Fakulta stavební Katedra mapování a kartografie

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Katedra mapování a kartografie Vývoj a rekonstrukce krajiny v oblasti přehrady Fláje Landscape development and reconstruction in the region of the dam reservoir Fláje Diplomová práce Vedoucí práce: Ing. Růžena Zimová, Ph.D. květen 2013 Bc. Hana Kadlecová

2

3

4 Prohlášení Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracovala samostatně a že jsem uvedla veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o etické přípravě vysokoškolských závěrečných prací. V Praze dne Hana Kadlecová

5 Poděkování Tímto bych chtěla poděkovat vedoucí diplomové práce Ing. Růženě Zimové, Ph.D. za vedení práce, konzultace a cenné rady, Ing. Arnoštu Müllerovi za rady pomoc s Arc- GIS Serverem. Dále bych chtěla poděkovat své rodině za podporu v průběhu studia. Také bych chtěla poděkovat Laboratoři geoinformatiky a Českému úřadu zeměměřickému a katastrálnímu za poskytnutá data.

6 Abstrakt Diplomová práce se zabývá vývojem a rekonstrukcí krajiny v okolí přehrady Fláje, kde dříve stávala stejnojmenná obec. Tato práce souvisí s projektem Ministerstva kultury nazvaným Rekonstrukce krajiny a databáze zaniklých obcí v Ústeckém kraji pro zachování kulturního dědictví. V práci je popsána stručná historie obce Fláje a vodní nádrže Fláje, dále metodika zpracování mapových podkladů a informace o mapových podkladech a nakonec jejich zpracování do požadovaných výstupů. Požadovanými výstupy práce jsou mapy krajinného pokryvu, digitální model terénu a webová mapová aplikace umožňující prohlížení zpracovaných a dalších dostupných dat k dané tématice. Klíčová slova císařské otisky map stabilního katastru, státní mapa odvozená 1 : 5 000, ZABAGED, ortofoto, mapa krajinného pokryvu, digitální model terénu, webová mapová aplikace Abstract This thesis deals with the landscape development and reconstruction in the region of a dam reservoir Fláje, where previously stood village with the same name. The thesis related to the project of the Ministry of Culture called Landscape reconstruction and database of defunct municipalities in the Ústí region for the preservation of cultural heritage. This thesis describes a brief history of the village Fláje and dam reservoir Fláje, as well as methods of processing maps and spatial data, further information about maps and finally their processing into desired outputs. The required outputs are the land cover maps, digital terrain models and web map application that allows viewing processed data and other available data related to the subject of interest. Key words imperial prints of stable cadastre maps, state map derived 1 : 5 000, ZABAGED, orthophoto, map of land cover, digital terrain model, web map application vi

7 Obsah Úvod 1 1 Historie zájmového území Obec Fláje Obec Fláje na starých mapách Vodní nádrž Fláje Úvod do problematiky Historická geografie Georeferencování starých map Lineární 2D transformace Polynomická transformace Georeferencování v ArcGIS Vektorová data Používané formáty vektorových dat Vznik vektorových dat Rastrová data Komprese dat Vybrané formáty dat Vznik rastrových dat Georeferencované rastry Topologie Topologie v ArcGIS Tvorba modelů terénu Metody zpracování DMT Interpolační metody vii

8 OBSAH viii Odvozené morfometrické charakteristiky Možnosti vizualizace DMT Webové mapové aplikace Webové mapové služby Web Map Service Web Feature Service Web Coverage Service Mapové podklady II. a III. vojenské mapování Císařské otisky map stabilního katastru Mapy pozemkového katastru Státní mapa odvozená 1 : ZABAGED Ortofoto z 50. let 20. století Ortofoto České republiky Zpracování dat Postup zpracování dat Použitý software ArcGIS for Desktop GIMP Geodatabáze Georeferencování map a tvorba mozaiky Císařské otisky map stabilního katastru SMO II. vojenské mapování III. vojenské mapování Ortofoto Vymezení zájmového území Manuální vektorizace vrstevnic SMO Analýza krajinného pokryvu Vektorizace CO a SMO Kontrola topologie Úprava dat ZABAGED viii

9 OBSAH ix Vyhodnocení CO vs. SMO5 vs. ZABAGED Prezentace výsledků Digitální model terénu D vizualizace v ArcScene Mapové výstupy Webová prezentace ArcGIS Server ArcGIS Viewer for Flex Publikace webových služeb Webová mapová aplikace Závěr 72 Použité zdroje 74 Seznam zkratek 77 Seznam obrázků 79 Seznam tabulek 80 Přílohy 81 ix

10 Úvod Téma diplomové práce bylo zadáno v souvislosti s projektem Ministerstva kultury nazvaným Rekonstrukce krajiny a databáze zaniklých obcí v Ústeckém kraji pro zachování kulturního dědictví 1. Hlavním řešitelem tohoto projektu je katedra informatiky a geoinformatiky na Fakultě životního prostředí UJEP, která spolupracuje s katedrou mapování kartografie na Fakultě stavební ČVUT. Cílem projektu je vytvořit ucelený informační systém zahrnující komplexní historický vývoj Ústeckého kraje, jehož současný stav je ovlivněn těžební činností, vysidlováním obyvatel a velkými změnami krajiny. [1] Téma diplomové práce jsem si zvolila proto, že mě zaujala historie přehrady Fláje a osud stejnojmenné obce a také proto, že pocházím z Ústeckého kraje. Tato obec ležela v severozápadní části Čech v okrese Most blízko hranic s Německem a zanikla v souvislosti s výstavbou vodní nádrže. Cílem práce je vytvoření vhodných výstupů, které umožní rekonstrukci krajiny v oblasti vodní nádrže Fláje a sledování vývoje zaniklé obce Fláje. Dalším cílem je následné vytvoření webové mapové aplikace, které poskytne uživatelům možnost prohlížení dat shromážděných a vytvořených v rámci diplomové práce. Pro splnění cílů práce budou shromážděny dostupné informace a mapové podklady pro rekonstrukci krajiny a výzkum vývoje zaniklé obce Fláje. Dále bude nastudována metodika zpracování mapových podkladů. V práci bude použita metodika vytvořená v rámci výše zmíněného projektu, případně metodika získaná z odborné literatury. V praktické části budou shromážděné mapové podklady transformovány do společného souřadnicového systému pro jejich snazší porovnání. Dále budou vektorizovány prvky polohopisu zaniklé obce v různých obdobích. Na základě vektorizovaných dat bude zpracována analýza vývoje krajinného pokryvu a vytvořeny mapové výstupy zobrazující vývoj obce. Dalšími výstupy budou digitální modely terénu a z nich další odvozené analýzy. Na základě 1 Projekt Ministerstva kultury České republiky v Programu aplikovaného výzkumu a vývoje národní a kulturní identity (NAKI), ID projektu: DF12P01OVV043 1

11 OBSAH 2 digitálního modelu terénu budou vytvořeny 3D výstupy. Z důvodu dostupnosti prezentace výsledků většímu množství uživatelů budou v závěru zpracovaná data publikována formou webových mapových služeb. 2

12 Kapitola 1 Historie zájmového území 1.1 Obec Fláje První písemná zmínka o Flájích pochází z roku Obec Fláje ležela v Krušných horách jihovýchodně od Českého Jiřetína. Vesnice byla pravděpodobně pojmenována podle potoka Fleyh (německy dnes Flöha), nad jehož horním tokem ležela. Jméno má zřejmě neslovanský původ a vyskytovalo se v minulosti ve tvarech: Flew, fflagie, Fíley, Fleja či Fleyh. [7] Historikům se do dnešní doby nepodařilo zjistit, kdo byl zakladatelem obce. Vzhledem k pozdějším prokázaným vazbám k hradu Osek je možné usuzovat, že při vzniku obce stáli páni z Rýzmburka, kteří v roce 1398 prodali hrad, město Duchcov a 25 manství 1 míšeňskému markraběti Vilémovi. Tento majetek vlastnili Míšeňští až do roku 1459, kdy připadl zpět České koruně a vystřídal poté několik dalších majitelů, až jej v roce 1523 získal Děpolt z Lobkovic. Ve vlastnictví zmíněného rodu Lobkoviců zůstaly Fláje až do roku 1651, kdy přešly do rukou Valdštejnů a staly se posléze součástí jejich panství Duchcov Horní Litvínov. V tomto panství setrvaly až do roku V roce 1583 žilo v obci 9 usedlých osob (mimo rodinných příslušníků). V polovině 18. století zde již bylo 34 hospodářů, 2 mlynáři, 2 krejčí, řezník, forman, obecní pastýř a učitel. Vzhledem k tomu, že půda v horách nebyla úrodná, ale nacházelo se zde bohatství lesů, velká část obyvatel se zabývala těžbou dřeva. V roce 1833 stálo ve Flájích 88 domů a žilo zde 491 obyvatel. Nejvyššího počtu obyvatel 1 V období raného a vrcholného feudalismu typ pozemkové držby spočívající na zásadách lenního práva. V českých zemích se manství nejdéle uplatňovalo na královských doménách, zvláště v okrajových oblastech státu (Loketsko, Trutnovsko).[2] 3

13 KAPITOLA 1. HISTORIE ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ 4 Obrázek 1.1: Fláje - celkový pohled (1943)[3] měly Fláje v roce 1850, kdy tady žilo 603 osob. V tabulce 1.1 a na grafu 1.3 je vidět vývoj počtu obyvatel mezi lety Ve Flájích stával dřevěný roubený kostel na kamenné podezdívce (obr. 1.1 vpravo dole, obr. 1.2), zasvěcený svatému Janu Křtiteli. Byla to jednolodní stavba s trojbokým presbytářem 2 a předsíňkou na jižní straně. Dřevěný kostel sv. Jana Křtitele, jako významná památka lidové architektury, byl před likvidací obce přemístěn do Českého Jiřetína a v roce 1995 bylo dokončeno jeho restaurování. [7] Obec Fláje, která se nacházela v okrese Most v Ústeckém kraji, zanikla v letech v souvislosti s výstavbou stejnojmenné vodní nádrže. Dnes jsou Fláje místní částí obce Český Jiřetín. Lokalizace Flájí v rámci ČR je na obrázku Obec Fláje na starých mapách Historický vývoj obce Fláje je možno sledovat také na starých mapách pocházejících z Müllerova mapování, I., II. a III. vojenského mapování a topografického mapování 2 Presbytář čili kněžiště, někdy též chór, je část prostoru křest anského kostela či katedrály, která je vyhrazena kněžím. [6] 4

14 KAPITOLA 1. HISTORIE ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ 5 Obrázek 1.2: Kostel ve Flájích (počátek 50. let)[4] Rok Počet obyv Tabulka 1.1: Počty obyvatel mezi lety 1850 až 1970 dle sčítání [5] v systému S Mapové listy Müllerova mapování, I., II. a III. vojenského mapování je možné prohlížet na stránkách Laboratoře geoinformatiky pomocí webové aplikace Zoomify Mapy III. vojenského mapování a topografickou mapu v systému S 1952 je možné prohlížet ve webové mapové aplikaci Ústředního archivu zeměměřictví a katastru. Naskenované mapové listy vojenských mapování jsou k dispozici na katedře mapování a kartografie Fakulty stavební ČVUT. Müllerova mapa Čech byla vydána v roce Jedná se o vynikající kartografické dílo, které dodnes slouží pro výzkum o vývoji krajiny. Müllerova mapa zobrazuje jak topografický obsah, tak i další prvky, jako jsou zaniklé osady, mlýny, vinice, doly na zlato, stříbro a další. Reliéf na Müllerově mapě je zobrazen tzv. kopečkovou metodou. Müllerova mapa Čech má celkem 25 mapových listů. [8] Obec Fláje na Müllerově mapě nese název Flöha a nachází se na mapovém listu č. 2 (obr. 1.5). 5

15 KAPITOLA 1. HISTORIE ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ 6 Obrázek 1.3: Počet obyvatel v obci Fláje mezi lety [5] I. vojenské mapování, někdy také nazývané josefské, proběhlo v letech , bylo rektifikováno v letech Mapy jsou v měřítku 1 : Bylo prováděno metodou à la vue (česky od oka ), tedy pouhým pozorováním terénu. Při mapování byla velká pozornost věnována komunikacím, vodním tokům, využití půdy a různým typům budov. Díky ručnímu kolorování lze prvky v mapě snadno rozlišit. Na okraji každého mapového listu je seznam obcí a kolonky pro vyplnění počtu obyvatel a koní. [8] Obec Fláje na mapě I. vojenského mapování nese název Flöha a nachází se na mapovém listu Čechy č. 24 (obr. 1.6). II. vojenské mapování, též nazývané Františkovo, proběhlo v letech Je ve stejném měřítku jako I. vojenské mapování, a to 1 : Oproti I. vojenskému mapování je toto mapování znatelně přesnější. Podkladem pro mapování byly mapy stabilního katastru, což mělo také vliv na přesnost map. Obsah mapy je téměř totožný s I. vojenským mapováním. [8] Obec Fláje na mapě II. vojenského mapování nese název Fleyh a nachází se na mapovém listu s označením Čechy W 4 III (obr. 1.7). 6

16 KAPITOLA 1. HISTORIE ZA JMOVE HO U ZEMI 7 Obra zek 1.4: Lokalizace Fla jı v ra mci C R Obra zek 1.5: Obec Fla je na mape Mu llerova mapova nı (zdroj: Historicky u stav AV C R) III. vojenske mapova nı probe hlo v C echa ch v letech Oproti II. vojenske mu mapova nı obsahuje zna zorne nı vy s kopisu pomocı vrstevnic a ko t. V dobe mapova nı byla jiz zavedena metricka mı ra, a proto je v dekadicke m me r ı tku 1 : Vy sledkem mapova nı jsou topograficke sekce, z nichz pak vznikly mapy specia lnı v me r ı tku 1 : a mapy genera lnı 1 : Specia lnı mapy byly da le reambulova ny a hojne vyuz ı va ny. [8] Obec Fla je na mape III. vojenske ho mapova nı v me r ı tku 1 : nese na zev Fla je a nacha zı se na mapove m listu s oznac enı m (obr. 1.8) a na specia lnı mape v me r ı tku 7

