1
Geoinformatyka
Ćwiczenie 13
Wprowadzenie do analizy przestrzennej
Katarzyna Ostapowicz, Jacek Kozak
kostapowicz@gis.geo.uj.edu.pl
;
jkozak@gis.geo.uj.edu.pl
Zakład Systemów Informacji Geograficznej, Kartografii i Teledetekcji
Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej UJ
Kraków 2016
2
Cel
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi metodami analizy przestrzennej.
W ćwiczeniu wykorzystane zostaną podstawowe funkcje z zakresu algebry map.
Słowa kluczowe
algebra map, reklasyfikacja, funkcje lokalne, funkcje lokalnego sąsiedztwa, funkcje
zonalne (strefowe), funkcje globalne
Dane
Część 1:
SRTM DEM (źródło
http://srtm.usgs.gov/
): warstwa srtm.img
baza danych CORINE Land Cover dla roku 2000
1
: warstwa uzytki.img
granice gmin: warstwa Malopolska
Oprogramowanie
ArcGIS 10.1
z rozszerzeniem
Spatial Analyst
Tok postępowania
W pierwszej części ćwiczeń przeprowadzimy elementarne analizy danych wektorowych
w połączeniu z danymi rastrowymi. Tematem pierwszej części ćwiczenia będzie
klasyfikacja gmin w Małopolsce pod kątem warunków przyrodniczych dla rolnictwa.
W drugiej części wyszukamy obszary przyrodniczo cenne w gminach, zdefiniowane
w określony sposób.
ZADANIE 1: KLASYFIKACJA GMIN POD KĄTEM WARUNKÓW
PRZYRODNICZYCH DLA ROLNICTWA
W klasyfikacji gmin pod kątem warunków przyrodniczych dla rolnictwa weźmiemy pod
uwagę dwie cechy związane z ukształtowaniem powierzchni – wysokość bezwzględną
oraz nachylenie. Dla każdej gminy będziemy starali się określić udział obszarów
położonych powyżej wysokości 350 m n.p.m. i równocześnie położonych na stokach
o nachyleniu przekraczającym 6°. Zidentyfikujemy gminy, w których takie obszary mają
największy udział – a więc gminy o warunkach niekorzystnych dla rolnictwa.
Podobny sposób postępowania przyjęty jest przy wyznaczaniu tzw. obszarów
o niekorzystnych warunkach, ONW (ang. Less Favourable Areas, LFA), które mogą
otrzymywać np. dodatkowe subwencje na działalność rolniczą.
PRZEKSZTAŁCENIA MODELU WYSOKOŚCI
1.
Utwórz projekt, na przykład o nazwie „Małopolska”. Dodaj do niego następujące
warstwy skopiowane do katalogu lokalnego: srtm.img oraz Malopolska.shp.
Zapoznaj się z charakterystyką obu warstw.
1
W bazie danych CORINE Land Cover (CLC) znajdują się mapy wektorowe pokrycia terenu i użytkowania ziemi,
wykonane na podstawie interpretacji wizualnej zdjęć satelitarnych. Wyróżniane, w procesie tworzenia bazy
danych powierzchnie o jednorodnym pokryciu terenu i użytkowaniu ziemi przypisywano do jednej z 44 klas
(załącznik 1) zgrupowanych w trójstopniowym systemie hierarchicznym. Utworzone mapy odpowiadają
dokładnością i szczegółowością mapie w skali 1:100 000 (minimalna jednostka kartowania wynosi 25 ha) i
zostały do tej pory wykonane dla trzech momentów czasowych, przełomu lat osiemdziesiątych i
dziewięćdziesiątych XX wieku (CLC1990), przełomu XX i XXI wieku (na podstawie zdjęć satelitarnych Landsat i
SPOT) oraz roku 2006 (na podstawie zdjęć satelitarnych SPOT i IRS).
3
?
Zastanów się czy nie powinieneś przeprowadzić transformacji systemów odniesień
przestrzennych, w których zapisane są warstwy tak aby wszystkie warstwy w projekcie
„Małopolska” posiadały ten sam układ współrzędnych np. układ 92.
2.
Ustaw katalog roboczy (wskaż katalog, gdzie skopiowane są dane). Wykorzystaj
opcję
Environments Settings
(pola
Workspace)
dostępną w menu
Geoprocessing
.
