Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésüzemi és Közlekedésgazdasági Tanszék Intelligens közlekedési rendszerek (ITS) Térinformatika (GIS) alkalmazása a közlekedésben Bevezetés A térinformációs rendszerekkel kapcsolatos alapfogalmak Dr. Juhász János egyetemi docens
A térinformációs rendszerek Térinformációs rendszernek (Geographical Information System GIS) nevezzük azokat az információs rendszereket, amelyekben tárolt adatok földrajzi helyhez vagy objektumhoz vannak hozzárendelve és a keresések, lekérdezések földrajzi elhelyezkedés alapján is elvégezhetők. A térinformációs rendszerek a felhasználási terület kiterjedtsége alapján csoportosíthatók globális, regionális és lokális rendszerekre.
A térképek méretaránya és a területi kiterjedtség összefüggése* * forrás: Detrekői-Szabó: Bevezetés a térinformatikába
A térinformációs fő alkalmazási területei Nyilvántartási rendszerek : ingatlan nyilvántartás, közműhálózat nyilvántartás, önkormányzati nyilvántartás. Környezeti és meteorológiai rendszerek Topográfiai és kartográfiai rendszerek Közlekedési rendszerek
A térinformációs rendszerek elemei, szereplői Humán résztvevők Hardver eszközök Szoftver eszközök Adatok Adatelemző eljárások
Humán résztvevők csoportosítása Fejlesztők : struktúra kialakítása, térképi adatbázisok tervezése, készítése. Üzemeltetők : dinamikus információk rögzítése, objektum adatok aktualizálása. Felhasználók : információk lekérdezése.
Hardver eszközök Adatgyűjtő eszközök : geodéziai eszközök, műholdas helymeghatározó eszközök, digitalizáló eszközök (szkenner, tábla), fotogrammetriai eszközök. Adattároló eszközök : informatikai eszközök (CD, DVD, merevlemez), nyomtatott térképek (archiválás). Adatmegjelenítő eszközök : grafikus képernyő, telematikai eszközök, nyomtató, plotter.
Szoftver eszközök Adatgyűjtő eszközök : digitalizáló eszközök, fotogrammetriai eszközök. Adatfeldolgozó eszközök : adatbázis-kezelő eszközök. Adatmegjelenítő eszközök : grafikus szoftverek telematikai szoftverek.
Adatok Alapadatok : térképi adatbázisok Meta adatok : adatkapcsolatok. Objektum adatok : objektumok, tulajdonságok.
A valós világ modellezése A modell fogalma A valóság leegyszerűsített, absztrakt mása, amely tartalmazza a valóságnak a vizsgálat szempontjából lényeges elemeit, tulajdonságait és az elemek kapcsolatait. A modellek alkalmazása: A felhasználók szempontjából lényeges jelenségek és összefüggések tárolása, Lehetővé teszi a bonyolult rendszerek bizonyos szempontok szerint történő vizsgálatát. A modellek csoportosítása: Analóg modell: térkép Digitális modell: térinformációs rendszerek
A valós világ modellezése Az analóg térkép: A térkép a Föld egyes részeinek felszínét, valamint a felszínen vagy alatta lévő természetes vagy mesterséges tereptárgyakat arányosan kicsinyítve, megadott vetítési szabályok szerint, általában sík felületen ábrázoló rajz. A térkép kicsinyítésének mértékét a térkép méretaránya jellemzi. A méretarány két pont térképi és vetületi távolságának hányadosa. A térképek csoportosítása: felmérési alaptérképek, 1:500-1:10000 földmérési alaptérképek, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:4000 topográfiai alaptérképek, 1:5000, 1:10000 öl rendszerű kataszteri térképek, 1:1440, 1:2880 földrajzi térképek, 1:200000-től tematikus- vagy céltérképek, 1:10000-től* * forrás: Czimber Kornél: Geoinformatika
A valós világ modellezése A digitális modell készítésének lépései: 1. A valós világ a konkrét feladat szempontjából fontos jellemzőinek (entitások) meghatározása, az elméleti modell megalkotása. 2. Az elméleti modellben szereplő jellemzők digitális tárolásához szükséges logikai modell, az adatmodell megalkotása. Az entitások megfelelője az adatmodellben az objektum. 3. Az adatmodellben szereplő objektumok konkrét értékeit tárolni képes fizikai modell, az adatbázis elkészítése. 4. Új információk grafikus megjelenítését szolgáló kartográfiai modell [Bernhardsen, 1992] elkészítése.
A valós világ modellezése A térinformációs rendszerek létrehozásakor a valós világ modelljét készítjük el. A modell fő alkotóelemei az objektumok (entitások) és azok tulajdonságai (attribútumok). Az objektumok tulajdonságai tematikus rendszerben is tárolhatók és lekérdezhetők. A modellben szerelő objektumok leírására szolgáló adatok: geometriai adatok: az objektum pontos térbeli elhelyezkedését térbeli koordinátákkal leíró adatok, attribútum adatok: az objektumok meghatározására és megkülönböztetésére szolgáló adatok, amelyek lehetnek: az objektum típust azonosító adat, az objektum jellemzésére szolgáló adatok, geokód: az objektum egyszerű azonosítását biztosító megnevezés, objektumok közötti kapcsolatok.
