GIS Geografické informační systémy. Daniela Ďuráková, Jan Gaura Katedra informatiky, FEI

Transkript

1 GIS Geografické informační systémy Daniela Ďuráková, Jan Gaura Katedra informatiky, FEI

2 Požadavky Semestrální projekt - 20 bodů vypracování referátu na vybrané téma v rozsahu 5 stran A4 nebo úloha v prostředí GIS (AcrGiS ve spolupráci s HGF) - 25 bodů referát na vybrané téma Zkouška - 45 bodů písemná část - 10 bodů ústní část

3 Úlohy OpenStreetMap Ostrava Trnava

4 Osnova přednášky Co znamená pojem GIS Historie GIS Geoinformatika Způsoby reprezentace geodat Základy geografie, kartografie 4

5 Čím se liší GIS a IS Odlišnost od klasických informačních systémů spočívá v rozšíření báze informací o tzv. prostorovou složku. Ta je u sledovaných prvků zaznamenána spolu s popisem jejich vlastností(atributů). Anglicky se jedná o pojem spatial information. V GIS se jedná o informaci vztaženou vůči Zemi. Způsob zaznamenání souvisisí s volbou reprezentace prostorových dat. Existuje celá řada definic prostoru, které ovlivňují způsob dalšího zpracování těchto dat. 5

6 Co vlastně GIS vyjadřuje Původní snahou bylo vyjádřit totéž, co analogická mapa. Jednalo se o zachycení údajů z geografie a kartografie digitální formou. Vlivem rozvoje počítačů různého typu a zkracováním času zpracování elektronických údajů se rozvíjí nové typy úloh a to ovlivňuje i způsoby ukládaní a vizualizace prostorových dat. Digitální reprezentace map -> GIS. Na druhé straně se dnes SŘBD rozšiřují o tzv. Spatial Module, který umožňuje ukládání prostorových dat bez nutnosti znát způsob jejich vnitřní reprezentace. 6

7 Historie GIS První mapy, spíše zachycení znalostí souvisejících s prostorovou složkou záznamy o tahu zvěře před 35 tisící lety Cromaňonci na stěnách jeskyní. Vojenské a námořní mapy po celou historii V roce 1854 poprvé použito kartografických metod pro vyznačení ohniska epidemie cholery v Londýně, čili jevu závislého na geografické poloze. 7

8 1854 epidemie cholery 8

9 Historie GIS Mluvíme-li o GIS ve smyslu systémů s digitálním zpracováním prostorových dat, považujeme za počátek přelom 50. a 60. let minulého století. Jako první je označován CGIS Canadian Geographic Information System. Jednalo se o GIS pro využití přírodních zdrojů. Využití armáda, státní správa. Autoři: Roger Tomlinson, geograf, Spartan Air Services, později se přidal Lee Pratt z Canada Land Inventory 9

10 Historie GIS - CGIS Pozor! Nelze jej chápat jako systém s dnešním GUI a funkcemi. Řada nej: první GIS, desítky let největší, nejdéle fungující,

11 Historie GIS Vývoj GIS aplikací souvisí s vývojem IT. Obecně je charakter aplikací dán typem výpočetní techniky (technické parametry, finance, lidé znalostní báze). První GIS byly založeny na zobrazení prostorových dat pomocí řádkových tiskáren. 60. léta 20. století mainframe, speciální aplikace, bez grafických výstupů jak je známe dnes. 80. léta 20. století hlavní vliv měl rozvoj PC - snížení ceny vývoje aplikace, větší rozšíření. 90. léta 20. století - barevné tiskárny - dostupnost kvalitních výstupů. 11

12 Historie GIS léta 20. století dva základní trendy přístupu ke zpracování prostorových dat automatizace existujících úloh s důrazem na kartografickou přesnost a kvalitu vizualizace (na dlouhou dobu převažující trend) důraz na prostorovou analýzu na úkor dobrých grafických výsledků mainframe, drahé, pomalé, děrné štítky a pásky, jednořádkové tiskárny, specifické úlohy GIS, grafika na nízké úrovni 12

