Εισαγωγή χωρικών δεδομένων σε ένα ΓΣΠ

Transcript

1 Εισαγωγή χωρικών δεδομένων σε ένα ΓΣΠ Η εισαγωγή χωρικών ψηφιακών δεδομένων σε ένα ΓΣΠ είναι μια απολύτως απαραίτητη εργασία για τον σχηματισμό του ψηφιακού υποβάθρου πάνω στο οποίο θα στηθεί και θα λειτουργήσει το ΓΣΠ. Οι κυριότεροι τέτοιοι τρόποι εισαγωγής ψηφιακών στοιχείων είναι: Η μεταφορά χωρικών δεδομένων από άλλα ΓΣΠ με αρχεία δεδομένου κοινού format Η εκτέλεση επίγειων τοπογραφικών εργασιών. Η χρησιμοποίηση του δορυφορικού συστήματος εντοπισμού θέσης GPS. Φωτογραμμετρικές και τηλεπισκοπικές μέθοδοι. Η ψηφιοποίηση υπαρχόντων χαρτών. 1

2 Η εκτέλεση επίγειων τοπογραφικών εργασιών Η εκτέλεση επίγειων τοπογραφικών εργασιών (αποτυπώσεις) αποτελεί μια από τις ακριβέστερες μεθόδους μέτρησης και υπολογισμού συντεταγμένων σημείων, με ακρίβεια που φθάνει το 1 cm, τόσο οριζοντιογραφικά, όσο και υψομετρικά. Μειονεκτήματα των επίγειων τοπογραφικών εργασιών: Υψηλό κόστος ειδικά σε εφαρμογές ΓΣΠ, όπου απαιτείται συνήθως η αποτύπωση πολύ μεγάλων σε έκταση περιοχών Χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση των εργασιών είναι σχετικά μεγάλος. 2

3 Γεωδαιτικοί Σταθμοί (Total Stations) Οι κλασσικές τοπογραφικές εργασίες περιλαμβάνουν πύκνωση του τριγωνομετρικού δικτύου στην περιοχή που αποτυπώνεται, εγκατάσταση πολυγωνομετρικού και χωροσταθμικού δικτύου και αποτύπωση με τη βοήθεια γεωδαιτικών σταθμών. Οι γεωδαιτικοί σταθμοί (Total Station) είναι όργανα ηλεκτρονικής μέτρησης γωνιών και μηκών, διαθέτουν δε τη δυνατότητα της αποθήκευσης των μετρήσεων σε συστήματα καταγραφής ή σε κυκλώματα μνήμης. Στο γραφείο, τα όργανα αυτά συνδέονται με τον Η/Υ και τα δεδομένα των μετρήσεων μεταφέρονται σε αυτόν, για να γίνει στη συνέχεια ο υπολογισμός των συντεταγμένων των σημείων που μετρήθηκαν. Με κατάλληλα προγράμματα CAD γίνεται στη συνέχεια η σχεδίαση του ηλεκτρονικού χάρτη, ο οποίος με τη σειρά του μπορεί να εισαχθεί σε ένα ΓΣΠ. 3

4 Ρομποτικά Συστήματα Μέτρησης Τα ρομποτικά συστήματα μέτρησης είναι γεωδαιτικοί σταθμοί που δε χρειάζονται παρατηρητή, αλλά μπορούν να ελέγχονται από το στοχοφόρο, τον ανακλαστήρα του οποίου παρακολουθούν με τη βοήθεια κατάλληλων συστημάτων σερβοκίνησης. Η διαδικασία σκόπευσης του κέντρου του ανακλαστήρα γίνεται αυτόματα με ακρίβεια (αναγνώριση στόχου). Το αποτέλεσμα είναι η επιτάχυνση των εργασιών και η χρησιμοποίηση συνεργείου μετρήσεων με λιγότερα μέλη, δηλαδή επιτυγχάνεται οικονομία σε χρόνο και χρήμα, χωρίς υποβάθμιση της ακριβείας των αποτελεσμάτων 4

