Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství Vysoká škola báňská – technická univerzita Ostrava
UČEBNÍ TEXT Nové informační technologie pro kontrolu a ochranu životního prostředí – geografické informační systémy
Ing. Petr Jančík
Ostrava, prosinec 1998
Obsah 1.
2.
Úvod 1.1.
Nástup informačních technologií
6
1.2.
Informační technologie pro ŽP
8
1.3.
Historie využívání prostorových informací, vznik GIS
8
1.4.
Situace v České republice
Rozbor technologie GIS 2.1.
`
6
Vymezení pojmu GIS
10 12 12
2.2. Prostorová data a informace v GIS 2.2.1. Souřadné systémy
14 16
2.3. Vstup prostorových dat do GIS 2.3.1. Sběr dat 2.3.2. Dálkový průzkum Země 2.3.3. Družicový polohovací systém GPS 2.3.4. Vkládání dat do GIS 2.3.5. Datové modely pro prostorová data v GIS
24 24 24 34 37 38
2.4. Analýza prostorových dat 2.4.1. Analýza výběrem 2.4.2. Geometrický výběr, měření 2.4.3. Topologické vztahy, topologický výběr 2.4.4. Síťové analýzy 2.4.5. Zónování a prostorové překryvné operace 2.4.6. Operace s rastry 2.4.7. Digitální elevační modely 2.4.8. Matematické modely prostorových jevů
44 45 45 46 46 48 48 50 52
2
Seznam použitých veličin, symbolů a zkratek ρ
[kg/m3]
hustota
ε
[m/s]
rychlost disipace
ϕ
[o]
směr větru
γ
[oC/100 m]
teplotní gradient
γd
[oC/100 m]
suchoadiabatický teplotní gradient
ϕh
[o]
směr větru ve výšce h
γs
[oC/100 m]
sytoadiabatický teplotní gradient
µt
[m2/s]
turbulentní viskozita
σy,σz [m]
směrodatné odchylky v dvojrozměrném normálním rozložení
a, b, c [ ]
koeficienty, závislé na stabilitě ovzduší
Cy
[mn/2]
horizontální difúzní parametr
Cz
[mn/2]
vertikální difúzní paramet
D
[ ]
člen vyjadřující zánik znečišťující látky
Dnm
[ ]
difúzní koeficient
h
[m]
výška nad zemí
K (x,y,z) [g/m3]
koncentrace v bodě o souřadnicích x, y, z
K
[ ]
koeficient zahrnující používané jednotky pro vyjádření koncentrací
Kh
[ ]
koeficient zeslabeni vlivu nízkých zdrojů na vyšší receptor
ku
[s-!]
koeficient zániku ZL, zahrnující transformaci ZL
m
[ ]
hmotnostní zlomek ZL / vzduch
n
[ ]
meteorologický exponent
N
[m2/s]
Suttonova makroviskozita
Qm
[ g/s ]
hmotnostní průtok ZL ze zdroje
Qv
[g/m3]
objemový průtok ZL ze zdroje
R
[J⋅kmol-1⋅K-1]
plynová konstanta
u' , w' [m/s]
`
odchylky od průměrných složek rychlostí proudění ve směru osy y a z
3
u
[ m/s ]
rychlost větru
u*
[m/s]
třecí rychlost
u1
[m/s]
rychlost větru ve výšce zl
V
[ ]
vertikální člen modelu ISC
Vs
[m3/s]
objemový průtok spalin za normálních podmínek
z’,z’’,z’’’ [ m ]
korigované souřadnice referenčního bodu
zs
výška směšovací vrstvy
[m]
Zkratky
`
1D
jednodimenzionální
2D
dvoudimenzionální
3D
třídimenzionální
AISG K
automatizovaného informačního systému geodézie a kartografie
ASCII
kód digitální znakové sady pro alfanumerické znaky
CAD
computer aided design, počítačově podporované navrhování
CAE
computer aided engeneering, počítačově podporované inženýrství
CAM
computer aided manufacturing, počítačově podporovaná výroba
CCD
Charge Couplet Devices, fotocitlivá zařízení
ČHMÚ
Český hydrometeorologický ústav
DEM
Digitální elevační modely
DKM
digitální katastrální mapa
DMT
digitální modely terénu
DPZ
dálkový průzkum Země
DTM
Digital Terrain Modelling
EPA
Environmental Protection Agency, Agentura pro životní prostředí USA
GIS
geografický informační systém
GPS
Global Positioning System, družicový polohovací systém
HW
hardware, technické prostředky
IDLH
nevratné zdravotní změny nebo smrt
4
IS
informační systém
ISÚ
Informační systém o území
IT
informační technologie
KN
katastr nemovitostí
MŽP ČR
Ministerstvo životního prostředí ČR
OO
Objektově orientovaný
S - JTSK
Souřadnicový systém Jednotné trigonometrické sítě katastrální ()
SIS
Státní informační systém
SW
software, programové prostředky
TIN
Triangular Irregular Network
TZL
tuhé znečišťující látky
VUGTK
Výzkumný ústav geodetický, topografický a kartografický
WGS
World Geodetic System
ZABAGED1 základní báze geografických dat ZL
`
znečišťující látky
5
1. Úvod 1.1. Nástup informačních technologií S rozvojem technologií ve 2. polovině tohoto století dochází k bouřlivému rozvoji informatiky, podložené rozvojem informačních technologií, především digitální výpočetní techniky. Informační technologie se objevují jako nezbytná součást, doprovázející rozvoj všech ostatních technologií a věd. Již ze samotného ekologického pojetí existence a rozvoje živých systémů, jako systémů u nichž „samovolně“ roste míra informace na úkor entropie, vyplývá, že míra uspořádanosti (růstu informace) bude dále pokračovat. Nyní pokládáme člověka a jeho mozek za vrchol uspořádání hmoty. S tím je spojen rozvoj stále složitějších technologií a jejich vzájemných vazeb, stejně jako interakcí s okolím prostředím. Právě popsání přírodních procesů a jejich využití v technologiích se stalo podstatou lidského rozvoje. S tímto rozvojem však jsou spojeny i vlivy na prostředí nežádoucí, často významnější, než u ostatních organismů. Hlavním rozdílem je zejména prostorová koncentrace lidských aktivit (těžba fosilních paliv a rud, produkce znečištění všech složek prostředí, tvorba biologicky nerozložitelných odpadů). Interakce s prostředím jsou často nejen masivní, ale i komplexní, synergické a obtížně popsatelné vcelku. Roste množství informací, které je nutno shromáždit, uchovat a zpracovat, aby bylo možno posoudit vlivy člověka na prostředí a ostatní organismy. Vědy, které člověk začal používat k poznání vztahů mezi organismy a prostředím a k minimalizaci negativních vlivů technologií na životní prostředí, jsou zcela závislé na přísunu informací z prostředí. Tyto informace se vyznačují určitou specifikou. Z velké části se jedná o informace prostorově lokalizovatelné - prostorové informace. To vyplývá i ze samotného pojmu Ochrana životního prostředí. Nutnost zpracování těchto informací s sebou přinesla s rozvojem ostatních technologií i rozvoj technologií, určených pro zpracování informací - informačních technologií. Technologie pro zpracování informací provázejí ostatní vědy a techniku celou dobu vývoje lidstva. Teprve od počátku, a zejména od poloviny století, doznávají prudkého rozvoje a v současné době se často používá pojem „informační revoluce“ jako reminiscence na průmyslovou revoluci na konci minulého století. To je, stejně jako tehdy, opodstatněno vývojem technických složek informačních technologií, které tak jako v minulém století umožnily praktickou realizaci idejí připravených rozvojem teoretického zázemí. V první polovině 20. století se tak objevují první „matematické stroje“ - počítače, které umožňují urychlovat a automatizovat matematické výpočty. Nejdříve dochází k rozvoji analogových počítačů, které využívají analogií mezi spojitými fyzikálními procesy a matematickými výpočty. výsledky vývoje v této oblasti se využívají zejména ve vojenské oblasti (matematické analogové počítače pro
`
6
automatické vybírání střemhlavého letu u letounů Ju 87, analogové elektronické počítače pro zaměřování bombardování u amerických bombardérů B17). Před druhou světovou válkou se objevuje revoluční zlom v této oblasti - první digitální počítač. Digitální počítače využívají při práci operací s nejmenšími diskrétními jednotkami informace - bity (čísla binární soustavy - 0, 1). Kombinací různých matematických operací s bity je možno sestavovat matematické výpočty značné složitosti a rozsahu. První použitelné digitální počítače byly technicky řešeny sestavami elektrických reléových obvodů. První počítače proto dosahovaly značných rozměrů při nevelkém výkonu. Další krok v jejich vývoji nastal použitím elektronek místo reléových prvků (na konci Druhé světové války v USA). Počítače o vyšším výkonu se přestěhovaly z hangárů do menších klimatizovaných místností. Revoluce ve vývoji počítačů jako zázemí informatiky nastala při použití nových prvků - tranzistorů. Ty se v podobě integrovaných prvků, kde se jich v jedné součástce integruje značné množství, používají dodnes. Nástup polovodičů u digitálních počítačů umožnil zvýšení jejich spolehlivosti a výkonu a zmenšení jejich rozměrů - z hangárů se stávají jednotky několika skříní při nárůstu výpočetního výkonu. Počítače dokáží zpracovávat stále větší množství informací za čas. Je třeba je účinně zásobovat dostatečným množstvím vstupních dat a shromažďovat výstupy výpočtů. Proto se ve výpočetních systémech začínají uplatňovat zařízení pro úschovu dat. Ty získávají časem větší kapacitu. Jako „boční produkt“ vědeckých výpočtů tak vznikají systémy pro uchovávaní dat a informací a jejich zpracování - digitální informační systémy. Datová kapacita výpočetních systémů stále roste - vznikají centrální databáze, založené na uchovávání a analýze dat (zejména výběr a matematické operace) uložených jako alfanumerické znaky (číslice a písmena). Přístup k takovým datovým bázím je však dosti obtížný. Výpočetní systémy, umístěné v klimatizovaných
sálech,
umožňují přístup jen několika odborníkům obsluhy a vstupy a výstupy ostatních uživatelů informací, jsou umožněny prostřednictvím textových dokumentů, formulářů. Popisovaný stav se dramaticky změnil v 70. a 80. letech další minimalizací a integrací stavebních prvků počítačů - objevují se první počítače dostatečného výkonu a takové velikosti, aby je bylo možno umístit na pracovní stoly uživatelů informací. Každý z nich tak mohl získat bezprostřední přístup k datům a po jejich zpracování využívat výstupní informace. Výpočetní technika jako technický základ informačních technologií prožívá doslova „boom“ v rozvinutých zemích. Se zvyšováním výpočetního výkonu a kapacity pro ukládání dat se objevuje možnost zpracování grafických dat. Záhy se objevují cesty pro jejich vstup a výstupy. Postupně se tak vyvíjejí systémy, které umožňují zpracovávání alfanumerických dat společně s grafickými daty. Otvírá se cesta k širšímu využití výpočetní techniky než k vědeckým výpočtům a uchování alfanumerických dat. Informace, zprostředkovávané dostatečně malými , levnými a výkonnými prostředky, se dostávají tam, kde jsou zapotřebí a v přijatelné podobě. Rozvoj informačních technologií probíhal zejména v nejrozvinutějších zemích, postupně od 50. do 80. let. u nás se prostředky IT dostávají ke slovu zejména po zrušení embarga na počátku 90. let.
`
7
1.2. Informační technologie pro ŽP Problematika ochrany ŽP se dostává do centra zájmu v rozvinutých zemích shodou okolností ve stejné době , kdy tam dochází také k prudkému rozvoji informačních technologií, (v 60. - 70. letech). Tehdy se rozvíjí zavádění legislativy, která má za úkol omezovat negativní vlivy člověka na prostředí ve všech jeho složkách (ovzduší, odpady, voda, půda, les, fyzikální faktory znečištění). Legislativní normy, omezující znečišťování prostředí v rozvinutých zemích, mají zejména ekonomický dopad na producenty znečišťování, to znamená na technologie, které jsou nositelem ekonomického růstu těchto zemí. Proto se stalo velmi důležitým shromáždění a analýza informací o stavu a znečišťování prostředí, aby bylo možno optimalizovat působení zákonů a sledovat a vymáhat jejich dodržování. Informace o stavu prostředí a o jeho znečišťování mají některá specifika: •
Jedná se téměř vždy o prostorové informace.
•
Popsat stav životního prostředí, tedy rozsáhlého prostoru, vyžaduje velká množství informací.
•
Je nutno uchovávat úplnou časovou řadu těchto sad.
V době, o které se zmiňuji, tedy nastala potřeba zpracovávat tato kvanta informací na různých úrovních v oblasti veřejné správy, ale i u jednotlivých podnikatelských subjektů. To se brzy ukázalo nemožné klasickými prostředky. Začínají se využívat digitální informační systémy. V první fázi se vytvářejí datové báze alfanumerických dat. Stále více se projevuje nutnost uchovávat a zejména zpracovávat také prostorové informace v digitální podobě. To se projevilo zejména tehdy, když byly učiněny první pokusy o analýzu příčin zhoršeného stavu prostředí v rozsáhlejších lokalitách, jejich komplexní posouzení a návrh opatření, vedoucích k nápravě. (Los Angeles, USA, 60. - 70. léta).
1.3. Historie využívání prostorových informací, vznik GIS V té době se již zlepšily technické parametry digitálních počítačů používaných ve vyspělých zemích natolik, že bylo možno kromě alfanumerických zpracovávat také grafické informace (ukládat, analyzovat, zobrazovat). Začaly vznikat informační systémy, pracující s graficky vyjádřenými prostorovými informacemi - geografické informační systémy. První realizace GIS ukázala některá významná omezení jejich využívání: •
Počítače té doby neměly dostatečné technické parametry pro zobrazování grafiky.
•
Údržba počítačů byla obtížná, vyžadovala tým specialistů v různých oborech.
•
Fyzicky byly počítače velká zařízení vyžadující speciální stavební úpravy.
•
Cena výpočetních systémů byla značná.
