Ανάπτυξη λογισμικού γεωστατικών μεθόδων χωρικής παρεμβολής σε περιβάλλον G.I.S.

Abstract

Τα γεωγραφικά πληροφοριακά συστήματα (ΓΠΣ) είναι ένα σύγχρονο κομμάτι της επιστήμης που ασχολείται με την συλλογή, την ανάλυση και την επεξεργασία πληροφοριών με καθορισμένη θέση στο χώρο. Σημαντική διαδικασία επεξεργασίας των χωρικών πληροφοριών είναι η χωρική παρεμβολή με την βοήθεια της οποίας δημιουργούνται συνεχείς επιφάνειες, έχοντας ως αρχική πληροφορία σημειακά δεδομένα. Το Kriging αποτελεί μια γεωστατιστική μέθοδο χωρικής παρεμβολής που στηρίζεται στην πληροφορία που λαμβάνεται από το ημιβαριόγραμμα και συγκεκριμένα από την μοντελοποίηση του πειραματικού ημιβαριογράμματος. Ενώ έχει δημιουργηθεί ένα πλήθος λογισμικών που εκτελούν την διαδικασία του Kriging, η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου ημιβαριογράμματος, που περιγράφει με την μικρότερη απώλεια πληροφορίας το πειραματικό ημιβαριόγραμμα, γίνεται με εμπειρικό τρόπο, κυρίως οπτικά, ή χρησιμοποιώντας ένα σύνολο εμπειρικών κανόνων. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκε ένα λογισμικό, το οποίο ενσωματώθηκε στο περιβάλλον επεξεργασίας χωρικών δεδομένων ArcGIS 10.1, που προσφέρει στο χρήστη την δυνατότητα δημιουργίας και πλήρους ανάλυσης πειραματικών ημιβαριογραμμάτων, με απλά βήματα και με ελεγχόμενες διαδικασίες, καθώς και προσαρμογής θεωρητικών μοντέλων τόσο με τη χρήση κριτηρίων-στατιστικών δεικτών, όσο και με την οπτικοποίηση των διαδικασιών και των αποτελεσμάτων. Αποτέλεσμα είναι η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου ημιβαριογράμματος, με τις βέλτιστες τιμές των παραμέτρων του. Συγκεκριμένα αρχικά γίνεται ανάλυση στα χαρακτηριστικά των δεδομένων για την επιλογή των τιμών της παραμέτρου του εύρους και της παραμέτρου του χωρικού βήματος, ώστε να γίνει υπολογισμός του πειραματικού ημιβαριογράμματος. Εν συνεχεία παρουσιάζονται σε διαγράμματα και συγκρίνονται τα θεωρητικά ημιβαριογράμματα, αφού πρώτα έχουν υπολογισθεί οι τιμές των παραμέτρων για την βέλτιστη προσαρμογή στο πειραματικό ημιβαριόγραμμα και τελικά παρουσιάζονται οι τιμές των κριτηρίων ανά μοντέλο. H επιλογή του καταλληλότερου μοντέλου στηρίζεται, στα κριτήρια, Akaike, Bayesian και Hannan-Quinn, που λαμβάνουν ως παραμέτρους τον αριθμό των ελεύθερων ή μη παραμέτρων, του εκάστοτε μοντέλου. Όμως επειδή τα κριτήρια αυτά δεν αποτελούν δείκτες καταλληλότητας ενός μοντέλου αλλά είναι δείκτες σύγκρισης μεταξύ των υποψηφίων μοντέλων, τα θεωρητικά ημιβαριογράμματα οπτικοποιούνται ώστε και ο χρήστης να έχει άποψη επί των αποτελεσμάτων. Το πρόγραμμα έχει γραφτεί σε γλώσσα Python, που επιλέχτηκε γιατί συνδυάζει απλότητα ενώ διεθνώς χαρακτηρίζεται ως πολύ ισχυρή. Μερικά από τα πλεονεκτήματά της είναι :α) υπάρχουν βιβλιοθήκες με μακροεντολές ειδικά δημιουργημένες για γεωγραφικές εφαρμογές, β) τα προγράμματα που έχουν γραφτεί σε γλώσσα Pythonμπορεί να υλοποιηθούν σε πολλές πλατφόρμες λειτουργικών συστημάτων γ) δίνει μεγάλα περιθώρια βελτίωσης των προγραμμάτων που είναι γραμμένα σε γλώσσα Pythonμε τις βιβλιοθήκες που ενσωματώνουν τη (low level) γλώσσα προγραμματισμού C ή και με βιβλιοθήκες που επιτρέπουν την παράλληλη επεξεργασία.Το λογισμικό που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της εργασίας, είναι ένα απλό στη χρήση, με φιλικά GUI, χωρίς να προϋποθέτει κάποια ιδιαίτερη γνώση κάποιου εξειδικευμένου περιβάλλοντος-γλώσσας, όπως γίνεται μέχρι σήμερα με εργαλεία που έχουν ανατηχθεί σε γλώσσα R ή Matlab. Τα λογισμικό δοκιμάστηκε σε πραγματικά δεδομένα από αναλύσεις εδαφικών δειγμάτων και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της βαριογραφικής ανάλυσης. Το λογισμικό που αναπτύχθηκε πολύ εύκολα μπορεί να τροποποιηθεί και να ενσωματωθεί και σε άλλα εμπορικά GIS λογισμικά ή ελεύθερου κώδικα ή ακόμη και να χρησιμοποιηθεί ανεξάρτητα από περιβάλλοντα γεωγραφικών πληροφοριακών συστημάτων.