WIZUALIZACJA DZNYCH W GIS

NUMERYCZNY MODEL TERENU:
- ŻRÓDŁA DANYCH;
- METODY OPRACOWANIA;
- DOKŁADNOŚĆ;
- SPOSOBY WIZUALIZACJI.

GEOGRAFICZNY

SYSTEM

INFORMACYJNY

jest

skomputeryzowanym systemem wprowadzania, zarządzania,
manipulowania i wyprowadzania informacji z bazy danych. Bazę
danych stanowią dane kartograficzne, obrazy teledetekcyjne i
wszelkiego rodzaju informacje o przestrzeni geograficznej. GIS
zbiera, gromadzi, wyszukuje (odzyskuje), przetwarza, analizuje i
obrazuje te dane zgodnie z dostarczoną przez użytkownika
specyfikacją.

FUNKCJE GIS:
1. Wprowadzanie i kodowanie danych, co wiąże się z ich
digitalizacją, kodowaniem, kontrolą i budowaniem struktury;
2. Manipulowanie danymi, co jest związane z konwersja ich
struktury i przekształcaniem współrzędnych, generalizacją i
klasyfikacją;
3. Dostęp do danych, który umożliwia przeprowadzanie
analiz statystycznych i przestrzennych;
4. Prezentacja i zarządzanie danymi zintegrowanymi.

ŹRÓDŁA DANYCH DLA GIS:

Dane w GIS są elementami opisu rzeczywistości i odniesione są

do obiektów lub zjawisk z określonym adresem przestrzennym –

podającym ich położenie w przestrzeni.

1. Zdjęcia lotnicze;

2. Pomiary naziemne;
3. Dane satelitarne;
4. Dane GPS;
5. Digitalizacja lub skanowanie map analogowych;
6.Wykorzystanie istniejących plików z granicami

(najczęściej są to pliki
topograficzne, pliki z drogami oraz z granicami

administracyjnymi);

7. Pliki z danymi statystycznymi;
8. Pliki z danymi geograficznymi;
9. Pliki z danymi o środowisku.

Niezależnie od pochodzenia i sposobu ich pozyskania informacje

muszą charakteryzować się następującymi cechami:
1. Muszą być sprowadzone do postaci dyskretnej, co w przypadku

systemu rastrowego znaczy, że muszą się składać lub dać się

doprowadzić do postaci pikselowej, przy czym każdy piksel musi

opisywać w postaci cyfrowej właściwość elementarnej powierzchni

terenowej;
2. Musi zachodzić poprawna geograficzna przynależność

pomiędzy dwoma manipulowanymi obrazami, a ponadto obraz

pozyskiwany techniką skanerową musi być wpasowany do siatki

mapy.

STRUKTURA DANYCH GEOGRAFICZNYCH

DANE PRZESTRZENNE mogą one zawierać informacje zarówno o

kształcie i lokalizacji bezwzględnej poszczególnych obiektów w

wybranym układzie odniesienia, jak również o ich rozmieszczeniu

wzajemnym względem innych obiektów(topologia);

DANE OPISOWE (zwane także danymi nieprzestrzennymi lub

atrybutowymi) opisujące cechy ilościowe lub jakościowe obiektów

geograficznych niezwiązane z ich umiejscowieniem w przestrzeni.

  Uzupełnieniem informacji o obiektach świata rzeczywistego

reprezentowanych w bazie danych jest symbolika, tj. graficzny

opis postaci, w jakiej obiekty te mają być przedstawiane

użytkownikowi.

STRUKTURA FUNKCJONALNA GIS

Geograficzny System Informacyjny składa się z kilku grup
programów (modułów) realizujących odrębne funkcje. Są to:

1. Procedury wprowadzania i weryfikacji danych
wejściowych,
2. Procedury zarządzania i przetwarzania w obrębie bazy
danych (system zarządzania bazą danych),
3. Procedury przetwarzania i analizy danych geograficznych,
4. Procedury wyjściowe:
- prezentacji graficznej,
- kartograficznej
- tekstowej danych,
5. Procedury komunikacji z użytkownikiem.

