UNIVERSITATEA VALAHIA DIN TÂRGOVIŞTE

FACULTATEA DE ŞTIINŢE UMANISTE DEPARTAMENTUL DE GEOGRAFIE

G I S

2012

2

Cuprins

1 Sisteme Informaţionale Geografice. Noţiuni introductive ..................... 3

2 Evoluţia Sistemelor Informaţionale Geografice ................................... 5

3 Sisteme de reprezentare a hărţilor digitale ........................................ 10

4 Modele vectoriale .......................................................................... 14

5 Modelul raster .............................................................................. 17

6 Caracteristicile hărţilor digitale ........................................................ 20

7 Georeferenţierea ........................................................................... 21

8 Echipamente de introducere şi reproducere a hărţilor ......................... 22

9 Modele digitale de teren (modele digitale de elevaţie – DEM) .............. 26

3

1. Sisteme Informaţionale Geografice. Noţiuni generale

Sistemele Informatice Geografice (Geographical Information Systems – GIS) fac

parte din clasa cea mai răspândită a sistemelor informatice, alături de acestea mai putându-se deosebi Sisteme Informatice Economice, Energetice, Medicale, etc. Principala caracteristică a unui GIS o constituie …tratarea informaţiei ţinând cont de localizarea sa, amplasarea ei spaţială, geografică, în teritoriu prin coordonate (Geosystems, 1996).

Aceste sisteme au generat, încă de la apariţia lor, numeroase controverse în rândurile specialiştilor şi utilizatorilor. Criticile aduse au fost legate în special de capacitatea acestora de a analiza anumite fenomene cu variabilitate mare în spaţiu şi timp.

Un GIS reprezintă o colecţie de echipamente (hardware), programe (software), date geografice care permite …captarea (introducerea), stocarea, integrarea, manipularea, analiza şi vizualizarea datelor care au referinţă spaţială (A. M. Imbroane, D. Moore, 1999). Cele mai importante avantaje oferite de această tehnologie sunt legate de accesul la volume mari de date, de capacitatea de a crea legături între diferite seturi de date şi de a analiza legăturile dintre ele.

Pentru a modela lumea înconjurătoare, tehnologia GIS utilizează obiecte şi relaţii spaţiale. Obiectele GIS sunt obiecte sau fenomene geografice localizate pe sau în apropierea suprafeţei terestre. Acestea pot fi naturale (sol, vegetaţie), antropice (clădiri, drumuri, etc) sau convenţionale (unităţi administrative, parcele, frontiere). Un obiect GIS se caracterizează printr-o poziţie şi o formă în spaţiul geografic şi printr-o serie de atribute descriptive. Relaţiile spaţiale dintre obiecte (vecinătate, interconexiune, continuitate, incidenţă, etc) ajută la înţelegerea situaţiilor şi luarea deciziilor.

În cadrul unui GIS harta este o reprezentare grafică a unei porţiuni din suprafaţa Pământului în care puncte, linii şi poligoane indică poziţia şi forma spaţială a obiectelor geografice, iar simboluri grafice şi texte descriu aceste obiecte. Relaţiile spaţiale dintre aceste obiecte sunt implicit reprezentate şi necesită interpretarea celui căruia îi este adresată harta.

Reprezentarea obiectelor geografice se face sub formă de straturi tematice (layer), fiind recomandat ca un strat să conţină numai elemente de acelaşi tip: puncte (Ex: fântâni, copaci, stâlpi de înaltă tensiune, altitudinile unor vârfuri, etc), linii (Ex: râuri, căi de comunicaţie, curbe de nivel, etc) sau poligoane (unităţi administrative, lacuri, parcele, etc). Prin suprapunerea acestor straturi tematice în cadrul programelor GIS se obţine harta finală.

În cea de-a doua jumătate a secolului al XX-lea apariţia şi dezvoltarea calculatoarelor, elaborarea în cadrul geografiei economice, regionale, sociale şi antropologiei a unor teorii privind procesele spaţiale precum şi conştientizarea problemelor de natură socio-umană şi environmentală care au apărut ca urmare a procesului de dezvoltare economică au condus la o schimbare în ceea ce priveşte analiza cartografică.

Unul dintre primele Sisteme Informatice Geografice este Canada Geographic Information System (CGIS) a cărui dezvoltare a început la jumătatea anilor ’60 (după unii autori în 1962). Acest GIS este operaţional şi în zilele noastre, iar dezvoltarea lui a avut o contribuţie esenţială de ordin conceptual şi tehnic, modelul său fiind preluat de majoritatea GIS-urilor apărute ulterior (Ex: ideea atributelor separate pentru fiecare element dintr-un strat a fost preluată şi este utilizată şi de către firma ESRI în produsul ARC/INFO). Scopul apariţiei CGIS a fost acela de a analiza datele furnizate de Societatea Canadiană de Inventariere a Teritoriului şi de a furniza informaţii care să fie utilizate în procesul de planificare teritorială a întinselor spaţii rurale din Canada. În cadrul acestui proces au fost elaborate hărţi la scara 1:50000 în care teritoriul a fost clasificat utilizându-se teme variate:

4

modul de utlizare a terenurilor, pretabilitatea solului pentru agricultură, cartarea spaţiilor împădurite, etc.

După anul 1970 evoluţia acestor sisteme este lentă datorită, pe de o parte posibilităţilor de analiză destul de limitate, iar pe de altă parte a performanţelor reduse a tehnicii de calcul existente.

După anul 1990 s-a produs realmente o explozie de aplicaţii în domeniul civil. Produsele soft se dezvoltă şi se răspândesc într-o manieră fără precedent. La intervale de câteva luni apar versiuni îmbunătăţite, uneori mult diferite de precedentele, prin multitudinea de funcţii. Toate acestea sunt însoţite de dezvoltarea tehnicii de calcul în general atât hardware (procesoare mai puternice, memorie mai mare, capacităţi de stocare mai mari, echipament de introducere – digitizoare, scanere, dar şi de ieşire - plottere, imprimante mai bune, ieftinirea CD-ROM, acces Internet) cât şi software (dezvoltarea limbajelor de programare, în special a celor orientate obiect).

În ţara noastră Sistemele Informatice Geografice au o răspândire relativ redusă existând doar puţine firme specializate în domeniu, care oferă atât distribuţie de software GIS cât şi servicii diverse în domeniu (cursurile sunt foarte rare şi costisitoare, ele axându-se pe o anumită gamă de produse soft).

5

2. Evoluţia Sistemelor Informaţionale Geografice Idea de a concentra în cadrul unei hărţi diferite straturi tematice şi fenomene

geografice, a existat cu mult înainte de apariţia calculatorului. De exemplu harta bătăliei de la Yorktown (toamna anului 1781), creaţie a cartografului francez Louis-Alexandre Berthier, redă destul de bine traseele trupelor implicate în luptă. În anul 1819, francezul Pierre Charles Dupin a întocmit prima hartă choropletă (redarea prin umbre a suprafeţelor), ce redă distribuţia şi intensitatea analfabetismului în Franţa, aceasta reprezentând, poate, prima hartă statistică modernă (fig. 2.1.).

La jumătatea secolului al XIX-lea, apare “Atlas to Accompany the Second report of

the Irish Railway Commissioners”, ce redă pe aceeaşi hartă date despre populaţie, migraţia acesteia precum şi date geologice şi topografice. De asemenea doctorul John Snow a realizat o hartă pentru a reda locaţiile deceselor cauzate de holeră din centrul Londrei (fig. 2.2.), în anul 1854, pentru a identifica sursa contaminării, aceasta constituind un exemplu timpuriu de analiză geografică.

Fig. 2.1. Harta lui Pierre Charles Dupin

Fig. 2.2. Harta lui John Snow, 1854

6

De-a lungul evoluţiei sale, din 1950 şi pâna astăzi, putem observa 3 faze delimitate în funcţie de aplicaţii, date şi interacţiunea dintre utilizatori şi furnizori (Crain, MacDonald, 1984).

Prima etapă În prima fază (perioada 1950 – începutul anilor 1980), tehnologia GIS a fost creată

ca un instrument capabil să stocheze, organizeze şi să determine extinderea datelor existente. Pentru acest lucru a fost implementată şi definită o structură a datelor compusă din date primare (puncte, linii, suprafeţe, rastere) şi funcţii pentru importarea, editarea, recuperarea, actualizarea, interogarea datelor (Massimiliano Cannata, 2006). Pentru această perioadă se pot evidenţia următoarele momente:

1959: Geograful american Waldo Tobler a implementat un model simplu numit „MIMO”, ce utiliza calculatorul în cartografie. Având ca principiu „map in – map out”, acest sistem a facut posibilă convertirea hărţilor cu ajutorul calculatorului din format analogic în format digital, precum şi stocarea, manipularea şi obţinerea de noi hărţi.

1960: Ca urmare a inveninvenţiei laserului, din acest an începe implementarea modernă a tehnologiei LIDAR (Light Detection And Ranging), acronim introdus pentru prima data de către Middleton şi Spilhaus în 1953.

