TÉRINFORMATIKA II. Dr. Kulcsár Balázs Ph.D. adjunktus. Debreceni Egyetem Műszaki Kar Műszaki Alaptárgyi Tanszék

Átírás

1 TÉRINFORMATIKA II. Dr. Kulcsár Balázs Ph.D. adjunktus Debreceni Egyetem Műszaki Kar Műszaki Alaptárgyi Tanszék

2 ELSŐDLEGES ADATNYERÉSI ELJÁRÁSOK 1. Geodézia Fotogrammetria Mesterséges holdak

3 GEOMETRIAI ADATOK NYERÉSE, MEGHATÁROZÁSA ADATNYERÉSI ELJÁRÁSOK ÉS ADATFORRÁSOK 1 Az adatnyerés módja elsősorban a térinformációs rendszer alkalmazási területétől, felépítési elvétől (vektor, raszter, hibrid), a rendelkezésre álló adatforrásoktól és az adatsűrűségtől (aggregációs szint) függ. Az adatsűrűség valamely területegység (pl. négyzetkilométer) leírásához átlagosan szükséges adatmennyiséget jellemzi. Hagyományos (analóg) térképekben gondolkodva az aggregációs szint a térkép méretarányával kapcsolatos fogalom. Azaz területegységre vonatkoztatva egy 1:1000 méretarányú térkép lényegesen több adatot tartalmaz egy 1: méretarányú térképnél.

4 ADATNYERÉSI ELJÁRÁSOK ÉS ADATFORRÁSOK 2 Az adatnyerési módokat különböző szempontok szerint csoportosítjuk. A csoportosítás alapjául szolgálhat az adatok jellege. Ennek megfelelően megkülönböztetünk elsősorban geometriai vagy elsősorban attribútumadatok gyűjtésére szolgáló eljárásokat. A csoportosítás történhet annak alapján is, hogy az adatok nyerése elsődleges vagy másodlagos jellegű. Az elsődleges adatnyerési eljárások esetén az adatokat közvetlenül a tárgyról vagy annak képéről nyerjük. A másodlagos adatnyerés forrása már rendelkezésre álló adat. Pl. geometriai adatok nyerésekor elsődleges eljárásnak tekinthetők a geodéziai és fotogrammetriai helymeghatározások, másodlagos eljárásnak pedig a meglévő térképek digitalizálása vagy az interneten elérhető digitális térképek felhasználása.

5 ADATNYERÉSI ELJÁRÁSOK ÉS ADATFORRÁSOK 3 Az adatnyerési eljárások megválasztásakor alapvető szerepet játszik az adatok költsége és az adatok minősége. Az elsődleges adatnyerés lényegesen drágább és időigényesebb a másodlagos adatnyerésnél. Az elsődleges adatnyerésnél teljes mértékben figyelembe vehetők a készülő rendszer sajátosságai. Az adatok minősége a geometriai és attribútumadatok eredetétől, pontosságától, megbízhatóságától, teljességétől, konzisztenciájától, aktualitásától egyaránt függ. Az adatok minőségét mind a rendszerek tervezésekor, mind megvalósításakor vizsgálni és tanúsítani szükséges. Az adatok minősége a térinformációs rendszerek használhatóságának egyik kulcskérdése.

6 ELSŐSORBAN GEOMETRIAI ADATOK NYERÉSÉT SZOLGÁLÓ ELJÁRÁSOK 4 A következő eljárások célja elsősorban az adatnyerés. A geometriai adatnyerési eljárások közül elsődleges jellegűek: - FÖLDI GEODÉZIAI ELJÁRÁSOK, - MESTERSÉGES HOLDAKON ALAPULÓ HELYMEGHATÁROZÁS (PL. GPS), - INERCIÁLIS RENDSZEREK, - FOTOGRAMMETRIAI MÓDSZEREK, - TÁVÉRZÉKELÉS, - RÁDIÓTELEFONOK FELHASZNÁLÁSÁN ALAPULÓ RENDSZEREK, - MOBIL TÉRKÉPEZŐRENDSZEREK.

