Jegyzet a Térinformatika tantárgyhoz

Jegyzet a Térinformatika tantárgyhoz

Tantárgyfelelős oktató: A jegyzetet szerkesztette:

Honfi Vid, egyetemi tanársegéd

Lektorálta:

Kaposvár 2004.

1

Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék..................................................................................................................... 2 Előszó ..................................................................................................................................... 3 1. A térinformatika tárgya, kialakulása .................................................................................. 4 1.1. A térinformatika lehetőségei ....................................................................................... 4 1.2. Térinformációs rendszerek csoportosítása .................................................................. 6 1.3. Térképészeti alapismeretek ......................................................................................... 6 1.3.1. Térképek alapvető jellemzői ................................................................................ 6 1.3.2. Geometriai adatok és vonatkoztatási rendszerek ............................................... 11 1.3.3. Geodéziai dátum................................................................................................. 13 1.3.4. Térképi vetületek................................................................................................ 14 2. Adatmodellek, térbeli és leíró adatok............................................................................... 20 2.1. Leíró adatok............................................................................................................... 20 2.1.1. Relációs adatbázisok .......................................................................................... 20 2.2. Térbeli adatmodellek................................................................................................. 21 2.2.1. Raszteres adatmodellek ...................................................................................... 22 2.2.2. Vektoros adatmodellek....................................................................................... 22 2.2.3. Hibrid modellek.................................................................................................. 23 3. Adatgyűjtés....................................................................................................................... 24 3.1. Projekt szervezés ....................................................................................................... 24 3.2. Adatgyűjtési eljárások ............................................................................................... 25 3.2.1. Térbeli adatok nyerését szolgáló eljárások......................................................... 26 3.2.2. A GPS................................................................................................................. 39 4. A térinformatika alkalmazásai ......................................................................................... 45 4.1. Geodéziai alkalmazások ............................................................................................ 45 4.1.1. földmérés............................................................................................................ 45 4.2. Közműrendszerek, hálózatok .................................................................................... 45 4.2.1. Közműrendszerek............................................................................................... 45 4.2.2. közlekedés .......................................................................................................... 45 4.3. Területi információs rendszerek................................................................................ 46 4.3.1. Tájtervezés ......................................................................................................... 46 4.3.2. Földhasznosítás tervezés .................................................................................... 46 4.3.3. Regionális tervezés............................................................................................. 46 4.3.4. Város tervezés .................................................................................................... 46 4.4. Környezetvédelem, mező- és erdőgazdaság.............................................................. 46 4.4.1. Környezetinformációs rendszerek...................................................................... 47 4.4.2. Monitoring rendszerek ....................................................................................... 47 4.4.3. Erdőgazdálkodási alkalmazások ........................................................................ 47 4.4.4. Precíziós gazdálkodás ........................................................................................ 47 4.5. Tudományos alkalmazások ....................................................................................... 47 4.5.1. Talajerózió vizsgálatok ...................................................................................... 47 4.5.2. Környezetérzékenységi vizsgálatok ................................................................... 47 4.6. Közigazgatási alkalmazások ..................................................................................... 47 4.7. Üzleti célú GIS alkalmazások ................................................................................... 48 5. Ábrajegyzék ..................................................................................................................... 49 6. Irodalomjegyzék............................................................................................................... 50

2

Előszó Egyre több olyan problémával találkozhatunk a mezőgazdálkodás, a természetvédelem, környezetgazdálkodás és vidékfejlesztés területén melyeknek megoldása során a térinformatikát hívják segítségül a hatékony és a valóságot hűen tükröző rendszer kialakítása érdekében. A Kaposvári Egyetem Állattudományi Karán 2002-ben hirdetett először Térinformatika kurzust az Informatikai Tanszék. Az azóta eltelt idő során sok tapasztalat és ötlet gyűlt össze, amelyek szükségessé, és időszerűvé tették egy olyan elméleti összefoglaló elkészítését, amit eredménnyel forgathatnak az egyetem nappali és levelező szakos hallgatói mellett azok a gyakorlati szakemberek is, akik szeretnének betekintést nyerni erre a területre. A térinformatika területén rendkívül sok értékes, érdekes és terjedelmes munka jelent meg, melyeket nem képes és nem kíván pótolni ez a jegyzet, ám gondolataikat felhasználja. Az elméleti összefoglaló áttekinti, hogy miképpen alkalmas a GIS technológia a különféle problémákról rendelkezésre álló adatok rendszerezésére és térbeli kapcsolataik könnyebb megértetésére, mely alapja lehet az eddigieknél sokkal érzékenyebb és intelligensebb döntéshozatalnak. A jegyzet írójának nem titkolt célja, hogy ennek az áttekintésnek a segítségével felkeltse az érdeklődést a térinformatikai technológiák használhatósága, megismerése iránt.

3

1. A térinformatika tárgya, kialakulása A térinformatika fogalma lényegében azonos a korábban földrajzi információs rendszerek (angolul: Geographic Information Systems, a továbbiakban: GIS) címszóval megjelölt tudományterülettel. [1.] FIR, GIS, térinformatika tehát közel ugyanazt jelenti. A GIS a térinformatika eszköze, amellyel a földrajzi helyhez köthető adatokat tartalmazó adatbázisból információk vezethetők le. Technikáját tekintve a GIS egy olyan számítógépes rendszer, melyet ezen földrajzi helyhez kapcsolódó adatok gyűjtésére, tárolására, kezelésére, elemzésére, a levezetett információk megjelenítésére, a földrajzi jelenségek megfigyelésére, modellezésére dolgoztak ki. A hálózatok terjedésével egyre nagyobb hangsúlyt kap az információk elérését, továbbítását szolgáló szerep. Alkalmazási oldalról a GIS egy eszköz a "térkép"használat pontosabban a földrajzi adatok használatának fejlesztésére. A GIS lehetőséget ad nagyszámú helyzeti és leíró adat gyors, együttes, integrált áttekintésére és elemzésére. A GIS felépítésében, tartalmában, az alkalmazott hardver és szoftver tekintetében, a felhasználói környezetet illetően nagyon eltérő formákban jelenik meg. Az alábbi felsorolásban nézzünk néhány, kvázi szinonim fogalmat: [1.] 9 Térinformatikai Rendszer 9 Térinformációs Rendszer 9 Területi Információs Rendszer 9 Földrajzi Információs Rendszer 9 Geoinformációs Rendszer

1.1. A térinformatika lehetőségei Bizonyára mindenki találkozott olyan problémával, aminek megoldásához elővett egy térképet és megvizsgálta, hogy mi van az adott területen, hol helyezkedik el egy adott épület, terület, esetleg próbált távolságot mérni. Ezekre a kérdésekre szinte minden esetben közel kielégítő választ kaphatunk egy hagyományos térkép segítségével. Mi a helyzet azonban akkor, ha több térképlapot kezelnénk együttesen mintegy egymás átfedéseként? Hogyan tudjuk vizsgálni és szemléltetni a változásokat? Hogyan tudunk lehatárolni bizonyos szempontok szerint területeket? Rendelhetünk-e leíró jellegű adatokat (parcella mérete, tulajdonosa, művelési ága stb.) a térképen megjelenő területegységeinkhez? Hogyan tudjuk biztosítani ezek naprakészségét? Belátható, hogy hagyományos eszközökkel (papírtérképek, táblázatos nyilvántartások) ezek az igények egyáltalán nem vagy csak igen nehézkesen elégíthetőek ki. A számítástechnikai eszközök, eljárások fejlődése hozta magával a térinformatika eszköztárának megteremtését, aminek a segítségével ezek a bonyolultnak tűnő kérdések hatékonyan megválaszolhatóak lettek. [4.] Egy térinformatikai rendszer lehetővé teszi: − az adatok bevitelét (térképeket, alaprajzokat, műholdképeket, analóg képeket, légi fotókat, adatbázisokat, leíró táblákat), − az adatok rendszerezett tárolását (térbeli adatokat térképi rétegeken, leíró adatokat relációs adattáblákban), − az adatok könnyű frissítését,

4

− −

az adatok manipulálását, elemzések készítését (adatbázis lekérdezés, távolság meghatározások, szomszédsági műveletek), az elkészített térképek megjelenítését, sokszorosítását, jelentések készítését.

Ehhez persze a térinformatikai rendszernek vannak általános és speciális erőforrás igényei, amelyek a következők: − hardver, − szoftver, − alaptérképek, adatok, − szakértők. Hardver: a térinformatikai feladatok általában processzor és memória igényes számolással járnak. Gyors és kényelmes elvégzésükhöz szükség van olyan számítógépre, melynek kapacitása mindezt lehetővé teszi. A háttértároló kapacitását az elvégzendő feladatok mellett alapvetően a felépített rendszer mérete határozza meg. A térképi adatbázisok mérete nagyon változó a 1-200 kbyte-tól a több Mbyte méretig terjedhetnek. A térképek megjelenítésére célszerű minél nagyobb méretű és felbontású monitort beszerezni. A térinformatika eszközei továbbá a szkennerek (akár A0-s méretig), színes nyomtatók, plotterek, digitalizáló táblák, GPS vevők. Szoftver: a térinformatikai szoftverek között az asztali térképező szoftverektől, a videó GPS rendszerekig széles a skála, rendkívül nagy a választék. Egy-egy rendszer összeállítása előtt célszerű végiggondolni, mit is szeretnénk csinálni, mire szeretnénk használni a kiépítendő térinformatikai alkalmazást, vagy kutatóhelyet. Ettől függően tág határok között mozoghat mind a szoftver, mind pedig a hardver igény. Az adatokról, alaptérképekről a későbbi fejezetekben lesz szó. Szakértők alatt értjük azokat a szakembereket, akik az információs rendszer adatbázisát feltöltik egy adott szakterület (természetvédelem, katasztrófa-elhárítás…) speciális ismeretanyagával. Ezek alapján megpróbálkozhatunk a GIS (Geographical Information System) definíciójának megfogalmazásával: A GIS, hardver, szoftver és módszerek együttese, amelyek segítik a komplex tervezési és irányítási feladatok megoldását. Támogatják a térbeli adatok gyűjtését, kezelését, feldolgozását, elemzését a modellezést és a megjelenítést. Foglaljuk tehát össze, melyek a térinformatika lehetőségei egy hagyományos adatbázissal szemben: −

Egy térinformatikai rendszerben az adatok elérése földrajzi helyzetük alapján is lehetséges. Azaz egy földrészletet a digitális térképen megjelölve, a szoftver kikeresi a térképhez tartozó adatbázisból az adott parcellához tartozó összes hozzákapcsolódó, tárolt adatot (helyrajzi szám, tulajdonos neve, hasznosítás típusa, területe, stb.).

−

Egyetlen rendszerbe integrálja a földrajzi és leíró adatokat, ezáltal a hagyományos adatbázis műveletek a földrajzi adatokon is elvégezhetők.

−

Egy project elkészítése során minden tekintetben digitális állományok készülnek, egyszerűbbé téve a rendszer naprakészen tartását, különböző típusú jelentések elkészítését, valamint a reprodukálást.

5

1.2. Térinformációs rendszerek csoportosítása A térinformációs rendszereket szokás területi kiterjedésük és felhasználási céljuk alapján csoportosítani. A területi kiterjedés alapján megkülönböztetünk: − globális, − regionális, − lokális rendszereket. A globális rendszerek a Föld egészére, esetleg egyes kontinensekre terjednek ki. Ilyen rendszerek alkalmasak például az ózonlyuk vizsgálatára. A regionális rendszerek nagyobb összefüggő területek (például országok vagy országrészek) bizonyos jellemzőinek vizsgálatára alkalmasak. Végül a lokális rendszerek viszonylag kis területre (például egy településre) kiterjedő feladatok megoldásának az eszközei.[5.] A térinformációs rendszerek felhasználása igen sokrétű, amelyekről a későbbi fejezetekben lesz szó. A legjelentősebb felhasználási területek a teljesség igénye nélkül, a következők: − közművek információs rendszerei, − önkormányzati információs rendszerek, − környezetvizsgálati információs rendszerek, − topográ információs rendszerek, − földadat információs (Land Information Svstem. LIS) rendszerek.

1.3. Térképészeti alapismeretek

1.3.1. Térképek alapvető jellemzői Térkép: A föld felszínén illetve azzal kapcsolatban álló anyagi vagy elvont dolgoknak általában kicsinyített, generalizált, síkbeli megjelenítése. Kicsinyítés: Definiálására a méretarány, lépték szolgál (a térképi távolság és a valós távolság hányadosa) Méretarány, lépték: A térképészetben ez a valós méretből csökkentés mértékét jelenti, abból a valós méretből, amelyet térképen ábrázolnak. A csökkentés mértékét rendszerint arány (pl. 1:250 000), reprezentatív tört (pl.1/250 000) vagy pedig egyenlőség (1 cm= 2,5 km) formájában tüntetik fel a térképen. Érthetőbben egy térképen, vagy képen szereplő távolság és a Föld felületén neki megfelelő távolság aránya, egy térképi objektum és a valós világban meglévő mérete közötti kapcsolat. Például egy 1:10000 ("egy a tízezres") térképméretarány azt jelenti, hogy a térképen szereplő 1 centiméteres méret a terepen 10000 centiméternyi (azaz 100 méternyi) méretnek felel meg. [2.] Egy nagyméretarányú térkép a terepi méreteket nagyobb térképi méretekkel ábrázol, mint egy kisebb méretarányú térkép. Nagyméretarányú (nagyléptékű) részletes térkép: méretarányszám kicsi 1:1000, 1:4000 pl.: üzemi térkép Kisméretarányú (kisléptékű) térkép: nem részlet gazdag, méretarányszám nagy 1:100000 pl.: Magyarország agrotopográfiai térképe

6

Generalizálás: A térkép készítése során bizonyos általánosításokat kell megfogalmazni, ezért elvonatkoztatunk a valóság pontos tükrözésétől, absztrakciót hajtunk végre. Absztrakciók: - Szelekció: a valós világ objektumaiból kiválasztjuk azokat, amelyeket megjelenítünk a készítendő térképünkön. - Osztályozás: a valós világban például az épületek épülettípusokba sorolhatók, amit szeretnénk különféle objektumoknak feltűntetni a térképen, az egyszerűbb ábrázolás elősegítése érdekében. Például: templom, iskola, pályaudvar, egy-, két-, többszintes épületek ábrázolásához jelkulcsi elemeket használunk. Egy jelkulcsnak több jellegzetessége is lehet (szín, méret, stb.). Ugyanígy a közlekedés vonalas objektumait is szétválasztjuk aszerint, hogy milyen közlekedési típust és milyen nyomvonalat reprezentálnak. - Egyszerűsítés: különböző „objektumok”, alakzatok, például az erdőhatár, vagy a tengerpart vonala különböző részletességű az eltérő léptékű térképeken. Például a világtérképen (1 : 50 00 000) csak az Adriai tenger alakja vehető ki, míg az autóstérképen (1:100000) már az öblök, torkolatok is megfigyelhetőek. - Kihangsúlyozás: ezt az absztrakciót akkor alkalmazzuk, amikor számunkra fontos objektumok, az adott lépték mellett nem jelennének meg a térképen. Például egy vadles valódi mérete 3m*3m, amit egy 1:10000-es térképen egy 0,3*0,3 mm-es ponttal tudnánk mérethelyesen ábrázolni. Ehelyett szimbólumot alkalmazunk. - Jelkulcsok alkalmazása: az egyszerűbb megjelenés, könnyebb áttekinthetőség érdekében különböző jelkulcsokat használhatunk a térképeken. Például: Rét, legelő “ Szőlő $ Növényzet határa °

