, Brno Připravil: Ing. Jaromír Landa. Tvorba modelů pokrytí

Transkript

1 , Brno Připravil: Ing. Jaromír Landa Tvorba modelů pokrytí

2 Typy geodat strana 2 Opakování: Typy geodat Rastry: modely pokrytí (2D/3D), letecké/satelitní snímky, formáty: TIFF, Geo JPEG, PNG, MrSID, DEM, aj. klasické formáty doplněné o souřadný systém a souřadnice, někdy také o pyramidy. Vektory: body, linie, polygony, TIN: ESRI Shapefile SHP, Autocad - DWG, Google KML, GML1 modely budov a jiných objektů, Google SketchUp SKP, COLLADA, aj. Komplexní scény s různými geodaty: projektové soubory ArcScene, ArcGlobe, aj. VRML (bez informací o poloze), Google KMZ.

3 Typy geodat strana 3 Opakování: Zdroje geodat Soubory: viz předchozí slide Mapové servery: OpenGIS služby 2 : WMS (Web Map Service) WFS (Web Feature Service) WCS (Web Coverage Service) ESRI: ArcIMS (jazyk ArcXML), ArcGIS Server, často propojeno s geodatabází (ArcSDE, PostGIS, aj.). 2

4 Typy geodat strana 4 Pokrytí není jen nadmořská výška Digitální výškový model (Digital Elevation Model), digitální model terénu (Digital Terrain Model), geografickáhydrometerologická data: předpověď počasí, vlhkost, typy půdy, socio-ekonomická : nákupy, migrace obyvatel, lékařská: očkování, nemoci.

5 Pořizování geodat strana 5 Jak data pořídit: ruční sběr Měření pomocí běžných ručních přístrojů: pouze ruční GPS, Korekční signály WAAS/EGNOS, stop-and-go. Diferenciální GPS: základna + rover (cca 1.5 mil), permanentní stanice (Geodis), on-line RTK (real time kinematic), postprocesing.

6 Pořizování geodat strana 6 Jak data pořídit: automatizovaný sběr Laserové skenování z letadel a automobilů: letadlo má Inertial Measurement Unit (GPS, gyroskopy, akcelerometry) Vysílá laserový paprsek (LIght Detect. And Ranging), problémy s odrazy, opět využití DGPS. Analýza již pořízených dat odvozování (dnes často i Google Earth). Skupiny stacionárních stanic (meterologická data).

7 strana 7 Reprezentace pokrytí Rastrově : množinu bodů, které od sebe mají konstantní vzdálenost. Každý bod obsahuje informaci o výšce (nebo obecně hodnotě proměnné) v daném místě. Vektorově : nepravidelnou množinu bodů propojených hranami, která tvoří síť trojúhelníků.

8 strana 8 Rastrový model Soubory jsou doplněny o informace o umístění. Zvolit rozlišení, naměřit část hodnot a zbytek aproximovat. Rozlišení/přesnost je konstantní (rovina vs. zlom).

9 strana 9 Vektorový model TIN - trianguled irregular network, Proměnlivá přesnost, relativně malý objem dat, ostré přechody mezi regiony.

10 strana 10 Cvičení pro ArcView ArcCatalog zobrazení náhledu vrstvy, metadat, zobrazte si náhled 3D modelu. Vytvořte nový 3D náhled (Thumbnail). V ArcScene a ArcMap načtěte vrstvu z disku a z geoportal.cenia.cz (ArcIMS server). Zobrazte 2D data ve 3D určeném atributu výšky (pravé tlačítko na vrstvu / Properties / Base Height ). Vytvořte novou bodovou 3D vrstvu.

11 strana 11 Základní principy aproximace Naměřené hodnoty spolu prostorově souvisí. Místa blízko u sebe mají s vysokou pravděpodobností podobnou charakteristiku (když sněží na jedné straně ulice, sněží zřejmě i na druhé straně ). Čím více máme naměřených hodnot (a čím rovnoměrněji jsou naměřeny), tím přesnější budou výsledky interpolace.

12 strana 12 Aproximace rastru z nerovnoměrných měření

13 strana 13 Aproximační metody Geometrické metody Inverse Distance Weighted (interpolační), Natural Neighbours (interpolační), Spline (interpolační). Geostatistické metody: Kriging (interpolační). To, zda je metoda aproximační nebo interpolační je dáno implementací. Třeba spliny jsou obecně aproximační křivky, ale v ESRI je to interpolační metoda.

14 strana 14 Inverse Distance Weigted Hodnoty jsou počítány pomocí váženého průměru kde váhou je vzdálenost. Vliv na interpolované hodnoty každého naměřeného bodu se vzdáleností klesá. Uvažujeme tři parametry: Síla: Vliv naměřeného bodu na interpolovanou hodnotu v její blízkosti. Pokud je hodnota malá, působí na bod i vzdálenější místa a povrch je rovnoměrnější. Typ okolí: Je dán pevný poloměr nebo minimální počet hodnot. Překážky: Křivka nebo polygon, který bude reprezentovat Přírodní překážku.

15 strana 15 Příliš malé pevné okolí v IDW

16 strana 16 Klíčové vlastnosti IDW Interpolovaná maxima, resp. minima leží v intervalu naměřených hodnot (tj. pokud není extrém přímo naměřen, není vypočítán). Pokud nejsou data rovnoměrně rozložena, mohou se objevovat kruhová okolí býčí oči. S rotoucím okolím se vyhlazuje povrch. Není ideální pokud jsou data velmi nerovnoměrná (např. při vytváření povrchu z vrstevnic). Často používáno pro vygenerování DEM z LiDARových dat, atp.

