресурсов сбор данных обычно производится на ограниченном количестве точек. В ГИС, интерполяция полученных значений позволяет построить растровое изображение, значения пикселей которого являются оценочными значениями, полученными на основе данных точек.

Например, чтобы создать цифровую модель рельефа на основе высотных данных, собранных с помощью GPS-устройства в определенных точках, выбирается метод интерполяции, подходящий для оптимальной оценки высоты в тех точках, где данные отсутствуют. Полученная модель может быть использована для проведения анализа или как основание для другой модели.

Существует целый ряд методов интерполяции. В этом разделе мы расскажем о двух широко используемых методах:

IDW (англ. Inverse Distance Weighting, рус. Обратное Взвешенное Расстояние) и TIN (англ. Triangulated Irregular Networks, рус. Нерегулярная Триангуляционная Сеть). Если Вы хотите узнать больше о других методах интерполяции, просим Вас обратиться к источникам, указанным в рубрике «Дополнительная информация».

IDW - Обратное Взвешенное Расстояние

Метод интерполяции IDW заключается в том, что происходит взвешивание точек таким образом, что влияние известного значения точки затухает с увеличением расстояния до неизвестной точки, значение которой надо определить (см. Рисунок 2).



Рисунок 2. Метод интерполяции IDW, основанный на взвешенном расстоянии от точек сбора данных (слева). Итоговая поверхность рельефа создана методом IDW-интерполяции на основе точечного слоя с атрибутом высоты над уровнем моря. Источник изображения: Mitas, L., Mitasova, H. (1999)

Взвешивание присваивается точкам сбора данных на основе коэффициента взвешивания, который контролирует, как воздействие точки будет уменьшаться с увеличением расстояния до этой точки. Чем выше коэффициент взвешивания, тем меньше будет эффект, оказываемый точкой, если она будет далеко от неизвестной точки, значение которой определяется в ходе интерполяции. По мере возрастания коэффициента значение неизвестной точки будет приближаться к значению ближайшей точки сбора данных.

Важно отметить, что метод интерполяции IDW также имеет некоторые недостатки. Качество результата может снизиться, если распределение точек сбора данных носит неравномерный характер. Кроме этого, максимальные и минимальные значения интерполированной поверхности могут быть зафиксированы только в точках сбора данных. Это часто приводит к небольшим пикам и углублениям вокруг этих точек, как можно видеть на Рисунке 2.

В ГИС, результат интерполяции показан как двумерный растровый слой. На Рисунке 3 Вы можете видеть типичный результат IDW-интерполяции, основанной на точках высот, собранных на местности с помощью GPS-устройства.

Рисунок 3. Результат IDW-интерполяции на основе случайно распределенных точек сбора данных о высотах (показаны черными крестиками)

TIN - Нерегулярная Триангуляционная Сеть

Интерполяция методом TIN - еще один инструмент, популярный в среде ГИС. Распространенный алгоритм TIN называется триангуляцией Делоне. Он создает поверхность, состоящую из треугольников, формируемых ближайшими точками. Для этого вокруг точек сбора данных проводятся окружности, и их пересечения соединяются в сеть компактных треугольников, примыкающих друг другу без пересечений и разрывов (см. Рисунок 4).



Рисунок 4. Триангуляция Делоне с окружностями, проведенными вокруг точек сбора данных (красные точки). Итоговая поверхность рельефа создана методом TIN-интерполяции на основе точечного слоя с атрибутом высоты над уровнем моря. Источник изображения: Mitas, L., Mitasova, H. (1999)

Главный недостаток метода TIN в том, что итоговая поверхность выглядит не гладкой, а весьма угловатой. Это вызвано тем, что получаемые уклоны носят прерывистый характер, т.е. имеют перепады в местах стыковки составляющих треугольников. Кроме того, триангуляция работает только между точками сбора данных, но не вокруг, и нерегулярность точек ведет к неожиданным результатам (см. Рисунок 5).



Рисунок 5. Триангуляция Делоне на основе нерегулярных точек сбора данных об осадках

О чем стоит помнить:

Важно помнить, что не существует такого метода интерполяции, который подходил бы ко всем ситуациям. Некоторые обеспечивают более точный результат, но требовательны к вычислительным ресурсам компьютера и исполняются дольше. У всех есть достоинства и недостатки. Выбор определенного метода интерполяции зависит от особенностей входных данных, требуемого типа итоговой поверхности и уровня допустимых ошибок оценки величин. В целом, рекомендуется производить три этапа оценки:

Оценить входные данные с точки зрения пространственного распределения точек и подумать о том, какой характер носит распределение моделируемой величины (плавный, сконцентрированный вокруг точек и др.). Это поможет определить подходящий метод интерполяции.

Рассмотреть задачу и найти метод, который подходит наилучшим образом. Если есть сомнения, можно попробовать несколько методов.

Сравнить результаты и выбрать лучший результат, а следовательно - самый подходящий метод.

