Задачи пространственного анализа

В корпоративных системах для регионального и муниципального управления зачастую приходится решать задачи анализа пространственных данных. При решении этих задач тематические слои карты, создаваемые в стандартных ГИС, используют в качестве начальных условий для модельных расчетов. Приведем несколько примеров:

Пространственная информация о расположении зданий города N позволяет строить тематические карты по произвольной прикладной базе данных, имеющей адресную привязку (улица, номер дома). Это может быть картирование уличной преступности города, социально-экономической ситуации и т.п.

Задача восполнения пространственных данных методами нейроинформатики. На основе карт онкологической заболеваемости по городу, карт распределения вредных, канцерогенных веществ, тяжелых металлов, могут быть выявлены зависимости между ними и построены новые карты заболеваемости/загрязнений тех участков территории, где эта информация отсутствовала.

В задачах комплексной оценки территории используют технологии обработки и совокупного анализа пространственных данных с привлечением методов экономического моделирования, а исходная информация может находиться в различных узлах корпоративной сети регионального управления. Пространственный анализ с использованием ГИС и Internet позволяет эффективно решать различные задачи. Однако эта эффективность проявляется лишь при наличии необходимого программно-аппаратного обеспечения и квалифицированных пользователей, владеющих передовыми технологиями.

23 Формирование и редактирование пространственных данных: Во всех полнофункциональных ГИС есть средства формирования и редактирования пространственных данных. С точки зрения анализа нас интересуют такие средства, в которых при формировании или редактировании одних данных используются другие.

Так, в системе Arc View GIS присутствуют следующие операции ввода/редактирования:

• разбиение полигонов линиями; • слияние полигонов;

• создание полигона с дыркой, задаваемой вторым полигоном; • удаление области перекрытия между полигонами (вычитание одного полигона из другого); • получение пересечения полигонов.

При выполнении указанных операций можно задать способ вычисления значения каждого поля вновь созданных объектов.

Среди функций редактирования данных для систем, не поддерживающих топологические модели данных, есть функции, позволяющие из любых данных создавать топологически корректные структуры, т.е. структуры, не имеющие самопересечений, пустот и перекрытий между полигонами, перехлестов и недоводов для линейных объектов.

Так, при удалении перекрытий в системе MapInfo Professional участок перекрытия будет присоединен к тому полигону, площадь которого больше, и удален из полигонов с меньшей площадью. При удалении пустот между полигонами задается максимальная площадь, которую может иметь удаляемая пустота. Пустотная область присоединяется к тому из соседних с ней полигонов, площадь которого больше.

Для обеспечения топологической корректности информации в MapInfo Professional предусмотрены также операции «Совмещение и генерализация». Три главные функции этой группы операций:

1) совмещение узлов разных объектов; 2) разреживание узлов/генерализация;3) удаление избыточных полигонов.

При выполнении этих операций необходимо настроить некоторые параметры: допуски расстояний до конечных и промежуточных узлов в первой функции, расстояния между узлами, величины коллинеарных отклонений (стрела прогиба для трех точек) — во второй, максимальная площадь — для третьей.

24. Картометрические функции – это операции, позволяющие измерять расстояния, площади, периметры, объемы, заключенные между секущими поверхностями и т.д. Как правило, такие операции являются обязательными внутренними функциями ГИС.

К картометрическим функциям, реализованным в большинстве ГИС, относятся расчеты площадей, длин, периметров, площадей реальных поверхностей, объемов, заключенных между поверхностями. К этой категории можно отнести и функции вычисления вторичных характеристик поверхностей – углов наклона, экспозиций склонов, зон видимости и др. В некоторых системах при определении перечисленных характеристик учитываются свойства картографических проекций, с одной стороны, а также реальный рельеф – с другой. Расстояния между двумя точками на плане или в проекции Гаусса-Крюгера могут быть вычислены по теореме Пифагора. При вычислении того же расстояния между удаленными точками на сфере придется воспользоваться формулами сферической тригонометрии. При использовании карты в любой проекции, включая равновеликие, необходимо вводить поправки за искажение площадей (для равновеликих вычислять масштаб площадей). Масштаб площадей может быть вычислен в результате деления известной площади некоторого участка на поверхности эллипсоида на площадь его проекции на карте. Таким участком может быть сфероидическая трапеция, заключенная между параллелями и меридианами. Площадь на карте зависит от вида проекции и может быть вычислена как площадь полигона, интерполирующего положение параллелей и меридианов в пределах трапеции. Для вычисления объема тела, ограниченного двумя поверхностями, например при оценке объемов земляных работ, и цилиндрической поверхностью, имеющей в качестве образующей заданный полигон в плоскости карты, можно воспользоваться представлением поверхностей в виде TIN или GRID моделей.

