Реферат на тему:

Основи моделювання стану довкілля. Аналіз даних і моделювання

ПЛАН

1. Загальні аналітичні операції з точковими, лінійними і неподібними
об’єктами

2. Операції з трьох вимірними об’єктами

3. Блок моделювання ГІС

4. Література

1. Загальні аналітичні операції з точковими, лінійними і неподібними
об’єктами

Аналіз даних, є однієї із трьох великих моделей ГІС (введення, обробки і
виведення), що складає ядро геоінформаційних технологій, а всі інші
операції яких з деякої точки зору можна представляти сервісними, що
забезпечують можливість виконання системою її основних аналітичних і
моделювання функцій. Зміст аналітичного блока (модуля) сучасних
програмних засобів сформувався у процесі реалізації конкретних ГІС,
викристалізувавшись у формі набору операцій або груп операцій,
наявністю, відсутністю або ефективністю (неефективністю) яких у складі
даного програмного продукту може стати надійним індикатором його якості.
Існують різноманітні класифікації, що дозволяють згрупувати елементарні
операції аналітичного характеру або їх послідовності в групи.
Узагальнюючи деякі з них, і спираючись на склад та структуру аналітичних
модулів, відомих з практики робіт з пакетами рс ARC/INFO, IDRISI i
EPPL7, можна виділити наступні їх групи :

1. Операції переструктуризації даних.

2. Трансформація проекцій і зміна систем координат.

3. Операції обчислювальної геометрії.

4. Оверлейні операції (накладання різноманітних і різнотипних шарів
даних).

5. Загальні аналітичні, графо-аналітичні і моделювання функцій.

Переструктуризація даних. Просторові дані, представлені тим або іншими
способами у середовищі ГІС, потребують деяких попередніх
(передпроцесорних) операцій, що дозволяють адаптувати ці дані для
подальшої обробки і доповнення. Найбільш практично важливими операціями
цієї групи є операції перетворення даних із векторного в растрові
представлення і навпаки – задачі, пов’язані не тільки з їх
імпортом/експортом при взаємодії з іншими засобами, але і для
забезпечення можливості роботи з ними в ГІС, що підтримують як растрові,
так і векторні формати.

Наявні та розробляються нові алгоритми переходу від растрового формату
до векторного і навпаки. Перетворення типу ”растр–вектор”
(векторно-растрове перетворення) – типова задача растрових ГІС з
підтримкою векторного введення даних (EPPL7, IDRISI). Воно повинно
вирішуватися і у випадку необхідності безпосереднього виведення
векторних даних на пристрій друкування дискретного типу (матричні і
лазерні принтери), підготовка даних до візуалізації на відеоекранах
взагалі), належачи, таким чином, до більш загальної області
дискретизації зображень. Алгоритм векторно-растрового перетворення
досить простий і результати його є однозначні.

Перетворення типу “вектор–растр” проходить наступним чином :

1. Набір векторних даних у вигляді полігонів з їх номерами;

2. Регулярна квадратна сітка з необхідним розміром комірок, що
накладається на вихідні векторні зображення; приналежність комірки
полігону визначається розміщенням його геометричного центру;

3. Комірка отримує номер полігона, до якого належить;

4. Результати класифікації растрового супутникового зображення – комірки
сітки піксел з номерами класів;

5. Виділення меж різних класів;

6. Виділення полігонів з номером класу і послідовності координат його
меж.

Деякі побічні ефекти операції растрово-векторного перетворення приводять
до появи невеликих за розмірами “паразитних” полігонів, що порушують
топологію сітки полігонів.

Для знешкодження паразитних полігонів можна використати ценз відбору, що
пов’язаний з його розміром (операція, що передбачена у розвинутих
програмних засобах типу ARC/INFO).

До інших операцій реструктуризації відносять стиснення або розгортання
растрових даних, що грунтується на тих або інших алгоритмах кодування і
компресії, фрагментації або дефрагментації.

Трансформація проекцій і зміна систем координат. У цей блок входять
досить прості операції перерахунку координат просторових об’єктів і
більш складні трансформації, пов’язаних, наприклад, з “укладкою”
об’єктів в систему опорних точок з точно відомими координатами із
застосуванням еластичних перетворень, і, трансформація картографічних
проекцій як найбільш складна підгрупа операцій.

