Výuka GIS na FIT VUT v Brně

´ ˇ VYUKA GIS NA FIT VUT V BRNE

V´ yuka GIS na FIT VUT v Brnˇ e Martin Hrub´ y Department of Intelligent Systems Faculty of Information Technology, Brno University of Technology E-mail: [email protected] Kl´ıˇ cov´ a slova: GIS, v´ yuka, programován´ı, GRASS

Abstrakt Pˇr´ıspˇevek pojedn´ av´ a o zaveden´ı pˇredmˇetu GIS do výuky na Fakultˇe informaˇcn´ıch technologi´ı VUT v Brnˇe. Pˇredmˇet se vyuˇcuje uˇz druhý rok. Vzhledem k program´ atorskému zamˇeˇren´ı naˇs´ı fakulty je hlavn´ım posl´ an´ım pˇredmˇetu zat´ ahnout do GIS oblasti dalˇs´ı nové program´ atory. Jako technické z´ azem´ı pˇredmˇetu GIS byl zvolen n´ astroj GRASS a to pˇredevˇs´ım proto, ˇze v dobˇe vzniku pˇredmˇetu jsme nic jiného nemˇeli. V pr˚ ubˇehu letn´ıho semestru 2005/06 jsme koupili komerˇcn´ı n´ astroj ArcGIS firmy ESRI, takˇze mˇe jako garanta pˇredmˇetu ˇcek´ a rozhodov´ an´ı o budouc´ı formˇe výuky GIS... Z´ akladn´ım textem pro pˇr´ıpravu kurzu byla kniha J´ ana Tuˇcka “Geografické informaˇcn´ı systémy”. Poslouˇzila mi jako odrazový m˚ ustek pro n´ avrh osnov pˇredmˇetu.

Fakulta informaˇ cn´ıch technologi´ı, VUT ´ Naˇse fakulta vznikla pˇred p´ ar lety, kdy se tehdejˇs´ı Ustav informatiky a v´ ypoˇcetn´ı techniky odtrhl od Fakulty elektrotechniky a informatiky VUT v Brnˇe. Novˇe vzniklá fakulta se zaˇcala hned rychle rozr˚ ustat, nab´ırat v´ıc student˚ u, budovat nové studijn´ı programy a podobnˇe. D´ a se ˇr´ıci, ˇze studijn´ı obory a pˇredmˇety jsou stále jeˇstˇe ve velkém v´ yvoji a neustálené. V´ yhodou vˇsak je, ˇze stav´ıme na naˇs´ı dlouhé tradici v´ yuky poˇc´ıtaˇc˚ u a programován´ı. ´ Já pracuji na Ustavu inteligentn´ıch systém˚ u. Specializujeme se na poˇc´ıtaˇcové modelován´ı, simulaci a umˇelou inteligenci. Zpr´ ava o existenci GIS se k nám dostala v podstatˇe náhodou. Po jisté diskuzi o kompetenci r˚ uzn´ ych u ´stav˚ u vyuˇcovat tuto problematiku se toho ujal náˇs u ´stav. V naˇsem pojet´ı jsou GIS technologie modelov´ ym vyjádˇren´ım reality, na které lze aplikovat teorii poˇc´ıtaˇcového modelov´ an´ı a simulace; GIS technologie mohou b´ yt provázány s robotikou, agentn´ı simulac´ı, poˇc´ıtaˇcov´ ymi hrami, modely poˇcas´ı a podobnˇe. Ukázalo se, ˇze pojem “informaˇcn´ı systém” ve smyslu databáze zde hraje minoritn´ı v´ yznam. Studium GIS na FIT Jsme program´ atorsk´ a ˇskola, ke geodézii a kartografii nemáme absolutnˇe ˇzádn´ y vztah a proto se snaˇz´ım pojmout pˇredn´ aˇsky o GIS programátorsk´ ym zp˚ usobem. GIS chápeme jako specifick´ y druh softwaru. Jist´ ym základ˚ um se vˇsak ned´ a vyhnout, proto pˇrednáˇsky zahrnuj´ı i statˇe o geografick´ ych souˇradn´ ych systémech, kartografii, z´ akladech geografie naˇs´ı planety a podobnˇe. Geinformatics FCE CTU 2006