1962: Geograful Roger F. Tomlinson, considerat şi părintele GIS-ului modern cu sprijinul guvernului canadian a realizat în Canada primul Sistem Informaţional Geografic digital din lume. Tot în acest an este fondat în USA “Urban and Regional Information System Association”.

1963: Este înfiinţată asociaţia URISA (Urban and Regional Information Systems Association), asociaţie non-profit ce promovează utilizarea tehnologiei GIS pentru managementul ariilor urbane.

1965: Howard Fisher înfiinţează “Harvard Lab for Computer Graphics”. Aici au studiat o serie de personalităţi ce activează în domeniul Sistemelor Informaţionale Geografice printre care amintim: David Sinton (Intergraph), Jack Dangermond (ESRI), Lawrie Jordan and Bruce Rado (ERDAS), etc.

1966: Este implementată aplicaţia SYMAP (Synagraphic Mapping Sytem), în cadrul, “Harvard Lab for Computer Graphics”, ce a servit ca model pentru multe aplicaţii viitoare. De asemenea este elaborată prima hartă operaţională a zăpezii.

1967: Sistemul DIME implementat de către “US Bureau of the Census”. 1968: Ron Tweedie din cadrul “N.Y State Department of Transportation at

Albany”, a dezvoltat un Sistem Informaţional pentru Transporturi, ce se baza pe manipularea unui grid.

1969: Au loc mai multe evenimente şi anume: Jack şi Laura Dangermond înfiinţează Environmental Systems Research Institute (ESRI), Jim Meadlock înfiinţează Integraph Corporation (iniţial a fos numită M&S Computing Inc), precum şi compania Laser-Scan, fondată de 3 academicieni ce activau în cadrul laboratoarelor Cavendish, Cambrdige, United Kingdom. Tot în acest an apre şi cartea “Design with Nature”, a autorului Ian McHarg, în care este popularizată utilizarea hărţilor cu un anumit factor de transparenţă, în vederea suprapunerii mai multor straturi. Apare şi prima carte tehnică de GIS a autorilor Nordbeck şi Rystedt, în care sunt descrişi algoritmii şi programele implementate şi utilizate în analiza spaţială.

1970: Sistemul Informaţional Geografic Canadian (CGIS), devine complet operaţional. Tot în acest an are loc şi primul simpozion de GIS, susţinut între 28 octombrie – 2 noiembrie la Ottawa, Canada. La cererea preşedintelui Richard M. Nixon, este creată NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration).

7

1972: Este lansat primul satelit Landsat (denumire originală ERTS-1). Tot în acest an IBM începe implementarea unui Sistem Informaţional Geografic (GFIS).

1973: USGS a început implementarea GIRAS (Geographical Information Retrieval and Analysis System), având ca scop managementul şi analiza resurselor naturale şi crearea de baze de date. În acest an apare prima linie de produse digitale sub supravegherea Agenţiei Naţionale Britanice de Cartografie.

1974: Prima conferinţă AutoCarto, ce a avut loc în localitatea Reston, Virginia şi a fost prima dintr-o importantă serie de conferinţe ce au stabilit agenda de cercetare GIS.

1976: Minnesota Land Management Information System (MLMIS), proiect semnificativ de GIS, realizat la nivelul întregului stat, de către “Center for Urban and Regional Analysis, University of Minnesota”. Apare prima lucrare ce descrie tehnologia LIDAR, scrisă de E.D. Hinkley.

1977: USGS impelmentează formatul de date spaţiale Digital Line Graph (DLG). De asemenea este lansată aplicaţia IDL (Interface Description Language) de către compania RSI (Research Systems, Inc.). Are loc o conferinţă ce a avut ca temă topologia datelor spaţiale, organizată de Laboratoarele Harvard, cu ocazia căreia a fost implementată aplicaţia ODYSSEY GIS.

1978: Lawrie Jordan şi Bruce Rado fondează compania Erdas, iar compania Esri implementează prima versiune a aplicaţiei Arc/Info. Este înfiinţată tot în acest an compania Trimble, având ca principal obiect de activitate tehnologia GPS (Global Positioning System). De asemenea proiectul Global Positioning System (GPS), intră în faza a doua, odată cu lansarea primilor 4 sateliţi NAVSTAR.

1980: Dana Tomlin a impelementat în timpul studiilor de doctorat la Yale, aplicaţia Map Analysis Package (MAP).

1981: Proiectul Global Positioning System (GPS) devine opraţional. Are loc prima conferinţă a utilizatorilor produselor ESRI.

1982: ESRI ARC/INFO 1.0, primul pachet de programe GIS comerciale. Tot în acest an Army Corps of Engineers Construction Engineering Research Laboratory (CERL), începe implementarea aplicaţiei GIS GRASS – Geographic Resources Analysis Support System – aplicaţie bazată pe formate raster pentru administrarea terenului şi a instalaţiilor militare (Mitasova şi Neteler, 2002). Este înfiinţată compania PCI Geomatics precum şi compania Autodesk. Este fondată şi compania SPOT Image.

1983: Este înfiinţată compania ETAK. De asemenea Dan Smith şi Patrick Madison pun bazele companiei Golden Software. Dintre aplicaţiile acestei companii amintim: Surfer, Didger, Voxler.

1984: Are loc primul simpozion de manipulare a datelor spaţiale, iar Marble, Calkins şi Peuquet public lucrarea “Basic Readings in Geographic Information Systems”. Este înfiinţată compania olandeză Tele Atlas.

1986: Laszlo Bardos, Andrew Dressel, John Haller, Mike Marvinand, Sean O’Sullivan fondează compania MapInfo. Este lansat ESRI PC ARC/INFO 1.0, primul program ce rulează pe PC (Personal Computer). Este publicată lucrarea “Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment”, a autorului Peter Burrough, prima lucrare dedicată principiilor GIS. Este lansat şi primul satelit SPOT.

Etapa a II-a În cea de-a doua fază (sfârşitul anilor ’80 – începutul anilor ‘90), Sistemele

Geografice Informaţionale au fost forţate să evolueze spre analiză. În această fază au fost implementate funcţii şi “interfeţe grafice prietenoase” pentru a uşura interacţiunea cu utilizatorii. Utilizatorii au posibilitatea să sorteze, selecteze, extragă, reclasifice şi să

8

reproiecteze datele după diferite criterii geografice, topologice, statistice. Pentru această perioadă se pot evidenţia următoarele momente:

1987: Este publicată lucrarea “The International Journal of Geographical Information Systems”. Ron Eastman iniţiază proiectul Idrisi în cadrul Universităţii Clark. SPANS GIS conceput de Tydac este lansat.

1988: Ezra Zubrow din cadrul State University of New York at Buffalo, iniţiază GIS-L Internet list-server. Are loc prima comunicare oficială a US Bureau of Census, despre datele digitale TIGER (Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing). Este fondată compania Smallworld. Apare prima revistă lunară de tehnologie geografică “GIS World”, în prezent denumită “GEO World”. The National Centre for Geographic Information and Analysis (NCGIA) se stabileşte în USA.

1989: Este înfiinţată în Anglia The Association of Geographic Information (AGI). Este instituţia principală de coordonare a activităţilor GIS în Anglia. Tot în acest an compania Integraph lansează MGE (Modular GIS Environment). De asemenea este lansată aplicaţia de procesare a imaginilor ER Mapper.

1991: Este lansat programul GRASS 4.0 prin intermediul internetului. Maguire, Goodchild, şi Rhind publică lucrarea „Geographical Information Systems : Principles and Applications”.

1992: ESRI lansează ArcView 1.0, aplicaţie ce foloseşte interfaţă grafică. Corporaţia OSIRIS, lansează GrassWare, prima aplicaţie cu interfaţă grafică din cadrul pachetului de programe GRASS GIS. În Liban, Electricite du Libau (EDL), decide refacerea reţelei naţionale de electricitate folosind Sistemele Informaţionale Geografice. Este lansată aplicaţia Digital Chart of the World, sponsorizată de US Defense Mapping Agency, prima bază de date integrată la scara 1:1000000, cu acoperire globală. De asemenea este înfiinţată compania Blue Marble Geographics. De asemenea tot în acest an este fondată compania LizardTech.

1993: Steve Putz implementează PARC (Paolo Alto Research Center), prima aplicaţie interactivă web-mapping. The European Umbrella Organisation for Geographic Information (EUROGI) se stabileşte în Europa.

1994: ESRI lansează aplicaţia ArcView 2.0. Tot în acest an, a fost fondat Open GIS Consortium ce are ca obiectiv dezvoltarea de metode de geoprocesare, disponibile în mod public. Este lansată prima versiune a aplicaţiei ENVI. Tot în acest an, din ordinul preşedintelui Bill Clinton, se înfiinţează US National Spatial Data Infrastructure (NSDI).

1995: ESRI lansează Spatial Database Engine (SDE), un instrument menit să stocheze şi să manipuleze date spaţiale sub formă de DBMS (Database Management System). Este lansată aplicaţia MapInfo Professional pentru Windows. De asemenea, în Marea Britanie se întocmesc 230000 de hărţi ce acoperă întregul teritoriu al ţării, la scările: 1:1250, 1:2500, 1:10000.

