В общем случае пространственный анализ проводится с целью:

· выявления закономерностей в расположении или структуре пространственных объектов;

· нахождения заданных характеристик объектов;

· нахождения взаимосвязей между пространственными объектами;

· выявления тенденций развития явления в пространстве и/или времени;

· выбор конкретного пространственного решения с учетом поставленных условий и ограничений.

При проведении геоанализа пространство может быть описано как структурированным (все объекты имеют координаты, границы, описан характер их локализации в пространстве, взаимосвязи с другими объектами), так и неструктурированным (указанные характеристики могут принимать любое значение из заданного интервала - влажность, температура) способом.

Все характеристики пространственных объектов подразделяются на качественные и количественные. Чтобы сравнивать и оценивать качественные характеристики их надо ранжировать.

Исследования показывают, что практически все современные ГИС в большей или меньшей степени обладают функциями пространственного анализа и моделирования. Можно выделить три основных блока аналитических функций, выполняемых по ГИС-технологии:

· информационные запросы;

· топологический анализ;

· пространственное моделирование.

Простейшим видом информационных запросов является получение необходимых данных по параметрическим запросам (так называемые однопараметрические запросы). Эти функции представлены и в ГИС-вьюверах, и в справочно-картографических системах (СКС), и в инструментальных ГИС.

Более развитые геоинформационные системы способны обслуживать многофункциональные логические запросы, когда объекты отбираются, например, по признаку их удаленности или близости относительно других объектов, их совпадения и по другим количественным и качественным характеристикам и их соотношениям.

Топологический анализ включает в себя картометрические измерения и определение пространственных характеристик, анализ сетей, анализ полигонов (площадей), анализ трехмерных поверхностей (рельефа).

Картометрические измерения служат для определения расстояний между объектами, длин транспортных путей, периметров участков, их площадей, определения соседства нескольких объектов и другие пространственные измерительные операции ("в пределах", "содержит", "пересекает" и т.д.).

Анализ сетей. Любая система связанных между собой линейных объектов - автомобильные и железные дороги, реки, трубопроводы, телефонные линии и линии электропередач - представляет сеть.

Передвижения людей, транспортировка товаров и услуг, обмен информацией и передача энергии происходят по сетям.

Типичные задачи сетевого анализа: поиск ближайшего пункта, разработка кратчайшего маршрута (рис.4), определение зон обслуживания (доступности), определение местоположения по адресу (геокодирование)

цифровое моделирование рельеф карта

Рис. 4. Сетевой анализ гидрографической сети в ГИС

Полигональный анализ охватывает задачи, связанные с оверлейными операциями. Их суть состоит в наложении разнотипных полигонов с генерацией производных объектов, возникающих при их геометрическом наслоении, и с наследованием их семантики.

Наиболее сложными являются операции с трехмерными объектами (или операции анализа рельефа). Рельефы требуют особых форм представления, поскольку их пространственное положение должно описываться не только плановыми, но и пространственными координатами. Достаточно мощными средствами по анализу рельефа являются модуль TIN пакета ARC/INFO, модуль DTM системы Terrasoft (Digital Resource Systems, Канада) и специализированное средство для создания и обработки ЦРМ - Рельеф-Процессор (Харьковский Университет).

Практика показывает, что создаваемые с помощью детерминирован - ных и геостатистических методов интерполяции цифровые модели рель - ефа зачастую являются некорректными, т.е. неправильно воспроизводят рельеф земной поверхности на определенных участках. К таковым мож - но отнести русла рек и днища естественных и искусственных водоемов. Повышению качества моделей рельефа способствует максимальное ис - пользование неявной информации о рельефе (береговая линия водоемов, русла водных потоков и другая гидрографическая информация).

Рис. 5 Результат интерполяции грид-модели методом кригинга

Для построения гидрологически корректной цифровой модели рельефа способом интерполяции используется инструмент "Топо в растр" При создании грид-модели рельефа учитывается не только пространственное положение горизонталей, отметок высот и урезов воды, но и расположение гидрографической сети, водоемов (озер, водохранилищ, прудов), локальных понижений рельефа.

Модель рельефа, созданная с помощью инструмента "Топо в растр", может быть использована при расчете основных характеристик поверхностного стока территории (направление стока, суммарный сток, длина линии стока), автоматической идентификации постоянных и временных водотоков и определении их порядка, а также при выполнении бассейновой и водосборной дифференциации территории.

Создание поверхности направления стока позволяет определить в пределах объекта исследований территории разнонаправленного (по сторонам света) стока. Модель суммарного стока рассчитывает количество ячеек грида, сток которых стремится в каждую последующую, находящуюся на более низком гипсометрическом уровне. Грид длины линии стока отражает время прохождения воды через весь бассейн.

Рис.6. Грид-модель рельефа, созданная инструментом "Топо в растр"

На основе моделей, характеризующих поверхностный сток, с помощью инструментов алгебры растров автоматически идентифицируются постоянные и временные водотоки.

Определение их порядка основывается на количестве притоков. В ГИС реализован расчет по методам Страллера и Шрива

На завершающем этапе моделирования по грид-поверхности направления стока автоматически выделяются бассейны рек и локальные водосборы.