WIZUALIZACJA DANYCH W GIS
Wykorzystanie GIS do ujmowania zjawisk pozwala prezentować
przestrzenne powiązania, układy i struktury z różną
szczegółowością i przedstawiać je na ekranie komputera w
postaci mapy. W środowisku GIS mapy służą do analizy
przestrzennej, wspomagają „uwidacznianie” wyniku analizy i
ułatwiają podjęcie decyzji, a przez to służą do wizualnego
obrazowania

rezultatów

pozyskanych

wyników

i

zaakceptowanych decyzji.
Wizualizacja jest graficzną prezentacją pojęciowego modelu
zjawiska i w geograficznych systemach informacyjnych jest
stosowana:

1. We wstępnej ocenie istotnych cech przestrzennego

rozkładu badanego zjawiska - do określenia charakteru danych
oraz ich przydatności do ukazania rozkładu przestrzennego.

2. W trakcie analizy zjawisk, czyli przeprowadzania

operacji na danych. Wykorzystując analizę przestrzenną, np.
nakładanie, można łączyć różne typy zbiorów danych, aby
określać związki przestrzenne między różnymi zjawiskami.

3. Wizualizacja jest stosowana do przedstawiania

wyników

analizy,

czyli

do

przekazywania

informacji

przestrzennej. Wyniki analiz przestrzennych powinny być
przedstawiane w formie poprawnie opracowanych map, łatwo
zrozumiałych dla odbiorców.

WIZUALIZACJA MAP W GIS

Wizualizację map w GIS można rozpatrywać w dwóch
kategoriach, jako:

1. Indywidualną komunikację wizualną, która odnosi się

do użytkowników komputerów samodzielnie opracowujących
swoje dane – głównie dla celów badawczych;

2. Publiczną komunikację wizualną, która jest związana z

projektowaniem przez specjalistów map do publicznego
rozpowszechniania.

Na tej podstawie można określić funkcje map w GIS:

- mapy są głównym i interaktywnym elementem GIS, rodzajem
graficznego łącznika między użytkownikiem a przestrzenią;

- mapy mogą być używane jako wizualny indeks zjawisk lub
obiektów, które są zawarte w systemie informacyjnym;

- mapy jako forma wizualizacji, mogą zarówno pomagać w
wizualnej eksploracji zbioru danych, jak i przekazywaniu
rezultatów eksploracji zbioru danych w GIS;

METODY PREZENTACJI MAP W GIS:

1. Zapis rastrowy;
2. Zapis wektorowy;
3. Mapa chorochromatyczna lub mozaikowa;
4. Kartogram:

- mapa gęstości
- mapa wskaźników;

5. Mapa izoliniowa;
6. Dane punktowe na poziomie nominalnym;
7. Sygnatury ilościowe;
8. Kartodiagramy;
9. Mapy kropkowe;
10. Kartodiagramy wektorowe.

Pliki rastrowe – granice lub odpowiadające im informacje są
definiowane jako ciąg
elementów graficznych (pikseli) w regularnej siatce, w której są
zapisane określone
wartości.

Pliki wektorowe - linie i granice między obszarami są
definiowane przez zbiór punktów i ich połączenia.

Mapa chorochromatyczna lub mozaikowa – dane nominalne
przedstawia się za pomocą różnych barw lub za pomocą czarno-
białego deseniu, które wywołują wrażenie nominalnych,
jakościowych różnic między powierzchniami.

Kartogram – przedstawienie wartości odniesionych do
powierzchni; wartości są obliczane dla określonych jednostek
powierzchni i wyrażone w formie stopniowanej powierzchni.

Mapa izoliniowa – oparte są na założeniu, że reprezentowane
zjawisko ma rozkład ciągły oraz łagodne zmiany wartości.

Dane punktowe na poziomie nominalnym – odnoszą się do
punktów zmierzonych na poziomie nominalnym i
przedstawionych za pomocą sygnatur (symboli) o różnym
kształcie, orientacji i barwie.

