ArcRevue

ArcRevue 2/99

Software

• ArcInfo verze 8: objektově kompletní GIS
• Imagine Virtual GIS: trirozměrná vizualizace a analýza geografických dat
• Imagine OrtoBaseTM: každý snímek lze využít v GIS
• Nový systém podpory uživatelů ARCDATA PRAHA s.r.o.

V předcházejících článcích o ARC/INFO verze 8 jste měli možnost dozvědět se o vývojových záměrech pro tuto novou verzi. Cílem tohoto článku je vysvětlit objektově komponentní datový model jako nový a velmi důležitý aspekt tohoto produktu. Hlavním důvodem přechodu k objektově komponentnímu modelu je mít k dispozici GIS, který podstatně lépe vyjadřuje reálný svět, má více možností pro rozšiřování a uživatelskou úpravu pro potřeby zohlednění velmi specifických datových modelů se specifickými prvky a použití moderních přístupů v softwarovém inženýrství vedoucích ke zvyšování kvality software a jeho snadnější údržbě.
 

Datový model GIS

Datový model GIS je digitálním vyjádřením geografických objektů a vztahů mezi nimi. Je logickým zobrazením vybraných částí reálného světa. Tvorba datového modelu je proces abstrakce a reprezentace reálného světa v počítači.

V posledních více než třiceti letech bylo s různým úspěchem zkoušeno několik datových modelů GIS. Řada z nich (např. CAD, Image, TIN) je přímo závislých na konkrétní aplikaci. V databázově orientovaném GIS byl georelační model široce a úspěšně uplatňován po více než deset let, nejlépe právě v ARC/INFO. V tomto modelu je geometrie a topologie geografických prvků uložena v systému souborů s atributy v systému řízení báze dat SŘBD (DataBase Management System DBMS). Spojení mezi soubory a databází je spravováno softwarem GIS. Tento model je geometricky zaměřen, modeluje svět jako množinu bodů, linií a ploch, přičemž geometrické operace jsou zpracovány jako samostatné procedury (skripty AML). Tento georelační datový model dobře sloužil uživatelům GIS mnoho let právě díky své flexibilitě, rozšiřitelnosti a velmi dobrému výkonu. Avšak i tento přístup má svá omezení například pro modelování obsahově bohatších geografických objektů a nemůže ani jednoduchým způsobem podporovat uživatelsky nebo oborově specifické prvky.

Během pokusů zohlednit tento problém byl poprvé uveden objektový datový model. Ten umožňuje v systémech GIS modelovat stavy a chování jednotlivých objektů. Stavy objektů mohou být chápany jako vlastnosti či atributy objektů (např. pro objekt lesní porost to může být druh dřeviny, stáří porostu apod.). Chování objektu jsou metody nebo operace, které mohou být s objektem provedeny (např. pro objekt les to opět může být vytvořit, odstranit, vykreslit, rozdělit či spojit).
 

Objektové komponenty

Dřívější, objektově orientované systémy GIS první generace byly vytvořeny pomocí jazyků C/C++ a udržovány i přes svá několikerá omezení, jako bylo obtížné sdílení částí systému (je velmi obtížné sdílet binární komponenty C++), problémy s aktualizací komponent C++ bez rekompilace, nedostatek dobrých modelovacích jazyků a nástrojů a v neposlední řadě i proprietární rozhraní a prostředky pro uživatelské úpravy. Aby se zamezilo těmto problémům, řada softwarových inženýrů začala pro vývoj těchto systémů používat komponentní technologie.

Softwarová komponenta (component) je binární jednotka kódu pro vícenásobné užití. Klíčem k popularitě komponent je jejich snadná a účelná implementace s principy objektově orientovaného programování, dnes běžně používaného softwarovými inženýry.

Komponenty v sobě díky propracovanému rozhraní zapouzdřují (encapsulate) ovládací metody a data, která každý samostatný objekt charakterizují. To pak vede ke strukturovanému a systémově bezpečnému vývoji aplikací.

Dědičnost (inheritance) je schopnost sdílet kód v jiných komponentách použitím odkazu na stav a chování jiného objektu. Například nový typ vodovodního uzávěru může být snadno vytvořen přepsáním nebo přidáním několika málo vlastností a metod již existujícímu typu uzávěru, který je svými vlastnostmi podobný.

Mnohotvarost (polymorphism) vyjadřuje postup, kdy každý objekt má své specifické provedení pro různé operace, jako jsou vykreslení, vytvoření či odstranění. Jedním z příkladů výhod mnohotvarosti je, že GIS může obsahovat všeobecnou vytvářecí komponentu, která vydává všeobecné požadavky na vytváření objektů, které jsou zpracovávány různým způsobem podle typu v třídě objektů.

Objektově komponentní přístup je nadřízený objektovému přístupu pro GIS a poskytuje tak každému rámec pro rozšíření svého datového modelu. Při použití základních metod objektového přístupu mají ucelené možnosti tvorby kompletních a bezproblémových funkcí pouze původní výrobci GIS. Naproti tomu s objektově komponentním modelem mohou uživatelé rozšířit datový model pomocí té samé technologie, jako programátoři GIS aplikací. Z hlediska uživatele tak není vůbec žádný rozdíl mezi objekty dodanými výrobci GIS a jeho vlastními objekty.

