Gis Gps Document

CRISTIAN COLDEA

FUNDAMENTE GIS PENTRU INGINERI

- suport de curs -

Fundamente GIS pentru ingineri - suport de curs

�

CUPRINS

1. O SCURTĂ PREZENTARE ȘI DINAMICA DEZVOLTĂRII SISTEMELOR GEOGRAFICE INFORMAȚIONALE ................................3 1.1. Problematica generală a sistemelor geografice

informaționale ......................................................................................32. BAZE DE DATE SPAȚIALE. MODELE ALE BAZELOR DE DATE. MODELE RASTER. MODELE VECTORIALE ....................................... 14 2.1. Stocarea raster ............................................................................ 19 2.2. Stocarea vectorială.................................................................... 233. SISTEME DE PROIECȚIE ȘI SISTEME DE COORDONATE ......... 28 3.1. Concepte cheie cu privire la proiecții................................. 29 3.2. Modelul elipsoidului ................................................................ 33

3.3. Modelul sferoidului ................................................................... 33 3.4. Sisteme de coordonate ........................................................... 35 3.5. Scări și transformări .................................................................. 384. INTRODUCERE ÎN MEDIUL DE LUCRU GIS ................................. 41 4.1. Geodatabase ............................................................................... 41 4.2. Construirea și organizarea bazei de date spațiale .................................................................................................. 46 4.3. Straturi și obiecte ...................................................................... 53 4.4. Geocodificarea și georeferențierea ..................................... 565. SISTEMUL DE POZIȚIONARE GLOBALĂ GPS ............................. 61

Cristian Coldea

�

1. O SCURTĂ PREZENTARE ȘI DINAMICA DEZVOLTĂRII SISTEMELOR GEOGRAFICE

INFORMAȚIONALE

1.1. Problematica generală a sistemelor geografice informaționale

Considerând o definiție cât se poate de simplă, un sistem geografic informațional (GIS - Geographical

Information System)� combină informația geografică, dar nu combină informația geografică, dar nu numai, organizată sub formă de straturi, care caracterizează o anumită locație, pentru a o reprezenta la o scară convenabilă, care să corespundă cât mai bine realității și scopului urmărit. Principala trăsătură a unui GIS este tratarea informației ținând cont de localizarea sau amplasarea ei spațială, geografică, prin coordonate (Fig. 1.1)�. Toate activitățile umane au nevoie de un spațiu în care să se desfășoare, spațiul și timpul fiind ultimele și cele mai mari limitări ale universului material. Un sistem geografic informațional este strâns legat de geografie și cartografie. Se consideră că geografia și cartografia au ajutat omenirea să înțeleagă, să navigheze, să controleze și să guverneze aproape întreaga lume în care trăim, vreme de mai multe milenii. Lumea înconjurătoare și viața, așa cum le percepem și le cunoaștem astăzi, ar arăta complet diferit fără geografie și cartografie. Din acest motiv geografia și cartografia s-au dezvoltat și se dezvoltă continuu. Geografia – analizează și explică fenomenele umane și de mediu, precum și procesele care au loc pe suprafața Terrei,


�

îmbunătățind astfel înțelegerea asupra lumii. Cartografia – dezvoltă teorii, concepte și abilități pentru descrierea și vizualizarea proceselor, evenimentelor, realităților și tiparelor din domeniul geografiei, împreună cu comunicarea acestora în mod convenabil.

Fig 1.1. Un sistem geografic informațional.

Geografia și cartografia se bazează pe principii și convenții. Principiul – este o procedură standard pe care personalul din domeniu o urmează (de ex., sistemul de proiecție a unei hărți)�. Convenția – reprezintă o procedură unanim acceptată de către experți, dar care a devenit binecunoscută între timp (de ex., nordul se plasează la partea superioară a hărții)�. Geografia modernă folosește un număr de principii și convenții, care au o relație apropiată și care alcătuiesc o bază importantă pentru reprezentarea geografică a lumii în care trăim,

Cristian Coldea

�

bază folosită în celelalte domenii profesionale și științifice. Începând cu a doua jumătate a secolului XIX s-a introdus tipărirea hărților, fapt care a însemnat enorm pentru progresul în domeniu prin mărirea substanțială a cantității de informație livrată utilizatorului. Cele mai multe inovații și îmbunătățiri în domeniul geografic și cartografic sunt legate de dezvoltarea tehnologiei informației. Aceasta a permins procesarea unui număr tot mai mare de date, în ultima jumătate de secol. Domeniul geografiei și cartografiei a intrat astfel într-o simbioză fără precedent cu domeniul IT, context în care relația dintre geografie și cartografie se schimbă continuu. Considerând o definiție ceva mai complexă, un GIS este un sistem numeric integrat capabil să capteze, să păstreze, să selecteze, să analizeze și să explice informații spațiale. Acesta furnizeză utilizatorului, în context temporal, cunoștiințe și informații din lumea înconjurătoare, cu utilitate într-o afacere, într-un proiect, studiu, atingerea unui obiectiv etc. În acest fel se poate spune că sistemul geografic informațional face parte dintr-o clasă mai largă, cea a sistemelor informatice. Un GIS este o colecție de elemente destinate scopurilor definite anterior, arătate în continuare: Componenta hardware înseamnă atât platforma de calcul, cât și echipamentele periferice necesare introducerii datelor și afișării (comunicării)� rezultatelor, adică infrastructura hardware. Componenta software trebuie să ofere o mutitudine de funcții de bază, cu aplicabilitate generală, dar în același timp să permită adaptarea și extinderea lor în funcție de specficul fiecărei situații; funcțiile oferite trebuie să permită atât analiza vectorială și


�

cartografierea automată, cât și prelucrarea imaginilor și modelarea spațială (raster)�, împreună cu gestiunea bazelor de date și acces multimedia. Componenta datelor geografice este determinantă, baza de date geografice fiind cea mai costisitoare și longevivă componentă a unui sistem geografic informațional. Datele GIS constau în obiec-te spațiale sau catografice împreună cu atribute non-spațiale ale acestora, având în componență entități de tip punct, linie, poligon ori alte reprezentări grafice, precum și text sub formă de etichete, care pot reprezenta clădiri, drumuri, clienți etc. ori alte entități non-virtuale. Introducerea datelor se poate face prin: scanare, digitizare, măsurători în teren (mijloace clasice sau tehnolgie GPS)�, prelucarea imaginilor de teledetecție, fotogrametrie digitală, fotografii aeriene (ortofotoplanuri)�, conversia din alte formate etc. Întreținerea și actualizarea datelor geografice reprezintă o a doua etapă care se desfășoară continuu în timp și care, cel mai adesea, reclamă resurse dedicate (hardware, software și personal)�. Componenta personal presupune o existența unei echipe formată din trei categorii de specialiști:

cei care implementează software-ul de bază și sunt astfel implicați în activități de instruire a utilizatorilor, asistență de specialitate și consultanță,

cei care creează și întrețin baza de date digitală și sunt reponsabili pentru conținutul, precizia și acuratețea datelor oferite utilizatorilor,

utilizatorii software-ului și a bazei de date geografice în scopul rezolvării unor probleme concrete, fiind implicați în formu-larea specificațiilor de definiție a proiectelor/aplicațiilor consacra-te, dezvoltarea de tehnologii specifice, generarea produselor tipice

–

–

–

Cristian Coldea

�

unui GIS și asistarea proceselor decizionale. Conform definiției se pot evidenția următoarele aspecte:

Abordarea unu GIS implică în mod necesar tratarea unitară, într-o bază de date unică și neredundantă, a componentelor grafice, cartografice, topografice și tabelare. Deși dețin un rol important în cadrul unui GIS, elementele de grafică digitală reprezintă doar una dintre modalitățile de consultare sau raportare a conținutului unei baze de date spațiale. Baza de date permite o gamă diversă de alte tipuri de exploatare ce necesită, în special, capacitate de tratare și prelucrare pe criterii geografice și analitice.

Un GIS include o colecție de operatori spațiali, care acționează asupra unei baze de date spațiale pentru a referenția geografic o mare varietate de informații reale. Un model de date GIS este complex în sensul că trebuie să reprezinte și să interconecteze atât date grafice (hărți)�, cât și date tabelare (atribute)�. Mai mult, prin chiar natura sa, un GIS complex este utilizat pentru a simula situații, evenimente și scenarii complicate. Prin date geografice se înțelege ansamblul format din date spațiale (localizate prin coordonate)� și date descriptive (atribute)� asociate obiectelor/fenomenelor/evenimentelor (străzi, parcele, trafic, accidente etc.)�. O bază de date geografice constituie o colecție de date geografice organizate pentru a facilita stocarea, integrarea, actualizarea și afișarea acestora de către o mulțime de utilizatori în mod eficient. Datele spațiale utilizate în tehnologiile GIS se pot clasifica după precizie, documentele primare utilizate și ciclul de actualizare. Referențierea geografică (georeferențierea)� stabilește o relație între coordonatele unui punct pe o foaie plană (hartă 2D)� și coordonatele geografice reale din teren (pe suprafața Pământu-

–

–


�

lui, 3D, aproximat printr-un elipsoid de referință)�. Harta este o reprezentare grafică, la scară, a unei porțiuni din suprafața Pământului, în care punctele, liniile și poligoanele indică poziția și forma spațială a obiectelor geografice, iar simbolurile grafice și textele descriu aceste obiecte. Relațiile spațiale dintre obiectele geografice sunt implicit conținute și trebuie interpretate de către cel căruia i se adresează harta.

Punctele - sunt obiecte GIS prea mici pentru a fi reprezentate ori descrise prin poligoane (stâlpi, copaci, fântâni etc.)� sau obiecte fără suprafață (de ex., vârfurile munților)�; din punct de vedere geometric sunt caracterizate de coordonate planare, eventual spațiale.

Liniile - reprezintă obiecte GIS prea înguste pentru a putea fi descrise prin poligoane (drumuri, cursuri de apă etc.)� sau obiecte liniare care au lungime, dar nu au suprafață (de ex., curbele de nivel)�.

Poligoanele - sunt suprafețe închise care reprezintă for-ma și poziția obiectelor GIS (lacuri, unități administrative, parcele, tipuri de vegetație etc.)�. Se reprezintă în diferite moduri (grosime și tip de linie pe contur, hașuri și culoare)�, fiind caracterizate geometric de arie și perimetru. Harta digitală este expresia vizuală a unei baze de date GIS și reprezintă la scară un teritoriu geografic clar delimitat, toate informațiile conținute (puncte, linii, poligoane)� fiind localizate prin coordonate (practic toate elementele conținute devin reductibi-le la perechi de coordonate specifice unei proiecții cartografice)�. Spre deosebire de hărțile tradiționale analogice, harta digitală poate fi vizualizată în mediul informatic chiar și la scara 1:1, scara de referință a acestui tip de hartă rămânând cea a sursei (adesea

a)�

b)�

c)�

Cristian Coldea

10

analogice)� din care a fost generată (Fig. 1.2)�. Un GIS conține un sistem de gestionare a bazei de date (DBMS - Data Base Management System)� special, capabil să gestioneze date spațiale (coordonate)�, să insereze și să regăsească informații în funcție de localizarea acestora în teritoriu și de elementele descriptive.