123


V tomto textu jsou uvedeny témata jednotliv´ ych pˇrednáˇsek. Vypadá to, ˇze kaˇzdé jednotlivé téma by vydalo na samostatn´ y pˇredmˇet na specializované ˇskole. Z tohoto pohledu je náˇs pˇredmˇet v podstatˇe jenom pˇrehledov´ y. Chtˇel bych ho smˇeˇrovat do studia analytick´ ych algoritm˚ u a n´ astroj˚ u, modelov´ an´ı re´ aln´ ych situac´ı do podoby GIS aplikac´ı, zapojen´ı podp˚ urné elektroniky, prov´ az´ an´ı na dalˇs´ı problémy modelován´ı a simulace a pˇredevˇs´ım na programátorsk´ y rozvoj GISovsk´ ych n´ astroj˚ u - tedy program˚ u. V tomto ohledu se zdá b´ yt GRASS ideáln´ı pro svou otevˇrenost. Nab´ız´ı se vˇsak ot´ azka, jestli je opravdu koncepˇcn´ı ho rozv´ıjet. Mám v dlouhodobém pl´ anu zkoumat moˇznosti objektovˇe orientovan´ ych GIS model˚ u a jejich snadnou propojitelnost. Proto se taky s kolegy a studenty budeme snaˇzit poloˇzit základ nového experimentáln´ıho objektovˇe orientovaného GIS nástroje nebo alespoˇ n ukázat smysluplnost nebo nesmysluplnost OO pojet´ı GIS dat a model˚ u.

Pˇ redn´ aˇ sky GIS Na naˇs´ı fakultˇe m´ a semestr 13 pˇrednáˇskov´ ych t´ ydn˚ u. Snaˇz´ım se na kaˇzdé pˇrednáˇsce probrat jedno téma. Osnova je n´ asleduj´ıc´ı a nejsp´ıˇs taková i nˇekolik let z˚ ustane: ´ 1. Uvodn´ ı sezn´ amen´ı s GISy - pojem GIS, pojmy geoobjekt, prostor (abstraktn´ı) a vazba pojmu prostor na geografick´ y prostor, atribut. Smyslem pˇrednáˇsky je pˇredevˇs´ım vysvˇetlit základn´ı pojmy a motivaci pro cel´ y tento vˇedecko-technick´ y obor. 2. Modelov´ an´ı geografického prostoru - je ukázána problematika modelován´ı geografického prostoru od nejniˇzˇs´ı abstrakce ve formˇe nepˇresnˇe zmˇeˇrené fyzické reality, pˇres jej´ı model ve formˇe geoidu a d´ ale referenˇcn´ıho elipsoidu a zobrazen´ı náhradn´ıho elipsoidu do souˇradného systému. Proberou se souˇradné systémy ˇs´ıˇrka-délka, UTM a S-JTSK. S t´ım souvis´ı historie zjiˇst’ov´ an´ı polohy na Zemi, mˇeˇren´ı vzdálenost´ı a podobnˇe. 3. Modelov´ an´ı geo-objekt˚ u - z´ akladn´ı pˇr´ıstupy k modelován´ı prostorov´ ych objekt˚ u, koncept vektoru a rastru, vektorov´ a topologie, uloˇzen´ı vektorov´ ych dat. Z této pˇrednáˇsky by mˇelo alespoˇ n intuitivnˇe b´ yt student˚ um jasné, jaké ˇcásti reality modelovat vektorovˇe a které rastrem (v z´ avˇeru semestru chystám pˇrednáˇsku o konkrétn´ıch pˇr´ıpadov´ ych studi´ıch). Je objasnˇen pojem topologie - minimálnˇe jako zp˚ usob organizace vektorov´ ych dat pˇri uklád´ an´ı. 4. Rastrové vrstvy - vzhledem k silné vazbˇe pˇredmˇetu na nástroj GRASS je rastrov´ ym vrstv´ am vˇenov´ ana zvl´ aˇstn´ı pˇrednáˇska. Typické aplikace rastr˚ u. Po u ´vodn´ım seznámen´ı s koncepc´ı rastr˚ u se prob´ıraj´ı povrchy, digitáln´ı modely terénu a jejich r˚ uzné vyjádˇren´ı. 5. Geografické (GIS) datab´ aze - r˚ uzné generace GIS z pohledu databázov´ ych systém˚ u, objektovˇe orientované DB, postrelaˇcn´ı databáze, PostGIS. 6. GIS n´ astroj GRASS - sezn´ amen´ı s GRASSem, uloˇzen´ı dat v GRASSu, lokace, mapsety, monitory, z´ akladn´ı operace, NVIZ. Pˇr´ıprava pro prvn´ı poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı. 7. Vstup geo-´ udaj˚ u, z´ akladn´ı restrukturalizace u ´daj˚ u - primárn´ı a sekundárn´ı zdroje geografick´ ych u ´daj˚ u, pr˚ uzkum v terénu, fotogrammetrie a DPZ, restrukturalizace vektor˚ u a rastr˚ u - pˇrevody, zmˇeny mˇeˇr´ıtka. Pˇrednáˇska je také podkladem pro druhé poˇc´ıtaˇcové cviˇcen´ı, kde se ukazuje geokoordinace naskenovaného kusu mapy a vektorizace vybran´ ych ˇc´ ast´ı obr´ azku.

