Можливості геоінформаційних систем в соціально-економічному картографуванні

Автоматизація соціально-економічного картографування

Вся інформація — бази даних — можуть бути представлені в трьох форматах: растровому, векторному та змішаному. У результаті використання її в автоматизованому режимі виникло таке поняття, як картографічні банки даних (КБД). Їх структура досить складна, але в них обов’язково входять автоматизовані системи обробки даних, бази даних та системи управління, пакети прикладних програм для вирішення конкретних тематичних завдань та ін Вся інформація, яка збирається для створення карти, розміщується в базах даних — це фактично цифрова геоінформаційна модель об'єкта досліджень. Коли КБД створений, обробка інформації може відбуватися двома шляхами. Перший — переробка даних, що подаються в числовій формі в похідні, що також мають числову форму — не вимагають візуалізації результату. Інакше відбувається другий шлях — переробка числових даних в графічну форму карти. Складність полягає в тому, що необхідно враховувати весь різноманітний комплекс явищ, взаємозв'язків між ними і всередині них. Для виконання такої ж роботи в експертну систему входить: база фактів, що містить опис властивостей об'єктів соціально-економічної карти, значень факторів генералізації і етапу складання; база правил, яка містить основні закономірності складання; блок логічного висновку, який здійснює підбір адекватних ситуацій правил складання і забезпечує їх виконання; блок діалогу з користувачем, який дозволяє картографові в процесі роботи доповнювати і виправляти зміст правил та дає по його запиту пояснення по ходу логічного висновку про причини складання того чи іншого об'єкту.

У результаті використання вищевказаних блоків експертна система дозволяє проводити складання карт автоматизованим способом, але під постійним контролем фахівця-картографа. Різке збільшення обсягів моніторингової інформації, особливо екологічної, дасть плановане в майбутньому приєднання України до міжнародних проектів ГІС, а також створення ГІС аналогічної тематики і всередині країни.

Відносно даних дистанційного зондування, то значення та роль аерокосмічних джерел в соціально-економічному картографуванні постійно розширюється, особливо в умовах розвитку і вдосконалення цифрових методів фотограмметрії та автоматизації тематичного дешифрування. Для створення соціально-економічних карт найчастіше використовуються сканерний і фотографічні космічні зображення. Матеріали аерозйомки залучаються помітно рідше, перш за все при створенні великомасштабних карт. Хоча в основному застосовуються знімки у видимій частині спектру, постійно зростає роль радіометричних і теплових знімків. Це пояснюється тим, що матеріали зйомки в радіодіапазонах не залежить від погоди, що дозволяє використовувати їх для картографування територій, закритих хмарністю. Матеріали теплової зйомки особливо контрастно виділяють місця зі змінами режиму тепла і вологи, їх можна використовувати для зйомки в нічний час. Кожен спосіб отримання аеро-і космічних зображень має свої особливості. Приміром, космічні фотографії мають роздільну здатність на місцевості до 5 метрів, але їх отримання менш оперативно, ніж сканерних зображень.

Дозвіл сканерних зображень, одержуваних, наприклад, із супутників СПОТ і Ландсат, помітно нижче, але зате їх регулярне отримання дозволяє використовувати для моніторингу природних і соціально-економічних територіальних утворень. У цілому для дешифрування соціально-економічних об'єктів (наприклад, промислових вузлів, електростанцій, транспортної мережі тощо) більш інформативними є зображення з високою роздільною здатністю, але їх використання для картографування великих територій ускладнюється величезною трудомісткістю дешифровочних робіт. Великомасштабні дані дистанційного зондування детально відображають внутрішню структуру поселень, вони забезпечують картографування антропогенного впливу, наприклад, впливу електростанцій, автодоріг, трубопроводів, освоєння мінеральних ресурсів і будівництва дачних селищ на рослинний покрив. Великомасштабні знімки відображають вплив сільського господарства, транспорту, населених пунктів на екологію, дозволяють вивчати використання міських земель.