13 Historie GIS 80. léta 20. století nástup malých osobních počítačů, nové OS integrace obou předešlých směrů komercionalizace problematiky - běžně dostupné softwarové systémy pro GIS (ESRI, Intergraph, ), nová generace programového vybavení pro GIS významný podíl firma ESRI (ArcInfo) zlepšení grafiky - kvalita výstupů tvorba GIS na klíč zlevnění GIS 13

14 Historie GIS 90. léta 20. století počátky standardizace, otevřené systémy (Open GIS) zlepšení GUI, high quality grafika barevné tiskárny a plotry na každém stole velkokapacitní přenosová média (CD, zip) ukládání dat do SŘBD (koncem 90. let) získávání dat z GPS, laptopy Internet, mobilní zařízení 14

15 Využití GIS (dat s prostorovou složkou) Geovědní aplikace, tématická kartografie Státní správa katastrální a topografické mapování - odhadem 70 90% veškerých dat je vázáno na prostor Oblast zemědělství hospodaření s půdou, s lesy Oblast ochrany životního prostředí Urbanistické plánování (bez mapových podkladů nemyslitelné) 15

16 Využití GIS (dat s prostorovou složkou) Matematické studie prostorových variací (simulační modely např. předpověď počasí) Krizové řízení Integrovaný záchranný systém Dálkový průzkum Země vyhledávání ložisek, mapování živelných jevů,... Armáda 16

17 Dnešní úlohy s podporou GIS Doprava: inteligentní dopravní systémy, navigace vozidel v reálném čase, námořní a říční navigace, řízení městské dopravy Zemědělství: evidence úrody přímo v kombajnech (precision farming), sledování hnojení půdy, pracovních operací s půdou, lesnické systémy Enviromentální vědy: využívání přírodních zdrojů šetrné k životnímu prostředí, rozmístění energetických zařízení získavajících energii z přírodních zdrojů, monitorování živelných událostí 17

18 18

19 Dnešní úlohy s podporou GIS Zdravotnictví: výběr a lokalizace zdravotnických zařízení, epidemiologické analýzy Turismus: optimalizace a rozmisťování zdrojů, podpora trasování výletů Obchod: řízení rybolovu, marketing a monitorování zákazníků, optimalizace dopravy zboží... 19

20 Vlivy na využití GIS Před nasazením GIS je nutné zjistit, zda jsou připraveny a zajištěny podpory v určitých směrech, které silně ovlivní návratnost investice. Kvalita dat, školení a komunikace s uživateli, zhodnocení finančních nároků (nejlépe poměr cena/výkon), schopnost adaptace vědeckých a odborných pracovníků, adaptace celé organizace při zavedení nové technologie. 20

21 Geoinformatika Geoinformatika (geomatika) je vědecký a technický interdisciplinární obor, zabývající se zpracováním (v nejširším smyslu) a využíváním goedat a geoinformací pro potřeby rozhodování, plánování a správy zdrojů. Geoinformační technologie jsou specifické informační technologie určené ke zpracování geodat a geoinformací, jejich získáváním počínaje a vizualizací konče. 21

22 Geoinformační systém Označuje jakýkoliv počítačový informační systém, určený ke zpracování geodat v rámci dané technologie. Lze sem řadit GIS, IS pro práci s digitálním modelem reliéfu, IS pro práci s daty z DPZ,... 22

23 Definice GIS Burrough, 1986 Geografický informační systém je souborem prostředků pro sběr, ukládání, vyhledávání, transformování a znázorňování prostorových dat z reálného světa s ohledem na speciální účely jeho použití. 23

24 Definice GIS U.S. Geological Survey In the strictest sense, a GIS is a computer system capable of assembling (pořizování), storing, manipulating, and displaying geographically referenced information, i.e. data identified according to their locations. Practitioners also regard the total GIS as including operating personnel and the data that go into the system. 24