Необхідність виділення цієї підгрупи пов’язано з труднощами, що
виникають при спробі інтегрувати дані з різних картографічних джерел з
різноманітною математичною основою і типами проекцій, що
використовувались при їх складанні.

Процес перерахунку координат можна представити як вирішення зворотної
задачі математичної картографії, тобто перетворення прямокутних
координат в географічні, а слід за нею – прямої, з використанням
рівняння похідної проекції.

Знання координатної основи цифрових даних – природна вимога, виконання
якої є обов’язковим і поза потенційною задачею трансформації проекцій.

Комерційні програмні засоби ГІС високого рівня вміщують блок
перетворення проекцій.

Практичне використання модулів трансформації проекцій ускладнюється
незнанням параметрів проекції карти-джерела, оскільки не всі видання
вміщують їх точні назви, а ідентифікувати проекції за деякими
морфологічними ознаками картографічної сітки, дуже часто це зробити
важко. Достатньо надійним способом визначення проекцій – ідентифікація
за таблицями, які вміщені у навчальних і довідкових посібниках з
картографії. В особливо складних випадках використовують розрахунки
професійних довідкових матеріалів.

Операції обчислювальної геометрії. Програмні засоби ГІС надають
користувачам можливості виконання деяких картографічних операцій :
розрахунок площ, довжин ламаних ліній, координат центроїдів полігонів.
Наприклад, в ARC/INFO площа і периметр входять у число обов’язкових
атрибутів полігонів.

Більш складні алгоритми наведені у спеціальній літературі з
обчислювальної геометрії – розділі обчислювальної математики, в істотній
мірі зобов’язані своїм розвитком прикладенням, близьких до проблематики
ГІС, включаючи машинну графіку, автоматизоване проектування для
інженерних цілей, обробка цифрових зображень, машинного зору і аналіз
сцен.

До класичних задач обчислювальної геометрії, що реалізуються у більшості
растрових і векторних програмних засобів ГІС, належать також операції
визначення приналежності точки внутрішньої області випуклого або
невипуклого полігону (або лінійно об’єкта), опис геометричних і
топологічних відношень крапкових, лінійних і полігональних об’єктів двох
різнойменних шарів у цілому при їх накладанні (оверлеї).

Необхідно бути обережним при застосуванні картометричних операцій і
графо-аналітичних побудовах в ГІС для територій глобального,
семиглобального і регіонального рівнів, оскільки розраховані
характеристики або геометричні конструкції можуть вміщувати похибки і
спотворення відносно об’єктів локалізованих в планових декартових
координат вихідної картографічної основи, і вміщують похибки пов’язані з
неминучим спотворенням довжин, площ і кутів джерела.

Оверлейні операції. Суть цього засобу полягає у накладанні двох
різнойменних шарів (або сукупності шарів, при багаторазовому повторенні
операції попарного накладання з генерацією похідних об’єктів, що
виникають при їх геометричному нашаруванні й успадкуванням їх семантики
(атрибутів). Практично важливий і поширений оверлей двох полігональних
шарів . Складність, що виникає при обчисленні пов’язана з великими
витратами машинного часу на пошук координат всіх перетинів, що утворюють
полігони лінійних сегментів, відновлення топології отриманої
полігональної сітки і надання їм атрибутів (якісного або кількісного
типів). В алгоритмах операції накладання можуть бути наявні логічні
операції типу AND, OR, XOR i NOT.

Загальні аналітичні, графо-аналітичні і моделюючі функції. При
класифікації операцій однойменного модуля ГІС прийнято виділяти групу
“загальних” та “інших” операцій. Серед них :

1. Розрахунок і побудова “буферних зон” – областей, обмежених
еквідистантними лініями, побудованих відносно укупності крапкових,
лінійних і неподібних об’єктів.

2. Аналіз мереж. Група аналітичних операцій наближених до моделюючих
операцій дозволять вирішити класичні оптимізаційні задачі мереж. Цей
блок має небагато програмних засобів ГІС. Прикладом якого є NETWORK
пакету ARC/INFO.