5 Η χρησιμοποίηση του δορυφορικού συστήματος εντοπισμού θέσης GPS To Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού θέσης (Global Positioning System, GPS) είναι ένα δορυφορικό σύστημα εντοπισμού θέσης, ταχύτητας και διανομής χρόνου. Ο βασικός προορισμός του συστήματος αυτού από το 1978, οπότε έγινε η εκτόξευση του πρώτου δορυφόρου, είναι ο έλεγχος της κίνησης πλοίων, οχημάτων και αεροπλάνων σε παγκόσμια κλίμακα και αρχικά για στρατιωτικούς σκοπούς. Το σύστημα αυτό χρησιμοποιεί ραδιοσήματα από δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γη. 5

6 To Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού θέσης GPS Το GPS αποτελείται από τρία τμήματα: το δορυφορικό τμήμα, το τμήμα ελέγχου και το τμήμα χρήσης. Το δορυφορικό τμήμα αποτελείται από 24 δορυφόρους (21 σε κανονική λειτουργία και 3 εφεδρικούς, αλλά σε λειτουργία) που κατανέμονται σε έξι τροχιακά επίπεδα κλίσης 55 σε ύψος Km πάνω από την επιφάνεια της Γης 6

7 To Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού θέσης GPS Κάθε δορυφόρος εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά σήματα στη συχνότητα L ΜΗz (μήκος κύματος περίπου 19 cm) και στη συχνότητα L MHz (μήκος κύματος περίπου 24 cm). Η συχνότητα L1 φέρει τον κώδικα C/A (Coarse Acquisition Code, C/A code). H συχνότητα L2 φέρει τον ακριβή κώδικα P (Precise code) o οποίος χρησιμοποιείται για τη διόρθωση της καθυστέρησης των σημάτων κατά τη μετάδοσή τους μέσα στην ιονόσφαιρα. Υπάρχει και ο κώδικας D (Data code) που περιέχει τα απαραίτητα στοιχεία για τη γνώση της τροχιάς των δορυφόρων κάθε χρονική στιγμή. 7

8 To Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού θέσης GPS Το τμήμα χρήσης αποτελείται από τους δέκτες GPS. Οι δέκτες μπορούν να παρακολουθούν όλους τους ορατούς κάθε στιγμή δορυφόρους (all in view) και να υπολογίζουν έτσι θέση και ταχύτητα με μεγαλύτερη ακρίβεια. Υπάρχουν δέκτες που λαμβάνουν μόνο τη συχνότητα L1 και τον C/A κώδικα και δέκτες που λαμβάνουν και τις δύο συχνότητες L1 και L2 και τους δύο κώδικες C/A και P. Με την ταυτόχρονη μέτρηση τεσσάρων ψευδοαποστάσεων προς τέσσερεις δορυφόρους μπορούμε για κάθε δεδομένη στιγμή να υπολογίζουμε τη θέση του δέκτη, ως προς το σύστημα αναφοράς του GPS, που είναι το γεωκεντρικό, γεωσταθερό σύστημα αναφοράς WGS 84. 8

9 To Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού θέσης GPS Οι μετρήσεις με το σύστημα GPS υπόκεινται σε διάφορα σφάλματα που οφείλονται στη διάδοση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μέσα από την Ιονόσφαιρα και την Τροπόσφαιρα, καθώς και σε σφάλματα των χρονομέτρων των δορυφόρων και των δεκτών. Το Υπουργείο Άμυνας των Η.Π.Α. έχει την ευχέρεια εισαγωγής ενός τεχνητού σφάλματος στα χρονόμετρα που επηρεάζει όσους (πολιτικούς) δέκτες δεν έχουν δυνατότητα διόρθωσης (Selective Availability, SA). Επίσης μπορεί να προχωρήσεις σε κρυπτογράφηση του Ρ κώδικα. Για γεωδαιτική χρήση χρησιμοποιούμε πάντοτε δύο δέκτες και αυτός ο σχετικός προσδιορισμός θέσης μπορεί να δώσει ακρίβεια της τάξης του 1 cm. Ακρίβεια ενός δέκτη m Ακρίβεια ενός δέκτη 15 m 9