Среди методов анализа поверхностей в ГИС можно выделить построение изолиний и расчет морфометрических характеристик рельефа.

По созданной средствами интерполяции грид-поверхности (например, абсолютных высот, температур воздуха, осадков, загрязнения атмосферы, атмосферного давления и т.д.) в ГИС можно сформировать векторный слой изолиний. Они создаются в автоматическом режиме. Пользователю лишь остается выбрать интервал, через который они будут строиться, а также, при необходимости, минимальное и максимальное значения изолиний.

Рис.7. Результат автоматической идентификации постоянных и временных водотоков по грид-модели рельефа, созданной инструментом "Топо в растр"

Рис.7.1 Результат автоматической бассейновой и водосборной дифференциации территории по грид-модели рельефа, созданной инструментом "Топо в растр"

а

б

Рис.8. Пример создания по грид-модели (а) изолиний (б)

Грид-модель земной поверхности, созданная в ГИС, может служить основой построения в автоматическом режиме морфометрических характеристик рельефа, таких как экспозиция и крутизна склонов. По ней также возможно рассчитывать зоны видимости, строить гипсометрические профили и др.

Рис.9. Пример расчета крутизны склонов по грид-модели рельефа

Пространственное моделирование - следующая ступень аналитических возможностей ГИС. Пространственное моделирование (геомоделирование) позволяет автоматизировать процесс выработки управленческих решений в составе информационных систем города или региона, "проигрывания сценариев" размещения социальных, промышленных, энергетических и других объектов, рассмотрения большого количества альтернативных проектных целей и поиска оптимальных вариантов с применением различных функций пространственного анализа и моделирования

Другими словами, пространственное моделирование представляет собой сочетание аналитических и имитационных математических моделей и координатно-локализованной (геометрической) информации в процессе изучения окружающей действительности.

Наиболее применяемыми функциями пространственного моделирования являются:

· генерация буферных зон;

· зонирование или районирование;

· построение пространственных статических моделей;

· построение пространственных динамических моделей;

· сетевое моделирование или сетевая оптимизация.

Генерация буферных зон - это расчет и построение областей, ограниченных эквидистантными линиями, построенными относительно множества точечных, линейных и площадных объектов; то есть это зоны, границы которых удалены на известное расстояние от любого объекта на карте. Ширина (радиус для точечных объектов) буферной зоны может быть постоянна или зависима от значения приписываемого объекту атрибута (так называемая "буферизация" со взвешиванием). Эта операция используется, например, для учета "запретных" зон на размещение проектируемых объектов по условиям эксплуатационной безопасности, а также, так называемых "зон влияния", оценивающих близость транспортных коммуникаций, инженерных сетей и т.д.

Зонирование или районирование применяется для группировки объектов по определенным принципам с последующей дифференциацией всей их совокупности по тем же критериям. Зонирование означает "разбиение" территории на части (зоны), объединяемые взаимными связями или общими свойствами.

Статическое пространственное моделирование применяется для исследования состояния территории, сложившегося на какой-то момент времени, на основе координатно-локализованной информации. Например, оценка криминогенной обстановки, прогнозирование чрезвычайных ситуаций и их последствий, оценка насыщенности территории энергопроизводящими и энергопотребляющими предприятиями, изменение экологического состояния территории с вводом в эксплуатацию на ней промышленного объекта или прокладки транспортной магистрали и т.д. В частности, генерацию буферных зон можно рассмотреть как наиболее простой способ получения пространственной статической модели.

Динамическое пространственное моделирование имитирует распространение различных явлений и процессов, протекающих во времени, на заданной территории. Например, имитация развития системы населенных мест, когда в основу эксперимента были заложены правила развития системы, а на ЭВМ “проигрывались” пути их реализации с помощью алгоритма статистических испытаний (метод Монте-Карло) [29]. Типичным примером применения пространственных динамических моделей является также пространственно-временное прогнозирование затопления территории во время паводков, прорыва дамбы или заполнения водохранилища ГЭС.

Сетевое моделирование (сетевая оптимизация) нужно для работы с процессами в географических сетях, которые образованы топологически связанными объектами - дорогами, трубопроводами, линиями электропередач, другими коммуникациями, - чтобы максимально эффективно определять маршруты движения, например, служб экстренного вызова, управлять ресурсами, распределенными по сетям, оценивать их и т.д. ГИС-технология позволяет оперативно планировать и контролировать ресурсы даже в очень больших разветвленных сетях самого разного назначения.

Функции моделирования маршрутов, местоположений ресурсных и транспортных потоков выполняются, как правило, в специализированных пакетах развитых ГИС с помощью таких особых показателей как связи, барьеры, ограничения для поворота, запреты на поворот, центры ресурсов, ограничения на ресурсы, остановки, ограничения на остановки.

Список используемой литературы

1. Введение в геоинформационные системы: учеб. пособие/Блиновская Я.Ю.

2. Географические информационные системы: учеб. Пособие/ Фомин В. В.

3. https: // lektsii.org/

4. http://elib. bsu. by

5. http://spbftu.ru/

6. http://www.alcomp.ru/

Размещено на Allbest.ru