COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMLERİNDE VERİLER. Prof.Dr. Tolga Elbir

Transkript

1 COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMLERİNDE VERİLER Prof.Dr. Tolga Elbir

2 Coğrafi Veriler Grafik Olan Coğrafi Bilgiler: Coğrafi varlığın konumu, geometrisi, büyüklüğü ve biçimi hakkında bilgi verir. Belli bir koordinat sistemini referans kabul ederek sistem uzayında koordinatlarla ifade edilirler. Grafik Olmayan (tanımsal, sözel) Coğrafi Bilgiler: Aynı coğrafi varlığın sahip olduğu diğer yapısal özellikleri hakkında bilgi verir. Grafik olarak ifade edilemeyen özelliklerin, şekilden bağımsız metinsel olarak ifade edilmeleridir. Örneğin nokta şeklinde grafik olarak gösterilen bir detay, harita üzerinde bir elektrik direğini gösteriyorsa bu direğin; cinsi, yüksekliği, tesis tarihi, boyu, rengi, vb. özniteliklerinin her biri grafik olmayan veridir.

3 Grafik Verilerin Sınıflandırılması (Coğrafi Veri Elementleri) Nokta (point) Ağaç Kuyu Elektrik direği İstasyon Kavşak noktası Yerleşim merkezleri Çizgi (line) Akarsu Yol Elektrik ve su hattı Kanalizasyon Demiryolu Poligon (polygon) Parsel Bina Göl İmar adası Orman

4 Coğrafi Veri Elementleri Bu üçlü yaklaşım, coğrafi varlıkların veya haritaların gösterimlerini geometrik olarak çok basite indirgemektedir. Dolayısıyla bir haritanın sadece nokta, çizgi ve poligonlardan meydana geldiğini söylemek mümkündür.

5 CBS de Veri Modelleri Coğrafi verilerin bilgisayara aktarılması, bilgisayarda işlenmesi ve görüntülenmesi için öncelikle söz konusu ham verilerin bilgisayarca anlaşılır hale dönüştürülmesi gerekir. Bu dönüşüm verilerin sayısal, diğer bir ifade ile dijital hale getirilmesiyle mümkündür. Dijital şekle dönüştürülen verilerin, bilgisayarda gerçek modeli yansıtabilmesi için konumsal veri modellerinden biri tercih edilmeli ve veri yapısı buna göre tasarlanmalıdır. Bu modeller ikiye ayrılır: Vektörel veri modeli (Vectoral data model) Hücresel veri modeli (Raster data model)

6 Vektörel Veri Modelleri (Vectoral Data Model) Coğrafi veriler, vektörel veri modelinde tıpkı bir çizgisel harita görünümüne sahiptir. Noktalardan çizgiler, çizgilerden poligonlar meydana gelir. Tam tersi poligonlardan çizgiler, çizgilerden de noktalar türetilebilmektedir.

7 Vektörel Veri Modelleri (Vectoral Data Model) Coğrafi varlığın gerçek modeldeki konumu, referans tabanlı herhangi bir koordinat sisteminde (x,y) koordinat değerleriyle gösterilir. Vektörel veri modelinde de, coğrafi varlıklara ait her konum yine bir (x,y) koordinatına sahiptir. Noktalar tek bir koordinat, çizgiler ve poligonlar sıralı koordinat serileri ile temsil edilir.

8

9 Vektörel Veri Modellerinin Bilgisayarda Saklanması Değişik özellik gösteren coğrafi varlıkların birbirinden ayırt edilebilmesi ve gerektiğinde bu verilere bilgisayar belleğinde kolayca erişebilmek için, her bir coğrafi varlık diğerlerinden bağımsız olarak tanımlayıcı özel bir kimlik numarası (identification - ID) ile adreslendirilir. Bir kez tanımlanan ID, coğrafi varlığı tanımlayan koordinat serisi ile ilişkilendirilerek, koordinat değerlerinin hangi coğrafi varlığa ait olduğunu gösterir.

10 Vektörel Veri Modellerinin Bilgisayarda Saklanması Aynı sınırı paylaşan iki komşu poligonun ortak sınırının tekrar tekrar bilgisayarda saklanmasından kaçınmak için vektörel yapıdaki veriler en basit şekilde, çizgi-düğüm noktası (arc-node) adı verilen veri yapısına göre düzenlenip bilgisayar ortamında saklanırlar.

