Teledetekcja i GIS

1. Fotointerpretacja elementów środowiska geograficznego

Cechy rozpoznawcze:

I Bezpośrednie

1. Kształt – główna cecha rozpoznawcza, nieregularne kształty są związane ze środowiskiem, naturalne z antropopresją

2. Wielkość - przyporządkowany wymiar charakteryzujący obiekt

3. Fototon lub barwa – stopień zaczernienia materiału światłoczułego

4. Struktura

5. Tekstura

II Pośrednie

1. Cień własny

2. Cień rzucany

3. Rozmieszczenie topograficzne obiektów

4. Powiązanie z innymi obiektami

Ocena wyników fotointerpretacji

1. Stopień rozpoznania (procent rozpoznanych obiektów w stosunku do ogólnej liczby obiektów odfotografowanych na zdjęciu będącymi przedmiotem rozpoznania)

2. Wiarygodność fotointerpretacyjna (poprawność interpretacji obrazu konkretnych obiektów)

3. Dokładność fotointerpretacyjna (prawidłowe naniesienie granic wydzielonych obiektów, prawidłowe określenie wielkości wydzielonych obiektów

Różnice między obrazem terenu na zdjęciu lotniczym a rzeczywistością

• Na zdjęciu lotniczym teren przedstawiony jest z innego punktu widzenia niż ten, do którego jesteśmy przyzwyczajeni

• Zdjęcie lotnicze wykonuje się najczęściej na czarno-białym materiale panchromatycznym, którego uczulenie świetlne jest zgodne z uczuleniem oka ludzkiego

• Wskutek znacznego uogólnienia konturów zanikają pojedyncze obiekty, natomiast starają się bardziej widoczne te, które w czasie obserwacji naziemnych są trudno dostrzegalne

• Na zdjęciu lotniczym sfotografowana jest powierzchnia Ziemi w jakimś przypadkowym momencie, który może okazać się niekorzystny z punktu widzenia fotointerpretacji

• Krajobraz na zdjęciu lotniczym zostaje zarejestrowany w sposób nieruchomy

Etapu odczytywania zdjęć lotniczych

1. Wykrywanie obiektów

2. Rozpoznawanie obiektów i wydzielenie cech synteza

3. Formowanie opinii o pojedynczych obiektach, zjawiskach, a także o terenie jako całości

Najważniejsze cechy: kształt, ton, barwa, cień

Osiedla – na podstawie planu i struktury obrazu można określi typ osiedla jego funkcje

Drogi – zazwyczaj jasny fototon (zależnie od typu nawierzchni) charakterystyczny wydłużony kształt

Woda – pochłania znaczną część promieniowania widzialnego, ciemny fototon. Głębokość w rzece można określić, gdy rzeka prowadzi czystą wodę w takim przypadku stosuje się metody stereometryczne (różnica paralaks między widocznym dnem o powierzchnią wody w rzece) lub fotometryczną (określenie zależności między jej głębokością a jej gęstością). Jezioro wyraźnie widoczne na zdjęciach ton zależy od czystości i oświetlenia, barwy gruntu dna zbiornika, występuje roślinność na jej powierzchni.

Wyjątki, gdy woda nie ma ciemnego fototonu:

• Dno piaszczyste i płytki zbiornik

• Szybki prąd rzeki i spieniona woda

• Dużo zawiesiny w rzece

• Gdy promienie słoneczne padają pod takim kątem, że następuje całkowite odbicie w kierunku osi aparatu

Na podstawie zdjęcia można określić:

• Szerokość rzeki

• Kierunek biegu

• Głębokość

• Prędkość nurtu

Kierunek płynięcia rzeki ustalamy dzięki:

• Kąt, pod którym dopływy wpadają do rzeki

• Kształt wysp (ostry koniec wyspy w kierunku prądu rzeki)

• Spienienie wody (za tamą)

• Kierunek przechylenia obiektów na rzece np. promu

• Zalew na rzece

• Poszerzenie koryta przed zaporą

2. Modele danych przestrzennych

Typy obiektów GIS

I dyskretne – mogą być wyodrębnione na danym obszarze

1. Zerowymiarowe - tj. obiekty punktowe mające miejsce w przestrzeni (x, y), ale nie posiadające długości

2. Jednowymiarowe – obiekty liniowe

3. Dwuwymiarowe – obiekty powierzchniowe (poligonowe) mające długość, szerokość

4. Trójwymiarowe – obiekty bryłowe (3D) mające długość, szerokość i głębokość np. budynki w 3D

II ciągłe – występują na całym rozpatrywanym obszarze obiekty, dwuipółwymiarowe tj. powierzchnie terenu