Поначалу этот процесс будет выглядеть сложным, но по мере приобретения опыта работы с разными методами интерполяции время, необходимое для генерации подходящей поверхности, сильно сократится.

Пространственные запросы

В таблице GDB_Items имеется столбец геометрии, в котором хранятся экстенты классов пространственных объектов, хранящихся в базе геоданных. Поскольку тип данных этого столбца является пространственным типом, который можно запрашивать, используя SQL запросы, вы можете использовать SQL для выполнения пространственных запросов к таблице, чтобы найти, какие классы пространственных объектов пересекают указанную область поиска.

Геометрия экстента каждого класса пространственных объектов имеет пространственную привязку WGS 84 независимо от имеющейся пространственной привязки класса пространственных объектов. Следовательно, любой запрос к геометрии должен быть построен с учетом пространственной привязки WGS 84.

Следующий пример показывает, как находить имена классов пространственных объектов, которые попадают в область поиска. Заметьте, что в этом примере используется полигон и оператор пересечений, но и другие типы геометрии и другие операторы отношений также могут использоваться.

--Queries a dbo-schema geodatabase in SQL Server

-- Defines the extents of the search area.

-- VARCHARs are used rather than FLOATs to reduce casting.

DECLARE @MAX_X VARCHAR(3);

DECLARE @MIN_X VARCHAR(3);

DECLARE @MAX_Y VARCHAR(2);

DECLARE @MIN_Y VARCHAR(2);

SET @MAX_X = '-85';

SET @MIN_X = '-86';

SET @MAX_Y = '33';

SET @MIN_Y = '32';

-- Create a polygon for the search area.

-- 4326 is the spatial reference ID for WGS84 in the SQL Server system table.

DECLARE @WKT_CONST nvarchar(max);

DECLARE @SEARCH_AREA GEOMETRY;

SET @WKT_CONST = 'POLYGON ((' +

@MIN_X + ' ' + @MIN_Y + ', ' +

@MAX_X + ' ' + @MIN_Y + ', ' +

@MAX_X + ' ' + @MAX_Y + ', ' +

@MIN_X + ' ' + @MAX_Y + ', ' +

@MIN_X + ' ' + @MIN_Y + '))';

SET @SEARCH_AREA =GEOMETRY::STPolyFromText(@WKT_CONST, 4326);

-- Find the classes that intersect the extent.

SELECT Name FROM dbo.GDB_ITEMS

WHERE Shape.STIntersects(@SEARCH_area) = 1

Топологический анализ

Топология - это набор правил, которые вместе с инструментами и технологиями редактирования позволяют более точно моделировать геометрические отношения в базе геоданных. В ArcGIS топология обеспечивается через набор правил, которые определяют, как пространственные объекты взаморасполагаются в географическом пространстве, а также через набор инструментов редактирования, одинаковым образом применяющиеся к объектам с общей геометрией. Топология хранится в базе геоданных как одно или несколько отношений, определяющих, как пространственные объекты одного или нескольких классов пространственных объектов используют общую геометрию. Участвующие в топологии пространственные объекты относятся к простым классам пространственных объектов -- топология не изменяет определение класса пространственных объектов, а сама служит описанием пространственных отношений этих объектов.

В течение долгого времени, топология была ключевым элементом ГИС, служащим для управления данными и контролем над их целостностью. В целом, модель топологических данных управляет пространственными отношениями путем представления пространственных объектов (точечных, линейных и площадных объектов) в виде схем топологических примитивов - узлов, граней и ребер. Эти примитивы, взаимоотношения между ними, а также с объектами, чьи границы они представляют, определяются отображением геометрии пространственных объектов в графе топологических элементов. (Рисунок 6)

Рисунок 6

Топология используется в основном для контроля качества данных с пространственными отношениями, а также помогает при их компиляции. Во многих случаях, топология также применяется для анализа пространственных взаимоотношений - например, чтобы убрать границы между соседними полигонами, имеющими одинаковые атрибутивные значения, или для прокладывания пути по сети элементов топологического графа.

Топология также используется для моделирования интеграции геометрии между несколькими различными классами пространственных объектов. Иногда это называют вертикальной интеграцией классов пространственных объектов.

Пространственные объекты могут совместно использовать геометрию внутри топологии. Ниже приведены примеры смежных пространственных объектов:

Площадные объекты могут использовать общие границы (полигональная топология).

Линейные объекты могут использовать общие конечные точки (топология ребер и узлов).

Кроме того, общая геометрия может использоваться между классами пространственных объектов с помощью топологии базы геоданных.

Например:

Линейные пространственные объекты могут иметь общие сегменты.

Площадные объекты могут совмещаться с другими площадными объектами. Например, земельные участки могут могут складываться в кварталы.

Линейные пространственные объекты могут иметь вершины, совпадающие с точечными объектами (узловая топология).

Точечные объекты могут совмещаться с линейными (точечные события).

