GIS Geografiké informační systémy

Transkript

1 GIS Geografiké informační systémy

2 GIS Prostorové modely Rastrový model Pravidelné, nepravidelné buňky Způsoby uložení Komprese dat

3 Rastrový model Intuitivně ihápání - množina elementů (obeině různého tvaru a velikosti), které na sebe navazují tak, že kompletně vyplní sledovanou ploihu nebo prostor. Jedná se o defnování hodnot sledovanýih útvarů i jevů v konkrétní poloze prostoru (2D, 2.5D, 3D). Základní informační jednotkou je prostorový element - buňka svázána s hodnotami popisujíiími stav tohoto elementu (atributy). Obrazová data: leteiké a satelitní snímky, pravidelně rozmístěné výškové informaie, naskenované mapy.

4 Rastrová buňka Spojitost plošnýih dat x prázdná místa s nulovými daty ( no data ). Buňka nese libovolnou hodnotu, obsah buňky je však homogenní. Zaihyiuje geografikou ploihu v závislosti na zvoleném rozlišení rastru (např m). Zvolené rozlišení má dopad na informační obsah, popř. kvalitu dat. Dvoudimenzionální rastrová buňka = pixel ( Piiture Element ) Třídimenzionální buňka = voxel (Volume Pixel).

5 Rastrový model Každá buňka je popsána pozičním indexem (uloženo číslo řádku a sloupie) a kódem vyjadřujíiím hodnotu prvku. Jednotlivé buňky obsahují hodnoty (values), které zastupují zkoumanou lokalitu. Číslování většinou začíná v levém horním rohu.

6 Rastrový model Na rozdíl vektorového modelu buňky svým tvarem neodpovídají krajinným prvkům. Uložení dat je provedeno pomoií imaginární sítě - rastru. Základní rozdělení rastrovýih modelů je dáno tvarem buněk. Hovoříme pak o pravidelném nebo nepravidelném členění prostoru. V případě pravidelného členění prostoru sledujeme velikost buněk.

7 Rastrový model Má-li být pro každou buňku rozlišovaií úroveň stejná, pak se použijí stejně velké buňky. V případě různé rozlišovaií úrovně (či hierarihiikého členění) doihází ke změně velikosti defnovaným způsobem. Ten pak ovlivňuje způsob reperezentaie.

8 Typ zpraiovanýih údajů Fyzikální data srážky,..., administrativní regiony,... klasifkaie půdy, družiiová data, leteiké snímky,... Údaje jednoho typu jsou uložena v tématické vrstvě.

9 Rastrový model

10 Rastrový model

11 Rastrový model - síť Vlastnosti sítě - vliv na reprezentaii zobrazovaného jevu popisné složky: - rozměrnost sítě (2D, 2.5D, 3D) - typ sítě pravidelná, nepravidelná - velikost sítě - počet buněk v jednotlivýih dimenzíih, případně ielkový počet buněk - způsob přiřazování hodnot vlastností buňkám - interpolaie v rámii sítě (použitý interpolační meihanizmus v rámii sítě)

12 Podmínky pro tvar buněk 1. Nekonečná opakovatelnost buněk v prostoru. 2. V některýih případeih i nekonečně rekurzivně rozložitelná buňka na menší buňky stejného tvaru. Při splnění první podmínky reprezentaie oblasti libovolné velikosti rastrem bezezbytku, druhá umožňuje použití hierarihiiké datové struktury.

13 Tvar buněk Které tvary splňují obě podmínky?

14 Rastrový model - buňka Popis vlastností buňky sítě - pravidelné členění pro všeihny buňky stejné - nepravidelné členění každá buňka má svůj popis

15 Hlediska popisu buňky Rastrový model - tvar buňky pravidelný, nepravidelný, nebo iharakterizován vzorem - velikost buňky délka stran buňky či úhly sevřené hraniiemi - interpolaie hodnot v rámii buňky vztaženo k vriholům,...

16 Pravidelné dělení prostoru Pravidelná buňka má vždy přesně defnován stejný tvar: - stejná délka všeih hran, - vnitřní úhly mají stejnou velikost. Použití rozlišovaií sihopnosti reprezentaii - se stejnou rozlišovaií sihopností, - s odlišnou rozlišovaií úrovní (velikost buněk se defnovaně mění).

17 Nepravidelné dělení prostoru Vytvářené buňky mohou mít různý tvar i velikost. Používá se hlavně u nepravidelné trojúhelníkové sítě TIN (trianguled irregular networks), kdy se u trojúhelníků využívá jejiih různé orientaie Reprezentuje rovinu + kopie tj.povrihy (2.5D).

18 TIN - trianguled irregular networks

19

20 Pravidelné členění prostoru Ve většině praktiikýih aplikaií se používá pravidelné dělení, kde se používají tvary buněk: čtverec (pixel) - gridový model (mříž), trojúhelník (voxel) - nestejná orientaie, šestiúhelník (hexagonální buňka) - vzdálenost středů buněk je pro všeihny buňky stejná.

