 |
Глава 6. Пространственный анализ 3 глава
|
|
|
|
4. Мобильные ГИС. Включает программу ArcPad, устанавливаемую на мобильные компьютеры (на основе Windows CE) с поддержкой GPS. Эта программа широко используется для целенаправленного сбора данных и другой ГИС- информации, их просмотра и обновления непосредственно в полевых условиях.
Рис. 7.1. Обобщенный состав программного комплекс ArcGIS 9.0
Благодаря поддержке разнообразных типов данных, наличию серверов пространственных данных и разнофункциональных приложений, система ArcGIS 9.0 обладает великолепной масштабируемостью. На её основе можно не только построить простое ГИС-приложение, работающее с небольшими наборами пространственных данных, но и создать полноценную корпоративную ГИС-систему, работающую с огромными массивами данных, к которым можно обращаться как из локальной сети, так и по Интернету.
ГИС ArcGIS 9.0 поддерживает большинство современных моделей пространственных данных, включая векторные топологические (покрытия) и нетопологические (шейп-файлы), растровые модели и нерегулярные триангуляционные сети, а также наиболее современную объектно-ориентированную модель геобазы данных, основанной на стандартных реляционных технологиях баз данных.
Все программные продукты линейки ArcGIS Desktop (варианты комплектации ArcView, ArcEditor и ArcInfo) состоят из трёх взаимосвязанных программных приложений: ArcMap, ArcCatalog и ArcToolbox.
ArcMap. Это самое главное приложение программного комплекса ArcGIS (рис. 7.2). Оно предназначено для создания карт, визуализации, редактирования и пространственного анализа данных, а также для печати карт. К нему же подключаются большинство дополнительных модулей.
Рис. 7.2. Внешний вид приложения ArcMap ГИС ArcGIS 9.0
|
|
|
В ArcMap имеется два режима отображения и работы с данными: а) в виде географических данных и б) виде компоновки карт. В первом режиме (данных) показываются только пространственные данные без всякого рамочного оформления. Второй режим (компоновки) показывает карту в таком виде, как она будет отображается при печати на бумаге. В этом режиме показывается, как будут расположены фрагменты карты, легенда и дополнительное оформление карты на листе бумаги.
ArcReader. Это простое бесплатное приложение (рис. 7.3), предназначенное для просмотра и печати опубликованных карт (формат PMF). Опубликованные карты создаются с помощью дополнительного модуля к ArcGIS Desktop под названием ArcGIS Publisher, который преобразует стандартные документы карт MXD в формат PMF. Приложение ArcReader позволяет просматривать данные, представленные в любом формате, поддерживаемом продуктами линейки ArcGIS Desktop, но не разрешает редактировать. Кроме того, нельзя изменять состав карты, т.е. нельзя удалять или добавлять слои, а также нельзя изменять правила их визуализации.
В зависимости от настроек, сделанных автором при публикации карты, пользователю могут быть разрешены или запрещены следующие функции: а) доступ к гиперссылкам, б) переключение между видом данных и видом компоновки, в) отображение таблицы содержания, г) поиск объектов, д) получение информации по объектам, е) измерение расстояний, ж) печать, з) возможность включения и отключения видимости слоев.
Рис. 7.3. Внешний вид приложения ArcReader ГИС ArcGIS 9.0
ArcCatalog. Программа предназначена для структурированного управления всеми данными ГИС. Оно предоставляет инструменты для создания, манипулирования, поиска и быстрого просмотра пространственных данных. Это приложение внешне организовано как Проводник Windows (рис. 7.4). В левой части окна отображаются все каталоги на компьютере, все доступные геобазы данных, а также источники пространственных данных в Интернете. При выборе объекта (набора данных или карты) в левой части окна, в правой части окна отображаются различные сведения об объекте.
|
|
|
Рис. 7.4. Внешний вид приложения ArcCatalog ГИС ArcGIS 9.0
ArcToolbox. Это приложение для пакетного выполнения различных ГИС-операций над данными. Пакетная обработка данных подразумевает, что обработка данных происходит большими массива без интерактивной выборки отдельных объектов. Именно поэтому эта программа не имеет графического интерфейса для просмотра карт.
