17. 4. 2012
Univerzita Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach
Prírodovedecká fakulta
Ústav geografie
Geografické informačné systémy 4
Transformácie a analýzy údajov v GIS
Michal Gallay
Založená na skriptách Jaroslava Hofierku (2003)
Priestorové analýzy, konverzia údajov
• Hlavný rozdiel medzi GIS a iným softvérom pracujúcim
s geografickými údajmi (CAD, CAM)
• Výber údajového modelu (vektor, raster) má vplyv na
ďalšie spracovanie údajov
• Niektoré analýzy sú analogické pre oba údajové modely
(analýza susedstva, tvorba zón)
• Iné sú špecifické pre konkrétny typ údajového modelu
(sieťová analýza pre vektorové údaje, modelovanie
povrchového toku pre rastre)
• Konverzia údajov do iného údajového modelu je
potrebná, ak najmä z dôvodu vykonania analýzy
vyžadujúcej iný údajový model.
1
17. 4. 2012
Konverzia údajového modelu
• Za účelom zjednotenia spôsobu reprezentácie
rôznych tematických vrstiev údajov. Napríklad
je potrebné vykonať takú analýzu,
modelovanie, ktoré vyžaduje konkrétny
údajový model.
• raster – vektor, vektor - raster
Konverzia údajového modelu
vektor - raster
• metóda centrálneho bodu,
• metóda väčšinového podielu
obsadenia bunky,
• metóda najdôležitejšieho typu,
• metóda vážených podielov na obsadení
bunky.
Použitie pravidla väčšinového podielu
a centrálneho bodu. (Hofierka, 2003)
2
17. 4. 2012
Konverzia údajového modelu
raster - vektor
Dôležité zvoliť kritérium pre označenie príslušných buniek rastra.
Možnosti označenia rastrových buniek pri konverzii vektorovej línie do
rastru. (Hofierka, 2003)
Konverzia údajového modelu
raster - vektor
• Pri konverzii z rastrovej do vektorovej reprezentácie sa bodom
vektorového objektu stáva stred bunky pri líniách alebo hrana
bunky pri polygónoch. To spôsobuje neprirodzený, lomený priebeh
(v tvare cik-cak).
• Potrebná generalizácia
Vyhladzovanie priebehu línie po konverzii z rastra.
3
17. 4. 2012
Zmena rozlíšenia rastrového údajového modelu
• Pri práci s rastrovými údajmi je niekedy potrebné zmeniť rozlíšenie
rastra, t.j. veľkosť bunky.
• Zmena rozlíšenia má 2 aspekty – geometrický a atribútový.
• So zvyšovaním rozlíšenia (zmenšovaní veľkosti bunky) sa zvyčajne
mení len geometria (veľkosť) bunky a nemení sa atribútová
hodnota.
• So znižovaním rozlíšenia (zväčšovaní veľkosti bunky) sa však do
priestoru novej, väčšej bunky dostanú aj bunky z vyššieho rozlíšenia
a preto výsledná hodnota atribútu bunky by mala zohľadňovať aj
hodnoty buniek z vyššieho rozlíšenia.
• Pri určení výslednej hodnoty sa používajú rôzne metódy
• priemer,
• metóda najbližšieho suseda,
• bilineárna interpolácia
• bikubická interpolácia (cubic convolution).
Zmena rozlíšenia rastrového údajového modelu
Porovnanie transformácie
pôvodného rastru a)
diskrétnych hodnôt
pomocou
b) metódy najbližšieho
suseda,
c) bilineárnou
interpoláciou a
d) kubickou konvolúciou.
4
17. 4. 2012
Priestorové analýzy geografických údajov
• Tieto operácie sú kľúčové, pretože tvoria jednu z ťažiskových súčastí
GIS-u. Priestorová analýza umožňuje odhaliť väzby, súvislosti,
procesy, ktoré sú ukryté v analyzovaných údajoch. Práve vďaka nej
sa z údajov stávajú informácie.
• K údajom sa pristupuje cez polohu, atribút, alebo ich kombináciu.
