Geoinformatika
V - Sběr dat
jaro 2019
Petr Kubíček
kubicek@geogr.muni.cz
Laboratory on Geoinformatics and Cartography (LGC)
Institute of Geography
Masaryk University
Czech Republic
Geoinformatika
Lineární referencování
• Metoda lineárního referencování a dynamického
segmentování byla vyvinuta pro usnadnění úloh na
liniových sítích typu:
– silniční síť
– železniční síť
– inženýrské sítě
– říční sítě
• Při práci s geografickými prvky v sítích lze jednodušeji
popisovat jejich polohu bez vyjadřování jejich polohy v
souřadnicovém systému.
• Dynamickou segmentaci je možné chápat jako metodu
nepřímého vyjádření polohy v prostoru.
• Poskytuje efektivní aparát pro reprezentaci objektů s
bodovou a liniovou prostorovou reprezentací.
Geoinformatika
Principy dynamické segmentace
Zjednodušeně lze říci, že dynamická segmentace nám slouží k
tomu, abychom mohli popsat polohu objektu, který je umístěn
v liniové síti, jako jeho vzdálenost od určitého známého bodu.
• Definujme si cestu (linear feature) jako lineární prvek
(polylinie), na kterém jsou definována staničení a události.
Cestou může být silnice, ulice, parovod, řeka apod. Pro každý
vrchol cesty je známo staničení.
• Staničení (measurement system) je systém, jež obsahuje každá
cesta. Na tento systém se pak následně umísťují události (např.
kilometráž dálnice). Staničení má počátek v nějakém zvoleném
bodě a jeho hodnota je dána vzdáleností od tohoto bodu.
• Událost (event) je atribut spojený s cestou. Událost je dvojího
druhu: bodová (např. havárie na dálnici), jež vyžaduje jedno
staničení pro své určení, či liniová (např. druh povrchu dálnice v
určitém úseku nebo rekonstrukce určitého úseku), jež vyžaduje
dvoje staničení (od, do) pro své určení.
Geoinformatika
Lineární referencování
• Dynamická segmentace pak definuje polohu
lineárního prvku pomocí cesty a události na ní
• Podle jiné definice hovoříme o procesu
transformace lineárně referencovaných dat
(událostí), které jsou uloženy v datové tabulce,
do útvarů, které mohou být zobrazeny a
analyzovány na mapě
• Atributová informace, popisující kvalitu dané
časti linie, pak může být v budoucnu dynamicky
udržována bez dělení útvaru potrubní sítě v
mapě.
• V souvislosti s touto problematikou se můžeme
setkat rovněž s pojmem lineární referenční
systém. V některých článcích rovněž s pojmem
jednorozměrný GIS.
Ukázka vztahu datové tabulky a
staničení na cestě
Vztah linie 1: M – jedna linie M atributů
Geoinformatika
Přímé určení polohy – referenční
plochy - geoid, referenční
elipsoid,
Transformace prostorového tělesa (Země) do roviny mapy –
matematická kartografie.
Používají se nejrůznější aproximace – geoid (matematicky
vyjádřitelný, komplexní)
Zemský povrch nahrazujeme referenční plochou referenční elipsoid a
referenční kouli. Mezi referenční plochy patří také rovina, do které je
zobrazena výsledná mapa. Na všech třech referenčních plochách jsou
definovány souřadnicové soustavy.
• Referenční elipsoid
• Elipsoid je matematicky definované těleso, je rotační (rotuje kolem
menší poloosy - S-J). Bývá definován tak, aby jeho střed ležel ve středu
Země a aby se co nejlépe přimykal geoidu.
• Souřadné soustavy na referenčním elipsoidu:
• zeměpisná šířka a délka, někdy též nazývané geodetická šířka a délka φ
a λ
• Volba náhradního elipsoidu pro konkrétní použití se v anglické
literatuře nazýva datum.
• Bessel, Krasovského, WGS 84
Následující snímky byly
řešeny v Geografické
kartografii, věnujte
pozornost terminologii.