Térkép típusok Elméletileg lehetséges ábrázolni csaknem mindennek, vagy a dolgok bármely kombinációjának az előfordulását. Ez azt jelenti, hogy elméletileg a térképfajták végtelen sokasága létezik. [2.] Ha nagyon leegyszerűsítjük a dolgot, a térképeket három nagy csoportra oszthatjuk: [3.] • a) geodéziai nagyméretarányú térképek • b) topográfiak térképek • c) tematikus térképek.

a) Geodéziai nagyméretarányú alaptérképek. Ezeknek a térképeknek fő jellemzője, hogy közvetlen mérések alapján készülnek. A mérési eredmények minimális általánosítással és szimbolikával kerülnek ábrázolásra. Az eltolt ábrázolás nem engedélyezett. Méretarányuk 1:500 és 1:5 000 közé esik.

b) Topográfiai térképek: A legszélesebben használt térképtípus. Méretaránya 1:10 000 - től 1:200 000 -ig terjed. A méretarány csökkenésével az általánosítás foka nő. A Föld felszín mesterséges és természetes objektumainak ábrázolása mellett adminisztratív, gazdasági tematikákat is tartalmazhat. Ennek megfelelően ábrázolásmódja gazdag, melyet színek és szimbólumok segítségével valósít meg. A nagyobb méretarányú topográfiai térképek (1:10 000, esetleg 1:25 000) közvetlen felméréssel

7

készülnek, míg a kisebb méretarányúakat kartográfiai úton az eredeti felmérések egyszerűsítésével és általánosításával állítják össze. A topográfiai térképek élnek az eltolt ábrázolás és a szimbólumok használatával. Az állami topográfiai térkép papírlapon, többszínnyomással, vagy számítógépen kezelhető formában, rétegekben szerkesztett, az ország egész területéről közepes- és kisméretarányban, készülő térkép, amely a földfelszín természetes és mesterséges alakulatainak síkrajzi és domborzati elemeit tartalmazza a tulajdoni viszonyokra vonatkozó információk nélkül.

1. ábra: 1:200000 topográfiai térkép (forrás: FÖMI)

c) Tematikus térképek: A tematikus térképek gyakran kis méretarányúak (1:500 000 -1:2 000 000). Ennek oka, hogy - ezeket a térképeket gyakran áttekintő céllal készítik, s vizuálisan egyszerűen lehetetlen globális kérdéseket nagyméretarányú térképeken ábrázolva szemlélni és értelmezni, - olyan jelenségeket ábrázolnak e térképeken, mely jelenségek ábrázolása nagyméretarányú térképeken értelmetlen volna, - egy-egy tematikát viszonylag szűk felhasználói réteg hasznosít. A tematikus térképeken leggyakrabban területi lehatároláshoz kötődő értékeket ábrázolunk, különböző módszerekkel, mint: - Színfokozatok: Az alakzatok ugyanolyan szimbólummal, de különböző színnel jelennek meg. A különböző színeket a definiált érték intervallumoknak feleltetjük meg.

8

-

Szimbólumfokozatok: Az alakzatok ugyanolyan színnel és szimbólumtípussal jelennek meg a térképen, a szimbólumok mérete fejezi ki a különböző értékintervallumokat. Méret, nagyság és terjedelem kifejezésére igen alkalmas. Csak pont és vonal objektumok esetében használható.

-

Egyedi érték: Minden értékhez egy-egy színt rendelünk. Osztályba sorolt értékek megjelenítésére alkalmas.

-

Pontsűrűség: Olyan számértékek megjelenítésére alkalmas, amelyek területi (területtel rendelkező) objektumokhoz kötődnek, mint pl. a népsűrűség, termékek eladott mennyisége.

-

Diagram: Egy objektum több tulajdonsága is összehasonlítható, illetve eloszlásuk szemléltethető. A diagramok egyes részei egy-egy attribútum értékkel feleltethetőek meg.

1.)Eloszlási térképek: eloszlási, tematikus, vagy statisztikai térképek a Föld felszínén előforduló bármely jelenség térbeli sokféleségét ábrázolja. Térképjelek segítségével egy térkép bemutatja például ásványi lelőhely, állatfajták vagy közkönyvtárak előfordulását. Egyes térképek izovonalasak, ahol a vonalak egyenlő értékű pontokat kötnek össze. Magassági viszonyokat ábrázoló térképek izovonalait szintvonalaknak nevezzük. Egyes térképek színes sávokat alkalmaznak különféle értékintervallumok ábrázolására. A bemutatandó információt érték szerint csoportosítják, és minden csoporthoz egy színt vagy mintát rendelnek. Az adott értékkel rendelkező térképi területeket azután a megfelelő színnel vagy mintával kitöltik. 2.) Geológiai térképek: Bármely geológiai objektum területi eloszlásával a geológiai térképek foglalkoznak. Felszíni rétegek alatti kőzeteket ábrázoló térképek olyan geológiai alakzatot jelenítenek meg, amely vagy a felszínre tör, vagy amelyet felszíni réteg fed el. Ilyen térképek építkezési tervekhez vagy ásványkitermeléshez fontosak. Felületi geológiai térképek az üledékeloszlásra vonatkozó információkat szolgáltatnak. Ezek gyakran arra az időszakra is információt szolgáltatnak, amely alatt

9

az üledék lerakódása lejátszódott. Tektonikai térképek olyan szerkezeti elemekből származó .tényleges vagy vetített felületet ábrázolnak, mint a vetődés síkja és gyűrődés tengelyei. Azt a szöget is jelzik amely az eredetileg vízszintes sziklarétegek deformálódásának mértékét jellemzi. Az őskori geológiai térképek az őskori kőzettani és az őskori tektonikai térképekkel együtt a bizonyos idővel régebben érvényesülő területi geológiát jelenítik meg. Azt is meg tudják mutatni, hogy a szárazföldek és óceánok hogyan változtatták alakjukat és méretüket az idők folyamán. A szerkezeti szintvonalas térképek az alakzatok magasságát és mélységét mutatják egy folytonos felülethez képest, pl. két üledékes sziklaalakzat érintkezési síkja. Isopach térképek speciális rétegtani alakzat (mint pl. olajpalaréteg) vastagságát rögzítik isopach-vastagság-szintvonal segítségével. 3.) Talajtérképek: A térkép által ábrázolt területen jelen levő talajféleségek a sok osztályozási rendszer egyikével ábrázolhatók. Az ilyen térképek a földhasználatot érintő döntésekhez használhatók. 4.) Földhasználati térképek: Egy adott területen belül végzett tevékenységek sokféleségét mutatja be. Lakott, ipari és mezőgazdasági területek differenciáltan ábrázolhatók a célból, hogy a várostervezők és útépítők részére hasznos információt nyújtson. Önkormányzatok övezeti szabályozás összeállításához alkalmaznak ilyen térképeket. 5.) Gazdasági térképek: Az olyan speciális gazdasági tevékenységek, mint bányászat, gyártás és mezőgazdaság ábrázolása a gazdasági térképeken történik. Gazdasági tevékenységgel kapcsolatos, ész okokon nyugvó telepítési döntések gazdasági térképek segítségével történhetnek. 6.) Állattani és növénytani térképek: Állatok és növények területi eloszlását állattani és növénytani térképeken mutatják be. Az állatok vándorlási útvonala is bemutatható, valamint egy terület etológiai státusza. Ilyen térképek faipari vállalatok és vadgondozó szakemberek részére hasznosak. 7.) Statisztikai térképek: Mérhető mennyiségi adatok statisztikai térképeken találhatók. Minden adott téma térbeli változásának rendszere magától értetődővé válik, ha térképezik: térképjelek, a csík kartogramok vagy izovonalak segítségével. 8.) Politikai térképek: Közigazgatási egységek határait politikai térképeken találhatjuk. Gyakran a határokon belül lévő politikai objektumokat is ábrázolják névvel. 9.) Topográfiai térképek: Terepalakzatok látható formája mint pl. látható hegységek és völgyek láthatók a topográfiai térképeken. Ezeket építési projektek tervezési szakaszában használhatják a mérnökök. Topográfiai térképek mutatják a táj pontos képét. Ezen térképek elemei a tengerszint feletti ismert magasságú magassági alappontok és az azonos magasságú pontokat összekötő szintvonalak is. Az ortofoto térképeket, a topográfiai térképek egy másik típusát, a légi felvételekből, vagy egyéb távérzékelési móddal előállított felvételekből állítják elő. 10.) Tengermélység térképek: a tengerfenék domborzatát magasságkülönbségek szintvonalakkal történő ábrázolásával.

mutatják

a

tengerszint

alatti

11.) Kataszteri térképek: A kataszteri térképek földrészletek azonosítására szolgálnak a tulajdon bemutatására és az adózás céljaira. Mivel itt a nagy pontosság fontos, a legtöbb kataszteri térképet csak felhatalmazott földmérő készítheti el. 12.) Meteorológiai térképek: A légkör és az időjárási viszonyok közötti összefüggést szemléltetik a meteorológiai térképeken. Főbb elemei közé tartozik az izobár, vagyis az egyenlő légnyomásértékű pontokat összekötő vonalak és az izoterm, vagyis az egyenlő hőmérsékletértékű pontokat összekötő

10

vonalak. A szélsebességet és -irányt szélrózsa-diagram segítségével ábrázolják. az űrfelvételek felhasználásával a meteorológusok javítani tudják az ilyen térképek minőségét. Nagy pályamagasságú mesterséges holdakról készült és Földre sugárzott felvételek mutatják a frontmozgásokat és a közelgő viharokat, így lehetővé téve az időjárás előrejelzőknek, hogy jóval előbbre tudják jelezni az időjárást, mint az a kisebb magasságra felbocsátható meteorológiai ballonokkal lehetséges volt. 13.) Szállítási térkép: Az egyik leggyakrabban használt térképfajta a szállítási térkép. Közlekedési főutakat, vasutakat és repülőtereket ábrázolnak városokkal és fontosabb pontokkal együtt. 14.) Történelmi térképek: A történelmi térképeken felfedezéseket, kereskedelmi útvonalakat, katonai mozgásokat és korábbi politikai egységeket ábrázolnak. A korábban készített térképeket, még ha gyakran nem túlságosan pontosak is, a történészek gondosan értelmezhetik és alapul használhatják fel pontos történelmi térképek szerkesztéséhez. [2.]

1.3.2. Geometriai adatok és vonatkoztatási rendszerek A térinformációs rendszerek objektumai a Föld felszínéhez kapcsolódnak. Az objektumok geometriai adatait általában pontjaik koordinátáival jellemzik. A folytonos jellegű koordináták mellett az értékmegadás lehetséges diszkrét értékekkel (például postai irányítószámokkal) is. Az objektumok geometriai adatait valamely elméleti földalakból kiindulva, annak alapján választott vonatkoztatási rendszerben létesített alappont hálózatokban végzett mérések segítségével lehet meghatározni. A térinformációs rendszer területi kiterjedésétől függően a Földet más és más elméleti földalakkal jellemezhetjük, és ennek függvényében más és más vonatkoztatási rendszert használhatunk. A gyakorlati feladatok megoldásakor gyakran előfordul, hogy különböző eredetű, különböző vonatkoztatási rendszerekhez tartozó geometriai adatokat együttesen kell felhasználnunk. Ezért ismernünk kell a különböző vonatkoztatási rendszerek kapcsolatának meghatározási módszereit is.[5.]

A Föld alakja A Föld alakjáról szólva hagyományosan különbséget teszünk a Föld fizikai alakja és a fizikai alak modelljéül szolgáló elméleti alakok között [6.] A Föld fizikai alakján a litoszféra és a hidroszféra által meghatározott földalakot értjük. A fizikai földalak csak pontonként, nem pedig valamilyen zárt matematikai függvény segítségével adható meg. Az elméleti földalakok a Föld egészét vagy bizonyos részeit matematikai függvényekkel leíró modellek, amelyek megfelelően tükrözik a Föld geometriai, fizikai jellemzőit. [5.] A Föld elméleti alakjával kapcsolatos elképzelések az idők folyamán változtak. Hosszú időn keresztül a Föld elméleti alakját kizárólag geometriai felületek felhasználásával jellemezték. Az elméleti alak az ókorban a gömb, a felvilágosodás kora óta pedig a forgási ellipszoid volt. A múlt század elején világossá vált, hogy a tisztán geometriai szemléleten alapuló földalak nem megfelelő a Föld fizikai sajátosságainak figyelembevételére. A felismerés alapján vezette be 1872-ben Listing a geoidot, mint elméleti földalakot. A Föld topográfiai felszíne adott időben a szárazföldek és a vízzel borított területek aktuális felszíne. A tengerszint az óceánok átlagos felszíne. A geoid a Föld nehézségi erőtere potenciáljának szintfelülete, amelyet a középtengerszinthez kötnek. A geoid jó közelítéssel a nyugalomban lévő

11

tengerfelszínnek tekinthető.[5.] Ilyen felszínt kapnánk, ha az óceánokat és tengereket kicsi csatornákon összekötnénk a szárazföld alatt. A geoid formája függ egyrészt a gravitációtól (a vektor a Föld középpontja felé mutat) és a tehetetlenségi (centrifugális) erőtől (mely a Föld tengely körüli forgásából adódik). A geoidhoz leginkább hasonlító szabályos, matematikailag leírható test az ellipszoid. [4.]