17 KAPITOLA 1. HISTORIE ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ 8 Obrázek 1.6: Obec Fláje na mapě I. vojenského mapování 1 : nese název Fláje (Fleyh) a nachází se na mapovém listu s označením 3751 (obr. 1.9). Nové topografické mapování území Československa v měřítku 1 : proběhlo v letech Při mapování byla maximálně využita letecká fotogrammetrie. Celkem bylo zpracováno 1736 mapových listů. Bylo použito Gauss Krügerovo zobrazení Krasovského elipsoidu v 6 stupňových poledníkových pásech (souřadnicový systém S 1952). Značkový klíč byl zaveden jednotně v rámci Varšavské smlouvy. Z map v měřítku 1 : byly odvozovány mapy menších měřítek (1 : , 1 : , 1 : ) kartografickou generalizací. Obec Fláje se nachází na mapovém listu s označením M C c (Fláje) pro mapu v měřítku 1 : (obr. 1.10). Mapy topografických mapování jsou mapy středních měřítek, na kterých lze pozorovat sít vodních toků i cest, rozmístění zástavby a lesů, případně výškopis, avšak nelze na nich podrobně zkoumat vývoj obce a území z hlediska krajinného pokryvu. Lze z nich vyčíst, že obec Fláje byla horskou obcí, která se rozkládala podél Flájského potoka obklopena lesy. Některé ze zde zmíněných map jsou využity pro dokumentaci vývoje obce a celého 8

18 KAPITOLA 1. HISTORIE ZA JMOVE HO U ZEMI Obra zek 1.7: Obec Fla je na mape II. vojenske ho mapova nı Obra zek 1.8: Obec Fla je na mape III. vojenske ho mapova nı v me r ı tku 1 :

19 KAPITOLA 1. HISTORIE ZA JMOVE HO U ZEMI Obra zek 1.9: Obec Fla je na mape na specia lnı mape v me r ı tku 1 : Obra zek 1.10: Obec Fla je na mape topograficke ho mapova nı v syste mu S

20 KAPITOLA 1. HISTORIE ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ 11 katastrálního území Fláje a jsou zahrnuty do webové mapové aplikace. V této práci budou podrobněji zkoumány mapy větších měřítek (mapy stabilního katastru, pozemkového katastru, SMO5), které jsou popsány dále v kapitole 3 - Mapové podklady. 1.2 Vodní nádrž Fláje Vodní nádrž Fláje je jediná svého druhu v České republice. Jedná se o údolní nádrž, která vznikla za unikátní pilířovou přehradou. Byla vybudována na Flájském potoce na území obce Český Jiřetín (u osady Fláje). Nádrž slouží jako zásobárna pitné vody a hydroenergetické zařízení. Celá vodní nádrž leží na území obce Český Jiřetín, nádrží prochází hranice katastrálních území Český Jiřetín a Fláje. Přehrada byla postavena v letech Stavbu vyprojektoval Hydroprojekt Praha.[9] Vodní dílo Fláje bylo vybudováno za účelem zásobování Mostecka a Teplicka pitnou vodou ve spolupráci s již dříve vybudovaným vodním dílem Janov. Myšlenka využití Flájského potoka pro zásobování uhelných na vodu chudých pánevních oblastí v povodí Bíliny nebyla nová. První hydrologické a terénní průzkumy se datují již do roku Nedostatek vody v Litvínově v roce 1949, problémy teplické vodárny a nová bytová výstavba v Podkrušnohoří se staly novým impulsem pro využití Flájského potoka. [10] Další funkcí vodního díla je zajištění minimálního průtoku a snížení povodňového průtoku na Flájském potoce a částečná ochrana před povodněmi území pod hrází. Je součástí vodohospodářské soustavy v oblasti severočeské hnědouhelné pánve. Přehrada je díky své unikátní konstrukci zařazena mezi kulturní památky České republiky. [9] V dnešní době je přehrada také cílem cyklistů i pěších turistů. Kolem přehrady vede cyklostezka a několik turistických tras. Turisté zde mohou spatřit jak krásu přehrady, tak i základy kostela sv. Jana Křtitele, který byl před stavbou přehrady přemístěn do Českého Jiřetína. Fotografie vodní nádrže Fláje je uvedena na obrázku Poloha vodní nádrž je vidět na obrázku

21 KAPITOLA 1. HISTORIE ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ 12 Obrázek 1.11: Vodní nádrž Fláje [11] Obrázek 1.12: Vodní nádrž Fláje - situace na mapě (mapy.cz) 12

22 Kapitola 2 Úvod do problematiky zpracování prostorových dat 2.1 Historická geografie Tato práce úzce souvisí s disciplínou nazývanou historická geografie. Historické geografii se v ČR věnuje několik pracovišt. Jedním z nich je Historický ústav AV ČR reprezentovaný Komisí pro historickou geografii HÚ AV ČR. Z nejznámějších představitelů lze jmenovat profesorku Evu Semotanovou či Roberta Šimůnka. Klíčovým projektem posledních let je Historický atlas měst České republiky, na kterém má Historický ústav rozhodující podíl. Komise pořádá každoročně historickogeografické konference a vydává sborník nazvaný jak jinak než Historická geografie, který vychází od roku 1968 a je vydáván Historickým ústavem AV ČR. Následující dvě věty výstižně shrnují hlavní témata, kterými se redaktoři časopisu zabývají. Koncepce historickogeografického výzkumu i náplň Historické geografie se proměňuje, tak jako se mění moderní věda a její metody. Přesto zůstává časopis věrný několika hlavním problémovým okruhům: historické geografii sídel a obyvatelstva, hospodářské historické geografii, územnímu vývoji Českých zemí, fyzickogeografické historické geografii, dějinám kartografie, historické kartografii, historické geografii kultury a nejnověji environmentálním dějinám. [15] Významnou představitelkou zabývající se historickou geografií je profesorka Eva Semotanová z Historického ústavu AV ČR, která je mimo jiné redaktorkou časopisu Historická geografie a také napsala knihu Historická geografie českých zemí. V této knize popisuje historickou geografii jako mezioborovou hraniční disciplínu, která se dotýká Země i člověka. Historická geografie studuje proměny geografického prostředí v minulosti, příčiny, které 13

23 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 14 tyto proměny způsobily a jejich následky. Mezi nejvýznamnější historickogeografické prameny se řadí prameny písemné, kartografické, obrazové a hmotné. K významným písemným historickým pramenům patří úřední materiály, jako jsou různé listiny a listy, desky zemské a dvorské, městské knihy, dále pak písemné operáty katastrů a vojenských mapování a jiné další. Kartografické prameny jsou spolu s písemnými nejvyužívanější. Za kartografické prameny jsou považovány staré mapy z století. Každá mapa se mění na historický pramen, pokud její obsah již neodpovídá současnému stavu. O několika významných kartografických pramenech se píše v několika kapitolách této práce. V historické geografii lze využívat různé metody a přístupy. Soubor metod tvoří především metody historické, geografické, kartografické a metody souvisejících hraničních oborů. Pro tuto práci je nejdůležitější zmínit se o metodě kartografické. Tato metoda se považuje v historické geografii za jednu z nejvýznamnějších. Kartografická metoda využívá kartografických i písemných pramenů k zobrazení historického vývoje a jeho prostorových vazeb. Výsledkem výzkumu provedeného kartografickou metodou jsou tematické mapy či atlasy. V geografických metodách jsou stále častěji využívány geografické informační systémy (GIS), které umožňují ukládání dat do geodatabází, analytické zpracování a rychlou manipulaci s digitalizovanými daty. Geografické informační systémy se používají mimo jiné při tvorbě tzv. rekonstrukčních map (tematických historických map). Rekonstrukce zaniklé krajiny je jedním z hlavních úkolů historické geografie. Údaje vzniklé studiem pramenů se zpracovávají většinou formou tematických map, ale pomocí těchto map nelze dostatečně simulovat vzhled zaniklé krajiny. Vznikají proto tzv. simulované krajiny neboli digitální modely území. [16] Předchozí odstavce byly věnovány historické geografii a jejím představitelům v rámci historického proudu a následující odstavce se budou věnovat proudu geografickému. V rámci geografického proudu je nejvýznamnějším pracovištěm Katedra sociální geografie a regionálního rozvoje na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze. Za čelní představitele lze považovat především Ivana Bičíka, Leoše Jelečka a Pavla Chromého, kteří působí aktivně i na mezinárodním poli. Výzkum na této katedře se soustřed uje zejména na vývoj vztahu člověka a přírodního prostředí, konkrétně na historický land-use, environmentální dějiny atd. Zde lze jmenovat některé publikace, které vznikly na této katedře, zabývající se přímo vývojem využití ploch. Je to například publikace Bičík, I. a kol. (2012): Vývoj využití ploch v Česku nebo další publikace, která vznikla v rámci mezinárodní spolupráce Land Use/Cover Changes in Selected Regions in the World, Volume VII. 14

24 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 15 Mezi další geografické instituce, kde se prosazuje historickogeografický výzkum, patří Geografický ústav Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity. Přínosem jsou také instituce, které se věnují rozvoji metodiky a aplikací GIS při zpracování starých map. Na tomto místě je možné jmenovat Katedru geografie Západočeské univerzity v Plzni nebo Laboratoř geoinformatiky Univerzity J. E. Purkyně v Ústí nad Labem. Jednotící roli v oboru hrají dva časopisy, a to již zmíněný sborník Historická geografie, druhým periodikem je Klaudyán - internetový časopis pro historickou geografii a environmentální dějiny. [17] V dalších odstavcích bude popsána metodika zpracování kartografických pramenů. 2.2 Georeferencování starých map Georeferencování znamená umístění map v definovaném souřadnicovém systému. Po digitalizaci jsou data v lokálním souřadnicovém systému, který je většinou založen na obrazových souřadnicích. Pro další práci s mapou je třeba definovat vztah mapového obrazu k předem definovanému souřadnicovému systému. Systém je definován příslušnými parametry: použitá referenční plocha počátek odečítání souřadnic na referenční ploše kartografické zobrazení U starých map je většinou definice systému nedostatečná nebo zcela neznámá. Nepříjemnou záležitostí, která se projevuje na mapovém obrazu, je srážka či jiné poškození původního média. Je zjevné, že pro všechny typy map není vhodný stejný postup georeferencování. Pro všechny typy je však výchozí sběr identických bodů (Control Points). Pro tyto body jsou známé souřadnice jak na mapovém obraze, tak i v definovaném souřadnicovém systému. Mezi nejvhodnější identické body patří rohy mapového rámu. Tyto rohy mají často známé souřadnice. Pro některé významné klady mapových listů jsou vytvořeny seznamy souřadnic rohů nebo dokonce existuje software pro jejich vyhledání. Jako příklad je možné uvést soubor programů MATKART. Kromě rohů mapových listů je možné též využít 15

25 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 16 souřadnicovou sít v mapovém obraze. Průsečíky souřadnicové sítě jsou výhodné zejména díky pravidelnosti jejich rozložení. Jsou-li k dispozici identické body na rozích mapového rámu či v průsečících souřadnicové sítě, většinou není potřeba dalších identických bodů v obrazu mapy. Avšak je možné sbírat identické body v obrazu mapy k posouzení přesnosti bodů na rámech či souřadnicové síti. V obrazu mapy je nejvhodnější volit tzv. opěrné body pro mapovou kresbu. U map založených na geodetickém měření se jedná především o body triangulačních sítí. Pokud nejsou k dispozici žádné informace o souřadnicích, je vhodné se zaměřit na snadno identifikovatelné objekty, u kterých je možné zjistit souřadnice ze současných mapových podkladů. Mezi trvalé objekty patří například kostely, kaple či jiné významné stavby. Méně vhodné jsou pak křížení cest, mosty atd. Přímo nevhodné je použití vodstva, které se může během času měnit, nebo reliéfu, který nemusí být správně zakreslen. Výběr identických bodů je také ovlivněn měřítkem mapy. Pro georeferencování je důležité rozložení identických bodů. Identické body, pokud je to možné, by měly být rozloženy rovnoměrně po celém obraze. [14] Lineární 2D transformace Pro lineární 2D transformace jsou důležité tři následující geometrické operace. Každou z nich je možné definovat pomocí transformační matice. Posunutí Posunutí neboli translace je určeno vektorem posunutí p = (P x, P y ). Transformační matice pro posun T má tvar Otočení 1 0 P x T = 0 1 P y (2.1) Otočení neboli rotace kolem počátku soustavy souřadnic má transformační matici R. Dva úhly ω x a ω y představují rotaci každé ze souřadnicových os. Matice rotace má tvar cos(ω x ) sin(ω y ) 0 R = sin(ω x ) cos(ω y ) 0 (2.2)

26 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 17 Změna měřítka Změna měřítka ovlivňuje velikost i polohu transformovaného objektu ve směru souřadnicových os. Je-li hodnota koeficientů (m x, m y ) v intervalu (0,1) dochází ke zmenšení a posunutí směrem k počátku. Pokud je hodnota větší než jedna dochází ke zvětšení a posunutí od počátku. Pokud je hodnota koeficientu záporná, je zvětšení či zmenšení provedeno v opačném směru. Speciálními případy jsou možnosti, kdy koeficienty jsou rovné -1 nebo 1. Poté nastává symetrie. Transformační matice pro změnu měřítka M má tvar Do skupiny lineárních 2D transformací patří: Shodnostní m x 0 0 M = 0 m y 0 (2.3) Shodnostní transformace zahrnuje posunutí a rotaci (stejnou v obou osách). Měřítko zůstává nezměněno. Tato transformace je konformní a nezkresluje délky. Transformační rovnice mají tvar x = cos(ω)x sin(ω)y + P x, y = sin(ω)x + cos(ω)y + P y. (2.4) V rovnicích vystupují 3 neznámé (ω, P x, P y ). Pro určení těchto neznámých jsou potřeba 3 souřadnice identických bodů. V praxi se ale většinou používají 4 souřadnice (2 identické body). Při použití více identických bodů se používá vyrovnání metodou nejmenších čtverců (MNČ). Podobnostní Podobnostní transformace zahrnuje posunutí, rotaci (stejnou v obou osách) a změnu měřítka (stejnou v obou osách). Podobnostní transformace je konformní a zachovává rovnoběžnost přímek. Často se používá v geodézii. Transformační rovnice mají tvar x = m cos(ω)x m sin(ω)y + P x, y = m sin(ω)x + m cos(ω)y + P y. (2.5) V rovnicích vystupují 4 neznámé (ω, m, P x, P y ). Pro určení těchto neznámých jsou potřeba 4 souřadnice identických bodů (2 identické body). Při použití více identických 17

