GeoPrzeglądanie od geoidy do Google Earth

Transkrypt

1 GeoPrzeglądanie od geoidy do Google Earth

2 Plan wykładu Podstawowe pojęcia geodezji Wyznaczanie pozycji w terenie Google Earth jako przykład GeoPrzeglądarki Zastosowanie języka KML do tworzenia wirtualnych wycieczek

3 Systemy informacji geograficznej (ang. Geographic information system) System informacyjny służący do wprowadzania, gromadzenia, przetwarzania oraz wizualizacji danych przestrzennych. Poszczególne obiekty stanowiące domenę opisu geodezyjnego są wzajemnie przestrzennie powiązane - tworzą one jeden system. Co stanowić może odniesienie dla pozycji obiektów w tym systemie?

4 Globalne powierzchnie odniesienia Ziemia jest bryłą o nieregularnej powierzchni sprawia to, że bardzo trudne jest opracowanie jej prostego modelu matematycznego Istnieją dwa główne modele powierzchni odniesienia opracowane na bazie kształtu Ziemi: Geoida Elipsoida obrotowa

5 Geoida Geoida - bryła, której powierzchnia w każdym miejscu jest prostopadła do pionu wyznaczonego przez siłę ciężkości. Geoida jest teoretyczną powierzchnią, na której potencjał siły ciężkości Ziemi jest stały, równy potencjałowi siły ciężkości na średnim poziomie mórz otwartych i przedłużoną umownie pod powierzchnią lądów. Geoida jest więc powierzchnią, z którą mielibyśmy do czynienia gdyby cała Ziemia pokryta była wodą!

6 Geoida c.d. Dlaczego Geoida jest bryłą nieregularną? W miejscach, w których występuje niedobór masy jej odległość od środka masy Ziemi jest mniejsza. W miejscach, w których występuje nadmiar masy jej odległość od środka masy Ziemi jest większa. Różnice od średniej odległości od środka masy Ziemi dochodzą do 100m

7 Geoida a pomiar wysokości Geoida używana jest jako powierzchnia odniesienia dla pomiaru wysokości W celu lokalnego wyznaczenia przybliżenia (aproksymacji) poziomu geoidy, służącego następnie do obliczania wysokości na pewnym terenie używa się mareografów (pływomierzy) Wysokość wyznaczona w odniesieniu do długoletniej średniej wskazań mareografu nazywa się wysokością nad poziomem morza

8 Mareograf pisak Mareograf w sposób automatyczny dokonuje pomiaru poziomu morza (wysokości lustra wody) stabilizator komora pomiarowa pływak W Polsce wyznacza się wysokość na podstawie średniego poziomu Morza Bałtyckiego w Zatoce Fińskiej wyznaczonego dla mareografu w Kronsztadzie (niedaleko Sankt Petersburga)

9 Wysokość ortometryczna Odległość (różnica wysokości) mierzona od powierzchni Ziemi do geoidy, wzdłuż linii pionu w rzeczywistym polu siły ciężkości Wysokość ortometryczna wyznaczana jest na odcinku ortogonalnym do powierzchni geoidy(punkt, którego wysokość wyznaczamy leży więc na normalnej do geoidy)! Wysokość nad poziomem morza jest przybliżeniem wysokości ortometrycznej Wysokości odnoszone do pomiarów różnych mareografów mogą być różne (na wyniki mareografów mają wpływ np. prądy morskie, wiatry, temperatura wody, zasolenie )

10 Elipsoida obrotowa jako powierzchnia odniesienia Geoida jest wygodną płaszczyzną odniesienia do pomiaru wysokości, do wyznaczania pozycji wygodniejsze jest używanie elipsoidy obrotowej

11 Elipsoidy odniesienia Ustalenie rozmiarów elipsoidy ziemskiej, której kształt byłby najbardziej zbliżony do rzeczywistego kształtu Ziemi, posiada wielkie znaczenie teoretyczne i praktyczne szczególnie przy opracowaniach wielkoskalowych map topograficznych, wymagających rzutowania powierzchni Ziemi na powierzchnię elipsoidy. Elipsoida odniesienia wyznaczana jest na podstawie pomiarów geodezyjnych, grawimetrycznych i satelitarnych. Pomiary te pozwalają określić parametry opisujące kształt i wielkość elipsoidy oraz ustalić jej orientację względem bryły Ziemi.

