Podstawy Geomatyki Wykład III Systemy Informacji Geograficznej SIP (Systemy Informacji Przestrzennej) SIG (Systemy Informacji Geograficznej) 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!
W języku angielskim sytuacja jest jednoznaczna GIS (ang. Geographic Information Systems) to systemy informacji geograficznej służące wizualizacji, przetwarzaniu, analizowaniu i prezentowaniu informacji związanych z położeniem obiektu w przestrzeni (nie tylko geograficznej). Geographicinformation system(gis) is a system designed to capture, store, manipulate, analyze, manage, and present spatial or geographic data Składniki systemów geoinformacyjnych: Dane. Oprogramowanie. Użytkownicy i producenci. Metody. Sprzęt komputerowy. Sieć komputerowa.
OBIEKT PRZESTRZENNY Komponent opisowy (atrybut; opisuje opisuje cechy ilościowe lub jakościowe; np. nazwa państwa, liczba ludności) Komponent przestrzenny W przestrzeni 2D lub 3D geometria (położenie w przestrzeni geograficznej, kształt, orientacja itp., np. poligon, linia, punkt) topologia (przestrzenne relacje występujące pomiędzy obiektami, np. graniczenie, przecinanie się, zawieranie) Systemy Informacji Geograficznej można scharakteryzować jako połączenie map cyfrowych (numerycznych) z bazą danych. Jedna z definicji mapy cyfrowej: jest to mapa, której obiekty przedstawione są w formie obrazów wektorowych lub rastrowych. Pełni wtedy funkcję środka do wizualizacji danych geograficznych zawartych w bazie.
Źródła danych dla systemów informacji geograficznej: mapy analogowe; zdjęcia lotnicze; zdjęcia satelitarne; pomiary terenowe z wykorzystaniem metod geodezji klasycznej i satelitarnej (GPS); bazy danych opisowych; inne bazy GIS. Mapę cyfrową (numeryczną) można utworzyć kilkoma sposobami z użyciem różnych metod pozyskiwania danych geograficznych: geodezyjne pomiary bezpośrednie po pomiarze terenowym, jego wyniki są wprowadzane do komputera i odpowiednio przetwarzane do postaci mapy numerycznej; digitalizacja map analogowych polega na przetworzeniu mapy z postaci papierowej do postaci numerycznej z użyciem: digitizera lub skanera. Zeskanowany obraz jest następnie rektyfikowany (kalibrowany) oraz wektoryzowany na ekranie komputera. metody fotogrametryczne polegają na wykorzystaniu zdjęć lotniczych oraz naziemnych do pozyskiwania danych; metody teledetekcyjne polegają na wykorzystaniu obrazów satelitarnych utworzonych przez specjalne skanery umieszczone na pokładach satelitów. Dokładność ustawienia kursora digimetru około 0,05 mm
Reprezentacja środowiska przyrodniczego Różnoskalowa reprezentacja wybranej części powierzchni Ziemi lub jej najbliższego otoczenia. Wierna reprezentacja powierzchni Ziemi nie jest możliwa ze względu na jego nieskończoną złożoność. Wybór stopnia szczegółowości reprezentacja środowiska odgrywa kluczowe znaczenie w tworzeniu reprezentacji. Środowisko przyrodnicze może być reprezentowane przez: obiekty dyskretne Cechy: policzalność; zdefiniowane granice; można rozróżnić na podstawie wymiarów; należą do jednej z kategorii: punkty, linie, obszary; pola (wektorowe, skalarne) Cechy: reprezentacja ciągła wyrażona przez zmienne, których wartości mogą być określone w dowolnym punkcie pola; pola mogą być rozróżniane na podstawie stopnia ich zróżnicowania i wygładzenia; h=f(x,y) GIS. Oprogramowanie. Darmowe: GRASS SagaGIS QuantumGIS GRASS SagaGIS QGIS Komercyjne: ArcGIS Idrisi ERMapper Można pobrać 60-dniową wersję ArcGIS: http://www.esri.pl/
GIS. Zastosowanie. Typowe obszary zastosowań systemów GIS: 1) Urzędy administracji centralnej oraz lokalnej (np. zarządzanie gruntami, planowania przestrzennego). 2) Administracja budynków mieszkalnych (mapa budynków). 3) Urzędy statystyczne. 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. 11) Medycyna. 12) Turystyka. 13) Porty lotnicze. 14).. Podstawowe modele danych: 1. CAD 2. Rastrowy 3. Wektorowy 4. Sieci 5. TIN 6. Obiektowy Wybór odpowiedniego modelu danych określa 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.
