Úvod do GIS. Prostorová data II. část. Pouze podkladová prezentace k přednáškám, nejedná se o studijní materiál pro samostatné studium.

Transkript

1 Úvod do GIS Prostorová data II. část Pouze podkladová prezentace k přednáškám, nejedná se o studijní materiál pro samostatné studium. Karel Jedlička

2 Prostorová data Analogová prostorová data Digitální prostorová data Vektorová reprezentace pro prostorová data Základní typy vektorových datových modelů Principy reprezentace prostoru pomocí rastrů Pravidelná čtvercová mřížka nejpoužívanější rastrová reprezentace Kompresní techniky pro ukládání pravidelných rastrů Nepravidelná trojúhelníková síť způsob reprezentace povrchu Hybridní datový model rozumný kompromis?

3 Rastrová reprezentace Zaměřuje se na lokalitu jako na celek Používá se pro reprezentaci jevů, které plošně pokrývají celou oblast, případně se i spojitě mění. Používá se i pro rasterizované vektorové vrstvy, pokud je následná analýza jednodušší nad rastrem.

4 Rastrová reprezentace Základním stavebním prvkem je u rastrové struktury tzv. buňka (cell, pixel). Buňky jsou organizovány do mozaiky. Jednotlivé buňky obsahují hodnoty (values). Typy tvarů buněk: čtvercová buňka, trojúhelníková buňka, hexagonální buňka.

5 Rastrová reprezentace Nejčastěji se používá čtvercová mřížka: je kompatibilní s datovými strukturami programovacích jazyků používaných pro tvorbu GIS software, je kompatibilní s mnoha zařízeními pro vstup a výstup dat (monitory, scannery, plottery), je kompatibilní s kartézským (pravoúhlým) souřadnicovým systémem.

6 Rastrová reprezentace Trojúhelníková mozaika jednotlivé buňky nemají stejnou orientaci výhoda při reprezentování digitálního modelu reliéfu (terénu), kde je každému vrcholu o souřadnicích x,y přiřazena funkční hodnota z (výška z = f (x,y)). Jednotlivé trojúhelníky pak implicitně obsahují údaje o svém sklonu a směru tohoto sklonu. Daní za tuto vlastnost mnohem větší složitost algoritmů pracujících s tímto modelem.

7 Rastrová reprezentace Hexagonální mozaika středy všech sousedních buněk jsou ekvidistantní (stejně od sebe vzdálené), což je výhodné pro některé analytické funkce (např.: paprskové vyhledávání). Ve čtvercové mřížce je toto nemožné a tato vlastnost se musí kompenzovat nebo se prostě zanedbává. Hexagonální tvar buňky se používá jen velmi zřídka.

8 Rastrová reprezentace Rastrovou reprezentaci můžeme rozlišit podle způsobu dělení prostoru na: pravidelné (regular) - všechny buňky mají stejnou velikost a tvar. jednodušší pro ukládání a zpracování údajů, zabírají ovšem na disku mnoho místa. nepravidelné (irregular) - velikost i tvar jednotlivých buněk se liší. mohou mnohem lépe reprezentovat danou lokalitu (příklad roviny + zvlněná krajina), zpracovávání je algoritmicky i výpočetně náročné. hlavně pro DMR

9 Rastrová reprezentace Topologie je v rastrovém modelu definována implicitně (je jasné kdo je čí soused), tudíž není nutné ji explicitně ukládat jako pro vektorový model!

10 Stejně jako vektorový model, rastrová datová struktura může nést informace o bodech, liniích a plochách.

11 Rastrová reprezentace Vliv velikosti buňky (~ rozlišení) na tvar objektů

12 Rastrová reprezentace NoValue / NoData

13 Rastrová reprezentace Při využívání rastru pro reprezentaci povrchu je třetí rozměr reprezentován jako hodnota tohoto rastru. Ta je pak funkcí dvourozměrných souřadnic z = f (x,y).

14 Rastrová reprezentace GRID x Lattice

15 Rastrová reprezentace Obrazová data Snímek dálkového průzkumu Země (DPZ) Ortofoto Scannované plány Dokumentace

16

17 Spektrální pásma

18

19

20 Rastrová reprezentace Klasické rastry jednopásmová data znázorňují rozložení vždy jen jednoho geografického jevu (nadmořská výška-dmt nebo vodstvo nebo lesy, ). mohou být získána např. převodem z vektorů nebo vyhodnocením obrazových dat.

