Анализ близости

Одним из самых главных вопросов, который задается в ГИС, является "что находится рядом с чем?" Например:

• Как близко этот колодец расположен к мусорной свалке?
• Проходит ли какая-нибудь дорога на расстоянии 1,000 метров от реки?
• Каково расстояние между двумя местоположениями?
• Какой объект является ближайшим, а какой самым отдаленным?
• Каково расстояние между каждым объектов в слое и объектами в другом слое?
• Где проходит самый короткий путь по уличной сети от одного места до другого?

Инструменты близости могут быть подразделены на две категории в зависимости от типа входных данных, с которыми работают инструменты: пространственные объекты или растры. Инструменты для работы с пространственными объектами отличаются по типам выходных данных, которые они производят. Например, инструмент Буфер (Buffer) на выходе предоставляет полигональные пространственные объекты, которые затем могут быть использованы инструментами наложения и пространственной выборки, такими как Выбрать в слое по расположению (Select Layer By Location). Инструмент Ближайший объект (Near) добавляет инструмент измерения атрибута для входных пространственных объектов. Инструменты для работы с растром Евклидово расстояние (Euclidean distance) измеряют расстояния из центра исходных ячеек до центра ячеек назначения. Растровые инструменты стоимости расстояния рассчитывают стоимость каждой ячейки, находящейся между источником и местом назначения.

Инструменты объектно-ориентированной близости

Для определения отношений близости по данным пространственных объектов можно использовать инструменты из набора инструментов Близость (Proximity). Эти инструменты получают выходную информацию с помощью буферов пространственных объектов или таблиц. Буферы обычно используются для отображения охраняемых зон вокруг пространственных объектов или показывают зоны влияния. Например, вы можете окружить школу буфером шириной в одну милю и использовать буфер для выбора всех учеников, которые живут на большем расстоянии, чем одна миля от школы, для того, чтобы планировать их доставку в школу и обратно. Вы можете использовать инструмент множественного буфера для классификации областей вокруг пространственного объекта по классам дальности, например, близкое, среднее, большое расстояние, для последующего анализа. Буферы иногда используются для вырезания данных для заданной области изучения или для исключения пространственных объектов в пределах критического расстояния до чего-нибудь из последующего процесса анализа.

Буфер (Buffer) и Множественный буфер (Multiple Ring Buffer) создают области пространственных объектов на указанном расстоянии (или на нескольких указанных расстояниях) вокруг входного объекта.

Ниже приводятся примеры буферов вокруг линий и точек:

Ниже приведен пример множественных буферов:

Буферы могут быть использованы для выбора пространственных объектов в другом классе пространственных объектов, или они могут быть объединены с другими объектами с помощью инструмента наложения, для того, чтобы найти части объектов, которые попадают в буферные зоны.

Ниже приведен пример оконтуренных буферами точек, перекрытых полигональными пространственными объектами:

Ниже приведен пример изучаемой области, вырезанной по буферной зоне:

Инструмент Ближайший объект (Near) рассчитывает расстояние от каждой точки в одном классе пространственных объектов до ближайшей точки или линии в другом классе пространственных объектов. Вы можете использовать инструмент Ближайший объект (Near), чтобы найти ближайший водный поток к месту наблюдений за дикими животными или определить ближайшую автобусную остановку к конечным пунктам туристских маршрутов. Инструмент Ближайший объект (Near) также добавляет Идентификатор объекта и, дополнительно, координаты и угол направления к ближайшему объекту.

Ниже приводится пример, показывающий точки, ближайшие к речным объектам. Точки обозначены градуированными цветами на основе расстояния от реки, и они надписаны значениями расстояний.

Ниже представлена часть таблицы атрибутов точек, показывающая расстояние до ближайшего пространственного объекта реки:

Инструмент Расстояние между точками (Point Distance) рассчитывает расстояние от каждой точки в одном классе пространственных объектов до всех точек внутри выбранного радиуса поиска в другом классе пространственных объектов. Эта таблица может быть использована для статистического анализа, или она может быть присоединена к одному из классов пространственных объектов, для того, чтобы показать расстояние до точек в другом классе пространственных объектов.