25 Definice GIS Výkladový slovník ministerstva hospodářství Organizovaná kolekce počítačového technického vybavení, programového vybavení, geografických dat a personálu určená k účinnému sběru, pamatování, údržbě, manipulaci, analýze a zobrazování všech forem geograficky vztažené informace. Jsou zde definovány 3 komponenty technologie, databáze a infrastruktura. 25

26 Definice GIS ESRI GIS je organizovaný soubor počítačového hardware, software a geografických údajů (naplněné báze dat) navržený pro efektivní získávání, ukládání, upravování, obhospodařování, analyzování a zobrazování všech forem geografických informací. 26

27 Komponenty GIS Software data, hardware, personál, způsob použití. 27

28 Účel GIS Co se nachází na vybrané lokalitě? seznam objektů Kde se nachází objekt XY? poloha + objekt XY Kolik je pozemků s AA v Kroměříží? počet pozemků Jak se změnily stavební parcely od roku 1991? Co je příčinou nízkého výnosu kukuřice.? Co když vysušíme lužní les kolik poklesnou spodní vody? 28

29 Reprezentace prostorových dat Způsob převedení analogových map do digitální podoby je ovlivněn zvolenou reprezentací. Volba reprezentace je dána účelem, ke kterému mají sloužit zpracovávané údaje. Dva odlišné způsoby reprezentace, liší se volbou prvku nesoucí informačního hodnotu: - vektorový model - rastrový model 29

30 Vědy k poznání prostorového světa Geografie Geologie Geodezie Kartografie Geoinformatika 30

31 Geografie Geografie geo (země) a grafo (píši, popisuji). jako jedna z nejstarších věd umožňuje člověku lépe se orientovat ve světě a využívat přírodní zdroje dříve byly součástí geografie i biologie, fyzika, antropologie atd. historický vývoj je možné popsat z hlediska funkcí zpočátku byly její funkce poznávací a popisná později se nashromážděná data začala třídit a systematizovat převážila analytická a vysvětlovací funkce 31

32 Geografie Po rozvoji průmyslu začaly převažovat funkce socioekonomické zkoumá osídlené oblasti s cílem jak je nejlépe využít ve prospěch lidstva. I přes existující bílá místa na mapě jako popis Země již svou funkci splnila. Fyzická geografie Sociální geografie 32

33 Geografie Všechny geografické disciplíny jsou spojeny s kartografií ( mapy, diagramy atd.). Předmětem geografického výzkumu jsou procesy interakce člověka a přírody; vazby a vztahy v krajinné sféře. Krajina je systém - množina prvků, které jsou ve vzájemných vztazích a tvoří určitý celek, jednotu. 33

34 Geografie Geografie je věda o zemi a jejím životě: věda o rozložení a interakci jevů na povrchu země samostatná věda na rozhraní věd přírodních, společenských a technických zabývá se řešením vztahu systému přírodního prostředí a systému lidské společnosti v prostoru a čase studuje krajinné sféry a její diferenciace v prostoru a čase, stejně jako jevy na Zemi a jejich vývoj v čase 34

35 Geologie, geomorfologie Geologie geo (země), logos (věda, myšlení). Geomorfologie geo (země), morfos (tvar). Zabývá se zkoumáním Země vlastnostmi zemské kůry, vztahy s jejím okolím, pochody probíhajícími uvnitř i na povrchu planety. Popisuje stavbu, složení a historický vývoj Země. Zkoumá Zemi pomocí hlubinných vrtů, sond uvnitř sopek, během těžby v dolech, vnitřní struktura zemského tělesa je známa díky geofyzikálním výzkumům. 35

36 36

37 Geodezie Věda o měření Země a jejích částí. Vyšší geodezie zkoumá velikost, tvar a tíhové pole Země. Nižší geodezie se zabývá vyměřováním zemského povrchu a jeho zobrazováním na mapách. 37

38 Kartografie Stojí na pomezí geografie a geodezie. Poskytuje vizualizaci výsledků zkoumání obou předchozích disciplín jako vědní obor se zabývá tvorbou, reprodukcí a užitím map. Základní pojmy nutné pro pochopení charakteristik digitálních prostorových podkladů různě získaných dat (jejich popis umožňuje určit kvalitu, způsob převodu z reálu,...). 38