Model rastrowy. Rastrowy model danych wykorzystuje do reprezentacji obiektów macierz elementów (pikseli). W komórkach rastra przechowywane są wartości atrybutów. W pewnych systemach każdemu pikselowi może być przypisanych kilka różnych cech, które przechowywane są w tabeli atrybutów. Metadane zawarte są w nagłówku pliku. Typowe metadane zawierają informacje o: współrzędnych geograficznych górnego lewego narożnika siatki; wielkości komórki; liczbie komórek w wierszach i kolumnach; przyjętym odwzorowaniu kartograficznym; Model rastrowy. Cechy rastra Rozdzielczość przestrzenna - typ rozdzielczości cyfrowych obrazów teledetekcyjnych, charakteryzujący terenowy wymiar piksela w obrazie teledetekcyjnym. Rozdzielczość radiometryczna - opisuje cyfrowy sposób zapisu. Zdjęcia w odcieniach szarości rejestrowane są najczęściej jako obrazy 8-bitowe. Rozdzielczość spektralna - typ rozdzielczości cyfrowych obrazów teledetekcyjnych, podający specyficzny zakres długości fali promieniowania elektromagnetycznego, które może zapisać czujnik promieniowania. Operacje: digitalizacja, podstawowe statystyki, kompozycje barwne, analizy statystyczne i geostatystyczne, klasyfikacje.. Rastry zazwyczaj używane są jako podkład do analiz. O użyteczności w projekcie GIS decyduje rozdzielczość. Obraz rastrowy zajmuje dużo miejsca na dysku komputera. Formaty: TIF, BMP, JPG, GEOTIFF.
SKANOWANIE I KALIBRACJA Rozpoczyna się od rejestracji skanu mapy w układzie współrzędnych polegającej na dowiązaniu elementów przestrzeni obrazu cyfrowego do faktycznej lokalizacji w danym układzie odniesienia. WAŻNE! Punkty kontrolne (przypisanie charakterystycznym punktom współrzędnych topograficznych) Następnie określa się i przypisuje skanowi mapy współrzędne geograficzne, wpasowując ją w dany układ współrzędnych jest to proces kalibracji lub nadania georeferencji (lub ortorektyfikacji). Do tego czasu kalibracji mapa nie jest mapą tylko zdjęciem lub skanem mapy!!!
Kalibracja mapy osiedli Krakowa (nadanie odniesienia przestrzennego dla mapy rastrowej) RESAMPLING Tzw. przepróbkowanie zbudowanie nowego rastra jaki powstaje po transformacji rastra pierwotnego (np. gdy pierwotny raster trzeba przeskalować, skręcić itp.) efektem resamplingu jest obrót, powiększenie, pomniejszenie lub zmiana proporcji obrazu rastrowego do resamplingu stosuje się interpolację, której celem jest utworzenie nowego, wcześniej nie istniejącego piksela na podstawie pikseli sąsiadujących z pikselem tworzonym tak, aby był on jak najlepiej dopasowany optycznie do przetwarzanego obrazu.
