VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA Katedra elektrotechniky a informatiky Obor Počítačové systémy. GIS analýza datových sítí a služeb v kraji Vysočina

Transkript

1 VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA Katedra elektrotechniky a informatiky Obor Počítačové systémy GIS analýza datových sítí a služeb v kraji Vysočina bakalářská práce Autor: Jan Podoba Vedoucí práce: Ing. Lubomír Jůzl Jihlava 2014

2

3 Abstrakt Tato bakalářská práce se bude věnovat využití metod geografických informačních systémů pro analýzu stavu páteřních a distribučních datových sítí v kraji. Bude popsána vizualizace jejich topologie, poskytovatelé, cenová mapa a technologie. Analýze bude předcházet terénní průzkum dostupnosti datových služeb ve městě, internetu popř. veřejného internetu v kraji. Klíčová slova GIS, sítě, poskytovatelé, služby, ARCGIS Abstract This bachelor thesis will focus on the use of methods of geographic information systems for the analysis of the state of backbone and data distribution networks in the region. It describes their topology visualization, providers, price map and technology. The analysis will be preceded by field survey of the availability of data services in the city, internet and public internet etc. Key words GIS, network, providers, services, ARCGIS

4 Prohlašuji, že předložená bakalářská práce je původní a zpracoval/a jsem ji samostatně. Prohlašuji, že citace použitých pramenů je úplná, že jsem v práci neporušil/a autorská práva (ve smyslu zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů, v platném znění, dále též AZ ). Souhlasím s umístěním bakalářské práce v knihovně VŠPJ a s jejím užitím k výuce nebo k vlastní vnitřní potřebě VŠPJ. Byl/a jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje AZ, zejména 60 (školní dílo). Beru na vědomí, že VŠPJ má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé bakalářské práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé bakalářské práce (prodej, zapůjčení apod.). Jsem si vědom/a toho, že užít své bakalářské práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem VŠPJ, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených vysokou školou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše), z výdělku dosaženého v souvislosti s užitím díla či poskytnutí licence. V Jihlavě dne... Podpis

5 Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval svému vedoucímu práce Ing. Lubomíru Jůzlovi za poskytnutí tématu a možnost vytvářet ho pod jeho vedením. Dále pak rodině za velkou trpělivost a podporu během mého studia.

6 Obsah 1 Úvod GIS Části GIS Technologie GIS Technologie GS Architektura a popis částí GS Data modely v GIS Analogový pohled na data GIS Digitální pohled na data GIS Topologie v GIS Rastrové datové modely Vektorové datové modely Topologická pravidla Sítě Úvod Druhy sítí Lokální počítačová síť Metropolitní počítačová síť Rozsáhlá počítačová síť Topologie sítí Sběrnicová topologie Kruhová topologie Hvězdicová topologie Páteřní topologie Software GIS Úvod ArcGIS Analýza datových sítí Vize Aktuální stav Rozšíření Závěr Seznam použité literatury Seznam obrázků Seznam použitých zkratek... 42

7 Přílohy Obsah přiloženého CD... 43

8 1 Úvod Geografický informační systém, který se zkráceně prezentuje pod zkratkou GIS se v dnešní době neustále rozšiřuje a využívá se v několika oblastech. Vznikl za účelem reprezentace geografických dat a dnes je to také nejrozšířenější způsob, jak tyto data prezentovat. Vychází z oblasti, která popisuje a analyzuje prostorové vztahy mezi fyzikálními, biologickými a humánními jevy. Tato oblast se nazývá Geografie. GIS ale není využíván pouze touto vědou, ale využívají ho téměř všechny geovědy. Téma mé bakalářské práce GIS analýza datových sítí v kraji Vysočina jsem si zvolil z důvodu, že mě baví neustále poznávat nové věci a také proto, že mě zajímá využívání informačních systémů v rámci šíření veřejně dostupných informací, které pomáhají v každodenním životě. Bakalářská práce je rozdělena do několika kapitol, které na sebe navzájem navazují tak, aby byli přehledné a srozumitelné pro čtenáře tohoto tématu neznalého. V první kapitole je popsán Geografický informační systém jako takový, speciálně pak pohled přes model ESRI, který v této práci bude využíván, jeho části, nejčastěji používané technologie, data s kterými pracuje, topologie dat a všeobecné využití tohoto systému. 8

9 2 GIS Geografický informační systém je založený na obecném informačním systému. Informační systém je soubor informací, které nám pomáhají sebraná data vytvářet do vhodné podoby pro uchovávání a následné další zpracování dat. Geografický informační systém pracuje s prostorovými daty. Jeho jednoznačnou definici ovšem nelze vyjádřit. Jedna taková obecná definice Geografického informačního systému je právě taková, že se jedná o informační systém, který pracuje s prostorovými daty. Druhou možnou definici lze najít na serveru U. S. Geological Survey 1. Tato definice v překladu říká, že Geografický informační systém je organizovaná kolekce počítačového technického vybavení, programového vybavení, dat a uživatelů určená ke sběru dat, pamatování si, údržbě, editaci, analýze a zobrazování informace. Třetí, a pro tuto práci asi nejdůležitější pohled na definici je pohled ESRI. Ten říká, že GIS je organizovaný soubor počítačového hardware, software a geografických údajů (naplněné báze dat) navržený pro efektivní získávání, ukládání, editování, analyzování a zobrazování všech forem geografických informací Části GIS GIS se skládá z několika základních částí, které jsou pro jeho funkci nezbytné, a rozšiřující, které umožňují kvalitnější zpracování s využitím více technologií. Základních části Geografického informačního systému je celkem pět. Jsou to: Hardware Nejčastěji se jedná o osobní počítač s monitorem, sítě, vstupní a výstupní zařízení (skener, plotter, tiskárna, geodetické přístroje, ) Software Program pro práci s geodaty, bývá stavěn modulárně, sestaven z částí. Základem tohoto programu je jádro se standartními funkcemi pro práci s geodaty a moduly (nadstavba jádra) pro speciální případy (statistická analýza, zpracování snímků,..) 1 U.S. Geological Survey. U.S. Geological Survey [online] , [cit ]. Dostupné z: 2 ESRI. Esri - GIS Mapping Software, Solutions, Services, Map Apps, and Data [online] [cit ]. Dostupné z: 9

