Háromdimenziós képi (terepi) adatokra épülő természetes folyamatok modellezése Berke József 1, Sisák István 1, Szabó József 2, Kelemen Dezső 2, Szeiler Gábor 3, Berkéné Várbíró Beáta 4 1 Veszprémi Egyetem, Georgikon, Mezőgazdaságtudományi Kar, Keszthely berke@georgikon.hu www.georgikon.hu/digkep/ikta112.htm 2 PICTRON Számítás- és Videotechnikai Kft., Budapest 3 Szeiler és Társa Bt., Keszthely 4 Kvark Számítástechnikai Bt., Keszthely Abstract. A harmadik évezred küszöbén a föld felszínéről gyűjtött információk bősége az információkat előállító rendszerek fejlesztése és marketingje mellett, egyre inkább előtérbe helyezte a hatékony és sokoldalú felhasználást. Felismerve a fentiek hazai jelentőségét, az Oktatási Minisztérium Kutatásfejlesztési Helyettes Államtitkársága széleskörű hazai kutatási program pályáztatását és indítását végezte 2000-ben, IKTA3-KÉPI-2000 Digitális képi technológiák és alkalmazások program keretében, a meglévő légi és űrfelvételek korszerű hazai hasznosítása érdekében [17]. Előadásunkban bemutatjuk az IKTA-00112/2000 Háromdimenziós képi adatokra épülő ökológiai folyamatok modellezése kutatási program amely a fenti program része - célkitűzéseit, és az eddig (a projekt 2/3-át bemutató) elért eredményeket: természetes megvilágítás szimulációja, köd- és páratartalom szimuláció, repülés szimulációk, ökológiai folyamatok vizuális szimulációja, stb. 1. A projekt célja Az utóbbi években készített hazai légifelvételek [3, 7, 8] számos nemzetgazdaságot is érintő fejlesztési program megvalósítását teszik lehetővé. Ezek közé tartozik olyan valósághű modellek kidolgozása is, amelyek pontosságukkal, gyorsaságukkal, számítógépes szimulációval történő kiegészítésükkel közvetlen alkalmazhatóvá válnak akár a mezőgazdaság, geológia, meteorológia, környezetvédelem, turisztika területein is. Az IKTA3 112/2000 Háromdimenziós képi adatokra épülő ökológiai folyamatok modellezése elnevezésű kutatási program, olyan lehetőségek kiaknázását tűzte célul, amelyek háromdimenziós DTM alapú vizuális alaprendszer (vektoros és raszteres is) létrehozására épülnek, a fentiekhez illeszkedő szimulációs vizsgálatokhoz.
Háromdimenziós képi (terepi) adatokra épülő 185 Az alábbiakban felsorolás jelleggel ismertetjük a főbb célkitűzéseket [1, 2]: Háromdimenziós DTM alapú vizuális alaprendszer (vektoros és raszteres is) létrehozására, EOTR szelvényezés alapján. Környezetileg érzékeny területek lehatárolása a vonatkozó EU rendelkezések szerint. Kedvezőtlen adottságú tesztterületek meghatározása (lejtési, magassági és talajadatok alapján). Ökológiai folyamatokhoz 3D szimulációs modellek készítése (EECONET Egységes Európai Ökológiai Hálózat ajánlásai alapján). Megfelelő valósághű, háromdimenziós adatokhoz illeszkedő speciális grafikus adatbeviteli felület kifejlesztését. Konkrét szimulációk megvalósítása, azok oktatási és további kutatási alkalmazása. A fenti program (112/2000) megvalósítását egy konzorcium végzi, melynek tagjai a szerzői felsorolás alatt találhatók. A KÉPI-2000 elnevezésű kutatási, fejlesztési programok lebonyolítását, koordinálását, támogatását az Oktatási Minisztérium Kutatás-fejlesztési Helyettes Államtitkársága végzi [1]. 2. Az alapmodell létrehozása A program alapját képező terepmodell létrehozásához során elsődleges szempontként a megfelelő referencia adatokra épülő légifelvételeket említhetjük. Esetünkben a légifelvételeket a Magyar Honvédség Térképészeti Hivatala által koordinált éves légifelmérések (MH TEHI) szolgáltatták [3]. Ezek analóg képek, melyeket LEICA RC-30 típusú kamerával [4] készítettek. A kamera felépítésében és gyakorlati alkalmazhatóságában jól ismert, nagy pontosságú adatok létrehozását biztosítja. A felvételezés pankromatikus filmre történt, amely a látható spektrum nagy részét (400-670 nm) lefedi, a visszavert fény intenzitását és hullámhosszát olyan szürkeségi árnyalatokként rögzíti, amely alkalmas a későbbi digitális nyersanyagok előállítására. Ezek a felvételek hazánkban főleg térképezési célra készültek és készülnek napjainkban is. Ezért az alkalmazhatóságuk megítélése is a program feladatai közé került [5]. Az előhívott légifelvételeket napjaink egyik csúcsminőségű speciálisan légifilmek digitalizálására kialakított INTERGRAPH ImageStation PhotoScan szkennerével kerültek digitalizálásra [3, 6]. A kapott digitális állomány torzításmentes, 7,5 vagy 15 mikron képi felbontású, veszteségmentes raszterkép, GeoTIFF [9] formátumban, 1 mikronos geometriai felbontással és tengelyenkénti 2 mikronos geometriai pontossággal. A raszteres világban számos képi adatformátum ismeretes [10]. Mi indokolta esetünkben, hogy egy bonyolult, nem helytakarékos formátum képezze az egzakt számításaink alapját. A választásunk indoklása előtt tekintsük át a legjellemzőbb vonásait a GeoTIFF [9] formátumnak. A TIFF formátum azon szakterületeknek lett kifejlesztve, amelyek tetszőleges pixeltartalmú raszteres képeket hardver- és szoftver független módon kívánnak átvinni az egyik rendszerből egy másik számítógépes
