Geoinformatika - elektronikus jegyzet © Czimber Kornél, 2001.

[ Tartalom | Bevezetés | Raszter | Képfeldolgozás | Fotogrammetria | Vektor | Összefoglaló ]

Lektorok

Dr. habil. Bácsatyai László, egyetemi tanár, Nyugat-Magyarországi Egyetem
Dr. Márkus István, egyetemi docens, Nyugat-Magyarországi Egyetem
Dr. Morschhauser Tamás, egyetemi adjunktus, Janus Pannonius Tudományegyetem

Előszó

A jegyzet megírásának célja a geoinformatika, mint tudományterület és a geoinformatikában használt jelenlegi korszerű digitális technikák bemutatása, erdészeti alkalmazhatóságuk vizsgálata, alátámasztása. További cél egy naprakész ismeretanyag átadása mind a hallgatóknak, mind a témával foglalkozó kollégáknak, oktatóknak és kutatóknak egyaránt.

Jegyzetemet elsősorban erdő-, és környezetmérnököknek ajánlom, továbbá mindenkinek, aki a geoinformatikával, és annak erdészeti alkalmazásával behatóbban szeretne foglalkozni.

A teljesség kedvéért az egyes eljárásokat nem csak megemlítem, hanem a megértés céljából röviden ismertetem is. A geoinformatika témakörén belül olyan kapcsolódó diszciplínák szakterületeivel is foglalkozom, amelyek a számítás technikának és más digitális technikáknak köszönhetően gyökeres változáson mentek keresztül az utóbbi években. A jegyzet a geoinformatika szintetizáló, interdiszciplinális és multidiszciplinális jellege miatt sokszor gyakorlati hangvételű.

Czimber Kornél, okleveles erdőmérnök, geoinformatikai rendszermérnök, doktorandusz

Az elektronikus jegyzettel kapcsolatos észrevételeket, javaslatokat szívesen fogadom: czimber@emk.nyme.hu

I. Bevezetés

Manapság a földrajzi információs rendszerek számos szakterület munkáját segítik. A környezet- és erdőgazdálkodásban ezen rendszerek alkalmazása mérhető előnyökkel bír. Az előnyök a környezetünkről és erdeinkről gyűjtött információk tárolásában, rendszerezésében és térbeli összefüggéseket feltáró elemzésében jelentkezenek. Ezért tartjuk fontosnak, hogy az erdő- és környezetmérnökök megismerjék a földrajzi vagy geoinformációs rendszerek tervezésének, fejlesztésének és működtetésének lépéseit.

I.1. Informatika

Az információ fogalmát röviden a híranyag, tájékoztatás, értelmezett adat szavakkal írhatjuk le. Az információ bizonytalanságot szüntet meg bennünk, illetve új ismeretanyagot tár elénk. Az információs rendszerek tárgya maga az információ. A számítógépekkel segített információs rendszerek funkciói az adatok gyűjtése, tárolása, rendszerezése, előhívása és elemzése. Az informatika az információs rendszerek elméleti kérdéseivel, új technológiák kidolgozásával foglalkozik.

Manapság az oktatás, kutatás, termelés és igazgatás hatékonyságát az alkalmazott informatika színvonala befolyásolja. A naprakész információ minden tekintetben lépéselőnyhöz juttatja birtokosát. Ugyanakkor nap mint nap a ránk zúduló információ kereszttűzében élünk. A nagy mennyiségű információ feldolgozása, a fontos információk kiszűrése hatékony eszközökek, információs technológiákat kíván.

Az informatika szerepe a jövőben is meghatározó lesz. A multimédia, grafikus adatbázisok, virtuális valóság, szimuláció, GIS, CAD, Internet néhány kulcsszó, mely szavatolja az informatika jövőbeni szerepét. Az informatika piaci részesedése, az eredményei és a teljesítmények hatványozott mértékben növekednek. A XXI. század emberének mindennapjaiban fontos szerephez jutnak az információs eszközök.

I.2. Természeti erőforrások

A Föld természeti erőforrásai végesek. Az ember rákényszerül ezen erőforrások optimális, takarékos felhasználására, az egyes elemek megújítására. Az erőforrás-gazdálkodás alapvető lépéseit, úgymint számbavétel, becslés, tervezés, szimuláció, gazdaságossági vizsgálatok, eljárások kidolgozása az informatika tudatos alkalmazása hatékonyabbá teheti.

