10. Prostorová vektorová analýza (Buffers)

gentleLogo

Cíle:

Porozumnění použití bufferingu v prostorové vektorové analýze.

Klíčová slova:

Vektor, buffer zóna, prostorová analýza, vzdálenost bufferu, rozpuštěné hranice, vnější a vnitřní buffer, násobné hranice

10.1. Náhled

„Vektorové analýzy“ využívá prostorové informace k extrahování nové a dodatečné významu z údajů GIS. Obvykle se prostorová analýza provádí pomocí GIS aplikace. GIS aplikace obvykle mají nástroje prostorové analýzy pro statistiku funkcí (např. kolik vrcholů tvoří tuto křivku?) Nebo geoprocessing, například funkcí ukládání do vyrovnávací paměti. Typy prostorových analýz, které se používají se liší podle oborů. Lidé pracující v oblasti vodního hospodářství a výzkumu (hydrologie) budou s největší pravděpodobností mít zájem o analýzu terénu a modelování vody. U volně žijících živočichů se uživatelé zajímají o analytické funkce, které se zabývají volně žijícími živočichy bodových lokalit a jejich vztah k životnímu prostředí. V tomto tématu se budeme zabývat ukládání do vyrovnávací paměti jako příklad užitečného prostorové analýzy, které mohou být prováděny s vektorovými daty.

10.2. Buffering v detailu

„Buffering“ obvykle vytvoří dvě oblasti: jedna oblast, která je v rámci „zadanou oblast“ vzdáleností k vybraným reálných prvků a druhá oblast, která je mimo „zadanou oblast“. Oblast, která je v určité vzdálenosti se nazývá „nárazníková zóna“.

„nárazníková zóna“ je nějaká oblast, která slouží k udržování funkcí skutečného světa a je od sebe vzdálena. Nárazníková pásma jsou často zřízena k ochraně životního prostředí, chránit obytné a komerční zóny z průmyslových havárií nebo živelních pohrom, nebo aby se zabránilo násilí. Běžné typy nárazníkových zón mohou být zelená pásma mezi obytnými a komerčními oblastmi, hraniční oblasti mezi jednotlivými zeměmi (viz figure_buffer_zone), ochrany proti hluku pásem kolem letišť, nebo ochranných pásem znečištění podél řek

../../_images/buffer_zone.png

Obr. 10.6 Hranice mezi Spojenými státy a Mexikem je oddělena nárazníkovou zónou. (Foto vytvoření SGT Jim Greenhill v roce 2006).

V GIS aplikacích jsou „nárazníkové zóny“ vždy reprezentovány jako „vektorové polygony“ obklopující další polygon, linii nebo bodové prvky (viz figure_point_buffer, figure_line_buffer, ).

../../_images/point_buffer.png

Obr. 10.7 Nárazníková zóna okolo vektorových bodů.

../../_images/line_buffer.png

Obr. 10.8 Nárazníková zóna okolo vektorových křivek.

../../_images/polygon_buffer.png

Obr. 10.9 A buffer zone around vector polygons.

10.3. Možnosti nárazníkových zón

Existuje několik variant v ukládání do vyrovnávací paměti. „Nárazníková vzdálenost“ nebo nárazníková velikost „se může lišit“ podle číselných hodnot uvedených v tabulce atributu vektorové vrstvy pro každou funkci. Číselné hodnoty musí být definovány v mapových jednotkách v souladu s referenčním souřadnicovým systémem (CRS) používaným s daty. Například, šířka nárazníkové zóny podél břehu řeky se může měnit v závislosti na intenzitě přilehlého využití půdy. Pro intenzivní pěstování může být vzdálenost nárazníkové paměti větší, než pro ekologické zemědělství (viz obrázek figure_variable_buffer a Tabulka table_buffer_attributes).

../../_images/variable_buffer.png

Obr. 10.10 Buffering řek s odlišnými nárazníkovými vzdálenostmi.