3. Цифрове моделювання рельєфу є потужним інструментом представлення і
моделювання поверхонь (тобто об’єктів, принципово відмінних від
розглянутих 0-, 1-, і 2- вимірних) або рельєфу.

2. Операції з трьохвимірними об’єктами

Трьохвимірні об’єкти – поверхні, поля, “рельєфи”. З них найбільш
поширеним є фізичний (топографічний) рельєф земної поверхні, що вимагає
особливих форм представлення, позаяк їх просторове положення повинно
описувати не тільки плановими, але і висотними координатами
(аплікатами).

Коротко зупинимося на основних операціях щодо створення і обробки
цифрових моделей трьохвимірних об’єктів, обмежившись цифровими моделями
(топографічного) рельєфу (ЦМР).

Однією із головних причин різноманітності способів і технологій
створення і обробки ЦМР – сукупність типів джерел вихідних даних про
рельєф, пов’язані з різноманітністю способів отримання й організації
первинних даних вимірювання. Серед них геодезичні роботи і топографічна
зйомка місцевості, стереофотограметрична обробка фототеодолітних, аеро-
і космічних знімків, альтиметрична зйомка (рельєфу суші), вимірювальні
роботи й ехолотування підводного рельєфу акваторій океанів і внутрішніх
водойм, радіолокаційна зйомка рельєфу льодовикового ложе і небесних тіл.

У всіх перелічених випадках підсумковим видом оформлення даних про
рельєф є топографічні, загальногеографічні, гіпсометричні,
топобатиметричні, морські навігаційні та ін. карти й плани.

Розрізняють цифрові моделі картографічного зображення рельєфу і власне
ЦМР, під якими на практиці розуміють цифрові моделі висот. Останні
створюються з використанням обмеженого набору вихідних картографічних
даних про рельєф.

Виділяють дві альтернативні моделі ЦМР, що грунтуються на чисто
регулярних (матричних) представленнях поля рельєфу відміток висот, і
структурні, однією із найбільш розвинутих форм яких є моделі на основі
структурно-лінгвістичного представлення, розроблених І.Г.Черваньовим і
Б.М.Воробйовим для геоморфологічного застосування.

Використання ЦМР. Галуззю застосування є картографія, яка обслуговує
потреби загальногеографічного картографування суші й батиметричного
картографування акваторій. Способи отримання і формати представлення ЦМР
ґрунтуються на технології, які прийняті в державних
топографо-геодезичних, картографічних і океанографічних службах, системи
автоматизованого картографування, налаштовані на автоматичний процес
збору й обробки топографічної інформації, поновлення карт і їх видання.
Стан робіт у даній галузі в США, Великобританії, Німеччині та в інших
країнах досить детально представлено в багаточисленних літературних
джерелах.

Планетарну ЦМР ЕТОРО5 у складі глобальних баз даних, наприклад, в
електронному атласі довкілля HOAA, GRID та ін. використовують у
моделюванні гідрокліматичних процесів.

Результати обробки ЦМР для цілей тематичного картографування у багатьох
випадках доведено до стадії видання. Відомі японські карти топографічних
масштабів з панорамним зображенням рельєфу.

Програмні засоби створення й обробки ЦМР. Існує багато програмних
засобів для середовища персональних ЕОМ IBM PC. Одні з них спеціально
призначені для автоматизації окремих операцій щодо створення й обробки
ЦМР. Інші входять до складу функціонально більш широких програмних
продуктів, що обслуговують, як правило технології ГІС або системи
автоматизації тематичного або топографічного картографування. Модуль, що
включає головні функції обробки ЦМР, вміщує, як правило практично всі
комерційні програмні засоби ГІС. Поширеними комерційними програмами в
середовищі ГІС є ARC/INFO, ATLAS, CARIS, CORE, DEL TAMAP, EPPL7, FMS/AC,
GEO-BASEMAP, GEO-GRAPHICS та ін.

Можливості достатньо потужних і поширених програмних засобів ГІС у
частині обробки ЦМР можна проілюструвати двома прикладами. Перший з них
– TIN – є модулем пакету рс ARC/INFO, другий – DTM – один із модулів
системи Terrasoft.