12 Założenia dla elipsoidy odniesienia Ziemi Jednym z podstawowych zadań geodezji wyższej jest ustalenie wymiarów elipsoidy ziemskiej najbardziej zbliżonej do kształtu Ziemi, która spełniałaby następujące warunki: środek elipsoidy powinien pokrywać się ze środkiem masy Ziemi, a płaszczyzna jej równika z płaszczyzną równika Ziemi, objętość elipsoidy powinna być równa objętości geoidy, suma kwadratów odległości geoidy od elipsoidy powinna być minimalna.

13 Parametry elipsoidy b półoś mała a półoś wielka

14 region najlepszego dopasowania Elipsoidy lokalne a elipsoidy globalne Elipsoidy lokalne elipsoidy najbardziej dopasowane do lokalnej części geoidy, wyznaczane na bazie wyników lokalnych pomiarów geodezyjnych (np. ograniczonych do jednego kontynentu) środek układu odniesienia opartego na takiej elipsoidzie leży w jej środku niekoniecznie pokrywającym się ze środkiem masy Ziemi elipsoida globalnie dopasowana do geoidy elipsoida lokalnie dopasowana do geoidy geoida Elipsoidy globalne będące modelem całej geoidy, wyznaczone na podstawie pomiarów z całej powierzchni Ziemi

15 Pierwsze elipsoidy Huygens, Newton W 1673 roku holenderski fizyk Christiaan Huygens ( ) opisał działanie siły odśrodkowej oraz wywnioskował, że siła grawitacji skierowana jest w kierunku środka masy Ziemi. W 1687 r. Izaak Newton ( ) publikuje zasady dynamiki i prawo powszechnego ciążenia; jego wątpliwości co do kulistego kształtu planety wynikały z następującego prostego rozumowania: Jeżeli Ziemia obraca się wokół własnej osi (co było już udowodnione), to punkty znajdujące się na równiku obracają się (wirują) najszybciej (ok. 1,6 tys. km/h), a te położone dalej od niego wolniej. Na biegunie prędkość ta wynosi zero. Siła odśrodkowa, która działa na każdy punkt na jej powierzchni jest zatem największa na równiku i maleje w miarę oddalania się od niego w stronę biegunów. Jeśli tak, to logiczny staje się wniosek, że materia ziemska wokół równika powinna być wybrzuszona, a w rejonach okołobiegunowych spłaszczona. Newton określił spłaszczenie elipsoidy ziemskiej na 1:230, o wiele dokładniej niż kilka lat wcześniej uczynił to Ch. Huygens (1:578).

16 Elipsoidy globalne W 1940 r. przyszła pora na elipsoidę zaproponowaną przez Feodosija N. Krasowskiego ( ) Krasowski dysponował olbrzymim materiałem pomiarowym z obszaru Związku Radzieckiego; jego elipsoida obowiązuje na terenie dzisiejszej Rosji i wielu krajów byłego bloku wschodniego. W latach 60. i 70. XX wieku nastała era elipsoid globalnych, definiowanych w globalnych układach odniesień: WGS 66 (ang. World Geodetic System 1966), GRS 67 (ang. Geodetic Reference System 1967), oraz WGS 72. W 1979 r. pojawiła się nowa elipsoida układu GRS 80 (będąca ulepszeniem tej z 1967 r.), a w 1984 prawie identyczna z nią elipsoida układu WGS 84 WGS 84 podstawowy układ odniesienia w satelitarnym systemie pozycjonowania GPS

17 Cechy układu odniesienia WGS84 Zakłada się w nim, że środek elipsoidy odpowiada środkowi masy Ziemi z błędem 2cm. Jako modelu geoidy używa się w nim EGM96 (ang. Earth Gravitational Model 1996) Parametry elipsoidy: wielka półoś a = m mała półoś b = m spłaszczenie f = 1 / 298,257

