GN20_97

ovské novinky
č.20, říjen 1997
Nová verze programu ACE (Advanced Cartographic
Environment) obsahuje řadu vylepšení a nových funkcí.
Z nich vybíráme: nový textový editor, nové barevné
modely, automatická tvorba indexů, volba zobrazení
mapových prvků podle měřítka, tvorba barevných výtažků,
automatické umísťování mapových objektů, podpora
dalších datových formátů.
PRACOVNÍ VYBAVENÍ
Novinky v PCI
Společnost PCI pokračuje v rychlém vývoji všech svých
produktů a na konec letošního roku je připravena verze 6.2
EASI/PACE a další nové programy. V tomto čísle
Gisatovských novinek se zmíníme o dvou modulech, které
se objevily v mezidobí mezi současnou verzí 6.1 a novou
verzí 6.2 programu EASI/PACE, a zároveň se budeme
věnovat dvěma samostatně stojícím programům.
Novinky od Genasys
V minulém čísle GN jsme Vám ve stručnosti představili
hlavní charakteristiky nové verze GenaMap GIS 7.1 –
otevřených
softwarových
modulů
pro
tvorbu
profesionálních geo-informačních systémů firmy Genasys.
V tomto a následujících číslech se pokusíme představit
některé nové produkty trochu podrobněji.
RADARSAT DEM
Nový modul EASI/PACE umožňuje výpočet digitálního
modelu terénu pomocí stereodvojice snímků RADARSAT.
Vhodný stereopár (Fine nebo Standard) je na základě
vlícovacích bodů přepočítán do epipolární geometrie a s
využitím automatického korelačního postupu se poté
určuje výšková hodnota pro všechny body na překrytu
obou snímků. Uživatel má k dispozici řadu nástrojů pro
kontrolu celého procesu (ohodnocení přesnosti
družicového modelu a výsledného terénního modelu,
speciální radarové filtrační algoritmy, hodnocení
úspěšnosti korelace, editační nástroje pro řešení
problémových oblastí, automatická detekce lokálních chyb
a následná interpolace, ...).
XFER (DISPLAYER)
Ve stručné charakteristice modulu Xfer se obvykle
setkáme s klíčovými slovy jako grafika pro náročné,
nedestruktivní zobrazování či dynamické “inteligentní”
symboly. Co se ve skutečnosti za těmito výrazy skrývá a
především co může uživatel od modulu Xfer očekávat?
Většina aplikací v oblasti GIS dnes již běžně vyžaduje
současné zobrazení rastrových a vektorových datových
vrstev dle výběru uživatele. V mnoha aplikacích je navíc
potřebná i vizualizace pohyblivých (dynamických) objektů
jejichž poloha se mění v čase a obecně je závislá na
výsledku jiných procesů. Při klasickém (řekněme
destruktivním) způsobu vykreslování se jednotlivé datové
vrstvy zobrazují přímo do grafického okna a jednoduše se
překrývají v pořadí v jakém jsou vykreslovány. V tomto
pojetí, známém uživatelům většiny klasických GIS
systémů, pak sebemenší změna nastavení grafického
výstupu (změna barvy vrstvy, změna pořadí vykreslení,
aktualizace či odstranění některé z vrstev) má za následek
překreslení části nebo i celého grafického okna. V případě
pohyblivých objektů se pak tato metoda neustálého
vykreslování (a překreslování) ještě zřetelněji ukazuje jako
velmi zdlouhavá a nepraktická. Modul Xfer přináší řešení
zmíněných problémů v novém způsobu správy grafického
výstupu.
IMAGELOCK DATA FUSION
Tímto modulem EASI/PACE lze téměř automaticky řešit
problém vzájemné koregistrace snímků pořízených
různými senzory. Speciální algoritmus, který je použit pro
následné digitální sloučení snímků s různým rozlišením
(např. zvýraznění multispektrálních dat Landsat TM
pomocí panchromatického snímku SPOT), zachovává
statistické rozložení radiometrických hodnot vstupních dat,
což dává nejenom vynikající vizuální výsledek, ale
zároveň je zajištěna možnost klasifikace takových dat bez
znehodnocení původního informačního obsahu. V rámci
tohoto modulu jsou k dispozici také funkce pro odstranění
obrazového šumu pomocí jiných, kvalitnějších dat a pro
detekci a analýzu změn, zachycených na snímcích,
pořízených v určitém časovém odstupu.