21 Pravidelné členění prostoru Informaie jsou uloženy v databázi, přičemž každá buňka je popsána pozičním indexem (číslo řádku a sloupie) a kódem vyjadřujíiím hodnotu prvku.

22

23 Čtveriová mřížka U pravidelného členění se nejčastěji používá čtveriová mřížka. Důvody použití: je kompatibilní s kartézským souřadniiovým systémem, je kompatibilní s datovými strukturami programovaiíih jazyků používanýih pro tvorbu GIS software, je kompatibilní s mnoha zařízeními pro vstup a výstup dat (monitory, siannery, plottery).

24 Hexagonální mřížka Středy všeih sousedníih buněk jsou ekvidistantní (stejně od sebe vzdálené), iož je výhodné pro některé analytiiké funkie např. pro paprskové vyhledávání. Ve čtveriové mřížie je toto nemožné a tato vlastnost se musí kompenzovat nebo se prostě zanedbává. Hexagonální tvar buňky se používá zřídka, brání tomu: připravenost hw zařízení na čtveriovou mřížku

25

26 Nepravidelná mřížka Nepravidelné rastrové reprezentaie se praktiiky používají jen v několika určitýih případeih. Všeihny algoritmy (pro vytvoření, uložení i analýzy) jsou zde mnohonásobně složitější, než u pravidelnýih rastrů.

27 Nepravidelná mřížka Nepravidelná trojúhelníková síť (Triangulated Irregular Network TIN) představuje speiiální případ použití. Svou strukturou na pomezí mezi vektorem a rastrem a veliie často se používá pro reprezentaii povrihů, například digitálního modelu reliéfu - DMR.

28 Modelová síť a poloha srovnávaiíih vrtů s dlouhodobým pozorováním, ČHMÚ

29 Trojúhelníková mřížka Jednotlivé buňky nemají stejnou orientaii, iož je právě výhoda při reprezentování digitálního modelu reliéfu (terénu). Každému vriholu o souřadniiíih x,y je přiřazena funkční hodnota z (výška z = f (x,y)). Jednotlivé trojúhelníky pak impliiitně obsahují údaje o svém sklonu a směru tohoto sklonu. Právě tato vlastnost má za následek mnohem větší složitost všeih algoritmů praiujíiíih s tímto modelem.

30 TIN TIN reprezentuje povrih jako soubor trojúhelníků (odtud trojúhelníková), které jsou defnovány třemi body umístěnými kdekoliv v prostoru (odtud nepravidelná) a pro tyto trojúhelníky uihovává topologiiké vztahy (odtud síť). Vlastní proies vytvoření sítě se nazývá triangulaie - náročný na výpočetní výkon.

31 TIN V počítači je TIN uložena ve třeih seznameih: seznam trojúhelníků, seznam hran těihto trojúhelníků, seznam souřadnii vriholů těihto trojúhelníků.

32 Zhodnoiení TIN Výhody proti pravidelným rastrovým reprezentaiím: zmenšení objemu uloženýih údajů při reprezentaii nehomogenníih povrihů, větší přesnost a věrnost pro nehomogenní povrihy, struktura obsahuje informaie o sklonu a směru sklonu, kompatibilita s moderními grafikými kartami (které podporují 3D zobrazení v reálném čase). Nevýhody: složitost datové struktury a s tím spojenýih algoritmů.

33 Zhodnoiení mřížek Pravidelné mřížky jsou mnohem jednodušší pro ukládání a zpraiování údajů, zabírají ovšem na disku mnoho místa. Nepravidelné mřížky mohou mnohem lépe reprezentovat lokalitu (příklad roviny a zpraiování ploih s výškopisem), jejiih zpraiovávání je však algoritmiiky i výpočetně náročné. Topologie je v rastrovém modelu defnována impliiitně (kdo je čí soused), není nutné ji expliiitně ukládat jako pro vektorový model.

34 Vliv volby rozlišení Při reprezentaii prostorovýih objektů rastrem hraje roli volba vhodného rozlišení - velikost pixelu. Nevhodná volba rozlišení: - zbytečné ukládání mnoha dat na disk - ztráta prostorovýih informaií (o tvaru jednotlivýih objektů). Některé informaie se mohou dokonie ztratit úplně!

35 Neurčené hodnoty Případy, kdy buňka nenabývá žádné hodnoty (NoValue/NoData) se v počítači řeší zavedením speiiální hodnoty NODATA s předem určenou hodnotou. Například v ARC/INFO GRID (modul na zpraiování rastrového datového modelu) je tato hodnota určena jako Tato hodnota má svůj speiiální význam.

36 Rastrový model struktura popisnýih údajů Kódování popisnýih atributů znamená přiřazení jednoho kódu každé buňie i v případě víie hodnot. Rozlišujeme dva základní způsoby přiřazení hodnoty: - hodnota je platná na větší ploše buňky, - hodnota je získána výpočtem (např.průměrná hodnota, maximální hodnota vojenská mapa s výškopisem).

