KORSZERŐ GEOINFORMATIKAI MÓDSZEREK AZ ERDÉSZETBEN Egy geoinformációs rendszer fejlesztésének tudományos eredményei. DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS

Átírás

1 KORSZERŐ GEOINFORMATIKAI MÓDSZEREK AZ ERDÉSZETBEN Eg geoiformáiós redszer fejlesztéséek tudomáos eredméei DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS Czimber Korél Nugat-Magarországi Egetem Erdıméröki Kar, Sopro Erdészeti tudomáok doktori program, E/3. alprogram Témavezetı: Dr. Básatai László Sopro 2002

2 Korszerő geoiformatikai módszerek az erdészetbe Eg geoiformáiós redszer fejlesztéséek tudomáos eredméei Értekezés doktori (PhD) fokozat elerése érdekébe Készült a Nugat-Magarországi Egetem Erdészeti Tudomáok doktori program E/3. alprogramja keretébe Témavezetı: Dr. Básatai László Elfogadásra javaslom (ige / em)... aláírás A jelölt a doktori szigorlato... % -ot ért el, Sopro... a Szigorlati Bizottság elöke Az értekezést bírálókét elfogadásra javaslom (ige / em) Elsı bíráló: Dr.... (ige / em)... aláírás Második bíráló: Dr.... (ige / em)... aláírás A jelölt az értekezés ilváos vitájá...% - ot ért el Sopro... a Bírálóbizottság elöke A doktori (PhD) oklevél miısítése Az EDT elöke

3 KIVONAT Korszerő geoiformatikai módszerek az erdészetbe Eg geoiformáiós redszer fejlesztéséek tudomáos eredméei A dolgozat eg földrajzi iformáiós redszer fejlesztéséek tudomáos eredméeit, korszerő eljárásait és tehológiáit ismerteti. Az eredméek a raszteres és a vektoros adatok köré épülek. A raszteres eljárások bemutatak eg algoritmikus képfeldolgozót, eg új raszter formátumot, eg új iterpoláiós módszert, illetve javított láthatósági, hidrológiai és vektorizálási algoritmusokat. A raszteres részbe több fejezet foglalkozik a digitális fotogrammetria témaköreivel, úgmit a sugáraláb kiegelítéssel, az ortofotó készítés új lehetıségeivel, a térbeli kiértékelés szoftveres változatával, valamit az automatikus felületmodell elıállítással. A vektoros eljárások ismertetek eg memória alapú adatbáziskezelıt, eg teljese új térbeli ideelési módszert, és eg hatéko valós idejő topológikus térképezıt. Öálló fejezet foglalkozik az erdészeti digitális térképekkel. Az utolsó rész a háromszög alapú felületmodellezés új módszereit mutatja be. ABSTRACT Moder Geoiformatio Methods i Forestr Sietifi Ahievemets of a Geoiformatio Sstem s Developmet This paper desribes the sietifi ahievemets, moder algorithms ad tehologies of a Geoiformatio Sstem s Developmet. The ahievemets are built aroud the Raster ad Vetor data. The Raster proedures preset a algorithm based Image Proessor, a ew raster format, a ew iterpolatio method, ad improved viewshed, hdrologial ad raster-to-vetor proedures. I the raster part more hapters deal with Digital Photogrammetr, suh as budle blok adjustmet, ew possibilities of Ortophoto geeratio, software versio of spatial data aquisitio, ad automati Digital Elevatio Model etratio. The Vetor proedures desribe a mai-memor based database maager, a brad-ew spatial ideig method, ad a real-time topologial mappig tool. A idepedet hapter ivestigates the Hugaria Digital Forest Maps. The last part of this paper itrodues ew methods of the triagle etwork based surfae modelig.

4 Tartalomjegzék:. BEVEZETİ..... TÉMAVÁLASZTÁS VISSZATEKINTÉS NÉHÁNY GONDOLAT EREJÉIG SEMMI SEM TÖKÉLETES KUTATÁSI MÓDSZEREK KÖSZÖNET GEOINFORMATIKAI ÁTTEKINTİ ALAPFOGALMAK MODELLEZÉS ADATMODELLEK ÉS DIMENZIÓK RASZTERES ADATMODELL VEKTOROS ADATMODELL MEGJELENÍTÉS RASZTERES ELJÁRÁSOK ALGORITMIKUS KÉPFELDOLGOZÁS RASZTER FORMÁTUM RASZTERES ELEMZÉS Piramis iterpoláió Láthatósági vizsgálatok Hidrológiai elemzések Árvíz- és gátmodellezés Terjedési modell KÖZÉPPONTOS VETÍTÉSŐ FELVÉTELEK TÁJÉKOZÁSA Képi koordiáta redszer A tájékozás alapegeletei Az alapegeletek megoldása Sugáraláb kiegelítés Kapsolópotok automatikus meghatározása Tömbkiegelítés DigiTerra körezetbe ORTOFOTÓ KÉSZÍTÉS TÉRBELI KIÉRTÉKELÉS AUTOMATIKUS FELÜLETMODELL ELİÁLLÍTÁS RASZTER-VEKTOR ÁTALAKÍTÁS VEKTOROS ELJÁRÁSOK ADATBÁZIS TERVEZÉS RELÁCIÓS ADATBÁZIS TÉRBELI INDEXELÉS VALÓS IDEJŐ TOPOLÓGIA TERÜLETEK ÉPÍTÉSE ERDÉSZETI DIGITÁLIS TÉRKÉPEK TIN FELÜLETMODELLEZÉS ÖSSZEFOGLALÁS ELİZMÉNYEK, CÉLKITŐZÉSEK KUTATÁSI MÓDSZEREK TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK TÉZISEK EREDMÉNYEK HASZNOSÍTÁSA, TOVÁBBI TEENDİK IRODALOMJEGYZÉK NYOMTATOTT IRODALOM ELEKTRONIKUS IRODALOM KUTATÁSSAL KAPCSOLATOS ELİADÁSOK, POSZTEREK... 9