Вы можете использовать инструмент Расстояние между точками (Point Distance) для изучения отношений близости между двумя наборами объектов. Например, вы можете сравнить расстояния между одним набором точек, представляющих несколько направлений бизнеса (например, театры, рестораны быстрого питания, инженерные компании и компьютерные магазины) и другой набор точек, представляющий расположение проблемных коммунальных объектов (мусор, разбитые окна, рисунки на стенах), с ограничением поиска в 1 милю для выявления локальных отношений. Вы можете присоединить итоговую таблицу к таблицам атрибутов направлений бизнеса и локальных проблем и рассчитать суммирующую статистику для расстояний между типами объектов бизнеса и локальных проблем. Вы можете найти более выраженную связь для некоторых пар объектов, чем для других, и использовать ваши результаты для планирования размещения общественных мусорных контейнеров или маршрутов полицейских патрулей.

Вы можете также использовать инструмент Расстояние между точками (Point Distance) для нахождения расстояния и направления ко всем водным источникам в пределах заданного расстояния от контрольной скважины, где вы обнаружили загрязнение.

Ниже приведен пример анализа расстояний между точками. Для каждой точки в одном классе пространственных объектов назначается ID, расстояние и направление к ближайшей точке в другом классе пространственных объектов.

Ниже приведена таблица Расстояние между точками, которая связана с одним набором точек и используется для выбора точек, ближайших к точке 55.

Оба инструмента, Ближайший объект (Near) и Расстояние между точками (Point Distance), возвращают информацию о расстоянии в виде числовых атрибутов во входной таблице атрибутов точечных объектов для инструмента Ближайший объект (Near) и в виде отдельной таблицы, которая содержит ID объектов входного класса и ближайших объектов для инструмента Расстояние между точками.

Инструмент Создать полигоны Тиссена (Create Thiessen Polygons) создает полигональные пространственные объекты, которые делят доступное пространство и распределяют его по отношению к ближайшему точечному объекту. Получаемый результат схож с результатами работы инструмента Распределение по евклидовому расстоянию (Euclidean Allocation) для растров. Полигоны Тиссена иногда используются вместо интерполяции для генерализации набора простых измерений в ближайшие к ним области. Полигоны Тиссена иногда также известны как проксимальные полигоны. Они могут быть использованы для моделирования площади водосбора для точек, как области внутри любого заданного полигона, находящегося ближе к этой точке полигона, чем любая другая.

Ниже приводится пример полигонов Тиссена для набора точек.

Вы можете использовать полигоны Тиссена для генерализации измерений, полученных с помощью набора инструментов для изучения климата, в окружающие их области или для моделирования зон обслуживания для ряда магазинов.

Инструменты Слои и представления таблиц

Инструмент Выбрать в слое по расположению (Select Layer By Location) позволяет изменить набор выбранных пространственных объектов в ArcMap с помощью поиска объектов в одном слое, которые находятся на заданном расстоянии (или соответствуют одному из нескольких пространственных отношений) от объектов в другом классе пространственных объектов или слое. В отличие от других инструментов по работе с векторными данными, инструмент Выбрать в слое по расположению (Select Layer By Location) не создает новые пространственные объекты или атрибуты. Инструмент Выбрать в слое по расположению (Select Layer By Location) находится в группе инструментов Слои и представления таблиц (Layers and Table Views). Также его можно выбрать в меню Выборка (Selection) в приложении ArcMap.

Ниже приводится пример, в котором выбраны точки в пределах выбранного расстояния от других точек, а буферы показаны только для схематического обозначения этого расстояния.

Вы можете использовать инструмент Выбрать по расположению (Select By Location) для нахождения всех магистралей в округе или всех домов на расстоянии пяти километров от очага природного пожара.