11 Vektörel Veri Modellerinin Bilgisayarda Saklanması

12 Veri Yapısı Türleri Spagetti veri yapısı: Ortak sınırlar bilgisayar belleğinde en az iki kez kaydedilir. Optimum bir depolama ve gösterim şekli değildir. Coğrafi objelerin komşuluk, sağda-solda olma, içte-dışta olma gibi konumsal ilişkileri kaydedilmez. Topolojik veri yapısı: Coğrafi varlıkların birbiriyle nasıl ve ne şekilde ilişkilendirildiği geometriden bağımsız şekilde gösterilir.

13 Topolojik Veri Yapısı Topoloji mantığı coğrafi bilgi sistemleri için geliştirilen yazılımların en önemli fonksiyonu niteliğindedir. Bir CBS yazılımında topolojiye olan gereksinimin en büyük nedeni; topoloji sayesinde bir ağ kapsamındaki bağlantıları, yönleri ve bağlantı noktalarına göre modelleme, benzer özellikteki poligonların komşuluk ilişkileri, coğrafi özelliklerin bindirmesi ve benzeri analitik fonksiyonların yerine getirilmesi gibi konum analizlerinin koordinat bilgisine ihtiyaç duyulmadan yapılabilmesidir. Örneğin; Aynı noktayı paylaşan çizgiler (kavşakta buluşan yol adları) Bir çizginin sağındaki ve solundaki poligonlar (bir yolun iki tarafında kalan mahalle isimleri) Bir poligonu oluşturan çevresindeki çizgiler ( bir tarlayı çevreleyen çitler) Bir poligonun komşu poligonları (orman sahasını çevreleyen köyler) Bir poligonun içindeki poligonlar (göl içindeki adalar)

14 Topolojik Veri Yapısı Aşağıdaki soruların yanıtlanmasına yardımcı olur; A ilinde hangi mahalleler bulunur? A köyünü çevreleyen yolun adı nedir? X gölünün etrafını çevreleyen arazi sahipleri kimdir? A kentinden B kentine karayolu ile seyahat edilir mi? X karayolu hangi kente iletişimi sağlar? Hangi parsellerde bina mevcuttur? Otobüs ile A kentinden B kentine giderken en kısa yol hangisidir?

15 CBS de Veri Modelleri

16 Hücresel (Raster) Veri Modelleri Herhangi bir görüntü bütünü piksel (pixel) veya hücre (cell) adı verilen seri haldeki küçük boyutlu kutulardan ya da diğer bir ifade ile gridlerden meydana gelir. Gridler aynı boyutta olup farklı renklerde olabildiği gibi, birbirini izleyen herhangi bir rengin tonları şeklinde de olabilir. Varlıklar yansıttıkları renk değerlerine veya bilgi tiplerine göre; renk skalasındaki (renk ölçü cetveli) değerlere atanır. Bu renk skalasına renk veya görüntü derinliği (image depth) denir.

17 Hücresel (Raster) Veri Modelleri Haritada gösterilen coğrafi varlığın gerçeği yansıtma gücü, diğer bir ifade ile konum hassasiyeti, harita ölçeğine veya görüntünün elde edilme kalitesine bağlıdır. Raster gösterimde bu hassasiyet piksel boyutuna göre değişen ayırma veya çözünürlük (resolution) gücü ile ölçülür. Piksellerin boyutu bilgisayar ortamında mikron biriminde ölçülürken, gerçekteki boyutu metre veya santimetre boyutundadır. Piksellerin gerçekteki boyutuna yersel çözünürlük adı verilir.

18 Raster Veri Modellerinin Bilgisayarda Saklanması Raster veri modelinde her bir konum ayrı bir piksel ile ifade edilir. Bu tür raster gösterimlerde her bir hücrenin koordinatı satır (row) ve sütun (column) numarasıyla belirlenirken, koordinat başlangıcı olarak daima sol üst köşe başlangıç alınır. Grid üzerindeki her bir piksel ya da hücre, taşıdığı coğrafi özelliğe karşılık gelecek şekilde bir nominal değere sahiptir. Bu nominal değer, arazi sınıflandırmasında kullanılan bir kod değeri olabileceği gibi, o hücrenin rengini arasında tanımlayan bir renk ölçü değeri de olabilemektedir.

