Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra informačních technologií a elektronického obchodování
Počítačová grafika, prezentace informací, zpracování obrazu na počítači Bakalářská práce
Autor:
Ivana Nykodýmová Informační technologie, správce informačních systémů
Vedoucí práce:
doc. Ing. Stanislav Horný, CSc.
Praha
Duben, 2009
1
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracovala samostatně a s použitím uvedené literatury a internetových zdrojů.
V Karlových Varech dne
Ivana Nykodýmová 2
Poděkování
Děkuji tímto vedoucímu práce, panu doc. Ing. Stanislavu Hornému, CSc., za obětavou pomoc a trpělivost, kterou mi věnoval při metodickém vedení a za rady, připomínky a doporučení, jimiž mi pomohl při zpracování bakalářské práce.
3
Anotace práce
Bakalářská práce je zaměřena na počítačovou grafiku a geografický informační systém (GIS). První kapitola se zabývá základními pojmy, formáty a programy rastrové grafiky. Druhá kapitola popisuje základy vektorové grafiky. Třetí kapitola se zaměřuje na geografické informační systémy, definice, vývoj a využití. Dále je v této kapitole věnována pozornost prostorovým datům a softwarovým produktům pro tvorbu GIS. Poslední kapitola se zabývá praktickými příklady využití počítačové grafiky, zejména geografických programů a informačních systémů, jako nástroje pro podporu rozhodování ve státní správě. Výsledkem je ucelený přehled o základních pojmech vektorové a rastrové grafiky a přiblížení geografických informačních systémů a možnosti jejich využití.
Klíčová slova: Počítačová grafika, rastrová grafika, vektorová grafika, barevné modely, formáty grafických souborů, grafické programy, geografický informační systém
Annotation
This bachelor work is focused on computer graphics and geographical information system (GIS). The first chapter of the work is interested in basic words, formats and programs of the raster graphics. The second chapter describes the basics of vector graphics. The third chapter concentrates on the geographical information systems, definitions, development and its usage. Further on, this chapter describes some space data and software products for GIS creation. The last chapter is interested in practical examples of application of the computer graphics, especially geographical programs and information systems such as instruments for support of decision-making in the state administration. The result of this is a complete review of basic words of vector and raster graphics and approach of geographical information systems and options of its usage.
Key words: Computer graphics, raster graphics, vector graphics, colour models, formats of graphical files, graphical programs, geographical information system 4
Obsah Úvod ...................................................................................................................................... 6 1
Rastrová grafika ........................................................................................................... 7 1.1
2
3
4
Základy rastrové grafiky .................................................................................................... 7
1.1.1
Pixel ............................................................................................................................ 7
1.1.2
Barvy a barevné modely ............................................................................................ 8
1.1.3
Barevná hloubka a bity ............................................................................................ 13
1.1.4
Rozlišení a velikost tisku.......................................................................................... 14
1.2
Rastrové formáty ............................................................................................................. 15
1.3
Rastrové grafické programy ............................................................................................ 17
Vektorová grafika ...................................................................................................... 19 2.1
Základy vektorové grafiky ............................................................................................... 19
2.2
Vektorové formáty .......................................................................................................... 20
2.3
Vektorové grafické programy ......................................................................................... 21
Grafika a geografický informační systém ................................................................ 23 3.1
Definice GIS ...................................................................................................................... 23
3.2
Tři pohledy na GIS ............................................................................................................ 25
3.2.1
Kartografický (mapový) ........................................................................................... 25
3.2.2
Databázový (evidenční) ........................................................................................... 25
3.2.3
Analytický (modelování).......................................................................................... 25
3.3
Vývoj GIS .......................................................................................................................... 25
3.4
Příklady využití GIS .......................................................................................................... 28
3.5
Data v GIS ......................................................................................................................... 30
3.6
Software pro GIS .............................................................................................................. 32
3.6.1
ArcGIS ....................................................................................................................... 32
3.6.2
ArcView GIS 3.x ........................................................................................................ 36
3.6.3
MISYS ....................................................................................................................... 37
Využití počítačové grafiky ve státní správě ............................................................. 39 4.1
Aktualizace bonitovaných půdně ekologických jednotek (BPEJ) ................................... 39
4.2
Pozemkové úpravy .......................................................................................................... 42
4.3
LPIS – Land Parcel Identification System - GIS pro evidenci využití zemědělské půdy 44
Závěr ................................................................................................................................... 47
5
Úvod Počítačová grafika je svět neuvěřitelných možností, který nás obklopuje ze všech stran. Všude se můžeme s počítačovou grafikou setkat. Od webových stránek přes vytištěný reklamní leták, noviny, časopisy, multimediální CD až po počítačové hry, které jsou kvalitní grafikou doslova nabité. Je to svět barev, tvarů, animací a modelování, i když skutečným výtvarným nástrojem není počítač, ale naše mysl a vlastní představy. Je to svět, v kterém se pohybují nejen profesionálové. Vývoj výpočetní techniky, sílící výkon počítačů a v neposlední řadě snížení jejich cen přesunul těžiště používání grafiky z ryze technických oblastí i na obrazovky běžných uživatelů a domácích počítačů. Zásadní převrat ve využití počítačové grafiky u domácích uživatelů způsobil nástup digitálních fotoaparátů a digitální fotografie. S digitální fotografií zmizelo vyvolávání snímků a také odpadlo netrpělivé čekání, zda se fotografie povedla. Možnost spatřit snímek hned poté, co byl pořízen, nadchnul mnoho uživatelů. Jak se říká, s jídlem roste chuť, a tak se mnohdy i méně zdatní uživatelé již nespokojí jen se stažením fotek do počítače, ale pokouší se prostřednictvím grafických programů své dílo upravit. Počítačová grafika je spjata s mnoha obory lidské činnosti. Jedním z nejrychleji se rozvíjejících oborů je mimo jiné geografický informační systém, zkráceně GIS. GIS je počítačový systém, který umožňuje ukládat a využívat tzv. prostorová data – data o geografické poloze prvků či jevů v území. K reprezentaci těchto dat využívá prostředků počítačové grafiky. Téma své bakalářské práce jsem si vybrala proto, že počítačová grafika a GIS jsou již řadu let spjaty s mou prací ve státní správě. Cílem práce je podat přehled o základních pojmech a principech počítačové grafiky se zaměřením na využití počítačové grafiky při tvorbě aplikací v prostředí geografického informačního systému ve státní správě.
6
1 Rastrová grafika Rastrová grafika je jedním ze dvou základních způsobů zpracování, zobrazování a ukládání obrazové informace reálného světa v počítači v dvourozměrné grafice. Je známá také pod pojmem grafika bitmapová nebo bodová. V dnešní době je nejvíce spojována s digitální fotografií.
1.1 Základy rastrové grafiky Pro pochopení rastrové grafiky je zapotřebí objasnit některé základní pojmy.
1.1.1 Pixel Celkový obraz je v rastrové grafice složen z mnoha bodů, které vytváří pravidelnou mozaiku. Jeden tento bod, který je nejmenší jednotkou obrazové informace, se nazývá pixel. Název pixel je zkratkou anglických výrazů picture element (Pix El), kdy se místo slova picture používá jeho běžná zkratka „pix“1. Každý pixel si nese číselnou informaci o barvě a jasu. Čím více pixelů obraz obsahuje, tím je kvalitnější a detailnější. Jednotlivé pixely můžeme vidět při mnohonásobném zvětšení například digitální fotografie na monitoru. Obrázek č. 1 – Jednotlivé pixely při zvětšení
Zdroj: vlastní
1
PIHAN, Roman. Formáty pro ukládání fotografií – 1. díl: základy. [cit. 2008-11-10]. Dostupný z WWW: < http://www.digimanie.cz/art_doc-05B57DDF8D3F6ADEC12573840040CB81.html >.
7
1.1.2 Barvy a barevné modely Je mnoho způsobů, jak popsat barvu. Pro ukládání a reprezentaci barev se proto používají barevné modely, které vycházejí z lidského vnímání barev. Tyto modely definují soubor základních barev, pravidla jejich míchání pro dosažení všech možných odstínů a měněné barevné charakteristiky. Existují dvě metody míchání barev a to aditivní (sčítací) metoda a subtraktivní (odečítací) metoda. Aditivní metodou jsou barvy vytvářeny přidáváním barev do barvy černé. Čím více barev je přidáno, tím světlejší je výsledek. Přidáním všech základních barev vznikne barva bílá. Aditivní barevné prostředí nepotřebuje žádné vnější světlo. Aditivní metoda se používá u zobrazovacích zařízení, například u monitorů, které světlo vyzařují2. Obrázek č. 2 – Aditivní metoda
Obrázek č. 3 – Subtraktivní metoda
Zdroj: 3
Zdroj:4
Subtraktivní metodou jsou základní barvy odečítány od barvy bílé a tak vznikají barvy nové. Čím více barev je přidáno, tím tmavší je výsledek. Přidáním všech základních barev vznikne barva černá. Subtraktivní prostředí je prostředí, které světlo odráží, a proto je zapotřebí vnějšího zdroje světla. Subtraktivní metoda se používá hlavně při tisku5.
