Лекции ГИС1

Определение такого взвешенного центра тяжести (weighted mean center) требует перемножения каждой координаты на взвешивающий коэффициент (в последнем примере — объем продаж), суммирования одноименных координат и деления сумм на общую массу. В результате получаем пару координат центра распределения с учетом весовых коэффициентов.

Такие вычисления применяются в крупномасштабном анализе рынка и при поиске оптимального расположения объектов торговли или массового обслуживания. Проведя их, аналитик может выбрать области вблизи вычисленного центра потенциальной территории сбыта для размещения нового торгового центра или иного предприятия.

Второй тип точечных объектов высокого уровня - узел. В этом случае точки важны не сами по себе, а как некоторые отметки на линейных и площадных объектах. Поскольку атрибутивные узлы вводятся для указания на изменение атрибутов, возможность их идентификации жизненно важна для многих процедур работы с атрибутами. В общем случае узлы кодируются явным образом в процессе ввода и должны легко отделяться или идентифицироваться простыми процедурами поиска в ГИС. Трудность возникает только тогда, когда узел был по ошибке закодирован не как узловая, а как обычная формообразующая точка. Это еще одна иллюстрация важности правильной организации данных и тщательного выполнения ввода.

Использование групп точек для определения областей. Например, там, где имеется большое количество точек, что бы они ни представляли, образуемая ими область явно отличается от областей, в которых точек мало. Например, в определенных частях сельскохозяйственных полей может быть обнаружено большое число сорняков, что показывает на их отличие от других. Остается только определить причину различий: нарушение равновесия, недостаток пестицидов или нечто присущее местной почве или способам её обработки.

Рисунок 12.4. Сообщества, образованные на основе плотности точечных объектов.

Другие характеристики распределения точечных объектов, такие как равномерность или случайность, также могут использоваться для определения областей как специфических сообществ (communities), или областей имеющих общие рисунки распределений (Рисунок

12.4).

Линейные объекты, высокого уровня

91

Три типа линий особенно важны и оправдывают свое название объектов высокого уровня. Первый упоминался при обсуждении отношений между атрибутами линий и прилежащих к ним полигонов. Эти линии чаще всего называются границами (borders), при пересечении которых подразумевается значительное изменение одного или многих атрибутов местности. Другими словами, важность границ обусловлена их функцией по отношению к прилежащим полигонам.

.

Рисунок 12.5. Вцды сетей. Показаны три основные вида сетей: а) прямолинейные, b) древовидные, с) контуры.

Линии могут также становиться объектами высокого уровня, когда они связаны друг с другом некоторыми отношениями. В таких случаях это не просто изображения линейных объектов или границ между полигонами, а особые структуры, которые вместе с узлами образуют сети (networks) (Рисунок 12.5). Сети могут быть определены как набор соединенных линейных объектов, вдоль которых возможно движение от одного узла к другому. Сети позволяют моделировать множество видов потока: движение автомобилей и поездов, транспортировку грузов, перекачку нефти, газа, воды, и даже миграции животных по миграционным коридорам. Во всех этих случаях нам нужна возможность производить операции на сетях, поэтому линии должны иметь специальные атрибуты, необходимые для анализа этих потоков (ограничения скорости, сопротивление и т.д.). Растровые ГИС не подходят для работы с сетями, так как в них нет средств явного определения сетей.

Сети или их части бывают трёх основных видов: прямолинейные, как автомагистраль (Рисунок 12.5а); древовидные, как речная сеть (Рисунок 12.5b); контуры (circuits), как ведущая в исходную точку комбинация улиц (Рисунок 12.5с). Они могут быть направленными или ненаправленными. В направленной сети (directed network) поток может иметь только одно направление (Рисунок 12.6а). Например, реки при нормальных обстоятельствах текут только вниз по склону. Аналогично, на улицах с односторонним движением запрещено движение в одном из направлений. В случае если один отрезок сети пересекается с другим, может иметь место изменение направления потока, или может потребоваться ограничить места, в которых допустимо выполнять повороты при переходе с одного отрезка на другой. Например, на пересечении двухсторонней и односторонней улиц нельзя сворачивать с первой на вторую против встречного потока. В ненаправленных сетях (undirected networks) поток может двигаться в любом направлении (Рисунок 12.6b), хотя, в общем случае, сопротивление движению во встречных направлениях может не быть одинаковым.