Etapa a III-a Începând cu sfârşitul anilor 1990, Sistemele Informaţionale Geografice intră într-o

nouă eră. În această etapă, GIS-ul încearcă să devină un instrument de decizie şi manipulare a informaţiei. În anii 2000, se îndreaptă către Web, devenind tot mai popular. Evenimentele ce caracterizează această perioadă:

1996: Jo Wood implementază prima versiune a aplicaţiei LandSerf, aplicaţie utilă în analiza modelelor digitale altitudinale (DEM).

1997: University of Minnesota (UMN) lansează MapServer 1.0, o aplicaţie open-source. ESRI lansează ArcView Internet Map Server (IMS), un instrument comercial ce permite publicarea datelor GIS pe Internet.

9

1998: TerraServer, apare ca un proiect de cercetare comun între Aerial Images, Microsoft, USGS şi Compaq.

1999: Este lansată aplicaţia Grass 5.0. Maguire, Goodchild, şi Rhind publică lucrarea „Geographical Information Systems : Principles and Applications”, ediţia a II-a. MapQuest realizează peste 130000000 de hărţi. Este lansată Ziua GIS. Este lansat satelitul IKONOS, cu o rezoluţie de 90 cm în pancromatic. Tot în acest an este lansat şi satelitul Terra, cel ce furnizează imginilie satelitare MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), alături de satelitul Aqua. Este înfiinţat de asemenea Consorţiul pentru Informaţie Spaţială (CGIAR-CSI), ce reuneşte toate laboratoarele de GIS, teledetecţie şi cercetare în agricultură din întreaga lume.

2000: Compania Tele Atlas cumpără compania ETAK. Este fondată companiaDHI Water & Environment, ca urmare a fuziunii dintre Danish Hydraulic Institute (DHI) şi VKI – Institute for the Water Environment.

2001: Refraction Research lansează aplicaţia PostGIS 0.1, aplicaţie open-source capabilă să suporte baze de date relaţionale pentru PostgreSQL. ESRI începe implementarea aplicaţiei ArcGis 8.1. Este lansat satelitul Quickbird, cu o rezoluţie de 62 cm în pancromatic. Tot în acest an este înfiinţată şi compania Global Mapper Software LLC.

2002: Compania ESRI începe să ofere o gamă largă de programe ce rulează pe sisteme de operare Linux (ArcIMS 4, ArcSDE 8.2, MapObjects-Java Standard Edition, şi ArcExplorer 4, toate aceste programe rulează pe sisteme de operare Linux). Eastman Kodak Company cumpără RSI (Research Systems, Inc.). Este lansat on-line Atlasul Naţional al Statelor Unite ale Americii.

2003: RSI Global Services începe comercializarea produselor Kodak, folosind formatul JPEG 2000. Este pusă în practică iniţiativa guvernului SUA de acces la datele geospaţiale şi informaţie.

2004: ESRI lansează aplicaţia ArcGis 9, incluzând şi produsele ArcGIS Engine şi ArcGIS Server. RSI împreună cu Remote Sensing Systems (RSS) divizie a companiei Eastman Kodak Company sunt cumpărate de ITT Corporation.

2005: Este lansată versiunea GRASS 6.0.0, aplicaţie ce prezintă o nouă interfaţă şi suport pentru baze de date. Google lansează două servicii: GoogleMaps, ce utilizează tehnologii noi pentru aplicaţiile Web-Gis (AJAX, Asynchronous JavaScript şi XML) şi GoogleEarth.

2006: Este lansata versiunea GRASS 6.1.0. Are loc la Lausanne în Elveţia “FOSS4G2006 – Free And Open Source Software for Geoinformatics”.

2007: Leica Geosystems cumpără ER Mapper. ESRI a anunţat disponibilitatea primei versiuni publice a aplicaţiei ArcGIS Explorer 9.2. DLR a făcut publice monstre ale primelor imagini capturate cu ajutorul senzorului radar amplasat la bordul satelitului TerraSAR-X. ESRI a făcut public Service Pack 3 pentru ArcGIS 9.2, ArcIMS 9.2 şi ArcSDE 9.2. Are loc “FOSS4G2007 – Free And Open Source Software for Geoinformatics”, eveniment ce a fost susţinut în localitatea Victoria, Canada. De asemenea este adoptată Directiva 2007/2/CE a Consiliului şi Parlementului European, în vederea stabilirii unei Infrastructuri pentru datele spaţiale în Uniunea Europeană, denumită INSPIRE.

Astăzi, GIS-ul este mult mai prietenos şi nu mai este folosit doar de experţi, el fiind utilizat şi de geologi, ecologi, doctori, economişti, etc. Cu ajutorul lui se pot accesa, gestiona date în diferite formate şi stocate în diferite locuri. Aplicaţiile sunt în mare măsură axate pe gestionarea cat mai bună a diferitelor fenomene, şi de luarea de decizii eficiente (Spatial Decision Support Systems).

10

3. Sisteme de reprezentare a hărţilor digitale

Problema care a apărut era: cum să introducem o hartă în calculator, adică cum să fie ea reprezentată intern? Fiind vorba de un calculator numeric, este evident că stocarea trebuie făcută sub formă de coduri numerice. După experienţe îndelungate, s-a convenit ca reprezentarea internă a unei hărţi să se facă în două sisteme: sistemul vector şi sistemul raster.

În sistemul vector harta este construită, în mare, din puncte şi linii, fiecare punct şi extremităţile liniilor fiind definite prin perechi de coordonate (x,y). Acestea pot forma arce, suprafeţe sau volume (în cazul în care se mai ataşează încă o coordonată). Caracteristicile geografice sunt exprimate prin aceste entităţi: o fântână va fi un punct, un punct geodezic va fi de asemenea un punct; un râu va fi un arc, un drum va fi de asemenea un arc; un lac va fi un poligon dar şi o suprafaţă împădurită va fi un poligon. În sistemul raster, imaginile sunt construite din celule numite pixeli. Pixelul, sau unitatea de imagine, este cel mai mic element de pe o suprafaţă de afişare, căruia i se poate atribui în mod independent o intensitate sau o culoare. Fiecărui pixel i se va atribui un număr care va fi asociat cu o culoare. Entităţile grafice sunt construite din mulţimi de pixeli. Un drum va fi reprezentat de o succeiune de pixeli de o aceeaşi valoare; o suprafaţă împădurită va fi identificată tot prin valoarea pixelilor care o conţin.

Între cele două sisteme există diferenţe privind modul de stocare, manipulare şi afişare a datelor. În fig. 3.1 sunt prezentate, într-un mod simplificat, cele două sisteme de reprezentare ale aceleiaşi realităţi. Am păstrat aceeaşi unitate de lungime pentru sistemul vector cu dimensiunea celulei din sistemul raster.

Ambele sisteme au avantaje şi dezavantaje. Principalul avantaj al sistemului vector faţă de cel raster este faptul că memorarea datelor este mai eficientă. În acest sistem doar coordonatele care descriu trăsăturile caracteristice ale imaginii trebuiesc codificate. Se foloseşte de regulă în realizarea hărţilor la scară mare. În sistemul raster fiecare pixel din imagine trebuie codificat. Diferenţa între capacitatea de memorare nu este semnificativă pentru desene mici, dar pentru cele mari ea devine foarte importantă. Grafica raster se utili-zează în mod normal atunci când este necesar să integrăm hărţi tematice cu date luate prin teledetecţie.

Fig. 3.1 Reprezentarea vector şi raster a aceluiaşi areal

I. Sistemul vector Sistemul vector se bazează pe primitive grafice. Primitiva grafică este cel mai mic

element reprezentabil grafic utilizat la crearea şi stocarea unei imagini vectoriale şi recunoscut ca atare de sistem. Sistemul vectorial se bazează pe cinci primitive grafice:

1) Punctul; 2) Arcul (sau linia ce uneşte punctele);

11

3) Nodul (punct care marchează capetele unui arc sau care se află la contactul dintre arce);

4) Poligonul (arie delimitată de arce); 5) Corpul (volum determinat de suprafeţe). Obiectele cartografice simple sunt alcătuite din primitive. Obiecte cartografice mai

complexe precum şi obiectele geografice sunt obţinute din combinarea obiectelor simple. În continuare vom detalia aceste noţiuni într-o manieră simplificată având drept

scop înţelegerea lor şi nu tratarea sub toate aspectele care pot apare într-un soft GIS. Punctul este unitatea elementară în geometrie sau în captarea fotogrametrică. Nu

trebuie confundat cu celula din reprezentarea raster, deoarece el nu are nici suprafaţă nici dimensiune. El reprezintă o poziţionare în spaţiu cu 2 sau 3 dimensiuni. Fiecare punct va fi înregistrat într-un fişier sub formă de tabel care conţine două coloane (fig. 3.2.). În prima coloană va apare un număr de identificare (care este unic), iar în a doua coloană coordonatele punctului în sistemul de referinţă ales. Pentru ca aceste puncte să fie afişate pe monitor sau imprimantă, se scrie un program (într-un limbaj de programare) care va conţine instrucţiuni privitoare la configurarea ecranului, instrucţiuni de citire din fişier a numerelor care reprezintă coordonatele şi în final, instrucţiunile de afişare pentru echipamentul de ieşire (monitor sau imprimantă). În cadrul produselor GIS aceste programe sunt înglobate într-o structură mare (care reprezintă de fapt software GIS) şi care este apelat prin comenzi ce apar fie sub formă de meniuri, fie sub formă de icoane. De exemplu o comandă pe care putem să o numim View poate realiza afişarea pe ecran, iar o comandă Print va produce listarea la imprimantă sau plotter, funcţie de driverul instalat pe calculatorul respectiv. Aceasta este, în mare, modul cum este organizat un produs GIS ce priveşte afişarea unui grafic. În mod similar se efectuează şi afişarea arcelor sau a poligoanelor. Nu discutăm acum felul în care se introduc datele în calculator.