Измерение

Используя карту, вы можете измерить площадь полигона, длину линии или найти координат точки. Map Viewer вычисляет кратчайшее расстояние(используя геодезическое измерение на основе эллипсоида), даже если данные в системе координат проекции. Перед выполнением каждого измерения и после него можно изменить единицы измерения по умолчанию. (Рисунок 7)

- Для измерения расстояний и определения позиций точек, откройте окно Измерения с помощью Меню > Измерения.

Рисунок 7

- Если модель геоассоциирована, то координаты GPS, также как и высота, указаны в выбранной системе координат, а расстояния указаны в метрах; в противном случае расстояния и позиции будут относиться к системе координат трехмерной модели. (Рисунок 8)



Рисунок 8

- Можно изменить систему координат, нажав на параметры окна Измерения и выбрав «Система координат...» (см. снимок экрана ниже Рисунок 9).

Рисунок 9

Во время измерения может возникнуть ситуация, когда измеряемый объект не содержится полностью в текущем экстенте карты; например, улица или участок может быть длиннее его видимой части. Чтобы переместить карту во время измерения, не изменяя общее расстояние или площадь, нажмите левую кнопку мыши (или другой такой же тип навигации) в процессе перемещения карты в нужном направлении. Для удаления измерения щелкните на карте.

Комбинация

Приведенные ниже описания в определенной степени зависят от условий конкретной сцены (район, сезон и т.д.), но являются достаточно универсальными.

Если у вас есть хорошие примеры иллюстрирующие приведенные комбинации каналов или наоборот исключения из этих правил, пожалуйста, присылайте, мы добавим их к примерам на этой странице. Или сами добавьте, если вы - участник проекта GIS-LAB и хоть немного понимаете в Wiki-разметке.

Пример 1 - окрестности к СВ от г. Хабаровска (где именно), пример 2 - то же, южнее Хабаровска (где именно), пример 3 - Томь-Обское междуречье (где именно), спутник Landsat 7, тайлы LE71480202003144ASN00 и LE71480212003144ASN00 от 14 апреля 2003 г. Нажмите на картинку с изображением чтобы посмотреть увеличенную версию.

Подробнее о примере 3. На данной территории (расположенной в зоне южной подтайги Западной Сибири) имеются объекты, хорошо различимые в разных сочетаниях каналов:

а) крупный город (Томск, справа) и множество сёл;

б) таёжный массив (частично коренной, частично - вторичный) в центре (это лесхоз), а также отдельные леса, преимущественно елово-сосново-пихтового состава, с примесью или массивами сосны сибирской, смешанные или нет; равно как и множество лиственных массивов - берёза, осина; в поймах рек - заросли ивы;

в) разные типы сельхозугодий: луга-покосы, огороды и поля (б.ч. кормовые зерновые и бобовые, картофель);

г) 2 крупных реки и множество мелких речек и стариц, а также много мелких таёжных (обычно проточных) озёр;

д) практически отсутствуют почвенные обнажения и выходы скальных пород;

е) слева имеется маленькое облачко, не менее полезное для сравнения.

К указанной дате снег на данной территории б.ч. сходит, но Обь (как подсказывает Яндекс про этот год) была ещё во льду, тогда как на Томи, возможно, уже начался ледоход.

Технические детали по примеру № 1: нижняя часть является описываемой комбинацией каналов с растяжением контраста, верхняя - везде комбинация 3-2-1 без растяжения.