7 ELSŐSORBAN GEOMETRIAI ADATOK NYERÉSÉT SZOLGÁLÓ ELJÁRÁSOK 5 Másodlagos adatnyerést az alábbi eljárások biztosítanak: - MEGLÉVŐ ANALÓG TÉRKÉPEK MANUÁLIS DIGITALIZÁLÁSA, - MEGLÉVŐ ANALÓG TÉRKÉPEK SZKENNELÉSE, - DIGITÁLIS ADATÁLLOMÁNYOK (OFF-LINE) ÁTVÉTELE, - DIGITÁLIS ADATÁLLOMÁNYOK ÁTVÉTELE HÁLÓZATRÓL (PL. INTERNET).

8 ELSŐSORBAN GEOMETRIAI ADATOK NYERÉSÉT SZOLGÁLÓ ELJÁRÁSOK 6 A térinformációs rendszerek létrehozásakor a geometriai adatnyerési módszer vagy módszerek választása függ a rendszer területi kiterjedéséről, a térinformációs rendszer vektoros, illetve raszteres jellegétől, a rendelkezésre álló adatforrásoktól, a minőségi követelményektől. Méretarány szám Globális Földrajzi Környezet Regionális Topográfia Környezet 1000 Lokális Önkormányzat Közmű Kataszter Elsődleges adatszerzési mód Geodézia Fotogrammetria Távérzékelés A térinformációs rendszerek területi kiterjedésének és az adatnyerési módszerek kapcsolata

9 ELSŐSORBAN GEOMETRIAI ADATOK NYERÉSÉT SZOLGÁLÓ ELJÁRÁSOK ÉS ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEIK 7 A lokális rendszerek létrehozásakor az elsődleges adatnyerési eljárások közül a földi geodéziai mérések, a mesterséges holdakon alapuló helymeghatározás, a fotogrammetriai eljárások jól alkalmazhatók. A másodlagos adatnyerési eljárások közül a nagy adatsűrűség miatt azok jöhetnek szóba, amelyek 1: vagy annál nagyobb méretarányú analóg térképeken alapulnak. A regionális rendszerek létrehozásakor az elsődleges adatnyerési eljárások közül a legelterjedtebb a fotogrammetria és a távérzékelés. A másodlagos adatnyerési eljárások közül az 1: : közötti térképek digitalizálásán alapulók jöhetnek szóba. A globális rendszerek létrehozásának elsődleges adatnyerési eljárása a távérzékelés. A másodlagos adatnyerési eljárások közül az 1: értéknél kisebb méretarányú térképek digitalizálása szolgálhat a rendszerek alapjául.

10 ELSŐSORBAN GEOMETRIAI ADATOK NYERÉSÉT SZOLGÁLÓ ELJÁRÁSOK ÉS ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEIK 8 Az elsődleges adatnyerési eljárások közül a geodézia, a mesterséges holdakon alapuló helymeghatározás, az inerciális rendszerek, a mobiltelefonok vektor jellegű adatok előállítására szolgálnak. A fotogrammetria mind vektor-, mind raszteradatok előállítására alkalmas. A távérzékelés elsősorban raszteradatok előállításának az eszköze. * A másodlagos eljárások esetén vonalas térképekből vektor jellegű, képtérképekből (pl. ortofotó-térképekből) raszter jellegű adatok nyerhetők. A digitális adatállományok mind vektor-, mind raszteradatokat tartalmazhatnak. * Az adatnyerési eljárások pontosságával kapcsolatban irányadó, hogy a geodéziai eljárásokat a cm-dm, a mesterséges holdakon alapuló eljárásokat a cm-m, a fotogrammetriai eljárásokat a dm-m, míg a távérzékelési eljárásokat a m-km nagyságrendű pontosság jellemzi.