2
MURRAY, James D.; VAN RYPER, Wiliam. Encyklopedie grafických formátů. 2. vyd. 1977. 44 s. ISBN 80-7226-033-2. 3 File:AdditiveColor.svg.[cit. 2009-04-14]. Dostupný z WWW:
4 File:SubtractiveColor.svg.[cit. 2009-04-14]. Dostupný z WWW: 5 MURRAY, James D.; VAN RYPER, Wiliam. Cit. 2, 44 s.
8
1.1.2.1 Model RGB Barevný model RGB asi nejlépe vystihuje způsob, jak naše oko vidí. Vychází z faktu, že čípky, které jsou v lidském oku základem barevného vidění, obsahují 3 druhy fotopigmentů, citlivých na vlnové délky světla, které zhruba odpovídají červené, zelené a modré barvě. Model má také tyto tři základní barvy: červenou (R – Red), zelenou (G – Green) a modrou (B – blue). Skládá barvy aditivně a hodí se tedy pro zařízení, která vychází z osvětlení tmavého podkladu. Na tomto principu pracují zejména televize, monitory, fotoaparáty nebo skenery a další podobná zařízení. Barevný rozsah můžeme v modelu RGB vyjádřit prostorově pomocí jednotkové krychle umístěné v osách označených postupně r, g a b. Barvy lze vyjádřit barevným vektorem, jehož složky nabývají hodnot z intervalu <0,1>. Hodnota 0 znamená, že složka není zastoupena, hodnota 1 znamená maximální intenzitu. V počátku souřadnic [0,0,0] leží černá barva a protilehlý vrchol [1,1,1] odpovídá barvě bílé. Vrcholy krychle, které leží na osách r, g, b, představují základní barvy. Zbývající protilehlé vrcholy reprezentují doplňkové barvy ke každé ze základních barev, jejichž součtem získáme barvu bílou. Každému barevnému vektoru odpovídá jeden bod krychle. Odstíny šedi odpovídají bodům na diagonále krychle spojující černý a bílý vrchol6. Obrázek č. 4 – Model RGB
Zdroj: vlastní 6
ŽÁRA, Jiří; aj. Moderní počítačová grafika. 1. vyd. 2004. 25 s. ISBN 80-251-0454-0.
9
1.1.2.2 Model CMY, CMYK Tento model vychází z lidské zkušenosti s mícháním barev tak, jak je typické pro malíře, ale i pro tiskařské techniky. Barevný model CMY má tři základní barvy: azurovou (C – Cyan), purpurovou (M – magenta) a žlutou (Y – yellow). Model skládá barvy subtraktivně. Také tento model lze popsat jednotkovou krychlí. Obrázek č. 5 – Model CMY
Zdroj: vlastní I když černé barvy lze dosáhnout smícháním všech barev CMY, tak při tisku, kde se model nejvíce využívá, se černá barva tiskne jako samostatná barva a tak vznikl model CMYK přidáním černé (K – blacK) jako čtvrté základní barvy. Je to z toho důvodu, že při soutisku barev nesmí být základní barvy C, M, Y dokonale krycí, neboť obraz vzniká jejich vzájemným překrýváním. Složením těchto tří barev proto nevznikne čistá černá barva, ale špinavě hnědá. Ani z ekonomického hlediska není vhodné míchat černou barvu ze tří jiných barev7.
7
ŽÁRA, Jiří; aj. Moderní počítačová grafika. 1. vyd. 2004. 26-27 s. ISBN 80-251-0454-0.
10
1.1.2.3 Model HSV (také HSB) Barevný model HSV definuje barvu trojicí složek, které nepředstavují tentokrát základní barvy, ale popisují, jak barva vypadá. Tedy jaký má barevný tón neboli odstín barvy (H – Hue), sytost, saturaci (S – Saturation) a jas, jasovou hodnotu (V – Value nebo též B Brightness). Umožňuje tak definovat barvy pro člověka přirozeným způsobem. Barevný tón popisuje čistou barvu bez příměsi (tedy např. červená, zelená, modrá). Sytost barvy určuje příměs jiných barev. Jas je dán množstvím bílého (bezbarvého) světla8. Pro zobrazení barev v modelu se používá šestiboký jehlan, jehož vrchol je umístěn v počátku souřadnicového systému HSV a představuje černou barvu. Souřadnice S a V se mění v intervalu <0, 1>. Souřadnice V je shodná s osou jehlanu a znázorňuje změny úrovně jasu. Jas roste směrem k podstavě, střed podstavy reprezentuje bílou barvu. Souřadnice H reprezentuje úhel a nabývá hodnot z intervalu < 0o, 360o). Sytost odpovídá relativní vzdálenosti bodu od osy jehlanu. Čisté barvy leží na obvodu podstavy. Při pohybu po obvodu ve stejné výši od základny se postupně mění barevný tón, sytost a jas zůstávají nezměněny9. Obrázek č. 6 – Model HSV
Zdroj: vlastní
8 9
ŽÁRA, Jiří; aj. Moderní počítačová grafika. 1. vyd. 2004. 27 s. ISBN 80-251-0454-0. tamtéž.
11
Model HSV má dva základní nedostatky Jedním z nedostatků je pohyb barevného tónu po dráze ve tvaru šestiúhelníku místo na kružnici a nesymetrie prostoru z hlediska jasu. Tyto nedostatky odstraňuje prostor HLS.
1.1.2.4 Model HLS Model HLS je obdobou modelu HSV. Jas je nahrazen složkou světlost (L – Lightness). Jehlanovitý tvar je nahrazen dvojicí kuželů. Sytost leží na vodorovné ose, světlost na svislé ose a barevný tón je opět vyjádřen úhlovou hodnotou. Tvar modelu HLS odpovídá skutečnosti, že schopnost rozlišit barevné odstíny klesá jak při velkém ztmavení, tak při zesvětlování základní čisté barvy (oblasti obou vrcholů kuželů). Další přínos modelu HLS spočívá v analogii míchání barev přidáváním černých a bílých pigmentů k základním spektrálním barvám. Zvýšení světlosti při nezměněné sytosti si lze představit jako přidání jistého množství bílých a ubrání stejného množství černých pigmentů. Samotné zvýšení sytosti odpovídá odebrání stejného množství bílých a černých pigmentů10. Obrázek č. 7 – Model HLS
Zdroj: vlastní
10
ŽÁRA, Jiří; aj. Moderní počítačová grafika. 1. vyd. 2004. 28 s. ISBN 80-251-0454-0.
12
Modely HSV a HLS umožňují postupně měnit barevné charakteristiky při zachování ostatních typických vlastností barvy. Tato možnost je důležitá pro počítačové grafiky a tiskaře a zároveň příjemná pro uživatele, kteří chtějí definovat barvy přirozenými pojmy, jako je sytost, světlost a odstín barvy. Dobře se uplatní při editaci fotografií případně při grafických návrzích.
1.1.2.5 Model Lab (často též L*a*b, CIELAB) Barevný model Lab (podle definice CIE 1976 L*a*b) popisuje všechny barvy, které dokáže lidské oko zachytit. Je nezávislý na zařízení a zcela odděluje jasovou složku od složek barevných. Je vhodný pro převod barev z jednoho modelu do druhého a používá se jako referenční model pro správu barev a přenos obrázků mezi různými systémy. Používá se také k zaostření fotek. Před zaostřením se fotka převede do Lab modelu a potom se doostří pouze L složka. Zaostřením pouze jasové složky se redukuje vznik nepříjemných barevných kontur11. Model Lab se skládá z 3 složek: • Světlost (L - Lightness)- pokrývá rozsah od 0 (černá) do 100 (bílá). • Složka barvy a – popisuje odstín barvy bodu ve směru od zelené (záporné hodnoty) po červenou (kladné hodnoty). • Složka barvy b - popisuje odstín barvy bodu ve směru od modré (záporné hodnoty) po žlutou (kladné hodnoty)12. Jednotlivé složky mohou být nastavovány individuálně.
1.1.3 Barevná hloubka a bity Jednotlivé barevné tóny vznikají kombinací základních barev, které vycházejí z barevných modelů. Celkový počet barev, které v obrázku mohou existovat, určuje barevná hloubka. Čím větší je barevná hloubka, tím z většího počtu barev se obraz skládá a tím je kvalitnější. Barevná hloubka může být vyjádřena počtem barev nebo počtem bitů, vzhledem k tomu, že počítače pracují ve dvojkové soustavě, kde základní jednotkou informace je jeden bit. 11
PIHAN, Roman. Mistrovství práce se světlem. 1. vyd. 2008. 31-32 s. ISBN 978-80-87155-02-8.