18 Wysokość ortometryczna H a elipsoidalna h Wysokość elipsoidalna h obliczona w odniesieniu do wybranej elipsoidy odniesienia, jest ortogonalna w punkcie pomiaru do jej powierzchni H wysokość ortometryczna h wysokość elipsoidalna N - undulacja geoida elipsoida Undulacja ( falowanie ) geoidy N parametr określający w danym punkcie różnice między wysokością elipsoidalną h a ortometryczną H (N = h H)

19 Wysokość ortometryczna H a elipsoidalna h Dzięki prowadzonym pomiarom satelitarnym możliwe będzie określenie undulacji dla całej powierzchni Ziemi, co pozwoli na wprowadzenie do odbiorników GPS odpowiednich poprawek, tak by mogły one wskazywać wysokość ortometryczną ukształtowanie terenu ukształtowanie terenu środek środek elipsoida geoida

20 Sfera jako powierzchnia odniesienia W opracowaniach mniej dokładnych, np. w geografii, jako aproksymacje geoidy stosuje się sferę (powierzchnię kuli). ok.21km sfera elipsoida

21 Inne powierzchnie odniesienia Ponieważ mała oś elipsoidy jest krótsza od średnicy równika ziemskiego w przybliżeniu o 43 km, to dla szeregu prac nie wymagających specjalnej dokładności Ziemię przyjmuje się za kulę kule mające objętości równe objętościom elipsoid Bessela i Krasowskiego mają odpowiednio promienie R= 6 370,283 km i R= 6 371,110 km Jeśli pomiary dotyczą niewielkiego obszaru, za powierzchnię odniesienia przyjmuje się płaszczyznę pokrywającą się z płaszczyzną styczną do sfery lub elipsoidy w środku danego obszaru

22 Powierzchnie odniesienia -podsumowanie W praktyce przy wykonywaniu pomiarów poziomych przyjmuje się następujące powierzchnie odniesienia: 1. płaszczyznę dla obszaru do 80 km 2 (gmina, miasto) oraz przy opracowaniach długich lecz wąskich pasów terenu dla celów inżynierskich (koleje, drogi, rzeki) 2. sferę dla obszaru od 50 km 2 do km 2 (miasto, gmina, powiat) 3. elipsoidę dla obszaru ponad km 2

23 Określenie położenia Punkt na powierzchni Ziemi, jako podstawowa kategoria w geodezji, określony jest za pomocą współrzędnych geograficznych geodezyjnych (B, L), nazywanych też współrzędnymi elipsoidalnymi, oraz wysokości elipsoidalnej (h)

24 Określenie położenia współrzędne geodezyjne Szerokość geograficzna geodezyjna (B) punktu P - kąt zawarty między normalną do elipsoidy przechodzącą przez ten punkt a płaszczyzną równika. Długość geograficzna geodezyjna (L) - kąt dwuścienny zawarty między południkiem zerowym (Greenwich) a południkiem, na którym leży punkt P. Wysokość elipsoidalna tego punktu jest odcinek (h) zawarty między tym punktem a punktem przebicia elipsoidy ww. normalną.

25 Określenie położenia współrzędne geograficzne φ, λ Współrzędne geograficzne geodezyjne (współrzędne elipsoidalne) B i L są odpowiednikami współrzędnych geograficznych φ i λ, które to współrzędne określają punkt na powierzchni Ziemi gdy jako aproksymację geoidy przyjmuje się sferę (powierzchnię kuli).

26 Określenie położenia współrzędne kartezjańskie centryczne X,Y,Z Współrzędne kartezjańskie centryczne (geocentryczne) układ, którego początek znajduje się dokładnie w środku masy Ziemi (gdzie przecinają się płaszczyzny różnych orbit trzech satelitów), a jedna z osi tego układu pokrywa się z osią obrotu Ziemi

27 Wyznaczanie pozycji na podstawie odległości od satelity Pozycja wyznaczana na podstawie odległości do dwóch satelitów:

28 Wyznaczanie pozycji na podstawie odległości od satelity Pozycja wyznaczana na podstawie odległości do trzech satelitów:

29 Pomiary odległości na podstawie sygnału GPS Satelitarny pomiar odległości polega na wyznaczeniu odległości od odbiornika satelitarnego do satelity na bazie sygnału z satelity. System GPS przewiduje dwa poziomy dokładności systemu: PPS (Precise Positioning System) Dokładny System Nawigacji SPS (Standard Positioning System) - Standardowy System Nawigacji. W systemie GPS pomiaru odległości można dokonać: metodą kodową (pomiar pseudoodległości), albo metodą fazową (pomiar fazowy).

