Térinformatika előadás-vázlat (Barsi Árpád)
I. BEVEZETÉS 1. Az információs rendszerekről általában a funkcionális négyes: −8 adatnyerés (input) −8 adatkezelés (management) −8 adatelemzés (analysis) −8 adatmegjelenítés (output) alkotóelemek: −8 hardver −8 szoftver −8 adatok −8 felhasználók alkotóelemek költségaránya (fontossága) és életkora: −8 hardver: 1 1-2 év −8 szoftver: 10 2-5 év −8 adatok: 100 5-20 év −8 felhasználó: ? (~ 70 év) 2. A térinformatikai modellalkotás fa-példa a többféle megközelítésre → modell (Bernhardsen 1992) Valós világ
Elméleti modell alapelem: entitás
Logikai modell (adatmodell)
Fizikai modell (adatbázis)
alapelem: objektum
alapelem: objektum
Az objektumok leírása: (Bill-Fritsch 1991)
1
Objektumosztály Attribútum
Objektum Geometria
Átfogó objektumcsoportosítások → létező megoldások: DAT, ATKIS
II. AZ ADATNYERÉS 1. Vonatkozási rendszerek (→ vetülettan)
Föld fizikai alakja
Föld elméleti alakja
Közelítés: szintszferoid
Közelítés: gömb
Közelítés: sík
Közelítés: forgási ellipszoid
Vetületi rendszerek (ellipsoid és gömb) fő baja → nem síkbafejthető → többféle rendszer Koordináta rendszerek: −8 3D: derékszögű gömbi v. ellipszoid −8 2D: derékszögű → eltérő tájolás! poláris → tájolás! Vetületek: −8 sík −8 kúp −8 henger
Elhelyezés: −8 érintő −8 metsző
Helyzet: −8 normális −8 transzverzális −8 ferdetengelyű
+ matematikai vetítések Magyarországon alkalmazott vetületi módszerek:
2
−8 −8 −8 −8 −8 −8
vetület nélküli henger sztereografikus GK UTM EOV (kettős vetítés)
Diszkrét vonatkozási rendszerek: −8 irányítószám −8 utca-házszám → address matching −8 térképi hálózat pl. B8 Vetületi átszámítások: 1. vetületi összefüggésekkel 2. azonos pontokkal → egybevágósági, hasonlósági (Helmert), affin stb. transzformációk 2. Adatnyerési eljárások csoportosítása elsődleges másodlagos
geometriai … …
attribútum … …
Elsődleges geometriai eljárások: földi geodézia: −8 részletmérés (ortogonális, poláris→tahimetria) −8 szintezés mesterséges holdakon alapuló eljárások: −8 GPS → abszolút, relatív ; GLONASS, (Doppler) fotogrammetria: −8 analóg, analitikus, digitális (+ digitális képfeldolgozás) ff. v. színes v. színes infra térkiértékelés −8 Laserscanning (LIDAR) távérzékelés és digitális képfeldolgozás: −8 műholdképek: analóg v. digitális látható – nem látható (IR, termális, radar, aktív-passzív), multispektrális–hiperspektrális Másodlagos geometriai eljárások: térképdigitalizálás, térképszkennelés → szelvényegyesítés digitális állományok átvétele Attribútumadatok csoportosítása: (Lodwick és Feuchtwanger 1987) A) Környezeti és természeti erőforrás adatok a) geológiai: földtani, geofizikai, morfológiai… b) hidrológiai: felszíni vizek, talajvizek, vízminőség… c) klimatológiai: csapadék, hőmérséklet, szél… d) biológiai: növények, állatok, ökológia…
3