10 To Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού θέσης GPS Το GPS χρησιμοποιείται συνεχώς και περισσότερο στη γεωδαιτική πρακτική: Ίδρυση και πύκνωση τριγωνομετρικών δικτύων Πολυγωνομετρία με την ίδρυση οδεύσεων Αποτύπωση κυρίως υπαίθριων περιοχών Η αυτονομία που παρέχει το GPS το καθιστά πολύ χρήσιμο και για τη δημιουργία ψηφιακών υποβάθρων για εφαρμογές ΓΣΠ ή τη συμπλήρωση υπαρχόντων χαρτογραφικών στοιχείων με γρήγορο (ακόμη και σε πραγματικό χρόνο) και ακριβή τρόπο (για τα συνήθη επίπεδα ακριβείας ενός ΓΣΠ) 10

11 To Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού θέσης GPS Μέθοδοι μέτρησης Στατική μέθοδος Ψευτοκινηματική μέθοδος Γρήγορη στατική (rapid static) Μέθοδος stop and go Κινηματική μέθοδος 11

12 Φωτογραμμετρικές και τηλεπισκοπικές μέθοδοι H Φωτογραμμετρία χρησιμοποιείται εντατικά από τα μέσα του 20ού αιώνα μέχρι σήμερα για την παραγωγή χαρτών με τη βοήθεια αεροφωτογραφιών Αναλογική - ο υπολογισμός των συντεταγμένων και των χαρτογραφικών στοιχείων με μηχανικό τρόπο σε ειδικά όργανα. Αναλυτική - η παρατήρηση των αεροφωτογραφιών με ειδικά μηχανήματα, αλλά οι συντεταγμένες με τη βοήθεια κατάλληλου λογισμικού Η/Υ. Ψηφιακή Φωτογραμμετρία - ειδικές τεχνικές επεξεργασίας εικόνας σε ηλεκτρονικό υπολογιστή, όπου γίνεται η παρατήρηση των ψηφιοποιημένων φωτογραφιών και όλοι οι σχετικοί υπολογισμοί. 12

13 Φωτογραμμετρικές μέθοδοι Στην ψηφιακή Φωτογραμμετρία ο υπολογισμός σημείων γίνεται με αυτοματοποιημένες διαδικασίες και η παραγωγή μπορεί να φθάσει τις πολλές χιλιάδες σημείων μέσα σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Το πρώτο προϊόν αυτής της επεξεργασίας είναι η αφαίρεση των παραμορφώσεων της Γης από τη φωτογραφία και η δημιουργία του ορθοφωτοχάρτη, ο οποίος μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί ως υπόβαθρο για το ΓΣΠ ή για ενημέρωση και διόρθωση κάποιου υπάρχοντος παλαιότερου υποβάθρου. 13

14 Τηλεπισκοπικές μέθοδοι Η Τηλεπισκόπηση μπορεί επίσης να παρέχει ψηφιακά χωρικά δεδομένα σε ένα ΓΣΠ και μάλιστα σε μορφή γραφικών raster. Τα περισσότερα τηλεπισκοπικά δεδομένα λαμβάνονται από δορυφόρους οι οποίοι πετούν γύρω από τη Γη (Landsat, Spot κ.λπ.). Ειδικοί σαρωτές σαρώνουν την επιφάνεια της Γης με ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες διαφόρων μηκών κύματος. Επιτυγχάνεται πολύ καλή ποιότητα εικόνας, αλλά και η απόκτηση πολλαπλών πληροφοριών, όπως π.χ. είδη καλλιεργειών, υγρασία του εδάφους, ανάγλυφο του εδάφους κ.λπ. 14

15 Φωτογραμμετρικές και τηλεπισκοπικές μέθοδοι Η γεωμετρική ακρίβεια των φωτογραμμετρικών μεθόδων είναι πολύ καλή και υπό ορισμένες προϋποθέσεις μπορεί να συγκριθεί και με την ακρίβεια των επίγειων μεθόδων. Η ακρίβεια των τηλεπισκοπικών μεθόδων είναι της τάξης των λίγων m με προοπτική τη διάθεση ψηφιακών δορυφορικών εικόνων ανάλυσης 1 m. Με τις βελτιώσεις ακριβείας οι φωτογραμμετρικές και τηλεπισκοπικές μέθοδοι αποτελούν κύριες πηγές δημιουργίας ψηφιακών χωρικών δεδομένων στα ΓΣΠ. 15