27 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 18 bodů se používá vyrovnání MNČ. Afinní Afinní transformace zahrnuje posunutí, rotaci, změnu měřítka v obou osách a zkosení obrazu (samostatný úhel rotace pro každou souřadnicovou osu). Tato transformace se hodí pro obrazová data ovlivněná srážkou původního média. Afinní transformace je z jednoduchých transformací v kartografii nejpoužívanější. Transformační rovnice mají tvar x = m x cos(ω)x m y sin(ω)y + P x, (2.6) y = m x sin(ω)x + m y cos(ω)y + P y. V rovnicích vystupuje 6 neznámých (ω x, ω y, m x, m y, P x, P y ). Pro určení těchto neznámých je potřeba 6 souřadnic identických bodů (3 identické body). Při použití více identických bodů se používá vyrovnání MNČ. Projektivní Projektivní transformace, někdy označovaná jako kolineární, je nejsložitější z 2D lineárních transformací. Není konformní, nezachovává rovnoběžnost přímek. Vystupuje zde celkem 8 neznámých parametrů. K vyřešení je tedy potřeba alespoň 8 souřadnic identických bodů (4 identické body). U starých map se používá nejčastěji v případě, kdy je obraz transformován na 4 identické body (nejčastěji rohy mapového listu). Metoda s vyrovnáním se uplatňuje zejména ve fotogrammetrii pro transformaci snímkových souřadnic středového promítání. Transformaci nelze vyjádřit jednoduše pomocí geometrických parametrů, ale používají se obecné vztahy. 1 g h 1 1 Po rozepsání vzniknou následující rovnice x y a b c x = d e f y (2.7) x = y = ax + by + c gx + hy + 1 dx + ey + f gx + hy + 1,. (2.8) [14] 18

28 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY Polynomická transformace Polynomická transformace existuje až do stupně n. V praxi se ale nejčastěji používá polynom 2. nebo 3. stupně. Polynom 1. stupně představuje afinní transformaci. Transformační rovnice polynomu 2. stupně mají tvar x = ax 2 + by 2 + cxy + dx + ey + f, y = gx 2 + hy 2 + ixy + jx + ky + l. (2.9) Minimální počet identických bodů pro polynomické transformace je roven n 2 + 3n + 2, kde n je stupeň polynomu. Polynomické transformace vyšších stupňů nejsou konformní, převádějí obrazy přímek na křivky. Tyto transformace se používají v případě, kdy jsou data hodně deformovaná a je předpoklad zkreslení podle nějaké polynomické funkce. Používá se větší počet identických bodů tak, aby mohlo dojít k vyrovnání. Mimo výše uvedených metod existují ještě další transformační metody. Z nich lze jmenovat lokální transformační metody - IDW, Thin Plate Spline, dále pak transformace po částech a transformace s podmínkami návaznosti hran. Více v [14] Georeferencování v ArcGIS V ArcGIS slouží pro georeferencování panel nástrojů Georeferencing. ArcGIS nabízí několik různých transformačních metod - afinní, polynomickou 2. a 3 stupně, projektivní, spline a adjust. Před začátkem georeferencování je v panelu nástrojů vybrán rastr, který bude transformován. Je výhodné použít funkci Fit To Display, která přemístí rastr do aktuálního výřezu. Případně je možné rastr posunout či otočit. Dalším krokem je umístění identických bodů, to se provede pomocí funkce Add Control Points. Pokud jsou známé souřadnice identických bodů, je možné je vložit pomocí pravého tlačítka myši a volbou Input X and Y. Umístěné identické body je možné kontrolovat v tabulce (View Link Table), pro každý bod se v tabulce zobrazuje střední kvadratická odchylka. V tabulce je také možné body s velkou odchylkou mazat. V tabulce je také zobrazena střední kvadratická chyba transformace (Total n i=1 RMS Error), která se vypočte podle vzorce RMS = (r r i), kde r i je chyba na n jednotlivých bodech a n je počet identických bodů vstupujících do transformace. Při georeferencování je dobré si zvolit možnost Auto Adjust, což způsobí změnu polohy rastru při vložení nového identického bodu. Při spokojenosti s výsledkem transformace se zvolí možnost Update Georeferencing, která uloží transformaci a vytvoří nový soubor s 19

29 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 20 příponou aux.xml a world file. 2.3 Vektorová data Vektorová data se mohou skládat z bodů, případně úseček spojujících dva sousední body. Všechny objekty jsou definovány pomocí souřadnic lomových bodů a popisných údajů (atributů). Tento formát není příliš vhodný pro staré mapy, protože u starých map je třeba pracovat s obrazem jako takovým. Avšak vektorového formátu se s výhodou využívá například při výpočtech vzdáleností, ploch nebo při cíleném výzkumu vybraných prvků mapy. Vektorová data jsou ukládána do tříd prvků (vrstev), každý objekt je součástí jedné vrstvy, která představuje určitý jev. Ve srovnání s rastrovými daty je objem uložených dat malý. Ke každé třídě prvků jsou ukládány popisné informace neboli atributy. Tyto atributy pak tvoří atributovou tabulku, kde každý řádek tvoří jeden prvek a sloupce tvoří atributy. [14] Používané formáty vektorových dat Shapefile Jedná se o formát vyvinutý firmou ESRI, který je nejspíše nejrozšířenějším formátem vektorových prostorových dat. Shapefile není topologický. Je složen z několika souborů. V souboru DBF jsou uloženy atributy, v souboru PRJ informace o souřadnicovém systému, v další souborech mohou být uloženy informace o prostorových indexech. DGN Jedná se o nativní formát CAD, který není přímo určen pro GIS. Proto také tento formát nenabízí možnost uložení atributů. Geodatabáze Je to nativní formát software ESRI ArcGIS. ArcGIS nabízí dva typy geodatabází - Personal Geodatabase, která využívá platformu Microsoft Access. Druhým typem je File Geodatabase, pro kterou je použita interní souborová struktura. Tento vektorový formát podporuje topologii. Obecné databáze 20

30 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 21 Jde o stále častěji používaný formát pro ukládání vektorových dat. Data jsou uložena a spravována v relacích (tabulkách). Data mohou být uložena bud v klasických tabulkách bodů, linií a ploch, nebo se využívají klasické databázové systémy doplněné o speciální prostorové funkce (např. PostGIS). GML Je to formát založený na formátu XML. Jedná se o standard konsorcia OGC a je využíván ve webových mapových službách. [14] Vznik vektorových dat Obrazová data mohou být do vektorové formy převedena následujícími dvěma způsoby: Přímá digitalizace K přímé digitalizaci se využívá digitizér, který snímá obrazové souřadnice na mapě a ukládá je do počítačového souboru. Z takto uložených souřadnic lze vytvářet data v určitém vektorovém modelu. Vektorizace K vektorizaci je potřeba mít digitální rastrový obraz. Z rastrového do vektorového formátu je možné převést data manuálně, automaticky, případně poloautomaticky (řešení složitých míst manuálně). Vektorizace je prováděna v specializovaných softwarech. V obou případech jsou atributová data pořizována bud souběžně s geometrickými daty, nebo až dodatečně. U starých map dochází k přímé digitalizaci jen zřídka, nebot by mohlo dojít k poničení mapy při přímém kontaktu s digitizérem. Častější metodou je vektorizace. Tato metoda digitalizace je časově náročná a navíc staré mapy většinou nejsou vhodné pro automatickou vektorizaci, proto k vektorizaci nedochází tak často. Přesto je v některých případech vhodné vektorová data pořídit. Jedná se především o analýzy jevů zobrazených na mapách, kdy je možné s výhodou využít výpočetní nástroje GIS software. [14] 2.4 Rastrová data Na rozdíl od vektorového modelu se zde nepracuje s geometrickými objekty, ale přímo s obrazovými elementy (pixely), které komplexně vyplňují zkoumanou plochu. Prostor 21

31 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 22 může být dělen na jednotlivé elementy bud pravidelně, nebo nepravidelně. V počítačovém prostředí je mnohem používanější metoda pravidelného dělení. Při pravidelném dělení může být prostor rozdělen na trojúhelníky, čtyřúhelníky nebo šestiúhelníky. Nejpoužívanější možností dělení je na čtyřúhelníky (čtverce). Tato možnost dělení poskytuje řadu výhod, z nichž nejvýznamnější je kompatibilita s kartézským souřadnicovým systémem. Trojúhelníkové dělení se využívá hlavně v oblasti modelování povrchů. Největší uplatnění mají nepravidelné trojúhelníkové sítě (TIN), které se používají k modelování terénu. Mezi největší výhody rastrového modelu patří jednoduchost datové struktury, relativní nenáročnost na hardware a jednoduchost prováděných simulací na datech. Naopak nevýhodou je velký objem dat, horší kvalita výstupů či nepřesnosti v poloze a atributech. [14] Komprese dat Kompresi dat se věnuje u rastrových dat velká pozornost, především kvůli velkým objemům dat. Rozlišuje se ztrátová a bezeztrátová komprese. Ztrátová komprese vypouští z obrazu některé informace, zatímco bezeztrátová komprese zaručí možnost navrácení k původním datům. Mezi nejpoužívanější typy komprese rastrových dat patří: Run Lenght Encoding (RLE), Huffmanovo kódování, Slovníkové kódování, Diskrétní kosinová transformace Vybrané formáty dat BMP Tento formát využívá metodu komprese RLE, obrazy true color 1 jsou nekomprimované. Pro geografická data se téměř nepoužívá. GIF Toto je speciální formát pro vytváření animací, stále je často k vidění na internetu 1 True color - barevná hloubka, která zobrazuje pravé barvy přibližně v rozlišení lidského oka. Obsahuje celkem 2 24 barev [14] 22

32 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 23 právě díky možnosti jednoduchých animací. Dříve to býval hlavní formát pro čárové obrázky na internetu, dnes je však nahrazen formátem PNG. PNG Jedná se o nejpoužívanější formát pro čárové obrázky na internetu. Je to nejkvalitnější formát pro bezeztrátovou kompresi. Plně využívá alfa kanál, který udává hodnotu průhlednosti pixelu. TIFF Tento formát podporuje velké množství barevných hloubek a způsobů kompresí. Jeho obecnost ho předurčuje jako univerzální formát pro rastrová data. GeoTIFF je speciálně modifikovaný typ se souřadnicovým připojením uloženým v hlavičce. Výhodou tohoto formátu je možnost ukládat objemné rastry speciálním způsobem, a to postupně po dlaždicích (čtverce) nebo po pruzích (bloky řádků nebo sloupců). JPEG Je to velmi rozšířený formát využívaný většinou digitálních fotoaparátů. Využívá metodu diskrétní kosinové transformace, jde o ztrátovou kompresi. Kvalitu komprese lze nastavit. Čím větší je komprese, tím méně kvalitní jsou data. Pro primární uložení starých map není tento formát vhodný, avšak dokáže ušetřit prostor zabíraný rastrovými daty. PDF Jedná se o formát určený k šíření digitálních dokumentů. Uchovává informace pomocí vektorů, ale je možné vkládat i rastrová data Vznik rastrových dat Rastrová data mohou vzniknout následujícími způsoby. Vždy je vytvořena matice pixelů, která je převedena do některého z formátů rastrových dat. Skenování Je to typický způsob vzniku rastrových dat pro staré mapy. Zařízení, které se používá pro skenování, se nazývá skener. Existuje několik druhů skenerů lišících se svojí konstrukcí. Fotografování Jedná se o nejčastější způsob pořizování rastrových dat, avšak pro staré mapy není 23

33 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 24 úplně vhodný. Rasterizace Je to nejméně používaná metoda pro vznik rastrových dat. Při rasterizaci dochází k převodu vektorových dat na data rastrová. U starých map tato metoda nemá smysl. [14] Georeferencované rastry Existuje několik způsobů, jak uložit georeferenční informace o rastru, ale princip je pokaždé stejný. Vedoucí úlohu v této oblasti mají firmy ESRI a Intergraph. ESRI používá pro georeferenci rastrů tzv. world file, což je textový soubor, který se distribuuje společně s rastrem. Formátům TIFF, JPEG a BMP přísluší world file TFW, JPW a BPW. Rastr a jeho world file musí mít stejné názvy. World file obsahuje 6 číselných koeficientů. Firma Intergraph používá pro souřadnicové připojení rastrů svých souborů (CIT, COT, RLE, apod.). V hlavičce je uložena homogenní transformační matice T. Přístupy obou firem jsou podobné, avšak při distribuci georeferencovaných rastrů je vhodné znát použitý souřadnicový systém. Tento problém se řeší přidáním dalšího souboru, například v software ArcGIS se používá soubor AUX.XML. Velmi slibným formátem je GeoTIFF, který je založen na standardu TIFF. GeoTIFF umožňuje uložení jak transformační matice, tak i informace o souřadnicovém systému. [14] 2.5 Topologie Topologie je matematické odvětví, která se zabývá geometrickými vztahy. Topologické vztahy objektu jsou vlastnosti, které se při změně rozměrů objektu nemění. Topologie zachovává vlastnosti mezi různými objekty, jako je přilehlost, shodnost a spojitost. Topologie se využívá pro efektivní analýzu prostorových funkcí. Rychlá a správná analýza je zajištěna dodržením topologických pravidel. Topologická pravidla slouží pro sledování prostorových vztahů mezi prvky jedné třídy, ale i mezi prvky dvou tříd. Topologická pravidla se dělí na pravidla pro body, linie a polygony. Podrobný popis topologických pravidel lze najít v [18]. 24

34 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY Topologie v ArcGIS Formátem, který v software ArcGIS podporuje topologii, je geodatabáze. Podmínkou vytvoření topologie je tedy, aby data byla uložena v geodatabázi. Pro vytvoření topologie v ArcGIS je připraven průvodce, který uživatele provede jednotlivými kroky při vytváření nové topologie. V prvním kroku je nutné topologii pojmenovat. V druhém kroku se nastavuje cluster tolerance vzdálenost, kdy všechny vrcholy a hrany jsou považovány za identické. V dalším kroku se volí vrstvy z geodatabáze, které budou v topologii obsaženy. V posledním kroku se volí topologická pravidla, která mají být dodržena. Při výběru pravidla se nejprve volí vrstva, pro kterou má pravidlo platit, a tím se redukuje výběr pravidel. Nakonec se zobrazí přehled toho, co bylo nastaveno. Po založení topologie následuje dialog, který se ptá, zda má být provedena validace dat. Topologie může být ve třech stavech - Not Validated, Validated Error Exist, Validated No Errors. Po validaci je možné najít ve vlastnostech topologie počet chyb pro jednotlivá topologická pravidla. V ArcGIS je pro opravu chyb v topologii připraven panel Topology. Aby bylo možné začít s opravami, je třeba mít zapnutou editaci. Pomocí funkce Error Inspector je možné zobrazit přehled nalezených chyb. Po kliknutí pravým tlačítkem myši na danou chybu se zobrazí možnosti předdefinovaných oprav. Pokud se nejedná o chybu lze ji označit jako výjimku pomocí funkce Mark as Exception. Mezi předdefinované opravy topologie patří například zjednodušení Simplify, sloučení Merge nebo vytvoření nového prvku Create Feature. [18] 2.6 Tvorba modelů terénu Digitální model terénu je model povrchu Země bez staveb, stromů a dalších objektů v digitální podobě. Jedná se vlastně o zjednodušený model složitého reálného zemského povrchu. V angličtině se používá termín Digital Terrain Model (DTM). Synonymem pro DMT je digitální model reliéfu (DMR). Digitální model povrchu je model povrchu Země, ale na rozdíl od DMT, se všemi objekty, které na něm leží. Tento model vzniká pomocí laserového skenování, dálkového průzkumu Země nebo ve fotogrammetrii při použití automatizovaného sběru bodů pomocí obrazové korelace. DMT se získává následným zpracováním. V angličtině se používá termín Digital Surface Model (DSM). 25

