analiza spatiala
DESCRIPTION
Analiza spatiala GISTRANSCRIPT
USAMV – FIFIM
SISTEME
INFORMAŢIONALE
GEOGRAFICE
Măsurători Terestre şi Cadastru
Anul III - Semestrul 1
2012
Analiză Spaţială 1
ANALIZĂ SPAŢIALĂ
ANALIZĂ BIDIMENSIONALĂ :
Conversia vector - raster
Acest proces permite ca datele vectoriale să fie transformate în date raster,
ca pregătire pentru analiza spaţială şi pentru verificarea existenţei unor erori în
datele vectoriale, ca poligoane neînchise, lipsa sau dublarea unor indecşi sau
etichete în Baza de Date (BD) etc. Trebuie să fie specificată de utilizator o
dimensiune a pixelului, care trebuie să constituie un compromis între păstrarea
detaliilor hărţii şi controlul mărimii fişierului rezultant al hărţii.
Conversia raster - vector
Procedura permite transformarea datelor raster în date vectoriale pentru
scopuri de eliminare a naturii de "bloc" a datelor raster, în special pentru scopuri
de tipărire (plotare).
Straturi (acoperiri)
Două sau mai multe straturi de date vector sau raster sunt unite matematic
pentru a forma un nou strat al hărţii. Dacă straturile originale ale hărţii au avut
tabele de atribute (baze de date) referinţe sau legate la aceste straturi, atunci
toate părţile sau anumite părţi ale acestor atribute pot fi asociate cu acest nou
strat al hărţii. În ArcGIS există trei metode de acoperire sau combinare
(overlay): unirea, intersecţia si identitatea, care produc rezultate diferite. Pe
Analiză Spaţială 2
timpul oricărei operaţii overlay sunt create uneori "aşchii" (slivers - mici
poligoane nesemnificative care nu au etichete în baza de date) şi utilizatorul
trebuie să decidă ce face cu acestea. Pentru controlul procesului de eliminare a
poligoanelor "aşchie" sunt folosite câteva criterii ca cele de formă, arie, lungime
a perimetrului, etc.
Poligoane Thiessen (Voronoi)
Aceste poligoane sunt construite în jurul datelor punctuale, pentru a crea
"sfere de influenţă" la interpolare. Toate punctele sunt unite cu segmente de
dreaptă şi acestor segmente li se determină mijlocul. Mijloacele segmentelor
sunt unite cu noi segmente în jurul fiecărui punct iniţial, formând poligoane
închise (unul în jurul fiecărui punct).
Poligoane Thiessen (Voronoi)
Reţea neregulată de triunghiuri (TIN)
Această metodă, folosită frecvent în generarea modelelor numerice ale
terenului, constă în realizarea unei reţele de triunghiuri oarecare, prin unirea
punctelor cu valori cunoscute ale variabilei studiate (ex: altitudinea), distribuite
neregulat în spaţiu. Pe baza acestor valori, a coordonatelor punctelor cunoscute
şi presupunând ca liniară variaţia valorilor în lungul laturilor triunghiurilor, pot
fi calculate valori în puncte pentru care nu există informaţii, situate pe aceste
laturi. Prin unirea punctelor cu aceleaşi valori ale elementului analizat,
calculatorul trasează un set de izolinii, generând astfel o hartă izopletă.
Analiză Spaţială 3
TIN
Căutare (interogare)
Nici-un SIG nu este complet dacă nu sunt implementate funcţiile de
căutare sau de interogare, specifice bazelor de date. Aceste funcţii permit unui
utilizator să formuleze cereri complexe folosind algebra booleană şi atributele
legate (de datele poziţionale) ale hărţii, pentru a căuta detalii care îndeplinesc
criteriile de selecţie. Uneori, pentru a construi şiruri sau comenzi de căutare, este
folosit un limbaj de interogare (SQL). Pentru a afişa rezultatele unei asemenea
interogări, este creată o variabilă temă (theming) în baza de date asociată, căreia
i se asignează un cod de culoare definit de utilizator, dacă este satisfăcut criteriul
de selecţie, şi zero în caz contrar.
De exemplu, planificatorii si proiectanţii, ecologiştii ş.a. pot dori să
afişeze peste o ortofotogramă digitală recentă poziţiile clădirilor, parcurilor,
râurilor şi reţelelor de apă, canalelor colectoare, hidranţilor de incendiu şi
locurilor de iluminare stradală pentru o localitate . O asemenea hartă va trebui să
prezinte fiecare din aceste detalii (poligoane, linii şi puncte) cu culori (şi
simboluri sau semne convenţionale) diferite. Numărul, ordinea şi
culoarea/simbolul asociate cu temele vizibile sunt controlate de utilizator.
