Oulun yliopiston maantieteen laitoksen opetusmoniste no. 43 GIS-analyysimenetelmät ArcGIS 10.2.1 -ohjelmistolla Harri Antikainen Heidi Määttä-Juntunen Joonas Ujanen Oulu 2015 2 GIS-analyysimenetelmät ArcGIS 10.2.1 -ohjelmistolla 3 GIS-analyysimenetelmät ArcGIS 10.2.1 -ohjelmistolla Tekijät: Harri Antikainen [email protected] Heidi Määttä-Juntunen [email protected] Joonas Ujanen [email protected] Päätoimittaja: Jarmo Rusanen Osoite: Maantieteen laitos PL 3000 90014 Oulun yliopisto Oulun yliopiston maantieteen laitoksen opetusmoniste no. 43 ISSN 0782-1786 ISBN 978-952-62-0788-9 (PDF) Oulu 2015 GIS-analyysimenetelmät ArcGIS 10.2.1 -ohjelmistolla 4 GIS-analyysimenetelmät ArcGIS 10.2.1 -ohjelmistolla 5 Alkusanat .............................................................................................................................. 7 1. Verkostoanalyysit (Network Analyst) ..................................................................................... 8 1.1. Yleistä............................................................................................................................................. 8 1.2. Reititysaineiston (network dataset) muodostaminen ................................................................... 8 1.2.1. Käännösten mallintaminen ................................................................................................... 9 1.2.2. Yhdistävyys ............................................................................................................................ 9 1.2.3. Korkeustaso .........................................................................................................................10 1.2.4. Impedanssiattribuutit ja ajorajoitteet .................................................................................10 1.2.5. Ajo-ohjeet ............................................................................................................................13 1.2.6. Network datasetin rakentaminen .......................................................................................14 1.3. Optimaalisin reitti (Route) ...........................................................................................................14 1.3.1. Optimaalisimman reitin määrittäminen ja kustannusattribuuttien kerryttäminen............15 1.3.2. Esteiden lisääminen .............................................................................................................19 1.3.3. ”Kauppamatkustajan ongelman” ratkaiseminen ................................................................19 1.4. Palvelualueet (Service Area) ........................................................................................................21 1.5. Lähimmän palvelun löytäminen (Closest Facility) .......................................................................23 1.6. Etäisyysmatriisi (OD Cost Matrix) ................................................................................................24 1.7. Sijoituspaikka-analyysit (Location-Allocation) .............................................................................26 2. Rasterianalyysit (Spatial Analyst) ........................................................................................ 31 2.1. Johdanto ......................................................................................................................................31 2.2. Raster Calculator .........................................................................................................................31 2.3. Uudelleenluokittelu .....................................................................................................................32 2.4. Naapurustoanalyysit ....................................................................................................................34 2.4.1. Focal Statistics .....................................................................................................................34 2.4.2. Filter .....................................................................................................................................35 2.5. Vyöhykeanalyysit .........................................................................................................................36 2.5.1. Zonal Statistics as Table .......................................................................................................36 2.5.2. Tabulate Area ......................................................................................................................37 2.6. Kustannuspinta-analyysi ..............................................................................................................38 2.6.1. Yleistä ..................................................................................................................................38 2.6.2. Cost Distance ja Path Distance ............................................................................................39 2.7. Tiheyspinnat ................................................................................................................................43 2.7.1. Point Density ja Kernel Density pistemäisille kohteille .......................................................44 2.7.2. Line Density ja Kernel Density viivamaisille kohteille ..........................................................45 3. 