Pro vývoj a sdílení komponent se začalo používat několik různých, avšak svým pojetím překrývajících se standardů. Pro tvorbu interaktivních desktop aplikací se de facto standardem stal Component Object Model (COM) firmy Microsoft. Pro Internet, a snad v budoucnosti i jako vážný soupeř COM na poli desktop, je životaschopná i technologie firmy Javasoft Java Beans. Na hrubší úrovni meziaplikační komunikace byla jako vhodná skupinou Object Management Group (OMG) specifikována technologie Common Object Request Broker Architecture (CORBA). Pro ARC/INFO zvolila ESRI technologii COM pro její vyspělost, leganci a snadnou pochopitelnost.

Je velmi pravděpodobné, že objektově komponentní přístupy se v návrzích GIS systémů brzo stanou prováděcí normou právě z následujících důvodů:

• Objektové komponenty jsou založeny na standardech existují jasně definované a všeobecně známé standardy, které přesně popisují rozhraní či ujednocují způsob komunikace mezi komponentami.
• Rozšiřitelnost tím, že komponenty jsou založeny na standardech, každý (vývojáři jádra systému, ostatní tvůrci aplikací, koncoví uživatelé) je může vytvářet a rozšiřovat tak svůj GIS. Nové komponenty mohou být snadno vytvořeny přesným vymezením funkcí již existujících komponent. Například nový typ lampy pouličního osvětlení může být vytvořen získáním vlastností a chování již existující lampy dříve vytvořené v systému.
• Podpora run-time současné operační systémy, internetové prohlížeče a oblíbené aplikace (např. Microsoft Office) umožňují komponentám tzv. run-time. To znamená, že systém může být kdykoliv rozšířen v průběhu spuštěné aplikace. Tento princip usnadňuje použití komponent a snižuje nároky na systémové zdroje, protože nové komponenty mohou být zavedeny až v okamžiku jejich aktuální potřeby (např. komponenta určená pro editační operace je do systému zavedena v okamžiku, kdy uživatel začne s editací).
• Neutrální programovací jazyk toto se specielně týká objektových komponent typu COM, které mohou být vytvořeny téměř v každém dnes běžně používaném programovacím jazyce. Většina z tzv. integrovaných vývojových prostředí (Integrated Development Environment) nabízí podporu pro vytváření a užívání komponent COM a Java.
• Chování objektů je součástí datového modelu v objektově komponentním modelu je chování objektů přeneseno z uživatelské aplikace do datového modelu. Systém jej snadno rozpozná a je k dispozici pro všechny uživatele.
• Výkonné návrhové a analytické nástroje komponentní přístup se stal velmi úspěšný a populární. Následkem toho již existuje bohatá sbírka nástrojů IDE, CASE a jiných specializovaných komponent. Vývojáři GIS tak již nemusí do jádra svých programů vytvářet např. komponenty pro tabulky (TableGrids), výstupní sestavy (ReportWriters) a rozšíření pro tvorbu grafů (Charts).

Datové modelování

Svět datového modelování získal pro svůj rozmach nový impuls v podobě moderního jednotného jazyka, tzv. Unified Modeling Language, neboli UML. Tento nový jazyk spojuje vlastnosti metody modelování na bázi vztahů mezi entitami a objektově komponentní architekturu. UML je využíván pro popis rozhranní a vztahů mezi entitami.
 

Co z toho vyplývá pro uživatele GIS

Nová kategorie objektově komponentních GIS způsobí patrně v nejbližší budoucnosti v několika ohledech převrat. Zesnadní používání systémů: software bude pracovat s uživatelsky orientovaným konceptem objektů, jako jsou vodiče, stožáry elektrického vedení, transformátory a ne se systémově orientovaným, jako jsou body, linie či plochy. GIS bude lépe a snadno rozšiřitelný uživateli a vývojáři třetích stran: nové komponenty budou moci být snadno zapojeny do systému a každý, kdo je zběhlý v technikách moderního programování, bude moci vytvářet vlastní objekty. Využívání standardů znamená pohodlnější využití dobře zavedených nástrojů, jako jsou programovací jazyky, nástroje CASE či databáze; znamenají rovněž otevřenost a interoperabilitu.

Jmenujme několik typických úloh, které lze v ARC/INFO 8 provést právě díky objektově komponentnímu datovému modelu.

• Editace množiny heterogenních prvků, jako například současná editace bodů a linií.
• Modelování složitých prvků v sítích, jako jsou zařízení na síti mající interní soustavu (tzv. aktivní schéma), která není reprezentována odděleným prvkem.
• Vyjádření geometrie prvků pomocí parametrizovaných křivek, jako jsou kruhové oblouky nebo bezierovy křivky.
• Využití tzv. verzované správy systému (optimistické zámky), která umožňuje souběžnou editaci více uživatelů v jedné databázi.
• Rozšiřování za běhu programu o komponenty pro návrh grafů nebo výstupních sestav.
• Možnost různé reprezentace jednoho prvku implementovaná do jádra systému (např. způsob vykreslení objektu města je vyjádřen červeným bodem v měřítku 1 : 500 000 a oranžovou plochou v měřítku 1 : 50 000).

Nová generace geografických informačních systémů založená na objektově komponentní technologii je příslibem nastolení nových standardů pro rozšiřitelnost, otevřenost a datové modely. ARC/INFO 8 bylo vytvořeno se zřetelem na rozšiřitelnost, vysoký výkon a jednoduchost používání. Tato nová technologie tak ochrání stávající investice jak do dat, tak do podnikového řešení GIS.

