Лекція 4

Особливості та базові поняття геопросторовго моделювання

Той, хто негайно хоче бачити результати

своєї праці, повинен йти в чоботарі.

Альберт Ейнштейн

1. Геоінформаційне моделювання як інтегроване (комплексне) застосування різнорідних даних, об’єктів, методів і технологій ГІС.

2. Об’єкти ГІМ. Сутність, простір і час – основні категорії об’єктів геоінформаційного моделювання (ГІМ).

3. Види та методи ГІМ

Геоінформаційне моделювання є відносно молодою галуззю наукових досліджень, яка охоплює широке коло питань створення і використання ГІС, GPS та ДДЗ, пов’язаних з ними математичних методів і алгоритмів, обчислювальних технологій.

За останні роки сфера застосування геоінформаційного моделювання значно розширилась. Зокрема, ГІТ стали одним з основних інструментів при проведенні екологічних досліджень, в оцінці і моніторингу стану природного середовища та ресурсів, у численних інших дослідженнях у різних галузях науки і практики. Можна навести безліч прикладів, у яких потрібно будувати просторові запити і вибірки даних, шукати оптимальне місце розташування об’єктів на місцевості і карті, моделювати переміщення або динаміку поширення того чи іншого процесу (явища), визначати взаємозв’язки та кореляції просторових розподілів.

Геоінформаційне моделювання – інтеграційна теорія, яка на новій методологічній основі об’єднує вже відомі методи проектування, укладання, використання та аналізу геоінформаційних моделей для дослідження об’єктів реального світу за допомогою системи упорядкування і трансформації інформації про ці об’єкти.

Геоінформаційне моделювання (ГІМ) можна визначити як моделювання просторових об’єктів, взаємопов’язаних з атрибутивними даними (базами даних) за допомогою математичних методів і програмних засобів ГІС. На відміну від теоретичних методів моделювання, ГІМ є високотехнологічним процесом (за рахунок взаємодії з об’єктами бази даних) і виступає інструментом, який забезпечує збір, збереження, обробку, доступ, відображення та розповсюдження просторово-координованих даних.

ГІМ є засобом інтелектуальної обробки та відображення просторової інформації для одержання нових знань. Комп’ютерне електронно-графічне моделювання, застосування графічних, графо-математичних та електронно-графічних моделей і ГІТ – основа ГІМ.

Теоретичну основу ГІМ становить уявлення про картографо-кібернетичну систему, що функціонує завдяки картографічним даним і алгоритмам, які описують усі процеси створення й використання карт із залученням цифрової та графічної інформації.

ГІМ полягає в умінні конструювати геоінформаційні моделі та аналізувати їх для вивчення об’єктів реального світу. Його можна розглядати як сучасну ГІТ, яка, на відміну від теоретичних методів моделювання, є технологічним процесом, оскільки взаємодіє з об’єктами бази даних ГІС.

У процесі ГІМ утворюється новий тематичний шар електронної карти, що якісно відрізняється від того, що дослідник бачив раніше. З цієї точки зору, до процедур ГІМ відноситься й тематична обробка даних ДЗЗ, оскільки в результаті тематичної класифікації утворюється новий шар – класифіковане зображення. Однак це найпростіший приклад ГІМ. Класифіковане растрове зображення без накладання на нього хоча б якихось векторних шарів не є ГІМ, це просто перефарбована в умовні кольори картина земної поверхні. А ось коли на підставі класифікації створюється тематична карта – це вже ГІМ (етап image understanding).

Інтерактивне редагування окремих шарів просторової інформації, навіть за матеріалами аерокосмічних зйомок, до ГІМ не відноситься. А ось створення ресурсних карт за матеріалами тематичної обробки даних ДЗЗ – це вже завдання ГІМ. Побудова графіка або діаграми на основі просторових даних – це, по суті, також ГІМ.

Таким чином, процес ГІМ відрізняється від звичайних процедур редагування просторової інформації саме комплексним використанням як просторових, так і атрибутивних даних, і це є основною причиною зростаючої популярності ГІТ.

Моделювання як метод наукового пізнання – це побудова моделі і дії з моделлю [69]. Моделювання в технологічному аспекті може бути розглянуто як форма відображення дійсності [70]. ГІМ дає можливість переносу результатів, отриманих у ході побудови та дослідження моделей, на оригінал і тим самим розв’язує завдання переносу знань [71].

Основу ГІМ як спеціальної технології становлять перетворення, що базуються на теоретико-множинних відношеннях, законах формальної логіки, алгоритмах обробки зображень, технологіях роботи з комп’ютерною графікою, технологіях системи управління базами даних тощо.

Метою ГІМ є або "пояснення того, що є", або "прогнозування того, що буде". Моделювання дозволяє з меншими витратами відтворити процеси взаємодії реального об’єкта і зовнішнього середовища та виявити критерії оптимізації цієї взаємодії. Особливістю ГІМ є опора на просторові відношення [76].

При візуалізації застосовують знакове ГІМ, при якому моделями слугують знакові утворення будь-якого виду: карти; схеми; графіки; креслення; формули; графи; умовні знаки; тайли тощо.

Та́йли (від англ. tiles – плитки) – в цифровій картографії жаргонна назва квадратних растрових зображень рівної величини, якими, як плиткою, буває вимощена поверхня відображення карти.

Об’єкти та основні категорії гім

Основу ГІМ як спеціалізованої ГІТ складають перетворення, засновані на законах формальної логіки і теоретико-множинних відношеннях.

