Местоположение – это важно
Как пространственный анализ открывает скрытые причины и взаимосвязи
Более подробно ↓Пространственный анализ позволяет решать сложные задачи и приводит к лучшему пониманию того, что и где происходит в этом мире. Он выходит за пределы только картографии, позволяя изучать характеристики различных местоположений и существующие взаимосвязи. Пространственный анализ добавляет новые возможности для принятия.
Географический анализ
Если взглянуть на карту преступлений в городе, можно ли понять, в каких областях самый высокий уровень преступности? Или, изучая другие типы информации, например, о демографии, о местоположениях школ или парков, можно ли определить наилучшее место, где купить новый дом? Всякий раз при взгляде на карту мы, на самом деле, начинаем превращать карту в информацию, анализируя ее содержание: ища закономерности в распределении, определяя тренды или делая выводы. Такой процесс называется "пространственным анализом", это наше естественное восприятие рассматриваемой карты.
Пространственный анализ является самым интригующим и замечательным аспектом ГИС. С его помощью можно сочетать информацию из различных независимых источников и извлекать качественно новую информацию (результаты), применяя сложные комбинации пространственных операций. Обширная коллекция инструментов пространственного анализа помогает найти ответы на сложные вопросы, связанные с организацией пространства. При помощи статистического анализа можно понять, являются ли наблюдаемые закономерности значащими. Можно проанализировать различные слои и рассчитать пригодность места для определенного типа человеческой деятельности. А применяя анализ изображений, можно выявить изменения, произошедшие со временем. Эти и многие другие инструменты, являющиеся частью ArcGIS, позволяют рассматривать критически важные вопросы и решения, не предусматриваемые простым визуальным анализом. Ниже приведены несколько базовых методик пространственного анализа и примеры их использования на практике.
Определение отношений
В этом 3D анализе горячих точек за 20 лет исследований ураганов на территории США вертикальная ось z используется для отображения времени, т.е., при повороте вправо в 3D-вьюере, отображаются две декады с изменениями активности ураганов.
Изучение и описание местоположений и событий
Используя данные, полученные National Drought Mitigation Center от различных агентств, эта карта представляет засухи различной степени в Техасе с 2011 по 2016.
Определение и количественная оценка закономерностей
Этот анализ трендов пространства-времени по ДТП во Флориде учитывает время дня и дорожные условия, что позволяет определить новые горячие точки.
Прогнозирование
Статистический анализ может выявить закономерности в событиях, которые кажутся случайными и не связанными друг с другом, например, преступления в Сан-Франциско.
Поиск наилучших местоположений и путей
ГИС-анализ используется для изучения эффективности обслуживания жителей Атланты общественным транспортом. Любой, кто ездит на работу, понимает, что время дня имеет большое значение. Вы можете использовать эту карту-историю для изучения уровня обслуживания в различные интервалы времени.
Как применяется пространственный анализ?
Задаем вопросы, получаем ответы
Пространственный анализ применяется во всем мире для получения новой информации и принятия обоснованных решений. Организации, использующие в своей работе пространственный анализ, представляют широкий спектр человеческой деятельности – это государственное и местное управление, национальные агентства, разнообразный бизнес, инженерно-технические компании, колледжи и университеты, НПО – список можно продолжать. Вот несколько примеров.
Изучение преступности
Модель пространственного взаимодействия определяет горячие точки преступности в Чикаго.
Анализ засухи
В этом временном анализе развития засух в 2010–2015 годах в Техасе применяются методы как растрового, так и векторного анализа. Проект оказался успешным благодаря привлечению внимания к окончательному информационному продукту: карте-истории.
Природная инфраструктура
Инициатива Esri по изучению природной инфраструктуры позволила запустить разработку данных по критически важным участкам размером в 100 акров, называемым “центрами нетронутой природы” по континентальной территории США. Это позволило обеспечить свободный доступ к данным, которые могут использоваться как источник для планирования землепользования и создания информационных продуктов, которые позволят широкой публике понять важность сохранения оставшихся уголков нетронутой природы.
Планирование землепользования
GeoPlanner for ArcGIS - это приложение для планирования, используемое для оценки различных вариантов землепользования в местном и региональном масштабах. На этом рисунке показан сценарий, когда предлагаемые к охране области (светло-зеленый) находятся в районах с высокой степенью роста численности населения.
Автоматическая интерпретация данных
GeoDescriber анализирует слои рельефа в Living Atlas of the World для создания краткого описания характеристик наиболее важных элементов ландшафта.
Визуализация
Что может показать карта?
