10.7. Пакет гіс і обробки просторової інформації

IDRISI

IDRISI – програмний пакет, який до останньої версії мав назву растрового пакета просторового аналізу й обробки зображень. Але остання версія пакета –IDRISIKilimanjaro(2004) має назву “пакет ГІС і обробки зображень”. Пакет створений в Університеті Кларка (м. Ворчестер, штат Массачусетс, США), названий на честь арабського картографа і географа ХII століття (народився в 1099 р.). Першу версію пакета було випущено в 1987 р. Пакет використовується більш ніж у 100 країнах світу у різних проектах, пов’язаних з управлінням і охороною природних ресурсів. Він входить у навчальні програми багатьох університетів, у тому числі в розроблену у Національному центрі географічної інформації й аналізу (NCGIA) США, програму підготовки фахівців у галузі ГІС – Core Curriculum (1991). Пакет названий розроблювачами «некомерційним» і має відносно невисоку ціну – $995 (IDRISI Kilimanjaro). Його вартість знижується практично вдвічі при придбанні пакета для навчальних і наукових цілей: академічна ліцензія коштує $600, для студентів же вартість пакета дорівнює $250.

Пакет належить до інструментальних ГІС настільного типу. Він первісно був орієнтований на використання як апаратної платформи персональних комп’ютерів. Проте пакет має розвинуті аналітичні можливості і в цьому не поступається потужним професійним ГІС-пакетам. Перші версії пакета IDRISI запускалися під операційною системою MS DOS (до версії 4.1 включно), сучасні – під MS Windows. Остання версія пакета, IDRISI Kilimanjaro, має 32-бітову архітектуру і розроблялася для роботи під керуванням Windows NT (версії 3.5 і вище) на робочих станціях чи персональних комп’ютерах, хоча запускається також і на PC Pentium III чи вище під керуванням Windows XP, 2000 чи 98/Me з відеоадаптером, що має мінімальний просторовий дозвіл 1024768 і 64000 кольорів. Мінімальна оперативна пам’ять, необхідна для роботи, – 128 Мб. Програма вимагає для розміщення на твердому диску 600 Мб вільного простору. Для порівняння відзначимо, що версія пакета 4.0 для DOS (1992) запускалася на персональних комп’ютерах IBM AT (починаючи від AT 286) чи PS/2 з 512 Kб вільної оперативної пам’яті і відеоадаптером EGA, VGA чи SuperVGA і вимагала для розміщення на твердому диску усього лише близько 6 Мб дискового простору.

Пакет IDRISI працює із трьома базовими типами даних, що зберігаються в системі у вигляді файлів:

а) растрових зображень (image) з розширенням .img для файлу даних і .doc – для документаційного файлу, що є основною формою для опису й аналізу просторових об’єктів і явищ у цій системі;

б) векторних зображень, які використовуються для введення даних у систему за допомогою дигітайзера, виведення на папір за допомогою принтера чи плотера, а також при експорті в інші системи, що мають стандартні розширення: .vec– для файлів даних і.dvc– для файлів документації;

в) атрибутивних значень, що описують якісні характеристики просторових об’єктів з розширенням .valдля файлів значень і.dvlдля файлів документації.

Базовою формою представлення даних у IDRISI є прямокутна матриця, яка містить числові значення, що характеризують величину чи код будь-якого просторового об’єкта чи явища. Елементи матриці відповідають коміркам растра і мають форму прямокутника, розміри якого задаються користувачем у момент створення карти. Кожен елемент зображення має свої координати в матриці, які можуть мінятися при різних картографічних операціях. Структура файлу .imgу форматі ASCII має вигляд безперервного стовпчика чисел, з яких система створює прямокутну матрицю за допомогою даних, що містяться в допоміжному файлі з розширенням .doc. У цьому файлі описано: кількість рядків і стовпців матриці, розміри комірки, систему координат, одиниці вимірювання, мінімальне і максимальне значення координат і просторової змінної, просторовий дозвіл, заголовок і легенду карти і деякі інші характеристики.

Дані всіх типів у пакеті можуть перетворюватися в два формати збереження (типу файлової структури – filetype): бінарний (binary) і символьний (ASCII). Залежно від величин значень комірок растра передбачено три типи форматів збереження даних (типу даних – data type):

- byte(1 байт на значення, інтервал значень від 0 до 255);

- integer (2 байти на значення, інтервал значень від -32767 до +32767);

- real(4 байти на значення, величини значень до2³² ).

Правильний вибір формату збереження може значно скоротити час обробки даних і дисковий простір, необхідний для їх збереження.

Перетворення внутрішніх форматів системи виконується за допомогою модуля CONVERT. Максимальний розмір підтримуваних растрових файлів – 32000 рядків на 32000 стовпців.

