Introduction to Spatial Analysis Տարածական վերլուծությունների ներածություն
Reading time
Content
GIS Terms
Geographic information system (GIS) is a computer-based system to analyse and present spatial data.
Spatial data refers to data which cover more than one spatial dimension (2D, 3D, …).
Geographic data (shortly geodata) are data representing features or phenomena related to the Earth.
Analysis is the process of breaking a complex topic into smaller parts in order to gain a better understanding of it.
Spatial Analysis is the quantitative analysis of phenomena, considering the geometric, geographical or topological properties of their elements.
ԱՏՀ Տերմիններ
ԱՏՀ-ն (Աշխարհագրական տեղեկատվական համակարգ) համակարգ է՝ տարածական տվյալների վերլուծության և ներկայացման համար։
Տարածական տվյալներ․ տվյալներ են, որոնք ընդգրկում են մեկից ավելի տարածական չափումներ (2D, 3D և այլն)։
Աշխարհագրական տվյալներ. (հակիրճ՝ գեոտվյալներ) տվյալներ են, որոնք ներկայացնում են Երկրի հետ կապված օբյեկտներ կամ երևույթներ։
Վերլուծությունը բարդ թեմաները մանրամասների բաժանելու գործընթաց է՝ դրա վերաբերյալ ավելի լավ պատկերացում ստանալու համար։
Տարածական վերլուծությունը քանակական վերլուծություն է, որը հաշվի է առնում երևույթների տարողաչափական, աշխարհագրական կամ տոպոլոգիական հատկությունները։
Տարածական վերլուծություն՝ համառոտ
Տարածական վերլուծությունը ԱՏՀ-ի (Ավտոմատացված Տարածական Համակարգ) բաղադրիչ է, որը թույլ է տալիս օգտվողներին ուսումնասիրել տարածական փոխադարձ կապերը, օրինաչափությունները և միտումները աշխարհագրական տվյալներում։ Վերլուծության արդյունքում առաջանում են նոր տվյալներ, որոնք կարող են լինել նոր շերտեր, աղյուսակներ կամ պարզ արժեքներ։ Վերլուծության արդյունքը կարող է արտահայտել նույն փոփոխականը, ինչ սկզբնական տվյալներում (օրինակ՝ միջին արժեքի հաշվարկը), կամ տարբեր մեկը (օրինակ՝ երբ թեքության շերտ ենք հաշվարկում բարձրության շերտից)։
Տարածական վերլուծությունը կարող է պատասխանել այնպիսի հարցերի, ինչպիսիք են․
- «Որտե՞ղ պետք է կառուցել նոր պահեստ՝ առաքման ժամանակը նվազագույնի հասցնելուհամար»։
• «Ո՞ր գյուղատնտեսական հողերն են գտնվում ջրհեղեղի վտանգի տակ գտնվող գոտիներում»։
• «Ինչպե՞ս է քաղաքային տարածքի ընդլայնումը տեղի ունեցել վերջին տասնամյակում»։
• «Ո՞րն է ամենակարճ երթուղին շտապօգնության մեքենաների համար վթարի վայր հասնելու համար»։
Տարածական վերլուծության տարածված մեթոդները ներառում են բուֆերային վերլուծություն, վերդրման (overlay) վերլուծություն, տարածական ինտերպոլյացիա, ցանցային վերլուծություն և տարածական խմբավորում։ Յուրաքանչյուր մեթոդ ծառայում է որոշակի նպատակի և կիրառվում է տարբեր ոլորտներում՝ իրական խնդիրների լուծման համար։
