Аналитические операции и методы пространственно-временного моделирования в ГИС.

Эффективность функционирования геоинформационной системы напрямую зависит от развитости и адекватности поставленным задачам системы анализа и моделирования. По мнению М. ДеМерса: «Подсистема анализа – сердце ГИС. Это то, ради чего ГИС существуют». Он считает, что пространственный анализ и моделирование, начиная с простых запросов и их комбинаций, далее в виде измерений, и, наконец, в форме сравнительного анализа, формирует у пользователей пространственное мышление и порождает новые творческие идеи [12].

На концептуальном уровне в ГИС существуют модели дискретных объектов, модели непрерывных полей и модели сетей.

Предшественником пространственного моделирования было геометрическое моделирование в конструкторских системах. Оно представляет собой совокупность операций и процедур, включающих формирование геометрической модели объекта и ее преобразование с целью получения желаемого изображения объекта и определения его свойств. Большой процент проектных разработок требует применения автоматизированного геометрического конструирования изделий и объектов. Развитие методов геометрического моделирования в большой степени обусловлено возникновением мощного специализированного аппаратного и программного обеспечения машинной графики, что дало толчок к развитию таких сложных систем как трехмерная машинная графика, мультимедиа, аннимация [22, 23].

Однако, геометрическое моделирование должно быть дополнено методами, которые позволяют решать задачи пространственного характера. Например, методы пространственного анализа и моделирования (их еще называют геоанализ и геомоделирование) позволяют решить такие сложные проблемы, как:

- определение оптимального размещения на городской территории пожарных служб, служб охраны общественного порядка, спасения в чрезвычайных ситуациях;

- определение оптимального местоположения промышленных, энергетических и гражданских сооружений с учетом их положительного и отрицательного влияния на прилегающую территорию;

- проектирование плотин для ГЭС с учетом зон затопления;

- нахождение оптимальных маршрутов прокладки тепловых трасс, линий электропередач, транспортных магистралей;

- определение стоимости земли на заданной территории с учетом природных и социально-экономических факторов;

- оценка экологического состояния территории, в состав которой должно включаться влияние промышленных и энергетических объектов.

Здесь на первый план выдвигаются топологические свойства рассматриваемых объектов, их взаимоположение и взаимовлияние на данной территории. Если геометрическое моделирование отвечает на вопросы: «Какой формы и каких размеров?», то пространственное моделирование: «Где расположено и на каком расстоянии?» При этом «полем деятельности» пространственного моделирования является определенная территория земли с расположенными на ней объектами природного и искусственного происхождения [24].

В общем случае пространственный анализ проводится с целью:

- выявления закономерностей в расположении или структуре пространственных объектов;

- нахождения заданных характеристик объектов;

- нахождения взаимосвязей между пространственными объектами;

- выявления тенденций развития явления в пространстве и/или времени;

- выбор конкретного пространственного решения с учетом поставленных условий и ограничений.

При проведении геоанализа пространство может быть описано как структурированным (все объекты имеют координаты, границы, описан характер их локализации в пространстве, взаимосвязи с другими объектами), так и неструктурированным (указанные характеристики могут принимать любое значение из заданного интервала – влажность, температура) способом.

Все характеристики пространственных объектов подразделяются на качественные и количественные. Чтобы сравнивать и оценивать качественные характеристики их надо ранжировать.

Для более полного понимания особенностей различных функций пространственного анализа рассмотрим историю их возникновения.

Развитие функций, которые выполняют ГИС, шло неравномерно в зависимости от практических потребностей и научно-технических достижений. Первые подходы к построению информационных систем, ориентированных на обработку пространственных данных, были сформулированы в работах коллективов Канады и Швеции - двух странах, приоритет которых в этой области абсолютно бесспорен. Канадские работы были связаны с созданием в 1963-1971 годах Канадской ГИС (CGIS) под руководством Р. Томлинсона, ставшей одним из классических примеров крупной универсальной региональной ГИС национального уровня [25]. Работы шведской школы геоинформатики концентрировались вокруг ГИС земельно-учетной специализации, в частности Шведского земельного банка данных, предназначенного для автоматизации учета земельных участков и недвижимости.

