Úvod do předmětu 1GIS2
Vyučující: Ing. Jitka Elznicová, Ph.D. e-mail: Ing. Jan Pacina, Ph.D.
[email protected] [email protected]
Pro přednášku byly použity texty a obrázky z internetové učebnice: Jedlička K.: Úvod do geografických informačních systémů (GIS)
gis.fzp.ujep.cz • přednášky a cvičení z předmětu 1GIS2, příp. 1GIS1 • praktické informace • odkazy na zdroje jméno: gis2.usti heslo: vyuka
Definice: Geografického Informačního Systému Pro GIS neexistuje jednotná definice, proto si jich uvedeme několik: Definice (výkladový slovník ministerstva hospodářství): Organizovaná kolekce počítačového technického vybavení, programového vybavení, geografických dat a personálu určená k účinnému sběru, pamatování, údržbě, manipulaci, analýze a zobrazování všech forem geograficky vztažené informace. -> 3 komponenty (technologie, databáze a infrastruktura). Definice (ESRI): GIS je organizovaný soubor počítačového hardware, software a geografických údajů (naplněné báze dat) navržený pro efektivní získávání, ukládání, upravování, obhospodařování, analyzování a zobrazování všech forem geografických informací.
Závěr vycházející z definic: GIS netvoří pouze software, ale i ostatní komponenty jako data, hardware, personál a způsob použití.
Geo
pracuje s údaji a informacemi vztahujícími se k Zemi, pro které je dána jejich lokalizace v prostoru, případně v čase
grafický
Informační Systém
využívá prostředků grafické prezentace dat, výsledků a analýz a grafické komunikace s uživatelem
provádí sběr, ukládání, analýzu a syntézu dat s cílem získat nové informace, potřebné pro rozhodování, řízení, plánováním či modelování
integrace technických a programových prostředků, dat, pracovních postupů, personálu, uživatelů apod. do jednoho funkčního celku
Uvedli jsme si několik definic, ale GIS můžeme popsat i výčtem základních otázek, které je možné řešit s pomocí GIS. GIS nám umožní hledat odpovědi na následující otázky:
• Co se nachází na ...? • Kde se nachází ...? • Jaký je počet ...? • Co se změnilo od ...? • Co je příčinou ...? • Co když ...?
Pro konkrétní představu zde uvádíme příklady: • Co za geografické objekty se nachází na místě, na které ukazujeme? • Kde se v České republice nachází město Plzeň? • Jaký je počet měst v ČR, kterými protéká více jak jedna řeka? • Jak se měnila říční síť na Plzeňsku v průběhu času? • Co je příčinou kůrovcové kalamity na Šumavě? • Co se stane, když postavíme most přes řeku a přijde velká voda?
Lze se ale zeptat i obráceně, co GIS není? Není to počítačový systém na vytváření map, ačkoli mapy vytvářet může. GIS je hlavně analytický nástroj, který umožňuje pracovat s prostorovými vztahy mezi jednotlivými objekty. Není to CAD (ačkoli původní myšlenka z CAD vzešla). CAD (Comuter Aided Drawing/Design) je většinou používán pro vytváření nových objektů, které ještě neexistují, kdežto GIS slouží k analýze a modelování již existujícího světa, včetně historie.
Vztah GIS a ostatních oborů lidské činnosti GIS jakožto výkonný nástroj mnoha geověd zasahuje i do mnoha jiných vědních oborů. Jelikož je GIS řešení, které je založeno na počítačové bázi, zasahuje i do oblasti informačních technologií.