Табл. 1

Комбинация Landsat 5,7	Комбинация Landsat 8	Возможная информация
4,3,2	5,4,3	Стандартная комбинация «искусственные цвета». Растительность отображается в оттенках красного, городская застройка - зелено-голубых, а цвет почвы варьируется от темно до светло коричневого. Лед, снег и облака выглядят белыми или светло голубыми (лед и облака по краям). Хвойные леса будут выглядеть более темно-красными или даже коричневыми по сравнению с лиственными. Эта комбинация очень популярна и используется, главным образом, для изучения состояния растительного покрова, мониторинга дренажа и почвенной мозаики, а также для изучения агрокультур. В целом, насыщенные оттенки красного являются индикаторами здоровой и (или) широколиственной растительности, в то время как более светлые оттенки характеризуют травянистую или редколесья/кустарниковую растительность.
3,2,1	4,3,2	Комбинация «естественные цвета». В этой комбинации используются каналы видимо диапазона, поэтому объекты земной поверхности выглядят похожими на то, как они воспринимаются человеческим глазом. Здоровая растительность выглядит зеленой, убранные поля - светлыми, нездоровая растительность - коричневой и желтой, дороги - серыми, береговые линии - белесыми. Эта комбинация каналов дает возможность анализировать состояние водных объектов и процессы седиментации, оценивать глубины. Также используется для изучения антропогенных объектов. Вырубки и разреженная растительность детектируются плохо, в отличие от комбинации 4-5-1 или 4-3-2. Облака и снег выглядят одинаково белыми и трудноразличимы. Кроме того, трудно отделить один тип растительности от другого. Эта комбинация не позволяет отличить мелководье от почв в отличие от комбинации 7-5-3.
7,4,2	7,5,3	Эта комбинация дает изображение близкое к естественным цветам, но в тоже время позволяет анализировать состояние атмосферы и дым. Здоровая растительность выглядит ярко зеленой, травянистые сообщества - зелеными, ярко розовые участки детектируют открытую почву, коричневые и оранжевые тона характерны для разреженной растительности. Сухостойная растительность выглядит оранжевой, вода- голубой. Песок, почва и минералы могут быть представлены очень большим числом цветов и оттенков. Эта комбинация дает великолепный результат при анализе пустынь и опустыненных территорий. Кроме того, может быть использована для изучения сельскохозяйственных земель и водно-болотных угодий. Сгоревшие территории будут выглядеть ярко красными. Эта комбинация используется для изучения динамики пожаров и пост-пожарного анализа территории. Городская застройка отображается в оттенках розово-фиолетового, травянистые сообщества - зелеными и светло зелеными. Светло зеленые точки внутри городских территорий могут быть парками, садами или полями для гольфа (актуально для России :)). Оливково-зеленый цвет характерен для лесных массивов и более темный цвет является индикатором примеси хвойных пород.
4,5,1	5,6,2	Здоровая растительность отображается в оттенках красного, коричневого, оранжевого и зеленого. Почвы могут выглядеть зелеными или коричневыми, урбанизированные территории - белесыми, серыми и зелено-голубыми, ярко голубой цвет может детектировать недавно вырубленные территории, а красноватые - восстановление растительности или разреженную растительность. Чистая, глубокая вода будет выглядеть очень темно синей (почти черной), если же это мелководье или в воде содержится большое количество взвесей, то в цвете будут преобладать более светлые синие оттенки. Добавление среднего инфракрасного канала позволяет добиться хорошей различимости возраста растительности. Здоровая растительность дает очень сильное отражение в 4 и 5 каналах. Использование комбинации 3-2-1 параллельно с этой комбинацией позволяет различать затопляемые территории и растительность. Эта комбинация малопригодна для детектирования дорог и шоссе.
4,5,3	5,6,4	Эта комбинация ближнего, среднего ИК-каналов и красного видимого канала позволяет четко различить границу между водой и сушей и подчеркнуть скрытые детали плохо видимые при использовании только каналов видимого диапазона. С большой точностью будут детектироваться водные объекты внутри суши. Эта комбинация отображает растительность в различных оттенках и тонах коричневого, зеленого и оранжевого. Эта комбинация дает возможность анализа влажности и полезны при изучении почв и растительного покрова. В целом, чем выше влажность почв, тем темнее она будет выглядеть, что обусловлено поглощением водой излучения ИК диапазона.
7,5,3	7,6,4	Эта комбинация дает изображение близкое к естественным цветам, но в тоже время позволяет анализировать состояние атмосферы и дым. Растительность отображается в оттенках темно и светло зеленого, урбанизированные территории выглядят белыми, зелено-голубыми и малиновыми, почвы, песок и минералы могут быть очень разных цветов. Практически полное поглощение излечения в среднем ИК-диапазоне водой, снегом и льдом позволяет очень четко выделять береговую линию и подчеркнуть водные объекты на снимке. Горячие точки (как, например, кальдеры вулканов и пожары) выглядят красноватыми или желтыми. Одно из возможных применений этой комбинации каналов - мониторинг пожаров. Затопляемые территории выглядят очень темно синими и почти черными, в отличие от комбинации 3-2-1, где они выглядят серыми и плохо различимы.
5,4,3	6,5,4	Как и комбинация 4-5-1 эта комбинация дает дешифровщику очень много информации и цветовых контрастов. Здоровая растительность выглядит ярко зеленой, а почвы - розовато-лиловыми. В отличие от 7-4-2, включающей 7 канал и позволяющей изучать геологические процессы, эта комбинация дает возможность анализировать сельскохозяйственные угодья. Эта комбинация очень удобна для изучения растительного покрова и широко используется для анализа состояния лесных сообществ.
5,4,1	6,5,2	Комбинация похожа на 7-4-2, здоровая растительность выглядит ярко зеленой, за исключением того, что эта комбинация лучше для анализа сельскохозяйственных культур.
7,5,4	7,6,5	Эта комбинация не включает ни одного канала из видимого диапазона, и обеспечивает оптимальный анализ состояния атмосферы. Береговые линии четко различимы. Может быть использован для анализа текстуры и влажности почв. Растительность выглядит голубой.
5,3,1	6,4,2	Эта комбинация показывает топографические текстуры, в то время как 7-3-1 позволяет различить горные породы.