Поскольку сети могут моделировать потоки как направленным, так и ненаправленным образом, и поскольку одни отрезки сети соединяются с другими, но не с третьими (например, когда одна дорога проходит под другой в тоннеле), все эти характеристики должны быть закодированы явным образом. Почти все векторные ГИС имеют возможность хранения таких атрибутов и моделирования потоков с их помощью. В случае отсутствия атрибутивных

92

данных для сетей существенно ограничивается использование линейных объектов как сетевых объектов высокого уровня. Линии, соединенные друг с другом без атрибутов, показывающих, что они обеспечивают пути для потоков, не создают основы для сетевого моделирования.

Подобно точечным, линейные объекты высокого уровня могут образовывать сообщества. Возможны области высокой густоты дорожной сети, или области с малым числом изгородей. Мы можем определять эти области как сообщества благодаря высокой или низкой пространственной плотности линейных объектов. И, как и для объектов других типов, возможны дополнительные характеристики распределений, такие как регулярность или случайность, которые могут использоваться для идентификации сообществ линейных объектов. Большинство ГИС не содержат алгоритмов специально для этого. Чаще всего вам придется использовать дополнительные программы или модифицировать работу самой ГИС с помощью встроенного макроязыка или средств расширения.

Площадные объекты высокого уровня

Как и точки и линии, области также могут быть объектами высокого уровня. Сами полигоны могут использоваться для определения регионов сходных географических характеристик. На самом деле, среди наиболее важных аспектов географических исследований прошлого и настоящего находится определение регионов, участков земной поверхности, которые имеют некоторое единство характеристик. Например, политические регионы определяются национальными границами, этнические — сходством происхождения, биогеографические на основе сходных черт организмов. Внутри ГИС выделение этих регионов может основываться на атрибутах, определяющих каждый полигон или набор полигонов. Например, мы могли бы определить регион, отобрав все полигоны, в которых главным растительным компонентом является лес. Это даст нам "лесной" регион. Мы должны будем знать заранее, какие регионы собираемся искать, и как они должны определяться. Поскольку определение регионов задача не простая сама по себе, велики шансы, что просто выбор подходящих полигонов или наборов ячеек растра не будет достаточным для создания определений. Скорее всего, для определения регионов нам придется объединять наборы атрибутов из нескольких различных покрытий. На самом деле, возможность определения регионов на основе большого разнообразия характеристик является одной из самых замечательных черт ГИС. Пока же выбор регионов должен мыслиться как обособление однородных наборов или комбинаций данных. В некоторых случаях регионы могут представляться как области, содержащие подобные смеси разнородных атрибутов, а не как имеющие только одинаковые атрибуты.

Регионы различаются не только атрибутами, но и своей конфигурацией в пространстве. Имеются три основных вида регионов: сплошные (односвязные),

фрагментированные (неодносвязные) и перфорированные (contiguous, fragmented, perforated) (Рисунок ). Сплошной регион образует одну сплошную область, при этом атрибуты входящих в него полигонов могут быть одинаковыми (гомогенный регион) или различными (гетерогенный регион). Фрагментированный регион, опять же гомогенный или гетерогенный, составлен из двух или более полигональных фигур, разделенных пространством, которое не относится к этому региону. Например, лесной регион может выглядеть как некоторое число полигонов, разбросанных по карте, имеющих при этом единый набор видов деревьев.

93

Простые меры длины, расстояния, площади и им подобные могут быть скомбинированы со многими другими аналитическими функциями с целью создания намного более сложных моделей. И для того, чтобы получать осмысленные результаты, мы должны знать, как наилучшим образом выполнять измерения.

ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ ЛИНЕЙНЫХ ОБЪЕКТОВ

Мы знаем, что помимо поверхностей существуют три типа объектов: точечные, линейные и площадные. Точки не имеют пространственных измерений, линии одномерны, области имеют два измерения: длину и ширину. Поскольку точки не имеют пространственной протяженности (а только значения атрибутов), они выпадают из данного рассмотрения.

Линии имеют одну меру величины - длину, если не считать значения иных атрибутов, которые могут просто выбираться из БД. Но, как мы увидим, длины линий также могут использоваться в качестве атрибутов, по которым может проводиться классификация линейных объектов.

Определение длины линейного объекта в векторной системе гораздо более точно (как и само представление линии), чем подсчет ячеек растра. Для каждого прямого отрезка из образующих линию система хранит координаты крайних точек, из которых может быть получена по теореме Пифагора длина этого отрезка. Просто сложив длины всех отрезков линии, мы получим точное значение ее общей длины. Нужно только помнить, что векторное представление линейных объектов также использует своего рода дискретизацию, когда кривые участки линии аппроксимируются прямыми отрезками, и чем больше таких отрезков используется, тем точнее представление объекта в этой структуре данных и тем точнее будет полученное значение общей длины линии.

ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛИГОНОВ

Площадные объекты двухмерны, поэтому мы можем давать им больше характеристик. Мы можем, например, измерять длины короткой и длинной осей полигона, длину его границы (то есть периметр), занимаемую им площадь. Эти меры могут использоваться в качестве вычисляемых атрибутов для классификации областей по размерам. Мы можем использовать их просто для создания отдельных покрытий полигональных объектов определенных размеров, или сохранять их для дальнейшего использования.

Линейные меры полигонов

Поскольку ориентация полигонов часто связана с природными процессами, эта характеристика может быть важна для пользователей. В сущности, идея ориентации полигонов проста. Это всего лишь вопрос определения направления наиболее длинной оси объекта.

В векторной модели данных решение состоит в определении расстояний между точками каждой пары противоположных вершин. Аналогично, но уже как минимум, находится малая ось.

Но иногда требуется не ориентация, а соотношение между большой и малой осями. Оно дает простую меру формы, которая может использоваться, например, для выделения объектов с заданным соотношением осей. Пользователю может понадобиться обнаружение всех длинных и узких полигонов, так как они имеют определенную ландшафтную функцию. Такие объекты граничат с окружением на большем протяжении, так что полигон такого типа, являющийся озером, будет иметь большую протяженность береговой линии, что важно для застройщика прибрежной территории. Эколога, исследующего мелких млекопитающих, могут интересовать длинные узкие участки леса рядом с сельскохозяйственными угодьями, в которых эти животные прячутся. В любом случае очевидно, что возможность определения отношения длин короткой и длинной осей является полезной функцией ГИС.

95

При определении большой и малой осей полигона гораздо легче иметь дело с выпуклыми полигонами. Если имеются вогнутости или полигон сильно неправилен, вычисления становятся труднее для описания, а результаты - менее полезными. Один из подходов, называемый наименьшей выпуклой оболочкой (least convex hull), позволяет решить эту проблему, заменяя полигон как бы натянутой на него резиновой оболочкой, которая обязательно будет выпуклой.

Определение периметра

Определение периметра полезная функция, если требуется окружить некоторую область линейным объектом. Например, это может быть дорога вокруг озера. Зная стоимость строительства единицы длины дороги и требуемую длину, легко получить общую стоимость

еестроительства. Аналогично можно выяснить необходимое количество материалов для сооружения ограждения вокруг полей фермы. В то время как сам периметр является полезной характеристикой, он часто используется в форме отношения периметра области к

ееплощади.

Вычисление площадей полигональных объектов

Определение площадей полигональных объектов функция ГИС, не менее ценная, чем определение периметра. Застройщикам нужно знать, сколько имеется еще не проданной территории для покупки. Специалисты по живой природе могут быть заинтересованы в вычислении площадей, так как животным определенных видов требуется для существования определенная территория.

Часто требуется рассмотрение отношения периметр/площадь области, которое является наиболее сжатой характеристикой формы, мерой сложности полигона. Наименьшее такое отношение из всех фигур имеет круг, в то время как вытянутые полигоны имеют большее значение этого отношения. Хотя оно может показаться бессмысленным, многие задачи, особенно связанные с природными ресурсами, используют его. Например, чем меньше это отношение для участка леса, тем больше вероятность обнаружения в нём животных, предпочитающих внутренние области для обитания, что может быть важно для сохранения этого вида. И наоборот, если вы хотите заняться разработкой приозерной территории для туризма, то чем выше это отношение для озера, тем больше длина пляжей, которые можно предложить потенциальным покупателям участков.

МЕРЫ ФОРМЫ

Как вы только что видели, существует тесная взаимосвязь между формой (очертаниями) и такими мерами, как периметр и площадь для полигонов и длина для линейных объектов. Во многих случаях очертания полигонов и меры извилистости линейных объектов обеспечивают понимание взаимоотношений между объектами и их окружением. Например, извилистость реки связана с такими функциями, как объем переносимого осадка, уклон и расход воды (дебит). В свою очередь, эти функциональные отношения существенно связаны с состоянием реки: происходит ли намыв осадка, находится ли река в состоянии баланса или деградирует. Гидрологи, геоморфологи и другие специалисты используют эти величины в общем анализе состояния региона. И, как мы видели, соотношение между периметром и площадью, как простая мера геометрии полигона, связана с функционированием антропогенных и природных объектов. Следовательно, важно иметь хотя бы общее понимание, что это за измерения, и как они могут выполняться в ГИС. В следующей главе мы увидим, как эти меры могут использоваться в переклассификации участков ландшафта.