12
tamtéž
13
Slovo bit pochází z anglického binary digit - dvojková číslice. Jeden bit může nabývat hodnoty 0 nebo 1. Bit je příliš malý, aby nesl složitější informaci a tak počítače ukládají data po bytech, přičemž jeden byte je roven 8 bitům. 8 bitů nám umožňuje kódování 256 úrovní tónů (28). To odpovídá minimálnímu počtu úrovní tónů potřebných k vytvoření vjemu spojitého tónu, což znamená, že přechod z jedné úrovně tónu na další není pro člověka zřejmý. Počet úrovní tónů vyvolávajících u většiny lidí vjem spojitého barevného přechodu je zhruba 200. Barevná hloubka může být vyjádřena na barevnou složku (kanál) vycházející z barevného modelu nebo na pixel, který je nositelem barvy. V případě modelu RGB, 8 bitů pro každý ze tří kanálů odpovídá celkem 24 bitům na pixel (24 bpp = bit per pixel). Počet všech barev vyjádřitelný pomocí 256 úrovní tónů v každém kanále je pak 256 x 256 x 256 neboli přibližně 16, 8 milionu barev. 24 bitová barevná hloubka se v současnosti nejběžněji používá a nazývá se také True Color. Přehled nejčastěji užívaných barevných hloubek, počet barev a rozložení bitů v modelu RGB ukazuje tabulka: Tabulka č. 1 – Barevná hloubka Barevná
Celkový počet barev
hloubka
obrazu
Počet bitů každé barvy R
G
B
8 bitů
28
256
3
3
2
16 bitů
216
65 536
5
6
5
24 bitů
224
16 777 216
8
8
8
36 bitů
236
68 719 476 736
12
12
12
48 bitů
248
281 474 976 710 656
16
16
16
Zdroj: vlastní Z tabulky je také patrné, že čím větší je barevná hloubka, tím větší je velikost obrázku.
1.1.4 Rozlišení a velikost tisku Dalším důležitým parametrem počítačové grafiky je rozlišení, které nám určuje jemnost nebo se dá také říci detailnost obrázku. Rozlišení se udává v DPI (Dot Per Inch) a znamená 14
počet bodů na palec. DPI v podstatě označuje hustotu obrazové informace a používá se hlavně v souvislosti se snímáním předlohy nebo tiskem a můžeme se s ním setkat například u skenerů a tiskáren. U skenerů DPI udává, jak jemně je rozlišována předloha a kolik obrazové informace je získáváno. U tiskáren DPI znamená, jak jemně jsou poskládány jednotlivé obrazové body na médium. Čím vyšší je rozlišení, tím menší body s vyšší hustotou jsou vytvářeny13. Podle požadované kvality (rozlišení) tisku a rozměru obrázku v pixelech můžeme určit maximální tiskovou velikost. Ta se dá snadno zjistit jednoduchým výpočtem. Šířku a délku v pixelech vydělíme požadovaným rozlišením a dostaneme velikost v palcích. Pro převod na centimetry výslednou velikost vynásobíme číslem 2,54 (1 palec = 2,54 cm). Pokud má tedy obrázek například rozměry 3000 x 2000 pixelů, je jeho maximální tisková velikost při rozlišení 300 DPI 25,4 cm x 16,9 cm. Potřebné rozlišení závisí na způsobu použití obrázku. Počet pixelů určuje velikost, v jaké můžeme obrázek při určitém rozlišení vytisknout. Nejspolehlivějším vodítkem pro posouzení velikosti obrázku je znalost rozměru obrazu v jednotlivých pixelech.
1.2 Rastrové formáty Rastrové grafiky se v počítači ukládají v podobě rastrových grafických souborů. V momentě, kdy jsou uloženy, se z nich stávají pevná grafická data určená k uchování, konverzi, zpracování nebo zobrazení. Tato data mohou být uložena různými způsoby, které se nazývají formáty grafických souborů. Formáty souborů můžeme rozdělit na dvě skupiny: Komprimované - komprese je způsob „zhušťování“ dat, kdy obrázek bude mít při zachování určité kvality menší datovou velikost – zabere méně místa na disku. Obrázky je nutné komprimovat zejména, pokud budou použity na internetu, kde platí, že čím menší je obrázek, tím rychleji se ze stránky načítá. Nekomprimované – používají se dnes méně, známým zástupcem je formát BMP 13
BŘEZINA, Jan. Co znamená jednotka DPI a kde se s ní můžeme setkat?. [cit. 2009-04-10]. Dostupný z WWW: < http://www.grafika.cz/art/photoshop/DPI_pojmy.html >.
15
Rozlišujeme dva druhy komprese: Ztrátová komprese – je komprese, která při komprimaci vypouští méně důležitá data. Tento způsob komprese má vliv na kvalitu obrazu, kterou nenávratně sníží, ale tak, aby bylo pokud možno co nejméně pozorovatelné. Tato komprese je vysoce účinná, dokáže zmenšit velikost souboru až na zlomek původní velikosti. Příkladem je formát JPEG14. Bezztrátová komprese – je komprese, která při komprimaci díky speciálním algoritmům vypouští pouze ta data, která jsou skutečně nepotřebná. Tento typ komprese nemá vliv na kvalitu obrázku, nicméně nelze pomocí ní dosáhnout příliš velké úspory místa. Příkladem jsou formáty TIFF, GIF, PNG15. Formátů rastrových souborů je celá řada. Nejvíce používané jsou tyto:
BMP (Windows Bitmap) BMP je interní formát pro uchování obrázků ve Windows. Nepoužívá žádnou kompresi, tak je nevýhodou jeho značná velikost souboru. Nepodporuje průhlednost ani animaci.
GIF (Graphic Interchange Format) Formát GIF slouží pro publikování obrázků na webu, pro zobrazení jednoduchých grafických symbolů a schémat s omezenou paletou, protože kvalita obrazu je omezena maximálním počtem 256 barev. Využívá bezeztrátovou kompresi LZW. Umožňuje používat průhlednost a animace.
JPEG (Joint Picture Expert Group) Formát JPEG je nejrozšířenější formát pro ukládání fotografií a obrázků, zejména na internetových stránkách. Stal se standardem pro ukládání snímků v digitálních fotoaparátech. Je oblíbený pro poměrně účinnou kompresi dat. Komprese je sice ztrátová, ale díky širokému rozsahu stupňů komprese je formát JPEG použitelný i pro náročnější tiskové účely, kde záleží na kvalitě obrazu. Konečná velikost souboru záleží nejen na nastaveném stupni komprese, ale i na obsahu fotografie. Čím více jemných detailů fotografie obsahuje, tím méně ji lze zkomprimovat. Formát JPEG vždy pracuje pouze s barevnou hloubkou 8 bitů, nepodporuje 12 ani 16 bitů na kanál. Nedokáže vytvářet obrázky na průhledném pozadí. Nehodí se na ukládání grafiky, jako jsou grafy, kresby, 14
NAVRÁTIL, Pavel. Počítačová grafika a multimédia. 1. vyd. 2007. 21 s. ISBN 80-86686-77-9.
15
tamtéž.
16
ikony, protože zhoršuje jejich vzhled a čitelnost. Nepodporuje animace. Při opakovaném ukládání dochází ke ztrátě kvality.
PNG (Portable Graphics Network) Formát PNG je určen pro přenos dat na síti. Měl nahradit GIF. Používá bezztrátovou kompresi, uchovává průhlednost i správu barev (ICC profil). Pracuje s barevnou hloubkou 8 nebo 16 bitů na kanál. Hodí se jak na ukládání grafiky, tak na fotografie.
TIFF (Tagged Image File Format) TIFF je standard pro vysoce kvalitní ukládání obrázků. Ukládá obraz zcela bez komprese nebo s bezztrátovou kompresí LZW či ZIP, takže velikost souboru se po uložení může několikrát zmenšit. Zachovává Exif informace (informace o fotografii, např. o datu a času vzniku, informace o nastavení fotoaparátu) i správu barev (ICC profil). Vytváří velké soubory. RAW Formát RAW není ve skutečnosti konkrétní formát. Název byl vytvořen z anglického slova raw, které v češtině znamená surový, hrubý, nezpracovaný, neupravený. V Čechách se nepoužívá jeho výslovnost [ró], ale vžilo se vyslovovat ho klasicky „raw“. Pod pojmem RAW se tedy rozumí jakýkoli soubor obsahující surová, minimálně zpracovaná data ze senzoru. RAW je často také nazýván digitálním negativem. V současné době neexistuje společný standard a výrobci používají k zaznamenání surových dat každý svůj vlastní formát (např. CRW, CR2, NEF, ORF). Firma Adobe navrhla otevřený standard Digital Negative (DNG). RAW formát je doménou fotoaparátů, ale nabízí ho i některé scannery.
1.3 Rastrové grafické programy V současné době existuje celá řada programů pro zpracování rastrové grafiky. Mezi nejznámější patří: Malování Malování je kreslicí nástroj pro vytváření jednoduchých kreseb. Je součástí Windows, takže je dostupný všem uživatelům. Nabízí však minimum funkcí a pro pokročilejší práci s grafikou se tedy nehodí.
17
IrfanView I když IrfanView patří mezi prohlížeče obrázků, obsahuje základní nástroje pro úpravu fotografií, které se stále rozrůstají. Adobe Photoshop Adobe Photoshop je jedním z nejoblíbenějších programů pro zpracování rastrové grafiky. Poskytuje velké množství funkcí a také možnost přidávat naprogramované moduly se specifickými funkcemi. Je to vysoce výkonný špičkový nástroj pro profesionální práci s grafikou. Gimp Gimp je grafický editor, který slouží pro tvorbu a úpravu rastrových obrázků, fotografií a pro tvorbu webové grafiky. Program je dostupný zcela zdarma i ke komerčním účelům a může být vhodnou alternativou k profesionálnímu drahému softwaru, neboť je srovnatelný ve svých funkcích s programy jako je Adobe Photoshop a pro běžné uživatele je naprosto dostačující. Corel Photo Paint Corel Photo Paint je profesionální program pro úpravu obrázků a fotografií. Je součástí programového balíku CorelDRAW Graphics Suite. Zoner Photo Studio Zoner Photo Studio je program určený pro zpracování digitálních fotografií od stažení do počítače až po archivaci. Je k dispozici ve čtyřech cenově a funkčně odlišných verzích, takže si každý může vybrat verzi podle svých potřeb a znalostí.
