10.7. Пакет гіс і обробки просторової інформації іdrisi

IDRISI — програмний пакет, який до останньої версії мав назву растрового пакета просторового аналізу й обробки зображень. Але остання версія пакета — IDRISI Kilimanjaro (2004) має назву «пакет ГІС і обробки зображень». Пакет створений в Університеті Кларка (м. Ворчестер, штат Массачусетс, США), названий на честь арабського картографа і географа XII століття (народився в 1099 p.). Першу версію пакета було випущено в 1987 р. Пакет використовується більш ніж у 100 країнах світу в різних проектах, пов'язаних з управлінням і охороною природних ресурсів. Він входить в навчальні програми багатьох університетів, у тому числі в розроблену у Національному центрі географічної інформації й аналізу (NCGIA, США) програму підготовки фахівців у галузі ГІС — Core Curriculum (1991). Пакет названий розробниками некомерційним і має порівняно невисоку ціну — $995 (IDRISI Kilimanjaro). Його вартість знижується практично удвічі при придбанні пакета для навчальних і наукових цілей: академічна ліцензія коштує $600, для студентів вартість пакета дорівнює $250.

Пакет належить до інструментальних ГІС настільного типу. Він спочатку був орієнтований на використання як апаратної платформи персональних комп'ютерів. Проте пакет має розвинуті аналітичні можливості і в цьому не поступається потужним професійним ГІС-пакетам. Перші версії пакета IDRISI запускалися під операційною системою MS DOS (до версії 4.1 включно), сучасні — під MS Windows. Остання версія пакета (IDRISI Kilimanjaro) має 32-бітову архітектуру і розроблялася для роботи під керуванням Windows NT (версії 3.5 і вище) на робочих станціях або персональних комп'ютерах, хоча запускається також і на PC Pentium III або вище під керуванням Windows XP, 2000 чи 98/Ме з відеоадаптером, що має мінімальний просторовий дозвіл 1024x768 і 64 000 кольорів. Мінімальна оперативна пам'ять, необхідна для роботи, — 128 Мб. Для розміщення програми на твердому диску має бути 600 Мб вільного простору. Для порівняння зазначимо, що версія пакета 4.0 для DOS (1992) запускалася на персональних комп'ютерах IBM AT (починаючи від AT 286) або PS/2 з 512 Кб вільної оперативної пам'яті та відеоадаптером EGA, VGA чи SuperVGA і вимагала для розміщення на твердому диску всього лише близько 6 Мб дискового простору.

Пакет IDRISI працює з трьома базовими типами даних, що зберігаються в системі у вигляді файлів:

а) растрових зображень (image) з розширенням Amg для файлу даних і .doc — для документаційного файлу, що є основною формою для опису й аналізу просторових об'єктів і явищ у цій системі;

б) векторних зображень, які використовуються для введення даних у систему за допомогою дигітайзера, виведення на папір за допомогою принтера або плотера, а також при експорті в інші системи, що мають стандартні розширення: .vec — для файлів даних і .due — для файлів документації;

в) атрибутивних значень, що описують якісні характеристики просторових об'єктів з розширенням .val для файлів значень і .dvl для файлів документації.

Базовою формою подання даних у IDRISI є прямокутна матриця, яка містить числові значення, що характеризують величину або код будь-якого просторового об'єкта чи явища. Елементи матриці відповідають коміркам растра і мають форму прямокутника, розміри якого задаються користувачем у момент створення карти. Кожен елемент зображення має свої координати в матриці, які можуть змінюватися при різних картографічних операціях. Структура файлу .imgy форматі ASCII має вигляд безперервного стовпчика чисел, з яких система створює прямокутну матрицю за допомогою даних, що містяться в допоміжному файлі з розширенням .doc. У цьому файлі описано: кількість рядків і стовпців матриці, розміри комірки, систему координат, одиниці вимірювання, мінімальне і максимальне значення координат та просторової змінної, просторовий дозвіл, заголовок і легенду карти і деякі інші характеристики.

Дані всіх типів у пакеті можуть перетворюватися у два формати збереження (типу файлової структури — file type): бінарний (binary) і символьний (ASCII). Залежно від величин значень комірок растра передбачено три типи форматів збереження даних (типу даних — data type):

1) byte (1 байт на значення, інтервал значень від 0 до 255);

2) integer (2 байти на значення, інтервал значень від -32767 до +32767);

3) real (4 байти на значення, величини значень до ±2³²).

Правильний вибір формату збереження може значно скоротити час обробки даних і дисковий простір, необхідний для їх збереження.

Перетворення внутрішніх форматів системи виконується за допомогою модуля CONVERT. Максимальний розмір підтримуваних растрових файлів — 32000 рядків на 32000 стовпців.