16 Η ψηφιοποίηση υπαρχόντων χαρτών Μια πολύ συνηθισμένη πηγή για τη λήψη χωρικών δεδομένων είναι παλαιότεροι χάρτες στη συμβατική τους μορφή που απεικονίζουν την περιοχή του ΓΣΠ. Οι χάρτες αυτοί υπάρχουν από διάφορες πηγές, σε διάφορες κλίμακες και απεικονίζουν χωρικές λεπτομέρειες με μεγαλύτερη ή μικρότερη λεπτομέρεια. Η διαδικασία μετατροπής των χάρτινων χαρτών σε ψηφιακή μορφή μπορεί να γίνει είτε με ψηφιοποίηση σημείου προς σημείο (digitizing), είτε με σάρωση (scanning). 16

17 Ψηφιοποίηση σημείου προς σημείο (digitizing) Η ψηφιοποίηση σημείου προς σημείο γίνεται με τη βοήθεια μιας ειδικής περιφερειακής συσκευής, του ψηφιοποιητή (digitizer). Η εργασία είναι επίπονη και χρονοβόρα, απαιτεί δε τη μεγάλη προσοχή του χειριστή, ώστε η ακρίβεια να διατηρηθεί σε υψηλό βαθμό. Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία αρχείων σημείων ή / και των γραφικών αντικειμένων σε διανυσματική μορφή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα ΓΣΠ, μετά από τη διενέργεια των απαραίτητων ελέγχων και διορθώσεων. Η ακρίβεια της εργασίας και του τελικού προϊόντος, εξαρτάται κυρίως από την ποιότητα και την ακρίβεια του πρωτότυπου χάρτινου χάρτη και την ανάλυση και την ακρίβεια του ψηφιοποιητή. 17

18 Ψηφιοποίηση σημείου προς σημείο (digitizing) Όσο προσεκτικά και να γίνεται η ψηφιοποίηση, πολλές φορές γίνονται σφάλματα στην εισαγωγή των γραφικών αντικειμένων. Με την ολοκλήρωση της ψηφιοποίησης ενός χάρτη πρέπει να γίνεται έλεγχος για την πληρότητα και την ακρίβεια της ψηφιοποίησης. Ένας απλός και αποτελεσματικός τρόπος ελέγχου περιλαμβάνει τη σχεδίαση του ψηφιοποιημένου χάρτη σε διαφανές υλικό και την επίθεσή του πάνω στον ιδίας κλίμακας πρωτότυπο χάρτη. Αυτή η άμεση σύγκριση δίνει αμέσως πληροφορίες για παραλείψεις και σφάλματα. 18

19 Ψηφιοποίηση σημείου προς σημείο (digitizing) Η ψηφιοποίηση σημείου προς σημείο είναι δυνατό να γίνει και χωρίς τη χρήση ψηφιοποιητή. Στην περίπτωση αυτή παράγεται ένα ψηφιακό αντίγραφο του χάρτη σε μορφή raster με τη βοήθεια σαρωτή. Το αντίγραφο εισάγεται σε πρόγραμμα CAD ή ΓΣΠ στο οποίο εμφανίζεται στην οθόνη ως υπόβαθρο, χωρίς καμμιά επεξεργασία. Ο χειριστής του συστήματος στη συνέχεια σχεδιάζει τα διανυσματικά γραφικά στο σύνολο ή σε τμήματα του raster σχεδίου, αντιγράφοντας, κατά κάποιο τρόπο, το υποκείμενο είδωλο. Η εργασία αυτή είναι πολύ αποτελεσματική και παρέχει γρήγορα και άμεσα ελεγχόμενα αποτελέσματα. 19