2. ábra: A geoid és az ellipszoid viszonya egymáshoz

Természetesen nem csak egyetlen ellipszoidot találunk, amely a geoidhoz simul. A sokféle ellipszoid között vannak ún. referencia ellipszoidok, amelyekkel a földfelszín egy-egy területét próbálják minél valóság hűbben közelíteni. Ezekre jellemző, hogy: - az ellipszoid középpontja a Föld középpontjában van, - a forgástengely a Föld forgástengelyével esik egybe. A referencia ellipszoidok meghatározó paraméterei: - a nagy tengely (egyenlítői sugár), és - a lapultság (összefüggés az egyenlítői és a sarki sugár között). Egyéb paraméterek: - a kis tengely (sarki sugár), és - az excentricitás (kör szimmetriától való eltérés) az előző adatokból számíthatók. „A Föld felszínén található valamely pontot három jellemzővel, három koordinátával adhatunk meg. Mesterséges holdakra történő mérés esetén a pontok meghatározása a Föl középpontjához és forgástengelyéhez kapcsolódva, térbeli derékszögű koordináták segítség történik. Hagyományos -a Föld felszínéhez kapcsolódó- méréseket feltételezve az elméleti földalakokhoz kapcsolódva adnak meg koordinátákat. A három koordináta közül kettő a forgási ellipszoidhoz kötött. Ezeket a koordinátákat vízszintes koordinátáknak nevezzük. A vízszintes koordináták a Föld felszínén található pontnak az ellipszoidra történő vetítéséből származnak. A harmadik koordináta a magasság, amely a Föld felszínén található pontnak és a geoidnak a távolsága.”[5.] Az ellipszoidot csupán globális kiterjedésű térinformációs rendszerek létrehozásakor indokolt alapfelületként felhasználni. Regionális feladatok megoldásakor az ellipszoidot általában a vizsgált felülethez simuló gömbbel lehet és célszerű helyettesíteni. Lokális feladatok megoldásakor -mintegy 50 négyzetkilométerig- az ellipszoid jól helyettesíthető érintősíkjával. A térinformációs rendszerek kialakításakor mind az ellipszoidi, mind a gömbi koordinátákat általában síkra vetítik.

12

A felhasználható forgási ellipszoidok mérete, alakja és elhelyezése általában különbözik egymástól, ezért konkrét feladatok megoldásakor az ellipszoid jellemzőit is meg kell adni. A gyakorlatban az ellipszoidok azonosítására az ellipszoid meghatározását végző tudós, vagy tudományos szervezet elnevezése szolgál. [5.] Például négy, Magyarországon is alkalmazott forgási ellipszoid adatai: Elnevezés Bessel Havford Kraszovszkij IUGG 67

fél nagytengely (m) 6 37 39,15 6 378 388 6 378 24 6 378 160

lapultság 1/299 1528 1/297 1/298,3 1/298,247167

1.3.3. Geodéziai dátum Geodéziai dátumról beszélünk, amikor egy ellipszoidnak addig mozgatjuk a középpontját, míg a legkisebb hibával illeszkedik a vizsgált területhez. A különböző országokban és különböző hivatalokban sokféle referencia ellipszoid van használatban. A teljesség igénye nélkül a legfontosabbak: - WGS 84 (G P ami az egész Földre definiál dátumot), - IUGG/1967. (EOV), - Bessel (sztereografíkus), - Krassovsky (Gauss-Krüger), - Hayford (UTM). Az Egyesült Államok Térképészeti Intézete (régebben a Védelmi Minisztérium Térképészeti Intézete) közétett egy 10 fokos grid hálózatot a geoig és a WGS 84 ellipszoid felszínének különbségéről. Az ábráról látható, hogy a sárga területek simulnak legjobban a geoidhoz, a pirosak elemelkednek tőle, a kékek pedig alatta mennek.

3. ábra: A WGS-84 ellipszoid és a Földfelszín eltérései

13

1.3.4. Térképi vetületek Vetítés A vetület egy felületnek a másikon való leképeződésére utal. A térképészeti tudományokban a közelítőleg gömb alakú földnek, sík médiumon, mint például papíron vagy számítógép képernyőjén történő megjelenítését értik. Minthogy pedig fizikailag lehetetlen egy földgömböt síkba fektetni torzulás nélkül, a méretarány változni fog a vetítés síkjában a távolság-, terület- és szögviszonyok szabályos torzulásának függvényében. Szerencsére van lehetőség arra, hogy ezt a torzulást úgy kezelhessük, hogy bizonyos speciális tulajdonságok (mint például a terület- és szögviszonyok megőrzése) néhány megszorítás mellett megtarthatók. [2.] Térképvetületek készítésekor a földfelszín vagy a földfelszín egy részletének a síkon való ábrázolására törekednek. Bizonyos torzulások, mint szög-, távolság-, vetületi irány-, vonalas aránymérték- és terület-torzulás mindig nemkívánatos eredményei a folyamatnak. Néhány leképezés ezen tulajdonságok valamelyikének torzulását minimálisra csökkenti más, maximálisan kihasználható hibák rovására. Némely vetület pedig csak mérsékelten igyekszik torzítani ezen tulajdonságok mindegyikét. Számunkra legfontosabb a szögtartó (konform) tulajdonság, mivel a hazánkban használatos vetületek mindegyike szögtartó. Amikor a térkép bármely pontján a vonalas aránymérték bármilyen irányban változatlan marad, szögtartó vetületről beszélünk. A meridiánok (délkörök, földrajzi hosszúsági körök) és a paralelkörök (földrajzi szélességi körök) derékszögben metszik egymást. Alakjukat megtartják a szögtartó térképeken. (magyar vetületi rendszerek (EOV, sztereografikus), Gauss-Krüger, UTM.) [4.] A vetítés metódusa szerint a vetítés lehet valódi (igaz) vagy képzetes. A valódi (igaz) vetítés folyamata geometriailag szemléltethető, ilyen például az Egységes Országos Vetületi Rendszer. A képzetes vetítés matematikailag definiált, geometriailag nem szemléltethető, például a Gauss Krüger és az UTM. A vetületeket csoportosíthatjuk: a) a képfelület alakja, b) a képfelület tengelye és Föld tengelyének egymáshoz való viszonya, c) a képfelület és az alapfelület kontaktusa szerint. a) A felület alakja szerint beszélhetünk hengervetületről, kúpvetületről, illetve síkvetületről.

4. ábra: Vetületek a felület alakja szerint

14

b) A képfelület tengelye és a Föld forgástengelyének egymáshoz való viszonya szerint lehet poláris (normális), transzverzális (egyenlítői), ferde (nem merőleges eltérés) vetítés.

5. ábra: Vetületek a forgástengelyek egymáshoz való viszonya szerint

c) A képfelület és az alapfelület kontaktusa szerint megkülönböztetünk érintő és süllyesztett (metsző) vetítést.

6. ábra: Vetületek, a felületek kontaktusa alapján

Vetületi rendszerek A nem sík elméleti földalakokról (azaz a forgási ellipszoidról és a gömbről) a síkra vetítéssel térhetünk át. A vetítés különböző eljárásokkal végezhető el. Gyakran a vetítés nem közvetlenül a síkra, hanem valamely síkba fejthető felületre (hengerre vagy kúpra) történik. Valamely konkrét vetítési módot a továbbiakban vetületnek, a vetületek nagyobb területre (például egy országra) kiterjedt megvalósítását vetületi rendszernek nevezzük. Az elméleti földalakok görbült, ún. másodrendű felületek, így azokról a vetítés a síkra csak a vetített idomok torzításával lehetséges. A különböző konkrét vetületeknél a torzulás mértéke számszerűen meghatározható. A leggyakrabban alkalmazott vetületek ún. szögtartó vetületek., amelyeknél a vetítéssel a szögek változatlanok, csupán a vonalak hossza és az idomok területe változik meg. Általában elfogadott szabály, hogy a hosszak torzulása nem halad hatja meg az 1/10 000 értéket, azaz 1 km hossz esetén a változás 0,1 méter lehet. [5.] Ez természetesen korlátozza a vetületek területi kiterjedését.

Térképi vetületek, szelvényezés A vetületi rendszerek különbözhetnek egymástól abban, hogy melyik referencia ellipszoidon alapulnak, milyen a vetítés metódusa, az egységnyi hossz mértéke (szög, méter, láb), stb. Annak érdekében, hogy adott vetületi rendszerben adott méretarányú térképeket kezelhető méretű térképlapként elő tudjanak állítani, a térképeket szelvényezni kell. Szelvényezésnél az egyes térképlapok csatlakoznak, a lapok között nincs átfedés. Minden vetületi rendszerben a szelvények

15

egyedi jelölést kapnak. Az egyre nagyobb méretarányú szelvények a kiindulási szelvény további bontásával keletkeznek. Megkülönböztetünk globális vetületi rendszereket, azaz olyanokat, amelyek az egész földfelszínre használhatóak (Gauss-Krüger, UTM) és lokálisakat, amelyek kisebb (regionális, országos) területeket fednek le (EOV).

Globális rendszerek A Föld egészét geocentrikus vagy ellipszoidi felületi vonatkozási rendszerek segítségével írhatjuk le. Mindkettőre találhatunk példát. Geocentrikus vonatkoztatási rendszerben történik a mesterséges holdak segítségével történő helymeghatározás. Ilyen rendszert alkalmaznak az amerikai GPS, illetve az orosz GLONASS navigációs rendszer segítségével történő helymeghatározáskor. A GPS adatok vonatkoztatási rendszere a Nemzetközi Geodéziai és Geofizikai Unió által elfogadott World Geodetic System 1984 (WGS84). Ellipszoidi felületi rendszerek az alapjai a Föld egészére kiterjedő térkép-, illetve térinformációs rendszerek létrehozásának. Napjainkban a legelterjedtebb két ilyen rendszer a: - Gauss-Krüger-rendszer, - Universal Transverse Mercator (UTM) rendszer. [5.] Gauss-Krüger vetületi rendszer Referencia ellipszoid: a Krasszovszkij-féle ellipszoid. A vetítés metódusa: az egyes vetületeknél a vetítés a középmeridiánok mentén érintő transzverzális elhelyezkedésű érintőhengerekre történik (képzetes vetítés). A vetület szögtartó (konform). A vetület alkalmas nagy területek egybefüggő, csatlakozó ábrázolására.

7. ábra: Gauss-Krüger vetítés

16

Szelvényezése: A sávok szélessége 6°. A sávokat számmal jelölik, a kezdő meridiánnal szemközt lévő meridiántól kezdve, keletre haladva. A 6°-os sávokat függőlegesen 4°-ként osztják fel, amelyeket az Egyenlítőtől északra 4°-onként haladva az ABC betűivel jelölik, A-val kezdődően. Ezek alapján például Magyarország az M33, M34, L33, L34-es részekbe esik bele. Egy szelvény M 1:1000000, mérete 6°x4°, jelölése pl.: L34. Az alábontás következőképpen történik: ezeket a területeket 12x12 szelvényre bontják, jelölésük 1-144-ig sorban történik, majd a negyedelés során az ABC nagy illetve kis betűi következnek felváltva A-D-ig. A különböző méretarányú szelvények jelölése tehát a következő: [4.]

1:100000

L34-15

1:50 000

L34-15-B

1:25 000

L34-15-Bd

1:10 000

L34-15-BdA

8. ábra: Gauss-Krüger vetület szelvényezése

Universal Transverse Mercator (UTM) Referencia ellipszoid: a Hayford Ellipszoid. A vetítés metódusa: Transzverzális, metsző, szögtartó, képzetes hengervetület. Szelvényezése:

9. ábra: Az UTM szelvényezése

A sávok 8° szélesek, az észak-déli beosztás 6°. A hazánkban is felhasználásra kerülő távérzékelési célú űrfelvételeket UTM-rendszerbe vetítve árusítják.

17

Helyi rendszerek Egységes Országos Vetület (EOV) Az EOV olyan hengervetület, amely a Magyarországi földmérés és térképészet által előállított alaptérképek, illetve a térinformatikai adatok egységes vetületi rendszereként lett bevezetve. Kettős vetítésű, szögtartó, ferde tengelyű, metsző hengervetületi rendszer. Alapfelülete az IUGG/1967 ellipszoid. A vetítés kettős: az IUGG/1967 ellipszoidról a Gauss gömbre, majd onnan a süllyesztett (metsző) hengerre történik a vetítés. Az ország területe egyetlen hengervetületre képződik le. A metszőkörön belül hosszrövidülés, a körön kívül hossznövekedés van. Az előjelhibák miatt a kezdőkoordinátákat 200km-rel délre és 650km-rel nyugatra helyezték. Így az X (ordináta) koordináták kisebbek az Y (abszcissza) koordináták pedig mindig nagyobbak 400000-nél.[4.] Szelvényezése:

82

40

107

108

109

96

97

98

99

910

85

86

87

88

89

810

811 711

71

72

73

74

75

76

77

78

79

710

61

62

63

64

65

66

67

68

69

610

51

52

53

54

55

56

57

58

59

510

41

42

43

44

45

46

47

48

49

31

32

33

34

35

36

37

38

39

21

22

23

24

25

26

27

28

29

12

13

14

15

16

17

18

3

4

5

10. ábra: Az EOV szelvényezése

Az ország 84 db 1:100000-es szelvényre osztható. A szelvények száma a sorok sorszámából és az oszlopok sorszámából adódik, a bal alsó sarokból kiindulva. A 1:100000-es szelvényeket negyedeléssel osztjuk tovább, a jelölésnél a megfelelő negyed sorszámát adjuk. Ebből következően a különböző méretarányú szelvényeket az alábbiak szerint jelöljük:

M 1:50000 M l:25000 M l:10000

34-2 34-4 2 34-4 4 3

11. ábra: Az EOV szelvények aláosztása

18

Sztereografikus vetületi rendszer 1865-től alkalmazták kettős vetítéssel. A Bessel-féle ellipszoidról a Gauss gömbre, majd onnan a síkra sztereografikus vetítéssel. Magyarország az akkori méretei miatt több vetületi kezdőponttal rendelkezett, ezek: 1. a gellérthegyi volt csillagvizsgáló keleti kupolájának középpontja, 2. Marosvásárhelyen a Kesztejhegy alappont, 3. Ivanicson a zárdatorony.

12. ábra: A sztereografikus vetületi rendszer

A vetületi rendszert az origón átmenő tengelyek (lefelé mutató x, nyugatra mutató y) négy térfélre osztják: ÉNY, ÉK, DNY, DK. Ezeket kelet-nyugati irányba felosztva római számokkal, észak-déli irányba felosztva arab számokkal jelöljük a tengelyektől kiindulva. Egy ilyen szelvény további bontása 5x5 részre történik, méretarányuk 1:2000, kelet-nyugati irányba felosztva a-e-ig, észak-déli irányba felosztva f-k-ig jelöljük a tengelyektől kiindulva.

13. ábra: A sztereografikus vetületi rendszer szelvényezése és aláosztása

19

2. Adatmodellek, térbeli és leíró adatok A térinformatikai rendszerekben a valós világ objektumait tartjuk nyilván. Ezeknek az objektumoknak két fontos tulajdonságuk van: egyrészt meg kell mutatnunk, hogy hol helyezkednek el a térben, másrészt meg kell mondanunk, hogy miről van szó. Azaz meg kell neveznünk, mi az a tárgy vagy jelenség, amelynek koordinátáit az imént megadtuk. Egyrészt tehát geometriai adatokat, másrészt pedig tulajdonságokat (attribútumokat) tárolunk, alfanumerikus (leíró) adatok formájában.[1.]