5 Ábrajegzék: -. Ábra: DigiTerra Map geoiformatikai program Ábra: Raszteres adatmodellek tárolása Ábra: Raszteres adatmodell felépítése Ábra: Raszteres adatmodell tematikus kódjaiak értelmezése Ábra: Eg erdırészlet objektum reláiós kapsolataiak ábrázolása Ábra: Topológia - térbeli kapsolatok eg vektoros példá Ábra: Topológikus építkezés közbe jeletkezı hibák Ábra: Ugaazo terület hat részletéek algoritmikus képfeldolgozása Ábra: A párbeszédpael mögött eg teljes képfeldolgozó modul húzódik meg Ábra: Blokk és piramis tehika Ábra: Láthatóság vizsgálat: bal oldalo eg felülézeti kép, jobb oldalo eg függıleges metszet a ézıpot és eg kerületi piel között Ábra: Domborzatmodell a vízösszefolási térképpel Ábra: Vízgőjtı területek és a vízösszefolási térkép Ábra: Perspektív leképezés Ábra: Két sorból és két oszlopból álló tömb ormálegeleteiek egüttható mátria Ábra: Eg digitális légifelvétel és a felvételbıl érdeklıdési operátorrokkal elıállított két kép Ábra: Tervezı ézet és a kiegelítés meetét mutató ablak Ábra: Digitális ortofotó készítés két felvétel eseté Ábra: Digitális ortofotó elıtérbe a digitális erdészeti térképpel Ábra: Epipoláris geometria Ábra: Térbeli kiértékelés a DigiTerra Map programba Ábra: Automatikus felületmodell elıállítás Ábra: Két tájékozott felvétel átfedı részérıl automatikusa elıállított felületmodell Ábra: Az automatikusa kiert felületmodellre húzott digitális ortofotó Ábra: A raszter-vektor átalakítás típusai Ábra: Logikai adatmodell DigiTerra Map körezetbe Ábra: Biáris fa ideelés Ábra: Raszter- és régiófa ideelés Ábra: Két voalszakasz metszéséek alapesetei Ábra: Eg voallá topológiája Ábra: Voalszerkesztés DigiTerra körezetbe. Az ábrá piros égzetek jelölik a végpothibákat Ábra: Belsı szigetek kikötése és a zárt terület körbejárása Ábra: Voal-terület topológia a DigiTerra Map alatt Ábra: Digitális erdészeti térkép részlete. Bal oldalo látható a térképet felépítı fedvéek listája Ábra: A ég-él és a háromszög adatstruktúra Ábra: Bézier-háromszögek, barietrikus koordiáták és a rekurzív botás Ábra: A DigiTerra Map a háromszög topológia alapjá valós idıbe rajzolja a szitvoalakat, a feliratokat, a háromszögeket és a Thiesse-poligookat Ábra: TIN alapjá készített, magassági szíezéső terepmodell perspektív képe Ábra: A kitettség alapjá valós idıbe szíezett felületmodell perspektív képe Ábra: Térbeli megjeleítési lehetıségek a DigiTerra Map programba... 83

6 Táblázatjegzék: 2-. Táblázat: Szabálos és szabáltala adatmodellek dimeziói Táblázat: A szabálos és a szabáltala adatmodellek összehasolítása Táblázat: Néhá eg vektoros állomáo elvégezhetı mővelet Táblázat: Néhá két vektoros állomá között elvégezhetı mővelet Táblázat: A geometria megjeleítési lehetıségei Táblázat: Vízrajzi elemek osztálozási táblázata Táblázat: Az ismeretleek száma a tájékozásba Táblázat: DigiTerra Map tömbkiegelítés moduljáak paeljei Táblázat: PONT adattípus logikai modellje Táblázat: VONAL adattípus logikai modellje Táblázat: TERÜLET adattípus logikai modellje... 73

7 . Bevezetı. Bevezetı.. Témaválasztás Dolgozatom eg geoiformatikai redszer fejlesztésérıl szól. A fejlesztés ol éve kezdıdött. A disszertáióba a hagsúlt a tudomáos eredméeket jeletı algoritmusokra, szoftver tehológiákra helezem. Ugaakkor figelemmel kísérhetı disszertáiómba az algoritmusokat felvoultató szoftverek fejlıdése, valamit a szoftverekkel elért kutatási és gakorlati eredméek. A geoiformatika erdészeti alkalmazása Magarországo az 990-es évek elejére datálható. Az Állami Erdészeti Szolgálatál ETIR éve elıször Ar/Ifo majd Mirostatio alatt folt a fejlesztés. A Soproi Egetem Erdıméröki Kará szité foltak geoiformatikai kutatások. Midegik esetbe maradtak megoldatla kérdések. Egik redszer sem jutott el az országos gakorlati alkalmazás szitjére. Az erdészeti térképezés és az erdıállomáok adatbázisáak hatéko kezelése viszot egre ikább eg geoiformatikai megoldásra várt. Kezdetbe kiegészítı szoftverek fejlesztését terveztem, amelek mid eg öálló algoritmus köré épültek. Késıbb az eges szoftverek összekapsolása utá körvoalazódott eg általáos geoiformatikai redszer, mel képes kiszolgáli a magar erdészeti szakma igéeit. A geoiformáiós redszer elkészítése, mit gakorlati élkitőzés, egbe tudomáos élkitőzés is volt. A redszerbe új algoritmusok, a magar erdészeti igéekhez igazított tehológiák épültek be. Az évek sorá sokszor ekem szegezték a kérdést, hog mi volt a motiváió, miért vágtam bele eg geoiformatikai redszer fejlesztésébe. A válasz rövide a gakorlati igéek, a megismerés és a kihívás..2. Visszatekités Érdeklıdésem 993-ba fordult a geoiformatika iráába. Nagszerő lehetıségeket láttam az iformatika és a geotudomáok párosításába. A geotudomáok esetébe a korszerő adatgőjtés, a hatéko elemzési módszerek, az iformatika részérıl pedig a valós körezetükrıl gőjtött agmeiségő adatok feldolgozása érdekelt. Elıször a megjeleítés fogott meg: látváos, térbe ábrázolt terepmodellek, tematikus térképek, szíes őrfelvételek és részletekbe gazdag légifelvételek. Késıbb a módszerta és az algoritmusok felé fordultam. Egrészt a kihívás, másrészt az algoritmusok megértése vezetett arra, hog geoiformatikai eljárásokat programozzak. Ha lehetıségem va kipróbáli eg új szoftvert, az elsı dolog, hog megpróbáljam megértei a szoftver mőködését, mile adatszerkezeteket haszál, mile algoritmusokkal dolgozik. Az eljárásokból kisebb programok épültek fel. Elsı ile program a DIGITERRA évre hallgató terepmodellezı szoftver volt, melet diplomatervem részekét készítettem (Czimber 994) (A diplomaterv a III. Tériformatika a Felsıoktatásba Szimpóziumo díjat is ert). A szoftver külölegessége, hog eg tetszıleges pothalmazból redezés utá valós idıbe állít elı tetszıleges sőrőségő felületmodellt. A felületmodell a körezı potok súlozásából állt elı.

