Расчетная работа на тему Анализ геоинформационных данных и цифровое моделирование с использованием ГИC технологий

Всутп 3

1. Оцифровка карты с помощью программного продукта

ArcGis 4

1.1 Экспорт данных из среды ArcGis в программный

gродукт Surfer 5

2. Интерполяция в программном продукте Surfer 6

3. сплайнов згладжевання 12

3.1 Фильтрация данных 14

4. Применение сетевых исчислений 16

5. Построение графика профиля в программном продукте Surfer 20

6. Определение объемов 23

выводы 26

Список использованной литературы 27

ВВЕДЕНИЕ

Аналитические возможности современных инструментальных ГИС разнообразны.

В состав блока анализа пакетов с так называемыми развитыми аналитическими возможностями входит несколько десятков различных аналитических процедур, которые в совокупности составляют мощный арсенал пространственно-временного анализа и моделирования. В то же время следует отметить, что набор аналитических процедур, реализованных в различных ГИС-пакетах, достаточно близкий по составу. Это дает возможность рассмотреть методы ГИС-анализа, который является основой аналитического потенциала технологии географических информационных систем, а не привязывая к особенностям конкретных ГИС-пакетов.

Поэтому в данной работе будет показано возможности программного продукта «Surfer 10.7.972 Portable» в обработке картографического материала и оцифровки растрового изображения с помощью ArcGis версии 9.3.

Surfer — система создания трехмерных карт, моделирования и анализа поверхностей, визуализации ландшафта, генерирования сетки и многое другое. Продукт позволяет создавать 3D карты с учетом освещенности и теней, использовать изображения местности в различных форматах, экспортировать созданные карты в различные графические форматы и печатать в цвете размером до 50 м по диагонали. Мощные интерполяционные функции позволяют создавать точные поверхности высокого качества.

ArcGis — программа, которая позволяет визуализировать (представить в виде цифровой карты) большие объемы статистической информации, имеющей географическую привязку. В среде создаются и редактируются различные карты различного назначения.

1. Оцифровка КАРТЫ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ARCGIS

Для того, чтобы оцифровать карту, прежде всего необходимо в базу данных импортировать из среды ArcGis необходим раст карты. Для этого мы открываем ArcCatalog и импортируем необходим растр (Рис.1.1), задаем систему координат проекции и географическую систему координат.

Рис.1.1 Выходной растр

После того, как мы орималы растр карты, необходимо стовориты персональную базу геоданных в которой создаем «класс пространственных обьектов» (Рис.1.2), для которой присваиваем такую ​​же систему кординат.

Рис.1.2 Создание слоев

После того, как создали необходимые слои с помощью пиктограммы добавляем их к ArcMap. На панели редактирования выбираем функцию «Редактор — Начать редактирование» и редактируем.

Далее с помощью скетч проводим линии по горизонталям растра, вкозуючы в таблице атрибутов их высоты. В результате чего получим векторизовани линейные объекты (Рис.1.3).

Рис.1.3 Векторизовани горизонтали

1.1 ЭКСПОРТ ДАННЫХ С СРЕДЫ ARCGIS В ПРОГРАММА SURFER

Для того, чтобы экспортировать данные в программный продук Surfer необходимо выполнить следующие действия:

1. Используя видвекторизовани объекты с определенными высотами создаем TIN модель в ArcMap в приложении 3D Analyst нажав «Создать TIN из объектов»;

2. Конвертируем TIN в растр с помощью пункта «Конвертирувать — TIN в растр …», в результате чего получим GRID поверхность;

3. Следующим этапом является разбиение растра в точки. Для этого нужно использовать додоткови инструменты ArcToolbox, из списка инструментов выбираем «Конвертация — Из растра — Растр в точки», где указываем полученную ранее GRID поверхность. После выполнения этих операций получим новый слой с набором точек с известном высотами;

4. Для получения координат точек видкривиемо таблицу атрибутов полученного слоя, где создаем два новых поля для координат Х, У для этого в таблице атрибутов нажимаем «Опции — Добавить поле», указываем название и тип нового поля. Чтобы получить координаты точек выполняем следующую операцию, выделяем нужное поле и нажимаем правую кнопку мыши и выбираем «Вычислить геометрию». В результате получим координоты всех точек;

5. Остин этап это конвертация данных в формат .dbf. В ArcToolbox выбираем «Конвертация — В dBASE — Таблица в dBASE (несколько)».