Изменения

Редактирование контура объекта становится удобнее, благодаря изменениям в интерфейсе (Рисунок 9-10):

изменено расположение элементов интерфейса;

удалена кнопка «Заполнить». Вместо нее появились две новые кнопки:

«Установить выбранным» -- позволяет сместить выбранные ребра на одинаковое расстояние;

«Установить всем» -- позволяет сместить все ребра на одинаковое расстояние;

удалена кнопка «Показать на карте»;

значение отступа в ячейку вводится по щелчку левой кнопкой мыши;

поле [Основное значение] переименовано на [Отступ (м)], по умолчанию для всех ребер установлено значение 3;

нажатие клавиши [Esc] закрывает диалог, не сохраняя изменения.

Рисунок 9

Рисунок 10

Анализ территории

При создании карты ГИС интегрируют самую различную информацию - данные многих форматов, включая шейп-файлы, покрытия, таблицы, файлы форматов САПР, рисунки, изображения. Типовой набор ГИС-инструментов включает создание слоев пространственной информации по исследуемой территории, визуализацию, редактирование, комбинирование и анализ слоев информации, создание и редактирование легенд и таблиц атрибутивных данных (например, высота зданий, тип дорожного покрытия, вид растительности и т.д.), построение диаграмм, оформление компоновок карт. Использование ГИС также обеспечивает традиционный анализ таблиц: запросы, сортировки, выборки.

В целом пользователь получает мощный инструмент по визуализации результатов и выполнению пространственных запросов. Очень удобно, перемещаясь курсором по записям в таблице, сразу отображать на карте объект, соответствующий текущей записи. Используя механизм создания тематических карт, можно составлять любые картограммы - типов почв, видов растительности и т.д. Выделение цветом по тем или иным параметрам позволяет сразу увидеть критические места на изучаемой территории, например, выброс загрязняющих веществ, свалки отходов и т.д. Пространственный анализ включает базовые функции пространственного анализа, такие как построение буферных зон, определение близости, запрос на отображение области и расчет ее площади по координатам, измерение расстояний.

2. Типовые ГИС-задачи

В отличие от систем автоматизированного картографирования ГИС обладают развитыми возможностями выполнения пространственного компьютерного анализа территории. Типовые компьютерные задачи по анализу территории, решаемые ГИС, можно сгруппировать следующим образом:

Автоматизированное отображение позиции геообъекта на местности. ГИС размещает заданный географический объект на местности согласно введенным в компьютер данным по географическим координатам - географической широте и долготе с учетом географической проекции. Например, карта пунсонов населенных пунктов по административным областям Республики Беларусь.

Автоматизированное построение тематических ГИСкартограмм по значениям атрибутов геообъектов. ГИС выполняет автоматизированное построение тематических картограмм по любым 27 значениям как всех, так и выбранных геообъектов. Например, автоматизированное построение масштабируемых пунсонов городов в зависимости от общей численности населения в них.

Автоматизированное построение тематических ГИС-карт характеристик плотности в виде изолиний или непрерывных гридповерхностей. Например, построение карт плотности населения по административным районам.

Автоматизированный расчет расстояний, площадей, периметров, буферных зон геообъектов. Например, расчет площадей земельных участков, их периметров, ширины водоохранной зоны.

Автоматизированный поиск места по критериям для размещения любого техногенного объекта. ГИС выполняет автоматизированное сложение и вычитание полигонов, позволяющее шаг за шагом оценивать по установленному списку критериев условия местности. Например, поиск места для размещения кирпичного завода или электростанции.

Автоматизированное построение моделей рельефа с выделением водосборных территорий, расчетов уклонов, экспозиций, отмывок.

Автоматизированные расчеты маршрутов передвижения всех видов транспортных средств с отслеживанием позиции в режиме реального времени.

Классификация состояния территории по поверхностям, например по растровым моделям, космоснимкам. Обобщая, можно сказать, что создание ГИС позволяет решать несколько классов задач.

Первым наиболее распространенным классом задач являются информационно-справочные задачи, которые позволяют осуществлять поиск и уточнение местоположения и характеристик интересующих геообъектов.

Второй класс - это задачи анализа, моделирования и прогнозирования природных и техногенных процессов. Решение этих задач позволит в удобной и наглядной картографической форме (на мониторе или на бумажном носителе) получать обобщенную или детализированную информацию. Примерами компьютерного моделирования могут быть карты зонирования (например, урожайности сельскохозяйственных культур или др.) или моделирование зон затопления при очень высоком уровне воды в реке, моделирование аварийных разливов и их влияние на объекты инженерно-транспортной инфраструктуры в зоне возможного затопления и многие другие.

Статистика определения

Функция Статистика и гистограмма используется для определения статистики и гистограммы растра. Вы можете вставить эту функцию в конце шаблона обработки для описания статистики и гистограммы обработки. Может быть необходимо управлять отображением по умолчанию результата обработки, особенно при определении шаблона обработки, который содержит множество функций.

Вы можете определить статистику, введя числа или посредством импорта из растровых данных или файла XML. Гистограммы могут быть определены только посредством импорта файла.

Для данной функции существуют три параметра:

Входной растр - Входной растр, для которого необходима функция Статистика и гистограмма.

