Systemy Informacji Przestrzennej / SIP

Geographic Information Systems / GIS

dr Paweł Sowiński

Katedra Gleboznawstwa i Ochrony Gleb / UWM w Olsztynie

[e-mail]

program

1. organizacja / wstęp do SIPu / przykłady

2. dane rastrowe

3. dane wektorowe
4. bazy danych
5. współrzędne i geokodowanie
6. projekty SIP, zarządzanie, metadane, dokumentacja
7. numeryczny model krajobrazowy
8. teledetekcja
9. SIP - oprogramowanie, wymaganie sprzętowe

Systemy Informacji Przestrzennej / SIP

warstwy rastrowe

~1980 ca. 26 x 18 cm

1865 120 x 80 cm

~1902 30 x 20 cm

1997 ca. 21 x 22 cm

1) podstawy fizyki 'widzenia' obiektów

2) cyfrowe zachowywanie danych rastrowych

3) wartość / barwa / znaczenie

4) przykłady danych rastrowych

Systemy Informacji Przestrzennej / SIP

Geographic Information Systems / GIS

=> dane rastrowe - definicja i właściwości <=

1) podstawy fizyki 'widzenia' obiektów

2) cyfrowe zachowywanie danych rastrowych

3) wartość / barwa / znaczenie

4) przykłady danych rastrowych

Systemy Informacji Przestrzennej / SIP

Geographic Information Systems / GIS

=> dane rastrowe - definicja i właściwości <=

Dobers 08.2007

podstawy fizyki 'widzenia' obiektów

Tso & Mather 2001

1. odbicie promenia słońca
2. mierzenie promienia przez sensor

a) rozdzielczość geometryczna
b) rozdzielczość sensora

3. zachowywanie w pamięci

1.

2.

3.

sensor / czujnik:

oko, kamera/film, skaner,
sensor spektralny (np. satelita),
termosensor, itp.

G

ru

n

d

la

g

e

n

podstawy fizyki 'widzenia' obiektów

1. odbicie promenia słońca

2. mierzenie promienia przez sensor

a) rozdzielczość geometryczna
b) rozdzielczość sensora

3. zachowywanie w pamięci

Tabela: Część względna odbitego promienia dla różnych powierzchni

odbicie widzialnego promienia

materiał powierzchni

(albedo)

ciemny las

5 - 15 %

droga asfaltowa

8 %

łąka (sucha)

14 %

piasek (mokry)

18 %

piasek (suchy)

31 %

beton (chropowaty, suchy)

35 %

śnieg (stary)

42 - 70 %

śnieg (świeży)

80 - 90 %

G

ru

n

d

la

g

e

n

podstawy fizyki 'widzenia' obiektów

1. odbicie promenia słońca

2. mierzenie promienia przez sensor

a) rozdzielczość geometryczna
b) rozdzielczość sensora

3. zachowywanie w pamięci

powstawanie koloru
nierówne odbicie promienia w
poszczególnych częściach spektrum
widzialnego (ang. VIS)

IR - infrared

(podczerwień)

UV - ultraviolett

(ultrafiolet)

podstawy fizyki 'widzenia' obiektów

1. odbicie promenia słońca

2. mierzenie promienia przez sensor

a) rozdzielczość geometryczna

b) rozdzielczość sensora

3. zachowywanie w pamięci

rozróżnienie elementów graficznych
dpi - dots per inch / kropki na cal
ppi - pixel per inch / piksele na cal

1 cal = 25.4 mm

rozdzielczość maksymalna

skaner normalny 2,400 (- 9,200) dpi
skaner profesjonanly 12,000 dpi
skaner dla slajdów 4,000 dpi

oko człowieka ~10,000 ppi
oko ptaka drapieżnego ~25,000 ppi

50 dpi

38 KB

100 dpi

152 KB

200 dpi

607 KB

400 dpi

2,425 KB

G

ru

n

d

la

g

e

n

podstawy fizyki 'widzenia' obiektów

1. odbicie promenia słońca

2. mierzenie promienia przez sensor

a) rozdzielczość geometryczna

b) rozdzielczość sensora

3. zachowywanie w pamięci

... to zależy od szczegółów na mapie!