Az erdész tudni akarja a piaci igényeket és a kezelésében lévő aktuális erdővagyont. Meg akarja tervezni a jövedelmező, ökológiai- és társadalmi szempontból mind nagyobb igényeket kielégítő erdőállományhoz vezető utat. A környezetvédő az esetleg felmerülő problémákra azt megelőzően kíván megoldást keresni, a környezeti károkat felbecsülni, a felmerült problémák elhárításában a helyes irányt megjelölni. Az ökológus fel akarja tárni az ökoszisztémák bonyolult dinamikájának törvény-szerűségeit. A tájtervezés, építészet is a modellezés eszközeit használja. Ezek az igények napjaink számítástechnikája révén találhatnak megoldásra.

I.3. Geoinformatika

Az információs rendszerek között kitüntetett szerepe van a térbeli információkat feldolgozó térinformatikai rendszereknek. A megkülönböztetést a hellyel, térbeliséggel kapcsolatos információk speciális kezelése indokolja. A számítógépes gépészeti-, építészeti tervezés, a több dimenziós szimuláció és modellezés is térbeli adatokat dolgoz fel. Azon rendszereket, amelyek a Földről, mint közvetlen környezetünkről tárolt térbeli információkat dolgozzák fel, földrajzi információs vagy geoinformációs rendszereknek nevezzük. A rendszerekkel foglalkozó tudományterület a geoinformatika. Az angol nyelvterületen a GIS - Geographical Information Systems elnevezés terjedt el. Ennek magyar fordítása a FIR - Földrajzi Információs Rendszerek. A magyar nyelvhasználatban a térinformatika és térinformációs rendszerek név honosodott meg, de ne feledjük, hogy a térinformatika valamennyi térbeli információval foglalkozó rendszert takarja és ennek csak egy részhalmaza a geoinformatika.

I.3.1. A geoinformatika jelentősége

A geoinformatikának nagy jelentősége van a természeti erőforrások kutatásában, állapotának figyelésében; a közigazgatásban; a földhasználati- és tájtervezésben; az ökológiai- és gazdasági összefüggések feltárásában, a döntéshozásban; ugyanakkor a közlekedési-, szállítási-, honvédelmi-, piackutatási feladatok megoldásában; a szociológiai-, társadalmi összefüggések vizsgálatában; a település-fejlesztésben és a létesítmény-tervezésben. A geoinformatikában összefonódik a több ezer évre visszatekintő térképészet, a pár száz éves geotudományok és a pár évtizedes múlttal rendelkező számítástechnika. Csaknem valamennyi geotudomány közvetlen kapcsolatba került az utóbbi években a geoinformatikával.

A földrajzi információs rendszerek, más szóval geoinformatikai rendszerek fejlesztése, az informatikán belül az utóbbi évtizedben csaknem önálló kutatási területté nőtte ki magát. Interdiszciplina, az egyes geotudományok között elhelyezkedő, gyakorlatias jellegű, kapcsoló-, szintetizáló tudomány, némelyiknek már jelenleg is szerves része (távérzékelés). A geoinformatika mind nagyobb szerephez jut az ökológia, ökonómia, a szociológia kutatási és gyakorlati szférájában egyaránt.

A geoinformatika a modell alkotás, adatfeltöltés, megjelenítés, elemzés és a szimuláció eszközeivel segíti, támogatja a mérnöki-, ökológiai és marketing munkák döntéshozatalait (Decision Support System). A geoinformatika multitematikus, térbeli modelleket használ, ezzel is a hatékonyságot és a realitást hivatott növelni.

I.3.2. A geoinformációs rendszerek jellemzése

A geoinformációs rendszerek funkciói szintén az információ gyűjtése, tárolása, elemzése, megjelenítése fogalomkörökkel írhatók le. Ezek alapján valamely földrajzi információs rendszer felfogható térbeli adatok és feldolgozási utasítások együtteseként. A felhasználó az utasítások segítségével elvégezheti a térbeli adatok kezelését, elemzését és megjelenítését.

A geoinformációs rendszerek alkotóelemei - az egyéb információs rendszerek alkotóelemeihez hasonlóan - a számítástechnikai eszközök (hardver), számítógépes programok (szoftver), az adatok és a felhasználók. A hardver alkotóelem elévülési ideje 1-5 év, a szoftvereké 3-10 év. Természetesen új szoftverek alkalmazása esetén a felhasználóknak is tovább kell képezniük magukat. Az adatok esetében az elévülési időt nehéz becsülni, hiszen az adatok egy adott időpontra, a keletkezés időpontjára vonatkoznak, de sok esetben az adatok jelentős része évtizedekig is aktuális. Az egyes alkotóelemek költséghányada a szakirodalomban gyakran megjelenő aránnyal írható le:

hardver : szoftver : adatok = 1 : 10 : 100,

de természetesen bizonyos rendszerek esetében teljesen más arányokat is kaphatunk. A térinformatikai adattárházak a nagymennyiségű adatot egy egyszerűen kezelhető hálózati szoftverrel sok helyen értékesíthetik. Ebben az esetben az arányok az 10:5:1 irányba is elmozdulhatnak. Az aránypár viszont olyan aspektusból jelentőséggel bír, hogy az adatok fontosságát kihangsúlyozza.