11 A földi geodéziai eljárások 9 Az elsődleges adatnyerési eljárások során mi magunk vagyunk a készítők, mivel az adatokat közvetlenül a tárgyról vagy annak képéről nyerjük. Koordináták geodéziai mérőállomással és GPS-el történő meghatározásakor, vagy terepi mintavételezés során (pl. talaj-, vízminta helye) követlen kapcsolatba kerülünk a vizsgálat tárgyával. A legpontosabb, legaktuálisabb alapadatokat így gyűjthetjük, ami pl. az 1:500-as léptékű közmű térképek számára elengedhetetlen ám a felmérés időben nagyon elhúzódhat és a költségek, főleg nagy területekre vonatkozóan megnőnek.

12 A földi geodéziai eljárások 10 Elsődleges adatfelvételezés GPS-szel, valamint digitális mérőállomással

13 A földi geodéziai eljárások 11 A digitális geodéziai technológia használatával (robot mérőállomás, GNSS hálózat) jelentősen lerövidülhet egy méréssorozat, és a hagyományos geodéziai eszközparkkal (teodolit) szemben sokkal hatékonyabbá válhat a munka. Nagyobb területre és/vagy több időpontra vonatkozó igény esetén legköltséghatékonyabb a közvetett elsődleges módszer, vagyis a fotogrammetria és távérzékelés használata. Klasszikus értelemben a légifotókat a geometriai pontossággal, míg a műholdképeket a tartalmi sokrétűséggel emelhetjük ki, ám ez az elhatárolás az ezredforduló óta felgyorsuló technológiai fejlődéssel egyre inkább elhalványul.

14 A földi geodéziai eljárások 12 A földi geodéziai eljárások a geometriai adatnyerésnek a legrégebbi és ma is elterjedt módszerei. A geodéziai eljárással a pontok koordinátáit határozzák meg. Ezt az eljárást a nagy felbontású vektor alapú rendszerek létrehozásakor alkalmazzák. A geodéziai eljárást a nagy pontosság jellemzi. A geodéziai rendszerek alkalmazásának előfeltétele az alappontok létezése. Ezek a pontok legtöbbször az országos vízszintes alapponthálózatok pontjai. Amennyiben ezek a mérési területen nincsenek, létre kell hozni azokat. Az egyes objektumok geometriai adatait a térinformációs rendszereket két geodéziai mérési eljárással határozhatjuk meg: - derékszögű koordinátamérés, - poláris koordinátamérés (tahimetria).

15 A földi geodéziai eljárások 13 Az objektumok pontjainak az alappontokhoz viszonyított helyzetét két alappont által meghatározott helyi rendszerben, derékszögű koordináták mérésével határozzák meg. Derékszögű koordinátamérés

16 A földi geodéziai eljárások 14 A mért adatokból az objektumok pontjainak referenciarendszerbeli koordinátái a síkbeli koordináta-rendszerek közötti hasonlósági transzformációval számolhatók. Az eljáráshoz szükséges mérőeszköz az ún. derékszögű szögprizma és a mérőszalag. Az eljárás előnye, hogy a szükséges felszerelés olcsó. Hátránya viszont, hogy munkaigényes, lassú, továbbá a terepen nyert adatokat később digitalizálni szükséges. A derékszögű koordinátamérés célszerű alkalmazási területének elsősorban az adatok aktualizálása, illetve kisebb feladatok megoldása tekinthető.

17 A földi geodéziai eljárások 15 Az eljárásnál két alappontot felhasználva az objektumok egyes pontjainak a helyzetét távolság- és szögmérés alapján poláris koordinátákkal határozzák meg. Poláris koordinátamérés (tahimetria)

