Plan wykładu I. GIS Reprezentacja środowiska przyrodniczego Modele danych przestrzennych

Transkrypt

1 Plan wykładu I GIS Reprezentacja środowiska przyrodniczego Modele danych przestrzennych

2 Obiekt przestrzenny OBIEKT PRZESTRZENNY Komponent opisowy (np. nazwa państwa, liczba ludności) Komponent przestrzenny w przestrzeni 2D lub 3D geometria (położenie w przestrzeni, kształt, orientacja itp., np. poligon, linia, punkt) topologia (przestrzenne relacje występujące pomiędzy obiektami, np. graniczenie, przecinanie się, zawieranie)

3 GIS (ang. Geographic Information Systems) GIS to systemy informacji geograficznej słuŝące do gromadzenia, wizualizacji, przetwarzaniu, analizowaniu i prezentowaniu informacji związanych z połoŝeniem obiektu w przestrzeni (nie tylko geograficznej). Składniki systemów geoinformacyjnych: Dane Oprogramowanie UŜytkownicy i producenci Metody Sprzęt komputerowy Sieć komputerowa

4 SIP (Systemy Informacji Przestrzennej) W języku polskim pojęcia SIP i GIS bardzo często używa się zamiennie, choć nie wszyscy uważają, ze słusznie. SIP SIG Systemy Informacji Geograficznej SIT Systemy Informacji o Terenie Początkowo system GIS stosowany był jedynie do tworzenia geograficznych baz danych o zasobach naturalnych dopiero później systemy te zaczęły być stosowane w innych dziedzinach, niekoniecznie uzasadniających użycie słowa geograficzny. Najbardziej uniwersalnym określeniem wszystkich systemów do zarządzania informacjami przestrzennymi jest GIS!

5 GIS. Zastosowanie. GIS: Wejście danych -> Baza danych-> Analizy przestrzenne -> Wyjście informacji; System kartograficzny: Wejście danych -> Projekt mapy ->Wydruk lub wizualizacja; Podstawowe funkcje systemów geoinformacyjnych: Opracowanie map. Pomiary kartometryczne. Monitoring. Modelowanie. Zarządzanie.

6 GIS. Zastosowanie. 1) Urzędy administracji centralnej oraz lokalnej (np. zarządzanie gruntami, planowanie przestrzenne). 2) Urzędy statystyczne. 3) Administracja budynków mieszkalnych (mapa budynków). 4) Służby ratownicze (szybka lokalizacja miejsca wypadku, wspomaga zarządzanie sytuacjami kryzysowymi) 5) Wojsko (planowanie, dowodzenie logistyka). 6) Ośrodki geodezyjno-kartograficzne (tworzenie map). 7) Dziedziny z końcówką -ogia w nazwie (np. geologia, sejsmologia, archeologia). 8) Ochrona środowiska (prognozy, analiza zanieczyszczeń, zarządzanie parkami narodowymi). 9) Leśnictwo i rolnictwo (mapy upraw, mapy terenów leśnych). 10) Firmy transportowe (wyszukiwanie najkrótszego połączenia). 11) Turystyka. 12) Porty lotnicze. 13) Medycyna.

7 GIS. Zastosowanie. Systemy GIS wykorzystywane są przez sztaby kryzysowe w przypadku wystąpienia np. powodzi. Zapobieganie i przygotowanie Monitoring fali Usuwanie zniszczeń metody wczesnego ostrzegania -ocena ryzyka (dane meteorologiczne + dane tematyczne) opracowanie symulacji zjawisk na powierzchni Ziemi kartowanie zasięgu fali powodziowej dane do działań logistycznych podczas przemieszczania grup ratowniczych dane do oceny szkód w infrastrukturze dane dla nadleśnictw (oszacowanie szkód w drzewostanie) dane do opracowania planów osuszania terenów

8 GIS. Zastosowanie. Monitoring fali powodziowej z wykorzystaniem analizy zdjęć satelitarnych: radarowych; optycznych; Dane wykorzystywane przez: Krajowe Centrum Koordynacji Ratownictwa Rządowe Centrum Bezpieczeństwa gmes.cbk.waw.pl