Az egyes alkotóelemeket tovább lehet bontani. A hardverelemek között a számítógépek lehetnek ügyfelek (kliens) és kiszolgálók (szerver). A számítógéphez csatlakoztatott perifériák az általános (nyomtató, billentyűzet) és a speciális (térképnyomtató, digitalizáló tábla, térbeli megjelenítő) csoportokba sorolhatók. A szoftverek a kínált geoinformatikai funkciók alapján csoportosíthatók. A csoportok a funkciók alapján lehetnek térképező, elemző, képfeldolgozó és felületmodellező programok. A funkciók kidolgozása alapján általános és professzionális kategóriákat lehet elkülöníteni. A felhasználói csoportok általában a következők: rendszertervező, rendszerfejlesztő, rendszergazda, operátor, ügyfél.

A geoinformációs rendszereket területi kiterjedésük szerint lokális, regionális és globális kategóriákba soroljuk. A rendszerek felhasználása rendkívül sokrétű, a fontosabb felhasználási területek:

Egy geoinformációs rendszer különböző irányítási, tervezési és végrehajtási egységeket szolgálhat ki. Az irányítás és a tervezés egyes szintjei a politikai, stratégiai, taktikai szintek, amelyek legalsó szintjéhez kapcsolódik a konkrét végrehajtás. Egy nyilvántartási célra létrehozott geoinformációs rendszer 3-5 év elteltével lesz alkalmas egy magasabb tervezési, illetve irányítási szint kiszolgálására.

I.3.3. A geoinformációs rendszerek fejlődése

Alapvetően a számítógépes grafika és a számítástechnika fejlődése segítette elő geoinformációs rendszerek kialakulását. 1950-1960 között a vektorgrafika kialakulása után jöttek létre az első digitális térképező rendszerek. A következő évtizedben az interaktív számítógépes grafika, a programnyelvek kialakulása, egyszerű geometriai algoritmusok és modellek kidolgozása eredményeképpen a digitális térképezésben, továbbá a digitális magassági modellek kialakulásában történt előrelépés. Erre az időszakra esik az egyik első geoinformatikai rendszer a Kanadai Földrajzi Információs Rendszer létrehozása. 1970-1980 közötti időtartam a rasztergrafika, a térbeli ábrázolás, az animáció és az első számítógépes szabványok megjelenésének időszaka. Ebben az időben jöttek létre a nyilvántartási célú geoinformációs rendszerek. Kialakultak a digitális fotogrammetria alapjai és a számítógéppel segített tervezés (CAD). 1980-1990 közötti évtizedben a térbeli elemzéseket tartalmazó, majd a döntéstámogató rendszerek kialakulása a jellemző. Országos méretű geoinformációs rendszereket hoztak létre. Az 1990-es évektől a kontinens méretű geoinformatikai adatbázisok, a digitális fotogrammetria, terepmodellezés és képfeldolgozás hatékony alkalmazása, integrálása, valamint a geoinformatika mind szélesebb körben (nem csak kutatási jelleggel) történő bevezetése a jellemző.

I.3.4. A geoinformatika Magyarországon

Magyarországon a geoinformatika nagy hardver- és szoftver igénye miatt a kívántnál később jelent meg, bár egyes magyar geoinformatikai cégek külföldi mércével szemlélve is jelentős eredményeket értek el. Magyarországon a hardver tekintetében a személyi számítógépek és könnyen beszerezhető perifériák terjedtek el. A hazai geoinformációs rendszerekkel szemben felmerülő igények rendszerint speciális megoldást kívánnak. Ezért a szoftverek esetén a nyitott, programozható grafikus rendszerek és a saját fejlesztésű programok kerültek előtérbe.

Az adatok tekintetében kedvező kép körvonalazódik: az ország rendelkezik digitális 1:500'000, 1:200'000, 1:100'000, 1:50'000 térképekkel, 100x100, 50x50, illetve 10x10 méteres digitális terepmodellel, valamint 30x30 és 10x10 méteres terepi felbontású digitális űrfelvétel mozaikkal. Egy jelenleg folyó munka során elérhető lesz Magyarország 1x1 méteres digitális légifénykép sorozata is. Számos város büszkélkedhet önkormányzati geoinformatikával. Több hazai és külföldi vonatkozású, nagyobb volumenű geoinformatikai feladatot oldottak meg magyar cégek, kutató- és oktatóintézetek egyaránt az utóbbi évek során.