2.1. Leíró adatok A leíró adatok a térképről általában nem leolvasható adattartalmat takarnak. Ilyen például egy parcella tulajdonosának a neve, a művelés fajtája, adott parcella tulajdonosa részesül-e valamilyen támogatásban, ha igen milyen mértékben, stb.[4.] Mivel a területi adatok mindig kapcsolatba hozhatók különböző tulajdonság jellemző alfanumerikus adatokkal, a térbeli információs rendszereknek is szerves része egy vagy több alfanumerikus adatbázis.[3.]

2.1.1. Relációs adatbázisok A jelenleg működő korszerű adatbázisok négy alapvető adatmodellt realizálnak: • - a hierarchikus adatmodellt, • - a hálós adatmodellt, • - a relációs adatmodellt és az • - objektum orientált adatmodellt. [3.] A kereskedelemben kapható szoftverek legnagyobb része a relációs adatmodellt valósítja meg. Ez az adatbázis modell napjainkban már szinte általános elterjedésnek örvend a leíró adatok kezelésében, de több GIS szoftver relációs adatbázis-kezelőt használ a grafikus adatok tárolására is. A modell kialakítását alapvetően az inspirálta, hogy az adatbázis megtervezésekor az adatokat a felhasználó számára áttekinthető és egyszerűen kezelhető táblázatokba lehessen elhelyezni. Ez a táblázatos forma erősen hasonlít a hagyományos adatszervezés rekord struktúrájához. Ez a táblázatos modell abban tér el alapvetően a hagyományos adatmodelltől, hogy nem csak egy táblázat kezelésére alkalmas, hanem több, egymással összefüggő táblázat feldolgozására is képes. A feldolgozás alapját a halmazelméleti relációs kalkulus szolgáltatja.[3.] Attribútum: bármilyen adat, ami az entitásra (adott fedvény egy egyedére) vonatkozóan minőségi, mennyiségi, azonosítási, osztályozási tulajdonságokat ír le. Az attribútum tábla részei:

Mező

Rekord (entitás)

Record_ID 1 2

Típus oszlop fa

Magasság 15 21

Attribútum (jellemző)

20

Lehetséges attribútum típusok: − String (alfabetikus karakterek, betűk, számok: “7400”, “Kaposvár”) − Szám − Egész (586) − Decimális (62.5 – width:4, decimal places:2) − Lebegőpontos: 2.3547 − Dátum: 12-06-1999 − Logikai: Y/N

2.2. Térbeli adatmodellek „A térbeli információs rendszerek egyik legáltalánosabb tulajdonsága, hogy két különböző fajta adattípust (a grafikust és alfanumerikust), vagy logikai oldalról megközelítve, a hely és tulajdonság jellemzőket, egységes rendszerben tárolják és kezelik.”[3.] A jelenleg működő térinformatikai rendszer szoftverek jelentős része, külön adatbázisban tárolja a grafikus adatokat és egy másik, rendszerint relációs adatbázisban, az alfanumerikus adatokat. A két adatbázis közötti kommunikációról egy kapcsoló szoftver rendszer gondoskodik. Mivel napjainkban a hardverkötöttségek jelentősége egyre inkább csökken (mind a tárkapacitás, mind a műveleti sebességek rohamosan nőnek), újabban olyan szoftvereket is találhatunk már, melyek a két fajta adatállományt közös relációs adatbázisban kezelik. Ezeknél a megoldásoknál speciális szoftvermodul gondoskodik arról, hogy a grafikus adatok a jellegükből következő egyszerűsítési lehetőségek kihasználásával kerüljenek ideiglenes tárolásra és manipulálásra.[3.] A térinformatikában két fő adatmodell létezik: a raszteres és a vektoros. Ehhez járul harmadikként a hibrid adatmodell. Ezek természetesen már korábban is léteztek, nem a térinformatikában alakultak ki.[1.] Nézzünk egy példát a térbeli adatmodellek használatára: Az alaptérképet rétegekre bontjuk, mint talajtípus, földhasználat, utak, vízfolyások stb... Az térinformatikai programok a rétegeken lévő objektumokat pontok, vonalak és poligonok formájában vagy raszterekként tárolja. (Az egyes rétegek, vagy raszteres, vagy vektoros formában tárolják az információt.) A rétegek topológikusan összeszervezett objektumokból és a hozzájuk kapcsolódó tulajdonságaikat tároló táblázatokból állnak

14. ábra: Rétegek egy térinformatikai rendszerben

21

2.2.1. Raszteres adatmodellek A terep képét kis, homogén területekre osztjuk és az így kapott területeket tároljuk illetve manipuláljuk. A valóság képét területelemekben rögzítő módszereket tesszellációnak nevezzük. Azon az alapon, hogy milyen az elemi területek alakja szabályos és szabálytalan tesszellációról beszélünk. A szabályos tesszelláció általában hierarchikus struktúrába szervezhető, azaz a kisebb területekből szakadásmentesen hasonló alakú nagyobb területek hozhatók létre.

15. ábra: Négyzet, háromszög és hatszög alapú tesszellációk

A tesszellációs modellnek az a legelterjedtebb változata, amelyben a területegység a négyzet. [3.] A területen meghatározott sorrendben szabályos rácson elhelyezkedő cellák vannak − Minden cella egy értéket tartalmaz − Az egész teret kitölti − A tér minden pontjáról ad információt[4.]

16. ábra: Raszteres adatmodell

2.2.2. Vektoros adatmodellek A helyleíró adatok hagyományos ábrázolási formája a vektor modell. A tárolás alapeleme ebben a megközelítésben a vonaldarab. A terep vektoros ábrázolása azonban csak jelentős egyszerűsítő munka eredményeképpen jöhet létre, hisz a terep minden pontja önálló, a többi ponttól eltérő sajátosságokkal is rendelkezhet.[3.] A vektoros modellek lényege, hogy az ábrázolandó területet és a rajta lévő objektumokat pontok és a köztük lévő vonalak együtteseként fogja fel. A terep absztrakciója következtében a térképen, így a digitális térképen is pontszerű, vonalas és területi objektumok találhatók. Pont 1. X, Y koordinátával meghatározott, területtel nem rendelkező objektum. Általában akkor használjuk, ha az általa jelölt valós objektum túl kicsi lenne a térképen vonallal, vagy poligonnal megjelenítve. 2. Csomópont, kezdő és végpont (node) 3. Töréspont (vertex)

22

Vonal (arc) 1. Koordinátapárok sorozata, ami vonalas objektumot reprezentál. Nem rendelkezik szélességgel és területtel. 2. Poligonok határvonala (illetve mindkettő) Polygon – területtel rendelkező objektumot testesít meg A polygon egy zárt alakzat, a határvonala egy egységes területet zár közre, mint például egy tó, vagy megye. Topológikusan vonalak sorozatával írható le, a vonalak a határvonalat alkotják. [4.]

17. ábra: Vektoros adatmodell

2.2.3. Hibrid modellek A grafikus adatmodell kialakításánál két alapvető szempont játssza a főszerepet: mennyire tömöríthető a modellben az információ, illetve hogyan hat a (tömörített) modell a műveleti sebességre. A két követelmény együttesen sohasem elégíthető ki optimálisan, ezért rendszerint az adott hardverfeltételekhez legjobban illő kompromisszum szolgáltatja a megoldást.[3.] A vektor és a raszter alapú rendszerek számos jellemzőben különböznek egymástól. A vektor alapú rendszerek alapegysége a pont, a vonal és poligon, a raszter alapú rendszereké viszont a képelem A kétfajta rendszer célszerű alkalmazási területei, létrehozásuk és felhasználásuk módja sok tekintetben különböző. A lehetséges felhasználási módok közül a hálózatok elemzésére a vektor alapú rendszerek alkalmasak, a raszter alapúak alig használhatóak. Területi elemzésre viszont a raszter alapú rendszerek a jobban megfelelők. A grafikus ábrázolás mindkét rendszerben lehetséges, vektor alapú rendszerek esetében általában egyszerűbb. A pontokon és vonalakon, illetve a felületeken alapuló elemzés mellett egyre több területen szükséges a pontok és vonalak illetve a felületek egyidejű kezelése. [5.] Ilyenkor nem kifizetődő valamennyi adat egyetlen rendszerbe történő átalakítása. Sokkal célszerűbb az adatokat eredeti formájukban tárolni, és csak bizonyos elemzésekhez átalakítani. Az így létrehozott rendszerek a hibrid rendszerek. A vektoros és raszteres modellek: - fedvénybe hozhatóak egymással - egymásba átalakíthatóak.

23

8. ábra: Fedvénybe hozott raszteres és vektorok téradatok

3. Adatgyűjtés A térinformatikai rendszer legköltségesebb és legtöbb figyelmet igénylő eleme a megfelelő adatok beszerzése és feltöltése a rendszerbe. Térbeli (területi) adatokat igen sok forrásból kaphatunk, ezek lehetnek hagyományos papírtérképek, geodéziai felmérések eredményei, távérzékeléssel gyűjtött adatok vagy globális helymeghatározó rendszer által szolgáltatott koordináták.[4.] De nem szabad figyelmen kívül hagyni azt a tényt sem, hogy a térinformatikai rendszerben legalább olyan fontosak az attribútum adatok, mint a térbeli (geometriai) adatok. Mielőtt ezeket áttekintenénk, célszerű legalább nagy vonalakban áttekinteni, hogyan is történik egy térinformatikai projekt lebonyolítása.

3.1. Projekt szervezés Egy GIS project számtalan egymásra épülő logikai lépés egymásutánja. A projekttervezés előtt mindenképpen végig kell gondolni a következő kérdéseket: - Mi a megoldandó probléma és hogyan van jelenleg megoldva? - Mi lenne a projekt végterméke? - Milyen gyakran lehet ezeket a termékeket létrehozni? - Kik az érintettek a projekt végtermékét illetően? GIS projekt lépései: Adatbázisépítés: • Adatbázistervezés • Térbeli adat bevitel • Szerkesztés és topológia építés, leíró adatok hozzáadása •

Adatmanipuláció és karbantartás

Elemzések készítése Végtermékek elkészítése • Térképek • Jelentések 19.ábra: GIS projekt sémája

24

Adatbázis tervezés: A projekt legfontosabb és néha leginkább időigényes része az adatbázis tervezés, adatbázis építés. Az adatbázis pontos tervezése és teljes felépítése meghatározza a továbbiakban az elemzések hatékonyságát, pontosságát és ezáltal a végtermék minőségét. A projekttervezés adatbázis tervezés, adatbázis építés lépése a következő lépésekre bontható: - A vizsgálat, a tanulmány kereteinek meghatározása. - Milyen koordinátarendszerben fogunk dolgozni? - Milyen rétegekre bontsuk a térbeli adatainkat? - Mely objektumokat vegyünk fel a rétegeinkbe? - Milyen attribútumokat rendeljünk az objektumokhoz? - Hogyan szervezzük az attribútumokat és hogyan kódoljuk? Adatbázis építés lépései: - A megjelenítendő adatok leválogatása és a hozzátartozó attribútumok kiválasztása. Az objektumokat szétválogatjuk aszerint, hogy milyen elemtípus (pont, vonal, poligon) milyen tematikus csoportot képvisel (lakóépület, középület). Ezeket a szétválogatott objektumokat külön-külön rétegeken tároljuk. A rétegeket a szerint rendezhetjük egy-egy térképre, amit a projekt célja megkíván. - Térbeli adatok bevitele (digitalizálás, más adatbázisokból történő beimportálás). - A térbeli adatokat használhatóvá kell tenni (geokódolás, szerkesztés, egymás mellett fekvő szelvények összeillesztése, hibajavítás, topológia építés). A geokódolás azt a folyamatot jelenti, amikor a digitalizálandó állományunkat ellátjuk a valós világ koordinátáival. Ezek lehetnek a térképek koordinátahálózatáról leolvasott koordináta-párok, vagy egyéb azonosító pontok (útkereszteződések, jellegzetes tereppontok).

20. ábra: Geokódolt részlet

-

Leíró adatok bevitele az adatbázisba, a leíró adatok és a térbeli adatok megfeleltetése. Adatok frissítése, karbantartása. [4.]

3.2. Adatgyűjtési eljárások A geometriai és az attribútum adatnyerési eljárásokat is csoportosíthatjuk aszerint, hogy milyen forrásból történik az adatnyerés. Elsődleges adatnyerési eljárásról beszélünk, ha az adatot közvetlenül a tárgyról, vagy annak képéről nyerjük. Másodlagos adatnyerés forrása a már rendelkezésre álló adat. Az elsődleges adatnyerés több időt és költséget igényel a másodlagos adatnyerési eljárásokhoz képest. Térbeli, elsődleges jellegű eljárások: − A földi geodéziai eljárások, − Fotogrammetriai módszerek,

25

− Távérzékelés, − Mesterséges holdakon alapuló helymeghatározások − Helyszíni adatfelvétel, pl. kérdőívek alapján (leíró adatok). Térbeli, másodlagos adatnyerést biztosítanak: − Meglévő térképek digitalizálása, − Meglévő térképek szkennelése, − Digitális állományok átvétele.[5.] Leíró adatnyerés elsődleges eljárásai például: − Szociológiai adatok felvételéhez megszervezett helyszíni adatgyűjtés, − Kérdőíves tematikus adatfelvételek. Másodlagos eljárás például a meglévő statisztikai adatok felhasználása.

3.2.1. Térbeli adatok nyerését szolgáló eljárások A térinformációs rendszerek létrehozásakor, a geometria adatnyerési eljárás kiválasztása függ a létrehozandó rendszer területi kiterjedésétől, az adatsűrűségtől, a rendelkezésre álló adatforrásoktól, a minőségi követelményektől. A lokális rendszerek létrehozásakor a földi mérések, műholdas helymeghatározás, és a fotogrammetriai módszerek megfelelőek. Regionális rendszerek estében a fotogrammetriai és távérzékelési, míg globális rendszereknél a távérzékelési eljárások alkalmazhatók a legcélszerűbben.[8.] A megkívánt pontosság tekintetében az elsődleges adatnyerési eljárások a következő osztályokba sorolhatók: adatnyerési eljárás

pontosság

geodéziai eljárások

mm-cm

fotogrammetriai eljárások távérzékelési eljárások

cm-dm m-100 m

A geometriai adatnyeréssel egyidejűleg nagyon gyakran egy-egy leíró adathoz is hozzájuthatunk, de a következő eljárások elsődleges célja a geometriai adatnyerés. − Kézi technológiák, − Geodézia technológiák, − Szkennelés és digitalizálás, − Photogrammetria – légifotók, − Űrfotók, − Radaros távérzékelés (3D modell), − GPS.