35 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY Metody zpracování DMT K reprezentaci reálného terénu je možné použít mnoho způsobů. Vstupní data (vrstevnice, výškové kóty) tvoří tzv. nekompletní reprezentaci. Dá se říci, že mezi daty jsou mezery (vrstevnice mají určitý interval, kóty zase určitou hustotu). Pro dosažení kompletní reprezentace je nutné provést interpolaci vstupních dat. V praxi je nejčastější reprezentace pomocí Triangulated Irregular Network (TIN) a rastru. TIN Jedná se o reprezentaci povrchu pomocí nepravidelné trojúhelníkové sítě. Pro tvorbu TIN se používá metoda zvaná triangulace. Jednou z podmínek triangulace je, aby vytvářené trojúhelníky byly co nejvíce rovnostranné a aby výsledek byl nezávislý na orientaci dat a volbě počátečního bodu. Tyto podmínky splňuje Delaunayho triangulace. V datovém modelu TIN obsahuje každý trojúhelník informaci, ze kterých hran je složen a každá hrana obsahuje informaci, které body ji definují. TIN je v prostoru vizualizován jako propojená sít trojúhelníků, která je spojitá. Při triangulaci může dojít k vytvoření tzv. rovinných (vodorovných) trojúhelníků. Ty se vytvoří, když algoritmus vybere pro tvorbu trojúhelníku body o stejně nadmořské výšce. Tyto trojúhelníky mají sklon 0 a nemají definovanou orientaci vůči světovým stranám. To následně může způsobit problémy při analýzách a modelování. Tato chyba se odstraní například dodáním výškových bodů. Rastr Dalším velmi rozšířeným typem kompletní reprezentace povrchu je rastr. Více o rastrových datech pojednává jedna z předešlých částí této kapitoly. Rastr se používá k reprezentaci spojitého jevu nad danou oblastí. Může se jednat o DMT nebo některé z něj odvozené jevy (sklon, orientace, atd.) nebo například srážky, průměrnou teplotu a další. Následně budou představeny algoritmy, pomocí kterých je možné interpolovat vstupní body a linie do podoby rastrů. [19] Interpolační metody IDW (Inverse Distance Weighted) IDW neboli metoda inverzních vzdáleností určuje hodnoty buněk na základě lineárně vážené kombinace množiny vstupních bodů, kde váha je převrácená hodnota vzdálenosti. Volba váhy umožňuje kontrolovat důležitost vstupních bodů v závislosti na 26

36 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 27 jejich vzdálenosti od aktuálně počítaného bodu. Pokud by měla být spočtena z-ová souřadnice bodu P, byl by matematický zápis následující: z P = n i=1 n i=1 z i d i (2.10) 1 d i V ArcGIS se hodnota váhy volí pomocí parametru power. Extenze Geostatistical Analyst umožňuje provádět podrobnější nastavení vstupních hodnot. Toto rozšíření umožňuje také automatické určení vhodné hodnoty power. Pro interpolaci IDW je třeba mít vstupní data ve formě bodů. Pokud jsou k dispozici data ve formě vrstevnic, je nutné je převést na body. V ArcGIS to umožňuje například funkce Feature Vertices To Points. Kriging Jedná se o geostatistický proces, který generuje povrch z rozptýlené množiny bodů obsahujících informaci o nadmořské výšce či jiném modelovaném jevu. Kriging vyžaduje hlubší znalosti geostatistiky a zkoumání prostorového chování jevu. Spline Spline interpolace generuje povrch s minimální křivostí, který prochází vstupními body. Pomocí vstupních parametrů lze ovlivnit chování výsledného povrchu tak, aby například pro vyšší hladkost neprocházel přesně vstupními body. Výhody spline interpolace jsou následující: rychlý výpočet s pomocí segmentace možnost vyhlazování povrch prochází přesně vstupními daty povrch je vizuálně líbivý ArcGIS nabízí dva druhy spline interpolace - regularized a tension. Více na [20]. Topo To Raster Je to interpolační metoda vytvořená firmou ESRI speciálně pro tvorbu hydrologicky korektních modelů. Je navržena pro použití běžně dostupných dat (zejména vrstevnic). Tato metoda kombinuje vlastnosti interpolačních metod popsaných v předchozím 27

37 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 28 textu. Je optimalizována pro efektivnost výpočtu lokálních interpolačních metod (IDW), ale bez ztráty návaznosti povrchu globálních interpolačních metod (Spline, Kriging). Topo To Raster podporuje následující typy vstupních dat: [19] PointElevation je bodová vrstva obsahující informaci o nadmořské výšce v atributové tabulce. Contour je liniová vrstva obsahující informaci o nadmořské výšce v atributové tabulce. Stream je liniová vrstva reprezentující vodní toky. Boundary je vrstva obsahující jeden polygon, který definuje hranice dané oblasti. Slouží k ořezu výsledného rastru. Sink je bodová vrstva reprezentující známé topografické deprese. Lake je polygonová vrstva, která definuje polohu vodních ploch. Všechny uvedené interpolační metody jsou v ArcGIS obsaženy v sadě nástrojů Spatial Analyst - Interpolation Toolset. Jejich bližší popis je možné nalézt na [20] Odvozené morfometrické charakteristiky Mezi nejznámější morfometrické charakteristiky patří sklon a orientace svahu. Sklon vyjadřuje změnu reliéfu ve směru spádnice. Orientace vyjadřuje změnu reliéfu ve směru vrstevnice. Pro jednotlivé trojúhelníky TIN je dána informace o sklonu a orientaci ze souřadnic, lze říci, že tuto informaci obsahují implicitně a není nutné ji počítat. U rastrové reprezentace se sklon i orientace počítají pomocí směrových derivací. V ArcGIS lze použít funkci Slope pro výpočet sklonu a Aspect pro výpočet orientace. [19] Možnosti vizualizace DMT Vizualizace DMT patří mezi důležité kroky při jeho tvorbě. Pomocí vizualizace je možné odhalit případné chyby ve vstupních datech či nevhodně použitý interpolační algoritmus. Správnou vizualizací jsou prezentovány výsledky, a to bud ve 2D, nebo dnes ve velmi populární 3D formě. 28

38 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 29 Vizualizace ve 2D Základním způsobem vizualizace DMT ve 2D je použití šedotónové nebo barevné stupnice. Pro šedotónové stupnice se běžně používají hodnoty (lze použít i jiné). Vizualizace pomocí barevné stupnice se nazývá barevná hypsometrie. Často používaným a vhodným nástrojem pro vizualizace ve 2D je stínovaný reliéf (shaded relief). Stínovaný reliéf zvýrazňuje strukturu DMT, která je ozářena Sluncem. V GIS software lze nastavit různou polohu Slunce. V ArcGIS se stínovaný reliéf vytvoří pomocí funkce Hillshade, která je dostupná v Spatial Analyst nebo 3D Analyst. Vizualizace ve 3D Pro 3D vizualizaci výškových dat existuje řada nástrojů - v ArcGIS je to ArcScene, v GRASS GIS modul nviz, dále pak Atlas, Surfer, ale i Google Earth, který obsahuje vrstvu DMT a 3D budov. Následující text je zaměřen na 3D vizualizaci v ArcScene. V ArcScene je třeba každému rastru přiřadit zdroj výšek, jinak je rastr zobrazen jako rovina. Zdroj výšek pro rastrovou vrstvu se nastavuje v jejích vlastnostech (Properties Base Heights). Výjimku tvoří TIN, u kterého není nutné nastavovat zdroj výškových dat, protože jednotlivé vrcholy trojúhelníku obsahují informaci o nadmořské výšce explicitně. Pro zatraktivnění vizualizace je možné použít tzv. textury. Jedná se například o ortofoto či starou mapu. Tyto textury se mapují na podkladový DMT tak, že každému pixelu textury je přiřazena nadmořská výška na základě souřadnic. Nastavení podrobnosti zobrazení textury se provede ve vlastnostech v záložce Rendering. Čím větší je podrobnost zobrazované textury, tím větší jsou nároky na hardware. 3D objekty Stejně jako rastrovým vrstvám je možné přiřadit výšky i vektorovým vrstvám. Na rastrovou vrstvu (texturu) je možné posadit vektorovou vrstvu například zástavby, lesů, atd. V některých případech je u těchto vrstev nutné nastavit offset (odsazení), aby nedocházelo k vzájemnému prolínání vektorové a rastrové vrstvy. V ArcScene se offset nastavuje v záložce Base Heights. Pro dokreslení prostorového efektu u polygonových vrstev je možné použít funkci Extrusion, která vytáhne zvolenou vrstvu do výšky o stanovený počet jednotek. Bodové vrstvy je možné vizualizovat pomocí 3D objektů (budovy, stromy). V nastavení symbologie bodové vrstvy je možné si vybrat z předdefinovaných 3D symbolů ze sady 29

39 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 30 symbolů 3D Buildings či 3D Trees. ArcScene také umožňuje vizualizovat reálné budovy. Model reálné budovy je možné vytvořit například v aplikaci Google SketchUp a poté importovat do ArcScene. Vizualizace pomocí VRML Vytvořené modely lze v ArcScene exportovat do formátu VRML (Virtual Reality Modeling Language), a to v menu File Export Scene 3D. 3D scéna je uložena do souboru, který lze otevřít v internetovém prohlížeči pomocí některého VRML přehrávače. Příkladem VRML přehrávače je Cosmo Player nebo Cortona 3D. V internetovém prohlížeči je potom možné model prohlížet, otáčet a různě procházet. [19] 2.7 Webové mapové aplikace Dnes je velmi oblíbené sdílení dat pomocí webových mapových aplikací. Tyto aplikace jsou založené na serverovém softwaru a k jejich ovládání slouží webové stránky. Uživatel má možnost si prolížet rozsáhlé obrazy např. starých map bez toho, aby je musel stahovat. Jedná se o využití metody klient-server. Metoda klient-server zajišt uje přímou interakci mezi uživatelem a daty na serveru. Na serveru běží aplikace (webový server), která zpracovává požadavky klientů a vrací jim odpovědi. Klientem je většinou aplikace schopná zobrazit odpověd v jazyce XHTML - webový prohlížeč. Vzhledem k tomu, že požadavek na přenos dat je, aby byl byl co nejrychlejší, není vhodné pracovat s velkými objemy dat. Existují dvě možnosti uložení dat na serveru. V prvním případě jsou vygenerovány výřezy obrazu mapy v různých rozlišeních. Většinou se jedná o dlaždicovou strukturu dat. Webová aplikace pracuje s předgenerovanými dlaždicemi, které se dají ukládat do vyrovnávací paměti (cache). Výhodou je možnost několikanásobného současného přístupu k datům a jejich rychlé prohlížení v různých měřítkách. Nevýhodou této metody je pevná měřítková řada (mapy mohou být zobrazeny pouze v předem definovaných měřítkách) a také nemožnost jakékoliv změny dat. V této metodě se jedná o statická data. Přístup k dlaždicím a ovládání aplikace je zpravidla založeno na jazyku JavaScript nebo na Adobe Flash. Mezi populární JavaScriptové knihovny patří např. OpenLayers. Zoomify je velmi známou aplikací na platformě Adobe Flash. V druhém případě jsou data na serveru uložena ve své primární podobě, případně jsou nějakým způsobem komprimována či pyramidována. Pokud jsou data v primární 30

40 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 31 podobě, je nutné, aby na serveru běžela ještě další aplikace - mapový server. Mapový server umožňuje vytváření mapových výstupů na základě požadavků uživatele. Mapový server pracuje s georeferencovanými daty a umožňuje data převádět mezi definovanými souřadnicovými systémy. Na základě požadavku uživatele je vytvářen příslušný výřez dat v určitém souřadnicovém systému. Existuje několik různých implementací mapových serverů, mezi nejznámější patří [14]: ArcGIS Server, UMN MapServer, GeoMedia WebMap, Geoserver. 2.8 Webové mapové služby Mezi nejznámější webové mapové služby patří Web Map Service (WMS), Web Feature Service (WFS), Web Coverage Service (WFS). Tyto webové mapové služby jsou standardy, které definuje Open Geospatial Consortium (OGC) Web Map Service Web Map Service v překladu znamená webová mapová služba. Tato služba umožňuje sdílení geografických informací ve formě rastrových dat v prostředí internetu. Výsledkem požadavku na WMS server jsou obrazová data v některém z podporovaných formátů - PNG, JPG, atd. Data mohou zobrazovat pouze jednu tematickou vrstvu nebo mohou být výsledkem překrytu několik vrstev (mapová kompozice). Poskytovaná data jsou georeferencovaná, tzn. že je jednoznačně daný jejich referenční souřadnicový systém. Pro současnou verzi WMS jsou definovány tři typy operací: GetCapabilities vrací XML soubor s metadaty WMS serveru. GetMap vrací mapu ve formě rastrového obrázku. GetFeatureInfo vrací XML soubor s atributy daného prvku na mapě. 31

41 KAPITOLA 2. ÚVOD DO PROBLEMATIKY Web Feature Service WFS pracuje na rozdíl od WMS pouze s vektorovými daty ve standardu Simple Features 1. K přenosu informací je využíváno formátu Geography Markup Language (GML). Podporovány jsou operace jako vkládání, aktualizace, mazání nebo dotazování. Pomocí této služby je možné získat vektorová data pro další zpracování a analýzy. Na rozdíl od WMS je pro WFS definováno více operací. Podle podporovaných operací jsou pak definovány čtyři úrovně WFS: Simple WFS, Basic WFS, Transactional WFS, Locking WFS Web Coverage Service WCS je určená pro distribuci originálních rastrových dat. Na rozdíl od WMS nedochází k převzorkování do požadovaného rastrového obrazu mapy, ale jsou poskytována originální data. Pro WCS jsou definovány tři operace [14]: GetCapabilities, DescribeCoverage, GetCoverage. 1 OGC a ISO standard 32