Warstwa srtm jest przedstawiona za pomocą modelu rastrowego. Pochodzi z globalnego
modelu wysokości SRTM. Warstwa Malopolska jest warstwą wektorową (granice gmin).
3.
Wykonaj mapę nachyleń na podstawie warstwy srtm. Wykorzystaj narzędzie:
Spatial Analyst Tools / Surface / Slope
srtm.img wprowadź jako
Input raster
, nową mapę (
Output raster
) nazwij
nachylenia. Mapę wykonaj w stopniach (
DEGREE
).
Dokonamy teraz reklasyfikacji modelu wysokości oraz otrzymanej mapy nachyleń. Można
w tym celu skorzystać np. z narzędzia reklasyfikacji, które omówimy dalej (
Spatial
Analyst Tools > Reclass > Reclassify
), jednak w tej części ćwiczenia
dokonamy tego za pomocą operatorów algebry map.
4.
Otwórz narzędzie:
Spatial Analyst Tools / Map Algebra / Raster Calculator
W puste pole wprowadź polecenie "srtm.img" > 350, po czym wciśnij
OK
. Mapę
wynikową (
Output raster
) nazwij warunek1.
Utworzona mapa ma wartość zero, tam gdzie warunek srtm > 350 nie jest spełniony,
natomiast wartość 1 pojawia się tam, gdzie sformułowany warunek jest spełniony
(warunek ten można zinterpretować jako „wartość na mapie srtm.img większa od 350).
Skontroluj poprawność mapy, na przykład Kraków położony jest poniżej 350 m, a więc
powinien znajdować się na obszarze oznaczonym wartością 0.
5.
W analogiczny sposób (ale z wartością progową równą 6) należy przekształcić mapę
nachyleń. Utworzoną mapę nazwij warunek2.
MNOŻENIE MAP
Aby znaleźć obszary równocześnie położone powyżej 350 m n.p.m. oraz na stokach
o nachyleniu przekraczającym 6 stopni, musimy sprawdzić, w których miejscach
(pikselach mapy rastrowej) wartość 1 występuje równocześnie na mapie warunek1 oraz
warunek2.
Należy więc połączyć przetworzone mapy nachyleń i wysokości (warunek1 i warunek2,
patrz punkty 4 i 5). Połączenia map dokonamy ponownie za pomocą narzędzia algebry
map.
6.
Otwórz narzędzie
Spatial Analyst Tools / Map Algebra / Raster Calculator
Wprowadź polecenie warunek1 * warunek2. Iloczyn dwóch map zachowuje wartość
1 tylko tam, gdzie na obu mapach wejściowych była wartość 1. Pozostałe obszary
otrzymają wartość 0. Operacja ta odpowiada logicznej koniunkcji. Mapę wynikową nazwij
wynik
4
Operacja mnożenia map jest operacją lokalną (local). Wartość wynikowa w pikselu mapy
zależy wyłącznie od wartości wejściowych w pikselach map wejściowych o tych samych
współrzędnych.
Wykonane zadanie może oczywiście zostać odpowiednio skomplikowane – na przykład
przez dodanie innych czynników, warunkujących przydatność. Dla potrzeb mapy
końcowej mogą być także wzięte pod uwagę inne niż udziały procentowe wskaźniki, na
przykład średnie wysokości i średnie nachylenia.
Teraz zajmiemy się tym, jak informacje z mapy wynik przenieść do warstwy zawierającej
gminy.
DODAWANIE ATRYBUTÓW DO TABELI: OPERACJE ZONALNE
7.
Otwórz narzędzie
Spatial Analyst Tools / Zonal / Zonal Statistics as Table
Jako
Input raster or feature zone data
wprowadź Malopolska, jako
Zone
field
wybierz kolumnę GUS_ID, a jako
Input value raster
: wynik. Utwórz
tabelę (
Output table
) udzialy. Tabela ta pojawia w tabeli zawartości projektu – pod
zakładką
List by source
.
8.
Dokładnie zapoznaj się z tabelą udzialy. Która wartość może przedstawiać
procentowy udział obszarów położonych powyżej 350 m i na stokach o nachyleniu
powyżej 6 stopni ?