Kézi technológiák Eszközök: papír, toll, mérőszalag, mérőbot, iránytű. Előnyök: − Alacsony költség, praktikus kisköltségvetésű projecteknél. Hátrányok: − a pontosság hozzávetőleges a tereptárgyakhoz képest, − pontatlanság emberi tényezők miatt, − nehéz a relokalizálás.

26

Geodézia műszerek A földi geodéziai eljárások a geometriai adatnyerésnek a legrégebbi módjai. A geodéziai módszerek alkalmazásának előfeltétele az alappont-hálózat létezése (adott referenciarendszerben). Az objektumok koordinátáit abban a referenciarendszerben kapjuk, amelyben az alappont-hálózati pontok koordinátái adottak. Feltételezve, hogy az adott területen alappont-hálózattal már rendelkezünk, az alappontokból kiindulva az egyes objektumok geometriai adatait jellemzően, két geodéziai mérési eljárás valamelyikének alkalmazásával határozhatjuk meg. Ezek az eljárások: - derékszögű koordinátamérés, - tahimetria.[5.] Derékszögű koordináta mérés: Az objektumok pontjainak az alappontokhoz viszonyított helyzetét két alappont által meghatározott helyi rendszerben, derékszögű koordináták mérésével határozzák meg. A mért adatokból az objektumok pontjainak referenciarendszerbeli koordinátái hasonlósági transzformációval számíthatók. Az eljáráshoz szükséges mérőeszközök a derékszögű szögprizma és a mérőszalag. Előnye: − a felszerelés rendkívül olcsó. Hátránya: − munkaerő-igényes és viszonylag lassú, − a terepen nyert adatokat később digitalizálni szükséges. A derékszögű koordinátamérés célszerű alkalmazási területe elsősorban az adatok aktualizálása, illetve kisebb feladatok megoldása.

21. ábra: Derékszögű koordinátamérés sémája

Tahimetria: Ennél az eljárásnál két alappontot felhasználva az objektumok egyes pontjainak helyzetét távolság- és szögmérés alapján poláris koordinátákkal határozzák meg. Az objektumok pontjainak referenciarendszerbeli koordinátái elemi trigonometriai összefüggésekkel számíthatók. A tahimetria magassági szögmérés esetén a pontok magasságának meghatározására is alkalmas. A tahimetria eszköze az említett mennyiségek mérésére alkalmas műszer, az ún. tahiméter. Korszerű tahiméterek esetén mind a mennyiségek mérése, mind az eredmények rögzítése elektronikus eszközök felhasználásával történik.

27

Előnye: − − −

nagy terme1ékenység és pontosság, kis munkaerő igény, az adatok digitális rögzítése.

Hátránya: − a felhasznált műszer viszonylag drága. A tahimetria a nagy adatmennyiséget tartalmazó, vektor alapú lokális térinformációs rendszerek geometriai adatnyerési módszere. Különösen indokolt az alkalmazása olyan esetekben, amikor a mérésre viszonylag kevés idő áll rendelkezésre (például közművek építése esetén).[5.]

22. ábra: Tahimetria koncepciója

Szkennelés és digitalizálás A meglévő térképek digitalizálása a geometriai adatnyerés viszonylag olcsó és gyorsan elvégezhető módszere. A digitalizálás analóg digitális átalakítás, amellyel a térkép egyes pontjaihoz számszerű koordinátákat rendelhetünk. A térképek digitalizálásával előállított adatállomány minőségét alapvetően a felhasznált térképek minősége határozza meg. Eredetileg sem jó minőségű vagy erősen elavult térképből jó minőségű adatállomány nem hozható létre.[5.] A térképek feldolgozása a következő lépésekre bonthatók: - előkészítés, - digitalizálás, - adatok szerkesztése.[11.] Az előkészítés a térkép aktualitásának ellenőrzését, szkennelésre való alkalmasságának vizsgálatát jelenti. A szerkesztés magában foglalja: - a raszter adatok vektorizálását, - a javításokat, - az objektumok definiálást és a topológia kialakítását. Alap adatok lehetnek: - Papír alapú térkép, - Légi fotó, - űrfotó, 23. ábra: Felvétel digitalizálás - szkennelt térkép.

28

Az eljárás alkalmazásának előnye: - Mérsékelt költség (feltéve, hogy minden adat rendelkezésünkre áll). Hátránya: - Nincs lehetőség a pontosság megítélésére (és a papírtérképek elég pontatlanok), - a változások a papírtérképen nincsenek vezetve, - bonyolult a minőség és költségellenőrzés.

Távérzékelés Távérzékelés fogalma A távérzékelés az a tudományág, amely a tárgyakra vagy a jelenségekre jellemző információk beszerzésével és megmérésével foglalkozik olyan rögzítő berendezések segítségével, amelyek nincsenek közvetlen (fizikai) kapcsolatban a vizsgált tárggyal vagy jelenséggel. (American Photogrammetric Association) A távérzékelés végrehajtható minden olyan készülékkel, amely alkalmas a tárgyak és jelenségek tulajdonságait közvetítő elektromágneses sugárzás, akusztikus energia vagy az erőterek energiájának rögzítésére. Az alkalmazott eszközök lehetnek fényképezőgépek, lézer és rádiófrekvencia felfogó rendszerek, szeizmográfok, graviméterek, magnetométerek stb. A távérzékelés, mint információnyerési módszer, nem új, hiszen a hagyományos fényképezés is alkalmazható tudományos feladatok megoldására; a légi fényképezés pedig több mint száz éves múltra tekint vissza. (Az első légi felvételt léggömbről készítették 1839-ben Franciaországban.) [7.] A távérzékelés fogalmába nemcsak az adatgyűjtést, hanem az adatok kiértékelését, feldolgozását is beleértjük. A kiértékelési eljárások (vizuális vagy automatikus) legtöbbször a többsávos, több időpontú felvételek spektrális elemzésén alapulnak. A távérzékelés munkafolyamata két lépésre bontható: 1. Az adatnyeréshez szükséges felvételek elkészítése, 2. A képek feldolgozása.[5.]

A távérzékelés előnyei − −

−

−

−

−

Roncsolás mentes vizsgálat: a megfigyelt tárgyat nem befolyásolják, nem roncsolják, annak állapotát nem változtatják meg. A láthatatlan láthatóvá válik: a távérzékeléshez alkalmazott eszközök lehetővé teszik, hogy az elektromágneses spektrum látható tartományán kívüli hullámhosszokon is végezzük a környezet megfigyelését. Objektív megfigyelés: a távérzékelési eljárások alkalmazásával mérhető, fizikai adatokhoz jutunk, s ebből fakad e módszerek objektivitása. A megfigyelés során kvantitatív és kvalitatív adatokat is gyűjthetünk. Összetett adatnyerés lehetősége: A távérzékelés olyan mérési adatokkal szolgál, amelyek szervesen kapcsolódnak a térbeli információkhoz; segítségével térben, több dimenzióban felépített adatbázist is nyerhetünk. Sokféle módszer: A távérzékelési eszközök, módszerek és eljárások nagy választéka lehetővé teszi, hogy mindig az adott kutatás, kérdésfelvetés témájához válasszuk ki a megfelelő észlelési módot és adatfeldolgozási eljárást. Ellenőrizhető, reprodukálható adatok: Az összegyűjtött adatok bármikor reprodukálhatók, kiterjesztve így az alkalmazások körét. A tárolt adatok összehasonlíthatók, együtt elemezhetők

29

−

− −

más időpontú vagy lokalizációjú felvételekkel, lehetővé téve ezáltal az összehasonlító elemzést, a változásvizsgálatokat, a folyamatok nyomon követését. Adatnyerés nagy területekről: A távérzékelési technikák lehetővé teszik nagy kiterjedésű területekről rendkívül rövid idő alatt sok adat gyűjtését. Ezek az adatok a térbeli összefüggésekkel együtt kezelhetők, ami elősegíti a tematikus információk kinyerését. Ez a jellemző biztosítja a magas fokú aktualitást a hagyományos térképezési, felmérési eljárásokhoz képest. Elérhetetlen területek: A távérzékelési eljárásokkal más módszerekkel elérhetetlen, megfigyelhetetlen területek is megfigyelhetők.[4.] Gyors feldolgozás: egyes spektrumokban (pl. látható fény tartományban) készült felvételek azonnal szolgáltatnak információt.

A távérzékelés hátrányai − − − −

Egyes felvétel készítési eljárások időjárás függőek. A feldolgozáshoz jól képzett szakemberek szükségesek. A felvétel készítés és feldolgozás viszonylag drága. Egyes esetekben földi kiegészítő mérések elkerülhetetlenek.

Felhasználási területek A nem megújuló természeti erőforrások felmérésénél, térképezésénél (geológiai alkalmazások), de különös tekintettel a megújuló természeti erőforrások állapotának felmérésében, állapotváltozásaik nyomon követésében különös szerepet játszik a távérzékelés. Gyakorlati értéke és alkalmazása folyamatosan nő az egyre pontosabban kiépített újabb műholdak fellövésével. Minél több műhold pásztázza Földgolyónkat, annál több naprakész információhoz juthatunk hozzá. Az egyre növekvő számú, űrben keringő, egymástól eltérő jellemzőjű (képméret, spektrális felbontás, visszatérési gyakoriság) műholdak a feladat céljának megfelelő legjobb képkiválasztást teszik lehetővé.[7.]

Az optikai távérzékelés fizikai alapjai Egy tárgyra beeső sugárzás (ρ) része visszaverődik (reflection), az (α) része elnyelődik (absorption), (τ) része pedig áthalad a tárgyon (pass-through). Ezen mennyiségek egymáshoz viszonyított aránya függ a hullámhossztól (λ). Mindezek alapján felírhatjuk a következő egyenletet: ρ(λ)+α(λ)+τ(λ)=1 azaz, adott hullámhosszon az említett részek összege egyenlő a teljes beeső sugárzás mennyiségével. (Molenaar, 1993.) A ρ, α, és τ mennyiségek értéke mindig az adott közeg fizikai jellemzőitől és kémiai összetételétől függ, és közülük a ρ(λ) mérhető. A távérzékelési eszközök által mért érték alapján tehát következtethetünk a megfigyelt tárgy kémiai és fizikai jellemzőire. Az Optikai tartományban ez a ρ(λ) mennyiség a tárgy által bizonyos irányban, bizonyos besugárzási körülmények között visszavert sugárzás mennyiségét jelenti, egy ideális, fehér, szórt fényt visszaverő (ún. Lambert-) felület pontosan ugyanilyen körülmények között mért radianciájához képest. Ezt a mennyiséget általában százalékban fejezhetjük ki (reflektancia-százalék). A távérzékelésben használatos passzív szenzorok azonban csak a tárgy által visszavert sugárzási energiát mérik, lévén a besugárzás pontos mértéke ismeretlen. Ennek következtében a ρ(λ) mennyiséget nem lehet közvetlenül meghatározni. Hogy ezt megtehessük, ismert ρ(λ) értékekkel rendelkező ún. referencia tárgyakat kelt alkalmaznunk.

30

24. ábra: Visszavert sugárzás és az általa mérhető jellemzők

Aktív és passzív távérzékelés A távérzékelési eljárásokat megkülönböztethetjük aszerint, hogy milyen szenzorokat (érzékelőket) alkalmaznak. Eszerint beszélhetünk aktív és passzív szenzorokról illetve eljárásokról. A passzív szenzorok nem rendelkeznek saját sugárforrással. Természetes eredetű elektromágneses sugárzásokat érzékelnek, amelyek forrása általában a visszavert napfény vagy a tárgy által spontán kibocsátott sugárzás. Klasszikus példájuk a fényképezőgép, amely egy filmre felvitt fényérzékeny rétegre rögzíti a tárgyról érkező sugárzás intenzitásának térbeli eloszlását. További példák: a multispektrális szkennerek, a termális szkennerek vagy a mikrohullámú radiométerek.[4.]

25. ábra: Aktív és passzív távérzékelés

31

Az aktív szenzorok saját sugárforrással rendelkeznek. A szenzor a saját maga által kibocsátott sugárzás visszavert részét érzékeli. Jellegzetes és legismertebb példájuk a különböző radarok (Radio Direction And Ranging). A különböző RADAR rendszereknél a szenzor a visszaverődött mikrohullámokat fogja fel az alábbi hullámtartományokban: • X-BAND RADAR: 9,4 GHz (3,2 cm) • C-BAND RADAR: 5,3 GHz (5,7 cm) • L-BAND RADAR: 1,3 GHz (23 cm) • P-BAND RADAR: 0,44 GHz (68 cm) A megfigyelés napszak-független és nem befolyásolja a felhőzet léte.

Távérzékelési eljárások A távérzékelésben használt eszközöket az észlelés távolsága, illetve a hordozó eszköz alapján is megkülönböztethetjük. Műhold:

Geostacionárius pálya: 36000 km Sarkközeli pálya: 600-1000 km

Nagy magasságon repülő gép: 3-10 km

Kis magasságon repülő gép: 300 m- 3 km Sárkányrepülő: 100-300 m Földi megfigyelés: 1-5 m 26. ábra: Távérzékelésben használt eszközök és a megfigyelési távolság

A szenzorok mérési adataiból, előfeldolgozás során előállított kép többféle információt tartalmazhat, melyek a következőképpen osztályozhatók: Geometriai (térbeli) információk: a tárgyak helye, elhelyezkedése, alakja, felülete stb. Fontos mérőszáma a pixelméret, azaz a kép egy pontjának a földfelszínen mérhető, valós térbeli kiterjedése. Spektrális információk; a tárgyról érkező sugárzás mértéke. A mérés szenzortól függően egy vagy több hullámhossztartományban (spektrális- vagy színképsáv) történik; az egysávos felvételt monospektrálisnak, a többsávos felvételt (a sávok számától függően) multispektrálisnak, illetve hiperspektrálisnak nevezzük.

Légi fotó A légi fénykép optikai úton nyert távérzékelési alapadat, amely a fényképezett terület mását hordozza. Eszköze a felvevő kamera. Aszerint, hogy a fénykép készítése pillanatában a felvevő kamara optikai tengelye hogy viszonyult a felszínhez, megkülönböztetünk függőleges és ferde tengelyű légi fényképeket. A légi fényképet készítő berendezés kialakítása szempontjából megkülönböztetünk mérőképes és nem mérőképes légi fényképeket.