B) Szocio-ökonómiai adatok a) gazdasági: mezőgazdaság, ipar, bányászat… b) pénzügyi: földérték, adózás, szerződések… c) demográfiai: népszámlálás, munkaügy, egészségügy… C) Infrastrukturális adatok a) közlekedési: utak, vasút, hajózás… b) közmű: közmű vezetékek, közműüzemek, távközlés… c) szolgáltatási: szolgáltatások, színház, sport… Elsődleges attribútum - eljárások: mérések: pl. talajvíz kémiai összetétele megszámlálások: pl. forgalomszámlálás megkérdezések, összeírások: pl. népszámlálás, közvéleménykutatás képek tematikus kiértékelése (interpretáció) Másodlagos attribútum - eljárások: tematikus térképek átértékelése digitális állományok, adatbázisok átvétele szakirodalmi feldolgozás 3. Adatminőségi kérdések minőség – kompromisszum: igények költségek megvalósíthatóság idő számszerűsíthető jellemzők: −8 adatok élessége −8 adatok pontossága (geometriai, attribútum) −8 adatok megbízhatósága −8 osztálybasorolás helyessége (OA, AA, κ) szöveges jellemzők: −8 adat eredete −8 elkészítési idő −8 elkészítési módszer, szervezet, személy −8 vonatkozási rendszer −8 adatokon végzett eljárások −8 adatkezelés térinformatikában fontos jellemzés: a számszerűsíthetőkön túl −8 konzisztencia (geom. + attr.) −8 topológia −8 teljesség −8 aktualitás Hibaforrások: −8 mérési hibák −8 valóság változása (elavulás)
4
−8 −8 −8 −8 −8
módszerhibák adatbeviteli hibák tárolási hibák kezelési-elemzési hibák adatközlési hibák
→ Minőségmenedzsment TQM, QA, QC III. ADATKEZELÉS 1.Geometriai adatmodellezés általában
Objektumosztály Attribútum Vektor
Objektum Geometria
Raszter
2.Vektoros adatmodell Alapelemek: pont (P) vonal (V) felület (F) Spagetti adatmodell: Pont megadása (X,Y) vagy (X,Y,Z) koordináta segítségével + ID Vonal megadása [( X0, Y0) (X1,Y1)] vagy [(X0Y0), (X1Y1), (X2Y2)…(XnYn)] vagy ún. lánckód segítségével irány megadásával +ID Felület megadása [( X0Y0), (X1Y1)…(XnYn)(X0Y0)] megadásával + ID Topológiai adatmodell: Pont megadása (ponttopológiai tétele): ID, X, Y Vonal megadása (éltopológiai tétele): ID, KP ID, VP ID esetleg ID, pont ID láncolt lista Felület megadása (poligontopológiai tétel): ID, normál ID láncolt lista néha éltopológiai tábla: ID, KP ID, VP ID, Bal poli ID, Jobb poli ID topológiai követelmények, topológiai hibák 3. Raszteres adatmodell
5
= szabályos tesszelációs adatmodell lehet: négyszög - négyzet – gyakran háromszög, hatszög – ritkán alapelem: raszter, raszterelem, pixel,cella tartalma: −8 egész vagy tört szám −8 logikai érték −8 kód (szám v. szöveg) −8 szöveg
99% négyzet
hierarchikus (rekurzív) felépítés: négyesfa néha blokk (tile) felosztás → kezelés egyszerűsítése műveletek gyorsítása 4.TIN (Triangulation Irregular Network) = szabálytalan tesszelációs adatmodell szórt (“véletlen”) pontok → terepi mérésben gyakori alkalmazott eljárások: Voronoi-diagram, Delaunay háromszögelés 5.Hibrid adatmodell mind a vektoros, mind a raszteres modellek támogatása: beolvasás kezelés konverzió Adatmodellek közötti váltás (konverzió) −8 Vektor-raszter konverzió (raszterizálás) → felbontás kérdése −8 Raszter-vektor konverzió (vektorizálás) → nehézségek: −8 vonalak elágazása −8 vonalak megszakadása – szaggatott vonal −8 szövegek, feliratok 6. Attribútum adatmodellek adattárolás fejlődése a HW-ben, SW-ben egyaránt óriási HW: papír, lyukkártya, lyukszalag, mágnesszalag, CD, DVD…., hálózat, internet… SW: soros adatszervezés, egyedi adatmodell, szabványos adatbáziskezelők adatbáziskezelők: (DBMS) −8 hierarchikus 1:n −8 hálós 1:1, 1:n, n:1, n:m −8 relációs (RDBMS) n:m előny: −8 logikai és fizikai modell függetlensége −8 típusműveletek: kiválasztás (szelekció) vetítés (projekció) szorzat (Descartes) unió
6
−8
metszet join szabványos nyelv: SQL −8 −8 −8 −8
