Ирина Кищинская, Нина Лебедева, эксперты DATA+
В состав ArcGIS включено несколько дополнительных аналитических модулей, перестроенных под новую архитектуру и расширяющих базовую функциональность ArcView 8.1, ArcEditor и ArcInfo. Список модулей линии 8.1 включает: ArcGIS Spatial Analyst, ArcGIS 3D Analyst, ArcGIS Geostatistical Analyst, ArcPress for ArcGIS, ArcGIS StreetMap, а также MrSID Encoder for ArcGIS. В дальнейшем планируется выпуск ряда новых модулей. Эти модули универсальны — они работают со всеми настольными продуктами ArcGIS. Тип лицензирования модулей должен соответствовать типу лицензирования базового программного обеспечения (фиксированное или плавающее место). Ниже дается описание трех из перечисленных модулей.
ArcGIS Spatial Analyst
Пространственный анализ является апофеозом работы с ГИС. Когда необходимые данные собраны, введены в электронном виде, откорректированы и должным образом спроецированы, наступает время использовать их для решения своих аналитических задач и для принятия решений на основе полученных результатов.
Области, где пространственный анализ дает впечатляющий эффект, достаточно многочисленны — это экология, гидрология, телекоммуникации, бизнес, сельское хозяйство и др. Часто пространственный анализ кажется сложным по сравнению картографическими функциями ГИС, но инструментарий, предлагаемый для этой цели ESRI, поможет вам решить аналитические задачи быстро и эффективно. Модуль ArcGIS Spatial Analyst — мощное средство для проведения пространственного анализа данных, добавляющее специфическую функциональность к ArcView 8.1, ArcEditor и ArcInfo. Он объединяет основные функции модулей ArcView Spatial Analyst и ARC GRID системы ArcInfo для рабочих станций.
При помощи ArcGIS Spatial Analyst вы можете выполнять, например, следующие операции:
- Получение новых данных путем расчетов. Это может быть отмывка рельефа для создания реалистичного отображения модели местности или вычисление уклонов. Можно вычислить расстояния и направления для маршрутов, а также плотность населения для региона.
- Определение пространственных взаимосвязей. Вы можете исследовать взаимосвязи между различными наборами данных, скажем, установить вид зависимости между вспышками лейкемии и расстоянием до атомных электростанций.
- Поиск подходящих местоположений. Такая задача решается либо построением запросов к исходным данным, учитывающих все необходимые критерии, или построением карт пригодности. Например, вы строите запрос, чтобы найти места на высоте до одного километра и удаленные от городов на расстояние не менее десяти километров; или создаете карту пригодности, объединяя исходные наборы данных, чтобы увидеть степень пригодности для каждой точки на карте.
- Вычисление стоимости перемещения. При помощи этой функциональности вычисляется суммарная стоимость (в нужных единицах измерения) перемещения по поверхности, представляющей рельеф местности, а затем определяется путь с минимальной стоимостью от начальной до конечной точки.
Интерфейс модуля ArcGIS Spatial Analyst добавляется в виде самостоятельной панели к интерфейсу ArcMap. Функции Spatial Analyst могут применяться к слоям, добавляемым к ArcMap, а также к растровым и векторным наборам данных, которые выбираются при помощи браузера файлов, доступного в каждом из диалоговых окон модуля. Функции Spatial Analyst работают также по выборке, сделанной в слоях по атрибутивным или пространственным критериям.