A geoinformatika oktatása - elsősorban felsőfokon - megoldottnak tekinthető, és igaz az az állítás, hogy nem térinformatikusokat kell képeznünk, hanem olyan szakembereket, akik alkalmazni tudják a geoinformatikát. A geoinformatika oktatásában és a kutatásban napról-napra növekvő szerephez jut az Internet. Számos oktatási anyag, elektronikus cikk, illetve könyv érhető el a világhálón. Egyre több külföldi cég és intézmény teszi elérhetővé a korábban készült geoinformatikai adatait a hálón keresztül. Az elérhetőség sok esetben ingyenes.

II. Modellezés

Egy geoinformációs rendszer fejlesztésének célja, hogy modelleket alkossunk környezetünkről, amelyek alkalmasak a nyilvántartás, az elemzés, a szimuláció és a döntéstámogatás bonyolult problémáinak megoldásához. A modellezés a valós világ csökkentett információ készlettel történő leírását jelenti. Egy földrajzi információs modellben szerepelő elemeket hívjuk földrajzi objektumoknak. Az objektumok kiválasztását, az egyes objektumok fontosságát mindig a felhasználói igények, a modell jellege határozza meg. Az objektum lehet egy védett növény, egy mintavételi hely, egy erdőrészlet, de akár egy ország is. Más objektumok szerepelnek egy közmű- és más egy erdészeti információs rendszerben. Bizonyos objektumok az egyik megközelítésben nem kapnak helyet a modellben, más objektumokhoz viszont egy jóval részletesebb leíró rész kapcsolódhat.

A valós világ adatokkal történő jellemzése egy háromlépcsős absztrakciós folyamat eredménye. Első lépésként a valós világot egy elméleti modellel helyettesítjük, amelyben meghatározzuk a valós világ jelenségeit, objektumait, amelyeket a végső modellben szerepeltetni kívánunk. Második lépésként az elméleti modell objektumainak leírásához szükséges jellemzők meghatározása következik, azaz létrehozzuk az objektumok logikai modelljét. A harmadik, befejező lépésként pedig a logikai modell alapján történő adatgyűjtés eredményeként létrejön a fizikai modell. A modell hatékonysága a modell eredetiségével és egyszerűségével mérhető.

A modellben szerelő objektumok jellemzésére szolgáló tulajdonságok:

A modellalkotás szempontjából a valós világ érdeklődésre számot tartó földrajzi objektumait osztályozzuk. Az azonos tulajdonságú objektumok csoportjai alkotják az objektumosztályokat vagy objektumtípusokat. Ilyen objektumosztály például a folyók, az épületek, a fák osztálya. Az objektumosztály kialakítása az objektum jellege, az objektumokhoz kapcsolódó leíró információk alapján történik. Egy, a folyók osztályába tartozó objektumhoz más leíró információk tartoznak (szélesség, vízállás), mint az épületek osztályába tartozó objektumhoz (tulajdonos, szintek száma). A vörösfenyő és a bükk, mint objektumok viszont a fák objektumosztályba kerülnek és az attribútumok alapján lesznek elkülönítve. Az objektumok osztályba sorolása az osztály azonosítójának objektumhoz rendelésével történik. Az osztályok konkrét geoinformációs rendszerekben történő megvalósításai az úgynevezett rétegek, témák vagy szintek (layer, theme, level) elnevezést kaphatják.

A következő ábra rétegenként jeleníti meg egy terület geoinformatikai adatbázisát:

Egy geoinformációs rendszerben a kiválasztott földrajzi objektumokat geometriai elemekkel és attribútumokkal írjuk le. A földrajzi objektumokat a leírás után a geoinformációs rendszerben entitásoknak (entity, feature) hívjuk. Az azonos tulajdonságú entitásokat alkotják az entitásosztályokat vagy entitástípusokat. Összefoglalva tehát a földrajzi objektumok megfelelői a geoinformációs rendszerben az entitások, az objektumosztályok megfelelői pedig az entitásosztályok.