Operacje zonalne (zonal) pozwalają na analizowanie dla obiektów dyskretnych (np.
jednostek administracyjnych) wartości przedstawionych na innej mapie rastrowej,
najczęściej prezentującej wartości ciągłe, ilościowe. W przypadku, gdy wejściową mapą
(z obiektami) jest mapa wektorowa, w czasie analizy algorytm decyduje, które piksele
analizowanej mapy rastrowej należą, a które nie, do danego obiektu.
W wyniku przeprowadzonych operacji zonalnych powstała tabela, w której dla każdej
gminy (numer zgodny z identyfiktorem GUS_ID) uzyskane zostały pewne parametry
opisujące mapę wynik.
Pytania
W której kolumnie tabeli udzialy zapisany jest identyfikator gminy ?
W której kolumnie tabeli udzialy zapisany jest udział obszarów oznaczonych wartością
1 na mapie wynik ?
ŁĄCZENIE TABEL
9.
Otwórz tabelę atrybutów warstwy Malopolska.
10.
Za pomocą operacji „
Join
” dołącz do tabeli atrybutów warstwy Maloposka
utworzoną tabelę udzialy. Dla warstwy Malopolska wybierz identyfikator
„GUS_ID”, dla tabel dołączanych – „GUS_ID”.
11.
Za pomocą znanych Ci narzędzi znajdź gminy, w których udział ten przekracza 30%
12.
Spróbuj nieco inaczej wykonać to zadanie: znajdź 10 gmin w Małopolsce
o największym średnim nachyleniu stoków
5
WIZUALIZACJA WYNIKÓW
13.
Uzyskany w pkt. 12 wynik przedstaw
na mapie przygotowanej z wykorzystaniem opcji
dostępnych w aplikacji ArcMap po uaktywnieniu opcji
Layout View
oraz m.in.
w zakładce
Symbology
we właściwościach (
Properties
) każdej z warstw.
?
Zastanów się jakie elementy oprócz skali mapy i legendy powinny lub mogą zostać
dodane do przygotowywanej przez Ciebie ryciny.
ZADANIE 2: OBSZARY PRZYRODNICZO CENNE
W drugiej części ćwiczeń dalej kontynuujemy analizy danych rastrowych i spróbujemy
znaleźć na badanym lasy iglaste, położone na stokach o ekspozycji południowej.
Załóżmy, że są to obszary cenne przyrodniczo (np. siedlisko rzadkich roślin lub zwierząt).
Następnie znajdziemy gminy, w których jest najwięcej tego typu obszarów.
PRZEKSZTAŁCENIA MODELU WYSOKOŚCI
14.
Utwórz projekt o dowolnej nazwie np. „Obszary”. Dodaj do niego następujące
warstwy: uzytki.img, srtm.img oraz Malopolska. Zapoznaj się z charakterystyką
warstw uzytki i srtm.
Warstwa uzytki jest przedstawiona za pomocą modelu rastrowego. Jest przetworzeniem
wektorowej europejskiej mapy użytkowania ziemi CORINE Land Cover 2000.
15.
Wykonaj mapę ekspozycji na podstawie warstwy srtm. Wykorzystaj narzędzie
Spatial Analyst Tools / Surface / Aspect
Nową mapę nazwij ekspozycja.
Dokonamy teraz reklasyfikacji mapy ekspozycji, tak aby otrzymać mapę zerojedynkową,
w której 1 oznacza ekspozycje południowe, a 0 – wszystkie pozostałe. W tym celu należy
zapoznać się z legendą mapy i rozstrzygnąć, w jaki sposób kodowane są ekspozycje. Do
reklasyfikacji można użyć operatorów algebry map. Na przykład, wykonanie wyrażenia
ekspozycja >= 45 and ekspozycja < 135 spowoduje utworzenie nowej mapy, na
której stoki o wystawie wschodniej (45º – 135º) będą zakodowane wartością 1,
a wszystkie pozostałe – wartością 0. My użyjemy tym razem opcji
Reclassify
.
16.
Otwórz narzędzie
Spatial Analyst Tools > Reclass > Reclassify
.
W puste pole wprowadź odpowiednie polecenia. Mapę wynikową nazwij stoki_pd.
stare wartości (old value)
nowe wartości (new value)
135 - 225
1
-1 - 0
0
0 - 135
0
225 - 360
0
6
PRZEKSZTAŁCENIA MAPY UŻYTKOWANIA ZIEMI
Teraz musimy znaleźć (i wyznaczyć) klasę lasów iglastych z mapy użytkowania, tak, aby
były one przedstawione za pomocą wartości 1 (a wszystkie inne klasy – wartością 0).