Geoinformatika
Geodetické referenční systémy
a kartografická zobrazení ČR
• Nařízení vlády č. 430/2006 Sb. Podle tohoto
nařízení jsou závaznými geodetickými
referenčními systémy následující:
• světový geodetický referenční systém 1984
(„WGS84“); v tomto referenčním systému jsou
zobrazeny od 1.1.2006 vojenské topografické
mapy
• souřadnicový systém Jednotné trigonometrické
sítě katastrální („S-JTSK“); daný souřadnicový
systém se používá v civilním sektoru - tedy
mapy, které spravuje ČÚZK (Základní mapa ČR,
katastrální mapy,...)
• evropský terestrický referenční systém („ETRS“)
• výškový systém baltský - po vyrovnání („Bpv“)
Geoinformatika
Křovákovo zobrazení
• Křovákovo zobrazení je dvojité kuželové konformní zobrazení v šikmé
poloze, převádějící Besselův elipsoid do roviny prostřednictvím referenční
koule. Navrhl jej ing. Josef Křovák v roce 1922.
• Křovákovo zobrazení je základem pro souřadnicový systém S-JTSK.
• V rozsahu území ČR (a bývalého Československa) je prakticky možno zobrazovat
zeměpisné poledníky na mapách jako přímky a zeměpisné rovnoběžky jako
soustředné kružnice.
• Základní vlastnosti:
– 1. je to pravoúhlý souřadnicový systém,
– 2. jednotkou je metr,
– 3. chyba způsobená transformací (projekcí) reality do souřadnicového
systému S-JTSK je na sledovaném území snesitelná.
Geoinformatika
Zobrazení UTM
• Zobrazení UTM (Universal Transverse Mercator) je
konformní válcové zobrazení v příčné poloze.
• Je definováno na elipsoidu WGS84
• Při zobrazení zemského povrchu do roviny pomocí
UTM je zemský povrch rozdělen na poledníkové
pásy. ČR leží v pásu 33 a 34.
• Každý poledníkový pás je zobrazen na samostatnou
válcovou plochu.
• Každý poledníkový pás má svůj vlastní souřadnicový
systém.
• WGS jednotky: stupně (zeměp. šířka a zeměp.výška)
Geoinformatika
Geoinformatika
Státní mapová díla
podle Nařízení vlády č. 430/2006 Sb.
• katastrální mapy
• Státní mapa v měřítku 1:5 000 (dříve SMO5)
• Základní mapa České republiky v měřítcích (ZABAGED)
– 1: 10 000
– 1: 50 000
– 1:100 000
– 1:200 000
• Mapa České republiky 1:500 000
• Topografická mapa v měřítcích (DMÚ)
– 1: 25 000
– 1: 50 000
– 1:100 000
• Vojenská mapa ČR v měřítcích:
– 1:200 000
– 1:500 000
• Mapa České republiky 1:500 000
• tematická mapová díla vytvořená pro celé území státu na
Geoinformatika
Kahoot
SBĚR DAT
Geoinformatika
Zdroje prostorových dat pro GIS
• Naplňování databáze je v drtivé většině případu
jednoznačně nejnáročnějším a nejzdlouhavějším krokem
v rámci GIS projektu.
• Obecně lze pro vstup použít různé zdroje údajů.
• V úvahu přicházejí zvláštně mapy, náčrty v
souřadnicovém systému, údaje z geodetických měření,
fotogrammetrické snímky a obrazové záznamy DPZ,
statistické údaje a další.
• Při pořizování dat je ale důležité vybrat vhodný způsob a
vhodná technická zařízení, která mi umožní získat data ve
vhodné přesnosti a za přijatelnou cenu.
• V zásadě je možné zdroje dat
rozdělit na primární a sekundární.
Geoinformatika
Zdroje prostorových dat pro
GIS
• Primární – přímo měřená data
– terestrická (pozemní/geodetická) měření
– Globální polohové systémy (GPS, Glonass,…)
– Fotogrammetrie
– Dálkový průzkum Země (DPZ)
– Laserové skenování (LIDAR)
• Sekundární – již jednou zpracovaná
data
– manuální vstup přes klávesnici
– digitalizace
– skenování a vektorizace
Geoinformatika
Zdroje prostorových dat pro GIS
Geodetická data
Geoinformatika
Zdroje prostorových dat pro GIS
Geoinformatika
Zdroje prostorových dat pro GIS
Zpracování obsahu terénních zápisníků údajů pozemních
geodetických měření:
– Ruční přepis papírového zápisníku nebo zaznamenání údajů o
měření do digitálního zápisníku.