Fig. 1.2. Datele hărții digitale.

Un GIS oferă facilități grafice de tip CAD și în același timp este destinat să efectueze analize spațiale complexe, să genereze automat informații spațiale noi, să traseze coordonate geografice (sferice sau carteziene)� și proiecțiile cartografice ale acestora. Har-ta este un produs metric, pe care se pot efectua măsurători precise. Sistemele CAD nu gestionează baze de date, fiind destinate doar reprezentărilor grafice. De asemenea, sistemele de tip CAD nu efectuează analize spațiale și nu gestionează coordonatele generate prin diferite proiecții cartografice. Un GIS conține funcțiile necesare cartografierii automate (automated mapping)�, dar nu este orientat către acestea. Metode de construire a bazelor de date GIS (Tabelul 1.1)�. Un GIS trebuie să conțină facilități care să facă posibilă furnizarea de răspunsuri la următoarele întrebări generice:


11

1)� Localizare “Ce se află la ... ?“ - identificarea obiectelor/fenomenelor amplasate la o anumită poziție geografică specifică prin denumire, adresă poștală sau coordonate geografice. 2)� Condiție “Unde se află ... ?“ - se urmărește cunoașterea poziției exacte a unui obiect/fenomen sau a unui ansamblu de cerințe specificate (de ex., o zonă despădurită de minim 2000 mp, cu sol propice construcției de clădiri, situată la cel mult 100 m de o șosea etc.)�. 3)� Tendințe “Ce s-a modificat, de când ... ?“ - evidențiază modificările survenite într-o zonă geografică de-a lungul unei perioade de timp.

Tabelul 1.1. Metode de constituire a bazelor de date tipice GIS.

Surse de date Metode utilizateHărți și planuri tipărite. Digitizare, scanare și

vectorizare.Imagini satelitare sau aeriene. Clasificări de imagini.Date digitale produse de sisteme CAD sau prin cartografiere automată.

Import.

Măsurători în teren: - informații stocate ca fișiere ASCII, - manuscrise.

Citire directă fișier text sau introducerea coordonatelor de la tastatură.

Măsurători cu ajutorul tehnologiei GPS.

Import.

Tabele și foi de calcul în diferite formate.

Citire directă fișiere dBASE sau ACCESS.

4)� Particularități “Ce particularități se manifestă în zona ... ?“ - presupune posibilitatea unei analize complexe și identificarea

Cristian Coldea

12

corelațiilor de tip cauză-efect sau a anomaliilor apărute la un moment dat, într-o nouă zonă cu caracteristici cunoscute. 5)� Modelare “Ce s-ar întâmpla dacă ... ?“ - anticiparea impactului unui eveniment (transformarea/modificarea/adăugarea/schimbarea condițiilor unui obiect/fenomen/proces)� asupra mediului înconjurător (de ex., ce se poate întâmpla dacă se construiește un nou drum, depozit de deșeuri ș.a.?)�. Pentru a modela lumea înconjurătoare sistemele GIS utilizează obiecte și relații spațiale. Obiectele GIS sunt entități localizate pe/sau în apropierea suprafeței Pământului. Acestea pot fi:

naturale - râuri, vegetație etc.,construite - drumuri, baraje, clădiri etc.,convenționale - frontiere, limite de parcele, unități

administrative ș.a. Orice obiect GIS se caracterizează printr-o poziție și o formă în spațiul geografic și printr-o serie de atribute (elemente descriptive)�. Aplicațiile sistemelor geografice informaționale sunt numeroase, amintindu-se în continuare cele mai importante:

urbanism, sistematizare și administrație locală;cadastru;protecția mediului;agricultură, pedologie, silvicultură și îmbunătățiri

funciare;mine, petrol și gaze;cartografie;dotări edilitare;transporturi și telecomunicații;

–––

––––

––––


1�

comerț și finanțe;aplicații speciale (apărare, servicii secrete etc.)�;geologie;higrologie, oceanografie;statistică, evidența populației, recensăminte, demografie;politică (interacțiuni, zone de influență etc.)�.

––––––

Cristian Coldea

1�

2. BAZE DE DATE SPAȚIALE. MODELE ALE BAZELOR DE DATE. MODELE RASTER. MODELE

VECTORIALE

În sens larg, o bază de date este o colecție de date corelate din punct de vedere logic, care reflectă un anumit aspect

al lumii reale și este destinat unui anumit grup de utilizatori. O bază de date poate fi creeată în două moduri:

manual - sistemul de evidență este cu fișe,computerizat.

O definiție de largă acceptare spune că o bază de date este o colecție de date centralizate, creeată și menținută computerizat, în scopul prelucrării datelor în contextul unui set de aplicații. Prelucrarea datelor se referă la operațiile de introducere, ștergere, actualizare și interogare a datelor. Orice bază de date are următoarele proprietăți implicite:

baza de date este o coleție logică și coerentă de date, ce au cel puțin un înțeles;

baza de date este destinată, construită și populată cu date despre un domeniu și se adresează unui anumit grup de aplicații;

o bază de date reprezintă câteva aspecte ale lumii reale, creeând orizontul propriu, schimbările acestui orizont fiind reflectate în baza de date. Principalele avantaje ale bazelor de date informatice:

controlul centralizat;viteză mare de regăsire și actualizare a informațiilor;sunt compacte (ocupă mult mai puțin loc decât cele cu

suport de hârtie)�;

––

–

–

–

–––


1�

flexibilitatea;redundanță scăzută a datelor memorate;posibilitatea introducerii standardelor;menținerea intregrității datelor;independența datelor față de suportul hardware utilizat.

Există mai multe modele de baze de date folosite în prezent.

Modelul de date relațional (Relational Model) se bazează pe noțiunea de relație din matematică, care corespunde unei entități de același tip și are o reprezentare ușor de înțeles și de manipulat, constând într-un tabel bidimensional, compus din linii și coloane. Fiecare linie din tabel reprezintă o entitate și este compusă din mulțimea valorilor atributelor entității respective, fiecare atribut corespunzând unei coloane a tabelului (aici se poate spune că relație = tabel)�.

Modelul de date orientat pe obiect (Object Model)� se bazează pe un concept unificator în știința calculatoarelor (programare orientată pe obiecte, OOP - Object Oriented Programming)�, cu un mare grad de aplicabilitate. Sistemele de baze de date orientate pe obiect se bazează pe limbaje de programare orientate pe obiecte, în care datele sunt independente de tipul de viață al programelor care le creează sau accesează. Caracteristicile importante ale modelului orientat pe obiect sunt: abstractizarea, moștenirea, încapsularea, modularizarea.

Modelul de date obiect-relațional (Object Relational-Model)� reprezintă extinderea modelului relațional, cu caracteristici ale modelului obiect; se folosește la realizarea bazelor de date care definesc și prelucrează tipuri de date complexe.

Modelul de date ierarhic (Hierarchical Model)� presupune

–––––

1)�

2)�

3)�

4)�

Cristian Coldea

1�

că o bază de date să se reprezinte printr-o structură ierarhică de înregistrări de date (records)� conectate prin legături (links)�. Acesta a fost primul model de baze de date folosit.

Modelul de date tip rețea (Network Model) folosește o structură de tip graf pentru definirea conceptuală a bazei de date; nodurile grafului sunt tipuri de entități (înregistrări)�, iar muchiile grafului reprezintă în mod explicit asocierile (legăturile)� dintre tipurile de entități. Un Sistem de Baze de Date (DBS - Database System)� este un ansamblu de componente, care asigură crearea, utilizarea și întreținerea unei sau mai multor baze de date. Componentele unui DBS sunt: hardware-ul, utilizatorii și datele persistente. Între baza de date și utilizatorii sistemului există un nivel software numit Sistemul de Management al Bazei de Date (DBMS - Data Base Management System)�.

Fig.2.1. Poziția DBMS în cadrul sistemului.

Limbaje DBMS:DDL (Data Definition Language)�,SDL (Storage Definition Language)�,VDL (View Definition Language)�,DML (Data Management Language)�, în varianta DML de

nivel înalt (querry language)� sau DML de nivel scăzut. Exemple de DBMS:

Microsoft SQL Server,

5)�

––––

–


1�

Microsoft Access,Sistemul Oracle,MySQL - open source,Visual FoxPro,IBM DB2.

O bază de date spațiale este o bază de date optimizată pentru stocarea și interogarea datelor referitoare la obiecte spațiale, în primul rând puncte, linii și poligoane. Bazele de date spațiale, spre deosebire de cele obișnuite, au nevoie de funcționalități suplimentare pentru procesarea datelor spațiale; acestea se numesc geometry sau features. Există un standard OpenGIS (fondat în 1994, Open Geospatial Consortium - o organizație voluntară, care se ocupă cu standardizarea sistemelor geografice informaționale)�, care specifică modul de stocare numerică a datelor geografice:

Point,Line String,Polygon,Multipoint,Multipolygon,Geom Collection.

Caracteristicile bazelor de date spațiale 1)� Spre deosebire de bazele de date comune, care folosesc indecși pentru localizarea rapidă a unei valori, baza de date spațială folosește un index spațial pentru a crește viteza de lucru; 2)� În plus față de interogările tipice SQL (cum ar fi declarația SELECT)�, bazele de date spațiale suportă o varietate de operații dedicate (spațiale)�:

măsurători spațiale - determinarea distanțelor dintre puncte, a suprafețelor poligoanelor etc.;

–––––

––––––

a)�

Cristian Coldea

1�

funcții spațiale - modificarea obiectelor (datelor)� existente pentru creearea celor noi (creearea de buffer-e, intersecții etc.)�;

predicate spațiale - permit interogări de tipul True/False;

funcții de construcție - creează noi obiecte cu ajutorul interogărilor de tip SQL, specificând vertex-urile care pot alcătui linii; dacă primul și ultimul vertex sunt indentice va rezulta un poligon (contur închis)�;

funcții de observație - interogări care dau ca răspuns informații specifice despre un obiect (de ex., locația centrului unui cerc)�. Index spațial - este folosit de o bază de date spațială pentru a optimiza interogările spațiale. Metodele comune de indecși spațiali cuprind:

Grid (spațial index)� - pătrat sau rectangular, împarte o suprafață în celule alăturate cărora le poate fi alocat un număr unic.

Z-order curve (Morton order) - este o curbă spațială folosită în transpunerea datelor multidimensionale într-o singură dimensiune.

Quadtree - este o structură bazată pe cifra 3 în care fiecare nod intern are până la 4 subnoduri (children)�.

Octree - este o structură bazată pe cifra 3 în care fiecare nod are până la 8 subnoduri (analogia tridimensională a Quadtree)�.

UB tree - adecvată pentru păstrarea și recuperarea date-lor multidimensionale.

