Tema nr. 12 ANALIZA SPAŢIALĂ PRIN TEHNICA OVERLAY

5.7. OVERLAY ŞI MODELARE SPAŢIALĂ

Am arătat în capitolele precedente faptul că baza de date geografică este organizată, în linii mari, sub formă de layere. Layerele şi datele acestora se analizează prin interpolare, agregare, operaţii de filtrare, tehnici de generare a suprafeţelor continue etc. Analiza globală a informaţiilor conţinute în baza de date presupune abordarea concomitentă a mai multor layere. Cel mai adecvat mod de analiză simultană a conţinuturilor layerelor, îl reprezintă metoda sau tehnica overlay.

Ori de câte ori, analiza spaţială efectuată implică mai mult decât un singur layer, vom avea nevoie de overlay. Prin analiza informaţiilor a mai multor layere, prin efectuarea unor operaţii cantitative între conţinutul layerelor care conduc la definirea unei noi configuraţii spaţiale a elementelor de interes, în fapt, se efectuează o modelare spaţială.

Prin modelare spaţială înţelegem nivelul cel mai înalt al Analizei Spaţiale, având ca rezultat modele sau scenarii spaţiale. Rezultatele overlayului pot fi considerate modele spaţiale. Încorporarea unor elemente de modelare matematică la nivelul analizei layerelor sau al tehnicii overlay, defineşte ceea ce se numeşte modelare matematică a datelor spaţiale.

5.7.1. OVERLAY PE BAZA ALGEBREI CARTOGRAFICE ŞI BOOLEENE

Termenul overlay este la ora actuală consacrat în literatura de specialitate, şi atât de bine fixat printre utilizatorii de SIG din diverse ţări, încât, nu credem că este cazul să utilizăm un echivalent în limba română.

Prin tehnica overlay se înţelege operaţia de suprapunere sau combinare a două sau mai multe layere, care implică operaţii algebrice, operaţii logice, operaţii topologice etc, şi care au efecte grafice şi non-grafice. Se subînţelege faptul că, aceste operaţii nu ar putea fi efectuate la scară spaţială (aproape deloc) fără un mediu informatic propriu (SIG) şi fără o tehnologie informatică adecvată. Prin urmare, utilizarea termenului de tehnică overlay, credem că este îndreptăţită. Aplicare tehnicii de overlay vizează două sau mai multe layere, entităţile spaţiale şi bazele de date asociate. De aceea, tehnica overlay mai este numită operaţie spaţială multiplă.

Prin overlay se generează un nou layer, respectiv, date şi atribute noi. Se poate spune, fără a greşi, că forţa şi calitatea unui program SIG, nota sa definitorie, este în mare măsură determinată de pachetul de tehnici overlay de care dispune, sau care se pot crea prin mijloace proprii (de exemplu printr-un limbaj de programare). La baza operaţiei de overlay se află algebra cartografică şi algebra booleeană.

1) Operaţiile matematice adaptate, ca funcţionalitate, pentru structurile raster (quadtree) formează ceea ce se numeşte algebra cartografică. Asupra datelor atribut ale unui layer se pot efectua operaţii aritmetice, operaţii trigonometrice, transformări logaritmice etc. Operaţiile efectuate asupra unui singur layer se

numesc operaţii scalare. Unele dintre aceste operaţii ( + ,-,/,*,>,< , Exp., Max., Min.) efectuate între valorile celulelor de aceleaşi coordonate a două sau mai multe rastere definesc overlayul matematic, având ca rezultat tot un layer cu structură raster (quadtree). Astfel, layerul rezultat reprezintă efectul combinării matematice a două sau mai multe layere.

De regulă, operaţiile de algebră cartografică se combină în procesul de analiză spaţială bazată pe tehnica overlay, cu operaţii de interogare. Prin diverse forme de interogare (extragere, reclasificare, editarea datelor noi) se pot pregăti datele raster pentru operaţii algebrice ulterioare.

2) Overlayul dintre două layere de tip vector implică crearea unei noi topologii a layerului rezultat, deoarece apare o grafică nouă, însoţită de atribute noi. Pentru a soluţiona această problemă se face apel la algebra booleeană. Operaţiile algebrei booleeene sunt: SAU, ŞI, SAU exclusiv şi negaţia. Simbolurile asociate în operaţiile cu mulţimi sunt: reuniunea, intersecţia, diferenţa simetrică şi negaţia sau complementul. Aceste operaţii se mai numesc operaţii logice deoarece ele arată numai existenţa unor relaţii de forma adevărat/fals. Combinarea layerelor pe baza operaţiilor booleeene înseamnă, în fapt, combinarea unor condiţii logice. De aceea, overlayul de acest tip se mai numeşte overlay logic.