18
2 Vektorová grafika Druhým způsobem zpracování a uložení dvojrozměrné obrazové informace je vektorová grafika.
2.1 Základy vektorové grafiky Základem
vektorové
grafiky
je
matematika.
Obraz
je
složen
z matematicky
definovatelných křivek – vektorů. Pomocí křivek lze vytvořit jakékoliv složité objekty. Výraznou změnu pro kresbu přinesly tzv. Bézierovy křivky. Francouzský matematik a konstruktér Pierre Béziere vyvinul v sedmdesátých letech minulého století matematickou metodu, ve které popsal libovolný úsek křivky pomocí čtyř bodů. Dva krajní kotevní body definují křivku a dva kontrolní body určují vlastní tvar křivky. Obrázek č. 8 – Beziérova křivka
Zdroj: vlastní
Metody tvarování křivek a ploch se postupně zdokonalily a umožnily generovat základní grafické prvky (output primitives)16, které jsou obsaženy ve většině vektorových programů. Patří mezi ně úsečky, lomené čáry, kružnice, elipsy, mnohoúhelníky, křivky a textové řetězce. Základní grafické prvky mohou být liniové nebo plošné. Popis liniových prvků bývá doplněn atributy, které určují vzhled. Vzhled je charakterizován především barvou, tloušťkou a typem čáry, zda je čára plná nebo přerušovaná. U plošných prvků se rozlišuje obrys, u kterého lze definovat barvu, tloušťku, typ čáry, a výplň, u které lze definovat barvu a typ výplně.
16
ŽÁRA, Jiří; aj. Moderní počítačová grafika. 1. vyd. 2004. 79-80 s. ISBN 80-251-0454-0.
19
Různým skládáním grafických prvků vznikají objekty, které tvoří výslednou kresbu. Obrázek č. 9 – Skládání prvků
Zdroj: vlastní
2.2 Vektorové formáty Vektorové formáty jsou určeny pro ukládání vektorových dat. Vektorových formátů je opět celá řada. Mezi často používané patří tyto:
CDR (CorelDRAW) CDR je formát aplikace CorelDRAW firmy Corel Corporation. Umožňuje vícestránkové dokumenty.
SVG (Scalable Vector Graphics) Formát SVG byl navržen pro oblast webové grafiky. Slouží také pro přenos vektorové grafiky mezi různými platformami a aplikacemi. Grafické objekty i přidružené informace jsou uloženy v XML formátu. Jedná se o plnohodnotný vektorový formát, který umožňuje tvorbu animací a především interaktivitu17. Kromě zobrazování se může tedy nad ním vybudovat interaktivní mapový portál, geografický informační systém, grafické editory integrované do HTML stránek.
17
TIŠNOVSKÝ, Pavel. Vektorový grafický formát SVG. [cit. 2009-04-10]. Dostupný z WWW: < http://www.root.cz/clanky/vektorovy-graficky-format-svg/ >.
20
DXF (Drawing eXchange Format) DXF je formát aplikací CAD vyvinutý firmou Autodesk. Umožňuje výměnu dat mezi AutoCADem a dalšími programy. Díky jeho rozšířenosti je podporován mnoha graficky orientovanými aplikacemi.
DGN (Design) DGN je základní formát pro uložení technické dokumentace – výkresů, map, schémat atd. produktů firmy Bentley systems. Je to primárně vektorový formát, mohou v něm však být uložena i rastrová nebo popisná data. V dnešní době existují dvě verze formátu a to DGN V7 a DGN V8.
Coverage Coverage je tradiční formát firmy ESRI. Vektorová data prvků ukládá v binárních souborech a používá jedinečné identifikátory, které spojují prvky s atributy uloženými v atributových tabulkách prvků v jiných souborech.
Shapefile Shapefile je formát pro uložení vektorových prostorových dat a jejich atributů, vytvořený firmou ESRI. Sestává ze sady datových souborů a obsahuje vždy jen jednu třídu prvků. Shapefile je používán jako výměnný formát.
2.3 Vektorové grafické programy Podobně jako u rastrové grafiky, tak i u vektorové grafiky existuje mnoho programů pro zpracování. Mezi nejznámější patří: CorelDRAW CorelDRAW je jeden z nejznámějších a nejpoužívanějších profesionálních editorů pracujících s vektorovou grafikou. Lze ho nalézt ve většině grafických studií. Obsahuje celou řadu velmi kvalitních nástrojů a funkcí. Je součástí programového balíku CorelDRAW Graphics Suite
21
Adobe Illustrator Adobe Illustrator je profesionální program pro tvorbu vektorové grafiky a ilustrací. Jeho hlavní výhdou je spojení rozsáhlých funkcí s profesionálním výstupem pro tisk, multimédia či web. Zoner Callisto Zoner Callisto je český nástroj pro zpracování vektorové grafiky pro nejširší použití. Nabízí širokou paletu nástrojů pro kreslení i velmi komplikovaných dokumentů, ilustrací a další grafiky. Inkscape Inkscape je kvalitní nástroj na tvorbu a úpravu vektorové grafiky. Běžným uživatelům plně nahradí funkce drahých vektorových editorů, neboť je zdarma ke stažení.
22
3 Grafika a geografický informační systém V šedesátých letech minulého století vznikl nápad geografů vytvořit počítačový systém pro ukládání, organizování a prezentaci dat, která popisují místa na zemském povrchu. Tato technologie se dále rozvíjela a stala se známou pod názvem geografické informační systémy, běžně označené zkratkou GIS.
3.1 Definice GIS S rostoucím využitím geografických informačních systémů se objevilo velké množství definic GIS. Na webových stránkách GIS Laboratoře Ostravské univerzity je proveden rozbor samotného pojmu GIS18: • „geo znamená, že GIS pracuje s údaji a informacemi vztahujícími se k Zemi, pro které známe jejich lokalizaci v prostoru • grafický znamená, že GIS využívá prostředků grafické prezentace dat a výsledků analýz a grafické komunikace s uživatelem • informační znamená, že GIS provádí sběr, ukládání, analýzu a syntézu dat s cílem získat nové informace, potřebné pro rozhodování, řízení, plánování, modelování • systém znamená, že GIS představuje integraci technických a programových prostředků, dat, pracovních postupů, personálu, uživatelů apod. do jednoho celku“ Podle výkladového slovníku knihy „Understanding GIS – The ARC/INFO Method“, kterou vydala firma ESRI (Environmental Systems Research Institute) jako učebnici principů a základů geografických informačních systémů, a v českém překladu vyšla pod názvem „Seznamte se s GIS – systémem ARC/INFO“, je geografický informační systém popsán jako: „Organizovaný souhrn počítačové techniky, programového vybavení, geografických dat a zaměstnanců navržený tak, aby mohl efektivně získávat, ukládat, aktualizovat, manipulovat, analyzovat a zobrazovat všechny druhy geograficky vztažených informací19.“ 18
GIS Laboratoř. Co je to GIS. [cit. 2009-02-25]. Dostupný z WWW: < http://cit.osu.cz/gis/pages/coJeToGis.php >
23
Ve slovníčku pojmů novější publikace firmy ESRI „Co je ArcGIS 9.2“ je GIS uveden jako: „Uspořádaný systém sestávající z počítačové techniky, software, dat a pracovních postupů pro shromažďování, ukládání a poskytování informací o území na Zemi. Lidé používají GIS pro integraci, analýzu a vizualizaci geografických dat, nalézání vztahů, souvislostí a trendů v území za účelem nalezení řešení problémů. GIS se obvykle používá k reprezentaci map jako datových vrstev, které mohou být studovány a používány pro provádění analýzy a vizualizace20.“ GIS lze popsat nejen pomocí definic, ale také vymezit výčtem otázek, na které můžeme pomocí GIS nalézt odpovědi21: • Co se nachází na? Kde je? - snažíme se zjistit polohu • Kde je to? - chceme vyhledat místo, které splňuje jisté podmínky • Co se změnilo od? - snažíme se zjistit změny v analyzované oblasti v průběhu času • Jaká existují pravidelná prostorová uspořádání? - hledáme anomálie v prostorovém uspořádání • Co když? - potřebujeme znát důsledky
19
Environmental Systems Research Institute, Inc. Seznamte se s GIS. přeprac. vyd. 1990. 1-2 s. Environmental Systems Research Institute, Inc. ArcGIS 9-Co je ArcGIS 9.2. 2001-2006. 116 s. 21 Environmental Systems Research Institute, Inc. Seznamte se s GIS. přeprac. vyd. 1990. 1-7 s.
20
24
3.2 Tři pohledy na GIS Na způsob využívání GIS z hlediska funkčnosti jsou tři různé pohledy:
3.2.1 Kartografický (mapový) Tento pohled převládá u uživatelů, kteří kladou důraz na prezentaci dat a na GIS pohlížejí jako na prostředek zpracování, tvorby a zobrazování map. Pokud jde o pohled na GIS jako na systém pro práci s digitálními mapami, je myšlena především informačně-komunikační funkce mapy.