R tree - metoda preferată pentru indexarea datelor spațiale.

Kd tree.

b)�

c)�

d)�

e)�

1)

2)

3)

4)

5)

6)

7)


1�

Mediul GIS trebuie să fie capabil să stocheze toate datele referitoare la entități geografice, împreună cu orice atribute non-spațiale atașate acestora, în așa fel încât să rezulte fișiere de mărime minimă și timpi de căutare mici. Acest deziderat, în funcție de metoda folosită, se realizează prin trei modele de date (structuri)� principale.

Stocarea în straturi (storage in layers)� Pentru o mai bună organizare a datelor geografice a unei anumite regiuni, datele care descriu teme similare sunt stocate separat. De exemplu, o hartă topografică standard arată contururile, rețeaua de drumuri, cea hidrografică, cea a liniilor de înaltă tensiune, zonele împădurite, clădirile etc. Descrierea fiecărei teme va fi stocată în fișiere diferite, care se numesc straturi. Se poate apela la analogia simplă cu desenarea fiecăreia pe un suport transparent și apoi suprapunerea lor.

2.1. Stocarea raster Raster este o metodă de stocare, procesare și afișare a datelor spațiale. Regiunea de interes este împărțită în blocuri mai mici (de obicei pătrate)�, fiecare bloc având o valoare specifică atașată. Citirea și recunoașterea blocurilor se face pe linii și pe coloane, formând astfel o structură de tip grid. Blocurile sau celulele trebuie să fie rectangulare, dar nu obligatoriu pătrate. Fiecare celulă a matricei astfel formate conține coordonate pentru localizarea geografică, precum și o valoare a atributului. Localizarea spațială a fiecărei celule este conținută implicit în ordinea de parcurgere a celulelor matricei, spre deosebire de structura vectorială, care stochează explicit topologia.

Cristian Coldea

20

Modelul de date raster este o abstractizare a lumii reale în care datele spațiale sunt plasate într-o matrice (de celule sau pixeli)�, având poziția spațială implicită dată de ordinea pixelilor.

Fig.2.2. Stocarea raster.

Pentru stocarea exhaustivă a valorilor celulelor se folosește un tabel în care pe prima coloană este numărul celulelor din reprezentare (de ex., pentru o matrice bidimensională de 8 x 8 vor


21

exista 64 de celule)�, iar pe a doua coloană valoarea efectivă din celulă (Tabelul 2.1)�.

Tabelul 2.1. Exemplu de celule și reprezentarea exhaustivă a acestora.

1 2 3 4 5 6 7 8 Pixel Valoare1 A A A A A 0 0 0 1 A2 A A A A A 0 0 0 2 A3 A A A A B 0 0 0

...

4 A A A 0 0 0 0 0 8 05 0 0 0 0 0 0 C C

...

6 A A A 0 0 C 0 0 39 C7 A A 0 0 0 C C 0

...

8 A A A 0 0 0 C C 64 C

Cu ajutorul modelului raster datele spațiale nu sunt continue, fiind divizate în unități discrete. Din acest motiv modelul raster este potrivit pentru folosirea anumitor operații spațiale, cum ar fi suprapuneri de straturi sau calculul ariilor. Este ușor de observat că pentru suprafețe mari și număr mare de atribute cantitatea de date crește considerabil. Mărimea celulelor și rezoluția Mărimea unei celule sau pixel este strâns legată de cea mai mică cantitate de informație disponibilă într-o imagine sau hartă raster. Acesta este cel mai mic element al unui dispozitiv de afișare căruia îi pot fi asociate în mod independent atribute (de ex., culoarea)�. Ca o regulă generală, mărimea unui pixel trebuie să fie jumătate din cea mai mică distanță care se dorește a fi reprezentată. Pentru a reduce mărimea setului de date stocate cu ajutorul modelului raster se folosesc diferite tehnici de comprimare a date-

Cristian Coldea

22

lor, dintre care se amintesc quadtree și codificarea run-length. Codificarea run-length Această codificare se folosește în cazul în care raster-ul conține grupuri de celule cu valori identice. În loc să fie stocată fieca-re celulă, fiecare element stochează o valoare și un număr al celulelor cu acea valoare. Dacă există doar o celulă stocarea este dublă ca dimensiune, dar dacă sunt mai multe celule apare o reducere. Cu cât sunt mai multe valori identice și frecvența de reprezentare este mai mare, cu atât raportul de comprimare a datelor este mai bun. Această tehnică este deosebit de folositoare pentru codificarea imaginilor monocrome sau binare. Pentru datele din Tabelul 2.1. codificarea run-length este arătată în Tabelul 2.2. Tabelul 2.2. Codificarea run-length

1 A, 5; 0, 8.2 A, 5;0, 8.3 A, 4; B, 5; 0, 8.4 A, 3; 0, 8.5 0, 6; C, 8.6 A, 3; 0, 5; C, 6; 0, 8.7 A, 2; 0, 5; C, 7; 0, 8.8 A, 3; 0, 6; C, 8.

Utilizarea datelor raster Toate fotografiile satelitare sau aeriene sunt prezentate în format raster. Fiecare pixel reprezintă cantitatea de lumină primită de senzor, la o anumită lungime de undă, corespunzător unei locații. Ținând seama că orice satelit colectează date corespunzătoare mai multor lungimi de undă, trecerea unui satelit va creea instantaneu un raster pe mai multe straturi, fiecare strat conținând informații


2�

referitoare la o lungime de undă. Dintre pachetele dedicate GIS care folosesc extensiv modelul raster se amintesc GRASS și IDRISI. Date-le raster sunt foarte utile la reprezentarea variabilelor care variază continuu în spațiu, cum ar fi înălțimile. Avantajele modelului raster Suprapunerea straturilor este simplă deoarece fiecare strat se raportează aceleași rețele (grid)�. Topologia este astfel definită implicit, locația unei celule față de alta este ușor de găsit (reductibil la numărarea elementelor unei matrice)�. Dezavantajele modelului raster Dacă se dorește creșterea rezoluției (micșorarea celulei)� la dublu, cantitatea de informație crește de patru ori. Rezoluția are efecte nedorite și în procesul de discretizare, analog cu rotunjirea numerelor, dar în sens spațial. Din acest motiv ceea ce se vede într-o imagine raster este fie mai mic, fie mai mai mare decât realitatea. În plus, obiectele mai mici decât o celulă pot să nu apară deloc.

2.2. Stocarea vectorială Modelul vectorial folosește linii sau arce definite prin punctele de început sau de sfârșit, care se întâlnesc în noduri. Locația acestor noduri și structura topologică este, de obicei, stocată explicit. Obiectele sunt definite prin frontierele lor, iar curbele sunt reprezentate ca și o serie de arce conectate. Stocarea vectorială funcționează doar pentru punctele care definesc un obiect, restul spațiului fiind considerat ca non-existent. Obiectele geografice sunt reprezentate explicit și, în cazul caracteristicilor spațiale, aspectele tematice sunt asociate. Tipic, sistemele vectoriale au două componente:

una care gestionează datele spațiale,–

Cristian Coldea

2�

cealaltă care gestionează datele tematice,acesta fiind așa numitul sistem hibrid. Acest sistem face legătura între o bază de date relațională a atributelor cu cea a datelor spațiale. Un elemente cheie este identificatorul fiecărui obiect. Identificato-rul este unic pentru fiecare obiect și permite sistemului conectarea la ambele baze de date.

Fig. 2.�. Stocarea vectorială.

Reprezentarea vectorială a datelor Datele geospațiale sunt reprezentate sub formă de

–


2�

coordonate (Fig. 2.4.)�. Unitățile elementare pentru datele spațiale sunt: punctul, linia și poligonul.

Fig. 2.�. Reprezentarea și stocarea vectorială.

Coordonatele sunt perechi de numere care exprimă distanțe de-a lungul unor axe ortogonale, triplete de numere în cazul unui sistem tridimensional sau n numere pentru un sistem de n dimensiuni. De regulă coordonatele reprezintă locații pe suprafața Pământului relativ la alte locații. Punctul este o abstractizare zero dimensională reprezenta-tă printr-o combinație unică a coordonatelor. Linia - un set de coordonate, care reprezintă forma unui obiect prea îngust pentru a fi reprezentat ca și poligon ori a unui obiect liniar fără suprafață. În acest caz linia este sinonimă cu arcul. Poligonul - un obiect folosit la reprezentarea suprafețelor.

Cristian Coldea

2�

Un poligon este definit de liniile care alcătuiesc conturul și un punct în interiorul conturului, pentru identificare. Modele vectoriale Există mai multe modele folosite la stocarea și gestiunea informațiilor vectoriale:

listă de coordonate (spaghetti)�,dicționar de vertexuri (vertex dictionary)�,Dual Independent Map Encoding (DIME),arc/node.

Rasterizarea datelor vectoriale Acesta este procesul de conversie a datelor vectoriale (puncte, linii, poligoane)� într-o serie de celule, fiecare având o valoa-re discretă. Procesul este mult mai facil decât cel invers (vectorizarea unui raster)�. Vectorizarea rasterelor Procesul constă în conversia unei imagini alcăturite din celulele unui raster într-una descrisă prin date vectoriale. Această conversie poate să implice și folosirea codificării topologice. Utilizarea datelor vectoriale Modelul vectorial este larg utilizat în domeniile cartografiei computerizate, a analizei rețelelor, a bazelor de date urbane, care conțin descrieri ale clădirilor, străzilor etc. Pachetele GIS comune sunt ArcGIS și MapInfo. Avantajele modelului vectorial Modelul în discuție permite o mult mai mare precizie comparativ cu modelul raster prin definirea extinderii geometrice a regiunii în care sunt localizate obiectele geografice. Aceasta se traduce prin mult mai bune hărți în cazul utilizării datelor vectoriale comparativ cu datele raster. Spațiul de stocare este mult mai mic

––––


2�

devreme ce spațiile goale sunt ignorate. Dezavantajele modelului vectorial Topologia între două obiecte geometrice trebuie definită explicit. Structura fișierelor este mai complexă decât în cazul fișierelor raster, iar operațiile de suprapunere a straturilor pot fi foarte complicate. Variația spațială poate fi reprezentată, dar nu atât de eficient ca și în cazul rețelelor (grid)�. Operații matematice (cum ar fi derivarea)� pe straturi sau între două sau mai multe straturi sunt aproape imposibil de efectuat.

Cristian Coldea

2�

�. SISTEME DE PROIECȚIE ȘI SISTEME DE COORDONATE

Reprezentarea și comunicarea informație geografice pe suprafețe plane (hărți sau afișaje)� implică transforma-

rea sau proiectarea locațiilor în 3D, pe suprafața Pământului, în locații 2D, într-un plan (Fig. 3.1.)�. Proiecțiile pentru suprafețe mariProiecțiile pentru suprafețe mari folosesc o simplă sferă pentru aproximare, dar pentru suprafețe mici, unde precizia este importantă, proiecțiile folosesc un elipsoid, care corespunde local unui geoid.

