Анализ наложения

Одним из самых главных вопросов, решаемых в ГИС, является "Что находится поверх чего?" Например:

• Какой тип землепользования соответствует какому типу почвы?
• Какие участки находятся в пределах зоны, подвергавшейся затоплению в последние 100 лет? ("В пределах" - это другой способ сказать "внутри" или "наверху".)
• Какие дороги расположены в границах определенных округов?
• Какие скважины находятся в пределах заброшенных военных баз?

Чтобы ответить на подобные вопросы во времена, когда ГИС еще не появились, картографам нужно было создавать карты на прозрачных пластиковых листах на просветных столах, а затем с помощью наложения создавать новую карту на основании наложенных данных. Так как при наложении получается такая ценная информация, это послужило основной предпосылкой разработки ГИС.

Операция наложения является гораздо более сложной, чем простое слияние линий; здесь используются все атрибуты пространственных объектов, которые участвуют в наложении, как показано в приведенном ниже примере, где участки (полигоны) и зоны затопления (полигоны) наложены (с помощью инструмента Объединение (Union)) для создания нового набора данных полигона. Земельные участки были разделены в том месте, где они пересекаются границей зоны затопления, и были созданы новые полигоны. Значение FID_flood указывает, располагаются ли полигоны вне зоны затопления (-1) или внутри нее, а также на то, что все полигоны сохранили исходные значения типа использования земель.

Общая площадь каждого типа землепользования в зоне затопления может быть рассчитана путем выбора всех полигонов внутри зоны затопления (например, с помощью инструмента Выбрать в слое по атрибуту (Select Layer By Attribute)) и суммирования площади по типу землепользования (с помощью инструмента Частота (Frequency)). Ниже приводится диаграмма, показывающая результат этого расчета.

Таким же способом вы могли бы наложить и границы водосборных бассейнов, и слой растительности для того, чтобы рассчитать площади, занимаемые каждым типов растительности в каждом водосборном бассейне.

На приведенном ниже рисунке, дороги транспортировки леса (линии) и типы растительности (полигоны) наложены для создания нового линейного класса пространственных объектов. Линии были разбиты в местах их пересечения с полигонами, и каждый линейный объект получил атрибуты обоих исходных слоев. Линии показаны символами по типам растительности, которые с ними связаны.

Вы можете использовать анализ наложений для объединения характеристик нескольких наборов данных в одном. Вы можете затем найти определенные местоположения или области, которые имеют определенный набор значений атрибутов, то есть, соответствуют критерию, который вы установили. Такой подход часто используется для нахождения местоположений, которые подходят для определенного использования или подвержены каким-либо рискам. Например, вы сделали наложение слоев типов растительности, уклона, экспозиции, влажности почв, и тому подобных, для определения областей, предрасположенных к природным пожарам.

Ниже приведен пример наложения слоев крутизны склонов, почв и растительности. Новые полигоны были созданы в результате пересечения границ входных полигонов. Созданные полигоны имеют все атрибуты исходных полигонов.

Анализ наложения часто используется совместно с другими типами анализа. Например, вы можете включить наборы данных, извлеченные с помощью анализа близости (такого как инструмент Буфер (Buffer)) или анализа поверхности (инструмент Уклон (Slope) или Экспозиция (Aspect)). Таким же путем вы можете выполнить дополнительный анализ по результатам наложения, например, произвести выборку для получения поднабора пространственных объектов или генерализацию (для удаления полигонов, например). Часто, наложение является одним шагом в анализе процесса или модели и может выполняться на различных этапах в общем процессе анализа.

Методы наложения

В целом, существует два метода выполнения анализа наложений: наложение пространственных объектов (наложение точек, линий или полигонов) и наложение растров. Некоторые виды анализа наложений подходят к одному или другому из этих методов. Анализ наложения для нахождения местоположений с использованием определенного критерия часто лучше всего выполняется с использованием наложения растров (однако, вы можете делать это по данным пространственных объектов). Конечно, это также зависит от того, в каком виде уже хранятся ваши данные, как пространственные объекты или в виде растров. Для получения хорошего результата нужно конвертировать данные из одного формата в другой и выполнить анализ.

Наложение объектов

Ключевыми элементами наложения пространственных объектов являются входной слой, слой наложения и выходной слой. Функция наложения разбивает пространственные объекты во входном слое там, где они перекрываются пространственными объектами слоя наложения. Новые области создаются в местах пересечения полигонов. Если входной слой содержит линии, они разбиваются в местах, где их пересекают полигоны. Эти новые пространственные объекты хранятся в выходном слое, исходный входной слой не изменяется. Атрибуты пространственных объектов в слое наложения присваиваются соответственно новым пространственным объектам в выходном слое вместе с исходными атрибутами входного слоя.