Relacje miedzy obiektami

typ przykład

1 : 1 działka - poligon

1 : n budynek - piętra

n : m działka – właściciel

Dane geograficzne (dane odniesione do powierzchni Ziemi) posiadają trzy atrybuty

I lokalizacja (atrybut przestrzenny)

• Odniesienie do dowolnego układu współrzędnych płaskich (x, y)

• Dodatkowo podanie współrzędnej wysokości z danego obiektu

• Relacje topologiczne

II cechy, charakterystyka opisowa i jakościowa

III zmienność, dynamika w czasie (atrybut czasowy)

Podział ze względu na stopień rozbudowania:

• Dane punktowe

• Dane liniowe

• Dane przestrzenne

Model danych – sposób przedstawienia różnorodności geograficznej w bazie danych, reguła określająca organizację w bazie danych

• Sformalizowany

• Abstrakcyjny

• Zwięzły

• Czytelny

Abstrakcja – wyodrębnienie cech istotnych, stałych przedmiotu (zjawiska i rozpatrywanie ich w oderwaniu od cech nieistotnych).

Modele danych

1. Model rastrowy

Raster – dwuwymiarowa macierz (tablica), której wskaźniki x i y określają położenie danego piksela w stosunku do wybranego układu współrzędnych, kolejne wymiary tej macierzy tworzą atrybuty gisowe. Gdy atrybut 2 oznacza wysokość terenu mamy wtedy do czynienia z trójwymiarowym modelem przestrzeni.

Regularna bądź nieregularna siatka składająca się dwóch pól podstawowych zwanych pikselami wypełniający cały badany obszar, to położenie piksela określają współrzędne rzędu i kolumny. Każdy piksel charakteryzowany jest przez jedną wartość.

W modelu rastrowym punkt jest pojedynczym pikselem, linie ciągiem pikseli a poligon zbiorem.

Atrybuty opisowe przypisuje się pojedynczej komórce (piksele) stosując jedną z poniższych zasad:

• Piksel jest w większej niż połowa części pokryty przez dane zjawisko

• Dowolna część rastra pokryta jest przez dane zjawisko

• Zjawisko zlokalizowane jest przez granicę danego obiektu lub zjawiska (lub obiekt liniowy przecina raster)

Zalety rastrowego modelu danych

• Łatwość zrozumienia

• Prosty sposób matematycznego definiowania

• Łatwość użycia (wizualizacji i przetwarzania)

• Łatwość przechowywania (dwuwymiarowa tablica)

Wady rastrowego modelu danych

• Mała precyzja lokalizacji obiektów (rozdzielczość)

• Deformacja obwodów powierzchni

• Trudność w oddaniu zmienności przestrzennej

• Duża wielko© zbioru danych

Wady rastrowego (rastra kwadratowego) modelu danych:

• Wiele zjawisk powierzchniowych lepiej jest oddanych przez pola o innych kształtach np. trójkąta, sześciokąta

• Nieodpowiedniość do prowadzenia modelowania lokalnych oddziaływań

2. Model wektorowy

Wektor – (element podstawowy linia) obrazowanie rzeczywistości za pomocą punktu, linii lub poligonu, reprezentowany jest przez serie współrzędnych x, y lub x, y, z.

Prosty motel wektorowy (typu spaghetti) jest podstawowym formatem cyfrowego kodowania danych przestrzennych, nie uwzględniającym relacji topologicznych.

Wady wektorowego modelu danych - trudność w zapewnieniu identyczności współrzędnych punktów wspólnych obiektów sąsiednich lub nakładających się

Topologia 2D analiza sąsiedztwa, przecinania, połączeń i zawierania. Określa w matematyczny sposób właściwości obiektów, które zostają niezmienione poza różnego rodzaju deformującymi je elementami.

Zalety wektorowego modelu danych:

• Duża złożoność struktury zbioru

• Trudniejsze wykonywanie analiz przestrzennych

Porównanie modelu wektorowego i rastrowego

Wektor Raster

Shp Img

Dwg Ers

Dxf Tiff

Dgn Pcx

Tab Bmp

Gaf Pieg

Svg Wmf

3. Model danych przestrzennych

1. Krajobrazowy pozaznakowy, nawiązuje do wyobrażeń własnych odbiorcy (bezdanowy – geometryczny – analityczny)

2. Znakowy – kartograficzny, dostosowany do zasad percepcji, zredagowany, topologia interpretowana, konwencjonalny, urzędowy

