USAMV – FIFIM

SISTEME

INFORMAŢIONALE

GEOGRAFICE

Măsurători Terestre şi Cadastru

Anul III - Semestrul 1

2012

Analiză Spaţială 1

ANALIZĂ SPAŢIALĂ

ANALIZĂ BIDIMENSIONALĂ :

Conversia vector - raster

Acest proces permite ca datele vectoriale să fie transformate în date raster,

ca pregătire pentru analiza spaţială şi pentru verificarea existenţei unor erori în

datele vectoriale, ca poligoane neînchise, lipsa sau dublarea unor indecşi sau

etichete în Baza de Date (BD) etc. Trebuie să fie specificată de utilizator o

dimensiune a pixelului, care trebuie să constituie un compromis între păstrarea

detaliilor hărţii şi controlul mărimii fişierului rezultant al hărţii.

Conversia raster - vector

Procedura permite transformarea datelor raster în date vectoriale pentru

scopuri de eliminare a naturii de "bloc" a datelor raster, în special pentru scopuri

de tipărire (plotare).

Straturi (acoperiri)

Două sau mai multe straturi de date vector sau raster sunt unite matematic

pentru a forma un nou strat al hărţii. Dacă straturile originale ale hărţii au avut

tabele de atribute (baze de date) referinţe sau legate la aceste straturi, atunci

toate părţile sau anumite părţi ale acestor atribute pot fi asociate cu acest nou

strat al hărţii. În ArcGIS există trei metode de acoperire sau combinare

(overlay): unirea, intersecţia si identitatea, care produc rezultate diferite. Pe

Analiză Spaţială 2

timpul oricărei operaţii overlay sunt create uneori "aşchii" (slivers - mici

poligoane nesemnificative care nu au etichete în baza de date) şi utilizatorul

trebuie să decidă ce face cu acestea. Pentru controlul procesului de eliminare a

poligoanelor "aşchie" sunt folosite câteva criterii ca cele de formă, arie, lungime

a perimetrului, etc.

Poligoane Thiessen (Voronoi)

Aceste poligoane sunt construite în jurul datelor punctuale, pentru a crea

"sfere de influenţă" la interpolare. Toate punctele sunt unite cu segmente de

dreaptă şi acestor segmente li se determină mijlocul. Mijloacele segmentelor

sunt unite cu noi segmente în jurul fiecărui punct iniţial, formând poligoane

închise (unul în jurul fiecărui punct).

Poligoane Thiessen (Voronoi)

Reţea neregulată de triunghiuri (TIN)

Această metodă, folosită frecvent în generarea modelelor numerice ale

terenului, constă în realizarea unei reţele de triunghiuri oarecare, prin unirea

punctelor cu valori cunoscute ale variabilei studiate (ex: altitudinea), distribuite

neregulat în spaţiu. Pe baza acestor valori, a coordonatelor punctelor cunoscute

şi presupunând ca liniară variaţia valorilor în lungul laturilor triunghiurilor, pot

fi calculate valori în puncte pentru care nu există informaţii, situate pe aceste

laturi. Prin unirea punctelor cu aceleaşi valori ale elementului analizat,

calculatorul trasează un set de izolinii, generând astfel o hartă izopletă.

Analiză Spaţială 3

TIN

Căutare (interogare)

Nici-un SIG nu este complet dacă nu sunt implementate funcţiile de

căutare sau de interogare, specifice bazelor de date. Aceste funcţii permit unui

utilizator să formuleze cereri complexe folosind algebra booleană şi atributele

legate (de datele poziţionale) ale hărţii, pentru a căuta detalii care îndeplinesc

criteriile de selecţie. Uneori, pentru a construi şiruri sau comenzi de căutare, este

folosit un limbaj de interogare (SQL). Pentru a afişa rezultatele unei asemenea

interogări, este creată o variabilă temă (theming) în baza de date asociată, căreia

i se asignează un cod de culoare definit de utilizator, dacă este satisfăcut criteriul

de selecţie, şi zero în caz contrar.

De exemplu, planificatorii si proiectanţii, ecologiştii ş.a. pot dori să

afişeze peste o ortofotogramă digitală recentă poziţiile clădirilor, parcurilor,

râurilor şi reţelelor de apă, canalelor colectoare, hidranţilor de incendiu şi

locurilor de iluminare stradală pentru o localitate . O asemenea hartă va trebui să

prezinte fiecare din aceste detalii (poligoane, linii şi puncte) cu culori (şi

simboluri sau semne convenţionale) diferite. Numărul, ordinea şi

culoarea/simbolul asociate cu temele vizibile sunt controlate de utilizator.