39 Kartografie Geoid je definován jako plocha, která nejlépe odpovídá nerušené střední hladině světových moří, protažené i pod kontinenty. Tato plocha je ve všech bodech kolmá na směr tíže. Protože geoid je definován jako fyzikální těleso, jeho matematické vyjádření je značně složité. Pro potřeby praktické geodézie, mapování, kartografie je proto nahrazován referenčním elipsoidem, referenční koulí nebo i referenční rovinou. 39

40 Geoid a elipsoid 40

41 Geoid a elipsoid 41

42 Referenční tělesa 42

43 Kartografie Glóbus představuje zmenšený a zjednodušený, 3-rozměrný model zemského povrchu; všechny délky na glóbu jsou zmenšeny v určitém poměru; úhly a tvary a velikosti ploch jsou zachovány. Mapa je zmenšené, zevšeobecněné a vysvětlené znázornění objektů a jevů na Zemi nebo ve vesmíru, sestrojené v rovině pomocí matematicky definovaných vztahů. 43

44 Kartografie Měřítko mapy - udává poměr zmenšené délky ke skutečnosti Mapy malého měřítka: 1: a výše Mapy středního měřítka: 1: : Mapy velkého měřítka: 1: :5000 Plány, speciální mapy: 1: 2500 (např. při stavební činnosti) 44

45 Mapy Ve starověku první námořní mapy, snaha zachytit i sílu větru, mořské proudy. 18. století nastupuje vojenské mapování, u nás Josefské mapování. První mapu Čech nakreslil 1516 Mikuláš Klaudián, první mapu Moravy nakreslil 1569 Pavel Fabricius. Jan Ámos Komenský při tvorbě mapy Moravy využil kopečkové metody. 45

46 46

47 Mapy - prvky Mapa obsahuje řadu prvků s různým významem Prvky polohopisné znázorňují vzájemnou polohu objektů zemského povrchu v horizontálním směru (vodstvo, pobřežní čáry, dopravní linie, hranice, sídla, vegetace). Prvky výškopisné vyjadřují výškové poměry a tvary reliéfu: výškové body, vrstevnice spojnice míst se stejnou nadmořskou výškou; barevná hypsometrie znázornění terénu barvami, stínování mapy. 47

48 Mapy - prvky Popis mapy popisuje a vysvětluje ostatní obsah mapy. Grafické symboly - bodové (město, vrchol hory) - čárové (silnice); možnost vyjádření pohybu - plošné (jezera, pohoří, pole, nížiny) 48

49 Vznik mapy Práce různého charakteru: Astronomické - zaměření základních bodů vzhledem ke hvězdám Geodetické - přímé měření v terénu (území se rozdělí na triangulační síť, kde vrcholy představují triangulační body a na nivelační síť, která umožňuje přesné měření nadm. výšek vzhledem k hladině Baltského moře) DPZ podrobně později 49

50 Kartografická zobrazení Kartografické zobrazení určuje způsob přenosu zemského povrchu na rovinu mapy. Dělení dle tří kritérií Podle zobrazovací plochy Podle polohy osy zobrazovací plochy Podle kartografického zkreslení Ukázka různých typů projekcí na adrese 50

51 Typy kartografických zobrazení Podle zobrazovací plochy azimutální(rovinné) 51

52 52

53 53

54 Typy kartografických zobrazení Podle zobrazovací plochy kuželové 54

55 Typy kartografických zobrazení Podle zobrazovací plochy válcové Mercatorova projekce 55

56 Typy kartografických zobrazení Podle polohy osy zobrazovací plochy normální (pólová) - střed zobrazovací plochy je na pólu příčná (transverzální, rovníková) zobrazovací plocha se dotýká pólů obecná (šikmá)- střed leží kdekoliv jinde než na pólu 56