10 Data V GIS terminologii jsou nazývána geodata. Tato část je nejdůležitější. Tvoří až 90% finančních nákladů, protože k funkci potřebuje prostředky pro získávání a obnovu dat. Lidé Využívající daný GIS. A to buď programátoři, specialisté, analytici, koncoví uživatelé. Kvalita geodat závisí na schopnostech člověka, který je vytváří. Metody Využití GIS, zpracovávají a propojují všechny části GIS. Propojení těchto pět základních části je zobrazeno na obrázku 1. Obrázek 1: Základní schéma GIS (zdroj: /p1=30583) 10

11 2.2 Technologie GIS S rozvojem Geografických informačních systémů postupně vznikají nové a nové technologie za účelem neustále efektivnější práce se systémy GIS. Obecně technologie Geografického informačního systému lze charakterizovat pomocí dvou základních atributů. První atribut je zpracování geodat standartní relační databázovou technologií a následné nasazení webových prostředků pro plošné šíření a využívání těchto dat. Jedna taková technologie, kterou si zde představíme, je takzvaná technologie GS Technologie GS Technologie, která staví na tom, že neexistují GIS jako samostatně izolované systémy, ale jako informační systémy, které pracují s prostorovou složkou dat. Tato složka musí být kompatibilní s ostatními popisnými atributy. U této technologie je rozdílné to, že k práci s atributy je zapotřebí pouze formuláře, kdežto prostorová složka vyžaduje grafického klienta, který bude schopen pracovat s objekty. Jsou zde využívány tři základní principy: Datový sklad geografických dat realizace pomocí standartní relační databáze (ORACLE, MS SQL) Internet prostředek k plošnému šíření geografických dat SQL - který jako prostředek tvoří nad aplikací GIS logickou strukturu, která se využívá při tvorbě a editaci geografických dat v praxi. 11

12 2.2.2 Architektura a popis částí GS Pro seznámení s vnitřní architekturou technologie GS vyjdeme z tohoto obrázku: Obrázek 2: Architektura GS technologie (zdroj: Popis jednotlivých částí: Úroveň Klienti 1. Využívání dat Počítačový program nebo mobilní aplikace, které využívají GIS data, tyto obecně aplikace mají přístup do internetu. 2. Tvorba dat Software, ve kterém se pracuje s daty a výstup tvoří soubor prezentovaný v síti internet, který využívají klienti přes aplikaci. 12

13 3. Třetí strany OGC WMS 3 Web Map Service (Webová služba) je vyvinutý standart a dále se rozšiřující v Open Geospatial Consortium (OGC). Služba slouží k vytváření a sdílení map ve formě rastrových obrázků. Tyto vytvořené rastrové obrázky jsou zobrazovány v prostředí internetových, nebo lokálních aplikací. Služba funguje na principu klient server. Komplexní mapa, kterou uživatel požaduje, se vytváří pomocí zadání požadavků na server, který mu vrátí ty vrstvy, které prezentují právě rastrové obrázky překryté přes sebe. Komunikace je zde tvořena formátem XML. Pomocí tohoto formátu se lze dotazovat na server. Výhody a nevýhody WMS: V základu se nelze dotázat pomocí mapových souřadnic Lze získat celkem přesná data a bývají často zdarma Neexistuje možnost autorizace uživatelů Není úplně kompatibilní se SOAP protokolem Pro vyhledávání je nutno volat další služby OGC WFS 4 Web features Service je standart dále rozšiřovaný v Open Geospatial Consortium (OGC). Jde o službu, která funguje na principu klient server a přenáší prostorová data v síti internet. Jako formát je zde použit formát GML. Služba má základní a rozšířené možnosti. V té základní jsou vracena data na základě dotazů, v té rozšířené jsou umožněny výměny nad vzdálenou databází. Získaná data jsou zobrazována a zpracovávána v klientských aplikacích typu desktop pro koncové uživatele, nebo zpracovávána pomocí serverů. 3 Open Geospatial Consortium [online] [cit ]. Dostupné z: 4 Open Geospatial Consortium. Open Geospatial Concortium [online] [cit ]. Dostupné z: 13