ГИС “первого поколения” (60-х - начала 70-х годов) значительно отличались от того, что понимается под ними сегодня. Они решали узкий круг задач инвентаризации земельного кадастра и учета для совершенствования системы налогообложения, решаемые путем автоматизации земельно-учетного документооборота в виде банков данных соответствующей специализации. Постепенно в этот период разрабатываются функции, формирующие ядро геоинформационных технологий: оверлей разноименных слоев, генерация буферных зон, полигонов Тиссена, алгоритмы аналитических и графоаналитических построений и другие операции манипулирования пространственными данными. В 80-х годах ГИС, хотя они и начинали развиваться в значительной степени на базе информационно-поисковых систем, стали приобретать черты картографических банков данных с параллельным расширением возможностей математико-картографического анализа и моделирования данных. Большинство ГИС этого периода включают в свои задачи создание карт или используют картографические материалы как источник исходных данных. Расширяется круг решаемых задач, геоинформационные технологии применяются для различных видов научной и производственной деятельности и образования [26]. Осваиваются принципиально новые источники массовых данных для ГИС - это данные дистанционного зондирования, включая аэро- и фотосъемку. Цифровые методы обработки изображений интегрируются с системами автоматизированной картографии и геоинформационными технологиями, создавая предпосылки для единой программной среды 90-х годов [27].

В 80-х годах начаты работы по проектированию и разработке отечественных ГИС, основанные на осмыслении и развитии международного опыта. Следует отметить, что с момента возникновения первых отечественных геоинформационных систем и до настоящего времени, аппаратно-техническое обеспечение этих разработок базируются на персональных ЭВМ с развитой периферией. Системы ориентированы на расширение не только их геомодельных, но и интеллектуальных “знаниевых” возможностей на основе использования элементов экспертных систем.

В настоящее время для реализации многих информационных проектов используются достаточно мощные и многофункциональные программные средства.

Из зарубежных коммерческих средств ГИС наибольше распространение получили пакеты: pc ARC/INFO (Enviromental Systems Research Inst. Inc., США), Terrasoft (Digital Resourse System, Канада), MapInfo (MapInfo Inc., США), IDRISI (Clark Univ., США), SICAD/open (Siemens Nixdorf AG, Германия).

Наиболее известными системами России и стран СНГ являются: Инфосо (АО “Киберсо”, Москва), Панорама (Cибирское отделение РАН), Рельеф-Процессор (РП) (МП Рельеф (Украина)), GeoCad System 3. for Windows (CPS 3) (GeoCad Ltd/ (Новосибирск)), GeoDraw/GeoGraph for Windows (Центр Геоинформационных Исследований ИГ РАН, Москва), пакет WinPlan (Энергетический университет, Иваново) [5].

Исследования показывают, что практически все современные ГИС в большей или меньшей степени обладают функциями пространственного анализа и моделирования. Можно выделить три основных блока аналитических функций, выполняемых по ГИС-технологии: информационные запросы; топологический анализ; пространственное моделирование.

Простейшим видом информационных запросов является получение необходимых данных по параметрическим запросам (так называемые однопараметрические запросы). Эти функции представлены и в ГИС-вьюверах, и в справочно-картографических системах (СКС), и в инструментальных ГИС.

Более развитые геоинформационные системы способны обслуживать многокритериальные (или многофункциональные) логические запросы, когда объекты отбираются, например, по признаку их удаленности или близости относительно других объектов, их совпадения и по другим количественным и качественным характеристикам и их соотношениям.

Топологический анализ включает в себя картометрические измерения и определение пространственных характеристик, анализ сетей, анализ полигонов (площадей), анализ трехмерных поверхностей (рельефа).

Картометрические измерения служат для определения расстояний между объектами, длин транспортных путей, периметров участков, их площадей, определения соседства нескольких объектов и другие пространственные измерительные операции («в пределах», «содержит», «пересекает» и т.д.).

Анализ сетей включает поиск кратчайшего пути, суммирование значений атрибутов по элементам сети, распределение ресурсов в сети, поиск пространственной смежности, объединение сетей и проч. Решение сетевых задач основано на аналитических операциях, которые тесно смыкаются с моделирующими операциями, что позволяет решать классические оптимизационные задачи на самых различных видах сетей. Развитый блок анализа сетей имеется лишь у полнофункциональных ГИС. Одним из примеров служит блок NETWORK пакета ARC/INFO.