Analiză Spaţială 4

Hartă tematică suprapusă peste o ortofotogramă digitală

Managerii resurselor naturale pot să creeze o hartă care să arate toate

pădurile de diferite specii, care să fie colorate în mod diferit (pe specii şi pe

tipuri de sol, reprezentate cu anumite culori). Selecţia presupune să existe în

baza de date toţi parametrii după care se face căutarea.

Analiză Buffer (zonă tampon)

Ideea este ca utilizatorul să definească una sau mai multe zone care sunt

localizate la o distanţă fixă fată de un detaliu al hărţii, specificată de utilizator,

detaliul fiind un obiect punctual (un magazin, o şcoală, etc.), un obiect liniar (un

curs de apă, un drum) sau un obiect areal sau poligon (o parcelă de pădure).

Aceste zone sunt afişate prin asignarea unor coduri de culoare sau tipare de

simboluri sau haşuri. Asemenea zone sunt foarte importante pentru definirea

practicilor de management al zonelor de lângă ape, stabilirea tipurilor de

vegetaţie de-a lungul drumurilor, zonelor libere de lângă drumuri din motive

estetice, alocarea copiilor la o şcoală, alocarea cazărmilor de pompieri etc. În

plus, uneori este posibil să se modifice sau să se "pondereze" lăţimile acestor

zone tampon prin unele atribute ca înălţimea sau densitatea vegetaţiei.

Analiză Spaţială 5

Analiza proximităţii

Acest proces este opus celui al analizei zonei tampon, în sensul că

distanţele sunt calculate între fiecare pixel şi nişte detalii ale hărţii specificate de

utilizator, rezultatele fiind memorate cu fiecare pixel. De exemplu, se poate

calcula distanţa de la poziţiile de telemetrie a unor animale sălbatice până la

râuri sau drumuri. Pentru aceste distanţe calculate pot fi afişate şi statistici

descriptive simple.

Analiză de/în reţea

Acest tip de analiză operează pe detalii liniare ce formează o reţea, ca de

exemplu râurile, drumurile, reţeaua de canalizare, reţeaua de alimentare cu

energie electrică etc. În rezumat, există două tipuri de analize:

1. determinarea drumului minim, optim sau uneori cel mai scurt;

2. problema postaşului chinez.

Primul tip implică determinarea unui itinerar între două puncte definite de

utilizator, astfel ca anumite criterii de selecţie să fie satisfăcute. De exemplu,

dorim să plasăm o linie de transport al energiei electrice de înaltă tensiune peste

un teren de la poziţia A la poziţia B, cu restricţii de plasare sau trasare a liniei,

ca:

a) linia să nu fie vizibilă de pe orice drum de categorie superioară;

b) să nu treacă la mai puţin de 300 m de orice şantier arheologic;

c) să treacă la cel puţin 1000 m de o sondă sau de o staţie de alimentare cu

combustibil;

d) pantele maxime ale traseului să fie de o anumită valoare.

Al doilea tip de analiză este o problemă de livrare ce implică legarea unui

număr specificat de poziţii într-un mod optim, pe baza anumitor criterii definite

Analiză Spaţială 6

de utilizator, ca şi mai sus. Chiar o călătorie de studii geografice cu

obligativitatea de a trece printr-un număr de obiective, dar traseul să fie de

lungime minimă. Uneori pot fi identificaţi coeficienţi de frecare sau de

rezistenţă la înaintare care inpiedică fluxul reţelei (network). În ArcGIS

problemele reţelei sunt gestionate şi rezolvate cu modulul NETWORK

ANALIST.

ANALIZĂ TRIDIMENSIONALĂ :

Izolinii (curbe de nivel)

Această funcţie permite unui utilizator să genereze izolinii sau curbe de

valoare z constantă, din valorile X, Y, Z ale unor puncte. De regulă, pot fi

specificate separat nivele intermediare vectoriale şi de indecşi ale izoliniilor.

Modelul numeric al terenului (MNT)

Modelul numeric al terenului este o reprezentare tridimensională a

terenului (reliefului), care indică, pentru fiecare pereche de coordonate x,y,

valoarea reală sau interpolată a altitudinii.