(1) ocena wizualna! (siedząc przed skanerem) => trial and error

(2) ocena teoretyczna

... rysowanie map` => linii o szerokości 0.1 mm

50 dpi => 50:25.4 [piksel*mm

-1

] => 1.97 [piksel*mm

-1

] => 0.51 [mm*piksel

-1

]

100 dpi => 100:25.4 [piksel*mm

-1

] => 3.94 [piksel*mm

-1

] => 0.25 [mm*piksel

-1

]

200 dpi => 200:25.4 [piksel*mm

-1

] => 7.87 [piksel*mm

-1

] => 0.13 [mm*piksel

-1

]

250 dpi => 250:25.4 [piksel*mm

-1

] => 9.84 [piksel*mm

-1

] => 0.10 [mm*piksel

-1

]

300 dpi => 300:25.4 [piksel*mm

-1

] => 11.81 [piksel*mm

-1

] => 0.08 [mm*piksel

-1

]

50 dpi

38 KB

jaka rozdzielczość jest potrzebna dla skanowania map ?

G

ru

n

d

la

g

e

n

podstawy fizyki 'widzenia' obiektów

1. odbicie promenia słońca

2. mierzenie promienia przez sensor

a) rozdzielczość geometryczna

b) rozdzielczość sensora

3. zachowywanie w pamięci

... to zależy od szczegółów na zdjęciu!

(1) ocena wizualna! (siedząc przed skanerem) => trial and error

(2) ocena teoretyczna

... slajd / negatyw 24 x 36 mm => 864 mm

2

600 dpi => 23.6 piksela*mm

-1

=> 558 pikseli*mm

-2

=> 0.5 MB

1200 dpi => 47.2 piksela*mm

-1

=> 2,232 pikseli*mm

-2

=> 1.8 MB

4000 dpi => 157.5 piksela*mm

-1

=> 24,800 pikseli*mm

-2

=> 20.4 MB

5 Megapiksel => 5,000,000 ~ 864 mm

2

=> 5,787 piksela*mm

-2

=> 1,932 dpi

50 dpi

38 KB

jaka rozdzielczość jest potrzebna dla skanowania zdjęć ?

kolor

... x 3

1 bit => 2 możliwości

2 bit => 4 możliwości

1. odbicie promenia słońca

2. mierzenie promienia przez sensor

a) rozdzielczość geometryczna

b) rozdzielczość sensora

3. zachowywanie w pamięci

rozdzielczość sensora

RGB

czerwony (R)

zielony (G)

niebieski (B)

1. odbicie promenia słońca

2. mierzenie promienia przez sensor

a) rozdzielczość geometryczna

b) rozdzielczość sensora

3. zachowywanie w pamięci

256*256*256 =

1) podstawy fizyki 'widzenia' obiektów

2) cyfrowe zachowywanie danych rastrowych

3) wartość / barwa / znaczenie

4) przykłady danych rastrowych

Systemy Informacji Przestrzennej / SIP

Geographic Information Systems / GIS

=> dane rastrowe - definicja i właściwości <=

miarą dokładności danej warstwy rastrowej w SIPie

nie jest skala tylko rozdzielczo

ść

- definicja geometryczna warstw rastrowych -

współrzędne & liczba W i K

=> rozdzielczo

ść

rastru

[ wymiar/obszar piksela ]

warstwy rastrowe

min. współrzędna X
min. współrzędna Y

maks. współrzędna X
maks. współrzędna Y

liczba wierszy i kolumn

piksel lub
element rastrowy

1) warto

ś

ci w pikselach (=> pamięć komp.)