Fig. �.1. Proiecția coordonatelor de pe suprafața Pământului în planul hărții.


2�

Geoidul este acea formă care corespunde cel mai mult cu forma turtită și neregulată a Pământului, la un moment dat. Orice proiecție a unei locații de pe suprafața rotunjită a Pământului pe o suprafață plană introduce distorsiuni, aspect de o importanță deosebită în ceea ce privește precizia informațiilor geografice și a hărților. Geograful și astronomul grec din antichitate Ptolemeu a conceput mai multe proiecții, care au fost folosite de către romani și alții secole la rând. Odată cu explorarea și colonizarea europeană perfecționarea sistemelor de proiecție a devenit o necesitate și o activitate de maximă importanță. În 1568 Mercator publică un material despre propriul sistem de proiecție globală.

�.1. Concepte cheie cu privire la proiecții Proiecțiile convertesc locațiile unor obiecte sau evenimente măsurate în tridimensional la 2D. Proiecțiile sunt complicate deoa-rece este imposibil, folosind metode geometrice sau matematice, să se păstreze simultan forma și aria în sistemul bidimensional a oricărui obiect 3D, care se găsește pe suprafață sferică a Pământului, în Pământ sau în apropiere de Pământ. Fiecare proiecție este o abstractizare a suprafeței Pământului și introduce distorsiuni, care afectează precizia. Alegerea proiecției potrivite este deosebit de importantă pentru a controla aceste distorsiuni. Din acest motiv alegerea proiecției este făcută de instituții specializate, fiind finalizată cu emiterea de convenții sau legi, care stipulează ce proiecție corespunde unei anumite zone și activități. Există patru concepte fundamentale cruciale cu privire la proiecții.

Cristian Coldea

�0

1)� Pământul este aproape rotund și își schimbă forma permanent Sunt utilizate trei modele ale Pământului în construirea proiecțiilor:

sfera,elipsoidul,geoidul.

Sfera este asimilată cu un obiect perfect rotund, fiind definită matematic de distanța de la centru la suprafață (raza sferei)�. Este cel mai simplu model, fiind suficient pentru informații geografice și hărți a unor suprafețe foarte mari. Adeseori acest model se mai numește și sferoid. Elipsoidul este o formă mai precisă pentru aproximarea Pământului, care este alungit la ecuator și turtit la poli. Este suficient de exact pentru o mare parte a informațiilor geografice și a hărților unor suprafețe mici. Geoidul este cea mai precisă reprezentare a suprafeței Pământului. Din cauza densității diferite a materialului din miezul Pământului, a diferențelor de câmp magnetic și a mișcării plăcilor tectonice, locațiile măsurate foarte detaliat folosesc geoidul pentru proiecție. Suprafața geoidului este considerată a fi suprafața echipotențială a Pământului din punct de vedere a câmpului gravitațional; în acest sens variația locală a densității scoarței teres-tre modifică forma geoidului (de ex., cantitățile mari de minereu de fier - Suedia, Minnesota etc.)� afectează suprafața geoidului. Diferențele dintre pozițiile elipsoidului și cele ale geoidului (Fig. 3.2)� se numesc “ondulațiile geoidului“, “înălțimile geoidului“ sau “separațiile geoidului“.

–––


�1

Diferențele dintre sferă, elipsoid și geoid pot fi de ordinul sutelor de metri. Modelele geoidului și elipsoidului terestru sunt actualizate la anumite intervale de către organisme abilitate la nivel național și internațional.

Fig. �.2. Diferențele dintre realitate, elipsoid și geoid.

2)� O proiecție face compromisuri Fiecare proiecție păstrează fie o proprietate, fie face compromisuri între proprietăți. Cele patru proprietăți ale proiecției sunt:

Unghiurile - păstrarea unghiurilor, inclusiv a formelor, în cazul suprafețelor mici => proiecția conformă;

Ariile - păstrarea mărimilor relative ale regiunilor => proiecția echivalentă sau de arie egală;

Distanța - păstrarea parțială a relațiilor dintre distanțe => proiecția echidistantă;

Direcția - anumite linii ale direcției sunt păstrate => proiecția azimutală.

a)�

b)�

c)�

d)�

Cristian Coldea

�2

3)� Apar întotdeauna distorsiuni Fiecare proiecție, prin asigurarea unui compromis între diferitele proprietăți, creează distorsiuni. Distorsiunile se pot reduce prin alegerea potrivită a proiecției în funcție de zonă și scop. Alegerea eronată a unei proiecții poate duce la erori semnificative. Proiecția Mercator a fost foarte importantă pentru naviga-rea pe apă cu ajutorul busolei deoarece păstrează liniile drepte pe o anumită direcție. În cazul navigației aeriene situația este diferită în sensul că o direcție constantă a busolei pe proiecția Mercator este o linie dreaptă, dar această linie nu indică cea mai scurtă distanță. Drumul aerian cel mai scurt este ceea ce se numește “distanța cercului ma-re“, adică o linie dreaptă pe suprafața sferei. 4)� Informațiile geografice din proiecții diferite nu trebuie combinate Combinarea informațiilor din proiecții diferite este greșeala cel mai ușor de făcut când se lucrează cu informații geografice. Informațiile geografice referitoare la suprafețe mari sunt, de regulă, proiectate, dar pot fi și neproiectate. Dacă sunt neproiectate distorsiunea este semnificativă deoarece valorile latitudinii și longitudinii sunt convertite în valori (x,y) într-un sistem ortogonal. Avantajul informațiilor geografice neproiectate este că pot fi transformate cu ușurință în ce sistem de proiecție se dorește. Un alt exemplu de informație geografică neproiectată se întâlnește în cazul acelor hărți care au ca scop reclamele ori atunci când criteriile de ordin artistic primează în detrimentul celor științifice. Al treilea exemplu se referă la globurile pământești, care constituie, de fapt, singura modalitate de a arăta și prezenta lucruri, evenimente și relații geografice fără distorsiunea inerentă proiecțiilor.


��

�.2. Modelul elipsoidului Cei trei parametri de bază ai elipsoidului sunt:

axa ecuatorială semimajoră a,axa polară semiminoră b,aplatizarea f (Fig. 3.3)�.

Fig. �.�. Schema unui elipsoid terestru.

De-a lungul timpului au fost produși mai mulți elipsoizi pentru aproximarea globului terestru. John Snyder apreciază că între 1799 și 1951 au fost făcute 25 de determinări ale dimensiunilor elipsoidului terestru. Odată cu dezvoltarea și îmbunătățirea metodelor de măsurare s-au dezvoltat tot mai multe modele ale elipsoidului terestru (Tabelul 3.1)�.

�.�. Modelul sferoidului Acesta este cel mai simplu model al suprafeței Pământului, fiind caracterizat doar de raza din centru imaginar al globului terestru până la suprafață (raza medie a Pământului este de 6.371.000 m)�.

–––

Cristian Coldea

��

Tabelul 3.1. Evoluția unor modele ale elipsoidului.

Denumirea Semiaxa a, m Semiaxa b, m Aplatizarea fBessel (1841)� 6.377.483,865 6.356.079,01 1/299,1528128Clarke (1866)� 6.378.206 6.356.584 1/294,98K r a s s o v s k y (1940)�

6.378.245 6.356.863,03 1/298,3

A u s t r a l i a n (1960)�

6.378.160 6.356.774,7 1/298,25

WGS (1984)� 6.378.137 6.356.752,314 1/298,2572235

Precizia oferită de acest model este foarte scăzută, sferoidul fiind recomandat a fi utilizat doar pentru scări mai mici de 1:500.000.000. Datum este termenul folosit la calibrarea unor măsurători geografice, incluzând referințele orizontale, cele verticale și proiecțiile. Exemple în acest sens:

North American Datum 1927 (NAD 1927),North American Datum 1983 (NAD 1983).

Acest termen specifică modelul folosit la aproximarea formei Pământului, la un anumit moment și pentru o anumită suprafață (regiune, zonă etc.)�, utilizat la măsurători, cartografiere etc. Un datum geocentric (World Geodetic Datum of 1984)� ia în considerare tot globul pământesc, nu are punct de origine și este calculat pe baza unui set de observații geodetice. Un datum național (local)� se folosește pentru măsurarea unor suprafețe de mărimea unui continent și are punct de pornire. Diferențele dintre diferitele datum-uri locale pot fi de câteva sute de metri. De importanță deosebită este datum-ul WGS 1984, definit pe elipsoidul GRS 1980 (axa ecuatorială este de 6.378.137 m, iar

––


��

aplatizarea de 1/298,26)� cu măsurători adiționale. Cele mai folosite proiecții sunt: 1)� Lambert:

păstrează unghiurile,se folosește la cartarea continentelor sau suprafețelor

similare acestora, cu orientare est-vest; 2)� Sinusoidală:

păstrează ariile, dar distorsionează formele și unghiurile,este folosită la hărți, care arată tipuri sau șabloane de

distribuție; 3)� Mercator:

păstrează liniile de navigație constantă drepte,se folosește la navigație pe apă din cauza indicației

constante a busolei. 4)� Stereografică:

păstrează direcțiile,arată traseele “marilor cercuri“ ca și linii drepte,se folosește pe larg la navigația aeriană.

5)� Robinson:este o proiecție de compromis, care nu păstrează nicio

proprietate anume,este atractivă din punct de vedere grafic;

6)� Fuller:a fost introdusă în 1954,transformă coordonatele de latitudine și longitudine

sferice într-un corp cu 20 de laturi (icosaedru)�.

�.�. Sisteme de coordonate Un sistem locațional sau unul de coordonate ajută foarte

––

––

––

–––

–

–

––

Cristian Coldea

��

mult la minimalizarea distorsiunilor. La fel ca și în cazul proiecțiilor, lucrul cu hărți și informații geografice implică cunoașterea sistemu-lui locațional sau de coordonate folosit. Un sistem locațional poate fi referențiat la o proiecție, iar un sistem de coordonate trebuie să fie referențiat la o proiecție și un datum (modelul formei și mărimii Pământului)�. Sistemele locaționale, de regulă cu coordonate ortogonale, sunt valide doar pentru anumite date sau poate pentru o singură hartă și pot să nu aibă nicio relație cu alte sisteme locaționale sau de legătură. Aceste sisteme folosesc un sistem de coordonate sau o rețea (grid)� definită local. Dacă pentru suprafețe mari ar putea fi folositoare, în cazul suprafețelor mici sistemele locaționale nu oferă satisfacție din cauza preciziei scăzute. Crearea rețelelor rectangulare a făcut posibilă apariția sistemelor naționale de coordonate. O astfel de rețea este The Public Land Survey (PLS) creeată în jurul anilor 1790 în Statele Unite, cuprindea celule pătrate cu latura de 6 mile, iar celulele, la rândul lor, erau divizate în 36 de celule cu dimensiunile de 1 x 1 mile. Acest sistem se baza pe un meridian și o linie de bază, având coordonate diferite. Sistemul este satisfăcător, dar nu are nicio legătură cu suprafața Pământului. De regulă sistemele locale nu au nicio legă-tură cu forma suprafeței Pământului. Sistemele rectangulare de coordonate Spre deosebire de sistemele locaționale acestea sunt asocia-te cu un anumit model al formei și mărimii suprafeței Pământului (geoid sau elipsoid)�, iar un datum este, de regulă, asociat. Un astfel de sistem este cel numit State-Plane Coordinate System (SPSC), care specifică poziția stațiilor geodetice și locațiile măsurate în Statele Unite, Puerto Rico și Insulele Virgine, folosind


��

un sistem de coordonate rectangulare. Acest sistem folosește trei sisteme de proiecție:

proiecția Lambert pentru zone cu orientare est-vest,proiecția Mercator transversală pentru zone orientate

nord-sud,proiecția Mercator oblică pentru Alaska.

