Upload
duongtruc
View
253
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
Prikazivanje prostorne stvarnosti – osnovni principi
Dr. sc. Aleksandar Toskić, izv. prof. Geografski odsjek PMF-a Sveučilišta u Zagrebu
Geoinformatika, smjer: preddiplomski istraživački studij geografije, 5. semestar
Samo dio prostora Zemlje direktno opažamo Zato razvijamo veliki broj metoda učenja o
drugim dijelovima svijeta Ljudske djelatnosti uvijek zahtijevaju znanje
o dijelovima Zemljine površine koji su van dosega našeg direktnog opažanja i iskustva (jer se događaju negdje drugdje u prostoru ili vremenu)
Ponekad se to posredno znanje koristi kao zamjena za direktno opažene informacije stvarajući virtualnu realnost
Naše znanje o Zemlji nije stvoreno sasvim slobodno, već se prilagođava mentalnom konceptu koji smo počeli razvijati još u djetinjstvu – koncept sadržajnosti (Zagreb je u Hrvatskoj) i blizine (Zagreb i Velika Gorica su blizu).
Ovi se koncepti u digitalnom prikazu formaliziraju kroz modele podataka (data models) – strukture i pravila koje su uprogramirane u GIS radi obrade podataka.
Ovi koncepti i modeli podataka zajedno čine ontologiju – okvire (modele) za usvajanje znanja o svijetu.
Jedan takav “okvir” odn. model za strukturiranje znanja jest 3D dijagram (dvije osi definiraju položaj na površini Zemlje, a treća os definira vrijeme.
Prava kretanja u prostoru su kompleksna, a ovaj dijagram je samo njihov prikaz – model na komadu papira dobiven pomoću računala iz baze podataka.
Temeljni pojmovi: prikaz i model Podrazumijevaju pojednostavljenje odnosa između prikaza (slike) i baze
podataka s jedne strane i stvarnog kretanja pojedinaca u prostoru.
Takvi modeli javljaju se u različitim oblicima: – U ljudskom mozgu (kognitivne karte) – pomoću
osjetila hvataju se informacije o našoj okolini i koje se čuvaju za buduću uporabu
– Na fotografijama – 2d model – U govoru i pisanom tekstu – U brojkama – kada se pojedini aspekti realnog
svijeta mjere (npr. termometrom, brzinomjerom, ravnalom i dr.)
Model
Modeli nam omogućuju da skupimo puno više znanja o Zemlji nego što bi to mogli usvojiti individualnim direktnim opažanjem (jedan model: karta)
Modeli su utemeljeni na pravilima i zakonima koje ljudi primjenjuju kako bi mogli vanopažajno spoznati svijet oko sebe (npr. posječeno drvo u šumi, predviđanje pomrčine na temelju zakona o kretanju planeta Sunčevog sustava)
u GIS-u se često oslanjamo na metode prostorne interpolacije kako bi predvidjeli stanje u prostoru gdje nije bilo opservacije,
Te metode se temelje na određenim pravilima koja se često temelje na Prvom zakonu geografije: Sve je u određenom odnosu, ali su bliži objekti povezaniji od udaljenijih (Toblerov zakon).
Model
Prostorna interpolacija
Mjerenja kontinuiranih pojava u prostoru odvijaju sa na izabranim mjernim mjestima
Potreba da se procijeni cijela površina – Procijeniti vrijednosti pojave gdje nisu obavljena
mjerenja – Napraviti kartu izohipsa interpolirajući ih između
postojećih podataka o NV (visinskih točaka)
Metode prostorne interpolacije rješavaju ovakve probleme
Inverse Distance Weighted (IDW)
Spline (rubber sheet)
Kriging
Osnovno obilježje digitalne tehnologije: ne vide se individualni aspekti samog digitalnog podatka, ono što vidimo jesu različiti prikazi koji predočuju sadržaj u nama smislenom obliku
Prednosti DT
Prikaz stvarnog svijeta u digitalnom obliku
Termin ˝digitalni˝, eng. Digit – znamenka U računalu – podaci pohranjeni u binarnom
sustavu (0 i 1) Termin digitalni je neprecizniji, od termina
binarni Dogovorom je utvrđeno da se upotrebljava
termin digitalni za elektroničku tehnologiju temeljenu na binarnom obliku pohrane.
