Анализ пространственных распределений

Плотность точечных объектов = число точек/площадь круга. Меняя размер круга мож. измерять разные по размеру тер-и. Рез-т: растровая карта с плот-ю точек, 1/м². Осуществляется с помощью модуля Spatial Analyst.

Виды пространственного распределения точек: регулярное равномерное, сгруппированное (кластерное), случайное.

Методы анализа пространственного распределения точек:

· Анализ квадратов – при ручном анализе карт,

· Анализ ближайшего соседа – срав-ся раст-е меж. выбранным объектом и близлежащим, чем меньше индекс тем плотнее группировка,

· Полигоны Тиссена – каждой точке на площади соответствует радиус, внутри которого все объекты будут ближе именено к ней, а не к другой точке.

Оценка пространственного распределения точек в ArcGIS с помощ. АркТулбокс.

 

Пространственное распределение полигонов оценивается с помощью статистики общ. границ. Считается число границ меж. полигонами 1 типа (м/м), 2 типа (п/п) и меж. ними (м/п). Кластерное - м/м или п/п >> м/п. Равномерное - м/м или п/п << м/п. Случайное - м/м или п/п =< м/п.

 

Плотность линейных объектов: рассчитывается длина всех линейных объектов в пределах круга, м^-1. Направленность линейных объектов: строится равноденствующий вектор из разнонаправленных. Мерой пространственного разброса линейных объектов является нормализованная длина равнодействующего вектора: равноденствующий вектор/сумма векторов, чем ближе значение к 1, тем компактнее размещение.

Определение ориентации объектов(решение Крумбейна). Объект ориентирован с северо-запада 315 на юго-восток 135.

315×2= 630

(630-360= 270)

135×2=270

Оценка пространственного распределения линейных объектов в ArcGIS с помощью АркТулбокс.

29. Построение буферных зон, простые и мотивированные буферы.

Буфер – это полигон, с границей на определенном удалении от точки, линии или границы области. Размер буферных зон может задаваться пользователем или зависеть от атрибутивных данных. Буферные зоны могут создаваться для точечных (скважины), линейных или полигональных (месторождения) объектов. Возможно одновременно построение нескольких зон разных радиусов – многослойный буфер. Буферные зоны, построенные для отдельных объектов, могут объединяться. Мотивированный буфер основан на «априорных» знаниях об изучаемых объектах (например, если буферная зона построена вокруг реки с песчаным и глинистым берегом, то буфер у глинистого берега будет меньше). Варьируемый буфер -величина буфера определяется величиной, присвоенной каждому отрезку линии. Значение буфера может быть взято из атрибута.

Построение буферов происходит в ArcToolbox > Анализ > Близость > Буфер.

 

Тема 7.3.

Проекционные преобразования – это преобразование одной проекции в другую (общий датум – 2 шага, разные датумы - 3 шага).

Прямое проецирование – пересчет из географ с.к. в координаты конкретной проекции (точнее чем обратное).

Обратное проецирование – пересчет из коор. проек. в географ. с.к.

 

ArcGIS поддерживает около 50 картографических проекций. Возможно создание собственных проекций и географических систем координат: создание систем координат с нуля; редактирование параметров встроенных проекций и систем координат.

Системы координат в ArcGIS:

1. Системы координат фрейма данных (указана в свойствах ФД);

2. Системы координат набора данных(слоя) (если не указана в АркКаталог, то можно определить с помощ. АркТулбокс).

Информация о системе координат в АркКаталог включает: Название системы координат проекции, Название географической системы координат, Название проекции, Масштабный коэффициент, Центральный меридиан, Начальная широта отсчета, Ложный восточный и северный сдвиг, Координаты углов растра в градусах, Координаты углов растра в единицах проекции.

 

Инструмент Project (Проецировать) используется для перепроецирования растровых и векторных наборов из 1 сист коор. в другую, при этом создается новый набор данных. Перепроецировать можно только те наборы данных, у которых известна система координат

Перепроецирование «на лету» – прямое перепроецирование программой АркГИС – отображение загружаемых данных на карте в с.к. фрейма данных. Возможно если собл-ся 2 условия: определена с.к. ФД и определены с.к. входных данных. Чтобы сохранить набор данных в проекции фрейма данных надо экспортировать набор данных и при сохранении указать «экспортировать в с.к. ФД».

 

Тема 7.4.

30. Основными типами моделей поверхности являются Tin и Grid модели. Построение данных моделей производится в ArcToolbox > 3D Analyst и в Spatial Analyst (в ARCGIS). TIN-модель – векторная топологическая модель, не имеющая таблицы атрибутов, но имеющая таблицу топологии. GRID-модели представляют собой поверхность по регулярно распределенным точкам, их структура полностью соответствует структуре растровых данных.