Geinformatics FCE CTU 2006

124


8. Anal´ yza (v rastrovém form´ atu) - anal´ yzy geografick´ ych dat jako hlavn´ı smysl GIS, dotazy na geodatab´ azi, reklasifikace a mapová algebra, vzdálenostn´ı anal´ yzy (buffer, ˇs´ıˇren´ı, proudˇen´ı), v´ yˇskové anal´ yzy (sklon a orientace svah˚ u, anal´ yza osvˇetlen´ı, pˇr´ım´ a viditelnost). Nˇekolik rozs´ ahlejˇs´ıch pˇr´ıklad˚ u v GRASSu 9. Anal´ yza (ve vektorovém form´ atu), anal´ yza obrazu - anal´ yza s´ıt´ı, zóny dopravn´ı dostupnosti k obsluˇzn´ ym centr˚ um. Vektorová anal´ yza se vzhledem k nedostatk˚ um ukázkov´ ych dat necviˇc´ı. Dalˇs´ım tématem pˇrednáˇsky jsou ákladn´ı pojmy z anal´ yzy dat z DPZ u ´prava obrazu, identifikace objekt˚ u v obraze, anal´ yza multispektráln´ıch dat. V tomto tématu bych chtˇel rozhodnˇe pˇrednáˇsky a cviˇcen´ı pos´ılit. 10. GIS ve st´ atn´ı spr´ avˇe, zav´ adˇen´ı GIT do organizac´ı (pˇrednáˇs´ı host - dr. Jitka Machalov´ a z PEF MZLU) v´ ymˇenou za to, ˇze já u nich pˇrednáˇs´ım rastrovou anal´ yzu v GRASSu. 11. Mapov´ y v´ ystup - z´ akladn´ı pravidla pro tvorbu map, základy kartografie, tématické mapy, 3D vizualizace. Tady zˇrejmˇe bude i MapServer. Tato pˇrednáˇska se ponˇekud zkvalitn´ı zaveden´ım n´ astroje ArcGIS. 12. GPS a podobné systémy. DPZ pro meteorologii - technické parametry, popis principu, rozˇs´ıˇren´ı GPS, dalˇs´ı podobné systémy, pˇripojen´ı GPS k poˇc´ıtaˇci, formát NMEA. Tato problematika je pro studenty zˇrejmˇe atraktivn´ı (asi se nejv´ıc bl´ıˇz´ı jejich vn´ımán´ı zapojen´ı GIS do ˇzivota). Druhou ˇc´ ast´ı pˇrednáˇsky je popis systému Meteosat pro sledován´ı meteorologick´ ych prostorov´ ych proces˚ u. Chtˇel bych v´ıce rozvést problematiku poˇc´ıtaˇcového modelov´ an´ı poˇcas´ı, meteorologick´ ych map a podobnˇe. 13. Case studies - zat´ım nenaplnˇené téma. Chtˇel bych tu ukázat konkrétn´ı inˇzen´ yrské projekty se zapojen´ım GIS n´ astroj˚ u a technologi´ı. Zˇrejmˇe závis´ı na dostupnosti dat nebo na spolupr´ aci s jin´ ymi odborn´ıky.