Sygnatury ilościowe – za ich pomocą przedstawia się wartości
bezwzględne, odnoszące się do rozproszonych punktów lub do
jednostek odniesienia.

Kartodiagramy – są to mapy zawierające diagramy lub
wykresy.

Mapy kropkowe – pokazują rozmieszczenie zjawiska,
przedstawiają one dane za pomocą znaków umieszczonych w
miejscu występowania danego zjawiska.

Kartodiagramy wektorowe – jest to rodzaj map, które
symulują ruch używając symboli w formie wektorów (strzałek),
których zwrot wskazuje kierunek ruchu, a grubość – wielkość
transportu.

NUMERYCZNY MODEL TERENU

NMT (ang. DTM – Digital Terrain Model) jest nieciągłą
reprezentacją powierzchni terenu w postaci zestawu danych
utworzonych ze współrzędnych planimetrycznych (X, Y)
oraz wysokości punktów i linii nieciągłości. NMT może mieć
postać zarówno regularnej jak i nieregularnej siatki punktów.
NMT należy traktować jako ogólne określenie różnych typów
cyfrowych reprezentacji wysokości.

NUMERYCZNY MODEL WYSOKOŚCI (NMW) (ang. DEM – Digital
Elevation Model) jest specyficzną reprezentacją NMT, w której
punkty wysokościowe przedstawione są w postaci regularnej
siatki. Często NMW są zapisywane w postaci plików rastrowych,
których poszczególne piksele zawierają wartości wysokości.

NIEREGULARNA

SIEĆ

TRÓJKĄTÓW

(NST)

(ang.TIN

–

Triangulated Irregular Network) jest specyficzną reprezentacją
NMT, w której punkty wysokościowe przedstawiono w
nieregularnych

odstępach.

W

uzupełnieniu

punktów

wysokościowych modele tego typu zawierają często linie
nieciągłości. Linia nieciągłości jest to poligon wysokości utworzony
z wektorów o wierzchołkach opisanych współrzędnymi X, Y, Z.

NMT – ŻRÓDŁA I METODY POZYSKANIA DANYCH:

- bezpośrednie pomiary terenowe wykonane np. za pomocą
tachimetru elektronicznego,
- pomiar na mapach topograficznych drogą digitalizacji lub
skanowania i wektoryzacji warstwic,
- pomiar modelu stereoskopowego przestrzennego terenu na
wszystkich typach autografów: analogowych, analitycznych i
cyfrowych stacjach roboczych o stosunkowo niskiej wydajności
(pomierzyć można maksimum do 1000 punktów w czasie jednej
godziny pracy),

- automatyczna korelacja obrazów na fotogrametrycznych
cyfrowych stacjach roboczych, umożliwiających wyznaczenie
współrzędnych XYZ o wysokiej wydajności (do kilkudziesięciu
tysięcy punktów w czasie jednej godziny),

- lotniczy skaning laserowy pozwalający na określenie
współrzędnych X, Y, Z do
100 tys. punktów na km

2

powierzchni terenu, łącznie z terenami

niedostępnymi dla metod fotogrametrycznych (lasy, gęste zarośla),
- interferencja lotnicza lub satelitarna obrazów radarowy SAR,
wykorzystywana

głównie

do

opracowania

terenów

stale

zachmurzonych,
- dalmierze laserowe instalowane na satelitach umieszczonych na
orbitach planet układu słonecznego.