Инструменты анализа расстояний по линейной сети

Некоторые виды анализа расстояний требуют, чтобы измерения были привязаны к дорогам, водным потокам или другой линейной сети. Дополнительный модуль ArcGIS Network Analyst позволяет определить кратчайший путь вдоль сети транспортных маршрутов, найти ближайшую точку к заданной точке или организовать зоны обслуживания (зоны, которые находятся на одинаковом расстоянии от точки вдоль всех возможных путей) в транспортной сети.

Ниже приведен пример решения Маршрута для трех точек вдоль дорожной сети. Решение Ближайший пункт обслуживания (Closest Facility) находит ближайшие к исходному расположения в сети (по расстояниям маршрута).

Ниже приведен пример области обслуживания по времени перемещения в сети:

Network Analyst при поиске кратчайшего пути производит сравнительный анализ общей длины сегментов и различных вариантов маршрутов между расположениями. При поиске районов обслуживания Network Analyst выполняет анализ максимального расстояния вдоль каждого доступного сегмента сети, и конечные пункты этих путей становятся точками на периметре полигона зоны обслуживания.

Network Analyst также рассчитывает матрицы источник-назначение, которые представляют из себя таблицы расстояний между одним набором точек (Источники) и другим набором точек (Назначения).

Инструменты анализа расстояний по растру

ArcGIS Spatial Analyst предоставляет несколько наборов инструментов, которые могут быть использованы для анализа близости. Набор инструментов Расстояние (Distance) содержит инструменты, которые создают растры, показывающие расстояние каждой ячейки от набора пространственных объектов, или располагают каждую ячейку по отношению к ближайшему объекту. Инструменты расстояния могут также рассчитать кратчайший путь по поверхности или коридор между двумя местоположениями, что минимизирует два набора стоимости. Поверхности расстояний часто используются в качестве входных данных для анализа наложений; например, в модели пригодности для проживания, расстояние от водного потока может быть важным фактором для обитания водолюбивых животных, а расстояние от дорог может быть условием обитания пугливых видов животных.

Евклидово расстояние

Евклидово расстояние представляет собой прямолинейное расстояние или расстояние, измеренное по кратчайшему пути. Для заданного набора входных объектов, минимальное расстояние до объекта рассчитывается для каждой ячейки.

Ниже приведен пример выходных данных инструмента Евклидово расстояние (Euclidean Distance), в которых растр показывает расстояние до ближайшего речного объекта.

Вы можете использовать Евклидово расстояние в виде части модели лесного пожара, в которой возможность возникновения возгорания является функцией расстояния от ячейки существующего пожара.

Распределение по евклидову расстоянию

Распределение по Евклидову расстоянию подразделяет области и размещает каждую ячейку по отношению к ближайшему входному пространственному объекту. Такое действие является аналогичным созданию полигонов Тиссена при работе с векторными данными. Инструмент Распределение по евклидову расстоянию (Euclidean Allocation) создает полигональные растровые зоны, которые показывают ближайшие к заданным точкам расположения. Если вы точно определите максимальное расстояние для распределения, результаты будут аналогичными созданию буферов исходных пространственных объектов.

Ниже приводится пример анализа распределения по Евклидову расстоянию, в котором каждой ячейке выходного растра присвоен идентификатор (ID) ближайшего точечного пространственного объекта:

Вы можете использовать инструмент распределение по Евклидову расстоянию для моделирования зон влияния или водосборных бассейнов для набора населенных пунктов.

Ниже приводится пример анализа с помощью инструмента Распределение по Евклидову расстоянию, в котором каждой ячейке в пределах определенного расстояния от точки присвоен идентификатор (ID) ближайшего точечного пространственного объекта:

Цвет каждой ячейки указывает значение ближайшей точки; на втором рисунке максимальное расстояние ограничивает распределение зонами, похожими на буферы. Вы можете использовать Распределение по Евклидову расстоянию с максимальным расстоянием для создания набора буферных зон вокруг водных потоков.