Analiză Spaţială 4
Hartă tematică suprapusă peste o ortofotogramă digitală
Managerii resurselor naturale pot să creeze o hartă care să arate toate
pădurile de diferite specii, care să fie colorate în mod diferit (pe specii şi pe
tipuri de sol, reprezentate cu anumite culori). Selecţia presupune să existe în
baza de date toţi parametrii după care se face căutarea.
Analiză Buffer (zonă tampon)
Ideea este ca utilizatorul să definească una sau mai multe zone care sunt
localizate la o distanţă fixă fată de un detaliu al hărţii, specificată de utilizator,
detaliul fiind un obiect punctual (un magazin, o şcoală, etc.), un obiect liniar (un
curs de apă, un drum) sau un obiect areal sau poligon (o parcelă de pădure).
Aceste zone sunt afişate prin asignarea unor coduri de culoare sau tipare de
simboluri sau haşuri. Asemenea zone sunt foarte importante pentru definirea
practicilor de management al zonelor de lângă ape, stabilirea tipurilor de
vegetaţie de-a lungul drumurilor, zonelor libere de lângă drumuri din motive
estetice, alocarea copiilor la o şcoală, alocarea cazărmilor de pompieri etc. În
plus, uneori este posibil să se modifice sau să se "pondereze" lăţimile acestor
zone tampon prin unele atribute ca înălţimea sau densitatea vegetaţiei.
Analiză Spaţială 5
Analiza proximităţii
Acest proces este opus celui al analizei zonei tampon, în sensul că
distanţele sunt calculate între fiecare pixel şi nişte detalii ale hărţii specificate de
utilizator, rezultatele fiind memorate cu fiecare pixel. De exemplu, se poate
calcula distanţa de la poziţiile de telemetrie a unor animale sălbatice până la
râuri sau drumuri. Pentru aceste distanţe calculate pot fi afişate şi statistici
descriptive simple.
Analiză de/în reţea
Acest tip de analiză operează pe detalii liniare ce formează o reţea, ca de
exemplu râurile, drumurile, reţeaua de canalizare, reţeaua de alimentare cu
energie electrică etc. În rezumat, există două tipuri de analize:
1. determinarea drumului minim, optim sau uneori cel mai scurt;
2. problema postaşului chinez.
Primul tip implică determinarea unui itinerar între două puncte definite de
utilizator, astfel ca anumite criterii de selecţie să fie satisfăcute. De exemplu,
dorim să plasăm o linie de transport al energiei electrice de înaltă tensiune peste
un teren de la poziţia A la poziţia B, cu restricţii de plasare sau trasare a liniei,
ca:
a) linia să nu fie vizibilă de pe orice drum de categorie superioară;
b) să nu treacă la mai puţin de 300 m de orice şantier arheologic;
c) să treacă la cel puţin 1000 m de o sondă sau de o staţie de alimentare cu
combustibil;
d) pantele maxime ale traseului să fie de o anumită valoare.
Al doilea tip de analiză este o problemă de livrare ce implică legarea unui
număr specificat de poziţii într-un mod optim, pe baza anumitor criterii definite
Analiză Spaţială 6
de utilizator, ca şi mai sus. Chiar o călătorie de studii geografice cu
obligativitatea de a trece printr-un număr de obiective, dar traseul să fie de
lungime minimă. Uneori pot fi identificaţi coeficienţi de frecare sau de
rezistenţă la înaintare care inpiedică fluxul reţelei (network). În ArcGIS
problemele reţelei sunt gestionate şi rezolvate cu modulul NETWORK
ANALIST.
ANALIZĂ TRIDIMENSIONALĂ :
Izolinii (curbe de nivel)
Această funcţie permite unui utilizator să genereze izolinii sau curbe de
valoare z constantă, din valorile X, Y, Z ale unor puncte. De regulă, pot fi
specificate separat nivele intermediare vectoriale şi de indecşi ale izoliniilor.
Modelul numeric al terenului (MNT)
Modelul numeric al terenului este o reprezentare tridimensională a
terenului (reliefului), care indică, pentru fiecare pereche de coordonate x,y,
valoarea reală sau interpolată a altitudinii.