SARP
V modulu Xfer se celý problém řeší nejprve rozdělením
grafického výstupu do uživatelem definovaných navzájem
oddělených grafických rovin. Každé grafické rovině je
potom přidělen separátní grafický buffer, ve kterém se
vykresluje a to v důsledku umožňuje aby libovolná
grafická rovina byla kdykoliv aktualizována nezávisle na
ostatních. Finální částí řešení je pak mechanismus, kterým
modul Xfer zabezpečuje přenesení jednotlivých grafických
bufferů do grafického okna či naopak jejich odstranění.
V případě, že se výše položená grafická rovina (obsahující
například dynamický symbol) navíc pohybuje, tento
mechanismus zabezpečuje i obnovení “zasažených” níže
položených grafických rovin. Výsledkem je flexibilní
uživatelem řízená správa obsahu grafického výstupu.
SARP (Synthetic Aperture Radar Processor) je nový,
samostatný program, který PCI vyvinula ve spolupráci se
společností Atlantis Scientific Systems. Díky tomuto
programu má uživatel k dispozici nástroj, kterým dostává
pod svoji kontrolu kompletní postup zpracování
originálních signálních radarových údajů. To mu
umožňuje ušetřit náklady nezbytné na zakoupení již
předzpracovaných dat a zároveň dává možnost tvorby
vlastních produktů (interferometrické dvojice, různé typy
obrazových dat). SARP lze využít pro zpracování dat
pořízených družicemi ERS, JERS nebo RADARSAT.
ACE
1
Modul Xfer mimoto umožňuje uživateli definovat i
specielní grafické roviny-symboly, které jsou senzitivní na
ostatní procesy odehrávající se v grafickém okně (Xfer pro
tyto objekty zavádí výraz “glyphs”). Tyto “inteligentní”
symboly mohou být citlivé nejen na přímé akce uživatele
(definované například pomoci myši), ale také i na ostatní
objekty vyskytující se v grafickém okně. Každá z událostí,
ať už přímá (stisk tlačítka, pohyb kurzoru přes grafickou
rovinu, …), či nepřímá (přiblížení se k objektu, překrytí
jiným objektem, …) pak může startovat různé uživatelem
definované procesy a ty pak mohou zpětně ovlivňovat
pohyb a vlastnosti jednotlivých glyphů. Zmíněné funkce v
modulu Xfer nabízí uživateli velmi silný nástroj pro
budování nejrůznějších aplikací využívajících zpětné
vazby z grafické prezentace probíhajících dynamických
jevů.
technologii získávající údaje o objektu na zemském
povrchu bez přímého kontaktu se zkoumaným objektem.
Tato obecná definice zahrnuje měření zemského povrchu
jak družicová, tak z paluby letadel, prováděná optickými
prostředky jako je fotografická kamera nebo
multispektrální skener, signálními nebo zobrazujícími
radary nebo gama-spektrometry.
Pokrok v oblasti
zpracování digitálních obrazů, výpočetní techniky,
radiotechniky přinesl pro dálkový průzkum výkonné
nástroje pro získání kvalitních dat a jejich zpracování na
potřebné informace.
Výhody dálkového průzkumu spočívají ve schopnosti
rychle a opakovaně dodat potřebná data, a to i za
nepříznivých meteorologických podmínek, v možnosti
stanovit zátopovou čáru a plochu zatopených oblastí a ve
využití při odhadování rozsahu škod.
Jak jsme ukázali modul Xfer je určen širokému okruhu
uživatelů a jeho možnosti lze s výhodou využít na dvojí
úrovni. První univerzální úroveň použití představuje
správa grafického výstupu libovolné GIS aplikace. Xfer
umožňuje flexibilní správu jednotlivých uživatelských
datových témat, jejich “zapínání a vypínání”, plynulý
scrolling a zoom grafických oken i rychlé zobrazování
časových sérií dat pro sledování trendů.