31.TIN модель: нерегулярная сеть треугольников, в каждой вершине к-х известна абс. отм. Исп-ся триангуляция Делоне. Яв-ся векторной топологической, инф-я о взаим. полож. (узлы треугольника и инф-я о сосед. треугол.) сохр-ся в «Таблице топологии». Линейные и площадные объекты при создании TIN модели используются в качестве дополнительной информации: положение линейных объектов (напр. дороги) характеризуется мягкой линией перегиба (создаются дополнительные узлы и новые грани); площадные объекты (напр. озеро) м.б. смоделированы полигоном замещения, приводящим высоту водоема к постоянной высоте. Чем расчлененнее рельеф, тем мельче треугольники и больше их количество.+ TIN: пространственно точно отображает характерные точки рельефа; визуализация с помощ. цветовой гаммы по высотным отметкам рельефа; можно строить модели пластов; легко вычислить площадь поверхности и объем пород; – TIN: угловатая форма поверх-ти; необходим большой объем исход. дан. Модели TIN обычно применяются для точного моделирования небольших областей, например, в инженерных приложениях, где они полезны благодаря возможности вычислений планиметрических площадей, площадей поверхности и объемов.

Мульти-патч – инструмент в 3D Analyst для создания 3х мерного пласта. Для его построения надо иметь: TIN мод. кровли, TIN мод. подошвы, полигональный слой опр-й границы пласта.

 

32.GRID модель: поверхность по регулярно распределенным точкам с известными абс. отм., к-е принимаются за код пикселя., т.е. модель полностью соответствует структуре растровых данных. + GRID: простая структура модели; сглаженная форма пов-ти; возм-ть выполнения различных операций над моделями; простые алгоритмы вычисления пути с наимен. стоимостью и др; – GRID: недостаточная точность определения местоположения объектов (вершин и гребней); погрешности из-за интерполяции(экстраполяции) значений Z; только точечные слои в качестве исх. дан.; большой объем памяти для хранения.Используется для мелкомасштабного моделирования поверхностей.

33.Интерполяция – расчёт нерегулярного набора точек в регулярную сеть (вычисляются значения между точками полевых измерений). Методы интерполяции: Обратно взвешенных расстояний, Сплайн, Тренд, Кригинг, Естественная окрестность, Топо в растр (TOPOGRID). Методы нужно выбирать в зависимости от реальных условий.

Метод Обратно взвешенных расстояний. Значение отметки поверхности в узле рассчитывается по значению, которое зарегистрировано в точке на определенном расстоянии от узла, при этом вес точки обратно пропорционален расстоянию от этой точки до узла. Метод позволяет учитывть полож. разрыв. наруш., подчеркиваются мелкие особенности рельефа (т.к. ближайшие точки оказывают наибольшее влияние). Широко примен-ся в г/х картировании.

Метод Сплайн. Рассчитывает значения с помощ. матем. функции, к-я минимизирует общую кривизну поверхности. Получается сглаженная поверхность: 1.проходящая точно через исходные опорные точки – сплайн натяжения; или 2.выходящая за пределы диапазона значений z опорных точек – регуляризованный сплайн. Исп-ся для построения тектонических плит.

Метод Тренд. Поверхность аппроксимируется полиномом опр-го порядка: 1 – моноклиналь, 2 и бол. – синкл/антикл. Чтобы выбрать полином надо иметь представление о виде поверхности (монок., синк.) Позвол. выявлять региональные изменения рельефа, строить модели рельефа фундамента и глубоко залегающих границ.

Метод Кригинг. Учитывается статистическая взаимосвязь между опорными точками. Мож. не только построить мод. пов-ти, но и оценить точность построения дан. пов-ти. Предполагается, что характер изменения отметок рельефа определяется составляющими: 1.общ. тренд (дрейф) изменения отметок рельефа (региональный), 2.случайные, но пространственно коррелируемые колебания рельефа (случайный шум), 3.случайная составляющая (белый шум). 2 разновидности кригинга: 1.Ординарный Кригинг основан на предположении, что постоянное среднее значение поверхности неизвестно; 2.Общий Кригинг предполагает, что имеется доминирующая тенденция изменения Z и ее можно смоделировать. Метод Кригинг позвол. наиболее точно выявлять локальные составляющие; чем больше значений тем точнее модель. Условия применения: 1.большой объем исход. дан., 2.равномер. распред. дан.

Естественная окрестность. Похож на TIN, но поверхность получается более сглаженная, т.е. не линейная интерполяция, а строится выпуклая поверхность через эти точки.

TOPOGRID. Учитывает не только пространственное расположение изолиний рельефа и отметок высот, но и расположение рек, озер, локальных понижений рел. (колодец), дорог и создает скорректированную поверхность.