57 57

58 Typy kartografických zobrazení Podle kartografického zkreslení (určité vlastnosti zachovají věrně odraz skutečnosti) a) stejnodélková - ekvidistantní (délkojevná) - nezkreslují se určité soustavy čar b) stejnoplochá - ekvivalentní (plochojevná) - nezkreslují se plochy, úhlové zkreslení c) stejnoúhlá - konformní (úhlojevná) - nejsou zkresleny úhly, plošné zkreslení d) vyrovnávací - kompenzační - zkreslení úhlové i plošné je sníženo na střední míru 58

59 Mollweide projection 59

60 Referenční plochy Pro zobrazení bodů na zemském povrchu se využívá referenčních ploch, které nahrazují nepravidelný geoid. Nejbližším tělesem je dvojosý rotační elipsoid s vhodně zvolenými rozměry, který rotuje kolem své vedlejší osy. Je charakterizován hlavní poloosou a (ze středu Země k rovníku), vedlejší poloosou b (ze středu k pólu) a zploštěním i = (a-b)/a. 60

61 Referenční plochy Rozměry elipsoidu se určovaly geodetickými metodami, později astronomická a gravimetrická měření, dnes jsou to pozorování umělých družic Země. S rostoucím počtem pozorování a zvyšovanou přesností měření byla určena celá řada elipsoidů, která zpravidla nesou název po svém autorovi. 61

62 Užívané elipsoidy Název Rok Hlavní poloosa a Vedlejší poloosa b Besselův ,155 m ,963 m 1:299,2 Hayfordův ,000 m ,946 m 1:297 Krasovského ,000 m ,019 m 1:298,3 WGS ,314 m 1:298, ,000 m Zploštění i 62

63 Typy souřadnicových systémů v ČR Historicky - více souřadnicových systémů, rozdílné státní a politické poměry, rozdílná kvalita základní trigonometrické sítě. Nejčastěji použitými souřadnicovými systémy u nás jsou S-JTSK (civilní sektor), S-42 (vojenský sektor). Pro veškeré zeměměřické činnosti, mezi něž patří rovněž budování a udržování státního mapového díla (SMD), jsou vládou stanoveny závazné geodetické referenční systémy a jejich závazné zkratky: 63

64 Typy souřadnicových systémů v ČR WGS84 - světový geodetický referenční systém 1984, ETRS - evropský terestrický referenční systém, S-JTSK - souřadnicový systém Jednotné trigonometrické sítě katastrální, S-42 - souřadnicový systém 1942, Bpv - výškový systém baltský - po vyrovnání, S-Gr95 - tíhový systém

65 65

66 S-JTSK Systém Jednotné trigonometrické sítě katastrální (S-JTSK) - vyhotovované katastrální mapy v rámci pozemkového katastru budovaného od roku Křovákovo dvojité konformní kuželové zobrazení v obecné poloze, výškopis Československá jednotná nivelační síť ve výškovém systému Jadranském (později se přešlo na výškový systém Baltský) 66

67 S-JTSK Besselův elipsoid se konformně zobrazí na Gaussovu kouli a ta se konformně zobrazí na kuželovou plochu. Orientace sečného kužele maximální korespondence s tvarem tehdejšího Československa (minimální velikost zkreslení). Pro celé státní území - jediná souřadnicová soustava - osa X je obraz poledníku o zeměpisné délce východně od Ferra, osa Y je kolmice k ose X procházející obrazem vrcholu zobrazovacího kužele, který je zároveň počátkem souřadnicové sítě. 67

68 S-JTSK 68

69 S-JTSK Kladné poloosy - osa X na jih, osa Y na západ (pro celé území bývalého Československa jsou vždy hodnoty souřadnic X, Y kladné a souřadnice se nedají zaměnit, neboť vždy platí X>Y). Směrem na západ se kilometrová síť odklání vůči obrazu poledníku doleva, v Čechách tento rozdíl činí přibližně 6-8. Nevýhodou systému je skutečnost, že je použitelný výhradně pro Československo a nenavazuje na souřadnicové systémy okolních států. 69