Tehnica overlay oferă capacităţi sporite analizei spaţiale, ca proces de examinare şi interpretare a datelor şi layerelor. Analiza spaţială efectuată cu ajutorul tehnicii overlay va dezvălui date şi informaţii până atunci ascunse, dar importante pentru utilizator în activitatea de caracterizare a obiectelor şi fenomenelor, şi de valorificare a informaţiilor pentru evaluări şi pentru luarea deciziilor. Ţinând cont de specificul structurilor de date, se deosebesc următoarele tipuri de overlay: raster/raster, vector/vector şi raster/vector. Overlayul nu trebuie înţeles ca fiind o simplă suprapunere de hărţi tematice (similară cu suprapunerea foliilor transparente) urmată apoi de interpretarea regională, deoarece, între datele layerelor se vor efectua anumite operaţii.

Pentru a efectua operaţia de overlay, utilizatorul va acorda atenţia cuvenită în ceea ce priveşte tipurile de layere, calitatea datelor, rezoluţia acestora, scara, sistemul de proiecţie, georeferenţierea, eventualele transformări de structură a datelor etc.

5.7.2. OVERLAY VECTORIAL

Overlayul vectorial poate fi de trei feluri: punct/poligon, linie/poligon, poligon/poligon şi linie/linie. O hartă cu asemenea date este dată în figura 5.47.

1) Suprapunerea unui layer punctual peste un layer poligonal se numeşte overlay punct/poligon. Prin acest overlay se va crea o coloană pentru un atribut nou care va exprima identificatorul poligonului care a fost intersectat de fiecare punct. Dacă în noua coloană va apărea valoarea zero, înseamnă că punctul corespunzător se află în exteriorul oricărui poligon al layerului. Menţionăm faptul că prin această metodă se poate identifica dacă un anumit punct aparţine sau nu, unui poligon. Acest overlay răspunde la întrebări de forma: pe ce tipuri de sol este amplasată reţeaua de pluviometre, cine sunt proprietarii parcelelor pe care se proiectează viitoarele sonde ?

2) Overlayul linie/poligon va genera un nou layer de tip linie, dar care va conţine mai multe linii decât layerul original. De exemplu layerul bazinului hidrografic Mureş se suprapune peste layerul comunelor pentru a identifica care sunt râurile care străbat fiecare comună. Noul layer creat va fi însoţit de două coloane de atribute rezultate din fiecare layer original. Prima coloană va preciza identificatorul liniei originale (a râului), iar a doua coloană va preciza identificatorul poligonului (comunei) intersectat de linia respectivă. Dacă în ultima coloană apare zero însemnă că râul nu trece prin comuna respectivă. Intersecţia dintre o linie şi limita unui poligon, va genera două linii în noul layer, fiecare cu identificator propriu, dar cu aceeaşi valoare (sau nume) în prima coloană (coloana liniei sau a râului).

3) Overlayul poligon/poligon generează un nou layer poligonal însoţit de două noi coloane. Din partea fiecărui poligon original vor apărea în cele două coloane, identificatori care precizează originea fiecărui nou poligon rezultat prin acest tip de overlay. Prezenţa lui zero într-una dintre coloane va indica faptul că poligonul respectiv nu reprezintă rezultatul unei intersecţii, ci faptul că a apărut ca fragment al unui poligon care nu a avut corespondent în cel de-al doilea layer original.

4) Overlayul linie/linie generează un nou layer de tip linie. Ca şi în cazurile precedente, acesta va fi însoţit de două noi coloane, cu conţinuturi similare ca mai sus, care au ca sursă informaţiile layerelor originale. Intersecţia dintre o linie a unui layer şi o linie a celui de-al doilea layer va avea ca efect împărţirea în două a primei linii. Astfel, noul layer va avea mult mai multe linii, fiecare cu identificator propriu. Chiar dacă o linie a fost divizată în două prin intersecţia cu o altă linie, şi chiar dacă fragmentele rezultate au identificatori proprii, cele două noi linii vor conserva valoarea (denumirea) originală. Tot ca şi în cazurile precedente, prezenţa lui zero într-una dintre noile coloane indică faptul că fragmentul de linie corespunzător, nu a făcut parte din layerul original.

5.7.3. OVERLAY MATRICIAL ŞI MULTICRITERIAL

Cu ajutorul unor operaţii matematice efectuate între valorile atribut a două rastere se realizează overlayul raster/raster, numit şi overlay matematic, care are ca rezultat tot un layer cu structură raster. Overlayul matricial şi cel multicriterial, cu efecte mai importante în domeniul analizei spaţiale, implică layere de tip quadtree (mult mai uşor de manevrat din punct de vedere al programării).

1) Overlayul matricial creează un nou layer quadtree bazat pe analiza comparativă a două layere quadree originale. Această funcţie utilizează o matrice în care clasele primului quadtree reprezintă liniile matricei, iar clasele

celui de-al doilea quadtree reprezintă coloanele matricei respective. Celulele celor două layere care corespund intersecţiilor linii - coloane, sunt supuse, de către utilizator, unei scheme de clasificare. Pe baza cunoaşterii caracteristicilor de bază ale fenomenului analizat, utilizatorul va edita valorile claselor noului quadtree şi va preciza nivelul de quadtree care se va aplica în timpul procesării datelor.

