Расчет основных пространственных характеристик объектов в QGIS

Эта страница является черновиком статьи.

При написании использована версия QGIS 1.9.90-Alpha b4f7a61

В статье описываются особенности получения основных пространственных характеристик объектов (координат, длин, площадей) хранящихся в shape-файлах при использовании свободной ГИС QGIS.

Вводные замечания

Технически, получить координаты, длины или площади пространственных объектов в современных ГИС достаточно просто. Гораздо сложнее понять насколько точны значения которые мы получили, и что сделать для улучшения точности полученных величин.

Существует 3 основных способа для расчета пространственных характеристик в ГИС:

1. Расчет в проекции слоя — для расчетов используется собственная проекция слоя. Поскольку векторные слои принято хранить в не спроецированном виде (в географической системе координат), все пространственные характеристики будут рассчитаны в десятичных градусах. Результаты таких расчетов корректны только для координат точек и не имеют смысла для длин и площадей. Для расчетов площадей и длин, нам предварительно придется перепроецировать слой в какую-либо из прямоугольных систем координат.
2. Расчет в проекции вида — независимо от того, в какой проекции находятся исходные векторные слои, в ГИС существует возможность настроить их отображение на экране в заданной проекции и использовать для расчетов именно ее. Это удобно тем, что для расчетов длин и площадей нам не нужно предварительно проецировать хранящиеся в географической СК слои в расчетную проекцию. Недостаток данного способа в том, что расчеты идут не на реальной поверхности геоида, а на приближенной к нему плоскости проекции и чтобы получить точные результаты мы должны для каждого отдельного случая правильно выбрать проекцию и задать ее параметры. Кроме того, в случае, если мы имеем дело с крупными географическими объектами, такими как континенты или Земной Шар в целом, для расчетов длин и площадей приходится использовать разные проекции. Подробнее о проекциях и их использовании для конкретных нужд можно почитать в пособии по картографическим проекциям.
3. Расчет на сфероиде — расчет пространственных характеристик объектов осуществляется на сфере или сфероидах. Использование данного метода позволяет получать наиболее точные результаты и не требует предварительных действий по выбору проекции и подходит для всех типов геометрии.

В QGIS на данный момент реализовано два инструмента для расчета площадей:

1. Инструмент "Экспорт/Добавить поле геометрии (входит в состав модуля fTools). Данный инструмент поддерживает все три способа расчета площадей (в проекции слоя, в проекции вида и на сфероиде).
2. Набор функций для расчета пространственных характеристик в калькуляторе полей (Field Calculator). В настоящий момент реализована поддержка расчетов только в проекции слоя.

Рассмотрим на примерах использование инструментария QGIS для расчетов различных пространственных характеристик. В расчетах, для проверки сходимости результатов, будем использовать Geosample: Открытый набор геоданных для различного ПО ГИС. Готовый проект для QGIS, включающий все необходимые для данной обучающей статьи Shape-файлы, можно скачать здесь.

Каждому типу геометрии исходных данных: точек, линий или полигонов, с точки зрения расчетов, присуща своя специфика, поэтому каждому типу геометрии будет посвящен отдельный подраздел.

Использование fTools (инструмент "Добавить поле геометрии")

Последовательность действий такова:

Инструмент доступен из меню Вектор→Обработка геометрии→Экспортировать/Добавить поле геометрии После запуска инструмента открывается диалоговое меню предоставляющее следующие возможности:

Диалоговое окно инструмента "Экспортировать/Добавить поле геометрии": 1) выпадающий список для выбора слоя; 2) выбор способа расчетов; 3) выбор способа сохранения результатов.

1. Выбор слоя для расчетов из списка
2. Выбор способа расчета подробнее о способах расчета. Здесь возможны три варианта:
   • В системе координат слоя (Layer CRS)
   • В системе координат проекта (Project CRS)
   • На эллипсоиде (Ellipsoid)
3. Выбор способа сохранения результата:
   • Установка галочки "Save to new shapefile" (Сохранить в новый шейпфайл) приведет к созданию нового слоя к которому будут добавлены колонки в соответствии с его геометрией.
   • Если галочка не установлена, то соответствующие поля с результатами расчетов создаются в текущем слое.
4. По окончании расчетов автоматически создаются колонки с результатами. Единицы измерения зависят от способа расчетов (в географической системе координат - это десятичные градусы; при расчетах в проекциях - это метры). Для разных типов они следующие:
   • Для точечных слоев: XCOORD (Долгота), YCOORD (широта)
   • Для линейных: LENGHT (длина)
   • Для полигональных: AREA (площадь), PERIMETER