3.2.2 Databázový (evidenční) Zde je kladen důraz na zpracování a uchování dat. Převažuje u lidí se vzděláním a zaměřením na informatiku, u lidí, kteří vytvářejí a provozují GIS jako databáze. Patří sem aplikace jako městské informační systémy, informační systémy o území nebo systémy řízení inženýrských sítí.
3.2.3 Analytický (modelování) Analytický pohled vyzdvihuje možnosti prostorové analýzy, syntéz poznatků a modelování. Převažuje u lidí a aplikací s přírodovědným a socioekonomickým. (GIS – principy a praxe) Kompletní GIS by měl všechny tyto pohledy v sobě sjednocovat.
3.3 Vývoj GIS Vývoj GIS lze rozdělit do pěti období22: 1. Pionýrské období – od počátku 60. let až do roku 1975 – vliv jednotlivých průkopnických osobností a institucí, zvláště univerzit na dosažené výsledky 2. Období od roku 1973 do začátku 80. let – ujednocení pokusů a činností agenturami a institucemi na lokální úrovni 3. Období od roku 1982 do konce 80. let – komercionalizace problematiky
22
TUČEK, Jan. Geografické informační systémy. 1. vyd. 1998. 21s. ISBN 80-7226-091-X.
25
4. 90. léta – uživatelský přístup, počátky standardizace, budování otevřených systémů, soutěž mezi prodejci, důraz na uživatelské chápání GIS a možnost jeho použití 5. Konec 90. let a současnost – vývoj objektově orientovaných systémů, masivní propojení s databázemi, vzdálený přístup přes internet/intranet, mobilní GIS Nejpodstatnější vliv na rozvoj GIS měl především nástup počítačů koncem 40. let dvacátého století. V 50. a 60. letech dvacátého století ovlivnily vznik GIS tři hlavní geograficky orientované oblasti23: 1. Geografické kreslicí (zobrazovací) systémy a rozvoj metod zobrazování tohoto typu údajů. 2. Analyticky orientované systémy (nástroje prostorových analýz) 3. Systémy pro statistické (databázové) zpracování údajů Koncem 50. let vyvinula armáda USA zobrazovací zařízení, které převádělo radarové údaje do počítačem generovaných obrazů. Zařízení bylo součástí systému protivzdušné obrany. Pravděpodobně poprvé se využilo generování grafických vstupů prostorových údajů pro plánovací účely v Chicagu24. Za první plnohodnotný GIS je považován Kanadský GIS (CGIS). Jeho vývoj začal v roce 1966 a do plného provozu byl uveden v roce 1971. Kanada byla první zemí, která využila možnosti geografických analýz dat. Dodnes je CGIS jednou z největších aplikací, která zahrnuje přes deset tisíc digitálních map o kanadském území25. V 70. letech začíná působit vliv komerčních firem. Společnost H and S Computing, předchůdce společnosti Intergraph, přichází s prvním grafickým systémem pro americkou armádu. Firma ESRI (Environmental Systems Research Institute) uvádí jeden z prvních vektorových systémů – ARC/INFO, prezentovaného zpočátku pod názvem PIOS. V tomto období dochází také k rozvoji technologií CAD/CAM26.
23
TUČEK, Jan. Geografické informační systémy. 1. vyd. 1998. 24-26 s. ISBN 80-7226-091-X. tamtéž. 25 tamtéž. 26 tamtéž 24
26
V 80. letech měly vliv na vývoj GIS nové poznatky v hardwarové oblasti a to zvyšování kapacit a rychlostí procesorů a především zobrazovací zařízení – monitory a elektrostatické a tryskové plotry, které zvýšily kvalitu vytvářených výstupů27. Dalším mezníkem byla také integrace databázových principů s grafikou. Vývoj GIS na našem území Geografické informační systémy se u nás začaly vyvíjet přibližně na počátku sedmdesátých let, kdy byly započaty práce na vývoji informačních systémů o území (ISÚ). Jednalo se o Integrovaný informační systém o území – ISÚ, který vyvíjel Státní ústav pro územní plánování – Terplan spolu se Slovenským výzkumným a vývojovým centrom urbanizmu a architektury – CUA Bratislava (později URBION Bratislava). Výsledkem měla být nadresortní, jednotně uspořádaná a pravidelně aktualizovaná databáze o území, která měla sloužit orgánům státní správy, resortům a projekčním institucím urbanistické a územně plánovací povahy. Lokalizace dat byla prováděna v souřadnicovém systému SJTSK na úrovni topografické mapy 1:50 00028. V 80. letech se rozvoj ISÚ zpomalil. Programové vybavení pro budování GIS bylo u nás nedostupné, neboť z důvodu možného vojenského využití podléhalo přísnému embargu. Až po jeho zrušení došlo na počátku devadesátých let ke změně, kdy s příchodem programového vybavení ARC/INFO americké firmy ESRI (Environmental Systems Research Institute) byly databáze ISÚ převedeny do tohoto prostředí a další vývoj ISÚ byl přesunut na firmu ARCDATA Praha29. Na počátku 90. let bylo rozhodnuto vybavit referáty životního prostředí na všech okresních a jim naroveň postavených úřadech geografickými informačními systémy, konkrétně programovým vybavením ARC/INFO. Byly tak vytvořeny předpoklady pro to, aby prakticky celá oblast životního prostředí pracovala s jednotným systémem. Od té doby se GIS u nás šíří stále víc a nacházejí uplatnění v nejrůznějších oblastech lidské činnosti30.
27
tamtéž. RAPANT, Petr. Úvod do geografických informačních systémů. 2002.[cit. 2009-02-25]. Dostupný z WWW: < http://gis.vsb.cz/dokumenty/ugis >. 29 tamtéž 30 tamtéž 28
27
3.4 Příklady využití GIS Státní správa a samospráva o tvorba územních plánů o podpora turistiky, internetové mapy se zájmovými místy o dopravní analýzy a analýzy obslužnosti o mapové a prezentační výstupy o krizové a povodňové plány a opatření o zpracování katastrálních map o evidence chráněných památkových oblastí
Oblast přírodních zdrojů, životního prostředí a zemědělství o tvorba klimatických map o tvorba a aktualizace geologických map o evidence vodních toků o evidence a sledování chráněných krajinných oblastí o tvorba map národních parků o správa lesů a vodních zdrojů o evidence zemědělské půdy Inženýrské sítě o správa majetku podniku – potrubí, elektrické sloupy, vedení, kabeláž atd. o správa vegetace kolem vedení o kontrola integrity sítě o modelování havárií
28
Doprava o mapování silničních a uličních sítí o pasporty silnic o logistika o sledování vozidel pomocí GPS o navigační systémy o aktuální zpravodajství o uzavírkách, dopravních nehodách a stavu vozovek Obrana o tvorba veškerého zázemí armády o využití GPS, aktuálních leteckých a družicových snímků o terénní mobilní jednotky vybavené pro sběr, zpracování i poskytování geografických dat o navigační systémy Zdravotnictví o mapování výskytu infekčních chorob při epidemiích o tvorba hlukových map o mapování nemocnic a zdravotnických zařízení a jejich dostupnosti o evidence lůžek v rámci nemocnic nebo oddělení o mapové výstupy pro informování veřejnosti Kartografie o tvorba turistických map, cyklomap, automap o tvorba atlasů o tvorba prezentačních materiálů měst, krajů o úprava a tisk ortofotomap, družicových a leteckých snímků v kombinaci s vektorovými daty 29
Vzdělávání o tvorba vlastního projektu o založení a správa databáze GIS o geografické analýzy, modely terénu a budov o prezentace školních dat pomocí webových služeb GIS o demografické studie Geografické informační systémy se dají využít i v dalších oborech. V podstatě všude tam, kde se pracuje s informacemi o území, nebo s jevy, které se k území vztahují.