Převzato z ARC News, Vol. 20 No. 4

Imagine Virtual GIS: trirozměrná vizualizace a analýza geografických dat

S postupem technického vývoje se mění způsoby získávání a zpracování informací o území. Mapy, které byly v minulosti vytvářeny analogovým zpracováním (ručním vykreslením) z informací získaných přímým měřením v terénu, později s pomocí analogového zpracování leteckých snímků fotogrammetrickými metodami, jsou dnes postupně digitalizovány a základem informací o území se stávají digitální geografické databáze. Rovněž letecké snímky a data dálkového průzkumu jsou dnes ve své digitální podobě zpracovávány digitálními metodami. To umožňuje uplatnit nové přístupy v tvorbě GIS a zvýšit přesnost a aktuálnost geografické databáze. Avšak i ve světě digitálních technologií lidský mozek stále potřebuje vnímat informace v analogové formě. Zcela beze zbytku to platí o informacích o území. Proto pro jejich zpětnou využitelnost člověkem je třeba převést digitální informace zpět do analogové podoby provést jejich vizualizaci. Klasickým způsobem vizualizace geografických informací je tvorba kartografického výstupu mapy.Mapa je kvalitním a nenahraditelným prostředkem pro zobrazení území, ale má jednu nevýhodu: člověk musí mít určité schopnosti a zkušenosti, aby ji uměl správně interpretovat,. Někdy však i při splnění těchto podmínek je práce s mapou obtížná, zejména, je-li potřeba rychle (pokud možno v reálném čase) vytvářet varianty zobrazení území nebo co nejvěrnější zobrazení daného území nebo obojí současně.
 

IMAGINE VirtualGIS

Rychlý vývoj v oblasti počítačů v posledních letech umožnil softwarovým vývojářům dát k dispozici běžným uživatelům zcela novou kategorii nástrojů pro vizualizaci geografických informací, která splňuje výše uvedené požadavky. Jedním z prvních a nejdokonalejších nástrojů této kategorie je IMAGINE VirtualGIS společnosti ERDAS. Tento nadstavbový modul nad základní systém ERDAS IMAGINE slouží pro třírozměrnou vizualizaci digitálních dat o území formou interaktivně ovládaných perspektivních pohledů.

Umožňuje zobrazit ve třírozměrném perspektivním pohledu digitální model reliéfu v rastrovém tvaru a na takto vytvořený 3D model položit různé další typy dat o území: rastrová data (družicové a letecké snímky, tematické rastrové soubory nebo skenované mapy), vektorová data z databáze GIS (přímé čtení ARC/INFO coverage), a další typy dat (anotace nebo 3D modely objektů).

Možnosti IMAGINE VirtualGIS při práci s daty jej však povyšují nad prostředky pro pouhou 3D vizualizaci. Podívejme se proto na tento výkonný software trochu podrobněji.
 

Data pro IMAGINE VirtualGIS

Digitální model reliéfu v rastrovém tvaru lze získat buď metodami digitální fotogrammetrie ze stereoskopických dvojic leteckých nebo družicových snímků (např. pomocí software IMAGINE OrthoMAX, IMAGINE StereoSAR DEM, IMAGINE IfSAR DEM) nebo lze použít již existující rastrový model reliéfu, např. DMR-2 (VTOPÚ Dobruška), či jej lze importovat z jiných zdrojů. Vrstev digitálního modelu reliéfu může být najednou zobrazeno i více. Za pozornost stojí, že jak model reliéfu, tak veškerá další data lze do IMAGINE VirtualGIS načítat přímo a bez konverzí v kterémkoliv formátu, pro který je k dispozici příslušná DLL knihovna v základním systému ERDAS IMAGINE (z rastrových např. ERDAS IMAGINE, TIFF, JFIF, GRID, DTED, Generic Binary BIL/BIP/BSQ a další, z vektorových zejména již zmíněné ARC/INFO coverage). Rastrových i vektorových vrstev může být načteno najednou více a interaktivně lze měnit jejich pořadí.
 

Zpracovatelný objem dat

Velmi významná je také otázka objemu dat, která je možné vizualizovat. Jediné omezení, na které z tohoto hlediska uživatel při práci s IMAGINE VirtualGIS může narazit, spočívá ve fyzické kapacitě disponobilních paměťových medií a v maximální přípustné velikosti souboru v daném operačním systému. IMAGINE VirtualGIS totiž umí zacházet s jakýmkoliv objemem dat. Díky nástroji World Editor systém ví , které území je pokryto jakými datovými soubory a příliš velké soubory virtuálně rozděluje podle definované pravoúhlé sítě. Proto načítá do paměti a vizualizuje data jen za to území, které je právě v zorném poli. Tím je možno se pohybovat nad virtuálně neomezeně velkým prostorem.
 

3D zobrazování a výkon počítače

Pro takto sestavený třírozměrný model území jsou poté počítány perspektivní pohledy na základě interaktivně zadávaného místa pozorování a úhlu pohledu. Je tedy nyní možno v reálném čase měnit úhel pohledu na terén z daného pozorovacího stanoviště, měnit pozici pozorovatele nebo obojí současně a tím simulovat např. pohled z letounu letícího nad terénem, jehož let lze jednoduše interaktivně řídit. Pro simulaci pohledu z letounu je k dispozici i možnost definovat dráhu letu

Kromě vlastního pohledu na terén ať již z letounu či při interaktivně zadávané pozici pozorovatele lze aktuální polohu pozorovatele sledovat na dvourozměrně klasicky zobrazeném snímku či mapě - v druhém, dynamicky připojeném, okně na obrazovce.