8 . Bevezetı utá doktoradusz hallgatókét igekeztem megismeri a geoiformatika teljes spektrumát. Továbbfejlesztettem a felületmodellezı programot, a közeli potok súlozása helett szabáltala háromszöghálót alkalmaztam. Az új program a TIN evet kapta. 995-be elkészítettem eg képerı digitalizáló szoftvert DTOPO évvel, mel késıbb a digitális erdészeti térképek elıállításáak eszköze lett. 996-ba számos algoritmus beérett, és íg megszületethetett a digitális fotogrammetria program STEREO éve, mel egszerő számítógép kofiguráió is térbeli kiértékelést biztosított. Ugaebbe az évbe eg emzetközi pálázat kapsá (Márkus, I., Czimber és mások 996) eg képfeldolgozó szoftver alapjait is elkészítettem IMAGE éve. A program a távérzékelt digitális felvételek feldolgozásához szükséges valamei fukiót tartalmazta. A programot számos hazai és külföldi kofereiá mutattam be sikerrel (Czimber 996, Czimber 997). A szoftvert idıközbe több modullal bıvítettem. Eek köszöhetı, hog a mai apig haszálják egetemek és kutatóitézetek. Ez az elsı magar fejlesztéső program, mel digitális ortofotót állított elı. 996-os év más tekitetbe is mérföldkı. Ebbe az évbe két volt évfolamtársammal megalakítottuk a DigiTerra társaságot. Ugaebbe az évbe alakot öltött a vektoros térképezı és elemzı szoftver, melet 997 tavaszá ag érdeklıdés mellett mutattuk be a szakközösségek. A programot MAP évre kereszteltük. 997-tıl elidult az :0 000 méretaráú erdészeti üzemi térképek digitalizálása. Jeleleg az országos lefedettség 60%-os. 999-re elkészült a Digitális Erdészeti Térképek formátum leírása is DET rövidítéssel (Állami Erdészeti Szolgálat 999), melek kidolgozásába é is közremőködtem. Idıközbe a Widows térhódítása ilvávalóvá vált, ezért az eddig kifejlesztett szoftvereket eg közös grafikus körezetbe kezdtük átülteti. A program felépítéséek köszöhetıe eg itegrált, általáosa haszálható, hatéko tériformatikai eszköz született. Az évek sorá a program újabb modulokkal egészült ki. Részbe a geoiformatika, részbe az erdıgazdálkodás területérıl épültek be újabb elemek. Az erdészeti szakmai fukiók (erdımővelés, fahaszálat, semetekert, vadászat) megjeleését az idokolta, hog az adatfeldolgozás tárga ugaaz az objektum, evezetese az erdırészlet, mit a geoiformatikába. Az új fukiókat évete megredezett fórumoko, kofereiáko ismertettük. A programot jeleleg az Állami Erdészeti Szolgálat közpotja és irodái, kisebb-agobb geodéziai égek (FÖMI, Geodézia Rt, megei földhivatalok), tizeöt Erdészeti Részvétársaság, egetemek és kutatóitézetek haszálják. A telepített programok száma meghaladja a 250-et. A Soproi Egetem oktatói és hallgatói ige haszálhatják a szoftvert be már a DigiTerra MAP évre keresztelt program harmadik verzióját fejlesztjük. Ez a verzió a geoiformatika új irázataiak jegébe születik: általáos adatbázis elérés, programozhatóság, Iteret kapsolat, többelvő és alakítható grafikus körezet.3. Néhá godolat erejéig Va még eg dolog, ami motivált a szoftverfejlesztésbe. Ez pedig a geoiformatikai programok összetettsége és terjedelme. Megfigelhetı, hog a Widows világba a programok méretéek övekedése lépést tart a háttértárolók kapaitásáak fejlıdésével. A szoftverek

9 . Bevezetı 3 fukioalitása és hatékosága viszot elmarad ettıl a tedeiától. Az is elgodolkodtató, hog az újabb verziók eg korszerőbb számítógépe sokszor a korábbi verzióval azoos sebességgel futak. Ez elsısorba a megövekedett memóriaigéek, a robusztus és redudás kódak tulajdoítható. A számítógépes berkekbe ismert Moore törvée, mel kimodja, hog adott áro elérhetı számítógépes teljesítmé éhá év alatt megkétszerezıdik. Ismert viszot Grosh választörvée is, mel szerit hiába fejlıdik a hardver, a szoftverek úgis mide erıforrást (vag még többet) kihaszálak (Platt 200). A szoftverégek a robusztus jelzıvel illetik programjaikat. Miért ez a jelzı: talá, mert eg robusztus programot ehezebb ledötei a lábáról. Sajos a fizikai világból vett törvészerőség em állja meg a helét a szoftverek teré. Eg szoftver azért robusztus, mert több programkódot tartalmaz, amel statisztikailag több hibával terhelt. A válasz valószíőleg egszerőbb és em a robusztusság és a bıvülı fukiók a magarázat, haem a hardver- és szoftvergártó égek közötti piai összefőzıdések és érdekek. Szeré véleméem, hog eg program tudjo kevesebb, de világos és sokoldalúa paraméterezhetı fukiót. A fukiók megvalósítása mögött eg tömör és hatéko kód húzódjo meg. A agobb programok objektumokból, kompoesekbıl, modulokból épüljeek fel. A DigiTerra Map szoftver (-. Ábra) fukióit tekitve felveszi a verset a emzetközi geoiformatikai szoftverekkel, ellebe a programkód mérete midössze 2 MB. -. Ábra: DigiTerra Map geoiformatikai program

