Geoinformatika VIII – Prostorové analýzy jaro 2019 Petr Kubíček kubicek@geogr.muni.cz Laboratory on Geoinformatics and Cartography (LGC) Institute of Geography Masaryk University Czech Republic Prostorové predikáty - příklad Geoinformatika Prostorové predikáty - příklad Geoinformatika Contains v ArcGIS • CONTAINS: Selects features in the input feature layer that contain a feature in the selecting features layer. The selecting features can be inside as well as on the boundary of the input feature layer. • COMPLETELY_CONTAINS: Selects features in the input feature layer that contain a feature in the selecting features layer, as long as the feature in the selecting features layer does not intersect the boundary of the input feature layer. • CONTAINS_CLEMENTINI: The results are identical to CONTAINS with the exception that if the feature in the selecting features layer is entirely on the boundary of the input feature layer, with no part of the contained feature properly inside the feature in the input feature layer, the input feature will not be selected. Geoinformatika Analytické nástroje GIS Analytické možnosti GIS můžeme rozdělit do následujících skupin: – měřící funkce, – atributové i prostorové dotazy(nástroje na prohledávání databáze ), – topologické překrytí, – mapová algebra, – vzdálenostní analýzy, – analýzy sítí, – analýzy modelu reliéfu a dalších povrchů, – statistické analýzy. Geoinformatika Ian McHarg (1969) - Design with Nature Geoinformatika Topologické překrytí (overlay) • Obecně dotazování dvou nebo více informačních vrstev se označuje jako topologické překrytí (overlay) těchto vrstev. • Původně se tento problém řešil překrytím dvou tematických map na průhledných fóliích. • Stejný problém se v GIS řeší pomocí základních algoritmů počítačové grafiky (test bodu v polygonu, hledání průsečíku dvou objektů, ořezávání). • Výsledkem postupu je vytvoření nových objektů (vrstvy), které mají kombinace vlastností objektů ze zdrojových informačních vrstev. Geoinformatika Topologické překrytí (overlay) • Při těchto operacích dochází k řešení vztahů bod, linie nebo polygon v polygonu (výjimkou je sjednocení, které mohu provádět pouze mezi dvěma polygonovými vrstvami). • Z procesu topologického překrytí vznikají nové objekty (vrstvy), kterým jsou přiřazeny také atributy. Tím se topologická překrytí liší od prostorových dotazů, kde žádné nové vrstvy nevznikají. Geoinformatika Topologické překrytí - postupy • Pro kombinaci vstupních objektů se opět používají pravidla Booleovské logiky. • GIS obvykle nabízejí: – INTERSECT (AND - průnik), – UNION (OR - sjednocení), – IDENTITY (přiřazení na základě prostorového umístění – zachovává všechny vstupní objekty). Geoinformatika Příklady overlay Intersect Union Identity A OR (A AND B) A B Geoinformatika Další operace topologických překrytí • UPDATE - vyjme tu část vstupní vrstvy, která bude aktualizovaná druhou vrstvou a místo ní vloží prvky z druhé vrstvy. • CLIP - ořízne vstupní vrstvu pomocí definovaných polygonů v druhé vrstvě. • SPLIT - rozdělí vstupní vrstvu na části pomocí hranic definovaných polygony ve druhé vrstvě. • ERASE - opak CLIP odstraní části vstupní vrstvy pomocí polygonů definovaných v druhé vrstvě. GIS ve veřejné správě Kahoot Geoinformatika Analytické nástroje GIS Analytické možnosti GIS můžeme rozdělit do následujících skupin: – měřící funkce, – atributové i prostorové dotazy(nástroje na prohledávání databáze ), – topologické překrytí, – vzdálenostní analýzy, – analýzy sítí, – analýzy modelu reliéfu a dalších povrchů, – statistické analýzy. Geoinformatika Mapová algebra Analytické nástroje GIS v rastrovém datovém modelu Geoinformatika