Geoinformatika IV – Poloha v prostoru jaro 2014 Petr Kubíček kubicek@geogr.muni.cz Laboratory on Geoinformatics and Cartography (LGC) Institute of Geography Masaryk University Czech Republic Geoinformatika Nepravidelná trojúhelníková síť • Nepravidelné rastrové reprezentace - problémy s tvorbou, analýzou i uložením – prakticky se nepoužívají. • Výjimkou je Nepravidelná trojúhelníková síť (Triangulated Irregular Network) • Reprezentuje povrch jako soubor trojúhelníků (trojúhelníková), které jsou definovány třemi body umístěnými kdekoliv v prostoru (nepravidelná) a pro tyto trojúhelníky uchovává topologické vztahy (síť). • Často se používá pro reprezentaci povrchů, například digitálního modelu reliéfu – DMR. Geoinformatika Reprezentace TIN Geoinformatika TIN - porovnání s rastry • složitost datové struktury a tím i algoritmů s ní pracujících. + • zmenšení objemu uložených údajů při reprezentaci nehomogenních povrchů, • větší přesnost a věrnost pro nehomogenní povrchy • struktura automaticky obsahuje informace o sklonu a směru tohoto sklonu. • kompatibilita s moderními grafickými kartami . Geoinformatika Datové modely - shrnutí Vektorová data • geometrie prostorových objektů je vyjádřena za použití geometrických elementů; • základními geometrickými elementy jsou: bod, linie, polygon; • je možné pracovat s jednotlivými objekty jako se samostatnými celky; • atributy prostorových objektů jsou připojeny pomocí tabulky; • vztah mezi prostorovou objekty je zajištěný pomocí topologie; Rastrová data • rovinný prostor je rozdělen pravidelnou mřížkou na jednotlivé dílky, zvané buňky (pixely); • poloha pixelu je dána jeho souřadnicemi (umístění v rastru); • každý pixel má v sobě jedinou hodnotu atributu; • prostorové vztahy mezi objekty jsou implicitně obsaženy v rastru. Geoinformatika Složky geografických dat • Neprostorová složka (tzv. Atributy) – … • Časová složka – … • Prostorová složka –tvar –poloha –topologie Geoinformatika Určení polohy entity v prostoru • Nepřímé: – pomocí tzv. geokódů (systémy založeny na skokové změně polohy) – bodové pravidelné (čtvercová síť vrtů) – bodové nepravidelné (adresy ÚIR - RUIAN) – liniové pravidelné nepravidelné (traťové úseky) – plošné pravidelné (sítě zoologického mapování) nepravidelné (parcely) • Přímé použitím referenčních systémů k zemskému tělesu k rovině, na níž je zemský povrch zobrazen Geoinformatika Pravidelné čtvercové sítě Geoinformatika Geokódování • Umožňuje připojit souřadnice k záznamům lokalizovaným adresou, pomocí porovnání se souborem, který obsahuje adresy i souřadnice. • tři základní typy geokódovacích funkcí: – přiřazení zeměpisných souřadnic k úplné adrese, která odpovídá určité části uliční čáry (středové linie), adresnímu bodu, případně vztažnému bodu budovy či parcely. Výsledkem bod zobrazený na mapovém podkladu. – Umístění záznamu bez přesné adresy, a to pouze pomocí určité geografické reference obsažené v popisných atributech (PSČ, název města, kód volebního obvodu. – Data nemají žádný přímý prostorový indikátor. Přesto je často možné je geograficky lokalizovat díky jejich známému vztahu s existujícím subjektem (například názvem nemocnice, číslem silnice..). Takováto lokalizace je často velmi přibližná a je třeba s ní nakládat s určitou rezervou. Geokódování – uliční čára Geoinformatika Geokódování - adresní bod Obecně následující kroky (závisí na konkrétním SW): • Standardizace adresy – vytvoření souladu mezi zdrojovými adresami a podkladovým souborem. RUIAN • Automatické geokódování adresy – jedná se o počítačem provedený proces, kdy jsou porovnávány syntaxe obou databází/souborů a v některých případech lze nastavit míru tolerance mezi nimi. Takto geokódované adresy mohou dostat příznak nejvyšší spolehlivosti. • Ruční geokódování adresy – postupné procházení databáze nezařazených adres a jejich případné ruční přiřazení. • Zpracování adres, které nelze zařadit – existují další možnosti pro umístění těchto adres. Pokud ani tato varianta není průchozí, nezbývá, než použít přibližné umístění pomocí uličního segmentu či PSČ. Geoinformatika Zpětné geokódování • V některých případech se můžeme setkat i s opačným