BME Általános és Felsőgeodézia tanszék
A térinformatika alapjai dr Siki Zoltán
[email protected]
• • • • • •
A térinformatika fogalma Adatnyerési eljárások Digitális térképek Relációs adatbázisok Térinformatikai rendszerek Alkalmazási területek http://www.agt.bme.hu
A térinformatika fogalma Hardver Adatok
Személyzet Szoftver
!A
térinformatika a helyhez kötött jelenségekkel és a köztük levő, első sorban térbeli kapcsolatokkal foglakozik a világban levő adatok nagy része helyhez illetve térképhez köthető
!A
térinformatikai rendszerek (GIS) a hardver, szoftver, térbeli adatok és kezelő személyzet szervezett együttese a helyhez köthető információk beszerzésére, tárolására, aktualizálására, elemzésére és megjelenítésére
!A
térbeliség általában a Föld felszinére korlátozódik térképek (2D/3D) Költségek megoszlása Hardver Szoftver Adat Oktatás 1-5% 5-10% 70-90% 5-10% Alkotóelemek élettartama Hardver Szoftver Adat Oktatás 2-5 év 5-10 év 2-10 év 25-∞ ∞
Térinformatikai rendszerek jellemzői Múlt ! CAD rendszerek térképek rajzolásához Jelen ! Térbeli adatok digitalizálása, tárolása és aktualizálása !Grafikus (vektor és raszter) adatok és a hozzájuk kapcsolt járulékos adatatok együttes kezelése ! Alkalmazási területek széles skálája pl. környezetvédelem, közmûvek, marketing ! Különbözô elemzési és megjelenítési lehetôségek Jövő A térinformatika integráns része más információs rendszereknek pl. hálózati felügyeleti rendszer, irodai információs rendszer
!
! Megbízható, alacsonyabb költségû, hatékonyabb feldolgozás
Adatmodell Leíró adatok
Objektumok út
Valós világ
épület
12
Absztrakció
Rétegek Kutak
Utak
Talajok
Lehetséges modellek Modell megvalósítása
Vektoros és raszteres ábrázolás Vektoros •Kisebb méretű állományok •Tetszőleges felbontás •Összetett adatszerkezet Hibrid modell
Raszteres •Nagy méretű állományok •Rögzített felbontás •Egyszerű adatszerkezet
Réteg és objektum technika Rétegek
Épület
Épület objektum
Terasz
12
Fák
Víz
Épület
Telek
12
Házszám
A digitális térkép A térkép, számítógéppel kezelhetõ, numerikus (digitális) leírása Digitális térképek felépítése Rajzi alapelemek: pont, szimbólum egyenes, körív, kör, görbe szöveg poligon, terület
Digitális térképek A térkép a Föld felszínén illetve azzal kapcsolatban álló anyagi vagy elvont dolognak - általában kicsinyített, generalizált, síkbeli megjelenítése. A digitális térkép, a térkép tartalmának számítógéppel kezelhetõ, numerikus (digitális) leírása. Eltérések a hagyományos és a digitális térképek között •A tárolás általában folytonos, nincs szelvényekre bontva •Struktúra, a térképi elemek csoportokba sorolhatók (réteg, objektum) •Valós méretekkel ábrázolja az elemeket •Pontos csatlakozások, topológia!
A digitális és hagyományos térképek összehasonlítása "hátrányok" fegyelmezettebb munkát követel újabb ismeretek elsajátítását igényli másfajta eszközök illetve logika a hagyományos nyilvántartások hibái kiderülnek
elõnyök hatékonyabb, gyorsabb munkavégzés eddig "megoldhatatlan" feladatok megoldása egységes térképi alap az összes hivatalban, többcélú felhasználhatóság strukturáltság
Alapszabály: "A számítógép az utasításaink és nem az elképzeléseink szerint mûködik!" (Murphy)
Nagyméretarányú térképek A
CA UT
A TR MÁ CA UT
223608
ZA
UT
CA ÚT
TIS
TÉR G
C
TR MÁ
G
A
ZA
V
V GY
A
C
G
V
a.j.
UT
G
CA
urko lat aszfaltb
V
V
T
T
CA UT
•...
CA UT
G
T
•Földmérési alaptérkép •Közmű alaptérkép •Egyesített közműtérkép •Szakági helyszinrajzok •Szabályozási Keretterv •Részletes Rendezési Tervek •Légifényképek •Topográfiai térkép
C UT
A TR TÁ
3
a.j.