A valós világ modellezése A valóság geometriai objektumainak digitális leképezése lehet vektoros vagy raszteres. A vektoros adatok esetén az objektumok helyét pontok, vonalak és felületek írják le, a raszteres adatok esetén pedig az objektumok helyét egységnyi felületdarabkákkal (raszter) történő lefedés reprezentálja. A lefedésnél alkalmazott négyzet alakú felületdarab a pixel. A raszteres térképek részletgazdagabb grafikus megjelenítést biztosítanak, azonban a távolságmérés két pont között csak a földrajzi koordináták különbsége alapján, a gömbi főkörön (meridián) számítható. A vektoros térképek kisebb háttértár kapacitást igényelnek, mivel csak a szakaszok végpontjait, a területek csúcspontjait tárolják el. A közúthálózat vektoros modellje képes a valóságos távolságokat figyelembe venni, ami lehetővé teszi az útvonaltervezést.
A raszteres adatmodell Tesszelációs adatmodell: a térbeli objektumok leképezése szabályos vagy szabálytalan síkidomokkal történik. A legelterjedtebb szabályos síkbeli alakzatok (raszter) a térbeli alakzatoknál a háromszög, a síkbeli alakzatok esetén a négyzet (pixel) és a hatszög. A pixelek tartalmazzák azokat a tematikus kódokat, amelyek a lefedett terület objektum jellemzésére szolgálnak. Mivel a raszteres modell szabályos, azonos szélességű oszlopokból és magasságú sorokból álló lefedése a területnek, így a pixelek tartalmazzák az objektumok helyével és típusával kapcsolatos információt. A raszteres modellnél az objektumok pontos elhelyezéséhez szükséges adatokat georeferencia adatoknak nevezzük, amelyek általában a bal felső pixel középpontjának koordinátáit és a pixel által lefedett terület méreteit tartalmazzák. A raszteres adatmodell rendkívül tárigényes, ezért az adatokat általában tömörített formában tárolják. A raszteres adatmodellek egyik fő jellemzője a felbontás: az alkalmazott pixel mérete, vagyis a legkisebb megkülönböztethető terület egység.
A raszteres adatmodell A raszteres adatábrázolás és a tematikus kódolás*: * forrás: Czimber Kornél: Geoinformatika
A vektoros adatmodell A vektoros adatmodellekben a földrajzi objektumok leképezésére geometriai elemek szolgálnak: a pont, az egyenes vonal, a poligon és a térbeli ábrázolásnál a síkfelület. A valós világ tematikus leírásához a földrajzi objektumok geometriai jellemzőin kívül szükség van az objektumhoz tartozó attribútum adatok rögzítésére is. Tehát az egyes geometriai alakzatokhoz hozzárendelünk egy objektum osztályt és felvesszük az adott osztályt leíró adatokat. Legelterjedtebb vektoros adatmodell fajták: spagetti modell: az objektumokat vonalak és töréspontok koordinátáiból álló sorozat írja le. A módszer lényeges hátránya, hogy a területek digitalizálása nehézkes, az adattárolás redundáns (egy pont több poligon része is lehet), valamint a koordináták keresése szekvenciális, ezáltal az adatmódosítás, a keresés lassú. Továbbá az egymást metsző vonalas objektumok metszéspontainak meghatározása körülményes. topológikus modell: adattípusokat értelmez. hálós modell az objektumok kapcsolatait figyelembe vevő
A vektoros és a raszteres leképezés alapelemeinek összehasonlítása* * forrás: Detrekői-Szabó: Bevezetés a térinformatikába
A vektoros és a raszteres leképezés alapelemeinek összehasonlítása* Karakterisztika raszter vektor előállítás egyszerű és gyors bonyolult és hosszadalmas geometriai pontosság kevésbé pontos pontos tárolás típusa szabályos elhelyezkedésű elemek vektoros szabálytalan elemek tároláshoz szükséges hely nagy kicsi kereső algoritmusok gyors lassú rajzoló algoritmusok a nagy adatmennyiség miatt lassú gyors térbeli kapcsolatok egyszerű bonyolult térbeli műveletek egyszerű bonyolult térbeli mintavételezés jó változó információ visszaadás részletes és egyenletes lényegi és egyenlőtlen elévülési idő rövid hosszabb aktualizálás egyszerű bonyolult * forrás: Czimber Kornél: Geoinformatika
Az adatnyerési módszerek csoportosítása Elsődleges módszerek : földi geodéziai eljárások, mesterséges műholdak alkalmazása, fotogrammetriai módszerek távérzékelés. Másodlagos módszerek : meglévő térképek vektoros digitalizálása, meglévő térképek raszteres digitalizálása, digitális állományok feldolgozása.