После выполнения этих действий данные с ArcGis можно обрабатывать в программном продукте Surfer.

2. ИНТЕРПОЛЯЦИЯ в программных продуктах SURFER

Как следует из характеристики методов пространственной интерполяции, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, которые должны быть учтены при выборе того или иного метода при решении конкретных задач. Но выбор метода интерполяции имеющихся данных зависит от количества исходных точек данных и равномерности их распределения в области интерполяции. Существуют рекомендации по выбору лучшего метода интерполяции.

Набор, содержащий около десяти точек, позволит определить не более общие закономерности распределения исследуемого параметра. В этом случае рекомендуются методы кригинг и радиальных базисных функций. Последние относятся к нейросетевого моделирования, которое только начинает застосувуватися в пространственной интерполяции в среде ГИС. Для построения трендовых поверхностей можно использовать полиномиальное регрессию.

При наборе менее 250 точек рекомендуется кригинг линейной вариограмною моделью.

Набор из 250-1000 точек с оптимальной скоростью обрабатывают триангуляция с линейной интерполяции, кригинг и радиальные базисные функции.

Когда набор насчитывает более 1000 точек, быстрая оценка данных может быть проведена с использованием методов минимальной кривизны и триангуляции линейной интерполяции.

В данной работе нужно было выполнено интерполяции следующими методами:

Рис.2.1 Метод Кригинга (Kriging)

Рис.2.2 Метод радиальных базисных функций (Radial Basis Functions)

Рис.2.3 Метод триангуляции линейной интерполяции (Triangulation with Linear Interpolation)

Рис.2.4. Метод построения сетевого функции (Inverse Distance to a Pover)

Рис.2.5 Метод минимальной кривизны (Minimam Curvature)

Рис.2.6 Метод полиноминальной регрессии (Polynominal Regression)

Рис.2.7 Метод Шепорда (Modified Shepard’s Method)

Рис.2.8 Метод естественного соседства (Naturest Neighbor)

Рис.2.9 Метод ближайшего соседства (Nearesr Neighbor).

Сравнив различные методы интерполяции можно сделать вывод, что для отображения заданного рельефа лучше всего подходят методы — ближайшего соседства, минимальной кривизны и триангуляции линейной интерполяции.

Особенностью созданного сетевого файла является то, что территория значительно покрыта точками с известными координатами и поэтому перечисленные выше методы являются лучшими.

А методы Шепорда, Кригинга, природного соседства являются неэффективными.

3. Сплайновое СГЛАЖИВАНИЕ

Сглаживания происходит с сеточными файлами, чтобы сгладить углы на линиях контуров и многогранные блоки на графиках поверхностей, а также удалить » шумы » или » колебания » выходного сетевого файла. В Surfer используем пункт меню Grid / Splain Smooth.

Для сглаживания используют сплайны и возможность вычисления новых узлов сети.

Сплайн — это интероляция кубическими полиномами с одинаковыми наклонностями на смежных концах.

Для сгущения сетки необходимо выполнить следующие действия:

1. Выполнить команду Grid / Spline Smooth. Появится диалоговое окно Open Grid. Выбрать файл загладжуванои сетки. Зьвиться диалоговое окно Spline Smooth (сплайнов сглаживания).

2. В группе Method (Метод) выбрать пункт Insert Nodes (Вставить узлы). При этом активной станет группа Number Nodes to Insert (Количество узлов для вставки).

3. Параметр Between Rows (Количество вставляются редко) определяет количество строк (узлов с постоянным значением Y) для вставки между существующими столбцами сетевого файла.

4. парметр Between Cols (Количество столбцов для вставки) определяет количество столбцов (узлов с постоянным значением X) вставки между существующим столбцами сетевого файла.

5. В диалоговом окне Spline Smooth щелкнуть по кнопке OK.

Для пересчета сетки необходимо выполнить:

1. Повторить соответствующие действия для сгущения сетки.

2. В группе Method (Метод) выбрать пункт Recalc Grid (Пересчитать сетку). При этом активной станет группа Final Grid Size (Конечный размер сетки).

3. Параметр Rows (Число строк) определяет количество строк в сглаженного сетевом файле. Введено вдвое меньше округленное значение.

4. Параметр Cols (число столбцов) определяет количество столбцов в сглаженного сетевом файле. Введено вдвое меньше округленное значение.

5. В диалоговом окне Spline Smooth щелкнуть по кнопке ОК.