Приложение ArcToolbox состоит из одного главного окна, в котором в виде дерева структурированы все команды (более 150 в комплектации ArcInfo) для работы с данными. При выборе в этом дереве требуемой команды, открывается отдельное окно, в котором пользователю предлагается выбрать параметры выполняемой команды, включая источники пространственных данных (файл и геобаза в ArcSDE) и место, куда следует сохранить результат работы. Например, на рис. 7.5 приведен пример вызова из ArcToolbox команды построения оверлеев двух покрытий. При двойном щелчке на команде Overlay Wizard в дереве команд появляется окно, помогающее выбрать параметры построения оверлеев.
Рис. 7.5. Внешний вид приложения ArcToolbox ГИС ArcGIS 9.0
Важным достоинством всех приложений линейки ArcGIS Desktop является то, что они построены по единой объектно-ориентированной модели ActiveX, доступной для расширения сторонними производителями. Сама фирма-производитель ArcGIS компания ESRI предлагает несколько важнейших модулей, существенно расширяющих функциональность базовой ГИС. Упомянем основные из этих модулей.
ArcGIS Spatial Analyst. Этот дополнительный модуль предлагает мощные средства пространственного анализа растровых данных. С помощью этого модуля можно создавать новые растровые документы, редактировать их, а также выполнять их анализ. Модуль содержит следующие основные группы функций:
Картирование расстояний. Функции этой группы позволяют вычислять обычные евклидовы расстояния, а также расстояния в других метриках, например, расстояния как стоимость перемещения между точками на карте. Для определения стоимости перемещения по карте используется другой растр, в каждом пикселе которого задана скорость движения в нём.
|
|
|
Картирование плотности. Вычисление плотности используется, когда нужно показать концентрацию точечных или линейных объектов. Например, имея сведения по населению городов какого-либо региона, можно вычислить распределение населения по всему этому региону.
Интерполяция растра. Интерполяция позволяет вычислить значения некоторого параметра во всех ячейках растра по небольшому набору значений, заданных в произвольных точках плоскости. Эта функция используется для предсказания значений самых разнообразных географических явлений, измеряемых только в определенных точках, таких, как высотные отметки рельефа, уровни осадков, уровни грунтовых вод, концентрации опасных веществ, уровни шума и т.д. В модуле Spatial Analyst имеются несколько методов интерполяции, включая метод обратных взвешенных расстояний, метод кригинга и сплайновый метод. Выбор метода делается пользователем исходя из априорных сведений о предметной области.
Анализ поверхности. Рассчитав растровую поверхность, вы можете столкнуться с тем, что некоторые закономерности распределения не выявляются на этой поверхности, поэтому необходимо применить функции анализа. В Spatial Analyst включены функция построения изолиний, показывающая местоположения с одинаковым значением; функция вычисления уклона, используемая, например, при определении риска оползней; функция вычисления экспозиции склонов, полезная, например, при определении участков оптимального земледелия; функция отмывки рельефа, используемая как для реалистичного отображения поверхности рельефа, так и для анализа освещенности местности в различное время дня. Еще одна функция из этой группы – расчет видимости, – определяет, какие участки поверхности видны из заданных точек наблюдения.
Статистические функции. Они вычисляют по значениям в ячейках растра максимум, минимум, среднее, большинство, меньшинство, медиану, диапазон, среднеквадратичное отклонение, сумму и многообразие.
|
|
|
Статистика по ячейкам. Эти функции предназначены для вычисления статистических характеристик по нескольким растровым слоям, например, для анализа летних температур за десятилетний период. Статистика соседства вычисляется на основе значения обрабатываемой ячейки и значений ячеек в заданной окрестности соседства, и может быть использована, например, при проверке стабильности экосистемы для определения разнообразия биологических видов в каждой из соседних областей. С помощью функции зональной статистики вычисляются характеристики по значениям одного набора данных для зон, определяемых другим набором, скажем, вы можно вычислить число аварий для каждой дороги в городе или среднее количество осадков для каждой лесной зоны.
Переклассификация. Эта функция выполняет замену значений ячеек другими значениями на основе некоторого критерия. Это можно использовать для группировки значений ячеек, например, для объединения всех видов автомобильных дорог в один класс, а всех видов железных дорог – в другой.
