Гриды. Пространственная интерполяция. Изолинии.

Гриды – это прямоугольные матрицы, состоящие из квадратных ячеек, в каждой из которых записано только одно числовое значение, т.е. это разновидность растровых слоёв электронных карт. С их помощью создаются непрерывные поля каких-либо числовых параметров. Грид строится в компьютерной карте определённой проекции и ячейка грида представляет собой квадрат именно на поверхности карты, а не Земли. Ячейка грида занимает определённую область поверхности карты, и значение записанного в ячейке параметра меняется скачком при переходе к соседней ячейке. Однако ячеек много, их количество ограничивается лишь памятью компьютера. Поэтому изменение значений параметра в непрерывном поле получается плавным.

В большинстве случаев гриды применяются для пространственной интерполяции числовых значений. Предположим, необходимо по результатам проведения исследований в ряде точек определить территорию или акваторию, чьё экологическое состояние является неблагополучным. Разумеется, придется интерполировать значения параметров между точками, в которых они определены, и экстраполировать значения на прилегающие к крайним точкам определения параметров участки. Другой случай: моделирование распространения какого-либо вещества в водоёме, атмосфере или почве. В пространственно-неоднородных моделях область моделирования аппроксимируется сеточной областью, в которой пространство разбивается на отдельные ячейки (чаще всего – квадраты), концентрации моделируемых компонент экосистемы рассчитываются в центрах этих ячеек. Перед началом компьютерных расчётов необходимо задать начальные и граничные условия, в частности, значения компонент в узлах сеточной области. Для верификации модели также необходимо сравнение результатов численных экспериментов с данными мониторинга моделируемого природного объекта. Разумеется, мониторинг экосистемы проводится не в узлах сеточной области, а в каких-то других точках. Чтобы получить значения компонент в точках сеточной области, необходима пространственная интерполяция результатов мониторинга и получение значений непрерывного поля в точках с заданными координатами, т.е. узлах сеточной области.

В некоторых случаях гриды образуются путём конвертирования растровых изображений, например, космических снимков. Файл цветного растрового изображения в большинстве случаев содержит три матрицы с интенсивностями трёх основных цветов: красного, зелёного и синего. Поэтому его можно преобразовать в три грида, ячейки которых будут содержать относительные интенсивности соответствующих цветов. Вообще манипуляции с гридами, полученными из растровых изображений нужны для создания изображений в искусственных цветах. Часто путём выполнения комбинаций арифметических действий с интенсивностями излучения земной поверхности в различных диапазонах спектра удаётся выделить объекты, которые ранее не были заметны ни в одном из диапазонов. Например, обнаружить сеть ручейков под пологом леса, заросли макрофитов и т.п.

При построении грида нужно иметь в виду, что, в отличие от векторных слоёв, он не может быть преобразован при изменении картографической проекции Вида. Поэтому перед созданием грида следует точно определить, в какой проекции следует его строить. Разумеется, это касается того случая, когда координатная система Вида является географической, и Вы можете изменять параметры проекции и сам тип проекции Вида в окне «Свойства» («Properties») ниспадающего меню «Вид». Например, если планируется определение площадей различных частей грида и их отношений, то следует применять какую-либо равноплощадную проекцию.

Для самой возможности создания гридов, пространственной интерполяции и построения изолиний необходим модуль Spatial Analyst. Этот модуль поставляется отдельно от базового ядра ГИС ArcView 3.2 и должен быть соответственно проинсталлирован отдельно. Однако если он уже проинсталлирован, то его нужно «включить». Для этого в ниспадающем меню «Файл» окна ArcView выбрать опцию «Модули» («Extensions»). На экране появится диалоговое окно «Модули». В окне прокрутки «Доступные модули» нужно найти надпись «Spatial Analyst» и в квадратике слева от неё поставить «птичку» - навести на этот квадратик курсор, при этом он примет форму «птички», нажать левую кнопку манипулятора «мышь», а затем нажимаем кнопку «ОК». После этого все возможности модуля Spatial Analyst в нашем распоряжении.

Грид не может иметь другой формы кроме прямоугольника (в частном случае – квадрата). Однако часто встречаются случаи, когда нам не нужно интерполировать по всему прямоугольнику, охватывающему область точек со значениями определённых данных. Например, у нас имеются данные результатов мониторинга содержания какого-либо загрязняющего вещества в водах Финского залива. Описывающий поле точек (станций отбора проб) прямоугольник неизбежно частично «наедет» на сушу. Естественно, интерполяция данных для участков на суше лишена всякого смысла. Конечно, можно смириться с этим и при визуализации результатов интерполяции просто накрыть сверху ячейки грида векторным полигональным слоем объектов суши. Однако это может исказить результаты статистического анализа: будут учитываться ячейки, находящиеся на суше. Поэтому следует создать тему грид-маски – матрицы с ячейками 2-х типов, показывающими, для каких ячеек следует проводить интерполяцию, а какие можно пропустить. Разумеется, создаваемые затем гриды с результатами интерполяции должны иметь точно такие же пространственные характеристики, как и слой грид–маски. В нашем примере мы хотим провести интерполяцию данных по российской части Финского залива. Поэтому грид-маску мы должны сделать на основании векторного полигонального слоя восточной части Финского залива. Поэтому необходимо создать полигон восточной части Финского залива, пространственно охватывающий все точки мониторинга. Как это сделать - посмотрите указания к заданию № 4.2 данного пособия.