Výsledkem byl omezený přístup k technickým prostředkům (terminálovým pracovištím, výstupním zařízením). Proto byla nutná organizace přístupu k počítači vyhrazováním strojového času. V horším případě byla možná kombinace s počítačem, který byl nositelem IS pomocí korespondence s obsluhou. Přesto se geografické informační systémy stávaly stále více využívanou technologií při
`
8
OŽP. Velký zlom v jejich využití nastal v 80. letech, kdy se ke slovu dostávají počítače, které svými rozměry vejdou na pracovní stůl uživatele - pracovní stanice a osobní počítače. Tehdy dochází k velkému rozšíření prostorových informačních systémů. Na trhu se objevují balíky programového vybavení, které jsou schopny zabezpečit všechny požadované operace s prostorovými daty, pracovní stanice a ostatní počítače se stávají stále výkonnější v oblasti výpočetního výkonu a grafiky. To vše platí pro nejrozvinutější země. U nás trvá do roku 1990 přísné embargo na informační technologie pro prostorová data. Jedná se totiž o systémy, které byly v první řadě využívány pro armádní potřeby. Díky možnostem zpracování velkého množství prostorových dat v krátkém čase jsou totiž velmi dobře využitelné pro podporu vedení bojových operací a pro přímé řízení moderních zbraňových systémů. Na počátku 90. let se u nás radikálně mění situace v zavádění moderních informačních technologií. To, co trvalo v rozvinutějších zemích desetiletí (vývoj počítačů, programového vybavení pro IS) a postupně se zavádělo do praxe, se u nás objevuje náhle. Prostorové informační systémy se začínají budovat nejdříve v těch oblastech, kde byl nejdále vývoj technického zázemí - v 70. a 80. letech. První aplikace byly především v armádě, veřejné správě a ochraně ŽP. Tento rychlý „vpád“ hotových technologií s sebou přinesl i negativní dopady při jejich implementaci. Každý prostorový informační systém je totiž sestavou z několika základních složek: •
technické vybavení (počítače, komunikace, periferie),
•
programové vybavení,
•
lidé, znalosti, organizace,
•
data.
Pouze dvě složky se k nám dostávají na dostatečné úrovni - technické a programové vybavení. Chybí však zbývající složky, které jsou pro implementaci IT stejně významné. Dochází k tomu, že nasazení prostorových informačních systémů obecně a tedy i pro OŽP provází řada problémů, které představují významné omezení jejich využití: •
v prvé fázi téměř zcela chyběla prostorová data v digitální podobě
•
chybí správné projekty informačních systémů
•
data jsou shromažďována často nepromyšleně, v nevhodné formě
•
nejsou plně využívány analytické možnosti IT
•
chybí komplexní zapojení IT do organizační struktury
•
chybí vazby prostorových IS na ostatní IS.
Tato situace se od r. 1991, kdy jsem se začal zabývat problematikou využití prostorových IS pro OŽP, vyvíjí. Pro její řešení byly u nás provedeny některé systémové kroky, další kroky bude nutno provést v budoucnosti (kap. 3.4, 8).
`
9
1.4. Situace v České republice Za jeden ze základních kroků v rozvoji prostorových informačních systémů je možné považovat přijetí Usnesení vlády ČR „Záměr a postup výstavby státního informačního systému České republiky“ dne 20. září 1995. Motivem je snaha vylepšit činnost státní správy a odstranit bariéry ve využívání výpočetní techniky, které se již začínaly vytvářet. Státní informační systém (SIS) umožňuje zajistit efektivní shromažďování, předávání a využívání informací ve shodě se zákony, a to nejen státní správou, samosprávou, mezinárodními institucemi, ale i občany. Při jeho tvorbě mají být uplatňovány následující zásady: 1. Nevyžadovat od poskytovatele takovou informaci, která není potřebná.. 2. Minimalizovat styk poskytovatele informace se státní správou. 3. Zajistit přítomnost informace vždy a jen tam, kde je využívána. 4. Zajistit bezpečnost informace před zneužitím. 5. Využít všechny dostupné technické prostředky pro maximálně efektivní využití informace a minimalizaci ekonomických nákladů. Základní principy SIS vycházejí z toho, že existují informace, které se týkají občana, ekonomického subjektu anebo území, a které neslouží jen omezenému počtu resortů. Působnost SIS je celostátní a počítá se s jeho působností jak ve státních orgánech, tak i v přenesených působnostech na jiné orgány, např. obce s přenesenou působností státní správy. Ve vztahu k vyžadování a poskytování informací státem má jako partnera občana, právnickou nebo fyzickou osobu. Tyto kroky si vyžadují analýzu a tvorbu nové legislativy ve sféře poskytování, ochrany a nakládání s informacemi a povedou k návrhu systémových změn v oblasti kompetencí, způsobu ochrany a nakládání s daty. Legislativa musí vycházet z východiska jednoznačnosti a kontrolovatelnosti systémů. Na tyto aktivity navazují kroky, které již v ČR v tomto směru byly provedeny: V letech 1991-1995 byl (podle usnesení vlády ČR č. 123/91) ve Výzkumném ústavu geodetickém, topografickém a kartografickém (VUGTK) řešen výzkumný projekt Státního programu rozvoje ČR „Výstavba automatizovaného informačního systému geodézie a kartografie (AISGK)“. Navržený AISGK se skládá ze tří integrovaných subsystémů: 1. Subsystém základních bodových polí (SZBP), tvořený prostorovými daty základní trigonometrické, nivelační a gravimetrické sítě bodů, které pokrývají celé území státu. 2. Subsystém digitálního katastru nemovitostí (SKN), tvořený dvěma vzájemně propojenými informačními soubory:
`
•
Souborem geodetických informací (SGI) - (digitální katastrální mapa - DKM),
•
Souborem popisných informací (SPI) katastru
10
3. Systém základní báze geografických dat (ZABAGED1, obsahující prostorová data digitálních map středních měřítek z území státu jako základní (zdrojové) báze geografických dat. (viz kap. 6.1.2). Společným prvkem subsytémů je definování jednotných identifikátorů a klasifikátorů objektů a stanovení závazného (standardizovaného) datového rozhraní. To má zabezpečit tok informací mezi zájmovými informačními subsystémy i v rámci veřejné datové sítě (VDS), pomocí standardních protokolů. Postupné budování předpokládá využití dostupných datových forem, zpracovávaných prostřednictvím digitálních geodetických, fotogrammetrických a kartometrických metod. Získaná data je možné pomocí moderních technologií interakce a datových analýz na systémech počítačové grafiky a připojených databází jednotně interpretovat, klasifikovat, vektorizovat a databázově zpracovat (podle [60] a [35]).
`
11
2. Rozbor technologie GIS 2.1. Vymezení pojmu GIS Pojem GIS byl u nás převzat do technické praxe společně s jejich nezbytnou komponentou programovým vybavením, na počátku 90. let. Přitom v jazyce odborníků v předmětné oblasti se tomuto pojmu podsouvá dvojí sémantika, způsobená historickým vývojem této technologie u nás a poněkud jiným smyslem slova geografický v označení v původním anglickém názvu. Pokud by název této IT vznikl u nás, zůstalo by patrně u názvu Prostorové informační systémy nebo územní IS, které se z části používaly před r. 1990 u některých prostorových informačních systémů, které se sporadicky objevily i u nás před zrušením embarga na SW (např. ISÚ – Informační systém o území, který vyvíjel TERPLAN Praha ). Vzhledem k tomu, že historicky byly prostorové informace lokalizovány na povrchu Země jako dvourozměrné informace, začal se pro ně při počítačovém zpracování používat pojem geoinformace a první systémy v USA, pracující s graficky vyjádřenými prostorovými informacemi byly nazvány GIS s přihlédnutím k dvojímu významu slova geographic - zeměpisný a akronym geo-graphic - graficky vyjádřené geoinformace. U nás se objevuje tento název poprvé zejména v souvislosti se softwarem pro GIS. Stejně jako v případě jiných nových oblastí informatiky (CAD, CAM, CAE apod.) se u nás přímo přejímá anglický pojem včetně zkratky a protože je „dobře přeložitelný“ dostává ihned český ekvivalent geografický informační systém (GIS). Dokonce se v technické praxi objevují případy skloňování původní zkratky, takže se setkáváme s GISy, GISem apod. Zároveň se ke slovu dostává uvedená dvojí sémantika: 1. V jednom smyslu jsou tak označovány programová vybavení a aplikace. 2. Ve druhém smyslu tento pojem označuje celou oblast prostorově orientovaného systému v prostředí technických a programových prostředků pro GIS. V druhém, širším, smyslu se tento pojem používá v zemi vzniku a začíná se rozšiřovat i u nás. Většina definic nyní i v naší literatuře uvádí význam pojmu blízký autorovi od počátku zavádění GIS u nás v 90. roce, kterou bych interpretoval takto: „Geografický informační systém je informační technologie, tvořená systémem technického a programového vybavení, prostorových dat a lidského prvku (znalostí, aplikací, organizačního kontextu). GIS slouží pro sběr, uložení, správu, analýzu a prezentaci prostorových dat a informací spolu s jejich atributy.“ Jádrem GIS jsou digitální prostorová data o reálném světě (geografická data). Od jiných druhů dat se odlišují tím, že zahrnují popis objektů reálného světa, vyjádřený jejich polohou vůči známému souřadnému systému. Jejich součástí jsou i atributy, které nemají prostorový charakter (obr. 1).
`
12
A
Polygon A B C
B
Area
Parcel Number
12,001 11-115-001 15,775 11-115-002 19,136 11-115-003
Land Use R1 R1 R3
C
Obr. 1
`
Parcel Number
Owner
11-115-001 11-115-002 11-115-003 11-115-003 11-115-003
Brown, C. Greene, J. Smith, L. Cleaver, T. Koop, C
Složky GIS
13
2.2. Prostorová data a informace v GIS Definování pojmu prostorová data není tak jednoduché, jak se jeví na první pohled. Prostorovými daty a informacemi se zabývá celý vědní obor geoinformatika (nebo i geomatika). Pro účely této práce budeme používat pojem prostorová data ve smyslu, ve kterém se používá v praxi v GIS. Prostorová data jsou tedy data, popisující: •
prostorovou polohu (geometrii),
•
polohové vztahy (topologii),
•
relevantní charakteristiky (atributy),
•
eventuálně časové změny (dynamiku)
prostorových objektů. Jak bylo uvedeno v definici GIS, tvoří prostorová data jeho hlavní součást, jádro, které je nejvýznamnější z několika hledisek: 1. Prostorová data jsou nejtrvalejší složkou GIS. Životnost dat je závislá na typu objektu, které znázorňují v reálném světě. U některých objektů jsou neměnná řádově desítky až stovky let (digitální model terénu, vodní plochy, geologické úpravy). Taková data se mohou časem zhodnocovat upřesňovat, ale jsou relativně trvalou složkou systému oproti ostatním. Technické prostředky se dnes obměňují zcela za několik let. U počítačů se uvádí doba životnosti cca 2-3 roky. Obdobně je tomu u ostatních technických zařízení. Relativně krátká doba životnosti této složky je dána především rychlým technickým vývojem, spojeným se stálým snižováním cen. Životnost programových prostředků je dána nástupem nových verzí operačních systémů a snahou konkurujících výrobců o každoroční zlepšování svých produktů. Je možno říci, že průměrná životnost SW pro GIS je proto cca 7 let. Za tuto dobu dojde k takovým změnám, že se jedná fakticky o celkovou obměnu (obr.2). 2. Prostorová data jsou nejdražší složkou GIS. V přiloženém grafu (obr. 3) je relativní srovnání ceny jednotlivých komponent GIS [9]. Uvedené srovnání platí pro různé velikosti GIS, jak je možno demonstrovat z naší současné praxe. Cena pracovní stanice na bázi osobního počítače, vhodného pro menší GIS (např. menší obce) je cca 100 tis. Kč. SW pro GIS uvedeného rozsahu je možno pořídit v ceně cca 200 tis. Kč. Digitální prostorová data pro území obce (například Velká Polom) zahrnující digitální katastrální mapu, technické sítě, významné krajinné prvky a územní plán lze pořídit v průběhu několika let za cca 800000 Kč. Obdobně u velkého GIS (GIS města Ostravy) - technické vybavení v ceně cca 2 mil. Kč, programové prostředky pro GIS a externí databázový SW cca 5 mil. Kč, data v cílovém stavu podle projektu cca 28 mil. Kč. Z těchto důvodů je možno říci, že prostorová data jsou jádrem celého systému, kolem kterého jsou organizovány ostatní složky.
`
14
Obr. 2
Graf setrvání komponent v GIS
10 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
2 1
technické prostředky
Obr. 3
`
programové prostředky
prostorová data
Poměr cen jednotlivých složek GIS
15
2.2.1. Souřadné systémy Základem pro vyjádření prostorových dat v digitální podobě je souřadný systém, ve kterém jsou data umístěna. V současné době se v GIS používají zejména dvourozměrné popisy polohy. Třetí rozměr, případně čas jako další rozměr, je obvykle veden jako atribut prostorových dat. Matematicky je tedy problém lokalizace obvykle zjednodušen na vyjádření polohy v dvourozměrném souřadném systému. Cílem většiny geodetických prací je proto zobrazení části zemského povrchu ve formě plánu nebo mapy, tj. zhotovení zmenšeného generalizovaného obrazu na rovinné ploše. Jedná se vlastně o přemístění bodů ze zakřiveného zemského povrchu do roviny. Protože je fyzický zemský povrch členitý a geodetická měření se vykonávají na různých hladinových plochách, je potřeba geodetické prvky (délky, směry, úhly) nejprve redukovat na vhodnou referenční plochu a pak z ní vytvořit zobrazení do roviny rozvinutelné plochy mapy. Referenční plocha, označovaná také jako výpočetní plocha, je matematicky definovatelná plocha (nejčastěji elipsoidu nebo koule), která se co nejvíce přimyká ke geoidu. Za zobrazovací plochu se určují jiné, jednodušší plochy, nejčastěji rozvinutelné do roviny (válcová a kuželová) anebo přímo rovina. Referenční plocha naší Země je plochou nerozvinutelnou do roviny, a proto není možno žádným způsobem vytvořit rovinný kartografický (mapový) obraz, který by byl geometricky zcela podobný vodorovnému průmětu předmětů měření na referenční ploše. Převod prvků obrazu z referenční plochy do mapy se označuje jako kartografické zobrazení, a to vždy provází zkreslení geometrických prvků obrazu - uhlů, délek a plošných obsahů. Protože v GIS se jedná o prostorová data z reálného světa, která jsou umístěna na geoidu Zemi prostorovém tělese, jeví se jako nejvýhodnější užití polárních 3D souřadnic se středem ve středu geoidu. Poloha jakéhokoli bodu pak může být udána dvěmi úhly a vzdáleností od středu. Takto je založen Světový souřadný systém WGS.