2) Prin analiza şi interpretarea datelor, s-a constatat faptul că unii factori pot avea o pondere mai mult sau mai puţin însemnată, în modul de distribuţie spaţială a fenomenului analizat şi, ca urmare, în procesul de luare a deciziilor. Overlayul multicriterial soluţionează problemele de analiză spaţială, care urmăresc diferenţierea rolului pe care îl au diverse componente, în variabilitatea spaţială a unui obiect sau fenomen din lumea reală. Overlayul multicriterial efectuează combinarea mai multor layere (maximum 18 în cazul SPANS 7.0), pentru a delimita şi ierarhiza regiuni după criterii fixate de utilizator.

De exemplu, se solicită localizarea şi ierarhizarea spaţială a potenţialului de mineralizare a unei regiuni, pentru a cunoaşte de ce unele areale dispun de un potenţial mineralogic mai ridicat, iar altele nu. În funcţie de rezultatele analizei spaţiale urmează a se lua decizii practice privind începerea unor lucrări.

Layerele necesare pot fi create pornind de la anumite date iniţiale prin metodele prezentate anterior, dar pentru cursivitatea demonstraţiei presupunem că ele au fost deja create. Hărţile tematice (layerele) disponibile sunt: harta geologică, harta geomagnetică, harta reţelei de falii (incluzând vecinătăţi), harta ocurenţelor minerale (incluzând vecinătăţi), hărţi cu izolinii ale concentraţiilor de Cu, Pb şi Zn (exemple: fig. 5.48,5.49,5.50).

Pentru a rezolva această problemă cu ajutorul overlayului multicriterial, este foarte important ca utilizatorul să cunoască elementele definitorii ale potenţialului de mineralizare din regiunea dată, deoarece va trebui să intervină în procesul de analiză spaţială. Utilizatorul va selecţiona acele layere care definesc fenomenul analizat şi care explică variabilitatea lui în spaţiu.

Importanţa relativă a fiecărui layer pentru modelarea configuraţiei spaţiale a mineralizării, va fi exprimată de către utilizator prin acordarea unor ponderi procentuale (fig. 5.51). Ponderile pot fi distribuite egal, sau importanţa unor layere poate fi accentuată prin procentaje mai mari.

Utilizatorul va interveni şi în conţinutul legendelor layerelor, pe temeiul că unele clase (atribute) sunt mult mai favorabile pentru fenomenul analizat, decât altele. Pe baza unei scări de favorabilitate calitativă (de exemplu: foarte puţin, puţin, moderat, mult, foarte mult) echivalată numeric prin punctaje (de exemplu: 1, 2, 3, 4, 5), utilizatorul va ierarhiza clasele (fig. 5.51). Prin urmare, ambele intervenţii ale utilizatorului vor fi de tip numeric

în felul acesta overlayul multicriterial nu constituie doar rodul muncii

calculatorului ci, reprezintă efectul aplicării unui algoritm, m care un rol important îl are profesionalismul utilizatorului. Ca şi în cazul altor analize cu layere de tip quadtree, utilizatorul va fixa nivelul de quadtree, ceea ce va influenţa procesarea şi rezoluţia rezultatelor.

Operaţia de overlay va produce o singură hartă care va avea o nouă temă, şi anume potenţialul de mineralizare al teritoriului (fig. 5.S2). Această nouă caracteristică a teritoriului oferă o imagine globală a distribuţiei spaţiale a elementelor chimice (Cu, Pb, Zn) în strânsă legătură cu unii factori condiţionali.

Legenda acesteia va fi de ordin calitativ adică: foarte puţin, puţin, moderat, mult, foarte mult. Deoarece rezultatul este un layer quadtree, utilizatorul poate efectua diverse clasificări a noilor date pentru a detalia şi mai mult conţinutul hărţii şi legenda acesteia. Pentru interpretarea rezultatelor cu mijloace SIQ se vor efectua interogări, rapoarte şi grafice statistice, calcule şi editări de noi atribute etc.

Exemplul de mai sus demonstrează utilitatea overlayului multicriterial pentru analiza de decizie, în funcţie de realitatea din teren. Practic, nu există delimitări concrete în ceea ce priveşte domeniile în care s-ar putea aplica overlayul multicriterial, şi în general analiza spaţială, fiindcă aproape orice fenomen sau resursă comportă variabilitate spaţială.

Se cuvine să menţionăm faptul că, unele obiecte şi fenomene ale lumii reale îşi schimbă trăsăturile pe parcursul timpului. Există încercări privind incorporarea factorului timp în modelarea datelor spaţiale, dar această problemă nu este încă soluţionată în cadrul SIG. Capitolul 5.8, se referă mai pe larg la acesta problemă.