Řeka

Přilehlé využití půdy

Náraníková zóna (metry)

Řeka Breede

Intenziví kultivace vegetace

100

Komati

Intenzivní kultivace bavlny

150

Oranje

Organické farmaření

50

Řeka Telle

Organické farmaření

50

Atributy nárazníkové tabulky 1: Atributová tabulka s odlišnými nárazníkovými vzdálenostmi od řek založenými na informacích o přilehlém využití půdy.

Buffery kolem křivek, například řek nebo silnic, nemusí být na obou stranách linky. Mohou být buď na levé, nebo na pravé straně této křivky. V těchto případech je na levé nebo pravé straně určováno podle směru od počátečního bodu do koncového bodu linky v průběhu digitalizace.

10.3.1. Násobné nárazníkové zóny

Funkce může mít také víc než jednu nárazníkovou zónu. Jaderné elektrárny mohou být ohraničeny nárazníkovými zónami 10, 15, 25 a 30 km, formujících násobné prstence okolo elektráren používaným k evakuačnímu plánu. (viz figure_multiple_buffers).

../../_images/multiple_buffers.png

Obr. 10.11 Nárazníkové zóny okolo bodových funkcí ve vzdálenosti 10, 15, 25 nebo 30 km.

10.3.2. Buffering s neporušenými nebo zničenými hranicemi.

Nárazníkové zóny mají často rozpuštěné hranice tak, že neexistují žádné překrývající se oblasti mezi těmito nárazníkovými zónami. V některých případech však může být také užitečné aby pro hranice nárazníkové zóny zůstaly beze změny, tak, že každá vyrovnávací zóna je samostatný polygon a lze identifikovat překrývající se oblasti (viz obrázek figure_buffer_dissolve).

../../_images/buffer_dissolve.png

Obr. 10.12 Nárazníkové zóny s rozpuštěnou (levou) hranicí a neporušenou (pravou) hranicí ukazují překrávající se oblasti.

10.3.3. Buffering mimo i v zadané oblasti

Nárazníkové zóny kolem polygonových funkcí jsou obvykle prodlouženy směrem ven z hranice polygonu, ale je také možné vytvořit nárazníkové zóny směrem dovnitř z hranice polygonu. Řekněme například, ministerstvo cestovního ruchu chce naplánovat novou cestu kolem Robben Island a zákony životního prostředí vyžadují, aby cesta byla nejméně 200 metrů směrem dovnitř od pobřežní linie. Mohli použít buffering pro nalezení linii 200 m do vnitrozemí a poté naplánovat cestu a nejít nad rámec této lince.

10.4. Obvyklé problémy / věci, kterým se vyvarovat

Většina GIS aplikací nabízí nárazníkovou tvorbu jako nástroj pro analýzu, ale možnosti pro vytváření nárazníkové paměti se můžou lišit. Například, ne všechny GIS aplikace umožňují, aby nárazníkové paměti byly buď na levé, nebo na pravé straně linie, aby se rozpustily hranice nárazníkových zón, nebo do bufferu dovnitř z polygonu hranice.

Nárazníková vzdálenost musí být vždy definován jako celé číslo (integer) nebo desetinné číslo (hodnota s plovoucí desetinnou čárkou). Tato hodnota je definována v mapových jednotkách (metr, stopa, desetiné stupně) podle referenčního souřadnicového systému (CRS).

10.5. Více nástrojů prostorové analýzy

Nárazníková analýza je důležitým a často používaným nástrojem prostorové analýzy, ale existuje mnoho dalších, které mohou být použity v GIS a můžou být prozkoumány uživatelem.

„Prostorové překrytí“ je proces, který umožňuje určit vztahy mezi dvěma polygonálními funkcemi, které sdílejí všechny nebo část téže oblasti. Výstupní vektor je vrstva kombinací jednotlivých vstupu (viz figure_overlay_operations).

../../_images/overlay_operations.png

Obr. 10.13 Prostorová překrytí s dvěma vstupními vektorovými vrstvami (a_input = obdélník, b_input = kruh). Výsledná vektorová vrstva se zobrazí zeleně.

Typické příklady prostorové překryvy jsou:

  • „Průsečík“: Výstupní vrstva obsahuje všechny oblasti, kde se obě vrstvy navzájem překrývají (protínají).

