GEOGRAFICKÉ INFORMAČNÍ SYSTÉMY Ing. Roman Danel, Ph.D. roman.danel@vsb.cz Institut ekonomiky a systémů řízení Hornicko – geologická fakulta

Co je to GIS? GIS (Geographic information systém) je na počítačích založený informační systém pro získávání, ukládání, analýzu a vizualizaci dat, která mají prostorový vztah k povrchu Země. Pracuje s daty, které jsou spjaty s prostorovou informací.

Význam GIS Dokumentace, identifikace a lokalizace objektů, oblastí a vztahů Tématické mapování Podpora plánování a rozhodování Podpora podnikových procesů Prostorová analýza a modelování

Příbuzné obory CAD (Computer Aided Design) – počítačový design CAM (Computer Aided Manufacturing) – automatizovaná výroba od kontrukce, přes výrobní linku až po prodej CAM (Computer Aided Mapping) – počítačová kartografie FM (Facilities Management) – plánování a správa podpůrných činností ve firmě

GIS – proces zpracování Specifikace problému Pořízení dat Správa, manipulace a analýza dat Vizualizace

GIS – řešené úlohy Poloha – kde se co nachází Podmínka – vyhledání místa, splňujícího určitou podmínku Šíření – pohyb po definovaném povrchu Struktura – prostorové uspořádání Modelování – závislosti, predikce, trend

Úrovně GISu GIS jako software- SW „XY“ je/není GIS Konkrétní aplikace GIS - informační systém

Geodata Data, se kterými GIS pracuje se nazývají geodata. Geodata se skládají z jednotlivých geoobjektů. Geoobjekt je část modelované reality, kterou je možno na dané úrovni generalizace v GISu modelovat jako jeden objekt. Geoobjekt obsahuje dva druhy informací: prostorové informace (tvar, poloha, topologie) neprostorové informace (atributy, specifické pro každý typ objektu)

Dimenze geoobjektů 0D geoobjekty - Bezrozměrné objekty, body, definované pouze svou polohou. Příkladem může být například autobusová zastávka v GISu modelujícím dopravu nebo GSM vysílač v GISu mobilního operátora modelující pokrytí signálem. 1D geoobjekty - Objekty jednorozměrné, úseky čar, s konečnou délkou a nulovou plochou. Pomocí 1D geoobjektů se nejčastěji modelují silnice, řeky, apod. 2D geoobjekty - Objekty dvojrozměrné, polygony, s konečným obvodem a konečnou plochou. 3D geoobjekty - Objekty trojrozměrné, polyhedrony. V GISech se používají výjimečně, ve specifických případech. Třetí rozměr je v GISech nejčastěji modelován pomocí tzv. Digitálního modelu terénu (DMT, DEM).

Mapové vrstvy Geoobjekty popisující stejné téma se sdružují a ukládají do mapových vrstev, někdy také nazývaných tematické mapové vrstvy. Takovým tématem může být např. vodstvo, silnice, typy půd, nadmořská výška, apod. Smyslem dělení geodat do mapových vrstev je usnadnit analýzu dat. Ta je nejčastějším důvodem pro nasazení GISu pro modelování reality.

Data Rastrová Vektorová

Rastrové vrstvy Rastrových mapových vrstev se používá k modelování veličin, které jsou spojitě definovány na celém modelovém prostoru. Příkladem může být mapová vrstva nadmořské výšky, mapa typu půd, vegetace, atmosférického tlaku, teploty, apod. Prostor je v rastrových mapových vrstvách rozdělen na množství malých plošek, jejichž rozměr je dostatečně malý na to, aby bylo možno na jejich povrchu hodnotu dané veličiny považovat za konstantní.

Rastr Jednotka – pixel Informace: poloha a hodnota Pravidelně rozdělená síť

Vektorové mapové vrstvy Ve vektorových mapových vrstvách jsou data uložena pomocí bodů a čar. Bod je základním elementem s definovanou polohou (souřadnicí) a nemá z geometrického hlediska žádný rozměr. Čára je úsečka nebo křivka spojující dva body. V běžných GISech se z důvodů zjednodušení křivka reprezentuje pomocí seřazené sekvence bodů spojených přímou čarou.

Vektorové vrstvy Bod (point), linie (line), polygony, plochy Topologické vztahy Společný vývoj se systémy CAD Nyní orientace na databáze Relační Postrelační

Vektorové modely Špagetový model - Ve špagetovém modelu jsou všechny typy objektů, bez ohledu na počet dimenzí, uloženy v jednom heterogenním seznamu.Tento seznam má pouze 2 položky: typ objektu - bod, čára, polygon parametry objektu - jedna či více souřadnic Ve špagetovém modelu není obsažena žádná informace o topologii (sousednost, orientace, konektivita, obsahování) a proto je tento model pro analýzu geodat obtížně použitelný.Navíc zde dochází k redundanci dat. Příklad: shapefile ESRI Hierarchický model - Hierarchický model ukládá data hierarchicky s ohledem na počet dimenzí. Vychází s faktu, že polygon se skládá z několika linií, linie z několika úseček, úsečky jsou pak spojením dvou bodů. Tyto elementy jsou pak v GISu uloženy samostatně, nejčastěji v geodatabázi. Neredundantní. Příklad: geodatabáze ArcInfo Topologický model - Topologický model je kompromisem mezi špagetovým a hierarchickým modelem. Ukládají se pouze body a čáry, přičemž k čáře lze připojit informaci o její orientovanosti, podle níž lze pak určit sousední polygon vlevo a vpravo. Neredundantní, ale obtížné vyhledávání.