Маска анализа – это полигональный векторный слой, соответствующий области определения поверхности. Нужна чтобы убрать лишнюю площадь, где нет данных.

Переклассификация – объединенные Рх по одному признаку, переклассифицируются (объединяются) по другому признаку (присвоение других значений коду Рх). Способы переклассификации:

· На основе атрибутивной информации. Напр. изм-е диапозонов численности населения городов;

· С использованием операторов отношений =, >, <, <>, >=, <=. Операторы отношений оценивают условия отношений. Если в ячейках входного растра условие выполняется (TRUE), то соответствующим ячейкам выходного растра присваивается 1, если условие не выполняется (FALSE), на выходе присваивается 0.

· Статистика по окрестности вычисляет выходной растр, где значение каждой ячейки является функцией от значений входных ячеек в окрестности этой ячейки. Можно вычислить следующие статистические характеристики: большинство, максимум, среднее, минимум, меньшинство, диапазон, сумма и др. Форма окрестности: прямоугольник, круг, кольцо, клин.

· Фильтр. Представлен матрицей, в каждой ячейке матрицы свой вес. Прикладывая фильтр на растр получается новое значение для центральной ячейки. В завис-ти от цифр фильтры низко- и высокочастотные. ФНЧ подавляет высокие пространственные частоты и представляет поверхность в упрощенном, сглаженном виде. ФВЧ подавляет низкие пространственные частоты и предназначен для подчеркивания мелких деталей растрового изображения.

 

Можно легко конвертировать растр в вектор, растр в TIN, TIN в растр, TIN в объекты, но будут погрешности. Преобразование TIN в растр проводится для расширенного моделирования поверхностей или для извлечения из TIN информации об уклоне или экспозиции склонов.

 

34. Анализ поверхностей осуществляется как по TIN, так и по grid моделям. В результате анализа создаются растровые модели (GRID). Способы анализа поверхностей: построение изолиний; вычисление уклонов; опр-е экспозиции склонов; анал. освещенности (отмывка рельефа); анал. видимости; расчет объемов (насыпи/выемки); статистика площадей и объемов (по TIN модели).

Построение изолиний: преобразование входной поверхности в карту изолиний, проведенных через заданное сечение.

Вычисление уклонов: в TIN каждая грань однозначно определена в пространстве, в GRID подгонка плоскости к восьми соседям центральной ячейки. Измеряется в градусах или проценте склона.

Экспозиция склона – пространственная ориентация склона в сторонах света. На выходной поверхности будет виден рельеф и направление всех склонов.

Отмывка рельефа испол-ся, чтобы подчеркнуть трехмерность поверхности.

Анализ видимости: на выходной поверхности выделены области видимые и не видимые с точки наблюдения.

Расчет объемов. Функция Насыпей/Выемок показывает площадь и объем поверхности, в которой произошли изменения со временем, связанные с добавлением или удалением вещества.

 

Трехмерная визуализация осуществляется спомощью опций ArcScene или ArcGlobe модуля 3D Analyst.

 

ArcScene. Исходные данные:

· TIN модели поверхности;

· Grid модели поверхности;

· двумерные классы векторных объектов;

· трехмерные классы векторных объектов;

· растры

TIN и объекты с 3D геометрией автоматически отобразятся как 3D. Для отображения растров (ГРИДы и изображения) и 2D объектов в 3D существует 3 способа: установка базовой высоты с помощью атрибута; «натягивание» объектов на пов-ть; вытягивание объектов. Для отображения растра в 3D можно интерполировать высоты, использовав:

· значения этого растра (grid модели),

· значения другой поверхности (grid или TIN),

· установив для растра базовую высоту в виде константы.

Способы выбора объектов в ArcScene: спомощью выборки по атрибуту, выборки по расположению, выбрать на экране инструментом или в таблице атрибутов.

Способы экспорта сцены: 2D изображение сцены в графический файл; 3D VRML модель.

ArcScene позволяет создавать, сохранять, воспроизводить и передавать анимации. Анимация может быть сохранена с документом сцены, в независимый файл анимации ArcScene (.asa), или экспортированав файл.avi.

 

ArcGlobe – картографический модуль для визуализации и анализа трехмерных данных, всей Земли.

 

Модуль Target создан для обработки, анализа и картирования объектов по данным наземных и скважинных геол., г/ф и г/х методов. Может строить 3х-мерн. пов-ти Земли и полей.

 

35.Системы координат ГИС: общегеографические; картографичекие, основанные на проекции.

Географические системы координат. Испол-ся трехмерная сферическая поверхность для определения местоположения объектов на пов. З. Местопол. опр-ся значениями долготы и широты, ед. измерения – градус. Шир. и долг. опр-т местополож. на пов-ти шара.