14 Výhody a nevýhody WFS: Data jsou k dispozici pouze v jedné kartografické projekci Data GML jsou velmi obsáhlá, nelze je použít při pomalém připojení do sítě internet. Přenáší se kompletní data s grafikou a atributy (nejenom obrázek), může dojít k jejím zneužití Web Services Jedná se o technologii pro volání vzdálených funkcí. Myšlenka Web Services je taková, že se WWW stránka vytvářená v souboru HTML překonvertuje na soubor statických a dynamických stránek do XML. Základ Web Services tvoří tři části: 1. Protokol pro vzdálené volání procedur Jedná se tzv. SOAP protokol, který přenáší data zapsaná jako XML 2. Jazyk pro popis poskytovaných služeb Jazyk, který se nazývá WSDL 3. Mechanismus pro nalezení služeb Standarty UDDI a WSIL 2.3 Datové modely GISu Jak bylo zmíněno již v minulé části textu, tak data, se kterými GIS pracuje, jsou nazývána geodata. Tyto data jsou skládána z takzvaných geoobjektů. Geoobjekty jsou určité části modelované reality. Takový geoobjekt se skládá ze dvou až tři typů základních informací. Jsou to: 1. Prostorová informace Informace, která dává pozici, tvar a vztahy k ostatním objektům 14

15 2. Popisná informace Zde se jedná o prostorová data, která uvádějí další informace geoobjektu (typ, délka, stáří, ) 3. Časová informace Pokud je použita, tak zavádí do GISu dynamické vlastnosti geoobjektu jako je například datum poslední modifikace Na prostorová data se dá nahlížet ze dvou pohledů. A to buď z pohledu analogového, nebo digitálního. Popisná informace je charakteristika daného objektu, je implementována grafickým vyjádřením Analogový pohled na data GIS Z analogového pohledu lze k datům přistupovat dvěma způsoby. A to buď pomocí mapových objektů, nebo prostorovými vztahy. Mapové objekty Objekty se dají zobrazovat pomocí tří základních prvků, které se liší dimenzí a použitím. Nad rámec těchto tří základních prvků se nechá využít speciálních případů zobrazení objektů. Jsou to: 1. Bod Tento objekt má hodnotu dimenze rovnu nule. Z toho důvodu u něj nelze změřit žádný rozměr. Reprezentuje tak malé objekty, že se nedoporučuje prezentovat je jinou formou jako například linií nebo plochou. 2. Linie Na rozdíl od Bodu má Linie hodnotu dimenze rovnu jedné. Díky tomu lze u linie naměřit délku pouze v jednom rozměru. Linie často reprezentuje úzké objekty (silnice, potoky, ). Není vhodné jí využívat pro reprezentaci plochy. 15

16 3. Plocha U plochy je přidán další rozměr, tudíž hodnota dimenze plochy je dva. Proto také u ní lze měřit dva rozměry. Plochy reprezentují oblasti, které uzavírají homogenní oblast (zastavěné plochy, lesy, ). 4. Těleso V GISech se používá téměř sporadicky, ve speciálních případech. Hodnota dimenze tělesa je rovna třem. Třetí rozměr je zde vytvořen pomocí digitálního modelu terénu tzv. DMT 5. Anotace 5 Používá se v ESRI softwaru. Pomocí anotace se popisují data. Jedná se o prvky s vlastní geometrií 6. Popisky Využívají se stejně jako anotace v ESRI softwaru. Ukázka využití Mapových objektů: Obrázek 3: Ukázka mapových objektů (zdroj: (vysvětlivky: b bod, L linie, P plocha) 5 Esri oficial distributor. ESRI [online] [cit ]. Dostupné z: 16

17 Prostorové vztahy Pomocí těchto vztahů si lze velmi jednoduše identifikovat například nejkratší cestu z domova na úřad nebo nejkratší cestu mezi městy. Tyto informace nejsou explicitní, uživatel si je musí odvodit podle pozice a tvaru objektu Digitální pohled na data GIS Pro prostorová data jsou v digitálním pohledu používány dvě metody pro prezentaci: 1. Vektorová prezentace V této prezentaci dat se data uchovávají informace o objektech formou bodů, linií a ploch. Objekty jsou sdružovány do vrstev podle tematické souvislosti. Tyto datové vrstvy jsou propojovány přes atributy objektů. A to buď pomocí popisných dat tzv. popisků a v případě ESRI většinou pomocí anotací. Obrázek 4: Vektorová prezentace dat (zdroj: vlastní) 2. Rastrová prezentace Zde je základem pro informaci tzv. pixel, který může reprezentovat buďto celý objekt, nebo se v něm nachází více objektů, které ale nelze rozeznat. Podle pixelu lze určit prostorové rozlišení rastru. Rastr je rozdělen na několik pixelů v tzv. gridu (mřížce). Když si například vezmeme fotografii jako vstupní data 17

18 pro GIS, která má velikost 20cm, tak právě objekt, který má 20 x 20 cm je obsažen v rastru právě jedním pixelem. Obrázek 5: Prezentace pixelu v rastrovém provedení (zdroj: vlastní) K těmto dvěma pohledům na reprezentaci dat se dá přistupovat vrstvovým nebo objektovým způsobem. Vrstvový způsob Data jsou organizována v jednotlivých vrstvách. Jeho výhoda je, že se nechají získávat a upravovat údaje pro každou vrstvu zvlášť a vyhledávání je velmi rychlé pomocí atributů. Jako nevýhoda je pracnější přístup k objektu, protože leží v několika vrstvách na sobě. Obrázek 6: Vrstvový způsob (zdroj: 18