12-11 223610
Digitális térképek létrehozása Másodlagos adatnyerés
Elsődleges adatnyerés
Digitalizálással Georeferencia
Numerikus adatokból
Szkennelés
Digitalizáló tábla
Mérésekből vagy korábbi jegyzőkönyvekből
Automatikus vektorizálás
Manuális vektorizálás
Numerikus adatbevitel, szerkesztés
Digitális raszter térkép
Digitális vektor térkép
Raszter – vektor átalakítás 3
2
1
4
P
0
5
6
7
Pixel N szomszédai, páros – él szomszéd Vektorizálás lépései Idom határvonalának kikeresése, egyik n szomszéd háttér színű Többszörös pixelek, körvonalban többször Objektum vékonyítás, amíg már csak többszörös pixelek vannak (max 2 pixel széles)
Félautomatikus módszer Raszter snap OCR
Topológia •A térképi elemek közötti folytonossági és szomszédossági viszonyok leírása •A topológiai adatok a koordinátarendszer választásától függetlenek (invariánsak) •Az elemzések végrehajtását gyorsítják, pl. útvonal keresés 1
FNODE_ 1 1 2 8 9 3 3 4 7 11 8 5 1 2 6 6
TNODE_ 5 2 5 9 10 6 4 7 10 11 10 8 4 3 9 7
LPOLY
RPOLY 1 2 5 5 6 4 2 -1 -1 3 7 5 -1 2 6 4
-1 1 1 7 7 5 4 4 6 5 -1 -1 2 5 5 6
LENGTH ID 287 82 143 223 43 195 51 204 185 101 264 102 248 213 59 89
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
2
1
13
1
2
2
7
3
14
3
5
5
tó 12 10
6
8
4
3 11
6 16
8
4
4
15
7 11
9 10
5
6 9
7
Grafikus elemek illesztőpont (tic) csomópont (node) vonallánc (polyline) centrális (label) poligon (polygon) térképi megírás (annotation) 7 - centrális azonosító 12 - vonallánc azonosító 5 - csomópont azonosító
Rajztisztítás Cél a topológiailag hibátlan állomány előállítása Automatizálható, tolerancia
Rajzi hiba 1.
Magyarázat
Duplikált rajzelemek (duplicate objects)
Részben vagy teljesen átfedő rajzelemek. Például két azonos végpontokkal bíró vonalelem.
2.
Túl rövid rajzelemek (short objects)
A rajzban előforduló, a megadott toleranciánál rövidebb rajzelemek.
3.
Alul lógás (undershoots)
Egy vonal nem éri el a megadott tolerancián belül eső cél rajzelemet.
4.
Túl lógás (overshoots)
Egy vonal, mely a toleranciát nem meghaladó mértékben nyúlik túl egy cél rajzelemmel alkotott metszésen.
5.
Metsződő rajzelemek (crossing objects)
Két egymást metsző rajzelem.
6.
Pontatlan csatlakozások (clustered nodes)
A megadott toleranciánál közelebb eső kettő vagy több elem végpont.
7.
Álcsomópontok (pseudo nodes)
Egy olyan pont, melyben csak két rajzelem végpontjai csatlakoznak.
Lógó vonalak (dangling objects)
Olyan rajzelemek, melyek egyik végéhez nem csatlakozik másik rajzelem (pl. zsákutca).
8.
3 1013
1
7 1012
1014
1015
1016
2013
2012
2014
2015
2 2016
4
1011
1010
5
4
1017
1018
5 2011
6
8
Eltérés a CAD és GIS adatszerkezetek között CAD (DXF, DWG, DGN)
GIS (Shape, TAB, GeoBase)
•Rajzolás támogatása
•Lekérdezés, elemzés
•Sokféle elem típus
•Pont, törtvonal, felület, (szöveg)
•Egy fájl sok réteg
•Egy réteg több fájl
•Spagetti adatmodell
•Topológikus adatmodell
•Megjelenítési tulajdonságok is
•Csak geometriai adatok
•Attribútumok nem szerves részei
•Attribútumok szerves részei
•3D-s
•2D-s, 2.5D-s
Vetületi rendszerek •Alapfelület Gömb, ellipszoid Elhelyezési adatok •Síkbafejthető felület Kúp Henger Sík •Vetület típusok Szögtartó Területtartó
Nyilvántartó rendszerek Digitális térképek és relációs adatbázisok összekapcsolása ID
Telkek
Épületek
ID
Vezetékek
ID
Fák
ID
! Minden grafikus elemhez tartozik egy sor az egyik táblázatban ! A kapcsolatot azonosítok biztosítják
A nyilvántartó rendszer segítségével megválaszolható kérdések Mi van itt? tipusú kérdések Hol vannak ... ? tipusú kérdések
Lekérdezés a grafika felöl Lekérdezés a táblázatok felöl
Grafikus és leíró adatok kapcsolata
Grafikus adatbázis Grafikus adatok + azonosító x1,y1;x2,y2;x3,y3;x4,y4
12
Relációs adatbázis Leíró adatok + azonosító 12
4563/2
L4
Cím nyilvántartások kialakítása Kapcsolat a térkép és az alfanumerikus nyilvántartások között •Utca tengelyekkel •Címpont felhő •HRSZ-cím kapcsolat
GIS rendszerek Topológikus adattárolás szomszédossági és folytonossági információk tárolása Grafikus adatok és megjelenési módjuk szétválasztása geometriai adatok megjelenítési tulajdonságok pont szimbólum vonal vonaltípus terület szín szöveg kitöltési minta Betűméret, típus Előny: az adatok megjelenésének módosítása független az adatbázistól Elemzési funkciók Új adatok levezetése a rendelkezésre állók segítségével
Megválaszolható kérdések •Pozíció - mi van egy adott helyen •Feltétel - hol vannak …? •Trendek - mi változott meg? •Minta - milyen térbeli minták léteznek? •Modellezés - mi lenne, ha ...?