18 A földi geodéziai eljárások 16 Az objektumok pontjainak referenciarendszerbeli koordinátái elemi trigonometriai összefüggésekkel számíthatók ki. A tahimetria ha magassági szögeket is mérünk a pontok magasságának meghatározására is alkalmas. A poláris koordinátamérés eszköze az említett mennyiségek mérésére alkalmas műszer, a tahiméter. Korszerű tahiméterek esetén mind mennyiségek mérése, mind az eredmények rögzítése elektronikusan történik. Ezeket a műszereket elektronikus tahimétereknek vagy mérőállomásoknak nevezzük. A tahimetria előnye a nagy termelékenység és pontosság, a kis munkaerőigény, valamint az adatok digitális rögzítése. Az eljárás hátránya a felhasznált műszer magas ára. A tahimetria a nagy felbontású, nagy adatmennyiséget tartalmazó, vektor alapú lokális térinformációs rendszerek célszerű geometriai adatnyerési módszere. Az attribútumként kezelt magasságok a tahimetria mellett, földi geodéziai eljárással, az ún. szintezéssel határozhatók meg. (A magassági adatok vonatkozási rendszerének alapfelülete a már korábban említett geoid v. tengerszint.)

19 Fotogrammetriai módszerek 17 A fotogrammetriai módszerekkel az egyes tárgyakról nem közvetlenül, hanem a tárgyról készített képet felhasználva végezhető adatgyűjtés. Az egyes tárgyakról készített képek tartalmazzák azok geometriai, radiometriai, szemantikai (tartalmi) tulajdonságait. A tárgyakról a képeket különböző elveken működő felvevőrendszerekkel készíthetik, a felvevőrendszereket pedig különböző hordozóeszközökön helyezhetik el. A fotogrammetria az elektromágneses hullámok optikai tartományában, centrális vetítéssel (klasszikus fényképezőgépnek megfelelő) készített képek elsősorban geometriai jellegű feldolgozása.

20 Fotogrammetriai módszerek 18 A fotogrammetria alkalmas a lokális és regionális térinformációs rendszerek céljára (Debrekői 2001): vektor jellegű adatállomány létrehozására és aktualizálására, raszter jellegű adatállomány létrehozására és aktualizálására, ortofotó-térképek előállítására, digitális magassági modellek létrehozására, egyes pontok koordinátáinak meghatározására.

21 Fotogrammetriai módszerek 19 A fotogrammetria alkalmazásának előnyei: tömeges adatnyerés esetén minden egyéb elsődleges eljárásnál gyorsabb, területegységre vetített költsége alacsony, vektor jellegű adatállományok megfelelő (pl. topológiai) modell szerinti előállítását lehetővé teszi, homogén pontosságú, minden gyakorlati pontossági igényt kielégít. Hátrányai: a képek előállítása évszak- és időjárásfüggő (nem célszerű nyáron lombos fák esetén képeket készíteni, valamint a felhős idő is lehetetlenné teszi a fényképezést), drága hardvert és szoftvert igényel, a mérésekhez jól képzett szakemberek szükségesek, a földi kiegészítő mérések általában elkerülhetetlenek.

22 Fotogrammetriai módszerek 20 A fotogrammetriai adatnyerés két lépésre bontható: 1. Az adatnyeréshez szükséges képek előállítása, 2. A képek feldolgozása. 1. A tárgyakról a feldolgozás során speciális tulajdonságokkal rendelkező fényképet, ún. mérőképet használnak fel. A mérőképet speciális mérőkamerával állítják elő, ami egyéb segédberendezések mellett rendelkezik a hordozóeszköz navigálásához kapcsolódó, a képek készítési helyének meghatározását szolgáló tartozékokkal is. A képeket filmen vagy elektronikus adathordozón rögzítik. A felvevőkamerák elhelyezhetők: a Föld felszínén, repülőgépen, mesterséges égitesten.

23 Fotogrammetriai módszerek 21 Lokális rendszerek adatgyűjtésekor elsősorban légifelvételeket, esetleg sajátos feladatok megoldásához földi felvételeket alkalmaznak. Regionális rendszerek adatgyűjtésekor a légi- és az űrfelvételeket egyaránt használják. Globális kiterjedésű térinformációs rendszerek adatgyűjtése elsősorban űrfelvételek alapján biztosítható.