Калькулятор растров. Это инструмент для вычислений значений в ячейках растра по множеству других растров. Входными данными для калькулятора могут быть растровые или векторные наборы данных, таблицы и отдельные числа. Математические операторы представлены арифметическими, булевыми операторами и операторами отношений (включая также поразрядные и комбинаторные); математические функции представлены арифметическими, тригонометрическими, логарифмическими и степенными функциями, а функции алгебры карт позволяют производить операции типа вычисления уклона или статистических характеристик ячеек для нескольких растровых слоев.
Конвертация. Этот инструмент предназначен для преобразования векторных данных (покрытий, шейп-файлов, данных САПР) в растровые и наоборот.
ArcGIS 3D Analyst. Этот дополнительный модуль предлагает мощные средства создания, визуализации и анализа поверхностей в виде регулярных (растровых) и нерегулярных (триангуляционных) моделей данных. Отличительной особенностью этого модуля по отношению к большинству других является то, что его основные функции доступны не в приложении ArcMap, а в другом – ArcScene, специально предназначенном для трехмерной визуализации картографических поверхностей и трехмерных объектов и явлений (рис. 7.6). ArcScene позволяет рассматривать реалистичные трехмерные изображения с различных точек зрения. Помимо нового приложения ArcScene, этот модуль расширяет функциональность приложений ArcMap и ArcCatalog, позволяя в них создавать и визуализировать модели поверхностей (растровые и триангуляционные).
|
|
|
Рис. 7.6. Внешний вид приложения ArcScene ГИС ArcGIS 9.0
Растровые поверхности строятся с помощью функции «Интерполяция растра», такой же, как в модуле ArcGIS Spatial Analyst (см. выше).
Триангуляционные поверхности создаются по нескольким наборам векторных данных и используются в основном только для моделирования небольших участков местности.
Модуль ArcGIS Spatial Analyst содержит множество стандартных средств анализа поверхностей, в т.ч. построение изолиний, изоклин, расчет уклонов и экспозиций склонов, анализ видимости и пр.
В приложении ArcScene можно задавать такие общие свойства сцены, как освещенность, фон, вертикальное растяжение, а также перемещать и вращать сцену, задавать координаты наблюдателя. Кроме того, есть возможность анимации трехмерного изображения и виртуального пролета над сценой.
Сцена в ArcScene состоит из трехмерных поверхностей и дополнительных трехмерных объектов, динамически создаваемых на основе обычных двумерных. Например, обычный двумерный слой зданий может быть представлен в ArcScene как набор трёхмерных фигур, которые получаются за счёт «выдавливания» многоугольников вверх на некоторую высоту, задаваемую в атрибуте высоты зданий. Для повышения реалистичности поверхностей на них обычно «натягивают» некоторые растровые изображения, например аэрокосмоснимки местности или сканированные карты.
ArcGIS Geostatistical Analyst. Это специализированный модуль для выполнения геостатистического анализа (см. п. 6.3). Он позволяет строить непрерывные (растровые) поверхности на основе измерений, проведенных в отдельных точках пространства. С помощью этого модуля можно интерполировать значения различными методами с высокой степенью достоверности. Отметим, что функции интерполяции методом кригинга имеются также в модулях ArcGIS Spatial Analyst и ArcGIS 3D Analyst, однако в данном модуле представлены более мощные варианты этих функций, а также некоторые другие. Кроме того, модуль ArcGIS Geostatistical Analyst включает инструменты для статистической оценки ошибок, определения пороговых значений и вероятностного моделирования.
ArcGIS Network Analyst. Данный модуль позволяет создавать и анализировать транспортные сети. Набор основных функций модуля включает в себя (рис. 7.7):
· Поиск кратчайших маршрутов движения.
· Расчет оптимальных маршрутов обхода заданных пунктов.
· Поиск ближайших пунктов обслуживания.
· Определение зон транспортного обслуживания.
При выполнении всех этих расчетов в транспортной сети можно учесть запреты на выполнения поворотов на некоторых перекрестках, различные расчетные скорости движения на дугах транспортной сети, а также барьеры – особые объекты, которые запрещено пересекать при поиске маршрутов движения.