GENEROWANIE NMT METODĄ KORELACJI OBRAZÓW

(DIGITAL IMAGE MATCHING)

Istota metody korelacji obrazów polega na automatycznym
zidentyfikowaniu

na

dwóch

przetworzonych

obrazach

cyfrowych, tworzących stereogram odpowiadających sobie
punktów (tzw. punktów homologicznych czyli jednoimiennych,
odpowiadających sobie), określeniu paralaksy podłużnej,
obliczeniu i zapisie ich współrzędnych przestrzennych X, Y, Z
w układzie odniesienia. W ten sposób tworzy się NMPT, z
którego następnie poprzez filtrację uzyskuje się NMT.
Materiałem wyjściowym.wykorzystywanym do korelacji są
zeskanowane zdjęcia panchromatyczne lub wyciągi kanału
czerwonego (kanał R) ze zdjęć barwnych. Zdjęcia lotnicze do
tego celu skanuje się pikselem mieszczącym się w przedziale
od 15 do 30 mikrometrów.
Generowani NMT przeprowadza się na cyfrowych stacjach
fotogrametrycznych w oparciu o odpowiednie pakiety
oprogramowania.

Kamera cyfrowa

OBRAZY CYRROWE

Dane z kalibracji kamery

Generowanie obrazów epipolarnych

Wyznaczanie linii szkieletowych

Automatyczna korelacja obrazu

NMPT

Automatyczna detekcja i filtrowanie pokrycia terenu

Korekta operatorska

NMT

Archiwizacja

Generowanie produktów pochodnych

Archiwizacja

Generowanie produktów pochodnych

Fotopunkty

Aerotriangulacja

Wyznaczanie elementów

orientacji zewnętrznej

Kamera filmowa

Zdjęcia

Skanowanie

Schemat generowania NMT metodą automatycznej korelacji obrazów

GENEROWANIE NMT METODĄ SKANINGU

LASEROWEGO

Skaner laserowy to impulsowo pracujący dalmierz laserowy
połączony z głowicą skanującą i sprzęgnięty z systemem
precyzyjnego pozycjonowania DGPS i INS. Pomiary wykonywane
są z samolotu.
W wyniku nalotu oraz obróbki danych uzyskuje się gęstą sieć
punktów o znanych współrzędnych przestrzennych X, Y, Z
reprezentujących dwa modele terenu tj. NMPT (punkty
zarejestrowane jako pierwsze odbicia – first pulse mode) i NMT
(punkty zarejestrowane jako najdalsze odbicia - last pulse mode).
Jeśli produktem finalnym ma być NMT, to wszystkie odbicia od
punktów nie leżących na terenie musza zostać usunięte z danych
pomiarowych. Każdy punkt może być zaklasyfikowany do
osobnych zbiorów jako inny typ np. powierzchnia terenu,
roślinność, budynki itp. Ten proces filtracji (czyszczenia) danych
jest wykonywany po nalocie w trybie "off-line” w oparciu o
specjalistyczne oprogramowanie. Obróbka danych prowadzona
jest interaktywnie.
Skaning laserowy jest systemem aktywnym, nalot może być
wykonywany zarówno w dzień jak i w nocy oraz w okresie
zimowym, co jest dodatkową zaletą metody.
Lotnicze skanery laserowe łączy się zazwyczaj z jedną lub dwoma
kamerami video lub z kamerą cyfrową. Kamery video dają ogólny
obraz terenu, ułatwiający interpretację wyników, kamery cyfrowe
zaś pozwalają dodatkowo na wykonanie ortofotomap cyfrowych
opracowywanego terenu.

NMT OPRACOWANY NA PODSTAWIE

SATELITARNYCH POMIARÓW RADAROWYCH

INSAR

(Interferometric Syntetic Aperture Radar)

Dane zbierane są przez radar umieszczony na promie
kosmicznym z wysokości
230 km. Dane te umożliwiają wykonanie NMT i mapy powierzchni
Ziemi o rozdzielczości terenowej 30 metrów.
Z danych radarowych można generować:
- obraz radarowy terenu.
- wysokościowy obraz radarowy kodowany kolorami,
- cieniowaną rzeźbę terenu,
- widoki perspektywiczne NMT, NMT z nałożonym obrazem
radarowym lub wielospektralnym z Lanusat TM,
- warstwice,
- stereogramy,
- obrazy anaglifowe.

