Teledetekcja w ochronie środowiska. Wykład 1

Transkrypt

1 Teledetekcja w ochronie środowiska Wykład 1

2 Stanisława Porzycka-Strzelczyk Katedra Geoinformatyki i Informatyki Stosowanej Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Konsultacje: czwartek godzina 17:00-18:00 porzycka@agh.edu.pl Tel.: home.agh.edu.pl/~porzycka

3 PLAN PRZEDMIOTU Wprowadzenie do GIS Teledetekcja satelitarna i lotnicza metody pasywne. Przetwarzanie danych spektralnych. Klasyfikacja obrazów satelitarnych i lotniczych Zastosowanie metod pasywnych. Teledetekcja satelitarna i lotnicza metody aktywne. Metody tworzenia cyfrowego modelu terenu (InSAR, LIDAR, ) Satelitarne interferometria radarowa (DInSAR/PSI) Kierunki rozwoju teledetekcji (nanosatelity, POlInSAR,. )

4 WPROWADZENIE DO GIS GIS (ang. Geographic Information System) to system informacji geograficznej służący do wizualizacji, przetwarzania, analizowania i prezentowania informacji związanych z położeniem obiektu w przestrzeni. W języku polskim pojęcie GIS i SIP (System Informacji Przestrzennej) używa się zamiennie. Wyodrębniamy dwa typy systemów informacji przestrzennej. Różnią się one szczegółowością informacji przechowywanych w systemie. SIP SIG System Informacji Geograficznej (mapy średnio i małoskalowe; skala 1: i mniejsze) SIT Systemy Informacji o Terenie (mapy wielkoskalowe; skala 1: 5000)

5 SYSTEM GIS UMOŻLIWIA: Wprowadzanie, gromadzenie, weryfikację i przechowywanie danych przestrzennych Przeprowadzenie analiz danych zgromadzonych w systemie (wykorzystanie relacji przestrzennych) Wizualizację, prezentację wyników analiz lub samych danych Udostępnianie danych i wyników analiz GIS: Wejście danych -> Bazy danych -> Analiza przestrzenna -> Wyjście informacji System kartograficzny: Wejście danych -> Projekt mapy -> Wydruk i wizualizacja

6 GŁÓWNE OBSZARY ZASTOSOWAŃ GIS: Zarządzanie kryzysowe Ośrodki geodezyjno-kartograficzne Ochrona środowiska (prognozy; rejestracja i analiza emisji zanieczyszczeń itp.) Administracja (ewidencja gruntów, budynków, sieci wodociągowych, gazowniczych itp.) Urzędy statystyczne (analizy i obrazowania danych o charakterze statystycznym, takich jak np. zagrożenie przestępczością, występowanie chorób itp.) Rolnictwo (monitoring stanu upraw) Wojsko (logistyka) Firmy transportowe. wszędzie tam, gdzie aspekt przestrzenny odgrywa znaczenie

7 GIS - ZASTOSOWANIE: Monitoring fali powodziowej z wykorzystaniem analizy zdjęć satelitarnych: radarowych; optycznych; gmes.cbk.waw.pl GMES (ang. Global Monitoring for Environment and Security) CBK Centrum Badań Kosmicznych PAN

8 GIS - ZASTOSOWANIE: Rekomendacja osuszania terenów zalanych

9 DANE PRZESTRZENNE: OBIEKT PRZESTRZENNY KOMPONENT OPISOWY atrybut; opisuje cechy ilościowe lub jakościowe; KOMPONENT PRZESTRZENNY GEOMETRIA Położenie w przestrzeni geograficznej, kształt, orientacja; np. poligon, punkt, linia TOPOLOGIA Przestrzenne relacje pomiędzy obiektami; graniczenie, przecinanie się, zawieranie itp.

10 REPREZENTACJA ŚRODOWISKA PRZYRODNICZEGO: Środowisko przyrodnicze Obiekty dyskretne Cechy: - Policzalność - Zdefiniowane granice - Należą do jednej kategorii: punkty, linie, poligony Pola (wektorowe, skalarne) Cechy: - Reprezentacja ciągła wyrażona przez zmienne, których wartość jest określona w każdym punkcie pola; - Pola mogą mieć różne wygładzenie.

11 MODELE DANYCH PRZESTRZENNYCH : Wybór odpowiedniego modelu danych przestrzennych warunkuje m.in.: Sposób przechowywania danych. Rodzaj analiz, jakie można przeprowadzić. Sposób wizualizacji informacji. Rodzaje zależności pomiędzy obiektami. PODSTAWOWE MODELE DANYCH: Rastrowy Wektorowy

12 MODEL RASTROWY Rastrowy model danych wykorzystuje do reprezentacji obiektów macierz elementów (pikseli). W komórkach rastra przechowywane są wartości atrybutów. Metadane zawierają informacje m.in. o: Współrzędnych geograficznych Wielkości komórki rozdzielczej Liczbie komórek rozdzielczych Dacie pozyskania danych Atrybutach przypisanych do pikseli

13 MODEL RASTROWY Cechy rastra: Rozdzielczość przestrzenna Rozdzielczość radiometryczna Rozdzielczość spektralna Rozdzielczość przestrzenna - określa wielkość piksela, czyli pojedynczego elementu obrazu. Decyduje ona o wielkości najmniejszego obiektu rozróżnialnego na zdjęciu. Rozdzielczość radiometryczna opisuje cyfrowy sposób zapisu informacji. Zdjęcia w odcieniach szarości rejestrowane są zwykle jako obrazy 8-bitowe (256 tonów szarości). Istnieją również wysokorozdzielcze zobrazowania satelitarne 11-bitowe (2048 tonów szarości). Obrazy barwne mogą od 8 do nawet więcej niż 24 bitów (16,7 mln barw). Rozdzielczość spektralna definiowana jest przez liczbę kanałów spektralnych i ich szerokości.