Рис. 7.7. Работа с модулем ArcGIS Network Analyst в ГИС ArcGIS 9.0
ArcGIS StreetMap USA и ArcGIS StreetMap Europe. Эти модули содержат геокодированные данные по улично-дорожной сети всей территории США и Европы. Помимо собственно улиц и дорог модули ArcGIS StreetMap отображают и подписывают на карте многие сопутствующие пространственные объекты, включая парки, водоемы, различные местные ориентиры. Используя функцию поиска по адресу можно найти практически любой адрес в любой стране и отобразить результат на карте. Все данные поставляются в сжатом виде на нескольких компакт-дисках.
ArcGIS Business Analyst. Данный модуль предназначен для анализа местных рынков сбыта и степени их конкуренции, выбора оптимального места расположения новых магазинов, а также для оптимизации прямой рассылки почты для потенциальных клиентов магазинов. Всё это выполняется на основе следующих географических, демографических и маркетинговых данных, поставляемых вместе с данным модулем для США:
· Демографические данные. Этот блок данных включает более 1000 различных демографических и маркетинговых параметров по каждому штату, округу, дороге и кварталу.
· Данные по предприятиям. Этот блок включает сведения о более чем 12 миллионах предприятий, зарегистрированных в США.
· Данные о потребителях. Этот блок включает сведения о более чем 105 миллионах домовладельцах в США, включая 28 параметров об их возрасте, поле, среднем доходе, домашнем адресе и пр.
· Данные о торговых центрах. Этот блок включает детальные сведения о более чем 14 000 крупных торговых центрах (с торговой площадью не менее 16 000 кв. м), об их доле рынка, рыночной стратегии, перспективах их развития.
· Сведения об улично-дорожной сети. По сути, сюда включены все сведения, поставляемые вместе с модулем ArcGIS StreetMap USA.
ArcPress для ArcGIS. Этот модуль предназначен для вывода карт на печать. Это программный растеризатор, который создает файлы стандартных графических (BMP, JPG, TIFF и др.) форматов, а также специальные Postscript-файлы для печати на стандартных широкоформатных и настольных принтерах. При печати карт на обычных небольших принтерах (формата не более A3) обычно не возникает необходимости в использовании этого модуля, и процедура печати может быть выполнена стандартными средствами Windows. При печати более крупных и насыщенных карт Windows или принтер могут не справиться из-за недостатка оперативной памяти в компьютере или в принтере. Именно в этих случаях нужен ArcPress.
Maplex для ArcGIS. Данный модуль предназначен для оптимального размещения в автоматическом режиме подписей к объектам карты. Модуль обладает следующими основными функциями:
· На карту автоматически наносятся надписи различных размеров и шрифтов для разных объектов. Причем особенностью данного модуля является то, что размещение подписей производится сразу же для всех слоёв карты, а не по отдельности для каждого слоя.
· В случае если надписи перекрываются, размер отдельных надписей автоматически уменьшается. А если и в этом случае надписи перекрываются, то некоторые надписи удаляются с карты.
· В случае если надписи перекрываются, можно задать правила сокращения надписей, заменяя их аббревиатурами.
· При нанесении надписей на линейные объекты, подписи изгибаются вдоль объектов и при необходимости многократно дублируются для очень длинных линий.
· При нанесении надписей для линейных и площадных объектов при необходимости интервалы между буквами и словами могут быть увеличены, чтобы надпись полностью заполнила отведенное ей место.
· Надписи могут размещаться параллельно и перпендикулярно линиям картографической или координатной сетки.
· Надписи могут быть достаточно сложно отформатированы, т.е. могут содержать символы, оформленные разными шрифтами, цветами, размерами и т.д.
ArcGIS Publisher. Этот модуль преобразует карты из формата MXD в формат опубликованных карт PMF для открытого обмена этими картами между пользователями. Опубликованные карты в формате PMF можно просматривать с помощью бесплатного приложения ArcReader (см. его описание выше).
ArcGIS Survey Analyst. Этот модуль предназначен для обработки результатов геодезических изысканий и их отображения на карте. Основным достоинством модуля перед аналогичными программами для обработки геодезических изысканий является то, что данные ArcGIS Survey Analyst хранятся в геобазе данных вместе с остальными объектами ArcGIS, и что координаты обычных пространственных объектов могут быть увязаны с обработанными координатами съемочных точек (рис. 7.8). При этом координаты объектов можно автоматически выравнивать по значениям съемочных точек.