Итак, полигональный слой восточной части Финского залива создан. В данном случаеон будет состоять из одного объекта. Делаем этот слой (тему) активным, в ниспадающем меню «Тема» выбираем опцию «Convert to Grid». Появится диалоговое окно, в котором нужно указать имя и размещение создаваемого грида. Необходимо подчеркнуть, что модуль Spatial Analyst паталогически не выносит русских букв в названиях гридов, папок и поэтому часто бывает лучше согласиться с тем названием и вариантом размещения, которое Вам предложит компьютер. Затем появится диалоговое окно, в котором следует задать параметры создаваемой грид-темы. В окне прокрутки "Output Grid Extent" следует задать «Такой же, как и полигональный слой объектов, внутри которых необходимо провести интерполяцию» ("Same as …"). В нашем примере – это слой восточной части Финского залива. В остальных окнах прокрутки "Output Grid Cell Size" – «Размер ячейки грида», "Number of Rows" – «Число рядов (строк)» и "Number of Columns" – «Число колонок» ГИС предложит Вам свои варианты. Вы можете согласиться, а можете скорректировать, например, уменьшить размер ячеек для увеличения плавности результирующего поля непрерывных значений. Далее появится диалоговое окно с вопросом: «Pick field for cell values», т.е. «Выберите поле для значений в ячейках грида». Напомним, что в грид-маске должны быть ячейки всего двух типов: с числовым значением и «Нет данных». Поэтому в атрибутивной таблице полигонального слоя нужно создать новое числовое поле и во всех записях (строках) поставить число 1, или отредактировать уже существующее числовое поле.

Вспомним методику редактирования таблиц в ArcView 3.2. Для редактирования атрибутивной таблицы следует в Панели инструментов окна проекта нажать кнопку открытия таблиц активных тем. На экране появится таблица атрибутов активной темы. Интерфейс же окна ArcView изменится. На нем появится кнопка «Таблица». Нажмите на нее – появится ниспадающее меню, в котором следует выбрать опцию «Начать редактирование». Затем активизируем ниспадающее меню «Редактировать». В нем выбираем «Добавить поле». В появившемся диалоговом окне задаем имя поля или соглашаемся с названием, предложенным системой. Тип поля оставляем «Числовое» («Number»), ширина поля по умолчанию стоит 16, можно оставить так, можно шестерку убрать, оставить 1 – больше нам не надо. Нажимаем «ОК» - в открытой таблице появится выделенное новое поле. Поставим в каждой записи в этом поле значение 1. Запись в таблицу возможна при активной кнопке изменения значения ячеек. Это средняя из трех крайних справа в нижнем ряду кнопок Панели инструментов. На ней изображены символ «I» и стрелка. После этого возвращаетесь в ниспадающее меню «Таблица» и выбираете «Прекратить редактирование» и далее – «Сохранить изменения».

Разумеется, все перечисленные действия с таблицей атрибутов полигональной темы следует выполнять до её конвертации в грид-тему. Возвратимся к этому процессу. После того, как Вы объяснили системе, из какого поля ей следует брать значения для ячеек, система задаст вопрос: «Join feature attributes to grid?» – «Присоединить к гриду значения атрибутов объектов векторной темы?» В данном случае не имеет значения, как Вы ответите на этот вопрос. По умолчанию стоит «Нет». Следующий вопрос системы: «Add grid as theme to the View?» – «Добавить грид в качестве темы в данный Вид». Именно это Вам и надо, так что соглашайтесь (по умолчанию стоит «Да»). В результате в Виде появится грид-тема, имеющая ячейки только двух типов: в одних содержатся числовые значения 1, в других – «Данные отсутствуют» («No data»). Теперь активизируйте в окне ArcView ниспадающее меню «Analysis», в нем – «Properties» («Свойства»). Появится диалоговое окно «Analysis Properties: Вид такой-то». В нижней его части находится окно прокрутки «Analysis Mask». По умолчанию там стоит «No Mask Set»: «Маска не задана». Вместо этого выбираете созданную тему грид-маски и нажимаете «ОК». Теперь интерполяция будет производиться в той части карты, которой нужно, т.е. в пределах площадного слоя, выбранного в качестве основы для создания грид-маски. Естественно, если область интерполяции – прямоугольник, то нет никакой потребности в создании грид-маски. Это возможно, например, при интерполяции данных по какому-либо однородному району, не имеющему естественных границ: акватории океана или моря вдали от берегов, центрального участка сухопутной геосистемы. При этом форма области исследования близка к прямоугольнику.