14 MODEL RASTROWY - przykłady Cyfrowy model terenu (ang. Digital Elevation Model) Obraz IKONOS (kanał panchromatyczny) Kompozycja kanałów spektralnych (Landsat)

15 MODEL RASTROWY przykłady analiz 1. Nadawanie geoodniesienia (georeferencja) 2. Klasyfikacja - Nadzorowana - Nienadzorowana 3. Tworzenie kompozycji barwnych 4. Wyznaczanie wskaźników środowiskowych (algebra map) 5. Wektoryzacja 6. Wyliczanie statystyk 7. Inne

16 MODEL RASTROWY georeferencja Georeferencja (geoodniesienie, rejestracja) polega na nadaniu plikowi rastrowemu (wektorowemu) zdefiniowanego układu współrzędnych. Do wykonania pełnowartościowych analiz danych geograficznych niezbędne jest aby były one osadzone w konkretnym układzie współrzędnych. Etapy: 1. Wskazanie tzw. punktów kontrolnych (GCP, ang. Ground Control Points). GCP stanowią połączenie pomiędzy danymi, którym nadajemy geoodniesienie i danymi referencyjnymi. 2. Na podstawie zdefiniowanych połączeń wykonywana jest transformacja wyjściowej mapy.

17 MODEL RASTROWY klasyfikacja nienadzorowana

18 MODEL RASTROWY klasyfikacja nadzorowana

19 MODEL RASTROWY kompozycje barwne

20 MODEL RASTROWY kompozycje barwne

21 MODEL RASTROWY wyznaczanie wskaźników środowiskowych

22 MODEL RASTROWY wektoryzacja Wektoryzacja to proces zamiany danych rastrowych na dane wektorowe. Wyróżniamy wektoryzację: manualną, automatyczną. W celu minimalizacji błędów wektoryzacji automatycznej należy odpowiednio przygotować mapę rastrową poprzez: Wyświetlenie mapy jedynie w dwóch kolorach Usunięcie tekstowych elementów mapy Usunięcie z mapy różnego rodzaju niedokładności.

23 PROSTY MODEL WEKTOROWY Elementami prostego modelu wektorowego są: Punkty Proste Poligony Model rastrowy Model wektorowy W prostym modelu wektorowym każdy obiekt jest definiowany niezależnie od innych obiektów. Istnieje również topologiczny model wektorowy, który uwzględnia relacje pomiędzy poszczególnymi obiektami.

24 PROSTY MODEL WEKTOROWY What-map-types-are-there-

25 MODEL WEKTOROWY przykłady analiz 1. Tworzenie buforów odległości 2. Rasteryzacja 3. Suma, iloczyn, różnica 4. Analiza sieci 5. Interpolacja (metody geostatystyczne) 6. Inne

26 MODEL WEKTOROWY bufory odległości Buforowanie to wyznaczenie obszaru oddalonego od wybranego obiektu (punktu, linii, poligonu) o zadaną odległość. Rezultatem tej operacji jest poligon, lub kilka poligonów, które można ze sobą połączyć. Bufory: Mogą mieć stałą lub zmienną szerokość Mogą być wygenerowana po obu stronach obiektu lub tylko po jednej stronie Może być zakończony łukiem lub prostą Można sumować, odejmować liczyć dla nich część wspólną

27 MODEL WEKTOROWY interpolacja (metody geostatystyczne) Geostatystyka jest to dział statystyki stosowanej. Może ona być wykorzystywana wszędzie tam, gdzie zmienna przestrzenna i/lub czasowa wykazuje występowanie autokorelacji. Metody geostatystyczne uwzględniają zarówno aspekt losowy jak i strukturalny (nielosowy)badanego zjawiska. W geostatystyce głównym narzędziem do opisu charakteru zmienności badanego parametru jest semiwariogram. Semiwariogram przedstawia zróżnicowanie wartości parametru w zależności od odległości pomiędzy punktami pomiarowymi. Kriging to geostatystyczna metoda interpolacji wartości parametru. W metodzie krigingu wykorzystywana jest informacja na temat struktury zmienności badanego parametru. W metodzie krigingu estymator badanego parametru w punkcie P ma postać średniej ważonej.

28 MODEL TIN (ang. Triangulated Irregular Network) służy do reprezentacji powierzchni w systemach GIS za pomocą sąsiadujących ze sobą trójkątów. Model TIN najczęściej wykorzystuje się do reprezentacji morfologii terenu. TIN tworzy się na podstawie zbioru punktów o znanych współrzędnych (x, y, z). Istnieją różne metody tworzenia siatki trójkątów. Jedną z najszerzej stosowanych jest triangulacja Delaunaya. W triangulacji Delaunaya każde koło opisane na trzech sąsiadujących ze sobą punktach nie zawiera żadnego innego punktu. e=articles&action=show&name=dyskretyzacja

29 OPROGRAMOWANIE GIS: GRASS (ang. Geographic Resources Analysis Support System): SagaGIS: QGIS: ArcGIS Idrisi ERMapper