Рис. 7.8. Работа с модулем ArcGIS Survey Analyst в ГИС ArcGIS 9.0
Используя модуль ArcGIS Survey Analyst, можно хранить в единой геобазе данных огромное количество геодезических измерений, сделанных в разные периоды времени. При этом координаты объектов могут быть измерены многократно в разное время. Также модуль позволяет количественно и визуально на карте оценить точность выполненных измерений.
ArcGIS Tracking Analyst. Этот модуль предназначен для отображения и анализа данных, изменяющихся во времени (из архива темпоральных данных или данных, поступающих в реальном времени), таких, например, как данные систем спутниковой навигации GPS. Основными областями применения этого модуля являются транспорт, службы быстрого реагирования, военные, а также задачи изучения и мониторинга окружающей среды. Модуль предназначен для решения следующих задач:
· Планирование событий.
· Сопровождение полетов и прокладка маршрутов.
· Планирование спасательных мероприятий.
· Управление и обслуживание зданий и сооружений (склады, вокзалы, станции и т.п.)
· Контроль соблюдения расписаний и маршрутов.
· Управление парком транспортных средств.
· Составление расписаний и графиков работы.
· Отслеживание перемещений транспортных средств.
· Отслеживание перемещений товаров на складе.
· Управление работой местного общественного транспорта.
· Отслеживание перемещений объектов живой природы.
· Изучение динамики явлений и событий.
Модуль ArcGIS Tracking Analyst содержит следующие основные возможности.
Обработка темпоральных данных. Модуль напрямую поддерживает ГИС-данные, содержащие информацию о времени, а также позволяет использовать данные, поступающих в режиме реального времени с сервера ArcIMS Tracking Server. Обеспечивается поддержка данных в виде точек (автомобили, воздушные или морские суда), линий (атмосферные фронты) или полигонов (полоса съемки спутника, нефтяные пятна).
Темпоральные символы. Такие символы позволяют по-разному отображать данные в зависимости от текущего времени. Каждый слой имеет своё собственное время жизни, определяющее объем и время отображения темпоральных данных. Для наборов данных с характеристиками времени возможно комбинирование обычных и темпоральных символов. В зависимости от времени символы точечных объектов могут изменять свой цвет, размер и сам символ. В зависимости от характеристики времени линейные и полигональные символы могут изменять свой цвет. Кроме того, модуль ArcGIS Tracking Analyst позволяет отображать траектории перемещения объектов.
Воспроизведение. Данный инструмент предназначен для интерактивного проигрывания данных, имеющих темпоральную составляющую.
Темпоральный анализ. Функция «часы данных» показывает плотность пространственных событий во времени, используя различные методы определения плотности и визуализации. Функция «временной сдвиг» позволяет совместно воспроизводить данные за различные периоды времени. Кроме того, в случае выполнения некоторых условий над атрибутами и их пространственными характеристиками, могут быть выполнены такие специальные действия, как подсветка, скрытие и проявление объекта, или действие, заданное пользователем (рис. 7.9).
Рис. 7.9. Отображение темпоральных данных с помощью
дополнительного модуля ArcGIS Tracking Analyst
ArcScan для ArcGIS. С этим модулем ArcGIS становится профессиональным векторизатором. Модуль обеспечивает выполнение функций сканирования твёрдых копий карт (на бумажных носителях) и векторизации – преобразования растровых данных в векторные слои (шейп-файлы, покрытия или наборы данных геобазы). ArcScan полностью интегрирован в приложение ArcMap. Он включает инструменты а) редактирования («чистки») растров перед векторизацией, б) полуавтоматической и автоматической векторизации, в) постобработки векторизированных векторных объектов.
Режим автоматической векторизации растров (рис. 7.10) может работать двумя способами, когда векторизация ведется по центру линий (для линейных объектов) либо по границе (для площадных объектов). Выбор способа зависит от априорных сведений о природе объектов на отсканированных изображениях и поэтому определяется пользователем.
Режим полуавтоматической векторизации является расширением обычного режима ArcGIS для рисования новых объектов карты. При этом в помощь пользователю предоставляется инструмент автоматической подтяжки вводимых узлов объектам к специфическим объектам на растре. Подтяжка может делаться к осевым линиям растровых объектов, к точкам пересечения линий, к углам, концевым точкам и к компактным объектам.