9 GIS. Zastosowanie. Rekomendacja osuszania terenów zalanych gmes.cbk.waw.pl gmes.cbk.waw.pl

10 GIS. Oprogramowanie. Darmowe: GRASS SagaGIS QuantumGIS GRASS GIS SagaGIS (R/S) QGIS Komercyjne: ArcGIS* Idrisi ERMapper * Można pobrać 60-dniową wersję ArcGIS:

11 Reprezentacja środowiska przyrodniczego Reprezentacja środowiska przyrodniczego - róŝnoskalowa reprezentacja wybranej części powierzchni Ziemi lub jej najbliŝszego otoczenia. Środowisko przyrodnicze może być reprezentowane przez: Cechy: obiekty dyskretne policzalność; zdefiniowane granice; moŝna rozróŝnić na podstawie wymiarów; naleŝą do jednej z kategorii: punkty, linie, obszary; Cechy: pola (wektorowe, skalarne) reprezentacja ciągła wyraŝona przez zmienne, których wartości mogą być określone w dowolnym punkcie pola; pola mogą być rozróŝniane na podstawie stopnia ich zróŝnicowania i wygładzenia; h=f(x,y)

12 Modele danych przestrzennych Wybór odpowiedniego modelu danych warunkuje m.in.: Sposób przechowywania danych. Rodzaje analiz, jakie można przeprowadzić. Sposób wyświetlania informacji. Rodzaje zależności pomiędzy obiektami. W projektach GIS wybór odpowiedniego modelu danych ma kluczowe znaczenie. Od przyjętego modelu świata rzeczywistego zależy bowiem dokładności i przydatności otrzymanych wyników.

13 Modele danych przestrzennych Podstawowe modele danych: 1. Rastrowy 2. Wektorowy - Sieci - TIN

14 Model rastrowy Rastrowy model danych wykorzystuje do reprezentacji obiektów macierz elementów (pikseli). W komórkach rastra przechowywane są wartości atrybutów. Metadane zawarte są w nagłówku pliku. Typowe metadane zawierają informacje o: współrzędnych geograficznych górnego lewego naroŝnika siatki; wielkości komórki; liczbie komórek w wierszach i kolumnach; przyjętym odwzorowaniu kartograficznym;

15 Model rastrowy Cechy rastra Rozdzielczość przestrzenna. Rozdzielczość radiometryczna. Rozdzielczość spektralna. Operacje: digitalizacja, podstawowe statystyki, kompozycje barwne, analizy statystyczne i geostatystyczne, klasyfikacje.. Rastry zazwyczaj uŝywane są jako podkład do analiz. O uŝyteczności w projekcie GIS decyduje rozdzielczość. Rastrowy model danych jest najczęściej związany z modelem pól ciągłych.

16 Model wektorowy- prosty

17 Polilinia Poligon a b c d e f Polilinia: a segment liniowy b zwykła c - złożona d zamknięta e monotoniczna f niemonotoniczna Poligon: a prosty b złożony c - wypukły d monotoniczny e poligon z oknem f region (zbiór poligonów)

18 Prosty model wektorowy 1 2 Zalety: Wady: Prostota: łatwe wprowadzanie danych do bazy (obiekty są niezależne). Opis kompletny pod względem geometrycznym. Brak informacji o topologii. W celu wykrycia związków przestrzennych między obiektami konieczne jest wykorzystanie metod geometrii analitycznej. Redundancja danych (strata pamięci, konieczność zapewnienia identyczności). Ryzyko niezgodności danych Brak ograniczeń dotyczących położenia obiektów np. brak punktów przecięcia dla przecinających się poligonów czy linii

19 Model wektorowy (topologiczny) W topologicznym modelu wektorowym wyodrębnia się trzy rodzaje elementów topologicznych: Zerowymiarowe (punkty węzłowe). Jednowymiarowe (linie graniczne). Dwuwymiarowe (obszary). Dla wymienionych elementów moŝna zapisać wszystkie wzajemne relacje. Topologiczny model wektorowy. Elementy klasy wyŝszej budowane są zawsze z elementów klasy niŝszej.