Ниже приводится пример наложения линий на полигоны. Линия разбивается на границах полигонов, и каждый из образованных линейных пространственных объектов имеет исходные атрибуты, а также атрибуты полигона, в котором он располагается.

Наложение растра

При наложении растров каждая ячейка каждого слоя пространственно привязана к одному и тому же географическому местоположению. Это удобно для комбинации характеристик многочисленных слоев в одном слое. Обычно большое количество значений соответствует каждой характеристике, что позволяет математически произвести объединение слоев и получить новое значение для каждой ячейки в выходном слое.

Ниже приведен пример наложения растра методом добавления. Два входных растра добавлены для создания выходного растра с суммированными значениями для каждой ячейки.

Такой подход часто используется для ранжирования значений атрибутов по пригодности или подверженности рискам, затем для последующего добавления их, чтобы получить общий ранг для каждой ячейки. Для разных слоев может быть также установлена относительная значимость для создания взвешенного ранжирования (ранги в каждом слое умножаются на значение веса слоя перед тем, как произвести суммирование с другими слоями).

Ниже приводится пример наложения растра с помощью добавления для моделирования пригодности. Три растровых слоя (крутизна склонов, почвы и растительность) ранжированы для построения пригодности по шкале от 1 до 7. Когда слои были добавлены (внизу), каждая ячейка была ранжирована по шкале от 3 до 21.

В другом случае, вы можете присвоить значение каждой ячейке в выходном слое на основе уникальных комбинаций значений из нескольких входных слоев.

Инструменты наложения

Инструменты наложения векторных объектов

Инструменты наложения пространственных объектов расположены в наборе инструментов Анализ (Analysis) группы инструментов Наложение (Overlay). Концептуально эти инструменты похожи, отличаются они по типам пространственных объектов, с которыми они оперируют, по возможности выполнять одновременное наложение нескольких слоев, а также по тому, какие входные и наложенные объекты остаются в выходном слое.

Инструмент	Парное или множественное наложение	Тип входных данных	Тип данных наложения	Выходные данные
Идентичность (Identity)	Парное	Любой	Полигон или как у входных данных	Входные объекты, разбитые по накладывающимся объектам
Пересечение (Intersect)	Множественное	Любой	недоступно	Только объекты, общие для всех входных слоёв
Симметричная разность (Symmetrical Difference)	Парное	Любой	Как у входных данных	Объекты, общие или для входного слоя, или для слоя наложения, не для обоих
Объединение (Union)	Множественное	Полигон	недоступно	Все входные объекты
Обновление (Update)	Парное	Любой	Полигон	Входные объекты, геометрически замененные обновленным слоем

Суммарная таблица операций наложения

Таблица, приведенная ниже, показывает результаты наложения входных наборов данных и наборов данных наложения при использовании каждого инструмента.

Входные объекты	Объекты наложения	Операция	Результат
		Идентичность (Identity)
		Пересечение (Intersect)
		Симметричная разность (Symmetrical Difference)
		Объединение (Union)
		Обновление (Update)

Визуализация результатов наложения

Инструменты наложения растра

Инструменты наложения растра расположены в нескольких наборах инструментов в группе инструментов Spatial Analyst. Spatial Analyst является дополнительным модулем ArcGIS, который лицензируется отдельно. Если ваше рабочее место имеет лицензию модуля Spatial Analyst и программное обеспечение Spatial Analyst установлено, у вас будет доступ к набору инструментов Spatial Analyst в ArcToolbox.

Инструмент	Местоположение	Описание
Зональная статистика (Zonal Statistics)	Группа инструментов Зональные	Суммирует значения растрового слоя по зонам (категориям) в другом слое, например, рассчитывает средние высоты каждой категории растительности.
Комбинировать (Combine)	Группа инструментов Локальные полиномы	Присваивает значение каждой ячейке выходного слоя на основе уникальной комбинации значений из нескольких входных слоев.
Взвешенное наложение (Weighted Overlay)	Группа инструментов Наложение (Overlay)	Автоматизирует процесс растрового наложения и позволяет вам присваивать веса каждому слою перед добавлением (вы можете также определить равное влияние для создания невзвешенного наложения).
Взвешенная сумма (Weighted Sum)	Наложение (Overlay), группа инструментов	Наложение нескольких растров с умножением каждого на присвоенный им вес и общим суммированием.

Суммарная таблица операций растрового наложения