Полигональный анализ охватывает задачи, связанные с оверлейными операциями. Их суть состоит в наложении разнотипных полигонов с генерацией производных объектов, возникающих при их геометрическом наслоении, и с наследованием их семантики.

Наиболее сложными являются операции с трехмерными объектами (или операции анализа рельефа). Трехмерные объекты (“рельефы”) требуют особых форм представления, поскольку их пространственное положение должно описываться не только плановыми, но и пространственными координатами. Достаточно мощными средствами по анализу рельефа являются модуль TIN пакета ARC/INFO, модуль DTM системы Terrasoft (Digital Resource Systems, Канада) и специализированное средство для создания и обработки ЦРМ – Рельеф-Процессор (Харьковский Университет).

Пространственное моделирование - следующая ступень аналитических возможностей ГИС. Пространственное моделирование (геомоделирование) позволяет автоматизировать процесс выработки управленческих решений в составе информационных систем города или региона, «проигрывания сценариев» размещения социальных, промышленных, энергетических и других объектов, рассмотрения большого количества альтернативных проектных целей и поиска оптимальных вариантов с применением различных функций пространственного анализа и моделирования [см., например, 28].

Другими словами, пространственное моделирование представляет собой сочетание аналитических и имитационных математических моделей и координатно-локализованной (геометрической) информации в процессе изучения окружающей действительности.

Наиболее применяемыми функциями пространственного моделирования являются:

- генерация буферных зон;

- зонирование или районирование;

- построение пространственных статических моделей;

- построение пространственных динамических моделей;

- сетевое моделирование или сетевая оптимизация.

Рассмотрим подробнее содержание данных функций.

Генерация буферных зон - это расчет и построение областей, ограниченных эквидистантными линиями, построенными относительно множества точечных, линейных и площадных объектов; то есть это зоны, границы которых удалены на известное расстояние от любого объекта на карте. Ширина (радиус для точечных объектов) буферной зоны может быть постоянна или зависима от значения приписываемого объекту атрибута (так называемая «буферизация» со взвешиванием). Эта операция используется, например, для учета «запретных» зон на размещение проектируемых объектов по условиям эксплуатационной безопасности, а также, так называемых «зон влияния», оценивающих близость транспортных коммуникаций, инженерных сетей и т. д.

Зонирование или районирование применяется для группировки объектов по определенным принципам с последующей дифференциацией всей их совокупности по тем же критериям. Зонирование означает «разбиение» территории на части (зоны), объединяемые взаимными связями или общими свойствами.

Статическое пространственное моделирование применяется для исследования состояния территории, сложившегося на какой-то момент времени, на основе координатно-локализованной информации. Например, оценка криминогенной обстановки, прогнозирование чрезвычайных ситуаций и их последствий, оценка насыщенности территории энергопроизводящими и энергопотребляющими предприятиями, изменение экологического состояния территории с вводом в эксплуатацию на ней промышленного объекта или прокладки транспортной магистрали и т.д. В частности, генерацию буферных зон можно рассмотреть как наиболее простой способ получения пространственной статической модели.

Динамическое пространственное моделирование имитирует распространение различных явлений и процессов, протекающих во времени, на заданной территории. Например, имитация развития системы населенных мест, когда в основу эксперимента были заложены правила развития системы, а на ЭВМ “проигрывались” пути их реализации с помощью алгоритма статистических испытаний (метод Монте-Карло) [29]. Типичным примером применения пространственных динамических моделей является также пространственно-временное прогнозирование затопления территории во время паводков, прорыва дамбы или заполнения водохранилища ГЭС.

Сетевое моделирование (сетевая оптимизация) нужно для работы с процессами в географических сетях, которые образованы топологически связанными объектами – дорогами, трубопроводами, линиями электропередач, другими коммуникациями, – чтобы максимально эффективно определять маршруты движения, например, служб экстренного вызова, управлять ресурсами, распределенными по сетям, оценивать их и т.д. ГИС-технология позволяет оперативно планировать и контролировать ресурсы даже в очень больших разветвленных сетях самого разного назначения.