20 Ψηφιοποίηση με σάρωση (scanning) Η ψηφιοποίηση με σάρωση γίνεται με τη βοήθεια μιας ειδικής περιφερειακής συσκευής, του σαρωτή (scanner). O χειριστής τοποθετεί τον πρωτότυπο χάρτη στη συσκευή η οποία τον μετατρέπει σε είδωλο εικόνας. Οι σαρωτές μπορεί να είναι επίπεδοι, με τύμπανο ή με κάμερα CCD. Η χρησιμοποίηση απλών χειροκίνητων σαρωτών γενικώς αποφεύγεται λόγω ελλείψεως ακριβείας 20

21 Ψηφιοποίηση με σάρωση (scanning) Σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ακρίβεια του τελικού προϊόντος είναι η οφέλιμη επιφάνεια εργασίας του σαρωτή και η ανάλυση ψηφιοποίησης: Εάν η επιφάνεια εργασίας είναι μικρή, τότε ο χάρτης θα ψηφιοποιηθεί σε μικρά τμήματα που θα πρέπει στη συνέχεια να συνδεθούν μεταξύ τους. Κατά την ψηφιοπoίηση με τον σαρωτή τα περιεχόμενα του χάρτινου χάρτη μετατρέπονται σε ένα ψηφιδωτό αποτελούμενο από εικονοστοιχεία (pixels). Όσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση του σαρωτή (dots per inch, DPI), τόσο το είδωλο θα προσομοιάζει με την εικόνα του πρωτότυπου χάρτη, αλλά το μέγεθος των αρχείων που δημιουργούνται γίνεται εξαιρετικά μεγάλο. Στην αντίθετη περίπτωση της χαμηλής ανάλυσης, πολλές λεπτομέρειες του χάρτη δεν περιέχονται στην ψηφιοποίηση. Για να έχουμε ικανοποιητική εμφάνιση του ψηφιοποιημένου χάρτη, η ανάλυση του σαρωτή θα πρέπει να είναι τουλάχιστον DPI. 21

22 Ψηφιοποίηση με σάρωση (scanning) Ένα βασικό πλεονέκτημα της χρήσης αυτής της τεχνικής ψηφιοποίησης είναι το γεγονός ότι ο χρήστης βλέπει και στη συνέχεια χρησιμοποιεί ένα ψηφιακό προϊόν που έχει την εμφάνιση του χάρτινου χάρτη με τα κείμενα, τα σύμβολα και όλες τις άλλες λεπτομέρειες. Επίσης, το κόστος της διαδικασίας σαρώματος είναι σχετικά χαμηλό. Τα γραφικά raster παρέχουν μια ενιαία επιφάνεια ψηφίδων, χωρίς άμεσες δυνατότητες χωρικής επεξεργασίας. Ο ορισμός περιοχών με ομοειδή χαρακτηριστικά απαιτεί ειδικές τεχνικές και χρόνο και δεν είναι δυνατή η απομόνωση συγκεκριμένων γραφικών αντικειμένων. 22

23 Ψηφιοποίηση με σάρωση (scanning) Μετατροπή από raster σε vector Κατά την εργασία αυτή, περιοχές της επιφάνειας του raster ψηφιακού χάρτη μετατρέπονται σε σημεία, γραμμές και πολύγωνα ως χωριστά γραφικά αντικείμενα μορφής vector. Η μετατροπή αυτή βασίζεται στις εναλλαγές χρώματος ή έντασης στα pixel του ψηφιδωτού χάρτη. Το προκύπτον σχέδιο είναι διανυσματικής μορφής και είναι ανάλογο του ψηφιακού σχεδίου που θα προέκυπτε, εάν γινόταν ψηφιοποίηση σημείου προς σημείο με τη βοήθεια ψηφιοποιητή. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η εργασία αυτή, αν και αυτοματοποιημένη, δεν είναι απόλυτα ακριβής. Στην πραγματικότητα η μετατροπή μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά σφάλματα καθορισμού των γραφικών αντικειμένων, γεγονός που απαιτεί τον επισταμένο έλεγχο και διορθώσεις. 23