20 Topologiczny model wektorowy. Zapis relacji. Przypisywanie relacji topologicznych do elementów dwuwymiarowych. Granice obszarów:

21 Model wektorowy (topologiczny) 1. Sprawdzanie poprawności danych uwzględnia badanie: spójności sieci (czy wszystkie elementy sieci są połączone); przecięcia linii (czy polilinie mają węzły w miejscach przecięć); częściowego nakładanie się wieloboków (czy sąsiadujące wieloboki częściowo się nakładają); istnienia duplikatów linii (czy istnieją dokładnie pokrywające się elementy sieci lub wieloboki); 2. Wydajność edycji (sposoby poprawy wydajność to np.: funkcja śledzenia, automatyczne zamykanie wieloboku, dociąganie, przemieszczanie elastyczne) 3. Zoptymalizowanie kwerend (np. śledzenie sieci, sąsiedztwo wieloboków, zawieranie i przecinanie się)

22 Model wektorowy (sieciowy) Model sieciowy danych to bardzo często stosowana w GIS odmiana modelu topologicznego. Modele sieci składają się z punktów i linii. Relacje topologicznie precyzyjnie określaj lają,, w jaki sposób linie łącz czą się ze sobą w węzłach. Istotne jest oznaczenie drogi przepływu przez sieć. Tempo przepływu modelowane jest jako obciąŝenie w węzłach i na liniach. Typy sieci: Promieniowa (dendrytyczna) określony kierunek przepływu np. system rzeczny; Pętlowa pojawiają się punkty przecięcia np. sieci wodociągowe; Model sieci skład się z: Punktów (skrzyŝowanie ulic, bezpieczniki, zawory wody itp.) Linii (ulice, linie przemysłowe, przewody itp.)

23 Model TIN TIN (ang. Triangulated Irregular Network) służy do reprezentacji powierzchni w systemach GIS (modelowanie 2.5 D) za pomocą sąsiadujących ze sobą i nie pokrywających się trójkątów. TIN tworzy się na podstawie zbioru punktów o znanych współrzędnych x, y, z. z Możliwość dostosowania rozmiarów trójkątów tak aby jak najlepiej odzwierciedlić zmienność modelowanego parametru.

24 Model TIN Powierzchnie TIN mogą być tworzone w wyniku przeprowadzenia triangulacji Delaunaya. TIN jest topologiczną strukturą danych, która zawiera informacje o węzłach tworzących każdy trójkąt oraz o jego sąsiadach.

25 Model TIN Zalety: Dobra reprezentacja powierzchni o znaczącej zmienności rzeźby. Ułatwia obliczenie: wysokości, spadku, ekspozycji i linii widoku między punktami. Wady: W przypadku występowania wartości ekstremalnie odstających brak moŝliwości wygładzenia oryginalnych danych. Jakość zależy od danych wejściowych. Brak możliwości odwzorowania nieciągłości terenu. Konieczność zwiększenia liczby danych dotyczących szczytów, obniżeń, grzbietów i dolin jeżeli zależy nam na wygenerowaniu dokładnej reprezentacji;

26 Źródła danych Gromadzenie danych jest jednym z najwaŝniejszych, najbardziej czasochłonnych i kosztownych (pochłania 15 do 85% całkowitych kosztów projektu GIS) zadań systemów geoinformacyjnych. Procesy gromadzenia danych: Pozyskiwanie (bezpośrednie wprowadzenie danych do systemu) Transfer (wprowadzenie danych pochodzących z innego systemu) RozróŜniamy dwa rodzaje danych, które mogą być pozyskiwane w postaci rastrowe i wektorowej: Dane pierwotne. Dane wtórne.

27 Dane pierwotne Pierwotne dane przestrzenne są pozyskiwane w wyniku bezpośrednich pomiarów. Dane te gromadzone są w postaci cyfrowej specjalnie do ich wykorzystania w GIS. Pierwotne dane przestrzenne: Wektorowe: Pomiary GPS. Pomiary geodezyjne. Pomiary geofizyczne. Rastrowe: Cyfrowe obrazy satelitarne. Cyfrowe zdjęcia lotnicze.