Z uvedených možností manipulace s třírozměrným zobrazením je zřejmé, že nejde o promítání sekvencí předem připravených pohledů, ale o skutečně interaktivní výpočty v reálném čase. Pokud navíc hardware a operační systém počítače podporuje stereoskopické zobrazování, je možno vidět území nejen ve třírozměrném perspektivním pohledu, ale skutečně prostorově. Stereoskopické zobrazování je možné sekvenčním zobrazováním celých obrazů, prokládáným zobrazováním nebo anaglyfy.

Tento způsob zobrazování samozřejmě vyžaduje odpovídající výpočetní výkon počítače. Díky prudkému růstu výkonu osobních počítačů je však dnes IMAGINE VirtualGIS k dispozici nejen na výkon-ných unixových pracovních stanicích, ale i na PC s operačním systémem MS Windows NT/95. A to nejen na těch nejvýkonnějších IMAGINE VirtualGIS má zabudovány i speciální režimy práce, které jej činí provozuschopným i na méně výkonných strojích.

Jednotlivé vypočítané záběry lze při letu podle stanovené dráhy i při interaktivním pohybu zaznamenávat jako sekvenci, a to v několika formátech.
 

Další možnosti při vizualizaci území

V řadě případů hraje významnou roli osvětlení scenérie. Polohu zdroje světla lze samozřejmě nastavit interaktivním nastavením azimutu a výšky Slunce nad obzorem, ale uživatel většinou tyto údaje nezná. Proto stačí zadat datum, čas a zeměpisné souřadnice místa pozorování a IMAGINE VirtualGIS umístí Slunce na správné místo na obloze sám. Nemusí však být jenom slunečno. Můžete scenérii ponořit do mlhy nebo do tmy (a simulovat si pohled noktovizorem).

Pro realistické vykreslení detailů scenérie významně přispívají možnosti zobrazování objektů na terénu. Zde nabízí IMAGINE VirtualGIS několik možností. Vektorové vrstvy je možno zvýšit o hodnoty uvedené v atributové tabulce a simulovat tak např. budovy. Do scenérie je ale možno umísťovat i 3D modely budov, automobilů, věží a libovolných dalších objektů, vytvořené v některém ze systémů CAD (včetně možnosti jejich texturování). A nezapomeňme ani na možnost využití analytických a editačních funkcí základního systému ERDAS IMAGINE: např. v nástroji IMAGINE Model Maker, pomocí něhož je možno v IMAGINE formou grafického schématu psát uživatelské algoritmy pro zpracování úloh, lze na základě klasifikovaného družicového snímku zvýšit reliéf o konstantní hodnotu, třeba 20 m, v místech, kde se vyskytuje les.
 

Analýza území ve 3D zobrazení

Kromě pouhého zobrazení je možno se dotazovat na popisné informace jak k rastrovým, tak k vektorovým datům, které jsou uloženy v tzv. atributových tabulkách. Dotazy lze klást obousměrně , tj. je možno jak zjistit informace o objektu či části území jeho ukázáním v třírozměrném pohledu (dotaz typu Co je to támhle?), tak lze nalézt příslušné objekty nebo území jejich výběrem v atributové tabulce (dotaz Kde je tento objekt?).
 

Analýza viditelnosti

Velmi užitečnou součástí modulu VirtualGIS je také analýza viditelnosti. Interaktivně lze počítat viditelnost pro zadaný směr a úhel pohledu z jednoho nebo více stanovišť o zadané výšce nad terénem. Dále lze pro každé místo v zadaném pohledu určit, jak vysoko by musel být objekt nad zemí (nebo v jaké nadmořské výšce), aby byl z místa pozorovatele vidět.
 

Využití IMAGINE VirtualGIS v praxi

Možnost analýzy terénu zobrazeného lidskému vnímání přirozeným způsobem nachází uplatnění nejen ve vojenství při plánování a přípravě bojové činnosti, ale i v řadě civilních aplikací. Přípravě vojenských operací se velmi podobá řešení krizových situací při živelních pohromách, kdy je nutno zasahující jednotky co nejlépe seznámit s územím ještě dříve, než jsou vyslány do akce. Ale i v méně dramatických situacích nachází IMAGINE VirtualGIS své místo. Například v územním plánování lze IMAGINE VirtualGIS použít pro 3D vizualizaci území nejen při tvorbě konceptu územního plánu nebo urbanistické studie, ale i ve fázi jejich projednávání, kdy IMAGINE VirtualGIS umožní srozumitelný pohled na řešené území i těm účastníkům projednávání, kteří nejsou zvyklí číst mapu. Obsluha systému může operativně zobrazovat pohledy na území z libovolných stanovišť podle požadavků účastníků projednávání včetně průletu nad územím za různých podmínek. Při požadavku na vyšší podrobnost zobrazení lze např. polygony budov v tematické vrstvě GIS zobrazovat jako 3D objekty anebo dokonce je možno vložit do scény detailní 3D podobu objektů vytvořených v CAD systémech. Plánování celulárních sítí vyžaduje dokonalý přehled o reliéfu terénu včetně charakteru povrchu. IMAGINE VirtualGIS ve spojení s možnostmi základního systému umožňuje řešit analýzy terénu a viditelnosti pro umístění základnových stanic (BTS) pro mobilní telefony a to i pro více současně. Geologům umožňuje IMAGINE VirtulGIS současné zobrazení více souběžných či překrývajících se ploch ve 3D, čímž pomáhá odhalit souvislosti mezi jednotlivými geologickými fenomény jako jsou průběh jednotlivých geologických vrstev, údaje o magnetismu, seismická data, hladina podzemních vod, výskyt nerostu, znečištění apod.
 