Очень часто, создавая карту вы, на самом деле, выполняете анализ. Это происходит потому, что задумывая карту, вы ставите перед собой определенную цель. У вас есть вопрос, на который вы хотите получить ответ при помощи карты. Например, где болезнь повредила деревья? Какие населенные пункты находятся на пути распространения пожара? Или где находятся области с высоким уровнем преступности? К тому же, при создании карты, как и при выполнении анализа, вы принимаете решение о том, какую информацию включить на карту, и как ее представить. Эффективная визуализация очень важна для донесения до пользователя результатов работы и сообщений в привлекательном и понятном виде.
Визуальный анализ и анализ видимости
На отображаемой в 3D-пространстве поверхности можно идентифицировать значение фона, на котором драпируются данные, и анализировать их. На этой сцене показано изображение водосборного бассейна и реки, наложенное на цифровую модель рельефа.
Визуализация подверженности солнечной радиации
Инструменты солнечной радиации в ArcGIS позволяют наносить на карту и анализировать потенциальные точки для генерации электроэнергии с помощью солнечных панелей. (Здесь показан Нейпервилл, Иллинойс.)
Оценка состояния урожая
С помощью мультиспектральных изображений вы сформируете новый взгляд на состояние и качество сельскохозяйственных посевов. С использованием индекса NDVI показано состояние посадок картофеля и рапса в Саскачеване, Канада.
Вычисление видимости
Эта интересная карта-история, используя ГИС-анализ видимости, рассказывает о судьбоносной битве при Геттисберге, произошедшей во время Гражданской войны в США. В момент, когда генерал Роберт Ли (его местоположение отмечено красным глазом) собирался вступить в бой с войсками Союза, он мог видеть только войска противника, расположенные в окрашенных светлым цветом территориях, а области серого цвета, в которых располагалась большая часть войск Союза, в это время не были видны. Историки, используя свои заметки, карты битвы и обычный слой рельефа, смогли раскрыть тайну, почему же Ли вступил в битву, в которой у него изначально практически не было шансов.
Пространственный анализ и пространственные данные
Большинство данных и измерений можно увязать с местоположениями, и поэтому их можно разместить на карте. При использовании пространственных данных вы знаете и том, что они собой представляют, и о том, где они находятся. Реальный мир может быть представлен дискретными данными, хранящими их точное географическое положение (они называются "векторными данными"), или непрерывными данными, изображаемыми как регулярная сетка (они называются "растровыми данными"). Естественно, основные свойства анализируемых явлений влияют на выбираемый вид их наилучшего представления. Окружающая природная среда (рельеф, температура, осадки) часто отображается при помощи растровых сеток, тогда как антропогенная среда (дороги, строения) и административные данные (округа, избирательные участки) чаще представляются в виде векторных данных. Кроме того, к данным можно присоединить информацию, описывающую каждое местоположение, она именуется "атрибутами".
В ГИС каждый набор данных управляется как слой, его можно графически скомбинировать при помощи аналитических операторов (анализ наложения). ГИС дает возможность работать со всеми этими слоями в целях изучения вопросов и поиска ответа на них, путем комбинирования слоев при помощи операторов и отображения.
Кроме информации о местоположении и атрибутах, пространственные данные обязательно содержат геометрические и топологические свойства. К геометрическим свойствам относятся положение и измерения, такие как длина, направление, площадь и объем. Топологические свойства представляют пространственные отношения, такие как связность, смежность и совпадение. Используя эти пространственные свойства, можно задать еще больше вопросов разного типа и получить новую аналитическую оценку данных.
Структура анализа наложения
ГИС-анализ может использоваться для ответов на такие вопросы, как: Где наилучшее место для жилищного строительства? Совокупность внешне не связанных факторов - растительный покров, относительные уклоны, расстояние до имеющихся дорог и рек и состав почв - все это можно смоделировать в виде слоев, затем проанализировать вместе, используя взвешенное наложение, технику, ранее применяемую ландшафтным архитектором Айаном Макаргом.
Как выполняется пространственный анализ
Реальная сила ГИС - это возможность проведения анализа. Пространственный анализ - это процесс, в котором проблема моделируется географически, результаты рассчитываются компьютером, затем вы изучаете и исследуете их. Этот тип анализа очень эффективен для оценки географической пригодности местоположений для определенных целей, оценки и прогнозирования прибыли, интерпретации и понимания изменений, определение важных закономерностей, скрытых в данных и т.д.
Основная идея состоит в том, что вы можете начать применять пространственный анализ сразу же, даже если вы новичок в ГИС. Главная цель – научиться решать проблемы пространственно. Несколько фундаментальных рабочих процессов пространственного анализа: изучение пространственных данных, моделирование с помощью инструментов ГИС и решение пространственных проблем.