Az objektum leírásához használt geometriai elemek a pont, vonal, poligon, mint egyszerűbbek és a felületelem, alapvető térbeli idomok, mint bonyolultabbak lehetnek. Az attribútumok szöveges leírását adják a földrajzi objektumok jellemzőinek egy, a modell szempontjából fontos részhalmazáról. A leíró adatok között a legfontosabb az objektum azonosító. Az objektum azonosítására a már említett objektumosztály szolgál. Előfordulhat, hogy nagyon sok objektum esetén az objektumosztályon belül további kategóriákat kell kialakítani. Az objektumok osztályozásának egy javasolt metodikája a típus » csoport » osztály szerinti hierarchikus tagolás, amelyet a következő listarészlet is bemutat:

A - Geodéziai alappontok objektumosztály

B - Határok és területek objektumosztály

C - Épületek, létesítmények objektumosztály

  • CA - Épületek objektumcsoport
  • CB - Kerítések, támfalak objektumcsoport
  • CC - Mesterséges létesítmények objektumcsoport
  • ......
  • D - Közlekedés objektumosztály

  • DA - Utak objektumcsoport
  • DB - Vasutak objektumcsoport
  • DC - Közlekedés műtárgyai objektumcsoport
  • ......
  • E - Távvezetékek objektumosztály

  • EA - Elektromos távvezetékek objektumcsoport
  • EB - Gázvezetékek objektumcsoport
  • ......
  • F - Vizek objektumosztály

  • FA - Folyóvizek és állóvizek
  • FB - Vizügyi létesítmények
  • ......
  • G - Domborzat objektumosztály

  • GA - Szintvonalak objektumcsoport
  • GB - Domborzati alakok objektumcsoport
  • GC - Digitális terepmodell objektumcsoport
  • ......
  • Bizonyos geoinformatikai rendszerek fizikailag elkülönítve, különböző fájlokban tárolják az egyes osztályokba tartozó objektumokat. Ezeknél a rendszereknél az objektumosztályon belüli kategóriákat, amennyiben szükséges, a leíró adatok kell hogy tartalmazzák.

    Az attribútumok között a következő legfontosabb csoport a szakadatok csoportja. A leíró adatok ezen csoportját mindig a geoinformatikai rendszer létrehozásának célja határozza meg. Nagy jelentőséggel bírnak azok az általános célú, országos méretű, nyílt rendszerek, amelyeket szinte valamennyi gazdasági-, oktatási-, kutatási szféra képes felhasználni és a saját szakadatait hozzá tudja kapcsolni. A szakadatokat sokrétűségük és mennyiségük miatt rendszerint külön adatbázisokban és azon belül külön adattáblákban helyezik el. Egy geoinformációs rendszer tervezésénél ez egyik legfontosabb és legnehezebb lépés a megfelelő adattáblák megtervezése és a közöttük lévő kapcsolatok definiálása.

    A geometriai- és leíró adatokat rendszerint fizikailag elkülönítve tároljuk, ezért az objektumok esetén szükséges egy egyedi azonosító vagy egy geokód, amely az objektum megfelelő típusú adatainak előhívására szolgál. Az egyedi azonosító közvetlenül kapcsolódik a geometriai elemhez, míg a geokód egy pozícióval rendelkező kód és a pozícióhoz legközelebbi geometriai elemre utal. A geoinformatikai rendszerek általában egy egyedi sorszámot használnak az objektumok azonosítására. Egyedi azonosító viszont a postai irányítószám, amely egyrészt a település poligonja, másrészt a településhez kapcsolt leíró adatok között teremti meg a kapcsolatot. Az erdőrészletek azonosítására szolgáló négyes kód (Hely-Tag-Részlet-Alrészlet), a helyrajzi szám és az utca - házszám is egyedi azonosítónak tekinthető.

    Az objektumokat különböző pontosságú helyzeti és leíró adatokkal jellemezhetjük. Az adatok minőségét döntően az adatforrás határozza meg (mikor, milyen módon keletkeztek az adatok), de sok függ az adatok digitális tárolásától is (tizedesek száma, kategóriák). Az adatok minőségét jellemző tényezők:

    Az objektumok utolsó, opcionális jellemzője a térbeli kapcsolatok, amely kiterjedhet a magában foglalás (pont a poligonban), a metszés (két vonal fedi egymást) és a kapcsolódás (két vonal kapcsolódik a végpontban) fogalomkörére. A geometriai adatok tárolásától függően a térbeli kapcsolatok részben magától értetődőek, egyes funkciók nélkülözésével részben elhagyhatók, többségében viszont a térbeli kapcsolatok feltárása és digitális tárolása a geoinformációs rendszerek létrehozásának egyik legnehezebb feladata.