В результате обоих видов сглаживания получено и построено контурные карты, проанализировав эти карты оказалось, что они наглядно не отличаются (Рис.3.1).

Рис.3.1 Карта сгущения и пересчета сетки

3.1 ФИЛЬТРАЦИЯ ДАННЫХ

Команда Grid / Filter позволяет применить к сетке методы цифрового анализа ее образа.

Для целей сглаживания сетки можно использовать низкочастотные фильтры. Низкочастотная пространственная фильтрация позволяет к узлам сетки применить методы цифрового анализа, которые включают:

— Фильтры, увеличивающие контрастность;

— Фильтры, выделяют и подписывают пределы сетки

— Фильтры, исключающие общий тренд.

Для целей сглаживания используем низкочастотные фильтры выполняя команду Grid / Filter. В диалоговом окне Digital Filtering (Цифровая фильтрация).

В структуре иерархии видов фильтров выбираем пункт Linear Convolution Filters / Predefined Filters / Low-pass Filters / Gaussian (3ˣ 3) (Фильтры линейной сгустки / Определены фильтры / Низкочастотные фильтры / Гаусс 3ˣ 3)

В диалоговом окне Digital Filtering (Рис.3.1.1) щелкнуть по кнопке ОК.

Рис.3.1.1 Окно Digital Filtering

Построена карта имеет следующий вид (Рис.3.1.2)

Рис.3.1.2 Построенная карта

Сравнив сплайнов сглаживания с методами фильтрации можно сделать вывод, что в отличии от сплайнов сглаживания методы фильтрации позволяют избавиться различных дефектов а именно: разное закругления отрезков, большое количество изгибов на отрезке и другие дефекты, которые возникают при построении модели рельефа.

4. Применение сетевых многочисленных

1. FIRST DERIVATIVE (первая производная) ПО Дирекционные УГЛАХ 00 И 900

First Derivative проводит вычисления уклона поверхности вдоль указанного направления. Контурные карты, построенные по результатам работы этого исчисления, изображают линии постоянного уклона вдоль фиксированного направления (Рис.4.1.1 и 4.1.2).

Рис.4.1.1 Первая производная по Дирекционные Рис.4.1.2 Первая производная по Дирекционные

углу 0о углу 90 °

2. SECOND DERIVATIVE (вторая производная) ПО Дирекционные УГЛАХ 00 И 900

Вторая производная выполняет ограничения степенно изменения уклона поверхности вдоль заданного направления (Рис.4.2.1 и 4.2.2).

Рис.4.2.1 Вторая производная по Дирекционные Рис.4.2.2 Вторая производная по Дирекционные

углу 0о углу 90 °

3. TERRAIN SLOPE (наклон террейн)

Для каждой конкретной точки поверхности уклон Террейн определяется по направлению крутого спуска или подъема (аспект террейн). Наклон Террейн подобный первой Дирекционные производной, но есть более мощным инструментом, поскольку автоматически определяет направление наибольшего уклона.

Рис.4.3 Наклон террейн.

4. TERRAIN ASPECT (АСПЕКТ террейн)

Аспект Террейн вычисляет азимут направления наибольшего уклона в каждом узле сетки. Это направление всегда перпендикулярно контурным линиям (Рис.4.4).

Рис.4.4 Аспект Террейн

5. PROFILE CURVATURE (ПРОФИЛЬНАЯ кривизны)

Профильная кривизна определяет степень изменения уклона поверхности в противоположном направлении аспекта террейн для каждой точки.

Рис.4.5 Профильная кривизна

Проанализировав различные варианты ситнових цифр можно сделать следующие выводы:

1. На рис. (4.1.1 и 4.1.2) изображен результат выполнения вычитания первой производной сетевого файла с дирекционными углами 0 и 90 и на этих картах можно увидеть уклон поверхности вдоль фиксированных направлений.

2. На рис. (4.2.1 и 4.2.2) изображен результат выполнения вычитания второй производной сетевого файла в направлениях 0 и 90. На картах построенных по результатам работы этого исчисления, изображены линии постоянной степени изменения наклона вдоль фиксированного направления.

3. На Рис.4.3 показано результат выполнения вычитания наклона террейн. Для каждой конкретной точки поверхности уклон Террейн определяется по направлению крутого спуска или подъема. Наклон Террейн подобный первой Дирекционные производной, но автоматически определяет направление наибольшего уклона.