30 Metody kodowe W pomiarze metodą kodową wykorzystuje się fakt, że satelita emituje kod (C/A lub P), a odbiornik wytwarza identyczny w tych samych określonych momentach czasu. Kod, który z sygnałem satelitarnym dociera do instrumentu, jest przesunięty względem kodu wytwarzanego w odbiorniku (tzw. replica code) o czas przebiegu sygnału z satelity do anteny. W odbiorniku następuje ponowne przesunięcie obu kodów względem siebie aż do uzyskania korelacji. Pomierzony w ten sposób czas pomnożony przez prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych (prędkość światła!) jest równy mierzonej odległości Ziemia satelita. Pomiar taki w dużym stopniu obarczony jest błędem niesynchroniczności zegarów na satelicie i w odbiorniku!

31 Dlaczego lepiej korzystać z czterech satelitów? d 2 d 3 d 4 d 1

32 Google Earth Platforma do wizualizacji danych przestrzennych GeoPrzeglądarka (ang. GeoBrowser). Umożliwia wyświetlanie na trójwymiarowym modelu Ziemi zdjęć satelitarnych, lotniczych, panoram zrobionych z poziomu ulicy, oraz różnego rodzaju informacji geograficznych i turystycznych. Początkowo rozwijana przez firmę Keyhole pod nazwą Keyhole Earth Viewer 3D. Obecna nazwa obowiązuje od momentu przejęcia firmy Keyhole przez Google (w 2004 r.)

33 Google Earth i KML

34 Google Earth

35 Wybrane funkcje Google Earth nawigowanie 3D po powierzchni Ziemi(dowolna zmiana położenia, wysokości i kąta widzenia), wyszukiwanie miejscowości i planowanie tras, współpraca z odbiornikami GPS, baza hoteli, centrów rozrywkowych, restauracji, stacji benzynowych, itp. (głównie w USA i kilku innych krajach), wyświetlanie granic administracyjnych, linii kolejowych i innych szlaków komunikacyjnych (dróg różnej kategorii) w wielu krajach świata - szczególnie w zachodniej Europie oraz w USA, wyświetlanie nazw własnych pomiar odległości między zaznaczonymi dwoma lub więcej punktami, widok panoramy zrobionej z poziomu ulicy, wyświetlanie modeli budynków w 3D, symulator lotu, dodatkowe modele: nieba, Marsa i Księżyca możliwość dodawania danych w formacie KML

36 Co to jest KML? Jak i kiedy używać KML? Skąd się wziął KML? KML język znaczników oparty na XML-u pozwalający na wizualizację trójwymiarowych danych przestrzennych. KML został opracowany przez firmę Keyhole, jako język do wizualizacji danych w przeglądarce Keyhole Earth Viewer 3D. Dzisiaj język KML może być wykorzystywany w takich produktach firmy Google jak: Google Earth, Google Maps oraz w aplikacjach Google Mobile. Dla aplikacji Google Earth pliki KML mogą być źródłem prezentowanych danych ale stanowią też format, do którego dane te mogą być eksportowane.