Рис. 7.10. Автоматическая векторизация изолиний на карте
с помощью ArcScan для ArcGIS
Инструмент трассировки по растру также предназначен для полуавтоматической векторизации. С его помощью нужно просто указать курсором направление проведения векторизации и нажать кнопку мышки. При каждом последующем нажатии будут создаваться векторные объекты, проводя линии через центры соответствующих ячеек растра.
В случае, когда нужно векторизовать только определенные виды объектов и в некоторой области растра, можно воспользоваться инструментом выбора пикселей для векторизации, позволяющим отсеять незначимые пиксели растра.
ArcGIS Schematics. Данный модуль предназначен для создания схематического и геосхематического представления объектов геобазы данных. Модуль позволяет создавать схемы инженерных сетей (электрических, водопроводных, нефтегазовых, телекоммуникационных и пр.) и транспортной инфраструктуры (автомобильных и железных дорог) на основе данных, находящихся в геобазе данных. ArcGIS Schematics извлекает из геобазы информацию о некоторой сети (объектах и связях между ними), а затем автоматически генерирует различные виды представления этой сети в виде диаграмм, древовидных структур, матриц и пр.
Для отображения элементов сети могут использоваться стандартные символы ArcGIS, но в некоторых случаях этого недостаточно. Например, для автоматического создания схемы электрической сети с трёхобмоточными трансформаторами нужно иметь специальный символ трансформатора, в котором особо отмечены точки выводов трансформатора. Для таких символов в состав ArcGIS Schematics включен специальный редактор символов.
Компания ESRI (производитель ArcGIS) давно и успешно сотрудничает с компанией ERDAS (производитель растровой ГИС Imagine; она недавно вошла в состав фирмы Leica Inc.) – мировым лидером в области обработки ДДЗ. Именно поэтому ERDAS разработала два дополнительных модуля для ArcGIS для решения всех основных задач обработки аэрофотокосмоснимков.
Image Analysis для ArcGIS. Этот модуль предназначен для обработки данных дистанционного зондирования. Модуль имеет следующие основные возможности:
· Геометрическое преобразование растра, включая аффинное, полиномиальное, методом «резинового листа», перепроецирование (перевод изображения из одной проекции в другую), а также ортокоррекция изображений с использованием различных моделей фотокамер (с центральной проекцией или установленных на спутниках Ikonos, Spot, Quickbird, Landsat и др.).
· Создание ориентированных изображений, подходящих для использования в модуле Spatial Analyst.
· Составления из нескольких изображений мозаики и изменение баланса цветов отдельных изображений.
· Классификация (автономная классификация «IsoData» и управляемая классификация).
· Отсечение частей изображения.
· Импорт изображений из множества форматов (включая все, поддерживаемые системой ERDAS Imagine в т.ч. TIFF, GIF, Jpeg, Generic Binary, Raw Binary, MrSID, ERDAS Imagine LAN и IMG.).
· Преобразование растра в векторные слои и растеризация векторного изображения.
· Выполнение пространственных улучшающих преобразований растра (фильтрация со сверткой, изотропный фильтр обнаружения краев, фокальная тематическая фильтрация, слияние снимков с различным пространственным разрешением).
· Выполнение радиометрических улучшающих преобразований (использование таблиц перекодировки LUT), выравнивание яркостных гистограмм, совмещение гистограмм, получение негатива).
· Выполнение спектральных улучшающих преобразований (преобразование цветового пространства RGB в INS и наоборот, нормализованный вегетационный индекс NDVI, преобразование в естественные цвета).
· Выполнение операций пространственного анализа растров (анализ окрестности, перекодирование растров, суммирование областей).
· Классификации изображений различными методами.
Stereo Analyst для ArcGIS. Этот модуль предназначен для обработки стереоизображений и получения цифровой модели местности. Модуль имеется следующие основные возможности:
· Создание стереопар разными способами.
· Визуализация стереоизображений анаглифическим (с использованием красно-синих очков) и аппаратным (с жидкокристаллическими очками, управляемыми драйвером OpenGL с поддержкой стереоизображения в окне) способами (рис. 7.11).
· Использование трехмерного «плавающего» курсора для идентификации и сбора трехмерных данных. В процессе сбора данных высота трехмерного курсора может быть точно установлена на заданном уровне или на поверхности, которая интересует пользователя.
|
|
|