4. Аспект Террейн проводит вычисления азимута направления «вниз» для наибольшего уклона (т.е. азимута падения) в каждом узле сетки. На Рис.4.4 показано результат выполнения вычитания аспекта террейн и на этом рисунке можно увидеть самые уклоны поверхности.

5. Профильная кривизна определяет степень изменения наклона поверхности в направлении градиента (против направления аспекта террейн) для каждого узла сети. Профильная кривизна подобная второй производной, но автоматически определяет направление наибольшего уклона. Итак, на Рис.4.5 мы можем увидеть изображение профильной кривизны.

5. ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКА ПРОФИЛЯ В программном продукте SURFER

Линии профиля получаются при сечении поверхности вертикальными разрезом, проведенным вдоль заданной линии.

Команда Grid / Slice (Сечение) строит точки профиля, которые могут быть выведены на график с помощью программы MS Excel. Линия разреза берется из заданного файла типа «Golden Software blanking [. BLN] file». Полученные значения точек профиля записываются в текстовый файл типа «Golden Software Data [*. DAT]».

Каждая строка выходного текстового файла данных содержит информацию об одной точки профиля. Точка профиля — это точка пересечения линии разреза с сетевым линией.

Выходной текстовый DAT — файл состоит из пяти столбцов. столбцы

размещенных в файле следующим образом:

1) столбец A: X — координата точки пересечения линии разреза с сетевым линией;

2) Столбец B: Y — координата точки пересечения линии разреза с сетевым линией;

3) Столбец C: Z — значение высоты в точке пересечения;

4) Столбец D: суммарное расстояние вдоль линии разреза (по горизонтали);

5) Столбец E: номер линии разреза (используется, когда в файле содержится более одной линии разреза).

При построении графика на основе полученных в результате работы команды Grid / Slice данных значения из столбца C используются как Y — координаты точек. Как X — координат можно использовать значения столбца A, столбца B или столбца D.

Если в качестве X — координаты точек выбираются значения из столбца A, то двумерный график будет проекцией трехмерной линии профиля на XZ — координатную плоскость Surfer.

Если в качестве X — координаты точек выбираются значения из столбца B, то двумерный график будет проекцией трехмерной линии профиля на YZ — координатную плоскость Surfer.

Если в качестве X — координат точек выбираются значения из столбца D, то абсцисса точки двумерного графика равна суммарной расстояния до этой точки вдоль линии разреза.

Построение профиля осуществляется следующим образом: используя команду Grid / Slice выбираем сетевой файл, далее бланкований файл с расширением *. bln, задав новое название для *. dat файла нажимаем ОК.

Текстовый *. dat файл состоит из пяти столбцов, которые экспортируем в Microsoft Excel и с помощью Вставка / Диаграмма строим график профиля (Рис.5.1) используя номера точек пересечения для оси Х, значения высот для оси В.

Рис.5.1 Профиль в Excel

Рис.5.2 3D поверхння в Surfer

6. Определение объемов

Команда Volume (Объем) вычисляет объемы сетей, а также объемы впадин (cuts) и выступлений (fills) между двумя сеточными функциями или между сетевого функцией и плоской поверхностью. Кроме того, эта команда вычисляет площади плоских областей и площади поверхностей.

Чем выше плотность сети и чем ровнее сетевое функция, тем выше точность вычисления объемов. Сетевые функции по существенным «шумом», с заметными пиками и провалами мало пригодны для вычисления объемов.

Прежде чем вычислять объем в какой-то области, нужно задать верхнюю и нижнюю поверхности, ограничивающие эту область. Каждая из этих поверхностей может быть либо горизонтальной плоскостью, или сетевого функцией, которая определяется сетевым [.grd] файл (сетка [.grd] файл). Если обе поверхности определяются сеточными файлами, то эти файлы должны иметь одинаковые диапазоны изменения X, Y-координат и одинаковый размер (то есть одно и то же число строк и столбцов). Surfer сравнивает сетевые узлы верхней и нижней поверхностей исходя из положения этих узлов в файле, а не на основе их X, Y-координат.

При выборе команды Volume открывается панель диалога Open Grid (Откройте сеть). Выберите сетевой [.grd] файл и нажать по клавише ОК. На экране откроется панель диалога Grid Volume (Объем сети).