Fig. 3.2 Reprezentarea grafică şi tabelară a punctelor

Arcul este o succesiune de joncţiuni (legături) între o succesiune de puncte. Este

vorba de o entitate dublă, el fiind format din una sau mai multe joncţiuni, ele însele reunind două puncte sau mai multe puncte. De cele mai multe ori joncţiunea este o dreaptă. Astfel, un arc este, în general, o linie frântă ce uneşte direct două puncte ale parcursului. O linie frântă poate aproxima suficient de bine orice curbă prin micşorarea segmentelor. Un arc este orientat direct în sensul parcursului, de la punctul iniţial la cel final. Ca şi în cazul punctelor, înregistrarea pe disc se va face sub formă tabelară (fig. 3.3). În prima coloană vom avea numărul de identificare, iar în coloana a doua vor fi trecute toate coordonatele segmentelor care formează arcul. Aici nu s-au pus în evidenţă nodurile. Arcul este o entitate de bază în modelele vectoriale şi este asociat cu entitatea nod.

12

Fig. 3.3. Reprezentarea grafică şi tabelară a arcelor fără specificarea nodurilor

Nodul este definit ca o extremitate de arc şi nu trebuie confundat cu conceptul de punct abordat mai sus. Un arc este obligatoriu mărginit de un nod de origine şi un nod destinaţie (vezi modelul topologic de reţea). Nodurile indică sensul de parcurgere al arcului. Astfel definit, fiecare nod este un vârf al unui graf. Un graf este planar nu dacă este în plan, ci dacă toate intersecţiile dintre arce formează noduri. În figura 3.4. este reprezentată o reprezentare posibilă a unor arce în care s-au identificat nodurile. În această situaţie fişierul conţine în plus două coloane, care vor conţine nodul de început şi respectiv nodul final. Deşi arcele 2 şi 3 formează un poligon, aici acesta nu este recunoscut ca atare.

Fig. 3.4. Reprezentarea grafică şi tabelară a arcelor cu specificarea nodurilor

Poligonul este delimitat de un parcurs de arce, ele însele fiind conectate de noduri definite într-un graf planar. Unui poligon îi este ataşat în mod obligatoriu un nod izolat, numit centroid. Acest nod privilegiat permite construirea suprafeţelor în jurul lui, până la limitele formate de arcele întâlnite. În figura 3.5 am redat două poligoane cu tabelul corespunzător fără a se specifica proprietăţile lor topologice. Combinaţii de poligoane formează suprafeţe bidimensionale sau tridimensionale.

Volumele, ca şi primitive grafice, sunt tratate mai puţin de produsele soft, de aceea

nu le vom detalia. Amintim doar faptul că, anumite pachete de programe oferă posibilitatea de a lua în considerare, de a calcula şi de a reprezenta prisme sau volume simple. Ele aproximează cu o precizie suficientă volumele de pe hărţile reprezentate în trei dimensiuni (3D). Reprezentarea uzuală a unei suprafeţe în 3D se face prin diferite tehnici cum ar fi izoliniile, TIN etc.

13

Figura 3.5. Reprezentarea grafică şi tabelară a poligoanelor

14

4. Modele vectoriale

Modelul este o reprezentare convenţională a structurilor de date într-un context precizat, în care se identifică natura datelor (aici primitivele grafice), operatorii care acţionează asupra structurilor de date, precum şi restricţiile impuse pentru menţinerea corectitudinii datelor (reguli de integritate).

Sistemul de reprezentare vector a generat mai multe modele, dintre care vom prezenta trei, ele fiind şi cele mai importante şi cele mai reprezentative:

1. modelul spagheti, care utilizează numai primitivele punct şi arc; 2. modelul topologic de reţea (topologic liniar), care adaugă la spagheti primitiva

nod; 3. modelul topologic de suprafaţă (topologic în două dimensiuni), care la

precedentul adaugă primitiva poligon. 1. Modelul topologic de volum (topologic în 3D), actualmente în curs de

dezvoltare, nu va fi abordat. Modelul spagheti este un model relativ simplu privitor la gestiunea geometriei

obiectelor, având ca scop principal de a le desena. Aşa cum am precizat acest model utilizează primele două primitive menţionate: punctul şi arcul. Aşa cum am mai amintit, noţiunea de arc este specifică modelelor vectoriale topologice, care în mod implicit (dacă luăm definiţia din teoria grafurilor) trebuie să aibă o orientare, adică un punct de start şi un punct de sfârşit. Aici arcul este de fapt o simplă linie frântă. Uneori se foloseşte şi termenul de polilinie. Poate că apare o anumită ambiguitate în definirea arcului. Acest lucru este similar cu confuzia dintre dată şi informaţie. Stricto senso noţiunea de arc nu poate fi utilizată în modelul spagheti, situaţie care nu se respectă întotdeauna.

Este important de menţionat faptul că, în acest model, poligonul este un rezultat al închiderii unui arc şi nu este privit ca o primitivă grafică, deci nerecunoscut ca atare.

Neajunsuri ale modelului spagheti: - graful nu este întotdeauna planar (poligoanele se pot suprapune); - fiecare arc este independent (pot apare linii dublate); - fiecare poligon poate fi descris în mod independent de celelalte poligoane prin

arcul care îl delimitează, mai precis el este recunoscut prin arcul închis care formează conturul său.

În figura 4.1. am înfăţişat câteva situaţii posibile în cazul modelului spagheti care pot crea probleme în gestiunea datelor spaţiale. În general fişierele DXF sunt de tip spagheti. Ele pot fi citite şi afişate de produsele GIS, dar nu şi prelucrate. Pentru a putea fi prelucrate acestea trebuiesc supuse unor operaţii (conversii), rezultatul fiind un fişier propriu al produsului GIS respectiv.

Următoarele două modele se numesc modele topologice. Termenul a fost împrumutat din matematică. În ceea ce ne priveşte, putem accepta faptul că topologia studiază poziţia relativă a obiectelor independente de forma lor exactă, de localizarea lor topografică şi de mărimea lor. Astfel liniile pot fi conectate, suprafeţele pot fi adiacente etc. Cu alte cuvinte topologia exprimă relaţia spaţială dintre primitivele grafice. De exemplu topologia unui arc include definirea nodului de origine şi a nodului de destinaţie (în cazul modelului topologic de reţea) şi respectiv a poligonului din stânga şi dreapta (în cazul modelului topologic de suprafaţă). Datele redundante (coordonatele) sunt eliminate deoarece un arc poate reprezenta o linie sau numai o parte din ea. Altfel spus este vorba de o localizare fără coordonate. Existenţa relaţiilor topologice permite o analiză geografică mai eficientă, cum ar fi modelarea scurgerii lichidelor pe reţelele de apă/canal, combinarea poligoanelor (suprafeţelor) cu caracteristici similare.

15

Fig. 4.1. Model vectorial de tip spagheti

2. Modelul topologic de reţea adaugă modelului spagheti entitatea numită nod.

Există noduri izolate, independente de reţeaua de conexiuni, precum şi noduri legate. Un arc are obligatoriu un nod origine şi un nod destinaţie. Pe traseul unui arc pot exista mai multe noduri, acestea însă aparţin numai la un singur arc (atunci când avem intersecţii de arce şi graful este planar).

Se utilizează cu precădere în hărţile ce reprezintă distribuţii într-o reţea (cabluri telefonice, electricitate, gaz etc.)

În figura 4.2. avem un exemplu de codificare topologică de reţea. Reprezintă o hartă posibilă a unei reţele de drumuri. Se observă că înregistrarea constă din două tabele: unul pentru codificarea topologică şi altul pentru lista coordonatelor punctelor ce formează arcele, respectiv reţeaua.

Fig. 4.2. Modelul topologic de reţea

3. Modelul topologic de suprafaţă este cel mai complet. El adaugă modelului

topologic de reţea poligoanele delimitate la stânga şi la dreapta fiecărui arc. În plus suprafaţa este construită obligatoriu în jurul unui nod izolat, care nu aparţine parcursului arcelor.

Apariţia suprafeţei induce două asociaţii suplimentare: un arc are obligatoriu un singur poligon la stânga şi un singur poligon la dreapta. Invers, un poligon este situat, fie la stânga, fie la dreapta unui arc sau a mai multor arce. În fine, graful acestui model este obligatoriu planar. În figura 4.3. avem un caz posibil de hartă vectorială în codifi-carea

16

topologică de suprafaţă. Nodurile nu au fost numerotate deoarece, în acest caz nu mai este necesar.