Изучение пространственных данных
Изучение пространственных данных включает взаимодействие с наборами данных и карт, связанных с решением определенного вопроса, что затем дает вам возможность визуализировать и изучать географические данные и результаты анализа, в которых содержится ответ на вопрос. Это позволяет вам получить новые знания и глубже разобраться в своих данных. Изучение пространственных данных включает работу с интерактивными картами и связанными таблицами, диаграммами, графиками и мультимедиа. Это позволяет интегрировать географический взгляд и статистические данные из атрибутов. Это многократный процесс интерактивного изучения и визуализации карт и данных.
Умная картография - один из ключевых способов изучения данных, которое проводится в ArcGIS. Это интересный процесс, который позволяет вам взаимодействовать с данными в контексте символики карт. Умные карты встраиваются в процессы обработки данных и дают преимущества продвинутой визуализации и эффективные способы просмотра и взаимодействия с информацией, которые позволяют увидеть различные результаты, в частности, распределение данных.
Комбинация интерактивных графиков и диаграмм с ГИС-картами
Визуализация при помощи таблиц, графиков и диаграмм позволяет расширить обычные стандарты изучения данных, добавляя новые возможности интерпретации результатов анализа. Обычно вы начинаете с общего обзора исходных, необработанных данных, просматривая записи в таблице. Затем, возможно, вы решите нанести (геокодировать) точки на карте, используя различные символы для визуализации, и начнете строить диаграммы разных типов (столбчатая, линейчатая, диаграмма рассеивания и т.д.) для суммирования данных в разных вариантах (по району, по типу, или по дате).
Далее вы оцените временные тренды в данных, используя линейные графики со шкалой времени. Информационный дизайн используется для комбинации различных вариантов визуализаций данных для эффективной интерпретации результатов анализа. Используйте эти возможности для комбинации четких, понятных элементов, таких как карты, диаграммы и текст в компоновке, которую вы представляете и публикуете.
Insights
Изучение и анализ карт и данных в реальном времени
Insights for ArcGIS® - это аналитическая среда на базе браузера, которая позволяет в интерактивном режиме изучать и анализировать данные, поступающие из различных источников. Insights позволяет быстро и глубоко разобраться в проблеме с помощью насыщенной, интерактивной пользовательской среды .
Insights for ArcGIS может интегрировать различные источники данных для анализа. Он интегрирует анализ ГИС-данных, данных из корпоративных хранилищ, больших данных, потоковых данных в реальном времени, электронных таблиц и многих других. Insights for ArcGIS также использует систему данных Esri, включая Living Atlas of the World, что позволяет использовать в анализе самую разнообразную информацию.
Рабочий процесс Insights
###1. Начало работы
Создание рабочей книги Insights, визуализация данных и изучение.
2. Добавление и управление данными
Добавьте данные из разных источников и расширьте данные с помощью полей местоположений, присоединения атрибутов и вычисления полей.
3. Картографирование и визуализация данных
Умные настройки по умолчанию позволяют создавать и работать со впечатляющими визуализациями.
4. Поиск ответов с помощью пространственной аналитики
Обновите карты, вычислите буферы, используйте пространственную фильтрацию и агрегирование данных в любом местоположении и многое другое.
Моделирование
Использование языка пространственного анализа
Пространственный анализ – это процесс географического моделирования проблемы, с получением результатов путем компьютерной обработки, и дальнейшим проверкой и интерпретацией этих результатов. Создаваемая пространственная модель основана на наборе инструментов, которые позволяют получать новые результаты при обработке данных.
Элементы данных и инструменты
Каждый инструмент геообработки выполняет небольшую, но необходимую операцию с географическими данными, например, добавление поля к таблице, создание буферных зон вокруг объектов, вычисление пути наименьшей стоимости между несколькими точками или вычисление взвешенного наложения для соединения нескольких слоев в один итоговый.
ArcGIS содержит сотни аналитических инструментов для выполнения практически всех типов аналитических операций с использованием любого типа геопространственной информации. Например, посмотрите на набор операторов, входящих в наборы инструментов геообработки, которые поставляются с ArcGIS Pro. ArcGIS Pro также содержит ModelBuilder, приложение визуального программирования, используемого для создания, редактирования и управления моделями геообработки.
Пространственный анализ поддерживает автоматизацию задач с помощью богатого набора инструментов, которые могут комбинироваться в последовательный ряд операций с использованием моделей и скриптов. Через пространственное моделирование можно создавать последовательность инструментов, передавая выходные данные одного инструмента на вход другого.