Групповое окно Upper Surface (Верхняя поверхность) определяет верхнюю поверхность области. Если выбрать опцию Grid File (Сетевой файл), то верхняя поверхность будет определяться сетевым файлом. Нажимая по клавише Change (Изменить) и задавая сетевой [.grd] файл, который будет использоваться в качестве верхней поверхности. Имя этого файла появится в групповом окне верхней поверхности. Если выбрать опцию Constant (Постоянная), то верхняя поверхность будет определяться горизонтальной плоскости. Здесь можно задать уровень этой плоскости, введя нужное значение в окно редактирования «Z =». Это значение задается в единицах измерения Z-координаты.

Групповое окно Lower Surface (Нижняя поверхность) определяет нижнюю поверхность области. Если выбрать опцию Grid File (Сетевой файл), то нижняя поверхность будет определяться сетевым файлом. Нажимая по клавише Change (Изменить) и задавая сетевой [.grd] файл, который будет использоваться в качестве нижней поверхности. Имя этого файла появится в групповом окне нижней поверхности. Если выбрать опцию Constant (Постоянная), то нижняя поверхность будет определяться горизонтальной плоскости. Здесь можно задать уровень этой плоскости, введя нужное значение в окно редактирования «Z =». Это значение задается в единицах измерения Z-координаты.

После задания верхней и нижней поверхностей нажав по клавише ОК, и Surfer начнет вычисления объемов и площадей. По окончании вычислений автоматически откроется окно редактора, в котором будут представлены результаты выполненных вычислений.

Результаты выполненных вычислений.

————————————————

Grid Volume Computations

————————————————

Tue Nov 24 23:54:02 2015

Upper Surface

Grid File Name: D:\РГР АІМ\прог\triang.grd

Grid Size: 100 rows x 100 columns

X Minimum: 7379010

X Maximum: 7381000

X Spacing: 20.10101010101

Y Minimum: 6175000

Y Maximum: 6177000

Y Spacing: 20.20202020202

Z Minimum: 146

Z Maximum: 186

Lower Surface

Grid File Name: D:\РГР АІМ\прог\філтр тріанг.grd

Grid Size: 100 rows x 100 columns

X Minimum: 7379010

X Maximum: 7381000

X Spacing: 20.10101010101

Y Minimum: 6175000

Y Maximum: 6177000

Y Spacing: 20.20202020202

Z Minimum: 146.23862771465

Z Maximum: 186

Volumes

Z Scale Factor: 1

Total Volumes by:

Trapezoidal Rule: 1818.4852386833

Simpson’s Rule: 11707.818925553

Simpson’s 3/8 Rule: -1023.2455611049

Cut & Fill Volumes

Positive Volume [Cut]: 284773.93992964

Negative Volume [Fill]: 282955.45469096

Net Volume [Cut-Fill]: 1818.4852386831

Areas

Planar Areas

Positive Planar Area [Cut]: 2483315.907909

Negative Planar Area [Fill]: 1471100.9883261

Blanked Planar Area: 25583.103764922

Total Planar Area: 3980000

Surface Areas

Positive Surface Area [Cut]: 2483799.1623109

Negative Surface Area [Fill]: 1471727.7093397

Выводы

Выполнив данную работу были сделаны следующие выводы:

— Было наглядно рассмотрен анализ и моделирование различных поверхностей с помощью статистических данных. С помощью программного обеспечения Surfer визуально изображено как меняются статистические модели поверхностей при различных методах интерполяции;

— В результате оцифровки растрового изображения и преобразования его в формат Surfer было получено файл с координатами точек;

— Используя данные, полученные в результате оцифровки был представлен модели поверхностей при различных методах интерполяции и выявлены точные методы, лучше представляют исходную поверхность методы ближайшего соседства, минимальной кривизны и триангуляции линейной интерполяции;

— С помощью сплайнов и фильтрации было осуществлено сглаживания сетевых данных;

— Используя команду Grid / Calculus было проведено математические вычисления по данным которых построен контупни карты;

— Используя бланкований и текствий файлы были построены график профиля в программном продукте Microsoft Excel;

— Используя команду Grid / Volume были определены объемы между сеточными файлами.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Силкин К.Ю. ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА Golden Software Surfer 8. (Учебно-методическое пособие для вузов) — Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 2009;

2. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Анализ и моделирование в ГИС» студентами по направлению 6.080101 «Геодезия, картография и землеустройство» по профессиональному направлению «Геоинформационные системы и технологии» дневной формы обучения. Часть 2 / А.М. Кундрат, А.В. Люсак.- Ровно: НУВХП 2011. — 30с.