32

A légi fotó alkalmas a lokális és a regionális térinformációs rendszerekben: - vektor jellegű állomány létrehozására és aktualizálására, - raszter jellegű állomány létrehozására és aktualizálására, - ortofotók előállítására, - digitális magassági modellek létrehozására, - egyes pontok helyzetének meghatározására.[5.] A légi fényképek leggyakoribb alkalmazási területei: − Valamely területnek egy adott időpontbeli általános vagy kiemelt szempontú felszín fedettségi állapot rögzítése (pl. felszíni szennyező források kimutatása, belvízállapot, aszálykár stb.). − Különböző méretarányú topográfiai, kataszteri vagy tematikus térkép készítése, meglévő térképek helyesbítése. − Területrendezés, telekgazdálkodás. − Környezetvédelem, tájvédelem, nemzeti parkok és az idegenforgalom ezekre gyakorolt hatása. − Területhasznosítási elemzések (települések, ipar, közlekedés, mező-, erdő- és vadgazdálkodás, vízgazdálkodás stb.). − Földhasznosítás. Ezen belül a jelenlegi mezőgazdasági, erdészeti stb. tevékenység és változásának időbeli követése (monitoring). − Talajok környezeti állapota és annak időbeli változása, talajtérképezés. Talajok károsodása (talajerózió, talajvíz, helytelen földhasználat, agrokémiai hatások stb.). − Mezőgazdasági szerkezet-átalakítás, tulajdonviszonyok rögzítése, ezek tervezése, követése, művelési ágak változása. [7.]

27. ábra: A távérzékelés alkalmazása Forrás: http://earthobservatory.nasa.gov/Features/PrecisionFarming/

33

Űrfotó A távérzékelés legelterjedtebben használt képanyagát az űrből készített képek alkotják. A űrfelvételeket a gyakorlati felhasználás szempontjából a következő paraméterekkel jellemezhetjük: − a geometriai felbontás (azaz a pixeleknek megfelelő terepi méret), − az egyes képek területe (esetleg a sorok hossza), − a radiometriai felbontás (a csatornák száma), − az időbeli felbontás (a képek készítésének gyakorisága).[5.] Az adatok feldolgozása alapvetően két részre osztható: az előfeldolgozás célja a kép vizuális vagy digitális kiértékelésének előkészítése. Ebbe a folyamatba tartoznak a geometriai képátalakítások (transzformáció), a légkör okozta torzulások figyelembevétele, az interpretációt segítő, pl. sávok közötti műveletek. Az adatok feldolgozásának tényleges folyamata a képelemzés, melynek során a vizsgált kép specifikus tulajdonságainak megállapításával, tematikus információk kinyerését végzik.[7.] A képeket a későbbi felhasználók digitális formában, illetve analóg képként rendelhetik meg. Az űrfelvételezéssel készült távérzékelt adatok az U.S.A, Oroszország, India, Japán, Franciaország, és az Európai Űrügynökség (ESA) műholdjainak fellövése óta érhetőek el. A továbbiakban áttekintjük a legjelentősebb programokat és azok jellemzőit.

28. ábra: A különböző műholdérzékelők spektrumai és alkalmazási területeik

SPOT program Az először 1978-ban elfogadott működésben lévő SPOT (Satellite Pour l’Observation de la Terre) Föld-megfigyelő műhold-rendszert a CNES tervezte és Franciaországban fejlesztették ki, Belgiummal és Svédországgal együttműködésben. A rendszer a műholdakat valamint a műhold vezérléséhez szükséges kapcsolódó földi intézményeket, úgymint , a műhold programozásához, adatvételhez, és a képek előállításához elengedhetetlen programokat és berendezéseket is tartalmazza. A SPOT adatokat a CNES leányvállalata, a SPOT IMAGE értékesíti. Öt pályára állított műholddal, melyből jelenleg négy működik, a SPOT rendszer 1986. február 22-e, a SPOT 1-es fellövése óta szolgáltat adatokat. Mára már több mint 6,5 millió képet készítettek a SPOT műholdak.[7.] Ahhoz, hogy a különböző

34

képek összehasonlíthatóak legyenek fontos, hogy a terület megvilágítása azonos legyen. Ez úgy érhető el, hogy a műholdnak azonos szöget kell bezárnia a nap megvilágítási szögével. Ennek érdekében a műholdak az adott pont felett helyi időnek megfelelően mindig a ugyanabban az időpontban haladnak el (például délelőtt 10:30 leszálló ágban). A SPOT műholdak egyedülálló jellegzetességei (a nagy felbontás, sztereokép készítés, visszatérési rugalmasság) alkalmassá teszik, hogy a földhasználat, felszínborítás, bizonyos speciális érdeklődési területek, mint p1. erdőpusztulás, sivatagosodás, erózió, városi területek változásai, vagy nagyobb munkálatok által bekövetkezett környezeti hatásokról adatokat gyűjtsön. A műholdak fellövési időpontjai:

Műhold

Fellövési időpont

SPOT 1

1986.02.22.

SPOT 2

1990.01.22.

SPOT 3

1993.09.26.

SPOT 4

1998.03.24.

SPOT 5

2002.05.04.

A SPOT műholdak pálya adatai: − pályamagasság: 832 km − pályatípus: kör alakú, napszinkron − egy keringés ideje: 101 perc (14/nap) − Egyenlítői áthaladás: 10:30 de leszálló ágban − visszatérési idő: 2-26 nap − inklináció: 98o (közel poláris pálya) − terület: 60*60 km.

29. ábra: SPOT műholdak pályái

A SPOT képek rendkívül jó földi felbontást nyújtanak: pankromatikus módban: 10*10 m, multispektrális módban pedig 20*20 m. Pankromatikus módban a műhold felvevő berendezése az elektromágneses spektrum látható tartományának egyetlen sávjában működik, tehát fekete-fehér képeket készít. A SPOT1, SPOT2 és SPOT3 műholdakon a pankromatikus csatorna, az alábbi táblázat szerinti 0,51-0,73 μ m között üzemel. A SPOT4 esetében ez a tartomány 0,61-0,68 μ m-re szűkül. Spektrális sávok Multispektrális mód (SPOT1,2,3) Multispektrális mód (SPOT4) Pankromatikus mód (SPOT1,2,3) Pankromatikus mód (SPOT4)

B1 0,50-0,59 μ m 0,50-0,59 μ m -

B2 0,61-0,68 μ m 0,61-0,68 μ m 0,51-0,73 μ m 0,61-0,68 μ m

B3 0,79-0,89 μ m 0,79-0,89 μ m -

B4 1,58-1,73 μ m -

Pixelméret 20*20 m 20*20 m 10*10 m 10*10 m

A SPOT 1, 2, 3 műholdakon két nagy felbontású adatrögzítő (High Resolution Vidicon) működik, együtt és egymástól függetlenül is rögzítenek adatokat. Ez a technikai megoldás lehetőséget biztosít sztereo képek készítésére. A SPOT 4-nél az előző három műholdon alkalmazott képalkotó berendezéseket egy középső infravörös sávval egészítették ki (1.58-1.75 μ m), a berendezés neve HRVIR változott (High Resolution Visible Image Resolution). A SPOT 4 még egy képalkotó berendezést üzemeltet: ez a VEGETATION, amely 2000 km széles sávban 1 km-es terepi felbontással készít képeket 4 spektrális sávot használva.[7.]

35

A termékek ára függ a feldolgozás szintjétől, valamint a geokódolástól és a vetülettől. A feldolgozás szintje szerint négy nagy csoportra oszthatóak a termékek: − 1A térképezéshez, DEM, geometriai korrekciók, − 1B pontos mérésekhez, vegetációtérképezés, − 2A a kért specifikus információ könnyen illeszthető más térképekhez, − 2B geokódolt termékek, nagy területről, azonnali információ. Az alábbi képeken egy 1A és egy 2B kép látható.

30. ábra: SPOT felvételek különböző feldolgozottsági szinteken

Magyarországon a SPOT képeket a Földmérési és Távérzékelési Intézet forgalmazza. LANDSAT program[7.] 1972 júliusában ERTS (Earth Resources Technology Satellite) néven állították pályára az első erőforrás-kutató műholdat a NASA irányítása mellett, melyet 1975-ben átkereszteltek Landsat-re. Az első Landsat műhold 1972-es fellövése óta még öt továbbit állítottak pályára. Az első három (első generáció) két szenzorral működött: − RBV (Return Beam Vidicon), − MSS (Multispectral Scanning). A második generációs Landsat műholdak (a Landsat-4 1982-es fellövésétől kezdődően) fedélzetükön hordozták az MSS mellett a Thematic Mapper-t (TM, tematikus térképező). 1998-ra tervezték a Landsat-7 hold fellövését, mely végül 1999 nyarára valósult meg. Fedélzetén található az Enhanced Thematic Mapper (ETM+), valamint egy új nagy felbontású pásztázó található. A jelenleg működő LandsatTM5 és LandsatTM7 műhold technikai jellemzői: − fellövés éve: 1984 (TM5), ill. 1999 (TM7) − pályamagasság: 705,3 km − pályatípus: kör alakú, napszinkron − egy keringés ideje: 98,9 perc (14/nap) − Egyenlítői áthaladás: 9:45 de (TM5), ill. 10:00 de ± 15 perc − visszatérési idő: 16 nap az Egyenlítőnél, 8 nap 60° szélességeken. A multispektrális szkennerek térbeli felbontása 80 méter, a képek mérete 185x185 kilométer.

36

TM5: 6 spektrális csatorna, 30 méteres felbontással a látható és a közeli és, a középső infravörös tartományokban, a 6-os csatorna pedig a termális sáv, 120 méteres felbontással. Csatorna és hullámhossz (μ m) 1. (0,45-0,52) 2.

(0,52-0,60)

3. 4.

(0,63-0,69) (0,76-0,90)

5.

(1,55-1,75)

6. (10,40-12,50) felbontás, 120*120 m-es pixelméret. 7. (2,08-2,35)

Alkalmazási terület Tengerparti vizek térképezése, víztestek felszíni részeibe nyújt betekintést, a talaj és a vegetáció, illetve a lombhullató és tűlevelű flóra elkülönítése. A vegetáció reflektancia görbéjén jelentkező két klorofill (klorofill-a és klorofill-b) elnyelési pont közötti csúcs megfigyelése. Klorofill abszorpciós csatorna-vegetáció elkülönítésére. Biomassza mennyiség meghatározása és víztestek elhatárolása (kihangsúlyozza a föld-víz kontrasztokat). A vegetáció és a talaj nedvességtartalmának meghatározása, a hó és a felhők elkülönítése. Vegetáció stressz-analízis, talaj nedvességtartalom meghatározás, hőtérképezés. Kőzettípusok elkülönítése, hidrotermális térképezés.

TM7: A fedélzeten levő ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus) berendezés sokoldalúbb és hatékonyabb, mint a korábbi TM berendezések, e tulajdonságai révén az általa szolgáltatott adatok felhasználhatók a globális változások tanulmányozásában, a felszínborítás változásának nyomon követésében, nagy területű térképezésben. Új tulajdonságok a TM berendezésekhez képest: − egy 15 méteres pankromatikus, 0,5-0,9 μ m-es tartományban működő pásztázó, mely jobb vegetáció elkülönítést biztosít, − a termális sáv felbontása 60 méterre javult, − az egy darab PAN (15 m), 6 darab multispektrális (30 m) és 1 darab termális (60 m) sávban az adatok vétele egyidejűleg történik. A Landsat rendszer földi hálózata napi 250 képet dolgoz fel. Ezek a képek mentesek a különböző torzításoktól, kalibráltak és geokódoltak. Az adatok 24 órán át megrendelhetőek az EROS Data Center-ből, akár Interneten keresztül is. A kívánt részleteket ki lehet választani, majd megfelelő jogosultság után letölteni, illetve hagyományos adathordozón is megküldik.[4.]

31. ábra: Egy Landsat-7 kép

32. ábra: Egy 0,5-5m felbontású űrfotó

IKONOS: [7.] A közelmúltban (1999. szeptember 24.) fellőtt Ikonos amerikai műhold adatokat a Space Imaging Europe (SIE) forgalmazza. Világviszonylatban az első olyan kereskedelmi műhold, amely 1 méteres

37

térbeli felbontásával a legjobb minőségű felvételeket készíti. Ennél fogva a képekből nyert információk értéke felbecsülhetetlen, alkalmazási területei a legszélesebb skálán mozognak. Technikai jellemzők: − fellövés éve: 1999 − pályamagasság: 680 km − pályatípus: közel napszinkron, poláris − egy keringés ideje: 98 perc (14/nap) − Egyenlítői áthaladás: 10:30 de − visszatérési idő: 5 nap − inklináció: 98° − terület: 11x11 km. QuickBird:[7.] A DigitalGlobe™ 2001. október 18-án állította pályára a QuickBird műholdat. A QuickBird pankromatikus üzemmódban 0,61 m-es felbontású adatokat képes szolgáltatni. Ezzel párhuzamosan a multispektrális adatok felbontása 2,44 m. Ezekkel a paraméterekkel a QuickBird jelenleg a legnagyobb felbontást biztosító kereskedelmi műhold. A QuickBird pankromatikus, multispektrális és a két adatból előállított illesztett (sharpened) 0,70 m-es felbontású termékeket szolgáltat. A minimális megrendelhető terület: 64 km2, a maximális 10.000 km2. QuickBird műszaki paraméterei: Pályára állítás: Hordozó rakéta: Pálya: Inklináció: Nominális sávszélesség: Szenzor: Felbontás:

2001. október 18. Boeing DELTA II 450 km, keringési idő: 93,5 perc áthaladás az Egyenlítő felett: 10:30 am 97,2 fok, Nap-szinkron 16,5 km a nadírban Pankromatikus Bázis kép: 0,61 m a nadírban, 0,72 m 25° szög alatt

Spektrális sávok:

450-900 nm

Képdinamika:

11 bit/pixel

Multispektrális Bázis kép: 2,44 m a nadírban, 2,88 m 25° szög alatt 450-520 nm 520-600 nm 630-690 nm 760-900 nm 11 bit/pixel

Radaros távérzékelés Radar felvételeket már több évtizede készítenek és használnak szerte a világon. Nagyon jól alkalmazható, különböző megfigyelésekhez, pásztázásokhoz. A visszavert mikrohullámok segítségével, háromdimenziós terepmodell készíthető. Legfontosabb tulajdonsága, hogy a legkevésbé zavarják a légköri hatások (pára, felhő, eső). Az érzékeléshez használt elektromágneses hullámok viszonylag kis méretű antennákkal jól fókuszálhatóak. Előnye: − igen sűrű adatgyűjtést tesz lehetővé, − viszonylag nagy pontosságú mérések végezhetők, − szalagszerű tereptárgyak térképezésére is alkalmas. Hátránya: − magas tőkeigény, − korlátozott attribútumozási lehetőség.