Prikaz stvarnog svijeta u digitalnom obliku
Bit (binary digit) – osnovna jedinica pamćenja u računalu
s jednom binarnom znamenkom, odnosno sa 1 bitom možemo dobiti 2 različite kombinacije (0 i 1), sa 2 bita možemo označiti 4 različite kombinacije, sa 3 bita možemo označiti 8 različitih kombinacija, sa 4 bita možemo označiti čak 16 različitih kombinacija, sa 5 bitova možemo označiti čak 32 kombinacije...
Binarni sustav
S nizom od 4 bita možemo prikazati 16 brojeva (0-15). Taj se niz naziva četvorka bitova i to je osnovni niz
bitova kojima se koristi računalo. Svaki bit u nizu bitova ima svoju vrijednost - težinsku
vrijednost bita. Vrijednost jedinica ovisi o mjestu na kojem se nalaze.
Mjesto na kojem se u nizu bitova nalazi pojedini bit, a s pomoću kojeg se određuje težina tog bita, naziva se binarno mjesto.
Prikaz prirodnih brojeva bitovima naziva se binarni zapis
Binarni sustav
Koriste se samo dvije znamenke (0 i 1) Binarni sustav predstavlja brojevni sustav s
bazom 2. To znači da u tom brojevnom sustavu za označavanje brojeva koristimo 2 znamenke, i to: 0 i 1.
Binarni sustav je osnova današnjeg računarstva.
Niz od 8 bitova naziva se bajt (byte) Danas pretežno koristimo 8-bitni (1byte) način
zapisa, tj. 8 znamenki i 256 mogućih kombinacija.
Binarni sustav
Kako za sastavljanje binarnog broja na raspolaganju imamo samo 0 i 1, niz binarnih brojeva izgleda ovako:
0000 - decimalno 0 0001 – decimalno 1 0010 - decimalno 2 0011 - decimalno 3 0100 – decimalno 4 0101 – decimalno5 0110 - decimalno 6 0111 - decimalno 7 1000 - decimalno 8 1001 - decimalno 9 . . . . (itd...)
Binarni sustav
Pretvorba dekadskog broja u binarni Binarni broj tvore ostaci dijeljenja s 2, odozdo prema gore 57 : 2 = 28 1 1 1 0 0 1 1 28 : 2 = 14 0 14 : 2 = 7 0 7 : 2 = 3 1 3 : 2 = 1 1 1 : 2 = 0 1
Svaki podatak unutar računala treba predočiti binarnim brojevima, odnosno određenim rasporedom "0" i "1".
Cijeli brojevi (engl. integer) se mogu predočiti jednostavno nizom "0" i "1" koji predočuju binarni broj. Obično se za prikaz cijelih brojeva u računalu rabi 16 bitova (2byte) pa je raspon cijelih brojeva koji se mogu predočiti u sustavu dvojnih komplemenata od -65535 do 65535 (short integer) odnosno 32 bita (4byta) u rasponu od -4294967295 do 4294967295 (long integer).
Binarni sustav
Realni brojevi (engl. real) se mogu predočiti na nekoliko načina: prikaz sa stalnim zarezom i prikaz s pomičnim zarezom. Zapis s pomičnim zarezom pogodniji je za računala jer je za zapis svakog broja potrebno predvidjeti isti broj bitova. Broj sa tri decimale npr. 123,456 bilježi se kao 0,123456 x 103 odnosno 0,123456 i 103 pohranjuju se u dva posebna dijela u bloku od 4 bajta (32 bita, realni broj standardne točnosti - float) ili 8 bajta (64 bita, realni broj dvostruke točnosti - double)
Binarni sustav
Pripisivanje drugog značenja binarnim brojevima zove se binarno kodiranje.
Postoji više binarnih kôdova ili načina na koji se binarnim brojevima dodjeljuje neko drugo značenje.
ASCII kôd (engl. American Standard code for information interchange) – propisan američkim standardom – propisuje pridjeljivanje 7 bitovnoga binarnog broja brojevima,
slovima i nekim posebnim znakovima. ASCII kôd je predviđen za kodiranje ukupno 128
različitih znakova. Prva 32 kôda ASCII kôda namijenjena su nadzorno-
upravljačkim znakovima, za upravljanje pisačem i komunikacijom općenito. To su znakovi koji se ne mogu otisnuti.
