Numeryczne Modele Terenu

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

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

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.

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

powierzchni terenu, łącznie z terenami

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

głównie

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

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

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

= +/- 0,04 m

- przy 115 punktach /ha

= +/- 0,05 m

- przy 60- punktach /ha

= +/- 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

= +/- 5 m

dla terenu płaskiego i falistego,

- M

= +/- 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:

błąd

średni

interpolowanej

wysokości

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:

=[ mzpom

+ (



x d)

]

1/2

gdzie: M

- 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:

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

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

maksymalny:

max = 4 - 8 x M

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

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

= 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.

METODA SKANINGU LASEROWEGO:

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

= +/- 0,2 m

oraz

= +/- 0,2 m dla terenów odkrytych i

= +/- 0,5 m dla terenów leśnych.

Względna dokładność pomiędzy sąsiednimi punktami wynosi
nawet

= +/- 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

= 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

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.

Document Outline