Цель: Понимание использования буферов и других инструменов в векторном пространственном анализе

Ключевые слова: Вектор, буферная зона, пространственный анализ, буферное расстояние, размытие границ, внешний и внутренний буфер, множественный буфер, пересечение

Обзор

Пространственный анализ — это произведение вычислительных операций над геоданными с целью извлечения из них дополнительной информации. Обычно пространственный анализ выполняется в ГИС-приложениях. ГИС-приложения имеют специализированные инструменты пространственного анализа для статистики объектов (например, определяет, из скольких вершин состоит полилиния) или для геообработки (например, построение буферов). Используемые инструменты зависят от области применения. Специалисты, занятые в сфере водопользования и гидрологии, больше заинтересованы в анализе рельефа с целью моделирования водного стока. Экологи используют аналитические функции, помогающие выявить взаимоотношения между территориями дикой природы и освоенными областями. В данном разделе мы рассмотрим построение буферов как один из наиболее популярных инструментов векторного пространственного анализа.

Подробнее о построении буферов

Построение буфера создает область определенного радиуса вокруг выбранных объектов. Эта область называется буферной зоной. Буферные зоны часто обозначают область, служащую для отделения одних объектов реального мира от других. Они создаются для защиты окружающей среды, частной или коммерческой собственности от природных и промышленных угроз или вторжения.

Рисунок 78: Граница между США и Мексикой разделена буферной зоной. Источник фото — SGT Jim Greenhill 2006).

Распространенные типы буферных зон — приграничные зоны отчуждения между государствами (см. Рисунок 78), зеленые пояса между жилыми домами, шумовые зоны вокруг аэропортов или водозащитные зоны вокруг рек.

В ГИС-приложении буферные зоны всегда представлены в виде векторных полигонов, окружающих точечные, линейные или полигональные объекты (см. Рисунки 79–81).

Рисунок 79: Буферная зона вокруг точечных объектов.

 Рисунок 80: Буферная зона вокруг линейных объектов.

Рисунок 81: Буферная зона вокруг полигональных объектов.

  Вариации в построении буферов

Существует возможность вариаций в построении буферов. Буферное расстояние, или радиус буфера, может изменяться в соответствии с числовым значением в поле атрибутивной таблицы, которое присвоено объекту, вокруг которого строится буфер. Числовые значения должны быть определены в единицах измерения картографической проекции, в которой записаны данные. Например, ширина буферной зоны вдоль берегов реки может изменяться в зависимости от интенсивности землепользования на прилежащих территориях. Для интенсивного земледелия буферное расстояние может быть больше, чем для органического земледелия (см. Рисунок 82 и Таблицу 9).

Рисунок 81: Построение буферной зоны с варьирующимся расстоянием вокруг реки.

Таблица 9: Атрибутивная таблица с различными значениями буферного расстояния для рек, основанными на землепользовании на прилежащих территориях.

Буферы вокруг полилиний, таких как реки или дороги, необязательно создавать с обеих сторон. Они могут быть слева или справа от линии. В таком случае сторона определяется тем, как была оцифрована линия, т. е. направлением от начальной до конечной точки.

Множественные буферные зоны

Объект также может иметь более одной буферной зоны. Например, атомная электростанция может иметь зоны в 10, 15, 25 и 30 километров, каждая из которых имеет свой эвакуационный режим (см. Рисунок 83).

Рисунок 83: Множественные буферные зоны вокруг точечного объекта.  

Построение буферов с размытыми или четкими границами

Часто объекты, вокруг которых строятся буферы, находятся друг от друга на меньшем расстоянии, чем радиус буфера, поэтому происходит перекрытие буферных зон. В некоторых случаях требуется найти общую буферную зону в виде одного полигонального объекта (см. Рисунок 84а). С другой стороны, иногда бывает полезно иметь каждый буфер в виде отдельного полигона с четкими границами, чтобы определить перекрывающиеся зоны, а значит — найти взаимодействующие объекты (см. Рисунок 84б).

Рисунок 84: Буферные зоны могут накладываться с размытыми (а) и с четкими (б) границами.

Построение внутренних и внешних буферов

Буферные зоны вокруг полигональных объектов обычно простираются вокруг полигона, но также возможно построение буферов внутрь. Например, департамент туризма производит планировку новой дороги вокруг острова, и законы по охране окружающей среды требуют, чтобы дороги располагались минимум в 200 метрах от береговой линии. Департамент создает внутренний буфер острова с радиусом 200 м и использует его для планирования дороги так, чтобы дорога не попадала в полученную зону.

