Koncepce prostoru

1
Koncepce prostoru

• Porizování a ukládání dat souvisí s pojetím
  prostoru
• Urcování polohy v prostoru vytvorení relace
  mezi geoprvkem, jehož polohu urcujeme a prvkem
  množiny M obsahující všechny body tohoto prostoru
• Prostorové referencní systémy poloha geoprvku
  urcena ruzným zpusobem, s ruznou presností a
  ruzným rozlišením

2
Prostorové referencní systémy

• Klasifikace podle kritérií
• Zpusob urcování polohy prímý (souradnicové
  systémy), neprímý (pomocí geokódu)
• Prostorový rozsah globální/lokální
• Spojitost kontinuální/diskrétní
• Urcování polohy v závislosti na jiných geoprvcích
  absolutní/relativní
• K cemu se vztahují k Zemi, k rovine, k linii

3
Souradnicové systémy

• prímé urcování polohy
• ruzné typy podle klasifikace
• jsou vztaženy k zemskému telesu nebo k rovine, na
  kterou je zemský povrch promítnut

4

• geografický souradnicový systém (v principu
  sférický), poloha bodu na zemském povrchu je
  udávána pomocí zemepisné šírky ? (latitude)
• a zemepisné délky ? (longitude)

5
Souradnicové systémy - vztaženy k rovine

• souvisí se znázornováním povrchu Zeme na mapách
• prevod krivého zemského povrchu do roviny -
  operace charakteristické pro použité
  kartografické zobrazení
• kartografické zobrazení pritom deformují krivý
  zemský povrch do roviny ruzným zpusobem
• nekterá zobrazení zachovávají plochy, ale
  nezachovávají tvary a úhly, jiné zachovávají
  tvary ale nezachovávají plochy
• dusledek - není možné kombinovat data prevedená
  pomocí ruzných kartografických zobrazení (S-JTSK
  a S-42 nebo WGS-84).

6
Souradnicové systémy - vztaženy k rovine

7
Souradnicové systémy - vztaženy k rovine

• kartografické zobrazení
• speciálne pro bývalou Ceskoslovenskou republiku a
  které respektovalo její protáhlý tvar a polohu na
  zemském glóbu (Krovák)

8

• Kartografické zobrazení Krovákovo (S-JTSK)

9
(No Transcript)
10
Používané souradnicové systémy

• Vláda CR narízením c. 116/1995 Sb. NV116
  stanovila závazné geodetické referencní systémy,
  použitelné na území našeho státu
• WGS84 - svetový geodetický referencní systém 1984
  ( World Geodetic System 1984)
• ETRS - evropský terestrický referencní systém
  (European Terrestric Referenc System)
• S-JTSK - souradnicový systém Jednotné
  trigonometrické síte katastrální
• S-42 - souradnicový systém 1942
• Bpv - výškový systém baltský - po vyrovnání
• S-Gr95 - tíhový systém 1995

11
Úlohy v rámci GIS

• návrh GIS aplikace z hlediska užití
• tvorba databáze údaju
• porizování dat
• analytické funkce - s prihlédnutím k okruhu
  uživatelu

12
Porizování dat

• verejné zdroje
• ruzné komercní organizace
• primární zdroje dat
• sekundární zdroje dat (informace o jejich získání
  a postupu zpracování, aktuálnosti a kvalite dat -
  metadata)
• http//gis.vsb.cz/midas/scripts/frames.php)

13
Porizování dat

• Prímé merení - zachycení prostorových a casových
  zmen pomocí vhodné škály (pocet rostlin v
  lokalite, velikost srážek, ...)
• Neprímé merení - uskutecnuje se na základe znaku
  fyzikálních, chemických ci biotických, které jsme
  schopni ohodnotit pomocí funkcních závislostí na
  sledovaném fenoménu. (merení teploty teplomerem,
  vetru pomocí anemometru, ... )

