Rozdział 3

GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
wysokość
o d1
o
punkt
początkowy
d2
N
E
Rys. 3.1. Układ współrzędnych prostokątnych 3D dla powierzchni Ziemi.
Obrazem odcinka d1 w rzucie prostokątnym jest odcinek d2. Z powodu
nachylenia terenu długość odcinka nie została zachowana.
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
powierzchnia Ziemi
geoida
(pow. poziomu morza)
elipsoida
Rys. 3.2 Wzajemne położenie powierzchni Ziemi i jej dwóch modeli: elipsoidy i geoidy.
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
oś obrotu
punkt
N
a
b
λ
południk
zerowy
a
b
f=(a-b)/a
e=[(a2-b2)½]/a
e=2f-f2
a - półoś wielka około 6378 km
b - półoś mała około 6357 km
f - spłaszczenie około 1/298.3
e - mimośród
około 0.0067
oś obrotu
h
południk
zerowy
λ
φ
c
Rys. 3.3 Geograficzny układ współrzędnych na elipsoidzie – modelu Ziemi: a – długość geograficzna λ;
b – parametry opisujące elipsoidę; c – szerokość geograficzna φ.
GIS w badaniach przyrodniczych
a
Jacek Urbański
b
Rys. 3.4 Odwzorowanie Merkatora: a – wynalezione przez Merkatora w XVI wieku; b – Transverse Merkator
(poprzeczne walcowe) zaproponowane przez Lamberta w XVIII.
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
UTM33, południk środkowy 15E
UTM34, południk środkowy 21E
Strefa 34N
Strefa 33N
180 km
177°W
153°W
129°W
105°W
81°W 63°W 45°W 27°W
linia wiernej skali
x = 500000,0 m
y = 0,0 m (dla N)
y = 10000000,0 m (dla S)
9°W
9°E
27°E
15°
18°
x = 500000,0 m
y = 5990679.5 m
21°
24°
Rys. 3.5 System współrzędnych UTM (Universal Transverse Merkator) – Uniwersalne Poprzeczne Merkatora.
Na mapie świata pokazano południki środkowe wszystkich stref oraz strefę 34. Mapa Polski została przedstawiona
w odwzorowaniu UTM34N.
GIS w badaniach przyrodniczych
40°W
30°W
10°W 0° 10°E 20°E 30°E
Jacek Urbański
40°E
80°W
60°S
50°S
130°E
UPS_North
Projection: Stereographic
False_Easting: 2000000.0
False_Northing: 2000000.0
Central_Meridian: 20.0
Scale_Factor: 0.994000
Latitude_Of_Origin: 90.0
80°N
60°S
100°W
UPS_South
Projection: Stereographic
False_Easting: 2000000.0
False_Northing: 2000000.0
Central_Meridian: 0.0
Scale_Factor: 0.994000
Latitude_Of_Origin: -90.0
150°W
160°W
170°W
180°
170°E
160°E
150°E
10°W
0°
10°E
20°E
30°E
Rys. 3.6 Odwzorowanie UPS (Universal Polar Stereographic) – Uniwersalne Biegunowe Stereograficzne.
Jest uzupełnieniem UTM dla obszarów polarnych.
GIS w badaniach przyrodniczych
a
ETRS_1989_LAEA
Lambert_Azimuthal_Equal_Area
False_Easting: 4321000.00
False_Northing: 3210000.00
Central_Meridian: 10.0 (a i b) 20.0 (c)
Latitude_Of_Origin: 52.00
Jacek Urbański
b
c
GCS_ETRS_1989
Rys. 3.7 Odwzorowanie LAEA (Lambert Azimuthal Equal Area): a – może być stosowane do tworzenia map
obszarów mniejszych od półkuli; b – podstawowa mapa Europy z południkiem środkowym 10ºE; c – zgodna z
zaleceniami EEA mapa do analiz środowiska przyrodniczego Bałtyku, LAEA z południkiem środkowym 20ºE.
GIS w badaniach przyrodniczych
a
Jacek Urbański
b
ETRS_1989_LCC
Lambert_Conformal_Conic
False_Easting: 4000000.0
False_Northing: 2800000.0
Central_Meridian: 10.0
Standard_Parallel_1: 35.0
Standard_Parallel_2: 65.0
Latitude_Of_Origin: 52.0
GCS_ETRS_1989
Rys. 3.8 Odwzorowanie LCC (Lambert Conformal Conic): a – podstawowa mapa Europy (ETRS_1989_LCC)
z południkiem środkowym 10ºE i standardowymi równoleżnikami 35º i 65ºN; b – zastosowanie odwzorowania do
oddania wiernego kształtu cieśnin łączących Bałtyk z Morzem Północnym.