Interpolacja proces wykorzystywany do uzupełniania wartości pikseli na obrazie Nearest-neighbor interpolation Interpolacja najbliższego sąsiada Pikselom są przypisywane wartości ich najbliżej położonych sąsiadów Interpolacja biliniowa Wartości uzupełnianych pikseli są obliczane jako średnia wartość najbliższych sąsiadów ważona odległością (czyli wg zależności liniowej) Interpolacja bikubiczna Wartości uzupełnianych pikseli są obliczane jako średnia wartość dwóch najbliższych sąsiadów ważona odległością (czyli wg zależności kwardatowej) a b c Wynik skalowania sztucznego obrazu o rozdzielczości 16 x 16 do rozdzielczości 32 x 32. a) interpolacja nearestneighbour b) interpolacja biliniowac) interpolacja bikubiczna (dwukwadratowa). a b c Wynik skalowania sztucznego obrazu o rozdzielczości 16 x 16 do rozdzielczości 24 x 24. a) interpolacja nearest neighbour b) interpolacja biliniowa c) interpolacja bikubiczna (dwukwadratowa)
Wynik skalowania sztucznego obrazu o rozdzielczości 16 x 16 do rozdzielczości 12 x 12 za pomocą trzech metod: najbliższego sąsiada, interpolacji biliniowej i interpolacji bikubicznej. Wynik skalowania sztucznego obrazu o rozdzielczości 16 x 16 do rozdzielczości 8 x 8 za pomocą trzech metod: najbliższego sąsiada, interpolacji biliniowej i interpolacji bikubicznej. Model wektorowy (prosty) Model ten stanowi bezpośrednie, numeryczne przedstawienie obiektów świata rzeczywistego przez odpowiadające im obiekty geometryczne czyli : punkty, linie, powierzchnie.
Etapy budowy modelu wektorowego. Zalety i wady prostego modelu wektorowego. 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
Topologiczny model wektorowy W prostym modelu wektorowym obiekty opisywane są bezpośrednio przez ciągi współrzędnych punktów. Jest to opis kompletny pod względem geometrycznym, ale nie dający bezpośrednio informacji o wzajemnym powiązaniu obiektów między sobą. W topologicznym modelu wektorowym, oprócz informacji geometrycznych definiujących położenie i kształt obiektów zawiera również informacje o wzajemne powiązania między obiektami. W topologicznym modelu wektorowym wyodrębnia się trzy rodzaje elementów topologicznych: zerowymiarowe- punkty węzłowe, jednowymiarowe - linie graniczne, dwuwymiarowe - obszary, Dla wymienionych elementów można zapisać wszystkie wzajemne relacje. Elementy klasy wyższej budowane są zawsze z elementów klasy niższej. Przypisywanie relacji topologicznych do elementów zerowymiarowych. Przypisywanie relacji topologicznych do elementów jednowymiarowych. Przypisywanie relacji topologicznych do elementów dwuwymiarowych. Granice obszarów:
Modele 3D 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. Możliwość dostosowania rozmiarów trójkątów tak aby jak najlepiej odzwierciedlić zmienność modelowanego parametru.
Interpolacja liniowa na podstawie punktów, w których podana jest wysokość terenu n.p.m. modelowanie rzeźby terenu z wykorzystaniem trójkątów z1 = a + bx1 + cy1 z2 = a + bx2 + cy2 z3 = a + bx3 + cy3 W każdym trójkącie wysokość z jest funkcją liniową współrzędnych płaskich x i y z = a + bx + cy Numeryczny model terenu informacja o wysokości terenu nad poziomem morza. Rzeźba terenu może być przedstawiona na mapie między innymi za pomocą poziomic, metody hipsometrycznej i/lub cieniowania.
Modele 3D Nachylenie stoków 2 z z s = + x y 2 Ekspozycja stoków z x a = arctan 1 +π z y Zastosowania analiz 3D: hydrologia (modele spływu wody, erozja); telekomunikacja; planowanie dróg i zabudowy; architektura krajobrazu; turystyka... Wizualizacja NMT Oświetlenie określone przez kąt padania promieni słonecznych, (kąt azymutalny i kąt zenitalny słońca) Cieniowanie i drapowanie warstw tematycznych na numerycznym modelu terenu
Wizualizacje 3D z wykorzystaniem różnych warstw tematycznych