Определение статистики и гистограммы - Устанавливает значения статистики для каждого канала. Столбец гистограммы представляет собой поле только для чтения, которое может быть заполнено с помощью параметра импорта. Если вы импортируете файл гистограммы, то столбец гистограммы будет помечен как Определено.

Импорт статистики и гистограммы из файла - Импортирует информацию статистики и гистограммы из существующего растра или файла XML.

Приложение

Подобно тому, как мы пользуемся текстовым редактором для работы с наборами слов и подготовки документов, мы можем использовать ГИС-приложение для работы с наборами пространственной информации на компьютере. ГИС расшифровывается как «Географическая Информационная Система». Любая ГИС состоит из следующих взаимосвязанных компонентов:

Цифровые данные - географическая информация, которую Вы просматриваете и анализируете, используя аппаратное и программное обеспечение.

Аппаратное обеспечение - компьютеры, используемые для хранения, отображения и обработки данных.

Программное обеспечение - компьютерные программы, исполняемые на аппаратном обеспечении и позволяющие работать с цифровыми данными. Программное обеспечение, являющееся частью геоинформационной системы, называется ГИС-приложением.

С ГИС-приложением Вы можете открывать цифровые карты на своем компьютере, создавать новую пространственную информацию и добавлять ее на карту, подготавливать карты для печати, отвечающие Вашим потребностям, и выполнять пространственный анализ(Рисунок 11).



Рисунок 11. Пример, показывающий записи о пациентах в ГИС-приложении. Легко увидеть, что пациенты, больные корью, живут близко друг от друга

Вы можете видеть пример того, как выглядит ГИС-приложение, выше на Рисунке 2. ГИС-приложения - это компьютерные программы с графическим пользовательским интерфейсом, управляемым мышью и клавиатурой. Приложение содержит главное меню в верхней части окна («Файл», «Редактирование» и др.), которое при нажатии мышью показывает соответствующие командные панели. Команды предоставляют возможность сообщить ГИС-приложению, что именно Вы хотите сделать. Например, Вы можете использовать меню для отправки команды на добавление нового слоя в список отображения.



Рисунок 12. Меню приложения, открываемое мышью, показывает набор опций, каждая из которых является выполняемой командой

Панели инструментов (ряды небольших иконок с командами, которые могут быть запущены кликом мыши) обычно располагаются прямо под главным меню и предоставляют быстрый доступ к наиболее часто используемым функциям.

Рисунок 13. Панели инструментов обеспечивают быстрый доступ к часто используемым функциям

Наведение указателя на иконку обычно вызывает всплывающую подсказку с описанием соответствующей функции.

Часто используемая функция ГИС-приложения - отображение картографических слоев. Картографические слои хранятся в виде файлов на диске или внутри базы данных. Обычно каждый картографический слой соответствует конкретным объектам реального мира, например слой дорог показывает дорожную сеть.

3. Визуальное описание способов участия

Как можно дешифрировать космоснимки в ArcGIS. Создание классификаций

Классификация изображений - это процесс извлечения классов информации из многоканального растрового изображения. Растр, полученный в результате классификации изображения, можно использовать для создания тематических карт. В зависимости от характера взаимодействия аналитика с компьютером в процессе классификации, различают два типа классификации изображений: классификацию с обучением и классификацию без обучения.

В группе инструментов Многомерный анализ (Multivariate) ArcGIS Spatial Analyst содержится полный набор инструментов для классификации с обучением и без обучения (см. Обзор группы инструментов Многомерность). Процесс классификации - это многошаговый рабочий процесс, поэтому предусмотрена специальная панель инструментов Классификация изображений (Image Classification), обеспечивающая интегрированную среду классификации с использованием различных инструментов.

Панель инструментов служит не только для выполнения рабочего процесса классификации с обучением и без обучения, но и предоставляет дополнительные функции для анализа входных данных, создания обучающих выборок и файлов сигнатур, а также оценки качества обучающих выборок и файлов сигнатур. Для выполнения классификации и многомерного анализа рекомендуется использовать панель инструментов Классификация изображений (Image Classification).

В примере ниже панель инструментов Классификация изображений (Image Classification) использована для классификации снимка, сделанного спутником Landsat TM.

Исходный спутниковый снимок - это четырехканальный снимок спутника Landsat TM на территорию северной части г. Цинциннати, штат Огайо (Рисунок 14).

Рисунок 14. Входной снимок Landsat TM

С помощью панели инструментов в спутниковом снимке были выделены пять классов землепользования:

Коммерческое/Промышленное (Commercial/Industrial), Жилое (Residential), Пашни (Cropland), Леса (Forest) и Пастбища (Pasture)(Рисунок 15).



Рисунок 15. Обучающие выборки

Качество обучающих выборок было проанализировано с помощью инструментов оценки обучающих выборок в Менеджере обучающих выборок (Training Sample Manager) (Рисунок 16).