42 Kapitola 3 Mapové podklady Pro řešení diplomové práce byly využity tyto mapové podklady: II. VM 2 ML, III. VM v měřítku 1 : spojené ML poskytované na ArcGIS Serveru FŽP UJEP, III. VM v měřítku 1 : ML, Císařské otisky map stabilního katastru 14 ML, Mapy PK spojené ML poskytované na ArcGIS Serveru FŽP UJEP, Státní mapa odvozená 1 : ML, ZABAGED, Ortofoto z roku 1953 spojené ML poskytované na ArcGIS Serveru FŽP UJEP, Současné ortofoto 11 ML. 3.1 II. a III. vojenské mapování viz kapitola 1 Historie zájmového území 33

43 KAPITOLA 3. MAPOVÉ PODKLADY Císařské otisky map stabilního katastru Mapování stabilního katastru probíhalo v letech Matematickým základem stabilního katastru je zobrazení Cassini-Soldnerovo, což je transverzální válcové zobrazení ekvidistantní v polednících, osa Y je obrazem základního kartografické poledníku. Zobrazení tak rozsáhlého území tehdejší Habsburské monarchie do jedné souřadnicové soustavy tak, aby nedocházelo k příliš velkým zkreslením, nebylo možné. Pro naše území byly definovány dvě soustavy s počátky: trigonometrický bod na vrchu Gusterberg pro Čechy, věž kostela sv. Štěpána ve Vídni pro Moravu a Slezsko. Mapy vznikaly v měřítku 1 : Kromě originálních map byly vytvářeny ručně kolorované tzv. povinné císařské otisky. Další kopie mapy, také kolorované, sloužily jako tzv. indikační skici pro oceňování, zápisy jmen vlastníků, domovních čísel atd. Z historického hlediska a pro výzkum vývoje krajiny jsou pro nás nejzajímavější povinné císařské otisky, které jsou ručně kolorované a čitelnější než samotné originály. Císařské otisky v digitální podobě je možné nalézt na stránkách Ústředního archivu zeměměřictví a katastru (ÚAZK) - Povinné císařské otisky lze objednat prostřednictvím Geoportálu ČÚZK - geoportal.cuzk.cz/. [14] 3.3 Mapy pozemkového katastru Zákon o pozemkovém katastru byl přijat v roce Vytvářené katastrální mapy se vyznačovaly vysokou úrovní. Mapy byly vyhotovovány zpravidla v měřítku 1 : nebo 1 : v souřadnicovém systému S JTSK. Podstatnými částmi pozemkového katastru byly: měřický operát, písemný operát, sbírka listin, úhrnné výkazy. Pozemkový katastr byl udržován v souladu se skutečným stavem a byl velmi přesný až do roku 1938, později již nebyla jeho údržba dostatečná a zejména po r se začal 34

44 KAPITOLA 3. MAPOVÉ PODKLADY 35 Obrázek 3.1: Císařské otisky část mapového listu z katastrálního území Fláje velmi rozcházet se skutečností. V této době vznikaly v přídělovém řízení grafické přídělové plány, které byly vyhotovovány zpravidla na zmenšeninách katastrálních map. Nové hranice byly do plánu zakreslovány co nejjednodušeji a jednoduchým způsobem byly zjišt ovány i výměry. Vznikl tak velmi neutěšený stav a v roce 1971 byl nakonec pozemkový katastr zcela zrušen. [21] Spojené mapové listy pozemkového katastru jsou k dispozici na ArcGIS Serveru FŽP UJEP zejména pro území Ústeckého kraje. 3.4 Státní mapa odvozená 1 : Termín státní mapa byl poprvé použit pro projekt topografického mapování v konformním Křovákově obecném kuželovém zobrazení po roce Od roku 1946 byla vyhotovována Státní mapa ČSR 1 : hospodářská (SM-5 hospodářská). Kapacitní důvody neumožňovaly tvorbu SM-5 hospodářské tak, aby plnila veškeré požadavky. Tehdejší Ministerstvo techniky tudíž rozhodlo o vyhotovení Státní mapy 1 : odvozené jako mapového provizoria. Tato mapa se začala vydávat od roku 1950 a vznikala na celém území českých zemí mimo již existující SM-5 hospodářské. Celkem bylo vydáno téměř 16 35

45 KAPITOLA 3. MAPOVÉ PODKLADY 36 Obrázek 3.2: Ukázka spojených mapových listů PK tisíc mapových listů. [12] SMO-5 je státní mapové dílo, které bylo vytvořeno přepracováním dostupných podkladů a souvisle pokrývá území celé tehdejší ČSSR. Původními podklady pro vyhotovení mapy byly [13]: katastrální mapa v měřítku 1 : pro polohopis, topografická mapa v systému S-1952 pro výškopis, v případě nutnosti topografické sekce 3. vojenského mapování pro výškopis. Mapový list vzniká rozdělením mapy 1 : na deset sloupců a deset vrstev a označuje se názvem významného města na území mapového listu, číslem sloupce odděleným pomlčkou od čísla vrstvy. Naskenované mapové listy je možné prohlížet stejně jako císařské otisky na stránkách Ústředního archivu zeměměřictví a katastru (ÚAZK) - Tyto mapové listy lze objednat přímo v ÚAZK. 3.5 ZABAGED Základní báze geografických dat České republiky (ZABAGED R, dále jen ZABAGED) je digitální geografický model území České republiky, který svou přesností a podrobností 36

46 KAPITOLA 3. MAPOVÉ PODKLADY 37 Obrázek 3.3: SMO-5 část mapového listu Teplice 6-4 odpovídá Základní mapě České republiky v měřítku 1: (ZM 10). Je vedena ve formě bezešvé databáze pro celé území ČR a je spravována centrálně Zeměměřickým úřadem. Obsah ZABAGED tvoří 123 typů geografických objektů, které patří do polohopisné nebo výškopisné části. Polohopisná část obsahuje prostorové a popisné informace o sídlech, komunikacích, rozvodných sítích a produktovodech, vodstvu, územních jednotkách a chráněných územích, vegetaci a povrchu, terénním reliéfu. Výškopisná část obsahuje trojrozměrně vedené prvky terénního reliéfu a je reprezentována 3D souborem vrstevnic. Proces tvorby ZABAGED začal v roce 1995 vektorizací ZM 10. V roce 2004 byla databáze naplněna v celém rozsahu území ČR a nadefinovaných objektů. Současně v letech probíhala první aktualizace ZABAGED s využitím fotogrammetrických metod a terénního šetření. V letech proběhl druhý cyklus aktualizace. Nyní jsou aktualizace a doplňování ZABAGED realizovány ve tříletých cyklech s využitím leteckých snímků a barevných orotofot, které jsou každoročně vytvářena pro 1/3 území ČR. V roce 2009 byla dokončena kontrola a aktualizace 3D vrstevnic současně s doplněním významných terénních hran. Nově byl vytvořen digitální model reliéfu pro celé území ČR v podobě pravidelné mřížky (10x10) 3D bodů. Data ZABAGED se poskytují po mapových listech ZM 10, případně jako bezešvá databáze celého území ČR. Data jsou poskytována ve vektorových formátech SHP, GML a 37

47 KAPITOLA 3. MAPOVÉ PODKLADY 38 DGN a souřadnicových systémech S JTSK, WGS84 a UTM. Je také možné si stáhnout kartografickou vizualizaci dat ZABAGED v prostředích ESRI ArcGIS a Quantum GIS. [22] 3.6 Ortofoto z 50. let 20. století Systematické snímkování území našeho státu začalo ve 30. letech 20. století. Letecké snímkování od počátku prováděla armáda. První letecké snímkování tehdejšího Československa je z let Soustavné celostátní letecké snímkování bylo obnoveno po 2. světové válce. První topografické mapování proběhlo v letech Snímkování bylo převážně v měřítku 1 : a výstupem byly mapy v měřítku 1 : [23] Z historických snímků celostátního leteckého snímkování z 50. let byla vytvořena ortofotomapa ČR. Letecké měřické snímky byly poskytnuty Vojenským geografickým a hydrometeorologickým úřadem (VGHÚř) v Dobrušce a historické ortofoto zpracovala společnost GEODIS Brno. Historické ortofoto z 50. let je pro celou ČR poskytováno na Národním geoportálu IN- SPIRE. Ortofoto z roku 1953 pro území Ústeckého kraje je poskytováno na ArcGIS Serveru FŽP UJEP. 3.7 Ortofoto České republiky Ortofoto je obrazová transformace středového promítání na ortogonální. K jeho tvorbě je třeba znát digitální model terénu. Vzniká nejčastěji z leteckých měřických snímků. Ortofoto je nejžádanějším produktem fotogrammetrie, má všestranné využití a je aktuální. V České republice se snímkování pravidelně opakuje. Komplexní letecké ortofoto ČR tvoří bezešvou mozaiku jednotlivých ortofot, umístěnou v souřadnicovém systému. Zpracovateli leteckých měřických snímků do formy ortofota ČR jsou Zeměměřický úřad a Vojenský geografický a hydrometeorologický úřad. V letech byla pořízena černobílá ortofota s rozlišením 0,5 m v kladu Základní mapy 1 : , v letech byla pořízena již barevná ortofota se stejným rozlišením, ale v kladu listů Státní mapy 1 : V roce 2009 bylo rozhodnuto přejít na rozlišení 0,25 m. Od roku 2010 je snímkování prováděno digitální kamerou. V letech se každý rok snímkovala 1/3 území ČR, od roku 2012 se přechází na dvouletou periody, kdy každý rok bude snímkována 1/2 území ČR. Ortofoto ČR má široké uplatnění. Používá se například pro aktualizaci ZABAGED, Di- 38

48 KAPITOLA 3. MAPOVÉ PODKLADY 39 gitálního modelu území (DMÚ 25), poskytnutí geoprostorových obrazových dat pro účely EU v rámci projektu INSPIRE. [24] 39

49 Kapitola 4 Zpracování dat 4.1 Postup zpracování dat Získaná data bylo třeba zpracovat tak, aby mohly být vytvořeny požadované výstupy. Požadované výstupy této práce byly předem stanoveny takto: statistické zpracování vývoje krajinného pokryvu tabulky, grafy, mapy zobrazující krajinný pokryv ve třech různých obdobích, digitální model terénu z vrstevnic SMO-5 a ZABAGED, další výstupy odvozené z DMT, publikace webových mapových služeb, webová mapová aplikace umožňující prohlížení vytvořených dat. Postup zpracování dat lze shrnout do následujících kroků: výběr vhodného softwaru pro zpracování dat, založení geodatabáze, georeference rastrových dat, uložení georeferencovaných rastrů do geodatabáze, vymezení zájmového území, 40

50 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 41 vektorizace vybraných mapových podkladů, kontrola topologie, analýza vektorových dat, tvorba požadovaných výstupů. 4.2 Použitý software ArcGIS for Desktop ArcGIS for Desktop je produktem firmy ESRI a byl vybrán pro zpracování dat zejména proto, že obsahuje veškerou potřebnou funkcionalitu pro georeferencování map, vektorizaci a samotnou tvorbu map. Navíc je k dispozici pod univerzitní licencí ČVUT. ArcGIS for Desktop se skládá ze sady aplikací - ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox, ModelBuilder, ArcScene a ArcGlobe. ArcMap Jedná se o centrální aplikaci ArcGIS for Desktop, která slouží pro editaci dat, prostorové analýzy, tvorbu map atd. Aplikace nabízí dva různé pohledy na mapu. Zaprvé je to zobrazení geografických dat, kde se pracuje s vrstvami, mění se zde jejich symbologie a je možné provádět různé analýzy dat. Druhým pohledem je zobrazení výkresu mapy, kde se pracuje s dalšími mapovými prvky, jako je legenda, směrovka, měřítko, atd. Mapové dokumenty lze následně publikovat jako mapové služby prostřednictvím ArcGIS Serveru. ArcCatalog Tato aplikace slouží pro organizaci a správu dat. Lze pomocí ní vytvářet metadata. Dále se také používat pro návrh, tvorbu a správu geodatabáze. ArcToolbox Tato aplikace obsahuje sadu funkcí pro zpracování prostorových dat a je začleněna do všech ostatních aplikací kromě ModelBuilder. Aplikace obsahuje nástroje například pro generalizaci dat a vektorové a statistické analýzy. ArcScene Tato aplikace je součástí nadstavby 3D Analyst a obsahuje nástroje sloužící pro vizualizaci dat ve 3D. Na rozdíl od ArcGlobe je určen pro menší datové sady. [26] 41

51 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT GIMP 2 GIMP znamená GNU Image Manipulation Program, což je program pro úpravu grafiky. GIMP se používá zejména pro úpravu fotografií a tvorbu webové grafiky. Obsahuje řadu rastrových nástrojů, ale také několik vektorových funkcí. GIMP je dostupný zdarma pod licencí GPL. Tento program je dostupný také v češtině. [25] V této práci byl GIMP využit pro ořezání mimorámových údajů mapových listů. V programu byla využita především funkce Ořez, Volný výběr pro výběr podle hranice katastrálního území u císařských otisků. Dále byla využita funkce Přibližný výběr (výběr spojité oblasti na základě barvy), což umožnilo smazat oblasti stejné barvy. GIMP podporuje většinu standardních rastrových formátů. V této práci byl využit export do PNG a TIFF. 4.3 Geodatabáze Pro zpracování dat byl vybrán program ArcGIS 10.1, který nabízí pro uložení vektorových dat dva vektorové formáty - shapefile a geodatabázi. Pro potřeby diplomové práce byla vybrána geodatabáze - File Geodatabase. Tento formát byl vybrán především proto, že podporuje topologii. Geodatabáze byla nazvána flaje web.gdb a v ní byly založeny datasety pro císařské otisky map stabilního katastru, pro SMO-5, pro data ZABAGED a pro vymezení zájmového území. Dále byly do geodatabáze ukládány georeferencované rastry. Ukázka struktury geodatabáze je na obrázku Georeferencování map a tvorba mozaiky Pro práci byl zvolen souřadnicový systém S JTSK. Do tohoto souřadnicového systému byly georeferencovány všechny mapy. V ArcGIS je třeba nastavit souřadnicový systém S-JTSK Krovak EastNorth. Souřadnicový systém se nastaví v menu View Data Frame Properties. Pro uložení georeferencovaných rastrů v geodatabázi byla zvolena tzv. mozaika (Mosaic Dataset). Mozaiková rastrová sada je novinkou ve verzi ArcGIS 10 pro ukládání rastrů v geodatabázi. Dříve bylo možné uložení rastrů v geodatabázi ve formě Raster Dataset a Raster Catalog. Mozaiková rastrová sada není na rozdíl od dvou předchozích formou uložení rastrových dat, ale formou jejich zpřístupnění. Jde o formu on-the-fly pohledu na rastrová data. Mozaiková datová sada umožňuje v jedné vrstvě práci s řadou různých rastrů. Rastry 42