    II.1. Dimenziók és adatmodellek

    A különböző geoinformációs rendszerekben a valós világ érdeklődésre számot tartó földrajzi objektumairól alkotunk modellt. A geometria, mint kulcsfontosságú információ, hordozza az objektum alakjának, helyzetének és méretének jellemzőit és egyben a grafikus megjelenítés alapja is. A modelleket az objektumok geometriai ábrázolása szerint el szoktuk különíteni. Számos adatmodell elképzelhető, de leggyakrabban - az analóg adatmodell mellett - a helyzeti adatok ábrázolásának két nagy csoportjáról szokás említést tenni. Ez a két csoport a modellben résztvevő geometriai elemek szabályos, illetve szabálytalan elhelyezkedése és mérete alapján különíthető el.

    Szabályos geometriai elemek

    Az adatmodellek egyértelműen leírják a szabályos geometriai elemek térbeli elhelyezkedését, egymáshoz való viszonyát és az elemi alkotók formáját, méreteit. Ezeket az adatmodelleket tesszelációs modelleknek is szokták nevezni, amelyek a teret szabályos geometriai elemekre bontják. Ezek az adatmodellek általában két vagy három dimenziósak. A leggyakoribb változata a téglalap alapú területbontás, illetve téglatest alapú térbeli bontás, amelyet raszteres adatmodell névvel fogunk ezután illetni. Nagyon érdekes a szabályos háromszög és hatszög felbontás is, de ennek grafikus megjelenítése nem igazodik a korszerű raszteres megjelenítőkhöz. A tesszelációs adatmodelleknél a térbeli kapcsolatok egyértelműek, ezeket nem kell külön tárolni, feldolgozni. Rendkívül sok elemzési funkció, amelynek alapja a térbeli kapcsolódás, a tesszelációs adatmodellekkel könnyedén megoldható.

    Szabálytalan geometriai elemek

    Az adatmodellek másik nagy csoportját azok az adatmodellek alkotják, amelyben szabálytalan geometriai elemek szerepelnek. A pontok, vonalak, területek, felületek, testek törés-, illetve csúcspontjainak ábrázolása koordinátákkal, vektorokkal történik. Innen az adatmodell elnevezése is: a vektoros adatmodell. Ezen adatmodelleknél nagy hangsúlyt kell fektetni a térbeli kapcsolatok megfelelő kialakítására (topológia).

    Mind a szabályos, mind a szabálytalan adatmodellek között számos további csoportot lehet elkülöníteni. A csoportosítás egyik lehetősége a geometriai elem dimenziója, kiterjedése szerinti bontás:

    A kiterjedés dimenziója Szabályos adatmodell: „raszter” Szabálytalan adatmodell: „vektor”
    0D - nincs, pont +
    1D - lineáris, vonal
    2D - sík, terület
    3D - térbeli, felület és test

    Mindegyik adatmodell-változat rendelkezhet egy további dimenzióval is, az idővel. Ezen adatmodellek alkalmasak az időbeli változások rögzítésére, különböző időponthoz tartozó állapotok együttes elemzésére. A megfelelő adatmodell kiválasztása mindig hosszas mérlegelés eredménye. Az optimális megoldás az, amikor egy geoinformációs rendszer támogatja a különféle adatmodellek együttes kezelését, és így a földrajzi adatokat a neki leginkább megfelelő adatformában tárolhatjuk, illetve elemezhetjük.

    A következő táblázat a szabályos és szabálytalan adatmodellek jellemzőinek összehasonlítását adja:

    Karakterisztika Szabályos adatmodell: „raszter” Szabálytalan adatmodell: „vektor”
    előállítás egyszerű és gyors bonyolult és hosszadalmas
    geometriai pontosság kevésbé pontos pontos
    tárolás típusa szabályos elhelyezkedésű elemek vektoros szabálytalan elemek
    tároláshoz szükséges hely nagy kicsi
    kereső algoritmusok gyors lassú
    rajzoló algoritmusok a nagy adatmennyiség miatt lassú gyors
    térbeli kapcsolatok egyszerű bonyolult
    térbeli műveletek egyszerű bonyolult
    térbeli mintavételezés változó
    információ visszaadás részletes és egyenletes lényegi és egyenlőtlen
    elévülési idő rövid hosszabb
    aktualizálás egyszerű bonyolult

    A táblázatból kiolvasható, hogy a szabályos adatmodellek a hatékony térbeli elemzést, míg a szabálytalanok elsősorban a nyilvántartási, térképezési funkciókat támogatják. A különféle adatmodellben tárolt információk átalakítása, konvertálása is sarkalatos pont egy geoinformációs rendszerben. Általánosan elmondható, hogy a szabályosból, a szabálytalan felé történő átalakítás komplikáltabb; a szabálytalan adatmodellek szabályosra konvertálása, a pontosság bizonyos mértékű csökkenése mellett, egyszerűen kivitelezhető.