Do jakých oborů GIS zasahuje
Příklady využití GIS • mapové služby - např: http://mapy.atlas.cz, http://map.env.cz/website/mzp/ • obchod - analýzy nalezení nejvhodnější lokality pro nový obchod, restauraci (na základě demografických dat jako je počet obyvatel, jejich věk, příjem, vzdělání ...); síťové analýzy rozvozu zboží , • ochrana proti pohromám - aktuální situace při pohromě, modely povodní, směrování záchranných prostředků - v ČR např. Ostrava - Integrovaný záchranný systém (http://www.ctvmo.cz/), • distribuční společnosti - nejenom databáze kabelů, plynovodů, ale i analýzy sítí, směrování v sítích, • životní prostředí - studium chování ekosystémů, modely znečišťování ovzduší a jeho vlivu na životní prostředí, • státní správa, městské úřady - opět nejenom evidenční charakter, ale i např. dopravní analýzy (hustota dopravy, volba vhodného koridodu pro budování komunikací, …), volby, sčítání lidu, informační systémy, … . Jako příklad využití GIS ve státní správě mohou sloužit webové stránky Plzeňského magistrátu: http://info.plzen-city.cz/gis/, • v neposlední řadě i školy - pro výuku geověd ;-)
Strukturální komponenty GIS Hardware - počítače, počítačové sítě, vstupní a výstupní zařízení (geodetické přístroje, GPS - pozemní i kosmický segment, družice dálkového průzkumu Země, digitizéry, plottery, scannery, …). Software - vlastní SW pro práci s geografickými daty (geodaty) je často postaven modulárně. Základem systému je jádro, které obsahuje standardní funkce pro práci s geodaty, a programové nadstavby (moduly) pro specializované práce (zpracovávání fotogrammetrických snímků a obrazových záznamů dálkového průzkumu Země, síťové, prostorové a statistické analýzy, 3D zobrazování, tvorba kartografických výstupů, …). Data - nejdůležitější část GIS (až 90% finančních nákladů na provoz GIS tvoří prostředky na získávání a obnovu dat). Lidé používající daný GIS - programátoři, specialisté GIS (analytici), koncoví uživatelé, ale i správci sítí, manažeři, ... . Metody využití daného GIS, jeho zapojení do stávajícího IS podniku (z hlediska praxe velmi komplikovaná a náročná část). http://www.innovativegis.com
Funkční komponenty GIS Také toto dělení vychází z definic GIS a pomocí něj popisujeme jednotlivé činnosti, které se v rámci GIS, nebo chcete-li konkrétně "GIS projektu", provádějí.
1. Vstup dat. 2. Zpracování a uchování dat. 3. Vykonávání analýz a syntéz z využitím prostorových vztahů - jádro GIS, tedy to co nejvíce odlišuje GIS a jiné IS. 4. Prezentace výsledků (výstupy grafické - mapy, negrafické - zprávy, souhrnné tabulky, statistická vyhodnocení, …). 5. Interakce s uživatelem (desktop GIS, Web GIS).
Podle způsobu využívání GIS se liší i koncepční přístupy k němu
Kartografická koncepce - klade důraz na tvorbu map, ať už v analogové, či digitální podobě. Klasickým příkladem tohoto přístupu je např. ZABAGED (Základní báze geografických dat), jejímž prvotním úkolem je tvorba Základní mapy ČR a teprve následně slouží k dalším (např. analytickým) úlohám. Pro tento způsob se používají hlavně CAM (Computer Aided Mapping) a CAC (Computer Aided Cartography) systémy. Databázová (evidenční) koncepce - klade důraz na zpracování a uchování dat. Systémy, které se specializují na toto využití GIS se označují např. jako LIS (Land Information System), MIS (Munincipal Information System), AM/FM (Automated Mapping/Facilities Management). Analytická koncepce - klade důraz na analytické prostředky, je využíván hlavně hydrology, meteorology, biology, geomorfology, geology,... . V rámci našeho kurzu se zaměříme hlavně na tento způsob využívání GIS.
Modelování geografických objektů V geoinformatice se nezaobíráme reálnými objekty, ale z důvodu zjednodušené reprezentace – modelem reality. Modelování - abstrahování týkající se všech součástí geografické informace - geometrické, topologické, tématické i dynamické.