При проведении картометрических измерений нужно знать, что:

• процесс вычисления координат объектов различается для разных примитивов: проще всего вычислить координаты точек - (x, y), затем линий – (x1, y1; …; xn, yn), и, наконец, полигонов – (x1, y1; … xn, yn; x1, y1). Для линий иногда приходится вычислять дополнительные характеристики, такие как длина и угол простирания. Для полигонов чаще всего определяют периметр, площадь, размеры;

• форму обычно охарактеризовывают такими параметрами, как факторы формы круга и эллипса. Фактор формы круга показывает насколько полигон близок к кругу, т.е. фигуре, площадь которой ограничена наименьшим периметром. Для круга фактор формы круга равняется 1. С увеличением периметра фигуры при неизменной площади значение фактора формы круга уменьшается до 0. Фактор формы эллипса говорит о близости фигуры к эллипсу (изменение значений этого фактора такое же, как для круга);

• вычисление стереологических параметров необходимо для описания объемной (3d) структуры объектов. Фундаментом для расчета параметров служат значения площади и периметра примитива, полученные с карты. В большинстве случаев, этими параметрами описывают структуры, элементы которых связаны между собой в пространстве.

25. Специализированный анализ. Далеко не все ГИС снабжены возможностями специализированного анализа, например, ориентированного на вопросы собственно экологии, геологии или географии. Связано это с тем, что четкой схемы проведения таких работ не существует и организации, занимающиеся ими, предпочитают производить анализ по собственным методикам и правилам. Работа со специфическими данными является характерной чертой этого типа анализа. Кроме того, нельзя не учитывать, что взгляды на приемы его ведения могут меняться с течением времени. Поэтому такие возможности в ГИС зачастую дополняются средствами создания приложений самими пользователями. Однако некоторые фирмы, такие, как Intergraph Corp., ESRI, Inc., предоставляют пользователям возможность укомплектовать систему фирменными модулями, реализующими специализированные анализы, в частности геологический и геофизический, гидрогеологический, экологический и др. В пакет фирмы Intergraph Corp., посвященный геологическому анализу, входят: работа с сейсмическими данными, анализ геологического разреза, интерпретация геофизических данных и т. п.

Рассмотрим лишь пять методов, каждый из которых обладает широкими возможностями в области формализации и моделирования.

1. Метод размытых (нечетких) множеств — метод «размытой» классификации, в которой каждый из показателей характеризуется различной степенью принадлежности ко всем классам. В широком смысле применим для моделирования процессов взаимодействия в условиях размытости географического пространства.

2. Метод нейронных сетей — самообучающая система, позволяющая классифицировать многомерные явления при недостаточной, а в ряде случаев и искаженной информации. Метод позволяет выделить и моделировать различные ситуации, оценивать время их «жизни» и давать прогностическую картину развития.

3. Метод теории хаоса — позволяет определить, насколько хаотичное поведение отдельных звеньев пространственных структур способно повлиять на пределы нормальных вариаций их параметров.

4. Метод теории катастроф — один из основных для изучения прерывных изменений, качественных скачков, позволяет оценить не только стабильность форм, но и их появление, развитие и исчезновение

5. Метод фрактального анализа — удобный инструмент для описания и моделирования географических процессов и явлений, порождающих структуры, обладающие в полной мере свойствами самоподобия и представляющие сходные закономерности в различных пространственных и временных масштабах.