3D-visualisointi ja –analyysit (3D Analyst ja ArcScene) ............................................................ 47 3.1. Johdanto ......................................................................................................................................47 3.2. 3D-visualisointi ............................................................................................................................48 3.2.1. Kolmiulotteisen ilmiön esittäminen 2D-pintana .................................................................48 3.2.2. ”2.5D”-mallin laadinta ja visualisointi ArcScene-ohjelmalla ...............................................51 3.2.3. Todellisen 3D-tiedon käyttäminen 3D-visualisoinnissa .......................................................54 3.3. Kolmiulotteisuuteen perustuvat analyysit ..................................................................................57 3.3.1. Topografiset analyysit .........................................................................................................57 3.3.2. Näkyvyysanalyysit ................................................................................................................58 3.3.3. Hydrologia ...........................................................................................................................61 GIS-analyysimenetelmät ArcGIS 10.2.1 -ohjelmistolla 6 4. Spatio-tilastolliset menetelmät (Spatial Statistics) .................................................................. 64 4.1. Pistejoukkojen sijainnin analyysit ............................................................................................... 64 4.1.1. Average Nearest Neighbor ................................................................................................. 64 4.1.2. Multi-Distance Spatial Cluster Analysis (Ripleys K Function) .............................................. 66 4.2. Spatiaalinen autokorrelaatio ...................................................................................................... 66 4.2.1. Spatial Autocorrelation (Morans I) ..................................................................................... 67 4.2.2. Incremental Spatial Autocorrelation .................................................................................. 68 4.3. Klusterianalyysit .......................................................................................................................... 70 4.3.1. Hot Spot Analysis (Getis-Ord Gi*) ....................................................................................... 70 4.3.2. Optimized Hot Spot Analysis .............................................................................................. 72 4.3.3. Cluster and Outlier Analysis (Anselin Local Morans I) ........................................................ 72 4.4. Muita hyödyllisiä spatio-tilastollisia työkaluja ............................................................................ 73 4.4.1. Calculate Distance Band from Neighbor Count .................................................................. 73 4.4.2. Standard Distance ............................................................................................................... 74 4.4.3. Median Center .................................................................................................................... 74 4.4.4. Mean Center ....................................................................................................................... 74 4.4.5. Central Feature ................................................................................................................... 74 5. Geostatistiikka (Geostatistical Analyst) ................................................................................. 75 5.1. Teoreettinen perusta .................................................................................................................. 75 5.2. Semivariogrammitekniikka - mallinnuksen matemaattinen perusta ......................................... 76 5.3. Geostatistisen mallinnuksen toteuttaminen ArcGIS-ympäristössä ............................................ 78 5.3.1. Aineiston esitarkastelu ....................................................................................................... 78 5.3.2. Mallin rakentaminen Geostatistical Wizard -toiminnolla ................................................... 80 5.3.3. Geostatistisen ennustetason ominaisuudet ....................................................................... 83 6. ArcGIS:n toimintojen automatisointi .................................................................................... 86 6.1. ModelBuilder .............................................................................................................................. 