Օրինակ՝ բուֆերային վերլուծությունը օգտագործվում է գեոգրաֆիկ օբյեկտների շուրջ գոտիներ ստեղծելու համար, ինչպես օրինակ՝ գետերի շուրջ 500 մետրանոց բուֆեր՝ ջրհեղեղի վտանգի գոտիները գնահատելու համար։ Քաղաքաշինության մեջ այս մեթոդը օգնում է որոշել հանրային օբյեկտների (օր.՝ դպրոցներ, հիվանդանոցներ) ծածկույթը և բացահայտել ոչ պատշաճ սպասարկվող տարածքները։ Վերդրման վերլուծությունն օգտագործվում է մի քանի շերտեր համադրելու համար՝ նոր պատկերացումներ ստանալու նպատակով, օրինակ՝ արևային ճառագայթման, հողօգտագործման և ենթակառուցվածքներին մոտ լինելու շերտերի համադրմամբ բացահայտել վերականգնվող էներգիայի համար հարմար վայրեր։
Ցանցային վերլուծությունը կենտրոնացած է երթուղիների և լոգիստիկայի վրա, և լայնորեն կիրառվում է տրանսպորտում ու արտակարգ ծառայություններում։ Օրինակ՝ այն օգնում է որոշել շտապօգնության մեքենաների համար հիվանդներին հասնելու ամենակարճ ճանապարհը կամ օպտիմալացնել առաքման երթուղիները։ Տարածական ինտերպոլյացիան օգտակար է բնապահպանական գիտություններում, երբ եղանակային կայաններից ստացված տվյալները ինտերպոլացվում են՝ չմասշտաբավորված տարածքներում ջերմաստիճան կամ տեղումներ կանխատեսելու համար։ Նմանապես, տարածական խմբավորման մեթոդները, ինչպիսին է hotspot վերլուծությունը, կիրառվում են հանրային առողջապահության ոլորտում՝ հայտնաբերելու հիվանդությունների բարձր խտությամբ օջախները և նպատակային միջամտություններ իրականացնելու։
Այս մեթոդների կիրառմամբ տարածական վերլուծությունը հում գեոտարածական տվյալները փոխարկում է կիրառելի պատկերացումների՝ աջակցելով որոշումների կայացմանը բնապահպանական կառավարման, քաղաքային զարգացման, հանրային առողջապահության և աղետների արձագանքման ոլորտներում։
Բուֆերային վերլուծություն
Բուֆերը գոտի է, որը ստեղծվում է որոշակի հեռավորությամբ տեղակայված աշխարհագրական օբյեկտի (կետ, գիծ կամ բազմանկյուն) շուրջ։ Այս գոտին ներկայացնում է տվյալ օբյեկտի ազդեցության կամ մերձակա տարածքը։ Բուֆերային վերլուծությունը լայնորեն կիրառվում է ԱՏՀ-ում մոտակայության վերլուծության համար և հանդիսանում է տարածական վերլուծության հիմքային գործիք։ Այն բազմակողմանի է և ծառայում է որպես հիմք բազմաթիվ տարածական հարցումների և որոշումների կայացման գործընթացների համար բնապահպանական գիտություններում, քաղաքաշինության մեջ, հանրային անվտանգությունում և այլ ոլորտներում։
Վեկտորային օբյեկտի բուֆերի ստեղծման սկզբունքը։ Կապույտով ներկայացված է սկզբնական (բազմանկյուն) գիծը, մոխրագույնով՝ առանձին հատվածների բուֆերները, իսկ կարմիրով՝ ամբողջ գծի վերջնական բուֆերային տարածքը։ Աղբյուր՝ Bplewe / CC BY-SA 4.0
Ինչպես է այն գործում․
- Մուտքային օբյեկտներ․ Բուֆերներ կարող են ստեղծվել կետերի շուրջ (օր․՝ դպրոց), գծերի շուրջ (օր․՝ ճանապարհ) կամ բազմանկյունների շուրջ (օր․՝ լիճ)։
- Բուֆերի հեռավորություն․ Օգտատերը սահմանում է օբյեկտից հեռավորությունը՝ որոշելու համար բուֆերային գոտու տարածական չափը։ Այս հեռավորությունը կարող է լինել միատեսակ (օր․՝ բոլոր օբյեկտների համար 1 կմ բուֆեր) կամ փոփոխվող՝ ըստ օբյեկտի որևէ հատկանիշի (օր․՝ աղտոտման տարածում՝ կախված գործարանի չափից)։