У системі обробки ЦМР модуль рс TIN орієнтований на крапкове
представлення рельєфу у вузлах нерегулярної трикутної сітки, а не
регулярних решіток, з збереженням даних про всі точки (вузлах), сторони
(ребрах) і трикутниках (полігонах) мережі. Друга істотна особливість,
пов’язана із загальною архітектурою ARC/INFO – підтримка топологічних
конструкцій лінійних і полігональних шарів, похідних від крапкової
моделі висотних відміток.

Таким чином, основа формату вихідного представлення рельєфу –
послідовність значень планових і висотних координат сукупності точок
(висотних відміток).Підсумком операцій щодо обробки ЦМР є дані,
віднесені до вузлів, ребер або полігонів трикутної сітки, а також
структурним лініям або ЦМР ділянки території в цілому й генеруючі по них
похідні графічні ізолінійні й перспективні зображення, шари даних у
загальному для ARC/INFO вигляді. Є засоби імпорту даних із інших джерел,
включаючи файли SIF (Intergraph), DXF-файли (AutoCAD), DEM-файли
геологічної зйомки США, дані цифрових стереоплотерів або реляційних
таблиць безпосередніх атрибутів типу INFO.

Модуль рс TIN (версія 2.0, червень 1990 р.) містить 5 функціональних
груп із 18 команд, які обслуговують операції по створенню, аналізу і
візуалізації ЦМР.

До складу рс ARC/INFO (версія 3.4.D) входить також інший модуль, що
розширює можливості рс TIN – pc SEM.

Модуль DTM (Digital Terrаin Modeling) підтримує функції створення й
обробки ЦМР аналогічні рс TIN. Відмінності полягають у тому, що DTM
орієнтована на традиційні представлення висот у вузлах регулярної сітки,
що генерує із сукупності висотних відміток нерегулярної сітки або
записів горизонталей. Модуль включає 4 групи функцій.

Загальна технологічна схема створення і обробки ЦМР і результати
експериментів щодо трьохвимірного моделювання. Аналіз існуючих методів і
технологій дозволяє підсумувати, що єдиний технологічний ланцюг, що
обслуговує як операції створення, так і обробки ЦМР, може бути заснована
на растрових (матричних) її представленнях, що отримують тим або іншим
способом із картографічних джерел і існуючих програмних засобів обробки
ЦМР.

3. Блок моделювання ГІС

Моделювання – метод дослідження в науці . З точки зору геоінформатики
виділяють такі види моделей. Перший – математичні моделі будуються без
врахування просторової координації явищ і результати не підлягають
картографуванню. Другий – результати картографуються, але просторовий
аспект не враховується на етапі реалізації математичних алгоритмів.
Третій – коли без врахування просторового розміщення явищ неможливо
реалізувати математичні розрахунки [Тікунов, 1986, цитуємо за 3].

Математика застосовується в науках про Землю, зокрема її розділ
математична статистика. Звичним є проведення простого статистичного
аналізу просторових даних. У статистичних моделях використовують
факторний аналіз і метод головних компонент.

Імітаційне моделювання застосовується при просторовому поширенні хвороб,
епідемій та ін. Для цього використовують різні моделі : від імітації
епідемії простими гравітаційними моделями, до використання систем
диференційних рівнянь, що імітують просторово-часові поширення епідемій.

Ряд моделей, як детерміністичні, так і стохастичні, застосовуються для
моделювання “хвил” заселення та ін.

Широко використовуються оптимізаційні моделі. Серед яких задача
лінійного програмування, що застосовується для оптимізації розміщення
виробництва, трас переміщень між центрами та ін.

Застосування ГІС- технологій може бути пов’язано з питанням
багатоваріантності моделювання. Яка може проявлятися на всіх стадіях
моделювання – на етапі інформаційного забезпечення, її перероблення й
відображення його результатів. На етапі інформаційного забезпечення
можливе використання різних масивів даних для характеристики одного і
того ж явища. Особливо це важливо для характеристики абстрактних понять.

Другий шлях прояву багатоваріантності може бути пов’язаний з можливістю
обробки одного інформаційного масиву за різними алгоритмами.