Proces modelování datové modelování – je proces abstrakce, při kterém jsou podstatné elementy reálného světa zdůrazněny a nepodstatné eliminovány (s ohledem na cíl, který má toto modelování splnit) – úmyslně – zobrazují se jen ty elementy, které jsou předmětem zkoumání, ostatní se potlačují – neúmyslně – v dané fázi poznání jsou nedostupné či nepoznatelné
Principem modelování je snaha o poznání vlastností studované části reality.
GIS jako obraz reálného světa
Reálný svět je pozorován pozorovatelem. Ten vytváří na základě svých vjemů vnitřní (mentální model) tohoto světa. Mentální model je velmi blízký reálnému světu, ale vždy je tu jisté zjednodušení. Pro poskytnutí tohoto modelu dalším uživatelům je nutné ho převést do podoby mapy (dříve papírové, nyní digitální). Pro převedení papírové mapy do GISu je potřeba ji vektorizovat (digitalizovat). Jednotlivé geoprvky jsou nahrazeny základními geometrickými prvky a ty jsou dále tříděny podle tématu do jednotlivých vrstev.
Výsledný obraz reálného světa v GISu u vektorových je: – složen z bodů, linií a polygonů – roztříděných do jednotlivých vrstev – dvourozměrný – statický – zjednodušený (chybí mnoho informací) – obsahuje mnoho chyb a nepřesností vzniklých z převodem reality do podoby GIS.
Základní pojmy Data - údaje získané měřením, pozorováním nebo jen pouhým zaznamenáním z reálné skutečnosti • analogová data – mapa • alfanumerická data - tabulka • číselná data - číselná matice • digitální data - počítačový soubor Informace - význam přisuzovaný datům a vztahům mezi nimi Prostorová data - polohově lokalizovaná data – většinou grafická Atributová data - popisují kvalitativní a kvantitativní charakteristiky prostorových dat – negrafická data Metadata - data, popisující obsah, reprezentaci, rozsah, prostorový referenční systém, kvalitativní aspekty využití digitálních dat
Základní pojmy
Entita (objekt, o kterém je v databázi uložena informace (osoba, zvíře, věc, jev reálného světa), musí být rozlišitelná od ostatních entit a existovat nezávisle na nich) Typ entity (množina objektů stejného typu charakterizovaná názvem typu a popsaná pomocí jejich vlastností (atributů) Atribut • charakteristika, vlastnost entity, údaj o objektu atribut přiřadí každé entitě • hodnotu z určité neprázdné množiny hodnot • domény atributu (obor hodnot atributu) • je zadán identifikátorem (svým názvem) datovým typem Geoprvek = prostorový objekt modelový obraz objektu reálného světa, který je dále nedělitelný a který je lokalizován
Přednosti digitálních dat Obecně Společný základní formát „nul a jedniček“ Snadno se kopírují Rychlý přenos Malá náročnost na skladovací prostor Odolnost fyzickému zastarávání
V GIS prostředí Přesné a rychlé měření Překrývání vrstev Změna měřítka Přiblížení a výřez Doplňování údajů
Data v digitální formě se snadněji zobrazují, přetvářejí a analyzují.
Aspekty prostorových dat • Prostorový aspekt projevuje se se změnou vlastností jevu z místa na místo • Topologický aspekt popisuje vzájemné prostorové vztahy mezi prvky • Atributový (tematický) aspekt charakterizuje změnu jevu v jeho vlastnostech (od jedné vrstvy k jiné) • Časový aspekt odráží změnu jevu v čase (od jednoho záznamu ke druhému) Všechny měřitelné nebo popsatelné vlastnosti reálných entit spadají do jednoho z aspektů: prostoru, tématu nebo času. Popisujeme-li reálný jev, považujeme jeden aspekt za “pevný”, jeden aspekt za “kontrolovaný” a třetí za “sledovaný” (sčítání lidu v roce 1991 po kat. územích)
Prostorový aspekt Určení polohy entity v prostoru
Přímé
použitím referenčních systémů
k zemskému tělesu
k rovině, na níž je zemský povrch zobrazen
Nepřímé pomocí tzv. geokódů (systémy založeny na skokové změně polohy)
bodové pravidelné (čtvercová síť vrtů) nepravidelné (adresy ÚIR) liniové pravidelné nepravidelné (traťové úseky) plošné pravidelné (sítě zoologického mapování) nepravidelné (parcely)
Prostorový aspekt Geografická poloha Poloha v prostoru je definující charakteristikou pro všechny geoobjekty. Jednoznačné definování geometrie a topologie objektů je možné s použitím souřadnicového systémů.
