Geografické informační systémy Jak nahlédnout za „kopečky“, a přitom zůstat doma JAROMÍR KOLEJKA
Vědy o Zemi vstoupily do informační revoluce jako jedny z prvních. K rozvoji digitálních geoinformačních technologií přispěly války – zejména 2. světová a po ní studená. Jejich přičiněním vzrostla potřeba získávat a zpracovávat ohromné objemy prostorových dat, sloužících jak k navigaci, tak pro lepší přehled o protivníkově situaci. Dnes – po 50 letech intenzivního rozvoje – plní geoinformační technologie spoustu jiných úkolů. Kde, kdy, jak, proč? Jestliže má geografická informace přinést užitek, musí obsahovat dvě složky, které od sebe nelze oddělit: sdělení, kde se něco nachází (obvykle se udává zeměpisná šířka a délka) a co se tam nachází. Teprve k těmto základním složkám mohou přistupovat další, na něž se ptáme otázkami kdy?, jak?, proč? apod. Objekty na zemském povrchu (popř. nad ním či pod ním) mohou nabývat podobu bodu, čáry nebo plochy v závislosti na míře rozlišení dokumentu. Z hlediska pokrytí povrchu planety můžeme hovořit o dvou hlavních typech prostorových údajů: l Vektorová data. Území je pokryto areály téže struktury (polygony), jejichž hranice je bod po bodu popsána geografickými souřadnicemi a jeden bod uvnitř areálu (identifikátor) nese tematickou informaci o dané ploše čili atribut. l Rastrová data. Území je rozděleno pravidelnou šachovnicovou sítí do velmi drobných plošných prvků rastru (pixelů), z nichž každý nese svoji polohopisnou charakteristiku (kromě geografických souřadnic je dána např. místem v řádku a sloupci obrazové mozaiky) a zároveň tematickou informaci v atributu u každého pixelu. Použitím dat obojího typu, která se ostatně dají vzájemně konvertovat, lze řešit velice rozmanité prostorové úkoly – od prostorové inventarizace či dokumentace po modelování jevů v prostoru a čase. Technologie, která přijímá, ukládá, zpracovává, vyhodnocuje a reprodukuje Geografické informační systémy (GIS) si můžeme představit jako moderní technologii, která přijímá, ukládá, zpracovává, vyhodnocuje a reprodukuje lokalizované údaje. Tyto technologie se u nás vyvíjely a zaváděly již na přelomu 70. a 80. let minulého století. Počítačový systém DIGIKART, vyráběný v Novém Boru, patřil svého času mezi nejlepší zařízení.
1. Správa lesa v GIS, © INTERGRAPH ČR
Vše změnil teprve nástup osobních počítačů PC (Personal Computer), zvlášť když brzy nato následovalo rozšíření „desk top“ geografických informačních systémů, tj. programů GIS pro stolní počítač. Ty jsou přístupné každému, některé programové balíky geografických informačních systémů pro PC jsou zadarmo a lze je stáhnout (včetně návodu k použití) z internetové sítě.1 Dnes téměř neexistuje obor, který by pracoval s prostorovými daty, a přitom nevyužíval geoinformační technologie. Nejběžnější je geografický informační systém (z ostatních uveďme např. dálkový průzkum Země či družicové navigační systémy). V České republice najdou uplatnění ve většině oborů lidské činnosti, snad kromě aktivit na moři a problémů spojených s jinými typy geografického prostředí, než je to naše (tropy, pouště, ledovce). Nejjednodušším příkladem využití GIS je statická evidence a dokumentace stavu sledované problematiky. Například digitální mapa lesních ploch ke konkrét1) Solventní zájemci si mohou příslušný software pořídit za různě vysoké částky jak od prodejců zahraničních produktů, např. od firem ESRI (ArcView, ArcGIS), Intergraph (MicroStation), Autodesk (AutoCAD Map), MapInfo aj., tak od našich tvůrců, kteří se zahraničními úspěšně soutěží, např. od firem Berit (LIDS), TopoL, Foresta SG a mnoha dalších. Tyto programové balíky umožňují standardní operace s prostorovými daty, jako jsou jejich rozmanité úpravy, prezentace v mapách a obvykle také jednoduché nebo účelové analýzy spočívající v integrovaném zpracování více mapových vrstev pro konkrétní účel. Pro speciální úkoly je ovšem zapotřebí další softwarové balíky dokoupit nebo je vyvinout ve vlastní režii. A tady se již fantazii ani zkušenostem meze nekladou.