Realizarea modelului numeric al terenului implică parcurgerea a trei etape

distincte:

1. Colectarea datelor, respectiv a valorilor x,y,z, pentru un eşantion de

puncte;

2. Alegerea modelului de reprezentare a suprafeţei tridimensionale;

3. Interpolarea valorilor altitudinii în punctele necunoscute.

Colectarea datelor se poate realiza pe mai multe căi:

- Direct în teren, prin măsurători topografice. Această metodă

generează un model numeric al terenului de foarte înaltă acurateţe, însă pe arii

Analiză Spaţială 7

reduse. Colectarea datelor nu este posibilă în zonele cu relief puternic

accidentat, deci greu accesibile;

- Folosind hărţile topografice, prin digitizarea curbelor de nivel. Este o

metodă ce poate genera un model numeric al terenului cu acurateţe redusă –

moderată şi nu se pretează la areale foarte restrânse;

- Folosind aerofotogramele şi imaginile de teledetecţie satelitară,

prin explorarea stereoscopică a fâşiilor comune, suprapuse, reprezentând o

aceeaşi suprafaţă de teren, văzută însă din unghiuri diferite. Modelele construite

pe baza acestor surse de date prezintă acurateţe moderată la înaltă;

- Folosind sistemul global de localizare (GPS), o constelaţie de 24 de

sateliţi americani NAVSTAR (1992), plasaţi pe orbite la cca 20000km

altitudine, cu ajutorul cărora se poate determina cu foarte mare precizie (±1cm în

plan orizontal, ±2cm în plan vertical raportaţi la elipsoidul de referinţă) poziţia

unui punct de la suprafaţa terenului, fără a face apel la reperele geodezice

tradiţionale. Utilizarea datelor GPS poate genera un model numeric al terenului

de înaltă acurateţe, însă pe areale restrânse, iar conectarea la sistemul de sateliţi

(minim patru) este dificilă în văile adânci, sau pe versanţii împăduriţi.

Alegerea modelului de reprezentare a suprafeţei tridimensionale a

reliefului depinde de metoda de eşantionare prin care au fost colectate datele

privind altitudinea.

Dacă eşantionul este reprezentat prin puncte distribuite regulat la

suprafaţa terenului, sub forma unei reţele rectangulare, modelul de reprezentare

va fi de tip grid, în format raster, sau latice, în format vectorial. Aceste modele

prezintă avantajul simplităţii şi compatibilităţii directe cu sursele de informaţie

reprezentate prin imagini satelitare şi aerofotogrammetrice. Principalul

dezavantaj îl constituie neconcordanţa dintre variabilitatea areală a complexităţii

reliefului şi inflexibilitatea reprezentării prin puncte regulat distribuite în spaţiu.

Astfel, în zone cu o complexitate mare a reliefului, reţeaua de puncte poate fi

insuficientă pentru a surprinde toate trăsăturile acestuia, în timp ce în zonele cu

Analiză Spaţială 8

relief omogen, poate apărea o redundanţă semnificativă de informaţie, prin

înregistrarea unor valori de altitudine foarte apropiate într-un număr

supradimensionat de puncte. Pentru a înlătura acest neajuns, au fost create şi

modele grid cu rezoluţie variabilă, depinzând de complexitatea reliefului. Însă,

în general, modelele tip grid sau latice au un efect de netezire a reliefului,

estompând trăsăturile proeminente ale acestuia.

Dacă eşantionul este reprezentat printr-o reţea neregulată de puncte, cu

desime proporţională cu gradul de complexitate al reliefului, atunci modelul de

reprezentare va fi de tipul reţelei neregulate de triunghiuri (TIN), în care

punctele eşantionului constituie vârfurile unei reţele de triunghiuri oarecare.

Modelul TIN descrie mult mai realist terenul, datorită posibilităţii de

reprezentate a trăsăturilor abrupte (văi adânci, creste montane, vârfuri izolate,

depresiuni), posibilităţii de variaţie a densităţii punctelor de eşantionare în

conformitate cu gradul de complexitate al reliefului, fapt ce determină, mai

departe, minimizarea redundanţelor de informaţie. Principalul dezavantaj în

constituie complexitatea operaţiilor matematice implicate în construirea

modelului.

Pentru a obţine Modelul Numeric Altimetric (MNA), valorile altitudinii

trebuie determinate pentru fiecare punct necunoscut, pe baza valorilor în

punctele cunoscute ale eşantionului. Această operaţiune se realizează prin

aplicarea uneia sau alteia dintre numeroasele metode de interpolare citate în

literatura de specialitate. Cele mai frecvent utilizate dintre acestea au fost

prezentate anterior, de aceea nu vom insista asupra lor.