14
Údaje z primárních zdroju

• nejpresnejší zdroj prostorových dat - geodetická
  merení, která jsou prevedena do digitální formy
• data z terénního zápisníku (prepis pres
  klávesnici pri rucním zpracování - chybovost)
• elektronický zápisník - geodetická zarízení
• GPS - Global Position System.
• další zpracování specializovaným softwarem do
  vektorové reprezentace, po zmene formátu (dle
  patricného GISu) je možné ukládat data do
  geografické databáze

15
GPS

• navigacní systém pro urcení polohy kdekoliv na
  zemském povrchu, bez ohledu na pocasí a na dobu
  merení
• puvodne vojenský systém, vyvíjený a budovaný od
  roku 1973 Ministerstvem obrany Spojených státu
• zacátkem 90. let se po vývoji a rozšírení stal
  plne funkcním a dostupným po celém svete
• Kongres Spojených státu schválil výnos o využití
  systému GPS i v civilní sfére
• z duvodu možnosti zneužití (teroristické úcely) a
  zabezpecení prvoradosti vojenských aplikací bylo
  až do 1.5.2000 provozováno nekolik opatrení

16
GPS

• selektivní dostupnost (Selected Availibility) -
  zámerné zhoršování presnosti urcení polohy nebo
  zavedení tzv. presného P/Y - kódu, kterým je
  šíren signál pouze pro vojenské aplikace
• v soucasné dobe je již zámerné zhoršování polohy
  vypnuté, což pro civilní uživatele znamená témer
  10-ti násobne zvýšení presnosti urcení polohy

17
GPS

• clenení na tri podsystémy
• kosmický
• rídící (kontrolní)
• uživatelský

18
GPS kosmický segment

• 24 družic (21 pracovních a 3 záložní), orbitální
  dráhy ve výšce 20200 km s dobou obehu 11.25 hod,
  na šesti obežných drahách
• každá družice je vybavena prijímacem, vysílacem,
  atomovými hodinami a prístroji pro navigaci nebo
  jiné speciální úkoly (kupr. pro detekci výbuchu
  jaderných náloží)
• družice prijímá, zpracovává a uchovává informace
  predávané z pozemního rídícího centra pro možnost
  korekce dráhy letu raketovými motorky
• sleduje stav vlastních systému a podává o techto
  skutecnostech informace zpet do rídícího centra

19
GPS kosmický segment

• každá družice je vybavena záložními zdroji,
  palubní baterie jsou dobíjeny dvemi slunecními
  panely
• princip urcování polohy - družice vysílá signály
  pro uživatele v podobe složitého signálu, každá
  družice vysílá zprávy o své poloze a približné
  poloze ostatních družic systému
• k urcení aktuální polohy pozemní prijímac pocítá
  tzv. pseudovzdálenosti, což jsou vzdálenosti mezi
  prijímacem a viditelnými družicemi (nad obzorem)

20
GPS kosmický segment

• výpocet pseudovzdálenosti vychází ze znalosti
  rychlosti šírení družicového signálu a rozdílu
  casu mezi vysláním a príjmem signálu
  (pseudovzdálenost - jsou zavedeny další
  doplnující výpocty, které urcení výsledné polohy
  dále zpresnují)
• pro urcení dvojrozmerné polohy (nejcasteji
  zemepisná délka a šírka) stací príjem signálu z
  minimálne trí družic (výpocet trí
  pseudovzdáleností)
• pro urcení trojrozmerné polohy (navíc výška)
  minimálne ze ctyr družic
• príjem menšího poctu družic znemožnuje výpocet
  polohy, vyšší pocet družic naopak urcení polohy
  dále zpresnuje

21
GPS rídící segment

• monitoruje funkce družic a získané údaje predává
  zpet družicím
• je tvoren hlavní rídicí stanicí v Colorado
  Springs a dalšími 5 monitorovacími stanicemi a 3
  pozemními rídícími, které spolupracují s hlavní
  rídící stanicí
• cílem celého rídícího podsystému je monitoring
  funkcí každé družice, sledování a výpocet dráhy
  družice, komunikace a zajištení presného chodu
  atomových hodin na družicích
• závada na družici se co nejrychleji operativne
  reší, (cena 50 miliónu dolaru za družici)