Третій шлях багатоваріантності пов’язаний з можливістю відображення
результатів моделювання різними способами картографічного зображення.

Технічні засоби дозволили використовувати такі способи, реалізація яких
вручну трудомістка або неефективна. Різноманітність способів
представлення результатів моделювання дозволяє вибрати остаточний
варіант, що найкраще передає сутність явищ, наглядних зображень,
доцільність технології відтворення й розмноження карт. Тут важлива форма
представлення остаточного результату у вигляді традиційних карт на
аркуші, награвірованих зображень на пластику, фотокопій, мікрофільмів та
ін.

Наступним важливим завданням є оцінка достовірності результатів
моделювання. Яка може бути пов’язана з багатоваріантністю. Так,
багатоваріантність, проявляється в можливостях паралельного використання
інформаційних масивів, математичних алгоритмів і способів відображення
результатів моделювання, призводить до підвищення правильності
остаточного результату.

Загальна достовірність пов’язана із змістовою (семантичною)
достовірністю, яка визначається якістю змістової-географічної постановки
задачі, оптимальністю відбору досліджуючих показників, ретельністю
неформальної інтеграції результатів моделювання. Під час моделювання
проміжні результати постійно порівнюються з реальністю для їх доповнення
і коректування. На етапі інтерпретації змістові особливості об’єкта, що
вивчається визначають загальну оцінку отриманих висновків і нових карт,
принципи їх семантичного тлумачення, характер практичних і методичних
рекомендацій.

Таким чином, блок моделювання ГІС може вміщувати проблемно-орієнтовані
бібліотеки програм, що реалізують практично всі різновидності
моделювання, що застосовуються в науках про Землю. Сучасні універсальні
програмні засоби ГІС містять, як правило, достатньо обмежений набір
власне моделюючих функцій, позаяк число існуючих моделей і навіть їх
типів є великим, що не може бути вміщено програмним засобом без витрат
їх універсальності і невиправданого ускладнення.

Відомі три шляхи реалізації розвинутих геомодельних можливостей. 1)
Використання їх власного модельного й аналітичного апарату, відтворення
процесу моделювання за допомогою наявних аналітичних операцій у вигляді
деякого технологічного ланцюга, що задовольняє поставлену задачу
моделювання без залучення інших програмних засобів. 2) Розроблення
спеціалізованих програмних засобів. 3) Перехід в інше програмне
середовище, що допускає виконання необхідних операцій зворотнім
поверненням.

Математико-картографічне моделювання ще не знайшло свого застосування в
ГІС-технологіях. Під яким розуміється органічне комплексування
математичних і картографічних моделей у системі “створення –використання
карт” для конструювання або аналізу тематичного змісту карт.

Карта є математично чітко визначеною формалізованою моделлю, побудова
якої проводиться за канонами математичної картографії. Дійсність на
картографічній моделі, як і в математичній, передається в умовно
знаковій формі, але карта володіє властивістю, що відрізняє її від
математичної або іншої моделі візуалізує територіальну конкретність.

Незважаючи на відмінності математичної і картографічної моделей тільки
математика була однією із важливих причин виникнення і розвитку таких
способів зображення, як картограма або картодіаграма, крапковий або
ізоліній. Не є рідкістю і способи математичної статистики. Новим для
картографії є поглиблений процес проникнення математичних методів у
формуванні тематики і змісту карт, що призводить до більш глибинної
перебудови методики їх створення. Все це дозволяє говорити про
можливості органічного комплексування математичних і картографічних
моделей і недоцільності їх протиставлення.

Література:

1. Вольська С.Ю., Марграф О., Руденко Л.Г. Геоінформаційна технологія:
етапи розвитку, стан в Україні // Укр. геогр. журнал, 1993, №4.–С.6–14.

2. Кошкарев А.В., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы. –
М.: Наука, 1987. – 136 с.

3. Кошкарев А.В., Каракин В.П. Геоинформатика / Под ред. Лисицкого Д.В.–
М.: Картогеоцентр–Геодезиздат, 1993. – 213 с.

4. Светличный А.А., Андерсон В.Н., Плотницкий С.В. Географические
информационные системы: технология и приложения. – Одесса: Астропринт,
1997.–196 с.

Похожие записи