Пример 1. Вычисление координат точек в десятичных градусах

Загрузим в QGIS слой poi-osm.shp (точечные объекты OSM) из геосэмпла. Проверим в какой проекции находится данный слой: Для этого в менеджере слоев щелкнем по нему правой кнопкой мыши и в выпадающем меню выберем пункт "свойства". В открывшемся диалоговом окне выберем вкладку "Метаданные".

Запись

Layer Spatial Reference System: +proj=longlat +datum=WGS84 +no_defs

означает, что данные находятся в географической системе координат. Таким образом, для того чтобы получить координаты точек в десятичных градусах, перепроецировать ничего не нужно.

Выполним Vector→Обработка геометрии→Экспортировать/Добавить поле геометрии

Следующее диалоговое окно предлагает выбрать слой для которого необходимо рассчитать пространственные характеристики. Из выпадающего списка выберем poi-osm.shp и укажем куда сохранить новый файл в котором будут добавлены атрибутивные колонки с координатами. Нажмем "ОК". После пересчета координат будет предложено добавить новый слой на карту. Жмем "Yes".

Проверим результат. Откроем таблицу атрибутов нового слоя. Появилось две новых колонки XCOORD (долгота) и YCOORD (широта) выраженные в десятичных градусах.

Пример 2. Вычисление координат точек в метрической системе

Для того, чтобы получить координаты точек в метрической системе, необходимо перепроецировать имеющийся точечный слой в какую-нибудь прямоугольную систему кординат.

1. Перепроецируем имеющийся слой poi-osm в проекцию UTM zone 44N (данные геосемпла лежат в трех зонах UTM, с 43N по 45N, для уменьшения искажений расчетов мы возьмем центральную Вообще говоря, это не самый удачный вариант выбора проекции, но в случае с геосемплом, для более точных расчетов требуется создание пользовательской проекции, чему также нужно посвятить отдельную статью). Для этого, правой кнопкой мыши щелкнем в менеджере слоев по poi-osm и из списка выберем "Сохранить как". В открывшемся диалоговом окне в графе "Сохранить как" указываем название и путь для сохранения нового перепроецированого слоя, а в графе "Система координат", нажав кнопку "Обзор" выбираем прямоугольную систему координат WGS84/UTM zone 44N. Облегчить поиск нужной системы координат можно путем ввода букв UTM в строку "Filter" (Останутся только те СК, которые содержат в названии это сочетание букв). Жмем "ОК".

После создания нового слоя, добавим его в проект и повторим для него процедуру расчета координат описанную в разделе об использовании инструмента "Добавить поле геометрии". Открыв таблицу атрибутов нового слоя с добавленными полями геометрии, можно убедиться, что координаты выражены в метрах в установленной нами СК (WGS84/UTM zone 44N).

Использование калькулятора полей

При расчете пространственных характеристик с помощью калькулятора полей (Field Calculator) следует помнить, что все расчеты производятся в единицах измерения слоя, т.е. чтобы получить результаты в градусах, исходный слой должен находиться в географической системе координат,а чтобы получить результаты в метрах - необходимо использовать спроектированный слой.

Расчет пространственных характеристик точечных, линейных и полигональных объектов с помощью калькулятора полей производится по одному алгоритму, (с учетом специфики выбора проекции для разных типов геометрии). Последовательность действий при использовании калькулятора полей следующая:

1. Открываем атрибутивную таблицу слоя для которого необходимо рассчитать пространственные характеристики.
2. Переводим слой в режим редактирования , при этом становится активной кнопка запуска калькулятора полей.
3. Запускаем калькулятор полей, нажав на кнопку . Открывается диалоговое окно калькулятора полей, состоящее из меню параметров создания новых полей, списка функций и подсказок по ним, а также результирующей командной строки (Expression) куда будут внесены все требуемые команды для вычислений.
4. Далее возможно два варианта действий, в зависимости от того, имеется ли у вас в атрибутивной таблице требуемое поле.
   1. Если поле отсутствует, необходимо его создать — поставить галочку "Создать новое поле" (Create New Field), после чего задать его имя, тип, размер и точность. Осветить нюансы.
   2. Если поле уже присутствует и необходимо только осуществить пересчет пространственных характеристик (например, после редактирования слоя, т.к. автоматически, при изменении пространственных объектов, их пространственные характеристики не пересчитываются), необходимо поставить галочку "Обновить существующее поле" и выбрать необходимое поле из выпадающего списка.
5. Далее, необходимо выбрать необходимую расчетную функцию из списка. Все функции для расчета пространственных характеристик объектов находятся в группе "Геометрия". Полный список функций таков:

Функция	Тип геометрии	Описание
$x	точка	Возвращает координату X (долготу) точки.
$y	точка	Возвращает координату Y (широту) точки.
$length	линия	Возвращает длину линии.
xat	линия	Возвращает координату X (долготу) n-ой точки линии (индекс начинается с 0; отрицательные значения отсчитываются от последнего значения индекса).
yat	линия	Возвращает координату Y (долготу) n-ой точки линии (индекс начинается с 0; отрицательные значения отсчитываются от последнего значения индекса).
$perimeter	полигон	Возвращает периметр полигона.
$area	полигон	Возвращает площадь полигона.

1. Добавить функцию в командную строку можно либо прописав ее вручную, либо двойным щелчком мыши по необходимой функции из списка.

Создание нового поля, назначение его параметров В случае, если в атрибутивной таблице файла еще нет специальных колонок для отображения информации о пространственных характеристиках, ставим галочку "Create new field" (Создать новое поле). Далее необходимо указать параметры для создаваемого слоя (тип, размер и точность). Тип поля можно задать любой, но следует учитывать, что в случае, если будет задано текстовое поле, то в дальнейшем, данное поле невозможно будет вставлять в формулы для расчетов. В общем случае для расчетов пространственных характеристик объектов лучше использовать десятичное число (real). При этом нужно учитывать, что задавая его Размер мы указываем общее количество знаков до и после запятой, а указывая Точность - количество знаков после запятой.

Пример 3. Расчет координат в десятичных градусах: DD.DDDDD

Зададим параметры поля для отображения координат точек в десятичных градусах с навигационной точностью (у стандартных GPS точность в десятичных градусах составляет 5 знаков после запятой, например, 64.35647 N). Нам нужно 3 значащих числа для целочисленной части координаты (широта и долгота меняются в пределах от 0 до 180) и 5 значащих чисел для дробной части (точность = 5). Получается, что размер поля равен 8 значащим числам, и установки для поля с координатами вида "DD.DDDDD", будут выглядеть следующим образом:

Пример 3. Расчет длин, периметров и площадей

Значения для длин и площадей слоев находящихся в прямоугольных проекциях рассчитываются в метрах. Тут нужно объяснить, с какими параметрами создать поле для расчета длин и площадей так, чтобы обойти все многочисленные ограничения шейпов и получить адекватный результат.

Особенности расчета пространственных характеристик точечных, линейных и полигональных объектов

Точечный объект

Координаты

Координаты точечных объектов можно получить в виде десятичных градусов или в метрической системе. В первом случае исходные данные должны находиться в географической системе координат. Во втором - должны быть спроектированы.

Линейный объект

Длина

Для расчета длин принято использовать равнопромежуточные (equidistant projections) проекции.

Полигональный объект

Площадь

Для расчета площадей используют равновеликие (Equal Area) проекции.

Заключение

В заключение, сделаем важное замечание: правилом хорошего тона считается документирование, какая проекция использовалась для расчета пространственных характеристик объектов. Особенно это касается расчетов на картах глобального охвата.

Ссылки

1. Geosample: Открытый набор геоданных для различного ПО ГИС
2. Получение основных пространственных характеристик объектов в Arcview GIS
3. Получение основных пространственных характеристик объектов в ArcGIS
4. О.А. Лебедева. Картографические проекции. Методическое пособие. Новосибирский учебно-методический центр по ГИС и ДЗ. Новосибирск, 2000 Скачать
5. Часто задаваемые вопросы по координатам, проекциям, системам координат
6. Описание проекций используемых GIS-Lab
7. Ведение в ГИС на основе бесплатного ПО с открытым исходным кодом (проекциям посвящена 7-я глава): A Gentle GIS Introduction