Realizarea de cartograme folosind suita ArcGIS

25.10.2014 Tutorialul de fața folosește o versiunea mai veche a softului prezentat. Va rugăm consultați versiunea actualizată sau contactați autorul.

Tutorialul de față își propune introducerea utilizatorilor în lumea cartogramelor, prin explicarea câtorva noțiuni de bază și apoi construind propriile reprezentări grafice, cu ajutorul suitei ESRI ArcGIS.

Pentru realizarea celor propuse, se recomandă întâi parcurgerea tutorialului Introducere în GeoProcessing. Partea 1 – ArcToolbox, scris de Matei Domnița.

Noțiuni teoretice

Cartograma este definită, în sens larg, ca fiind o hartă sau diagramă care arată date cantitative asociate anumitor suprafețe, prin modificarea dimensiunilor unităților de enumerare. Informațiile sunt furnizate prin distorsiunile suprafețelor reale, fiecare dintre acestea mărindu-se sau micșorându-se în funcție de valorile asociate. Cartogramele devin extrem de utile atunci când vizualizarea fenomenelor sociale prin cartografierea tematică clasică duce la reprezentări nesatisfăcătoare.

Deși au loc distorsiuni, ideea este de a păstra pe cât posibil formele originale și pozițiile acestora pentru a le face ușor de recunoscut. Distorsiunile produse, de neacceptat în cartografie, duc la creșterea expresivității. O cartogramă reușită depinde de cât de repede o persoană ajunge să recunoască elementele și cât de ușor poate interpreta rezultatele.

Cu toate că există mai multe categorii de cartograme, cele mai utilizate sunt cele de tip contiguu, în care se păstrează proprietățile topologice dar formele sunt supuse unor distorsiuni semnificative.

Instalarea script-ului de creare a cartogramelor

ArcGIS este una din multiplele soluții software cu care se pot realiza cartograme, deși pachetul de bază oferit de ESRI este insuficient. De aceea, este necesar scriptul Cartogram Creator, creat de Tom Gross pe baza metodologiei dezvoltate de Mark Newman și Michael Gastner, care poate fi descărcat de aici. După descărcare și dezarhivare, acesta se instalează ca orice program obișnuit, de preferință acolo unde există deja suita ArcGIS.

După terminarea instalării, se lansează aplicația ArcMap, se deschide fereastra ArcToolbox și se adaugă un toolbox, prin click dreapta pe ArcToolbox și comanda Add Toolbox (fig. 1) . Se navighează acolo unde a fost instalat script-ul și se alege fișierul Cartogram.tbx (acesta este ușor de recunoscut întrucât are pictograma identică cu cea a ArcToolbox-ului).

Figura 1. Adăugarea unui toolbox.

Acum se poate folosi unealta de geoprocesare a cartogramelor.

Pregătirea datelor vectoriale

Pentru exemplificare, se va folosi fișierul shapefile ce conține județele României, pus la dispoziție de către Vasile Crăciunescu, la secțiunea Download.

Atenție!
Când se aleg datele de intrare trebuie avute în vedere trei elemente:
1. Vectorul trebuie să fie de tip poligon.
2. Topologia vectorului să nu conțină erori.
3. Valorile câmpurilor din tabel ce vor fi utilizate la generarea cartogramei trebuie să fie numere pozitive. Valorile nule sunt ignorate, însă în cazul numerelor negative se va afișa un mesaj de avertizare.

Script-ul lui Tom Gross pentru crearea de cartograme funcționează doar cu acele fișiere shapefile aflate într-un Geodatabase.

Geodatabase-ul este, pe scurt, un depozit de stocare și de gestionare a datelor spațiale. Pentru utilizatorii mai puțin experimentați este recomandată folosirea unui File Geodatabase. Întrucât acesta nu face obiectul tutorialului de față, se propune parcurgerea unui material ESRI care explică avantajele utilizării unei astfel de baze de date aici.

Pentru a crea un File Geodatabase, se deschide aplicația ArcCatalog și într-o locație aleasă de către utilizator, click-dreapta > New > File Geodatabase (fig.2).

Figura 2. Crearea unui File Geodatabase.

În noul Geodatabase, se va importa fișierul cu județele României, descărcat de aici. Acest lucru se face cu click-dreapta pe numele Geodatabase-ului > Import > Feature Class (single) (fig.3).

Aici există următoarele:

• Input features – se va selecta vectorul de intrare, în acest caz judete_ro.shp;
• Output location – reprezintă localizarea Geodatabase-ului;
• Output Feature Class – câmp unde se poate alege numele sub care fișierul va apărea în Geodatabase;
• Field Map (opțional) – prezintă câmpurile din tabelul de atribute; există posibilitatea de a le redenumi sau șterge pe cele existente, sau se pot adăuga unele noi;

Figura 3. Importul unui fișier shapefile într-un Geodatabase.

După executarea importului, în interiorul Geodatabase-ului va apărea vectorul sub numele ales la pasul anterior (fig.4).

Figura 4. Fișierul shapefile inclus în Geodatabase.