Знімки найбільших масштабів-1:500, 1:1 000 — чудовий матеріал для еколого-географічного районування, вивчення лісогосподарських територій. Знімки в тепловому ІЧ та радіодіапазоні, незважаючи на низький дозвіл багатьох з них (сотні метрів і кілометри), вважаються перспективними, тому що дозволяють визначити вологість грунтів, засоленість грунтів, теплове забруднення населених пунктів і водойм тощо.

Поєднання ГІС та даних ДЗЗ є найбільш ефективним рішенням для аналізу суспільно-географічних комплексів та прийняття відповідного рішення[5].

Геоінформаційне картографування як новітній напрям в картографії.

Опрацювання питань державної регіональної політики потребує активізації залучення різних методів дослідження щодо обґрунтування стратегічних планів розвитку України та її регіонів. Тому розробка методики картографування динаміки соціально-економічних явищ і її детальна апробація на змінах чисельності, демографічних характеристиках населення України, як найбільше динамічному і найважливішому об'єкті, є проблемою давно назрілою, яка з різних причин в тематичному картографуванні України розглядалася мало. Актуальною є розробка шляхів та методів створення динамічних моделей проблемно-практичної орієнтації з широкими можливостями оперативної електронної обробки і поновлення інформації.

Геоінформаційне картографування — це автоматизоване створення і використання карт на основі ГІС і баз картографічних даних і знань. Суть геоінформаційного картографування складає інформаційно-картографічне моделювання геосистем.

Геоінформаційне картографування може бути галузевим і комплексним, аналітичним і синтетичним. У відповідності з прийнятими класифікаціями, виділяютьвиди і типи картографування, основні з яких такі:

• — Соціально-економічне
• — Екологічне
• — Оціночне

Даний напрям сформувався не зненацька і не на пустому місці. Він інтегрував ряд галузей картографії, піднявши їх на більш високий технологічний рівень. Його витоки прослідковуються і в комплексному, потім в синтетичному і оціночно-прогнозному картографуванні. Наступним кроком став розвиток системного картографування, при якому увага концентрується на цілісному відображенні геосистем та їх елементів (під геосистем), ієрархії, взаємозв'язків, динаміки, функціонування. Це потребувало ґрунтовної опори на математичні методи і автоматизовані технології, а звідси був уже один крок до створення автоматичних картографічних систем і ГІС. Інакше кажучи, геоінформаційне картографування виникло і розвивається як пряме продовження комплексного, систематичного і далі - системного картографування в новому геоінформаційному середовищі.

Серед характерних рис цього виду картографування найбільш важливі наступні:

• — високий рівень автоматизації, опора на бази цифрових картографічних даних і бази географічних знань;
• — системний підхід до відображення і аналізу геосистем;
• — інтерактивність картографування, тісна взаємодія методів створення і використання карт;
• — оперативність, що наближається до реального часу, в тому числі з широким використанням даних дистанційного зондування;
• — багатоваріантність, що допускає різносторонню оцінку ситуацій і спектр альтернативних рішень;
• — мультимедійність, яка дозволяє суміщати іконічні, текстові, звукові відображення;
• — застосування комп’ютерного дизайну і нових графічних зображуваних засобів;
• — створення зображення нових видів і типів (електронні карти, 3-мірні комп’ютерні моделі, анімації);
• — проблемно-практична орієнтація картографування, націлена на забезпечення прийняття рішень.

Геоінформаційне картографування акумулює досягнення дистанційного зондування, космічного картографування, картографічного методу дослідження і математико-картографічного моделювання.

В свому розвитку геоінформаційне картографування використовує досвід комплексних географічних досліджень і системного картографічного моделювання. Завдяки цьому в кінці ХХ століття геоніформаційне картографування стало одним із магістральних напрямків розвитку картографічної науки і виробництва[1].

Соціально-економічне картографування методами ГІС

Крім оглядових загальногеографічних і топографічних карт у практиці географічного аналізу і подання даних широко використовуються тематичні карти, створені на основі аналізу атрибутивних даних, пов’язаних з тим чи іншим набором просторових об'єктів (наприклад, кількість населення в містах або адміністративних одиницях). Тематичні карти і картодіаграми використовуються для візуального аналізу просторово-розподіленої інформації, у зв’язку з цим сприйняття й аналіз таких карт людиною значною мірою залежать від методики їхньої побудови і візуальних характеристик.

