Анализ рельефа в ГИС. Цифровые карты рельефа.

 Поверхность и цифровая модель

Основой для представления данных о земной поверхности  являются цифровые модели рельефа.

Поверхности - это объекты, которые чаще всего представляются значениями высоты Z, распределенными по области, определенной координатами X и Y.

Цифровые модели рельефа (ЦМР) используют для компьютерного представления земных поверхностей.

ЦМР - средство цифрового представления рельефа земной поверхности.

Построение ЦМР требует определённой формы представления исходных данных (набора координат точек X,Y,Z) и способа их структурного описания, позволяющего восстанавливать поверхность путем интерполяции или аппроксимации исходных данных.

 Источники данных для формирования ЦМР

      Исходные данные для формирования ЦМР могут быть получены по картам - цифрованием горизонталей, по стереопарам снимков, а также в результате геодезических измерений или лазерного сканирования местности. Наиболее распространен первый способ, т.к. сбор по стереопарам снимков отличается трудоемкостью и требует специфического программного обеспечения, но в то же время позволяет обеспечить желаемую степень детальности представления земной поверхности. Лазерное сканирование перспективный современный метод, пока достаточно дорогой.

Восстановление поверхностей реализуется на основе интерполяции исходных данных.

Интерполяция - восстановление функции на заданном интервале по известным ее значениям конечного множества точек, принадлежащих этому интервалу.

В настоящее время известны десятки методов интерполяции поверхностей,  наиболее распространенные: линейная интерполяция; метод обратных взвешенных расстояний, кригинг; сплайн-интерполяция; тренд-интерполяция.

Основными процессами построения ЦМР по картам являются:

1) Преобразование исходных карт в растровые изображения, т.е. сканирование. При сканировании важным является выбор разрешения получаемого изображения, излишне высокое разрешение требует больших объемов памяти для хранения исходной информации, в тоже время  разрешение должно обеспечить необходимую точность сбора информации, которая определяется целями формирования ЦМР.

2)  Монтаж растровых фрагментов. Монтаж или «сшивка» - это стыковка нескольких изображений произвольной формы в одно таким образом, чтобы границы между исходными изображениями были незаметны. При монтаже осуществляется геопривязка растровых данных. В  ГИС имеются различные  модули для решения этой задачи.

3)  Векторизация растрового изображения. Векторизация, или дигитализация горизонталей может выполняться в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. Для различных ГИС разработаны отдельные модули, реализующие эту задачу в автоматических режимах, например, Мар Еdit.

4)  Формирование ЦМР. ЦМР создается на основе методов интерполяции и может быть представлена в разных форматах.

5) Визуализация результатов. ЦМР обеспечивает визуализацию информации о поверхностях в разных формах

Использование ЦМР

  Цифровые модели рельефа (ЦМР) важны для решения целого ряда прикладных экологических задач. Для прогнозирования чрезвычайных ситуаций, например наводнений, оценки степени изменения ландшафтов и т.д.. По результатам анализа ЦМР средствами ГИС получают карты углов наклона (уклонов) местности и экспозиций склонов, формируют продольные и поперечные профили по заданному направлению, выполняют оценку зон видимости с намеченных точек обзора и др. Для отображения ЦМР используют разные формы.

25. Алгебра карт. Применение алгебраических и логических операций при создании новых слоев ГИС.

Алгебра карт (Map Algebra) - это способ выполнения пространственного анализа путем создания выражений на алгебраическом языке.

Совместное использование картографических и математических моделей в процессе анализа-синтеза сложной и разнородной пространственно-временной информации существенно повышает географическую точность и достоверность данных, а также приводит к оптимальному виду результаты математических расчетов. Формализованное картографическое изображение (особенно ярко это проявляется при пространственно-позиционном представлении) по своей сути приспособлено для математического анализа. Каждой точке карты с координатами Х и Y поставлено в соответствие одно значение картографируемого явления Z, а это позволяет рассматривать изображение данного явления как функцию Z = F(X, Y).

Многие пространственно-распределенные явления реально связаны между собой функциональными или статистическими зависимостями, другие могут быть условно представлены как функции пространства и времени при помощи абстрагирования от несущественных деталей, постановки определенных ограничений, аппроксимации сложных и неизвестных функций более простыми и известными. В настоящее время почти все разделы современной математики применимы для обработки картографических изображений, однако не все они однозначно обоснованы и не все результаты, получаемые в результате математического анализа, имеют надежную содержательную интерпретацию.

Наиболее широко распространенные алгоритмы анализа реализованы во многих оболочках ГИС в виде готовых аналитических модулей, однако пользователи должны иметь возможность самим строить аналитические алгоритмы с минимальным расходом времени на создание пользовательского интерфейса. Реализацией такого подхода к наращиванию аналитических возможностей в некоторых оболочках ГИС стала разработка макроязыка программирования, построенного на макрофункциях пространственного анализа растровых данных и задаваемых пользователем значениях обрабатываемых параметров.

Основные принципы такого макроязыка и включенных в него функций пространственного анализа были разработаны С. Д.Томлином (C. D. Tomlin) и в настоящее время они под общим именем "функций картографической алгебры" включаются во многие пакеты ГИС.

Функции картографической алгебры:

1. Локальные функции работают с индивидуальным местоположением ячеек, вычисляя их значения в одном или нескольких картографических слоях.

2. Фокальные функции анализируют окружение каждой отдельно взятой ячейки растровой карты и вычисляют для нее новое значение в зависимости от значений этого окружения, направления и радиуса поиска, типа математической операции. Например, такие функции используются при решении задач районирования, расчета стоимости пути или анализа зон видимости.

3. Инкрементальные функции, как и фокальные, также работают с анализом окружения каждой отдельно взятой ячейки, но они вычисляют это значение как приращение одно-, двух - или трехмерных картографических форм. Размер и форма этого приращения определяется

Отношением значения каждой ячейки к значениям прилегающих ячеек на одном или нескольких картографических слоях.

4. Зональные функции работают с ранее определенными группами ячеек (зонами), вычисляя их новое значения на одном картографическом слое относительно значений зон на других картографических слоях. (Рис. 3.9).

В различные системы в зависимости от их назначения может быть включен разный набор аналитических функций. Различными могут быть и конкретная программная реализация этих функций, перечень и способ задания параметров функции, форма представления расчетов, интерфейс каждой функции. Базовой формой, при помощи которой задаются параметры и представляются результаты, является картографический тематический слой (обычно представленный в виде отдельного растрового файла). Основной формат командного языка функций картографической алгебры имеет следующий вид:

Имя файла выходного слоя = операция + имя файла основного слоя + значения параметров или имя файла (файлов) слоя (слоев) параметров + добавочные параметры.

Из таких "предложений" можно формировать группы команд, выполняющих какую либо сложную операцию, требующую подключения сразу нескольких аналитических функций. В некоторых случаях описание одной процедуры может состоять из сотен и тысяч элементарных команд.