Priestorové analýzy geografických údajov
6 základných skupín GIS operácií (Longley at al., 2001):
• dopyty – zamerané sú na lokalizáciu objektov a javov na základe určitých kritérií,
• merania – určenie dĺžok, plochy, obvodu, tvaru, vzdialenosti a podobne,
• transformácie – kombinácie a porovnávanie údajových vrstiev na základe
geometrických, aritmetických a logických pravidiel, konverzie údajových modelov,
interpolácia,
• popisná sumarizácia – štatistický popis údajov pomocou číselných charakteristík,
• optimalizácia – stanovenie optimálnych trás, optimalizovaná lokalizácia objektov a
podobne,
• testovanie hypotéz – na základe štatistických výberov sa testujú hypotézy o
základnom súbore.
5
17. 4. 2012
Priestorové analýzy geografických údajov
Dopyty a popisná sumarizácia
• prehľadávanie, resp. vyhľadávanie, výber údajov z databázy na základe
- polohy (Select by Location)
- atribútu (Select by Attributes)
• triedenie a výpočet štatistických charakteristík (napr. maximum, minimum,
priemery, odchýlky a podobne).
Priestorové analýzy geografických údajov
Transformácie údajov
• reklasifikácia – vytváranie údajovej vrstvy s novými hodnotami atribútov
definovaných na základe reklasifikačného kritéria (predpisu) a pôvodných údajov.
- účelom je zjednodušenie obsahu
- redukuje nerelevantné detaily v analýze
- definovanie úplne novej vrstvy údajov
6
17. 4. 2012
Priestorové analýzy geografických údajov
Transformácie údajov
• reklasifikácia
Reklasifikačná tabuľka
Raster s pôvodnými hodnotami
Raster s novými hodnotami
NoData
ArcGIS Help
Priestorové analýzy geografických údajov
Transformácie údajov
• Tvorba zón – operácia, pri ktorej sa na základe vopred definovanej vzdialenosti
vytvára zóna okolo daného objektu.
-
Takto sa môžu definovať ochranné zóny okolo vodných tokov, alebo zóny so
zákazom výstavby obytných objektov v blízkosti dopravnej komunikácie. Je to
jedna z najužitočnejších operácií v GIS-e, ktorá sa dá vykonať s rastrovými a aj
vektorovými údajmi.
-
Patrí do skupiny vzdialenostných analýz (distance analyses).
7
17. 4. 2012
Priestorové analýzy geografických údajov
Transformácie údajov
• Nakladanie (prekrývanie) vrstiev má svoj pôvod v tradičnej technike nakladania
máp na seba. Dá sa vykonať rôznym spôsobom – napr. jednoduchým presekávaním
hraníc alebo dopĺňaním obsahu jednej vrstvy následnými vrstvami v poradí.
- Úloha má rozdielny charakter pre diskrétne objekty a pre polia.
- Úloha sa stáva náročnou pre údajové vrstvy s veľkým počtom objektov.
- Pri rastrovom modeli ide o jednoduchú operáciu v porovnaní
s vektorovým modelom
Priestorové analýzy geografických údajov
Transformácie údajov
• Nakladanie (prekrývanie) vrstiev
Tvorba vrstvy geokomplexov – naloženie a zlúčenie (Union) troch typov vektorových vrstiev
Tri rôzne typy
vektorových
podkladov
Geologické pomery
Klimatické oblasti
Pôdne typy
8
17. 4. 2012
Priestorové analýzy geografických údajov
Transformácie údajov
• Nakladanie (prekrývanie) vrstiev
Tvorba vrstvy geokomplexov – naloženie a zlúčenie (Union) troch typov vektorových vrstiev
Priestorové analýzy geografických údajov
Operácie s rastrovými údajmi
• štatistické analýzy, reklasifikácie, tvorba zón
• analýzy susedstva (neighbourhood), mapová algebra, analýzy nákladov (cost
surfaces), operácie s rastrovým digitálnym modelom reliéfu (geomorfometrické
analýzy, napr. vypĺňanie depresií, konštrukcia spádnic a morfometrických
parametrov).
