ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Multikriteriální analýza jaro 2023 Petr Kubíček kubicek@geogr.muni.cz Laboratory on Geoinformatics and Cartography (LGC) Institute of Geography Masaryk University Czech Republic ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Motivace •GIS pomáhá rozhodování – geoDSS •Vstupní přednáška do multikriteriálního hodnocení pomocí příkladů. •Využití multikriteriálního hodnocení při rozhodování. •Doposud jsme se zabývali možnostmi analytických nástrojů GIS z pohledu prostorových analýz: –Popis datových sad a jejich analýzy –Návrhy (predikce) do budoucna. –Zjištění vhodnosti vybraných lokalit (site suitability). •Při analýze byly brány do úvahy určitá kritéria (přednáška č. 1) We are going to look at how GIS can be used to help us make decisions •Introduce a range of multi-criteria evaluation techniques and look at their use through a very simple example – this material reinforces what you saw in GITTA suitability lesson (GEO243) – you should revisit it… •Examine how these techniques can be used to aid decision making through a real-world example… GIS and decision making •So far we have examined a range of tools in GIS and examined their use in spatial analysis •We have considered the use of spatial analysis to: –test hypotheses –describe data –consider site suitability •Our site suitability examples used overlay and some set of criteria – for instance we tried to select areas suitable for skiing in Canton Zurich… ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Výběr vhodného místa pro obchodní středisko • ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Multikriteriální hodnocení •Náš příklad identifikoval VŠECHNY oblasti, které splňovaly zadaná kritéria. •Neřekl nám, která z oblastí je nejvhodnější pro postavení obchodního centra. •Multikriteriální hodnocení - Multi-criteria evaluation (MCE) je způsob hodnocení celkové vhodnosti lokalit splňujících zadaná kritéria a vybraných pomocí standardní GIS overlay analýzy. •Carver, 1991 (Integrating multi-criteria evaluation with geographical information systems) • ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Co je to MCE? •MCE je sada technik používaných ke kompromisnímu výběru alternativních lokalit. •Cílem MCE je identifikovat lokalitu nejlépe vyhovující požadavkům (minimální kompromis) a splňující zadaná kritéria. •Techniky MCE byly vytvořeny původně v environmentální ekonomice a tedy použity neprostorovým způsobem. •Následně byly adaptovány pro využití v GIS, aby poskytly formální základ pro pomoc při rozhodování. • •MCE are a suite of techniques used in analysing the trade-offs between choice alternatives with different impacts •MCE aims to identify the best compromise sites from a set of possible alternatives •MCE techniques developed in environmental economics and were used aspatially •They have been adapted for use in GIS to provide a more formal basis for aiding decision making ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Základní požadavky MCE •„prozkoumat více možností výběru lokalit ve světle rozlišných kritérií a s konfliktními požadavky“… •Cíl: „… tvrzení o požadovaném stavu výsledného prostorového systému“. •Kritérium: „…pravidlo pro určení vhodnosti pro alternativní rozhodnutí“. •Atribut: „… vlastnost prvků reálného světa či GIS“. •Malczewski (1999) - GIS and Multicriteria decision making. Basic ideas of MCE “investigate a number of choice possibilities in the light of multiple criteria and conflicting objectives” Voogd, 1983, p.21 Criterion: “… a rule to test the desirability of alternative decisions” Attribute “… properties of elements of a real-world geographical system” Objective: “… a statement about the desired state of a spatial system” Malczewski, 1999 ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Co to má znamenat? •MCE používá kritéria k identifikaci lokalit (popsaných atributy), které nejlépe vyhovují cílům. •Například: –Cíl: „… potřebuji lokalitu pro výstavbu obytných domů (jsem developer)“. –Kritérium: „…Domy musí být blízko kina, daleko od hlavních silnic a