Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Fundamentem metod analitycznych w programach typu GISGeographical Information Systems (GIS)GIS są kartograficzne metody badań (KMB) oraz dziedzina zwana kartografią analityczną (KA).

Kartograficzne metody badań

Pierwszy z filarów uformowany został przez Konstantina Saliszczewa w połowie XX wieku i opierał się na doświadczeniu zebranym przez naukowców we wcześniejszym stuleciu. Nurt ten został rozwinięty pod koniec lat 70. XX wieku przez Aleksandra Berlanta, który scharakteryzował metody analizy map, wyróżniając sześć grup:

  1. Opis na podstawie wzrokowej analizy mapy.

  2. Metody graficzne – profile, przekroje, blok‑diagramyblok‑diagramblok‑diagramy, wykresy, diagramy, nakładanie izolinii.

  3. Metody graficznoanalityczne – określanie głębokości, wysokości względnych, gradientów:

    • kartometriakartometriakartometria – pomiary długości i krętości linii, pola powierzchni, objętości, kątów i kierunków;

    • morfometriamorfometriamorfometria – obliczanie średniej wysokości, częstości i gęstości elementów, rozcięcia pionowego i poziomego, nachyleń i spadków oraz wskaźników kształtu.

  4. Metody analizy matematycznej – zastosowanie matematycznych modeli przestrzennych procesów i zjawisk.

  5. Metody matematyczno‑statystyczne – opis statystycznego rozkładu wartości (średnie, miary odchyleń i zróżnicowania zbioru), określenie zależności między zjawiskami (korelacja, analiza czynnikowa).

  6. Metody teorii informacji – miary entropii, miary współwystępowania.

Dalszym podziałem stworzonym przez Berlanta było rozróżnienie analizy jedno- oraz wielomapowej, gdzie przy jednym zobrazowaniu klasyfikował on trzy typy przetwarzania:

  1. Przetwarzanie metryki mapymetryka mapymetryki mapy.

  2. Przetwarzanie struktury mapy – m.in. wydzielenie elementów, uszczegółowienie, schematyzacja.

  3. Przetwarzanie sposobów prezentacji kartograficznej – zmiany w obrębie określania cech powierzchniowych, układów liniowych, sygnatur punktowych, a także przetwarzanie kartogramów i map chorochromatycznych.

Analiza większej ilości map skupiała się głównie na wizualizacjach sytuacji przestrzennej z różnych okresów, poruszających różną tematykę oraz na prognozowaniu na podstawie zgromadzonych materiałów przy uwzględnieniu zgodności i wzajemnych oddziaływań (m.in. mapy współczynników korelacji).

Kartografia analityczna

Drugą ze wspomnianych podstaw tworzących bazę do opracowań komputerowych jest kartografia analityczna. Dział ten powstał w wyniku działania Waldo Toblera na przełomie XX i XXI wieku, wkrótce kartografia analityczna została uznana za jeden z najistotniejszych działów kartografii. Wagę tego działu stanowi zakres zagadnień kartograficznych, w którego poczet wpisuje się m.in.:

  • modelowanie danych,

  • struktura informacji,

  • standardy transformacji i jakość danych,

  • interpolacja przestrzenna,

  • generalizacja analityczna,

  • numeryczna analiza map.

W odróżnieniu od KMB kartografia analityczna koncentruje się tylko na ilościowych, matematycznych i statystycznych zależnościach między obiektami i ich parametrami. Transformacje w KA odnoszą się do danych zapisanych w formie numerycznej, a nie do obrazu mapy.