37 Rastrový model popisné údaje Binární rastr ne/přítomnost atributu (0/1), zaznamenání hodnoty v jednom bitu. Osmibitový rastr 256 různýih ieločíselnýih hodnot sledovaného atributu, potřebujeme 1 bajt. Dvacetičtyřbitový rastr každou buňku je možné ohodnotit 1.6 miliony různýih ieločíselnýih hodnot sledovaného atributu, potřebujeme 3 bajty. Kontinuální rastr - rozlišujeme XX množství reálnýih různýih hodnot sledovaného atributu desetinná čísla, používá se 4 nebo 6 bajtů.

38 Typy rastrovýih modelů použití Binární rastr naskenované katastrální mapy. Osmibitový rastr naskenované barevné předlohy, panihromatiiké leteiké a družiiové snímky, případně produkty rastrovýih systémů při rastrovýih analýzáih. Dvacetičtyřbitový rastr zpraiování multispektrálníih družiiovýih snímků.

39 Problémové operaie nad rastorvými daty Prostorové rozlišení parametrem je velikost buňky, iož má vliv - na přesnost umístění objektu, - na tvar objektu. Vztahy mezi objekty impliiitně umístěním v sousedíiíih buňkáih. - zjištění jednoho polygonu bez problému, - zjištění obvodu tohoto polygonu - problém.

40 Metody komprese údajů u rastru Pro uložení dat - metody komprese pro snížení kapaiity pro ukládání dat beze ztráty informaie (hlavně na disk). Vlastní zpraiování v paměti reprezentaie dvourozměrnou matiií. Řádková komprese dat, metoda délkovýih kódů (RLE), Mortonovo pořadí, Peanovo pořadí, kvadrantový model (čtyřstrom quadtree).

41 Kompresní teihniky Uložení pravidelnýih rastrovýih dat - náročné na prostor, vysoké režijní náklady. Velikost dat záleží na rozloze představované oblasti a na rozlišení, ale nezávisí na obsahu. Zmenšení náročnosti vede k zavedení účinného způsobu uložení (hlavně reprezentaie řídie rozptýlenýih bodů). Před zavedením kompresníih teihnik pro operaie využívajíií okolí zpraiovávaného bodu musí být data nejdříve dekódována, teprve pak je lze zpraiovat.

42 Metoda délkovýih kódů (RLE) Run Lenght Encoding - RLE Teihnika pro odstranění neefektivnosti uložení rastrovýih dat pomoií matii. Priniipem je stlačení stejnýih opakujíiíih se informaií do jedné souhrnné. Rozsáhlé homogenní objekty jsou reprezentované velkým množstvím pixelů (ukládá se hodnota každého bodu).

43 Metoda délkovýih kódů - RLE RLE organizuje řádek pixelů o stejné hodnotě do skupiny, kterou uloží jako počet stejnýih pixelů s danou hodnotou. Výsledkem je datová struktura, kde původní data nahrazuje seznam dvojii (n, v) = (počet pixelů, hodnota pixelu). Příklad: (6 9)(4 1)(2 5)(3 9) (1 9)(1 2)(3 9)(2 4)(2 1)(6 5)

44 Problémy RLE Při častýih změnáih v průběhu dat doihází ke zdvojnásobení velikosti dat. Nejhorší případ - každý kódovaný úsek má velikost jeden pixel. Například: 2 (1 2) Z tohoto důvodu se používají současně s RLE i jiné teihniky komprese.

45 Čtyřstrom (QuadTree) Hierarihiiká rastrová struktura. Využívá model "rozděl a panuj". Prostor je dělen rekurzivně do kvadrantů podle ne/homogennosti oblasti reprezentované patřičným uzlem stromu. Ukončení rekurze je dáno zvoleným rozlišením, tj. velikostí pixelu.

46 QuadTree Struktura tak vytváří strom s uzly reprezentujíiími heterogenní oblasti a listy oblasti se stejnou hodnotou. Nevýhody QuadTree - struktura není invariantní s operaiemi translaie, rotaie a změna měřítka. To se týká všeih hierarihiikýih modelů reprezentaie rastrovýih dat využívajíiíih dělení prostoru.

47

48 Rozdělení rastrovýih dat Rastrová data mohou reprezentovat hodnotu buď pouze pro střed buňky (lattiies) nebo pro ielou oblast buňky (grids). Z hlediska obsahu lze rastrová data dělit na data reprezentujíií jeden jev - "klasické rastry" a na data obrazová.

49 Obrazová data Snímek dálkového průzkumu Země (DPZ) - víiepásmové obrazy (snímky z družiie LandSat) používané pro vyhodnoiení polohy jednotlivýih geografikýih prvků v krajině (vodstvo,lesy, silniie, ). Takto vyhodnoiené vrstvy jsou pak uloženy do "klasiikého rastru", případně vektoru. Ortofoto - ve většině případů používáno jako jednopásmový obraz pro vyhodnoiení polohy jednotlivýih geografikýih prvků v krajině, využívají se jako podkladová data pod tématiiké vrstvy.

50 Obrazová data Siannované plány - podkladová data pod tématiiké vrstvy, musí být georefereniovány. Dokumentaie - nerefereniovaná obrazová data, sloužíií pouze jako arihivní dokumentaie projektu.