Data Definition Language (DDL) Data Manipulation Language (DML) vezérlés egyéb
megvalósítások: −8 saját adatbáziskezelő (pl. Arc/ Info-nál Info) −8 RDBMS (pl. Access, dBASE, Oracle, DB2, Informix, Ingres) −8 Hálózatos használat (kliens-szerver architektúra – LAN, Internet) IV.ADATELEMZÉS az elemzés általában: −8 −8
kvalitatív: “milyen” kvantitativ: “mennyi”
az elemzési műveletek feltételei: −8 egyszerű kezelhetőség −8 elfogadható reakcióidő −8 megbízható, robusztus −8 szükséges és elégséges pontosság 1.Lekérdezések, keresések, rendezés igen gyakori művelet: −8 adat kiválasztása után elemzés −8 elegendő lehet a tárolt adat megjelenítése (leltár típusú rendszer) Lekérdezés lehet:
geometria szerint
−8
adott helyen (X, Y) adott térfogatban adott pufferben
−8
adott értékű attribútum alapján
−8
adott objektumban adott objektum mellett adott objektummal határosan, érintő adott objektum mentén
−8 −8
attribútum szerint topológia szerint −8 −8 −8
keresés: nagyon sok algoritmus (pl. szélességi, mélységi, iteratív, mohó stb.) rendezés: főként megjelenítés érdekében számos algoritmus (pl. buborék, összefésüléses, indexelt stb.) 2. Mérés, számlálás, számítás
7
mérés: −8
−8 −8 −8
távolság → metrikák: Euklideszi dE (síkbeli, térbeli) Manhattan d4 sakktábla d8 gömbfelszíni ellipszoidi stb terület kerület szög, irányszög
számítás: −8 −8 −8
−8
−8
aritmetikai műveletek → általában, MapAlgebra geometriai műveletek → általában, COGO logikai műveletek −8 kétértékű logika −8 többértékű logikák, fuzzy logika −8 következtetési és szakértői rendszerek, tudásbázisok operátorok → hatáskörök: lokális fokális zonális globális interpoláció: −8 −8 −8
többféle dimenzióban (1D, 2D, 3D…) többféle módszer (szabályos alapról, szabálytalan alapról ) felhasználási területek: −8 adatszűrés −8 megjelenítés −8 számítás
számlálás: bizonyos feltételek szerinti objektumok leválogatása, rendezése és előfordulási gyakoriság kiszámítása lehet: −8 abszolút mérőszám pl. db 2 −8 relatív mérőszám db/km −8 gyakorisági grafikon → hisztogram 3. Puffergenerálás = zóna v. övezetgenerálás pont, vonal, felület összeolvadás v. nem más távolságszámítás (metrika) lehet többszöri összetett generálás (távolságlépcsők) 4. Felületek metszése
8
= overlay alapesetek: −8 −8 −8
pont és poligon vonal és poligon poligon és poligon
további műveleti lehetőség: −8 −8 −8
MapAlgebra metszet (iménti példák) + unió első réteg….
raszteres overlay → MapAlgebra érdekes alkalmazások → erózió veszélyeztetettségi térképezés −8 −8 −8 −8 −8 −8 −8
DEM-lejtés DEM-kitettség csapadék mennyiség felszínborítottság műveleti ág talajtípus stb.
5. Statisztikai elemzések leíró statisztika −8 megszámlálási statisztika −8 analitikus statisztika → geostatisztika −8
−8 −8 −8
egyváltozós kétváltozós többváltozós
Leíró statisztikai jellemzés: −8 −8 −8 −8 −8
darabszám átlag, szórás, szórásnégyzet medián, módusz kovaniancia-, és korrelációs mátrix gyakoriságvizsgálat
megszámlálási statisztika analitikus statisztika: −8 −8 −8 −8 −8
hipotézisvizsgálat konfidenciaszintek, próbák regresszió (lineáris és nemlineáris) variancia, főkomponens- és faktoranalizis kereszttáblázat (változás-elemzés)
adatbányászás adatosztályozás: −8 tanítással: −8 −8 −8 −8 −8
minimum distance box ML mesterséges intelligencia (fuzzy, NN..)