52 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 43 Obrázek 4.1: Struktura vytvořené geodatabáze se mohou lišit uložením, souřadnicovým systémem či prostorovým rozlišením. Výhodou mozaikové datové sady je nezávislost rastrových dat, které ji tvoří, jelikož nedochází ke změně na samotných datech. [27] Císařské otisky map stabilního katastru Naskenované mapové listy byly v rámci grantového projektu získány v rastrovém formátu JPG z Laboratoře geoinformatiky Fakulty životního prostředí UJEP. Jedná se o mapové listy vydané roku Pro vymezené území bylo potřeba získat císařské otisky z katastrálního území Fláje a Český Jiřetín. Z katastrálního území Fláje byly využity všechny mapové listy a z katastrálního území Český Jiřetín pouze jeden mapový list, tak aby bylo pokryto celé zájmové území. Ořezání mapových listů bylo provedeno v programu GIMP 2. Mapové listy byly ořezány podle hranice katastrálního území, aby mohlo následně dojít k jejich snadnému spojení. Pomocí nástrojů obsažených v programu GIMP 2 bylo odstraněno pozadí rastrů a poté byly rastry exportovány do formátu PNG, který podporuje uložení průhledného pozadí. Pro georeferencování map císařských otisků bylo využito metodických pokynů nacházejících se na GIS serveru FŽP UJEP. Ořezané mapové listy byly georeferencovány na mapy pozemkového katastru. Mapy pozemkového katastru se nacházejí na univerzitním 43

53 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 44 ML Počet IB Střední chyba transf. [m] I,IV 13 1, XIV 13 1, II 15 1, III 10 1, V 14 2, VI 17 2, VII 6 1, VIII 11 2, IX 12 2, X 12 3, XI 8 2, XII 12 1, XIII 6 1, VII,X 12 1,89 Průměr 12 2,04 Tabulka 4.1: Počet identických bodů a střední kvadratická chyba afinní transformace pro mapové listy císařských otisků mapovém serveru UJEP a byly připojeny v ArcMap jako ArcGIS Server. Jako identické body byly nejčastěji voleny rohy mapových listů, dále pak rohy budov, či hranice parcel. Počet identických bodů se u každého mapového listu lišil, záleželo především na obsahu mapového listu. Pro CO byla zvolena afinní transformace, která se hodí pro obrazová data ovlivněná srážkou a je v kartografii nejpoužívanější. Počet identických bodů byl volen větší než 3 a docházelo proto k vyrovnání metodou MNČ. V tabulce 4.1 je uveden počet identických bodů a střední kvadratická chyba transformace pro každý mapový list. Průměrná střední kvadratická chyba transformace je 2 m, což odpovídá přesnosti map stabilního katastru, která je dle [28] vyčíslena na 2,08 2,14 m. V příloze č. 2 jsou zobrazeny spojené mapové listy CO. Po ukončení georeferencování byl pro mapové listy CO založen Mosaic Dataset a pomocí funkce Add Rasters byly do datasetu přidány všechny rastry SMO-5 Naskenované mapové listy byly získány v rastrovém formátu JPG a v rozlišení 300 DPI 1. Jedná se o první vydání SMO-5. Tyto mapové listy byly získány z Laboratoře geoinforma- 1 DPI dot per inch 44

54 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 45 tiky Fakulty životního prostředí UJEP. Pro georeferencování mapových listů SMO-5 byl použit klad mapových listů SM5, který je k dispozici zdarma na Geoportálu ČÚZK. Klad mapových listů je poskytován v několika formátech (DGN, DXF, SHP). Protože pro práci byl použit ArcGIS od firmy ESRI, jehož nativním formátem je SHP (shapefile), byl vybrán právě tento formát. Pro georeferencování byl použit nástroj Georeferencing v ArcMap. Pro každý mapový list byly zvoleny 4 identické body v rozích mapových listů, které byly ztotožněny s příslušnými rohy polygonů kladu mapových listů SM5. Byla použita projektivní transformace, která vyžaduje právě 4 identické body. Po ukončení georeferencování se mapové listy vzájemně překrývaly, protože zatím nebyly ořezány mimorámové údaje mapových listů (obr. 4.2). Pro další zpracování mapových listů SMO-5 je třeba se zbavit mimorámových údajů. ArcGIS k tomu nabízí funkci Import Mosaic Dataset Geometry, která se nachází v ArcToolboxu Data Management Tools. Ještě než byla použita tato funkce bylo potřeba založit v geodatabázi Mosaic Dataset a tento dataset naplnit rastry mapových listů SMO-5 pomocí funkce Add Rasters. Výsledek spojení mapových listů již bez mimorámových údajů je vidět v příloze č. 3. V této příloze je také vidět, že na sebe mapové listy dobře navazují II. vojenské mapování Pro zájmové území bylo třeba získat 2 mapové listy II. vojenského mapování s označením Čechy W 3 III, W 4 III. Nejdříve byly ořezány mimorámové údaje mapových listů v programu GIMP. Pro georeferencování je výhodné znát souřadnice rohů mapových listů. Tyto souřadnice byly získány pomocí programu pro výpočet souřadnic rohů listu vojenské topografické mapy z II. mapování ze souboru programů MATKART. Pro každý mapový list byly tedy známé 4 identické body, jejichž souřadnice jsou uvedeny v tabulce 4.2. Z tohoto důvodu byla zvolena projektivní transformace, pro kterou jsou potřeba právě 4 identické body. Poté byly georeferencované rastry přidány do mozaikové rastrové sady, která byla vytvořena v geodatabázi pro II. vojenské mapování. 45

55 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 46 Obrázek 4.2: Georeferencované mapové listy SMO-5 46

56 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 47 W 3 III W 4 III Y [m] X [m] Y [m] X [m] LH PH LD PD Tabulka 4.2: Souřadnice rohů mapových listů II. vojenského mapování (zdroj: MATKART) 3751 Y [m] X [m] LH , ,15 PH , ,46 LD , ,29 PD , ,62 Tabulka 4.3: Souřadnice rohů mapového listu III. vojenského mapování III. vojenské mapování Pro zájmové území byl získán 1 mapový list v měřítku 1 : s označením Souřadnice rohů mapových listů jsou uvedeny přímo v mimorámových údajích ve stupních a minutách. Údaj o zeměpisné délce je uveden pro základní poledníky Greenwich i Ferro. Pro georeferencování mapového listu byly tyto souřadnice odečteny a transformovány do S JTSK pomocí programu z modulu Geografický kalkulátor ze souboru programů MAT- KART. Pro mapový list jsou známy 4 identické body rohy mapového listu (tab. 4.3), z tohoto důvodu byla pro georeferencování zvolena projektivní transformace. Nakonec byl georeferencovaný rastr uložen do geodatabáze Ortofoto Z ČÚZK bylo získáno 11 souborů ortofot z roku 2011 v kladu Státní mapy 1 : Tato ortofota nebylo třeba georeferencovat. Byly totiž získány již georeferencované v systému S JTSK. Pro ortofota byla v databázi pouze vytvořena mozaiková datová sada a ortofota do ní byla vložena pomocí funkce Add Rasters. Spojená ortofota pro dané území jsou v příloze č

57 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT Vymezení zájmového území Pro vymezení zájmového území byla použita hranice katastrálního území Fláje. Hranice byla získána vektorizací georeferencovaných císařských otisků stabilního katastru pomocí nástroje Editor. Polygon znázorňující přehradu Fláje byl použit z dat ZABAGED. Při pohledu na hranici katastrálního území a plochu přehrady bylo zjištěno, že plocha přehrady zasahuje za hranici katastrálního území Fláje (na katastrální území Český Jiřetín). Proto byla zájmová oblast o přečnívající část přehrady Fláje rozšířena, tak aby pokrývala celou plochu vodní nádrže Fláje (obr. 4.3). 4.6 Manuální vektorizace vrstevnic SMO-5 Vektorizace vrstevnic byla provedena v ArcMap s použitím nástrojového panelu Editor. Pro vrstevnice SMO-5 byla založena nová třída v geodatabázi a byl pro ní zvolen jeden atribut s názvem VYSKA pro výškové hodnoty. Vrstevnice jsou v intervalu bud 5 m, nebo 10 m. Vektorizované vrstevnice byly použity dále pro tvorbu DMT (viz obrázek 4.4). 4.7 Analýza krajinného pokryvu Analýza krajinného pokryvu si klade za úkol zjistit, jak se vyvíjel krajinný pokryv (využití území) v zájmové lokalitě. Krajinný pokryv je zkoumán a porovnáván pro roky 1842 (CO), 1953 (SMO-5) a 2010 (ZABAGED). Podstatnou část zpracování zabírá vektorizace rastrových dat a následná kontrola jejich topologické správnosti. Data ZABAGED jsou již ve vektorové podobě, u nich je pouze potřeba provést oříznutí podle zájmového území. Nakonec je provedeno vyhodnocení a porovnání krajinného pokryvu ve vybraných letech Vektorizace CO a SMO-5 Vektorizace krajinného pokryvu na císařských otiscích byla provedena v programu Arc- Map ve vytvořené geodatabázi s polygonovou třídou cisarske otisky. Této třídě byl přiřazen textový atribut s názvem KR POKRYV popisující typ krajinného pokryvu. Podle legendy císařských otisků bylo na mapě rozpoznáno deset typů krajinných pokryvů - budovy, cesty, lesy, louky, orná půda, ostatní plochy, pastviny, vodní plochy a toky a zahrady. Legenda 48

58 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 49 Obrázek 4.3: Vymezení zájmového území císařských otisků byla získána z webových stránek Ústředního archivu zeměměřictví a katastru a je uvedena na obrázku

59 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 50 Obrázek 4.4: Vektorizované vrstevnice SMO-5 50

60 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 51 Obrázek 4.5: Legenda pro císařské otisky stabilního katastru - český překlad [31] 51

61 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 52 Pro vektorizaci ploch krajinného pokryvu zobrazeného na SMO-5 byla v geodatabázi založena polygonová třída smo5. Podle legendy SMO-5 bylo na mapě rozpoznáno devět typů krajinných pokryvů. Oproti císařským otiskům zde byly sjednoceny dva typy (orná půda a ostatní plochy) do jednoho, a to z důvodu neexistence mapové značky pro ornou půdu. Legenda SMO-5 byla získána z bakalářské práce Barbory Handrychové, která legendu sama dovodila. Tato legenda je na obrázku 4.6. Oproti císařským otiskům byla vektorizace složitější zejména proto, že jednotlivé typy krajinného pokryvu nejsou na mapě SMO-5 rozlišeny barevně. Obrázek 4.6: Legenda pro SMO-5 [30] Vektorizace byla provedena pomocí nástrojového panelu Editor po jednotlivých parcelách. Často využívaným nástrojem z tohoto panelu byl nástroj Trace, tzv. sledování podél již existujícího prvku. Tento způsob vektorizace není složitý, ale přesto se při ní nelze vyhnout některým topologickým chybám. Proto byla po skončení vektorizace provedena kontrola topologie Kontrola topologie Pro kontrolu topologických chyb, které vznikly vektorizací císařských otisků, byla založena v geodatabázi topologie Cisarske otisky Topology. Při vytváření topologie se nastavuje 52

62 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 53 cluster tolerance, což je vzdálenost, kdy všechny vrcholy a hrany jsou považovány za identické. Cluster tolerance byla nastavena na 0,002 m. Dále se vyberou vrstvy, které budou obsaženy v topologii a nastaví se topologická pravidla, v případě císařských otisků byla vybrána jedna vrstva cisarske otisky. Na výběr je několik topologických pravidel různých pro bodové, liniové a polygonové vrstvy. U císařských otisků byla nastavena dvě topologická pravidla - Must Not Overlap a Must Not Have Gaps. Při vytvoření topologie byla rovnou provedena validace dat. Ve vlastnostech topologie (Topology Properties) je záložka Errors, kde se pomocí funkce Generate Summary vygeneruje počet chyb pro nastavená pravidla. Automaticky je vytvořeno pravidlo - Must Be Larger Than Cluster Tolerance. Pro kontrolu topologických chyb, které vznikly vektorizací SMO-5, byla založena v geodatabázi topologie SMO5 Topology. Dále byl použit obdobný postup, jaký je popsaný v předchozím odstavci pro císařské otisky. Must Not Overlap Toto pravidlo znamená nesmí přesahovat. Ukázka této topologické chyby je na obrázku 4.7. Pro odstranění topologických chyb je třeba mít zapnutou editaci. Při odstraňování topologických chyb byl využit nástrojový panel Topology, v tomto panelu se nachází nástroj Error Inspector, který umožňuje zobrazení všech nalezených chyb. Při kliknutí pravou myší na chybu se zobrazí nabídka možností, což je vidět také na obrázku 4.7. Pomocí možnosti Zoom To byla chyba zobrazena v detailu. Pro opravu dvou překrývajících se polygonů byla použita funkce Merge, která sloučí překrývající se část s vybraným polygonem. Must Not Have Gaps Toto pravidlo znamená nesmí mít mezery. Ukázka této topologické chyby je na obrázku 4.8. Všechny chyby tohoto typu byly stejně jako předchozí zobrazeny v nástroji Error Inspector. Protože tato chyba znamená, že v některých místech existují mezery, je potřeba ji opravit pomocí funkce Create Feature. Tato funkce vytvoří na místě mezery polygon. Takto nově vytvořený polygon byl pomocí funkce Merge sloučen s jedním ze sousedních polygonů Úprava dat ZABAGED Z polygonových vrstev ZABAGED byly vybrány ty, které zasahují na zájmové území. Jedná se o tyto vrstvy: budova jednotlivá nebo blok budov; areál účelové zástavby; par- 53

63 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 54 Obrázek 4.7: Ukázka chybné topologie v ArcGIS - Overlap Obrázek 4.8: Ukázka chybné topologie v ArcGIS - Gap 54