Cviˇ cen´ı Cviˇcen´ı jsou zat´ım vedeny na systému GRASS. Proto taky zaˇc´ınaj´ı aˇz po u ´vodn´ı pˇrednáˇsce o GRASSu a nav´ıc v dobˇe, kdyˇz uˇz na pˇrednáˇsce zaznˇely hlavn´ı pojmy. Cviˇcen´ı se dˇel´ a ve skupink´ ach po cca 20 studentech u poˇc´ıtaˇc˚ u. Naˇse ˇskoln´ı poˇc´ıtaˇce v laboratoˇr´ıch jsou naˇstˇest´ı vˇsechny vybaveny OS Linux (MS-Windows je tam taky). Instalace GRASSu je um´ıstˇena centr´ alnˇe na file-serveru. Menˇs´ı datasety si studenti vytváˇrej´ı ve sv´ ych domovsk´ ych adres´ aˇr´ıch. Velk´ y dataset, jako je tˇreba demonstraˇcn´ı lokace cr-wgs84 od skupiny ˇcesk´ ych uˇzivatel˚ u GRASSu, je um´ıstˇen a pouˇz´ıván soubˇeˇznˇe vˇsemi ve speciáln´ım sd´ıleném adresáˇri. Nápln´ı cviˇcen´ı je: 1. Sezn´ amen´ı s GRASSem - z´ akladn´ı operace, v´ ypis mapov´ ych vrstev, monitory, zobrazen´ı vrstvy, nastaven´ı zobrazovac´ıho regionu, mˇeˇren´ı vzdálenost´ı a podobnˇe. Ukázka selekce vybran´ ych ˇc´ ast´ı vrstev. 2. Vstup dat - georeferencov´ an´ı zadaného obrázku, vektorizace vybran´ ych parti´ı obrazu, poˇrizov´ an´ı atributov´ ych dat, správa databázové ˇcásti GRASSu.


125


3. Anal´ yza v rastru - jako podklady jsou pouˇzity demonstraˇcn´ı datasety z distribuce GRASSu (spearfish, leics). Vzhledem k fatáln´ımu nedostatku vektorov´ ych dat se neprob´ıraj´ı anal´ yzy zaloˇzené na vektorech. 4. tady zˇrejmˇe pˇrijde sezn´ amen´ı s ArcEditorem od ESRI Náplˇ n cviˇcen´ı je podle mˇe celkem rozumná vzhledem ke stavu kurzu, technick´ ych moˇznostech a naˇsemu hlavn´ımu zamˇeˇren´ı. V budoucnu nejsp´ıˇs v´ıce zapoj´ım nástroj ArcGIS, ke kterému jsme dostali nˇekolik DVD geodat pro experimentován´ı. Nebylo by ˇspatné m´ıt cviˇcen´ı na implementaci vybraného analytického algoritmu pro GRASS nebo ArcGIS. Budeme instalovat taky rozhran´ı ArcSDE, tak si lze pˇredstavit experimenty s uloˇzen´ım a správou geodat na ˇskoln´ıch Oraclovsk´ ych serverech.