Рисунок 16. Оценка обучающих выборок

С помощью панели инструментов Классификация изображений (Image Classification) и Менеджера обучающих выборок (Training Sample Manager) было установлено, что обучающие выборки являются репрезентативными и статистически различимыми. Поэтому с помощью панели инструментов была выполнена классификация по методу максимального правдоподобия. После очистки классифицированного изображения была получена окончательная карта землепользования, показанная ниже (Рисунок 17).

Рисунок 17. Выходная классифицированная карта землепользования

Геопространственный анализ в ArcGIS.

Геоинформационный анализ - анализ размещения, структуры, взаимосвязей объектов и явлений с использованием методов пространственного анализа и геомоделирования. Пространственный анализ - группа функций, обеспечивающих анализ размещения, связей и иных пространственных отношений пространственных объектов, включая анализ зон видимости, анализ 10 соседства, анализ сетей, создание и обработку цифровых моделей рельефа, пространственный анализ объектов в пределах буферных зон и др.

Геомоделирование (геоинформационное моделирование) - творческий процесс создания компьютерной имитационной модели пространственных объектов, процессов или явлений, а также изучение взаимосвязей между ними с использованием геоинформационных систем. В соответствии с функциональной классификацией ГИС выделяют специализированное программное обеспечение для проведения геоинформационного анализа и моделирования, а также базовое программное обеспечение, которым обладают большинство современных ГИС.

Несмотря на кажущуюся, на первый взгляд, сложность пространственного анализа и моделирования, совершенно любой потребитель геоинформации осуществляет эти операции с использованием как встроенных в ГИС функций, так и с использованием собственных, обладающих спецификой команд, операций, запросов или программных приложений. Наиболее простыми примерами пространственного анализа являются определение местоположения или оптимального маршрута до интересующего пользователя объекта. При поиске товара или услуги пользователи справочно-картографических систем часто осуществляют пространственный анализ с определением близлежащих к ним поставщиков или тех поставщиков, которые находятся в наиболее привлекательной транспортной доступности.

Виды геоинформационного анализа

Основными видами геоинформационного анализа являются: функции работы с базами пространственных и атрибутивных данных, геокодирование, картометрические функции, создание моделей поверхностей, построение буферных зон, оверлейновые операции, сетевой анализ, агрегирование данных, зонирование, специализированный анализ.

а) Функции работы с базами пространственных и атрибутивных данных:

? Редактирование структуры базы данных;

? Ввод данных, обновление, редактирование, генерация производной информации на основе выполненного пространственного анализа, моделирования, пространственных и атрибутивных запросов;

? Поиск (выборка) объектов по определенному условию (критерию);

? Формирование и редактирование данных;

? Анализ и автоматическая корректура топологической корректности пространственных данных (определение самопересечений, наложений площадных объектов, пустот между объектами, недоводов линейных объектов, избыточных узлов и т. п.);

б) Геокодирование - метод и процесс позиционирования пространственных объектов относительно некоторой системы координат и 11 их атрибутов, осуществляемый путем установления связей между непространственными базами данных и позиционной частью БД ГИС.

Таким образом, геокодирование заключается в привязке к карте объектов, расположение которых в пространстве задается сведениями из таблиц баз данных.

Простейшим геокодированием является отображение на электронной карте одним символом объектов, удовлетворяющих запросу, который задал пользователь для их атрибутивной базы данных. Примером может служить адресная привязка объектов к карте по определенным атрибутам из базы данных. Более сложное геокодирование может выполняться с использованием больших баз данных, информация из которых привязывается к электронной карте и отображается на ней в определенных условных обозначениях.

В качестве одного из примеров можно привести модель территориального распределения поступивших в СГГА абитуриентов города Новосибирска.

Адреса фактического проживания поступивших в академию студентов были использованы как исходная информация для составления модели. В геоинформационной системе на территорию города Новосибирска было выполнено геокодирование адресной информации и, по полученным данным, составлены схемы распределения плотности студентов в городе.

Из анализа распределения места жительства в городе поступивших в академию студентов следует, что подавляющее большинство - это жители Ленинского и Кировского районов. Чаще всего из районов правобережья поступают студенты, проживающие в непосредственной близости к станциям метро. Таким образом, одним из факторов, влияющим на выбор абитуриентами высшего учебного заведения, является транспортная доступность;

4. Основы программирования.

Еще один способ определения площадей

Рисунок 18

Многоугольник на сфере

Определим полигон как простой многоугольник -- участок поверхности, ограниченный замкнутой полилинией без самопересечений.

Полилиния в свою очередь -- ломаная, образованная отрезками геодезических линий.

Геодезическая линия на плоскости -- это прямая; геодезическая линия на сфере -- дуга большой окружности.



Рисунок 19

Полный поворот контура

В общем случае определение площади многоугольника на искривлённой поверхности -- нетривиальная задача. Нужно интегрировать по поверхности с пределами, заданными неявно. К счастью, математика может предложить обходные пути решения задачи.