64 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 55 koviště, odpočívka; vodní plocha; bažina, močál; orná půda a ostatní dále nespecifikované plochy; ovocný sad, zahrada; trvalý travní porost; lesní půda se stromy; lesní půda s kosodřevinou; okrasná zahrada, park. Vybrané vrstvy byly ořezány na rozsah zájmového území pomocí funkce Clip. Poté byl ořezaným vrstvám přidán atribut KR POKRYV, který byl vyplněn pomocí funkce Field Calculator. Nebylo zvoleno tolik typů krajinného pokryvu, jako bylo použito vrstev. Pro zjednodušení bylo určeno 7 typů krajinného pokryvu bažiny, budovy, lesy, louky + pastviny (trvalý travní porost), ostatní plochy (orná půda), vodní plochy a zahrady. Nakonec byly všechny vrstvy spojeny do jedné polygonové třídy s názvem zabaged pomocí funkce Merge. Pro tuto vrstvu byla vytvořena topologie ZABAGED Topology, i když bylo předpokládáno, že v datech ZABAGED nebudou žádné topologické chyby. Byla nastavena stejná topologická pravidla jako pro CO a SMO-5 a bylo zjištěno, že dochází k překrytí (overlap) některých polygonů, což nebylo žádoucí. Tato překrytí byla zobrazena v Error Inspector a opravena pomocí funkce Merge Vyhodnocení CO vs. SMO5 vs. ZABAGED Po opravě všech topologických chyb byl v atributové tabulce vytvořen nový sloupec pro výpočet plochy. Plocha jednotlivých polygonů v hektarech byla spočtena pomocí funkce Calculate Geometry. Dále byla použita funkce Summarize nad sloupcem KR POKRYV a bylo zvoleno, aby se pro každý typ krajinného pokryvu vypočetla suma ploch. Výstupem je nová tabulka obsahující tolik řádků, kolik je typů krajinného pokryvu. Celkový součet všech ploch byl zjištěn pomocí funkce Statistics. Vypočtené hodnoty pro císařské otisky, pro SMO-5 a pro ZABAGED jsou v tabulce 4.4. Pro lepší porovnání byla vytvořena tabulka 4.5, kde je vypočten nárůst či úbytek jednotlivých typů krajinných pokryvů. Pomlčky v tabulce znamenají, že pro tento typ krajinného pokryvu v tomto období je údaj neznámý. Týká se to dat ZABAGED, která neposkytují vodní toky a cesty ve formě polygonů, tudíž nemohla být určena výměra pro tyto dva typy krajinného pokryvu pro rok Dále byly pro přehlednost a zjednodušení ponechány pouze typy krajinných pokryvů s velkou výměrou a zbytek byl sloučen do kategorie s názvem ostatní. Vzniklo tak pouze pět typů krajinného pokryvu - lesy, louky+pastviny, orná půda, ostatní a vodstvo. Jejich porovnání je možné pozorovat v tabulkách 4.6 a 4.7. Srovnání úbytku či přírůstku pro pět typů krajinného pokryvu je možné sledovat na grafu v příloze č. 1 G). Kromě souhrnných tabulek byly pro každé období vytvořeny dva grafy, které je možné 55

65 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 56 Plocha [ha] Typ krajinného pokryvu Bažiny ,4407 Budovy 1,4242 2,4820 1,1015 Cesty 19, ,0539 Lesy 1674, , ,3984 Louky 120, , ,6731 Orná půda + ostatní plochy 168, , ,7118 Pastviny 10, ,5617 * Vodní plochy 0,0761 0, ,9020 Vodní toky 5,8161 6,5822 Zahrady 0,0490 0,1156 1,2067 Celkem 2000, , ,4342 * Pastviny jsou pro toto období obsaženy v loukách Tabulka 4.4: Krajinný pokryv císařské otisky, SMO-5 a ZABAGED Plocha [ha] Typ krajinného pokryvu Bažiny ,4407 Budovy 1, ,0578-1,3805 Cesty 19, ,7659 Lesy 1674, , ,5442 Louky 120, , ,6038 Orná půda + ostatní plochy 168, , ,7164 Pastviny 10, ,8197 * Vodní plochy 0, , ,8222 Vodní toky 5, ,7661 Zahrady 0, , ,0911 * Pastviny jsou pro toto období obsaženy v loukách Tabulka 4.5: Změny v krajinném pokryvu 56

66 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 57 Plocha [ha] Typ krajinného pokryvu Lesy 1674, , ,3984 Louky, pastviny 130, , ,6731 Orná půda 168, , ,7118 Ostatní 20, , ,7489 Vodstvo 5,8922 6, ,9020 Celkem 2000, , ,4342 Tabulka 4.6: Krajinný pokryv zjednodušení na 4 typy Plocha [ha] Typ krajinného pokryvu Lesy 1674, , ,5442 Louky, pastviny 130,8883-9, ,1655 Orná půda 168, , ,7164 Ostatní 20, , ,0972 Vodstvo 5, , ,2400 Tabulka 4.7: Změny v krajinném pokryvu - 4 typy nalézt v příloze č. 1. V prvním grafu jsou zastoupeny všechny typy krajinného pokryvu. Ve druhém grafu byly vynechány lesy, které zabírají většinu území, tím bylo dosaženo lepší přehlednosti pro vzájemné porovnání méně zastoupených typů krajinného pokryvu. Procentuální zastoupení jednotlivých typů krajinného pokryvu na mapě císařských otisků je vidět na grafu v příloze č. 1 A), B). Z grafu A) je patrné, že v roce 1842 byla většina území pokryta lesem (84 %), této skutečnosti odpovídá poloha zkoumaného území. Jedná se o území v Krušných horách a z historických pramenů je známé, že se většina obyvatel živila těžbou dřeva. Druhým nejvíce zastoupeným krajinným pokryvem byla orná půda a třetím louky. Procentuální zastoupení typů krajinného pokryvu na SMO-5 z roku 1953 se příliš neliší od roku 1842, což je vidět na grafech v příloze č. 1 C), D). Největší podíl stále zabírají lesy. Druhý největší podíl nesou ostatní plochy, zde to je z důvodu sloučení orné půdy do ostatní ploch a třetí největší podíl mají stejně jako u CO louky. V roce 1953 je možné pozorovat zvětšení plochy u budov, cest, pastvin, ostatních ploch (orné půdy), naopak zmenšení je u luk a lesů. Procentuální zastoupení typů krajinného pokryvu v roce 2010 je možné pozorovat na 57

67 KAPITOLA 4. ZPRACOVÁNÍ DAT 58 grafu v příloze č. 1 E), F). Oproti CO a SMO-5 zde není možné vidět vodní toky a cesty, které ZABAGED nabízí pouze ve formě linií. Naopak zde přibyly bažiny. Stejně jako u SMO-5 došlo ke sloučení ostatních ploch a orné půdy, navíc jsou sloučeny i louky a pastviny (trvalý travní porost). Nejvyšší procentuální zastoupení má opět les. Je možné pozorovat velký nárůst vodních ploch, a to zejména díky přehradě Fláje. K nárůstu vodních ploch dochází na úkor budov, trvalých travních porostů a ostatních ploch. 58

68 Kapitola 5 Prezentace výsledků 5.1 Digitální model terénu ArcGIS nabízí několik interpolačních metod, které se dají využít pro tvorbu DMT, jako například IDW (Inverse Distance Weighted), Kriging nebo Spline, které jsou popsány v podkapitole 2.6. Ale v tomto případě byla pro tvorbu DMT použita funkce Topo to Raster, která kombinuje výhody výše zmíněných metod. Navíc se tato metoda hodí pro liniová vstupní data, v tomto případě vrstevnice (contours). Pro tvorbu DMT byly použity ručně vektorizované vrstevnice z SMO-5 a vrstevnice ZABAGED. Při dalším zpracování byla použita funkce Extract by Mask, která slouží k oříznutí rastru, jako maska byl použit polygon vymezující zájmové území. Na obrázku 5.1 je znázorněn DMT pomocí barevné hypsometrie. ArcGIS nabízí již předdefinované barevné stupnice, ale pro účely zobrazení DMT byla nadefinována vlastní barevná stupnice. Tmavě hnědá barva na stupnici určuje místa s maximální nadmořskou výškou, naopak světle zelená barva určuje místa s nejmenší nadmořskou výškou, z obrázku je vidět, že v místech s nejmenší nadmořskou výškou později vznikla vodní nádrž. Po vytvoření DMT byla provedena kontrola kvality výsledného modelu. Tato kontrola byla provedena vizuálně pomocí vrstevnic. Z vytvořeného DMT byly vygenerovány vrstevnice s menším intervalem než byly vrstevnice původní. V ArcGIS lze vrstevnice generovat pomocí funkce Contour. Poté byly vizuálně porovnány vstupní a výsledné vrstevnice. Pro lepší vizualizaci byl vytvořen stínovaný reliéf pomocí funkce Hillshade. Stínovaný reliéf byl zobrazen pomocí šedotónové stupnice a byla mu nastavena průhlednost 70 %. Poté byl umístěn nad výškový rastr. DMT se stínovaným reliéfem je v příloze č. 5 a č. 8. Z DMT byla dále vypočtena jedna z odvozených morfometrických charakteristik - sklon. 59

69 KAPITOLA 5. PREZENTACE VÝSLEDKŮ 60 Obrázek 5.1: a) Digitální model terénu z vrstevnic SMO-5, b) Vodní plocha Fláje na DMT Sklon se v ArcGIS vypočítá pomocí funkce Slope (2.6), výstup funkce je implicitně ve stupních (lze změnit na procenta). Pro výsledný rastr byla zvolena jedna z předdefinovaných barevných stupnic, dále je možné rastr klasifikovat a volit si počet tříd. Pro rastr sklonů bylo zvoleno 8 tříd. Z přílohy č. 7 je patrné, že v území se vyskytují jak rovinné plochy, tak i příkře skloněné plochy s nejvyšší hodnotou necelých 29. Navíc z obrázku je možné pozorovat vhodnost umístění přehrady v oblasti. V okolí později postavené přehrady se vyskytují svahy s největšími sklony. Pro lepší porovnání DMT z SMO-5 a ZABAGED byl z rastru vytvořen TIN, to bylo provedeno pomocí funkce Raster To TIN. Porovnání TIN je v příloze č. 9. Pro zobrazení TIN byla zvolena stejná barevná stupnice jako pro výškový rastr a výšky byly klasifikovány do 8 tříd. Kromě vizuálního porovnání TIN, byl proveden ještě jiný způsob porovnání, a to pomocí funkce Minus. Tato funkce provede odečtení hodnot vstupních rastrů buňku po buňce, je důležité pořadí vstupních rastrů. Pomocí této funkce byl odečten výškový rastr vytvořený ze ZABAGED od výškového rastru z SMO-5. Výsledek je v příloze č. 10. Porovnání obou DMT SMO-5 vůči ZABAGED bylo provedeno především z důvodu zjištění přesnosti vrstevnic SMO-5. Výškové rozdíly rastrů se pohybují od -39 m do 33 m. Z obrázku je patrné, že největší výškové rozdíly jsou v oblasti, kde stojí přehrada. Tyto rozdíly jsou způsobeny změnami reliéfu kvůli výstavbě přehrady. Ostatní výškové rozdíly mohou být 60

70 KAPITOLA 5. PREZENTACE VÝSLEDKŮ 61 způsobeny také nepřesností výškopisu SMO-5. Tyto rozdíly však nejsou nijak dramatické D vizualizace v ArcScene Pro 3D vizualizaci digitálního modelu terénu byl použit jeden z nástrojů ArcGIS, a to ArcScene. Nejdříve je potřeba nastavit rastru zdroj výšek, jinak se rastr zobrazí jako rovina. Zdroj výšek se nastavuje ve vlastnostech vrstvy (Properties Base Heights). Zobrazení DMT v ArcScne po nastavení zdroje výšek je na obrázku 5.2. Pro lepší vizualizaci DMT byly využity textury, kterými mohou být staré mapy či ortofoto. Těmto texturám je třeba nastavit jako zdroj výšek DMT. Na obrázku 5.3 jsou jako textura použity mapy císařských otisků. Pro další zlepšení 3D efektu je možné nastavit konstantu Vertical Exaggeration, která ovlivňuje míru vykreslení reliéfu. Tuto konstantu je možné nalézt v menu View Scene Properties. Při hodnotě 1 jsou vertikální rozdíly nepatrné, při zvyšování této hodnoty se rozdíly v reliéfu zvýrazňují, což vytváří lepší 3D efekt. V příloze č. 6 je porovnání vizualizace DMT s různými hodnotami konstanty Vertical Exaggeration. V ArcScene existuje několik možností, jak zobrazit budovy ve 3D. První z nich je ukázána na obrázku 5.3. Zde je použita již dříve vektorizací vytvořená polygonová vrstva budov a pomocí funkce Extrusion je tato vrstva vytažena do výšky (o 15 jednotek). Na obrázku jsou pak zděné budovy znázorněny růžově a dřevěné žlutě. Druhou možností, jak zobrazit budovy ve 3D, je možnost použití 3D symbolů - ESRI nabízí sadu symbolů nazvanou 3D buildings. Tyto symboly jsou určené pro bodové vrstvy, proto byla polygonová vrstva budov převedena na vrstvu bodovou pomocí funkce Feature To Point. Poté byla bodové vrstvě nastavena 3D symbologie. Tato možnost zobrazení budov ve 3D je vidět na přílohách č. 11, 12 a 13, kde je zobrazena bodová vrstva budov z císařských otisků, SMO-5 a ZABAGED na textuře současného ortofota. Na těchto obrázcích je možné porovnat umístění budov ve třech různých obdobích. Zatímco na CO a SMO-5 stála většina budov na místě dnešní přehrady, ze ZABAGED je patrné rozmístění v okolí přehrady a také jejich velký úbytek. Vývoj obce je možné doplnit také pomocí fotografie. Vývoj obce pomocí fotografie a modelů vytvořených v ArcScene je možné sledovat v příloze č. 21. V ArcScene byl také proveden export do VRML, export se provede pomocí Export Scene 3D. Po exportu vznikne soubor s příponou *.wrl. Pro prohlížení tohoto souboru bylo třeba nainstalovat VRML přehrávač. Byl vybrán VRML přehrávač Cortona 3D pro Mozilla Firefox. Při spuštění exportovaného souboru v internetovém prohlížeči lze s 3D modelem libovolně otáčet či posunovat. Celkem byly vytvořeny tři 3D modely znázorňující krajinný pokryv na katastrálním území Fláje v letech 1842, 1953 a Budovy byly 61