Fig. 4.3. Modelul topologic de suprafaţă

17

5. Modelul raster

Sistemul raster generează un singur model numit model raster, sau model matricial. Aşa cum am văzut, acesta este compus din celule mici de formă pătrată sau dreptungiuriulară, având o suprafaţă de regulă egală cu rezoluţia sistemului. Am spus de regulă, deoarece nu întotdeauna pixelul este considerat ca unitatea de referinţă, ci celula convenţională, care este formată din mai mulţi pixeli. Acest lucru este relevant atunci când pe o hartă în sistem raster se face o scalare (adică se aplică un factor de multiplicare a imaginii) pe o porţiune din ea. Imaginea va fi constituită din pătrate, iar continuitatea se pierde. În prima sa formă, sau dacă vreţi în forma originală, pentru a satisface cerinţele de acurateţe, harta digitală raster va avea celula egală cu un pixel. Încă o dată precizăm că este vorba de reprezentarea internă a hărţii, care poate să coincidă sau nu cu rezoluţia monitorului sau a altor echipamente (plotter, imprimantă). În cazul în care monitorul are o rezoluţie mai slabă decât cea reprezentată intern, harta vizualizată va avea acurateţea monitorului, adică mai slabă. Invers dacă monitorul are o rezoluţie mai bună, afişarea va fi la nivelul rezoluţiei interne. Totuşi există o anumită corelare între posibilităţile programelor de manipulare a datelor şi de performanţele echipamentelor periferice. De altfel, fiecare produs soft oferă o listă cu echipamentele I/E cu care este compatibil. Orice abateri de la aceste reguli conduce la imposibilitatea funcţionării corecte a programelor.

În general sistemul raster este un mare consumator de resurse. Pentru a ilustra necesarul de suport în stocarea unei hărţi în format raster, vom da câteva exemple.

O imagine format A4 (210x297 mm), reprezintă, cu o rezoluţie a unei imprimante laser, aproximativ 9 milioane de celule (300 d.p.i = 12 puncte/mm şi 12x12 = 144 puncte/mm

2 şi 144x210x297=8981280).

Modelul raster este simplu, el conţinând două entităţi: celula şi imaginea. Este important de notat că o celulă nu are decât o singură valoare şi că această valoare este valabilă pe toată suprafaţa celulei, chiar dacă în procesul de actualizare sunt disponibile informaţii mai fine. Poziţia ei este definită prin număr de linie şi număr de coloană într-o imagine şi numai una. Este clar că în această entitate nu intră obiectele geografice. Acestea din urmă nu pot fi recunoscute decât după tema imaginii şi valoarea de atribut a fiecărei celule. O imagine presupune una sau mai multe celule. Fiecare imagine este definită de tema sa şi de un număr de imagine. Teritoriul care conţine această imagine este definit de coordonate şi de extremităţi. Aceste caracteristici conţin şi unitatea de măsură şi atributul fiecărei celule. În consecinţă putem rezuma:

CELULA IMAGINEA valoare temă - nr linie nr imagine - nr coloană X,Y minim X,Y maxim După cum aţi observat, se uzitează denumirea de imagine raster şi nu de hartă

raster. Aceasta deoarece imaginile digitale sunt în format raster. Atragem atenţia de pe acum că, o imagine satelitară digitală nu este propriu-zis o hartă. Ci din această imagine, în urma procesării ei şi a codificării proprii unui soft cartografic (sau GIS) va rezulta o hartă digitală. Deci trebuie să fim atenţi atunci când vorbim despre imagine raster să se înţeleagă exact ce reprezintă aceasta.

Un pixel este definit de un număr de linie şi un număr de coloană. Spre deosebire de modelele vector în care originea este în stânga jos, aici originea este în stânga sus (0,0). În figura 5.1. avem o matrice de celule de 8 linii x 13 coloane. Aceasta se materializează printr-un fişier care va conţine numerele respective. Numărătoarea celulelor merge de la

18

stânga la dreapta şi de sus în jos. Înregistrarea fizică a imaginii este o singură coloană lungă de numere formată, în cazul nostru: 0,0,0,1,1,1,2,1,1,0,0,1,1,3,3,3,1,3,3,2,2... Aceste numere pot fi reprezentate intern prin bytes, numere întregi sau numere reale.

Reprezentarea unui număr pe un byte implică 8 biţi şi deci 256 de posibilităţi; în cazul numerelor întregi avem gama -32768 până la 32767, adică 65435 variante şi sunt necesari 2 bytes; pentru cazul real avem un domeniu vast şi anume -10

38, +10

38, cu o

precizie de 7 cifre semnificative, pe 4 bytes. De cele mai multe ori este suficientă o reprezentare internă pe un byte (situaţie întâlnită şi la imaginile satelitare). Însă anumite prelucrări asupra hărţilor conduce la necesitatea reprezentării în numere reale. Numărul de bytes utilizaţi în reprezentare, va decide volumul ocupat pe disc.

Fig. 5.1. Modelul raster înfăţişat ca o matrice Se observă că o succesiune de numere aşa cum am făcut mai sus este cu totul

neeconomică. În consecinţă s-a adoptat un sistem de reprezentare "împachetat" de genul: 3,0,3,1,1,2,2,1,2, 0,2,1,3,3... care semnifică 3 valori de 0, 3 de 1, o valoare de 2 etc. În acest mod avem o economie importantă dacă valorile se repetă mult în secvenţă.

O altă metodă mai eficientă de stocare a datelor raster este cea bazată pe structura ierarhică cunoscută sub numele de quad-tree. Principiul este următorul: imaginea este împărţită în patru, rezultând patru dreptunghiuri sau pătrate mai mici (pe care le vom numi quadrante), fiecare quadrant se împarte din nou în patru. Procedeul se repetă până când se obţin quadrante cu o structură omogenă (adică au aceeaşi valoare a pixelilor). Mai precis, în momentul în care un quadrant are o aceeaşi valoare pe întreaga suprafaţă descompunerea este oprită pe acestă ramură, ea continuând pentru quadrantele care prezintă valori diferite ale pixelilor. În orice caz procesul se opreşte la nivel de pixel (Fig 5.2). Am ales pentru exemplificare o reprezentare booleană adică 1 şi 0 (1 pentru negru şi 0 pentru fond), aşa cum este înfăţişată în fig. 5.3.

Fig. 5.2. Structura quad-tree Fig. 5.3. Împărţirea în quadrante

19

Structura arborelui este dată în figura 5.4. Pentru imagini cu valori diferite ale pixelilor, structura este similară, doar că este mai complexă. Această metodă de stocare este eficientă când imaginea conţine suprafeţe mari de o aceeaşi valoare. Imaginea raster va fi asociată cu un tabel de pointere care localizează quadrantul din cadrul descompunerii şi un tabel de indici care arată de câte ori a fost împărţit quadrantul.

Fig. 5.4. Structura arborescentă quad-tree

Fişierul imagine poate fi stocat în format ASCII, binar, binar împachetat, quad-tree, sau într-o codificare proprie. Formatul ASCII nu este cel mai economicos, dar prezintă avantajul că poate fi vizualizat şi modificat cu comenzi ale Norton Commander sau Notepad din Windows. Formatul binar este, de obicei, formatul standard de lucru cu fişierele imagine. Formatul binar împachetat este un format special de compresie pentru fişiere binare întregi sau byte. Se utilizează, de regulă, pentru economisirea spaţiului pe disc.

O mulţime de pixeli învecinaţi formează linii şi arii poligonale. În acest sistem liniile şi ariile poligonale nu conservă continuitatea spaţiului real, de unde rezultă o deformare a realităţii spaţiale. Mărimea acestei deformări este în funcţie de rezoluţia utilizată. La ora actuală, la sistemele de mare rezoluţie această deformare este acceptabilă.

Calitatea imaginilor raster este pusă în valoare atunci când se reprezintă fenomene de mare variabilitate. De exemplu, altimetria şi batimetria se pretează mai bine la o astfel de reprezentare. Analiza la nivel de celulă permite evidenţierea unor proprietăţi importante ale terenului, cum ar fi depistarea unor arbori bolnavi. Aceasta depinde şi de scara la care se lucrează. Datorită simplităţii lor, reprezentările raster se pretează la anumite tipuri de analiză. Dacă o celulă nu poate să aibă decât o singură valoare, nu înseamnă că nu este posibilă combinarea mai multor pixeli din imagini diferite, prin suprapunere. Combinarea straturilor face obiectul Analizei Spaţiale. Programele care compun procedurile de calcul pe imagini raster sunt mai simple decât cele corespunzătoare modelelor vectoriale. Timpul de execuţie, însă, poate fi mai scurt sau mai lung, funcţie de mărimea fişierului şi de performanţele procesorului.