World Geodetic System (WGS) Tento souřadný systém se používá jako standard například pro Globální poziční systém (viz kapitola 3.3.3) a jako světový standard pro výměnu dat. Je to globální souřadnicový systém, který dovoluje jednoznačné definování polohy na Zemi. WGS poskytuje základní souřadnicový rámec, geometrickou reprezentaci tvaru zemského tělesa - elipsoid i gravitační model Země. WGS je i konvenčním souřadnicovým systémem za předpokladu že: •
jeho počátek bude ve středu gravitačního pole Země,
•
jeho referenční meridián ztotožníme s nultým poledníkem,
•
jeho osa Z bude paralelní se zemskou osou,
•
jeho osu X tvoří průsečnice roviny referenčního meridiánu a roviny rovníku,
•
`
jeho osa Y je kolmá na osu X a doplní tak pravotočivě orientovaný pravoúhlý trojrozměrný systém.(obr. 4) 16
Teoreticky by tento souřadný systém mohl být použit jako univerzální. Ve skutečnosti je však nutno vyřešit při výstupu a zobrazování dat hlavní problém kartografie - přenesení tohoto prostorového modelu do rovinné plochy. V závislosti na požadovaném výstupu (měřítko, přesnost měření délek nebo úhlů na výsledném výstupu) jsou proto účelová mapová díla vedená v různě definovaných projekcích – specifických souřadných systémech [36].
S - JTSK Vzhledem k tradicím a historickému vývoji se v různých zemích využívají mapová díla a vyhotovená v různých kartografických zobrazeních. U nás se začal používat krátce po vzniku Československa Souřadnicový systém Jednotné trigonometrické sítě katastrální (S - JTSK). Nyní je v České republice závazným souřadnicovým systémem. Systém charakterizují parametry Besselova elipsoidu, rozměr, poloha a orientace sítě na Besselově elipsoidu, zobrazení Besselova elipsoidu do roviny Křovákovým způsobem a způsob budování, vyrovnání a zpracování trigonometrické sítě I. řádu. Podle Křovákova zobrazení se Besselův elipsoid, který je referenčním elipsoidem zobrazení, konformně zobrazí na Gaussovu kouli, jejíž poloměr se zmenší o jednu desetitisícinu. Ta se pak konformně zobrazuje do roviny všeobecným konformním kuželovým zobrazením (proto se toto zobrazení někdy označuje jako dvojité konformní). Zmenšení koule a volba polohy kužele má zabezpečit minimální délkové zkreslení při zobrazení. Vrchol kuželu se umístí na spojnici středu koule C a kartografického pólu PK zmenšené Gaussovy koule. Pól PK je přitom posunutý severní pól S zmenšené koule po obrazu základního zemského poledníku Besselova elipsoidu, který má geodetickou zeměpisnou délku 42°30' východně od Ferra. Soustava kartografických délek D a kartografických šířek Š se vztahuje ke kartografickému pólu PK. Zobrazovací kužel se umístí tak, že se dotýká Gaussovy koule podél základní kartografické rovnoběžky, která má severní šířku 78°30' a probíhá přibližně podélnou osou území bývalé československé republiky. Na kuželovém plášti se kartografické poledníky zobrazují jako přímky procházející vrcholem kuželu. Kartografické rovnoběžky se na něm zobrazí jako koncentrické kružnice se středem ve vrcholu kužele (obr. 5). Základní kartografická rovnoběžka 78°30' protíná poledník o zeměpisné délce 42°30' východně od Ferra v bodě T se zeměpisnou šířkou 48°15'. Tečna v bodě T k uvedenému poledníku byla zvolena za kladnou osu X souřadnicového systému, ale začátek systému byl posunut od bodu T na sever do vrcholu kuželu V ve vzdálenosti TV = 1 298 039, 0046 m. Tento bod je potom počátkem souřadnicového systému, jeho osa X (umístěná v obraze poledníka se zeměpisnou délkou 42°30') směřuje k jihu a kladná osa Y směřuje na západ. V tomto souřadnicovém systému se pak celé území Čech , Slovenska a Zakarpatské Ukrajiny nachází v jediném kladném kvadrantu. Podrobněji ho komentuje např. [59].
`
17
Obr. 4
Souřadný systém WGS
Obr. 5
Souřadný systém S - JTSK
`
18
Gauss-Krügerovo zobrazení – S 42 V Gauss-Krügerově zobrazení se povrch celého zemského elipsoidu rozděluje poledníky na poledníkové pásy. Každý poledníkový pás se zobrazuje konformně na samostatný válec, který se dotýká elipsoidu podél středního poledníkového pásu, tzv. základního poledníku. Válec má tedy příčnou, čili transverzální polohu jako při Gaussově konformním válcovém zobrazení. Od jmenovaného zobrazení se liší tím, že se tady nezobrazují poledníkové pásy referenční koule, ale zemského elipsoidu. Krüger odvodil zobrazovací rovnice pro konformní zobrazení elipsoidických poledníkových pásů na transverzální válec, proto se toto zobrazení nazývá Gaussovo-Krügerovo zobrazení.(obr. 6 ) Obraz rovníku na válci rozvinutém do roviny je přímka zvolená za osu y. Průsečík os je začátkem rovinné souřadnicové soustavy. Každý pás má svoji souřadnicovou soustavu. Protože zobrazení je konformní, obrazy poledníků a rovnoběžek se vzájemně protínají pravým úhlem, obraz geografické sítě na rozvinutém válci tvoří ortogonální soustavu V tomto zobrazení se délkové zkreslení zvětšuje se čtvercem vzdálenosti od osy x. Pro geodetické účely se může zobrazovat jen takový široký pás území, aby na jeho okraji m překročena dovolená mez délkového zkreslení. Šířka zobrazeného pásu je tedy omezena požadavkem mezí délkových zkreslení pro mapy podrobné velkých měřítek To je důvod pro rozdělení povrchu zobrazeného zemského elipsoidu na poledníkové pásy tak široké, aby vyhovovaly už uvedeným podmínkám. V našich zeměpisných šířkách dosáhne přípustného zkreslení v pásu o málo více než 2" zeměpisné délky. Volba zobrazovaných pásů byla určena mezinárodně, hodnotami 2", 3", 6". Každý poledníkový pás je dále dělený na pásy rovnoběžkové (vrstvy) na sever i na jih od rovníku. Tyto vrstvy se označují od rovníku k pólu velkými písmeny latinské abecedy. Území Čech a Slovenska leží v pásech L a M. Digitální prostorová data Armády České republiky jsou vedena v tomto systému. V GIS jsou data vedena obvykle v rovině v kartézských pravoúhlých souřadnicích. To je obdobou vedení analogových map na rovinném podkladě. Pokud je u digitálních dat zároveň vedena informace o projekci, je pak přepočet takto vedených dat na jiný matematicky definovaný souřadný systém snadný. SW pro GIS mají transformace mezi světově užívanými souřadnými systémy obvykle implementovány. V civilní oblasti se u nás používají digitální data nejčastěji v souřadném systému JTSK. To přináší problémy ve většině zahraničních SW balíků pro GIS. Proto se používá pro digitální data obvykle pravoúhlý souřadný systém S - JTSK s transformací pro 3. kvadrant Kartézského souřadného systému. To znamená záměnu os x a y a transformaci dat do záporného kvadrantu (x = - y, y = - x) (obr. 7). Protože v některých starších SW pro GIS (např. PC Arc/Info) jsou problémy s používáním příliš velkých čísel pro vyjádření hodnot souřadnic a SJTSK používá hodnoty řádu 1000000, používá se někdy také transformace posunutím do kladného kvadrantu (přičtení patřičné konstanty posunu).
`
19
nárys
půdorys
Obr. 6
Souřadný systém S 42
y 0
x
S Obr. 7
`
Modifikace S - JTSK pro 3. kvadrant
20
Reprezentace prostorových dat Prostorová data je možno vést v digitální podobě v definovaném souřadném systému dvojím zásadně odlišným způsobem: 1. jako vektorová data, 2.
jako rastrová data.
Vektorová data Jedná se o nejúspornější možnost, jak vést prostorové údaje v číselné podobě. Prostorová data jakéhokoli tvaru je nutno vyjádřit pomocí primitivních entit - bod, linie, polygon (obr. 8). •
•
•
.
Bod - je vyjádřen polohou v souřadném systému (x, y) a identifikací jednoznačnosti (A); např. A, x, y. Linie - je vyjádřena řadou bodů (souřadnicemi) a identifikátorem. Navíc je automaticky dán pořadím zápisu směr prvků linie (vektorů, které ji tvoří): B, x1, y1, x2, y2, x3, y3, x4, y4. Polygon - je vyjádřen tvořící linií nebo liniemi. První a poslední bod této linie (linií) je shodný; např. C, x1, y1, x2, y2, x3, y3, x4, y4, x1, y1.. Takto je možné alfanumericky vyjádřit jakýkoli tvar v prostoru. Z principu vyplývá, že
vektorová data jsou téměř vždy určitou generalizací spojitých hranic reálných prostorových objektů (s výjimkou některých bodových prvků). Protože data jsou tvořena vektory, je možné jako jejich další prostorovou charakteristiku vést informace o jejich topologické struktuře. Topologie je obor geometrie, který zkoumá vzájemné souvislosti mezi objekty v prostoru (zda mají společnou hranici, zda leží uvnitř jiného objektu atd.). Topologická struktura umožňuje pozdější využití těchto informací k analýzám. Udržování topologické struktury vektorových dat je v GIS nezbytné. Uvedené ukázky formátu vektorových dat jsou teoretické. Jednotliví výrobci SW, které pracují s vektorovými daty, vytvořili vlastní digitální formáty pro jejich zápis. Zatím bohužel neexistuje světový standard pro formát vektorových dat. Některé formáty dokonce nejsou zveřejněny a proto se při výměně dat v GIS, ale i v jiných systémech, pracujících s vektorovou grafikou, staly standardem některé zveřejněné, často používané nebo historicky déle používané formáty. Vektorový zápis prostorových dat má své přednosti a nevýhody oproti zápisu rastrovému. Porovnání je zřejmé z přiložené tabulky (tab. 1). Vstup vektorových dat do GIS z analogových podkladů (např. mapové podklady, letecké fotografie) je možný zejména ručním vkládáním jednotlivých bodů vektorů, například ruční vektorizací na vhodném vstupním zařízení nebo vkládáním těchto bodů přímo v terénu některou z měřických metod. Jedná se vždy o metody s velkým podílem lidské práce, často vysoce kvalifikované. To se odráží v ceně tohoto druhu dat. Kromě vysoké ceny je další nevýhodou časová náročnost jejich pořizování.
`
21
Rastrová data Druhou možnou formou zápisu umístění a tvaru prostorových objektů v číselné podobě je rastrový formát digitálních dat. Vychází se opět z matematicky definovaného souřadného systému (např. Kartézský pravoúhlý systém). Oblast v níž se objekty nacházejí (obvykle obdélník nebo čtverec) se rozdělí mřížkou (obvykle pravoúhlou čtvercovou nebo obdélníkovou) na matici plošek. Každá ploška je definována pořadím ve směru jedné i druhé osy. Každá ploška může nést identifikátor a číselnou hodnotu. Takto vzniklá digitální data jsou obvykle uspořádána do matice hodnot. Dále musí být definována poloha matice v souřadném systému, případně její rotace vůči tomuto systému, velikost buňky v obou osách a počet buněk v obou osách. Výsledkem může být např. sada alfanumerických dat v tomto tvaru: x0 y0 α u11,u12u13u14 u21,u22u23,u24 u31,u32,u33,u34 u41 u42, u43,u44 Přitom hodnoty umn mohou znamenat jakoukoli číselně vyjádřitelnou hodnotu, vztahující se k prostorovým objektům, které se nacházejí v místě buňky m, n (například jas, barva, nadmořská výška, koncentrace, kód objektu apod.). (obr. 9) Rastrová data takto realizovaná nemohou z principu popsat přesné průběhy hranic prostorových objektů, není možné udržovat tato data v topologické struktuře. Tak je významně ovlivněna možnost jejich prostorových analýz. Datové soubory jsou v porovnání s vektorovými daty, popisujícími podobné prvky prostoru řádově nebo i o několik řádů větší. To přináší problémy při jejich přesnosti a ukládání. Mají však také některé významné výhody. Je možná značná automatizace jejich vkládání do GIS. Některé metody dálkového průzkumu Země z principu vytvářejí prostorově lokalizovaná rastrová data (družicové snímky skenovacích družic). Snadná je i digitalizace analogových podkladů pomocí scannerů. Formáty rastrových dat nejsou obvykle vázány na SW pro GIS. Protože rastrová data jsou obecně používaná v počítačové grafice již delší dobu, ustálily se jejich formáty na několika standardech, které se využívají v používaných SW pro GIS. Používané formáty jsou obvykle pouze matice hodnot bez prostorové lokalizace v obecném souřadném systému. Proto se k nim používá doplňková tabulka s informacemi o lokalizaci. Některé SW pro GIS mají vlastní formáty pro ukládání rastrových dat. Ty obvykle umožňují rozsáhlejší a specializované analytické operace s těmito daty. Problémy s velikostí datových souborů se někdy řeší komprimací dat. To znamená, že pokud se např. vyskytují stejné nebo podobné hodnoty v matici buněk, neopakují se v datech, ale ukládají se pouze
`
22
Obr. 8
Vektorová prezentace prostorových dat
Obr. 9
Rastrová prezentace prostorových dat
Výhody
Nevýhody
VEKTOR • • • • •
logická struktura topologie malý objem dat měřické metody získávání možnosti kombinace analytických metod
• obtížné získávání z analogových podkladů
RASTR • • • •
Tab. 1
`
snadná digitalizace vyjádření spojitých jevů přímé získávání z DPZ výsledky prostorových modelů
• velký objem dat • nemožnost topologie
Porovnání výhod a nevýhod prezentací prost. dat
23
informace o počtu opakování této hodnoty. Při komprimaci a dekomprimaci rastrových dat se používají také složitější metody, využívající např. matematické teorie fraktálů apod. Při dekomprimaci při použití rastrových souborů se rekonstruuje původní stav dat (ne vždy bez ztrát původních informací). Protože oba způsoby digitalizace rastrových dat mají své výhody i nevýhody, používají se v současných GIS obvykle kombinace obou druhů digitálních dat.
2.3. Vstup prostorových dat do GIS Pro vstupy dat do GIS se v anglickém originále používají dva pojmy: data capturing a data acquisition. První pojem označuje fázi získávání dat přímo z reálného prostoru. V češtině by se mohl použít ekvivalent sběr dat. Druhý pojem označuje další krok a to je fyzické vkládání dat do GIS. V češtině bychom mohli použít ekvivalent vkládání dat nebo digitalizace. Vkládání dat označuje spíš transformace digitálních dat a jejich vkládání do takové struktury GIS, digitalizace znamená převedení analogových podkladů (map, manuscriptů , leteckých snímků) do digitální podoby a jejich uložení do datové struktury GIS.