19 Objektový způsob Zde jsou data organizována tak, že každý objekt má jasně danou geometrii, atributy i metody. Objekty se dají shromažďovat do tříd, z těchto tříd se poté vytváří její instance. Z tohoto důvodu je možno dědit metody i atributy. Například mějme linii voda. Z této linie lze dědit typy vod (řeky, říčky, potoky, ). Jeho první výhody jsou zřejmé již z popisu. Jako další výhody jsou například to, že se objekty dokáží podle atributů starat samy o sebe (železnice kolej, dálnice nájezd). Nevýhoda tohoto způsobu je, že se jedná o modernější přístup a tudíž není tak zažitý. Navíc se jedná o velmi náročnou hardwarovou implementaci. Obrázek 7: Objektový způsob (zdroj: vlastní) 2.4 Topologie GIS Topologie je prostředek pro správu a analyzování geodat. Jedná se tudíž o součást Geografických informačních systémů. Topologie je matematický obor zabývající se explicitním vyjádřením prostorových vztahů mezi jednotlivými geoobjekty. Definice topologie GIS lze najít v několika různých variantách. Uvedeme si definici podle ESRI, která říká, že A GIS topology is a set of rules and behaviors that model how points, lines, and polygons share coincident geometry. 6 6 ESRI. ArcGis Server [online] [cit ]. Dostupné z: 19

20 Pro jednoduchost byli pro GIS zavedeny tři základní topologické koncepty: Konektivita Sudý počet linií se na sebe navazuje v uzlech Definice plochy Linie, které jsou uzavřeny do plochy definují plochu Sousednost Linie vlastní směr a mají informaci o objektech na levé a pravé straně od nich Rastrové datové modely V těchto modelech se využívá přístupu k datům jako celku. Základní prvek, který se u rastrové struktury používá je tzv. buňka. Soubor buněk jsou organizovány do celků nesoucí název mozaika. V buňkách lze najít hodnoty, které zastupují zkoumaná data. Podle tvarů buněk se využívá patřičná mozaika. Mozaiky jsou tři typy. Jedná se o mozaiku čtvercovou, trojúhelníkovou a hexagonální. Nejvíce používanou mozaikou je čtvercová, protože je kompatibilní s datovými strukturami, zařízeními i souřadnicovým systémem. Mozaika obsahuje také hodnoty jako buňky, a to buď hodnotu středu buňky tzv. lattices, nebo hodnotu pro celou oblast buňky tzv. grids. Topologie je zde definována implicitně, na rozdíl od vektorového provedení. Implicitně zde znamená, že je jasné, kdo s kým sousedí a není proto nutné ukládat informaci o sousedech. V rastrových modelech se využívá několika typů obrazových dat. Snímky DPZ Tzv. vícepásmové obrazy, dostupné například z družic, používají se pro vyhodnocování polohy geografických prvků. Z vyhodnocených vrstev vznikne výsledný rastr. 20

21 Obrázek 8: Příklad snímku DPZ (zdroj: Ortofota Jednopásmové obrazy používající systém barev RGB nebo CMYK ukládané například jako soubor jpg nebo tiff. U ortofot převládá využití jako podkladových dat pod tematické vrstvy. Obrázek 9: Příklad Ortofota (zdroj: Scannované plánky Podkladová data pod tematické vrstvy. Modely jsou nejpoužívanější dva. Jsou to modely, které jsou klasifikovány dle reprezentace. Ta se dělí na pravidelnou a nepravidelnou. Pro vysvětlení si uvedeme základní rozdíly mezi nimi, princip a vlastnosti. 21

22 Pravidelná reprezentace Využívá čtvercové mřížky. Mřížka je jednoznačně definována podle souřadnic X, Y a počátečního bodu. Nepravidelná reprezentace Takřka nepoužívané. Je to z důvodu složitosti algoritmů pro vytváření a analýzu. Jediný používaný model je nepravidelná trojúhelníková síť Vektorové datové modely Vektorové datové struktury využívají systém, který je založený na jednotlivých bodech, u kterých je známa přesná poloha. Vektorových modelů je celá řada. Liší se od sebe složitostí a možností využití topologických vztahů. Uvedeme si zde takové dva základní modely, které se používají: Špagetový model Starší vektorový model, ve kterém se nachází soubor bodů a vektorů ve formě x, y souřadnic, které nemají informaci o vzájemných vazbách. Špagetový model odvozen podle toho, že při vykreslování vytvářejí změť čar, které se různě prolínají přes sebe. Tento model není vhodný na prostorovou analýzu dat. Používá se spíše na jednoduché úkony. Data jsou zde vyhledávána sekvenčně, což vede k dlouhé době odezvy. 7 Úvod do geografických informačních systémů (GIS). Nepravidelná trojúhelníková síť [online] [cit ]. Dostupné z: 22

23 Obrázek 20: Špagetový model (zdroj: vlastní) Topologický model Model pro prostorovou analýzu dat. Oproti špagetovému modelu se vyznačuje tím, že dokáže vyjádřit vazby mezi objekty nezávisle na souřadnicích. Navíc je zde pravidlo, že každá linie musí mít začátek a konec sveden do prvku, kterému se říká uzel, neboli tzv. node. V jeho datové struktuře nalezneme informace pod identifikátory, které nám řeknou, zda se nachází plocha vpravo nebo vlevo od linie. Model trpí také menším nedostatkem, a to takovým, že vyhledávání z důvodu neseřazených záznamů se musí provádět také sekvenční formou, a když chceme získat například všechny linie, které nám ohraničují nějakou plochu, musíme dokonce několikrát po sobě projít soubor, kde jsou uloženy informace. Obrázek 31: Topologický model (zdroj: 23