10 . Bevezetı 4 A DigiTerra Map program a következı modulokat tartalmazza: adatbázis kezelı, jeletéskészítı, topológikus térképezı, raszteres elemzı, képfeldolgozó, digitális fotogrammetria, felületmodellezı, térbeli megjeleítı és erdészeti szakmai modulok. A agfokú itegráltság szembeötlı. Más geoiformatikai szoftverek az elıbbi fukiókból midössze éháat tartalmazak. A DigiTerra Map fejlesztésekor bizoítai akartam, hog egetle szoftver képes a geoiformatikai feladatok széles spektrumát megoldai. A program mellett szól még a magar elvő körezet is. Nago kevés geoiformatikai redszer redelkezik magar elvő felhaszálói felülettel és dokumetáióval. Még kevesebb azo programok száma, amel támogatja a speiális magar igéeket: kartográfiai igéek, adatsere formátum, jogszabálok, hazai vetületek, kódszótárak. A fejlesztés sorá sok esetbe hoztam létre ola szoftvertehológiákat, amelek röviddel a létrehozás elıtt vag utá párhuzamosa más geoiformatikai szoftverbe is megjeletek. Ez arra utal, hog sikerült felzárkózuk a emzetközi szoftverfejlesztés szívoalához. Természetese most már két társprogramozóval dolgozom a DigiTerra égél. A szoftvertervezést és az alapkód kidolgozását viszot még midig é végzem. A geoiformatikai redszerek jelelegi fejlıdését az adatbázis-kezelı redszerek és a számítógépes hálózatok, az Iteret fejlıdése határozza meg. A fejlıdésbe és az új geoiformatikai szabváok kidolgozásába jeletıs szerepet vállal az OpeGIS kozorium (OpeGIS 998, OpeGIS 200). A geoiformatikai világ egre ikább visszakaarodik az adatbázis-kezelés világa felé. Korábba a szoftverek speiális adatfájlokba tárolták a földrajzi adatokat. A jelelegi adatbázis-kezelık viszot lehetıvé teszik a vektoros és a raszteres adatok tárolását az adatbázisba és biztosítaak bizoos szitő térbeli lekérdezéseket is (Sheklar és mások 998). Az adatbázis-kezelı redszerek (Orale, Mirosoft SQL, IBM DB2, Iformi) elısegítik szabváok kialakulását és terjedését, az adatok kompromisszumok élküli átadását és közpotosítását. A közpotosítás sökketi a redudaiát és elısegíti az ügfél-kiszolgáló (klies-szerver) redszerek kiépítését. A jövı geoiformatikai redszere eg klies bögészı-elemzı program lesz, amelbe az Iterete keresztül a szerverrıl töltıdek le a kompoesek (Java, AtiveX,.Net) és az adatok. Az adattárolás, adatelıhívás, bizoos esetekbe az elemzés fukióját is átveszik a szervere futó adatkezelı redszerek. Ez a fejlıdési irá kedvez a kis fejlesztı égekek, akik egszerőe kezelhetı, legkevésbé robusztus, kompoes alapú szoftvereket készíteek..4. Semmi sem tökéletes Természetes, hog eg három fıs fejlesztısapat em tud verseezi eg háromszáz fıs fejlesztı gárdával. Jeleleg a DigiTerra programok mögött miteg programsor áll, amel több mit kétezer A4-es oldalak felel meg. A számok elleére a szoftverükek mégis vaak hiáosságai. Néháat a teljesség igée élkül megemlíteék. A jelelegi verzió em tartalmazza, de az új verzióba már tervezzük a emzetközi alapfelületek és vetületek támogatását. A programozhatóságra és alakíthatóságra az elıbb elmodottak érvéesek. A programuk a szükséges fájlformátumokat támogatja, de korátsem ait, mit eg emzetközi tériformatikai szoftver. Úg tőik idıközbe ez a kérdés is megoldódik. A jövı geoiformatikai redszerei mid eg adatbázisból fogak dolgozi. A hozzáférés szabváos felületeke keresztül törtéik majd.

11 . Bevezetı 5 Néhá kritikát is megemlítek, amel a égük felé irául. Sokszor elhagzott, hog túl kisik vaguk. Cégük immár 6 éve prosperál. A felhaszálói igéekre sokkal gorsabba, rugalmasabba tuduk válaszoli, mit a ag égek. A éget az erdészeti szakma igéei hívták életre, és amíg a szakma mellettük áll, addig ki is szolgáljuk. A programstabilitás is eg fotos kérdés, fıleg Widows körezetbe. Jelelegi verziók eljutott az itegráltság ola szitjére, amel már a stabilitás rovására meg. Az új verziót már a felmerült problémák ismeretébe fejlesztjük. Az új fejlesztıi körezetek (Visual Basi, JavaSript, Java, C++, C#,.NET) már leveszik a programozó válláról a programok legkritikusabb részét a memória kezelést, az objektumok létrehozását, bıvítését és törlését. A fejlesztıi körezetek közül talá a legígéretesebb a Mirosoft.NET körezet (Platt 200), amel forráskód és platform függetle megoldást kíál. A körezet eg új operáiós redszerkét is felfogható, ami biztoságosa futtatja az Iteretrıl letölthetı és kompoesekbıl felépülı programokat. A.NET körezet Widows 2000 és XP operáiós redszerek alatt már elérhetı..5. Kutatási módszerek A kutatási téma meghatározása a geoiformatika adott területéek kiválasztását jeletette. Gakori volt az igéek szeriti témaválasztás is. Ezutá következett a omtatott és az elektroikus szakirodalom taulmáozása. Utóbbihoz ag segítséget újtott a CiteSeer - Sietifi Literature ( digitális kövtára. A szakirodalom alapos vizsgálatát az algoritmus tervezése, programozása és tesztelése követte. A tesztelés eredmée sokszor a program, éha viszot az algoritmusterv javítását kíváta meg. Az utolsó fázis az algoritmusok összedolgozása, az algoritmusokból eljárások, az eljárásokból programmodulok és végül a programok felépítése. A programmodulokat már kokrét gakorlati alkalmazásoko tudtam teszteli..6. Köszöet Aki valaha is programozott tudja, hog a szoftverfejlesztés ago sok idıt igéel: programtervezés, kódolás, véget em érı tesztelés és javítás. Nago ehéz eg ola programot íri, amelet em sak a programozó, haem mások is haszáli tudak. Mégis a programozás a redszerfejlesztések sak az egik fele. Az új tehológiák, algoritmusok kidolgozása sakem ugaai idıt igéelt. Ezért a köszöet midekit megillet, aki a redszer megszületéséhez közvetve-közvetleül hozzájárult. Hálával tartozom kis saládomak, a DigiTerra Méröki Irodáak, és a Soproi Egetem oktatóiak és hallgatóiak, kiemelve a Földmérési és Távérzékelési Taszék mukatársait. A program elsı számú tesztelıje mai apig is a Taszék. A szakmai és gakorlati eredméek, az évek sorá összegőlt értékes tapasztalatok mid a DigiTerra Méröki Iroda mukáját és kitartását disérik. Köszöetet modok az erdész, a földmérı és a távérzékelési szakterület mővelıiek, midazokak, akik az erdészeti geoiformatika és a DigiTerra szoftverek elidulását, fejlıdését és országos kiteljesedését támogatták. Külö köszöet illeti dr. Básatai Lászlót, aki a pálá elidított, patroált és doktori témavezetım volt.