37 Co to jest KML? Jak i kiedy używać KML? Skąd się wziął KML? W języku KML do określenia długości i szerokości geograficznej wskazywanego punktu używa się układu odniesień geograficznych WGS84 Wysokość w KML odniesiona jest do modelu geoidy EGM96 (wysokość ortometryczna!). W KML możliwa jest dodatkowo specyfikacja sposobu obserwowania obiektu przez określenie kierunku, odległości od obiektu oraz kąta. KML umożliwia także dodawanie informacji tekstowych, ikon, ścieżek, wieloboków, plików graficznych (np. z wizualizacją pokrycia terenu), plików audio i innych. W kwietniu 2008 r. specyfikacja wersji 2.2 języka KML została zaakceptowana przez Open Geospatial Consortium jako oficjalny standard języka dla przeglądarek geograficznych. Struktura języka KML jest podobna do wcześniej opracowanego języka Geography Markup Language (GML) zapewnia jednak lepszą funkcjonalność w zakresie prezentowania danych przestrzennych.

38 Co to jest KML? Jak i kiedy używać KML? Skąd się wziął KML? Jak każdy dokument XML, KML rozpoczyna się od informacji nagłówkowych, po których pojawia się znacznik korzenia dokumentu (ang. root element tag). Dla wszystkich dokumentów KML (od wersji 2.2) należy wskazać informację o właściwej przestrzeni nazw, dodatkowo jeśli używane są znaczniki realizujące wirtualne wycieczki (ang. touring) należy dodać poniższą definicję przestrzeni nazw gx. <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <kml xmlns=" xmlns:gx=" </kml>

39 KML Interactive Sampler Narzędzie do tworzenia, walidacji plików zawartości plików KML udostępnione przez firmę Google. Dostępne jako aplikacja internetowa. Wymaga zainstalowania w przeglądarce wtyczki Google Earth. Zawiera wiele przykładów użycia wybranych elementów KML. Bardzo wygodne narzędzie do nauki języka KML.

40 KML Interactive Sampler Zestaw przykładów Odnośniki do specyfikacji elementów KML Okno podglądu Google Earth Okno edycji

41 Współrzędne obiektów w KML Współrzędne punktu w KML określone są przez trzy wartości zmiennoprzecinkowe określające długość(ang. longitude), szerokość (ang. latitude) i wysokość (ang. altitude). Długość geograficzna (Longitude) wyrażona jest w stopniach z przedziału: [-180; 180]. Szerokość geograficzna (Latitude) wyrażona jest w stopniach z przedziału: [-90; 90]. Wysokość (Altitude) jest odległością, której wartość intepretowana jest w zależności od wartości elementu altitudemode. altitudemode może przyjmować wartości: relativetoground (wartość domyślna) oznacza odległość w metrach od powierzchni Ziemi lub lustra wody; clamptoground oznacza dokładną wysokość terenu w danym punkcie; absolute odległość w metrach od poziomu morza.

42 Podstawowe elementy - Placemark Służy do prezentacji pojedynczego punktu w przestrzeni Element Placemark zawiera następujące elementy potomne: name nazwa punktu description opis, który pojawia się w objaśnieniu (ang. balloon ) dotyczącym wskazywanego punktu point pozycja punktu w odniesieniu do powierzchni Ziemi CDATA umożliwia wzbogacenie opisu punktu o dowolne elementy języka HTML

43 Przykład użycia Placemark <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <kml xmlns=" <Placemark> <name>budunek CW PP</name> <description> Centrum Wykładowe Politechniki Poznańskiej </description> <Point> <coordinates> , ,0 </coordinates> </Point> </Placemark> </kml>

44 Podstawowe elementy - LookAt Pozwala sprecyzować sposób patrzenia na punkt. Zawiera oprócz elementów określających współrzędne punktu również i takie, które określają kierunek świata, kąt oraz odległość punktu z jakiego prowadzona jest obserwacja.

45 Przykład użycia LookAt <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <kml xmlns=" <Placemark> <name>budynek WBM</name> <description> Wydział Budowy Maszyn PP</description> <LookAt> <longitude> </longitude> <latitude> </latitude> <altitude>50</altitude> <heading>90</heading> <tilt>130</tilt> <range>150</range> </LookAt> <Point> <altitudemode>relativetoground </altitudemode> <coordinates> , ,50 </coordinates> </Point> </Placemark> </kml>

46 Podstawowe elementy - Camera Element ten definiuje wirtualną kamerę, która obrazuje scenę. Określić należy jej pozycję względem powierzchni Ziemi oraz kierunek, w którym jest skierowana. Nie może występować jako podelement elementu, który zawiera już LookAt. <tilt> <longitude> <latitute> <altitiude> <altitudemode>