86 6.1.1. Vuokaaviomallin rakentaminen .......................................................................................... 86 6.1.2. Aineistojen syöttäminen työkaluun automaattisesti (iterointi) ......................................... 88 6.1.3. Mallin tallentaminen jatkoeditointia varten ...................................................................... 89 6.1.4. Käyttöliittymän rakentaminen ............................................................................................ 89 6.2. Python-skriptit ............................................................................................................................ 91 6.3. Sovelluskehitys ............................................................................................................................ 97 7. Open source -paikkatieto-ohjelmistot .................................................................................. 98 Kirjallisuutta ......................................................................................................................... 99 Monisteessa käytetyt aineistot ............................................................................................. 100 GIS-analyysimenetelmät ArcGIS 10.2.1 -ohjelmistolla 7 Alkusanat Tämä opetusmoniste on ensisijaisesti tarkoitettu käytettäväksi Oulun yliopiston maantieteen laitoksen tarjoaman GIS-jatkokurssi -opintojakson (790342A) materiaalina. Moniste toimii jatkona GIS-perusteet ja kartografia -opintojaksolla (790101P) käytettävälle monisteelle Johdatus ArcGIS 10 -ohjelmiston käyttöön, mutta se soveltuu yleisemminkin oppaaksi ArcGIS-ohjelmistosta sekä GIS- menetelmien edistyneemmästä käytöstä kiinnostuneelle. Moniste perustuu ArcGIS-ohjelmiston versioon 10.2.1, mutta pääosiltaan ohjeet ovat kuitenkin soveltuvia myös vanhempiin ja todennäköisesti myös uudempiin versioihin. Monisteeseen on valittu joukko ArcGIS-ohjelmiston tarjoamia spatiaalisia analyysejä, ja ne on ryhmitelty ArcGIS:n moduulien mukaan. Lähes kaikki menetelmät esitellään käytännöllisten esimerkkien kautta käyttäen aineistoja, joista suurin osa on ladattavissa Tieteen tietotekniikan keskuksen (CSC) ylläpitämästä PaITuli-paikkatietopalvelusta (http://www.csc.fi/paituli), tai muista avoimen datan lähteistä. Analyysimenetelmien lisäksi monisteessa esitellään menettelytapoja ArcGIS:n toimintojen automatisoimiseksi ja laajentamiseksi. Lopuksi luodaan vielä lyhyt katsaus vaihtoehtoisiin, open source -tyyppisiin paikkatieto-ohjelmistoihin. Monisteessa esitetyt näyttökuvat ArcGIS-tuoteperheeseen kuuluvien ohjelmistojen käyttöliittymistä on julkaistu Esrin luvalla. ArcGIS on Esrin rekisteröity tavaramerkki. Toivomme monisteen olevan lukijoilleen hyödyllinen! Oulussa, huhtikuussa 2015 Tekijät GIS-analyysimenetelmät ArcGIS 10.2.1 -ohjelmistolla 8 1. Verkostoanalyysit (Network Analyst) 1.1. Yleistä Network Analyst -laajennusosaa voidaan käyttää verkostoanalyysien tekemiseen, kuten optimaalisten reittien ja palvelualueiden määrittelyyn sekä kohteiden saavutettavuuden analysointiin. Laajennusosan avulla voidaan tarkastella linnuntie-etäisyyksien sijaan verkostoa pitkin määritettyjä etäisyyksiä. Analyysien tekeminen ei kuitenkaan rajoitu pelkästään maantieteellisten etäisyyksien tarkasteluun, vaan ne voivat perustua muuhunkin impedanssi- eli vastustekijään. Näitä ovat esimerkiksi matka-aika, kustannus tai matkan tuottama liikennepäästö. Tässä monisteessa Network Analystin käyttöä esitellään Liikenneviraston, Maanmittauslaitoksen ja kuntien ylläpitämästä Digiroad-aineistosta muokatun tieverkostoaineiston avulla. Tämä shapefile- muotoinen aineisto on irrotettu Digiroad K -toimitusmuodosta ja siitä on yksinkertaistamisen vuoksi poistettu kaikki kevyen liikenteen väylät. Monistetta varten aineistosta on edelleen erotettu pienempi, Oulun alueen kattava pala. Tieverkosto koostuu vaihtelevan pituisista tie-elementeistä, joista jokaiselle on määritetty seuraavat attribuutit:  LIIKENNEVI: osoittaa tie-elementin mahdollisen yksisuuntaisuuden suhteessa viivan digitointisuuntaan (2 = liikenne sallittu molempiin suuntiin, 3 = liikenne sallittu viivan digitointisuuntaa vastaan, 4 = liikenne sallittu viivan digitointisuuntaan, 5 = liikenne suljettu molemmissa suunnissa)  Meters: tie-elementin pituus metreinä  Seconds: tie-elementin päästä päähän nopeusrajoituksen mukaisella nopeudella ajamiseen kuluva aika sekunteina Meters- ja Seconds-attribuutteja ei ole ollut sellaisenaan alkuperäisessä Digiroad-aineistossa, vaan ne on lisätty siihen tämän monisteen esimerkkiä varten. Meters on laskettu suoraan tie-elementtien pituuden pohjalta, kun taas Seconds-attribuutin laskennassa on hyödynnetty tietoa kullakin tie- elementillä voimassa olevasta nopeusrajoituksesta. 