DOKŁADNOŚĆ GENEROWANIA MODELI

PRZESTRZENNYCH

Dokładność

NMT

i

NMPT

określa

średni

błąd

wyinterpolowanych z nich wysokości terenowych. Wielkość
tego błędu zależy głównie od:

- dokładności z jaką pomierzono współrzędne siatki
pierwotnej,
- wielkości oczek tej siatki,
- ukształtowania powierzchni terenu i stopnia jej pokrycia;

-przyjętej metody opracowania.

METODA POLOWA:

O dokładności tej metody przy opracowaniu NMT decyduje
głównie ilość pomierzonych punktów na hektar np.
- przy 460 punktach /ha M

z

= +/- 0,04 m

- przy 115 punktach /ha

M

z

= +/- 0,05 m

- przy 60- punktach /ha

M

z

= +/- 0,07 m

METODA KARTOGRAFICZNA:

O dokładności tej metody decyduje głównie skala mapy
wykorzystanej do opracowania NMT oraz wielkość oczka
siatki pierwotnej w skali mapy topograficznej. I tak z mapy
w skali 1:50 000 z oczkiem siatki o boku 4-5mm mamy:
- M

z

= +/- 5 m

dla terenu płaskiego i falistego,

- M

z

= +/- 13 m

dla terenu górskiego.

Z mapy w skali 1:25 000 uzyskuje się dokładności 2, 3 razy
wyższe. W rejonach wąwozów, urwisk i głęboko wciętych
dolin błędy opracowania mogą być kilkakrotnie wyższe od
podanych powyżej.

METODA FOTOGRAMETRYCZNA:

Na

błąd

średni

interpolowanej

wysokości

z

NMT,

opracowanego metodą fotogrametryczną, ma wpływ:
- wysokość H z jakiej wykonano zdjęcia lotnicze;
- błąd pomiaru NMT (mzpom);
- wielkość oczka siatki;

-prawidłowość i kompletność położenia linii strukturalnych.

Wzór empiryczny na całkowity błąd wyznaczenia NMT:

M

z

=[ mzpom

2

+ (



x d)

2

]

1/2

 
gdzie: M

z

- błąd średni interpolowanej wysokości,

mzpom - błąd średni danych pomiarowych,



- współczynnik opisujący charakter terenu,

d - średnia odległość pomiędzy punktami

pomiarowymi.

 Przyjmuje się następujące wartości współczynnika



:



= 0,004 - 0,007 dla terenów o gładkiej powierzchni,



= 0,01 - 0,02 dla terenów średnich,



= 0,02 - 0,04 dla terenów o stromych i nieregularnych

powierzchniach.

METODA FOTOGRAMETRYCZNA cd.:

Błąd średni pomiaru wysokości wykonanego na zdjęciach
lotniczych na auto grafie analitycznym wynosi mzpom < 0,15
promila wysokości lotu H.
Wzory na dokładność wynikowego NMT, otrzymanego z pomiaru
na zdjęciach lotniczych w zależności od typu terenu mają postać:

M

z

= 0,2 - 0,4 % o H lotu dla terenu płaskiego,

M

z

= 1,0 - 2,0 % o H lotu dla terenów górskich, zaś błąd

maksymalny:

M

z

max = 4 - 8 x M

z

Dokładność NMT jest prawie taka sama, jak dokładność pomiaru.
Np. błędy średnie NMT dla zdjęć lotniczych zeskanowanych
pikselem w przedziale 15+30 m wynoszą:

M

z

= 0,15 H dla terenów płaskich i pofałdowanych, oraz

M

z

= 0,25 H dla terenów górzystych.

Dla zdjęć lotniczych w skali 1:5000 błędy średnie opracowania
NMT mieszczą się w przedziale od 5 cm do 3 m.
Dokładność NMT opracowanego metodą korelacji obrazów z
stereoskopowych zobrazowań SPOT Pan, wykonanych przy
stosunku bazowym B/H > 0,8 oraz dla siatki z oczkiem 20 x 20 m
wynosi Mz < +/-10m.
 