– Zpracování v geodetickém SW (někdy existuje jako modul v GIS).
– Import dat z geodetického SW (většinou CAD based).
– Jednoduchou variantou GIS modulu pro zpracování měřených dat
je tzv. COGO modul (coordinate geometry ~ souřadnicová
geometrie). Základní funkcionalitou je zadání prvního
bodu v souřadnicích X,Y a následné zadávání dalších
bodů pomocí směru a vzdálenosti od prvního bodu.
• Používá se hlavně pro mapy velkých měřítek
(katastrální mapy, technické mapy, plány, …).
• Produkuje vektorová data, přesnost cm.
Geoinformatika
Zdroje prostorových dat pro GIS -
GNSS
Global Navigation Satellite Systém (GNSS) –
Globální družicový polohový systém
• GPS NAVSTAR (Spojené státy americké)
• GLONASS (Ruská federace)
• Galileo (Evropská unie)
• Baidu (Čína)
Rádiový dálkoměrný systém
Geoinformatika
Historie GPS
- 60. léta: USA – jak zjistit rychle a přesně
polohu svých jaderných ponorek kdekoli na
Zemi?
– 70. léta – nalezení teoretického řešení a
následná praktická realizace GPS
(NAVSTAR), následně byla vystavěna síť 24
družic.
– Květen 2000: zrušení S/A – záměrné chyby
zaváděné do GPS signálu.
– 2005 – budování sítí referenčních stanic v
ČR (CZEPOS, VESOG).
Geoinformatika
Segmenty GNSS
• Uživatelský
• Řídící
• Vesmírný
• GPS přijímač počítá
rozdíly mezi
vlastním časem a
časem uvedeným v
signálu družic pro
zjištění vzdálenosti
a polohy.
• Vlivy atmosféry,
povrchu, pohybu.
Geoinformatika
Vliv počtu satelitů na určení
polohy
• 1 satelit = vzdálenost GNSS – satelit
• Minimum 4 satelity
Geoinformatika
GNSS přesnost
– jeden přijímač
• navigační +/- 10m (ale až 40)
• „GIS“ i submetrová přesnost
– geodetická souprava, či geodetická
aparatura v síti referenčních stanic –
cm/mm
• statická metoda (více přijímačů, dlouho,
postprocessing)
• RTK (Real Time Kinematic) – jeden přijímač,
korekce z permanentních referenčních stanic.
Geoinformatika
Další charakteristiky GNSS dat
– Po zpracování jsou GPS data ve tvaru souboru [X,Y,Z]
souřadnic a ty většina systémů umožní snadno zpracovat.
– GPS se hojně používá pro navigaci, sledování objektů
(vozidel, …) v reálném čase a analýzy v GIS na jejich
základě.
– GPS udává geografické souřadnice v souřadnicovém
systému WGS 84, tudíž pro použití v ČR je nutné u
získaných dat většinou převést data do jiného
souřadnicového systému (S-JTSK).
– produkuje vektorová data.
GPS x terestrické metody
+
– levný a rychlý sběr
dat zejména
bodových polí a
měření v extravilánu
(mimo zastavěnou
část obce),
– dá se měřit kdykoliv
(v noci) a za každého
počasí,
– snadná konverze do
GIS,
– v poslední době jsou
GPS vysoce přesné
–
vysoké budovy a
stromy (v lese)
blokují signály
satelitů,
- vyšší cena;
– relativně složitá
konfigurace systému
(pořízení, přeškolení
klasických měřičů,
…),
– špatně se měří
nedostupné objekty.
Geoinformatika
Fotogrametrie
• Fotogrammetrie (FGM) je věda zabývající se
rekonstrukcí tvaru, velikost a polohy předmětů
zobrazených na fotogrammetrických snímcích.
• Měření se uskutečňuje na fotografii, ne na objektu,
jedná se tedy o bezkontaktní (nepřímou) metodu
sběru dat.
• Existuje fotogrammetrie letecká a pozemní, a také
jednosnímková a dvousnímková, analogová a digitální.
• Výstupy z fotogrammetrie - digitální model reliéfu
(DMR), digitální ortofoto.
• Přesnost závisí na velikosti pixelu, v současnosti cca
0,17 – 0,5 m.