Projekty Je u nás zvykem v kaˇzdém pˇredmˇetu hodnotit samostatnou studentskou práci na zadané nebo studentem zvolené téma - tak zvan´ y projekt. Obt´ıˇznost projektu v jednotliv´ ych pˇredmˇetech je dána obvykle v´ yznamnost´ı pˇredmˇetu pro náˇs studijn´ı obor nebo prostˇe jenom nároky jeho vypisovatele-garanta pˇredmˇetu. V pˇredmˇetu GIS nen´ı pˇr´ıliˇs mnoho alokovaného kreditového prostoru pro obt´ıˇzná zadán´ı. Ani je ze student˚ u nevym´ ah´ am. Studenti si své zadán´ı vol´ı sami z tˇechto tˇr´ıd: 1. studijn´ı - c´ılem je nastudovat vybranou problematiku v rozsahu pˇrevyˇsuj´ıc´ım v´ yuku. Tato kategorie je studentsky nejobl´ıbejˇs´ı - studenti tvrd´ı, ˇze povaˇzuj´ı za odpoˇcinek chv´ıli neprogramovat. Nach´ az´ım zde m´ısty velmi zaj´ımavé práce (tento rok jsem napˇr´ıklad ˇ vˇcetnˇe popisu dostal velmi obs´ ahlou tˇricetistránkovou studii modelován´ı vˇetr˚ u v CR ˇ pˇr´ısluˇsn´ ych simulaˇcn´ıch n´ astroj˚ u a anal´ yzy provozovatelnosti vˇetrn´ ych elektráren v CR). 2. implementaˇcn´ı - implementace vybran´ ych algoritm˚ u a formát˚ u. Dostal jsem napˇr´ıklad hezké pokusy o objektovou GIS databázi, implementace rastrov´ ych anal´ yz, prohl´ıˇzeˇcky r˚ uzn´ ych form´ at˚ u a dalˇs´ı. 3. infiltraˇcn´ı - c´ılem je proniknout do nˇejaké gisaˇrské firmy a vyzvˇedˇet od nich zaj´ımavé detaily o jejich pr´ aci (vˇcetnˇe napˇr´ıklad cen´ık˚ u). 4. gisovské - pouˇzit´ı GIS n´ astroje pro zpracován´ı geodatabáze zadané lokality. Ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u tyto projekty kop´ıruj´ı u ´lohy ze cviˇcen´ı a v mnoha pˇr´ıpadech poskytuj´ı téma student˚ um, kteˇr´ı nechtˇej´ı nic speciáln´ıho hledat nebo ˇreˇsit.

Studentsk´ e bakal´ aˇ rsk´ e/diplomov´ e projekty Vypsal jsem nˇekolik témat pro studentské bakaláˇrské a diplomové projekty. Nˇekolik ukázek: 1. Datab´ azov´ a podpora GIS systému GRASS - c´ılem je ponˇekud narovnat db ˇcást grassu, prozkoumat napojen´ı postgresu a podobnˇe. V ideáln´ım pˇr´ıpadˇe vyrobit nˇeco jako ArcSDE pro GRASS.