Побудова тематичних карт і картодіаграм із використанням просторової основи у вигляді точкових, лінійних і полігональних об'єктів і пов’язаних з ними записів з табличних баз даних є однієї з найбільш поширених функцій ГІС. При побудові картодіаграми пов’язана з об'єктом інформація візуалізується у вигляді картографічних знаків, що відбивають якісні або кількісні характеристики кожного об'єкта. Процедура побудови тематичної карти або картодіаграми звичайно реалізована у вигляді спеціального програмного модуля, виклик якого здійснюється за допомогою спеціального пункту меню. У більшості програмних продуктів ГІС реалізована побудова декількох типів карт за тематичними шаблонами.

Користувач має можливість вибрати тип створюваної карти, вибрати з атрибутивної бази дані характеристики, за якими буде будуватися карта, вибрати стиль оформлення карти (колір, тип символу та ін.).

Атрибутивна інформація, на основі якої будується карта (одне чи кілька полів бази даних), називається тематичною змінною. Як тематична змінна може використовуватися вираз, що обчислює нове значення на підставі значень одного чи кількох полів з використанням математичних, логічних і просторових операторів або функцій [3].

У більшості програмних ГІС-пакетів доступні такі тематичні шаблони:

• — ранжовані діапазони;
• — стовпчасті картодіаграми;
• — кругові картодіаграми;
• — ранжовані символи;
• — точки з заданими вагами;
• — індивідуальні значення.

Шаблон «Ранжовані діапазони» («Градуйовані кольори») відображає одну тематичну змінну у вигляді розбитого на визначені діапазони набору числових значень обраної змінної (наприклад, чисельності населення по країнах світу). Кількість і межі діапазонів установлюються користувачем, виходячи з поставленого завдання. У той самий час кількість діапазонів істотно впливає на сприйняття карти і можливість проведення аналізу взагалі. Велика кількість діапазонів (понад 10) утруднює загальне сприйняття карти, колірне розходження між сусідніми діапазонами може бути занадто малим. Мала кількість діапазонів (менше 5−4) значною мірою узагальнює значення між сусідніми діапазонами, багато окремих груп значень можуть бути нівельованими. Найбільш часто рекомендується використовувати 5−7 діапазонів. картографія геоінформаційний економічний Залежно від призначення карти для визначення меж діапазонів можуть бути використані різні методи розбиття вибірки числових даних на діапазони. У більшості ГІС-пакетів доступні такі методи поділу усієї вибірки значень картографованої тематичної змінної на діапазони (за кількістю або розмом діапазонів).

Метод рівної кількості значень (Equal Count) — у кожний діапазон входить рівна кількість записів з табличної бази даних. Якщо число записів не кратне кількості діапазонів, спірні записи визначаються в той діапазон, до якого ближче значення запису.

Метод рівних інтервалів (Equal Ranges) — кожний діапазон має приблизно рівну різницю між верхнім і нижнім значеннями діапазону (рис. 6.4).

Метод природного розбиття (Natural Break) — діапазони створюються на основі розривів між групами близьких числових значень.

Метод розбиття з використанням середньоквадратичного відхилення (Standard Deviation) — середина середнього діапазону відповідає середньому значенню усієї вибірки значень; верхній діапазон містить значення, що перевищують суму середнього і середньоквадратичного відхилення; нижній діапазон містить значення, що не перевищують різниці середнього і середньоквадратичного відхилення.

Метод ручного розбиття (Custom) — довільно встановлювані користувачем верхні і нижні межі діапазонів.

Кожному діапазону присвоюється визначена графічна змінна залежно від типу картографічного об'єкта (точка, лінія або полігон). Графічні характеристики (тип, колір і розмір символу; колір, тип і товщина лінії; заповнення і колір полігона) вибираються з відповідних бібліотек, так само користувачу може бути запропонована деяка кількість готових шаблонів оформлення карти.