24 2.4.3 Topologická pravidla Pro každý datový model, který si volíme, existuje několik možností, jaká mu nastavit pravidla. Těmto pravidlům se nazývá topologická. Tyto pravidla sledují prostorové vztahy mezi různými prvky. Tyto obecná pravidla si můžeme v případě potřeby různě upravovat pomocí editačních nástrojů v softwaru. V softwaru ArcGis od firmy ESRI je vytvořeno několik základních pravidel pro práci s body, liniemi a plochami (polygony). Firma ESRI je sdílí na webových stránkách a jsou volně k dispozici. Pro Českou republiku je přeložila firma ARCDATA Praha, která je rovněž nabízí k volnému užití 8 pod značkou ESRI. Obrázek 42: Topologická pravidla firmy ESRI (zdroj: 8 ARCDATA. Topologická pravidla v geodatabázi ArcGis [online] [cit ]. Dostupné z: 24

25 3 Sítě 3.1 Úvod Pro tuto bakalářskou práci je potřeba si popsat pár základních informací o počítačových sítích a také druhy a topologie těchto sítí. Sítě si můžeme představit jako vrstvy, které se aplikují a využívají v běžném životě. Máme sítě, silniční, komunikační, vodohospodářské, a další jiné. Počítačová síť je specifická v tom, že spojuje technické prostředky, které dokáží spojovat a vyměňovat si informace mezi počítači. Pakliže toto dokáže, dá se hovořit o komunikaci mezi počítači, například za účelem využívání zdrojů nebo sdílení služeb uživatelům. 3.2 Druhy sítí V počítačové terminologii se setkáme s několika známými druhy sítí, které se aplikují na realizaci nové sítě. V této části si představíme 3 takové sítě: LAN (lokální počítačová síť) MAN (městská počítačová síť) WAN (rozlehlá počítačová síť) LAN (lokální počítačová síť) Síť, která se používá na rozhraní několika set metrů. Prvky takové sítě bývají většinou rozmístěny na předem vymezeném prostoru. Jako příklad se dá uvést firma, škola, organizace, atd. Síť je ovládána jedním člověkem, který se označuje jako správce sítě. Tento jednoduchý model se v dnešní době, kdy sítě dosahují opravdu velkých rozměrů řeší tak, že je více správců sítě, kteří tvoří takzvaný koordinovaný tým. Síť obsahuje osobní počítače, které mají navíc ještě specifické hardwarové prostředky (adaptéry, konektory, atd.) včetně síťových kabelů. Pro přenos se používají klasické kroucené dvojlinky, koaxiální kabely, optické kabely a také bezdrátové spoje. 25

26 LAN síť umožňuje uživatelům využívat několik služeb: Sdílení tiskáren Sdílení společných dat Rychlá komunikace v síti Obrázek 53: Počítačová síť LAN (zdroj: MAN (metropolitní počítačová síť) V tomto případě se jedná o síť v rozloze několika kilometrů. Počítače bývají rozmístěny ve velkém rozsahu. V této síti se nachází několik podsítí, které jsou podle nějakých pravidel pospojovány. Propojuje se obvykle optickým vláknem nebo optickým kabelem. Oproti lokální počítačové síti je metropolitní počítačová síť využívána několika budovami nebo také menšími městy. 26

27 Obrázek 64: Počítačová síť MAN (zdroj: WAN (rozsáhlá počítačová síť) Nejrozsáhlejší síť ze všech zde popisovaných. Tato síť nabývá takových rozměrů, že se dá mluvit o tom, že je omezena velikostí naší planety. Tuto síť tvoří řídící počítače, které jsou propojovány pomocí komunikační podsítě. V tomto případě se nejčastěji využívá optických kabelů nebo telefonních linek. Na uzlech této sítě jsou připojeny extrémně výkonné počítače, které zvládají obsluhovat několik uživatelů v jeden čas. Nelze propojovat každý počítač s každým, ale také dnes se tyto sítě snaží dostat na sítě lokální, byť mezi sebou komunikují pomocí sítě rozsáhlé. Síť jako takový poskytuje daleko lepší služby než sítě předešlé: Dovoluje práci na vzdálených plochách Přenos dat na ftp serveru Přístup do databází WWW (World Wide Web) Pro Českou republiku je rozsáhlou sítí síť CESNET. 27

28 Obrázek 75: Počítačová síť WAN (zdroj: internet) 3.3 Topologie sítí Topologie obecně patří do teorie grafů a je to tedy disciplína matematiky. V rámci sítí je to způsob, jakým lze rozdělit počítačové sítě podle toho, jak jsou zapojeny jejich prvky do oněch sítí. Topologie sítí zachycuje vždy skutečnou a logickou podobu sítě, nikoliv fyzickou, podle které se síť zapojuje. V rámci topologie jsou definovány 4 základní druhy topologií: Sběrnicová Kruhová Hvězdicová Páteřní Sběrnicová topologie Tato topologie je známá pod zkratkou BUS. Jedná se o nejstarší topologii používanou v počítačových sítích. V tomto případě se všechny stanice připojí na pasivní médium, které je společné, a toto médium spolu sdílejí. V době, kdy se nejvíce tento způsob využíval, bylo používáno koaxiálního kabelu, který byl využíván pro připojení počítačů do sítě. 28