20

6. Caracteristicile hărţilor digitale Rezoluţia în sistem vector, reprezintă cel mai mic increment pe care îl poate

detecta un digitizor. Sau altfel spus, distanţa cea mai mică dintre două puncte care este sesizată prin sistemul de coordonate, ca fiind diferite. Această caracteristică depinde de echipamentul şi softul utilizat în crearea hărţii precum şi de prelucrarea şi afişarea ei pe monitor sau plotter. Acest increment, referit în teren, este dependent de scara hărţii. La o scară mică distanţei dintre două puncte îi corespunde o distanţă reală mai mare. De exemplu la o scară 1:500000 un digitizor cu un increment de 0.1 mm va produce o distanţă reală de 50 m. Deci nu se pot sesiza caracteristici geografice sub această dimensiune. Apariţia unor caracteristici care au dimensiuni sub 50 m, cum ar fi de exemplu reţeaua de drumuri, este dictată de scopul pentru care a fost făcută harta. Drumurile sunt reprezentate prin semne convenţionale şi deci nu reprezintă o dimensiune reală în teren la această scară. La scara 1:25000 un acelaşi increment de 0.1 mm va produce în teren o distanţă reală de 2.5 m. În această situaţie drumurile vor reprezenta caracteristici geografice reale (şi nu convenţionale) având definită şi lăţimea, într-o marjă de eroare de 2.5 m. De cele mai multe ori şi la această scară se folosesc tot semne convenţionale. Precizăm faptul că, rezoluţia digitizoarelor este mult mai bună decât valoarea dată ca exemplu, problema preciziei find transferată abilităţii operatorului.

În sistemul raster rezoluţia reprezintă dimensiunea maximă din teren care îi corespunde unui pixel (definiţia este aceeaşi cu cea a rezoluţiei unei imagini digitale). De exemplu o rezoluţie de 10 m înseamnă că, un pixel este asociat cu o suprafaţă de 10x10 mp. Şi în sistem raster situaţia este similară, adică nu se sesizează caracteristici geografice sub rezoluţia hărţii. Deoarece sistemul raster se utilizează în special pentru reprezentarea suprafeţelor continue nu se folosesc semne convenţionale pentru caracteristici geografice liniare. În cadrul unor proiecte se utilizează combinaţii între vector ţi raster, cum ar fi suprapunerea unei hărţi vectoriale peste o imagine raster, în vederea unei analize. Evident, se presupune că acestea reprezintă un acelaşi areal la aceeaşi scară.

Există o legătură strânsă între georeferenţiere (vezi mai jos) şi rezoluţie. Când se face asocierea unor puncte de coordonate geografice cunoscute din teren cu componentele de pe o hartă, precizia asocierii este la limita rezoluţiei. Cu alte cuvinte, determinarea cu o precizie mai bună a unui punct din teren decât rezoluţia hărţii devine un lucru util. De exemplu la o hartă de 1:25000 un punct este suficient dacă este determinat un punct cu o precizie de 2.5 m.

Acurateţea este distanţa la care o valoare estimată diferă de valoarea reală.

Acurateţea este strâns legată de precizie, cu care deseori se confundă. În măsurătorile fizice precizia reprezintă numărul de cifre semnificative exprimate într-un anumit sistem. Acurateţea este exprimată în mod obişnuit în termeni ai unui interval. De exemplu, 24.51±0.03 cm indică faptul că valoarea adevărată se găseşte între 24.48 cm şi 24.54 cm.

Acurateţea poziţională este una din problemele esenţiale ale georeferenţierii. În cartografia tradiţională acurateţea este invers proporţională cu scara. De exemplu, o hartă la scara 1:10000 are o acurateţe mai bună decât una la 1:100000. În cazul hărţilor digitale situaţia este mai complexă deoarece în cadrul GIS putem avea hărţi în diferite sisteme de coordonate (în cazul vector) sau diferite rezoluţii (în cazul raster), iar problema considerării lor iese din cadrul lucrării de faţă.

21

7. Georeferenţierea datelor spaţiale Procesul de asociere a hărţilor digitale cu coordonate geografice reale poartă

numele de georeferenţiere. Există şi aplicaţii în care nu este necesară trecerea la coordonate reale, fiind suficient un sistem local de coordonate (carteziene).

În sistem vector, procesul constă în identificarea cu mare precizie a coordonatelor reale a patru puncte, iar apoi transformarea tuturor punctelor se face pe baza formulelor de transformare. Acest proces poartă denumirea de georeferenţiere continuă. Formulele de transformare cel mai des utilizate sunt cele ale transformării afine:

Xc = A + BX

d + CY

d Y

c = D + EX

d + FY

d

Prin precizarea a trei puncte cu coordonate cunoscute se formează un sistem de şase ecuaţii cu şase necunoscute, rezolvarea acestuia generând şi coordonatele geografice reale.

În cadrul sistemului raster, procedeul este asemănător, doar că se identifică cu precizie coordonatele unui pixel din imagine, ceea ce prezintă un grad de dificultate mai ridicat.

Acest lucru este determinat de faptul că pixelul reprezintă o suprafaţă de teren. Cu cât această suprafaţă este mai mare (rezoluţia hărţii este mai mică), cu atât coordonatele vor fi mai incerte (mai inexacte). După identificarea a patru astfel de pixeli, transpunerea hărţii în coordonate reale se face utilizând formulele de transformare.

În această situaţie transformarea este mult mai dificilă şi experienţa utilizatorului este foarte importantă deoarece o hartă în format analogic poate suferi o serie întreagă de deformări, formulele de transformare utilizate depinzând în mare măsură de acestea.

22

8. Echipamente de introducere şi reproducere a hărţilor

Introducerea datelor cartografice nu este simplă. Dacă datele disponibile sunt în formă analogică, cum ar fi hărţi pe suport de hârtie sau fotograme ele trebuie convertite în formă digitală înainte de a fi importate în GIS. Sunt două căi pentru a realiza această conversie: digitizarea şi scanarea.

Fig. 27 Digitizorul sau tableta grafică

Procesul de digitizare constă în transformarea datelor grafice din format analogic în format digital. Această acţiune presupune existenţa unui digitizor conectat la un calculator şi prevăzut cu un soft specializat.

Procesul de digitizare Procesul de digitizare propriu-zis presupune următoarele etape: - Fixarea punctelor de control şi apoi digitizarea lor. După această

operaţiune se va afişa o eroare calculată prin metoda celor mai mici pătrate (RMSE – Root Mean Square Error). Dacă eroarea este acceptată, se va trece la pasul următor, în caz contrar procesul se reia.

- Fixarea dinensiunilor hărţii. - Digitizarea punctelor. - Digitizarea arcelor. - Digitizarea poligoanelor (dacă este permis în acel strat). - Salvarea fişierului. Procesul de digitizare include şi introducerea codurilor de identificare ale

primitivelor grafice care permit legarea acestora cu datele atribut. Acestea se introduc de la tastatură sau cu ajutorul butoanelor de pe cursor, dacă acest lucru permite şi a fost stabilit dinainte.

Scanarea Procesul de scanare constă în conversia datelor din format analogic (cum sunt

hărţile tradiţionale pe suport de hârtie, imagini aeriene, sau orice altă imagine) în format digital. Modul în care se realizează scanarea este următorul: imaginea este împărţită în puncte (matrice de puncte) fiecăruia atribuindu-i-se un număr în conformitate cu nuanţa de gri sau culoarea de pe original. Procesul este analog cu fotocopierea. Un fotocopiator scanează imaginea şi apoi o reproduce imediat pe hârtie. Un scaner copiază imaginea şi apoi o stochează într-un fişier raster, care ulterior poate fi prelucrat utilizând un produs de procesare de imagini. Cel mai uzual format este TIFF (Tag Image File Format). Rezultatul va fi un fişier în sistem de reprezentare raster. Acest fişier se poate utiliza fie pentru o simplă afişare sau în combinaţie cu alte elemente ale BDS (hărţi vectoriale sau imagini), fie pentru a obţine o hartă vectorială.

23

După scanare, următoarea fază este editarea, în care, după ce am determinat precis, cele trei categorii de date: date utile (puncte, linii, poligoane), simboluri (adnotaţii sau semne convenţionale) şi zgomot se procedează la următoarele operaţiuni:

- îndepărtarea zgomotului; - îndepărtarea simbolurilor (dacă este necesar); - vectorizarea; - adăugarea de date suplimentare (dacă este necesar); - corecţia erorilor; - geocodificarea; - crearea topologiei; - georeferenţierea. “Zgomotul” este un termen preluat din acustică, şi reprezintă date care sunt

înregistrate şi nu sunt utile, datorită unor perturbaţii apărute în procesul de scanare. Dacă fişierul raster rezultat va fi folosit doar ca o simplă imagine compilată, doar zgomotul trebuie îndepărtat. În cazul în care aceasta se doreşte a fi un strat tematic (coverage) trebuie îndepărtate şi simbolurile. La o prelucrare şi o imprimare ulterioară acestea vor fi adăugate pe hartă conform regulilor produsului GIS folosit.

Date preluate prin GPS Capacitatea de a cunoaşte poziţia exactă şi distanţa faţă de un anumit obiectiv este

crucială pentru foarte multe activităţi. De-a lungul timpului, mai multe tipuri de tehnologii au încercat, cu mai mult sau mai puţin succes, să ajute la realizarea acestui deziderat. Dintre toate acestea, una a reuşit să schimbe în mod radical sistemul de poziţionare. Actualmente este posibil să se măsoare poziţia geodezică a unui punct de pe suprafaţa Pământului, cu o eroare de câţiva centimetri, fără a utiliza reperele geodezice existente.