71 KAPITOLA 5. PREZENTACE VÝSLEDKŮ 62 Obrázek 5.2: Zobrazení DMT v ArcScene pro názornost vytaženy do výšky pomocí funkce Extrusion. Tyto modely se nacházejí na přiloženém CD. V ArcScene je možné nahrávat a exportovat animace (videa) pomocí sady nástrojů Animation. Zajímavé je například nahrát průlet (funkce Fly) nad digitálním modelem terénu. Nahrané animace lze upravovat pomocí funkce Animation Manager. Vytvořené animace lze ukládat do souborů s příponou *.asa (ArcScene Animation File) nebo exportovat do souborů s příponou *.avi. Pro zajímavost bylo vytvořeno několik videí. Tyto videa se nacházejí na přiloženém CD. 5.2 Mapové výstupy Celkem bylo vytvořeno osm mapových výstupů zobrazujících vývoj krajinného pokryvu na katastrálním území Fláje (příloha č , 22): Krajinný pokryv na katastrálním území Fláje v roce 1842, Krajinný pokryv na katastrálním území Fláje v roce 1842 detail, 62

72 KAPITOLA 5. PREZENTACE VÝSLEDKŮ 63 Obrázek 5.3: Zobrazení 3D budov na textuře císařských otisků v ArcScene 63

73 KAPITOLA 5. PREZENTACE VÝSLEDKŮ 64 Krajinný pokryv na katastrálním území Fláje v roce 1953, Krajinný pokryv na katastrálním území Fláje v roce 1953 detail, Krajinný pokryv na katastrálním území Fláje v roce 2010, Krajinný pokryv na katastrálním území Fláje v roce 2010 detail, Vývoj krajinného pokryvu na území vodní nádrže Fláje v letech 1842, 1953 a 2010, Schéma vektorizovaných vrstev pro roky 1842, 1953 a 2010 v k. ú. Fláje. Tyto mapové výstupy byly vytvořeny na základě vektorizovaných dat z císařských otisků a SMO-5 a na základě dat ZABAGED. Protože data ZABAGED neobsahují cesty a vodní toky ve formě polygonů, ale pouze linií, byly do mapy pro rok 2010 přidány tyto liniové prvky - silnice, cesty a vodní toky. Pro přehlednost byly vybrány pouze stálé vodní toky a udržované cesty. Tohoto výběru bylo docíleno pomocí dotazu (Definition Query), který byl zadán ve vlastnostech vrstvy. Pro každý z jmenovaných roků vznikly dva mapové výstupy - první pro celé zájmové území a druhý pro detail zástavby. Vzhledem k velikosti území byl zvolen formát map A3. Mapové výstupy pro území jako celek jsou v měřítku 1 : a detaily jsou v měřítku 1 : V příloze č. 20 a 22 je porovnání tří období, pro které jsou vytvořeny tři datové rámce. Příloha č. 20 zobrazuje vývoj krajinného pokryvu pouze na území vodní nádrže Fláje v měřítku 1 : V příloze č 22 se nachází schéma vektorizovaných vrstev v měřítku 1 : V této příloze je krajinný pokryv zjednodušen do pěti typů. Barvy byly voleny především asociativně lesy, louky zelenou barvou, vodní plochy modře atd. Pro malé plochy (budovy, zahrady) byly zvoleny sytější barvy. Nakonec byly mapy doplněny o kompoziční prvky - název, legenda, grafické a číselné měřítko, tiráž a směrovka. Na obrázku 5.4 je ukázka legendy pro krajinný pokryv na císařských otiscích. Mapové výstupy byly vytvořeny také pro digitální modely terénu a z nich odvozené analýzy. Protože v těchto mapových výstupech nejsou takové detaily jako v předchozích mapách pro krajinný pokryv, byl formát map zvolen A4 a měřítko 1 : Pro symbologii DMT byla použita vlastní barevná stupnice (Color Ramp). Pro zobrazení analýzy sklonistosti svahů a rozdíly reliéfu byly použity již předdefinované barevné stupnice. Na závěr byly mapy doplněny o stejné kompoziční prvky jako u předchozích map, pouze bylo vynecháno číselné měřítko. 64

74 KAPITOLA 5. PREZENTACE VÝSLEDKŮ 65 Obrázek 5.4: Legenda pro krajinný pokryv na císařských otiscích 5.3 Webová prezentace ArcGIS Server ArcGIS Server je mapový server společnosti ESRI a je patrně nejrozšířenější mezi mapovými servery. ArcGIS Server umožňuje publikaci geoprostorových dat formou mapových služeb a publikaci geoprocessingových nástrojů. ArcGIS Server nabízí tři základní edice - Basic, Standard a Advanced. Nejnovější verzí je verze 10.1, která zaznamenala řadu pokroků, například zrychlení instalace. Novinkou je také aplikace WebAdaptor, která předává dotazy mezi web serverem a ArcGIS Serverem. Administrace ArcGIS Serveru je možná následujícími způsoby: přes HTTP (REST API) v ArcCatalogu v aplikaci Manager přes Admin API 65

75 KAPITOLA 5. PREZENTACE VÝSLEDKŮ 66 REST je vlastně takový přístupový bod, zde je zobrazen seznam mapových služeb (příklad: ArcGIS Server nabízí tyto webové služby: Mapové Nativní ArcGIS KML (Google) OGC (WMS, WFS) Feature Geometrické Geoprocessingové Tiskové Vyhledávací Před publikací služby je třeba vytvořit definici nového zdroje (Service Definition) a provést analýzu zdroje, která odhalí případné chyby. Dále zobrazí některá doporučení, která vedou k optimalizaci služby a jejím rychlejším odezvám. Služby publikované ArcGIS Serverem využívají různí klienti [29]: Desktop - ArcMap, ArcExplorer Web - ArcGIS Online, ArcGIS Viewer for Flex Mobil - Android, Windows Phone Otevřené standardy ArcGIS Viewer for Flex ArcGIS Viewer for Flex je volně dostupná aplikace firmy ESRI, pomocí které lze vytvářet webové mapové aplikace i bez znalosti programování. Aplikace je navržena tak, aby umožnila uživatelům snadné a rychlé použití. Aplikace lze obohatit pomocí tzv. widgets 1, které rozšiřují funkcionalitu aplikace. ArcGIS Viewer for Flex obsahuje základní nástroje (Draw, Edit, Bookmark, Legend,...). Další nástroje je možné vytvořit pomocí ArcGIS API for Flex. Tvorba nové webové aplikace má tři základní fáze: 1 Widget neboli ovládací prvek je základní prvek pro interakci programu s uživatelem. 66

76 KAPITOLA 5. PREZENTACE VÝSLEDKŮ 67 definování datového obsahu definování funkcionality, výběr nástrojů (widgets) definování vzhledu Publikace webových služeb Pro webovou prezentaci zpracovaných dat je nezbytné, aby byla data publikována pomocí webových služeb. Před publikací dat je třeba si vytvořit Map Document (*.mxd). V tomto mapovém dokumentu se nastaví souřadnicový systém, u jednotlivých vrstev se zvolí vybraná symbologie, dále měřítkový rozsah, ve kterém se budou vrstvy zobrazovat. U rastrových dat je vhodné vytvořit tzv. pyramidy, pro jejich rychlejší zobrazování. Po nastavení mapového dokumentu se v menu File zvolí Share As Service P ublish a Service. Dále se zvolí URL příslušného ArcGIS Serveru ( fsv.cvut.cz/arcgis). Pokud není možný přístup k serveru ihned, zvolí se místo Publish a Service volba Create Service Definition File. Další postup je stejný, pouze na závěr nedojde k publikaci služby. Je zde volba Stage, která vytvoří soubor s příponou *.sd, jedná se o balíček obsahující všechny potřebné informace pro publikaci služby včetně publikovaných dat. K publikaci služby může dojít kdykoliv později. Nastavení webových služeb probíhá v Service Editor. Zde se nastavují různé parametry, které bude služba mít. Vyplňuje se zde například jméno služby, typ služby (Map Service), typ serveru (ArcGIS Server) a další popis služby. Dále je zde předvyplněna cesta k mapovému dokumentu. Také je možné si zvolit typ služeb, pomocí kterých budou data poskytována. Standardně je povolena volba Mapping, dále je možnost si zvolit KML, WMS, WFS a další. V Service Editor je důležitá funkce Analyze, která zanalyzuje data a odhalí případné chyby v datech. Nakonec vypíše seznam chyb (errors) a varování (warnings). Varování ještě roztřídí do 3 skupin - high, medium, low. Pokud je v datech chyba, nelze je publikovat a chybu je nejdříve nutné opravit. Při kliknutím pravým tlačítkem myši na chybu se nabízí možnosti jejího řešení. Pokud jsou zobrazena varování, může být služba publikována, je však vhodné opravit i všechna varování. Varování jsou vlastně jistá doporučení pro to, aby služba fungovala lépe a rychleji. Příkladem varování je Raster data source does not have statistics, což vyžaduje vypočítání statistik pro rastrová data. Dalším příkladem může být Layer draws at all scale ranges, toto varování se objeví v případě, že není nastaven měřítkový rozsah pro zobrazovaná data. Existuje mnoho dalších typů chyb a varování. Po 67

77 KAPITOLA 5. PREZENTACE VÝSLEDKŮ 68 opravení všech chyb a varování je možné přistoupit k publikaci dané služby. Pomocí aplikace ArcGIS Server Manager bylo publikováno celkem osm webových služeb pro vektorová data jedna služba, pro rastrová data pět služeb a dvě služby pro DMT z SMO-5 a DMT ze ZABAGED. Tyto služby byly publikovány jako Mapping, WMS a KML. Publikované služby se nachází na serveru v adresáři flaje. Popis služeb je možné nalézt na adrese Webová mapová aplikace Adresa vytvořené webové mapové aplikace je: Webová mapová aplikace byla vytvořena pomocí ArcGIS Viewer for Flex, který lze stáhnout zdarma po zaregistrování na ArcGIS Resource Center. ArcGIS Viewer for Flex po založení nové webové mapové aplikace vytvoří systém adresářů a souborů, který je třeba umístit do C:\inetpub\wwwroot. Je vytvořen adresář assets, který obsahuje adresář s obrázky a adresář widgets, který obsahuje definice všech možných widgetů. Tvorba aplikace se skládá ze čtyř základních kroků. V prvním kroku byly vybrány podkladové mapy tzv. Basemaps a tematické vrstvy (Operational Layers) a mapový rozsah (Map Extent). Do aplikace bylo přidáno celkem osm podkladových map. Podkladové mapy i tematické vrstvy lze přidat z ArcGIS Online, z ArcGIS Serveru nebo jako KML. V aplikaci jsou podkladové mapy vytvořené v rámci diplomové práce a publikované na GIS serveru katedry mapování a kartografie na ČVUT a další podkladové mapy jsou přidány z mapového serveru FŽP UJEP. V aplikaci jsou obsaženy následující podkladové mapy: ortofoto z roku 1953, současné ortofoto z roku 2011, II. vojenské mapování, III. vojenské mapování v měřítku 1 : a 1 : , císařské otisky map stabilního katastru, mapy pozemkového katastru, SMO-5. 68

78 KAPITOLA 5. PREZENTACE VÝSLEDKŮ 69 Dále jsou zde publikovány tematické vrstvy zpracované v rámci diplomové práce: vrstevnice SMO-5, hranice zájmového území, hranice k. ú. Fláje, vodní plocha Fláje, krajinný pokryv - CO, SMO-5, ZABAGED, DMT z vrstevnic SMO-5, DMT z vrstevnic ZABAGED. V druhém kroku byly vybrány nástroje, které umožňují rozšíření funkcionality aplikace. Jedná se o widget pro tisk, legendu, seznam vrstev a bookmark, který umožňuje uložení vybraného rozsahu a měřítka mapy. V dalším kroku bylo definováno celkové rozvržení a funkcionalita aplikace. V této části se nacházejí jednotlivé prvky aplikace (navigace, úvodní dialog, zobrazení souřadnic, přepínaní map a vrstev,...), které lze libovolně vypínat a zapínat, případně editovat. Jsou zde obsaženy dva dialogy (Initial Splash Screen, About), jejichž obsah lze editovat pomocí jazyka HTML. V posledním kroku byl definován vzhled aplikace. Byly definovány barvy, font písma, logo a název aplikace. Jestliže nějaký parametr či vlastnost nástroje (widget) nebylo možné nastavit ve Viewer for Flex, bylo možné editovat přímo XML soubory, které jsou obsaženy v adresáři widgets. Každý widget má svůj XML soubor. Hlavní funkcionalitou aplikace je prohlížení dostupných mapových podkladů pro zaniklou obec Fláje. Vývoj území je možné pozorovat na podkladových mapách či na tematických vrstvách. Podkladová mapa může být zapnutá vždy jen jedna. Tematické vrstvy se zapínají pomocí tzv. checkboxů a mohou být zapnuté i všechny najednou. Pomocí rozbalovacího menu u každé tematické vrstvy (viz obr. 5.5) je možné měnit pořadí vrstev, nastavovat jim průhlednost či zobrazit jejich popis. Zajímavým příkladem využití průhlednosti je zobrazení průhledné vodní plochy Fláje a pod ní krajinného pokryvu z císařských otisků či SMO-5 (obr. 5.5). Další příkladem je zobrazení dvou DMT nad sebou, přičemž prvnímu je nastavena průhlednost, na tomto příkladu lze pozorovat změny terénu. 69

79 KAPITOLA 5. PREZENTACE VÝSLEDKŮ 70 Obrázek 5.5: Ukázka nastavení průhlednosti vrstvy Mapu lze ovládat pomocí navigace na levé straně, v levém dolním rohu jsou zobrazeny souřadnice v metrech a grafické měřítko. V pravé horním rohu se nachází odkaz O aplikaci. Po kliknutí je zobrazeno okno s informacemi o aplikaci. Dále je funkcionalita aplikace rozšířena pomocí dalších nástrojů. Pomocí těchto nástrojů lze zobrazit legendu, uložit bookmark či vytisknout vybraný mapový výřez. (viz obr. 5.6) Při tvorbě aplikace nastaly také nějaké problémy. Při načtení aplikace se nezobrazí lesy u vrstvy krajinného pokryvu SMO-5, stačí ale s mapou posunout či ji přiblížit a lesy jsou načteny. Bohužel se nepodařilo zjistit, proč tento problém vzniká. Aplikace byla vytvořena na lokálním PC a následně zkopírována na server katedry mapování a kartografie na ČVUT. Ukázka aplikace je na obrázku

80 KAPITOLA 5. PREZENTACE VÝSLEDKŮ 71 Obrázek 5.6: Ukázka webové aplikace 71