• Data jsou k dispozici v rastrové podobě.
• Aktualizace map velkých měřítek (1:10 000).
Geoinformatika
Laserové skenování Lidar
• Light Detection and Ranging (LIDAR)
• Princip LIDAR je postaven na aktivním senzoru, který
vyšle laserový paprsek a zaznamená jeho zpětný
odraz.
• Odrazů může být několik, první je považován za
digitální model povrchu (DMP, DSM – digital surface
model). Poslední odraz je pak považován za digitální
model reliéfu (DMR, DTM – digital terrain model).
• Teprve potom se senzor otočí a zaznamenává další
bod!
• Existují letecké a pozemní scannery!
Geoinformatika
Lidar
• Digitální model povrchu x model reliéfu
Pokryté oblasti
DMP
DMR
Geoinformatika
Geoinformatika
LLS - problémy
Geoinformatika
Horizontální skenování
Geoinformatika
Sekundární zdroje dat
• Sekundární zdroje dat jsou již jednou
zpracované primární zdroje
• => jsou v nich obsaženy chyby získané již
během prvního zpracování dat, tudíž
nemohou být přesnější než zpracovávané
primární zdroje.
• Možnosti jejich vstupu do GIS
– manuální vstup přes klávesnici (pracné,
zdlouhavé)
– digitalizace
– skenování a vektorizace
– import dat.
Geoinformatika
Manuální digitalizace
• Využívá se tablet-digitizér, což je zařízení na snímání
souřadnic s různě velkou pracovní plochou (obvykle A3-A0)
a různou rozlišovací schopností a přesností .
• Je třeba kalkulovat i s měřítkem podkladu!
• Princip digitalizace – snímaný podklad se upevní na
pracovní plochu a pomocí zaměřovacího kříže (kurzoru) je
snímána poloha zaměřovaných bodů a z klávesnice nebo
pomocí kurzoru se zadává identifikátor objektu.
dvě základní metody digitalizace:
– bodová (point) - kliká se na každém
vrcholu, který je třeba zaznamenat.
– proudová (stream) - počítač
automaticky zaznamenává sekvence
bodů v zadaném časovém nebo
vzdálenostním intervalu.
Geoinformatika
Postup digitalizace
1. Definování oblasti - definování minimálních a
maximálních hodnot souřadnic.
2. Registrace mapy - zadání nejméně 4 kontrolních
(identických) bodů (co možná nejvíce po obvodu).
Jedná se například o rohy mapových listů, od kterých
známe souřadnice v souřadnicovém systému. Nejprve
se do GIS zadají souřadnice těchto bodů v cílové
soustavě, např.: S-JTSK a potom se tyto body
identifikují (kliknutím) na mapě.
3. Vlastní digitalizace mapy.
4. Editace chyb - nespojení čar, nedotahy a přetahy,
vícenásobné zaznamenání - souvisí s topologickým
čištěním (viz. dále).
Digitalizace – výhody a
nevýhody
+
– Malé finanční nároky; digitizéry
jsou relativně levné, pracovní
síla je také levná.
– Flexibilita a adaptibilita na
různé zdroje dat.
– Technika je snadno
zvládnutelná v krátkém čase lze
se snadno naučit.
– Kvalita výstupů je víceméně
vysoká.
– Digitizéry jsou velice přesné
(přesnější než zdrojová data).
– Snadné úpravy
digitalizovaných dat.
–
Přesnost je limitována
stabilitou vstupního
média.
– Digitalizace je únavná a
nudná, tudíž velice
náchylná k operátorovým
chybám.
Geoinformatika
Skenování a vektorizace
• Stále rozšířenějším způsobem převodu dat z
analogové do digitální (rastrové) formy.
• zařízeních sloužících k optickému snímání
dokumentů.
• Typy skenerů:
– Bubnové
– Deskové (stolní)
– Posuvné velkoformátové
– 3D
Geoinformatika
Skenery
• Nejdůležitějšími hodnotícími ukazateli jsou:
– optické rozlišení (body na palec - Dots Per Inch, dpi),
– přesnost - souvisí s tím, jak precizně je vyroben snímací
senzor, tj. jak pravidelně jsou na něm umístěny snímací
prvky,
– barevnost či šedotónovost.