  • „Shoda“: výstupní vrstva obsahuje nakombinovány všechny oblasti dvou vstupních vrstev.

  • „Symetrický rozdíl“: Výstupní vrstva obsahuje všechny oblasti vstupních vrstev s výjimkou těch oblastí, kde se obě vrstvy překrývají (průsečík).

  • „Rozdíl“: Výstupní vrstva obsahuje všechny oblasti první vstupní vrstvy, které se neshodují (protínají) s druhou vstupní vrstvou.

10.6. Co jsme se naučili?

Pojďme si shrnout co jsme si v této kapitole řekli.

  • „Nárazníkové zóny“ popisují oblasti okolo funkcí reálného světa.

  • Nárazníkové zóny jsou vždy „vektorové polygony“.

  • Prvek může mít „násobné“ nárazníkové zóny.

  • Velikost nárazníkové zóny je definována „nárazníkovou vzdáleností“.

  • Nárazníková vzdálenost musí být buď číslo a nebo číslo s plovoucí desetinnou čárkou.

  • Nárazníková vzdálenost může být odlišná pro každý prvek včetně vektorové vrstvy.

  • Polygony můžou být ohraničeny vnitřní nebo vnější nárazníkovou zónou.

  • Nárazníkové zóny můžou být vytvořeny s „neporušenými“ nebo „porušenými“ hranicemi.

  • Kromě bufferingu, GIS obvykle poskytuje celou řadu nástrojů pro vektorovou analýzu k řešení prostorových úloh.

10.7. Nyní si to zkuste vy!

Zde je pár nápadů k pokusům s Vašimi studenty:

  • Vzhledem k dramatickému nárůstu dopravy, urbanisté chtějí rozšířit hlavní silnici a přidat druhý jízdní pruh. Vytvoření nárazníkové zóny kolem silnice k hledání vlastností, které spadají do nárazníkové zóny (viz figure_buffer_road).

  • Pro ovládání protestovali skupiny, policie chce vytvořit neutrální zónu k udržení demonstrantů nejméně 100 metrů od budovy. Vytvoření nárazníkové zóny kolem budovy a barvy tak, aby projektanti událostí mohli vidět, kde je vyrovnávací plocha.

  • Nákladní továrna se plánuje rozšířit. Umisťovací kritéria stanoví, že potenciální místo musí být v rozmezí 1 km od těžké silnice. Vytvoření nárazníkové zóny podél hlavní silnice, takže můžete vidět, kde potenciální místa jsou.

  • Představte si, že město chce zavést zákon, že žádné obchody s lihovinami nemohou být v rámci nárazníkové zóny 1000 metrů kolem škoyy nebo kostela. Vytvořte 1 km nárazníkové zóny kolem své školy a pak zjistěte, jestli tam bude nějaký obchod s lihovinami.

../../_images/buffer_road.png

Obr. 10.14 Nárazníkové zóny (zelené) okolo silničních map (hnědé). Můžete vidět, které domy spadly v nárazníkové zóně a tak můžete vidět jestli by jste měli kontaktovat majitele o dané situaci.

10.8. Něco k přemýšlení

Pokud nemáte počítač k dispozici, můžete použít topografickou mapu a kompas k vytvoření nárazníkové zóny kolem budov. Proveďte drobné značky tužkou stejné vzdálenosti po celou dobu svého zkoumání pomocí kompasu, poté připojte značky pomocí pravítka!

10.9. Další čtení

„Knihy“:

  • Galati, Stephen R. (2006). Geografický informační systém demystifikovaný. Artech House Inc. ISBN: 158053533X

  • Chang, Kang-Tsung (2006). Úvod do geografických informačních systémů. 3. edice. McGraw Hill. ISBN: 0070658986

  • DeMers, Michael N. (2005). Základy informačních geografických systémů. 3. edice. Wiley. ISBN: 9814126195

Uživatelská přiručka QGIS má také více detailních informací o analýze vektorových dat v QGISu.

10.10. Kam dál?

V sekci, která následuje se blíže podíváme na „interpolaci“ jako příklad prosotorvé analýzy, kterou můžete s rastrovými daty.