De asemenea, folosește două datum-uri:North America Datum of 1927 (NAD 1927)�, care utilizează

elipsoidul Clarke;North American Datum of 1980, care utilizează elipsoidul

GRS 1980.Diferențele geoidului dintre cele două datum-uri poate ajunge până la cateva sute de metri. Universal Transverse Mercator (UTM) - a fost dezvoltat în anii 1940 de către Corpul Inginerilor Armatei S.U.A. și, potrivit acestuia, lumea este divizată în 60 de zone sud-nord. Fiecare fâșie astfel creată acoperă 6o de longitudine. Zonele sunt numerotate de la 1 la 60, numărul 1 găsindu-se între 180o și 174o longitudine vestică, iar 60 între 174o și 180o longitudine estică. În fiecare zonă coordonatele sunt măsurate nord și est, în metri. Spre nord coordonatele sunt măsurate continuu, începând cu 0 la ecuator. Pentru a evita coordonatele negative, în emisfera sudică ecuatorul are un nord fals de 10.000.000 metri. Un meridian central trece prin mijlocul fiecărei fâșii de 6o, având alocată valoarea de 500.000 metri est. Valorile aflate la vest de meridianul central sunt mai mici de 500.000, iar cele la est mai mari. Majoritatea țărilor au una sau mai multe asemenea rețele naționale. În total în lume se folosesc mii de asemenea sisteme. În Marea Britanie există un sistem ierarhic care are inițial un

––

–

–

–

Cristian Coldea

��

sistem de celule cu dimensiunea de 100 x 100 km, identificabile prin două litere. Fiecare celulă este, la rândul ei, divizată în celule de 100 x 10 km, iar acestea din urmă în celule de 100 x 1 km. Germania folosește un sistem asemănător cu UTM, bazat însă pe fâșii de 3o longitudine și 6, 9,12 și 15 meridiane. Zonele sunt numerotate de la 2 la 5 sau cu longitudinea meridianului divizată la 3. Un est fals de 500.000 metri este calculat pentru coordonate est-vest în fiecare fâșie, iar coordonatele nord-sud sunt distanțele la ecuator. Coordonatele nord-sud au 7 cifre, iar cele est-vest 6 pentru a evita confuzia între ele. Proiecția cartografică a României este Stereografic 70 (sau Stereo 70)�, care se bazează pe elipsoidul Krassovsky 1940, orientat la Pulkovo. Axa Ox are orientarea pozitivă spre nord, iar axa Oy are sensul pozitiv spre est. Este o proiecție care pastrează unghiurile, dar deformează ariile. Pe plan mondial se mai folosesc și coordonate polare sau sferice.

�.�. Scări și transformări Orice hartă are o scară și întrebarea care apare este: care es-te scara potrivită pentru o hartă? O scară prea mică (de ex., 1:100.000)� va cuprinde o suprafață mare, dar fără detalii, în vreme ce o scară mare (1:1000)� va cuprinde multe detalii, dar pe o suprafață mică. Familiaritatea cu scările devine reductibilă la ușurința lucrului cu corespondența dintre mărimea pe hartă și mărimea în natură. Pentru informația geografică scara este arătată în trei feluri:

factor de reprezentare,bara scării,declarație.

–––


��

Factorul de reprezentare - este raportul dintre aceeași unitate măsurată pe teren și reprezentată pe hartă, de ex., 1:24.000. Bara scării - reprezintă în mod distinct distanțele la scara hărții. Declarația - descrie scara în cuvinte. Dacă o scară este de 1:25.000 (în unități metrice)� înseamnă că 1 cm pe hartă corespunde la 25.000 cm pe teren. Scările reprezentative și echivalențele distanțelor sunt arătate în Tabelul 3.2.

Tabelul 3.2. Scări reprezentative.

Scara Metri în teren la 1 centrimetru pe hartă1:1000 101:2.500 25

1:10.000 1001:25.000 2501:50.000 500

1:100.000 1.000 (1 km)�1:250.000 2.500 (2,5 km)�1:500.000 50.000 (50 km)�

1:1.000.000 100.000 (100 km)�1:2.000.000 200.000 (200 km)�

Din cauza multitudinii surselor de informații geografice transformarea scărilor este adeseori necesară. Această transformare se poate face ușor, însă trebuie să se țină seama de unele aspecte:

folosirea acelorași unități pe parcursul transformării;folosirea acelorași constante pe parcursul transformării.

Cea mai simplă transformare a scărilor este transformarea afină, care permite scalarea, rotația, deformarea oblică și translatarea coordonatelor (Fig. 3.4)�.

––

Cristian Coldea

�0

Fig. �.�. Transformarea afină.

Transformarea afină folosește două ecuații pentru coordonatele 2D (x, y)�:

x Ax By Cy Dx Ey C

' ,' .= + +

= + + Valorile x și y sunt cele ale coordonatelor de intrare, iar x’ și y’ sunt valorile coordonatelor transformate (care se doresc a fi găsite)�. A, B, C, D, E și F sunt parametri de transformare, care pot fi impuși ori calculați automat.

(3.1)�


�1

�. INTRODUCERE ÎN MEDIUL DE LUCRU GIS

Orice acțiune în mediul de lucru GIS presupune obține-rea, folosirea, editarea, combinarea, comunicarea și

afișarea diferitelor informații geografice. Pentru aceasta este nevoie de o bază de date, cel mai adesea denumită Geodatabase.

4.1. Geodatabase O astfel de bază de date constă dintr-o colecție de seturi de date geografice de diferite tipuri, gestionate fie într-un folder, fie într-o bază de date relațională. Seturile de date cel mai des întâlnite într-o geodatabase sunt:

Feature classes de puncte, linii și poligoane, împreună cu adnotări pentru entități discrete;

seturi de date raster și cataloage raster pentru imagistică;atribute descriptive păstrare în tabele.

Această bază de date cuprinde, în general, toate sau principalele informații referitoare la un anumit subiect, zonă, temă etc. Într-o geodatabase pot exista sau se pot importa următoare-le tipuri de fișiere și seturi de date:

shapefiles, dBase tables și fișiere text;coverages;fișiere CAD;hărți, straturi și grafice;date raster;date SDC;

–

––

––––––

Cristian Coldea

�2

Terrain datasets;TIN datasets;documente XML.

O geodatabase poate fi de mai multe feluri:File Geodatabase - cu extensia .gdb, având ca simbol un

cilindru gri. Apare ca un director cu fișiere, fiecare set de date fiind păstrat ca un fișier, care poate crește până la 1 TB.

Personal Geodatabase - cu extensia .mdb, cu același simbol de la punctul precedent. Toate seturile de date sunt păs-trate într-un fișier de date Microsoft Access, cu dimensiunea limitată la 2 TB.

Arc SDE - extensia este .sde, simbolul fiind un cilindru cu o conexiune jos. Aceasta este o bază de date relațională, folosind Oracle, Microsoft SQL, IBM DB2, IBM Informix. Poate avea capacitate nelimitată, mai mulți utilizatori și necesită utilizarea aplicației ArcSDE.

1)� Coverage Reprezintă o colecție de clase de caracteristici (feature classes)� folosite pentru a reprezenta fenomene geografice. Fiecare coverage constă într-un director cu o serie de fișiere, iar setul de caracteristici (features)� conținut într-un coverage depinde de tipul fenomenelor geografice care se doresc a fi modelate (Tabelul 4.1)�.

Tabelul 4.1. Colecția de caracteristici dintr-un coverage.

Feature class Aplicație și utilitate

Exemple

Punct Locații ale punctelor Vârful munților, poziția surselor de apă (fântâni, izvoare)�

–––

a)

b)

c)


��


Exemple

Arc Entități “linie“ Străzi, contururi, cursuri de apă, canale, conducte, linii de înaltă tensiune

Nod Puncte de conexiune și de capăt ale entităților de tip linie

Intersecții de străzi, supapele unor robineți sau conducte, puțuri colectoare

Rută/drum Entități “linie“ Idem cu “Arc“Secțiune Definește entitățile

“Rută/drum“Străzi, benzi de circulație, starea conductelor, linii de transmitere sub și supraterane

Polygon Entitate de tip “arie” Parcele de pământ, unități a d m i n i s t r a t i v e , conturul bazei clădirilor, proprietăți, păduri

Regiune Entități de tip “arie”, poligoane multiple

G e o g r a f i a recensământului , s u p r a p u n e r e a arealelor locuite peste cele sălbatice

Cristian Coldea

��


Example

Adnotare Entitate de tip “etichetă”

Numele străzilor sau denumirea localităților pe hărțile rutiere

Tic Control și înregistra-re geografică

Înregistrarea pentru digitizare

Link Reglaje și modificări Corelarea limitelor hărților, feature snapping, reglaje ale datum-ului

Coverage extent Definește extinde-rea hărții

Un dreptunghi, care include limitele coverage-ului

2)� Shapefiles, dBase și fișiere text Shapefile - reprezintă un format simplu și nontopologic de fișier pentru stocarea locațiilor geometrice și a atributelor unor entități geografice. Un spațiu de lucru (folder)� poate conține shapefiles, care cuprind entități geografice și atributele acestora. Entitățile geografice (geographic features)� dintr-un asemenea fișier pot fi reprezentate de puncte, linii sau poligoane. Spațiul de lucru poate să conțină tabele dBase, care stochează atibute suplimentare ce pot fi reunite cu cele conținute în shapefile. Fișierele în discuție au extensia .shp și sunt reprezentate printr-un pătrat de culoare verde având simbolul entității păstrate. Fișierele cu extensiile .txt, .asc, .csv, .tab apar în ArcGIS ca și fișiere text implicite. Într-o geodatbase pot exista și alte tipuri de tabele și fișiere:


��

tabel geodatabase,Excel worksheets, în extensia .xls,fișiere CAD - sunt recunoscute multiple tipuri de fișiere

CAD cu extensiile lor native (de ex., AutoCAD în extensia .dwg)�,hărți (mai precis imaginea unei hărți stocată pe disc)�,straturi,grafice.