2.3.1. Sběr dat je oblast z velké části zahrnující starý vědní obor - geodézii. Je to dlouhodobě se rozvíjející obor, který má za úkol provádět sběr prostorových dat v terénu - měření a zobrazování Země. S rozvojem informačních technologií a nástupem GIS se však mění i tento tradiční obor. Data, získávána geografickými metodami se z velké části předávají zákazníkům v digitální podobě. Nejčastěji ve vektorových formátech některých CAD SW nebo ve formátu digitálních textových souborů (ASCII). Měřická data jsou z principu měřických metod data vektorová. Tato oblast je samostatná vědní disciplína a nebude detailně rozebírána. Na pomezí této vědy a dalších oblastí použití se objevují další moderní metody získávání prostorových dat, které se dnes začínají stále více integrovat do GIS. Proto jim budu věnovat podrobnější popis. Jsou to: •
metody dálkového průzkumu Země a
•
družicový polohovací systém GPS.
2.3.2. Dálkový průzkum Země Elektromagnetické záření po kontaktu s jakýmkoliv objektem odnáší do prostoru informace o něm. Směr záření přicházejícího k pozorovateli dává informaci o poloze a barva o vlastnostech sledovaného objektu. Tyto informace je možno také kvantifikovat, analyzovat a využívat. S tím souvisí samozřejmě také způsob zpracování získaných informací, jejich distribuce a využití. Disciplína, která se zabývá dálkovým získáváním a zpracováním informací, se nazývá dálkový průzkum Země. U nás se pro ni začala používat zkratka DPZ. V DPZ se k získávání dat využívá
`
24
snímacích aparatur instalovaných na leteckých nosičích a umělých družicích Země. Z tohoto pohledu se oblast dělí na letecký a kosmický DPZ. Z praktického hlediska je to však dělení nepříliš významné, protože se nijak zvlášť nepromítne ani do přístrojového vybavení, ani do metod zpracování dat. Některé typy aparatur na letadlech a na družicích jsou dokonce naprosto shodné. Obě oblasti mají společné to, že požadovaná data se získávají snímáním zemského povrchu z velkých výšek. Ve výšce letu leteckého a kosmického nosiče aparatury je však rozdíl plných dvou řádů. Výška letu určuje rozsah snímaného území, geometrické i radiometrické vlastnosti a časovou dostupnost požadovaných dat. Pro rozlišovací schopnost to dnes již neplatí, protože novější satelity jsou dnes vybaveny zařízeními, která si svými výsledky nezadají s přístroji umístěnými na leteckých nosičích, přestože létají ve výškách zhruba stokrát větších než letadla. DPZ můžeme členit z hlediska dalšího využití získaných dat pro GIS na: 1. fotogrammetrii - disciplínu, zabývající se získáváním geometrických charakteristik vzdálených objektů a 2. další metody DPZ, které se zabývají získáváním atributů (vlastností) těchto objektů
Fotogrammetrie Fotogrammetrie je věda,která se zabývá rekonstrukcí tvaru, velikosti a polohy předmětů zobrazených na fotogrammetrických snímcích. Základem fotogrammetrie jako měřické a mapovací techniky je měřický fotogrammetrický snímek, vyhotovený měřickou fotografickou komorou. Od vytvoření této definice však uplynulo několik let a ve fotogrammetrii se stále více uplatňují digitální záznamy, které mohou být zhotoveny bud' primárně skenerem nebo sekundárně skenováním klasické fotografie. Problematika fotogrammetrie je složitá, obor má bohatou historii a množství propracovaných metod a postupů. Fotogrammetrie umožňuje získat geometrické informace o objektech na snímcích. Při zpracování a vyhodnocování snímků, které jsou centrální projekcí, je třeba ji numericky nebo analogově transformovat na ortogonální projekci. Transformace se uskutečňuje klasicky graficko-optickomechanickými vyhodnocovacími metodami a zařízeními, početními metodami a v poslední době zejména digitálními metodami. Základní úlohou fotogrammetrie je tedy převod středového průmětu (měřický snímek) do ortogonálního průmětu (mapa, plán). Spolu s fotogrammetrií zaměřenou na měření na snímcích (zjišťování kvantitativních charakteristik - rozměrů objektů) se vyvíjela a vyvíjí i fotointerpretace jako obor, při kterém se zkoumá obsahová - sémantická náplň snímku. Při fotointerpretaci se zjištují, třídí a popisují předměty a jevy viditelné na snímcích, případně jejich prostřednictvím se usuzuje na ty, které nejsou zobrazeny. Na příkladě na obr.10 je vidět interpretovaný snímek v infračervené části spektra, ukazující poškození porostu vlivem znečištění půdy ropnými látkami (snímek pořídila firma Argus Geo Systém, s.r.o.).
`
25
Obr. 10
Infračervený snímek poškozeného porostu
Obr. 11
Letecká fotogrammetrická kamera
`
26
Fotogrammetrie se rozděluje z různých hledisek. Základním je poloha kamery v čase fotografování. Takto rozeznáváme fotogrammetrii pozemní a leteckou. Zde je zřejmá příbuznost k metodám DPZ. Pro GIS s využívá zejména letecká nebo družicová fotogrammetrie. To znamená, že kamera, kterou jsou snímány objekty, je umístěna na leteckém nebo družicovém nosiči.(obr. 11). Snímá se obvykle řada snímků s 60 % překryvem, takže se vyhotovují a následně vyhodnocují snímkové dvojice tak, aby vytvořily prostorový model. Dnes se stále více používá digitální reprezentace obrazu (snímku). Ta je výhodná pro následné radiometrické úpravy. Při převodu do digitálního tvaru může však dojít k určité ztrátě informace. K dispozici jsou obvykle techniky pro úpravu kontrastu a pro digitální filtrování. Základním předpokladem umělého stereoskopického vjemu je, že každé oko pozoruje jen jeden snímek. Toho lze dosáhnout více způsoby, jako jsou např. anaglyfy, pomocí optické techniky, pomocí polarizované obrazovky a brýlí. Řešení těchto problémů, podobně jako možnosti ovládání měřické značky – kurzoru, je poměrně složité, závislé na konkrétním počítačovém a speciálním vybavení. Stereoskopické vyhodnocování snímků je základem pro generování digitálního modelu terénu. Letecké fotografie (ani jejich digitální reprezentace) nemohou být interpretovány přímo kvůli zkreslení, způsobenému centrální projekcí a různou výškou předmětů na nich. Proto je nutno přepočíst polohu jednotlivých pixelů snímku do ortogonálního průmětu na rovinu s využitím znalosti geometrických vlastností optické soustavy a modelu terénu. Ortofotomapa je pak vhodná jako vstup pro mapování zvláště a jako podkladová data pro další zpracování v GIS (viz fotomapa použitá jako podklad pro výstupy z matematického modelování v kapitole 5.1.2). Ortofotomapa slouží často jako podklad pro aktualizaci map velkých měřítek nebo vyhodnocování a vektorizaci objektů, které nejsou na mapách uvedeny (např. černé skládky apod.).
Další metody DPZ Rozdíl oproti fotogrammetrii je v principu snímání dat. Získávání informací se děje vždy měřením charakteristik elektromagnetického záření, radiace. Přístroje určené k jejímu měření se
nazývají
radiometry. Vlastnosti zemského povrchu se navenek projevují různými způsoby, jako např. elektrickou vodivostí, obsahem vody, absorpcí radiace určitých vlnových délek apod. V běžných případech se vlastnosti objektů určují pomocí přímého kontaktu s nimi, v metodách DPZ se využívá toho, že řada fyzikálních vlastností zemského povrchu a předmětů na něm se bezprostředně promítá do elektromagnetického spektra a zanechává v něm svůj specifický „otisk”. Radiometry měří intenzitu emitovaného nebo odraženého záření, převádějí ji na elektrický signál a ten je pak zaznamenán v podobě digitálních dat. Jsou-li data vhodným způsobem organizována, což je jednou z funkcí snímací a přenosové aparatury, lze s jejich pomocí rekonstruovat obraz zemského povrchu vypovídající o jevech, které radiometr zaznamenal.
`
27
Elektromagnetické záření je přírodním médiem přenášejícím informace o předmětech prostorem na velké vzdálenosti. Záření je jednou z forem hmoty a jeho vnější projevy lze obecně charakterizovat jako přenos energie a informací prostřednictvím elektromagnetického pole, které kolem sebe vytvářejí hmotné objekty. Pokud všechny druhy elektromagnetického záření seřadíme vedle sebe v závislosti na energii fotonů, dostaneme obraz elektromagnetického spektra. V něm se vedle sebe řadí postupně rádiové vlny, mikrovlny, infračervené záření, viditelné světlo, ultrafialové a rentgenové záření, záření gama a tzv. kosmické záření. Rozdílná energie fotonů z různých částí spektra je příčinou rozdílných účinků jednotlivých druhů záření na částice hmoty. Přitom přesně platí nepřímá úměra, neboť fotony vyšších energií mají kratší vlnovou délku než fotony s nižší energií. Tato vlastnost je velmi důležitá, protože na ní závisí způsob interakce s hmotou. Ta je zdrojem informací, neboť jejím výsledkem je ovlivnění vlastností dopadajícího záření. Interakce záření s hmotou je rovněž prostředkem k registraci informací v přístrojích. Elektromagnetické spektrum je teoreticky souvislé. Vlnová délka záření se plynule mění z jednoho konce spektra na druhý. Zdrojem elektromagnetického záření je každé těleso o teplotě vyšší než 0 K. Žádný zdroj ve vesmíru však nevysílá do okolního prostoru záření dokonale rovnoměrně rozdělené po celém rozsahu spektra. Rozdělení energie záření ideálního tělesa o nenulové teplotě odpovídá Planckovu zákonu. Pro DPZ je hlavním zdrojem záření Slunce, vyzařující nejvíce v oblasti viditelného světla (vlnová délka 550 nm). Tomu odpovídá průměrná teplota zářivého povrchu Slunce zhruba 6000 oC. Zdrojem energie jsou však procesy probíhající v nitru Slunce při teplotách ještě mnohem vyšších (výpočty naznačují kolem 10 až 14 milionů stupňů). Slunce podle Planckova zákona vyzařuje rovněž část energie v oboru rádiových vln, o něco více na středních vlnách, ještě více v mikrovlnách a maximum v oblasti kolem 550 nm (pro lidský zrak žlutozelená barva). Směrem k vyšším energiím množství vyzařované energie dále klesá a souvislé sluneční spektrum končí v oblasti rentgenového záření. Rozdělení energie ve slunečním spektru odpovídá dosti věrně Planckovu zákonu, obsahuje však drobné odchylky způsobené chemickým složením a fyzikálními podmínkami ve sluneční fotosféře. Tyto odchylky nám na dálku vypovídají o podmínkách na Slunci a také ovlivňují charakter osvětlení zemského povrchu. Kromě tepelného vyzařování existují rovněž fyzikální principy, jak donutit hmotný objekt k vyzařování elektromagnetické energie netepelným způsobem. Takovéto vyzařování však nemá spojité spektrum jako např. Slunce. K jeho vyprovokování je potřeba např. elektrických oscilací na určité frekvenci. Vyzařování naší planety má dvě složky. Vlastní záření Země se drží Planckova zákona pro těleso o povrchové teplotě Země. Odchylky v jejím spektru jsou způsobeny fyzikálními a chemickými podmínkami na zemském povrchu. Maximum emise spadá do oblasti tepelného infračerveného záření. Většinu energie vyslané do prostoru Zemí ale představuje odražené sluneční záření. Tato složka záření zemského povrchu má obdobný charakter jako sluneční záření. Sluneční spektrum je však silně změněno interakcí s povrchem naší planety[57].
`
28
Zmíněný silový účinek záření na jiné částice hmoty je využit ke konstrukci radiometrů. Nazývá se fotoelektrický jev a projevuje se tím, že záření dopadající na některé citlivé materiály v nich vyvolává měřitelné elektrické jevy, způsobené uvolněním elektronů z atomů. Účinek je tím silnější, čím silnější a delší bylo ozáření materiálu. Tímto materiálem může být např. křemík, germanium a některé další materiály, jichž je využito ke konstrukci detektorů záření. Různé detektory jsou podle použitého materiálu citlivé na záření v rozsahu vlnové délky asi od 0,3 do 40 mikrometrů. V rámci tohoto omezení má každý typ detektoru svůj určitý interval citlivosti. Detektory musí mít pro svůj provoz optimální podmínky, aby se měřitelný signál neztrácel v šumu. Některé jsou schopny pracovat při pokojové teplotě (pro obor viditelného světla), detektory infračerveného záření ale musí být za provozu silně podchlazené, aby samy nebyly zdrojem rušivého šumu, který by znehodnotil signál. Radiometry poskytují výstup ve formě digitálních rastrových dat. O něco starší formou záznamu obrazu jsou fotografické postupy, kde se obraz působením světla zaznamená do citlivé vrstvy v podobě chemických změn, které jsou pak zviditelněny a ustáleny chemickým zpracováním. Fotografickými postupy získáváme data v analogové formě. Nic ovšem nebrání jejich případné pozdější digitalizaci při pozemním zpracování za použití v podstatě stejného prostředku jako je radiometr - scanneru. Projevy vlastností hmotných objektů v elektromagnetickém spektru Interakce záření s hmotou je velmi složitý proces. Jejím výsledkem jsou stopy zanechané ve spektru ozářeného objektu, s nímž záření interagovalo. Tím se záření stává zdrojem informací o tomto objektu. Pro zjednodušení předpokládejme, že pozorujeme jednoduchý objekt ozářený ideálním zdrojem vysílajícím záření přesně v souladu s Planckovým zákonem. Dopadající fotony všech energií budou interagovat s hmotnými částicemi tohoto objektu. Výsledkem interakce bude změna složení záření, z níž lze vyčíst vlastnosti našeho objektu. Tuto interakci ovlivňují dva faktory: 1. chemické složení a 2. optické vlastnosti. Chemické složení hmotného objektu. V souhrnném diagramu celého elektromagnetického spektra se energie nesená fotony plynule mění od nejvyšší hodnoty u kosmického záření k nejmenší energii nesené rádiovými vlnami. Interakcí záření s hmotou se objevují ve spojitém spektru temné nebo jasné pásy, nazývané absorpční nebo emisní spektrální čáry. Jejich vznik je spojen s obousměrným předáváním energie mezi fotony dopadajícími na hmotný objekt a elektrony v elektronových obalech atomů, které tento objekt tvoří. Každý chemický prvek i každá sloučenina se při interakci s elektromagnetickým zářením projeví svým jedinečným a specifickým souborem spektrálních čar, jehož podoba souvisí se strukturou vrchních vrstev elektronového obalu atomů nebo molekul interagující látky. Zároveň se do spektrálních čar promítají některé další fyzikální vlastnosti
`
29
objektu. Právě proto je možné analyzovat řadu vlastností hmotných objektů na dálku rozborem záření, které samy vysílají, nebo které s nimi interagovalo. Optické vlastnosti hmotného objektu. Hmotný objekt je pro dopadající záření optickým prostředím. Optické jevy jsou pro sběr a analýzu dat stejně důležité jako chemické složení a fyzikální stav hmotného objektu. Při dopadu elektromagnetického záření na objekt mohou nastat různé optické jevy: •
odraz záření zpět do prostoru,
•
pohlcení záření,
•
průchod záření objektem,
•
rozptyl záření na mikročásticích prostředí,
•
refrakce na rozhraní dvou odlišných prostředí.