Metadata Doplňkové informace k datům Metadata = data o datech, popis obsahu dat

Prostorový index Pomocí prostorového indexu označujeme (indexujeme) geografické objekty. Z reálného světa je ekvivalencí obsahu v knize. Standardní databáze – pouze jednodimenzionální indexace -> nevyhovující.

Metody indexování v GIS Čtyřstrom (Quad-tree) R-tree

Rasterizace a vektorizace Rasterizace – proces konverze vektorově definované grafiky na rastrový obraz (bitmapu) Vektorizace – odvozování vektorových dat z rastrových (analogových) dat – rastrové plochy se převádějí na polygony

Lokalizace prostorových dat Lokalizace (stanovení polohy v prostoru): využitím prostorových referenčních systémů (souřadnicový systém, georeferencing) nepřímé prostorové referenční systémy (údaje o objektu v prostoru se vztáhnou k prvku, který je přímo prostorově lokalizován; systém geokódů) - bodové, liniové, plošné

Modely terénu Rastrové Polyedrické – terén dělen na nepravidelné plochy (trojúhelníky) Plátové – interpolace uvnitř ploch nelineární

Topologie Topologie je matematická disciplina, která studuje prostorové vztahy geometrických prvků – nepracuje se souřadnicemi. GIS – prostorové vztahy geoprvků, v rovině: bod – 0D objekt – modelujíc se body linie – 1D objekt polygon – 2D objekt – tvoří hranici plochy

Topologie 3D Složité, komerčně dostupný GIS dosud není Linie nemusí být rovinná a plocha je 3D

Teorie grafů Bod – uzel Spojnice bodů – hrana Pomocí teorie grafů můžeme studovat vztahy mezi objekty. Vlastnosti grafu Orientovaný Ohodnocený (hranově, uzlově) Rovinný Cesta, cyklus, řetěz

Teorie grafů Graf konektivity – topologie prvků reprezentovaných liniemi Graf incidence – topologie plošných prvků, hrany reprezentují hranice mezi polygony Graf přilehlosti – uzly reprezentují polygony, užití např. Při studiu průchodnosti terénem

Speciální typ grafu - síť Souvislý Orientovaný Hranově (nebo uzlově) ohodnocený Nezáporné ohodnocení Dvojice uzlů – vstup do sítě, výstup ze sítě

Příklady sítí Vodovodní Plynovodní Rozvod elektrické energie

Zavedení času do GIS Čas vzniku nějakého údaje Čas zjištění údaje (čas indikace) Čas vložení do databáze Vytvoření a průběžná údržba stavové topologie. Např. evidence parcel – potřebujeme aktuální stav, ale někdy i historii.

Způsoby získávání dat Digitalizace analogových map Digitalizace kartoték a jiných dokumentů Dálkový průzkum země – letecké, družicové snímky Fotogrammetrické vyhodnocení leteckých snímků Vlastní geodetická měření v terénu Převzetím existujících dat

Souřadnicové systémy Volen po projekci na vzniklé rovinné mapě – kartézský, obdélníkový Projekce na myšlené těleso a rozvinutí povrchu tělesa – pak se umístí kartézský souřadný systém s osami a měřítkem

Datový model – logické uspořádání dat Datová struktura - jak jsou data uloženy

Databázové systémy s podporou prostorových dat GIS může data ukládat do souborů nebo do relačních databází. OGC – Open GIS Consortium http://www.opengeospatial.org/ - nezisková organizace definující standardy

Prostorová (spatial) data INFORMIX – modul Datablade ORACLE – Oracle Locator MS SQL Server PostgreSQL PostGIS

Programy umožňující přístup k datům v relačních databázích ArcGIS – firma ESRI, světově jeden z nejrozšířenějších GRASS – free GIS, http://grass.itc.it/, http://grass.osgeo.org/ QGIS (Quantum GIS) open source http://www.osgeo.org/qgis UMN Map Server OpenLayers ILWIS (2007)

Prohlížeče a knihovny Příklady prohlížečů geografických dat: uDig http://udig.refractions.net gvSIG GeoTools Příklady knihoven pro GIS: GDAL (Geospatial Data Abstraction Library) FWTools

Oracle Spatial a Locator Nadstavba nad Oracle, volitelný doplněk k Oracle 11g Enterprise Edition zahrnuje plnou podporu 3D a webových služeb pro správu veškerých územních dat včetně vektorových a rastrových dat, topologie a síťových modelů Oracle Locator funkce a mapování potřebné pro umožnění práce s určenou polohou Součást všech edicí Oracle

Microsoft SQL Server Od verze 2008 nativní datový typ pro prostorová data („geography“) Dva základní typy Geometrická - Umožňuje skladovat geometrické objekty, jednotlivé vrcholy polygonů Geografická - Nad daty lze poté klást dotazy ve stylu „vrať mi všechny řádky/objekty/… které mají od toho a toho místa vzdálenost x“

MS SQL Server - příklad INSERT INTO Obce (Nazev ,Souradnice) VALUES ('Praha', geography::STGeomFromText('POINT(50.0668 14.4662)', 4326))

MS SQL Server - příklad Dotaz select Souradnice from Obce where ObecId = 1 Vrátí 0xE6100000010C58CA32C4B1EE2C40B8AF03E78C084940

MS SQL Server - příklad Ale dotaz select Souradnice.ToString() from Obce where ObecId = 1 Vrátí výsledek: POINT (50.0668 14.4662)