Форма Земли (геойд) аппроксимируется эллипсойдом вращения (Красовский, WGS 84, Эйри, Австралийская нац.). Общеземной эллипсойд описывает фигуру Земли в целом. Референц-эллипсойд аппроксимирует форму З. лишь на отдельной её части, центр э. смещен отн-но центра масс З.

ГСК вкл. 3 хар-ки: уговые ед. измер-я коор., нулев. мерид., датум(основанный на сферойде).

Датум жестко фиксирует сист. геодез. коор. отн-но тела З., определяет положение сферойда относительно центра З. Изменение датума приводит к изменению координат конкретной точки. Датумы, используемые в России: СК 42 (сферойд Красовского; локал. сист. коор. Пулково 1942, тер-я России) – основной; ПЗ 90 ("Параметры Земли 90" - RUSSIA_PZ90; геоцентрический датум; система GLONASS.); WGS 84 (сферойд WGS 84; геоцентрический датум; мировой).

Для задания системы координат на поверхности эллипсоида используется косвенный метод: 1.для некоторой точки на реальной поверхности Земли (начального пункта) фиксируются значения широты и долготы; 2.производится совмещение нормали к поверхности референц-эллипсоида и отвесной линии в начальной точке; 3.плоскость меридиана начального пункта устанавливается параллельно оси вращения Земли. Эти данные называются геодезическими датами (datum). Координаты всех остальных точек на эллипсоиде являются расчетными по отношению к начальной точке.

Географические координаты позволяют осуществлять нерегулярные измерения Земной поверхности (1° по долготе на экваторе = 111 км; на широте 60° = 55.8 км; на широте 90° = 0 км).

 

Системы координат проекций. СКП определяют правила проецирования координат на плоскую двухмерную поверхность. Спроецированная сист. коор. яв-ся производной от географ. сист. коор., и в отличи от нее имеет постоянные длины, углы и площади на плоской двухмерной пов-ти. Картографическая проекция – это преобразование трехмерной поверх-ти З. в плоское изображение на карте.

При отображении Земной поверхности в двухмерном пространстве искажается форма, площадь, длина или направление объектов. По характеру искажений выделяются проекции: равноугольные (угол. меж мерид. и парал. 90, хор. сохр-ся форма малых объектов); равновеликие (сох-ся площади объектов); произвольные/равнопромежуточные (искажение и углов и площ., но величина зависит от положения объекта); истинного направления/азимутальные(сохр-ся длины линий вдоль опр-х направлений).

Семейства проекций выд-ся в зависимости от фигуры, на к-ю проецируется: конические (стандартная параллель = линия касания – величины постоянные, искажение минимально вдоль центрального меридиана); цилиндрические (нормальная(лин. кас = экв), поперечная(лин. кас. = меридиан), косая); азимутальные (проецирование на плоскость, касающуюся сферойда в 1 точке).

СКП определяют правила проецирования координат на плоскую двухмерную поверхность. Коор. изм-ся в линейных ед. длины (в Росссии - метры). Н.к. – в точке пересечения станд. парал. и центр. мерид. Для удобства в бол-ве проекций сдвиг по Х на 500 км и по У на 10000 км – чтобы не было отрицат. коорд.

Попереч. проекция Меркатора: Земля делится на 60 зон, проец-ся отдельно каж. зона. При проецировании цилиндр касается центрального меридиана зоны, а ось цилиндра проходит церез центр. Исп-ся 2 сист. коор: UTM и Гаусса-Крюгера. В системе Гаусса-Крюгера проецируются участки по 6 по экватору, цилиндр касается пов-ти З. и в эт. точ. масшт. = 1, н.к. совпад с пересеч. цент. мерид. и экв. и ложн. вост. сдвиг на 500 км.; проец-ся вся пов-ть З от полюса до полюса; при записи коор. каж зоны указ-ся полож. центр. мерид., в миллионных разрядах коор. Х указ-ся номер зоны; отсчет от 0 мер. на В. В UTM цил. сечет пов-ть З., проец-ся от 80 ю.ш. до 84 с.ш., отсчет от 180 д. на В.

Выбор проекции зависит от способа использования карт: тематические - равновеликие; презентационные - равноугольные; навигационные - равнопромежуточные, азимутальные.

 

Подсистемы ГИС: сбора данных (без нее невозмож раб-ть с дан., предназн. для ввода и предварит. обраб-ки данных), хранения и выборки (для орг-и, хран., выборки и редактирования дан.), анализа дан. (группирует/разделяет данные, устанавливает параметры и ограничения), вывода дан. (представляет БД в виде диагр., табл., карт и др. форм).