GIS w badaniach przyrodniczych
471900.000000
472100.000000
731600.000000
472100.000000
731400.000000
731300.000000
x=465293.40 m
y=737885.21 m
471900.000000
731500.000000
471700.000000
500000,00 m
471700.000000
731200.000000
19°
Jacek Urbański
Rys. 3.9 Układ współrzędnych płaskich prostokątnych „1992”. Z prawej strony cyfrowa mapa topograficzna części
Sopotu wykonana w tym układzie współrzędnych
24°
6536600.000000
6536800.000000
6537000.000000
6536600.000000
6536800.000000
6537000.000000
6035100.000000
x=6528247.11 m
y=6048988.72 m
5500000,0 m
6500000,0 m 7500000,0 m 8500000,0 m
6035500.000000
21°
strefa 8
6035300.000000
18°
strefa 7
6035100.000000
15°
strefa 6
6035300.000000
strefa 5
Jacek Urbański
6035500.000000
GIS w badaniach przyrodniczych
Rys. 3.10 Układ współrzędnych płaskich prostokątnych „2000”. Z prawej strony cyfrowa mapa topograficzna
części Sopotu wykonana w tym układzie współrzędnych.
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
340000.000000
350000.000000
6010000.000000
6010000.000000
6020000.000000
350000.000000
6020000.000000
340000.000000
0
2.5
5
UTM-34N
10 km
Rys. 3.11 Wycinek cyfrowej mapy hydrograficznej Polski w skali 1:50000.
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
(1,1)
(2,2)
(2,3)
(3,3)
(3,4)
X
Y
1
1
2
2
2
3
3
4
2
3
3
3
4
3
(4,3)
Rys. 3.12 Rzeki (linia przerywana) są modelowane liniami, które generalizują ich przebieg. Współrzędne punktów
każdej linii są zapisywane oddzielnie.
GIS w badaniach przyrodniczych
a
Jacek Urbański
b
c
Rys. 3.13 Zdjęcie satelitarne (Landsat) (c) przedstawia modelowany obszar powierzchni Ziemi z nałożoną warstwą
rzek. Cyfrowy model tego obszaru, w zależności od potrzeb, może być modelem składającym się tylko z warstw
wektorowych (a - przedstawia wektorowe warstwy pokrycia terenu, rzek i jezior) albo mieszanym, składającym się
z warstw wektorowych i rastrowych (b - przedstawia rastrową mapę wysokości terenu i wektorowe mapy rzek
i jezior).
GIS w badaniach przyrodniczych
1
(x1,y1)
2
3
4
(x3,y3)
5
(x1,y1)
(x3,y3)
(x7,y7)
2
(x2,y2)
(x4,y4)
(x5,y5)
(x4,y4)
(x5,y5)
(x8,y8)
(x9,y9)
(x6,y6)
(x2,y2)
(x1,y1)
(x4,y4)
1
2
(x6,y6)
1
2
3
4
5
Numer
linii
(x2,y2)
1
Numer
punktu
(x5,y5)
(x3,y3)
1
2
Geometria
(x1, y1)
(x2, y2)
(x3, y3)
(x4, y4)
(x5, y5)
Geometria
(x1, y1),(x2,y2),
(x3, y3),(x4,y4),
(x5, y5)
(x3, y3),(x7,y7)
(x8, y8),(x9,y9)
Numer
Geometria
wieloboku
1
(x1, y1),(x2,y2),
(x3, y3),(x4,y4),
(x1,y1)
2
(x4, y4),(x3,y3),
(x5, y5),(x6,y6),
(x4,y4)
Rys. 3.14 Struktura wektorowego modelu danych.
Jacek Urbański
Id
atrybuty
1
121 0.21 piasek
3
303 1.2
2
4
5
122 0.1
muszle
14
muł
15
2.1
4.1
żwir
żwir
Id
atrybuty
Id
atrybuty
1 12 1.2 Białka
2 121 0.4 dopływ
1 11 1.1 łąka
2 22 3.0 zagajnik
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
a
b
c
d
e
f
Rys. 3.15 Modelowanie pól za pomocą modelu wektorowego: a – nieregularnie rozmieszczone punkty; b –
regularnie rozmieszczone punkty; c – poligony Thiessena; d – siatka wektorowa; e – przystające poligony; f –
izolinie.