• náročnejsie aplikácie obsahujú prvky modelovania (napr. slnečného žiarenia,
povrchového tečenia vody a sedimentov, alebo aj iných krajinnoekologických
procesov).
9
17. 4. 2012
Priestorové analýzy geografických údajov
Modelovanie povrchového toku na digitálnom modeli reliéfu
• Plocha na planine Dolný Vrch (Slovenský Kras)
• Výpočet koncentrácie povrchového odtoku (Flow density, Flow accummulation).
• Raster orientácie – Raster smeru odtoku – Raster koncentrácie odtoku
Priestorové analýzy geografických údajov
Čas prechodu v sekundách
Modelovanie náročnosti pešieho prechodu povrchom digitálneho modelu reliéfu
10
17. 4. 2012
Priestorové analýzy geografických údajov
Operácie s rastrovými údajmi
Mapová algebra
• Veľmi silný nástroj pre prácu s rastrami.
• Podstatou je, že jednotlivé rastrové mapy môžeme považovať za členy
aritmetických výrazov, v ktorých môžeme aplikovať štandardné
aritmetické a logické operácie (*, /, +, -, >, <, =, &&, !=, atď).
• Okrem toho je možné použiť rastrové mapy aj ako argumenty
matematických funkcií (cos(x), abs(x), max(x), log(x) a podobne).
• Vďaka tomu sa dajú jednoducho spočítať mnohé vzorce modelov krajinných
procesov a javov.
• Tieto operácie sa vykonávajú medzi bunkami s rovnakou polohou alebo v
určitom okolí danej bunky (kombinujú sa bunky s rôznou polohou v určitom
• okolí)
Mapová algebra
• SUMMAP = MAP1+MAP2+MAP3
Sčíta hodnoty v korešpondujúcich si buniek troch rastrov
• MEANMAP = (MAP1+MAP2+MAP3)/3
Vypočíta priemernú hodnotu korešpondujúcich si buniek troch rastrov
• NEWMAP = (SQRT(MAP1)+SQRT(MAP2)+SQRT(MAP3))**2
Vypočíta druhú mocninu súčtu odmocnín hodnôt korešpondujúcich si buniek troch rastrov
Odčítanie dvoch rastrov
-
Zdroj: ArcGIS Help
=
NoData
raster1
-
raster2
=
raster3
11
17. 4. 2012
Priestorové analýzy geografických údajov
Operácie s rastrovými údajmi
Priestorová interpolácia.
- jej cieľom je stanoviť hodnotu skúmaného javu v priestore, kde nie sú
merania alebo vstupné údaje.
- Viac k metódam interpolácie bude uvedené uvedené v prednáške „Digitálne
modely reliéfu a morfometrická analýza“.
Priestorové analýzy geografických údajov
Operácie s rastrovými údajmi
Susedské analýzy
- určujú hodnotu v danom bode na základe hodnôt susedných buniek v
presne definovanom okolí danej bunky.
- Okolie je definované počtom okolitých buniek (napr. 3x3, 5x5, atď).
- Na základe hodnôt buniek z tohto okolia sa vypočíta nová hodnota v
pôvodnej bunke.
- Najčastejšie sa k tomu používajú tieto operácie: priemer, medián, modus,
minimum, maximum, smerodajná odchýlka, diverzita (počet odlišných
hodnôt buniek v okolí) a podobne.
12
17. 4. 2012
Priestorové analýzy geografických údajov
- Hodnoty v bunkách nateraz reprezentujú
poradie, v ktorom danú bunku navštívime.
- Vykonáme Operácia „priemer“ pre okno
3x3 bunky.
Operácie v pohybujúcom sa okne : príklad
Moving window operations: a simple example
- Hodnoty v bunkách nateraz reprezentujú
poradie, v ktorom danú bunku navštívime
- Operácia „priemer“ pre okno 3x3 bunky
- Priemer hodnôt buniek v okne za zapíše
do centrálnej bunky.