1, 2, 3, 4, 5

warstwe rastrowe

- piksele lub elementy obrazowe (ang. picture elements => pixel) -

w: 12

k: 8

max x: 439

min x: 559
max y: 1029

min y: 1209

1 1 3 2 5 5 5 5

2 1 2 5 5 5 5 5

2 2 1 2 2 3 4 4

5 4 2 1 2 2 4 4

5 3 3 3 1 2 4

4

5 3 3 3 2 1 2 2

5 4 4 4 2 2 1 2

5 5 4 4 4 4 1 2

5 5 5 4 4 2 1 2

5 5 5 5 5 5

2 1

5 5 5 5 4 4 2 1

5 5 5 5 4 4 2 1

2) barwy dla wyświetlenia

n.p.

1 niebieski / 2 jasno zielony

3 pomarańczowy / 4 brązowy
5 ciemno zielony

lub

1 czarne / 2 jasno zielony

3 niebieski / 4 ciemno zielony
5 brązowy

x

min.

: 439 [m]

y

min.

: 1029 [m]

x

maks.

: 559 [m]

y

maks.

: 1209 [m]

współrzędne & liczba W i C

=> rozdzielczo

ść

rastru

[ 15x15 m ]

(=> granica dokładności !!)

13 x wart. 1 => 2925 m

2

rzeki

23 x wart. 2 => 5175 m

2

łąki

8 x wart. 3 => 1800 m

2

teren zabudowany

20 x wart. 4 => 4500 m

2

grunty orne

32 x wart. 5 => 7200 m

2

lasy

cały raster: 96 pikseli => 21600 m

2

warstwy rastrowe

- definicja geometryczna warstw rastrowych -

liczba wiersz (12) i kolumn (8)

definicja przestrzenna warstwy rastrowej

- macierz pikseli
- prostokąt
- pionowy
- każdy piksel ma swoją wartość

numeryczny model terenu (NMT)

NMT (wszystkie dane wyświetlone / '0' znaczy 'brak danych')

NMT (wszystkie informacje wyświetlone / '0' znaczy 'brak danych' / '0' przezroczysty)

definicja przestrzenna warstwy rastrowej

- brak danych / wartość „NULL“ -

[(0) komputery dzisiaj są rezultatem rozwoju komputerów ]

(1) pierwsze komputery używano do przeliczania i przetwarzania tekstów

=> dane/informacja => litery i liczby

=> 95 różnych znaków potrzebnych (znaki ASCII)

=> American Standard Code for Information Interchange

(2) komputery potrzebują prądu

dane i informacje w komputerze (1)

95 znaków ASCII

- komputery potrzebują prądu

- prąd jest lub go nie ma => dane zachowywane są w strukturach "jest" / "nie ma"

=> włączony = "1" / wyłączony = "0"

- podstawową formą w pamięci dla "0/1"-struktur jest BIT

- nazwa BIT pochodzi z binary digit [ ang. binary system ~ system dualny ]

- bit jako fundament systemu dualnego ma dwa stany ("jest" / "nie ma")

- wartość bit-u można przetłumaczyć jako np. ...

... 1 / 0
... włączony / wyłączony
... prawda / fałsz
... istnieje / nie istnieje
... itp.

- bit jest podstawową jednostką

w teorii informacji (information theory)

dane i informacje w komputerze (2)

95 znaków ASCII

typy danych warstw rastrowych

i potrzebna dla nich pamięć

typ danych

wartości

bajt na piksel

unsigned
Boolean

0 / 1

1 bajt* (1 bit)

byte / 8-bit

0 .. 255

1 bajt

signed
short integer

-128 .. +127

1 bajt

integer

-32 768 .. +32 767

2 bajty

long integer

-2 147 483 648 .. [phone]