Realizarea modelului numeric al terenului implică parcurgerea a trei etape
distincte:
1. Colectarea datelor, respectiv a valorilor x,y,z, pentru un eşantion de
puncte;
2. Alegerea modelului de reprezentare a suprafeţei tridimensionale;
3. Interpolarea valorilor altitudinii în punctele necunoscute.
Colectarea datelor se poate realiza pe mai multe căi:
- Direct în teren, prin măsurători topografice. Această metodă
generează un model numeric al terenului de foarte înaltă acurateţe, însă pe arii
Analiză Spaţială 7
reduse. Colectarea datelor nu este posibilă în zonele cu relief puternic
accidentat, deci greu accesibile;
- Folosind hărţile topografice, prin digitizarea curbelor de nivel. Este o
metodă ce poate genera un model numeric al terenului cu acurateţe redusă –
moderată şi nu se pretează la areale foarte restrânse;
- Folosind aerofotogramele şi imaginile de teledetecţie satelitară,
prin explorarea stereoscopică a fâşiilor comune, suprapuse, reprezentând o
aceeaşi suprafaţă de teren, văzută însă din unghiuri diferite. Modelele construite
pe baza acestor surse de date prezintă acurateţe moderată la înaltă;
- Folosind sistemul global de localizare (GPS), o constelaţie de 24 de
sateliţi americani NAVSTAR (1992), plasaţi pe orbite la cca 20000km
altitudine, cu ajutorul cărora se poate determina cu foarte mare precizie (±1cm în
plan orizontal, ±2cm în plan vertical raportaţi la elipsoidul de referinţă) poziţia
unui punct de la suprafaţa terenului, fără a face apel la reperele geodezice
tradiţionale. Utilizarea datelor GPS poate genera un model numeric al terenului
de înaltă acurateţe, însă pe areale restrânse, iar conectarea la sistemul de sateliţi
(minim patru) este dificilă în văile adânci, sau pe versanţii împăduriţi.
Alegerea modelului de reprezentare a suprafeţei tridimensionale a
reliefului depinde de metoda de eşantionare prin care au fost colectate datele
privind altitudinea.
Dacă eşantionul este reprezentat prin puncte distribuite regulat la
suprafaţa terenului, sub forma unei reţele rectangulare, modelul de reprezentare
va fi de tip grid, în format raster, sau latice, în format vectorial. Aceste modele
prezintă avantajul simplităţii şi compatibilităţii directe cu sursele de informaţie
reprezentate prin imagini satelitare şi aerofotogrammetrice. Principalul
dezavantaj îl constituie neconcordanţa dintre variabilitatea areală a complexităţii
reliefului şi inflexibilitatea reprezentării prin puncte regulat distribuite în spaţiu.
Astfel, în zone cu o complexitate mare a reliefului, reţeaua de puncte poate fi
insuficientă pentru a surprinde toate trăsăturile acestuia, în timp ce în zonele cu
Analiză Spaţială 8
relief omogen, poate apărea o redundanţă semnificativă de informaţie, prin
înregistrarea unor valori de altitudine foarte apropiate într-un număr
supradimensionat de puncte. Pentru a înlătura acest neajuns, au fost create şi
modele grid cu rezoluţie variabilă, depinzând de complexitatea reliefului. Însă,
în general, modelele tip grid sau latice au un efect de netezire a reliefului,
estompând trăsăturile proeminente ale acestuia.
Dacă eşantionul este reprezentat printr-o reţea neregulată de puncte, cu
desime proporţională cu gradul de complexitate al reliefului, atunci modelul de
reprezentare va fi de tipul reţelei neregulate de triunghiuri (TIN), în care
punctele eşantionului constituie vârfurile unei reţele de triunghiuri oarecare.
Modelul TIN descrie mult mai realist terenul, datorită posibilităţii de
reprezentate a trăsăturilor abrupte (văi adânci, creste montane, vârfuri izolate,
depresiuni), posibilităţii de variaţie a densităţii punctelor de eşantionare în
conformitate cu gradul de complexitate al reliefului, fapt ce determină, mai
departe, minimizarea redundanţelor de informaţie. Principalul dezavantaj în
constituie complexitatea operaţiilor matematice implicate în construirea
modelului.
Pentru a obţine Modelul Numeric Altimetric (MNA), valorile altitudinii
trebuie determinate pentru fiecare punct necunoscut, pe baza valorilor în
punctele cunoscute ale eşantionului. Această operaţiune se realizează prin
aplicarea uneia sau alteia dintre numeroasele metode de interpolare citate în
literatura de specialitate. Cele mai frecvent utilizate dintre acestea au fost
prezentate anterior, de aceea nu vom insista asupra lor.