3.5 Data v GIS Data jsou nejdůležitější a také nejnákladnější částí GIS. Geografické informační systémy se od jiných informačních systémů liší tím, že pracují s prostorovými daty. Prostorová data jsou data, která se vztahují k určitým místům v prostoru a pro která jsou na potřebné rovině rozlišení známé lokalizace těchto míst. To znamená, že známe jejich polohu a jsme schopni tuto polohu určit. K určování polohy slouží prostorové referenční systémy, kterých existuje celá řada a dělí se podle různých kritérií. Největší přínos GIS však spočívá v možnosti propojení prostorových dat s jejich popisnými neboli atributovými daty a provádění analýz a dotazů nad množinou těchto dat. Popisná data obecně představují vlastnosti nebo jevy, které chceme k prostorovým datům evidovat, uchovat31. Prostorová data ve svém popisu zahrnují: 1. údaje o poloze – geometrii 2. popisná data – atributy 3. prostorové vztahy – topologii 4. případně ještě časové údaje
31
GIS Laboratoř. Co je to GIS. [cit. 2009-02-25]. Dostupný z WWW: < http://cit.osu.cz/gis/pages/coJeToGis.php >
30
Nejčastěji jsou prostorová data prezentována v podobě map. Jednak to mohou být mapy analogové (tištěné na papíře), nebo mapy digitální. Analogová mapa jako taková slouží k uložení dat a k jejich prezentaci uživateli. Plní tak funkci prezentační i archivační. Dvojitá funkce mapy, kdy mapa slouží jako médium pro uložení a zároveň jako prostředek pro prezentaci, má však mnoho omezení. Pokud má být mapa srozumitelná a čitelná, tak data musí být limitována. Papírové mapy jsou také navrhovány, aby sloužily velkému počtu uživatelů, a to může přinést určité zjednodušení, co se týká detailů, mnoho kompromisů v měřítku a v dalších navrhovaných parametrech32. V GIS jsou digitální prostorová data uložena pomocí počítačových prostředků v databázích nebo speciálních formátech pro ukládání prostorových dat odděleně od jejich prezentace. Data mohou být proto uložena na vysoké úrovni detailu a zobrazena na obecnější úrovni a v různých měřítkách. Stejná data mohou být použita k vytvoření různých map a každá mapa se může použít pro specifický účel. Kromě map mohou být data prezentována ve formě tabulek nebo textových popisů33. V počítači jsou prostorová data zapsána ve vektorovém nebo rastrovém formátu. Základními prvky vektorové reprezentace je bod, linie a plocha, která je nejčastěji definována jako oblast uzavřená liniemi, tzv. polygon. Rastrová reprezentace je tvořena překrytím prostoru nejčastěji pravidelnou čtvercovou mřížkou složenou z pixelů a ve složitějších systémech lze každému pixelu přiřadit určitou hodnotu – tématický obsah. V současných systémech se častěji používají vektorová data, kterým mnohdy rastrová data slouží jako podklad. Pro prostorová data se používá také označení geografická data neboli geodata. Tyto pojmy nemají zcela stejný význam, ale používají se jako vzájemně zaměnitelné. Geodata jsou definována jako prostorová data, jejichž prostor, ve kterém je definována jejich poloha, je omezen jen na zemské těleso a blízké okolí34.
32
TUČEK, Jan. Geografické informační systémy. 1. vyd. 1998. 93 s. ISBN 80-7226-091-X. tamtéž 34 RAPANT, Petr. Úvod do geografických informačních systémů. 2002.19 s.[cit. 2009-02-25]. Dostupný z WWW: < http://gis.vsb.cz/dokumenty/ugis >. 33
31
Velice důležitou složkou prostorových dat – geodat je jejich popis. Tento popis označovaný obvykle jako metadata, je velmi často podceňován a opomíjen. Metadata jsou „data o datech“ a v nejrůznějších podobách jsou využívána již poměrně dlouhou dobu v oblastech zabývající se uchováváním a zpřístupňováním informací a samozřejmě také v GIS35.
3.6 Software pro GIS Trh se softwarovými produkty pro budování geografického informačního systému je velmi bohatý. Jako zástupce všech jsou zde uvedeny produkty zahraniční firmy ESRI a produkt české firmy GEPRO.
3.6.1 ArcGIS36 ArcGIS je integrovaná sada softwarových produktů americké firmy ESRI pro vytvoření kompletního GIS. Sestává z těchto rámců pro nasazení GIS: • ArcGIS Desktop • serverový GIS • mobilní GIS • ESRI Developer Network (EDNSM)
3.6.1.1 ArcGIS Desktop ArcGIS Desktop je sada profesionálních aplikací ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox, ModelBuilder a ArcGlobe. Pomocí těchto aplikací lze provádět mnoho úloh na těchto úrovních: • tvorba map • geografická analýza • editace, kompilace a správa prostorových dat
35
GIS Laboratoř. Data v GIS. [cit. 2009-02-25]. Dostupný z WWW: < http://cit.osu.cz/gis/pages/datavGis.php > 36 Environmental Systems Research Institute, Inc. ArcGIS 9-Co je ArcGIS 9.2. 2001-2006
32
• vizualizace a zpracování prostorových dat (geoprocessing) ArcMap ArcMap je hlavní aplikace ArcGIS Desktop, která slouží pro vizualizaci geografických dat, jejich editaci, prostorovou analýzu a poskytuje kompletní funkcionalitu pro tvorbu map připravených pro tisk a publikaci. Aplikace umožňuje dva různé pohledy na mapu: • zobrazení geografických dat, kde lze pracovat s geografickými vrstvami, měnit jejich symboliku, analyzovat a kompilovat datové sady. Vlastnosti datových vrstev lze ovládat a organizovat prostřednictvím rozhraní tabulky obsahu. • zobrazení výkresu mapy, kde lze pracovat se stránkou mapy, která obsahuje rámce geografických dat a další mapové prvky jako jsou legendy, měřítka, severky, referenční mapy atd. ArcCatalog ArcCatalog pomáhá organizovat a spravovat data GIS. Obsahuje nástroje pro: • prohlížení a vyhledávání geografických informací • zaznamenávání, prohlížení a správu metadat • definování, export a import schémat a návrhů geodatabáze • vyhledávání prostorových dat na místních sítích nebo na internetu • administraci a správu geodatabází ArcSDE uložených v databázi SQL Server Expres • administraci a správu souborových a personálních geodatabází • administraci a správu sérií služeb GIS ArcToolbox ArcToolbox obsahuje kompletní sadu funkcí pro zpracování prostorových dat včetně nástrojů pro:
33
• správu dat • konverzi dat • zpracování formátu coverage • vektorové analýzy • geokódování • statistické analýzy ModelBuilder ModelBuilder poskytuje grafické modelovací prostředí pro návrh a implementaci modelů zpracování prostorových dat, které mohou zahrnovat nástroje, skripty a data. Modely jsou diagramy postupů zpracování dat, které seřazují nástroje a data za účelem vytvoření postupů a zpracování dat. ArcGlobe ArcGlobe je součást volitelné nadstavby ArcGIS 3D Analyst. Umožňuje souvislé a interaktivní zobrazování geografických informací v různém rozlišení, nabízí dynamický 3D pohled na geografická data. Integruje všechny datové zdroje GIS do jediného globálního rámce a pracuje s daty různého rozlišení tak, že datové sady zobrazuje pouze v odpovídajícím rozsahu měřítek a úrovní detailů. ArcGIS Desktop je k dispozici ve třech úrovních funkčnosti podle typu uživatele: 1. ArcView - poskytuje všeobecné nástroje pro tvorbu map, využití dat a jejich analýzu. Umožňuje jednoduchou editaci a zpracování prostorových dat. 2. ArcEditor – je vhodný jako řešení pro pořizování, editaci a správu geografických dat ve formátu shapefile, geodatabáze a dalších. Obsahuje všechny možnosti ArcView a dále umožňuje vytvářet a spravovat všechny typy geodatabází (personální, souborové, ArcSDE). 3. ArcInfo – je hlavním produktem ArcGIS Desktop, který obsahuje úplnou funkcionalitu GIS a kompletní sadu nástrojů v aplikaci ArcToolbox, umožňující
34
pokročilé zpracování prostorových dat. Součástí je i aplikace dřívějšího systému ArcInfo Workstation. Pro všechny tři úrovně ArcGIS Desktop existuje ještě mnoho volitelných nadstaveb, které umožňují provádět například práce s rastrovými daty, 3D analýzu a jiné.
3.6.1.2 Serverový GIS Jedním z hlavních úkolů serverového GIS je poskytovat: • široký přístup ke geografickým informacím • jednotnou infrastrukturu, nad kterou lze vytvářet a nasazovat aplikace GIS • jednotný rámec pro správu dat GIS • výraznou úsporu prostředků prostřednictvím centrálního nasazení a využití GIS v celé organizaci ArcGIS nabízí 3 serverové produkty: 1. ArcIMS (Arc Internet Map Server) ArcIMS umožňuje zpřístupnit mapy, data a metadata na webu. Uživatelé mají ke službám ArcIMS přístup prostřednictvím webových mapových aplikací, které jsou součástí ArcIMS nebo pomocí HTML či Java prohlížečů. Součástí je i aplikace pro prohledávání metadat, umožňující procházení matadatových katalogů na webu. 2. ArcGIS Server ArcGIS Server poskytuje kompletní webový server GIS, který podporuje správu geografických dat a disponuje nástroji pro tvorbu map, zpracování prostorových dat, prostorové analýzy, editaci a další funkce GIS. K funkcím ArcGIS Serveru lze přistupovat prostřednictvím řady desktopových, uživatelských, mobilních klientů a klientů na bázi internetových prohlížečů. 3. ArcGIS Image Server ArcGIS Image Server je server pro zpracování obrazu v reálném čase. Pomáhá snadno publikovat nejnovější obrazová data bez nutnosti jejich předzpracování a načítání celého objemu dat. K obrazovým datům lze přistupovat prostřednictvím mnoha klientských aplikací. 35
3.6.1.3 Mobilní GIS Mobilní GIS slouží pro využití map v terénu, sběr dat v terénu a přístup k datům v terénu. ArcGIS poskytuje tři produkty pro tvorbu aplikací:
1. ArcPad ArcPad slouží pro mapování v terénu. Poskytuje přístup do databází, nástroje pro mapování, GIS a integraci GPS. 2. ArcGIS Desktop a ArcGIS Engine Tyto produkty se používají pro náročné aplikace v terénu. Jsou provozovány na Tablet PC, který umožňuje psát ruční poznámky do digitálních map, provádět zaměřování prvků pomocí GPS a využívat v terénu všech funkcí ArcGIS. 3. ArcGIS Mobile ArcGIS Mobile lze použít pro tvorbu a nasazení specializovaných mobilních aplikací, které pracují v režimu „občas připojen“ k serverům GIS. Podporuje mobilní mapování GPS, bezdrátovou synchronizaci, replikaci dat GIS a editační možnosti na řadě zařízení určených do terénu, které jsou vybaveny technologií Microsoft Windows Mobile.