3. poglądowy

DLM DLM

Cyfrowy model modelowanie cyfrowy model

krajobrazowy wizualizacja kartograficzny

model obraz

Etapy tworzenia geograficznej bazy danych

Tworzenie geograficzne (przestrzennej) bazy danych przebiega w kilkunastu etapach prowadzących od danych źródłowych do analizy i modelu odzwierciedlającego rzeczywistość

Encja - jakaś całość, która nie dzieli się na zjawiska tego samego rodzaju, przedmioty świata realnego

1. Wybór modelu danych (wektor – raster)

2. Wybór reprezentacji przestrzennej dla wektorów

3. Wprowadzenie danych przestrzennych

4. Wprowadzenie danych nieprzesetrzennych

5. Powiązanie danych nieprzesetrzennych z danymi przestrzennymi

6. Budowa typologii

7. Edycja danych

8. Obróbka danych (analiza modelowanie)

9. Stworzenie modelu rzeczywistości

3. Pozyskiwanie danych przestrzennych

Dane – cyfrowa reprezentacja obiektów (encji) znajdujących się w otaczających nas świecie przechowywanymi w bazie danych.

Dane geograficzne są bardzo skomplikowane, oprócz informacji o właściwościach obiektów o położeniu zawierają jeszcze informacje o powiązaniach topologicznych

• Dane nieprzestrzenne

• Dane przestrzenne

• Dane topologiczne

Właściwości obiektów

1. Powtarzalność – zgodność wartości na wejściu do systemu z wartością na wyjściu z systemu

2. Rozdzielczość – zdolność wykrywania lub rozróżniania wielkości, cech ta dotyczy przestrzeni

   • Przestrzenna – najmniejsza jednostka przestrzeni wyrażona rozmiarem pikseli lub jednostka zliczania współrzędnych w digitalizerze, wielkość zbioru liczba pikseli

   • Czasowa – odstęp czasu pomiędzy poszczególnymi pomiarami

   • Aktualności – różnica czasu pomiędzy momentem zmiany wartości atrybutu w rzeczywistości, moment wprowadzenia nowej wartości do systemu, im większa aktualność danych tym większa wiarygodność wyników zastosowania gis

   • Dokładność – największa bliskość wartości prawdziwej określona metodami teorii błędów i statystyki matematycznej. Nie ma charakteru absolutnego, jest zawsze w relacji do stopnia generalizacji informacji z otaczającego świata

3. Precyzja – zdolność dokładnego przedstawiania wielkości wyrażająca się np. liczbą cyfr po przecinku w zapisie wartości, dane mogą być precyzyjne a zarazem mało dokładne

4. Kompletność – wyrażona stosunkiem liczby danych posiadanych w systemie do liczby danych, które w systemie powinny być zawarte

5. Dostępność

6. Odpowiedniość – wyraża stopień zaspokojenia potrzeb informacyjnych użytkownika

7. Koszt – użytkowania, przetwarzania i dostarczania danych

8. Wartość – dane mają wartość rynkową, wartość danych zależy od kosztów poniesionych przy ich pozyskiwaniu i konwersji. Wartość danych możemy podzielić przez: korzyści wynikające z użycia uzyskanej informacji, zamiast lub w uzupełnieniu do informacji posiadanej dotychczas, stratę jaką użytkownik mógłby ponieść gdyby informacji z systemu nie wykorzystał

9. Pochodzenie danych – kto, kiedy i w jaki sposób je zebrał

10. Własność – informacje zarówno w formie analogowej jak i cyfrowej posiadają swojego właściciela (dane publiczne, dane prywatne, dane komercyjne)

Źródła danych dla GIS:

1. Baza danych referencyjnych

2. Mapy topograficzne

3. Mapy tematyczne

4. Inne opracowania kartograficzne

5. Zdjęcia lotnicze

6. Obrazy satelitarne

7. Dane z GPS

8. Dane z programów automatycznego wspomagania projektowania CAD

9. Dane meteorologiczne

10. Dane hydrologiczne

11. Dane ze spisów powszechnych

12. Dane z roczników statystycznych

13. Dane z urzędów na temat ludności, infrastruktury

14. Dane przyrodnicze zebrane w terenie

15. Dane socjologiczne i ekonomiczne pochodzące z wywiadów

16. Dane z opracowań naukowych

17. Już istniejące dane cyfrowe

18. Inne źródła danych

Warunek wykorzystania w GIS lokalizacja geograficzna w przestrzeni

Mapy analogowe – model graficzny (rysunkowo – obrazowy) rzeczywistości geograficznej, jest jednym ze źródeł danych dla systemów GIS. Źródłami informacji są różne mapy analogowe: topograficzne, katastralne, tematyczne i inne.