29 Obrázek 86: Sběrnicová topologie (zdroj: Network-Topology-Diagram.htm) Výhody: Výpadek jedné stanice nenaruší činnost sítě Levná varianta Netřeba aktivních prvků Nevýhody: Porucha kabelu = výpadek sítě Kruhová topologie Již podle názvu se dá trochu odhadnout, že v tomto případě se počítače budou zapojovat do kruhu. Tato topologie je známá pod zkratkou RING. V této síti je každý počítač zapojován přímo s předchozím a následujícím počítačem a vytváří kruh. 29

30 Obrázek 97: Kruhová topologie (zdroj: Výhody: Jednoduché na rozšíření Není zapotřebí tolika spojů Informace chodí dokola Nevýhody: Výpadek stanice = výpadek sítě Porucha kabelu = výpadek sítě Hvězdicová topologie Pro hvězdicovou topologii se dá využít nálepka nejpoužívanější topologie pro vytváření počítačových sítí. Topologie se také označuje jako topologie STAR. V této topologii se využívá centrální aktivní prvek, který spojí všecky ostatní prvky. V dřívější době se využívalo počítače, dnes se jedná nejčastěji o aktivní prvek typu např. rozbočovače. 30

31 Obrázek 108: Hvězdicová topologie (zdroj: Výhody: Basics-Networks-and-Topologies) Jednoduché na rozšíření Při výpadku nedojde k výpadku sítě Nevýhody: Centrální uzel Páteřní topologie Neboli také známá pod označením BACKBONE. Je to topologie, která je založena na vytvoření nezávislé hlavní části, která následně propojuje další a další celky, které jsou důležité. Na ní se poté napojují různé podsítě nebo segmenty. Při výpadku nedojde k výpadku celé sítě, ale pouze k výpadku segmentu. 31

32 Obrázek 119: Páteřní topologie (zdroj: Výhody: Zatížení segmentu neohrozí zatížení sítě Výpadek segmentu neznamená pád sítě Výpadek spoje neznamená pád sítě Nevýhody: Vysoká cena vybudování takové sítě 4 Software GIS 4.1 Úvod V dnešní době moderních technologií, výkonných počítačů a aplikací existuje pro správu, editaci dat na úrovni GIS několik variant, v čem tato data zpracovávat a šířit ven. Jelikož jsem si svojí bakalářskou práci zvolil na Krajském úřadě v Jihlavě na odboru informatiky, kde k této činnosti využívají softwaru ARCGIS produkovaný firmou ESRI, zpracoval jsem svojí analýzu právě v tomto softwaru, který není zadarmo, ale úřad jakožto organizace jej vlastní a má na něj licenci. Jako dostupná konkurence tomuto softwaru pod licencí zdarma je používán například software Janitor nebo FreeGIS. 32

33 4.2 ARCGIS Software firmy ESRI využívaný pro práci s GIS systémy. Software má několik užitečných částí a funkcí, které se navzájem podporují a vytvářejí tak kvalitní systém. Prostředí ARCGIS: Pracovní prostředí softwaru ARCGIS je uspořádáno do několika částí. V levé části nalezneme takzvanou tabulku obsahu, která slouží k přehledu vrstev v projektu. Dají se přes tuto tabulku aktivovat a deaktivovat zobrazitelné vrstvy a také je editovat. Vprostřed softwaru se nachází mapové okno, ve kterém se nám zobrazuje práce s daty, se kterými pracujeme. Lze si v mapě prohlížet, přibližovat, oddalovat, atd. Na pravé straně nalezneme Katalog, který slouží jako nástroj správy pro data. Do katalogu si můžeme nahrát podklady, vidíme zde všecky importované části v projektu. V dolní části se zobrazuje atributová tabulka. Při vytvoření nového objektu v mapě se zapíše objekt do tabulky, kde si nastavíme takové atributy, aby byl pro nás objekt identifikovatelný. 33

34 5 Analýza datových sítí Protože Krajský úřad jako takový provozuje dnes webové služby, díky kterým můžeme získávat informace o sítích v kraji buď veřejně, nebo po vyplnění formuláře na webových stránkách pro soukromé účely. Jedná se o službu geoportál 9. Rozhodli jsme se, že se pokusíme zmapovat oblast, která v této službě nemá prakticky žádná data. Jedná se o oblast Humpolecka, která v horizontu jednoho roku chystá vybudovat svojí první metropolitní optickou síť po městě. Ve městě doposud fungovali a fungují poskytovatelé internetu, kteří nabízejí ve velké části bezdrátové připojení, až na jediného kabelového poskytovatele kterým je společnost O2. Jelikož město bylo jedním z posledních, které ještě nemělo svojí optickou síť, vznikla vize, podle které by se měla síť vybudovat. Město začalo po nabídce spolupracovat s komerční společností sídlící ve městě, s kterou dnes tuto síť buduje. V rámci města vznikají dvě optické sítě, jedna, která bude sloužit městu pro připojení svých organizací do sítě a poté druhá, která bude sloužit komerční společnosti pro zapojení domácností. Základem bude terénní průzkum po městě a získání dat pro analýzu. V ARCGIS budou zpracovány jednotlivé vrstvy, zkontrolován obsah atributových tabulek, doplněny další údaje a zkontrolována topologie. Pro analýzu pomocí GIS bude využíváno sestavených mapových kompozic z jednotlivých vrstev. Z takto sestavené mapy bude možné vyhodnotit a zpracovat připojení datových sítí a služeb v kraji. 5.1 Vize V roce 2007 vznikla na městě studie, jak zrealizovat onu optickou síť ve městě. Jelikož ale byli velké problémy s pozemky, navíc jednání s komerčními společnostmi také neměli zdárného konce, protože síť vedla kolikrát přes městu nedostupná místa, tato vize byla pouze vytvořena a nebyla realizována. V tomto projektu mělo město vytyčené několik bodů, takzvaných POI (point of interest), nebolí také objekty ve městě, které mají pro město význam. Ve vizi bylo do této sítě počítáno se základními a středními školami, částmi městského úřadu a muzeem. 9 Geoportál DMVS Kraje Vysočina. Geoportal [online]. 2012, 2014 [cit ]. Dostupné z: 34