Souřadnicové systémy používané v ČR WGS
jednotky: stupně (zeměp. šířka a zeměp.výška)
S-JTSK
jednotky: metry
S-42
jednotky: metry
Topologický aspekt Prostorové vztahy
důležitá charakteristika geografických údajů člověk tyto vztahy intuitivně chápe, pro počítačové zpracování v GIS nutné přesně definování
1.
vlastnosti objektů, které vyžadují měření s použitím souřadnic týkají se geometrie (poloha těžiště plochy, vzdálenost bodů) vlastnosti založené na negeometrické informaci o objektech (spojení mezi lokalitami, sousednost ploch) - topologické vlastnosti
2.
Topologický aspekt Topologie: vzájemné prostorové vztahy mezi jednotlivými entitami (konektivita, přilehlost ,obsažnost, orientace) konektivita (spojitost) - s čím je spojeno, př. propojenost mezi leteckými linkami na letištích přilehlost (sousednost) - co, s čím sousedí, př. sousedící parcely obsažnost - co, je uvnitř, př. holina v ploše lesa orientace - směr z – do, př. směr toku vody v řekách Vybrané prostorové pojmy mohou být měřené v obou oborech geometrickém i topologickém Př. vzdálenost v letovém pořádku může být reprezentována počtem kilometrů mezi východiskem a koncem trasy
Atributový aspekt Atributy popisující geografické objekty Příklad Objekt = lesní porost Atribut = dřevinná skladba, průměrná výška porostu, věková struktura, apod. atributy jsou neprostorové (nereprezentují informaci o lokalizaci či o prostorových vztazích), mají vytvořenou vazbu na prostorové prvky atributové hodnoty, reprezentující kvalitu geoobjektu, nelze vždy měřit nebo udávat v jednotném měřítku. Př. borovicový porost není nikdy 100% složen pouze z borovice. Při analýzách to nevadí, ale je nutno s touto skutečností počítat.
Časový aspekt Čas – dynamický popis
dynamika charakterizuje temporální variabilitu geoobjektů tyto změny se mohou týkat geometrie, topologie i tématického popisu Modelování dynamických prostorových procesů v rozměrném prostoru vyžaduje složité modely a metody. V praxi se ale používá zjednodušení: 1. Analýza časové série na jednom měřícím bodě - časová změna 2. Prostorová změna atributové hodnoty mezi dvěma body v tom samém čase - prostorová změna
Reprezentace dat (datové modely) Vektorová data
Rastrová data
rovinný prostor je rozdělen pravidelnou mříží na jednotlivé dílky, zvané buňky (tzv. pixely)
poloha pixelu je dána jeho souřadnicemi
každý pixel má v sobě jedinou hodnotu atributu
prostorové vztahy mezi objekty jsou implicitně obsaženy v rastru
geometrie prostorových objektů je vyjádřena za použití geometrických elementů základními geometrickými elementy jsou: bod, linie, polygon je možné pracovat s jednotlivými objekty jako se samostatnými celky atributy prostorových objektů jsou připojeny pomocí tabulky vztah mezi prostorovými objekty je zajištěný pomocí topologie
Prezentace prostorových dat
Bod
Základní geometrické objekty vektorových dat
– nemá délku, hloubku ani šířku - bezrozměrný (0D) geoprvek – je jednotlivý pár souřadnic X, Y, reprezentující geografický prvek – je příliš malý na to, aby byl zobrazen jako linie či plocha
Linie – má délku, ale nemá šířku ani hloubku jednorozměrný (1D) geoprvek – sled orientovaných úseček (hran) definovaných souřadnicemi – vrcholů (vertex) mezi dvěma uzly (nodes) – tvar reprezentovaného geografického prvku je příliš úzký na to, aby mohl být zobrazen jako plocha
Polygon -