3)� Straturile (layers)� includ simbologia, afișarea, etichetele etc. folosite pentru a figura modul de desenare (reprezentarea informațiilor grafice pe o hartă)�. Spre exemplu, un strat poate să indice anumite zone dintr-un shapefile (un poligon)�, fiecare zonă având atașată o etichetă preluată dintr-un tabel. Straturile nu conțin date, ele doar fac referire la acestea. Acestea au extensia .lyr și sunt reprezentate de un romb de fond galben, cu simbolul aferent. 4)� Date raster - pot fi Raster Dataset sau SDC Table. SDC este acronimul pentru Smart Data Compression și este un format des folosit de către comercianții de date utilizate la geocodificare sau rețele rutiere. Un set de date SDC constă într-un tabel de atribute ce are una sau mai multe coloane shape. Sunt reprezentate cu portocaliu. 5)� Terrain Dataset - pot fi Terrain Dataset sau Terrain Dataset Layer. Acestea sunt seturi de date mult-rezoluție, care folosesc un model TIN al suprafeței. 6)� TIN Dataset - TIN reprezintă acronimul pentru Triangulated Irregular Network. Aceste date sunt utile pentru afișarea și analiza suprafețelor. Conțin puncte plasate neregulat, care au coordonate (x, y)� ce descriu locația acestora și o valoare z, care descrie suprafața în acel punct. Suprafața poate fi caracterizată printr-o mărime (i.e., înălțime, precipitații, temperatură)�. Punctele sunt unite între ele

–––

–––

Cristian Coldea

��

prin linii, rezultând un mozaic care formează o suprafață fațetată continuă, în care fiecare triunghi are o pantă și un aspect specific. 7)� Metadatele (date despre date)� descriu informația geografică în aceeași manieră în care o fișă de bibliotecă face trimitere la o carte. Este un instrument crucial pentru căutări de date sau hărți, reprezentând acele informații de care este nevoie pentru a descrie un set de date suficient pentru a fi înțelese de oricine, cu minim efort. Metadatele conțin elemente cheie, cum ar fi:

ce înseamnă diferite valori din setul de date,sistemul de proiecție folosit etc.

Pentru metadate se caută stocarea în fișiere HTML (Hyper-text Markup Language)�, SGML (Simple Graphics Markup Language)� și XML (Extensible Markup Language)�.

�.2. Construirea și organizarea bazei de date spațiale Proiectanții și constructorii de baze de date spațiale încep construirea acesteia prin alcătuirea schemei. Schema se referă la diagrame și documente pe care se bazează structura bazei de date, precum și relațiile care există între elementele acesteia. Schema unei baze de date poate fi comparată cu planurile de construcție a unei clădiri și spune constructorului bazei de date modul concret în care aceasta trebuie alcătuită. În mod normal designerii de baze de date pierd destul de mult timp cu conceperea și alcătuirea schemei, iar acest pas precede etapa de alcătuire a tabelelor și popularea acestora cu date concrete. De regulă la alcătuirea schemei sunt folosite instrumente de ajutor (CASE - Computer Assisted Software Engineering)�, dar există,

––


��

în unele situații, preferința pentru creion și hârtie. Adeseori se pierde mult timp cu învățarea și stăpânirea utilizării instrumentelor de ajutor, același rezultat obținându-se prin folosirea creionului și hârtiei. Elementele unei scheme La modul simplist schema constă în aranjamentul tabelelor care alcătuiesc baza de date și în relațiile dintre acestea. Din cauza cererii extrem de variate din domeniul GIS nu există o formulă a schemei general valabile, dar se pot genera șabloane de scheme pe anumite categorii de clienți sau nevoi, șabloane ce apoi sunt personalizate. Chiar și procesul de personalizare a unui șablon existent poate presupune un volum mare de muncă prestată de către personal specializat. Spre exemplu, o schemă pentru rețeaua de electricitate sau de gaze se finalizează cu sute de pagini de documentație și diagrame desenate pe mai mulți metri pătrați de planșe. Schemele pot fi stricte sau lejere. O schemă strictă va fi capabilă să cuprindă un număr mare de elemente și va necesita un timp relativ îndelungat pentru dezvoltare, în vreme ce una lejeră constă într-o structură mai mică și mai adaptabilă, care va fi perfecționată pe parcurs. Dicționarul de date Acesta este un depozit centralizat de informații despre date - însemnătate, relația cu alte date, origine, aplicabilitate, format etc. Dicționarul de date trebuie perceput ca și un catalog în care sunt menționate organizarea, conținutul și setul sau seturile de convenții referitoare la una sau mai multe baze de date. În mod normal dicționarul de date cuprinde:

numele și descrierea tabelelor sau câmpurilor din fiecare –

Cristian Coldea

��

bază de date;tipul și lungimea fiecărui tip de element.

Dicționarul de date este, de fapt, o diluare a metadatelor referitoare la structura bazei de date. Un exempul de dicționar de date este arătat în Tabelul 4.2.

Tabelul 4.2. Exemplu unui dicționar de date.

Câmp Tip Mărime DescriereCÂMP_GIS Char Variabilă C â m p u r i

s t a n d a r d , lungimi și arii

ID_ENTITATE Char 5 D e s c r i e r e de max. 5 caractere

LOCAȚIE Char 80 Descriere prin text a locației entității

DOC_NR Char 4 N u m ă r u l documentului

SURSĂ Char 100 Documentul/p u b l i c a ț i a citată

Tabele și relații O altă componentă deosebit de importantă a unei scheme de bază de date, care este creeată de prima dată, este o diagramă, care arată relațiile dintre diferitele tabele ce alcătuiesc baza de date. Aici proprietatea unei relații numită cardinalitate prezintă o deosebită importanță. Posibilitățile unei relații sunt:

“unul-la-unu”,“unul-la-mulți”,

–

––


��

“mulți-la-mulți”.În plus, o relație mai poate fi obligatorie sau opțională. Relațiile de tip “unul-la-unu” sau “unul-la-mulți” pot fi derulate direct între tabelele implicate, dar relațiile de tip “mulți-la-mulți” au nevoie de un tabel intermediar, care să asigure acest tip de legătură. Principalii pași care se parcurg la alcătuirea unei scheme sunt:

Identificarea tuturor claselor posibile de obiecte.Schițarea relațiilor minime necesare între obiecte.Diferențierea relațiilor cheie de cele cu caracter

secundar.Detalierea informațiilor necesare despre membri fiecărei

clase de obiecte.Desenarea diagramei în detaliu.

De asemenea, se va ține seama de mai multe aspecte:Tabelele trebuie să fie reprezentative pentru obiectele

conținute și să conțină informații numai despre acea clasă de obiecte;

De regulă relația este “unul-la-unu”, dar în unele cazuri poate fi de “unul-la-mulți”. Chiar dacă situația aceasta se întâmplă o singură dată, trebuie să fie prevăzută în schema bazei de date;

“Mulți-la-mulți” necesită un tabel de legătură sau compo-zit. Acest tip de tabel conține doar o adresă proprie pentru tabel și mai multe adrese externe pentru tabelele care conțin entitățile implicate în relația “mulți-la-mulți”. Tabelele s-ar putea să nu apară niciodată în interfața grafică cu utilizatorul bazei de date, dar trebuie să existe în interiorul acesteia pentru a menține relațiile complexe.

–

1)�2)�3)�

4)�

5)�

–

–

–

Cristian Coldea

�0

Metadatele De-a lungul timpului formatul metadatelor a evoluat continuu (text -> HTML -> SGML -> XML)�, cu mențiunea că metadatele sunt tot mai standardizate. Standardele Comitetului Federal pentru Date Geografice (SUA)� stipulează 20 de elemente obligatorii în ceea ce privește metadatele: 1)� Informații de identificare:

numele organizației sau persoanei care dezvoltă setul de date;

data publicării - data la care informația a fost publicată sau făcută disponibilă;

rezumatul;scopul;calendarul - anul (eventual luna și ziua)� pentru care sunt

valabile informațiile sau pentru care au corespondență în teren;temeiul în care a fost stabilită perioada de timp pentru

care informația este validă sau actuală;statutul setului de date;întreținerea și frecvența actualizării;tematica cuvintelor cheie și relația cu alte surse;un cuvânt sau o frază folosite la descrierea subiectului

setului de date;restricții de acces;restricții de utilizare.

2)� Informații despre calitatea datelor. 3)� Informații despre organizarea datelor spațiale. 4)� Informații despre referențierea spațială. 5)� Informații despre entități și atribute.

–

–

–––

–

––––

––


�1

6)� Informații despre distribuția/sursa datelor. 7)� Informații despre metadate și cum au fost produse:

datele de contact ale organizației responsabilă cu producerea metadatelor;

patru elemente referitoare la adresa poștală sau fizică a organizației producătoare a metadatelor;

numărul de telefon al organizației producătoare a metadatelor. 8)� Informații despre citare - cum ar trebui citată informația dacă este folosită de alții. 9)� Informații despre perioada de timp în care datele au fost produse și dacă este o informație actualizată sau nu. 10)� Informații de contact referitoare la cel care deține datele. Referitor la metadate există un proiect numit Dublin Core, care încercă să reunească și să integreze diferitele tipuri de date printr-o abordare multidisciplinară, astfel încât diferitele grupuri care utilizează mai multe standarde pentru un anumit tip de date (de ex., imagistică)� să aibă anumite relații cu standardele dezvoltate pentru alte tipuri de date. În cadrul acestui proiect a fost dezvoltat un standard pentru metadate, care conține mai multe elemente:

creatorul,tematica,descrierea,cine publică,cine contribuie,data,tipul,formatul,

–

–

–

––––––––

Cristian Coldea

�2

identificatorul (de ex., URL sau ISBN)�,sursa,limba,relația cu alte surse,coverage - este sugerată utilizarea locațiilor și perioadelor

de timp (în defavoarea folosirii seturilor de coordonate și datelor temporale)�,

drepturile asupra informației. Concepția datelor spațiale Deoarece lumea reală este deosebit de complexă apare necesitatea de a creea modele ale realității, interacțiunea cu realitatea fiind cel mai adesea dificilă. Un prim model este modelul legal, cu referire la titlul de proprietate, care conține:

descrierea geografică,o schiță despre poziția relativă a obiectului față de alte

obiecte. Scopul modelului legal este de a facilita transferul legal al proprietății. Un al doilea model este cel care face referire la valoare, taxe, impozite etc. Valoarea estimată, eventualele îmbunătățiri aduse și adresa proprietarului/proprietarilor sunt informații pe care evaluatorul le introduce în acest model. Al treilea model este asimilat ca o entitate într-un strat al unui GIS. De regulă acest model are utilizări multiple - cartare, forma de proprietate și statutul acesteia, planificare, urbanism, sistematizare, siguranță publică etc. Procesul de abstractizare și ierarhizare a entităților reale pentru introducerea acestora pe calculator datează de câteva dece-

–––––

–

––


��

nii și a apărut ca urmare a dezvoltării bazelor de date relaționale din anii ‘70 ai secolului XX. Cele mai comune modele ale datelor GIS sunt modelul vectorial (punct, linie, poligon)� și modelul raster. Niciun GIS ori bază de date nu poate include toate aspectele realității, motiv pentru care întotdeauna este necesară alegerea unui subset de entități reale, care vor fi modelate. Cunoașterea a ceea ce se dorește a fi modelat în GIS și ce este nevoie pentru modelare constituie primul pas în procesul de concepție. Aici are o deosebită importanță modul de restricționare a viziunii asupra realității astfel încât să corespundă scopurilor inițiale. Despre avantajele și neajunsurile modelelor vectorial și raster s-a scris mult și s-au purtat dezbateri animate de-a lungul dececiilor. În realitate modelul cel mai bun s-a dovedit a fi cel care corespunde cel mai bine scopurilor inițiale. Există cinci combinații posibile între modelul vectorial și cel raster pentru implementarea unui GIS:

vector principal peste raster secundar ca fundal - aici fundalul poate fi o fotografie aeriană, un ortofotoplan sau o informație procesată cu ajutorul GPS, toate în format digital;

raster principal cu suprapunere de vector secundar;numai raster;numai vector topologic;complet vector și raster.