- Բուֆերի ձևը․ Կետերի շուրջ բուֆերները սովորաբար շրջանաձև են, գծերի երկայնքով՝ երկարացված, իսկ բազմանկյունների համար՝ կրկնող են դրանց սահմաններին։ ԱՏՀ-ի առաջադեմ գործիքները նաև հնարավորություն են տալիս ստեղծել միաձուլված բուֆերներ (երբ ծածկվող բուֆերները միավորվում են) կամ բազմաօղակ բուֆերներ՝ տարբեր հեռավորություններով մի քանի գոտիներով։
Ելքային արդյունք․ Արդյունքում ստացվում է նոր բազմանկյուն շերտ, որը ներկայացնում է բուֆերային գոտին(երը)։ Այն կարող է համադրվել այլ տվյալների շերտերի հետ՝ հետագա վերլուծության համար։
Բուֆերային գոտու ստեղծում տարբեր տեսակի վեկտորային օբյեկտների շուրջ։ Ձախից աջ՝ կետային օբյեկտներ, գծային օբյեկտներ և բազմանկյուն օբյեկտներ։ Եթե ստացված բուֆերային գոտիները միաձուլվում են, ապա այն հատվածներում, որտեղ առանձին բուֆերային գոտիները պիտի իրար վրա ընկնեն, կստեղծվի միայն մեկ բազմանկյուն (ներքևի շարք)։ Աղբյուր՝ ArcGIS Resource Center
Բուֆերային վերլուծության օրինակներ․
- Բնապահպանական կառավարում՝
- Կիրառական դեպք․ Հեղեղի վտանգի ենթակա տարածքների բացահայտում՝ գետերի շուրջ բուֆեր ստեղծելով։
- Աշխատանքային քայլեր․ Գետերի շուրջ ստեղծվում է 500 մետր բուֆեր, որն ապա-ներդրվող կերպով համադրվում է հողօգտագործման տվյալների հետ՝ ընդգծելու համար կարևոր գոտիները, ինչպես օրինակ՝ բնակելի տարածքները կամ գյուղատնտեսական հողերը։
- Քաղաքաշինություն՝
- Կիրառական դեպք․ Հանրային ծառայությունների հասանելիության վերլուծություն՝ օրինակ՝ համոզվելու համար, որ դպրոցները հասանելի են քայլելու հեռավորության վրա։
- Աշխատանքային քայլեր․ Դպրոցների շուրջ ստեղծվում է 1 կմ բուֆեր, որը համադրվում է բնակչության խտության տվյալների հետ՝ բացահայտելու անբավարար սպասարկվող թաղամասերը։
- Տրանսպորտ և անվտանգություն՝
- Կիրառական դեպք․ Ճանապարհաշինության ազդեցության գնահատում մոտակա կենսավայրերի վրա։
- Աշխատանքային քայլեր․ Առաջարկվող ճանապարհների ուղղությամբ ստեղծվում են տարբեր լայնության բուֆերներ՝ բացահայտելու այն գոտիները, որտեղ շինարարությունը կարող է խախտել վայրի բնության կամ զգայուն էկոհամակարգերի հավասարակշռությունը։
- Հանրային առողջապահություն՝
- Կիրառական դեպք․ Արդյունաբերական օբյեկտներից աղտոտիչների տարածման գնահատում։
- Աշխատանքային քայլեր․ Ֆաբրիկաների շուրջ ստեղծվում է (օր.՝ 2 կմ) բուֆերային գոտի, ապա բնակչության տվյալները վերլուծվում են՝ վտանգի ենթակա համայնքները պարզելու նպատակով։
- Արտակարգ իրավիճակների ծառայություններ՝
- Կիրառական դեպք․ Հրշեջ կայանների տեղակայման օպտիմալացում՝ ապահովելու համար արձագանքման սահմանված ժամանակում հասանելիությունը։
Multi-ring buffer around selected rivers. Rings are created at distances of 150, 300 and 450 metres. The result polygons are dissolved. Source: Ticald622 / CC BY-SA 3.0
Հիմնական նկատառումներ՝
- Իրական աշխարհին համապատասխան ճշգրտություն․ Բուֆերի հեռավորությունը պետք է արտացոլի իրական աշխարհի սցենարները, ինչպես օրինակ՝ աղտոտիչների իրական տարածումը կամ քայլելու իրական հեռավորությունները։