Závěr

Podle statistik je z celkových nákladů na geografické informační systémy 70 až 90 procent vynakládáno na pořízení, správu a aktualizaci dat. Proto čím kvalitnější jsou nástroje, které člověku umožňují uložené informace využívat a analyzovat, tím je vyšší jejich reálné zhodnocení a tedy vyšší návratnost vložených investic. ERDAS IMAGINE VirtualGIS je jedním z nové kategorie vizualizačních a analytických nástrojů, které umožňují zobrazit geografické informace pro člověka přirozeným způsobem: pozve koncového uživatele člověka zodpovědného za rozhodování ve svém oboru, ale bez kartografického vzdělání na návštěvu řešeného území, aniž by se musel vzdálit ze svého pracoviště. V případě vojenských aplikací nemusejí vojáci riskovat pobyt v nepřátelském území, aby se seznámili s terénem, v případě civilních aplikací nemusejí uživatelé vynakládat čas a finanční prostředky na pronájem letadla či vrtulníku pokud by takový výlet byl vůbec realizovatelný.

Ing. Vladimír Zenkl

ARCDATA PRAHA s.r.o.

vlada@arcdata.cz

Imagine OrtoBaseTM: každý snímek lze využít v GIS

A nejen jako hot-link k nějakému geografickému prvku, ale skutečně vlícovaný do mapy tak, aby jej bylo možno využít pro tvorbu a aktualizaci geografické databáze. A nemyslíme jen speciální letecký měřický snímek, ale opravdu každý. Nevěříte? Tak si přečtěte tento článek.

Ke stávajícím modulům systému ERDAS IMAGINE, které Firma ERDAS nabízí pro oblast digitální fotogrammetrie, přibývá nyní další: Firma ERDAS uvedla 10. března t. r. na trh modul IMAGINE OrthoBASE , první z nové řady produktů, které zpřístupňují profesionální řešení digitální fotogrammetrie širokému okruhu uživatelů na platformě Microsoft Windows 95, Windows 98 a Windows NT. Systém je svojí koncepcí určen nejen pro profesionály v oboru digitální fotogrammetrie, ale zejména všem uživatelům GIS, kteří pro tvorbu a aktualizaci geografických databází využívají nebo chtějí využívat geometricky správné (ortorektifikované) snímky území a pro které je výhodné provádět jejich zpracování vlastními silami v rámci své technologické linky GIS.
 

Proč ortorektifikace

Snímky ve stavu, jak byly pořízeny, se totiž vyznačují značnou geometrickou nepřesností, která znemožňuje jejich přímé využití pro digitalizaci na nich zobrazených objektů. Tato geometrická nepřesnost se projevuje proměnlivostí měřítka snímku (snímek má v každém místě jiné měřítko) a je způsobena zejména členitostí relié-fu terénu (de facto různou předmětovou vzdáleností zobrazených objektů), systematickými chybami kamery/senzoru a jeho orientací v okamžiku pořízení snímku. Ortorektifikace je proces, který ze surových snímků zemského povrchu vytváří polohově nezkreslené snímky, tj. snímky, na nichž lze dostatečně přesně odečítat rovinné geodetické souřadnice zobrazených objektů. Během tohoto procesu co nejpřesněji rekonstruujeme dráhu paprsku od objektu přes optickou soustavu objektivu až na film nebo senzor. Proto musíme znát přesnou polohu a orientaci snímacího přístroje vůči snímanému objektu v okamžiku pořízení snímku (tzv. vnější orientaci snímku), geometrické parametry zobrazení v přístroji (vnitřní orientaci) a nakonec musíme provést ještě vlastní ortorektifikaci, tj. odstranit rozdíl v poloze obrazu objektu při středovém promítání (snímek) a kolmém promítání (mapa). A právě pro řešení těchto třech úkolů je určen software IMAGINE OrthoBASE.
 

Základní vlastnosti IMAGINE OrthoBASE

IMAGINE OrthoBASE (Block Adjustment Sensor Environment) řeší vnitřní a vnější orientaci snímků včetně společného vyrovnání snímků v bloku (areotriangulace) a provádí jejich ortorektifikaci. Z uživatelského hlediska je IMAGINE OrthoBASE velmi přívětivý: ovládání programu je snadné a program uživatele vede pracovním postupem krok za krokem. To spolu s automatizací některých činností výrazně snižuje náklady a celkový čas potřebný k ortorektifikaci snímků.

IMAGINE OrthoBASE je rozšiřující modul k systému ERDAS IMAGINE Advantage, pro práci se snímky lze tedy využít všechny jeho funkce pro export/import dat, zpracování a úpravy obrazu, spojování snímků a tvorbu map.
 