Евклидово направление

Инструмент Евклидово направление присваивает каждой ячейке значение, которое определяет направление ближайшего входного пространственного объекта.

Ниже приведен пример выходных данных инструмента Евклидово направление (Euclidean Direction), где растр показывает направление на ближайший речной объект.

Вы можете использовать Евклидово направление, чтобы ответить на вопрос: Для любых заданных ячеек, какой путь я пройду, чтобы добраться до ближайшего магазина?

Стоимостное расстояние

В отличие от инструментов Евклидово расстояние, инструменты стоимостного расстояния выполняют операции с расстоянием, которое может быть также измерено по стоимости (например, потребление энергии, трудность или опасность), и что стоимость путешествия может различаться в зависимости от территории, покрытия земель или других факторов.

Заданный набор точек вы могли бы разделить на области между ними с помощью инструментов распределения по Евклидову расстоянию таким образом, что каждая зона выходных данных могла бы содержать все ближайшие к заданным точкам области. Однако если стоимость путешествия между точками изменяется в зависимости от некоторых характеристик области между ними, тогда заданное местоположение должно быть ближе, в зависимости от стоимости путешествия, к другой точке.

Ниже приведен пример использования инструмента Распределение по стоимостному расстоянию (Cost Allocation), в котором стоимость перемещения увеличивается в зависимости от типа земель. Темные области могут представлять труднопроходимые болота, а светлые области могут представлять более легко преодолеваемые луга.

Сравните результаты применения инструмента Евклидово распределение и результаты использования Распределения по стоимостному расстоянию.

В некоторых отношениях это более сложный способ работы с расстоянием, чем использование расчета с помощью прямых линий, но этот способ очень эффективен для моделирования движения по неоднородной поверхности.

Путевое расстояние

Инструменты расчета путевого расстояния расширяют возможности инструментов стоимостного расстояния, позволяя вам использовать стоимость растра, а также учитывать при анализе дополнительное расстояние при пересечении холмистой местности, т. е. стоимость передвижения вверх и вниз по различным склонам, а также дополнительную стоимость горизонтального фактора.

Например, два местоположения в длинной узкой горной долине могут быть значительно дальше друг от друга, чем похожие местоположения в следующей долине за горой, но общая стоимость пересечения территории может быть значительно ниже в долине, чем при переходе через горы. На эту общую стоимость могут влиять различные факторы, например:

• Гораздо труднее перемещаться через горные кустарниковые заросли, чем через долинные луга.
• Труднее перемещаться против ветра в горах, чем двигаться по ветру, и еще легче идти с попутным ветром по долине.
• Путь через горы длиннее, чем прямой путь между конечными точками маршрута, потому что вам приходится совершать подъемы и спуски.
• Путь, который следует профилю склона или срезает крутой склон наискосок, может быть менее трудным, чем путь напрямую вверх или вниз по этому склону.

Инструменты путевого расстояния позволяют вам моделировать такие сложные проблемы с помощью дробления стоимости перемещения на несколько компонентов, которые могут быть определены отдельно. Такими компонентами являются: растр стоимости (с которым вы бы работали в инструментах стоимости), растр превышений, который используется для расчета расстояния перемещения по поверхности, растр горизонтальных факторов (например, направления ветра), и растр вертикальных факторов (например, растр высот рельефа). В дополнение, вы можете контролировать, как стоимости горизонтальных и вертикальных факторов будут зависеть от направления движения в отношении к растру факторов.

Ниже приведен пример инструмента Распределение по путевому расстоянию (Path Distance Allocation), где на стоимость влияют несколько факторов.

Ниже на рисунке сравниваются результаты, полученные с использованием инструмента Распределение по Евклидову расстоянию (Euclidean Allocation), с результатами анализа с помощью Распределение по путевому расстоянию (Path Distance Allocation):

Инструмент Коридор (Corridor) ищет ячейки между расположениями, которые уменьшают стоимость перемещения с помощью двух различных поверхностей стоимостного расстояния. Например, вы можете использовать инструмент для идентификации областей, которые могут пересекать животные при движении из одной части парка в другую.