24 Fotogrammetriai módszerek A képek feldolgozásának módját az előállításra kerülő adatállomány jellege szabja meg. Vektor jellegű adatállományok előállítása a fényképek 3D digitalizálásának tekinthető. Az előállítás alapfeltétele, hogy a vizsgált területről legalább 60%-ban átfedő képekkel rendelkezzünk. Térkiértékelésre alkalmas felvételek

25 Fotogrammetriai módszerek 23 A feldolgozás eszközei a fotogrammetriai térkiértékelő műszerek, a kiértékelési eljárás pedig a térkiértékelés. A térkiértékelő műszerek három különböző elven működő fajtája létezik párhuzamosan: analóg műszerek (optikai-mechanikai elemekből felépített eszközök, amelyek speciális célra fejlesztett analóg számítógépek), analitikus műszerek (vagy analítikus plotterek, az analóg fényképpár feldolgozását számítógépi irányítás mellett végzik), digitális fotogrammetriai munkaállomások (digitális képeket dolgoznak fel).

26 Fotogrammetriai módszerek 24 A raszterállományok előállítása egyetlen kép feldolgozásával lehetséges. Az előállítás előfeltétele az adott terület digitális magassági modelljének ismerete. A feldolgozás célja a képet terhelő a terep magasságkülönbségeiből, a felvétel tengelyének ferde voltából stb. adódó torzulások kiküszöbölése, s ezzel a kép egységes méretarányban történő illesztése valamely vízszintes vonatkozási rendszerbe. A raszterállományok előállítása szinte kizárólag digitális képek alapján történik.

27 Fotogrammetriai módszerek 25 Digitális fotogrammetriai munkaállomás

28 Fotogrammetriai módszerek 26 Az ortofotó-térképek a térképek további jellemzőivel (pl. keret, feliratok) ellátott raszterállományok. Az ortofotó-térképek egyesítik a fényképek színes tartalmát a térképek szigorú geometriai követelményeivel. A térinformációs rendszerekben gyakran önálló rétegként is felhasználják (szemléletesek). A digitális magassági modellek előállítása a vektorállományok előállításának sajátos változata. A térkiértékelés mindhárom módja felhasználható erre a célra. A leggyakoribb mérési eljárások: a szintvonalak mérése, és a szintvonalak egyes pontjainak rögzítése, egyenletes rácsháló egyes pontjainak mérése és rögzítése, rácshálópontok és jellegzetes geomorfológiai pontok (pl. völgyvonal, hegycsúcs) mérése és rögzítése. A fotogrammetria alkalmas egyes pontok koordinátáinak nagy pontosságú és nagy megbízhatóságú meghatározására.

29 Fotogrammetriai módszerek 27 Ortofotó

30 Mesterséges holdakon alapuló helymeghatározások 28 Abszolút helymeghatározás 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 adatgyűjtésre is. Az ebbe a csoportba tartozó rendszerek közül a legismertebb az amerikai NAVSTAR Global Positioning System, az orosz GLONASS, valamint a csak speciális célokra alkalmazott szintén amerikai TRANET Dopper-rendszer. A mesterséges holdakon alapuló helymeghatározás elve a GPS-rendszeren keresztül: Ebben a rendszerben a helymeghatározás feladata egy klasszikus geometriai probléma megoldására vezethető vissza. Ha a térben adott három ismert koordinátájú pont (pl. A, B, C) akkor az ezektől a pontoktól adott (pl. a, b, c) távolságra elhelyezkedő pontok helyzete az A középpontú a sugarú, a B középpontú b sugarú és a C középpontú c sugarú gömbök metszéspontjaként meghatározható.