Systemy informacji geograficznej

Oba opisane zbiory rozwiązań badawczych są rozwijane dzięki systemom informacji geograficznej. Początkowo programy GIS nie mogły ukazać pełni potencjału metod analitycznych ze względu na korzystanie wyłącznie z grafiki rastrowejgrafika rastrowagrafiki rastrowej i traktowanie takiego rodzaju map jako macierze – możliwymi do uzyskania były wtedy odległości między punktami, miejsca optymalnego zlokalizowania obiektów i tras, przecięcia płaszczyzny z powierzchnią, zmiana skali i odwzorowania oraz operacje selekcji informacji. Wraz z późniejszym rozwojem oprogramowania i wprowadzeniem wektorowej formy zapisu informacji oraz wzrostem możliwości obliczeniowych komputerów poszerzał się zakres analiz przestrzennych. Obecnie badania objęte tematem opracowania dzielą się na kilka grup znajdujących zastosowanie zarówno przy grafice rastrowej, jak i wektorowej,grafika wektorowawektorowej, tj.:

R1QtF1Tx08tzI
Metody podstawowe Bazowe funkcje przetwarzania danych, bez których dany program nie może być zaliczany do GIS.Integracja danych, czyli ujednolicanie treści w celu umożliwienia porównywania jej i dokonywania połączeń różnych rodzajów informacji:Informacji o położeniu obiektów z informacjami o ich atrybutach (np. punktu oznaczającego miasto z liczbą jego mieszkańców)Informacji pochodzących z różnych źródeł, zapisanych w systemie wektorowymInformacji zapisanych w różnych systemach (wektorowym i rastrowym), innymi słowy chodzi o wektoryzację rastrów lub rasteryzację wektorówInformacji zapisanych w różnych układach współrzędnych lub odwzorowaniach (transformacje między układami lub odwzorowanymi bazujące na algorytmach automatyzujących te procesy)Informacji zapisanych w różnych formatach (np. ArcInfo, MapInfo)Informacji zapisanych na sąsiadujących ze sobą warstwachSelekcja danych, czyli wybór elementów na mapie lub określenie kryteriów wyboru. Może być dokonywana poprzez zaznaczenie pojedynczych obiektów lub fragmentów obszarów. Główną funkcją wiążącą się z selekcją informacji jest narzędzie wyodrębniania wskazanych wycinków prezentowanej przestrzeni, dzięki któremu eliminowane są zbędne fragmenty mapy (biorąc pod uwagę cel danej analizy bądź prezentacji). Dobór obiektów może zachodzić także poprzez filtrację określającą cechy elementów wyświetlanych (np. w oparciu o parametry atrybutów). Zabiegi wyboru i wykluczenia mają na celu ułatwienie skupienia uwagi na ważnych cechach analizowanego obszaru lub zjawiska., Metody topologiczne Rozwiązania często określane mianem analiz przestrzennych, służące do wykrywania charakteru rozkładu przestrzennego i związków przestrzennych, czyli między innymi do: określania relacji ilościowych i statystyk przestrzennych, generalizacji, wyznaczania regionów, modelowania interakcji przestrzennych, określania sąsiedztwa oraz rozpoznawania układów przestrzennych.Procedury odnoszące się do obiektów powierzchniowychWyznaczanie regionów – ze względu na właściwości obiektów sąsiadujących wytycza się te, które wykazują cechy podobne i granica między nimi może być zniesiona (agregacja) oraz te, których parametry charakteryzują się odmiennością i muszą być prezentowane osobno. W tę metodę wpisują się również strefy buforowe (ekwidystanty) wyznaczające obszary wpływów obiektów lub granice wskazujące zasięg oddziaływania na dane elementy.opis WCAGPrzykłady buforówPodział obszaru – wyznaczanie granic na podstawie wcześniej wytyczonych punktów, czyli tworzenie sieci zmiennogęstej (w programach GIS zwanej poligonami Thiessena) lub określenie działania względem dwóch nakładających się warstw (sumowania – powstaje jeden obiekt, różnicy – powstają dwa obiekty i znika część wspólna, etc.) przy jednoczesnym wykorzystaniu operacji wycinania (Clip)opis WCAGSchemat tworzenia sieci poligonalnej Thiessenaopis WCAGPrzykład wykorzystania narzędzia wycinaniaProcedury odnoszące się do obiektów liniowych (sieci)Wyznaczanie położenia – metoda stosowana między innymi w celu ukazania elementów zlokalizowanych najbliżej naniesionego punktu (określanie dostępności)Najkrótsza trasa i uwzględnianie przeszkód – służy wytyczeniu najmniejszego dystansu do pokonania lub ograniczeniu ilości odcinków drogi. Funkcja ta często wzbogacona jest o możliwości detekcyjne i redukcyjne utrudnień takich jak ograniczenia ruchu lub koszty podróży.opis WCAGPrzykład wytyczenia najkrótszej drogi między czterema punktami, Pomiary kartometryczne Metody działające w oparciu na wartościach współrzędnych danych punktów, charakteryzują je m.in. wytyczanie długości elementów liniowych, obliczanie pól powierzchni lub objętości brył., Operacje na tabelach atrybutów Działania transformacji i edycji danych parametrycznych zawartych w poszczególnych komórkach tabeli właściwości opisujących określone obiekty wartościami liczbowymi lub ciągami liter.Grupowanie i reklasyfikacja – Grupowanie, czyli czynności automatyczne klasyfikujące zbiory między innymi pod względem rozpiętości w określonych przez użytkownika przedziałach. Reklasyfikacja odnosi się do informacji zapisanych w formie liter i działa na podobnej zasadzie co grupowanie, lecz wymaga wprowadzenia dodatkowych formuł logicznych wskazujących nazwę tabeli, kolumnę oraz kryteria wyboru elementów.Metody statystyczne – pakiet środków stosowanych do wykonywania obliczeń statystycznych, wśród których najczęściej wykorzystywane są: statystyki opisowe zbiorów (średnie, odchylenia standardowe, kwantyle, etc.), histogramy, metody korelacji i regresji oraz analizy wieloczynnikowej., Metody analiz rozkładu przestrzennego Sposoby stosowane w celu analizy regularności i prawidłowości rozkładu przestrzennego na podstawie statystyki. Do najczęściej wykorzystywanych rozwiązań należy metoda centroidu, czyli wyznaczania środka ciężkości danych rozproszonych i powierzchni. Centroid lokalizowany jest na podstawie współrzędnych x i y. Duże znaczenia ma tu także metoda najbliższego sąsiedztwa wskazująca średnią odległość między sąsiadującymi punktami., Metody analiz powierzchni 3D Operacje przeprowadzane na numerycznych modelach terenu (NMT) opisywanych przez trzy współrzędne (x, y, z) oraz algorytmy aproksymacji lub interpolacji powierzchni. Przypisanie obiektom wartości umiejscowienia w układzie trójwymiarowym umożliwia wyznaczenie cech morfometrycznych i statystycznych powierzchni.opis WCAGPerspektywiczny, cieniowany model NMT przedstawiający powierzchnię MarsaAproksymacja – metody opierające się na interpolacji powierzchniowej, bazujące na większej ilości punktów niż dwa otaczające interpolowane stanowisko, przy jednoczesnym przypisaniu im określonej wagi ze względu na dzielącą odległość (metoda odwrotnej proporcjonalności do odległości). Opisane wyznaczanie kształtów powierzchni wykorzystywać może oba podstawowe typy struktury NMT (GRID oraz TIN). Rodzajem tej metody dającym najlepsze rezultaty jest kriging. Parametry morfometryczne – zbiór funkcji wyznaczających nachylenie i ekspozycję stoków, kształty form, przebiegi linii dolinnych i grzbietowych oraz obszary zlewni. Ze względu na niski stopień złożoności obliczeń większość z tych algorytmów działa na modelach o strukturze siatki (GRID).opis WCAGMapa ekspozycji stoków, Generalizacja Uproszczenie zobrazowania przestrzeni w celu wyklarowania ogólnych tendencji rozmieszczenia zjawisk.
Źródło: Grafiki:
Przykłady buforów, Szombara 88, commons.wikimedia.org/, CC BY-SA 3.0, Link
W. Pokojski, Schemat tworzenia sieci poligonalnej Thiessena, Graphic representation of Voronoi polygons (own elaboration), University of Warsaw | UW, Department of Geoinformatics, Cartography and Remote Sensing, dostępny w internecie: https://www.researchgate.net/figure/Graphic-representation-of-Voronoi-polygons-own-elaboration_fig2_329444868
Przykład wykorzystania narzędzia wycinania, https://www.gispriority.com/, dostępny w internecie: https://www.gispriority.com/how-to/arcmap-clip-tool-analysis/
Przykład wytyczenia najkrótszej drogi między czterema punktami
Perspektywiczny, cieniowany model NMT przedstawiający powierzchnię Marsa, Domena publiczna, Link
Mapa ekspozycji stoków.