300 DPI 600 DPI
Geoinformatika
Vektorizace
• Automatická - vše dělá počítač. Je to velice rychlé (co
se tyče nároků na uživatele), ale je nutné provádět
čištění vektorových dat.
• Polautomatická - interaktivní metoda, s tím že počítač
sám vektorizuje, ale uživatel jej koriguje na sporných
místech (ArcScan).
• Ruční (on screen digitizing) - interaktivní, kdy uživatel
provádí sám vektorizaci na základě rastrového
podkladu. Některé systémy umožňují automatizovat
alespoň přichycení na rastr (Kokeš, GeoMedia Pro).
Geoinformatika
Import geometrických dat
• Soubory – binární/textové
– Souřadnice
– CAD
– Vektorová grafika
– Rastrové soubory
– GIS výměnné formáty
• Databázové připojení
• Webové služby
• Senzory
Geoinformatika
Souřadnice
• Textové soubory
– Oddělení mezerou, tabelátorem, čárkou
– S hlavičkou nebo bez
– Oddělovače řádků (závislé na OS)
– Znaková sada (kvůli atributům) UTF/ASCII a
rozšíření
• Databázové výměnné soubory (.dbf)
• Spreadsheetové výměnné soubory (.xls)
Geoinformatika
Atributová data
Způsoby vstupu do GIS:
• Manuální
• Skenování + rozpoznávání textu (OCR)
• Převod z externích digitálních zdrojů
Geoinformatika
Manuální zadávání atributů
• Nejběžnější způsob zadávání atributových dat je manuálně,
pomocí klávesnice, na což stačí pouze jednoduchý hardware.
• Možné problémy s integritou dat – lze kontrolovat.
• Atributy se následně navazují na prostorovou část pomocí
unikátního identifikátoru, který prostorové prvky již obsahují
(vytváří se obvykle již při jejich tvorbě).
• Kontrola správnosti zadaných údajů.
– Single Key Data Entry - jeden operátor zadává atributová
data a druhý operátor již zadaná data kontroluje (porovnává
originál s vytištěnými výpisy, …).
– Double Key Data Entry - atributová data jsou zadávána
dvěma na sobě nezávislými operátory (každý zadává stejná
data) a poté se obě varianty v počítači porovnají. Při nalezení
rozdílných hodnot se zadaný atribut překontroluje a opraví.
Metoda se používá spíše na větší projekty, u kterých velice
záleží na správnosti zadaných údajů.
Geoinformatika
Skenování + rozpoznávání textu
• Další možností je scannování textu obsahující žádané
atributy a poté jeho automatizované rozpoznávání
pomocí nějakého OCR (Optical Character Recognition
- nástroje na rozpoznávání písma) software.
• Tato metoda, ačkoli relativně velice rychlá, je stále
úspěšná jen z části a je možné ji aplikovat většinou
pouze na již tištěný text (i z psacího stroje). Po
automatickém převodu je navíc nutné vše pečlivě
zkontrolovat (podobně jako u manuálního zadání
pomocí metody Single Key Data Entry).
• Problémy s diakritikou.
• Další nevýhodou je obvyklá nutnost ručního
navazování atributů na prostorovou část, podobně
jako u ručního zadávání dat.
Geoinformatika
Převod z jiných zdrojů
• Kritéria pro volbu vhodnosti či nevhodnosti zdroje:
– Formát souboru - mám možnost ho použít/importovat, případně existuje
konverzní program?
– Přenosové médium - na čem budu data přenášet? (CDROM, disketa, DAT
pásek, síť). Toto kritérium je důležité hlavně v případě přenosu dat velkých
objemů, například letecké snímky.
– Tematický obsah dat - jsou v datech obsaženy všechny prvky co potřebuji?
– Měřítko a přesnost - jsou data v požadovaném měřítku a přesnosti ?
– Časový interval pořízení - kdy byla data pořízena a k jakému časovému
intervalu se vztahují?
– Souřadnicový systém - v jakém SS byla data pořizována? Mohu takový
souřadnicový systém využít (případně mohu provést transformaci do mnou
používaného souřadnicového systému)?
– Kompatibilita datových modelů - např. problematika převodu křivek při
převodu z CAD do GIS nebo i z GIS do GIS, převod formátu atributů.
– Cena - …