blízko veřejné dopravě“. –Atribut: Data, potřebná pro popis výše uvedených kritérií. •Zjevný konflikt – daleko od hlavní silnice x blízko hromadné dopravě. • So what does this mean? •MCE uses criteria to identify the sites described by their attributes which best meet an objective •For example: –Objective: I need a plot to build a housing estate (and I am a developer) –Criteria: The houses must be near cinemas, far from main roads and near public transport –Attributes: The data I will use to describe these criteria at different sites (e.g. distance from road) •In this case the criteria clearly conflict – somewhere far from main roads is less likely to be near public transport ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Modelová situace •Všechny následující příklad používají zjednodušená data – tři potenciální oblasti popsané pomocí atributů vzdáleností od kina, veřejné dopravy a hlavní silnice. •Které z míst je nejvhodnější? ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Boolean overlay •Kritérium – lokalita je vhodná nebo ne – např. musí být do 1 km od kina. •Výsledek – lokalita, která splňuje všechna kritéria. •Pravidlo dominance (viz přednáška Overlay). •Je výhodné, pokud máme hodně lokalit pro prvotní analýzu a odstraní nám lokality zcela nevhodné. •MODELOVÝ PŘÍKLAD: •Budovy musí být méně než 2km od kina a více než 300m od silnice a do vzdálenosti 200m od veřejné dopravy. ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Příklad Boolean overlay Konjunktivní X disjunktivní ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Vážená lineární kombinace •Jednotlivé hodnoty proměnných jsou standardizovány (nejvyšší hodnota je ta nejvhodnější). •Kritériím jsou přiřazeny váhy podle předpokládané důležitosti. •Pro jednotlivé datové vrstvy jsou připraveny mapy nominální vhodnosti. •Lokality s nejvyšším výsledkem (součtem) jsou nejvíce vhodné. •Předpokládáme, že vhodnost je lineární v celé škále a proměnné jsou nezávislé. ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Analytická hierarchie (AHP) •Poskytuje formální bázi pro přiřazení vah – pracuje s hodnotami relativní důležitosti v rozsahu 1 – 9. •1= proměnná má malou důležitost, 9= nejvyšší důležitost. •Reciproční vztah pro méně důležité proměnné. •Váha= 1/suma sloupce a celkový součet =1 •Veřejná doprava má absolutní důležitost. ppt_sablona_pozadi ppt_sablona_pozadi ppt_sablona_pozadi ppt_sablona_pozadi ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování • ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Metoda ideálních bodů •Bere do úvahy vzdálenost vybraného řešení od ideálního řešení. •Musíme stanovit ideální řešení a vypočítat vzdálenost naší alternativy pomocí metriky měření vzdáleností (jaké metriky na měření vzdáleností můžeme použít v GIS?). • ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Popis proměnných •Parametr síly P určuje metodu pro měření vzdáleností – p=1 (Manhattan), p=2 (Euklides). •S narůstajícím P roste důležitost malých rozdílů. •Několik způsobů implementace (Malczewski, 1999; Quin, 2013). •Možnost využít standardizovaných vrstev a přijmout tvrzení, že ideální řešení je rovno maximální hodnotě (1). •Nejlepší řešení je potom takové, které je nejbližší v m-rozměrném prostoru, kde m= počet atributů). ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování • ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování •Metoda řadí jednotlivé lokality podle shody dvojic jednotlivých alternativ. •Každé kritérium je srovnáno pro dvojici lokalit (např. je lokalita A blíže ke kinu, než lokalita B?). •Výstup je uložen do konkordanční matice v podobě sumy vah těch kritérií, která jsou lepší (použity váhy z AHP). •Výsledná matice je použita k výpočtu celkového pořadí lokalit (může být částečné, některé lokality se mohou rovnat.) • Metoda shody ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Příklad výpočtu ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Srovnání výsledků metod • ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování MCE – pro a proti •Proti: •Dynamické problémy jsou zjednodušené, lineární model. •Statické, postrádá časový rozměr. •Kontroverzní – příliš subjektivní? • Pro: •Strukturovatelná a opakovatelná analýza. •Možnost užití různých hodnotících faktorů a zdůvodnit jejich užití. •Schopnost zpracovat velké množství informací. •Funguje! Dobrá kritéria, správná data, analýza citlivosti ppt_sablona_pozadi Srovnání výsledků metod •Různé metody multikriteriální analýzy dávají odlišné výsledky. ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Příklad MCE (Estoque, Murayama, 2010) •Analýza vhodnosti lokalit pro pěstování včel v oblasti La union, Philippines, •Cíl: –připravit mapu ukazující lokality vhodné pro pěstování včel. •Kritéria: •Faktory •Kategorická data –Land use/cover – hodnoty vhodnosti (0-255) přiřazené jednotlivým kategorií na základě toho, zda daná kategorie poskytuje nektar a pyl. •Souvislá data – pravidla standardizace (?) –Vzdálenost k vodnímu toku – standardizováno to 0-255 : vhodnost klesá se vzdáleností od řeky. –Vzdálenost od silnice – standardizováno to 0-255 : vhodnost klesá se vzdáleností (počínaje hodnotou obálky 25 m). –Nadmořská výška – standardizováno to 0-255 : vhodnost klesá s rostoucí nadmořskou výškou. •Omezení •Zastavěné oblasti, písek, vodní plochy mokřady a oblasti do 25 metrů od silnice. ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Hierarchický model • ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Kategorie land use •Land use kategorie pro analýzu kategorických dat a stanovení omezení. •Mapování individuálních společenstev x využití RS. •Řízená klasifikace Landsat TM. Trénováno pomocí terénního výzkumu a následně klasifikováno. •Kontrola kvality modelu (accuracy assessment). ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Standardizace faktorů do jednotného měřítka •Rozsah 0 – 255 (255 nejvhodnější) •Expertní odhad změny vhodnosti pro jednotlivé faktory. •Faktor nadmořské výšky byl standardizován inverzím způsobem (čím výše, tím hůře) z důvodu výskytu vyššího množství srážek. •Land use byl standardizován po kategoriích (produkční les =255), řada zemědělských využití – 200,150, 100, 50, ostatní =0 (maska). ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Př. 2 Zastavěné oblasti, písek, vodní plochy mokřady a oblasti do 25 metrů od silnice. ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Využití AHP pro určení vah (analytic hierarchy process) • ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Vzájemné srovnání vah kritérií •SUMA = 1 Postup výpočtu váhy pro kategorii: ∑ sloupce Váha pro konkrétní dvojici = hodnota/suma sloupce Váha celková pro kategorii= průměr vah pro konkrétní dvojice ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování •Pro výpočet celkové vhodnosti lokality: –X – rozhodovací parametry –W – AHP váhy –n – počet parametrů –C – omezení (0=nevhodné, 1=vhodné) •S =((elevation * 0.0553) + (dist_river * 0.2622) + (dist_road * 0.1175) + (luc * 0.5650)) * cons_boolean •Následně vytvořeny kvalitativní kategorie pro popis vhodnosti lokalit pro pěstování včel. Následné využití WLC ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Výsledná mapa vhodnosti ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Verifikace výsledků •Má za úkol zhodnotit spolehlivost výsledků. •Verifikace kontrolou v terénu (Ground truth verification) –nutno provést terénní průzkum a ověřit navržené oblasti, zda opravdu odpovídají požadavkům a kritériím. •Analýza citlivosti (sensitivity analysis) •Jak jsou ovlivněny výsledky pokud provedeme: –změníme počet kritérií (snížení x navýšení) –změníme váhy kritérií •Dává změna smysl? •Odpovídají výsledky realitě? ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Verifikace výsledků - příklad •Srovnání mapy vhodnosti lokalit pro pěstování včel s existujícími produkčními daty •Omezené množství podkladů s krátkodobým sběrem informací v terénu. •Porovnání současných lokalit s kritérii. •Korelace hodnot. ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Korelační tabulka • ppt_sablona_pozadi ppt_sablona_pozadi Kartografické modelování Použité podklady ppt_sablona_pozadi CO KDYŽ MÁME VÍCE CÍLŮ?? •