35 Dnes je již vize realizována, koncem roku 2014 by měla po městě být plně funkční optická sít provozovaná městem ve spolupráci s komerční firmou. Snaha města ještě k této síti je dovést na úřad krajský internet ROWANet, který je zatím v jednání. 5.2 Aktuální stav Poskytovatelé a cenová mapa Ve městě se vyskytuje hned několik poskytovatelů bezdrátového připojení. Tyto firmy mají po městě rozmístěné vysílače, díky kterým zavádějí lidem do domácností připojení k internetu. Po kontaktování všech poskytovatelů ve městě nebylo sice docíleno získání výkresů s přesnými polohami vysílačů, ale některé firmy i přes citlivost těchto dat sdělili, kde mají ve vlastnictví nebo v pronájmu vysílače tak jsme s nimi mohli do naší analýzy počítat. Ve městě nabízejí připojení k internetu firmy TlapNet, StarNet, Memory, SpaceCom a O2, které je jediné připojení kabelem. Po získání informace, že nejvyšší místo ve městě pro vysílač vlastní firma SpaceCom v ulici Lnářská, má tato firma pro konstrukci dalších vysílačů dobrou pozici co do kvality signálu. Protože je zde více poskytovatelů služeb, odvíjí se od toho taky cenová mapa za tyto služby. Firmy jako konkurenti mezi sebou zajisté bojují, aby uživatelé díky dobré nabídce zvolili tu firmu, která jim bude vyhovovat. Z telefonátu se zástupci firmy nebo získání informace z internetu byla vytvořena cenová mapa poskytovatelů po městě. 35

36 Obrázek 20: Poskytovatelé a cenová mapa (zdroj: obchodní zástupci, webové stránky) Optická síť Po pár letech, kdy byla vytvořena vize optické sítě ve městě, která ležela v archivu, přišla jedna komerční společnost se zajímavým návrhem, jak zde onu optickou síť vybudovat. S městem se po několika jednáních dohodla na podmínkách, za jakých se tu optická sít zrealizuje. Město si řeklo, jaké organizace chce připojit včetně vize do budoucna vzhledem k náročnosti budování a komerční společnost se zajímala o připojení panelových domů a neziskových organizací. Z tohoto důvodu ve městě poběží dvě optické sítě. Jedna ve vlastnictví města, druhá komerční společnosti. Síť je budována zemí v šachtách a v některých případech je vedena i skrz budovy. Pro silnice se dá využívat způsobu podkopávání nebo naříznutí potřebné šíře. Obě jsou velmi finančně náročné a otázkou zůstává, jaká forma je pro silnice více devastující. Velký problém při budování sítě se naskytl ve vlastnictví pozemků. Projekt nepočítal s tím, že některé pozemky nebude možné využít z důvodu, že vlastník nebude s budováním cesty přes jeho pozemek souhlasit. Proto se také již vytvořený nový projekt měnil ještě za pochodu a vznikla jeho finální podoba zanesená do mapy. Město má navíc snahu ve spolupráci s Krajem Vysočina dostat do města pro některé důležité služby i síť ROWANet. Bohužel zatím toto se nedaří z důvodu vysoké ceny přivedení kabelu do města. Ale plánuje se dovést ROWANet na Městský úřad bezdrátovou technologií, ale je to zatím pouze v jednání mezi krajem a městem. Seznam aktuálně vybudovaných připojených organizací: Česká zemědělská akademie Městský úřad Základní škola Hradská Obchodní akademie 36

37 Muzeum Dr. Aleše Hrdličky Stavební úřad Základní škola Hálkova Sport Relax Centrum Kasalka Umělecká škola Gymnázium Dr. Aleše Hrdličky Kulturní dům Výstupní mapa Z takto sebraných dat od firem a města byla vytvořena v softwaru ARCGIS vrstvy, která se dá na venek šířit jako přehled poskytovatelů internetu ve městě a cest kabelů v zemi. Vrstvy byly vloženy na podkladovou mapu pro dobré zorientování se Obrázek 21: Výstupní mapa poskytovatelů (zdroj: vlastní) 37