Dezvoltat de către Departamentul Apărării al S.U.A, GPS (Global Positioning System) este un sistem de orientare global bazat pe 24 de sateliţi care orbitează deasupra Pământului. Sistemul are la bază procedeul numit şi triangulaţie spaţială, în care pe lângă staţia mobilă de la sol sunt implicaţi încă patru sateliţi.

Staţiile GPS utilizează aceşti sateliţi pentru a calcula poziţia cu o precizie mai mare de un metru. De fapt, cu forme avansate ale GPS se pot face măsurători cu o precizie mai mare de un centimetru. Deoarece sateliţii sunt pe o orbită foarte înaltă, ei evită erorile cauzate de suprafaţa terestră şi, fiind concepute în principal pentru scopuri strategice, produsele GPS au o rezistenţă mare la interferenţe de undă.

Staţiile GPS sunt în prezent mai mici şi mai economice decât înainte, devenind cu adevărat accesibile oricui. Datorită caracteristicilor şi accesibilităţii sale, aplicaţiile

GPS sunt aproape nelimitate: oameni de ştiinţă, militari, personalul din transporturi şi oameni din multe alte domenii utilizează GPS pentru a-şi face munca mai productivă şi mai uşoară.

Principiile fundamentale ale GPS sunt destul de simple. În primul rând, pentru a afla poziţia exactă, sistemul foloseşte ca metodă de bază triangulaţia. Pentru a face triangulaţia, o staţie GPS măsoară distanţa până la satelit, calculând cât timp îi este necesar semnalului radio emis de satelit să ajungă la ea. Acest interval de timp poate fi uşor determinat, deoarece undele electromagnetice circulă cu viteza luminii. Un element care dacă nu este stabilit clar poate genera erori este determinarea exactă a momentului când semnalul radio pleacă de la satelit. Pentru a face acest lucru constructorii sistemului GPS au sincronizat satelitii şi receptoarele astfel încât ele generează acelaşi semnal radio codificat (pseudo – random code) materializat printr-o succesiune de cifre binare (0 şi 1), pe o lungime de undă în domeniul radio, în acelaşi moment. Ulterior se primesc codurile

24

de la satelit şi se măsoară intervalul de timp scurs până când receptorul generează acelaşi cod.

Pentru a determina pozitia exactă receptoarele calculează distanţele măsurate până la patru sateliţi diferiţi. De fapt măsurătorile de la trei sateliţi sunt suficiente pentru a stabili o poziţionare tridimensională (latitudine, longitudine, altitudine). Oricum, cea de-a patra este folosită pentru a verifica semnalul şi pentru eventuale corecţii.

Aceasta se datoreşte faptului că staţiile staţiile de la sol nu folosesc un sistem precis de măsurare a timpului asemănătoare celor instalate pe sateliţi (ceasuri atomice), ci ceasuri cu cuarţ, care au o precizie de 10

-9 secunde (în cazul de staţiilor performante). Pentru ca

aceşti sateliţi să poată fi utilizaţi ca sisteme de referinţă pentru măsurătorile de distanţă, trebuie cunoscută poziţia lor exactă.

"Constelaţia" sateliţilor GPS (după P.H.Dana, 1994) (21 de sateliţi, 3 sateliţi operaţionali de rezervă, 6 planuri orbitale, 55° înclinare,

20200 km altitudine, perioada de rotaţie12ore)

Orbitele foarte stabile şi exacte ale sateliţilor la 20000 km altitudine, precum şi monitorizarea foarte exactă a lor, asigură acurateţea semnalului radio. La sfârşitul măsurătorilor trebuie executate corecţii asupra uşoarelor perturbaţii ale semnalului.

Unul dintre principalii perturbatori ai semnalului este atmosfera terestră, care poate deregla semnalul la trecerea prin ea. După cum se ştie, pătura înaltă a atmosferei, ionosfera, conţine particule încărcate şi influenţează propagarea undelor electromagnetice. Cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât semnalul este mai frânat (poate genera erori de până la 10 m). Troposfera poate induce erori în semnal cu circa 1 m datorită faptului că ea înregistrează modificări de temperatură, presiune şi umiditate. Un alt factor perturbator sunt vaporii de apă din atmosferă, dar acest fenomen este aproape imposibil de corectat.

O altă cauză perturbatoare poate fi prezenţa unor obstrucţii locale (clădiri înalte) pe care semnalul le întâlneşte înainte de a ajunge la staţie.

În unele cazuri chiar şi poziţionarea sateliţilor poate produce erori: cu cât sateliţii folosiţi în măsurători sunt mai apropiaţi, cu atât rezultatul măsurătorii poate fi mai slab.

25

La aceste perturbaţii se mai adaugă faptul că Departamentul Apărării al SUA, în scopuri strategice, reduce acurateţea semnalului în mod intenţionat, introducând o undă perturbatoare.

În scopuri militare sunt folosite canale speciale de transmitere a datelor, în timp ce pentru ceilalţi utilizatori există un cod standard numit C/A code (Course/Acquisition code) numit şi cod civil. Evident domeniul acesta este afectat de perturbaţii. Această acţiune poartă denumirea de disponibilitate selectivă (Selective Availability) şi poate conduce la o eroare de câteva sute de metri.

26

9. Modele digitale de teren (modele digitale de elevaţie – DEM)

Forma terenului este percepută ca o suprafaţă ce variază continuu, care poate fi reprezentată prin izolinii – izocurbe (curbe de nivel sau izohipse). Orice reprezentare digitală a variaţiei continue a reliefului în spaţiu este denumită Model Digital Altimetric (MDA sau DEM) sau model digital al terenului (MDT). Si alte mărimi z pot fi modelate cu metodele aplicate altitudinii. de exemplu presiunea, temperatura, aciditatea solului, poluarea terestră etc.

9.1. Utilizări importante ale DEM 1. Memorarea sau stocarea cotelor în baze de date zonale, naţionale sau globale; 2. Probleme de decopertare si umplere la proiectarea drumurilor; 3. Afişarea tridimensională a formei terenului pentru scopuri de vizualizare

(arhitectura peisajului); 4. Analiza vizibilităţii (pe o direcţie, în toate direcţiile); 5. Planificarea traseelor drumurilor, a poziţiilor barajelor sau liniilor electrice; 6. Analize statistice si comparaţii ale tipurilor de teren; 7. Calculul pantei, aspectului (direcţiei de pantă maximă), şiroirii şi eroziunii; 8. Ca fundal pentru afişarea altor informaţii tematice; 9. Furnizare de date pentru modele de simulare a imaginii; 10. Substituirea cotei z cu alte variabile precum costul, populaţia, zgomotul,

poluarea, aciditatea solului, adâncimea pânzei de apă freatică, presiunea aerului la sol, temperatura, nivelul de consum al unor produse etc.

9.2 Metode de reprezentare a DEM 1. Metode matematice: a) Globale - serii Fourier sau polinoame de diferite ordine; b) Locale - elemente areale (parcele) regulate şi neregulate; 2. Metode imagine: a). Modele de linii - felieri orizontale / verticale / linii critice (linii de creastă, cute anticlinale, cursuri de apă, linii de ţărm, linii de ruptură); b). Modele de puncte:

- Reţea sau grilă rectangulară regulată cu densitate uniformă şi variabilă (matrici de cote);

- Reţea neregulată, folosind triangulaţia (reţea de triunghiuri oarecare sau Triangulated Irregular Network - RTO sau TIN) sau analiza proximităţii.

9.3 Metode de interpolare 9.3.1 Metoda diferenţelor finite Metoda de interpolare constă dintr-o serie de iteraţii de operaţiuni de netezire a

suprafeţei. Sunt calculate diferenţele finite de diferite ordine şi se aplică o formulă de interpolare bidimensională. Valorile z originale cunoscute în puncte date prin coordonatele X,Y rămân neschimbate. Există trei opţiuni care pot fi alese pentru oprirea iteraţiilor, când este realizată o condiţie din cele specificate.

Prima opţiune specifică numărul maxim de iteraţii pe care rutina trebuie sa le realizeze asupra datelor cartografice înainte de oprire.

27

A doua opţiune specifică toleranţa de convergenţă (diferenţa maximă a mărimilor calculate din două iteraţii succesive, exprimată în procente din precizia cotei).

A treia opţiune este toleranta absolută de convergenţă, care opreşte iteraţiile când diferenţa maximă a mărimilor calculate din două iteraţii succesive este mai mică decât o valoare specificată. Valoarea este dată în unităţi ale altitudinilor reprezentate pe hartă, de exemplu în metri.