Doc. RNDr. Jaromír Kolejka, CSc., (*1954). Vystudoval odbornou geografii na Přírodovědecké fakultě UJEP v Brně. Na katedře geografie Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity v Brně se zabývá využitím geografických informačních systémů a dálkového průzkumu Země v krajinné ekologii, managementu životního prostředí a ochraně půd. V tomto oboru působil dlouhodobě na řadě pracovišť v Evropě, Asii a Americe. http://vesmir.cts.cuni.cz l VESMÍR 81, červenec 2002
397
2. Nahoře: Návrh optimálního využití pozemků v katastru obcí Staré Město u Moravské Třebové, Radišov a Petrušov respektuje přírodní vlastnosti krajiny, aktuální využití i všemožná právní omezení a zahrnuje jak nezměnitelné využití a dosavadní vhodné využití, tak nabídku lokalit pro využití ekologicky a ekonomicky nejlepší. Dole: Přínos jednotlivých ploch ekologické stabilitě území je hodnocen stupni, v tomto případě jde o katastr obcí Staré Město u Moravské Třebové, Radišov a Petrušov. Maximální přínos (5) lze zaznamenat pouze na malé ploše v pravém dolním rohu mapky.
Staré mìsto, Radišov a Petrušov 0
500
1000
m
Plošné rezervy pro optimální funkce vyuití krajiny rekreace u vody kempingy sportovištì golf orná pùda ovocné sady louky lesy
S Z
V J 1
0 km
hodnocení zájmových území nebo jejich částí. Jestliže máme k dispozici další údaje o ostatních přírodních složkách prostředí (geologické stavbě, půdě, reliéfu, klimatu, vláhových poměrech atd.), software GIS instalovaný do našeho počítače nám vypočte třeba optimální rozmístění lidských aktivit v krajině tak, aby byly ekonomicky efektivní a zároveň ekologicky přijatelné. Také nás tento program může upozornit, že využití některých ploch je v rozporu s přírodními podmínkami, tudíž pro krajinu škodlivé. Před pěti lety postihly naši zemi katastrofální povodně (viz články na s. 370 a 373). Moderní geoinformační technologie umožňuje nejen evidovat rozliv v reálném čase, ale i modelovat za předem stanovených podmínek budoucí rozsah povodně (obr. 3 na protější straně). Záplavové modely na bázi geografických informačních systémů si pro svůj varovný systém pořídila řada našich měst včetně Prahy. Let nad modelovanou krajinou
0
1
2
3
4
5
nímu datu může být východiskem pro další analýzy (obr. 1). Je-li navíc informace o využití ploch (obr. 2 nahoře) doplněna údajem o míře ekologické stability té které plochy (obr. 2 dole), lze provádět rozmanitá KRAJINA – (NEJEN) SOUBOR MĚŘITELNÝCH VELIČIN Geografické informační systémy jsou dnes tak dokonalé, že změří každý detail a vytvoří věrohodný model, jímž se můžeme prodírat nebo se nad ním vznášet na pomyslných perutích. Reálná husí kůže nám naskakuje, i když jsme zavaleni modelovou lavinou. Lepší programy patrně věrně zprostředkují rozervaná mračna letící liduprostou nocí za vzrůstajcího hukotu vichru. Zároveň ale tušíme, proč GIS slouží spíš k zachování reálné krajiny než k toulkám krajinou virtuální. Program přece jen nezajistí, aby vás širá rozloha počítačového kraje přijala. Pavla Loucká Když přijdu poprvé do krásného a neznámého