    II.2. Vonatkozási rendszerek

    Az előző fejezetben láthattuk, hogy a földrajzi objektumok jellemzésére geometriai és leíró adatokat használtunk fel. A geometriai adatok koordinátáinak megadásához megfelelő vonatkozási rendszert kell választanunk. A vonatkozási rendszer megválasztása függ az adatok kiterjedésétől, az adatgyűjtés módjától és a már meglévő geometriai adatok vonatkozási rendszerétől. A szabályos adatmodellek esetén a vonatkozási rendszerhez kapcsolást, a georeferenciát, az adatok szabályos tárolása miatt rendszerint három koordinátával, méretekkel és elforgatási szöggel adjuk meg. A szabálytalan geometriai elemekkel történő modellezés esetén a georeferenciát az elemek koordinátái hordozzák.

    A geometriai elemek koordinátáinak megadása valamely elméleti földalakhoz tartozó három dimenziós vonatkozási rendszerben történik.

    Hosszú időn keresztül a Föld elméleti alakját valamilyen geometriai felülettel jellemezték. A tisztán geometriai alak nem megfelelő a Föld fizikai sajátosságainak figyelembe vételére. Jelenleg a geoidot, a Föld nehézségi erőtere potenciáljának egy adott szintfelületét, tekintjük a Föld elméleti alakjának. A geoid jó közelítéssel a nyugalomban lévő tengerfelszínnek tekinthető. Bár a geoid egy nyílt matematikai formulával leírható, rendszerint valamely forgás ellipszoidhoz képesti eltéréseivel adják meg (geoid unduláció).

    A geometriai adatok térbeli pozíciójának megadása a Föld elméleti alakjához kapcsolt vonatkozási rendszerben történik. A vonatkozási rendszerek a következők lehetnek:

    A térbeli koordinátákat a Föld elméleti tömegközéppontjához illesztett derékszögű koordináta-rendszerben adjuk meg. A koordináta-rendszer jobb sodrású, a Z tengely a Föld forgástengelyével esik egybe, az XY sík erre merőleges, a +X tengely pedig illeszkedik a greenwichi kezdő meridiánhoz. Ez a globális helymeghatározó-rendszerek (GPS) alapvető vonatkozási rendszere, amelyet bizonyos geoinformációs rendszerek is használnak.

    Az ellipszoid felületén valamely P pontot F ellipszoidi földrajzi szélességével, L ellipszoidi földrajzi hosszúságával és az ellipszoid feletti magasságával adunk meg. A földrajzi szélesség a felület P ponton átmenő normálisa és az ellipszoidi egyenlítő síkja által bezárt szög. A földrajzi hosszúság a P ponton átmenő, az egyenlítő síkjára merőleges sík (meridiánsík) és a kezdő (greenwichi) meridiánsík közötti szög. Az ellipszoidi koordináta-rendszer használata a globális földrajzi információs rendszerek alkalmazásánál indokolt.

    Az előző vonatkozási rendszerhez hasonlóan F, L és magasság koordinátákkal dolgozik. Bizonyos esetekben előfordulhat, hogy a gömb nem a geoidhoz, hanem az ellipszoidhoz illeszkedik (kettős vetítés). Regionális rendszerekben használatos.

    A térbeli koordinátákat a Földhöz egy adott pontban érintkező síkhoz képest adjuk meg. A síkban értelmezzük a vízszintes koordinátákat és a síktól való merőleges távolság jelenti a magasságot. Jelenleg ez a leggyakrabban alkalmazott vonatkozási rendszer, elsősorban lokális rendszereknél használatos.

    Mint a hagyományos térképek esetén, úgy a geoinformációs rendszerekben is célszerű, ha az egyes geometriai adatokat egy síkfelülethez képest adjuk meg. Ezért az első három vonatkozási rendszerről vetítéssel térünk át a síkvetületre. A vetítéshez használt egyenletek formája: x = fx(F, L), y = fy(F, L).

    A vetítések alapján megkülönböztetünk:

    A vetítéseket természetesen különböző torzulások terhelik. Ezek alapján elkülöníthetünk szög- és területtartó, valamint általános torzulású vetületeket. A torzulások számszerűsíthetők (modulusok). Általában alkalmazott szabály, hogy a hossztorzulások ne haladják meg az 1/10'000 értéket, 100 méteren az 1 cm-es eltérést.