13
17. 4. 2012
Fokálne operácie v pohybujúcom sa okne : príklad
Moving window operations: a simple example
- Hodnoty v bunkách nateraz reprezentujú
poradie, v ktorom danú bunku navštívime.
- Operácia „priemer“ pre okno 3x3 bunky
- Priemer hodnôt buniek v okne za zapíše
do centrálnej bunky
Fokálne operácie v pohybujúcom sa okne : príklad
Moving window operations: a simple example
- Hodnoty v bunkách nateraz reprezentujú
poradie, v ktorom danú bunku navštívime.
- Operácia „priemer“ pre okno 3x3 bunky
- Priemer hodnôt buniek v okne za zapíše
do centrálnej bunky.
14
17. 4. 2012
Fokálne operácie v pohybujúcom sa okne : príklad
Moving window operations: a simple example
- Hodnoty v bunkách nateraz reprezentujú
poradie, v ktorom danú bunku navštívime.
- Operácia „priemer“ pre okno 3x3 bunky
- Priemer hodnôt buniek v okne za zapíše
do centrálnej bunky.
Fokálne operácie v pohybujúcom sa okne : príklad
Moving window operations: a simple example
- Hodnoty v bunkách nateraz reprezentujú
poradie, v ktorom danú bunku navštívime.
- Operácia „priemer“ pre okno 3x3 bunky
- Priemer hodnôt buniek v okne za zapíše
do centrálnej bunky.
15
17. 4. 2012
Fokálne operácie v pohybujúcom sa okne : príklad
Moving window operations: a simple example
- Hodnoty v bunkách nateraz reprezentujú
poradie, v ktorom danú bunku navštívime.
- Operácia „priemer“ pre okno 3x3 bunky
- Priemer hodnôt buniek v okne za zapíše
do centrálnej bunky.
Fokálne operácie v pohybujúcom sa okne : príklad
Moving window operations: a simple example
- Hodnoty v bunkách nateraz reprezentujú
poradie, v ktorom danú bunku navštívime.
- Operácia „priemer“ pre okno 3x3 bunky
- Priemer hodnôt buniek v okne za zapíše
do centrálnej bunky.
16
17. 4. 2012
Fokálne operácie
Priestorové filtrovanie - Mean filter
Vstup (Input)
Výstup (Output - mean filtered)
Výpočet pre bunku vľavo dole: (6+1+3+9)/4 = 4.75
Original raster image
17
17. 4. 2012
Mean filter applied (3x3 cells moving window neighbourhood)
Standard deviation filter applied (3x3 cells moving window neighbourhood)
18
17. 4. 2012
Priestorové analýzy geografických údajov
Operácie s vektorovými údajmi
Analýza sietí - patrí medzi najzaujímavejšie operácie s vektorovými údajmi.
- Sieť je definovaná ako súbor líniových objektov, cez ktoré prúdia nejaké
zdroje (Tuček, 1998).
- Každý líniový objekt je charakterizovaný svojou dĺžkou, smerom a
konektivitou.
- Využívajú sa pri analýzach a modelovaní prúdenia vody vo vodných tokoch a
potrubiach, plynu a elektriny v rozvodných sieťach, pohybu dopravných
prostriedkov po dopravných komunikáciách.
- Najčastejšie sa modeluje zaťaženie siete, prípadne sa hľadá optimálna trasa.
Priestorové analýzy geografických údajov
Operácie s vektorovými údajmi
Analýza sietí
19
17. 4. 2012
Zhrnutie
• Priestorové analýzy predstavujú hlavný
rozdiel medzi GIS a iným softvérom
pracujúcim s geografickými údajmi (CAD,
CAM).
• Použitie závisí od typu údajového modelu.
• Potrebné sú konverzie údajových modelov.
• V priestorových analýzach sa uvažuje
priestorová poloha, atribút a ich kombinácia.
20
Download

07_GIS_Transformácie a analýzy údajov v GIS.pdf