kraje, nechávám na sebe dlouho a tiše působit jeho rozlohu. Sedím, větřík vane, pozoruji kraj. Dalekou zeleň lesů od obzoru k obzoru. Nebo nesmírné plochy vlnících se stepních trav. Nekonečné pouštní písky. Oslňující, stále se proměňující hladiny jezerních vod. Když tě přijmou širé rozlohy kraje, máš vyhráno. Možná, že se to nehodí na tomto místě uvádět, ale jsi-li poprvé s neznámou krajinou, je to podobné – alespoň mně to tak vždycky připadalo – jako jsi-li poprvé s neznámou dívkou. Rozlohy pevniny – lesů, trav a písků – jako by se podobaly dívčím vlasům. Také u dívek je nejlépe začít dobýváním vlasů. Přijmou-li tě, máš vyhráno. Dívčí vlasy – mořské břehy. Ne-
398
VESMÍR 81, červenec 2002 l http://vesmir.cts.cuni.cz
Vzhledem k tomu, že technologie GIS umožňuje tvorbu trojrozměrných modelů a jejich animaci, můžeme před obrazovkou buď sledovat pohybující se model ze všech možných úhlů, anebo se naopak „proletět“ nad modelovanou krajinou. Sedíme si v bezpečí u svého počítače a prožíváme vygenerovaný průběh lesního požáru, sesuvu půdy, havárii v průmyslovém závodě, naplnění přehrady, šíření škůdců v porostech, znečištění v nádrži, vodním toku či geologickém prostředí. Nahlédneme pod oblačnost Venuše a proletíme „na dotyk“ nad jejím povrchem, vstoupíme do Velkého kaňonu na Marsu nebo do reaktoru černobylské elektrárny. Geografické informační systémy vytvářejí virtuální svět jako věrnou kopii toho, co je za okny našich domovů. Zdálo by se, že není třeba cestovat, protože kteroukoli cestu si lze naprogramovat. Zábavná komerce však zatím není nejvyužívanější aplikací geografických informačních systémů – většina jich slouží poznávání a zlepšování životního prostředí. o pokojné mužské moře se zde poprvé setkává s neznámou pevninou. Nelze rozlišit, kde končí voda a začíná souš. Země ještě nemá strach z dobyvačných vod, do vnitrozemí je dosud daleko, vlasy se proto mimovolně poddávají laskání, první doteky mužských prstů v nich mizí stejně lehce a zdánlivě nepozorovaně jako voda v pobřežním písku. Konce vlasů – území nikoho. Země se dosud může nechat bez závazku a studu laskat, moře může ještě se ctí ustoupit. V písku i ve vlasech se setkávají dvě říše, dva živly, které bez sebe – i když jsou si vlastně nepřátelské – nemohou existovat. Moře mimovolně hladí a laská zem, dosud je možné uplynout zpět do oceánu, ale první rozhodující dotyk byl již učiněn. Mě k sobě takhle poprvé připustila Zadní země jednoho podzimního dne, když jsem pohlížel na její nekonečné rozlohy ze skalního ostrohu vysoko nad Sněžnou roklí. Vedle mne tiše seděl velký pes a chladný vítr se mu probíral dlouhou srstí. Jako by vlk seděl vysoko nad Yellowstonským údolím. Skláněl hlavu do tmavých, a přitom barevných roklí a vdechoval nosem stejnou krásou, jakou já jsem do sebe přijímal očima. To, co byl pro mne zázrak , cosi nevyslovitelného, co se nachází až za zrakem, to byl pro něj záčich, očekávání něčeho, co leží až daleko za jeho čichem. MILOSLAV NEVRLÝ: Chvály Zadní země, s. 5–6, FONS, Praha 1996