38 5.3 Rozšíření V průzkumu po organizacích ve spolupráci s městem jsem si vytvořil seznam POI, které by se dali do budoucna také připojit k metropolitní síti a byli by pro město zajisté velkým přínosem co do správy a ušetření času s administrativou. V dost případech by se muselo ale jednat o vytvoření bezdrátového připojení pomocí aktivních prvků, protože vybudování cesty například na konec města zemí by bylo finančně moc náročné a pro připojení pouze jednoho objektu ekonomicky značně nevýhodné. Aktuální síť nepočítá připojit například: Školní statek Domov pro seniory Hasiče Technické služby 38

39 6 Závěr Cílem bakalářské práce bylo využít metod geografických informačních systémů pro analýzu datových sítí v kraji Vysočina. V teoretické části byl přiblížen a popsán GIS a jeho základní části. Bylo zde vysvětleno, jak GIS spolupracuje s různými částmi reálného světa včetně technologií. Rozdělili jsme si a popsali dva odlišné pohledy na data v GIS včetně jejich atributové identifikace. Seznámili jsme se se základními typy a topologiemi počítačových sítí, které se používají pro budování nově tvořených sítí. V praktické části jsem získal terénním průzkumem dostupná data od úřadu, poskytovatelů internetového připojení. Sběr dat dost stěžoval fakt, že se v lokalitě Humpolec teprve optická síť rozvíjí a docházelo k úpravám v projektu. S takto sesbíranými daty jsem poté začal pracovat v softwaru ARCGIS. Během práce nastal problém s kompatibilitou mezi softwary. Po dlouhých zkouškách se povedlo odstranit špatné linie z dat vytvořených v systému MicroStation a mohla být tak vytvořena reálná vrstva v ARCGIS bez linií navíc. Při průzkumu v terénu mě překvapilo, že i firmy jsou ochotny sdělit občas informace, které nejsou nikde dostupné a svým způsobem pro firmu i důležité a cenné. Protože vrstva vytvořená z linií od O2 tvoří pouze cesty bez označení o jaký typ kabelu v zemi se jedná, je tato vrstva jako taková použitelná pouze jako informační pro případné výkopové práce. Předpokládám, že do budoucna se začne ve městě optická síť rozšiřovat bezdrátovou technologií, protože je velmi finančně náročné vést do nejzazších míst města optický kabel zemí, kde to kolikrát stěžují podmínky pozemků nebo špatné půdy. Do budoucna se počítá také se zavedením krajské sítě ROWANet bezdrátově na budovu městského úřadu. Věřím, že počáteční úmysl mé bakalářské práce se mi povedlo splnit a ukázat možnost využití GIS v počítačových sítích a že práce přinese i nějaké cenné informace pro Krajský úřad nebo pro veřejnost do budoucna. 39

40 Seznam použité literatury 1. CHARVÁT, Karel. Geografická data v informační společnosti. Zdiby: Výzkumný ústav geodetický, topografický a kartografický, Odvětvové informační středisko, 2007, 269, [10] s. ISBN ArcRevue: informace pro uživatele software ESRI a Leica Geosystems. Praha: Arcdata Praha, ISSN ArcRevue: informace pro uživatele software ESRI a Leica Geosystems. Praha: Arcdata Praha, ISSN BŘEHOVSKÝ, Martin. Úvod do GIS [online]. [cit ]. Dostupné z: 5. ARCGIS. ArcGIS 8.3 Geodatabase Topology Rules. Printed in the USA, TUČEK, Ján. Geografické informační systémy: principy a praxe. 1. vyd. Brno: Computer Press, 1998, 424 s. CAD. ISBN X. 7. PUŽMANOVÁ R., Moderní počítačové sítě od A do Z, Computer Press, 1998, ISBN Seznam obrázků Obrázek 1: Základní schéma GIS Obrázek 2: Architektura GS technologie.12 Obrázek 3: Ukázka mapových objektů..16 Obrázek 4: Vektorová prezentace dat Obrázek 5: Prezentace pixelu v rastrovém provedení...18 Obrázek 6: Vrstvový přístup Obrázek 7: Objektový způsob Obrázek 8: Příklad snímku DPZ Obrázek 9: Příklad ortofota Obrázek 10: Špagetový model Obrázek 11: Topologický model Obrázek 12: Topologická pravidla firmy ESRI..24 Obrázek 13: Počítačová síť LAN Obrázek 14: Počítačová síť MAN

41 Obrázek 15: Počítačová síť WAN...28 Obrázek 16: Sběrnicová topologie...29 Obrázek 17: Kruhová topologie..30 Obrázek 18: Hvězdicová topologie Obrázek 19: Páteřní topologie Obrázek 20: Poskytovatelé a cenová mapa Obrázek 21: Výstupní mapa poskytovatelů

42 Seznam použitých zkratek GIS Geografický Informační Systém WMS Web Map Service OCG Open Geospatial Consortium SOAP Simple Object Access Protocol WFS Web Features Service GML - Geography Markup Language XML - Extensible Markup Language WWW World Wide Web HTML - HyperText Markup Language WSDL - Web Services Description Language UDDI - Universal Description, Discovery and Integration WSIL - Web Services Inspection Language DMT Digitální model terénu DPZ Dálkový průzkum země JPG - Joint Photographic Group TIFF - Tag Image File Format LAN Local Area Network MAN Metropolitan Area Network WAN Wide Area Network FTP File Transfer Protocol 42

43 Přílohy 1 Obsah přiloženého CD Na přiloženém CD se v kořenovém adresáři nachází tato bakalářská práce ve formátu bakalarska_prace.pdf a složka Projekt ve které je vložen obsah praktické části. 43