Az objektum adatok minősége A térinformációs rendszerek alkalmazhatóságát meghatározza az objektumokat leíró geometriai és attribútum adatok pontossága. Az adatok minőségét elsősorban az adatfelvételi eljárás, annak lefolytatása határozza meg, de befolyásolhatja az adattárolás módja, a fizikai adatmodell is. Az objektum adatok minőségét befolyásoló fő tényezők: geometriai pontosság tartalmi (attribútum) pontosság ellentmondás-mentesség (logikai konzisztencia) teljesség (szerepel-e minden ábrázolandó objektum) aktualitás (az adatok megfelelnek-e a valóságnak).
A térképek csoportosítása a felhasználás és az adatábrázolás alapján: geografikus térképek: A geodéziai térkép a geodézia felmérési eredményeit nagy méretarányban, az ábrázolt természetes és mesterséges létesítményeket alaprajzi kiterjedésükben mérethelyesen ábrázolja. topológiai 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. A topográfiai térképek élnek az eltolt ábrázolás és a szimbólumok használatával, így ha az objektum olyan kis alapterületű, hogy alaprajzban a szükséges hangsúllyal nem ábrázolható, akkor térképi méretét jelentősen meghaladó szimbólummal - egyezményes jellel ábrázolják. Ez azonban azt eredményezheti, hogy a szimbólum letakarhat más objektumokat vagy azok szimbólumait. A takarás elkerülése érdekében a topográfiailag kevéssé fontos objektumot ilyenkor eltolják. Ezáltal a térképeken mesterséges torzítások lehetnek. tematikus térképek: A tematikus térképek alapja, háttértérképe egy általános térkép, melynek egyetlen célja, hogy a térképen ábrázolt tematika térbeli elhelyezkedése azonosítható legyen.
A grafikus megjelenítés során az egyes objektumcsoportok tematikus ábrázolására a fedvények szolgálnak * * forrás: Detrekői-Szabó: Bevezetés a térinformatikába
A geometriai adatok azonosítására szolgáló legelterjedtebb vonatkoztatási rendszerek geocentrikus : Föld elméleti tömegközéppontjához illesztett derékszögű koordinátarendszer ellipszoid felületi, gömbfelületi, síkfelületi : a Földhöz egy adott pontban érintkező sík
A geocentrikus és az ellipszoid koordináta rendszerek* * forrás: Czimber Kornél: Geoinformatika
Helykoordináták és mértékegységek Földrajzi szélesség (LAT, φ) és hosszúság (LON, λ) Távolságmérés alapegysége : 1 ívperchez tartozó ívhossz (georaphical mile) közelítőleg 1855 m tengeri mérföld (nautical mile) 1852 m A Föld kerülete közelítőleg 21600 tmf, 40 000 km
A vetítési módszerek csoportosítása hengervetületek: melyek lehetnek normális-, ferde-, transzverzális- esetleg süllyesztett hengerekre történő vetítéssel kapott vetületek; kúpvetületek: ezen vetületek előállítása különböző elhelyezkedésű kúpokra vetítéssel történik; sík- és sztereografikus vetületek: síkra történő vetítés eredményei; egyéb, egyenletekkel leírható vetületek.
A földrajzi objektumok térbeli kapcsolatainak kezelése Az objektumok helyének meghatározásán, megjelenítésén kívül a térinformációs rendszerek képesek az egyes objektumok közötti kapcsolatok kezelésére. A leggyakrabban előforduló térbeli keresések: melyek azok az objektumok, amelyek érintkeznek egy másikkal, melyek azok az objektumok, amelyek láncszerűen kapcsolódnak egy másikhoz, melyek azok az objektumok, amelyek egy területen belül találhatók, melyek azok az objektumok, amelyek metszik egymást, melyek azok az objektumok, amelyek közelében vannak egy másiknak, objektum kiterjedésének különbsége objektumok relatív elhelyezkedése Ezenfelül a térinformációs rendszerekben lehetőség van a térbeli lekérdezések eredményeiből listát készíteni és leválogatást végezni.
Térinformációs adatbázis fejlesztése 1. Felhasználói igények meghatározása Funkciók azonosítása Funkciók biztosításához szükséges adatok Adatok logikai csoportokba rendezése 2. Objektumok és kapcsolataik Objektumok leírása Objektum kapcsolatok meghatározása Modell diagram elkészítése 3. Megjelenítési mód kiválasztása Objektum megjelenítés (pont, vonal, terület) Jellegzetességek raszteres megjelenítése Felületek megjelenítése 4. Földrajzi adatok összekapcsolása Geometriai és egyed tulajdonságok meghatározása Objektumok kapcsolatai Attribútumok hozzárendelése 5. Földrajzi adatbázis struktúra megtervezése Rendszertervezés Topológiai összefüggések Koordinátarendszer hozzárendelés Szabályrendszerek
Ajánlott irodalom Detrekői Ákos Szabó György: Bevezetés a térinformatikába, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest 1995 Stephen R. Galati: Geographic Information Systems Demistified, Artech House, Norwood 2006 Yilin Zhao: Vehicle Location and Navigation Systems, Artech House, Norwood 1997 Elek István: Bevezetés a geoinformatikába, ELTE Eötvös Kiadó, Budapest 2008 Országos közutak nyilvántartása (e-út 08.01.21) Az azonosítópont típusú helyazonosítási mód (e-út 08.01.11)