В ГИС присутствуют лишь относительно простые меры формы, хотя в литературе описаны и более сложные из них. Традиционная евклидова геометрия ограничивает нас довольно коротким списком известных фигур, параметры которых исследованы и обсчитаны. Но уже растет интерес и к нетрадиционным видам геометрии, например, к фрактальной, использующей мнимые числа для определения форм.

96

Измерение извилистости

Существуют две простые меры извилистости, которые могут использоваться для характеристики линий. Первая, с которой мы уже познакомились, это отношение суммарной длины отрезков, составляющих линию, к расстоянию между ее крайними точками. Чем ближе это значение к единице, тем менее извилиста линия, для прямой линии это отношение составляет ровно единицу.

Но часто о форме кривой линии требуется знать больше. Например, очень резкие изгибы дороги с большей вероятностью могут стать причиной аварий. А острая излучина реки вызывает активную эрозию внешнего берега и нанос осадка на внутреннем берегу. По этой причине полезно знать радиус изгиба линейного объекта. Чтобы определить его, мы принимаем, что изгиб является по сути круговым, хотя так может быть не всегда. Затем мы вписываем окружность в каждое закругление и измеряем ее радиус. Если река представлена полигоном, то появляется возможность измерить еще и отношение радиуса к ширине реки, которое дает еще одну полезную характеристику формы.

Меры формы полигонов

Имеются два основных аспекта измерения формы полигонов. Первый, на основе идеи перфорированных и фрагментированных регионов, имеет общее название пространственной целостности (spatial integrity). Вторая мера, на основе идеи конфигурации границы, — более близкая к нашему прежнему рассмотрению отношений периметра и площади. Эта мера часто используется совместно с другими функциями, которые позволяют отделять каждый непрерывный полигон от полигонов с теми же самыми значениями атрибута. Другими словами, мы можем измерять конфигурацию границы каждого полигона отдельно от остальной части возможно фрагментированного региона, а не просто отмечать размер всего региона, составленного из нескольких отдельных полигонов.

Наиболее распространенной мерой пространственной целостности является функция Эйлера. Одни виды, например, птицы, предпочитают большие непрерывные области определенного типа ландшафта, в то время как другие, такие как олени, ищут большие участки леса, перемежающиеся с меньшими участками лугов или других типов ландшафта. Участок леса, который не имеет разрывов, называется непрерывным; если он полностью окружает меньшие полигоны, то называется перфорированным; если он полностью отделен от аналогичных участков участками другого типа, тогда мы называем его фрагментированным. Функция Эйлера представляет численное выражение степени фрагментированности и перфорированности. Рассмотрим ее идею.

На рисунке 12.7 изображены три возможные конфигурации полигонов. Функция Эйлера сопоставляет с каждой из них одно число, называемое числом Эйлера (Euler number), которое определяется так:

E = H-(F-1),

где Е число Эйлера, Н суммарное количество отверстий во всех полигонах региона, F — количество полигонов во фрагментированном регионе.

Рисунок 12.7. Примеры чисел Эйлера. Три различные конфигурации и связанные с ними числа Эйлера: а) четыре отверстия в одном сплошном регионе: 4+(1-1)=4; b) два фрагмента, по два отверстия в каждом: 4-(2-1)=3; с) три фрагмента, два с двумя отверстиями каждый и третий — с одним: 5-(3-1)=3. Заметьте, что во втором и третьем случаях число Эйлера одно и то же, несмотря на то, что конфигурации различны.

97

Как следует из совпадения значений числа Эйлера для разных конфигураций, приведенных на Рисунках 8.2а и 8.2b, нужно осмотрительно подходить к объяснению результатов. Вы можете рассмотреть и другие конфигурации, в том числе дающие отрицательные значения числа Эйлера (например, область из трех фрагментов без отверстий: Е = 0 - (3 -1) = - 2). В Таблице приведены некоторые конфигурации с соответствующими значениями числа Эйлера, из которой вы можете увидеть соотношения параметров, дающие одинаковые значения числа Эйлера.

(ОтметьтеколичествоконфигурацийсоднимчисломЭйлера. Обратитетакжевниманиенаотражениес противоположнымзнакомчиселтаблицыотносительноглавнойдиагонали)

Вторая группа мер полигонов, относящихся к их границам, довольно многочисленна. Встречаются меры на основе отношения осей, на основе только периметра, на основе только площадей, на основе соотношений периметра и площади, площади и длин осей, а также другие, измеряющие, например, округлость сторон.