Пакет має модульну структуру. При цьому, завдяки відкритій архітектурі, імовірне додавання нових функціональних можливостей будь-якому зацікавленому користувачеві. Остання версія пакета IDRISI Kilimanjaro (2004) містить більше ніж 200 функціональних модулів, об'єднаних у кілька тематичних груп, що є розділами головного меню.

Набір функціональних модулів пакета змінюється від версії до версії (у першу чергу за рахунок додавання нових модулів, що розширюють функціональні та аналітичні можливості пакета), однак базовий склад і групування модулів за тематичними групами залишається приблизно однаковим.

Основними групами програмних модулів пакета Idrisi for Windows версії 2.00 є:

Project Management (Керування проектом),

File (Керування файлами);

Display (Відображення),

Analysis (Аналіз);

Reformat (Перетворення даних);

Data Entry (Введення даних).

До першої групи (Project Managment) належать модулі настроювання системних змінних і організації інтерфейсу користувача. Усі системні настроювання в IDRISI задаються в модулі ENVIRON: вказівки на поточні директорії з файлами даних, угода про розширення різних типів файлів даних, посилання на номери портів введення-виведення, до яких підключені периферійні пристрої, та керування кольором повідомлень на екрані.

Група File містить програмні модулі, що забезпечують стандартні процедури маніпулювання файлами даних — копіювання, переміщення, видалення, перегляд і редагування (у визначених межах) документаційних файлів і змісту просторових файлів, а також функції імпорту/експорту просторових даних, зокрема, імпорту файлів даних, підготовлених в інших ГІС, у тому числі в ARC/ INFO, MapInfo, ERDAS, GRASS, Atlas*GIS, або таких, що зберігаються в стандартних промислових форматах, таких, як TIFF, GIF, BMP, DXF, GLG, ASCII.

Група Display містить програмні модулі, відповідальні за відображення змісту просторових файлів на екрані з використанням широкого спектра стандартних і користувацьких колірних палеток (до 256 колірних або чорно-білих градацій) у двовимірному (модуль Display Launcher) і тривимірному перспективному з можливістю накладення двох карт (модуль ORTHO) зображеннях. Модуль Display Launcher забезпечує функції збільшення і зменшення зображення, панорамування, а також зчитування інформації з зображення та екранного дигитизування з використанням маніпулятора «миша». У версії пакета IDRISI Kilimanjaro до цього доданий модуль, який забезпечує тривимірну візуалізацію цифрової моделі рельєфу з заданої висоти як при імітації польоту над місцевістю.

Група Analysis містить більше шістдесяти програмних модулів, що забезпечують широкі можливості просторового аналізу растрових зображень. Вони згруповані у вісім підгруп (розділів підміню), у тому числі:

Database Quaery (Робота з базою даних);

Mathematical Operators (Математичні оператори);

Distance Operators (Дистанційні оператори);

Context Operators (Контекстні оператори);

Statistics (Статистика);

Image Processing (Обробка зображень);

Decision Support (Підтримка рішень);

Change / Time Series Analysis (Аналіз змін / Часових рядів).

Перші чотири підгрупи — Database Query, Mathematical Operators (Map Algebra), Distance Operators і Context Operators — у попередніх (DOS) версіях пакета поєднувалися під загальною назвою «Географічний (просторовий) аналіз». Вони містять набір інструментів, що дозволяють реалізувати картометричні операції (модулі AREA, PERIM, DISTANCE), операції побудови буферів (BUFFER), рекласифікацію (RECLASS), оверлейний аналіз (OVERLAY та ін.). Математичні оператори (оператори картографічної алгебри), представлені модулями OVERLAY, SCALAR і TRANSFOR. Модуль SCALAR виконує операції додавання, віднімання, множення, ділення і піднесення до степені значень пікселів зображень з використанням як операнда постійного числа. Модуль TRANSFOR виконує трансформацію зображень з використанням алгебраїчних та тригонометричних функцій — натурального логарифма і натурального антилогарифма, квадрата і квадратного кореня, синуса, косинуса, тангенса і відповідних обернених тригонометричних функцій. Аналіз поверхонь і цифрових моделей рельєфу (визначення ухилів, експозицій і відносної інсоляції, визначення зон видимості) виконується модулями підгрупи Context operators — SURFACE, VIEWSHED, WATRSHED. Більшість функцій просторового аналізу IDRISI ґрунтується на алгоритмах картографічної алгебри, розроблених С.Д. Томліном (Tomlin, 1983a, 1990), і сумісні с аналогічними функціями в інших ГІС-пакетах (наприклад, MGE, ARC/INFO, PCRaster).