96 znakova jesu znakovi koji se mogu otisnuti i sadržavaju slova, brojke, znakove interpunkcije itd.
Binarno kodiranje
Skup od 96 znakova je relativno malen pa je uveden prošireni ASCII kôd (engl. Extended ASCII) koji rabi osam bitova za prikaz znakova. Prvih 128 znakova jednako je standardnom ASCII kôdu, a preostalih je 128 kôdova namijenjeno novim znakovima. ASCII kôd je u širokoj uporabi za razmjenu podataka računala i komunikacijske opreme.
Binarno kodiranje
Osim ASCII koda postoji još cijeli niz kompetitivnih standarda kodiranja npr. za zračne snimke i fotografije (GIF, JPEG, TIFF itd.), za video zapise (MPEG), zvučne zapise (MIDI, MP3).
Binarno kodiranje
Zašto je digitalna tehnologija uspješna? Sve vrste informacija u istom su formatu
(binarni) Informacijama u digitalnom obliku može se
rukovati nezavisno od njihovog značenja (npr. Internet – prenose se informacije ali se sve ne dekodiraju (samo podaci iz zaglavlja))
Digitalne podatke je vrlo lako kopirati, prenositi, čuvati (malo mjesta), manje su osjetljivi na oštećenja
Prednosti (osnovne)
U odnosu prema karti GIS omogućava: – Bolju točnost i brzinu mjerenja – Preklapanja i kombiniranja – Mijenjanja mjerila i pomicanja (zoom i pan) – Transformacije koje je prije bilo gotovo
nemoguće provesti – Različitost vizualizacije
Jednostavnost i niska cijena prostornih podataka u digitalnom obliku
Prednosti – dodatne prikaz prostornih podataka
Primjena GIS-a – kroz izgradnju modela - osnovno pitanje što prikazati, kojim stupnjem detaljnosti i u kojem vremenskom okviru
Vrlo važno – točnost podataka (zašto?) Modeli omogućuju primjenu različitih
mogućnosti (scenarija)
GIS - Što prikazati i kako?
Geografski podaci – obilježja
Geografski podaci – definiraju se lokacijski, vremenski i tematski (atributi)
Prostorna definicija (lokacija) – spatial reference – apsolutni i relativni (koordinate i topologija)
Tematska (pojmovna) definicija – thematic reference – neprostorna – kvalitativna i kvantitativna obilježja objekta
Vremenska definicija – temporal reference – Statika/dinamika – Prikupljanje podataka - ažuriranje
Unikat Stvarni svijet
Entitet GIS
Geografski podaci Obilježja
Tematika
Kvalitativni Kvantitativni
Statički Dinamični
Koordinate Topologija
Prostorna def. Geometrija
Pojmovna
Geografski podaci
Geografski objekt
Vremenska
Opisna (atributivna) obilježja geografskih objekata izražavamo kroz mjerenja (mjerne skale): – Nominalna skala
nazivi, oznake, kategorije, ocjene ne mogu biti uređeni redoslijednom shemom ne postoji kriterij prema kojemu bi se vrijednosti mogle
odrediti kao “veće od”, ili “manje od” drugih vrijednosti primjer nominalne razine mjerenja - kodirani odgovori
u upitniku: da, ne, ne znam brojevi služe samo za identifikaciju, tj. imaju ulogu
oznake i na njima nije smisleno provoditi matematičke operacije pa umjesto brojeva mogu stajati i slova ili neki drugi znakovi.
Geografski podaci – atributivna obilježja
– Ordinalna skala pridružuje brojeve, slovne oznake ili simbole
elementima statističkog skupa prema stupnju (intenzitetu) nekog svojstva (npr. ocjena, razvijenost)
mjere se relativne razlike mjerenja, bez točnog stupnja tih razlika
ordinalnu razinu mjerenja čine podaci koji se mogu urediti prema nekom redoslijedu, ali se razlike između podataka ne mogu urediti
primjer ordinalne razine mjerenja – školske ocjene, rangovi, 1- nikad 2- rijetko 3- ponekad 4- često 5- uvijek
Geografski podaci – atributivna obilježja
– Intervalna skala pridružuje brojeve mjerenim svojstvima elemenata
skupova pri čemu jednake razlike brojeva na skali predstavljaju jednake razlike mjerenog svojstva (npr. temperaturna skala, dnevno vrijeme, godine u kalendaru, pH skala)
navedena ljestvica ne posjeduje apsolutnu, već samo relativnu nulu
npr. temperature od 0° Celzijusa, govori li kako "nema topline"?
je li temperatura od 50° C dvostruko toplija nego li temperatura od 25° C?