Функции моделирования маршрутов, местоположений ресурсных и транспортных потоков выполняются, как правило, в специализированных пакетах развитых ГИС с помощью таких особых показателей как связи, барьеры, ограничения для поворота, запреты на поворот, центры ресурсов, ограничения на ресурсы, остановки, ограничения на остановки.

На рис 2.2 представлена схема взаимосвязи функций пространственного анализа и моделирования по степени их сложности.

13. Цифровые модели рельефа и особенности их практического использования в сфере туризма.(На примере: " Озеро Иткуль" заповедника " Хакасский")

Рассматривается применение геоинформационных систем в заповеднике " Хакасский" на примере конкретного участка. Создание цифровой модели рельефа и ее дальнейшее использование заповедником.

Географические информационные системы (ГИС) - это системы управления цифровыми базами данных, разработанные для сбора, хранения, анализа и отображения пространственных сведений об объектах [3].

ГИС хранят информацию о реальном мире в виде набора тематических слоев, связанных на основе географического положения. Назначение ГИС не только в хранении карт, но и в возможности, с помощью имеющихся данных, создавать их необходимое представление [3].

Геоинформационные системы, созданные на территорию заповедника, обеспечат надежное хранение данных, позволят оперативно использовать и анализировать необходимую информацию. Для ведения ГИС в заповеднике " Хакасский" используется программа ArcGIS версия 9.3.

ArcGIS 3D Analyst от ESRI является дополнительным модулем системы ArcGIS, который предназначен для трехмерной визуализации, анализа и построения поверхностей. Использование этого модуля позволяет осуществлять пространственное моделирование различных объектов [1]. Объемные изображения более информативны, их легче воспринимать и интерпретировать.

Цифровая модель рельефа участка " Озеро Иткуль", которая дает более реалистичную картину территории, создавалась с помощью модуля ArcGIS 3D Analyst методом триангуляции. При этом в качестве исходных данных использовались оцифрованные с топографической карты масштаба 1: 100000 горизонтали и высотные отметки.

Топографическая карта (рис.1) в виде растрового изображения была пространственно привязана и преобразована в проекцию Гаусса Крюгера, датум Пулково 1942, зона 15N. Затем на изображении были оцифрованы изолинии рельефа местности (рис.2). В результате был получен shape-файл отражающий рельеф, в виде линейного слоя горизонталей, в атрибутах которого есть поле высот над уровнем моря.

Таким образом, приведение информации, хранящейся на бумажном носителе (карте) в цифровой вид, подлежащий обработке методами компьютерного моделирования - первостепенная задача ГИС. В связи с доступностью быстрой компьютерной обработки высотных данных становится выполнимой задача создания приближенной к действительности цифровой модели рельефа, в данном случае участка " Озеро Иткуль" заповедника " Хакасский".

Данная модель может быть применима для научного отдела заповедника - на модель могут быть нанесены постоянные зимние маршрутные учеты участка " Озеро Иткуль", может осуществляться планирование деятельности с целью оптимизации маршрутных учетов. При наложении на данную модель слоя растительности, можно проследить как с высотой изменяется структура растительных сообществ. Анализ пространственной структуры растительных сообществ и изменение её с течением времени позволяет делать обоснованные выводы и прогнозировать дальнейшие изменения.

Цифровая модель участка может быть использована для туристической деятельности в заповеднике. Анализ рельефа дает возможность прогнозировать использование территории в области экологического туризма - можно определить проходимость, доступность, обзорность и др. особенности рельефа местности.

Модель рельефа участка " Озеро Иткуль" также выполняет эколого - просветительскую функцию - это демонстрирование границ заповедного участка и особенностей рельефа широким массам населения, возможно использование такого рода карт на уроках географии и во внеклассных мероприятиях, а так же в музее природы заповедника и в визит-центрах.

Таким образом, внедрение ГИС в заповеднике " Хакасский" может служить эффективным инструментом анализа пространственных данных для использования их в последующем в научно-исследовательской, эколого-просветительской, туристической деятельности.

В дальнейшем планируется охватить базами данных и создать ГИС для всех кластерных участков заповедника.