19 Raster Veri Modelinde Nokta- Çizgi-Poligon Gösterimi

20 Piksel Boyutu ve Renk Derinliği Piksel boyutu ne kadar küçük ise varlıklar, o kadar net; renk görüntü derinliği ne kadar fazla ise varlıklar o kadar gerçeğe yakın görünür. Renk derinlikleri 1 bit (2 renk, siyah-beyaz) 8 bit = 1 byte (256 renk, gri tonlar veya renkli) 16 bit = 2 byte (65,536 renk, renkli) 24 bit = 3 byte (16,777,216 renk, renkli) 32 bit = 4 byte (4,294,967,296 renk, gerçek renkler) 1 bit 4 bit 8 bit 24 bit

21 Rakamlarla Raster Görüntüler 50x70 cm boyutundaki bir haritanın bilgisayarda 0.1x0.1 mm lik piksellerle temsil edildiği kabul edilirse, bu harita katmanındaki matriste 35 milyon piksel bulunur. Her piksel için 1 bit kullanıldığında katman için 4 MB, 8 bit kullanıldığında 33 MB bellek gereksinimi olur.

22 Raster Veri Sıkıştırma Teknikleri Raster gösterim bilgisayar belleğinde vektörel tekniğe göre daha fazla yer kaplar. Bilhassa vektörel gösterimde haritada boş alan olarak gözüken kısımlar, raster gösterimde dolu alan olarak dikkate alındığından, bu alanlar dahi bellekte saklanmak durumundadır. Raster veri sıkıştırma yöntemleri Zincir kodları (chain codes) yöntemi Blok kodları (block codes) yöntemi Eş-tarama uzunluğu kodları (run-lenght codes) yöntemi Dörtlü ağaç yapısı (quad-tree) yöntemi

23 Vektör ve Raster Veri Modellerinin Karşılaştırılması Vektörel veri modeli Avantajları Gerçek durum veri yapısına doğrudan yansır Bütünlük arz eden bir veri yapısı vardır Ağ bağlantıları şeklindeki topolojik yapı açık ve anlaşılırdır Grafik gösterim ölçeğe bağlı doğruluğa sahiptir Grafik ve grafik olmayan veriye ulaşma ve güncelleme mümkündür Dezavantajları Veri yapıları karmaşıktır Poligon özelliği taşıyan çok sayıdaki şekilin üst üste bindirilmesi zordur Yüksek kalite ve renkli görüntüleme (çıktı alma) yüksek maliyetli donanım gerektirir Çok yönlü ve hassas yazılım ve donanım dolayısıyla yüksek maliyet gerektirir Raster veri modeli Veri yapıları çok basittir Uydu ve benzeri görüntülerle haritaların kombinasyonu mümkündür Konumsal analizlerin gerçekleştirilmesi kolaydır Piksellerin aynı boyut ve şekilde olması nedeniyle simülasyon işlemi daha kolaydır Hızlı gelişen raster teknolojisi nedeniyle yüksek maliyet gerektirmez Çok geniş bellek hacimleri gerektirir Piksel boyutları büyütüldüğünde görünüm bozulmakta ve veri kaybı olmaktadır Ağ yapılandırması ve objeler arasında bağlantıların kurulması çok zordur Raster haritaların görünümü hassas çizilmiş haritalara nazaran çok daha kötüdür

24 COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMLERİNDE VERİ TOPLAMA Prof.Dr. Tolga Elbir

25 Verilerin Elde Edilmesi Arazide doğrudan yapılan yersel ölçmeler

26 Araziden doğrudan yapılan yersel ölçümler Çelik şerit metre, ölçü zinciri, takeometre, jalon gibi geleneksel ölçü araçları ile gerçekleştirilen ölçümlerdir.