Geografski podaci – atributivna obilježja
– Odnosna (omjerna) skala jednake razlike brojeva predstavljaju jednake razlike
mjerenog svojstva, Npr. Tijelo mase 100 kg ima dvostruko veću masu od tijela
od 50 kg. rezultira kreiranjem numeričkih varijabli (kontinuiranih ili
diskontinuiranih) numerička diskontinuirana (diskretna) varijabla je ona
koja može poprimiti konačan broj svojstava i zapisuje se isključivo cjelobrojno npr. broj radnika u jednom poduzeću
numerička kontinuirana varijabla – zapisuje se i decimalnim brojevima; npr. Visina, dužina, težina i dr.
naziva se odnosna razina – stoga što početna točka mjerenja daje značenje odnosu vrijednosti između podataka
prisutna apsolutna nula
Geografski podaci – atributivna obilježja
Kružna,ciklična – usmjerena – Specifična za GIS – usmjerena kretanja,
smjer kompasa. – Npr. Aritmetička sredina smjerova 359° i
1° jest 180°, dakle sredina dvaju smjerova u blizini Sjevera je smjer Juga.
– Zbog toga u GIS-u predviđena posebna rješenja za takve podatke
Geografski podaci – atributivna obilježja
Problem detaljnosti prikaza u digitalnom obliku
Svijet je beskonačno složen Svaki prikaz je djelomičan (ograničen
pozicijskom, atributivnom ili vremenskom točnošću)
Računalni sustavi su konačni: u GIS-u je detaljnost prikaza ograničena
Detaljnost prikaza – nužno je zanemariti informacije koje se odnose na vrlo male dijelove Zemljine površine
Sjeverno hrvatsko primorje (rezolucija 500 m)
Površina Zemlje – oko 500 mil. km2 – Rezolucija 1 km – 500 milijuna
piksela – Rezolucija 1 m – 500 bilijuna
piksela – 500 000 000 000 000
Diskretni objekti (diskontinuirani) (entity data model, discrete objects) – objekti precizno definiranih granica ispunjavaju
inače prazan prostor – Objekti se mogu izbrojati
Kontinuirana polja (continuous data model) – Prikazuju svijet kao konačni broj varijabli
mjerljivih u svakoj točki na površini Zemlje (nadmorska visina, gustoća naseljenosti – ako se ne razbije do individue)
Modeli podataka Temeljni izbor: dva konceptualno različita načina prikaza prostora
Modeli podataka Temeljni izbor: dva konceptualno različita načina prikaza prostora
Model entiteta (Entity data model)
Model kontinuiranih polja (continuous field data model)
Rasterska struktura podataka Vektorska struktura podataka
Modeli podataka
Implementacija
Geoobjekt Stvarni svijet: Sadržaj geoprostora s individualnim obilježjima :
Individualni objekt, Unikat Geoinformatika: Logičko jedinstvo podataka, prikupljeni
geoprostorni atributi za GIS, Idealizirani objekt, Entitet Geopodaci (geodata, spatial data) Informacije o položaju i obliku (geometrijski podaci) geoobjekata na
površini Zemlje kao i njihovim ne-geometrijskim obilježjima (opisni podaci)
Izvor: Asche, H. (2007.)
Entitet – objekt ili pojava koja se prikazuje u GIS-u. Određen je imenom i tipom.
Unikat Stvarni svijet
Entitet GIS
Geografski podaci Obilježja
Tematika
Kvalitativni Kvantitativni
Statički Dinamični
Koordinate Topologija
Geometrijski Atributivni
Geografski podaci
Geografski objekti
Vremenski
Model
GIS operater >preslikavanje // simbolizacija: kodiranje
GIS korisnik > objašnjenje // čitanje i interpretacija: dekodiranje
Znanstvenik (stručnjak) > razumijeti, mjeriti // prikupljanje, registriranje
Primarni model
Alfanumeričke informacije o objektu negrafički
Sekundarni model
analogne/digitalne karte (Papir/monitor) Grafički orijentiran
Tercijarni model
kognitivne karte individualni
model korisnika
Stvarni svijet
Uop
ćava
nje
+
-
Izvor: Asche, 2002.