Możesz to zrobić albo za pomocą algebry map, albo opcji
Reclassify
. Klasy na mapie
uzytki są przedstawione poniżej:
1 – obszary zabudowane, infrastruktura techniczna; 2 – lasy liściaste; 3 – lasy iglaste;
4 – lasy mieszane; 5 – użytki rolne; 6 – semi-naturalnych obszarów użytkowanych
rolniczo; 7 – wody powierzchniowe.
17.
Uruchom
Spatial Analyst Tools / Map algebra / Raster Calculator
lub
narzędzie
Reclassify
i utwórz mapę iglaste skonstruowaną w opisany powyżej sposób.
MNOŻENIE MAP
18.
W podobny sposób, jak w pierwszej części ćwiczenia połącz mapy stoki_pd oraz
iglaste, a następnie przeprowadź operację zonalną oraz łączenie tabel.
W wyszukiwaniu 10 gmin o największym udziale powierzchniowym wyznaczonych
obszarów możesz posłużyć się sortowaniem.
WIZUALIZACJA WYNIKÓW
19.
Uzyskany w pkt. 18 wynik przedstaw
na mapie przygotowanej z wykorzystaniem opcji
dostępnych w aplikacji ArcMap po uaktywnieniu opcji
Layout View
oraz m.in.
w zakładce
Symbology
we właściwościach (
Properties
) każdej z warstw.
?
Zastanów się jakie elementy oprócz skali mapy i legendy powinny lub mogą zostać
dodane do przygotowywanej przez Ciebie ryciny.
NARZĘDZIE MODELBUILDER
Działania wykonane w zadaniach 1 i 2 można zautomatyzować wykorzystując do tego
narzędzie ModelBuilder pozwalające na tworzenie modeli graficznych w programie ArcGIS
(więcej informacji o narzędziu można znaleźć m.in. w pomocy do programu ArcGIS).
W tej części ćwiczenia skonstruujemy model graficzny, który pozwoli nam w prosty
sposób odpowiedzieć na pytania postawione w zadaniu 2.
20.
Uruchom narzędzie ModelBuilder (ikona lub z menu głównego Geoprocessing /
ModelBuilder)
7
21.
Dodając kolejne elementy (warstwy i operacje) utwórz poniższy model graficzny.
Uwagi do projektowania modelu graficznego
Będziemy chcieli porównać wyniki pochodzące z analizy bez użycia narzędzia Model
Builder z wynikami uzyskanymi z wykorzystaniem tego narzędzi dlatego przed nazwami
nowych warstw generowanych w kolejnych krokach postępowania dodaj przedrostek
„m_”.
Nową warstwę (raster lub wektor) lub tabelę [niebieski element modelu na rycinie]
możesz dodać korzystając z opcji
Add data
dostępnej miedzy innymi przez ikonę
w głównym pasku narzedzi lub pod prawym przyciskiem [
Add data or Tool …
] lub
z głównego menu
Insert \ Add data or Tool …
Nową operacje możesz dodać „przeciągając” nazwę operacji z listy dostępnej
w aplikacji
ArcToolbox
na obszar okna
ModelBuilder
(podobnie możesz
„przeciągnąć” operacje znalezioną przez aplikację
Search
) [żółty element modelu na
rycinie]. Aby wprowadzić szczegóły dotyczące danej operacji należy kliknąć dwa razy na
wybrany żółty prostokąt w ten sposób otworzysz okno danej funkcji.
Dodając nową operacje automatycznie dodawany jest nowy element [zielony] będący
warstwą lub tabelą wyjściową.
Gotowy model graficzny możesz zapisać korzystając z opcji
Model / Save as
przy
czym należy pamiętać, że model można zapisać tylko w
Toolbox.tbx
, który możesz
utworzyć w oknie
Save
klikając na ikonę
New Toolbox
.
Nowy model uruchomisz korzystając z opcji
Model / Run
lub ikony
.
22.
Sprawdź, np. korzystając z metody krzyżowania map (narzędzie Combine – można
je wywołać np. korzystając z aplikacji Search) oraz operacji selekcji czy wyniki
z pkt. 18 zgadzają się z wynikami uzyskanymi w punkcie 21.
Literatura
Longley i in., 2006, GIS Teoria i praktyka, PWN