�.�. Straturi și obiecte

Alegerea straturilor constituie subiect de dezbatere de o lungă perioadă de timp.

–

––––

Cristian Coldea

��

Straturile sunt folosite pe larg, încă din perioada cartografiei manuale. Cartografii obișnuiau să figureze pe un suport transparent fiecare temă geografică: relief, rețea hidrografică, drumuri, păduri etc. Aceste suporturi erau apoi suprapuse, fotografiate și multiplicate în serie pentru producția de hărți. Pricipalul motiv pentru care se proceda astfel era siguranța: dacă se greșea ceva urma să se refacă doar un strat, nu întreaga hartă. În general, însemnătatea culorilor pe straturile cartografice este următoarea:

Negru - entități artificiale (drumuri mici, clădiri, granițe politice și administrative, nume de locuri și entități;

Roșu - zone urbane și drumuri mari;Verde - zone acoperite cu copaci (păduri, livezi)�;Maro - topografie;Albastru - rețea hidrografică (entități hidrografice și

simboluri)�;Purpuriu - zone fotografiate aerian, dar încă neverificate

în teren. Lucrul cu straturile este intensiv folosit și în cadrul CAD, dar, spre deosebire de acesta, în GIS fiecare entitate este stocată pe un strat. Un prim avantaj constă în ușurința analizei unei anumite entități prin îndepărtarea celor care nu sunt de interes. Un alt avantaj îl constituie posibilitatea alegerii priorității de așezare a straturilor. Un aspect care merită a fi menționat este că în orice GIS, indiferent de modul de stocare în baza de date, afișarea se va face tot în straturi. În schimb, reprezentarea în baza de date se poate face în mai multe moduri. Ideea bazei date orientată pe obiecte a pornit de la programarea orientată pe obiecte (OOP)� din anii ‘90 ai secolului

–

––––

–


��

trecut. La fel ca și în cazul acestui sistem de lucru, o bază de date orientată pe obiecte presupune conceptualizarea entităților ca și obiecte, conferirea de proprietăți acestora și stabilirea unor căi de comunicare cu celelalte obiecte stocate. În acest fel entitatea devine din pasivă una activă, într-o oarecare măsură prin prezența proprietăților și a unui set de funcții, care pot genera reacții și relații. Acest tip de bază de date devine tot mai comun, fiecare firmă de aplicații consacrate având propria terminologie. În prezent tot mai multe organizații și instituții convertesc bazele de date stocate în sistem layer în baze de date orientate pe obiecte. Cel mai frecvent utilizat acronim este SERD (Spatially Enabled Relational Database), cu mențiunea că formatul SERD de la ESRI (lider mondial în aplicații GIS)� este Geodatabase. Modelarea entităților geografice în SERD implică aderarea bazei de date la principiile programării orientate pe obiecte (OO)�: 1)� Organizarea ierarhică - obiectele aparțin unei ierarhii, iar poziția acestora în ierarhie este o proprietate importantă a obiectului. Obiectele de nivel înalt le posedă pe cele de nivel scăzut, iar cele de jos aparțin astfel celor de sus. 2)� Obiectele au proprietăți - proprietățile unui obiect pot fi cuprinse sintetic în următoarele întrebări:

poate fi modificat un obiect odată ce a fost creat?cum poate fi modificat obiectul?care sunt proprietățile care pot fi modificate?

O proprietate foarte importantă este locația obiectului în baza de date. 3)� Proprietățile obiectelor pot fi condiționate geografic. 4)� Relațiile dintre obiecte au proprietăți. 5)� Obiectele pot să aparțină claselor.

–––

Cristian Coldea

��

6)� Proprietățile pot fi moștenite. Relații topologice Dacă un set de date are topologie înseamnă că relațiile de vecinătate sau conectivitate sunt stocate explicit în baza de date. Aceste tipuri de relații sunt necesare pentru interogări spațiale.

�.�. Geocodificarea și georeferențierea Geocodificarea este cunoscută și sub numele de adress matching și constă în procesul de alocare a unui set de date prin coordonate (x, y)�, unei descrieri, pentru o anumită locație. Aceste puncte descrise prin coordonate pot fi reprezentate ușor pe hartă. Utilitatea geocodificări apare din următorul considerent: în vreme ce mintea umană înțelege însemnătatea unor date geografice (strada și numărul, numele orașelor, codul poștal etc.)�, calculatorul nu vede nimic în acestea. Primul pas când se efectuează o geocodificare corectă este de a se lucra în harta care trebuie. Astfel, stratul pe care se lucrează trebuie să conțină detaliile specifice ale punctului care se dorește a fi geocodificat și apoi să se localizeze prin coordonate. Principalul instrument folosit la geocodificare este adress locator. Odată creat, acesta conține proprietăți geocodificate și parametri, care sunt setați din căsuța de dialog Adress Locator Properties, o sinteză a atributelor adresei din setul de date de referin-ță și interogarea necesară unei căutări geocodificate. Adress locator se referă de asemenea și la un set de fișiere care guvernează motorul de căutare de geocodificare - cum se standardizează o adresă și cum se face corelarea ei cu locația din setul de date de referință. Acest set de fișiere se numește geocoding rule base. Fiecare locator de adresă este creat pe baza unui stil specific al locatorului.


��

Mecanismul unui adress locator Când se caută o adresă aceasta este descompusă în mai multe elemente (numele străzii, numărul etc.)� de către unul dintre fișierele rule base; aceste elemente se numesc elementele adresei și sunt standardizate pentru a avea aceleași proprietăți și a putea fi ușor recunoscute. În continuare locatorul de adresă expediază aceste elemente ale adresei către un instrument specializat numit match key. Astfel, fiecare element va fi verificat și va primi un punctaj. Apoi este generat un punctaj global pentru întreaga adresă, reflectând astfel cât de bine se potrivește. În final locatorul de adresă care prezintă cel mai mare punctaj este ales ca fiind cea mai bună adresă. Georeferențierea Acestă operație constă în alocarea de coordonate unei locații spațiale. Formatul cel mai utilizat pentru georeferențiere este raste-rul - o hartă scanată în format grafic (.jpeg, .tif etc.)� ori o succesiune de fotografii aeriene sau imagine satelitare. Hărțile scanate nu conțin informații despre referințele spațiale. În cazul imaginilor aeriene și satelitare pot să apară inadvertențe sau incoerențe cu privire la informațiile spațiale, rezultând astfel o aliniere eronată (sau chiar deloc)� cu alte date cu care se dorește interacțiunea. Alinierea rasterului la un anumit sistem geografic este chiar operația de georeferențiere. Georeferențierea unui raster dataset implică următorii pași:

adăugarea sau introducerea la sau în mediul de lucru a rasterului;

plasarea punctelor de control care vor crea o legătură între pozițiile cunoscute din raster și pozițiile cunoscute din siste-mul geografic;

–

–

Cristian Coldea

��

salvarea informației referitoare la georeferențiere când se atinge alinierea satisfăcătoare;

opțional, transformarea permanentă a raster dataset-ului. Cu ajutorul punctelor de control se stabilește o corespondență între locațiile din raster cu cele din sistemul de coordonate (target data)�. Punctele de control se plasează în locații care sunt precis identificate sau identificabile, cum ar fi:

intersecția de drumuri sau cursuri de apă,gura unui râu sau curs de apă,colțul unei suprafețe cunoscute,colțurile străzilor,intersecțiile care definesc caroiaje.

Corespondența dintre punctele de control constă în construirea unei transformări polinomiale ori de alt tip. Asocierea dintre punctul din raster și cel din sistemul de coordonate apare simbolizată printr-o linie albastră, care le leagă. Numărul de legături sau asocieri depinde de complexitatea transformării dintre punctele pe raster și cele din sistemul de coordonate. Se menționează că plasarea unui număr mai mare de puncte de control nu va conduce în mod automat la o georeferen-țiere mai precisă. O recomandare generală este de a împrăștia punctele de control cât mai mult și mai uniform pe suprafața rasterului. Un bun procedeu este de a plasa punctele de control în cele patru colțuri ale trapezului raster. Pentru a reduce cât mai mult erorile se va căuta georeferențierea pe date avâd cea mai mare rezoluție și la scara cea mai mare, care corespunde cerințelor problemei. După crearea unui număr suficient de legături, raster dataset-ul se poate transforma permanent pentru a se potrivi peste

–

–

–––––


��

valorile din sistemul de coordonate. Transformările construite la georeferențiere pot fi de mai multe feluri: polinomiale, spline etc. Transformarea polinomială folosește coordonatele și locațiile punctelor de control împreună cu un algoritm de regresie bazat pe metoda celor mai mici pătrate. Acest tip de transformare va avea precizie globală, dar precizia locală va fi slabă. Numărul punctelor de control necesare este de 3 pentru transformarea de gradul I, 6 pentru ce de gradul II și 10 pentru cea de gradul III. Pentru georeferențierea unei imagini se folosește cel mai des transforma-rea de gradul I (afină)�. Cu cât transformarea are gradul mai mare, cu atât poate să corecteze distorsiuni mai complexe. Transformarea spline trebuie asemănată cu o suprafață elastică, fiind potrivită pentru o bună precizie locală, dar o slabă precizie globală. Acest tip de transformare va stabili o coresponden-ță exactă între punctele de control sursă și cele țintă. Pixelii care se găsesc în afara acestor puncte de control nu sunt garantat exacți. Adăugarea de puncte de control duce la creșterea preciziei, fiind necesare minim 3 puncte de control. Transformarea de ajustare optimizează atât pentru precizie globală, cât și pentru cea locală. Necesită minim 3 puncte de control și se bazează pe o combinație dintre o transformare polinomială și tehnici de interpolare specifice tehnologiei TIN. Eroarea medie pătratică (RMS)� Aceasta reprezintă diferența dintre locația punctului și locația efectivă, care a fost specificată. Dacă eroarea obținută prin însemnarea tuturor abaterilor medii pătratice (a fiecărui punct)� este prea mare, soluția constă în ștergerea și adăugarea de puncte de control. Faptul că există o eroare RMS mică nu implică neapărat și o georeferențiere exactă. Transformarea poate să fie efectuată

Cristian Coldea

�0

asupra unuia sau mai multor puncte de control prost introduse. Soluția constă în folosirea de puncte de control de aceeași calitate (răspândire + echidistanță)�. Transformarea spline și cea de ajustare dau, de regulă, o eroare medie pătratică aproape nulă.