Загальну характеристику методів статистичного аналізу в пакеті IDRISI наведено в п. 6.6. Основні оператори статистичного аналізу зосереджені в блоці Statistics. Однак значна частина операторів прикінцевих трьох блоків методів аналізу — обробки зображень, підтримки рішень і аналізу змінень/часових рядів — також ґрунтується на теорії ймовірностей і математичній статистиці. Крім цього, в останній версії пакета або IDRISI Kilimandjaro до його складу вперше доданий модуль геостатистичного аналізу і моделювання, що містить процедури локально-статистичного моделювання, відомі за назвою «кригінг». Для реалізації цих процедур використовується модифікована версія пакета Gstat (Pebesma, Wesseling, 1998).

Блок програмних модулів Image Processing (Обробка зображень), під якими тут розуміють аеро- або космознімки, сканерні зображення або графічні файли, містить операції виділення колірних діапазонів, фільтрації, класифікації і т.ін. Усього дана група містить близько сорока програмних модулів, поділених на такі частини:

Restoration (Відновлення);

Enhancement (Обробка);

Transformations (Трансформація);

Signature Development (Створення підписів);

Hard Classifiers («Жорсткі» класифікації);

Soft Classifiers / Mixture Analysis («М'які» класифікації / Змішаний аналіз);

Accuracy Assessment (Оцінка точності).

Блоки програмних модулів Decision Support (Підтримка рішень) і Change/Time Series Analysis (Аналіз змін/Часових рядів), що містять дуже цікаві і цінні з прикладної точки зору оператори, були вперше віднесені до версії 4.1 пакета для DOS і вже є традиційними у версіях для Windows.

Блок Decision Support містить п'ятнадцять програмних модулів, у тому числі: BAYES, що виконує аналіз вхідних карт із використанням теореми Байєса; PCLASS, що оцінює імовірності, з якими дані комірок перевищують чи не перевищують визначені граничні значення, установлені на основі аналізу вхідних карт; FUZZY, що оцінює дані комірки як нечіткий (fuzzy) набір значень на основі однієї з трьох функцій: сигмоїдальної, U-подібної і лінійної (підтримуються монотонно зростаючий, монотонно спадний, симетричний і асиметричний варіанти); RANDOM, що створює просторові зображення, які відповідають логнормальній, нормальній і рівномірній моделям просторового розподілу; RANK, який ранжує комірки растрового зображення, і ряд інших, що можуть використовуватися як самостійно, так і спільно при оптимізації рішень на основі модулів МСЕ — багатокритеріальної оцінки і MOLA — багатоцільового розподілу земель, що також входять у дану групу.

Блок Аналізу змін/Часових рядів містить модулі: TSA, який виконує аналіз часових рядів на основі методу головних компонентів з можливістю використання до 256 вхідних карт одночасно; PROFILE, що дає можливість побудови часових рядів аналізованої змінної в декількох (до 15) точках розглянутої території; REGRESS, який встановлює регресію між просторовими зображеннями, що відповідають різним моментам або інтервалам часу; OVERLAY, що забезпечує можливість аналізу змін з використанням різниці або відношення просторових зображень.

Група Reformat містить програмні модулі, які надають можливість коректного перетворення (конвертації) типів даних і типів файлової структури (CONVERT), систем координат (PROJECT), растр-векторних і вектор-растрових перетворень (блок Raster/ Vector Conversion), а також виконання змінення розмірів і порядку запису растрових файлів (CONTRACT, CONCAT, TRANSPOS) і деякі інші.

Група Data Entry містить модулі, які забезпечують введення даних. Введення даних у IDRISI може здійснюватися двома основними способами: дигітизуванням і імпортом з інших растрових форматів (зазвичай для даних дистанційного зондування). У DOS-версіях пакета до складу групи входив модуль TOSCA, який забезпечував підтримку введення просторових даних у векторному форматі з використанням дигітайзера. У сучасних версіях пакета виконується підтримка екранного дигітизування в рамках модуля DISPLAY Launcher.

Пакет підтримує роботу з растровими форматами BMP, DXF, WMF, TIFF, а також імпорт/експорт даних з ГІС-пакетів ARC\INFO, ERDAS, GRASS, MapInfo, PCRaster. Універсальним форматом обміну даними є формат ASCII.

Важливу роль у пакеті відіграє модуль INITIAL, що дозволяє створювати нові растрові файли з заданими просторовими атрибутами і постійним значенням.

До модулів Введення даних також відносять: модуль INTERPOL, призначений для міжточкової інтерполяції (методом обернено-квадратичної дистанції) наявних даних, модуль INTERCON, що дозволяє виконувати міжконтурну інтерполяцію лінійних даних, модулі TREND і THIESSEN — реалізують специфічні методи побудови нових карт на основі наявних. Модуль INTERCON звичайно використовується для одержання цифрових моделей рельєфу з карт горизонталей.

Функціональні можливості пакета передбачають спроможність створення спеціальних командних файлів, за допомогою яких можна проводити обробку даних у пакетному режимі. У такому файлі записаний перелік команд: імен модулів, імен файлів даних і допоміжні параметри для конкретної операції.