12 2. Geoiformatikai áttekitı 6 2. Geoiformatikai áttekitı A disszertáió fı tárgát képezı algoritmusok és tehológiák tárgalása elıtt következzék a geoiformatika rövid ismertetése. Eek élja elsısorba a szakterület és az általam haszált fogalmak tisztázása. 2.. Alapfogalmak A geoiformatika alapfogalmait az iformatika alapfogalmaiból élszerő levezeti. A következı felsorolásba a fogalmakat egmásra épülésük sorredjébe tárgalom: eged... a valós világ véges számú tulajdoságértékekkel leírható tárga, személe, esemée, jelesége, amel az iformáiós redszer szempotjából léeggel bír. Szioima: etitás. egedtípus... egedek azoos tulajdoságokkal jellemezhetı osztálai. Szioima: etitástípus. objektum... az eged számítógépes körezetbe törtéı kokrét ábrázolása. objektumtípus... objektumok azoos tulajdoságokkal jellemezhetı osztálai. adat... értelmezhetı és feldolgozható objektív té, ismeret, fogalom, mel eg objektum adott tulajdoságáak leírására szolgál. adatmodell... eg iformáiós redszerbe szereplı objektumtípusok felsorolása, az objektumtípusok tulajdoságaiak és kapsolataiak leírása. adatmezı... objektumtípusok eg tulajdoságát tároló adattárolási egség. adatrekord... eg objektum véges számú tulajdoságait tároló adattárolási egség. adattábla... azoos típusú objektumokat tároló adattárolási egség. adatbázis... véges számú objektum elıfordulások adatmodell szerit szervezett egüttese. iformáió... az adat értelmezésével elıállított új, vag újszerő ismeret, jeletés, híraag, tájékoztatás. iformatika... iformáió kezeléséek elméleti és gakorlati kérdéseivel foglalkozó tudomáág. iformáiós redszer... az iformáió kezelésére hivatott redszer. A redszer fukiói az adatok gőjtése, tárolása, megjeleítése, redszerezése, elemzése. A geoiformatikai fogalmak származtatása a feti fogalmak felhaszálásával a geo- vag földrajzi elıtaggal törtéik. Az elıtag az ismeretszerzés tárgát földrajzi körezetükre szőkíti. Földrajzi körezetük a Föld felszíe, a felszíe vag alatta lévı tereptárgak, jeleségek összessége, amel az ismeretszerzés szempotjából léeggel bír. Földrajzi

13 2. Geoiformatikai áttekitı 7 körezetük képzése tehát eg léegkiemelı, egszerősítı absztrakiós folamat eredmée. Ezek utá a földrajzi objektum a Föld felszíé vag alatta található tárgak, jeleségek számítógépes ábrázolását jeleti. A földrajzi iformáió a Föld felszíérıl, a felszíe vag alatta található földrajzi objektumokról gőjtött ismeretaag. A geoiformatika pedig a földrajzi iformáió kezeléséek tudomáa. Magarországo rövidsége miatt elterjedt a tér- elıtaggal törtéı fogalomképzés: téradat, tériformatika. É ezt em tartom szeresések, mert sok esetbe a képzett szavak félreérthetık és a tér- elıtag em mide esetbe utal földrajzi körezetükre (CAD/CAM, sillagászat stb. is térbeli adatokkal dolgozik). Rövidsége és léegre utalása miatt a geoelıtag haszálatát szorgalmazom Modellezés A geoiformatika léege, hog modelleket alkossuk körezetükrıl, amelek alkalmasak a ilvátartás, az elemzés, a szimuláió és a dötéstámogatás boolult problémáiak megoldására. A modellezés tömöre a valós világ sökketett iformáió készlettel törtéı leírása (Horváth 989). A valós világ leírása eg háromlépsıs absztrakiós folamat eredmée (Detrekıi, Szabó 995). Az elsı lépésbw a valós világot eg elméleti modellel helettesítjük, amelbe meghatározzuk a valós világ egedeit, személeit, tárgait, jeleségeit, eseméeit, ameleket a végsı modellbe szerepelteti kíváuk. Második lépésbe meghatározzuk az elméleti modell egedeiek leírásához szükséges jellemzıket és a közöttük lévı összefüggéseket, azaz létrehozzuk az objektumok logikai modelljét. A harmadik, befejezı lépésbe elıállítjuk a fizikai modellt, mel a logikai modell számítógépes körezetbe törtéı leképezését és feltöltését jeleti. A modell hatékosága a modell eredetiségével és egszerőségével mérhetı. A számítógépes modellbe szereplı objektumok jellemzésére szolgáló tulajdoságok:. helzeti adatok - geometria 2. leíró adatok - attribútumok 2.a. azoosító adatok (sorszám, helség) 2.b. soportosító adatok (osztál - soport - típus) 2.. kapsoló adatok (reláió és térbeli kapsolat) 2.d. szakadatok (szakterület) 2.e. metaadatok (adat az adatról) Eg földrajzi iformáiós modell létrehozása sorá az elméleti modellbe felsorolt földrajzi egedeket, vag etitásokat, geometriai elemekkel és attribútumokkal írjuk le. A földrajzi egedek számítógépes körezetbe törtéı ábrázolásai a földrajzi objektumok. Földrajzi objektumok geometriai jellemzésére általába a következı elemeket haszáljuk: pot, voallá, háromszög, égszög, sokszög. Összetett objektumok leírása az elıbbi elemek többszörözésével törtéik. Ívek, görbe elemek közelítése a töréspotok számáak övelésével, iterpoláióval érhetı el. Felületek ábrázolása háromszögek vag égszögek összekapsolásával lehetséges. Belsı szigetek, gőrők kialakítása sokszögek egmásba