�1

�. SISTEMUL DE POZIȚIONARE GLOBALĂ GPS

Sistemul de poziționare globală GPS (Global Positioning System)� constă într-o tehnologie de largă răspândire

utilizată, în primul rând, pentru obținerea de date spațiale, care urmează a fi introduse într-un GIS. Acest sistem își are originea la începutul anilor ‘40 ai secolului trecut, când precursorul acestuia a fost dezvoltat în scopuri militare. La acea vreme sistemul se baza pe relee radio poziționate la sol, lucrând cu unde de frecvență joasă. Variantele în care a fost dezvol-tat sistemul au fost LORAN și DECCA NAVIGATOR, fiind utilizat frecvent pe durata celui de-al Doilea Război Mondial și ulterior. Primul sistem de poziționare și navigare funcțional, care se baza pe sateliți - numit TRANSIT, a fost dezvoltat tot în scopuri militare și testat cu succes în 1960. Între timp sistemul s-a dezvoltat continuu sub presiunea factorilor militari, economici, politici sau sociali. Actualul sistem GPS a fost creat de Statele Unite ale Americii și constă într-o constelație de 31 de sateliți (octombrie 2015)�, poziționați deasupra Pământului, care orbitează planeta noastră la fiecare 12 ore. Cu acest număr de sateliți, în condițiile arătate, există aproape întotdeauna suficienți sateliți în raza de acțiune a receptorului care determină poziția. Semnalul transmis de sateliți conține informații despre momentul exact când acesta a fost transmis, iar această informație spune receptorului care satelit este în raza de acțiune. Comparând timpul de recepționare a semnalului cu ceasul intern receptorul poate calcula distanța până la satelit. Serviciile de bază ale acestor sateliți sunt disponibile gratuit în întreaga lume, fiind estimate costuri anuale de întreținere de

Cristian Coldea

�2

aproximativ 750 milioane dolari, suporate de guvernul Statelor Unite. La nivel mondial, pe lângă sistemul american, mai există și alte sisteme similare: sistemul GLONASS (Federația Rusă)�, GALILEO (Uniunea Europeană)�, BEIDOU (China, limitat la zona Asia-Pacific)�, COMPASS (China, la nivel global)�, IRNSS (India)� și QZSS (Japonia, pentru zona Asia-Oceania)�. Pe scurt, modul de funcționare al sistemului de poziționare globală este următorul: presupunând că un satelit se găsește la o distanță de 17.000 km față de receptorul aflat pe Pământ, la emiterea unui semnal și recepționarea acestuia de către receptor, precum și măsurarea timpului în care semnalul parcurge distanța se va știi că, față de satelit, receptorul se va găsi pe suprafața unei sfere cu raza de 17.000 km (Fig. 5.1)�. Distanța măsurată în același mod față de un al doilea satelit va fi, să presupunem, 18.000 km. Acum receptorul se va găsi într-un cerc rezultat ca intersecție a două sfere. La folosirea unui al treilea satelit cercul de intersecție se va intersecta, la rândul lui, cu o sferă. Această intesecție va da două posibile locații ale receptorului: una reală, pe suprafața terestră, iar alta falsă, undeva în spațiu. Din această cauză și din cauză că nu există ceasuri absolut exacte pe sateliți și pe receptor este nevoie de un al patrulea satelit. În acest fel se elimină ambiguitatea și se corectează diferențele de ceas. Stabilirea exactă a poziției va rezulta în urma unui proces de triangulație. Fiecare satelit emite un semnal unic, care poartă “semnătura“ acestuia. Această “semnătură” este identificată de receptor și se face sincronizarea cu satelitul, operațiune urmată de cea de măsurarea a întârzierii semnalului.


��

Fig. �.1. Principiul de lucru al poziționării globale.

Cristian Coldea

��

Deoarece timpul de parcurgere a distanței de la sateliții de poziționare globală la Pământ (11.000 mile marine)� este de 0,05 - 0,07 secunde, sunt necesare ceasuri de mare precizie, singurele care oferă satisfacție fiind oscilatoarele atomice. Deoarece financiar și fizic nu se poate monta un ceas atomic pe fiecare receptor, se procedează la o corecție matematică la receptor. În cazul ideal al sincronizării perfecte a ceasurilor, cele patru sfere s-ar intersecta într-un singur punct. Din cauza erorii ceasurilor intersecția este pe o suprafață tridimensională, iar receptorul face corecții asupra propriului ceas până când toate punctele coincid într-o singură poziție; aceasta este poziția arătată utilizatorului. Se face mențiunea că pozițiile se stabilesc pe elipsoidul WGS 84. Departamentul Apărării Statelor Unite, care controlează sistemul de sateliți, poate degrada semnalul astfel încât doar receptoarele militare pot stabili cu exactitate poziția. Această funcție se numește disponibilitate selectivă, iar când este activată semnalul se degradează. Începând cu luna mai a anului 2000 funcția este permanent dezactivată, astfel că nu mai există diferențe de precizie între receptoarele militare și cele civile. Un alt factor extrem de important este poziția precisă a sateliților. Pentru sistemele de navigație folosite pe automobile sau de către pietoni acest factor prezintă o mică importanță, însă pentru receptoarele folosite la observări și cartări este foarte important. Departamentul Apărării Statelor Unite monitorizează permanent prin radar fiecare satelit, înregistrând cu precizie poziția, altitudinea și viteza acestuia. Semnalul emis de satelit conține și această informație. Eroarea rezultată din inexactitatea poziției sateliților se regăsește în imprecizia generală de poziționare și poartă numele de eroare de efemeride.


��

Sursele tuturor erorilor de poziționare globală se pot clasifi-ca în mai multe categorii:

erori datorate ionosferei - determină abateri ale poziției de ±5 m;

erori datorate efemeridelor satelitare - atrag abateri de ±2,5 m;

erori datorate ceasurilor - abateri de ±2 m;erori datorate distorsiunilor semnalului - abateri de ±1 m;erori datorate efectului troposferei - abateri de ±0,5 m;erori numerice - abateri de ±0,5 m.

Deoarece semnalul de la satelit la receptor traversează mul-te medii, fiind influențat de mai mulți factori (de ex., temperatura sau umiditatea atmosferei)� apar erori și din această cauză. Dacă se cunosc caracteristicile precise ale fiecărui mediu traversat de semnal se pot calcula exact aceste erori. În timp real este practic imposibil a se cunoaște caracteristicile mediului traversat de semnal. Acest nea-juns se înlătură prin urmărirea a două semnale diferite de la același satelit și calcularea vitezei relative. Din acest motiv receptoarele folosite la măsurători de precizie trebuie să fie dual band în frecvență; în acest fel aceeași informație este extrasă de două ori din semnale de frecvențe diferite. Un astfel de receptor măsoară cele două semnale, compară momentele exacte când acestea au plecat de la satelit și calculează factori de corecție. După aplicarea acestor factori rezultă o poziție mult îmbunătățită. Stațiile terestre sunt locații permanente, numite și segment de control, care comunică permanent cu sateliții. Aceste stații transmit semnale sateliților pentru a verifica poziția exactă a acesto-ra în spațiu și pentru a se asigura că funcționează corect. Semnalul astfel transmis este folosit pentru ajustarea poziției și a semnalului

–

–

––––

Cristian Coldea

��

transmis de sateliți către receptoarele terestre. În lume există cinci asemenea stații terestre (pentru sistemul GPS)�: Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia, atolul Kwajalein și Colorado Springs. Un alt tip de stație staționară se numește bază. Acestea sunt locații înzestrate cu receptoare sofisticate, de mare precizie, care mediază și inregistrează permanent poziția lor pe baza semnalului satelitar. Din cauza erorilor menționate mai devreme poziția rezultată prin utilizarea poziționării globale va fi inexactă. Dacă se ține seama de faptul că pozițiile bazelor sunt cunoscute foarte precis cu ajutorul mijloacelor clasice de cartare și observare, devine posibilă determinarea precisă a abaterilor concomitent cu folosirea la măsurători a unui receptor uzual. Rețeaua mondială de baze este bine răspândită și în creștere continuă. Atât baza cât și receptorul pentru măsurători comunică cu satelitul în același timp, iar procesul se numește GPS diferențial (DGPS)�. Acest proces poate avea loc în timp real, fiind condiționat de existența unei legături radio FM între receptor și bază sau după efectuarea măsurătorilor, când informa-țiile sunt prelucrate cu ajutorul aplicațiilor dedicate; acest ultim caz se numește DGPS post-proces. Multe agenții guvernamentale au construit baze de acest fel, care transmit constant un flux de date privitoare la poziția lor exactă; aceste date sunt stocate pe servere conectate la World Wide Web. Folosind DGPS și prelucrarea post-proces precizia crește până la sub 1 m în cazul măsurătorilor în mișcare, unde sunt înregistrate câteva puncte în fiecare poziție. Dacă se folosește DGPS în timp real în conjuncție cu dual band în frecvență și se stă suficient timp pentru fiecare poziție măsurată precizia crește la sub 1 cm. GPS cinematic în timp real (RTK-GPS)� este un tip avansat de GPS, care constă dintr-o bază staționară și un receptor RTK (Real


��

Time Kinematic)� mobil. Diferența dintre o unitate RTK mobilă și GPS diferențial este că unitatea RTK furnizează un semnal radio către stație astfel încât stația își poate corecta poziția mai repede și mai precis. Acest tip de receptoare sunt mult mai scumpe, însă din cauza eficienței sporite sunt larg utilizate la măsurători pentru sisteme geografice informaționale, mai cu seamă când trebuie colectat un număr mare de puncte. Precizia măsurătorilor este ridicată, sub 1 m în timp real. În mod uzual unitățile RTK mobile se folosesc la infrastructură (de ex., rețeaua de apă și canalizare cu bazine colectoare, guri de canal, conducte etc.)�. Cu un singur receptor GPS, fără procesare diferențială, precizia medie este de 3-5 m. Procesarea diferențială permite o precizie de 2-5 m, iar precizia de sub 1 m implică folosirea RTK-GPS, echipament sofisticat și prelucrare post-proces.

Date post:	26-Jan-2016
Category:	Documents
Upload:	anonymous-z7wo67kj
View:	111 times
Download:	5 times

Gis Gps Document

Documents