17 strana 17 Natural Neighbours Dva/Tři pozorovatelé jsou přirození sousedé, pokud existuje pozice nebo oblast, ke které mají stejně daleko a neexistuje žádný další pozorovatel, který by byl blíže. U tří pozorovatelů se to dá zjistit opsanou kružnicí. Tyto trojce tvoří síť TINu. Těžiště trojúhelníků tvoří Thiessenovy (Dirichletovy, Voronoiovy) polygony. Vhodné pro data, která nemají pravidelné rozložení.

18 strana 18 Natural Neighbours

19 strana 19 Splines Thin Plate Splines Kategorie aproximačních metod založená na teorii mat. ploch. Spliny vytváří plochu s minimálním zakřivením. Zásadní výhodou Splinů oproti předchozím je schopnost aproximovat hodnoty mimo naměřený rozsah. Obecně se jedná o aproximační plochy, ale implementace ve Spatial Analystu je interpolační.

20 strana 20 Tension spline TPS with Tension Čím více vstupních bodů zvolíme, tím větší vliv na interpolovanou hodnotu budou mít vzdálené body a tím plynulejší bude povrch. Určuje, zda se bude chovat plocha jako elastická membrána nebo tuhý povrch. Přířazujeme hodnoty mezi 0 a 1 0, 0.01, 0.1, (normalizovaný tvar). Čím větší váha (přirozená čísla), tím hrubější povrch.

21 strana 21 Regularized spline Completely Reg. Spline Speciální verze TPS with Tension. Váha ovlivňuje křivost povrchu čím větší váha bodů, tím má bod širší okolí vlivu a vzniká menší křivost. Otázkou je srovnání CRS a TPS with Tension. U TPS roste průměrná chyba s počtem vzorků 4 U CRS je vyšší, ale s počtem vzorků klesá. Maximální/minimální chyba je však u CRS výrazně menší. Stejně tak standardní odchylka je u CRS ve výledku menší. Shrnutí: CRS vytváří obvykle hladší plochy. 4 Výsledky case study srážkového modelu, tedy ne obecné závěry

22 strana 22 Další metody založené na Splines NURBS V čem se liší NURBS od B-Splines? Lze tuto vlastnost využít pro aproximaci pokrytí?

23 strana 23 Geostatistické metody Geostatistické metody jsou založeny na myšlence, že v přírodních vědách není možné sestavit obvykle deterministický model chování. Proto je det. model nahrazen pravděpodobnostním (statistickým) modelem. Lloyd, Ch. D.: Local Models for Spatial Analysis, CRC Press, Taylor & Francis Group, ISBN

24 strana 24 Kriging Metoda podobná v prvním kroku IDW. V IDW váha závisí pouze na vzdálenosti od interpolovaného bodu. V metodě Kriging závisí na této vzdálenosti, ale také na určitých vlivech, které nelze deterministicky definovat. První krok prostorová autokorelace pro popis časoprostorových vztahů používány korelogram, kovarian. fce a semivariogram. Druhý krok samotný výpočet neznámých hodnot.

25 strana 25 Variogram 2D graf, kde na ose x je vynesena vzdálenost 2 bodů a na ose y její semivariance. Semivarianci h lze spočítat: h = 0,5 average a b 2, kde a je hodnota v lokaci i a b hodnota v lokaci j. Čím jsou si dva body blíže, tím více by se měly ovlivňovat a tím menší semivariance by měla být. Semivariogramu je nutné přiřadit vhodný model (sférický, exponenciální,...). Z něj pak odečteme neznáme hodnoty hodnoty.

26 strana 26 Schéma

27 strana 27 Sestavení semivariogramu

28 strana 28 Výpočet Zvolíme pevný nebo variabilní poloměr, minimální počet bodů pro interpolaci. Tento postup se jmenuje Ordinary Kriging. Pokud nemáme zásadní důvod učinit jinak, použijeme OK. Druhá metoda je Universal Kriging. Je používána v případě. že víme, že v našich datech se vyskytuje vliv (třeba proud větru), který lze popsat deterministickou (polynomiální) funkcí. Existuje řada dalších variant Krigingu (Siple kr., Cokriging, Median polish kriging, aj.)

29 strana 29 Vektorové modely: TIN Zdroj dat tvorbu TINu: body, křivky i polygony. Základním objektem při tvorbě TIN modelu jsou mass points. TIN model umožňuje popisovat prostředí s různou přesností. TIN neaproximuje, jen propojí nejbližší body pomocí DeLaunayovské triangulace.

30 strana 30 Delaunay Triangulation Kružnice opsaná trojúhelníku Delaunayovské sítě nesmí obsahovat žádný vrchol.

31 strana 31 Breaklines Křivky (či spíše zlomové čáry - breaklines) mohou, ale nemusí obsahovat informaci o výšce. V TIN modelu se z nich sávají posloupnosti hran několika trojúhelníků. Obvykle reprezentují přírodní jevy jako potoky nebo stavby jako silnice, železnice a podobně. Typy breaklines: Hard breaklines Označují změnu ve sklonu terénu (koryta potoků, řek...). Soft breaklines Pomáhají popsat tvar modelovaného povrchu, ale neoznačují změnu sklonu.

32 strana 32 Breaklines

33 strana 33 Plochy: Hulls Clip polygons Body, které jsou mimo polygon do ní nejsou zahrnuty. Erase polygons Body, které jsou v polygonu do ní nejsou zahrnuty. Replace polygons Nahrazují výšky jednou hodnotou (např. jezera) Fill polygons Přířadí všem trojúhelníkům spadajícím do tohoto polygonu stejnou celočíselnou identifikační hodnotu.