9.3.2 Metoda mediei ponderate şi cea a potrivirii unei suprafeţe Ambele metode folosesc valorile X, Y şi Z din punctele vecine punctului unde

trebuie interpolată valoarea Z. Vechile valori Z pot fi si ele modificate. Vecinătatea este dată de raza de valoare dată a unui cerc cu centrul in punctul de interpolat. Valoarea minimă dată este, de regulă, de 1,5 ori mai mare decât latura grilei de puncte ce se determină (raza de scanare pentru aflarea punctelor vecine trebuie sa fie destul de mare pentru a cuprinde un număr minim cerut de puncte şi este şi în funcţie de caracterul variabilei de interpolat - cotă, acceleraţie gravitaţionala, declinaţie magnetică, presiune etc.). Se poate cere să existe cel puţin un punct în fiecare cadran sau în fiecare octant. Se poate stabili şi un număr maxim de puncte pe cadran sau pe octant, de la 1 la 99. Ponderea unui punct este inversul unei puteri a distantei de la punctul cu cotă dată până la punctul de interpolat. Cele două metode de interpolare folosesc date ponderate. Metoda mediei ponderate calculează cota medie a fiecărui punct, pe când metoda a doua determină cele mai potrivite suprafeţe care să treacă prin puncte sau cât mai aproape de puncte, folosind o suprafaţă polinomială, ai cărei coeficienţi sunt determinaţi cu metoda sumei minime a pătratelor erorilor, cunoscută ca metoda celor mai mici pătrate. La calculul ponderii, puterea distantei poate varia de la 1 la 9.

9.4. Surse de date şi metode de eşantionare pentru DEM Datele Z (cote) în puncte de coordonate X,Y ale suprafeţei terestre sunt obţinute, de

regulă, din aerofotogramele stereoscopice, folosind aparate fotogrammetrice analogice, dar mai ales analitice sau digitale. Valorile Z sunt obţinute şi prin digitizarea hărţilor existente. Datele pot fi obţinute şi din ridicări topografice pe suprafaţa terestră, prin măsurarea cu sonarul sau cu un sistem radar etc.

Există numeroase metode de alegere a punctelor pentru DEM în care se determină cota, cunoscute si ca metode de eşantionare, ca de exemplu:

a) Selective - punctele sunt alese înainte de măsurare sau în timpul măsurării; b) Adaptive - punctele redundante sunt înlăturate pe timpul măsurării; c) Progresive - analiza datelor dictează cum va fi făcută selecţia (analiza şi selecţia

sunt făcute împreună). Stabilirea unei serii de subreţele succesive de densităţi din ce în ce mai mari, plecând de la grile de densitate mai mică a punctelor noduri, în funcţie de curbura terenului, calculată din diferenţele cotelor între perechile de puncte vecine.

d) Compuse - ca şi la metodele progresive, mai întâi sunt stabilite zonele de schimbare semnificativă a cotelor, apoi la selecţie se tine cont şi de microrelief, aplicând primele metode combinate pe zone (metodă bună pentru teren cu forme moderate, cu caracteristici morfologice distincte)

9.5 Produse derivate din DEM 9.5.1 Bloc-diagrame, profile şi imagini ale orizontului Aceste forme de reprezentare a DEM sunt preferate pentru vizualizare şi pot arăta

variaţia asociată cu oricare variabilă cantitativă (Z) într-o zonă. Pachetele SURFER,

28

IDRISI, ArcINFO (TIN), ERMapper, ASPEX etc. au proceduri ce pot afişa mulţimi regulate si neregulate de date X, Y şi Z în formă tridimensională ca desene liniare sau reprezentări raster ale umbrelor. Utilizatorul trebuie să specifice un unghi de vedere, rotirea planului orizontal OXY, scările pe axe etc.

9.5.2 Estimarea volumului (pământului) decopertat şi de umplere Mai întâi este construit un DEM prin ridicări topografice înainte de începerea

lucrărilor de teren şi apoi un al doilea îmbunătăţit, care arată precis profilele şi alte detalii. Pe noul DEM pot fi indicate porţiunile ce se decopertează sau se umplu si pot fi calculate prin integrare numerică volumele pământului ce se decopertează sau cu care se completează adânciturile, lucru folositor la planificarea realizării lucrărilor de artă.

9.5.3 Hărţi cu izocurbe (curbe de nivel, izohipse) Prin reclasificarea celulelor matricelor de altitudini in clase de înălţimi (după

echidistanţă) si tipărirea izocurbelor cu diferite culori, tipuri de linii sau tonuri de gri, pot fi obţinute hărţi cu izohipse sau contour maps. Curbele de nivel pot fi realizate folosind determinarea prin interpolare a punctelor de cota cunoscută, prin navigare cu algoritmi speciali în matricea cotelor. Aici sunt determinate valorile X si Y ale punctelor curbei. Dacă datele iniţiale sunt neregulate sau destul de depărtate în spaţiul geometric, determinarea curbelor poate fi precedată de interpolarea înălţimilor unei grile mai fine. Produsul final poate fi obţinut la imprimantă, la un plotter vectorial sau la un fotoplotter raster.

Fig. 9.1 Harta curbelor de nivel

Hărţile cu curbe de nivel pot fi generate şi direct din modele RTO sau TIN prin intersectarea planurilor orizontale (de cotă constantă) cu laturile reţelei. De regulă, este folosită şi o structură secundară de date ale crestelor şi canalelor, ca un ghid pentru punctele de început ale fiecărei curbe.

29

Fig. 9.2 Două reprezentări ale DEM

9.5.4. Hărţi cu zone văzute şi nevăzute (hărţi de vizibilitate) Abilitatea de a determina intervizibilitatea din teren a punctelor este importantă

pentru multe discipline. Pentru a determina intervizibilitatea din hărţile clasice cu izohipse nu este uşor, deoarece trebuie desenate numeroase profile. Cu proceduri specifice fiecărui pachet de programe este uşor sa se construiască prin calcul profile pe orice direcţie, folosind fie reţele rectangulare regulate de puncte cu cote, fie reţele de triunghiulare oarecare.

Cu algoritmi de reprezentare a liniilor ascunse pot fi obţinute imagini cu zonele nevăzute. Este dată poziţia din care trebuie calculata vizibilitatea (punct de vizibilitate sau de vedere). Punctele (celulele) ce nu se văd sunt marcate, fiind realizată o hartă simplă doar cu o variabilă Z ce poate lua doar două valori, respectiv 0 (nu se vede) sau 1 (se vede). Această hartă se combină cu harta generală obţinută din alte straturi.

9.5.5 Hărţi ale pantei, direcţiei de pantă maximă, convexităţii si concavităţii Panta este definită de înclinarea unui plan tangent la suprafaţa modelată de DEM în

orice punct dat şi are două componente - gradientul sau tangenta unghiului de înclinare şi aspectul, azimutul direcţiei de pantă maximă. Gradientul (în %) şi aspectul (în grade) sunt primele două derivate ale suprafeţei cotelor. Derivatele de ordinul al doilea ale acestei suprafeţe dau convexitatea şi concavitatea (convexitatea negativă), variaţia modificării pantei (în grade la 100 m). Sunt determinate local derivatele suprafeţei pentru fiecare celulă din matricea altitudinilor, folosind o fereastră (submatrice sau kernel) de 3 x 3 celule care este mutată succesiv peste hartă. Este determinată o funcţie cuadrică cu 6 parametri din cele nouă celule din fereastră, folosind diferenţele finite şi nu metoda celor mai mici pătrate. Pentru a afişa rezultatele este utilizat un tabel de căutare sau conversie (look-up table), pentru a repartiza claselor nuanţe corespunzătoare de culoare sau de gri. Pentru hărţile direcţiei de pantă maximă sunt definite în mod uzual nouă clase, 8 pentru azimuturi ce aparţin celor 8 octante si una pentru teren plat orizontal.

30

Fig. 9.3 Harta pantelor si harta zonelor umbrite

În hărţile derivate din matricile de altitudini există mai mult zgomot (mai multe erori) decât în suprafaţa originală, deoarece în general rugozitatea creste o dată cu creşterea ordinului derivatei.

9.5.6 Hărţi ale umbrelor reliefului Există multe metode manuale pentru îmbunătăţirea calităţilor vizuale ale hărţilor, în

special reprezentarea diferenţelor de relief în zonele montane. La cartografierea digitală, acest proces poate fi automatizat prin folosirea scărilor de gri şi a tehnicilor de generare a tonului continuu. Harta cu umbrele reliefului calculate dintr-o matrice de altitudinii diferă de fotografiile aeriene prin:

1. este afişată geometria suprafeţei, nu "acoperirea terenului" (obiectele de pe această suprafaţă);

2. poziţia sursei de lumină poate varia, dar este aleasă, de regulă, la 45 de grade fată de planul orizontal, pe direcţia nord-vest;

3. nu este arătat detaliul "fin", deoarece modelul (suprafeţei) terenului a fost netezit si generalizat.

Pentru a realiza o hartă cu umbrele reliefului, trebuie estimate orientarea unui

element dat al suprafeţei (respectiv componentele pantei) şi un model de reflectare a luminii de către un element al suprafeţei când este iluminat de o sursă de lumină plasată la 45 de grade înălţime, spre nord-est (şi variante pentru alte studii). Strălucirea aparentă a elementului de suprafaţă depinde de orientarea sa faţă de sursa de lumină şi de material. Uneori valorile reflectantei sunt obţinute dintr-un tabel de conversie (look-up table), unde pantele sunt convertite în reflectante.

31

Fig. 9.4 Harta cu umbrele reliefului