Практический пример: Puma concolor
Моделирование местообитания пум в Южной Калифорнии
Городское поселение Большого Лос-Анджелеса занимает территорию 4850 кв. миль (12561 кв. км) и является вторым по размером городским поселением в США. В регион входит несколько естественных природных зон, а в окружающих его горах живут горные львы (пумы), самые крупные хищники в этой области Южной Калифорнии. Наша задача - гарантировать им возможность выживания. Соединив оставшиеся нетронутые природные зоны друг с другом, мы позволим, теоретически, животным свободно перемещаться между ними.
В этой работе анализируются способы соединения популяций пум из нескольких районов с другими, географически отдаленными областями. Вы определите возможные коридоры для животных, в которых ученые и власти могут создать физические соединения между местообитаниями пум в горах Санта-Сюзанна, Сан-Габриэль и в национальном парке Лос-Падрес. Весь рабочий процесс описан в разделе Уроки Learn ArcGIS ниже.
Модель Suitability/Corridor
Решение пространственных задач
Концепция рабочей среды
Многие проблемы или сценарии можно решить с помощью подхода разрешения пространственных проблем, используя ArcGIS. Выполнив пять шагов данного подхода, можно создать удобную аналитическую модель и использовать ее в части изучения пространственных данных для решения проблем и ответов на вопросы, таких как:
###1. Постановка вопроса и исследование
Задайте цели своего анализа. Начните с того, что для лучшего понимания проблемы надо точно сформулировать вопрос. Правильный вопрос – это уже ключ к получению значимых результатов.
2. Моделирование и вычисление
Используйте геообработку для моделирования и вычисления результатов, относящихся к требующему решения вопросу. Определите набор инструментов анализа для преобразования своих данных и получения новых сведений. В большинстве случаев создается модель сценария с несколькими инструментами, затем модель применяется для вычислений и получения результатов, которые помогают рассмотреть данный вопрос.
3. Проверка результатов и интерпретация
Используйте рабочие процессы изучения пространственных данных для исследования и интерпретации полученных результатов с помощью интерактивных карт, отчетов, графиков, диаграмм и информационных окон. Найдите объяснения для полученных закономерностей, которые позволят описать смысл результатов. Глубокие исследования позволяют привнести собственные представления и интерпретации полученных результатов.
4. Принятие решения
После изучения и интерпретации результатов анализа, примите решение и напишите заключение к результатам анализа. Оцените, настолько адекватно полученные результаты отвечают на поставленный вопрос. Нередко при этом появляются новые вопросы, требующие решения. Это вызывает необходимость дальнейшего анализа.
###5. Публикация результатов
Определите аудиторию, которой ваши исследования будут полезны и оцените, на кого они могут повлиять. Используйте карт, всплывающие окна, графики и диаграммы для наиболее эффективной передачи необходимой информации. Опубликуйте результаты посредством веб-карт и приложений с геообогащением, дающих более глубокие объяснения и допускающих дальнейшие исследования. Вы можете распространять полученные результаты с помощью карт-историй – это эффективный способ поделиться результатами своих исследования.
Слово профессионалу: Линда Биль
Решение непростых задач превращает сложные данные в понятные
География играет решающую роль в области анализа здравоохранения. В основном, она присутствует в контексте отображения мест, где существуют определенные риски для здоровья. Негативные факторы окружающей среды, различные риски, восприимчивость и результаты лечения всегда варьируются в пространстве. Доступность медицинской помощи характеризуется как со стороны физической географии, так и со стороны экономической географии. Более того, в зависимости от местоположения различаются управление и политика. И ресурсы тоже распределены по географическому принципу. Здоровье важно для всех, а для анализа здравоохранения необходимы профессиональные знания в таких науках, как эпидемиология, статистика и география. В пространственную эпидемиологию входят множество дисциплин, и хотя для выполнения анализа необходимы сложные технологии, его результаты должны быть доступны любому.
В процессе разработки Атласа здоровья и окружающей среды для Англии и Уэльса пришлось столкнуться со всеми этими трудностями. Атлас разрабатывался и целью предоставить широкой публике, исследователям и любому, кто работает в сфере здравоохранения, ресурсы с набором мультимасштабных интерактивных веб-карт, иллюстрирующих географическое распределение рисков заболеваний и факторов окружающей среды в масштабе района.