požadavkem – známe zeměpisné souřadnice a k nim potřebujeme přiřadit nejbližší známe adresy. • LBS –location based services (Kde je…?) Geoinformatika Gazeteer • Zpracování textů na Interentu - geokódováním také označování rozpoznávání geografických názvu a míst v nestrukturovaném textu, jejich přiřazení ke skutečnému geografickému prostoru a případně vizualizace výsledků na mapě. • Prvním krokem je obvykle rozpoznání geografických názvů v textu, obvykle pomocí tzv. gazetteeru - místopisného seznamu (zeměpisného slovníku) jednotlivých názvů (lokalit, měst, obcí, vrcholů). • Jednotlivá slova z textu jsou postupně porovnávána s názvy v seznamu a jsou vybírána ta, která si odpovídají. • EuroGeonames - Eurogeographics • Kvalitní gazeteer - alternativní názvy, zeměpisné souřadnice místa, či oblasti, stát a administrativní jednotku v níž se název nachází a případně informaci o jeho důležitosti (hierarchické úrovni). 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. 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 Geoinformatika Referenční plochy – koule, rovina • Referenční koule – používá se pro tvorbu map malých měřítek – jediným parametrem je poloměr referenční koule, který je volen různě pro daný účel • Souřadné soustavy na referenční kouli: – zeměpisná šířka a délka,značí se U a V kartografické souřadnice (kartografická šířka a délka), značí se Š a D. • Referenční rovina – Souřadné soustavy na referenční rovině: – pravoúhlé souřadnice X a Y Geoinformatika Kartografické zobrazení - dělení • kartografická zobrazení (projekce)- postup, který je odvozen matematicky, dle určitých předpokladů • Nejčastěji se používá projekce azimutální, která se dále se dělí dle polohy promítání na: – gnómonickou projekci - promítání ze středu Země – stereografickou projekci - promítání z protějšího pólu – ortografickou projekci - promítání z nekonečna Geoinformatika Podle tvaru zobrazovacích rovnic • jednoduchá - taková zobrazení, jejichž zobrazovací rovnice jsou funkcí jen jedné proměnné, poledníky a rovnoběžky jsou na sebe kolmé (v dif. okolí). • Jednoduchá zobrazení se dále dělí podle zobrazované plochy na: – válcová - zobrazují se na povrch válce, který lze rozvinout do roviny; – kuželová - zobrazují se na povrch kužele, který lze rozvinout do roviny; – azimutální - zobrazují se na tečnou rovinu. • nepravá (pseudozobrazení) - jedna z obou rovinných souřadnic je funkcí obou souřadnic na referenční rovině • obecná - zobrazovací rovnice jsou funkcí obou souřadnic na referenční rovině Geoinformatika Podle polohy konstrukční osy • normální (pólová) - konstrukční osa = osa rotace koule či elipsoidu • příčná (rovníková, transversální) - konstrukční osa leží v rovině rovníku • obecná (šikmá)- konstrukční osa leží v obecném směru Geoinformatika Podle zkreslení • ekvidistantní (stejnodélná, délkojevná) nezkreslují délky (ale pouze některé!) • ekvivalentní (stejnoplochá, plochojevná) nezkreslují plochy, ale velice zkreslují úhly • konformní (stejnoúhlá, úhlojevná) - nezkreslují úhly (v dif. okolí daného bodu), zkreslují délky a plochy; • kompenzační (vyrovnávací) - zkreslují všechno, ale přiměřeně. Geoinformatika Geografické souřadnicové systémy • Souřadnicový systém je nástroj k vyjádření polohy bodu v prostoru. V GIS mluvíme o geografickém prostoru, tedy obvykle o povrchu Země • Rozlišujeme dva typy souřadnicových systému (zjednodušeno pro ČR): • 1. Systémy globální (WGS-84, UTM) – snahou je postihnout celý geografický prostor Země (WGS = World Geodetic System). Jejich výhodou je univerzálnost v popisu planety, globální pohled a přenositelnost do jiných GIS systému. Povrch elipsoidu - nelze proto k výpočtu vzdálenosti přistupovat Euklidovským vzorcem. Nevýhodou je nepřesnost globálních souřadnicových systémů. – Používáno GPS a dalšími GNSS • 2. Systémy lokální (národní, územní) jako například S-JTSK – vznikly velmi specifickou transformací územně platného náhradního elipsoidu na plochu. Specifikem těchto systému je možnost uplatnit jednoduchý vzorec pro výpočet vzdálenosti. 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 souradný 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