3.6.1.4 ESRI Developer Network (EDNSM) ESRI Developer Network je produkt pro vývojáře, který poskytuje kompletní systém pro vývoj aplikací pomocí prvků ArcGIS.
3.6.2 ArcView GIS 3.x ArcView GIS je produktem firmy ESRI a je předchůdcem ArcView sady ArcGIS Desktop. I když ArcGIS Desktop nabízí celou řadu možností, pro koncového uživatele se již může zdát dosti komplikovaný, zvláště tehdy, není-li používán při každodenní činnosti. Proto se i nadále používá tento daleko jednodušší program. Program byl vyvinut pro běžné uživatele, kterým umožňuje snadnou práci se všemi informacemi, které mají vztah k mapě. Jeho hlavním rysem je intuitivní uživatelské prostředí. Program podporuje jednoduché i složité dotazy na prostorová a tabulková data. Umožňuje využívat vektorová nebo rastrová data, s možností data editovat a vytvářet nová přes tzv. shapefile. Rozšíření CadReader umožňuje čtení formátů DGN, DWG a DXF
36
nejvíce rozšířených systémů Microstation a AutoCAD. Umožňuje také konverzi shapefile do formátu DXF. ArcView GIS pracuje s dokumenty typu Zobrazení, Tabulky, Grafy, Výkresy. Dokumenty jsou navzájem dynamicky propojeny. Změny v jednom dokumentu jsou promítnuty do všech ostatních. Dalším dokumentem je textový typ Skript, ve kterém je možno psát prográmky v jazyce Avenue a přizpůsobit tak ArcView požadavkům uživatelů. Obrázek č. 10 – Dokumenty ArcView GIS
Zdroj: vlastní
3.6.3 MISYS37 MISYS je produktem české firmy GEPRO, který pracuje se vzájemně provázanými grafickými a popisnými informacemi ve spravovaném území. Systém MISYS je desktopový systém, který je dodáván jako organizovaný systém softwaru a geografických
37
Gepro spol.s..ro.. [cit. 2009-02-25]. Dostupný z WWW: < http://www.gepro.cz/geograficke-informacni-systemy/misys-a-misys-web/misys/ >
37
informací včetně komplexních služeb pro potřeby měst, obcí, státní správy a mnoha dalších.
Základ systému MISYS tvoří moduly orientované do tří hlavních oblastí: • majetkoprávní vztahy • skutečný stav území • rozvoj území Majetkoprávní vztahy MISYS poskytuje výpisy a grafické výstupy z katastru nemovitostí. Umožňuje jednoduché vyhledávání v databázi katastru nemovitostí a vyhledávání parcel a budov v katastrální mapě. Umožňuje také tvorbu specializovaných dotazů a různých grafických znázornění. Je napojen na veřejnou webovou aplikaci ČÚZK (Český ústav zeměměřičský a katastrální) „Nahlížení do katastru nemovitostí“, kde lze ověřit aktuálnost výpisů a grafického znázornění. Skutečný stav území Součástí systému mohou být všechny dostupné grafické i popisné informace o území jako je technická mapa, letecká ortofotomapa, základní báze geografických dat (ZABAGED), orientační plán města a jiné. Rozvoj území Součástí systému mohou být podklady potřebné pro rozvoj regionů, měst a obcí, jako jsou urbanistické studie a územní plány. MISYS rozšiřuje několik desítek dalších modulů pasportů (aplikační nadstavby), které slouží k evidenci a správě určitých typů objektů. V prostředí intranet/internet je k dispozici webová aplikace MISYS – WEB a pro prohlížení grafických formátů systému MISYS byla vyvinuta jednoduchá prohlížečka MISYS-VIEW, která je zdarma ke stažení. Cenová politika je v případě MISYS velice příznivá a pro své zákazníky představuje často rozhodující kritérium výběru.
38
4 Využití počítačové grafiky ve státní správě Využití počítačové grafiky ve státní správě je především spjato s nástupem geografických informačních systémů. Zaměřím se na příklady využití počítačové grafiky na Pozemkovém úřadu Karlovy Vary spadajícím pod Ministerstvo zemědělství ČR. Pozemkový úřad Karlovy Vary vznikl v roce 1991 jako referát Okresního pozemkového úřadu (OPÚ) Okresního úřadu (OkÚ) Karlovy Vary. V té době se začal rozvíjet GIS na okresních úřadech a OkÚ Karlovy Vary se rozhodl pro GIS na platformě ESRI. Během několika let byla vybudována slušná datová základna zahrnující vektorová i rastrová data. Referát OPÚ se stal jedním ze čtyř referátů Okresního úřadu Karlovy Vary, kde GIS našel oporu v jednotlivcích, kteří se rozhodli vyměnit papírové mapy sloužící jako podklad pro rozhodování za digitální mapy v počítači. Po reformě státní správy je Pozemkový úřad Karlovy Vary od roku 2003 řízen Ústředním pozemkovým úřadem – odborem Ministerstva zemědělství ČR. Činnost pozemkových úřadů vyplývá ze zákona č.139/2002 Sb., v platném znění. Pozemkový úřad Karlovy Vary disponuje tímto geografickým softwarem: ArcView GIS 3.2, ArcGIS Desktop 9.3 a MISYS.
4.1 Aktualizace bonitovaných půdně ekologických jednotek (BPEJ) Jednou z činností pozemkových úřadů, při které se využívají geografické programy, je aktualizace bonitovaných půdně ekologických jednotek (BPEJ). Bonitovaná půdně ekologická jednotka – BPEJ je základní mapovací a oceňovací jednotkou bonitační soustavy. Vymezení BPEJ bylo provedeno v letech 1973 až 1980 v rámci Komplexního průzkumu půd a navazující Bonitace zemědělského půdního fondu, kdy bylo zmapováno celé území státu a BPEJ zaneseny do map v měřítku 1:5000. BPEJ jsou jednotně vedeny v grafické i numerické podobě v celostátní databázi BPEJ, jejímž vedením je pověřen Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy (VÚMOP, v.v.i.) BPEJ je charakterizována pěti místným kódem, kdy první číslice vyjadřuje příslušnost ke klimatickému regionu, druhá a třetí číslice určuje zařazení půdy do hlavní půdní jednotky, čtvrtá číslice stanovuje stupeň sklonitosti a příslušnou expozici ke světovým stranám a 39
jejich vzájemné kombinace a pátá číslice vyjadřuje hloubku půdy a skeletovitost půdního profilu ve vzájemné kombinaci. Od roku 1998 je kód BPEJ evidován k zemědělským pozemkům v katastru nemovitostí (KN) a je tak součástí výpisu z KN. BPEJ jsou v podstatě ukazatelem hodnoty zemědělské půdy a tvoří základ pro ocenění zemědělského pozemku. Celostátní databáze BPEJ slouží jako podklad pro další právní předpisy (např. Zákon č.334/1992 Sb. o ochraně zemědělského půdního fondu, Vyhláška č.456/2005 Sb., kterou se stanoví seznam katastrálních území s přiřazenými průměrnými základními cenami zemědělských pozemků) a proto musí být udržována v aktualizovaném stavu. Aktualizací BPEJ se rozumí: a) zjištění a vyhodnocení změněného stavu půdních a klimatických podmínek vyjádřených změnou obvodů nebo kódů BPEJ b) stanovení BPEJ u pozemků, kde nebyly dříve určeny (vojenské újezdy, zastavěná území obcí, lesní enklávy apod.) c) změna při prokazatelně nesprávně určené BPEJ na základě existujících podkladů, případně terénního průzkumu lokalit d) potřeba doplnění a upřesnění celostátní databáze BPEJ Po terénním průzkumu, který spočívá v sondáži pozemků, zákresu do map a vyhodnocení výsledků průzkumu, je vytvořen návrh změn BPEJ pomocí programu ArcView GIS 3.2 a ArcGIS Desktop 9.3. Návrh se provádí nad katastrální mapou. Tu tvoří polygonová vrstva rozdělená dle druhu pozemku. Nad ní je načtena polygonová vrstva BPEJ, určená k editaci, převedená do formátu shapefile.