má délku a šířku, ale nemá hloubku dvojrozměrný (2D) geoprvek uzavřený obrazec, jehož hranicí je uzavřená linie
Vektorová reprezentace dat
Sítě -
systém linií s topologickou strukturou
-
je řada vzájemně propojených linií, podél níž probíhá tok informací
Povrchy -
je to souvislá entita, pro kterou v každém bodě existuje nějaká hodnota
Objemy -
mají všechny rozměry (délku, šířku, hloubku) trojrozměrné (3D) geoprvky
Vektorová reprezentace dat výhody • lze pracovat s jednotlivými objekty jako se samostatnými celky • menší náročnost na paměť • dobrá reprezentace jevové struktury dat • vysoká geometrická přesnost • kvalitní grafika, přesné kreslení, znázornění blízké mapám • jednoduché vyhledávání, úpravy a generalizace objektů a jejich atributů
nevýhody
• • • • •
výpočtová náročnost (problémy při náročných analytických operacích) komplikovanost datové struktury složitější odpovědi na polohové dotazy obtížná tvorba překryvů vektorových vrstev problémy při modelování a simulaci jevů
Možné přístupy k vektorovým datům Vrstvový přístup: Jednotlivá data jsou obvykle organizována v tématických vrstvách (layer, theme, coverage). Tento jednoduchý princip vychází z používaného způsobu při vytváření map v kartografii, kde je obsah mapu dělen do vrstev podle barev. V GIS se ale, a to je velice důležité si uvědomit, data dělí skutečně podle tématiky. Například zatímco v kartografii je v jedné vrstvě třeba polohopis a antropogenní (lidskou rukou vytvořené či upravené) prvky výškopisu, protože v mapě je obojí výsledně stejnou barvou, pak v GIS je nutno takovouto kartografickou vrstvu rozdělit na minimálně dvě tématické vrstvy , které se využívají v GIS. I v GIS se však vrstvový model ukázal jako velice univerzální a mocný. Reprezentace komplexního světa pomocí jednoduchých tématických vrstev nám snadněji umožňuje zorganizovat a pochopit vztahy mezi jednotlivými jevy.
Možné přístupy k vektorovým datům Objektový přístup: Dalším způsobem, jak mohou být data organizována je tzv. objektový přístup. Ten je založen na principech objektově orientovaného programování a získává na oblibě hlavně v posledních letech. Jeho hlavními znaky jsou: • každý objekt obsahuje geometrii, topologii, tématiku (atributy) a dále i chování (metody), • objekty je možné sdružovat do tříd objektů, objekt je pak instancí (prvkem) takovéto třídy, • je možné vytvářet hierarchické vztahy mezi objekty (rodič - potomek), • atributy a metody je možně dědit.
Datové modely • Špagetový model – přímý přepis klasické mapy do digitální podoby (neefektivní pro prostorové analýzy) • Topologický model – zákl. prvkem je hrana. Každá hrana má označení, souřadnice koncových uzlů a jméno levého a pravého polygonu • Hierarchický vektorový model – ukládá zvlášť info o bodech, liniích a plochách v hierarchické struktuře.
topologický model
špagetový model
Atributy • •
popisuje negeometrickou vlastnost entity každý atribut je obecně tvořen dvojicí: Název – jakou vlastnost popisuje (nap. barva) Hodnota – konkrétní případ (nap. zelená)
•
pro každou vlastnost nejvýše jedna hodnota pokud hodnota neexistuje, nebyla vložena, je potřeba to ošetřit (nap. –99,-1,0,99, nechat prázdný atribut)
• •
Atributy
Typy atributových dat
• číslo • výčet - např. pro typ silnice to může být (dálnice, rychlostní silnice, silnice 1.třídy, silnice 2.třídy, ostatní silnice) • text • logická hodnota • datum – čas • obrazová informace