О чем стоит помнить

Большинство ГИС-приложений предлагает построение буферов как аналитический инструмент, но настройки, которые Вы указываете при создании буферов могут различаться. Например, не все ГИС-приложения позволяют строить буфер по правой или левой стороне линии, производить размытие границ или строить внутренние буферы. Буферное расстояние всегда должно быть определено как целочисленное значение (integer) или десятичная дробь (float). Это значение определяется в единицах измерения карты (метры, футы, десятичные градусы) в соответствии с системой координат векторного слоя, на основе которого Вы строите буфер. Например, если Ваш векторный слой записан в географической системе координат, то его единицы измерения — десятичные градусы, и чтобы построить буферную зону с радиусом 100 м, Вам необходимо перевести свой векторный слой в проекционную систему координат, иначе указав число 100, Вы получите буферную зону в 100 градусов.

Другие инструменты пространственного анализа

Построение буферов — это важный и часто используемый инструмент пространственного анализа, но существуют многе другие инструменты, которые так же используются в ГИС.

Пространственное наложение — это процесс, позволяющий выявить пространственные взаимоотношения между двумя полигональными слоями, имеющими общие участки. Результирующий векторный слой также является полигональным и основан на данных используемых слоев (см. Рисунок 85). Примеры функций пространственного наложения:

•Пересечение: результирующий слой содержит все перекрывающиеся (пересекающиеся) участки используемых слоев.

•Объединение: результирующий слой содержит все объекты используемых слоев, при этом выделены пересекающиеся участки.

•Симметричная разница: результирующий слой содержит все объекты используемых слоев, кроме пересекающихся участков.

•Разница: результирующий слой содержит все объекты первого слоя, которые не пересекаются со вторым слоем.

  Рисунок 85: Пространственное наложение двух векторных слоев (1 – квадрат, 2 – круг). Результирующий слой изображен зеленым цветом.

Что мы узнали?

•Закрепим изученный материал:

•Буферные зоны означают области вокруг объектов.

•Буферные зоны представлены в ГИС в виде векторных полигонов.

•Объекты могут иметь несколько буферных зон.

•Размер буферной зоны определяется буферным расстоянием (радиусом).

•Буферное расстояние является целым числом (integer) или десятичной дробью (float).

•Буферное расстояние может быть разным для каждого объекта векторного слоя.

•Буферные зоны для полигонов могут быть построены внутри и/или снаружи.

•Пересекающиеся буферные зоны могут иметь четкие или размытые границы.

•Помимо построения буферов, существует множество других инструментов пространственного анализа, таких как пространственное наложение.

Попробуйте сами!

Ниже приведено несколько примеров практических заданий для Ваших учеников:

•Из-за сильного увеличения потока машин, служба городского планирования хочет расширить главную дорогу и добавить вторую полосу. Создайте буфер вдоль дороги и найдите строения, которые попадают в зону буфера (см. Рисунок 86).

•Для контроля групп протестующих полиция хочет отгородить нейтральную зону вокруг здания, чтобы люди не могли подойти к нему ближе чем на 100 м. Создайте буфер вокруг здания и установите раскраску так, чтобы планировщики могли хорошо видеть буферную зону.

•Автосервис планирует расширение. Критерий выбора нового местоположения таков – новый сервис должен располагаться не дальше 1 км от загруженной автомагистрали. Создайте буфер вдоль главной дороги, чтобы понять, где его можно расположить.

•Городская управа хочет ввести закон, регулирующий расположение алкогольных магазинов так, что они не могут располагаться ближе чем на 1000 метров от школ и церквей. Создайте 1-км буферную зону и проверьте, попадают ли в эту зону какие-то из существующих алкогольных магазинов.

Рисунок 86: Буферная зона (зеленый) вокруг дороги (коричневый). Вы можете видеть, какие дома попадают в буферную зону, и можете связаться с их владельцами и обсудить возможность аренды первого этажа для размещения автосервиса.

Если у Вас нет компьютера

Для построения буферов можно использовать лист топографической карты и циркуль. Возьмите циркуль и сделайте маленькие отметки на равных расстояниях от дороги на всем ее протяжении и соедините их с помощью линейки. Буферная зона готова!

Дополнительные материалы:

Книги:

•Galati, Stephen R. (2006): Geographic Information Systems Demystified. Artech House Inc. (ISBN 158053533X)

•Chang, Kang-Tsung (2006): Introduction to Geographic Information Systems. 3rd Edition. McGraw Hill. (ISBN 0070658986)

•DeMers, Michael N. (2005): Fundamentals of Geographic Information Systems. 3rd Edition. Wiley. (ISBN 9814126195)

Веб-сайты:

Руководство Пользователя QGIS также содержит более подробную информацию о векторном пространственном анализе с помощью инструментов QGIS.

Что дальше?

В следующем разделе мы подробнее рассмотрим интерполяцию в качестве примера пространственного анализа, связанного с использованием растровых данных.