22
GPS rídící segment

• existuje nekolik nezávislých monitorovacích sítí,
  které umožnují další presnejší urcování polohy,
  predevším pro velmi presné aplikace (geodézie,
  geodynamika), nepodílejí se na rízení a cinnosti
  systému GPS
• princip - pri každém pruletu družic nad temito
  stanicemi jsou vyhodnoceny parametry jejich drah
  a vypocteny korekce, které jsou vyslány zpet na
  dané družice a odtud do prijímace, kde dojde k
  aktualizaci uložených dat o družicích  

23
GPS uživatelská cást

• pozemní segment speciální prijímac s anténou,
  jednotkou pro zpracování radiového signálu a
  dekódování vložených dat, vyhodnocovací jednotkou
  a výstupní
• jednotkou pro komu-
• nikaci s obsluhou
• pomocí klávesnice
• a displeje

24
GPS

• použití a presnost v ruzných oblastech
• civilní - presnost od 25 m do 100 m, kódování C/A
  (coarse/acquisition code) pro hrubé zjištení
  polohy
• vojenské - presnost od 2.5m do 15m, kód C/A,
  zpresnení kódovaným signálem oznacovaného jako P
  (precision code)
• DGPS - diferenciální GPS (oznacována jako DGPS),
  presnost asi 0.5m

25
Fotogrammetrie

• princip - merení prostorových objektu na
  fotografiích nebo mericských snímcích objektu
• snímky je možné porídit dvemi zpusoby
• pozemní snímání je provádeno z povrchu Zeme
  (stavebnictví)
• letecké snímkování (data o vetším územní)

26
Fotogrammetrie

• Prípravné práce signalizacní body
• Letecké snímkování
• Ortorektifikace snímku - nutnost transformace
  snímky porízené v centrální projekci prevést na
  ortogonální projekci do podoby mapy
• Fotointerpretace - interpretace údaju z
  fotosnímku
• Prenos do GIS

27
Fotogrammetrie

• Velikost detailu z leteckých fotografií je
  ovlivnena
• výškou letu nosice, na kterém je namontovaná
  kamera (letadlo)
• ohnisková vzdálenost objektivu kamery
• vlastnostmi filmu, na který je snímáno
• vertikální clenitostí reliéfu
• stupnem prekrytí po sobe následujících snímku

28
Fotogrammetrie
29
Dálkový pruzkum zeme - DPZ

• definice z 1988 podle SPRS
• DPZ je umení, veda a technologie na získávání
  spolehlivých informací o fyzikálních objektech a
  jejich okolí pomocí záznamu, merení a
  interpretace snímku a digitálních záznamu, které
  se získávají pomocí nekontaktních systému.
• International Society for Photogrametry and
  Remote Sensing

30
Dálkový pruzkum zeme - DPZ

• zpusoby snímání
• pasivní systémy snímají zdroj
  elektromagnetického zárení (napr. ze Slunce),
  které se odráží od zemského povrchu
• aktivní systémy - mají vlastní zdroj zárení,
  vysílají k Zemi a snímají jeho odraz (radar)

31
Dálkový pruzkum zeme - DPZ

• Landsat - program NASA od roku 1967, vypušteno
  nekolik nosicu, poslední Landsat7, dosud funguje
  Landsat 5.
• SPOT - program Francie ve spolupráci s Belgiií a
  Švédskem, první nosic 1986

32
Prostorové rozlišení (m) /Záber (km)
Start
Stát/ Organizace
Družice
multispekt radar
panchro
30-20/185
1.3.1984
USA
Landsat 5
20/117
10/117
22.2.1986
FRANCIE
Spot 1
20/117
10/117
22.1.1990
FRANCIE
Spot 2
1100/2600
30.12.1994
USA
NOAA 14
26/100
21.4.1995
ESA
7,6-100/ 50-500
4.11.1995
KANADA
 