38

33. ábra: Radarral készült felvétel

3.2.2. A GPS A mesterséges holdakon alapuló helymeghatározási rendszereket elsősorban katonai célú navigációs feladatok megoldására hozták létre. Ezek a rendszerek azonban jól alkalmazhatók különböző pontossági igényű térinformatikai célú adatnyerésre is. Az ilyen rendszerek közül legismertebb az amerikai NAVSTAR Global Positioning System (GPS), illetve az orosz GLONASS.[5.]

A GPS, mint adatforrás Jogosan merül fel a kérdés, mire alkalmas a GPS rendszer, hol tudjuk felhasználni a polgári alkalmazásokban? A válasz egyszerű. Használhatjuk: a) térképezésre és adatgyűjtésre, b) navigációra, c) adatfrissítésre. a) Térképezés és adatgyűjtés, azaz Rögzíthetjük a térképen, hogy a valós világban, mi hol van. Megválaszolhatunk olyan kérdéseket, mint: milyen tereptárgyak vannak, és azoknak melyek a földrajzi koordinátái, milyen tulajdonságokkal bírnak?[4.] − Ugyanis, a GPS vevő a műholdak segítségével kiszámítja az objektum helyét, koordinátáját, a megfelelő vonatkoztatási rendszerben (WGS-84). − A felhasználó attribútumokkal látja el az objektumot majd ezeket a térbeli és leíró adatokat a készülék összekapcsolva, egy rendszerben tárolja (összetettebb készülékek esetén). − Az így tárolt digitális adatok, a helyszíni mérések befejezésekor közvetlenül áttölthetők GIS vagy CAD rendszerbe. b) Navigáció: A legegyszerűbb és legolcsóbb GPS vevőkészülék is alkalmas arra, hogy segítségével megtaláljunk egy tereptárgyat, melynek ismerjük a koordinátáit, illetve visszataláljunk vele egy korábban már bemért helyre. A vevőkészülékek segítségével meg tudjuk mondani, hogy a keresett tárgy milyen irányban, milyen messze található jelenlegi pozíciónkhoz viszonyítva. Kicsit okosabb készülékek, ha előzőleg megadtuk, hogy hova szeretnénk eljutni, -miközben mérik aktuális pozíciónkat- kiszámolják nekünk, hogy merre kellene haladnunk, és milyen távolságot kell még megtennünk.

39

34. ábra: Navigáció GPS készülékkel

c) Adatfrissítés: A térinformatikai rendszerek fokozottan igénylik az adatok naprakészen tartását, hiszen az érvénytelen adatok miatt: a lekérdezések pontatlan eredményt adnak, amelyek nem megfelelő alapjai a döntéshozatalnak. Az adatfrissítés munka menete: − A meglévő adatbázist betöltjük a terepi munkához. − A GPS vevő segítségével ellenőrizzük, hogy a megfelelő tereptárgynál állunk-e? − Felfrissítjük a meglévő adatbázisunkat, a megfelelő attribútummal vagy új egyedet veszünk fel.

GPS használatának előnyei és hátrányai Mint minden alkalmazott technikának, így a GPS használatának is vannak előnyei és hátrányai, melyek befolyásolják, az alkalmazhatóságát. A GPS előnyei: − Könnyű használhatóság, − Nincs szükség magasan kvalifikált munkaerőre, − Pontos, hatékony, objektív helymeghatározást tesz lehetővé, − Nincs szükség terepi tájékozódási pontokra (mint például geodétáknak a háromszögelési hálózat), − A mérés időjárás és napszak független, − Pontos nagy területek esetén is, − bárhol a világon elérhető és ugyanabban a rendszerben használható, − a munkavégzés során végig az elektronikus adatfolyam jellemző, − lehetőség van a helyszínen történő attribútumozásra és érvényesség vizsgálatra, − adatai könnyen integrálhatóak a térinformatikai rendszerbe, − nincs kézimunka igénye, és nincs szükség többszöri adatbevitelre, − könnyen lehetővé teszi a visszatalálást egy tereptárgyra. A GPS hátrányai: − Az adatfelvétel a helyszínen történik, ezért minden tereptárgyat végig kell látogatni, fel kell keresni, − mindenképpen „látni” kell a műholdakat, ezért önmagában nem használható épületekben, alagutakban, szűk völgyekben (kombinálható a mérés lézerletapogató-készülékkel a GPS-szel megközelíthetetlen helyeknél).

40

A GPS működése GPS alapját 24 db (plusz 3 tartalék), 20 000 km magasságban keringő mesterséges hold képezi (35. ábra). A mesterséges holdak által sugárzott jelek lehetővé teszik a földi mérőállomások és az egyes mesterséges holdak távolságának meghatározását. A mérés alapja a háromszögelés elve.

35. ábra: A GPS műholdak helyzete 1998.09.27. 00,00 órakor

A rendszer fizikai felépítése GPS műholdak műszaki adatai: Név: NAVSTAR. Gyártó: Rockwell International. Keringési magasság: 20000 km. Súly: 855 kg. Méret: 6 m, a kiterjesztett napelemekkel. Keringési idő: 12 óra. Keringési pálya: 55 fokos szöget zár be a pálya az egyenlítőhöz képest Jelenlegi konstelláció: 24 Block II működő műhold A rendszer 24 műholdja -a földfelszínhez képest- minden nap ugyanazt a pályát járja be. A pályamagasság olyan, hogy minden földi pont felett 24 óránként a műholdak pályája és konstellációja ugyan olyan. A hat pálya egyenlően van elosztva, 60 fokonként. Ez biztosítja, hogy a felhasználók 5-8 műholdat mindig láthatnak, a Föld bármelyik pontján tartózkodnak is.

36. ábra: a GPS műholdak 6 pályája

A rendszer működési elve A mérés alapja, hogy meghatározzuk az egyes műholdaktól a távolságunkat. Ha tudjuk, hogy milyen messze vagyunk egy műholdtól, akkor egy gömb felületén, elvileg bárhol lehetünk. Ha két műholdtól való távolságunkat ismerjük, akkor a két gömb metszete által meghatározott körön leszünk. Három

41

gömb, 2 pontban metszi egymást, és ezek közül, az egyik koordinátái annyira extrém helyzetet adnak, hogy az azonnal kizárható (vagy a Föld belsejében, vagy valahol az űrben lesz a koordináta hármas által megadott pont).

37. ábra: a GPS működésének elméleti alapja

A távolság meghatározása a s=v*t jól ismert összefüggés alapján történik. Azaz, ha ismerjük egy jel terjedési idejét és sebességét, akkor meghatározhatjuk a távolságot. GPS mérés esetén az elektromágneses jelek terjedési idejét mérjük, miközben tudjuk, hogy az EM hullámok terjedési sebessége közel azonos a fény terjedési sebességével (300000 km/s). Az egyetlen problémát tehát az elektromágneses hullámok terjedési idejének mérése jelenti. A probléma oka, hogy a mérendő idő nagyon rövid (20000 km/ 300000 km/s=0,067 s ), ezért nagyon pontos óra szükséges a mérés elvégzéséhez. Ehhez, minden műholdon van négy atomóra, amelyek biztosítják, hogy a műholdak saját órái nagyon pontosak legyenek. Minél messzebbről érkezik egy jel, annál több idő szükséges ahhoz, hogy a tér ugyan azon pontjára érjen. Tehát, ha 3 műholdra mérünk rá egyszerre, könnyen adódhat, hogy mind a három műhold más időt mutat, mint amit mi a földi óránkkal mérünk. A probléma könnyebb megértése érdekében nézzünk egy egyszerű példát: Tegyük fel, hogy mind a műhold, mind a vevő elkezdi játszani a „Boci, boci tarka” című dalt pontosan déli 12 órakor. Ha a hang ideérne az űrből, akkor a hallhatnánk a „Boci, boci tarka” mindkét változatát, egyiket a vevőnkből, a másikat pedig a műholdról. Persze a két változat nem lenne szinkronban egymással. Ami az űrből jön, késne, mivel több, mint 20000 km-t kell megtennie a vevőnkig. Ha szeretnénk tudni, hogy mennyit késett a műhold verziója, elkezdjük késleltetni a vevő verzióját egészed addig, amíg nem esnek egymásba. Amennyivel arrébb kellett állítani a vevő verzióját az az idő a dal (jel) menetideje. Ha összeszorozzuk ezt az időt a fénysebességgel, akkor megkapjuk, hogy milyen messze van a műhold.[4.] A fentiekben részletezett elv alapján működik a GPS. A különbség az, hogy a műhold „Boci, boci tarka”-ja egy úgynevezett Pszeudo Random Kód. Minden műholdnak van saját egyedi Pszeudo Random Kódja. A kód bonyolultsága biztosítja, hogy a vevő két műhold jelét nem keveri össze, minden műholdat pontosan tud azonosítani, annak ellenére, hogy ugyanazt az átviteli frekvenciát használják.

38. ábra: A Pszeudo Random Kód

A Pszeudo Random Kód (PRC) gyakorlatilag egy igen bonyolult digitális kód. A jel olyan bonyolult, hogy úgy néz ki, mint egy véletlenszerű elektromos zaj. Ezért lett a neve „Pszeudo-Random” (38.

42

ábra). Az összetett minta garantálja, hogy a vevő véletlenszerűen nem szinkronizálódhat össze más jellel, a fogadandó jel alakja semmiképpen nem egyezik más egyéb jellel. Mivel az időmérés a GPS-es helymeghatározás kulcskérdése (ezredmásodpercnyi tévedés 350 km-es hibát eredményezne), az óráknak nagyon- nagyon pontosnak kell lenniük. A műholdak garantálják ezt, de mi a helyzet a vevővel? A vevőt nyilvánvalóan nem lehet terhelni egy költséges alkatrésszel (atomóra), ezért egy extra mérés segítségével lehet pontosítani a mérést. Ha három tökéletes mérés ki tud jelölni a térben egy pontot, akkor négy nem teljesen tökéletes is. Ha az óránk tökéletes lenne, akkor a mérés eredménye az lenne, hogy egy pontot metszene ki a térben a három mérés. De pontatlan óra esetén a negyedik mérés mintegy visszaellenőrzés működik, az nem fogja metszeni az előző három mérés eredményeként kapott pontot. A vevő számítógép észleli, hogy pontatlanság van a mérésben. Mivel a műholdak órája együtt jár, a vevő órájának hibája minden mérést érint. A vevő egy olyan közös értéket keres, amelyet kivonva mind a négy mérésből a mérési pontok egybe esnek. Ezért kell a pontos méréshez minden GPS vevőnek minimálisan négy műholdat látnia.[4.]

A kontroll-állomások rendszere Öt kontroll-állomás működik (Hawaii, Colorado Springs, Ascension, Dic Kwajelein); ezek a következő feladatokat látják el: a. Mindegyik állomás un. monitor-állomás (MS), amely követi az állomásról látható összes NAVSTAR-holdat, hogy kontrollálja a műholdat és pálya előrejelzést készíthessen. Meteorológiai adatokat is mérnek a troposzférikus késleltetés pontos figyelembevétele céljából. Ezeknek az állomásoknak a pozíciója igen nagy megbízhatósággal ismert. b. Az 5 állomás közül 3 alkalmas az adatoknak a műholdra történő kisugárzására. Ezek az adatok lehetnek új pályaadatok, órakorrekciók, egyéb üzenet-paraméterek, és parancsok. c. Az egyik állomás (Colorado Springs) a Master Control Station, MCS. A monitor állomásokról a követési adatokat ide juttatják további feldolgozásra. Itt végzik a pálya előrejelzését és az órakorrekciók számítását. Ha egy műhold pályája egy adott értéknél jobban eltér a számítottól, akkor pályakorrekciót számítanak és alkalmaznak.[12.]

39.ábra: Földi GPS állomások

43

A mérés eredménye: A GPS vevők a horizontális illetve magassági koordinátákat a WGS 84 geoidhoz képest szolgáltatják. Mint minden mérésnél, így a GPS méréseknél is számolnunk kell bizonyos mérési hibákkal. Itt is megkülönböztetik a véletlen hibákat vagy zajt, szabályos vagy szisztematikus hibákat és durva hibákat. A GPS hibái e három különböző hibaforrás kombinációjából jönnek létre. 1. A zaj a valódi helyzet körüli szóródást idéz elő, végtelen sok mérés esetén a mérések átlaga a valódi helyzetet szolgáltatná. A véletlen hibák (zaj) főként a pszeudo véletlen kód kb. 1 méteres zajából és a vevő szintén kb. 1 méteres belső zajából tevődnek össze. 2. A szabályos hiba minden mérést egy irányba torzít, a mérési szám növelésével az átlagban a torzítás értéke nem csökken. A szabályos hibákat a szelektív hozzáférés (SA) és más tényezők okozzák: - A műhold órák azon hiba része melyet a földi irányító központ nem korrigál. Ez az érték elérheti, az 1 m-t. A műhold sugárzott koordináta hibái szintén 1 m körüli értékek. Az atmoszféra alsó 8-13 km-es tartományában, a troposzférában a jel terjedési sebessége függ az időjárási tényezőktől (hőmérséklet, légnyomás, páranyomás) ám ezeket nem mérik és nem veszik figyelembe a számítás során, így 1 m-es szabályos hibát okozhatnak. - Az ionoszféra, az atmoszféra 50 km-től 500 km-ig terjedő tartományának hatását a jel terjedési sebességére különböző modellekkel próbálják figyelembe venni, Mivel azonban ezek a modellek sem tökéletesek bizonyos esetekben 10 m körüli szabályos hibával terhelhetik a mérést. A GPS jel nem csak közvetlenül a műholdról, de különböző tereptárgyakról visszaverődve is bejuthat a vevőantennába (Multipath,). Mivel a visszavert jel hosszabb utat tesz meg minta közvetlenül terjedő ez szabályos hibát eredményez, nagyságát 0.5 m-re becsülhetjük.[4.] 3. A durva hiba a mérési pontosságot jelentősen meghaladja, szerencsére nem lép föl rendszeresen és a mérési szám növelésével az eredményekből kiszűrhető. (A durva hibák több száz kilométeres eltéréseket is eredményezhetnek.)

GDOP és láthatóság[12.] Eddig mérési hibákról beszéltünk, a mért távolságokból azonban koordinátákat akarunk meghatározni. Ha a metsző gömbök sugara hibás, úgy a koordináta meghatározás pontosságát befolyásolja a pontról a műholdakra irányuló vektorok kölcsönös helyzete. E geometriai hatás figyelembe vételére a GPSszel foglalkozó szakterület a GDOP nevű mennyiséget használja. A GDOP betűszó a Geometric Dilution of Precision (geometriai pontosság hígulás) angol kifejezés rövidítése. GDOP összetevők PDOP = Position Dilution of Precision (3-D), másként Spherical DOP. A pozíció pontosságának hígulása. Ezt az értéket vesszük majd figyelembe a mérés elfogadhatóságánál. Ez az érték 5 alatt jónak, 5 és 7 között elfogadhatónak tekinthető. 7 felett nem vesszük figyelembe a mérés eredményét. HDOP = Horizontal Dilution of Precision (Latitude, Longitude). A horizontális pontosság hígulásának oka, hogy a műholdak horizontálisan állnak túl közel egymáshoz. Ilyenkor a hosszúsági és szélességi érték megbízhatósága romlik. VDOP = Vertical Dilution of Precision (Height). A vertikális pontosság hígulása, azaz ha a műholdak vertikálisan állnak túl közel egymáshoz. Ilyenkor a magassági érték megbízhatósága romlik.