Optická data
Přes dvacet let jsou získávána z družic data, pořízená
skenery pracujícími v optickém oboru elektromagnetického spektra, tj. v pásmech vlnových délek 0,3μm 0,7 μm (viditelné záření) a 0,7 μm – 20 μm (infračervené
záření). Optické prostředky dálkového průzkumu, případně
jimi pořízené údaje, nejsou obvykle k dispozici v takovou
dobu, aby mohly poskytnout taktické informace. Proto
jsou z hlediska záplav hlavně strategickými prostředky.
Pokud data zachycují obraz zatopeného území, je možné
jednotlivé snímky pospojovat do mozaiky a interpretovat
okraj vodní plochy. Pakliže jsou k dispozici takovéto údaje
z různých termínů, je možné jejich porovnáním stanovit i
dynamickou charakteristiku záplav. Vedle tohoto postupu
je možné určit některé údaje i nepřímo. Data naměřená po
záplavě slouží k identifikaci následných efektů, jako je
poškození vegetace, nánosy bahna, zbytky vody apod.
Pořízení těchto dat však často brání jejich závislost na
denní době a bezoblačném počasí. Navíc uvedené vlnové
délky téměř nepronikají materiálem jako je vegetační kryt
nebo půda, což také omezuje získání hydrologické
informace.
Druhou úrovní využití je úroveň aplikační. Zde jsou
speciální objekty modulu Xfer – glyphs velmi vhodné pro
nejrůznější úlohy navigačního či spedičního charakteru,
úlohy řízení silničního provozu, vojenské taktické
simulace apod.
Modul Xfer je v současnosti dostupný ve verzi 1.3 a tak
jako všechny ostatní moduly firmy Genasys je k dispozici
na platformách UNIX a Windows NT.
DRUŽICOVÁ DATA
Radarová data
Na rozdíl od skenerů nebo fotografických kamer, které
pracují v optickém oboru spektra a které měří odražené
sluneční záření nebo záření vyzářené Zemí, radarová
aparatura je vybavena vlastním zdrojem záření. Radar
používá mikrovlnné záření na vlnové délce 1 mm až 1 m.
Mnohem nižší frekvence použitého záření dovoluje získání
dat i přes mlhu, oblaka i mírný déšť. Obzvlášť vhodný je
pro hydrologii, protože interakce mikrovlnného záření
s prostředím je citlivá na přítomnost vody. Radarové vlny
také více pronikají porostem, do půdy a nebo do sněhové
pokrývky, takže dovolují získat informace i o
podpovrchové vrstvě. Geometrie radarového měření je
rovněž odlišná od většiny optických měření, protože se
používá šikmý pozorovací úhel namísto vertikálního směru
obvyklého u optických skenerů.
Využití družicových dat ke sledování záplav
Přírodní záplavy způsobují ročně na celém světě
stamiliardové škody na majetku a vysoké počty obětí na
lidských životech. Červencové záplavy na Moravě
zaplatilo životem přes čtyři desítky lidí a odhadovaná výše
ekonomických ztrát dosahuje desítky miliard korun.
Schopnost člověka vyrovnat se takovýmito přírodními
záplavami závisí do značné míry na strategické a taktické
informaci o záplavách samotných. Strategická informace
se používá pro plánování činnosti v případě budoucího
nebezpečí a je v zásadě získána následnou analýzou údajů,
poté co záplavy dozněly. Taktická informace se ale musí
získat během vývoje této přírodní katastrofy. Získání
taktické a strategické informace lze zabezpečit s využitím
současných prostředků dálkového průzkumu a moderních
způsobů zpracování dat. V dalším textu jsou ukázány
metody získání odpovídajících údajů o záplavách,
zpracování těchto dat vedoucí k získání informace v čase
potřebném pro taktickou nebo strategickou informaci a
budoucí směry dálkového průzkumu mající vliv na
monitorování záplav.
Pro praktické aplikace se užívají zobrazovací radary,
pracující se syntetickou aperturou (Synthetic Aperture
Radar – SAR). Velikost naměřené zpětně odražené energie
se může znázornit v podobě černobílého obrazu. Naměřené
hodnoty SAR mají větší dynamický rozsah a jsou proto
ukládány s radiometrickým rozlišením 16 bitů (oproti 8
bitům u optických dat).