V reálném světě dochází vždy ke kombinaci všech uvedených možností v různém poměru. Tento poměr závisí na druhu a složení materiálu a na vlnové délce záření dopadajícího na hmotný objekt. Vedle složení prostředí závisí optické jevy také na jeho fyzikálním stavu, především na skupenství. Oba faktory interakce záření s hmotou působí vždy společně. Každý hmotný objekt má své chemické složení a jeho hmota je vždy určitým optickým prostředím. Tímto prostředím je pak samozřejmě ovlivněno dopadající záření, jehož složení se při interakci změní pro toto prostředí charakteristickým způsobem. Určitá část záření se odrazí zpět do prostoru a s sebou odnáší informaci o hmotném objektu, s nímž interagovalo. Tato informace se dá zobrazit formou spektra objektu obsahujícího tmavé a jasné spektrální čáry, vypovídající o složení a fyzikálním stavu tohoto objektu. Podle nich se také dá snadno poznat, na jakých vlnových délkách lze pro daný objekt sledovat určité atributy. Spektrální pásma v DPZ Hmotným objektem může být nějaké jednoduché těleso, ale také určitá oblast na zemském povrchu, včetně její atmosféry. Země je velmi složitým souhrnem mnoha celků a prostředí majících každý své vlastní specifické projevy v elektromagnetickém spektru. Experimentálně bylo prokázáno, že určité obdobné typy objektů na zemském povrchu vykazují určité rámcově shodné spektrální vlastnosti. Například vegetace se díky obsahu chlorofylu, nezávisle na druhu rostliny, velmi silně projevuje v oblasti blízkého infračerveného záření (viz obr. 9). Naproti tomu lze využít jiných širokých oblastí spektra k určení stavu této vegetace, např. na základě tepelných vlastností souvislého rostlinného krytu. V další oblasti spektra lze zase sledovat jiné důležité části krajiny, např. vodstvo, půdní kryt apod. Každá složka krajiny má své výrazné projevy v určité, pro ni typické, oblasti spektra. Podmínkou k jejímu spolehlivému odlišení je její dostatečný kontrast vůči okolí v některé části spektra.
`
30
Aby nemusely být konstruovány přístroje pro DPZ, které by pracovaly v celé šíři spektra s příliš vysokým spektrálním rozlišením, jsou tyto oblasti spektra předem vybrány a rozděleny do menšího počtu tzv. spektrálních pásem. Počet spektrálních pásem je u přístrojů DPZ důležitým parametrem a je kompromisem mezi technickými možnostmi, náklady, skutečnou potřebou a účelem, jemuž má přístroj sloužit. Kvalita měření se umocní tím, že jednotlivá spektrální pásma se budou využívat v určitých vhodných kombinacích. Tím se docílí jejich vzájemného barevného nebo číselného porovnání a mnohonásobně stoupne objem vytěžených informací. Rozsah jednotlivých spektrálních pásem je na přístroji realizován pomocí optických filtrů a rozsahem citlivosti snímací aparatury nastaveným na určité rozmezí vlnových délek. Při snímkování se tedy pořizují v jednotlivých spektrálních pásmech černobílé obrazy. Tyto obrazy jsou nazývány spektrální kanály. Většina dnes používaných přístrojů v DPZ má od jednoho do deseti spektrálních kanálů. Umělé satelity Země pro DPZ Dnes jsou nosiče pro přístroje pro DPZ využívány zejména umělé družice Země. Vyslání prvního umělého satelitu na oběžnou dráhu kolem Země znamenalo v krátké době revoluci v oblasti sběru dat pro dálkový průzkum. Základním předpokladem k tomu bylo vyvinutí příslušného technického vybavení. Přínosem byla pak dostupnost kvalitních dat z jakéhokoliv místa na zemském povrchu. Pro Získávání dat ze satelitů jsou možné dvěma způsoby. Buď jsou data vysílána z družice v podobě rádiového signálu, nebo jsou dopravována na Zemi na analogových nosičích (např. filmový materiál). S ohledem na nutnost dostat na Zemi data v podobě rádiového signálu byly vyvinuty elektronické družicové systémy pro sběr dat. Konkrétně to jsou radarové systémy pro oblast rádiových vln a scannery pro optickou oblast elektromagnetického spektra. Obě skupiny přístrojů se souhrnně nazývají radiometry. Klasických měřických kamer s fotomateriály se v kosmickém DPZ používá méně a pouze v některých zemích. Například Rusko doposud vysílá na oběžnou dráhu satelity série KOSMOS s klasickými fotografickými kamerami. Jejich činnost je řízena podobným způsobem jako činnost družic s radiometry, jejich životnost ale obvykle činí zhruba 3 týdny a pak se vracejí na zem s exponovaným materiálem. Tato informace by ale neměla vést k podcenění ruské technologie, protože i Rusko vyslalo na kosmické mise družice vybavené vlastní špičkovou elektronikou. Důvodem využívání fotomateriálů je zejména jejich vysoká geometrická rozlišovací schopnost, dovolující zachycení velmi jemných detailů zemského povrchu. Naproti tomu radiometry nabízejí vysokou spektrální citlivost a digitální formu obrazu. Také geometrické rozlišení radiometrů se však dnes velmi blíží hranici dosažitelné klasickými fotomateriály. Před prvním nasazením měřicích a zobrazovacích systémů na palubách družic bylo nutno zvládnout především otázku navigace. V podmínkách dlouhotrvajícího kosmického letu to znamená umění zvolit pro daný účel nejvhodnější oběžnou dráhu a rovněž vybavit satelit systémem velmi přesné prostorové orientace. Oba faktory jsou pro družice, orientované na DPZ, mimořádně důležité.
`
31
Základním požadavkem na data DPZ je jejich spolehlivá porovnatelnost s etalonem (norma, jak mají data vypadat) a tedy také vzájemně mezi sebou. Vzájemná porovnatelnost dat pak např. umožňuje sledovat dynamiku určitého jevu, chování objektů na zemském povrchu. Při volbě dráhy budoucího satelitu je proto nutno vzít v úvahu tři základní požadavky : 1. Radiometrická srovnatelnost dat, vyžadující snímkování za standardního osvětlení. 2. Geometrická kvalita umožňující přesnou lokalizaci objektů. 3. Opakovatelnost měření v určitém dostatečně krátkém cyklu. Základním požadavkem je, aby byla splněna podmínka geometrické i radiometrické srovnatelnosti pořízených snímků. Proto je potřeba volit dráhu družice tak, aby se co nejméně měnily geometrické a světelné podmínky při snímání obrazu zemského povrchu. Zdravý rozum nám napovídá, že k dodržení geometrické stability obrazu nejlépe poslouží dráha, na níž se pokud možno nemění vzdálenost družice od zemského povrchu, tedy dráha blízká svým tvarem kružnici. Lze si dovolit určitou malou nepřesnost, řekněme 2 až 3 km, vzhledem k nepříliš ideálnímu tvaru zemského tělesa. Takováto dráha se nazývá "cirkulární". Vedle toho je samozřejmou snahou zajistit, aby bylo možno přístrojovým vybavením pozorovat pokud možno jakékoliv místo na zemském povrchu. Jediným způsobem, jak to zajistit, je navést družici na tzv. "polární dráhu". To znamená, že tato dráha by měla protínat rovník zhruba pod pravým úhlem a míjet oba zemské póly. Aby byla zajištěna opakovatelnost měření, je nutno oběh satelitu synchronizovat s rotací Země. Do zorného pole aparatury se vejde jen úzký pás zemského povrchu a při dalším obletu se satelit pohybuje již nad jinými místy, protože minule přelétnutý povrch se vlivem zemské rotace posune o stovky kilometrů směrem na východ. Volbou vhodné výšky lze však ovlivnit oběžnou dobu družice tak, aby v určitém cyklu se v zorném poli radiometru objevil celý zemský povrch. Tento cyklus se nazývá "opakovatelnost měření" a je udáván jako jeden z parametrů snímkování. Po uplynutí doby opakovatelnosti měření nastávají přesně stejné geometrické podmínky snímání v dalším cyklu. Všechny satelity pro DPZ mají takovýto svůj velmi přesný "jízdní řád". Zbývá ještě zajistit, aby při každém průletu satelitu nad denní stranou naší planety byly dodrženy co nejpřesněji podmínky osvětlení. Vzhledem k tomu, že Země obíhá kolem Slunce, mění se její prostorová poloha vůči středu sluneční soustavy. Ten je zároveň zdrojem osvětlení zemského povrchu. Družice na přesně polární dráze by za těchto podmínek nemohla možná až 6 měsíců v roce plnit své poslání, neboť by se pohybovala v blízkosti tzv. "terminátoru", tj. přechodu mezi denní a noční stranou zemského tělesa. Toto je možno řešit s využitím precesního pohybu Země. Podstatou precese je stáčení rotační osy určitého tělesa vlivem působení vnitřních a vnějších silových momentů. Zemská osa vykonává precesní pohyb a opisuje na obloze křivku blízkou kružnici v cyklu asi 26 000 let. Důvodem je gravitační působení Slunce a Měsíce, jakož i nerovnoměrné rozložení a pohyby hmot v tělese naší
`
32
planety. Precesi je možno sledovat nejen u rotace těles, ale i u jejich oběžných drah. Precesní stáčení oběžné dráhy satelitu je způsobeno mimo jiné rozdílnou velikostí gravitační síly, kterou na družici působí Slunce a Měsíc v různých jejích úsecích. Nad denní stranou naší planety je satelit blíže Slunci, než ve druhé půli svého obletu nad noční stranou Země. Rozdíl silového působení Slunce na družici v obou polohách není sice nijak velký, ve světě setrvačných a gravitačních sil však plně postačí k ovlivnění dráhy satelitu. Obdobným mechanismem ovlivňuje významně dráhu satelitu rovněž Měsíc, vzhledem k jeho vlastnímu oběhu kolem Země však "pracuje" v jiném cyklu. Do hry vstupují rovněž další silové momenty, jako např. gravitační působení ostatních planet a velkých hmot uvnitř Země, brždění družice o horní vrstvy atmosféry apod. Tyto jevy však již zahrnujeme mezi rušivé prvky. Míru uplatnění precesního momentu lze ovlivnit vhodnou volbou parametrů dráhy satelitu. Tím vzniká řízená nestabilita oběžné dráhy. Těleso na nestabilní dráze má snahu dostat se na kruhovou dráhu nad rovníkem centrálního tělesa, kde dochází k nejmenšímu tzv. "gravitačnímu tření", a tato snaha usměrňuje precesní pohyb. Zvolíme-li dráhu v tom správném sklonu vůči rovníku, ve správné orientaci vůči Slunci a ve správné výšce nad zemským povrchem, bude vyvolaný precesní pohyb vyrovnávat změnu orientace prostorové spojnice Země-Slunce, vyvolanou pohybem Země po své dráze kolem Slunce. Po dostatečně dlouhou dobu pak dráha družice díky precesi vydrží ve stabilní orientaci vůči Slunci, což jsme vlastně chtěli docílit. Posledním důležitým požadavkem při výběru dráhy je výběr vhodného úhlu dráhy satelitu vůči směru ke Slunci tak, aby úhel a intenzita osvětlení zemského povrchu vyhovovaly technickým možnostem použitého radiometru. Nejvhodnější pro zpracování dat je, aby byly maximálně omezeny stíny objektů na zemském povrchu, neboť působí rušivě při analýze dat. Proto se dráha s ohledem na všudypřítomnou nebeskou mechaniku vždy volí tak, aby na své denní polovině procházela co nejblíže spojnici Země-Slunce. Družice pak bude při snímání přelétávat nad oblastmi, kde je čas zhruba kolem 10 hodin dopoledne. V tuto dobu jsou krátké stíny a průzračná atmosféra, takže jejich rušivý vliv v obraze krajiny bude minimální. Po splnění všech uvedených požadavků bude dráha satelitu přesně synchronizována se zdánlivým denním a nočním pohybem Země kolem Slunce. Proto se nazývá heliosynchronní cirkulární kvazipolární drahou. Navedení satelitu na heliosynchronní dráhu je velmi náročný navigační výkon. Raketa o rozměrech a hmotnosti menšího křižníku, letící prostorem rychlostí až 8 kilometrů za sekundu, musí umístit s centimetrovou přesností na dráhu kolem Země řádově desetitunovou družici, jejíž dráha se nesmí vychýlit z požadované tolerance za celou dobu její životnosti (u satelitů pro DPZ je to více než 10 let). Navedení družice na dráhu, která nesplňuje výše uvedené požadavky, se považuje za neúspěšné a přináší škody v řádu stovek milionů dolarů, neboť při nemožnosti dodatečných korekcí dráhy je satelit nenávratně ztracen. Naložení takto ztracené družice do raketoplánu a vrácení na Zemi k novému vypuštění nepřipadá v úvahu, protože kosmický letoun
`
33
pracuje ve výškách kolem 350 km a dráhy satelitů pro DPZ se vyskytují ve výškách převážně 6001000 km nad zemským povrchem, tedy mimo dosah raketoplánu. Z výše uvedeného vyplývá, že kosmický DPZ je náročná disciplína, která na sebe váže značné finanční prostředky. V počáteční fázi využívání byly tyto zdroje uvolňovány výhradně z armádních rozpočtů. Dnes jsou využívány stále více pro komerční účely.[4],[34],[42] ,[56]
2.3.3. Družicový polohovací systém GPS Historie družicových polohových systémů se začala odvíjet již koncem 70. let, ale teprve v posledních několika letech se tyto systémy dostávají do povědomí širší veřejnosti. Změny, ke kterým v poslední době došlo v oblasti praktického využívání družicových polohových systémů (pro které se v poslední době začíná používat obecnější termín "globální navigační družicové systémy"), jsou značné. Vedle u nás původně téměř výlučného využívání těchto systémů pro potřeby měřické se v poslední době začalo rozvíjet i jejich využívání pro účely, pro které byly původně určené, tj. pro sledování polohy a pro navigaci dopravních prostředků. Oba způsoby využití směřují k získávání prostorových dat v digitální podobě. Proto jsou významným zdrojem dat pro GIS. Globální polohový systém (zkr. GPS; angl. Global Positioning System) je družicový systém pro stanovování polohy a času na povrchu zemském a v přilehlém prostoru. Po úplném dobudování je schopen poskytovat tyto údaje nezávisle na počasí, 24 hodin denně a kdekoliv ve výše zmíněném prostoru. Princip tohoto systému spočívá v tom, že přijímač vyhodnocuje signál od několika družic. Součástí signálu je i přesná informace o čase. Přijímač vyhodnocuje časové diference a na základě toho určí přesnou vzdálenost od satelitu. Vzhledem k přesně známé dráze satelitu je možno určit polohu přijímače s vysokou přesností. Družice vysílají signály, které jsou přijímány přijímači a zpracovány pro měřické nebo navigační účely. Přesnost stanovení horizontální polohy se pohybuje v rozmezí od ± 100 m až po ± několik cm. GPS slouží dnes k: •
pozemní, námořní i letecké navigaci,
•
pro měřické účely, geofyzikální výzkumy,
•
mapování,
•
lokalizaci a navádění vozidel a
•
pro celou řadu jiných aplikací.