Zpracování snímků z různých přístrojů

IMAGINE OrthoBASE umožňuje uživatelům pracovat prakticky s jakýmkoliv typem snímku. Pokud se vám tato formulace zdá poněkud nadnesená, čtěte pozorně následující řádky.

Jak bylo uvedeno výše, nejprve musíme u přístroje, jímž byl snímek pořízen, znát ty parametry, které umožní dostatečně přesně matematicky modelovat zobrazení tímto přístrojem. V IMAGINE OrthoBASE je k dispozici několik těchto tzv. geometrických modelů pro různé typy přístrojů: standardní fotogrammetrické komory, senzor družice SPOT a IRS-1C. Tyto geometrické modely jsou při zpracování zpřesněny zadáním přesných parametrů konkrétního přístroje (např. pro fotogrammetrické komory se zadává přesná laboratorně proměřená (kalibrovaná) ohnisková vzdálenost objektivu, souřadnice rámových značek a radiální zkreslení objektivu).

Složitější situace nastává, pokud parametry přístroje, kterým byl snímek pořízen, neznáme dostatečně přesně (např. k archivním měřickým leteckým snímkům již nejsou k dispozici protokoly z kalibrace komory) nebo je neznáme vůbec (např. snímek byl pořízen neproměřeným přístrojem, který navíc nemá ani rámové značky amatérským fotoaparátem, kamerou apod.). A přitom i takové snímky jsou často cenným zdrojem informací. Ne vždy je technicky, časově i ekonomicky možné objednávat speciální snímkování fotogrammetrickou firmou. Mnohdy pro daný účel plně postačí pořídit snímky z vrtulníku, sportovního nebo ultralehkého letadla, balónu či třeba jen fotoaparátem namontovaným do vhodného řiditelného bezpilotního letadla. A tady přichází ta pravá chvíle pro IMAGINE OrthoBASE. Umí totiž pracovat s obecným geometrickým modelem senzoru a obsahuje speciální algoritmus, nazvaný Self-Calibrating Bundle Adjustment , který se dokáže obejít bez explicitního zadání přesných parametrů přístroje. Tím umožňuje vlícovat do mapy i obyčejné snímky, které byly dříve využitelné pouze jako ilustrace!

Seznam přístrojů, z nichž lze zpracovat snímky do využití v GIS, je dlouhý: kromě již zmíněných standardních leteckých měřických snímků a snímků z družic SPOT a IRS-1C lze zpracovávat snímky pořízené amatérskými fotoaparáty na 35mm film, fotoaparáty na střední a velký formát, digitálními fotoaparáty s CCD snímači nebo videokamerami. Lze také zpracovat fotografie, např. archivní či historické, naskenované běžným stolním skenerem a zdůrazněme, že nemusí jít jen o svislé snímky z ptačí perspektivy, ale i o šikmé a pozemní snímky vč. snímků blízké fotogrammetrie (tj. snímků různých předmětů).
 

Proč blokové vyrovnání snímků

Jednoduchost uživatelského rozhraní ovšem neznamená, že i vlastní software je jednoduchý. V IMAGINE OrthoBASE jsou zabudovány profesionální, robustní a přesné algoritmy pro blokové vyrovnání snímků. Vlastnosti blokového vyrovnání lze shrnout do těchto třech bodů:

• pro každý ze snímků určí jeho prvky vnější orientace (polohu a orientaci přístroje v okamžiku pořízení záběru),
• umožňuje určit geodetické souřadnice libovolného bodu, který je identifikován na dvou a více snímcích (právě přesnost určení souřadnic těchto bodů umožňuje jejich využití jako vlícovací body a proto IMAGINE OrthoBASE vystačí s tak málo předem známými vlícovacími body),
• do blokového vyrovnání vstupují informace ze všech snímků najednou. Tím je definován matematický vztahy mezi všemi zpracovávanými snímky, vyrovnáním dochází k rozložení a minimalizaci chyb a výsledkem je větší homogenita a geometrická přesnost v rámci celého řešeného území.

Výhodou IMAGINE OrthoBASE je, že vystačí s velmi malým počtem vlícovacích bodů. Tento minimální počet vlícovacích bodů je třeba zadat interaktivním proměřením jejich snímkových souřadnic (lze měřit až na 3 snímcích najednou) a vložením nebo importováním jejich geodetických souřadnic. Další potřebné vlícovací body, které jsou zobrazeny na dvou nebo více snímcích současně, dokáže program automaticky sám vybrat, nalézt a změřit jejich snímkové souřadnice. Tato schopnost je jednou z vlastností IMAGINE OrthoBASE, která velmi podstatně zkracuje celkový čas zpracování. Tak lze během několika minut zvládnout práci, která při ručním hledání a měření všech potřebných bodů trvá řadu hodin a při větším počtu snímků třeba i několik dní.

Poté jsou geodetické souřadnice takto vygenerovaných vlícovacích bodů vypočteny aerotriangulací, o jejímž průběhu a výsledku program podává protokol.

Ale potřeba vlícovacích bodů může být i zcela eliminována. V případě, že informace o poloze kamery nebo senzoru v okamžiku pořízení jednotlivých záběrů (tzv. prvky vnější orientace) jsou získány z jiných zdrojů, lze je ke každému snímku importovat. Lze tak s výhodou využít informací z palubních přijímačů GPS, inerciálních navigačních systémů, případně i z jiných fotogrammetrických systémů např. analytických stereoplotterů.
 

