GEOMATYKA WYKŁAD1 Pozyskanie informacji na podstawie map analogowych Krystian Kozioł

Transkrypt

1 GEOMATYKA WYKŁAD1 Pozyskanie informacji na podstawie map analogowych Krystian Kozioł K ra k ó w

2 GEOMATYKA - DEFINICJA Słowa kluczowe: GIS, geoinformatyka, informacja geoprzestrzenna, dane geoprzestrzenne Geomatyka(geomatics), dyscyplina naukowo-techniczna zajmująca się pozyskaniem, analizowaniem, interpretowaniem, upowszechnianiem i praktycznym stosowaniem geoinformacji Geoinformatyka(geoinformatics)-1. dziedzina zajmująca się przetwarzaniem geoinformacjiza pomocą komputerów; 2. zastosowanie informatyki do przetwarzania geoinformacji Geoinformacja(geoinformation) 1. informacja uzyskiwana na drodze interpretacji danych geoprzestrzennych; 2. synonim i często używany skrót informacji geograficznej, stosowany również dla podkreślenia interdyscyplinarnego charakteru tego terminu nie ograniczającego się do geografii jako nauki (Leksykon Geomatyczny PTIP Gaździcki 2001)

3 GIS / Geomatyka - DEFINICJA GIS to zestaw wszechstronnych narzędzi do: zbierania, składowania, przetwarzania, transformowania i wyświetlania danych przestrzennych świata rzeczywistego - Burrough 1986 GIS to komputerowy system zaprojektowany dla uŝytkownika w celu: zbierania, zarządzania i analizy duŝej ilości danych przestrzennych i ich atrybutami - Hamenway, 1989 System do : pozyskiwania, przechowywania, sprawdzania, manipulacji, integracji, analizy i prezentacji danych odnoszących się do obiektów przestrzennych - Strobl, 1988

4 GEOMATYKA źródła danych GIS SIT GPS Miernictwo GEOMATYKA Fotogrametria Internet WAP, GPRS Wykłady: SIP dr inż. Piotr Wężyk

5 GEOMATYKA? z czego korzysta? Ekologia Geografia Kartografia Geodezja Teledetekcja Planowanie przestrzenne Geomatyka Fotogrametria Klimatologia CAD Hydrologia Wykłady: SIP dr inż. Piotr Wężyk

6 administrowanie terenem i działalnością gospodarczą, planowanie przestrzenne i urbanistyka, ochrona środowiska, ekologia i epidemiologia, nauki geologiczne i górnictwo, Zastosowania Gdzie? Jak? Po co? gospodarka wodna i meteorologia, transport i telekomunikacja, dziedziny związane z obronnością i bezpieczeństwem, przeciwdziałanie skutkom klęsk żywiołowych i katastrof, rolnictwo i leśnictwo, ostatnio także marketing.

7 Klasyfikacja systemów GIS

8 Podział systemów GIS Obszaru: systemy obiektowe lokalne regionalne krajowe kontynentalne globalne Źródła informacji: pierwotne (kataster) wtórnej (np. plan zagospodarowania przestrzennego) Zakresu uŝytkowania: jeden uŝytkownik (np. MPK) wielu uŝytkowników (Urząd Miejski) Struktury funkcjonowania: scentralizowane rozproszone Przeznaczenia: ewidencja kartografia (redakcja map) planowanie przestrzenne gospodarka terenami monitoring środowiska

9 pozyskaniem, analizowaniem, interpretowaniem, upowszechnianiem i praktycznym stosowaniem geoinformacji Format danych cyfrowa : raster bądź wektor (wybór zaleŝy od uŝytkownika, sprzętu, oprogramowania, danych itp.)

10 pozyskaniem, analizowaniem, interpretowaniem, upowszechnianiem i praktycznym stosowaniem geoinformacji Cechy danych Własność - często problematyczna, kwestia właściciela, praw autorskich, środków publicznych, przetwarzania itp. - publiczne dane (WWW, Internet np. USGS) - prywatne - komercyjne Dokładność - odległość od prawdziwej wartości (opisuje ją wzór) σ = n i ( x a ) i i n 2 x i - wartość prawdziwa a i - wartość w zbiorze danych n - liczba danych Precyzja - to liczba cyfr w zapisie, zdolność dokładnego przedstawiania wartości (dddd.ddddd) Powtarzalność - zgodność danych na Wejściu i Wyjściu (powtórne wczytanie do systemu daje ten sam efekt - np. skanowanie zdjęcia)

11 pozyskaniem, analizowaniem, interpretowaniem, upowszechnianiem i praktycznym stosowaniem geoinformacji Cechy danych Rozdzielczość - najmniejsza z moŝliwych wielkość np. piksel elementu w skanerze (element obrazu) lub zakres promieniowania elektromagnetycznego Zmienność - jej miarą jest czas po jakim następuje zmiana wartości atrybutu w rzeczywistości (barwa lasu liściastego na zdjęciach lotniczych) Aktualność - odstęp czasu pomiędzy momentem zmiany wartości atrybutu w rzeczywistości a zmianą w systemie GIS Wiarygodność - zgodność pomiędzy informacją uzyskaną z systemu GIS a stanem rzeczywistym Dostępność - zaleŝy od rodzaju danych, oprogramowania i profilu uŝytkownika (dostępność powoli zwiększa się)