Різні діаграми є найбільш поширеним способом візуалізації числових даних, показуючи кількісні розбіжності або вагові внески в загальну суму числових значень. За наявності в базі даних однотипних числових значень, що характеризують більш загальну тематичну характеристику (наприклад, чисельність вікових або національних груп у загальному населенні країни), стає можливою побудова відповідних картодіаграм.

Шаблон «Стовпчаста картодіаграма» відображає кілька однотипних тематичних змінних. Кожна змінна відображається у вигляді ранжированого стовпця в діаграмі, що дозволяє візуально порівнювати числові значення різних змінних. При виборі групи змінних слід враховувати порівнянність числових значень (відсотки, частки, абсолютні значення).

Для екранного подання можуть бути задані параметри стовпців: висота залежно від відображуваного значення, ширина стовпця, колір або штрихове заповнення. Може використовуватися різне розміщення стовпців (поруч або накладення зверху, нахил уліво чи вправо, різні варіанти прив’язування до центра базового об'єкта). Так само задаються пояснювальні заголовки і підписи стовпців.

Шаблон «Кругова картодіаграма» також відображає кілька тематичних змінних. Кожна змінна відображається у вигляді ранжованого кругового сектора в діаграмі, що дозволяє візуально порівнювати числові значення різних змінних. При виборі групизмінних необхідно враховувати порівнянність числових значень (відсотки, частки, абсолютні значення).

При оформленні зовнішнього вигляду кругових картодіаграм використовуються такі настроювання: встановлення залежності діаметра значка картодіаграми від сумарного числового значення окремих сегментів або встановлення рівного розміру для всіх значків, застосування напівкруглої діаграми. Установлюється колір для сегментів картодіаграми, основні підписи і підписи сегментів. Так само визначаються прив’язування картодіаграми до центра базового об'єкта, кут початку першого сегмента та ін.

Шаблон «Ранжовані символи» відображає одну тематичну змінну у вигляді символів, розмір чи колір яких пропорційний абсолютним числовим значенням картографованого атрибута. Задається розмір (колір) символу для мінімальних і максимальних (іноді і для декількох фіксованих проміжних) значень атрибута. Зовнішній вигляд значків береться з бібліотек точкових символів.

Шаблон «Точки із заданими вагами» відображає одну тематичну змінну у вигляді поля точок, де кожна точка відповідає певному числовому значенню (наприклад, одна точка відповідає одному мільйону чоловік при картографуванні чисельності населення країн світу). Звичайно цей шаблон використовується для полігонів; загальна кількість точок, виведених у межах полігона, пропорційна величині відображуваного значення змінної.

Шаблон «Індивідуальні значення» відображає одну тематичну змінну, величина числових значень не враховується. Кожен об'єкт на карті одержує індивідуальне графічне відображення (символ, колір або штрихування полігона), основна увага приділяється підкресленню візуальних розбіжностей між об'єктами. Цей шаблон використовується, як правило, для створення карт адміністративних одиниць (країн, провінцій, районів та ін.) За необхідності графічні змінні кожного об'єкта можуть редагуватися користувачем вручну[4].

Картометричні операції як аналітична можливість ГІС Аналітичні можливості сучасних інструментальних ГІС досить різноманітні. До складу блока аналізу пакетів з так званими розвинутими аналітичними можливостями (до яких належать пакети ARC/INFO, IDRISI, MGE, PCRaster і деякі інші) входить декілька десятків різних аналітичних процедур, які в сукупності складають могутній арсенал просторово-часового аналізу і моделювання. У той самий час слід відзначити, що набір аналітичних процедур, реалізованих у різних ГІС-пакетах, досить близький за складом. Це надає можливість розглянути методи ГІС-аналізу, який є основою аналітичного потенціалу технології географічних інформаційних систем, не прив’язуючи до особливостей конкретних ГІС-пакетів.