Ниже приводятся примеры двух наборов факторов, которые могут влиять на стоимость перемещения через ландшафт. В этом случае, один фактор - это тип покрытия земель, другой - склон.

Для каждого из этих факторов может быть использован инструмент Стоимостное расстояние (Cost Distance) для определения стоимости передвижения от одного или нескольких местоположений.

Инструмент Коридор (Corridor) объединяет результаты анализа Стоимостное расстояние (Cost Distance) для двух факторов. Результаты могут быть переклассифицированы для поиска областей, где объединенные стоимости не превышают определенный уровень. Такими областями могут быть удобные коридоры для перемещения животных.

Инструмент (Длина по поверхности (Surface length) в наборе инструментов ArcGIS 3D Analyst группы инструментов Функциональная поверхность (Functional Surface) рассчитывает длину входных линейных пространственных объектов по заданной поверхности рельефа. В холмистой или гористой местности такая длина может быть значительно больше, чем двумерная или планиметрическая длина пространственного объекта. Так же, как и извилистый путь между двумя точками длиннее, чем прямой, путь, который пересекает холмы и долины будет длиннее, чем путь, пролегающий на одном уровне. Информация о длине по поверхности добавляется в таблицу атрибутов входных линейных пространственных объектов.

Ниже приводится пример, который сравнивает длину линейных пространственных объектов по поверхности в пересеченной местности с длиной объекта на плоскости.

Инструменты анализа близости

Инструменты векторных расстояний

Инструмент	Местоположение	Что делает
Буфер (Buffer)	Набор инструментов Анализ (Analysis) / группа инструментов Близость (Proximity)	Создает данные новых объектов с границами объектов на заданном расстоянии от входных объектов
Ближайший объект (Near)	Набор инструментов Анализ (Analysis) / группа инструментов Близость (Proximity)	Добавляет к классу точечных объектов атрибутивные поля, содержащие расстояние, идентификатор объекта, угол и координаты ближайшего точечного или линейного объекта
Инструмент Расстояние между точками (Point Distance)	Набор инструментов Анализ (Analysis) / группа инструментов Близость (Proximity)	Создает новую таблицу с атрибутами расстояния и идентификатора объекта, указывающих на расстояние от каждой точки входного класса пространственных объектов до всех точек в классе Ближайшие объекты в пределах заданного радиуса поиска
Выбор по расположению (Select By Location)	Набор инструментов Управление данными (Data Management) / группа инструментов Слои и представления таблиц (Layers and Table Views)	Производит выборку пространственных объектов из определенного класса объектов в пределах заданного расстояния от класса входных пространственных объектов (или с помощью других пространственных отношений)
Инструмент Создать полигоны Тиссена (Create Thiessen Polygons)	Набор инструментов Анализ (Analysis) / группа инструментов Близость (Proximity)	Создает полигоны областей, ближайших к каждому пространственному объекту для набора входных пространственных объектов
Создать слой ближайшего пункта обслуживания (Make Closest Facility Layer)	Группа инструментов Network Analyst / Анализ (Analysis)	Устанавливает параметры анализа для поиска ближайших местоположений или набора местоположений в сети до другого местоположения или набора местоположений
Создать слой области обслуживания (Make Service Area Layer)	Группа инструментов Network Analyst / Анализ (Analysis)	Устанавливает параметры анализа для нахождения полигонов, которые определяют область в пределах заданного расстояния от одного или более местоположений по всем направлениям в сети
Создать слой маршрута (Make Route Layer)	Группа инструментов Network Analyst / Анализ (Analysis)	Устанавливает параметры анализа для поиска кратчайшего пути в наборе точек
Создать слой матрицы Источник-Назначение (Make OD Cost Matrix Layer)	Группа инструментов Network Analyst / Анализ (Analysis)	Устанавливает параметры анализа для создания матрицы расстояний в сети между двумя наборами точек

Таблица инструментов векторных расстояний с местоположениями и описаниями

Инструменты расстояния по растру

Инструменты измерения расстояний по растру расположены в наборе инструментов ArcToolbox в группе инструментов Расстояние (Distance) (в наборе инструментов Spatial Analyst) и группе инструментов Функциональная поверхность (Functional Surface) (в наборе инструментов 3D Analyst).