Пакет має модульну структуру. При цьому, завдяки відкритій архітектурі, імовірне додавання нових функціональних можливостей будь-якому зацікавленому користувачеві. Остання версія пакета IDRISI Kilimanjaro (2004) містить більше 200 функціональних модулів, об’єднаних у кілька тематичних груп, що представляють собою розділи головного меню.

Набір функціональних модулів пакета змінюється від версії до версії (у першу чергу за рахунок додавання нових модулів, що розширюють функціональні і аналітичні можливості пакета), однак базовий склад і груповання модулів за тематичними групами залишається приблизно однаковим. Основними групами програмних модулів пакета Idrisifor Windows версії 2.00 є:

Project Management (Керування проектом),

File (Керування файлами);

Display (Відображення),

Analysis (Аналіз);

Reformat (Перетворення даних);

Data Entry (Уведення даних).

До першої групи(Project Managment) належать модулі настроювання системних змінних і організації інтерфейсу користувача. Усі системні настроювання в IDRISI задаються в модулі ENVIRON: указання на поточні директорії з файлами даних, угода про розширення різних типів файлів даних, посилання на номери портів уведення-виведення, до яких підключені периферійні пристрої, та керування кольором повідомлень на екрані.

Група Fileмістить програмні модулі, що забезпечують стандартні процедури маніпулювання файлами даних – копіювання, переміщення, видалення, перегляд і редагування (у визначених межах) документаційних файлів і змісту просторових файлів, а також функції імпорту/експорту просторових даних, зокрема, імпорту файлів даних, підготовлених в інших ГІС, у тому числі в ARC/INFO, MapInfo, ERDAS, GRASS, Atlas*GIS, або таких, що зберігаються в стандартних промислових форматах, таких, як TIFF, GIF, BMP, DXF, GLG, ASCII.

Група Display містить програмні модулі, відповідальні за відображення змісту просторових файлів на екрані з використанням широкого спектра стандартних і користувацьких колірних палеток (до 256 колірних чи чорно-білих градацій) у двовимірному (модуль Display Launcher) і тривимірному перспективному з можливістю накладення двох карт (модуль ORTHO) зображеннях. Модуль Display Launcher забезпечує функції збільшення і зменшення зображення, панорамування, а також зчитування інформації з зображення і екранного дигитизування з використанням маніпулятора “миша”. У версії пакета IDRISI Kilimanjaro до цього доданий модуль, що забезпечує тривимірну візуалізацію цифрової моделі рельєфу з заданої висоти як при імітації польоту над місцевістю.

Група Analysis містить більше шістдесяти програмних модулів, що забезпечують широкі можливості просторового аналізу растрових зображень. Вони згруповані у вісім підгруп (розділів підміню), у тому числі:

Database Quaery (Робота з базою даних);

Mathematical Operators (Математичні оператори);

Distance Operators (Дистанційні оператори);

Context Operators (Контекстні оператори);

Statistics (Статистика);

Image Processing (Обробка зображень);

Decision Support (Підтримка рішень);

Change / Time Series Analysis (Аналіз змін / Часових рядів).

Перші чотири підгрупи – Database Query, Mathematical Operators (Map Algebra), Distance Operators і Context Operators – у попередніх (DOS) версіях пакета поєднувалися під загальною назвою «Географічний (Просторовий) аналіз». Вони містять набір інструментів, що дозволяють реалізувати картометричні операції (модулі AREA, PERIM, DISTANCE), операції побудови буферів (BUFFER), рекласифікацію (RECLASS), оверлейний аналіз (OVERLAY та ін.). Математичні оператори (оператори картографічної алгебри), представлені модулями OVERLAY, SCALAR і TRANSFOR. Модуль SCALAR виконує операції додавання, вирахування, множення, ділення і зведення у степінь значень пікселів зображень з використанням як операнда постійного числа. Модуль TRANSFOR виконує трансформацію зображень з використанням алгебраїчних і тригонометричних функцій – натурального логарифма і натурального антилогарифма, квадрата і квадратного кореня, синуса, косинуса, тангенса і відповідних зворотних тригонометричних функцій. Аналіз поверхонь і цифрових моделей рельєфу (визначення ухилів, експозицій і відносної інсоляції, визначення зон видимості) виконується модулями підгрупи Context operators – SURFACE, VIEWSHED, WATRSHED. Більшість функцій просторового аналізу IDRISI ґрунтуються на алгоритмах картографічної алгебри, розроблених C.Д. Томліном (Tomlin, 1983а, 1990), і сумісні c аналогічними функціями в інших Гіс-пакетах (наприклад, MGE, ARC/INFO, PCRaster).