Najważniejsze właściwości map będących źródłami informacji:

• Odwzorowanie

• Układ odniesienia

• Symbole

• Gęstość informacji

• Dokładność

Krajowy System Informacji Przestrzennej – rejestr referencyjny oparty na standardowej bazie danych przestrzennych obejmujących całe terytorium kraju. Obejmuje on procedury i technologie systematycznego gromadzenia, aktualizowania, przechowywania oraz udostępniania użytkownikom potrzebnych im danych przestrzennych.

Składniki SIP

• Baza danych ogólnogeograficznych ( od 1: 250 000 do 1: 4 000 000)

• V- Mapa poziomu 2 w skali 1:50 000

• Tematyczna baza danych w skali 1:50 000

• Baza danych topograficznych 1:10 000

• Ortofotomapy ze zdjęć satelitarnych i lotniczych

• Baza danych katastralnych w skali 1:1 000 – 1:5 000

• Mapa zasadnicza w skali 1:500 – 1:5 000

• Jednolity system odniesień przestrzennych

Instytucje odpowiedzialne

• Poziom centralny – Główny Geodeta Kraju w oparciu o bazę danych ogólnogeograficznych

• Poziom wojewódzki – marszałek na podstawie baz danych topograficznych, V- Mapy poziomu 2, map tematycznych

• Poziom powiatowy – starosta lub prezydent miasta na podstawie danych EGIB

Termin „dane ogólnogeograficzne” zaczerpnięto z nomenklatury kartograficznej, gdzie odnoszą się do zobrazowań w małej skali, prezentujących wyłącznie najważniejsze obiekty i zjawiska geograficzne

Cztery poziomy skali:

• 1:250 000

• 1:500 000

• 1: 1 000 000

• 1: 4 000 000

Trzy typy baz danych

• Model przestrzenny GIS

• Mapa wektorowa WEK

• Mapa rastrowa RAS

Źródła danych

• V- Mapa poziomu 1

• Landsat ETM

• CORINE Land Cover

• Państwowy Rejestr Granic

• Rejestr Jednostek Administracyjny i Nazw Geograficznych

• Baza Danych Hydrologicznych

• Państwowy Rejestr Dróg

• Baza Danych Terenów Zamkniętych

V- Mapa poziomu 2

Mapa wektorowa poziomu drugiego (VMapL2) opracowana przez Zarząd Geografii Wojskowej Sztabu Generalnego Wojska Polskiego w porozumieniu GUGIK. Model bazy danych odpowiada skali 1:50 000. Mapa poziomu 2 obejmuje 110 klas obiektów, zgrupowanych w dziesięciu kategoriach wskaźników. Podstawą tworzenia mapy jest wojskowa mapa topograficzna tzw. 50-tka uzupełniona o sieci energetyczne i drogowe.

V- Mapa poziomu 2 pokrywa całe terytorium kraju ma zunifikowany system odniesień przestrzennych.

Inwestorzy: Zarząd Gospodarki Wojskowej SGWP, Główny Urząd Geodezji i Kartografii.

Mapa wektorowa poziomu 2

9 warstw tematycznych: fizjografia, granice, hydrografia, kartografia, kultura, przemysł, roślinność, rzeźba terenu, transport. 110 klas obiektów. Szczegółowość skali 1:50 000

Mapa sozologiczna

Wykazuje stan środowiska oraz negatywne i pozytywne rezultaty zmian tego środowiska przez człowieka lub procesy naturalne. Obejmuje informacje dotyczące np. formy działań na rzecz ochrony środowiska.

Baza Danych Topograficznych TPD – to oficjalna nazwa krajowego systemu zbierania, przetwarzania i udostępniania danych topograficznych, funkcjonującego zgodnie z obowiązującymi przepisami prawa. TPD ma dwie części: bazodanową, kartograficzną.

Kataster

• Dane o nieruchomościach (położenie, ukształtowanie powierzchni, szczególnych cechach jakościowych, użytkowaniu i przeznaczeniu).

• Dane o własności i władaniu (o podmiocie)

• Wartość katastralna wg wyników Powszechnej Taksacji Nieruchomości

Zintegrowany system katastralny – główne cele

• Elektroniczna wymiana danych pomiędzy ewidencją gruntów i budynków a księgami wieczystymi, ewidencją podatkową i ewidencją podatników

• Udostępnianie danych na rzecz ewidencji podatkowej, systemu IACS i innych systemów wykorzystywanych przez organy administracyjne

Trzy segmenty GPS

• Kosmiczny

• Kontrolny

• Użytkowy