Kartografické modelování – historie • Tomlin (1983) – Map Algebra • Berry (1987) – Map-ematics • Ustanovili kartografické modelování jako přijatou metodiku pro zpracování geografických dat. Geoinformatika Přirozený jazyk Tomlin – rozpoznal roli přirozeného jazyka pro vyjádření logiky v prostorové analýze. Každá prostorová operace je sloveso, název (jméno) reprezentuje mapovou vrstvu. Př. Mapa obyvatelstva (jméno 1) je překryta (overlay – sloveso) mapou administrativních jednotek (jméno 2) a vzniká mapa hustoty obyvatelstva (jméno 3 – výsledek). Geoinformatika Příklady použití • Termíny nejsou obecně akceptovány – závisí na konkrétní implementaci v GIS balíku. Geoinformatika Implementace kartografického modelu v GIS • Identifikace požadované mapové vrstvy nebo datové sady. • Použijte logický nebo přirozený jazyk a popište proces vytvoření výsledného modelu (data – výsledek). • Reprezentujte postup graficky, aby zahrnoval navrhované operace a postupy. • Popište grafický postup případnými příkazy, které používá příslušný GIS balík. Geoinformatika Umístění supermarketu Hledáme místo na prodej v obytné zóně, mimo oblast záplav a v blízkosti hlavní silnice (I. třída). Čtyři datové vrstvy • Land_use – využití země • Site_status – místa na prodej • River_map – říční síť • Roads_map – silniční síť Geoinformatika Geoinformatika Operace nutné pro výběr vhodného místa Geoinformatika Struktura jazyka MA Mapová algebra používá objekty, činnosti a kvalifikátory činnosti. Ty mají obdobné funkce jako podstatná jména, slovesa a příslovce. •Objekty slouží k uložení informací, nebo jsou to vstupní hodnoty. Jako objekty se používají rastry, tabulky, konstanty, … •Činnosti jsou příkazy jazyka (operátory a funkce) vykonávají operace na objektech: – Operátory jsou obvyklé matematické, statistické, relační a logické operátory (+, -, *, /, >, <, >=, <=, <>, mod, div, and, or, not, …). – Funkce mapové algebry se dělí na lokální, fokální, zonální a globální. Geoinformatika Operace na jedné a více vrstvách • Z hlediska počtu zpracovávaných vrstev lze operace mapové algebry dělit na operace s jednou nebo více vrstvami. – Na jedné vrstvě jsou to nejčastěji skalární operace jako je připočítávání konstanty, násobení, atp. Jako příklad může posloužit tvorba 2x převýšeného DMR pro vizualizaci ve 3D. - UNÁRNÍ – Na více vrstvách jsou to operace jako sčítání vrstev, které se vykonávají s prostorově odpovídajícími si buňkami. BINÁRNÍ, N-ÁRNÍ Geoinformatika Dělení funkcí mapové algebry Z hlediska oblasti ze které je počítána hodnota výsledné buňky dělíme funkce mapové algebry na : • Lokální - na individuální buňce, nová hodnota vzniká z individuální buňky jedné nebo více vrstev. • Fokální - v definovaném okolí, nová hodnota vzniká z definovaného okolí buňky. • Zonální - na specifické oblasti, nová hodnota vzniká ze zóny definované v jiné vrstvě. • Globální - používají se všechny buňky informační vrstvy. Geoinformatika Fokální funkce • Fokální - v definovaném okolí, nová hodnota vzniká z definovaného okolí buňky. • Fokální funkce se dělí na statistické funkce a na analýzy proudění. Většinou se provádějí na okolí 3x3 sousedních buněk, ale systémy často umožňují definovat sousedské okolí podle uživatele. • Ze statistických funkcí jde o stanovení např. aritmetického průměru v okolí, sumy, odchylky, min, max, rozpětí a další. • U analýz proudění se počítá směr proudění (maximální gradient z hodnot dané buňky do okolních), rychlost proudění a další. Analýzy proudění jsou základem většího počtu dalších pokročilých analýz, jako jsou hydrologické analýzy, modelování eroze. Geoinformatika Statistické funkce - zpracování • focalSum (3x3) • NoData