47 Przykład użycia Camera <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <kml xmlns=" <Placemark> <Camera> <longitude> </longitude> <latitude> </latitude> <altitude>15</altitude> <heading>45</heading> <tilt>80</tilt> </Camera> </Placemark> </kml>

48 Przykład użycia Camera <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <kml xmlns=" <Placemark> <Camera> <longitude> </longitude> <latitude> </latitude> <altitude>15</altitude> <heading>45</heading> <tilt>80</tilt> <roll>30</roll> </Camera> </Placemark> </kml>

49 Wielobok (Polygon) <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <kml xmlns=" <Folder> <name>przykładowy Polygon</name> <description>najprostszy sposób modelowania budynków </description> <Placemark> <name>pentagon</name> <Polygon> <extrude>1</extrude> <altitudemode>relativetoground</altitudemode> <outerboundaryis> <LinearRing> <coordinates> , , , , , , , , , , , ,100 </coordinates> </LinearRing> </outerboundaryis> <innerboundaryis> <LinearRing> <coordinates> , , , , , , , , , , , ,100 </coordinates> </LinearRing> </innerboundaryis> </Polygon> </Placemark> </Folder> </kml>

50 Ścieżki i linie (LineString, Path) <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <kml xmlns=" <Placemark> <name>tessellated</name> <description> <![CDATA[Jesli element <tessellate> zawiera wartosc 1,kreslona linia dopasowuje się do kształtu terenu, przez który przebiega]]> </description> <LineString> <tessellate>1</tessellate> <coordinates> , , , ,0 </coordinates> </LineString> </Placemark> </kml>

51 Google Earth, Touring Umożliwia kontrolowane przemieszczanie się nad powierzchnią Ziemi wzdłuż określonej trasy. Pozwala na kontrolowanie szybkości przemieszczania się, wstrzymywanie podróży Daje możliwość odtwarzania plików audio podczas podróży. Elementy używane w wirtualnych podróżach są rozszerzeniami KML i wymagają użycia prefiksu gx wskazującego dodatkową przestrzeń nazw: <kml xmlns=" xmlns:gx="

52 Google Earth, Touring: Wirtualne podróże konstruuje się ustawiając odpowiednią sekwencję elementów określanych tour primitives Plik podróży może zawierać wszystkie inne elementy KML Do głównych elementów wirtualnych wycieczek (tour primitives)zalicza się: - FlyTo powoduje przemieszczenie się do kolejnego punktu - Wait umożliwia wstrzymanie podróży na określony czas - TourControl umożliwia zatrzymanie podróży do czasu jej wznowienia przez użytkownika - AnimatedUpdate umożliwia dodanie efektów animacji - SoundCue umożliwia dołączenie podkładów dźwiękowych

53 Przebieg wirtualnej wycieczki Koniec wycieczki obcięty AnimatedUpdate s Niektóre składowe wycieczki realizowane są sekwencyjnie, inne mogą być wykonywane równolegle.

54 Pliki KMZ Plik KMZ (o rozszerzeniu.kmz) jest plikiem skompresowanym zawierającym plik KML oraz zero lub więcej plików dodatkowych. Pliki dodatkowe mogą być plikami z obrazami satelitarnymi, ikonami, modelami 3D obiektów, ścieżkami dźwiękowymi Pliki KMZ mogą być gromadzone, przesyłane pocztą , ładowane z odpowiednich serwerów. Kiedy plik KMZ jest rozpakowywany zachowana jest struktura katalogów, w której oryginalnie znajdowały się: plik KML i ewentualne pliki dodatkowe.

55 Przykładowa wycieczka

56 Jak dodać nowe obiekty 3D? SketchUp! program komputerowy typu CAD, służący do modelowania trójwymiarowego dla początkujących, profesjonalistów, architektów oraz projektantów gier!

57

58 Produkty porównywalne do Google Earth -Marble -NASA World Wind -Xplanet -Earth 3D -ESRI ArcGIS Explorer