Фундаментальними поняттями і базовими категоріями ГІМ є об’єкт та методи ГІМ.

Об’єктами ГІМ є природні та суспільно-економічні геосистеми, їх гео-компонентні утворення й елементи. Об’єкт ГІМ визначається його трьома головними визначеностями, а саме сутнісними, просторовими та часовими [82].

Сутнісна визначеність включає характеристику різних утворень (об’єкти, їх групи, поєднання, таксони), процесів (руху, розвитку, функціонування, поширення), їх субстанційних властивостей та відношень (розміщення, щільність, концентрація, вплив, взаємодія, зв’язки, ієрархія, суміжність, залежність, відповідність, відстань, тяжіння, сумісність, пропорційність). Картографічна модель відтворює сутність об’єкта, його якісну, кількісну та структурну визначеність. Об’єкти можуть належати до явищ, які не мають зорово спостережуваних форм існування, виявлятися в дискретній і безперервній формі, в детермінованих та ймовірнісних реалізаціях. Якісна визначеність може бути відображена як в абсолютних, так і відносних показниках, як в статиці, так і в динаміці, в широкому діапазоні просторових і часових масштабів [83].

У процесі ГІМ створювані моделі можуть відтворювати, відображати, імітувати ті або інші принципи організації (структури), функціонування та інші властивості об’єкта. Кожний об’єкт має свою структуру – певний стійкий взаємозв’язок, взаємовідносини і взаємне розташування підсистем, що його утворюють. Будь-яка реальна система є поліструктурною. Найпростішими і в певному контексті відносно нерозчленованими є вихідні, або елементарні, структури. Шляхом накладання різнотипових сукупностей взаємозв’язків одержують комбіновану структуру, яка зазвичай є емерджентною.

Емерджентність системи — важлива властивість системи, яка полягає в тому, що сукупне функціонування взаємозв’язаних елементів системи породжує якісно нові функціональні властивості системи. Звідси випливає важливий висновок: система не зводиться до простої сукупності елементів; поділяючи систему на частини, досліджуючи кож­ну з них окремо, неможливо пізнати всі властивості системи в цілому.

Цілісне і взаємообумовлене поєднання часткових структур утворює інтегративну структуру системи, яка найповніше відображає її сутність. За характером зв’язків важливими ознаками структур є їх розмірність і конфігурація. Залежно від розмірності структури можуть бути точковими, лінійними, плоскими і об’ємними [83].

Просторова визначеність полягає в перетворенні просторово-координованої інформації на дискретну і континуальну форму.

Всі системи, що підлягають ГІМ, – просторові, але мають при цьому різні форми існування: лінійні (межі, систем шляхів сполучення і каналів зв’язку), площинні (системи землекористування, ареали, зони, райони тощо), тривимірні (системи циркуляції вод, атмосфери тощо). Простір, що підлягає ГІМ, може бути або двовимірним (плоскі карти), або тривимірним (рельєфні карти, карти поверхонь і стереоскопічні карти).

Усі геозображення існують в графічному середовищі, тому найважливішим їхнім параметром слугує масштаб, який визначає ступінь зменшення відносно поверхні земного еліпсоїда. Маніпулюючи масштабом, можна розширити або звузити просторове охоплення.

Просторовий масштаб геозображення є функцією його призначення, технічних засобів знімання, забезпеченості фактичним матеріалом, і, однозначно, сам він визначає найістотніші властивості такого зображення. Від масштабу залежить просторове охоплення та обсяг змісту геозображення, його розрізненність, детальність і геометрична точність [83].

Часова визначеність полягає у відображенні об’єктів у статиці, динаміці, ретроспективі, у їх сучасному стані й прогнозі. Елементи часової прив’язки – це дати, часові діапазони, епохи, періоди, ери подій, а також відповідні їм об’єкти, явища і процеси, часовий масштаб і часова розрізненність [83].

Завдання ГІМ – моделювання засобами ГІТ наявності, змісту, стану, динаміки та функціонування різного рангу геосистем. Моделювати можна склад і зміст системи (статичною моделлю), рух і розвиток (динамічною моделлю), функціонування (функціональною моделлю).

Види та методи гім

Система методів ГІМ включає застосування різних видів моделювання:

• географічне,

• картографічне,

• математико-картографічне,

• аерокосмічне,

• комп’ютерне електронно-графічне

(рис. 2.2) – див. альбомний формат

ГІМ у своєму арсеналі засобів просторового аналізу використовує низку методів, серед яких:

– мережевий аналіз – група просторово-аналітичних операцій, мета яких дослідження топологічних і геометричних властивостей лінійних просторових об’єктів, що утворюють деревоподібні чи циклічні мережі (гідрографічні, комунікаційні тощо);

– аналіз об’єктів у межах буферних зон, який дозволяє розв’язувати задачі оцінки зони впливу існуючої чи проектованої мережі;

– операції обчислювальної геометрії, з допомогою яких обчислюються площі і координати центроїді полігонів, довжини ламаних і кривих ліній тощо;

– оверлейні операції, суть яких полягає в накладанні двох різнойменних шарів з генералізацією похідних об’єктів, що створюються при їхньому геометричному нашаруванні, з успадкуванням їх атрибутів.

Крім цих стандартних функцій, в геоінформаційному моделюванні для просторового аналізу використовуються спеціальні програми, створені на основі побудови детермінованих і стохастичних моделей, та геоінформаційні додатки для прогнозування ситуації.