INFORMAN SYSTMY GEOGRAFICK INFORMAN SYSTMY Ing Roman Danel

INFORMAČNÍ SYSTÉMY 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 1. 2. 3. 4. 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 • 0 D 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. • 1 D geoobjekty - Objekty jednorozměrné, úseky čar, s konečnou délkou a nulovou plochou. Pomocí 1 D geoobjektů se nejčastěji modelují silnice, řeky, apod. • 2 D geoobjekty - Objekty dvojrozměrné, polygony, s konečným obvodem a konečnou plochou. • 3 D 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 Arc. Info 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): 1. využitím prostorových referenčních systémů (souřadnicový systém, georeferencing) 2. 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 je matematická disciplina, která studuje prostorové vztahy geometrických prvků – nepracuje se souřadnicemi. GIS – prostorové vztahy geoprvků, v rovině: bod – 0 D objekt – modelujíc se body linie – 1 D objekt polygon – 2 D objekt – tvoří hranici plochy

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

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 Postgre. SQL Post. GIS

Programy umožňující přístup k datům v relačních databázích • Arc. GIS – 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 • Open. Layers • ILWIS (2007)

Prohlížeče a knihovny Příklady prohlížečů geografických dat: • u. Dig http: //udig. refractions. net • gv. SIG • Geo. Tools Příklady knihoven pro GIS: • GDAL (Geospatial Data Abstraction Library) • FWTools

Oracle Spatial a Locator • Oracle Spatial – Nadstavba nad Oracle, volitelný doplněk k Oracle 11 g Enterprise Edition – zahrnuje plnou podporu 3 D 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 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: : STGeom. From. Text('POINT(50. 0668 14. 4662)', 4326))

MS SQL Server - příklad Dotaz select Souradnice from Obce where Obec. Id =1 Vrátí 0 x. E 6100000010 C 58 CA 32 C 4 B 1 EE 2 C 40 B 8 A F 03 E 78 C 084940

MS SQL Server - příklad Ale dotaz select Souradnice. To. String() from Obce where Obec. Id = 1 Vrátí výsledek: POINT (50. 0668 14. 4662)