27 Verilerin Elde Edilmesi Arazide doğrudan yapılan yersel ölçmeler GPS ile uydu gözlemlerinden yararlanma

28 Global Positioning System (GPS) ile uydu gözlemlerinden yararlanma GPS (Global Positioning System; Küresel Yer Belirleme Sistemi ya da Küresel Konumlandırma Sistemi), düzenli olarak kodlanmış bilgi yollayan bir uydu ağıdır ve uydularından gönderilen radyo sinyalleri yardımıyla karada, denizde ve uzaydaki konumları belli olmayan noktalara ait hassas üç boyutlu konum, yön ve zamanı belirlemeyi mümkün kılar. Bu sistem, ABD Savunma Bakanlığı na ait, yörüngede sürekli olarak dönen 24 uydudan oluşur. Bu uydular çok düşük güçlü radyo sinyalleri yayarlar. Yeryüzündeki GPS alıcısı, bu sinyalleri alır. Böylece konum belirlenmesi mümkün olur. Bu sistemin ilk kuruluş hedefi tamamen askeri amaçlar içindi. GPS alıcıları yön bulmakta, askeri çıkartmalarda ve roket atışlarında kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Ancak, 1980 lerde GPS sistemi sivil kullanıma da açılmıştır.

29 Global Positioning System (GPS) ile uydu gözlemlerinden yararlanma GPS yörünge düzeni 6 uydu yörünge düzleminden meydana gelir. Her bir yörünge düzleminde dört uydu bulunmaktadır. GPS uydu yörünge planı 21+3 şeklindedir. Bunlardan 3 uydu yedek uydu niteliğindedir. GPS uydularının yerden yükseklikleri yaklaşık km olup, yörüngeleri daireseldir.

30 Verilerin Elde Edilmesi Arazide doğrudan yapılan yersel ölçmeler GPS ile uydu gözlemlerinden yararlanma Fotogrametrik yöntemler ile veri toplama

31 Fotogrametrik yöntemle veri toplama Fotogrametri, resimler üzerinden objelerin konum, büyüklük ve biçimini belirleyen bilim dalıdır. Fotogrametrik ölçme ve değerlendirmenin sonucunda üç tip ürün elde edilir: Objelerin koordinatlarının x,y,z ile 3 boyutlu belirlenmesi Topoğrafik harita ve planların yapılması (çizgisel veya raster(ortofoto)) Düşeylenmiş fotoğrafların elde edilmesi veya bu fotoğraflardan harita elde edilmesi

32 Fotogrametrik Yöntemle Elde Edilen Veriler Hava fotoğrafı Ortofoto Sayısal yükselik modelleri (Digital Elevation Model DEM)

33 Ortofoto Bir fotoğrafın diferansiyel yataylanması ya da eğikliklerinin giderilmesi ve yükseklik farklarının ortadan kaldırılmasıdır. Resim eğikliği ve arazi yüksekliğinin her noktada aynı olmamasından kaynaklanan fotoğraf hatalarının giderildiği ve üzerinde her doğrultuda ölçeğin aynı olduğu fotoğraf tabanlı haritalardır.

34

35 Sayısal Yükseklik Modelleri Digital Elevation Models - DEM Belirli bir grid ağı noktalarındaki yükseklik değerleridir. Bunlar; Eş yükseklik eğrilerinin çizilmesi 2 boyutlu CBS katmanlarına üçüncü boyutun verilmesi Eğim haritalarının yapılması Arazilerin görünengörünmeyen bölgelerinin analizi işlemlerinde yaygın kullanılırlar.

36 Verilerin Elde Edilmesi Arazide doğrudan yapılan yersel ölçmeler GPS ile uydu gözlemlerinden yararlanma Fotogrametrik yöntemler ile veri toplama Uzaktan algılama (remote sensing)

37 Uzaktan Algılama Yer ile herhangi bir temas olmaksızın yerin çeşitli özelliklerinin tespiti işidir. İlk sivil amaçlı uydu 1972 yılında ERST-1 ismiyle fırlatılan uydudur. Daha sonra adı Landsat-1 olarak değiştirilmiştir. Diğer uzaktan algılama uyduları; SPOT (Belçika, Fransa ve İsveç) RADARSAT (Kanada) RESURS (Rusya) IRS (Hindistan) JERS (Japonya)

38 LANDSAT Uyduları Landsat Serisi Landsat Landsat Landsat Landsat Landsat Landsat 6 Tahrip Landsat Algılama Sistemleri Landsat 1,2,3 Çok bantlı tarama sistemi (Multispectral Scanning System MSS): 4 kanallı radyometre, 80 m çözünürlük, 185 km 2 alan, 920 km yükseklikte, 103 dakida/devir, 18 günde bir aynı yer gözlemi Landsat 4,5 MSS Tematik haritalayacı (Thematic Mapper TM): iki yönde (sağ-sol) algılama dolayısıyla 2 kat zaman kazanma, görüntü kayıt sistemi yoktur görüntüler ekvator üzerine konumlandırılmış bir uyduya (TDRS Tracking and Data Relay Satellite), geometrik olarak TM 30 m x 30m piksel boyutu, Landsat 7 ETM+ (Enhanced Thematic Mapper)