За последние десятилетия мониторинг окружающей среды и наблюдение за состоянием здоровья значительно продвинулись, но чрезвычайные ситуации продолжают приводить к экономическим и социальным убыткам и, к сожалению, к человеческим жертвам. По мере того, как все в мире становится все более взаимосвязанным в социальном и экономическом плане, понятия окружающей среды и здоровья становятся все более неразделимы, чем когда бы то ни было. Например, после взрывов вулканов и ядерных аварий или в результате вспышек заболеваний, например, птичьего гриппа и Эболы, последствия воздействия неблагоприятных факторов слишком часто влияют именно на наиболее уязвимые слои населения.
ГИС предлагает технологию изучения, анализа и моделирования данных из нескольких источников и управления ими. Вместе с картографированием пространственного анализа факторов риска и прогнозированием, разработанным для оценки рисков, для оценки стратегии реагирования можно применять модели, а для иллюстрирования превентивной стратегии, предупреждения об опасности и согласования действий можно использовать карты.
По мере развития технологий, наука, данные и инструменты для тестирования гипотез все глубже проникают в сферу здравоохранения. Мы живем в то время, когда уже не нужно больше ждать усовершенствования технологий и данных для многих видов анализа. Наоборот, мы должны сами решать непростые задачи, чтобы совершенствовать изучение и охрану здоровья при помощи анализа.
Быстрый старт
Инструменты пространственного анализа ArcGIS можно применять как в онлайн-среде, так и в локальных условиях.
ArcGIS Online
Аналитические возможности ArcGIS Online доступны через кнопку Анализ во вьюере карт:
Insights for ArcGIS
На момент написания этой статьи, для Insights for ArcGIS требуется ArcGIS® Enterprise. В будущем возможно его появление в ArcGIS Online.
ArcGIS Pro
ArcGIS Pro является главным приложением пространственного анализа Esri. Он содержит сотни инструментов пространственного анализа в наборах инструментов геообработки. Участие в программе Learn ArcGIS Student позволяет в полной мере использовать эту систему для некоммерческих целей, когда вы можете изучить пространственный анализ на практике. Загрузите ПО; ваша лицензия будет активирована организацией Learn ArcGIS.
Spatial Analysis MOOC
Данный массовый открытый онлайн-курс (Massive Open Online Course (MOOC)) о пространственном анализе читается периодически в течение года. В этом курсе вы получаете свободный доступ ко всем аналитическим функциям ArcGIS Online, облачной ГИС-платформе Esri.
Тематические исследования онлайн
Впечатляющий набор тематических исследований с помощью пространственного анализа находится на веб-сайте ArcGIS Analytics.
Уроки Learn ArcGIS
Большие кошки - большие проблемы: когти, автомобили и случайности
Общий обзор
Мегаполис Лос-Анджелеса - один из немногих городов мира, в котором на участках нетронутой природы обитают большие кошки. Но городской ландшафт сильно сегментирован строительством, дорогами и шоссе, что сокращает жизненное пространство пум. Пумы часто гибнут при попытках пересечь шоссе для поиска добычи или пары. Для сохранения популяции пум Лос-Анджелеса, а также для поддержания генетического многообразия и общего благополучия популяции, необходимо найти долговременное решение, которое позволит пумам безопасно перемещаться между изолированными островками их местообитаний.
В этом проекте ваша задача - определить текущее распространение пум и построить пространственную модель для определения коридоров, которые можно создать для соединения между собой отдельных мест обитания.
В этом рабочем процессе подчеркивается важность анализа для формулировки вопросов, ответы на которые дают значимые результаты. В процессе работы вы изучите и интерпретируете результаты анализа, найдете объяснения для полученных закономерностей и изучите их в пространственной и временной перспективе. Особое внимание в этом рабочем процессе уделено использованию данных сообщества и Living Atlas of the World, а также публикации данных и внесению своего вклада в данные сообщества. Здесь также уделяется внимание использованию инфографики и инструментов геообогащения для более глубокого изучения проблемы и перехода к дальнейшим исследованиям.
Основано на знаниях в этих областях
- Конвертация и подготовка данных для анализа
- Создание и внесение данных в базу геоданных
- Добавление данных на карту и присвоение символов
- Построение модели анализа коридоров с помощью ModelBuilder
- Классификация растровых данных и использование взвешенного наложения
- Генерация поверхности стоимости и пути с наименьшей стоимостью
- Предоставление результатов для широкой публики
Что необходимо
- ArcGIS Pro
- Дополнительный модуль ArcGIS® Spatial Analyst
- Предполагаемое время: 1-2 часа
Предыдущая глава
Следующая глава
Great Maps Need Great Data
Living Atlas of the World provides the foundation GIS
Mapping the Third Dimension
A change in perspective