Функциональность ArcGIS Spatial Analyst
Картирование расстояний. Относящиеся к этому классу функции делятся на две группы — вычисляющие евклидовы расстояния и вычисляющие расстояния в терминах других факторов, например, в терминах стоимости перемещения. К первой группе относятся функция Расстояния по прямой линии, измеряющая евклидовы расстояния от каждой ячейки до ближайшего источника; функция Присвоения по прямой линии, присваивающая каждой ячейке значение ближайшего к ней источника; функция Направления по прямой линии, вычисляющая направление до ближайшего источника. Вторая группа, объединяющая функции взвешенных расстояний, включает собственно функцию Взвешенных расстояний, которая взвешивает расстояние по прямой линии с использованием какого-либо фактора, например, уклона. Второй функцией этой группы является функция Взвешенного присвоения, определяющая ближайший источник по суммарной стоимости пути; третьей — функция Взвешенных направлений, определяющая маршрут от каждой ячейки вдоль минимального стоимостного пути к ближайшему источнику. Обычно растровые наборы данных, полученные в результате работы этих функций, используются для вычисления минимального по стоимости (или кратчайшего) пути, например, для прокладки новой дороги. Для этого применяется функция Кратчайшего пути.
Картирование плотности. Вычисление плотности распределения полезно, когда необходимо показать концентрацию точечных или линейных объектов. Например, имея данные по населению городов какого-либо региона, вы можете вычислить распределение населения по этому региону.
Интерполяция растра. Интерполяция позволяет вычислить значения для всех ячеек растра по значениям ограниченного числа точек опробования. Может использоваться для предсказания значений любых географических данных, измеряемых в определенных точках, — рельефа, количества осадков, концентраций химических веществ, уровней шума и т.д. Предлагаемыми в модуле Spatial Analyst методами интерполяции являются методы Обратно взвешенных расстояний, Кригинг и Сплайн, которые основаны на разных предположениях о наилучшей оценке. Вы можете выбрать наиболее подходящий метод, исходя из того, какое явление оценивается и как распределены точки опробования.
Анализ поверхности. Рассчитав растровую поверхность, вы можете столкнуться с тем, что некоторые закономерности распределения не выявляются на этой поверхности, поэтому необходимо применить функции анализа. В Spatial Analyst включены функция построения изолиний, показывающая местоположения с одинаковым значением; функция вычисления уклона, используемая, например, при определении риска оползней; функция вычисления экспозиции склонов, полезная, например, при определении участков оптимального земледелия; функция отмывки рельефа, используемая как для реалистичного отображения поверхности рельефа, так и для анализа освещенности местности в различное время дня. Еще одна функция из этой группы — Расчет видимости — определяет, какие участки поверхности видны из заданных точек наблюдения.
Функции статистики вычисляют такие характеристики как большинство, меньшинство, максимум, минимум, среднее, медиана, диапазон, среднеквадратичное отклонение, сумма и многообразие. К данной группе относятся несколько функций. Статистика по ячейкам предназначена для вычисления статистических характеристик между многими растровыми слоями, например, для анализа диапазона летних температур за десятилетний период. Статистика соседства вычисляется на основе значения обрабатываемой ячейки и значений ячеек в заданной окрестности соседства, и может быть использована, например, при проверке стабильности экосистемы для определения разнообразия биологических видов в каждой из соседних областей. С помощью функции Зональной статистики статистические характеристики вычисляются по значениям одного набора данных для зон, определяемых другим набором, положим, вы можете вычислить число аварий для каждой дороги в городе или среднее количество осадков для каждой лесной зоны.
Переклассификация. Эта функция выполняет замену значений ячеек другими значениями, что может быть использовано для группировки значений ячеек, например, для объединения всех видов леса в один класс; для переклассификации значений по общей шкале, например, для анализа пригодности; и т.д.
Калькулятор растров. Это мощный инструмент для вычислений, поддерживающий многочисленные операторы и функции, запросы выборки, а также синтаксис алгебры карт. Входными данными для калькулятора могут быть наборы грид данных или растровые слои, шейп-файлы, таблицы, константы и числа. Математические операторы представлены арифметическими, булевыми операторами и операторами отношений (включая также поразрядные и комбинаторные); математические функции представлены арифметическими, тригонометрическими, логарифмическими и степенными функциями, а алгебра карт позволяет производить операции типа вычисления уклона или статистических характеристик ячеек для нескольких растровых слоев. Вы можете использовать калькулятор растров, например, для моделирования какого-либо процесса или для создания карты пригодности путем переклассификации входных данных по шкале пригодности от 1 до 10 и затем сложения полученных растров с соответствующими весовыми коэффициентами.