DATA DÁLKOVÉHO PRŮZKUMU A JEJICH VYUŽITELNOST KE
SLEDOVÁNÍ ZÁPLAV
Zobrazovací radar obvykle vyzařuje vlnu horizontálně
polarizovanou a přijímá buď horizontální signál (označení
Dálkový průzkum lze obecně definovat jako informační
2
HH) nebo vertikální signál (označení HV) nebo obojí.
Intenzita přijatých signálů od jednoho objektu bývá u obou
polarizací jiná a tento rozdíl je užíván i jako rozpoznávací
příznak některých objektů.
Radar se syntetickou aperturou je v současnosti umístěn na
čtyřech družicích. Jejich parametry jsou v tabulce 1.
Tab. 1. Současné radarové družicové systémy
Družice
(stát)
RADARSAT
(Kanada)
JERS-1
(Japonsko)
ERS-1,2
(ESA)
Rozli Vln. délka Šířka Termín.
-šení
(cm/
záb. rozlišení
(m) polarizace) (km)
(dny)
8
20
30
50
100
18
25
5,6/HH
1-5 podle
šíře
záběru
23,5/HH
50
100
150
300
500
75
5,3/VV
100
35
Datum
RADARSAT
3.7.
10.7.
12.7.
14.7.
15.7.
17.7.
20.7.
24.7.
27.7.
28.7.
30.7.
31.7.
•
•
ERS-1,2
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Pro vypracování metodiky zpracování radarových dat byl
zpracován výřez z dvojice scén pořízených družicí
Radarsat dne 14.7.1997 v 4:50 UT a 24.7.1997 v 4:58 UT
nad jižní Moravou. Data byla nejprve převedena do
geometrické podoby odpovídající mapovému zobrazení
S-42 v měřítku 1:50 000. K tomu bylo použito:
44
1. model geometrie snímacího zařízení (radarové antény)
2. digitální model terénu s krokem 100 m.
Na těchto datech byla provedena nejprve automatická
identifikace vodních ploch založená na nízké hodnotě
koeficientu zpětného odrazu. Ve druhém kroku byla tato
klasifikace manuálně editována s přihlédnutím k reliéfu a
mapě využití půdy.
ZPRACOVÁNÍ DRUŽICOVÝCH DAT
Družicová data poskytují ucelený, synoptický pohled,
který je nutný k mapování hydrologických jevů
v regionálním měřítku a současně také poskytují kontrolní
a podkladové údaje pro sběr pozemních měření. Dosavadní
zkušenosti ukazují, že z hlediska časového i přesnosti
výsledku, je nejvýhodnější vizuální interpretace časové
řady scén s využitím znalosti místa a předchozích
interpretačních zkušeností. Na kvalitě dodatečných
znalostí závisí, jak se podaří překonat problémy půdní
vlhkosti, povrchové nerovnosti aj., které ovlivňují
intenzitu zpětně odraženého záření.
Výsledek interpretace zaplavených území byl vytištěn
spolu s obsahem topografické mapy v měřítku 1:50000
jako tématická zátopová mapa pro území podél toku řeky
Moravy na úseku Uh.Hradiště – Rohatec. Kromě toho byla
stanovená zátopová čára vynesena do mapy kategorií užití
půdy v měřítku 1:100000 a v prostředí GIS byla spočítána
statistika zaplavených ploch jednotlivých kategorií land
cover. Uvedené výstupy byly zpracovány pro obě scény,
což dovoluje i ohodnotit míru změn.
Zpracování družicových dat poskytne informace, které
doplňují údaje zjištěné pozemním šetřením a případně
leteckým snímkováním. Jedná se o následující typy
informací:
PŘESNOST ZÍSKANÝCH VÝSLEDKŮ
Přesnost stanovení otevřených vodních ploch je závislá na
meteorologické situaci, ale je dosti vysoká. Pohybuje se
kolem 90% a při použití kvalitních doplňkových podkladů
se může přiblížit těsně ke 100%. Z výše uvedených
důvodů je stanovení ploch, kde voda má menší hloubku
než v ní stojící objekty (vegetace, zástavba) méně přesné
(60% až 80%).