В общем случае кривизна поверхности меняется в каждой точке, но не на сфере! Кривизна сферы постоянна, и площадь замкнутой фигуры однозначно соотносится с полным поворотом контура.

Алгоритм вычисления площади

Пусть n-угольник задан координатами вершин цi, лi, где цi -- широта i-ой вершины, лi -- долгота, i = 1, …, n.

Для каждой стороны из решения обратной геодезической задачи для её конечных вершин находим прямые и обратные азимуты бi, i+1 и бi+1, i.

Для каждой вершины по азимутам бi, i?1 в предыдущую и бi, i+1 в последующую вершины находим поворот фi и добавляем его к полному повороту ф.

Вычисляем сферический избыток е.

Вычисляем площадь полигона S.

Подключение к базе данных из ArcGIS

Первый шаг при создании слоя запроса в ArcGIS - создание подключения к базе данных, к которой будет выполняться запрос. Это можно сделать из дерева каталога, как описано в разделе Подключения баз данных в ArcGIS for Desktop. Также установить подключение к базе данных можно из интерфейса слоя запроса в ArcMap следующим образом.

В ArcMap щелкните Файл (File) > Добавить данные (Add Data) > Добавить слой запроса (Add Query Layer).

Откроется диалоговое окно Новый слой запроса (New Query Layer).

Подключение к базе данных должно быть выполнено до того, как в диалоговом окне Новый слой запроса (New Query Layer) будет начато построение запроса.

Щелкните Подключения (Connections).

Откроется диалоговое окно Организовать подключения (Manage Connection(s)). В этом окне можно выбрать, изменить или удалить существующие подключения баз данных, а также создать новые.

Выберите существующее подключение базы данных или создайте новое.

Щелкните Новое (New), чтобы создать новое подключение базы данных. Откроется диалоговое окно Подключение базы данных (Database Connection). Введите информацию о подключении согласно инструкциям раздела Подключения баз данных в ArcGIS for Desktop. После добавления нового подключения в список Существующие подключения (Existing Connection(s)) введите описательное имя и нажмите кнопку ОК.

Чтобы использовать существующее подключение, выберите его из списка Существующие подключения (Existing Connection(s)) и нажмите кнопку ОК. Будет установлено подключение к выбранной базе данных, и таблицы, которые можно использовать в слое запроса, появятся в списке таблиц. Теперь можно создать слой запроса.



Заключение

Отметим важные итоги данного этапа создания муниципальной ГИС:

Переход на ArcGIS позволил актуализировать информацию по земельным ресурсам, имуществу, ранее доступную только после предварительной конвертации, за счет прямого чтения формата MapInfo;

Появилась возможность многопользовательского редактирования картографической информации в рамках одного массива данных по всему городу;

Использование инструментов геопространственного анализа позволяет специалистам решать разнообразные аналитические задачи: от анализа изменения плотности населения, развития малого бизнеса, социальных проектов для обоснования направления развития территорий и до обычных технологических, но ранее нереализуемых, таких, например, как определение земельных участков, попадающих в санитарно-защитные зоны;

Появилась возможность выявлять ошибки топологических свойств объектов при редактировании в пакетном режиме, что уменьшает нагрузку на операторов, оптимизирует технологию работы сотрудников сектора дежурного плана;

Cистемное протоколирование процесса выгрузки и загрузки данных теперь позволяет осуществлять постоянный контроль информации, выдаваемой заказчикам и принимаемой от подрядных организаций;

Через web-сервисы реализуются положения Градостроительного кодекса по публичности градостроительной информации. Одной из актуальных задач, решаемых в настоящее время, является Web-публикация правил землепользования и застройки;

Использование централизованного сервера и тонких клиентов на рабочих местах позволяет оптимизировать затраты на развертывание системы. Так, уже при 60 рабочих местах общая стоимость устанавливаемого программного обеспечения вдвое меньше, чем в случае установки настольных программных продуктов (desktop) у каждого конечного пользователя.

Организационные вопросы по взаимодействию с региональными структурами в настоящее время успешно решены, c федеральными находятся в стадии решения.

Поддержка чтения информации в формате Oracle Spatial позволяет рассматривать возможность напрямую обращаться к кадастровой информации в базе Кадастровой палаты.

Таким образом, уже сейчас новая система способна обеспечить поддержку основных бизнес процессов Департамента. а, при необходимости, она может быть без серьезных затруднений расширена на муниципальный уровень: как по структуре и функциональности, так и по числу работающих с ней сотрудников.



Литература

1. ArcView GIS: Руководство пользователя. - М.: МГУ, 1998. - 365 с.

2. Берлянт А.М. Геоинформационное картографирование. - М.: 1997. -64 с.

3. Зейлер М. Моделирование нашего мира (руководство ESRI по проектированию базы геоданных). - М.: МГУ, 2001. - 255 с.

4. Картография с основами топографии: Учеб. пособие для студентов педагогических институтов по

специальности “География”. Под ред. Г.Ю.Грюнберга. - М.: Просвещение, 1991. - 368 с.

...