Ortorektifikace

Máme-li určeny prvky vnější orientace všech snímků, můžeme přistoupit k poslední fázi zpracování v IMAGINE OrthoBASE, kterou je ortorektifikace. Proces ortorektifikace využívá dříve zjištěné parametry snímku: geometrický model použité kamery/senzoru a prvky vnější orientace snímku (polohu a orientaci kamery/senzoru v okamžiku pořízení). Dále je třeba programu IMAGINE OrthoBASE dodat informace o reliéfu terénu. Pokud nemáme digitální model reliéfu řešeného území k dispozici, můžeme využít druhou z výše uvedených vlastností blokové triangulace tak, že necháme vygenerovat větší množství vlícovacích bodů, a jelikož z blokového vyrovnání jsou určeny jejich 3D souřadnice, lze z nich vyinterpolovat model reliéfu pro ortorektifikaci. V rovinatém území je možno ortorektifikovat na střední výšku terénu. Pro velmi přesné práce, zejména pro mapování ve velkém měřítku, kdy je třeba pro dosažení dostatečné přesnosti ortorektifikace relativně velmi přesný model reliéfu (včetně všech objektů zobrazených na snímku), je nejvhodnější vygenerovat model reliéfu přímo z bloku překrývajících se snímků. Tuto úlohu bude řešit další z řady speciálních modulů pro digitální fotogrammetrii, který firma ERDAS pro platformu Microsoft Windows NT/95/98 vyvíjí.

Pro spojení ortorektifikovaných snímků do bezešvého souboru lze s výhodou využít nástroj Advanced Mosaicking, který je součástí základního systému ERDAS IMAGINE Advantage. Ten umožňuje v jedné operaci snímky nejen velmi kvalitně barevně vyrovnat a složit do jednoho bezešvého souboru, ale i výsledek opět rozřezat např. po mapových listech.
 

Kdy použít IMAGINE OrthoBASE

Můžete se teď zeptat: Kdy mi nestačí běžně dostupné metody rektifikace snímků nebo jednosnímkové ortorektifikace a kdy již potřebuji použít IMAGINE OrthoBASE?

Při běžně dostupné 2D rektifikaci (polynomiální nebo tzv. rubber sheeting) je každý snímek zpracováván samostatně, přičemž je vyžadováno množství vlícovacích bodů. Při polynomiální nebo rubber-sheeting transformaci není uvažován vliv převýšení reliéfu terénu na polohu obrazu objektů na snímku. Při spojování snímků rektifikovaných 2D rektifikací není možné zajistit jejich přesnou geometrickou návaznost. Při jednosnímkové ortorektifikaci je sice vliv terénu uvažován, zůstává však nevýhoda mnohem většího potřebného počtu vlícovacích bodů (min. 4 až 5 na jeden snímek). I když problémy se stykem jednotlivých snímků budou u jednosnímkové ortorektifikace menší než při rektifikaci polynomické nebo rubber-sheeting, přece jen se projeví, že snímky nejsou vzájemně matematicky provázány jako při společném vyrovnání blokovou triangulací.

Při použití 2D rektifikace tak uživatel získává po mnohem větší námaze horší výsledky, než lze získat modulem IMAGINE OrthoBASE, který uvažuje při ortorektifikaci všechny potřebné vlivy a vystačí s mnohem menším počtem vlícovacích bodů.
 

Praktické využití IMAGINE OrthoBASE v GIS

A na závěr si uveďme několik příkladů praktického využití modulu IMAGINE OrthoBASE:

• Pruh snímků pořízených videokamerou při monitorování dálkového potrubí lze v IMAGINE OrthoBASE ortorektifikovat bez znalosti nebo měření vlícovacích bodů díky možnosti importu informací o poloze kamery/senzoru získané z palubního GPS nebo INS.
• Při leteckém snímkování zájmového území je pořízeno 300 standardních snímků leteckých měřických snímků v měřítku 1 : 6 000. Tento blok snímků lze zpracovat s použitím pouhých 20 vlícovacích bodů. Další body, které propojí všechny snímky, není třeba hledat a měřit ručně, ale IMAGINE OrthoBASE je vybere a proměří sám, čímž automaticky zajistí přesně navazující bezešvé spojení ortorektifikovaných snímků.
• IMAGINE OrthoBASE lze využít i při požadavku na měření geodetických souřadnic bodů na snímcích pro účely velkoměřítkového mapování.
• Pro monitorování eroze a ukládání naplavenin v říčním kanálu lze použít šikmé snímky pořízené ze břehu běžným fotoaparátem na 35mm film. Výsledkem jejich zpracování v IMAGINE OrthoBASE jsou ortosnímky, využitelné pro analýzu změn v časové řadě.
• Ortorektifikace 200 barevných infračervených snímků pořízených digitálním fotoaparátem během osmihodinového měření za účelem analýzy choroby plodiny. Pro tuto úlohu postačuje měření pouhých 3 vlícovacích bodů a integrace dat z palubního přijímače GPS. IMAGINE OrthoBASE ušetří ohromné množství času tím, že provede automatický výběr a proměření vlícovacích bodů a také tím, že není třeba provádět vnitřní orientaci snímků, neboť IMAGINE OrthoBASE ji při použití digitálních fotoaparátů nebo videokamer provádí automaticky.
• Pro regionální projekt je třeba rektifikovat 30 družicových snímků. Místo nutnosti rektifikovat každý snímek zvlášť můžete v IMAGINE OrthoBASE všechny snímky ortorektifikovat najednou v jednom kroku.
• Pro skenování standardních leteckých snímků např. pro účely digitalizace hranic lesních porostů lze použít běžný kancelářský skener (IMAGINE OrthoBASE dokáže vzít v úvahu i jeho systematické chyby) a tím značně snížit náklady na skenování.