39 Farklı bantlar

40

41 SPOT Uyduları Spot Serisi Spot Spot Spot Arazi çalışmaları, yeni kaynakların temin edilmesi, jeolojik kaynakların tespiti, kartografik çalışmalara 1/ ve 1/ ölçeğinde veri toplama 26 günlük yörünge, 60kmx60km alan Algılama Sistemleri: Spot 1,2,3: HRV (High Resolution Visible): 3 band, 20 m çözünürlük Spot 4: HRV-IR Spot 5: HRG (High Resolution Geometry)

42 Diğer uydular IRS (Hindistan) ERS-1 (Avrupa) IKONOS (ABD, İlk ticari amaçlı uydu) RESURS-1 (Rusya) JERS-1 (Japonya) RADARSAT (Kanada) Meteorolojik Uydular (çözünürlük: 1km x 1km) NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) GOES (Geostationary Operational Envionmental Satellites) CZCS (Coastal Zone Colour Scanner) MOS (Marine Observation Satellite)

43 Görüntü Analizi (Image Analysis) Coğrafi özellikler yansıttıkları veya yaydıkları radrasyonla tanımlanabilirler.

44 Dijital Görüntü İşleme (Digital Image Processing) ERDAS, ERMapper, ENVI, Idrisi, GRASS Temel fonksiyonlar: Ön işlem (preprocessing) Algılayıcı ve platformdan dolayı oluşan radyometrik ve geometrik bozulmaları ortadan kaldırma Görüntü restorasyonu (restoration) ve doğrultma ya da retrifikasyon (retrification) Görüntü iyileştirme (image enhancement) Detaylar arasındaki ton farklarının daha belirginleştirilmesi Piksellere elle değerler atama Görüntü dönüşümleri (image transformation) Temel aritmetik işlemlere mevcut orjinal bantlar üzerinde ilave, çıkarma, çoğaltma ve parçalama yapılarak coğrafi detayların belirginleştirilmesi Görüntü sınıflama ve analizi (image classification and analysis) Benzer özellikteki piksellerin dijital olarak tanımlanması ve bunları gruplar halinde saklanması Tematik harita elde edilmesi

45 Verilerin Elde Edilmesi Arazide doğrudan yapılan yersel ölçmeler GPS ile uydu gözlemlerinden yararlanma Fotogrametrik yöntemler ile veri toplama Uzaktan algılama (remote sensing) Mevcut haritaların elle sayısallaştırılması

46 Mevcut Verilerin Elde Edilmesi Analog veriler: Dijital olmayan ve kağıt ortamda bulunan veriler En yoğun kullanılan veri çeşitleri CBS de kullanılabilir olması için sayısallaştırılması gerekir Sayısallaştırma Klasik sayısallaştırma Otomatik sayısallaştırma Tarama şeklinde sayısallaştırma Ekrandan sayısallaştırma

47 Klasik sayısallaştırma Elle sayısallaştırma Sayısallaştırma masaları (digitizer)

48 Verilerin Elde Edilmesi Arazide doğrudan yapılan yersel ölçmeler GPS ile uydu gözlemlerinden yararlanma Fotogrametrik yöntemler ile veri toplama Uzaktan algılama (remote sensing) Mevcut haritaların elle sayısallaştırılması Tarama sistemleriyle otomatik sayısallaştırma

49 Otomatik Sayısallaştırma İmlecin, el yardımı olmaksızın otomatik olarak çizgiyi tanıyarak işlemi gerçekleştirmesidir.

50 Tarama Şeklinde Sayısallaştırma Bildiğimiz scan etme işlemi

51 Ekrandan Sayısallaştırma

52 Verilerin Elde Edilmesi Arazide doğrudan yapılan yersel ölçmeler GPS ile uydu gözlemlerinden yararlanma Fotogrametrik yöntemler ile veri toplama Uzaktan algılama (remote sensing) Mevcut haritaların elle sayısallaştırılması Tarama sistemleriyle otomatik sayısallaştırma Hazır veri tabanlarının kullanımı