Сукупність аналітичних процедур, що звичайно входять до складу блоків аналізу ГІС-пакетів з розвинутими аналітичними можливостями, можна поділити на такі групи:

• — картометричні операції;
• — операції вибору;
• — рекласифікація;
• — картографічна алгебра;
• — статистичний аналіз;
• — просторовий аналіз;
• — оверлейний аналіз;
• — мережний аналіз.

Наведена класифікація є умовною, проте вона досить повно відображає спектр аналітичних процедур, які входять до складу сучасних інструментальних ГІС. Крім зазначених, у пакетах, орієнтованих на завдання, пов’язані з проблемами навколишнього середовища, у тому числі й екологічними, в окрему групу виділяють:

• — аналітичні процедури, що базуються на цифровій моделі рельєфу;
• — операції просторової інтерполяції, завданням яких є побудова безперервних поверхонь на основі наборів дискретних просторово-координованих даних.

Більшість аналітичних процедур ґрунтується на растровій моделі просторових даних. їх реалізація здійснюється з використанням операцій картографічної алгебри (Tomlin, 1983a, 1990) (див. п. 7.5). У рамках векторної моделі аналітичні процедури реалізуються з використанням алгоритмів аналітичної геометрії.

Картометричні операції, тобто вимірювання по картах та інших геозображеннях з використанням програмних засобів, є одним із найбільш розповсюджених типів аналітичних операцій у ГІС. Можливість і точність виконання вимірювань багато в чому визначається моделлю даних (векторна або растрова), методами вимірювань і точністю цифрування даних (просторова похибка для векторних об'єктів, розмір комірки растра та ін.). Найбільш часто вимірювальні операції в ГІС-пакетах реалізовані у вигляді спеціальних функцій і подані у вигляді окремого пункту меню. До таких функцій відносять:

• — вимірювання (визначення) координат точки;
• — вимірювання відстаней між двома зазначеними координатами (з урахуванням або без урахування системи тривимірних координат);
• — вимірювання довжини прямої чи ламаної лінії;
• — вимірювання довжини периметра полігона;
• — вимірювання площі полігона;
• — вимірювання об'ємів з використанням поверхні і січної площини.

Звичайно користувач має можливість вибору якого-небудь еліпсоїда і готової картографічної або топографічної проекції, так само в деякі пакети ГІС входять функції створення користувальницьких систем координат і проекцій. При використанні стандартних проекцій і еліпсоїдів користувач має можливість переводити свої цифрові карти з однієї системи координат в іншу.

Координати точок у векторному поданні виміряються і подаються користувачу у певному форматі - шестидесятеричні градуси, десятичні градуси, метри із заданою кількістю знаків після коми. Для полігональних об'єктів визначаються крайні значення координат X і У, координати геометричного центра (центроїда) полігона. При растровому поданні просторових даних визначаються координати центральної точки комірки растра.

Вимірювання відстаней. Вимірювання відстаней може проводитися:

• — за найкоротшою прямою з урахуванням або без урахування сферичності земної поверхні («по повітрю»);
• — за заданим маршрутом з використанням точок повороту;
• — за заданим маршрутом з урахуванням нерівностей рельєфу («по землі»).

До складу більшості ГІС-пакетів входить спеціальний інструмент «Лінійка» або «Рулетка», що дозволяє проводити вимірювання найкоротшою прямою або за складним маршрутом.

У складі растрових ГІС-пакетів вимірювання відстаней реалізовано у вигляді аналітичної функції Distance, яка дозволяє будувати карти полів рівної далекості комірок растра відносно одного або декількох об'єктів. Вимірювання відстаней з урахуванням нерівностей рельєфу може бути реалізоване при спільному використанні карти поля рівних відстаней і цифрової моделі рельєфу.

Вимірювання довжин ліній і периметрів полігонів. Вимірювання довжини лінії або периметра полігона багато в чому подібне до вимірювання відстаней між двома і більше точками. Процедура вимірювання довжини лінії або периметра звичайно реалізована у вигляді окремої функції (Object Lenght, Perimeter), доступної при побудові просторових запитів (див. п. 7.3) або при виконанні розрахункових операцій у картографічних базах даних. За допомогою цієї функції можливий пошук лінійних об'єктів певної довжини, а також автоматичне визначення довжини або периметра в заданих одиницях вимірювання і поміщення результату в зазначене поле бази даних. Визначення довжин ліній і периметрів може виконуватися як з урахуванням, так і без урахування сферичності поверхні Землі.