23,5-70,5/148
5,8/70
28.12.1995
INDIE
1100/2800
1.8.1997
USA
OrbView 2
5 km/ polokoule
2.9.1997
EUMETSAT
Meteosat 7
23,5-70,5/148
5,8/70
29.9.1997
INDIE
Spot 4
20-1100/117-2600
10/117
24.3.1998
FRANCIE
33
Dálkový pruzkum zeme - DPZ

• možnost nechat si porídit snímky území podle
  úcelu dat vybere se vhodný typ družice
• komercní firmy prodávající snímky sledovaného
  území
• využití zemedelství (sledování rustu vegetace)
• lesnictví (rozeznání typu porostu)
• ochrana životního prostredí
• ...

34
Porovnání fotogrammetrie a DPZ

• výhody DPZ
• rozsáhlejší území na jednom snímku
• pravidelný a operativní zpusob sberu údaju
• rychlé další zpracování údaju
• možnost sledovat zmeny v krajine (opakované
  prelety)
• nevýhodou - limit rozlišení je u fotogrammetrie
  je vetší

35
Vstupy ze sekundárních zdroju

• klávesnice - pracnost a chybovost
• digitalizace - snímání souradnic pomocí tabletu
  nebo digitizéru
• skenování

36
Tvorba vektorové reprezentace

• ze sekundárních zdroju (jednodušší modely)
• urcení souradnic každého objektu v souradnicovém
  systému mapy
• pro body - zápis souradnic (zmerením ci odhadem),
  urcení identifikátoru
• pro linie všechny pocátecní, koncové i lomové
  body
• pro polygony hranicní úseky a souradnice jejich
  lomových bodu
• prenos do vektorových souboru se zachováním
  datové struktury

37
Tvorba reprezentace ze s. zdroju

• pro rastrovou reprezentaci
• zdrojová mapa je prekryta sítí
• rozdelení na bunky
• zadávání hodnot atributu v jednotlivých bunkách v
  souladu s používaným systémem

38
Manipulace s údaji

• s prostorovými daty
• konverze údaju
• transformace souradnicového systému
• prevzorkování

39
Konverze údaju

• prevod mezi reprezentacemi
• vektorizace - prekrytí vektorové reprezentace
  mrížkou a následné prirazení atributové hodnoty
  každé bunce podle typu prostorového objektu
• rasterizace - úlohy spojené s metodami pro
  vyhlazování liniových objektu

40
Transformace souradnicového systému

• pravoúhlý souradnicový systém - numerické
  transformace
• lineární konformní zobrazení - posunutí,
  pootocení
• polynomické transformace - posunutí, pootocení,
  zmena merítka

41
Provádení analýz

• dotazy prostorové
• dotazy atributové
• kombinované dotazy
• vyhodnocení kombinovaného dotazu v nekterých
  systémech probíhá v nekolika krocích rízených
  uživatelem

42
Komercní GIS

• MicroStaion, firma Bentley, http//www.bentley.com
  
• INTERGRAPH, firma Intergraph http//www.intergraph
  .com
• ARC/Info, http//www.esri.com
• Smallworld, http//www.gepower.com/dhtml/network_s
  olutions/en_us/index.jsp
• IDRISI, http//www.clarklabs.org/home.asp

43
Arc/Info

• Arc/Info firma ESRI (Environmental Systems
  Research Institut), http//www.esri.com
• kompletní balík pro zadávání vektorových dat a
  jejich editaci, pro analýzu a modelování, pro
  správu databáze s napojením na databáze (Oracle,
  Informix, Sybase, Ingres)
• Nekteré z funkcí - použití nepravidelné
  trojúhelníkové síte, výpocet sklonu, orientace
  terénu ke svetovým stranám, výpocet objemu,
  plochy povrchu a délky svahu, generování
  vrstevnic a profilu, vymezování rícních sítí,
  údolnic a hrbetnic.