A co bude dál? Jak již bylo řečeno, IMAGINE OrthoBASE je prvním z nové řady modulů firmy ERDAS pro řešení digitální fotogrammetrie na platformě MS Windows NT/95/98. Následovat jej brzy bude modul Stereo Analyst, který bude vytvářet stereoskopický model z překrývajících se snímků a umožňovat interaktivní digitalizaci 3D vektorů ve stereoskopickém režimu (tento modul bude dostupný i jako rozšiřující modul pro ArcView). Řadu pak doplní již zmíněný modul pro automatické generování digitálního modelu reliéfu.

Ing. Vladimír Zenkl

ARCDATA PRAHA s.r.o.

vlada@arcdata.cz

Nový systém podpory uživatelů ARCDATA PRAHA s.r.o.

Jak jste již jistě informováni, zavedla naše firma od března tohoto roku nový systém podpory. I když informace o nových pravidlech byli již publikovány, přesto jsme se rozhodli Vás i v časopise ArcRevue seznámit s rozsahem těchto služeb a výhodami, které Vám přinášejí.

Program podpory uživatelů nabízíme zákazníkům v různých úrovních. Záleží jak na typu produktu, tak i na přání zákazníka, jaký způsob přístupu k programu podpory uživatelů si zvolí.

Důležitou součastí všech úrovní naší nabídky je horká linka. Slouží pro řešení problémů a zodpovídání dotazů, které se mohou vyskytnout při práci se softwarem. Uživatel může žádat o pomoc telefonicky (v pracovní dny od 8:00 do 17:00 hodin), e-mailem (support@arcdata.cz), faxem či dopisem. Problém přebírá pracovník technické podpory, který zodpoví Váš dotaz a pomáhá Vám najít řešení problému. V případě potřeby spolupracuje s příslušným specialistou. Podle povahy problému při řešení spolupracujeme případně i se specialisty a programátory ESRI či ERDAS. Většina dotazů a problémů je vyřešena ještě týž den, obvykle již při prvním kontaktu.
 

Smlouva o systémové podpoře (maintenance)

Maintenance je služba, která se poskytuje v ročních intervalech ode dne instalace software u zákazníka (resp. vygenerování key-code v ESRI). Prvních 12 měsíců je zdarma, následující období je placená za níže uvedených pravidel. Týká se některých desktop produktů, jako např. ARC/INFO nebo ArcView GIS (viz. podporované produkty).

Systémová podpora zahrnuje:

• bezplatnou dodávku aktualizovaných a nových verzí software,
• zdarma horkou linku v neomezeném rozsahu,
• zdarma účast na konferenci uživatelů v ČR (ARC/INFO, SDE), resp. 50% sleva (ArcView),
• zdarma účast na konferenci uživatelů v USA (ARC/INFO, SDE),
• časopis ArcNEWS,
• časopis ArcUser,
• časopis ArcRevue,
• přednostní získávání informací z ESRI,
• slevy na konzultace.

Software Subscription Service

Jedná se o systém podpory uživatelů produktů ERDAS, která se poskytuje na základě smlouvy vždy na 12 kalendářních měsíců.

Zákazník získává:

• bezplatnou dodávku aktualizovaných a nových verzí software,
• zdarma služby horké linky v neomezeném rozsahu,
• zdarma účast na konferenci uživatelů v ČR,
• časopis ArcNEWS,
• časopis ArcUser,
• časopis ArcRevue,
• přednostní získávání informací z ERDAS,
• slevy na konzultace.

Technická podpora

Technická podpora zahrnuje především služby horké linky plus některá další zvýhodnění uživatelů. Týká se některých desktop produktů, jako např. ArcView GIS nebo PC ARC/INFO.
 

    Záruční technická podpora

U podporovaných desktop produktů má uživatel nárok na bezplatné používání horké linky 60 dnů po registraci podporovaného software. Registrace se provádí buď registrační kartou, e-mailem, případně telefonicky při prvním požadavku na horkou linku, nejpozději do 15 dní od zakoupení software.
 

    Roční technická podpora

Roční technická podpora se poskytuje na základě smlouvy podepisované vždy na 12 kalendářních měsíců. Uživatel podepisuje smlouvu pro specifikovaný podporovaný produkt podle počtu kontaktních osob.

Zákazník získává:

• zdarma služby horké linky pro kontaktní osoby,
• 50% sleva na konferenci uživatelů v ČR,
• časopis ArcNEWS,
• časopis ArcUser,
• časopis ArcRevue,
• přednostní získávání informací z ESRI.

Jedná se o jednorázově placenou službu pro uživatele, kteří nemají smlouvu o technické podpoře nebo systémové podpoře, nebo o službu nad rámec technické podpory. Tato služba zahrnuje služby horké linky, případně další konzultace.

ARCDATA PRAHA, s.r.o.

support@arcdata.cz