Большинство этих мер связано с отношением периметра к площади. На самом деле, само это отношение может рассматриваться как мера полигональной формы. Однако оно не описывает реальную геометрическую форму объекта. Вместо простого отношения было бы неплохо иметь некоторую более "формообразную" меру. Для этого мы чаще всего сравниваем имеющиеся полигональные фигуры с более знакомыми фигурами, которые можем легко описать. Например, мы могли бы сравнивать их с параллелограммами, трапециями и треугольниками. Но даже эти фигуры очень разнообразны, в то время как круг является наиболее простой, компактной и легко определимой фигурой. По этой причине основным методом измерения формы является сравнение ее с кругом.

В связи с использованием круга как сравнительной фигуры, мы можем говорить, что эта мера является также и мерой выпуклости или вогнутости (convexity or concavity) полигона. Круг является наиболее выпуклой фигурой, вот почему мы используем его для измерения формы других объектов. Как известно, все другие геометрические фигуры имеют большую длину периметра при том же значении площади. Сравнение имеющегося многоугольника с кругом, по сути, то же, что рассмотрение величины выпуклости этого полигона по сравнению с выпуклостью круга. Общая формула выпуклости в векторных ГИС такова:

CI = k P/A,

где: CI индекс выпуклости, k некоторая константа, Р периметр, А площадь.

98

Здесь мы имеем отношение периметра к площади, умноженное на некоторую константу. Эта константа определяется размером круга, описанного вокруг многоугольника, так что индекс принимает значения в диапазоне 1...99, причем большее значение соответствуют большему сходству с кругом, а 100 получается, если мы возьмем идеальный круг.

Вернемся к вопросу о том, для чего же нужна мера выпуклости. Задайте себе такой вопрос: почему американские колонисты, атакуемые индейцами, выстраивали повозки в круг? Почему не в квадрат, треугольник или как-нибудь еще? Ответ состоит в том, что при заданной площади круг имеет наименьший периметр из всех фигур. Многие существа, в том числе и человек, ценят защитный характер круга, с его более легко обороняемым периметром. Хотя есть и такие, как, например, некоторые мелкие грызуны, которые любят края. Они используют эти края для вылазок на открытые пространства полей, оставаясь при этом вблизи леса для бегства и укрытия.

99

Лекция № 14 ИЗМЕРЕНИЕ РАССТОЯНИЙ

Измерения форм сейчас становятся все более важными в географическом анализе, в частности, благодаря растущему пониманию связей между формами и функциями ландшафтов. В то же время, существует устоявшийся интерес к измерению расстояний. Измерение расстояний между объектами важно не только для дальнейшего анализа отношений между ними, но и как непосредственная оценка движения к ним, от них и вокруг них. Как вы увидите, расстояние может измеряться довольно просто — как физическое расстояние между двумя точками. Но, кроме того, измерение расстояния может учитывать стоимость продвижения по пересеченной местности или по дорожной сети в противоположность движения напрямую, или в обход барьеров, которые препятствуют движению. Эти меры называются функциональными расстояниями (functional distance).

Простое расстояние

Как мы уже видели, определение простого расстояния, известного также как евклидово расстояние, относительно просто и в растровых, и в векторных ГИС. Кроме такого способа определения расстояния между точками существует и другой, при котором заранее просчитываются расстояния от определенной точки до всех других возможных точек покрытия. В растре это делается созданием набора концентрических окружностей с центром в заданной точке, каждая последующая из которых имеет радиус на одну ячейку больше. В результате образуется изотропная поверхность (isotropic surface), поскольку она одинакова по всем направлениям (Рисунок ). В трехмерном пространстве она может изображаться как конус, центр основания которого находится в выбранной точке. Карта изотропной поверхности является по сути картой путешествий из заданной точки ко всем другим объектам базы данных. Такая карта имеет тот же эффект, что и полная карта дорог, показывающая расстояния путешествия по всем направлениям от заданной начальной точки. Ее преимущество очевидно, когда нам требуется выполнить множество измерений расстояния от одной точки, они уже содержатся в изотропной поверхности. В дальнейшем мы увидим, как мы должны модифицировать изотропную поверхность для учета различий на поверхности и существования барьеров.

Есть также вариант этого метода, в котором расстояния отмеряются не от точки, а от полигона. Например, это могут быть расстояния от границы города. В результате мы опять имеем карту путешествий ко всем точкам покрытия вне города от его границы.

Как уже говорилось, в векторном покрытии расстояние между двумя точками определяется по теореме Пифагора, а общей длиной многосегментной линии является сумма длин составляющих ее отрезков. Поскольку векторные структуры данных не определяют явным образом содержимое пространства в промежутках между введенными объектами, в этих промежутках не могут выполняться и расчеты.

100