Executarea script-ului

În ArcMap, se adaugă vectorul din Geodatabase la fel cum se procedează și la adăugarea unui vector dintr-un dosar oarecare.

Toolbox-ul adăugat anterior conține în mod implicit un tool numit Create a cartogram (Gastner-Newman method) (fig. 5). Se pot citi mai multe despre această metodă în articolul celor doi autori, pe site-ul Proceedings of the National Academy of Sciences, aici.

Figura 5. Selectarea tool-ului.

Figura 6. Fereastra cu opțiunile script-ului de creare a cartogramelor.

Fereastra astfel deschisă conține următoarele (fig.6):

• Original polygon features – se selectează vectorul cu care dorim să lucrăm, în acest caz, judete_romania.
• Value field of the original features – este cel mai important câmp întrucât aici se va alege acel atribuit pe baza căruia se va construi cartograma. Mai precis, este vorba de acea variabilă care va duce la distorsionarea hărții cu scopul de crește expresivitatea reprezentării. Vectorul folosit în acest tutorial dispune de atribute ce conțin numărul locuitorilor județelor la recensămintele dintre anii 1948 și 2002, precum și pentru anul 2004. Se va utiliza aici populația înregistrată la recensământul din 2002 – POP2002.
• Output cartogram features – reprezintă fișierul de ieșire. Acesta va fi tot un vector ce conține județele, dar va salva toate modificările aduse prin distorsionarea suprafețelor reale pe baza atributului selectat la câmpul anterior.
• Unique ID Field of Original Features – defaults to OBJECTID or FID (Opțional) – reprezintă câmpul din vectorul original care conține ID-ul unic
• Area Field of Original Features – defaults to Shape field (Opțional) – atributul vectorului original care conține suprafețele poligoanelor
• Factor to smooth original density – defaults to 1 (Opțional) – factorul pentru nivelarea densității elementelor vectorului original folosind un Gaussian Blur înainte ca procesul de difuziune să înceapă (pentru mai multe informații se poate consulta articolul autorilor metodei).
• Number of cells in width/height of the Analysis Mesh – defaults to 512 (Opțional) – numărul maxim de celule pe lungimea și înălțimea rețelei de analiză. În mod ideal, cel mai mic poligon ar trebui reprezentat de cel puțin o celulă. Numărul trebuie să fie o putere a lui 2 (pentru a înlesni procesul de difuziune) și situat între 128 și 4096. Cu cât este ales un număr mai mare, cu atât procesarea va dura mai mult (Gross precizează că alegerea lui 1024 va duce la circa 7 minute de procesare și de asemenea că nu este recomandată folosirea lui 4096).
• Sum the Values for each repeated ID – default is true. (Opțional) – adună valorile pentru fiecare ID repetat al elementelor vectorului original.
• Additional Features/Rasters to Transform. (Opțional) – permite alegerea și alte straturi vectoriale (punct, linie sau poligon), sau chiar raster care să fie distorsionate în același mod ca vectorul original. Este necesar ca orice date adiționale să aibă același sistem de proiecție ca originalul.
• Copy the Original Polygon Features table to the Output Cartogram Features table. (Opțional) – dacă această opțiune se bifează, toate atributele din tabelul vectorului original se vor copia în tabelul vectorului rezultat.

După ce se lansează execuția tool-ului, este necesar să așteptăm până se generează cartograma. Timpul de așteptare depinde de numărul de celule ales, de complexitatea vectorului original și de puterea computerului cu care se lucrează. Rezultatul final, în cazul alegerii valorii de 512 celule și valoarea populației în 2002, ar trebui să arate ca în figura 7.

Figura 7. Cartograma populației județelor în anul 2002 (în chenar, suprafețele reale ale județelor).

Discuții și considerații finale

După crearea cartogramei, următorul pas ar fi interpretarea acesteia. Exemplul ales nu este unul care să permită discuții complicate deoarece distribuția populației pe unități administrative nu reprezintă o noutate pentru nimeni. Cel mai bine ies în evidență județele cu populație redusă și municipiul București. Cei care nu sunt familiarizați cu dimensiunile județelor pot crede că cele din jumătatea vestică nu au fost modificate semnificativ, întrucât nu prezintă diferențe atât de evidente precum cele din sud-est. Comparația cu harta suprafețelor reale ne relevă totuși că și aici județele au fost distorsionate, deși diferențele mici dintre populațiile lor duc la o reprezentare mai puțin spectaculoasă (fig.8).

Figura 8. Cartograma populației județelor în anul 2002 drapată peste suprafețele reale.

În acest tutorial a fost ilustrată una din numeroasele posibilități de a crea cartograme folosind software GIS.

H.H. Stahl spunea despre hărți, în 1975, că sunt „o genială născocire a unui sistem de reprezentare convențională a realității”. Cartogramele duc mai departe această afirmație, amplificând expresivitatea reprezentării și fiind deci deschise unui public mai larg. Și de ce să nu recunoaștem, ele sunt interesante și totodată ciudate, stârnind cu ușurință curiozitatea.