- Մաշտաբ և միավորներ․ Քարտեզի միավորներում (մետր, կիլոմետր և այլն) պետք է ապահովել համարժեքություն՝ սխալներից խուսափելու համար։
- Սահմանային ազդեցություններ․ Քարտեզի եզրին գտնվող բուֆերները կարող են ստեղծել թերի գոտիներ, եթե դրանք չուղղվեն։
Վերդրման վերլուծություններ (Overlay Analysis)
Վարդրման վերլուծությունները ԱՏՀ-ի հիմնական տեխնիկա է, որը կիրառվում է երկու կամ ավելի տարածական տվյալների համադրության համար՝ ստեղծելու նոր շերտ, որը ցույց է տալիս այդ շերտերի միջև կապերը կամ օրինաչափությունները։ Տարածական շերտերի համադրումով (օրինակ՝ հողօգտագործում, բարձրություն, հողերի տեսակներ) ներդրային վերլուծությունը օգնում է պատասխանելու բարդ տարածական հարցերին և նպաստում է որոշումների կայացմանը տարբեր ոլորտներում։ Վերդրման վերլուծությունն իրականացվում է թե՛ վեկտորային, թե՛ ռաստերային տվյալներով։ Ռաստերային տվյալների դեպքում կիրառվում են քարտեզագրական ալգեբրայի գործողություններ։
Գործընթացը ներառում է․
- Մուտքային տվյալներ․ Անհրաժեշտ են մի քանի տարածական տվյալներ՝ հիմնականում որպես վեկտորային կամ ռաստերային շերտեր։
- Կապակցում և պրոյեկցիա․ Պետք է ապահովել, որ բոլոր շերտերն ունենան նույն տարածական հղման համակարգն ու ճշգրիտ տեղակապում։
- Վերդրման գործողություն․ Շերտերը համադրվում են մաթեմատիկական, տրամաբանական կամ տարածական գործողությունների միջոցով՝ նոր տվյալների ստեղծման նպատակով։ Արդյունքում ստացվում է շերտ, որը պահպանում է մուտքային շերտերի հատկություններն ու երկրաչափությունը՝ բացահայտելով համընկնումները։
- Վերլուծություն․ Ստացված շերտը ենթարկվում է վերլուծության՝ օրինաչափությունների բացահայտման կամ որոշումների կայացման նպատակով։
Վեկտորային ներդրային վերլուծության տեսակները․
- Միավորում (Union)․ Համադրում է բոլոր մուտքային օբյեկտները՝ պահպանում է բոլոր հատկություններն ու երկրաչափությունները երկու տվյալներից։
- Օրինակ․ Վերլուծություն, թե ինչպես են հողօգտագործման օրինաչափությունները համընկնում վարչական սահմանների հետ։
- Հատում (Intersect)․ Պահպանում է միայն այն գոտիները, որոնք համընկնում են մուտքային տվյալների միջև՝ միաժամանակ միավորելով համընկնող հատկանիշները։
- Օրինակ․ Բացահայտում գյուղատնտեսության համար հարմար գոտիները՝ հատելով բեղմնավոր հողերի ու բավարար տեղումների շերտերը։
- Ջնջում (Erase). Մեկ շերտի համընկնող մասը հեռացնում է մյուս շերտից։
- Օրինակ․ Զարգացման պոտենցիալ գոտիներից պաշտպանվող տարածքների բացառում։
- Կտրում (Clip). Մեկ շերտը կտրում է՝ համապատասխանեցնելով մեկ այլ շերտի սահմաններին, միաժամանակ պահպանում է կտրած օբյեկտների բնօրինակի հատկանիշները։
Օրինակ․ Քաղաքի սահմաններում ճանապարհների ցանցի առանձնացում՝ ճանապարհային շերտը կտրելով քաղաքային սահմանների շրջանակներում։
Հատման (Intersect) ներդրային վերլուծությունը համադրում է մուտքային երկու շերտերի հատկանիշները՝ ամենափոքր ընդհանուր տարածքների սահմաններում։ Աղբյուր՝ Johnson, Nathan & Maidment, David & Katz, Lynn. (2005). ArcGIS and HSPF model development.