GIS w badaniach przyrodniczych
(x0,y0)
y
0
kolumny
2
3
4
1
0
1
wiersze
3
77.8
6
x
rozdzielczość Δx
54.0
wartość
komórki
rastra
4
6
5
54.0
2
5
Jacek Urbański
57.6
komórka rastra
kanały
Rys. 3.16 Struktura rastrowego modelu danych.
GIS w badaniach przyrodniczych
a
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
Id
1
2
3
4
5
0
0
0
0
3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
5
0
0
2
0
0
0
0
0
atrybuty
0
0
0
0
0
4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
b
2
2
0
0
0
0
0
0
0
0
2
0
0
0
0
0
Id
1
2
0
0
0
2
2
0
0
0
0
0
0
0
2
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
atrybuty
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
Jacek Urbański
c
0
0
0
0
0
0
0
0
Id
1
2
3
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
2
0
0
0
0
0
0
0
2
0
0
0
0
0
0
0
2
0
0
3
3
3
0
0
0
0
0
3
3
3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
atrybuty
Rys. 3.17 Modelowanie obiektów za pomocą modelu rastrowego: a – punktów; b – linii; c – poligonów.
GIS w badaniach przyrodniczych
a
Jacek Urbański
b
Rys. 3.18 Dwie podstawowe formy struktury modelu sieciowego: a – drzewiasta; b – zapętlona.
GIS w badaniach przyrodniczych
kierunek
węzeł
Rys. 3.19 Model sieci rzecznej.
Jacek Urbański
GIS w badaniach przyrodniczych
a
b
Jacek Urbański
c
d
Rys. 3.20 Konstrukcja modelu TIN za pomocą triangulacji Delanuay.
GIS w badaniach przyrodniczych
a
b
c
Jacek Urbański
kody pokrycia
terenu
211
231
243
312
313
412
512
Rys. 3.21 Metody wyboru punktów pomiarowych: a – regularna; b – losowa; c – losowa-stratyfikowana.
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
Rys. 3.22 Zasada wyznaczania pozycji w systemie GPS w oparciu o pomiar odległości do trzech satelitów.
GIS w badaniach przyrodniczych
a
b
Jacek Urbański
c
Rys. 3.23 Fragment cyfrowej mapy hydrograficzna Polski: a – wszystkie rzeki i jeziora; b – rzeki i jeziora
wyróżnione, które tworzą sieć wodną i są związane ze sobą i zlewniami elementarnymi; c – zlewnie elementarne.
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
Rys. 3.24 Cyfrowa mapa hydrograficzna Polski. Połączenie zlewni elementarnych w jeden poligon określa
zlewnię danej rzeki i umożliwia wybranie rzek należących do tej zlewni.
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
´
0
5
10 km
Miasto (1)
111 (ciągła zabudowa)
112 (nieciągła zabudowa)
Przemysł, handel, transport (1)
121 (przemysł i handel)
Sztuczne, nierolnicze uprawy (1)
141 (zieleń miejska)
211
Uprawy stałe (2)
124 (lotniska)
Pastwiska (2)
131 (kopalnie odkrywkowe)
Różnorodne uprawy (2)
Kopalnie, składowiska, budowy (1)
132 (składowiska)
133 (budowy)
324
142 (obiekty sportowe i rekreacyjne) Lasy (3)
Grunty orne (2)
122 (drogi koleje)
123 (porty)
Krzewy i zarośla (3)
222
231
242
243
311 (liściaste)
312 (iglaste)
313 (mieszane)
Otwarte obszary o małej lub bez wegetacji (3)
331 (plaże, wydmy, piaski)
333
Mokradła śródlądowe (4)
411 (mokradła)
412 (torfowiska)
Wody lądowe (5)
511 (rzeki, strumienie)
512 (zbiorniki wodne)
Rys. 3.25 Wektorowa mapa pokrycia powierzchni Polski Corine 2000 (wycinek).
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
a
b
0
2
116 m
25 m
4 km
Rys. 3.26 Numeryczne mapy terenu Polski: a – SRTM 3 (rozmiar komórki 60 x 90 m); b – DTED 2 (rozmiar
komórki 15 m).