126


2. Datab´ azov´ a podpora v projektech geografického pr˚ uzkumu - jednoduchá aplikace zobrazuj´ıc´ı mapové vrstvy na napˇr´ıklad Palmu s moˇznost´ı vrstvy editovat, mˇeˇrit polohu a podobnˇe. 3. GIS systém pro obec - implementace GIS aplikace pro potˇreby obce s moˇzn´ ym webov´ ym rozhran´ım. 4. Navigaˇcn´ı systémy v geografick´ ych pr˚ uzkumn´ ych akc´ıch - v´ ypoˇcet navigace pro pohybuj´ıc´ı se objekt. Napojen´ı na ˇr´ıd´ıc´ı prvek (napˇr´ıklad na autonomn´ı mobiln´ı robot). 5. Objektovˇe orientované geografické databáze - lze pojmout na r˚ uzn´ ych u ´rovn´ıch sloˇzitosti. Zapojen´ı topologie, mobilita objekt˚ u, analytické operace. Implementaˇcn´ı prostˇred´ı na bázi Smalltalku, Selfu. 6. Vektorov´ a anal´ yza v GIS systémech - souhrná studia a implementace vektorov´ ych anal´ yz na obecnˇejˇs´ı u ´rovni. Knihovna napojitelná na libovolná rozhran´ı. Moˇzná revize vektorové anal´ yzy v GRASSu, nové programové rozhran´ı. 7. Webové rozhran´ı pro GIS systém GRASS (diplomka pˇrihláˇsená na pˇr´ıˇst´ı rok) - studium mapov´ ych server˚ u, nezbytné z´ asahy do jádra GRASSu, správa v´ıce pˇripojen´ı. Rozhran´ı ve formˇe vzd´ aleného pˇr´ıstupu ke GRASSu nebo pouze poskytovatele mapov´ ych sluˇzeb. Nˇekteré z´ avˇery byly jiˇz publikovány [1]. ˇ (bakálaˇrsk´ 8. Systém pro podporu sbˇeru a správy programu rozvoje obc´ı v CR y projekt, moment´ alnˇe bˇeˇz´ı) - bakal´ aˇrsk´ a práce naˇseho studenta ve spolupráci se studentem z pˇr´ırodovˇedy MUNI. C´ılem byl poˇc´ıtaˇcov´ y program, kter´ y bude generovat specifickou dokumentaci (program rozvoje obc´ı) z veˇrejnˇe dostupn´ ych dat a z uˇzivatelem zadan´ ych dat.

V´ yzkum v GIS ???? Tady bych chtˇel naznaˇcit, kde bych plánoval pˇrispˇet ve v´ yzkumu GIS problematiky. Je mi jasné, ˇze kvalitu v´ yuky urˇcuje i vˇedecká angaˇzovanost uˇcitele - a to plat´ı speciálnˇe na vysok´ ych ˇskolách. Souˇcasnˇe s t´ım hled´ am oblast, která by mˇela návaznost na moje dosavadn´ı odborné zamˇeˇren´ı - tedy na modelov´ an´ı, simulace a umˇelou inteligenci. Proto mˇe napadaj´ı dvˇe oblasti: 1. Prostorové modely zapojitelné do modelován´ı inteligence - hry, robotika. V posledn´ı dobˇe se zab´ yv´ am matematick´ ym modelem inteligence naz´ yvan´ ym Teorie her. Jednou z mnoha aplikac´ı teorie her je i v´ yvoj poˇc´ıtaˇcov´ ych her, kde se spojuje umˇelá inteligence entity prov´ adˇej´ıc´ı strategické rozhodován´ı a prostorov´ y kontext jej´ı existence. Mohlo by b´ yt zaj´ımavé modelovat prostorovou pˇredstavu inteligentn´ı entity o svém okol´ı. V doménˇe kooperuj´ıc´ıch agentn´ıch systém˚ u, pˇr´ıpadnˇe v robotice je prostorová pˇredstava dokonce jeˇstˇe d˚ uleˇzitˇejˇs´ı. 2. Objektovˇe orientované geosystémy - v této oblasti bych chtˇel sledovat dva proudy: 3. koncepˇcnost n´ avrhu a vytv´ aˇren´ı geodatabáz´ı, kde objektová orientace má jasné m´ısto,


127


4. mobilitu geo-objekt˚ u, tedy snadnou pˇrenositelnost libovolného elementu geografické databáze do zcela obecnˇe jiného prostˇred´ı.

Z´ avˇ er Pˇredmˇet GIS se na naˇs´ı fakultˇe, zd´ a se, uspˇeˇsnˇe rozbˇehl. Budu se snaˇzit, aby mˇel stále hodnˇe student˚ u, zaj´ımav´ ych projekt˚ u a navazuj´ıc´ıch diplomov´ ych prac´ı. Tento ˇclánek mˇel o nˇem podat zpr´ avu a moˇzná i nˇekoho inspirovat.

Reference 1. Hrub´ y Martin: WEB Interface for GRASS Geographic Information System, In: Proceedings of XXVIIth Internation Autumn Colloquium ASIS 2005, Ostrava, CZ, MARQ, 2005, s. 103-108, ISBN 80-86840-16-6


128

Výuka GIS na FIT VUT v Brně

Recommend Documents