186 Berke és mtsai (digitális) rendszerbe. GeoTIFF formátummá való továbbfejlesztésére azért volt szükség, mert az eredeti verzió nem támogatta a földrajzi vonatkozásokkal kapcsolatos műveleteket [7]. Ezeknek a műveleteknek a leírásához számos új, különböző típusú paraméterre lett volna szükség, amelyeket a hagyományos módon különálló TIFF címkékkel leírva, új címkék százaira lett volna szükség. Mindez kimerítette volna az új címkék tárolási lehetőségeit. A problémák elkerülése érdekében a GeoTIFF fájlok olyan kulcsokkal (GeoKeys) kerültek kiegészítésre, amelyek támogatják a térinformatikai, távérzékelési rendszerekben alkalmazott eljárásokat, terepi, geológiai szabványokat. A kutatási területek alapját képező folyamatok modellezéséhez szükséges területek lehatárolása (1. ábra), majd a keletkező adatok becslése után került sor olyan hardver és szoftver rendszerek telepítésére, amelyek alkalmasak a keletkező adatok digitális kezelésére, megfelelő illesztési felületeket tartalmaznak további fejlesztésekhez, szimulációkhoz és természetesen más szakterületekhez is illeszthetőek. 1. ábra Kutatási területek alapját képező folyamatok modellezéséhez szükséges területek egy lehetséges lehatárolása Ezen főbb szempontok alapján került sor egy SGI 330 grafikus - Windows alapú munkaállomás [11, 5] és egy hozzá illeszkedő ERDAS IMAGINE Professional szoftverrendszer telepítésére [5, 12, 13, 14, 16] (2. ábra, 3. ábra).
Háromdimenziós képi (terepi) adatokra épülő 187 3. ábra ERDAS Imagine szoftver rendszer 2.ábra SGI 330 grafikus munkaállomás A digitálisan előkészített légifelvételek EOV (Egységes Országos Vetületi Rendszer) vetületi rendszerbe kerültek [3, 7], a szükséges alapadatokat a DTA-50 alaptérkép (MSZ K1066 sz. szabvány) [3] tartalmazza. Az így előállított képi adatok már közvetlenül alkalmasak egzakt (térképészeti, térinformatikai szempontokat is kielégítő) vizsgálatokhoz. A magassági alapadatokat a Digitális Domborzati Modell (DDM) adja szelvényenkénti grid állományok formájában, megfelelő illesztéssel. A 4. ábrán több légifelvételből készített, Keszthely és környékét bemutató, EOV vetületi rendszerbe transzformált kép látható. 4. ábra Keszthely és környékét bemutató, EOV vetületi rendszerbe transzformált légifelvétel
188 Berke és mtsai 5. ábra A magassági adatokat tartalmazó Digitális Domborzati Modell (DDM) egy részlete A fentiek szerint előállított független alapadatokat (EOV GeoTIFF raszter, DDM, tetszőleges vektoros vagy raszteres rétegek, stb.) egyetlen modellé kapcsoltunk, majd 3D alapú megjelenítést alkalmazva közvetlenül megtekinthető és szimulációkra is alkalmas modell áll elő. Az elkészített modellt VRML formátumra konvertálva más rendszerek számára is elérhető, az alapadatokat nem tartalmazó, de OpenGL alapú, platform független megjelenítést támogató modellt kapunk (6. ábra). Ezzel előállt a szimulációkhoz szükséges, 3D alapú alapadatbázis. 6. ábra Digitális alapadatokra épülő, platformfüggetlen megjelenítést biztosító VRML modell
Háromdimenziós képi (terepi) adatokra épülő 189 3. Eredmények A projekt során meghatároztuk a tesztterületeket, felmértük és létrehoztuk az ezekre vonatkozó 3D valósághű alapadat rendszert. A tesztterületek kiválasztásánál az alábbi szempontokat kívántuk figyelembe venni: Légifelvételezés során kapott friss (3 éven belüli) adatok álljanak rendelkezésre. A területről nyert adatok illeszthetők legyenek a meglévő információkhoz. Megfelelő pontosságú ortofotó létrehozása legyen lehetséges. Használható legyen az EOV vetületi rendszer. Nem képi jellegű, referenciák legyenek a területről. Terepi színtű ismeretsége legyen a kutatóknak a kiválasztott területről. A fenti szempontok alapján az alábbi területeket választottuk ki egy szakmai workshop keretében: 1. Örvényes és környéke (EOV: 554140, 178670 középponttal) 2. GMK szőlészeti kísérleti telepe (EOV: 500280, 152440 középponttal - 7. ábra) 3. Zalaszentmárton és környéke (EOV: 499700, 152780 középponttal) 7. ábra. Georgikon Mezőgazdaságtudományi Kar szőlészeti kísérleti telepe A kutatási program keretében elvégeztük [1, 2, 5, 15]: 1. A Keszthelyi-hegység valósághű, digitális modelljének létrehozásához szükséges eljárások, adatok, munkafolyamatok tervezését. 2. A Keszthelyi-hegység valósághű, nagyfelbontású digitális domborzati modelljének létrehozását ERDAS IMAGINE VirtuGIS rendszerben. 3. A terepi adatokkal kiegészítve megoldottuk a modell pontosítását.