44

TDOP = Time Dilution of Precision (Time). Az idő pontosságának felhígulása.

40. ábra: a, rossz GDOP érték b, Jó GDOP érték, rossz láthatóság c, jó GDOP érték

4. A térinformatika alkalmazásai 4.1. Geodéziai alkalmazások A földmérési, kataszteri alkalmazások elsődleges célja, hogy az analóg térképeket digitális térképek helyettesítsék. Ezek az alkalmazások számos más, nem geodéziai jellegű alkalmazás alapjául szolgálhatnak.[1.]

4.1.1. földmérés A térinformatika segítségével az ingatlankataszterek digitális formába vihetők át. Ennek óriási jelentősége van, hiszen nemcsak a digitális adatbázis, hanem annak grafikus megjelenítése is előállítható. E kataszterek többféle célt is szolgálnak: jogi, pénzügyi, adóügyi, tulajdonosi, környezetés természetvédelmi, műemlékvédelmi, beépítési stb. alkalmazások alapjai.[1.]

4.2. Közműrendszerek, hálózatok A vonalas objektumok, rendszerek nyilvántartására a vektoros adatbázisok a legalkalmasabbak. A különböző alkalmazások közül, talán a leggyakoribb és legelterjedtebb a közműrendszerek nyilvántartásához és a közlekedéshez kapcsolódó alkalmazások.

4.2.1. Közműrendszerek A térinformatikai alkalmazás a hálózatot üzemeltető szerv részére a térbeli adatok nyilvántartását és dokumentálását szolgálja. A hálózatot üzemeltető szervek lehetnek önkormányzatok, vízművek, vízgazdálkodási társulatok, elektromos művek, gázszolgáltató társaságok. A hálózati információs rendszerek legfontosabb része a hálózat topológiája, hiszen az üzemeltető szempontjából a legfontosabb maga a hálózat, annak állapota, túlterheltsége, meghibásodása stb. Mindezt térinformatika nélkül szinte lehetetlen volna kezelni.[1.]

4.2.2. közlekedés A térinformatika egyik legismertebb alkalmazási területe a közlekedés. Példaként említhetjük a különböző közlekedési eszközök (hajók, repülőgépek, autók) navigációs rendszereit, de ide tartoznak a rendőrség, tűzoltóság bevetési tervei ugyan úgy, mint a közlekedés digitális térképeinek számítógépes támogatása, a szállítási útvonalak tervezése, összehasonlító vizsgálata stb. De ide sorolható egy adott közigazgatási egységben például egy városban található szálláshelyek információs rendszere is. A

45

szállítási feladatokhoz kapcsolódik valamilyen termék piacon való elosztása logisztikájának kidolgozása (CAPS — Computer Aided Plarining aud Scheduling). A navigációs rendszerek kifejlesztése lehetővé tette a személy- és áruszállítási feladatok optimalizálását. Egyre több gépkocsi rendelkezik több elektronikus eszközzel: fedélzeti számítógép, mobiltelefon, így az autós percre kész közlekedési információt kaphat és megtudhatja, hogyan juthat el az adott helyről a célhoz a leggyorsabban.[1.] Ugyancsak jellemző alkalmazás, hogy a gépjárművekbe GPS vevőt szerelve, az adatokat valamilyen kommunikációs eszközzel (például GSM telefon), vagy off-line módon számítógépes rendszerre letöltve a jármű mozgása nyomon követhető. Ez szolgálhat vagyonvédelmi, biztonsági feladatokat, vagy költségtakarékosságot (nem tervezett kitérők, indokolatlan megállások figyelésével).

4.3. Területi információs rendszerek A területi információs rendszerek elsősorban a tervezést szolgálják, kizárva a szubjektív elemeket.

4.3.1. Tájtervezés A tájtervezés körébe sorolunk minden olyan nemzetközi, regionális, vagy akár helyi szintű tervezési feladatot, melynek megvalósítása a táj életébe, jelenlegi állapota való beavatkozással jár együtt. A széles körű alkalmazások közül csak kiemelni lehet például a tájsebek feltárását, és helyreállítását célzó alkalmazásokat, de a tájtervezés minden a tájjal kapcsolatos részletre kiterjedhet.

4.3.2. Földhasznosítás tervezés A földhasznosítás tervezése, változásainak nyomon követése, monitoringozása legeredményesebben térinformatikai módszerekkel végezhető el. A természeti, jogi, gazdasági, társadalmi és politikai tényezőket egyszerre tudjuk figyelembe venni és a legoptimálisabb megoldást megtalálni.

4.3.3. Regionális tervezés A regionális tervezés nagyobb területi egységre irányuló tervezéseket jelent. Térinformatikai alkalmazások segítségével összehangolhatják fejlesztéseiket, a gyengébb gazdasági potenciállal rendelkező településeket összefogó kistérségek, kialakíthatnak összetett, többrétegű projekteket, ezáltal optimálisabb és hatékonyabb forrás felhasználást érhetnek el.

4.3.4. Város tervezés A várostervezési alkalmazások a regionális tervezéshez hasonlóan működnek, az adatok is rendkívül sokfélék és összetettek. Integrálhatók az információs rendszerekbe rendezési tervek, közmű nyilvántartások, lakossági ügyek nyilvántartása, adózási, közigazgatási, egészségügyi és ellátási információk stb.

4.4. Környezetvédelem, mező- és erdőgazdaság A térinformatika legtipikusabb és legáltalánosabb felhasználásai közé tartoznak a környezettel kapcsolatos alkalmazások. Sokféle, egymástól nagyon különböző, témánként is sokszámú adat összevetésére nyílik lehetőség egy ilyen alkalmazás használatakor.

46

4.4.1. Környezetinformációs rendszerek Környezetinformációs rendszereket általában a környezet állapotára vonatkozó adatok gyűjtésére, rendszerezésére és elemzésére hoznak létre, lehetővé téve idősoros adatok kialakítását és így a hatások előrejelzését, a változások követését.

4.4.2. Monitoring rendszerek A monitoring rendszerek különböző időpontokban készült állapotfelvételek összehasonlítására szolgálnak.[1.]

4.4.3. Erdőgazdálkodási alkalmazások A természeti erőforrás alapú felhasználások között nem szabad megfeledkeznünk az erdészeti alkalmazásokról sem. Ezek lehetővé teszik egy-egy erdő részletben nem csak a teljes növénykataszter nyilvántartását és az elvégzendő munkák tervezését, hanem segítségükkel követhetők a vadak vonulási útvonalai, felmérhetők élőhelyeik is. Az okozott vadkár nagyságának mérése és térképi megjelenítése alapján következtetéseket lehet levonni a vadak egyedszámára vonatkozóan.

4.4.4. Precíziós gazdálkodás Részben speciális felhasználási terület a precíziós növénytermesztési és állattartási technológiák alkalmazása. A precíziós gazdálkodás lehetővé teszi, hogy a talaj előkészítési munkálatoktól kezdve, egészen a betakarításig, a szállítástól a tárolásig, illetve a takarmánykeverésig követni és tervezni lehessen a termények útját. Ezzel a területtel részletesebben foglalkozik Takátsy Tibor: Precíziós mezőgazdaság c. jegyzete.

4.5. Tudományos alkalmazások Természetesen az előbbiekben felsorolt alkalmazások is tekinthetők tudományos alkalmazásoknak, hiszen segítségükkel nem csak megfigyeléseket, hanem előrejelzéseket, elemzéseket, döntés előkészítést is végezhetünk.

4.5.1. Talajerózió vizsgálatok Magyarországon, nagy sok területen okoz problémát a talaj erodálódása. Az ilyen jellegű kutatások összefüggéseket keresnek a lejtés, a kitettség és a tengerszint feletti magasságok, valamint a talajtípusok között. Ezekhez a vizsgálatokhoz digitális domborzati modelleket is felhasználnak.

4.5.2. Környezetérzékenységi vizsgálatok Az Európai Unió tudományos programjaiban előkelő helyet foglal el a környezeti szempontból érzékeny területek meghatározása. A környezeti szempontból érzékeny térségek kijelöléséhez fontos a tájalkotó elemek érzékenységének vizsgálata. Ezek alapján kijelölhetőek érzékeny, sérülékeny valamint veszélyeztetett területek.

4.6. Közigazgatási alkalmazások A térinformatikai rendszerek közigazgatásbeli bevezetése lehetővé teszi a hatékony és gyors adatkezelést. A térinformatikai rendszerekkel a közigazgatás az önkormányzati feladatoknak is meg tud felelni, mivel a GIS-rendszerekkel a térbeli adatokat optimálisan lehet tárolni és feldolgozni. A rendszerbe integrálhatóak különböző adatok rövid illetve hosszú távú fejlesztési tervek, mint például: népesség nyilvántartás, rendezési tervek, hulladékgazdálkodási tervek stb.

47

4.7. Üzleti célú GIS alkalmazások Az információs rendszerek speciális változatát jelentik a digitális térképekre épülő térképi alapú vagy térinformatikai rendszerek. Az üzleti célú térinformatikai alkalmazások használatával, a vállalat tevékenységét jellemző adatok földrajzi helyhez kapcsolásával lehetőség nyílik: − a szöveges adatok térképi megjelenítésére, − az adatok, adatcsoportok térképi, grafikus eszközökkel történő ábrázolására, − az adatok közötti, csak a térkép használatával kimutatható összefüggések, trendek feltárására (pl. hol helyezkednek el azok a települések, ahol egy bizonyos termék értékesítési eredményei rosszabbak az átlagnál), − A digitális térkép által tartalmazott információk felhasználására a lekérdező, elemző funkciók használatakor (pl. adott helytől X km távolságon belül lévő, meghatározott forgalmat elérő értékesítési végpontok leválogatása).

48

5. Ábrajegyzék 1. ábra: 1:200000 topográfiai térkép (forrás: FÖMI) ............................................................................................8 2. ábra: A geoid és az ellipszoid viszonya .............................................................................................................12 3. ábra: A WGS-84 ellipszoid és a Földfelszín eltérései........................................................................................13 4. ábra: Vetületek a felület alakja szerint..............................................................................................................14 5. ábra: Vetületek a forgástengelyek egymáshoz való viszonya szerint.................................................................15 6. ábra: Vetületek, a felületek kontaktusa alapján.................................................................................................15 7. ábra: Gauss-Krüger vetítés ...............................................................................................................................16 8. ábra: Gauss-Krüger vetület szelvényezése ........................................................................................................17 9. ábra: Az UTM szelvényezése .............................................................................................................................17 10. ábra: Az EOV szelvényezése ............................................................................................................................18 11. ábra: Az EOV szelvények aláosztása ...............................................................................................................18 12. ábra: A sztereografikus vetületi rendszer ........................................................................................................19 13. ábra: A sztereografikus vetületi rendszer szelvényezése és aláosztása............................................................19 14. ábra: Rétegek egy térinformatikai rendszerben...............................................................................................21 15. ábra: Négyzet, háromszög és hatszög alapú tesszellációk...............................................................................22 16. ábra: Raszteres adatmodell .............................................................................................................................22 17. ábra: Vektoros adatmodell ..............................................................................................................................23 18. ábra: Fedvénybe hozott raszteres és vektorok téradatok.................................................................................24 19.ábra: GIS projekt sémája..................................................................................................................................24 20. ábra: Geokódolt részlet ...................................................................................................................................25 21. ábra: Derékszögű koordinátamérés sémája ....................................................................................................27 22. ábra: Tahimetria koncepciója .........................................................................................................................28 23. ábra: Felvétel digitalizálás..............................................................................................................................28 24. ábra: Visszavert sugárzás és az általa mérhető jellemzők...............................................................................31 25. ábra: Aktív és passzív távérzékelés..................................................................................................................31 26. ábra: Távérzékelésben használt eszközök és a megfigyelési távolság .............................................................32 27. ábra: A távérzékelés alkalmazása....................................................................................................................33 28. ábra: A különböző műholdérzékelők spektrumai és alkalmazási területeik.....................................................34 29. ábra: SPOT műholdak pályái ..........................................................................................................................35 30. ábra: SPOT felvételek különböző feldolgozottsági szinteken...........................................................................36 31. ábra: Egy Landsat-7 kép .................................................................................................................................37 32. ábra: Egy 0,5-5m felbontású űrfotó.................................................................................................................37 33. ábra: Radarral készült felvétel ........................................................................................................................39 34. ábra: Navigáció GPS készülékkel....................................................................................................................40 35. ábra: A GPS műholdak helyzete 1998.09.27. 00,00 órakor.............................................................................41 36. ábra: a GPS műholdak 6 pályája ....................................................................................................................41 37. ábra: a GPS működésének elméleti alapja ......................................................................................................42 38. ábra: A Pszeudo Random Kód.........................................................................................................................42 39.ábra: Földi GPS állomások ..............................................................................................................................43 40. ábra: a, rossz GDOP érték b, Jó GDOP érték, rossz láthatóság c, jó GDOP érték........................................45

49

6. Irodalomjegyzék [1.] Kertész Ádám. A térinformatika és alkalmazásai (Holnap, Budapest, 1997.) [2.] Dr. Márkus Béla: Térinformatikai értelmező szótár, 1998. [3.] Dr. Sárközy Ferenc: Térinformatikai elméleti oktatóanyag (http://bme-geod.agt.bme.hu/tutor_h/terinfor/tbev.htm) [4.] Skutai Julianna: Térinformatika elméleti jegyzet (SZIE, Gödöllő, 2002.) [5.] Detrekői Ákos- Szabó György: Bevezetés a térinformatikába (Nemzeti tankönyvkiadó, Budapest, 1995) [6.] Bíró P.: Felsőgeodézia (Tankönyvkiadó, Budapest, 1985 (kézirat)) [7.] www.fomi.hu [8.] Bill, Fritsch: Grundlage der Geo-Informations-Systeme (Wichmann, Karlsruhe, 1991.) [9.] Kennedy, Kopp: Understanding Map Projections (ESRI GIS) [10.] What is ArcGIS? (ESRI GIS) [11.] Bernhardsen: Geographic Information System (VIAK IT, Arendal, 1991.) [12.] Varga: GPS tanfolyam jegyzet (Fömi, Budapest, 1993.) [13.] Tamás J: Precíziós mezőgazdaság (Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest, 2001.)

50