28 Dane wtórne Wtórne dane przestrzenne pochodzą z wcześniejszych badań lub są uzyskiwane z innych systemów. Dane te występują w formie cyfrowej lub analogowej i pierwotnie pozyskano je do innych celów, w związku z czym muszą być przeniesione do formatu cyfrowego zrozumiałego przez system GIS. Wtórne dane przestrzenne: Wektorowe: Bazy danych topograficznych. Mapy topograficzne. Rastrowe: Zeskanowane mapy lub fotografie. Cyfrowe modele terenu uzyskane na podstawie rysunku poziomicowego z map topograficznych.

29 Pozyskiwanie danych pierwotnych rastrowych NajwaŜniejszym sposobem pozyskiwania danych pierwotnych w formie rastrowej jest TELEDETEKCJA. TELEDETEKCJA to metoda pozyskiwania informacji na temat właściwości obiektów bez fizycznego z nimi kontaktu. Informacja jest uzyskiwana na podstawie pomiarów ilości promieniowania elektromagnetycznego odbitego, wyemitowanego, bądź rozproszonego przez obiekty. Urządzenia teledetekcyjne mogą być zamontowane na: pokładach satelitów, pokładach samolotów, balonach, masztach, wysięgnikach.

30 Pozyskiwanie danych pierwotnych rastrowych Metody aktywne Metody pasywne

31 Pozyskiwanie danych pierwotnych rastrowych Obraz optyczny (Atlanta, Ikonos) Obraz radarowy (Waszyngton, SIR-C/X-SAR )

32 Pozyskiwanie danych pierwotnych wektorowych 1) Metody geodezyjne Wykorzystują zasadę wyznaczania połoŝenia kaŝdego punktu w trójwymiarowej przestrzeni na podstawie pomiaru kątów i odległości od innych punktów o znanym połoŝeniu. Pomiary wykonywane są za pomocą teodolity, taśmy miernicze, tachimetry elektroniczne. Pomiary geodezyjne wykorzystywane są najczęściej do lokalizacji budynków, granic działek i gruntów oraz innych obiektów, których połoŝenie musi być określone bardzo dokładnie. Wielkoskalowe zdjęcia lotnicze i obrazy satelitarne są często geometryzowane na podstawie osnowy geodezyjnej.

33 Pozyskiwanie danych pierwotnych wektorowych 2) Globalny system lokalizacji (GPS) System GPS obsługują 24 satelity, dodatkowo w przestrzeni kosmicznej umieszczono kilka zapasowych. Satelity krąŝą na wysokości ponad 20 tyś km, a ich okres obiegu wynosi 12 h. Satelity nadają sygnały radiowe, które przekazują informacje o połoŝeniu satelity i czasie nadania sygnału. Odbiornik GPS na podstawie wysłanych z satelitów sygnałów oblicza połoŝenie w układzie współrzędnych geograficznych, a takŝe wysokość. Do prawidłowego określenia połoŝenie są potrzebne sygnały odebrane z co najmniej 4 satelitów. Jeśli nie wymagane jest określenie wysokości odbiornika, wystarczą sygnały tylko z 3 satelitów.

34 Pozyskiwanie danych wtórnych Pozyskiwanie danych wtórnych rastrowych: Skanowanie. Pozyskiwanie danych wtórnych wektorowych: Digitalizacja ręczna. Zasada działania opiera się na lokalizacji połoŝenia wskaźnika względem gęstej siatki przewodów znajdujących się pod powierzchnią pulpitu. Najtańsza, najprostsza metoda pozyskiwania danych wektorowych z istniejących map. Digitalizacja ekranowa. Zamiana danych rastrowych na wektorowe. MoŜliwość wykorzystywania oprogramowania, które pozwala na automatyczną lub półautomatyczną wektoryzację (liczne błędy). Fotogrametria. Odtwarzaniem kształtów, rozmiarów i wzajemnego połoŝenia obiektów w terenie na podstawie zdjęć fotogrametrycznych (fotogramów). Jest teŝ jedną z metod wyznaczania wysokości obiektów. Dane otrzymane z procedur obliczeniowych geometrii analitycznej (COGO, ang. coordinategeometry). Pozyskiwanie i reprezentacja danych przestrzennych za pomocą sposobów uŝywanych w pomiarach geodezyjnych. System COGO powszechnie stosowany jest w Ameryce Północnej.

35 Koniec