1.2. Reititysaineiston (network dataset) muodostaminen Vaikka tieverkostoa kuvaava aineisto koostuukin viivoista muodostaen topologisesti eheän verkoston, ei sitä voi kuitenkaan käyttää sellaisenaan verkostoanalyysien tekemisessä, vaan siitä on ensin muodostettava varsinainen reititysaineisto (network dataset). Reititysaineistoon voidaan mallintaa verkostoon liittyviä ominaisuuksia, kuten yksisuuntaisuus, nopeusrajoitukset sekä käännöksiin liittyvät rajoitukset ja aikasakot. Network dataset voidaan muodostaa sekä shapefile- että geodatabase-muotoisen aineiston pohjalta. Erona on lähinnä se, että shapefilea käytettäessä network dataset voi koostua vain yhdestä tasosta (käytännössä yhdestä tieverkostosta), kun taas geodatabase ja sen feature dataset -rakenne mahdollistaa lukuisten tasojen osallistumisen network datasetiin. 1. Varmista, että Network Analyst -laajennusosa on käytössä eli valitse ArcMapissa Customize  Extensions… ja tarkista, että Network Analyst -kohta on rastitettuna. 2. Network dataset tehdään joko ArcMapin puolella ArcCatalog-ikkunassa tai erillisellä ArcCatalog- sovelluksella. Kummassakin tapauksessa etsitään hakemistopuusta se hakemisto, jossa tarvittava verkostoaineisto sijaitsee. Esimerkissä käytetään aineistoa network.shp. GIS-analyysimenetelmät ArcGIS 10.2.1 -ohjelmistolla 9 3. Aktivoidaan network.shp ArcCatalogin hakemistopuusta. Klikataan hiiren oikeanpuoleisella näppäimellä network.shp-nimen päällä ja valitaan avautuvasta valikosta New Network Dataset... (Kuva 1). Tämä käynnistää wizard-tyyppisen toiminnon, jonka avulla network datasetin määritykset voidaan tehdä vaihe vaiheelta. Kuva 1. Network Datasetin määrittelyn aloittaminen. 4. Wizard-toiminnon ensimmäisessä vaiheessa annetaan network datasetille jokin kuvaava nimi. Tässä tapauksessa voidaan hyväksyä nimi-kentässä oletuksena oleva nimi network_ND (Kuva 2). Painetaan Next >. Kuva 2. Nimen antaminen Network Datasetille. 1.2.1. Käännösten mallintaminen 5. Seuraava määrittelyvaihe koskee käännösten mallintamista. Käännösten mallintamisen ideana on asettaa käännöksille "aikasakko", koska kääntyminen vie yleensä enemmän aikaa kuin suoraan ajaminen. Näin analyysi voidaan toteuttaa huomattavasti realistisemmin kuin tilanteessa, jossa käännöksiin kuluvaa aikaa ei huomioida. Tässä vaiheessa riittää Yes-valinta, sillä käännösten varsinainen mallintaminen tehdään hieman myöhemmin (Kuva 3). Kuva 3. Käännösten mallintaminen. Painetaan Next >. 1.2.2. Yhdistävyys 6. Seuraavassa vaiheessa määritetään, mikä on network datasetiin osallistuvien tasojen verkostotopologinen suhde toisiinsa. Lähinnä tämä koskee sitä, kuinka yksittäiset tie-elementit kytkeytyvät toisiinsa. Tämä tapahtuu painamalla Connectivity...-painiketta (Kuva 4). Kuva 4. Yhdistävyys. Connectivity-ikkunassa voidaan määritellä, kuinka network-tason viivaelementit yhdistyvät topologisesti toisiinsa (Connectivity Policy). Vaihtoehtoina on joko kytkeytyminen toisiinsa ainoastaan viivojen päätepisteissä (End Point) tai minkä tahansa verteksin kohdalla (Any Vertex). End Point -vaihtoehdossa tie-elementit liitetään toisiinsa vain siinä tapauksessa, että niillä on yhteinen alku- tai päätenoodi. Sen sijaan Any Vertex -vaihtoehdossa tie-elementit voivat GIS-analyysimenetelmät ArcGIS 10.2.1 -ohjelmistolla 10 kytkeytyä toisiinsa kaikkien yhteisten verteksien, eikä siis ainoastaan alku- ja päätenoodien kohdalla. Digiroad-aineisto on rakennettu siten, että kukin risteysväli muodostaa oman tie- elementtinsä. Network datasetin määrittelyssä tulee siksi valita End Point -tyyppinen Connectivity Policy. Näin saadaan mallinnettua oikein myös siltojen ja alikulkujen kohdalla olevat viivojen risteämiskohdat. Valitaan siis alasvetovalikosta End Point ja painetaan OK (Kuva 5). Painetaan Next >. Kuva 5. Connectivity Policyn määritteleminen. 1.2.3. Korkeustaso Network datasetissä on mahdollisuus määritellä kulkuväylille myös korkeustaso (Elevation). Korkeustaso ei tässä tapauksessa sinänsä tarkoita korkeutta maastossa, vaan teiden keskinäistä sijoittumista vertikaalisuunnassa. Tämä ominaisuus on erittäin hyödyllinen mm. mallinnettaessa siltoja tai tunneleita, joissa toinen tie kulkee toisen tien alta tai päältä. Ilman korkeustasotietoa saattaa nimittäin käydä virheellisesti niin, että sillan tai alikulun kohdalle mallinnetaan risteyskohta, vaikka todellisuudessa kääntymismahdollisuutta ei tietenkään näissä kohdissa ole. Kuten edellä on todettu, Digiroad-aineisto on kuitenkin rakennettu niin, että tie-elementit on katkaistu vain sellaisissa kohdissa, missä siirtyminen tie-elementiltä toiselle on mahdollista reaalimaailmassa. Kun Connectivity Policyksi on tämän mukaisesti määritetty End Point, ei korkeustasoa ole enää tarpeen erikseen määrittää. 7. Laitetaan siis valinta kohtaan None (Kuva 6). Painetaan Next >. Kuva 6. Korkeustason määrittely. 1.2.4. Impedanssiattribuutit ja ajorajoitteet Verkostoanalyyseissä ratkaisevassa roolissa ovat reittiverkoston attribuutit, jotka kuvaavat reitin maantieteellistä pituutta, reittiä pitkin kulkemiseen kuluvaa aikaa tai kulkusuunnan rajoittumista vain tiettyyn suuntaan. Näistä kaksi ensimmäistä edustaa impedanssiattribuutteja, kun taas viimeinen on tyypiltään rajoiteattribuutti. Network Analyst etsii attribuuttitaulukosta automaattisesti sarakkeita mm. nimillä ”Meters” ja ”Seconds”. Jos tällaiset sarakkeet löytyvät aineistosta (kuten tässä esimerkissä löytyy), näyttää ohjelma ne wizard-toiminnon attribuuttilistassa (Kuva 7). GIS-analyysimenetelmät ArcGIS 10.2.1 -ohjelmistolla