ignorováno (pokud není všude). Geoinformatika Příklad fokálních statistických funkcí Geoinformatika Zonální funkce Zonální funkce - na specifické oblasti, nová hodnota vzniká ze zóny definované v jiné vrstvě. Možné rozdělit na statistické a geometrické (area). • U statistických funkcí jde o statistické zpracování hodnot analyzované informační vrstvy, které patří do zóny definované v druhé informační vrstvě. Statistické funkce mohou být opět průměry, sumy, min, max. • Mezi geometrické funkce patří např. stanovení plochy, obvodu a dalších charakteristik každé zóny. Geoinformatika Najděte PLOCHU zastavěného území pro jednotlivé kategorie sklonu svahu Geoinformatika Analytické nástroje GIS – příští týden Analytické možnosti GIS můžeme rozdělit do následujících skupin: – měřící funkce, – atributové i prostorové dotazy(nástroje na prohledávání databáze ), – topologické překrytí, – mapová algebra, – vzdálenostní analýzy, – analýzy sítí, – analýzy modelu reliéfu a dalších povrchů. VZDÁLENOSTNÍ ANALÝZY Geoinformatika Vzdálenostní funkce • Obálka • Obálka • Nákladové vzdálenosti – Funkce šíření a proudění VEKTOR RASTR • Základem je Euklidovská vzdálenost • Matice vzdáleností • Identifikace nejbližšího souseda Geoinformatika Analýza vzdáleností • Tvorba obálek (buffer) • Výsledkem je obálka v definované vzdálenosti od vybraného geometrického prvku Geoinformatika Obálka – parametry (ArcGIS) • buffer_distance_or_field • line_side (o): – Full – Left – Right – OUTSIDE_ONLY • line_end_type (o): – Round – Flat • dissolve_option (o): – None – All – List Geoinformatika Obálka (buffer) - parametry Geoinformatika Konvexní obálka a minimální hraniční geometrie Geoinformatika Vzdálenost objektů • Nejbližší objekt • Vzdálenost všech objektů Geoinformatika Principy výpočtu vzdáleností • Výpočet vzdálenosti závisí na typu geometrie (a souřadnicovém systému). Tři hlavní pravidla určující způsob výpočtu: – Vzdálenost mezi body je přímá spojnice obou bodů. – Vzdálenost mezi bodem a linií je buďto kolmice, nebo vzdálenost k nejbližšímu vrcholu. – Vzdálenost mezi liniemi je určena vzdálenostmi vrcholů jednotlivých segmentů (více možností, počítá se nejkratší). Geoinformatika Výpočet vzdálenosti 1)Bod – bod 2) Bod - linie Geoinformatika Vzdálenost objektů v okolí (near distance) • Určení vzdáleností od vstupního prvku k ostatním prvkům v určeném rozsahu. Výsledky zaznamenány do tabulky. Geoinformatika Analýzy sousedství (Proximity analysis) – • Každá polygon obsahuje jeden bod vstupního souboru. Každé místo polygonu je blíže k tomuto bodu, než k jakémukoliv dalšímu bodu vstupního souboru. • Thiesenovy polygony, Voronoi cell (Voroného tesalace) – konstrukce?? Geoinformatika Geoinformatika Euklidovské vzdálenosti - rastr Vzdálenost buňky k nejbližšímu zdroji Geoinformatika Euklidovské vzdálenosti (2) Vzdálenost buňky k nejbližšímu zdroji! Geoinformatika Vážené vzdálenosti • Vážená vzdálenost si všímá jedné podstatné vlastnosti, a to, že při běžných vzdálenostních analýzách se vůbec neuvažují vlivy okolí, vše je měřeno vzdušnou čarou (crows flie) za ideálních podmínek. • V reálném světě ale tento model zdaleka neodpovídá skutečnosti. Geoinformatika Faktory ovlivňující vzdálenost • Vlastnosti reálného světa ovlivňující reálnou vzdálenost: – objekty (antropogenní prvky, krajinný pokryv) nacházející se na povrchu, – průběh terénu, s ním související převýšení, – převládající směr větru, • následně se modelují jako faktory ... • Faktory modelující vlastnosti reálného světa: – frikční povrch, – faktor terénu (reliéfu), – vertikální faktor, – horizontální faktor, • se skládají do výsledného povrchu nákladů (nákladového vzdálenostního povrchu).