40
Obrázek č. 11 – Návrh BPEJ
Zdroj: vlastní V ArcView lze editovat body, linie a polygony (plochy) podle typu vrstvy. Obrázek č. 12 – Editace
Zdroj: vlastní
41
Po provedení všech změn ve vrstvě BPEJ jsou následně opraveny kódy BPEJ v tabulce. Obrázek č. 13 – Oprava kódů BPEJ
Zdroj: vlastní Změněná data BPEJ jsou zaslána ke kontrole na VÚMOP a po odsouhlasení dojde k zapsání změn do katastru nemovitostí. Závěrem je vytisknut čistopis mapy v kladu map a měřítku 1:5000 sloužící k archivaci ve VÚMOP. (Příloha č.1)
4.2 Pozemkové úpravy Pozemkové úpravy jsou hlavní činností pozemkových úřadů. Přehled pozemkových úprav v okresu Karlovy Vary uvádí příloha č.2. I zde se již rozhodování neobejde bez využití geografických programů. Na PÚ Karlovy Vary je to především MISYS. „Pozemkovými úpravami se ve veřejném zájmu prostorově a funkčně uspořádávají pozemky, scelují se nebo dělí a zabezpečuje se jimi přístupnost a využití pozemků a vyrovnání jejich hranic tak, aby se vytvořily podmínky pro racionální hospodaření 42
vlastníků půdy. V těchto souvislostech se k nim uspořádávají vlastnická práva a s nimi související věcná břemena. Současně se jimi zajišťují podmínky pro zlepšení životního prostředí, ochranu a zúrodnění půdního fondu, vodní hospodářství a zvýšení ekologické stability krajiny. Výsledky pozemkových úprav slouží pro obnovu katastrálního operátu a jako nezbytný podklad pro územní plánování.“ (§ 2 zákona 139/2002 Sb., o pozemkových úpravách a pozemkových úřadech) Pozemkové úpravy se provádějí formou komplexních pozemkových úprav nebo formou jednoduchých pozemkových úprav, pokud se týkají jen části katastrálního území. MISYS je tedy s modulem katastru nemovitostí a jeho propojením na písemný operát nezbytnou součástí při rozhodování o pozemkových úpravách, neboť slouží k vyhledávání vlastníků parcel, které jsou dotčeny řešením v pozemkových úpravách. Obrázek č. 15 – Katastr nemovitostí
Zdroj: vlastní
43
Pomocí MISYS jsou také vytvářeny návrhy změn ve vlastnických vztazích při jednoduchých pozemkových úpravách. Obrázek č. 16 – JPÚ
4.3 LPIS – Land
Parcel Identification System - GIS pro
evidenci využití zemědělské půdy LPIS je geografický informační systém pro evidenci využití zemědělské půdy, která slouží k ověřování údajů v žádostech o dotace poskytovaných ve spojení se zemědělskou půdou. Tato evidence slouží jak pro dotace financované ze zdrojů EU tak pro dotace národní a vychází z novely zákona č.252/1997 Sb., o zemědělství, která nabyla účinnosti v červnu 2003. V rámci této novely byl jednak stanoven způsob vzniku evidence půdy dle uživatelských vztahů pomocí tzv. ohlášení užívání zemědělské půdy a jednak proces aktualizace změn v evidenci půdy. Základní jednotkou evidence je půdní blok o minimální
44
výměře 0,1 ha, který představuje souvislou plochu zemědělsky obhospodařované půdy zřetelně v terénu oddělenou zejména lesním porostem, zpevněnou cestou, vodním tokem nebo zemědělsky neobdělanou půdou. Půdní blok může být dále členěn na díly půdního bloku38. Nutnost vytvořit v České republice plně funkční geografický informační systém pro evidenci půdy vyvstala již na konci devadesátých let na základě podmínek Evropské Unie pro uvolňování dotací do zemědělství. Do té doby byly žádosti o dotace podávány na základě zákresu obhospodařovaných parcel do papírových katastrálních map. Počátky LPIS nebyly vůbec jednoduché a ani se nedalo mluvit o LPIS jako o geografickém informačním systému. Projekt na řešení nového LPIS byl postaven na bázi leteckých snímků transformovaných do ortofotomap s následným zákresem reálně užívaných celků zemědělské půdy. Nápad řešit evidenci půdy nad ortofotomapou byl vzhledem k chybějícím digitálním katastrálním mapám sice dobrý, ale bohužel geografická databáze tzv. půdních bloků, tedy celků užívané zemědělské půdy byla tvořena nad černobílými (správné pojmenování dle počítačové grafiky by mělo být ve stupni šedé) papírovými mapami leteckých snímků v měřítku 1:10 000 a samotné digitální zpracování probíhalo až na pracovišti externí firmy. Černobílá papírová mapa, mnohdy více černá než bílá, a v tak malém měřítku neměla tu správnou vypovídací funkci o výměrách zemědělské půdy. Půdní bloky se nedaly přesně zakreslit, byly často nečitelné a při digitálním zpracování bez přítomnosti uživatelů nebylo možné vyhodnotit kolizní zákresy půdních bloků. Došlo tak ke zpožďování tvorby geografické databáze půdních bloků a k nárůstu počtu nesouladů v evidenci.
38
LPIS.Případová studie [cit. 2009-02-25]. Dostupný z WWW: < http://www.lpis.cz/index.html >
45
Obrázek č. 17
Zdroj: vlastní Na základě těchto zkušeností byla vyvinuta aplikace LPIS, která byla spuštěna na intranetu a měla umožnit aktualizaci nad grafickými daty přímo na regionálních pracovištích zemědělských agentur a pozemkových úřadů za přítomnosti uživatelů a také měla zkrátit dobu odezvy mezi ohlášením změny a zapracováním do evidence. Zákresy změn byly ovšem vyhodnocovány opět na pracovišti externí firmy a toto off-line řešení se ukázalo nakonec jako klíčovým problémem. Proto Ministerstvo zemědělství rozhodlo nejen o změně filozofie technologického řešení systému, ale také o změně dodavatele technologie řešení. Nový systém byl navržen v třívrstvé architektuře, kdy prostřednictvím technologií web klienta lze aktualizovat data z regionálních pracovišť MZE uložená na centrálním serveru MZE. Uživatelé, kteří mají přístup do systému, pracují se systémem pomocí webové aplikace, ve které je možné zakreslovat nové půdní bloky a jiné grafické objekty s možností následné aktualizace při dodržení topologické čistoty dat a řízení verzí. Systém LPIS pracuje dnes již ve verzi 3.0 a neustále se vyvíjí. V současné době kromě modulu Evidence půdy je LPIS 3.0 složen z dalších modulů, neboť systém využívá stále více organizací. I přes počáteční těžkosti dnešní LPIS již splňuje definice GIS. (příloha č.3 )
46
Závěr Cílem mé práce bylo podat přehled o základních pojmech počítačové grafiky, ukázat na rozdíly ve zpracování rastrové a vektorové grafiky a přiblížit, jak se počítačová grafika ve spojitosti s geografickým informačním systémem stala součástí procesu rozhodování ve státní správě. V první kapitole jsem se zaměřila na problematiku rastrové grafiky. Na vysvětlení základních pojmů. Přiblížila jsem některé rastrové formáty souborů a rastrové programy. Druhá kapitole popisuje vektorovou grafiku. Následující kapitola pojednává o geografickém informačním systému, který využívá jak rastrové, tak vektorové grafiky. V současnosti je to nejrychleji se rozvíjející obor s velkou perspektivou do budoucnosti, především pro mladou generaci, neboť vyrůstá obklopena informačními technologiemi. V závěrečné části se věnuji praktickému využití GIS na Pozemkovém úřadu Karlovy Vary.
47
Seznam použité literatury 1. Environmental Systems Research Institute, Inc. Seznamte se s GIS. přeprac. vyd. 1990. 1-2 s. 2. MURRAY, James D.; VAN RYPER, Wiliam. Encyklopedie grafických formátů. 2. vyd. 1977. 44 s. ISBN 80-7226-033-2. 3. NAVRÁTIL, Pavel. Počítačová grafika a multimédia. 1. vyd. 2007. 21 s. ISBN 80-8668677-9. 4. PIHAN, Roman. Mistrovství práce se světlem. 1. vyd. 2008. 31-32 s. ISBN 978-80-8715502-8. 5. TUČEK, Jan. Geografické informační systémy. 1. vyd. 1998. 21s. ISBN 80-7226-091-X. 6. ŽÁRA, Jiří; aj. Moderní počítačová grafika. 1. vyd. 2004. 25 s. ISBN 80-251-0454-0.
Seznam a zdrojů 1. BŘEZINA, Jan. Co znamená jednotka DPI a kde se s ní můžeme setkat?. [cit. 2009-04-10]. Dostupný z WWW: < http://www.grafika.cz/art/photoshop/DPI_pojmy.html >.
2. Gepro spol.s..ro.. [cit. 2009-02-25]. Dostupný z WWW: < http://www.gepro.cz/geograficke-informacni-systemy/misys-a-misys-web/misys/ 3. GIS Laboratoř. Co je to GIS. [cit. 2009-02-25]. Dostupný z WWW: < http://cit.osu.cz/gis/pages/coJeToGis.php > 4. File:AdditiveColor.svg.[cit. 2009-04-14]. Dostupný z WWW: 5. File:SubtractiveColor.svg.[cit. 2009-04-14]. Dostupný z WWW:
6. LPIS.Případová studie [cit. 2009-02-25]. Dostupný z WWW: < http://www.lpis.cz/index.html > 7. PIHAN, Roman. Formáty pro ukládání fotografií – 1. díl: základy. [cit. 2008-1110].Dostupný z WWW: . 8.
RAPANT, Petr. Úvod do geografických informačních systémů. 2002.[cit. 2009-02-25]. Dostupný z WWW: < http://gis.vsb.cz/dokumenty/ugis >.
9. TIŠNOVSKÝ, Pavel. Vektorový grafický formát SVG. [cit. 2009-04-10]. Dostupný z WWW: < http://www.root.cz/clanky/vektorovy-graficky-format-svg/ >.
48
Příloha č. 1 Čistopis mapy BPEJ
49
Příloha č. 2
Přehled pozemkových úprav v okresu Karlovy Vary
50
Příloha č.3
LPIS – GIS pro evidenci půdy
51