12 GEOMATYKA pozyskanie danych Nauczymy się o... Skanowanie i wektoryzacja ekranowa: rozdzielczość ( dpi) zapis (CD-R, DVD, PenDrive) formaty (TIFF, JPEG 2000, BMP, ECW) kalibracja do układu współrzędnych wektoryzacja ekranowa (pół- automatyczna) zapis wektora, kodowanie generowanie warstw poprawnych topologicznie Ale to tylko

13 Klasyfikacja map 1. Według stopnia generalizacji (skali) 2. Według sposobu ujęcia treści 3. Według zasięgu terytorialnego 4. Według tematyki 5. Według zakresu funkcjonowania 6. Według przeznaczenia Główne funkcje mapy - nawigacja i orientacja - planowanie przestrzenne - prognozowanie - zarządzanie i monitorowanie -edukacja -kataster. Mapy ogólnogeograficzne: - topograficzne, - przeglądowo-topograficzne, - przegladowe.

14 Podział map geograficznych

15 Definicja mapy Mapa - jest to obraz przedstawiający powierzchnię ziemi lub jej części w sposób uogólniony, uwzględniający jej krzywiznę w określonym zmniejszeniu, w odwzorowaniu na płaszczyźnie i przy uŝyciu symbolicznych znaków umownych. Mapa geograficzna jest systemową modelowo-obrazową całością informacyjną odwzorowującą czasoprzestrzennie sytuacje praktyczne, jako obszary działań celowych w przyjętym układzie odniesienia.

16 Odwzorowanie kartograficzne (1) Jak matematycznie opisać glob ziemski: naturalna i fizyczna powierzchnia Ziemi; powierzchnia elipsoidy obrotowej; ekwipotencjalna powierzchnia zwana geoidą. Rozwój modeli Ziemi od 1830 do 1984 r. Elipsoida odniesienia Airy`ego Bessela Clarke`a Hayforda Krasowskiego WGS-60 WGS-72 GRS-80 WGS-84 Rok określenia Wymiary półosi w metrach duŝa mała

17 Odwzorowanie kartograficzne (2) Siatka geograficzna układ współrzędnych geograficznych Siatka geograficzna - układ wybranych południków i równoleżników, naniesionych na kulę ziemską lub graficznie na globus. Południki są w niej półokręgami, równoleżnikiokręgami; przecinają się one pod kątem prostym. Siatka geograficzna: wiernie opisuje kształt Ziemi, pozwala na dokładne odwzorowanie cech jej powierzchni. Sprowadzenie jej do dwóch wymiarów bez zniekształceń jest niemożliwe,

18 Odwzorowanie kartograficzne (3) Przekształcenie siatki geograficznej na płaszczyznę siatka kartograficzna Przenoszenie na płaszczyznę punktów przecięcia się południków z równoleżnikami siatki geograficznej.

19 Kartometria Pomiar linii: -metoda nitki -metoda paska papieru -metoda kroczka -metoda sumowania odcinków -metoda longimetru -wrocławski matematyk Steinhaus -metoda krzywomierza Pomiar powierzchni: -metoda kalki milimetrowej -metoda paletki -metoda planimetru -metoda oczek siatki geograficznej

20 Rastrowy model danych (1) Rastrowa struktura danych zbudowana jest z RZĘDÓW i KOLUMN; Numery rzędu i kolumny określają współrzędne danej komórki rastra; Raster składa się z regularnych elementów zwanych pikselami (pixel = picture element); Początek układu współrzędnych najczęściej rozpoczyna się w lewym górnym rogu (0,0) lub (1,1)

21 Rastrowy model danych (2) KaŜdy piksel reprezentuje obszar o określonej stałej powierzchni; Najczęściej jest to kwadrat (TESELACJE - wypełnienie powierzchni ciągłą konstrukcją płaskich figur geometrycznych);

22 Rastrowy model danych (3) Najprostszy model rastrowy w postaci tablicy (macierzy ) Mapa warstwicowa, analogowa obraz po zeskanowaniu

23 Rastrowy model danych (4) Model hierarchiczny Quadtree - drzewo czwórkowe

24 Rastrowy model danych - rozdzielczość Rastrowy model danych (7) Rozdzielczość 7 dpi 72 dpi

25 Rastrowy model danych (8) ZALETY łatwość rozumienia modelu prosta definicja łatwość uŝycia łatwość przechowywania model prostszy od wektorowego nie wymaga super komputerów PC definiuje się tylko początek układu, wielkość rastra i liczbę rzędów/kolumn

26 Rastrowy model danych (9) WADY duŝa liczba danych (duŝe pliki); mniejsza precyzja lokalizacji obiektów punktowych i liniowych; deformacja konturów i powierzchni obiektów; brak moŝliwości zamieszczenia informacji matematycznej bądź topologicznej bez przebudowy; problem z przedstawieniem zmienności przyrodniczej przy stałej wielkości rastra (piksela);

27

28

29

30

31 Wirtualny Model Powierzchni (WMP) Wirtualny Model Krajobrazu

32 Transformacja Przekształcenie z jednego układu współrzędnych (pierwotnego) do innego układu dostosowania. Typy transformacji: Helmerta, afiniczna, rzutowa, wielomianowa 1, 2 lub 3 stopnia. Elementy transformacji: skala, obrót, przesunięcie.