hladina pøi povodni v èervenci 1997 [m] 0,01–0,5 0,5–1 1–3 3–5 5–9 9–15
a
rozdílová mapa [m] èervenì – sníení hladiny modøe – zvýšení hladiny (vysvìtlivka platí pro oba dolní obrázky) –3 – –2 –2 – –1 –1 – –0,5 –0,5 – –0,1 –0,1 – –0,01 –0,01 – 0,01 0,01 – 0,1 0,1 – 0,5 0,5 – 1 1 – 2 2 – 3
b
3. Rozsah povodní (rozdíly ve výšce zátopy) v údolí řeky Moravy: a) skutečný rozsah záplavy v roce 1997, b) model téhož místa při stejných srážkách za předpokladu, že v povodí byly postaveny retenční nádrže, c) model téhož místa při stejných srážkách za předpokladu, že byla realizována ekologická opatření. © Povodí Moravy Brno
c
http://vesmir.cts.cuni.cz l VESMÍR 81, červenec 2002
399
EKOLOGICKÉ OKO EVROPY
400
VESMÍR 81, červenec 2002 l http://vesmir.cts.cuni.cz
Nahoře: Snímek pořízený zobrazujícím spektrometrem MERIS zachytil obrovskou skvrnu tvořenou fytoplanktonem u pobřeží Mauretánie. V této oblasti severovýchodní větry způsobují, že se k povrchu dostanou spodní vody bohaté na živiny. Fytoplankton je důležitým článkem potravního řetězce. Je primárním producentem, který za přispění sluneční energie přeměňuje oxid uhličitý a živiny na uhlovodíky. Klimatické změny pochopitelně mohou ovlivnit intenzitu stoupání spodních vod k povrchu, což ovlivňuje rybářství a lokální ekonomiku. Oba snímky © ESA
vysokorozlišujícím spektrometrem MIPAS pro stanovení chemického složení atmosféry, mikrovlnným radiometrem MWR pro stanovení obsahu vodní páry v atmosféře a zobrazujícím spektrometrem SCIAMACHY. Tato nejdokonalejší laboratoř, která kdy byla vyslána do kosmu, by měla přinejmenším 5 let sloužit k předpovědím tajfunů a k sledování lesních požárů, pohybů zemské kůry (např. v Benátkách), znečištění ropou či olejem (měly by být zjistitelné úniky už 300 litrů!), povodní i mýcení lesů. Ivan Boháček Vpravo: Envisat se dostal na oběžnou dráhu právě včas, 18. března zachytil rozpad ledovce Larsen B. Snímek pořízený radiolokátorem se syntetickou aperturou (ASAR) zachycuje oblast asi 400 km širokou. Úlomky ledovce směřují východním směrem do Weddellova moře.
s s
Prvního března 2002 krátce po půlnoci UT vrcholilo na kosmodromu Evropské kosmické agentury (ESA) u města Kourou ve Francouzské Guyaně napětí. Raketa Ariane 5 měla totiž dopravit na oběžnou dráhu 8214kilogramovou družici Envisat. V sázce nebylo málo: Náklady na konstrukci tohoto unikátního satelitu dosáhly 2 400 000 eur, ale nešlo jen o peníze – stovky vědců a inženýrů vložily do konstrukce vědeckých přístrojů této sondy své nejlepší nápady. Evropské ekologické „oko“ poskytne vědcům dostatek dat, aby odpovědi na znepokojující otázky typu l roste ozonová díra? l jaká je koncentrace skleníkových plynů v atmosféře? ~ l jaký je stav El Nin o? l jak to vypadá s deštnými pralesy? l jak rychle tají polární čepičky? nebyly tak neurčité. Sonda je vybavena radiolokátorem se syntetickou aperturou ASAR, radiolokačním výškoměrem RA-2, skenujícím radiometrem AATSR, spektrometrem GOMOS pro studium ozonové vrstvy, zobrazujícím spektrometrem MERIS,
100 km
http://vesmir.cts.cuni.cz l VESMÍR 81, červenec 2002
401