Alegerea metodei de interpolare este condiţionată, în principal, de
destinaţia MNA. Astfel, metodele globale sunt mai potrivite, spre exemplu,
pentru cuantificarea influenţei reliefului asupra trăsăturilor generale ale climei
unei anumite regiuni, în timp ce metodele locale se pretează mult mai bine la
generarea altitudinilor exacte, a pantelor şi orientării versanţilor, variabile ce ar
Analiză Spaţială 9
putea fi incluse, spre exemplu, într-un model privind potenţialul agricol al unei
regiuni sau stabilitatea pantelor deluviale.
Pe baza MNA pot fi derivate o gamă largă de informaţii, în special de
natură geomorfologică şi hidrologică:
Panta şi orientarea versanţilor;
Densitatea şi adâncimea fragmentării reliefului;
Convexitatea sau concavitatea versanţilor;
Curba hipsometrică;
Calcule de lungimi, suprafeţe şi volume;
Analiza vizibilităţii, cu obţinerea imaginilor panoramice;
Calcule de însorire – umbrire;
Densitatea reţelei de drenaj;
Indici hidro – geomorfologici
Derivarea pantei şi aspectului
Există numeroase produse ale MNA, dependente de mărimea specificată a
pixelului la timpul creării modelului. Trebuie reţinut faptul că un MNA poate fi
generat folosind orice valoare Z ataşată unei baze OXY. Ca atare, panta trebuie
să fie imaginată ca o rată de variaţie şi aspectul ca direcţia acelei rate de
variaţie (direcţia de pantă maximă).
Vederi ortogonale/perspective
Prin specificarea poziţiei unui observator, a unei poziţii ţintă şi a unui
unghi de observare, un utilizator poate crea o reprezentare 3D. O vedere
perspectivă reprezintă liniile orizontale ce converg la o anumită distanţă (la
orizont), pe când liniile într-o vedere ortografică (ortogonală) nu converg. Scara
pe axa Z poate fi exagerată. Poate fi ales şi numărul de linii ale suprafeţei pe
direcţiile X şi Y.
Analiză Spaţială 10
Triangularizare şi vedere 3D
Suprapunere
Această procedură implică plasarea unei reprezentări sau a unui strat
vectorial, ca cel al drumurilor, cel al râurilor sau al limitelor vegetaţiei, peste o
vedere perspectivă. Suprapunerea e simplă şi nu este o unire a straturilor. Nu
sunt făcute operaţiuni matematice cu valorile Z ale celor două sau mai multe
straturi.
Tabele de praguri (clasificare)
Suprafeţele care au valorile Z continui, de exemplu un MDA, pot fi afişate
tematic prin folosirea unui tabel de conversie, care transformă valorile Z în
diferite clase discrete. Numărul de clase şi definiţiile claselor sunt date de
utilizator şi fiecărei clase i se asignează un cod de culoare şi o etichetă
(denumire). La afişarea imaginii este afişată şi o legendă.
Filtrarea suprafeţei
Multe acoperiri derivate din suprafaţă conţin zone cu "zgomot"; acestea
sunt zone unde valorile pixelilor vecini fluctuează, rezultând un aspect straniu.
Analiză Spaţială 11
Un exemplu de asemenea situaţie este aspectul generat în terenul ondulat. Poate
fi aplicat un filtru 3x3 sau 5x5 acoperirilor tematice, pentru a reduce numărul
salturilor valorilor pixelilor vecini şi a produce zone mai omogene. Utilizatorul
are controlul asupra numărului de valori consecutive ale pixelilor care sunt
determinaţi a nu fi zgomot.
Modelarea suprafeţei
Uneori trebuie să se realizeze o nouă suprafaţă Z, care să fie o funcţie
matematică de valorile Z ale altor suprafeţe cu acelaşi domeniu de definiţie.
Metode de clasificare
Clasificarea este esenţială pentru înţelegerea de către om a obiectelor şi
fenomenelor lumii înconjurătoare. Creierul uman este limitat în ceea ce priveşte
numărul de clase cu care poate opera. Şapte clase plus sau minus două pe un
nivel într-o ierarhie par a fi confortabile. Clasificările binare (fals/adevărat,
cuplat/decuplat sau 0/1) sunt cele mai simple şi familiare calculatorului, dar mai
mult de 10 niveluri de clase sunt greu de acceptat.