Инструмент	Местоположение	Что делает
Евклидово расстояние (Euclidean Distance)	Группа инструментов Spatial Analyst / Расстояние (Distance)	Рассчитывает расстояние до ближайшего объекта-источника для каждой ячейки.
Распределение по Евклидову расстоянию (Euclidean Allocation)	Группа инструментов Spatial Analyst / Расстояние (Distance)	Присваивает каждой ячейке идентификатор ближайшего источника.
Евклидово направление (Euclidean Direction)	Группа инструментов Spatial Analyst / Расстояние (Distance)	Рассчитывает направление до ближайшего источника для каждой ячейки.
Стоимостное расстояние (Cost Distance)	Группа инструментов Spatial Analyst / Расстояние (Distance)	Рассчитывает расстояние до ближайшего источника для каждой ячейки, сводя до минимума стоимость, заданную в стоимостной поверхности.
Распределение по стоимостному расстоянию (Cost Allocation)	Группа инструментов Spatial Analyst / Расстояние (Distance)	Присваивает идентификатор ближайшего источника каждой ячейке, сводя до минимума заданную стоимость стоимостной поверхности.
Оптимальный путь (Cost Path)	Группа инструментов Spatial Analyst / Расстояние (Distance)	Рассчитывает наименьшую стоимость пути от источника к назначению, сводя до минимума стоимость, определенную в стоимостной поверхности.
Стоимостное направление (Cost Back Link)	Группа инструментов Spatial Analyst / Расстояние (Distance)	Определяет для каждой ячейки соседнюю ячейку, которая располагается на пути наименьшей стоимости от источника к назначению, сводя до минимума стоимость, заданную в стоимостной поверхности.
Путевое расстояние (Path Distance)	Группа инструментов Spatial Analyst / Расстояние (Distance)	Рассчитывает расстояние до ближайшего источника для каждой ячейки, сводя до минимума горизонтальную стоимость, заданную в стоимостной поверхности, а также стоимость расстояния по поверхности с учетом рельефа местности и трудности вертикального перемещения, определяемой растром рельефа и вертикальными стоимостными параметрами.
Распределение по путевому расстоянию (Path Distance Allocation)	Группа инструментов Spatial Analyst / Расстояние (Distance)	Присваивает каждой ячейке идентификатор ближайшего источника, сводя до минимума горизонтальную стоимость в стоимостной поверхности, а также стоимостей с учетом рельефа расстояния поверхности и трудности вертикального перемещения, определяемых растром рельефа и вертикальными стоимостными параметрами.
Инструмент Путевое направление (Path Distance Back Link)	Группа инструментов Spatial Analyst / Расстояние (Distance)	Определяет для каждой ячейки соседнюю ячейку, которая располагается на пути наименьшей стоимости от источника до назначения, сводя до минимума горизонтальную стоимость, заданную в стоимостной поверхности, а также стоимость с учетом рельефа расстояния поверхности и трудности вертикального перемещения, определяемых растром рельефа и вертикальными стоимостными параметрами.
Коридор (Corridor)	Группа инструментов Spatial Analyst / Расстояние (Distance)	Рассчитывает сумму общей стоимости для двух входных растров стоимостного расстояния. Ячейки ниже заданного порога значений определяют область или коридор между источниками, в которых две стоимости сведены к минимуму.
Длина по поверхности (Surface Length)	Группа инструментов 3D Analyst / Функциональная поверхность (Functional Surface)	Вычисляет длину линейных объектов по поверхности, с учётом рельефа.

Таблица инструментов расстояния по растру, с местоположениями и описаниями