Ve srovnání s běžnými měřickými technikami vykazuje GPS řadu výhod :
`
•
mezi jednotlivými měřenými body nemusí být přímá viditelnost,
•
GPS je vysoce přesný,
•
je mnohem rychlejší,
•
poskytuje výsledky v jednotném světovém souřadném systému,
•
poskytuje třírozměrné souřadnice,
34
•
pracuje bez ohledu na počasí i denní a noční dobu.
Má i nevýhody : •
nemožnost měření v podzemí,
•
horší výsledky při měření v hustém porostu (např. v lese),
•
je nezbytná přímá viditelnost na družice (z měřeného bodu by měla být viditelná obloha od 15 stupňů nad obzorem výše všemi směry),
•
problémy s měřením v hustě zastavěných oblastech (např. města s úzkými uličkami),
•
problémy s měřením např. v úzkých údolích.
Historie GPS Na základě dobrých zkušeností s dopplerovskými systémy družicové navigace bylo na počátku sedmdesátých let jen kousek k myšlence vybudovat zcela nový družicový systém, který by umožňoval stanovení polohy v trojrozměrném prostoru spolu s přesným časem a zpřístupnil by tak družicovou navigaci i letectvu. Definitivní rozhodnutí o vybudování tohoto systému padlo 17. prosince 1973. Od svého prvopočátku nese systém dva názvy - GPS a NAVSTAR. Název NAVSTAR se někdy vydává za akronym názvu NAVigation System with Time And Ranging, ve skutečnosti byl údajně používán proto, aby bylo vyhověno vysokému úředníkovi na ministerstvu obrany, který rozhodoval o přidělování finančních prostředků projektům a který projevil nelibost nad názvem GPS. Později byly přijaty dvě změny - sklon oběžných drah byl snížen na 55 stupňů a počet oběžných drah byl zvýšen na šest se čtyřmi družicemi na každé z nich. Počet družic včetně rezervních zůstal 24. V případě potřeby je možné systém doplnit o další družice a zvýšit tak jeho robustnost. Vývojem podobného systému se začali v té době zabývat rovněž v bývalém Sovětském Svazu. Sovětský projekt nese název GLONASS. Komerčně jsou dnes dostupné pouze přijímače pro systém GPS, proto se v civilní sféře využívá výhradně. Je však pravděpodobné, že i systém GLONASS bude v nedaleké budoucnosti hrát významnou roli ve všech oblastech aplikací družicových polohových systémů.
Struktura systému GPS Systém GPS je tvořen třemi základními segmenty : 1. kosmickým, 2. řídicím, 3. uživatelským. Kosmický segment Kosmický segment je tvořen soustavou družic, rozmístěných systematicky na oběžných drahách a vysílajících navigační signály.
`
35
Plná konstelace GPS sestává z 24 družic: 21 navigačních a tří aktivních záložních družic obíhajících Zemi každých přibližně 12 hodin. Oběžné dráhy mají stálou pozici vůči Zemi. Výška oběžné dráhy je zvolena tak, že družice opakují stejnou dráhu nad povrchem a stejnou vzájemnou pozici nad daným bodem každých přibližně 12 hodin. Konstelace je tvořena šesti oběžnými drahami se čtyřmi družicemi na každé z nich a sklon oběžné dráhy je okolo 55 stupňů vzhledem k polární rovině. Toto uspořádání poskytuje uživatelům signál ze čtyř až dvanácti družic na kterémkoliv místě na Zemi. Řídicí segment Řídicí segment je zodpovědný za řízení celého globálního polohového systému. Z uživatelského hlediska je jeho hlavním úkolem aktualizovat údaje obsažené v družicových navigačních zprávách. Tento segment je tvořen systémem čtyř pozemních monitorovacích stanic umístěných okolo celého světa. V USA, státě Colorado na letecké základně Falcon je umístěna Hlavní řídicí stanice. Kromě toho systém zahrnuje ještě tři stanice umožňující vysílat na družice údaje o jejich oběžných drahách a nastavení hodin. Každá družice může obdržet aktualizované údaje i několikrát denně. Monitorovací stanice měří signály vysílané družicemi a získané údaje přenášejí do Hlavní řídicí stanice. Zde jsou na základě přijatých výsledků měření vypočítány přesné údaje oběžných drah (tzv. efemeridy) a korekce hodin pro jednotlivé družice a přeneseny na vysílací stanice. Vysílací stanice pak minimálně jednou denně vysílají efemeridy a údaje o nastavení hodin na jednotlivé družice. Tyto družice pak vysílají prostřednictvím radiových signálů efemeridy svých oběžných drah a přesný čas do GPS přijímačů. Uživatelský segment Uživatelský segment se skládá z GPS přijímačů, uživatelů a vyhodnocovacích nástrojů a postupů. GPS přijímače provedou na základě přijatých signálů z družic předběžné výpočty polohy, rychlosti a času. Pro výpočet všech čtyř souřadnic (x, y, z a t) je zapotřebí přijímat signály alespoň ze čtyř družic. Tyto přijímače jsou používány pro navigaci, stanovování polohy, měřictví, stanovování přesného času ale i pro jiné účely : •
•
•
`
Navigace ve třírozměrném prostoru je základní úlohou GPS. Navigační přijímače jsou vyráběny pro letadla, lodě, pozemní vozidla, pro kosmická tělesa a také v ručním provedení. Přesné stanovování polohy je možné při použití referenčních přijímačů umístěných na místech o známé pozici, které pak umožňují získat korekce pro opravu výpočtů z mobilních stanic. Příkladem užití pak mohou být měřické práce, vytyčování geodetických sítí, měření související s tektonikou litosférických desek apod. Dalším možným použitím GPS je poskytování přesného časového signálu a případně i kmitočtového standardu. Speciální, k tomuto účelu vyvinuté GPS přijímače pak umožňují pro potřeby astronomických observatoří, telekomunikačních zařízení a laboratoří všeho druhu nastavit přesný čas a případně i přesnou frekvenci. GPS signály je možné použít i k výzkumným účelům, například pro studium parametrů atmosféry.
36
Souřadný systém Pokud chceme pomocí GPS stanovovat polohu, pak si musíme nejprve definovat souřadný systém, v kterém se budeme pohybovat a k němuž budou vztaženy veškeré výpočty. GPS pracuje s geocentrickým souřadným systémem spojeným se zemským tělesem (angl. Earth Centered, Earth Fixed XYZ - ECEF XYZ). GPS přijímač poskytuje běžně výsledky v geografických souřadnicích vztažených k Světovému geodetickému systému z roku 1984 - WGS - 84 (angl. World Geodetic System) a umí je v případě potřeby převést do některé běžné kartografické projekce.[54],[47]
2.3.4. Vkládání dat do GIS Druhá fáze vstupu dat se dá rozdělit na digitalizaci z analogových podkladů a na transformaci přebíraných digitálních dat. Digitalizace spočívá v převedení analogového podkladu do digitální počítačové podoby. Jak bylo uvedeno, rastrová data lze získávat z analogových podkladů automaticky pomocí skenování.
Skenování Provádí se pomocí řádkových snímačů, označovaných také jako CCD zařízení - Charge Couplet Devices. Jsou to zařízení citlivá na intenzitu světla snímanou ze scény. V nejjednodušším případě se rozlišuje světlo anebo tma (bílá, černá), ukládá se 0 nebo 1 jako atribut pro obrazový element (pixel). V procesu snímání jde o rozložení snímaného obrazu (libovolného podkladu - mapy, obrazu) na rastr obrazových elementů a snímání barvy nebo jasu těchto elementů. Skenery, vybavené řádkovými snímači jsou bud' mechanické nebo se čtecím paprskem. V mechanickém snímači se předloha posouvá oproti čidlu mechanicky. Čidlem je obvykle fotocitlivá dioda nebo fotonásobič s primárním analogovým výstupem. Mechanické snímače bývají rovinné nebo bubnové. V bubnovém snímači je předloha upevněna na povrchu válce, který se s ní otáčí. Zdroj světla a snímací čidlo se posouvají ve směru kolmém na směr otáčení snímačů. Rovinné skenery jsou pro vstup dat do GIS výhodnější, nedochází zde k tak velkým deformacím podkladů jako u skenerů bubnových. Skenery pracují s různou rozlišující schopností. Vhodnost pro práci s mapami bude ve vztahu ke kvalitě tisku mapy a k jejímu měřítku. Typicky se v této oblasti pracuje s rozlišovacími schopnostmi (300) - 600, 1000 až 2000 dpi. Při jiných druzích vstupních dat - např. malé formáty s vysokou kvalitou kresby nebo letecké fotografie, či diapozitivy pochopitelně požadavky na rozlišovací schopnost narůstají na 2, 3 i 5násobek. Obvykle se však nepoužívají pro tento účel velkoformátová zařízení vhodná pro práci s mapami. I u systémů pracujících s rastrovou reprezentací dat jsou podklady získané skenováním jen výjimečně vhodné přímo pro další použití. Na rastru, který vznikl skenováním je dále nutné již v prostředí GIS provést různé úpravy. Je to hlavně geometrická korekce a zavedení souřadnicového systému a změny, resp. úpravy nepřesně nebo nesprávně snímaných údajů.
`
37
Vektorizace Dnes se používají dvě metody vektorizace - starší metodou je získávání souřadnic jednotlivých bodů vektorů z podkladů umístěných v digitizéru, což je zařízení s přesným snímačem polohy kurzoru, který se obsluhuje s pomocí obsluhy na analogovém podkladu. Nejčastěji se používá elektromagnetický princip snímání polohy. Protože některé podklady jsou z materiálů, které stíní elektromagnetické pole, využívá se někdy snímačů na principu ultrazvuku. Poloha bodu a informace předávané obsluhou (identifikace bodu, druh) jsou předávány do GIS obvykle prostřednictvím specializovaného modulu SW pro GIS s možností automatického upřesňování a začišťování vkládaných dat. Stále více se rozšiřuje jiná metoda - skenování rastrových podkladů a následná vektorizace. Tato metoda má několik předností: • •
•
nevyžaduje drahá jednoúčelová pracoviště vybavená digitizéry, nepracuje s analogovými podklady, které se při digitalizaci často deformují a jinak znehodnocují, umožňuje využití moderních hodnot poloautomatické nebo automatické vektorizace .
Tyto metody umožňují výrazně zefektivnit ruční vektorizaci. Jedná se o velmi sofistikované SW, které využívají matematických metod fuzzy logiky a podle analyzovaných charakteristik útvarů v rastrovém podkladu dokáží v některých případech automaticky vést linie vektorů správným směrem podle podkladů, případně požádat obsluhu o rozhodnutí ve sporných případech. Samostatným problémem je další úprava digitálních dat, získaných předchozími kroky nebo převzatých z jiných digitálních databází. Ta zahrnuje převod dat do formátu používaného SW pro GIS a jejich transformaci do patřičného souřadného systému. Jak bylo uvedeno výše, souřadné systémy používané pro vedení dat GIS jsou obvykle totožné s používanými mapovými souřadnými systémy. U nás se z historických důvodů používá několik souřadných systémů. Oficiální souřadný systém pro státní mapová díla je S – JTSK (viz kapitola 4.1).
2.3.5. Datové modely pro prostorová data v GIS Datový model je způsob uspořádání dat v digitálních informačních systémech. Datové modely se postupně vyvíjely s rozvojem programových prostředků pro zabezpečení IS. U prostorových dat lze použít těchto modelů přímo nebo s některými úpravami. Správná volba datového modelu je velmi důležitá pro fungování IS. Proto je vhodné charakterizovat nejpoužívanější z nich :
`
•
hierarchický,
•
síťový,
•
relační,
•
objektový.
38
Hierarchický datový model Typy entit jsou v systému vedeny v hierarchickém pořadí ve vztahu otec - syn. Struktura je formována jako soustava spojení všech záznamů ve formě stromu. Vrcholem hierarchie je kořen. Takže hierarchický model zná jen asociace 1 : 1 a 1 : n mezi typy entit. Minoritní typ entity (syn) může patřit jen k jednomu typu majoritní entity (otec) (obr. 12). Spojení existují jen mezi nadřízenými a podřízenými, neexistují spojení na stejné úrovni, což je jednou z největších nevýhod této struktury. Pokud v hierarchickém databázovém modelu existuje asociace m:n, musíme ji reprezentovat jako m-násobek asociací 1 : n. Některé časti hierarchického modelu musí být tedy mapovány reduntantně (opakovaně). To znamená nevýhody při modifikacích dat nebo vzhledem k paměťovému prostoru. To jsou hlavní důvody, proč se dnes hierarchický model často nepoužívá. Hierarchické struktury se však vyznačují vysokou rychlostí prohledávání. Vhodné jsou pro oblasti aplikace, ve kterých existuje nějaká hierarchie údajů (řídící struktury, systematika druhů, katalogy atd.)
Síťový model (CODASTYL) Síťový model je odvozen z hierarchického, může však udržovat i typ asociace m:n. Je ho tedy možno chápat jako generalizaci hierarchického datového modelu. Struktura je méně redundantní než odpovídající hierarchická. Musí se však ukládat mnohem rozsáhlejší informace o propojeních mezi záznamy. To zvyšuje velikost a složitost datových souborů. Obhospodařování těchto přidaných údajů o propojeních je také relativně časově náročné.(obr. 13) Ve skutečnosti jde i v tomto případě o hierarchii. Avšak sítová struktura může reprezentovat komplexněji struktury z reálného světa. Opět se často nepoužívá. Na jedné straně je model pružnější, na druhé se stává komplikovaným a chaotickým. Hierarchická a síťová struktura se někdy označují jako navigační, protože propojení jsou konstruována pomocí vyhledávačů (pointer), které se používají i při navrhování aplikačních programů. Standard je definován v [11].