Eszközök a kérdések megválaszolásához I. •Szelekció •Adattábla alapján (Hol vannak?) SQL lekérdezések •Geometriai feltételekkel (Mi van itt?) Kattintással Körbe beleeséssel Téglalapba eséssel Poligonba eséssel Teljes, részleges beleesés, centrális alapján •Térbeli összekapcsolás két réteg között
Eszközök a kérdések megválaszolásához II. •Övezet generálás Közel vagy távol valamitől Konstans értékkel Attribútum értéke alapján Többszörös övezet
Eszközök a kérdések megválaszolásához III. •Átfedés vizsgálat (egyik réteg poligonokat tartalmaz Unió Metszet •Egyéb műveletek Kivágás Egyesítés Összevonás (dissolve) Töredék poliginok (sliver)
Elemzési példa Feladat: gumipitypang termesztésre alkalmas terület keresése Feltételek: Vízfolyás, tó 10 km-es közelében Réti talaj (8) Napsütéses órák száma > 1800 óra Terület > 15 km2
Szükséges adatok: Vízrajzi térkép Talajtérkép Napsütéses órákat ábrázoló térkép
Elemzés végrehajtása Vízrajzi térkép
10 km-es övezet
Talajtérkép
Napsütéses órák
Réti talaj és napsütéses órák > 1800
Minden feltételt kielégítő területek
Elemzések eredménye
Raszteres elemzések I. Azonos kiterjedésű és felbontású rácsokra Az azonos pozícióban lévő elemek közötti művelet Grid algebra Aritmetikai műveletek +, -, *, / Függvények „Nincs adat” érték, bármely műveletbe bevonva az eredmény „Nincs adat” lesz
Raszteres elemzések II. Újra mintavételezés (resampling) Legközelebbi szomszéd Bilineáris interpoláció (2x2) Bikubikus interpoláció (4x4)
Digitális Domborzat Modellek (DTM)
DTM fogalma Cél: tetszőleges pontban magasság érték interpolálása a rendelkezésre álló támpontok alapján
Interpolációs eljárás •Lehetőleg folytonos legyen (0. rendű, 1. rendű, 2. rendű) •Jól közelítse az eredeti terepet
Támpontok elrendeze Szabályosan elrendezett pontok alapján (tesszelláció)
Szórt pontok alapján
idomvonalak +
korlátok (pl. tó) +
Támpontok beszerzése Topográfiai felmérés (szórt pontok és idomvonalak) Területszintezés (rács) Fotogrammetriai kiértékelés (szintvonal, rács) Szintvonal digitalizálás (szintvonal + kótált pontok + esésvonal) Radar letapogatás (SRTM Shuttle Radar Topography Mission) 1” felbontás (30 m) 3” felbontás (100 m)
DTM létrehozása Szabályos elrendezésű rács (Grid) •Támpontokból levezetett pontok •Inverse Distance Weight (IDW) •Krigelés •Felületekkel intepolálás (trend) Háromszögrács (TIN) •Eredetei támpontokra támaszkodva •Optimális háromszögrács, minimális kerületösszeg •Delaunay háromszögelés
IDW (Shepard 1968) n
F ( x, y ) = ∑ wi ⋅ f i i =1
wi =
ti− p n
−p t ∑j j =1
w – súly f – függvény érték a támpontban t – távolság a támpont és a levezetendő pont között p – általában értéke 2 Távolság korlát Irány figyelembe vétele (negyedek)
Delaunay háromszögelés A támpontokra illeszkedő minimális kerületösszegű háromszögrács Létrehozás módszere: Kiindulunk egy optimális rácsból és azt bővítjük újabb pontokkal Feltétel: a háromszög köré írható körbe nem eshet támpont
Többfelhasználós környezetek •Egyszerű fájlszerveres megoldás, LAN (Novel, Windows hálózat) Egy fájl egyidejű módosítása több helyről nem lehetséges •Speciális grafikus adatbázis Részek zárolása, check out/check in •Téradat szerver Relációs adatbázis alapokon, zárolások, SQL •Web térkép szerver
A GIS világa ma ARC/INFO
Geomedia
?
GIF
DWG
SICAD
DGN
MapGuide
GML
Intergraph
DAT
MicroStation
SHP
MIF
AUTOCAD
MapInfo
Atlas GIS XML
OGC www.ogc.org
DXF
ArcView
Trendek Szabványosítási törekvések OpenGIS Különböző adatformátumok, hálózaton keresztüli adatfelhasználás, eltérő rendszerek között Grafikus és leíró adatok közös relációs adatbázisban tárolása Oracle térbeli modul (spatial cartridge) ESRI térbeli adat motor (SDE) Internetes térképszolgáltatás, térkép szerverek Ingyenes megjelenítő programok Integráció más információs rendszerekkel
Ingyenes megjelenítők
Internetes térkép szolgáltatás www.agt.bme.hu
www.mapnet.hu www.esrihu.hu www.geotools.com www.esri.com www.autodesk.com www.mapinfo.com www.bentley.com ...