190 Berke és mtsai 4. Panoráma (180 és 360 fokos) felvételeket készítettünk digitális kamerával, majd ezeket geokódoltuk az EOV vetületi rendszerhez, majd a terepi modellhez illesztettük. 5. Három alap szimulációs modellt hoztunk létre, amelyek a további talajtaniökológiai szimulációk alapjául szolgálnak: Repülés szimuláció a további légifelvételek készítésének tervezéséhez Természetes megvilágítás (nap) öröknaptár alapú szimulációja Köd és páratartalom egzakt szimulációja 6. Elkészítettünk és gyári úton előállítottunk olyan multimédia alapú interaktív anyagot (Festmények interaktív kiállítása NSZMAT v1.0), ahol a szimulációs modell egyszerűsített változata felhasználásra került. 7. A kutatási eredményeket hazai és nemzetközi szakmai fórumokon ismertettük [1, 2, 5, 15]. Jelenleg folyik a gyakorlati hasznosítás megvalósítási tervének készítése, valamint a kifejlesztett speciális adatbeviteli felület tesztelése. Irodalom 1. BERKE J., SZABÓ J., SZEILER G., VÁRBÍRÓ B. (2000): Háromdimenziós képi adatokra épülő ökológiai folyamatok modellezése, IKTA3 képi technológiák projektbemutató, Budapest, 2001.01.24.BERKE, J. (2001): Wireless supporting of agricultural and forestry information systems. 4th Concertation Meeting of Mobile/Wireless/Satellite IST projects, Brussels. 3. Honvédelmi Minisztérium Térképészeti Közhasznú Társaság légifelvételek adatbázisa: http://www.mhtehi.gov.hu/. 4. LEICA RC-30 Aerial Camera System Technical Reference Manual. 5. BERKE, J. SZABÓ, J. SZEILER, G. VÁRBÍRÓ, B. (2001): Háromdimenziós képi adatokra épülő ökológiai folyamatok modellezése, IKTA3 képi 2000 workshop, Budapest, 2001.11.14. 6. INTERGRAPH ImageStation Digital Photogrammetric Solutions. 7. FÖMI légifilmtár: http://fish.fomi.hu/fish/adathaz/termekek/legifelvetelek/legifilm.htm. 8. Légifelvételezés: http://www.eurosense.com/uk/serv_photograph_uk.htm. 9. GeoTIFF szabvány formátum leírása /SGI 1992-2001/, ftp://sgi.com/graphics/tiff/tiff6.ps. 10. BERKE, J. - HEGEDŰS, GY. CS. - KELEMEN, D. - SZABÓ, J. (2001): Digitális képfeldolgozás és alkalmazásai. Georgikon Szeiler Kvark, Keszthely - Pictron Kft., Budapest, ISBN 963 00 5744 1. 11. SGI Magyarország honlapja: http://www.silicon.hu/. 12. ERDAS Inc.honlapja: http://www.erdas.com/. 13. ERDAS IMAGINE Magyarországi forgalmazójának honlapja: http://www.bekes.hu/. 14. ERDAS Inc., White Paper IMAGINE VirtualGIS, September 1997 - July 2000.
Háromdimenziós képi (terepi) adatokra épülő 191 15. BERKE, J. - SZABÓ, J. - SZEILER, G. - BERKÉNÉ VÁRBÍRÓ, B. (2001): Háromdimenziós képi adatokra épülő ökológiai folyamatok modellezése. Média - Informatika - Kommunikáció, Veszprém, 2001. szeptember 13-15. 16. BERKE, J. PALLÉR, N. (2000): ERDAS IMAGINE gyakorlati alkalmazása a Georgikon Karon. Második Magyar ERDAS Felhasználói Konferencia, Budapest. 17. Oktatási Minisztérium Kutatás-fejlesztési Helyettes Államtitkársága, http://www.om.hu/.