• Dynamika dělení zátopové vody do jednotlivých
bazénů.
• Rychlost přítoku a odtoku povrchové vody z různých
míst
• Doba výskytu vody na zatopených místech
• Spojením s mapou kategorií užití půdy, lze stanovit
zatopené plochy v každé kategorii
Sestavení perspektivního pohledu na vybraná místa a
následně i vytvoření standardní vodní mapy s vyznačením
hloubek.
Pro určení orientačních hodnot vlhkosti půdy jsou nutné
kalibrační údaje, půdní mapa a aktuální mapa užití půdy.
Řešení této úlohy vyžaduje delší monitorování kontrolních
bodů, aby se dosáhlo přesnosti kolem 60%-70%.
Tato přesnost je dána velikostí pixelu. Při použití DTM
s krokem 50 m v kopcovitém terénu a kolem 100 m
v plochém terénu lze dosáhnou přesnosti kolem 1 pixelu.
To znamená, že pak výsledky odpovídají přesnostním
požadavkům na mapování v měřítku 1:50000, data družice
Radarsat pořízená v režimu FINE pak v měřítku 1:25000.
METODICKÉ ZPRACOVÁNÍ DAT Z OBLASTI MORAVY
Během záplav v červenci 1997 na Moravě bylo pořízeno
několik družicových scén převážně radarovými družicemi.
Optická data jsou pouze z části území ze dne 17.7.97
získaná japonskou družicí JERS-1. Přehled radarových
scén je v tab.2.
Tab. 2. Přehled družicových scén z území Moravy
z července 1997.
3
Výsledky jsou vztaženy k okamžiku měření, který je znám
s přesností na sekundu (jedna družicová scéna je pořízena
zhruba během 15 sekund). Opakovat měření stejného
území lze s odstupem 1až 4 dny. U optických dat je tato
frekvence 1x až 2x měsíčně.
ZÁVĚRY A BUDOUCÍ VÝVOJ
Družicová data dálkového průzkumu lze přímo použít pro
získání a vytváření strategické i taktické informace o
záplavách. Strategická informace je v zásadě získatelná
z přístrojů pracujících ve viditelném a infračerveném
oboru spektra, což jsou radiometry, skenery, kamery.
Taktická informace může být získána nejlépe pomocí
zobrazujícího radaru. Takové zobrazující radary nejen
poskytnou informaci rychle ale také s potřebnou
kvantitativní přesností. Možností je použít letadlový radar,
který se bude pohybovat nad záplavovou oblastí a nebo
použít data z družicových aparatur (RADARSAT, ERS-1,
ERS-2, JERS-1). S nasazením radarových družic do
operačního užívání se rozšířily možnosti dálkového
průzkumu i na taktické informace.
Další vývoj družicové techniky přinese zlepšení
rozlišovací schopnosti optických aparatur. V příštím roce
budou k dispozici data s rozlišením jeden až tři metry ve
viditelné a blízké infračervené oblasti spektra. Rovněž
nadále poroste počet družic, čímž se zvětšuje
pravděpodobnost přeletu nad zájmovým územím v době
s nízkým výskytem oblačnosti.
Část jižní Moravy na snímku, pořízeno 14. července 1997
Radarová technika přinese v několika příštích letech
rozšířené trendy volitelnosti rozlišovací schopnosti dat
oproti
velikosti
snímaného
území
a
nástup
multispektrálních a multipolarizačních aparatur.
Z hlediska praktické dostupnosti se budou výrazně
zkracovat doby potřebné k doručení datových souborů
z pozemní přijímací stanice k uživateli. Důkladnější
využívání elektronických pozemních komunikačních cest
a družicových spojů dovolí tuto dobu zkrátit z dnešních
několika dní na několik hodin.
Část jižní Moravy na snímku, pořízeno 24. července 1997
Gisatovské novinky jsou firemním zpravodajem geoinformační firmy GISAT. Vychází nepravidelně. Neprodejné.
Uveřejněné materiály lze použít pouze s uvedením zdroje.
Adresa firmy je Charkovská 7, 10100 Praha 10, tel./fax 02-738731 nebo 734998, Internet: [email protected]
4