`
39
syn
prostorová data
Obr. 12
otec
datový model
relace
Schéma hierarchického datového modelu
bratři
prostorová data
Obr. 13
`
datový model
relace
Schéma síťového datového modelu
40
Relační model Je založen na matematickém přístupu - relaci. Pokud nahlížíme na množiny A,B,C až Z jako na hodnotové množiny individuálních atributů, zjistíme, že každý soubor (a, b,…, z) atributových hodnot popisuje jednu speciální entitu jako člena typu entity (charakterizované souborem atributů). Každá relace může být pro praktické potřeby názorně ilustrována jako řada: Entita/atribut → atribut A → atribut B → atribut C. Záhlaví (schéma) relace obsahuje název relace a názvy atributů v relaci. Je v čase neměnné na rozdíl od těla relace. Tělo relace obsahuje v čase proměnlivou množinu n-tic hodnot, jejichž pořadí je dáno záhlavím relace. Specifický sloupec tabulky reprezentuje specifický atribut s atributovými hodnotami pro všechny entity. Specifický řádek reprezentuje entitu s jejími hodnotami pro všechny atributy. Změna v čase spočívá v přidání nebo vypuštění řádku nebo ve změně některé hodnoty existujícího řádku. Stupeň relace je počet atributů relace. Všechny možné asociace (1 : 1, 1 : n, m : n) mezi typy entit jsou reprezentovány pomocí klíčů. Klíč je obecně unikátní atribut nebo kombinace atributů. Klíče mají v relačním datovém modelu dvě důležité úlohy. Operace, které lze provádět s relacemi, se dělí na dvě základní skupiny - relační algebru a relační kalkul. Do relační algebry patří sjednocení, průnik, množinový rozdíl, symetrický rozdíl a kartézský součin. K operacím relačního kalkulu patří projekce, selekce a spojení. U relační algebry se předpokládá, že relace jsou stejného stupně, t.j. že obsahují stejný počet sloupců, a že jejich atributy jsou definovány na stejných doménách. Sjednocení vytvoří novou tabulku, která obsahuje všechny řádky obou vstupních tabulek. Pokud mají tyto tabulky některé řádky shodné, ve výsledné tabulce se objeví jen jednou. Průnikem vytvoříme tabulku, která bude obsahovat jen totožné řádky z obou vstupních relací. Množinovým rozdílem lze vytvořit tabulku, ve které budou všechny řádky první vstupní tabulky, ale jen ty, které se nevyskytují ve druhé. Symetrickým rozdílem lze vytvořit tabulku, ve které budou všechny řádky obou tabulek kromě těch, které se vyskytují v obou. Kartézský součin vytvoří novou tabulku tak, že spojuje řádky z obou dvou tabulek systémem každý s každým. Počet sloupců výsledné tabulky se rovná součtu počtů sloupců vstupních tabulek. Počet řádků se rovná součinu počtů řádků obou vstupních tabulek. Projekcí vznikne nová tabulka tak, že se ze vstupní tabulky vyberou určené sloupce. Ve vzniklé tabulce se zruší všechny duplicitní řádky. Selekcí vznikne tabulka se stejným záhlavím jako vstupní, ale s menším počtem řádků. Řádky se vybírají podle některého atributu, jehož hodnoty se porovnávají s jiným řádkem nebo s konstantou. Spojení můžeme chápat jako vytvoření určité podmnožiny kartézského součinu vstupních tabulek. Oproti kartézskému součinu se spojení dvou tabulek provede jen tehdy, pokud je splněna definovaná podmínka pro spojení. Podmínka pro spojení je výraz, ve
`
41
kterém se porovnávají dva porovnatelné atributy z obou dvou vstupních tabulek. Porovnatelné jsou atributy definovány pro jednu doménu [12]. Relační model je v současnosti nejpropracovanější a také nejpoužívanější jak u databázových systémů, tak i při aplikaci v SW pro GIS. Relační datový model má mnoho výhod (zvláště jednoduchost, přesný matematický základ), ale pro modelování prostorových objektů má několik nevýhod: Vytváření složitých objektů kombinováním více jednoduchých základních objektů je relativně časově náročné, protože je nutno definovat a spojit několik tabulek. Specializované objekty nelze odvodit ze znaků generálních objektů. Musí se definovat zvlášť speciální relace. Primární klíče pro identifikaci entit (záznamů) DBMS neposkytuje automaticky. Musí se definovat explicitně a pečlivě, aby byly jasné - jednoznačné - unikátní.
Objektově orientovaný model Nedostatky relačního modelu jsou odstraněny v objektově orientovaných datových modelech. Princip je založen na zásadách odvozených na základě zkušeností s jinými typy logických datových modelů. Základní vlastnosti objektového modelu lze charakterizovat takto: 4. Každá entita je modelována jako objekt s vlastní identitou. Tato identita se poskytuje objektově orientovaným databázovým systémem OODBMS a je trvalá po celý život objektu (kromě agregování s jinými objekty do komplexního objektu). Objekt je tedy tvořen daty a zároveň metodami , jak s nimi nakládat. 5. Každý objekt je zapouzdřený - encapsulated, tedy chráněný oproti prostředí a má vlastní strukturu (atributy) a vlastní chování (metody). To umožňuje, že objekt je funkční - nemusíme se více zajímat o jeho interní procedury, ale jen o jeho chování vůči okolí. 6. Objekty komunikují mezi sebou pomocí zpráv. Pokud objekt dostane pochopitelnou zprávu, reaguje na ni plánovaným způsobem (např. vykonáním speciální metody jako je výpočet obvodu apod.). 7. Objekty se stejnými atributy a metodami jsou popsány jako třída objektů. Individuální objekt se nazývá při'kladem - instance této třídy. 8. Třída objektů může být rozdělena na subtřídy specializací (odvozené třídy). Subtřídy dědí atributy a metody nadtřídy - supertřídy. V současném období u nás vrcholí diskuse o potřebě využívání objektového přístupu ve strukturování informací obecně a při implementaci v GIS zvlášť [49], [55]. Z těchto diskusí vyplývá potřeba orientace vývoje směrem k objektovému strukturování a programování. Poslední vývoj a
`
42
rozšíření relačního modelu o možnosti strukturovat lokalizační údaje přináší novou kvalitu a další životaschopnost relačního modelu. Zvláště vzhledem k jeho dosavadnímu rozšíření není zatím vývoj ve směru OO systémů jednoznačný.
syn
prostorová data
Obr. 12
otec
datový model
relace
Schéma hierarchického datového modelu
bratři
prostorová data
Obr. 13
`
datový model
relace
Schéma síťového datového modelu
43
2.4. Analýza prostorových dat Sběr a uložení dat v GIS je jen jeho „základnou“. Hlavní funkcí této IT je však schopnost automatizovaně analyzovat nebo podpořit tvořivou analýzu dat. Informační systémy jsou schopny analytických funkcí díky sadám matematických nástrojů pro jejich podporu. U neprostorových IS, které zpracovávaly zejména α-numerické znaky (texty, čísla), se jednalo hlavně o uspořádání, výběr a matematické výpočty. Jedná se vlastně o zpracovávání dat v jednom nebo dvou rozměrech (skalární veličiny + čas). U prostorových IS se možnosti analýzy podstatně rozšiřují. Přibývá další rozměr (2D systémy) nebo 3. rozměr (3D systémy). Praktické uplatnění mají dnes zejména 2D analýzy. Ve vývoji a v počátcích praktické realizace jsou systémy s možností 3D analýz (viz praktická část práce). Většina dnes používaných SW balíků pro GIS obsahuje tedy nástroje pro 1D, 2D analýzu, 2D+ analýzu a 2D++ analýzu. •
•
•
•
•
1D analýza. Tento pojem je možno použít pro operace s daty, které nevyužívají jejich prostorové vyjádření, ale analyzují je na základě atributů. Jedná se o ekvivalentní metody jako u ostatních - neprostorových informačních systémů. 2D analýza.Týká se všech analytických operací s 2D prostorovými daty (nejčastěji používaný typ prostorových dat v GIS). 2D+ analýza. Při ní se využívá 2D prostorových dat s číselným atributem vyjadřujícím 3. rozměr. Jedná se tedy o kombinaci 1D analýzy a 2D analýzy. Většinou se využívá při modelování terénu nebo zpracování dat z dálkového průzkumu Země. 2D++ analýza. Zahrnuje kromě výše uvedených ještě faktor času. Využívá se při ní zejména pokročilých programových metod pro sledování „verzí“ (časové řady) prostorových dat neredundantními metodami. 3D analýza. Je dnes obvykle využívána jen ve specializovaných prostředcích pro 3D modelování prostředí. Jedná se o sadu analytických nástrojů využívajících všechny výše uvedené možnosti pro reálný třírozměrný prostor (případně včetně času – 3D+ analýzy). Plně 3D+ systémy budoucnosti budou vlastně reálnými modely skutečného světa.
Výše uvedené členění vychází z logického vývoje technologie GIS a je autorovým příspěvkem. V literatuře se nejčastěji uvádí následující dělení analytických metod pro prostorová data:
`
•
výběr z dat, (výběr z atributů, geometrický výběr, topologický výběr),
•
geometrické operace s daty (zónování, překryvné operace),
•
síťové analýzy,
•
operace s rastry,
•
digitální elevační modely,
•
matematické modelování prostorových jevů.
44
2.4.1. Analýza výběrem Jedná se o nejčastěji používaný druh analýzy. Data se vybírají na základě jejich atributů vlastností. Tuto možnost analýzy mají i ty nejjednodušší SW prostředky pro prohlížení dat z GIS. Při výběru je možné konstruovat složité podmínky využívající logických operátorů. V kombinaci s analýzou výběrem se mohou použít další matematické operace s vybranými daty (statistické, trigonometrické a další funkce). Druhy dotazů a jejich formulace závisí na použitém datovém modelu atributové databáze a na možnostech SW, který tuto databázi obhospodařuje. Databáze atributů v rozsáhlých GIS jsou obvykle vedeny s využitím externích databázových softwarových balíků. Typy dotazů, které umožňuje hierarchický a síťový databázový model, se definují, když konstruujeme, navrhujeme strukturu databáze. Zapsaná propojení v datových záznamech se používají k procházení - orientaci v databázi. Výsledkem je, že pokud chceme hledat v databázi, musí uživatel znát hierarchii, ve které jsou údaje uloženy. Vyhledávací jazyky, které vyžadují, aby uživatel znal hierarchii, jsou označovány jako procedurální dotazovací jazyky. Relační model neomezuje rozsah dotazů a uživatel nemusí znát strukturu báze údajů, aby vytvořil - zkonstruoval dotaz. Dotazovací jazyk tak není závislý na struktuře údajů. Takové jazyky se označují jako neprocedurální jazyky. Dotazovací jazyk SQL - zkratka ze Standard Query Language (standardní dotazovací jazyk) je široce využívaný příklad neprocedurálního jazyka. Prakticky všechny relační databázové systémy mají SQL implementovaný, většinou podle normy z roku 1986. Nový standard tohoto jazyka, nazvaný SQL2 byl zaveden v roce 1992..
2.4.2. Geometrický výběr, měření Zde je využíváno prostorových vztahů mezi dotazem a datovou sadou. Dotaz do prostorové databáze je tedy formulován geometricky - může to být bod, úsečka, linie, pravoúhlý čtyřúhelník, obecný polygon nebo celá další sada vektorových prostorových dat. Vybraná data tedy musí vyhovovat geometrické podmínce, např.: •
Výběrový bod leží uvnitř nebo v dostatečné blízkosti vybíraného objektu.
•
Výběrový polygon zasahuje do vybíraného prvku.
•
Výběrový polygon zcela pokrývá do vybíraný prvek.
•
Výběrová linie protíná vybírané linie,
•
apod.
Vzhledem k tomu, že prostorová data jsou vedena v číselné podobě v matematicky vyjádřitelné struktuře, lze toho využít pro operace, které by byly v případě analogových dat velmi obtížné, např. různé planimetrické operace u polygonů, měření délek geometrických prvků, vzdáleností apod.
`
45
2.4.3. Topologické vztahy, topologický výběr Výše uvedené analytické operace využívají matematického vyjádření polohy objektů – popis jejich geometrie. Stejně důležité pro popis prostorových objektů je topologie. Slovo topologie je řeckého původu a znamená „studium formy“ v kontrastu s geometrií, jejímž základem je měření. Jako vědecká disciplína je to odvětví geometrie zaměřené na tu část geometrických vlastností, které zůstávají neměnné při topologických transformacích. V topologii tedy nezáleží na geometrických vlastnostech, které závisí na vzdálenosti, křivosti a podobně. Z hlediska topologie lze např. v rovině považovat čtverec a kruh za rovnocenné, ale úsečku a kružnici nikoliv. Podle metod, kterými topologie studuje topologické útvary, rozlišuje se topologie algebraická (též kombinatorická) a topologie množinová. Při užším chápání je topologie část popisu objektu či fenoménu týkající se jeho vztahů s jinými objekty. Topologické vztahy je přitom možné definovat jen pro dva nebo více objektů navzájem. Témata polohy (v prostoru) a vlastností (objektů, resp. poloh) reprezentují dva protiklady prostorových procesů. [60], [9] V GIS se používá tzv. topologická struktura vektorových dat, která je důležitá pro topologické výběrové analýzy. Topologická struktura je obvykle vytvořena vzájemnými informačními vazbami mezi vektorovými daty různého typu (body, linie, polygony). Pak je možné provádět analýzy konektivity (prvky spolu sousedí, jsou součástí) nebo uspořádané konektivity (prvky jsou ve směru, vlevo, vpravo) a další analýzy.
2.4.4. Síťové analýzy Síťové analýzy jsou dalším silným nástrojem pro analyzování prostorových dat, který je obvykle integrován do SW pro GIS. Využívá se zde relativně nového odvětví matematiky – teorie grafů. Jako základ se používá vektorová datová struktura z liniových prvků. Podmínkou pro síťové analýzy je uzavřená topologická struktura sítě z těchto prvků. To znamená, že linie tvořící síť musí být spojeny bodovými prvky – uzly. Pro složitější analýzy je nutno, aby prvkům (liniím, uzlům) byly přiřazeny další informace – atributy: •
linie – směrové závislá impedance
•
uzel – směrová průchodnost uzlem
Další informace jsou nepovinné, doplňující. Mohou však být doplněny a využity pro složitější formy síťové analýzy. Síťové analýzy mohou být použity k modelování např. proudění vody ve vodních tocích a potrubí, toku elektrického proudu v rozvodových vedeních, plynu v potrubích, pohybu vozidel na silnicích, lidí po dopravních trasách, vlaků po železničních tratích apod. Síťové analýzy modelují vzájemné vazby pro tyto komponenty:
`
•
zdroje (materiálů, které se mají v síti přesunovat)
•
cíle (kam se tyto materiály přesunují)
•
soustava podmínek, definujících propojení sítě mezi uzly.