31 Mesterséges holdakon alapuló helymeghatározások 29 Abszolút helymeghatározás A GPS rendszerben a térben adott pontokat 29 db mesterséges hold valósítja meg (Yasuda 2002). Ezek a holdak a Föld körül mintegy km-es távolságban keringenek. Global Positioning System (GPS) felépítése

32 Mesterséges holdakon alapuló helymeghatározások 30 Pillanatnyi helyzetüket földi alappontokra alapuló mérések alapján folyamatosan sugározzák. Az ismeretlen helyzetű földi pont meghatározásához szükséges távolságokat az ismeretlen ponton elhelyezett műszer segítségével mérik. A távolságok mérését igen nagy pontosságú (nanoszekundum) időmérésre vezetik vissza. Az ilyen nagy pontosságú időméréshez a sugárzott hullámok fáziskülönbségeit használják fel. LORAN-C adótorony, valamint Galileo navigációs műhold

33 Mesterséges holdakon alapuló helymeghatározások 31 Relatív helymeghatározás A GPS segítségével történő helymeghatározáskor a pontok helyzetét geocentrikus térbeli derékszögű koordináta rendszerben kapjuk meg. Amennyiben egyidejűleg két ponton végzünk mérést, a pontok relatív helyzete igen gyorsan és nagy pontossággal meghatározható. Relatív helymeghatározáskor az ismeretlen helyzetű pont mellett egyidejűleg egy ismert helyzetű pontot is felhasználnak. Az ismert ponton végzett mérések alapján a mérést terhelő hibák kiszámíthatók s azok értékével az ismeretlen pont koordinátái javíthatók. Ezt az eljárást DGPS (differenciális GPS) eljárásnak nevezzük. Ha a felhasznált ismert pontokon állandóan méréseket végeznek, s a korrekciókat folyamatosan sugározzák, akkor aktív GPS hálózatról beszélünk. Ilyen hálózat kialakítása jelenleg Magyarországon is folyik. Az aktív hálózatokon alapuló eljárást WAGPS (Wide Area GPS) eljárásnak is nevezik.

34 Mesterséges holdakon alapuló helymeghatározások 32 Pontok abszolút és relatív helymeghatározása

35 Mesterséges holdakon alapuló helymeghatározások Az aktív GPS hálózat pontjai Magyarországon

36 Mesterséges holdakon alapuló helymeghatározások 33 A GPS rendszer két eltérő pontosságot biztosító kóddal rendelkezik. A nagyobb pontosságú P-kód (Precise/Protected) a Föld egészét mintegy 6-8 m pontosságú abszolút helymeghatározást biztosít. A kisebb pontosságú C/A (Coarse, vagy Clear Acquisition, durva vagy nyílt adatnyerés) kóddal ennek az értéknek a kétszerese érhető el (Husti 2000). A relatív helymeghatározás pontossága mozgó jármű esetén 2 méter körüli érték. Ha a mérést mozdulatlan ponton végezzük, akkor cm nagyságrendű pontosság is elérhető. A GPS segítségével történő helymeghatározásnak különböző technológiai megvalósításai, különböző mérési módszerei alakultak ki. Ilyen eljárások pl. a statikus, félstatikus, félkinematikus, vagy a folyamatos kinematikus (Husti 2000). Valamennyi módszer előfeltétele, hogy a meghatározandó pont és a felhasználni kívánt mesterséges holdak között optikai összelátás legyen.

37 Mesterséges holdakon alapuló helymeghatározások 34 A GPS eljárás térinformatikával kapcsolatos legfontosabb alkalmazási területei a következők (Bernhardsen 1999): - a referenciarendszer fizikai megvalósítását biztosító geodéziai alappontok meghatározása, - egyes, más eljárással nehezen hozzáférhető pontok helymeghatározása, - útadatok gyűjtése mozgó gépjárművel (mobil mérőrendszerek létrehozása), - járművek navigálása, esetenként képernyőn megjelenített térképekkel összekapcsolva, - fotogrammetriai célú fényképezéskor a repülőgép helyzetének meghatározása, - magasságkülönbségek mérése.

38 Mesterséges holdakon alapuló helymeghatározások 35 Tehát: A mesterséges holdakon alapuló helymeghatározás a vektoradatok gyűjtésének fontos, növekvő jelentőségű módszere. Jól használható lokális rendszerekben speciális pontmeghatározásra (pl. távvezeték oszlopok helyének meghatározása). Az eljárás alkalmas kisebb pontosságú tömeges pontmeghatározásra is. 5/0021_Kornyezetinformatika/ch02.html

39 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!