GIS w badaniach przyrodniczych
a
Jacek Urbański
b
0
200
400 m
Rys. 3.27 DTED 2 (rozmiar komórki 15 m): a – oryginalny z wartościami całkiowitymi, poziomice
wyznaczają miejsce skoku wysokości; b – przetworzony do wartości rzeczywistych.
GIS w badaniach przyrodniczych
a
b
Jacek Urbański
Nachylenie
0 - 2.1
2.2 - 3
3.1 - 3.9
4 - 4.7
4.8 - 5.4
5.5 - 6.2
6.3 - 7
7.1 - 7.8
7.9 - 9.1
0
200
400 m
Rys. 3.28 Mapa nachyleń z DTED 2: a – utworzona z mapy oryginalnej z wartościami całkowitymi; b –
utworzona z mapy przetworzonej z wartościami rzeczywistymi.
GIS w badaniach przyrodniczych
gleba (różowy, fioletowy)
0
zabudowa (fioletowy)
2
Jacek Urbański
wody (czarny do ciemnoniebieskiego)
4 km
lasy (zielony)
0
uprawy (zielony)
0.5
mokradła (zielony)
Rys. 3.29 Landsat (GeoCover) dla Polski (kanał 4 ETM+) – przełom Raduni.
1 km
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
Rys. 3.30 Panchromatyczne zdjęcia fragmentu Półwyspu Helskiego: a – zdjęcie lotnicze z 1947 roku (skan
diapozytywu); b – zdjęcie satelitarne z 2005 roku (Quickbird ). Bok siatki kilometrowej wynosi 400 m.
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
Rys. 3.31 Fragment mapy sztabowej w skali 1:25000 (sytuacja ok. 1908) Preuss Landesaufnahme (zbiory
Biblioteki PAN w Gdańsku)
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
6010400.000000
6009600.000000
´
6008800.000000
6008800.000000
6009600.000000
6010400.000000
300600.000000 301200.000000 301800.000000
300600.000000 301200.000000 301800.000000
Rys. 3.32 Mapa obrysu jeziora Stężyckiego (Pojezierze Kaszubskie) i jego plan batymetryczny.
GIS w badaniach przyrodniczych
1
skan
Jacek Urbański
2
1
17°
mapa
18°
55°
2
punkty
kontrolne
3
E E
E EE
georeferencja
rektyfikacja
resampling
(przepróbkowanie)
54°
3
Rys. 3.33 Proces rejestracji obrazu cyfrowego w układzie współrzędnym.
—
GIS w badaniach przyrodniczych
a
b
Jacek Urbański
c
Rys. 3.34 Proces rejestracji planu batymetrycznego jeziora Stężyckiego.
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
c
300300.000000 300900.000000 301500.000000
6008800.000000
b
6009200.000000
a
6009600.000000
6010000.000000
6010400.000000
300300.000000 300900.000000 301500.000000
Rys. 3.35 Proces rejestracji planu batymetrycznego jeziora Stężyckiego za pomocą przestrzennego dopasowania
danych wektorowych (opis w tekście).
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
A
Rys. 3.36 Digitalizacja ekranowa. Za pomocą kursora wprowadza się obiekty warstwy wektorowej punkt po
punkcie (wykorzystanie możliwości powiększania obrazu).
GIS w badaniach przyrodniczych
Jacek Urbański
nałożenie (overlap)
luka (gap)
Rys. 3.37 Digitalizacja ekranowa. Oddzielne rysowanie połączonych poligonów prowadzi do powstawania luk
i nałożeń.
G
G II S
S w
w bb aa dd aa nn ii aa cc hh pp rr zz yy rr oo dd nn ii cc zz yy cc hh
JJ aa cc ee kk U
U rr bb aa ńń ss kk ii
A
B
Rys. 3.38a Digitalizacja ekranowa połączonych poligonów za pomocą automatycznego domykania.
G
G II S
S w
w bb aa dd aa nn ii aa cc hh pp rr zz yy rr oo dd nn ii cc zz yy cc hh
JJ aa cc ee kk U
U rr bb aa ńń ss kk ii
b
a
Rys. 3.38b Edycja połączonych poligonów wymaga uwzględnienia relacji topologicznych (a – warstwa przed
edycją; b – warstwa po edycji).