00

0

00

0

METODA SKANINGU LASEROWEGO:

Metoda skaningu laserowego pozwala na uzyskanie błędów
średnich z wiarygodnością 95%:

M

xy

= +/- 0,2 m

oraz

M

z

= +/- 0,2 m dla terenów odkrytych i

M

z

= +/- 0,5 m dla terenów leśnych.

Względna dokładność pomiędzy sąsiednimi punktami wynosi
nawet

M

z

= +/- 10 cm.

METODA INTERFERENCYJNA:
Interferencja satelitarnych obrazów radarowych pozwala na
szybkie generowanie NMT na bardzo dużych obszarach, które
obejmować mogą całą kulę ziemską. Dokładność takiej sieci
wynosi około 10m.

METODA LASEROWA:
Metoda bazuje na wykorzystaniu zwykłego dalmierza
laserowego (bez głowicy skanującej) i stosowana jest tam,
gdzie nie zależy nam na uzyskaniu wysokiej wydajności. Np.
prosty dalmierz laserowy zainstalowany na. pokładzie satelity
na orbicie odległej 400 km od powierzchni Marsa pozwolił na
zebranie w ciągu roku danych do wygenerowania NMT z
dokładnością M

z

= od 0,5 do l m.

NMT – PRZECHOWYWANIE DANYCH

NMT zarejestrowany jest w bazie danych głównie w postaci:

-

zbioru ASCII z danymi numerycznymi: X, Y, Z jako model
trójkątowy

(TIN)

dowolnych

odległościach

pomiędzy

punktami lub jako model o stałych odległościach pomiędzy
punktami (GRID),

- obrazu rastrowego (na ogół szesnastobitowego),
- w formacie AutoCAD (plik .dwg lub DXF) lub MicroStation

(plik .dgn),

- w formacie RDR dla oprogramowania SCOP i MATCH-T,
- w formacie RAS dla oprogramowania MATCH- T.

WIZUALIZACJA NUMERYCZNEGO MODELU TERENU

Numeryczny model terenu (NMT) wygenerowany w różny

sposób jak i w różnych rozdzielczościach powinien zostać
zwizualizowany na ekranie komputera. Daje to możliwość
sprawniejszego przeprowadzenia jego korekty. Wyświetla się
go w grafice:
1. 2D - dwuwymiarowa płaska;
2. 3D – umożliwia analizę obiektów w przestrzeni
trójwymiarowej

czyli

badanie

wszelkich

zależności

wysokościowych;
3. 3D+ - jest połączeniem wizualizacji 2D i 3D.

Kolor piksela jest zwykle cechą związaną z wysokością terenu.

Często korzysta się obecnie również z obrazów stereo
nakładając na nie np. utworzone z danego NMT warstwice. W
przypadku, gdy dla terenu jest wygenerowany również obraz
ortofoto można nałożyć go na model zwiększając jego realizm,
a

także

umożliwiając

łatwiejsze

odnalezienie

jego

zniekształceń i niezgodności

ZASTOSOWANIE NMT:

- automatyczne generowanie warstwic i cieniowanej rzeźby

terenu, opracowania map szorstkości terenu, map spadków,
map

nasłonecznienia

stoków,

profili

podłużnych

i

poprzecznych, widoków perspektywiczi1ych terenu,

- generowanie ortofotomap i stereoortofotomap cyfrowych.

NMT niezbędny jest w procesie cyfrowego generowania
ortofotomap w celu wyeliminowania zniekształceń obrazu
spowodowanych deniwelacją terenu,

- wspomaganie systemów informatycznych typu GIS/LIS,

gdzie NMT stanowi oddzielną warstwę tematyczną,

- szacowanie wielkości urobku w kopalniach odkrywkowych

oraz określenie tempa rozwoju procesów erozyjnych,

- określenie granicy linii zalewowych przy symulacji

wysokości fali powodziowej,

- projektowanie tras komunikacyjnych np. autostrad z

możliwością szybkiego wariantowania ich przebiegu,
sporządzanie analizy kosztów, harmonogramu prac ziemnych
oraz określenia stopnia wkomponowania trasy w krajobraz i
widoczności na trasie.