Вимірювання довжин ліній у растровому поданні виконується через центри комірок, що містять відповідні ідентифікатори. Вимірювання виконується по вертикалі, горизонталі і діагоналі комірки; вертикальна і горизонтальна відстань дорівнює розміру сторони комірки растра, діагональна відстань збільшується на коефіцієнт 1,44, отримані довжини сумуються. Периметри растрових полігонів підраховуються за сумою вертикальних і горизонтальних сторін суміжних комірок растра з однаковими числовими значеннями.

Вимірювання площ. Вимірювання площі векторних і растрових полігонів виконується з використанням спеціальної функції Area. Вимірювання площі може виконуватися як з урахуванням, так і без урахування сферичності поверхні Землі. За допомогою цієї функції можливий пошук полігонів заданої площі, а також автоматичне визначення площі в заданих одиницях вимірювання і поміщення результату в зазначене поле бази даних.

Площі растрових полігонів підраховуються за сумою комірок растра з однаковими числовими значеннями. При відомій довжині сторони комірки растра сума комірок перераховується в площинні одиниці вимірювання.

Вимірювання об'ємів. Вимірювання об'ємів виконується з використанням цифрових моделей рельєфу (як GRID, так і TIN-версій, див. п. 7.9). Користувач повинен задати рівень горизонтальної площини, що розсікає, в одиницях вимірювання цифрової моделі рельєфу. Найпростіші процедури вимірювання об'ємів визначають об'єми, обмежені земною поверхнею знизу чи зверху, які розміщені нижче або вище площини, що розсікає. Звичайноцей спосіб використовується для визначення об'ємів води у водоймищах при різних рівнях заповнення. Так само досить поширеними є методи розрахунку об'ємів шляхом порівняння рівнів двох поверхонь, що характеризують геологічні або ґрунтові шари. У спеціалізованих інженерних системах для гірської промисловості або будівництва реалізовані більш складні алгоритми розрахунку об'ємів. Тут можуть використовуватися площини, що розсікають, з ухилом або кривизною, декілька площин, що розсікають, площини певної форми і розміру, що обмежують ділянку розрахунку (наприклад, для окремого будівельного майданчика або ділянки дорожньої поверхні).

Операції вибору допомагають користувачу одержати саме ту інформацію, яка необхідна йому в даний момент роботи з ГІС. Вибір необхідної частини інформації з однієї чи декількох картографічних баз даних здійснюється за допомогою запитів.

Запити (query) є одним з основних інструментів практично будь-якого ГІС-пакета, за допомогою якого користувач одержує інформацію з бази даних. Як правило, користувач за допомогою різних інструментів організації запитів формулює вимоги до інформації, яку необхідно витягти із загального масиву доступних даних і подати у певному вигляді.

Залежно від характеру необхідної інформації запити можуть організовуватися як за місцем розташування (за координатами і взаємоположенням об'єктів), так і за атрибутами (ідентифікаторами, класифікаторами і текстовими описами, що зберігаються в атрибутивній базі даних). Залежно від типу запиту і переліку параметрів, які беруть участь у запиті, його організація здійснюється за допомогою різних наборів інструментів. У ході виконання запиту відбувається пошук об'єктів, що задовольняють задані умови; об'єкти, які мають необхідні властивості, попадають у вибірку, які може бути оформлена як у вигляді таблиці в окремому екранному вікні, так і у вигляді карти, на якій обрані об'єкти позначені спеціально визначеним кольором чи штрихуванням. Для участі в запитах у властивостях картографічного шару має бути зазначено, що вибірка дозволена.

Вибірка може бути скопійована в інший файл даних, використана для зміни графічних змінних обраних об'єктів або змісту полів бази даних.