33 Transformacja Helmerta Transformacja przez podobieństwo (Helmerta, liniowa transformacja konforemna) - w literaturze anglojęzycznej similarity transformation - realizuje podobnie jak transformacja izometryczna sztywne ruchy płaszczyzny, obrót, przesunięcie i dodatkowo przeskalowuje (homotetia) współrzędne układu pierwotnego. Jest to najbardziej znana i powszechnie uŝywana transformacja w praktyce geodezyjnej. Wynika to z wiernokątności transformacji, co powodowało stosowanie jej w czasach kiedy pomiary kątów i kierunków były najwaŝniejszą z metod wyznaczania pozycji. Zastosowania transformacji wiernokątnej to przeliczanie współrzędnych prostokątnych na niewielkich obszarach i relatywnie niskich wymaganiach dokładnościowych, kalibracja zeskanowanych obrazów map i zdjęć lotniczych, a takŝe badania geometrycznych właściwości obiektów przemysłowych i inŝynieryjnych. Ograniczony obszar uŝywalności transformacji Helmerta wynika z tego, Ŝe uŝyty w algorytmie współczynnik skali jest jednolity dla całego rozpatrywanego obszaru. X Y W W X Y w w = = Y X 0 X = Y X X p p k cosγ Y k sinγ + Y + cosγ k sinγ p p k sinγ k cosγ sinγ X cosγ Y P P

34 Transformacja afiniczna w literaturze anglojęzycznej general affine transformation wywodząca się z odwzorowań rzutowych, najczęściej wykorzystywana przy kalibracji zdjęć lotniczych (orientacja wewnętrzna) i zeskanowanych arkuszy map. Jako transformację współrzędnych geodezyjnych stosuję się metodę afiniczną dla układów o relatywnie duŝych zniekształceniach i zmiennych skalach w obu kierunkach osi współrzędnych. Przekształcenia afiniczne przekształcają proste i płaszczyzny na proste i płaszczyzny, zachowują równoległość prostych nie zachowują równości kątów i zmieniają skalę kaŝdej z osi współrzędnych. Transformacja afiniczna rozwiązywalna jest poprzez znajomość co najmniej trzech punktów dostosowania w obu układach. Transformacja Helmerta P P W P P W dy cx Y Y by ax X X + + = + + = = P P W W Y X d c b a Y X Y X 0 0 X X P Y Y P W Y Y P X X P W k X k Y Y Y k Y k X X X γ γ γ γ sin sin sin cos = + = + = P P Y X X Y Y X W W Y X k k Y X Y X 0 0 cos sin sin cos 0 0 γ γ γ γ

35 Przypadek I Mapa w postaci analogowej z naniesionym układem współrzędnych prostokątnych Y PUWG 1942 X Dowolny układ Skanowanie Wybór punktów dostosowania Przeliczanie punktów do wybranego układu Kalibracja

36 Przypadek II Mapa w postaci analogowej z naniesionym układem współrzędnych geograficznych B WGS L Dowolny układ Skanowanie Wybór punktów dostosowania Przeliczanie punktów do wybranego układu Kalibracja

37 Przypadek III Mapa w postaci analogowej z naniesionym układem współrzędnych lokalnych Jeżeli znane są parametry układu lokalnego możliwe jest jego przeliczenie do dowolnego układu. Y Skanowanie Wybór punktów dostosowania Przeliczanie punktów do wybranego układu Kalibracja X

38 Przypadek IV Mapa w postaci analogowej bez naniesionego układu współrzędnych Punkty o znanych współrzędnych Skanowanie Wybór punktów dostosowania Przeliczanie punktów do wybranego układu Kalibracja

39 Przypadek V Mapa w postaci analogowej bez naniesionego układu współrzędnych Punkty charakterystyczne Praca wstępna: Kalibracja mapy topograficznej w odpowiedniej skali lub pomiar punktów w terenie (GPS). Skanowanie Wybór punktów dostosowania Przeliczanie punktów do wybranego układu Kalibracja

40 Przypadek VI Plan w postaci analogowej bez naniesionego układu współrzędnych

41 Przypadek VII

42 Mapa zasadnicza 1: 500 1: 5000

43 Mapa ewidencji gruntów i budynków 1 : : 5000 Krój obrębowy

44 Krój arkuszowy Mapa ewidencji gruntów i budynków 1 : : 5000

45 Leśna mapa gospodarczo - przeglądowa 1 : Krój obrębowy

46 Mapa topograficzna 1 : : :

47 Przykłady map - sozologia

48 Przykłady map - sozologia

49 Mapy w publikacjacc

50 Mapy w publikacjach

51 Mapy w publikacjach

52 Mapy w publikacjach

53 Mapy w publikacjach

54 Gdzie jest złoty środek