4 bajty

floating point
single precision

7 liczb po przec. (np. 4,3426235) 4 bajty

double precision 16 liczb po przec. (5,34262354393273) 8 bajtów

- ćwiczenie -

warstwa rastrowa

typ danych

bajt na piksel

wysokość terenu (NMT) / 45 - 215 m

wysokość terenu (NMT) / -8 - 215 m

wysokość terenu (NMT) / -8 - 2.134 m

wysokość ter. (NMT) / 45,25 - 67,75 m

pokrycie terenu [ 6 kategorii ]

skan czarno-biały [256 stopni]

skan kolorowy [RGB, 256 stopni]

obszar chroniony [ tak / nie ]

typy danych warstw rastrowych

i potrzebna dla nich pamięć

byte

1

integer

2

integer

2

single precision

4

byte

1

byte

1

byte (każdy kanał)

1 (*3)

Boolean

1 (1 bit)

1) podstawy fizyki 'widzenia' obiektów

2) cyfrowy zachowywanie danych rastrowych

3) wartość / barwa / znaczenie

4) przykłady danych rastrowych

Systemy Informacji Przestrzennej / SIP

Geographic Information Systems / GIS

=> dane rastrowe - definicja i właściwości <=

wyświetlenie rastrów

np. zdjęcie lotnicze czarno-białe

przetłumaczenie wartości na kolory
(1 bajt/piksel => 256 możliwości)

wyświetlenie rastrów

np. zdjęcie lotnicze czarno-białe

raster NMT (na tle warstwice)

warto

ś

ci wysoko

ś

ci (typ danych: floating point) - 4 bajty/piksel

np. raster NMT

wartości =>

liczby (zawsze)

wyświetlenie =>

256 stopni szarości / kolorów

znaczenie =>

wysokość terenu

wyświetlenie rastrów

np. numeryczny model terenu (NMT)

czerwony

zielony

niebieski

B

G

R

warstwa inf. niebieskiej

=> kolor czerwony

warstwa inf. zielonej => kolor zielony

warstwa inf. czerwonej

=> kolor niebieski

B

R

G

warstwa inf. niebieskiej

=> kolor czerwony

warstwa inf. czerwonej

=> kolor zielony

warstwa inf. zielonej

=> kolor niebieski

warstwa inf. czerwonej => kolor czerwony

warstwa inf. zielonej => kolor zielony

warstwa inf. czerwonej

=> kolor niebieski

R

G

B

informacja kolorowa w warstwach rastrowych

- raster colour composite / raster false colour composite -

przetłumaczenie wartości w kolory

(3 bajt/piksel => 256*256*256 kolory)

16.777.216 kolory

(bajt)

(bajt)

(bajt)

np. raster RGB mapy topograficznej

wartości =>

liczba (zawsze!)

wyświetlenie =>

po 256 stopni kolorów R, G, B

znaczenie =>

zdefiniowane symbole mapy topograficznej

1) podstawy fizyki 'widzenia' obiektów

2) cyfrowy zachowywanie danych rastrowych

3) wartość / barwa / znaczenie

4) przykłady danych rastrowych

Systemy Informacji Przestrzennej / SIP

Geographic Information Systems / GIS

=> dane rastrowe - definicja i właściwości <=

różne warstwy rastrowe

~1980 ca. 26 x 18 cm

1865 120 x 80 cm

~1902 30 x 20 cm

1997 ca. 21 x 22 cm

satellite image of Olsztyn region

[ ETM+ / 31.07.1999 / VIS (bd123) ]

warstwa rastrowa - zdj

ę

cie satelitarne RGB

N

odległość

warto

ś

ci odleg

ł

o

ś

ci (floating point)

distance [m]

u

ż

ytkowanie terenu (1, 2, 3,

4

, 5)

klasyfikowanie

1=0 / 2=0 / 3=0 / 4 = 1 / 5=0

warstwa Bool-a (0/1)

różne warstwy rastrowe

A

B

C

numeryczny model terenu

(raster)

B

C

A

C

różne warstwy rastrowe (NMT i in.)

spadki terenu

(raster)

input raster - spadki terenu

przydatność dla sportów zimowych
klasa min

maks

1 0.1 1.8
2 1.9 3.9
3 4.0 5.9
4 6.0 100

różne warstwy rastrowe (NMT i. in.)