    A nemzetközi gyakorlatban a Gauss-Krüger és az UTM (Universal Transverse Mercator) transzverzális hengervetületek alkalmazása az elterjedt.

    Magyarországon a sztereografikus- (erdészeti üzemi térképek), HÉR - HKR - HDR henger-, Gauss-Krüger- és az Egységes Országos Vetületet (EOV) alkalmazzák. Bár így is sok vetülettel büszkélkedhetünk, a nemzetközi szabványokhoz való csatlakozás miatt indokolttá válhat egy újabb vetületi rendszer bevezetése.

    A geoinformációs rendszerek használata átértékelheti a vonatkozási-, illetve vetületi rendszerek alkalmazását. Az analóg térképezés a vetületek darabjain, önálló szelvényein történik. A földrajzi információs rendszerekben a teljes térképi tartalmat egységesen kezelhetjük, szerkeszthetjük. A vetületek közötti átszámítás mindig problémával jár. Az egyes alapfelületek egymáshoz való viszonyát pontosan nem ismerjük. Mivel a mai számítógépes rendszerek képesek a vetítéseket valós időben elvégezni, ezért a geometriai adatok megadása egy egységes geocentrikus koordináta-rendszerben (WGS84) lenne célszerű. Ez azt eredményezné, hogy a Föld felszínét egy egységes, globálisan átjárható geoinformáció ábrázolhatná.

    II.3. Az analóg adatmodell - a térkép

    A geoinformációs rendszerekben alkalmazott adatmodellek mellett a hagyományos térképet is meg kell említenünk, mint analóg modellt. A térképezés évezredes múltra tekint vissza és a jelenlegi számítógépes modellekkel összehasonlítva egy statikus, kézzel fogható modellt képvisel.

    A térkép a Föld egyes részeinek felszínét, valamint a felszínen vagy alatta lévő természetes vagy mesterséges tereptárgyakat arányosan kicsinyítve, megadott vetítési szabályok szerint, általában sík felületen ábrázoló rajz vagy fénykép. A térkép kicsinyítésének mértékét a térkép méretaránya jellemzi (például 1:25'000). A méretarány két pont térképi és vetületi távolságának hányadosa. A közvetlenül mért térképek előállítása a geodézia, a levezetett térképeké pedig a kartográfia feladatköréhez tartozik.

    A térképek lehetnek:

    II.4. Természetes objektumok leírása

    Bizonyos esetekben a földrajzi objektumok raszteres vagy pont-vonal-terület geometriai elemekkel történő leírása nehézségekbe ütközik. A természetben megjelenő formák nem egyenesek, körök vagy szinuszgörbék, hanem szabálytalan, apró részletekkel rendelkező, bizonyos tekintetben önhasonuló alakzatok. Egy tölgyfa alakját az euklideszi geometria segítségével hiába is próbálnánk leírni. Benoit Mandelbrot (1982) a természet formáinak geometriai megközelítésére a tört (fraktál) dimenziójú objektumokat használta fel. A felállított iterációs egyenletei valóságos természeti folyamatokat testesítenek meg. A tört dimenziójú megközelítés olyan formák, felületek közelítésére ad lehetőséget, amelyre a lineáris eszközökkel felfegyverkezett matematika nem képes.

    A fraktálokat, tört dimenziójú tereket a fraktál geometria írja le. Ezeket a tereket szokás determinált káosznak, a szakterületet a káosz-, a természet matematikájának nevezni. A fraktálokat dimenziójukkal jellemezzük. Ez a dimenzió természeti objektumok esetében kettő és három közötti érték. A fraktál jellegzetessége az önhasonulóság (kis facsemeték és az óriás famatuzsálemek alakja, vagy egy másik példa: a fa gyökérzete és az emberi érhálózat), az apró részekre bontás (felnagyítva további részeket mutat) és az a kaotikus forma, ami a hagyományos geometriával nem írható le.

    Néhány alapvető fraktál rövid ismertetése:

    , ahol Z és C komplex számok. Ha megjelenítjük, hogy az iteráció milyen gyorsan lép ki a |Z| <2 feltételből, kapjuk a közismert „hóember” figurát:

    ,

    ahol u pszeudo-véletlen szám, s0 a Gauss-féle normális eloszlás paramétere, h a fraktál paramétere.

    , ahol r a növekedési ráta, p a populáció egyedszáma.

    A következő ábra egy fraktál felületmodellt ábrázol, előtérben fraktál fákkal:

    [ Tartalom | Bevezetés | Raszter | Képfeldolgozás | Fotogrammetria | Vektor | Összefoglaló ]

    Geoinformatika - elektronikus jegyzet © Czimber Kornél, 2001.