21 Rastrová data

22

23

24 Čtvercová mřížka Umístění v souřadnicovém systému

25 Čtvercová mřížka V geometrii nastává problém metriky

26 Čtvercová mřížka + dobře definovatelná matematickým aparátem, jednoduše implementovatelná jako základní datový typ většinou programovacích jazyků (2D pole), obecně použitelná, jelikož na každý pixel může být použita jakákoli definovaná operace. detail - celý obraz je reprezentován stejným způsobem, tudíž uložení velké oblasti, skládající se z pixelů stejného typu, není nijak optimalizováno, abstrakce - k získání méně detailního obrazu je nutné použít všechna data, náročnost na úložný prostor plýtvání pamětí - celý datový soubor musí být v paměti, což může být rozhodující u velkých obrazů.

27 Pohledové pyramidy

28 Kompresní techniky pro rastry Ztrátové komprimují lépe než neztrátové dochází ke ztrátě informace => někdy nevhodné! Neztrátové Run Length Codes RLC Run Length Encoding RLE Čtyřstrom QuadTree Adaptivní komprese

29 Kompresní techniky pro rastry Run Length Codes

30 Kompresní techniky pro rastry Run Length Encoding (4 1)(2 5)(7 9)(1 2)(3 9) (1 0)(1 1)(1 0)(1 1)(1 2)(1 3)(1 5)(1 2)(1 1)(1 4)

31 QuadTree

32 Kompresní techniky pro rastry Adaptivní komprese Využívá vlastnosti, že data jdou rozdělit do bloků a ty lze zakódovat pomocí metody s nejvyšší účinností. Takový způsob má výhodu v tom, že nedochází ke zbytečnému nárůstu objemu pro jakákoli data, jak tomu je v případě RLE a částečně i QuadTree.

33 Rastrové formáty Formát přípona tif jpg png gif bmp cit img MrSID DjVu barevná hloubka lokalizační nekompri komprese soubor movaný neztrátová ztrátová B&W grayscale indexed FullColor 0/ bit (256) 24/32 bit tfw X X X jgw /jpw / hgr X X pgw X X X X gfw X X bpw X X X přímo uvnitř X X?? X? X X? X X...

34 Nepravidelná trojúhelníková síť Nepravidelné rastrové reprezentace se prakticky nepoužívají. Jedinou výjimkou je Nepravidelná trojúhelníková síť (Triangulated Irregular Network - TIN).

35 Nepravidelná trojúhelníková síť TIN je svojí strukturou na pomezí mezi vektorem a rastrem. Velice často se používá pro reprezentaci povrchů, například digitálního modelu reliéfu DMR. reprezentuje povrch jako soubor trojúhelníků (trojúhelníková), které jsou definovány třemi body umístěnými kdekoliv v prostoru (nepravidelná) a pro tyto trojúhelníky uchovává topologické vztahy (síť).

36 Nepravidelná trojúhelníková síť Postup tvorby se nazývá triangulace

37 Nepravidelná trojúhelníková síť Triangulated Irregular Network (TIN) seznam trojúhelníků seznam hran seznam uzlů [ T1,( h1, h2, h3), T2,( ), T3,( ), ] [ h1,( U1, U2), h2,( ), h3,( ), ] [ U1,( X1, Y1, Z1), U2,( ), U3,( ), ] U3 h1 U2 T1 h3 U1 h2

38 Nepravidelná trojúhelníková síť

39 Nepravidelná trojúhelníková síť

40 Nepravidelná trojúhelníková síť 3D Ukázka v ArcScene

41 Nepravidelná trojúhelníková síť Porovnání s rastry + zmenšení objemu uložených údajů při reprezentaci nehomogenních povrchů, větší přesnost a věrnost pro nehomogenní povrchy (více kopců a rovin najednou, například Říp a okolí) struktura automaticky obsahuje informace o sklonu a směru tohoto sklonu. kompatibilita s moderními grafickými kartami. složitost datové struktury a tím i algoritmů s ní pracujících.

42 Vektor nebo rastr? Hybridní datový model rozumný kompromis? Některé vrstvy vektorové (silnice), některé rastrové (např. DMR) Koncept duálních dat uchovávat jak vektor tak rastr (vrstevnice, rastr DMR) jedna informace je uložena 2x. Vzniká riziko nekozistence dat Vytvoříme-li z vrstevnic rastrový DMR a z něj pak znovu vrstevnice, nebudou totožné!