46
V síti je pak možno řešit standardní úlohy: Hledání nejkratší nebo oceněné trasy. Nejznámějším algoritmem pro hledání nejkratší trasy přesunu v síti je tzv. Dijkstrův algoritmus [8]. Modifikací tohoto typu analýzy je hledání tzv. optimální okružní trasy. Někdy se tento problém označuje i jako problém obchodního cestujícího. Hypoteticky musí obchodní cestující v co nejefektivnějším pořadí navštívit všechny určené lokality v dané oblasti právě jednou a vrátit se zpět do východiskové lokality. Této metody lze použít např. pro optimalizaci svozu nebo rozvozu materiálů, pro optimalizaci hromadné dopravy apod. Alokace zdrojů. Alokace zdrojů je další možnost aplikace analýzy sítí. Vyžaduje definování center v síti, které mají kapacity pro získávání lidí či věcí. Např. školy s určitou kapacitou dětí, zdravotnická střediska a nemocnice, obchodní a nákupní centra atd. Alokační algoritmus používá tyto centra jako cíle a modeluje, jak lidé nebo věci procházejí přes sít, aby se k nim dostali. Výsledkem je mapa, která znázorňuje plochy obsloužené každým zařízením - školou, zdravotním či obchodním střediskem. Algoritmus spojuje uzly v síti s nejbližším centrem, přičemž zohledňuje atributy propojení, výskyt bariér atd. Známé jsou aplikace pro alokaci nových škol, nemocnic, požárních stanic nebo modelování důsledků uzavření takových zařízení. Určitou variantou tohoto přístupu je definování izochron. Jsou to čáry spojující body se stejným časem (k dosažení od daného východiskového uzlu sítě). V takových aplikacích se jedná o nalezení zón cestovních časů pro dopravu lidí nebo věcí od daného obslužného centra. Algoritmus vytvoří soubor izochron pro dané centrum, založených na čase potřebném na cestování - postup přes propojení sítě. Stejně jako v předcházejících případech je možné brát do úvahy různé atributy propojení rychlostní omezení, kapacity, kvalitu atd., abychom získali realistické výsledky. Vede to k identifikaci bodů na propojeních sítě, které reprezentují vzdálenosti překonané v daném čase. Potom je možné použít interpolační techniku k vygenerování zón z těchto bodových údajů, které reprezentují území, jež mohou být dosažena v určitém čase. [19]
`
47
2.4.5. Zónování a prostorové překryvné operace Zónování vytváří ze zdrojových dat nová prostorová data na základě matematické aplikace geometrických vztahů. Výsledky zónování pro různé typy prostorových entit jsou zřejmé z obr. 16. Překryvné operace jsou operace booleovské algebry mezi prostorovými daty, jako: •
sjednocení,
•
průnik,
•
rozdíl,
•
jejich kombinace.
Při těchto typech analýz je důležité využívání topologické struktury vektorových dat a přenos a tvorba nových atributů prostorových prvků zdrojových dat do výsledku. Příklady těchto operací jsou uvedeny na obr. 17..Překryvné operace jsou nejpoužívanější analytické metody ve vektorových datech. Používají se při vkládání a úpravě dat i při tvorbě rozhodovacích aplikací.
2.4.6. Operace s rastry Další skupinou nástrojů, které GIS typicky poskytují, jsou nástroje umožňující matematicky kombinovat datové vrstvy. Tyto operace však lze provádět jen na rastrové nebo buňkové reprezentaci prostorových dat. Pro tyto operace se v GIS používá výraz mapová algebra (angl. map algebra). Je to nástroj, který dovoluje zpracovávat rastrové reprezentace reality s použitím jazyka mapové algebry. Základy jazyka položila Dana Tomlin. Jazyk mapové algebry je jazyk pro manipulaci s daty, speciálně navržený pro rastrové reprezentace. Jde o počítačový jazyk vyšší úrovně pro popis analýz prostorového modelování s použitím rastrových reprezentací (map). Systémy jako GRID (ARC/INFO) nebo Grid Analyst (MGE Integraph) využívají tento jazyk velmi efektivně. Je přitom možné vykonat úlohy, které se jiným způsobem nedají vyřešit. Při zpracování dat se využívají zvláště operátory a funkce jazyka. Operátory vykonávají matematický výpočet uvnitř nebo mezi rastrovými reprezentacemi, konstantami a jejich kombinacemi. Pro systém GRID (ARC/INFO) jsou uváděny následující typy operátorů:
`
•
aritmetické ( +, -, *, /),
•
booleovské (pravda, nepravda),
•
relační (>, < , =),
•
bitových přesunů - bitwise (binární posun doleva, doprava),
•
kombinatorické,
•
logické,
•
akumulativní,
•
přiřazovací.
48
`
49
Funkce mapové algebry se dělí na : •
•
•
•
Lokální - vykonávají se v individuální hodnotě, uložené v dané buňce. Vypočítává se nová hodnota z hodnoty existující v jedné nebo více informačních vrstvách. Fokální - vykonávají se v definovaném okolí každé buňky vypočítáním nové hodnoty z existujících hodnot v definovaném okolí. Zonální - vykonávají se na specifické oblasti informační vrstvy. Nové hodnoty se vypočítávají z hodnot analyzované vrstvy, které patří do zóny definované v jiné informační vrstvě. Globální - týkající se všech buněk informační vrstvy. Jedná se např. o analýzy frikčních povrchů popsané dále.
Jazyk mapové algebry dále využívá objekty, činnosti a kvalifikátory činnosti. V počítačovém jazyku mají podobnou funkci jako podstatná jména, slovesa a příslovce ve skutečném jazyku. Jazyk má svoji syntaxi, která se podle konkrétního SW systému odlišuje. Na jedné vrstvě se vykonávají nejčastěji různé skalární lokální operace (přičítání, odečítání konstanty, násobení, dělení konstantou apod.). Podobně může jít o složitější matematické transformace hodnot buněk (umocňování, logaritmy, goniometrické funkce apod.). Taktéž je možné na jedné vrstvě vykonat fokální operace např. různé typy digitálního filtrování, odvození sklonu a jiných parametrů v rastrových modelech terénu, řešení viditelnosti, analýzy povodí, lokální proudění, statistické modely šíření znečištění apod. Z operací se dvěma vrstvami je nejvýznamnější možnost vykonávat lokální matematické operace s vrstvami - sčítání, odčítání, násobení, dělení, umocňování atd., které se vykonávají na celém obrazu s odpovídajícími si (prostorově identickými) buňkami. Operace s rastry přinášejí řadu možností využití existující matematických modelů prostorových jevů a jsou často využívány výrobci SW pro GIS k jejich implementaci.[18]
2.4.7. Digitální elevační modely Využívají kombinace 2D dat s atributem 3. rozměru (z). Digitální elevační modely se v GIS využívají nejčastěji pro analýzu zemského povrchu - terénu. Proto jsou často označovány jako digitální modely terénu (DMT, DTM). DMT však jsou podmnožinou obecných DEM, které mají mnohem širší využití pro analýzu jakýchkoli obecných trojrozměrných ploch. Z principu této 2D+ analytické metody vyplývá hlavní omezení - není možno přímo modelovat obecné 3D plochy (jeden 2D bod může mít jen 1 z souřadnici). DEM je možné realizovat 2 způsoby : Čistě geometrické modelování. Spojitost plochy ve 2D rovině je zajištěna rozdělením oblasti na rastr - matici buněk se stejnou hodnotou (výškou). V originále se takto uspořádaná data pro DEM nazývají Lattice, v češtině bude vhodné použít výraz prostorový rastr (obr. 18).
`
50
Obr. 18
DMT reprezentovaný Lattice
Obr. 19
DMT reprezentovaný TIN
`
51
Lattice má některé výhody - rychlý přístup k výšce jakéhokoli bodu, jednoduchý formát dat - snadný přenos mezi systémy (viz. Hlavní nevýhodou je velký objem dat pro vyjádření DEM ve stejné přesnosti jako v druhém případě. Druhou možností je vyjádření plochy vektorovými daty - geometricky-topologickou strukturou. Plocha je nahrazena spojitě rozloženými geometrickými útvary - nejčastěji nepravidelnými trojúhelníky. Vrcholům trojúhelníků jsou přiřazeny výšky. Trigonometrickými funkcemi je pak možno vyjádřit polohu jakéhokoli bodu této struktury. Nutné jsou topologické vazby v datech mezi trojúhelníky (plocha - polygon), jejich stranami a vrcholy. Takto uspořádaná datová struktura se nazývá v originále Triangular Irregular Network se zkratkou TIN. V češtině se obvykle používá anglická zkratka. Jelikož se jedná o vektorovou strukturu, plynou z toho některé její výhody v porovnání s gridem - malý objem dat, vyšší rychlost analýz nad TIN. Nevýhodou je zejména neexistence standardu pro přenos hotové struktury (je to dáno jedinečným řešením topologických vztahů u jednotlivých výrobců SW pro GIS). Data pro tvorbu TIN se proto přenášejí mezi systémy, nejčastěji jako bodové prvky - vrcholy trojúhelníků.[38], [41]
2.4.8. Matematické modely prostorových jevů Nejvyšším a nejsložitějším stupněm analýzy prostorových dat v GIS jsou prostorové matematické modely. V praxi při ochraně životního prostředí se setkáváme s mnoha prostorovými jevy, které je možno matematicky vyjádřit, případně s využitím tohoto vyjádření předvídat, modelovat. V technické praxi – při ochraně ŽP před vlivy průmyslu, se jedná zejména o předvídání a popis šíření znečištění v jednotlivých složkách prostředí. Voda •
•
Matematické modely šíření ZL v podzemních vodách. Jedná se obvykle o Gaussiánské statistické modely disperze, doplněné o některé dynamické parametry a možnost zahrnutí okrajových podmínek horninového prostředí (fyzikální i chemické vlivy). Matematické modely šíření ZL v povrchových vodách – u vodní plochy se jedná o podobné modely jako u podzemních vod (statistické disperzní modely), u vodních toku jsou to většinou dynamické modely proudění.
Půdy •
•
`
Modely eroze , založené na využití kombinace překryvných analytických funkcí prostorových dat (vektorových polygonů nebo rastrových gridů) a analytických funkcí digitálního modelování terénu . Sestavují a hledají se kombinace faktorů jako je půdní typ, geologie, svahovitost , zvodnění ,srážky, vegetace apod. Tím je možno předvídat erozní působení vody a větrů v jednotlivých lokalitách. Modely depozice TZL jsou založeny na modifikacích statistických modelů rozptylu ZL v ovzduší, o kterých je pojednáno v praktické části práce.
52
Krajina •
•
Delší dobu se využívají modely poklesů vlivem dobývaní nerostů v hlubinných dolech . Dnes se začíná pro toto modelování a jeho zpřesňování využívat GIS v kombinaci s měřickými a fotogrammetrickými metodami jejich verifikace. Speciálními modely jsou dynamické modely chování ekosystému. Ve světě však nejsou dosud prakticky rozšířeny, zejména pro náročnost matematického aparátu a vysoké nároky na výkon výpočetních systémů.
Hluk •
•
Běžně jsou využívány statistické modely hlukové zátěže. Dosud není obvyklé propojení s GIS. Zatím se v GIS pro OŽP využívají pouze výsledky modelování. Vzhledem k nepříliš náročnému matematickému vyjádření statistických modelů je jen otázkou času jejich integrace do SW pro GIS. Ve vývoji jsou dynamické modely šíření hluku v proudícím ovzduší .
Ovzduší •
Vzhledem k obtížnému monitorování imisí v ovzduší a vzhledem k požadavkům legislativy na posuzování vlivů technologií na ŽP je dnes modelování šíření ZL v ovzduší široce využíváno. Touto problematikou se zabývá praktická část této práce.
Jak bylo uvedeno výše, všechna data o prostředí jsou prostorová. Uvedené modely jsou tedy téměř vždy prostorové modely, tj. modely jevů, které jsou závislé na prostorových souřadnicích. Pokud jsou modelovány jevy časově proměnné, hovoří se o dynamických modelech. Modely, používané v praxi jsou zatím obvykle náročné specializované SW balíky bez možné vazby na GIS. Je to dáno tím, že byly vyvíjeny jako jedny z vůbec prvních aplikací pro číslicové počítače. Jejich historie a vývoj tedy začala dávno před prvními GIS. Modelování procesů je však velmi perspektivní v integraci do GIS. GIS, jeho databáze nejenže reprezentuje prostředí, ale sama je prostředím, ve kterém je možné měřit, analyzovat, manipulovat s údaji a uvést je do činnosti v prostorových a časových procesech. Ve vědě se tradičně komplexnost působení příčin eliminuje, abychom proces dokázali pochopit izolovaně na základě působení každého jednotlivého vlivu. Je to osvědčená a často jediná cesta, jak pochopit složité jevy. Jsou však i opačné přístupy, a modelování s využitím GIS k nim patří, které umožňují spojovat poznatky o dílčích vlivech a procesech k prověření, jak se zkoumaný systém chová ve své komplexnosti. Samozřejmě je to vždy na určité úrovni poznání a zjednodušení. Přes evidentní atraktivnost, je modelování procesů zatím novou a poměrně málo rozvinutou aktivitou. Důvodů je více. Musíme např. znát samotné procesy a dokázat je popsat. Procesy mají algoritmický charakter a vyžadují obvykle vytvoření vlastních uživatelských modulů v SW pro GIS. Počet potenciálních uživatelů těchto modulů je limitovaný, takže výrobci SW nejsou k jejich tvorbě dostatečně motivovaní. Používání modelů vyžaduje specializaci a erudovanost uživatelů. Dalším limitem je potřeba jednoduchosti a jednoduché využitelnosti datové struktury. Přistupuje také výpočetní náročnost - nároky na současné zpracovávání velkého kvanta
`
53
údajů . V uvedeném pojetí se jedná vlastně o analýzy v reálném čase, kdy výsledky reálných procesů postupně vstupují do analytických výpočtů jako proměnné v režimu on-line. [20] Závěrem této kapitoly lze shrnout, že hlavní část využití GIS pro OŽP spočívá v automatizované nebo automatické analýze prostorových dat. To je směr , kterým se informační technologie ubírají od automatizace sběru , ukládání a udržování prostorových dat k sofistikovaným analýzám . Vrcholem budou systémy , které využijí integrace GIS a různých matematických modelů – expertní systémy.
`
54