Alegerea metodei de interpolare este condiţionată, în principal, de

destinaţia MNA. Astfel, metodele globale sunt mai potrivite, spre exemplu,

pentru cuantificarea influenţei reliefului asupra trăsăturilor generale ale climei

unei anumite regiuni, în timp ce metodele locale se pretează mult mai bine la

generarea altitudinilor exacte, a pantelor şi orientării versanţilor, variabile ce ar

Analiză Spaţială 9

putea fi incluse, spre exemplu, într-un model privind potenţialul agricol al unei

regiuni sau stabilitatea pantelor deluviale.

Pe baza MNA pot fi derivate o gamă largă de informaţii, în special de

natură geomorfologică şi hidrologică:

Panta şi orientarea versanţilor;

Densitatea şi adâncimea fragmentării reliefului;

Convexitatea sau concavitatea versanţilor;

Curba hipsometrică;

Calcule de lungimi, suprafeţe şi volume;

Analiza vizibilităţii, cu obţinerea imaginilor panoramice;

Calcule de însorire – umbrire;

Densitatea reţelei de drenaj;

Indici hidro – geomorfologici

Derivarea pantei şi aspectului

Există numeroase produse ale MNA, dependente de mărimea specificată a

pixelului la timpul creării modelului. Trebuie reţinut faptul că un MNA poate fi

generat folosind orice valoare Z ataşată unei baze OXY. Ca atare, panta trebuie

să fie imaginată ca o rată de variaţie şi aspectul ca direcţia acelei rate de

variaţie (direcţia de pantă maximă).

Vederi ortogonale/perspective

Prin specificarea poziţiei unui observator, a unei poziţii ţintă şi a unui

unghi de observare, un utilizator poate crea o reprezentare 3D. O vedere

perspectivă reprezintă liniile orizontale ce converg la o anumită distanţă (la

orizont), pe când liniile într-o vedere ortografică (ortogonală) nu converg. Scara

pe axa Z poate fi exagerată. Poate fi ales şi numărul de linii ale suprafeţei pe

direcţiile X şi Y.

Analiză Spaţială 10

Triangularizare şi vedere 3D

Suprapunere

Această procedură implică plasarea unei reprezentări sau a unui strat

vectorial, ca cel al drumurilor, cel al râurilor sau al limitelor vegetaţiei, peste o

vedere perspectivă. Suprapunerea e simplă şi nu este o unire a straturilor. Nu

sunt făcute operaţiuni matematice cu valorile Z ale celor două sau mai multe

straturi.

Tabele de praguri (clasificare)

Suprafeţele care au valorile Z continui, de exemplu un MDA, pot fi afişate

tematic prin folosirea unui tabel de conversie, care transformă valorile Z în

diferite clase discrete. Numărul de clase şi definiţiile claselor sunt date de

utilizator şi fiecărei clase i se asignează un cod de culoare şi o etichetă

(denumire). La afişarea imaginii este afişată şi o legendă.

Filtrarea suprafeţei

Multe acoperiri derivate din suprafaţă conţin zone cu "zgomot"; acestea

sunt zone unde valorile pixelilor vecini fluctuează, rezultând un aspect straniu.

Analiză Spaţială 11

Un exemplu de asemenea situaţie este aspectul generat în terenul ondulat. Poate

fi aplicat un filtru 3x3 sau 5x5 acoperirilor tematice, pentru a reduce numărul

salturilor valorilor pixelilor vecini şi a produce zone mai omogene. Utilizatorul

are controlul asupra numărului de valori consecutive ale pixelilor care sunt

determinaţi a nu fi zgomot.

Modelarea suprafeţei

Uneori trebuie să se realizeze o nouă suprafaţă Z, care să fie o funcţie

matematică de valorile Z ale altor suprafeţe cu acelaşi domeniu de definiţie.

Metode de clasificare

Clasificarea este esenţială pentru înţelegerea de către om a obiectelor şi

fenomenelor lumii înconjurătoare. Creierul uman este limitat în ceea ce priveşte

numărul de clase cu care poate opera. Şapte clase plus sau minus două pe un

nivel într-o ierarhie par a fi confortabile. Clasificările binare (fals/adevărat,

cuplat/decuplat sau 0/1) sunt cele mai simple şi familiare calculatorului, dar mai

mult de 10 niveluri de clase sunt greu de acceptat.