44
Arc/Info

• systém je plne otevrený, má uživatelsky
  upravitelné grafické rozhraní a makrojazyk AML
• UNIX stanice, verze PC Arc/Info pro osobní
  pocítace
• rozširující moduly pro specifické oblasti
• FieldWorks - pri tvorbe projektu inženýrských
  staveb - sber dat z geodetických prací,
  Intergraph dává k disposici tento program pro
  zpracování kódových merení z totálních
  geodetických stanic a automatické generování
  kresby, vytvorení polohopisu a vyrovnání
  namerených dat. Výstupem z programu jsou pak
  pripravená data pro všechny ostatní aplikace.

45
Arc/Info

• COGO (coordinate geometry)tvorba projektu tzv.
  souradnicové geometrie (trasování liniových
  staveb a sítí, návrh hran liniových staveb nebo
  krížení komunikací), nástroje pro vytvárení bodu
  ci jejich trasování, pro vytvárení prusecíku
  komunikací a pro vytvárení mimoúrovnových
  kruhových komunikací,body a trasování lze
  spojovat a automaticky vytváret prechodové prvky

46
Arc/Info

• Network (sítová analýza, routing)
• TIN (modelování terénu)
• GRID (práce s rastrem)
• ArcScan (nástroje pro scanování)
• ArcStorm (rídící nástroje)
• ArcExpress (rozšírení pro zvýšení výkonnosti)

47
INTERGRAPH

• GeoMedia
• http//www.intergraph.com/cz/

48
Nekomercní GIS

• GRASS (Geographic Resources Analysis Support
  System)
• http//www.itc.it, http//grass.baylor.edu/index.h
  tml

49
ZABAGED

• http//www.cuzk.cz/adr09/index09.html
• základní báze geodetických dat
• digitální topografický model území CR odvozený z
  mapového obrazu Základní mapy Ceské republiky
  110 000 v souradnicovém systému S-JTSK a
  výškovém systému baltském - po vyrovnání
• správcem a poskytovatelem dat ZABAGED je
  Zememerický ústav
• je založen na vektorové grafice s topografickými
  relacemi objektu a atributové složce obsahující
  popisy a další informace o objektech

50
ZABAGED

• obsah tvorí 106 typu objektu strukturovaných v
  databázi do 60 grafických vrstev vektorových
  (DGN) souboru
• identifikátory nekterých typu objektu (vodstvo,
  komunikace) jsou prebírány z databází jejich
  odborných správcu
• výškopisná složka vybavená vektorovým souborem
  vrstevnic umožnuje vytváret úcelove digitální
  model terénu
• ZABAGED je tvoren a provozován v grafickém
  prostredí MicroStation a GIS prostredí MGE
  (Intergraph) využívající relacní databázi ORACLE

51
ZABAGED

• popis struktury databáze - seznam objektu a
  atributu ZABAGED
• prostorové organizacní jednotky - mapové listy
  110 000 v kladu listu Základních map stredních
  merítek Ceské republiky
• tvorba od roku 1995 a ve vektorové forme (soubory
  DGN MicroStation) dokonceno 2001
• zástavba sídel (intravilánu) na cásti území byla
  docasne ponechána v rastrové forme (formát CIT)
• poskytování dat - polohopisná a výškopisná složka
  mohou být poskytnuty spolecne nebo oddelene

52
Prostorové dotazy

• selektivní dotazy
• dotaz na bod
• K danému bodu P najít objekty O z pro-storové
  relace A, pro které platí P?O.
• dotaz na oblast
• K oblasti R daného typu nalézt množinu objektu O
  ? A tak, že pro ? o ? O platí o? R ltgt ?.

53
Prostorové dotazy

• dotaz na okolí oblasti
• K oblasti R daného typu nalézt množinu
  obdélníku K ? A tak, že pro ? k ? K platí R ?
  k.

54
Prostorové spojení

• A \ast B
• Pro daný predikát P množina dvojic (a,b), kde a
  ? A, b ? B a platí P(a, b).
• spojením objektu jsou objekty splnující P(a, b),
  kde P je operace odpovídající predikátu P,
  napríkladP "je prunikem", pak P je ?.