tanítás nélkül: −8
K- means
9
−8 −8
ISODATA mesterséges intelligencia (NN: kompetitív, SOM)
statisztikai programcsomagok és készletek: −8 STATISTICA −8 MATLAB Statistic Toolbox −8 Maple Statistic −8 SPSS TableCurve 2D, 3D −8 CurveExpert −8 DataFit −8 SAS Enterprise Miner −8 IBM DB2 Intelligent Miner −8 … 6. Hálózati elemzések → matematika: gráfelmélet gráfok felépítése: élek – csomópontok irányított és irányítatlan gráfok összekötési és kapacitás mátrix út rangfüggvény – forrás és nyelő legrövidebb út - algoritmusok: −8 keresésre visszavezetett eljárások −8 Ford - algoritmus −8 Dijkstra - algoritmus −8 matematikai optimalizálás −8 dinamikus programozás −8 mesterséges intelligencia (NN, GA, GP) speciális esetek: körút → TSP-feladat gráf és topológia kapcsolata 7. DEM- elemzési funkciók DEM létrehozása ← mérési módszerek
(terepi geodézia fotogrammetria Laserscan digitalizálás …)
DEM sűrítése → interpolációs módszerek → adatmodell - váltás (TIN → GRID) → Delaunay-háromszögelés DEM-ből levezethető jellemzők: −8 lejtés (°, %) −8 kitettség (égtáj, °) −8 lejtőhossz −8 terepmetszet-előállítása −8 szimpla metszet −8 általános vonal mentén
10
hossz-szelvényezés keresztszelvényezés −8 völgyvonal és gerincvonal keresése −8 vízgyűjtő - lehatárolás −8 semlegesvonal nyomozás −8 terület (felület) számítás, térfogatszámítás, töltés-bevágás elemzés −8 szintvonal-generálás → megjelenítés −8 −8
8. Modellezés, szimuláció és hatásvizsgálat −8
jelenségek lefolyásának tanulmányozása: −8 −8 −8 −8
−8
vízmagasság-szimuláció (árvízmodellezés) szennyezőanyag-terjedés eróziós vizsgálatok sorozatos adatfelvétel és kiértékelés = monitoring
beavatkozás tervezése, döntéselőkészítés −8 −8 −8
helykiválasztás létesítmény-tervezés (műtárgy, út, épület…) politikai-gazdasági-szociológiai elemzés
V. Adatmegjelenítés megjelenítés: −8 analóg −8 −8 −8 −8
digitális −8 −8 −8 −8
−8
papírtérkép fólia, film, dia táblázat, jelentés digitális térkép (alaptérkép, tematikus térkép) elektronikus dokumentumok (jelentés, táblázat, Powerpoint) animáció (2D, 3D) Internet −8 email (értesítések…) −8 lekérdezések (HTML, VRML, AVI, XML, UML…) −8 e-commerce (földadatok) −8 szabályozás-vezérlés (pl. járműnavigáció)
vektoros −8
vonal −8 −8 −8
−8
pont −8 −8 −8
−8
szín vastagság stílus - szimbólum (jelkulcs) szín nagyság szimbólum v. alak (jelkulcs)
felület
11
−8 −8 −8
−8
raszteres −8 −8
−8
−8
szín határvonal mintázat (textúra) −8 sűrűség −8 mintaelem −8 tájolás −8 szín
hipszometrikus technika dithering −8 ponttal −8 textúrával perspektív képek −8 waterfall −8 hálós −8 felületi (rendering, shading, summerolt) textúrázott (draping)
hibrid −8 −8 −8 −8 −8
hipszometrikus + izovonalas hipszometrikus + szimbólumok perspektív háló + szimulált vízszint draping felületi + térbeli vektoros mozgóképes: fly- through, MOV, AVI… VRML → kiegészíthető GVI-vel, JAVA…
attribútumok megjelenítése: −8 táblázatok −8 adatbázisok −8 jelentések, címkék, formalevelek… −8 grafikonok internetes megoldások: −8 email −8 ftp, telnet −8 web: −8 adatközlés: webserver, mapserver, plugin, API… −8 kétirányú adatforgalom mobil internetes törekvések: palmtop gép mint kliens + távoli server
12