Pojam Sve geografske pojave stvarnog svijeta svode se u GIS-u na tri
grafička elementa koji aproksimiraju entitet: točku, crtu, poligon
Stvarni svijet jest dinamičan. Dinamičnost stvarnog svijeta postavlja pred GIS modele dva problema u definiranju entiteta. koji od navedenih elemenata odabrati kao odgovarajući za
prezentaciju obilježja iz stvarnog svijeta prikazati šumu kao zbir pojedinačnih stabala (točke) ili kao površinu (granicu koje čini prostiranje šume)
kako prikazati promjene tijekom vremena Osim toga, naša percepcija geografskih struktura može ovisiti o
području kojim se bavimo (npr. vozač – prikaz ceste kao linije, inženjer službe održavanja – cesta kao površina)
Entitet Stvarni svijet>3 grafička elementa
Kako pretvoriti prostorne podatke u računalu prihvatljiv oblik: tako da računalo može njima upravljati i prikazati ih u grafičkom obliku?
Dvije su osnovne metode pretvorbe stvarnog svijeta u digitalni zapis prihvatljiv računalu: – Rasterski model – Vektorski model
Modeli prostornih podataka Obilježja
Grafički elementi (picture element – pixel, ćelija) koriste se kao gradbeni elementi (blokovi) za kreiranje osnovnih grafičkih elemenata – točke, linije i poligona.
Entitet se stvara grupiranjem ćelija Princip mozaika (tesselation) Veličina piksela vrlo je bitna jer utječe na prikaz
entiteta
Modeli prostornih podataka Rasterski model
1 2
1 3
2
1
1 3 3
2
1
3
1 3 3 3
1
2
3
1
2
3
ŠUMA
POLJOPRIVREDNO ZEMLJIŠTE
VODA
Rasterski podaci pohranjeni su nizovi vrijednosti u mreži
Metapodaci o nizovima pohranjeni su u zaglavlju datoteka
Tipični metapodaci: geog. koordinate gornjeg lijevog kuta mreže, veličina piksela, broj redaka i kolona i projekcija
Nizovi podataka obično su komprimirani
Modeli prostornih podataka Rasterski model
Unutar piksela – nema varijacije Pravilo A se koristi u većini slučajeva, osim u slučaju
kada se želi povećati brzina rada (ili kod nadmorskih visina)
Modeli prostornih podataka Rasterski model
Dvodimenzionalni Kartezijev sustav koordinata Točka – temeljna gradbena jedinica (0D)
– U GIS-u – point, node, vertex, 0-cell
Crta – niz povezanih točaka (1D – duljina) – U GIS-u – line, edge, link, 1-cell
Površina (2D) – U GIS-u – polygon, face, zone, 2-cell
node
node
vertex
vertex
vertex
vertex
Modeli prostornih podataka Vektorski model
Longley, i dr. (2005.)
Promjena rezolucije u rasterskom i vektorskom modelu
Vektorski i rasterski podaci
Skup ravnih crta (usmjerenih – vektor) - polyline
Precizniji lokacijski od rastera
Obilježje Raster Vektor
Količina podataka
Ovisi o veličini piksela
Ovisi o gustoći točaka
Izvori podataka
Daljinska istraživanja
Socijalni i okolišni podaci
Primjena Fizička geografija, prirodni resursi
Socijalno, ekonomsko, administrativno područje
Softver Rasterski GIS, za obradu satel. snimaka
Vektorski GIS, digitalna kartografija
Rezolucija Fiksna Varijabilna
Postoji više načina kako u GIS-u aproksimirati kontinuirano polje:
Prikaz kontinuiranih polja
a) b) c)
d) e) f)
a) i c) – raster b), d), e) i f) - vektor
a) Pravilno raspoređeni uzorci , b) Nepravilno raspoređeni uzorci, c) Pravilna matrica, d) poligoni, e) Nepravilna mreža trokuta, f) Polylines – predstavljaju izohipse