14 2. Geoiformatikai áttekitı 8 ágazásával oldható meg. A geometriai elemek jellemzı potjait koordiátákkal adjuk meg. A többire két-, ritkábba háromdimeziós koordiátákat valamile elıre megválasztott voatkozási redszerbe értelmezzük. Az attribútumok a földrajzi objektumok leírásához haszált szöveges és umerikus tulajdoságértékek összessége. Az attribútumok típusai az azoosító- és kapsoló adatok, a szakadatok és miıségi adatok. Az azoosító adatok az objektum egedi azoosítására szolgálak. Ez a legtöbb esetbe egetle adatmezıt jelet, amelbe eg övekvı vag elıre kialakított sorszám kap helet (lieáris sor, iráítószám). Az azoosító adatmezıt szokás elsıdleges kulsak is evezi. Az elsıdleges kulsra hivatkozó adatmezıket kapsoló kulsokak hívjuk. Elıfordul, hog az azoosításra több adatmezı értékeiek összessége szolgál (hel tag részlet alrészlet, község fekvés helrajzi szám alátörés épületjel lakásszám). Ilekor kompozit kulsról beszélük. Osztott adatbázisokál gakori, hog az azoosító adatok között megjeleik az adat létrehozásáak helére utaló kód is. Ezzel garatálható az azoosító kuls egedisége, és megoldható az adatok késıbbi összesítése, feldolgozása. Régebbe gakori volt digitális térképeke a földrajzi objektumok geokódolása. A geokód eg földrajzi pozíióval kiegészített azoosító, mel az objektum geometriája közelébe vag belsejébe helezkedik el, és utal az objektum leíró adataira. A leíró adatok következı kategóriája az objektumok soportosításáról godoskodik. Heltakarékosság és az egséges kezelés miatt sokszor az eltérı objektumtípusokat eg adattáblába tároljuk. Ilekor szükségessé válik az objektum típusára utaló adatmezık bevezetése. Nagszámú objektumtípus összevoásakor további hierarhikus soportok kialakítása is idokolt lehet. Eg lehetséges hierarhikus botás a következı: osztál soport típus. Eg osztál több soportot, míg eg soport több típust foglal magába. Az attribútumok harmadik soportja az objektumok kapsolatait írja le. Az objektumok között általába reláiós és térbeli kapsolatokat defiiáluk. A defiíió az adatmodell része. Reláiós kapsolat az objektumok tulajdoságértékeiek összehasolításá alapul. A fotosabb reláiós típusok a következık: egelı, eltérı, kisebb, kisebb-egelı, agobb, agobb-egelı, hasoló. A térbeli kapsolat az objektumok geometriájá alapul. A térbeli kapsolat lehetséges esetei: tartalmazás, átfedés, határosság, metszés, közelség, elkülöülés. Bizoos adatmodellek esetébe a térbeli kapsolatok magától értetıdıek, sokszor viszot a térbeli kapsolatok feltárása és digitális tárolása az egik legehezebb feladat. A reláiós és térbeli kapsolatok kialakíthatók azoos és eltérı típusú objektumok között is. Az attribútumok között a következı soport a szakadatoké. A leíró adatok e soportját midig a geoiformatikai redszer létrehozásáak élja határozza meg. Az adatmezık a szakterület adatait tárolják, aak a szakterületek az adatmezıit, amel a geoiformatikai redszert haszálja. A metaadatok a leíró adatok utolsó soportját képezik. A metaadatok kapsolódhatak közvetleül az objektumokhoz, de az ismétlések elkerülése miatt sokszor agobb adattárolási egségél rögzítik. A metaadatok az adatmodellt, az adatbázist, a táblákat, a mezıket vag a rekordokat jellemezhetik. A jellemzés kiterjed az adatbázis éljára, az adatforrásokra, a források voatkozási redszereire, az adatok keletkezésre és aktualitására, a geometriai és tematikus potosságukra. Nem elhaagolhatók a szerzıi jogokra és a korlátozásokra voatkozó leírások sem.

15 2. Geoiformatikai áttekitı Adatmodellek és dimeziók Eg földrajzi iformáiós redszerbe szereplı objektumok elsıdleges jellemzésére a geometria szolgál. A geometria speiális kezelése meghatározza az alkalmazott adatmodell típusát. Az adatmodellek eg lehetséges soportosítását adja a modellbe résztvevı geometriai elemek szabálos, illetve szabáltala elhelezkedése és kiterjedése (Czimber 997). Szabálos geometriai elemek Ezek az adatmodellek egértelmőe leírják a szabálos geometriai elemek térbeli elhelezkedését, egmáshoz való viszoát és az elemi alkotók formáját, méreteit. Az ile adatmodelleket tesszeláiós modellekek is szokás evezi, amelek a teret szabálos geometriai elemekre botják. Dimezióit tekitve általába midig két- vag háromdimeziósak. Leggakoribb változata a raszteres adatmodell, amel a területet elemi téglalapokra (piel), míg a teret elemi téglatestekre (voel) botja. A raszteres adatmodellbe az elemi alkotók általába lieárisa helezkedek el. Gakori azoba a rekurzív (égesfa, olasfa) és hierarhikus (piramisrétegek) kialakítás is (2-. Ábra). lieáris tárolás égesfa tárolás olasfa tárolás piramis rétegek 2-. Ábra: Raszteres adatmodellek tárolása Elıfordulak szabálos háromszög és hatszög felbotások is, de ezek grafikus megjeleítése em igazodik a korszerő raszteres megjeleítıkhöz. A tesszeláiós adatmodellekél a térbeli kapsolatok egértelmőek, ezeket em kell külö defiiáli. Fotos megemlítei, hog a raszteres adatmodellek alkalmasak a szabáltala geometriai elemek soportosítására, térbeli ideelésére is. Szabáltala geometriai elemek Az adatmodellek másik ag soportját azok a modellek alkotják, ahol a geometriai elemek jellemzı potjai szabáltalaul helezkedek el. A potok, voalláok, háromszögek, égszögek, sokszögek jellemzı potjaiak ábrázolása koordiátákkal, vektorokkal törtéik. Ie származik az adatmodell elevezése is: vektoros adatmodell. A vektoros adatmodellél ag hagsúlt kell fekteti a térbeli kapsolatok megfelelı kialakítására. Mid a szabálos, mid a szabáltala adatmodellek között számos altípust lehet elkülöítei. A soportosítás törtéhet a geometriai elem kiterjedéséek dimeziója szeriti szerit (2-. Táblázat).