Загальну характеристику методів статистичного аналізу в пакеті IDRISI наведено в параграфі 6.6. Основні оператори статистичного аналізу зосереджені в блоці Statistics. Однак значна частина операторів прикінцевих трьох блоків методів аналізу – Обробки Зображень, Підтримки Рішень і Аналізу Змінень / Часових Рядів – також ґрунтуються на теорії імовірностей і математичній статистиці. Крім цього, у останній версії пакета – IDRISI Kilimandjaro до складу пакета вперше доданий модуль геостатистичного аналізу і моделювання, що містить процедури локально-статистичного моделювання, відомих за назвою «кригінг». Для реалізації цих процедур використовується модифікована версія пакета Gstat (Pebesma, Wesseling, 1998).

Блок програмних модулів Image Processing (Обробка зображень), під якими тут розуміють аеро- чи космознімки, сканерні зображення чи графічні файли, містить операції виділення колірних діапазонів, фільтрації, класифікації і т.ін. Усього дана група містить близько сорока програмних модулів, ділених на такі частини:

Restoration (Відновлення);

Enhancement (Обробка);

Transformations (Трансформація);

Signature Development (Створення підписів);

Hard Classifiers («Жорсткі» класифікації);

Soft Classifiers / Mixture Analysis («М’які» класифікації / Змішаний аналіз);

Accuracy Assessment (Оцінка точності).

Блоки програмних модулів Decision Support (Підтримка рішень) і Change / Time Series Analysis (Аналіз змін / Часових рядів), що містять дуже цікаві і цінні з прикладної точки зору оператори, були уперше віднесені до версії 4.1 пакета для DOS і вже є традиційними у версіях для Windows.

Блок Decision Support містить п’ятнадцять програмних модулів, у тому числі: BAYES, що виконує аналіз вхідних карт із використанням теореми Байєса; PCLASS, що оцінює імовірності, з якими дані комірок перевищують чи не перевищують визначені граничні значення, установлені на основі аналізу вхідних карт; FUZZY, що оцінює дані комірки як нечіткий (fuzzy) набір значень на основі однієї з трьох функцій: сигмоїдальної, j-подібної і лінійної (підтримуються монотонно зростаючий, монотонно спадний, симетричний і асиметричний варіанти); RANDOM, що створює просторові зображення, які відповідають логнормальній, нормальній і рівномірній моделям просторового розподілу; RANK, який ранжує комірки растрового зображення, і ряд інших, котрі можуть використовуватися як самостійно, так і спільно при оптимізації рішень на основі модулів MCE – багатокритеріальної оцінки і MOLA – багатоцільового розподілу земель, що також входять у дану групу.

Блок Аналізу змін / Часових рядів містить модулі: TSA, що виконує аналіз часових рядів на основі методу головних компонентів з можливістю використання до 256 вхідних карт одночасно; PROFILE, що дає можливість побудови часових рядів аналізованої змінної в декількох (до 15) точках розглянутої території; REGRESS, що встановлює регресію між просторовими зображеннями, які відповідають різним моментам чи інтервалам часу; OVERLAY, що забезпечує можливість аналізу змін з використанням різниці чи відношення просторових зображень.

Група Reformat містить програмні модулі, що дають можливість коректного перетворення (конвертації) типів даних і типів файлової структури (CONVERT), систем координат (PROJECT), растр-векторних і вектор-растрових перетворень (блок Raster/Vector Conversion), а також виконання змінення розмірів і порядку запису растрових файлів (CONTRACT, CONCAT, TRANSPOS) і деякі інші.

Група Data Entry містить модулі, що забезпечують введення даних. Уведення даних у IDRISI може здійснюватися двома основними способами: дигітизуванням і імпортом з інших растрових форматів (зазвичай для даних дистанційного зондування). У DOS-версіях пакета до складу групи входив модуль TOSCA, який забезпечував підтримку введення просторових даних у векторному форматі з використанням дигітайзера. У сучасних версіях пакета виконується підтримка екранного дигітизування в рамках модуля DISPLAY Launcher.

Пакет підтримує роботу з растровими форматами BMP,DXF,WMF,TIFF, а також імпорт/експорт даних з ГІС-пакетівARC\INFO,ERDAS,GRASS,MapInfo,PCRaster. Універсальним форматом обміну даними є формат ASCII.

Важливу роль у пакеті відіграє модуль INITIAL, що дозволяє створювати нові растрові файли з заданими просторовими атрибутами і постійним значенням.

До модулів Уведення даних також відносять: модуль INTERPOL, призначений для міжточкової інтерполяції (методом зворотно-квадратичної дистанції) наявних даних, модуль INTERCON, що дозволяє виконувати міжконтурну інтерполяцію лінійних даних, модулі TREND і THIESSEN, що реалізують специфічні методи побудови нових карт на основі наявних. Модуль INTERCON зазвичай використовується для одержання цифрових моделей рельєфу з карт горизонталей.

Функціональні можливості пакета передбачають спроможність створення спеціальних командних файлів, за допомогою яких можливо проводити обробку даних у пакетному режимі. У такому файлі записаний перелік команд: імен модулів, імен файлів даних і допоміжні параметри для конкретної операції.