Рис. 1. Пример задачи, решаемой при помощи Spatial Analyst.
Конвертация. Если Вам для анализа требуется растровый тип данных, вы можете при помощи Spatial Analyst конвертировать векторные данные в растр, причем это может быть покрытие, шейп-файл или данные САПР. Возможно и обратное преобразование.
Это лишь очень краткое описание функций ArcGIS Spatial Analyst. Все богатство его возможностей можно ощутить лишь на практике, получив реальный результат при решении с его помощью реальных пространственных задач.
ArcGIS 3D Analyst
Когда речь заходит о работе с географическими данными в трехмерной перспективе, в первую очередь возникает мысль об их трехмерной визуализации. Но добавление третьей координаты делает возможным не только реалистичное отображение объектов нашего мира. Просмотр данных в трех измерениях даст вам новый взгляд на ваши данные, позволит выявить те закономерности, которые были скрыты при их отображении на плоской карте, а построение трехмерных моделей обеспечит возможность дополнительного анализа.
Модуль 3D Analyst добавляет к базовым функциям новое приложение ArcScene для отображения различных типов данных в трехмерной перспективе, а также расширяет функциональность приложений ArcCatalog и ArcMap.
К ArcCatalog добавляются функции по управлению трехмерными данными и созданию слоев, для которых задаются трехмерные параметры визуализации. Вы сможете просматривать сцены и данные в трехмерной перспективе.
К ArcMap добавляется функциональность построения поверхностей в соответствии с двумя типами моделей поверхности: растровой модели и TIN. Вы можете работать с уже существующими поверхностями или строить новые по многим источникам данных при помощи различных методов. Модели TIN создаются обычно по комбинации нескольких источников векторных данных и используются, в основном, для точного моделирования небольших по площади областей.
Поверхности содержат в себе много разнообразной информации. Их можно просто просматривать, чтобы составить общее представление о данных, а можно проводить по ним самый различный анализ, например, расчет уклонов и экспозиций, скорости изменения каких-либо характеристик, определение видимости и т.д. Также вы можете произвести расчет объемов насыпей и выемок по данным поверхности и построить профиль вдоль трехмерной линии, проведенной на поверхности.
Если возникнет необходимость получить трехмерные объекты из существующих двумерных, вы можете легко это сделать, также как и создать новые 3D векторные объекты, для которых значение высоты, берется, например, из поверхности.
Рис. 2. Придание двумерным объектам 3D свойств.
И, наконец, необходимо упомянуть собственно 3D визуализацию, поскольку ее возможности в 3D Analyst очень широки. Приложение ArcScene позволяет создавать многослойные сцены и управлять свойствами отображения каждого из слоев и его положением в трехмерном пространстве. Например, можно задать базовые высоты при отображении векторных объектов и растровых слоев или вытянуть двумерные векторные объекты по высоте. Если говорить о растрах, то поверхности, содержащие информацию о третьей координате, можно отображать, варьируя символы, цвет, прозрачность, оттенение и разрешение.
Рис. 3. Пример 3D визуализации.
Что касается других видов растров, таких как снимки и сканированные карты, то вы можете «натянуть» их на поверхность, представляющую модель рельефа, что является эффективным способом визуализации взаимосвязей между ними. Можно задавать общие свойства сцены, такие как освещенность, фон, вертикальное увеличение, а также перемещать и вращать сцену, задавать координаты наблюдателя.
Это лишь краткий обзор функциональности модуля ArcGIS 3D Analyst, расширяющего огромные возможности ядра ArcGIS за счет трехмерной визуализации и анализа.