16 2. Geoiformatikai áttekitı 0 A kiterjedés dimeziója 0D - is (piel, pot) D - lieáris (voallá) Szabálos adatmodell raszter Szabáltala adatmodell vektor 2D - sík (égszög, sokszög) 3D - térbeli (felület, test) 2-. Táblázat: Szabálos és szabáltala adatmodellek dimeziói Midegik adatmodell-változat redelkezhet eg további dimezióval is, az idıvel. Ezek az adatmodellek alkalmasak az idıbeli változások rögzítésére, külöbözı idıpothoz tartozó állapotok egüttes elemzésére, korábbi változatok visszaállítására. A megfelelı adatmodell kiválasztása, ismerve az adatmodellek elıeit és hátráait (2-2. Táblázat), midig hosszas mérlegelés eredmée. Eg korszerő geoiformáiós redszer támogatja midkét adatmodellt és az adatmodellek közötti kétiráú koverziót is. Karakterisztika Szabálos adatmodellek raszter Szabáltala adatmodellek vektor Elıállítás Többire egszerő Mukaigées Geometriai potosság Kevésbé potos Potos Tárolás típusa Mátri Szekveiális Tároláshoz szükséges hel Nag Kisi Keresı algoritmusok Gors Lassú Térbeli kapsolatok Egszerő Boolult Térbeli elemzések Egszerő Boolult Térbeli mitavételezés Jó Változó Iformáió visszaadás Részletes és egeletes Léegi és egelıtle Elévülési idı Rövid Hosszabb Aktualizálás Egszerő Boolult 2-2. Táblázat: A szabálos és a szabáltala adatmodellek összehasolítása 2.4. Raszteres adatmodell A raszteres adatmodell elemi téglalapokból, pielekbıl épül fel. Az elemi pielek sorokba és oszlopokba redezıdek. Az íg kialakult mátriok alkotják a raszter sávjait. A raszteres adatállomá általába több rasztersávot tartalmaz.

17 2. Geoiformatikai áttekitı A raszter geometriáját az elemi téglalapok szélessége és magassága, a sorok és oszlopok száma, valamit a raszter eg kiválasztott (általába bal-felsı) potjáak földrajzi koordiátái szolgáltatják (2-2. Ábra). A méret és pozíióadatok a raszter georefereia adatai. refereia pozíió rasztersávok pielértékek s s elemi piel méretei 3 sorból és 0 oszlopból felépülı raszter 2-2. Ábra: Raszteres adatmodell felépítése A raszter leíró adatait az eges pielekbe tárolt umerikus értékek alkotják. Az értékek a raszter típusától függıe sokfélék lehetek: képitezitás értékek, magasságok, kitettség adatok, hımérséklet adatok, sapadékmeiségek, terepi mérések eredméei, tematikus kódok stb. Utóbbi kód a piel által lefedett terület tartalmi, miıségi jellemzésére szolgál (2-3. Ábra). Raszteres adatmodell esetébe speiális szerephez jut az üres ella, mel az adott raszterrel le em fedett területet jelöli Tematikus kódok: ) épület 2) út 3) patak 4) erdı Ábra: Raszteres adatmodell tematikus kódjaiak értelmezése Raszteres adatok elıállítását korszerő és hatéko eszközök végzik: digitális kamerák, távérzékelı mőholdas felvevık, lapolvasók. Az adatok származhatak más adatforrásokból is. A vektor-raszter átalakítás, a raszteres térbeli iterpoláió és térbeli elemzések eredméei mid raszteres állomáok. A raszteres elemzések hatékosága a végeselem módszerbe rejlik. A raszter a vizsgált területet véges számú elemi pielre botja. A pielek esetébe az elemzı fukiók köe megkompoálhatók. A raszter felépítéséek köszöhetıe a raszterella elérése, a térbeli kapsolatok, a szomszédsági viszook egértelmőek. A raszteres elemzı fukiókat mőködési hatókörük alapjá külöítjük el:

18 2. Geoiformatikai áttekitı 2 lokális fukiók hatóköre a piel maga (sávok közötti matematikai mőveletek ), fokális fukiók hatóköre a piel közvetle körezete (élesítés, simítás, lejtés ), zoális fukiók hatóköre az azoos értékő pielek összessége (statisztika ), globális fukiók hatóköre a raszter egésze (statisztika, láthatóság, terjedés ). Az elemzı fukiók jeletıs része raszteres terepmodelle értelmezhetı, ahol az eges pielértékek a terepfelszí magasságát írják le Vektoros adatmodell A vektoros adatmodellt felépítı adatmezık két ag soportja a geometria és az attribútumok. A geometria és az attribútumok tárolódhatak külö adattáblákba vag egüttese. A geometriai elemeket szabáltala elhelezkedéső, koordiátákkal, vektorral adott potok építik fel. A földrajzi elemeket objektumtípus szerit általába külö adattáblákba tároljuk. Nagszámú objektumtípus eseté az eltérı típusú objektumok összevohatók. Ilekor az objektum típusát külö adatmezı tárolja. Gakori, hog az objektumhoz az azoosító adatok alapjá más objektumok is kapsolódak. Eg erdırészlet geometriájához az azoosító adatoko kívül kapsolhatók a részletadatok, az erdısítési adatok, a gazdálkodási adatok, valamit több fafajsor és megjegzés adatai is (2-4. Ábra). Az elıbbi típusú adatok mid másmás adattáblába helezkedek el. Az objektumok elıhívása reláiós kapsolatok segítségével törtéik. Erdırészlet Redeltetés Terület Sopro 03 A Sopro 03 A Sopro 03 B Sopro 03 C Sopro 03 ID Sopro 03 Ni Gazdasági Védelmi Közjóléti is is 3,8 5,2 0,5 2, 4, Sopro 03 C Sopro 03 ID Sopro 03 B Sopro 03 Ni Erdırészlet Fafaj Elegará Fatömeg Sopro 03 A Sopro 03 B Sopro 03 B Sopro 03 C Sopro 03 C Ktt B Ktt B LF Sopro 03 C Ktt Ábra: Eg erdırészlet objektum reláiós kapsolataiak ábrázolása Vektoros adatmodell esetébe az attribútum adatok között ag szerephez jutak a térbeli kapsolatokat defiiáló adatmezık. A térbeli kapsolatokat topológiáak evezzük. A topológia egrészt elısegíti a térbeli elemzéseket, másrészt biztosítja az elletmodás metes vektoros adatállomáok létrehozását. A topológikus adatszervezés elve a következı. Az adatábrázolás alapegsége a koordiátáival adott pot. A potokat voalláok kötik össze. A voalak egmást em metszik, sak a

19 2. Geoiformatikai áttekitı 3 somópotokba találkozak. A voalláok által körbezárt térrészek területeket, sokszögeket alkotak. Az elıbbi építkezést követve létrejö a pot-voal, voal-terület topológia. A kapsolatok midkét oldalo tárolódak: a pot mel voalo található, a voalakat mel potok építik fel, a voal mel területeket választja ketté, a területet mel voalak építik fel. A kapsolatok az azoos típusú elemek között is létrejöek: voal-voal kapsolat, terület-terület szomszédság. Összetett kapsolatok is felállíthatók: pot-voal-pot topológia (2-5. Ábra). 0 6 A 6 7 E D B C Terület-voal topológia Terület Voalak listája 0, 2, 3, 4 A, 5, 6, 8, 0 B 2, 6, 7 C 3, 5, 7, 9 D 4, 8, 9 E 0 Voal-terület topológia Voal Bal, jobb terület 0 - A B C D 5 A - C 6 A - B 7 B - C 8 A - D 9 C - D 0 A - E Voal-pot topológia Voal Kezdı, zárópot Voal Koordiáta lista , , 22 22, 22, 33 66, 55 55, Pot-voal-pot topológia Csomópot Voal Hova Ábra: Topológia - térbeli kapsolatok eg vektoros példá Topológikus vektoros adatállomáok építése közbe számos hiba léphet fel. Az egszerő hibák gakra sak késıbb derülek ki: például a hézagok területek összekapsolását eredméezik, amel sak a területépítés utá derül ki. Fotos tehát a topológiai hibák mielıbbi, akár szerkesztés közbei felderítése (2-6. Ábra). ) illesztési hibák 2) túlúlások 3) hézagok 4) kettızések 2-6. Ábra: Topológikus építkezés közbe jeletkezı hibák A vektoros adatmodellek elemzése általába sok idıt és számítást igéel. A számítások a megfelelı topológia kialakításával és a térbeli ideeléssel gorsíthatók. A térbeli ideelés a geometriai elemek gors elıhívását teszi lehetıvé. A mőveleteket szokás soportosítai a bemeeti adatállomáok száma szerit. Eg vektoros állomáo elvégezhetı térbeli mőveletek sokfélék lehetek (2-3. Táblázat). Számos mővelet a leíró adatok alapjá dolgozik (kiemelés, összevoás), éhá mővelet a geometriát módosítja (javítás, geeralizálás, merılegesítés, összekapsolás, traszformálás), további elemzések új geometriai alakzatokat állítaak elı (védızóa, súlpot, befoglaló téglalap, kove burkoló, legrövidebb út keresés). Két vektoros állomá között értelmezhetı mőveletek leggakrabba halmazmőveletekre vezethetık vissza (uió, külöbség, metszet).

20 2. Geoiformatikai áttekitı 4 Gakori, hog ezek a mőveletek töréspotokat módosítaak, új metszéspotokat hozak létre (2-4. Táblázat). Mővelet Forrás Eredmé Kiemelés az attribútumok alapjá a geometriai elemek kiemelése Elimiálás az attribútumok alapjá a felesleges határolóvoalak törlése a b a a b d d b a d Geeralizálás a töréspotok eg megadott távolságra lehetek egmástól Pufferzóa a geometriai elemek körüli fi vag változó távolságra lévı zóa Traszformálás a geometriai elemek traszformálása eg másik koord.redszerbe b a b d d a b b d d 2-3. Táblázat: Néhá eg vektoros állomáo elvégezhetı mővelet Mővelet Források Eredmé Egesítés - uió a geometriai elemek átfedésével új geometriai elemek képzése Kivoás terület elemek kivoásával új területek képzése Metszet képzés területelemek közös részébıl új területek képzése Aktualizálás a geometriai elemek leserélése az újakra + Térkép illesztés külöbözı forrásból származó geometriai elemek illesztése 2.6. Megjeleítés 2-4. Táblázat: Néhá két vektoros állomá között elvégezhetı mővelet A földrajzi objektumok leíró adataiak megjeleítése táblázatos vag listás formába lehetséges. Az adattáblák geometriai adatait redszerit grafikusa ábrázoljuk. A megjeleítés eg térképézete törtéik. A térképézet voatkozási redszerét elıre meg kell választauk. A térképézetek több rétegbıl, tematikákból épülek fel. Eg tematika az adatbázis objektumaiak eg kiválasztott részhalmazát jeleti. A geometria megjeleítése sokféle lehet: potok, szimbólumok, voalak, poligook, feliratok, kartodiagramok, képek. A megjeleítés három alapvetı paramétere a méret, a szí és a rajzelem típusa (2-5. Táblázat).