Jako analizy map GIS należy rozumieć odpowiednio dobrane i przygotowane (przy pomocy programów komputerowych) formy prezentacji cech poszczególnych elementów oraz parametrów mające na celu ułatwienie odbioru i wykrycia zależności między obiektami. Rozwiązania te stanowią znaczne usprawnienie w procesie tworzenia skomplikowanych zestawień danych przestrzennych, których często nie można wykonać w trybie manualnym. Badania przeprowadzane przy użyciu systemów informacji geograficznej są ogromnym wsparciem dla rozwoju kartografii tradycyjnej.

Ciekawostka
  • Jedną z najbardziej znanych analiz przestrzenno‑sytuacyjnych jest mapa Londynu z 1850 roku, na której oznaczono miejsca zgonów ludzi chorych podczas epidemii cholery. Autor mapy, dr John Snow, udowodnił wtedy, że choroba szerzy się dzięki punktom poboru wody w mieście i nie jest przenoszona drogą powietrzną (jak wówczas sądzono).

  • Dzięki analizie bazującej na porównaniu kształtów linii brzegowych wszystkich kontynentów powstała teoria dryftu Alfreda Wegenera.

Słownik

blok‑diagram
blok‑diagram

diagram, na którym procedura, system lub program komputerowy są reprezentowane przez opisane figury geometryczne połączone wektorami zgodnie z kolejnością wykonywania czynności wynikających z przyjętego algorytmu rozwiązania zadania

Geographical Information Systems (GIS)
Geographical Information Systems (GIS)

w języku polskim Systemy Informacji Geograficznej (SIG); zbiór wiedzy, ludzi, sprzętu i oprogramowania do pozyskiwania, przechowywania, przesyłania, analizowania i wizualizacji danych przestrzennych

grafika rastrowa
grafika rastrowa

prezentacja obrazu za pomocą matrycy punktów w postaci prostokątnej siatki odpowiednio kolorowanych pikseli na monitorze komputera, drukarce lub innym urządzeniu wyjściowym

grafika wektorowa
grafika wektorowa

jeden z dwóch podstawowych rodzajów grafiki komputerowej, w której obraz opisany jest za pomocą figur geometrycznych (w przypadku grafiki dwuwymiarowej) lub brył geometrycznych (w przypadku grafiki trójwymiarowej), umiejscowionych w matematycznie zdefiniowanym układzie współrzędnych, odpowiednio dwu- lub trójwymiarowym

GRID
GRID

model regularny w postaci siatki kwadratów uzupełniony charakterystycznymi punktami i liniami szkieletowymi

kartometria
kartometria

dział kartografii zajmujący się metodami przeprowadzania i analizą dokładności pomiarów różnych obiektów i zjawisk geograficznych na mapach w celu wyznaczenia ich długości, powierzchni, objętości lub innych parametrów, z uwzględnieniem wpływu zniekształceń kartograficznych

metryka mapy
metryka mapy

podstawowy dokument obrazujący przebieg opracowania mapy

morfometria
morfometria

zajmuje się metodami pomiarów i opisem obiektów na podstawie tych pomiarów

TIN
TIN

jest rozwiązaniem kompromisowym (posiadającym zalety wektora oraz rastra); dana płaszczyzna odwzorowywana jest za pomocą sieci nieregularnych trójkątów, gdzie wierzchołki tych trójkątów to punkty z informacją (atrybutem), a powierzchnie trójkątów są pochodną tych atrybutów (np. nachylenie bądź ekspozycja)