Ռաստերային վերդրումների վերլուծության տեսակներ
- Համադրում է պիքսելների արժեքները մի քանի ռաստերային շերտերից՝ օգտագործելով մաթեմատիկական կամ տրամաբանական գործողություններ (օր.՝ գումարում, հանում կամ բուլյան տրամաբանություն)։
- Օրինակ՝ տեղումների և բարձրության շերտերի գումարումը՝ սողանքներին հակված տարածքներ հայտնաբերելու համար։
- Քաշավորված վերդրումային վերլուծությունը ռաստերային վերլուծության տարածված տեսակ է, որտեղ շերտերին տրվում են քաշեր՝ ըստ վերլուծության նպատակի կարևորության։
- Օրինակ՝ պահպանվող առաջնահերթ տարածքների որոշում՝ կենսաբազմազանության, ջրային աղբյուրների մոտիկության և մարդկային ազդեցության շերտերը համադրելով՝ յուրաքանչյուրը համապատասխան քաշով։
Վերդրման վերլուծությունների օրինակներ՝
- Շրջակա միջավայրի կառավարում․ բարձրության, գետերի հեռավորությունների և տեղումների ինտենսիվության շերտերի համադրում՝ ջրհեղեղի վտանգավոր տարածքների նույնականացման համար։ Սա օգնում է աղետների կանխարգելման և հողօգտագործման պլանավորման հարցերում։
- Քաղաքաշինություն․ նոր զբոսայգու լավագույն տեղը ընտրելու համար համադրվում են բնակչության խտությունը, հողային հասանելիությունը և առկա կանաչ գոտիների մոտիկությունը։
- Հանրային առողջապահություն․ մալարիա տարածող մոծակների վտանգավոր տարածքների քարտեզագրում՝ կանգնած ջրերի, բնակչության խտության և մոծակների բազմանալուն նպաստող ջերմաստիճանի շերտերը համադրելով։
- Ենթակառուցվածքների զարգացում․ մայրուղու պլանավորում՝ հողային սեփականության, հողի տեսակի և պահպանվող տարածքների շերտերը համադրելով՝ բախումները և ազդեցությունները նվազեցնելու համար։
- Վայրի բնության պահպանություն․ պահպանության համար կարևոր կենսաբազմազան տարածքների որոշում՝ տեսակների տարածման, բուսականության տեսակի և մարդկային ակտիվության շերտերը համադրելով։
Բուֆերային և վերդրումային վերլուծության վարժություն՝
Վերլուծվող խնդիր․ աղտոտման ազդեցության գոտիների գնահատում՝ հիմնական ճանապարհների կամ մայրուղիների շուրջ՝ քաղաքաշինական պլանավորման ուղղորդման/նպատակով։
Անհրաժեշտ տվյալներ.
- Վեկտորային տվյալներ՝ ճանապարհային ցանց (գծեր)
- Վեկտորային տվյալներ՝ բնակչության խտություն կամ բնակելի տարածքներ (բազմանկյուններ)
QGIS-ում օգտագործվող գործիքներ.
- Բուֆեր՝ աղմուկի ազդեցության գոտիների ստեղծում ճանապարհների շուրջ։
- Հատում կամ տարածական միացում՝ բնակելի տարածքների նույնականացում աղմկային գոտիների ներսում։
Աշխատանքային ընթացք`
- Բեռնել ճանապարհային ցանցի տվյալները QGIS միջավայրում։
- Օգտագործել բուֆերի գործիքը՝ ճանապարհների շուրջ բուֆերային գոտիներ ստեղծելու համար (օր.՝ 100 մետր՝ մեծ երթևեկություն ունեցող ճանապարհների համար)։
- Համադրել բուֆերային շերտը բնակելի տարածքների բազմանկյունների հետ՝ օգտագործելով Հատման (Intersection) գործիքը։
- Տեսողականորեն վերլուծել արդյունքները՝ աղմուկի ազդեցությանը ենթարկվող բնակչության քանակը գնահատելու նպատակով։