GIS Geografické informační systémy. Daniela Ďuráková Katedra informatiky, FEI

Transkript

1 GIS Geografické informační systémy Daniela Ďuráková Katedra informatiky, FEI

2 Požadavky Semestrální projekt 30 bodů úloha v prostředí GIS GRASS 15 bodů referát na vybrané téma Zkouška 45 bodů písemná část 10 bodů ústní část

3 Osnova přednášky Co znamená pojem GIS Historie GIS Geoinformatika Způsoby reprezentace geodat Základy geografie, kartografie GIS_06 3

4 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). V angličtině je označována pojmem 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 GIS_06 4

5 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. Dnes se SŘBD rozšiřují o tzv. Spatial Module, které umožňují ukládání prostorových dat bez nutnosti znát způsob jejich vnitřní reprezentace GIS_06 5

6 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 GIS_06 6

7 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. Určení GIS přírodních zdrojů. Využití armáda, státní správa. Autoři: R.F.Thomlinson, geograf Pozor! Nelze jej chápat jako systém s dnešním GUI a funkcemi. Řada nej: první GIS, desítky let největší, nejdéle fungující, GIS_06 7

8 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 GIS_06 8

9 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 významvý podíl firma ESRI (ArcInfo) zlepšení grafiky kvalita výstupů tvorba GIS na klíč zlevnění GIS GIS_06 9

10 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 obr. GARMIN GIS_06 10

11 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) GIS_06 11

12 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 GIS_06 12

13 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 Zdravotnictví: výběr a lokalizace zdravotnických zařízení, epidemiologické analýzy GIS_06 13

14 Dnešní úlohy s podporou GIS Turismus: optimalizace a rozmisťování zdrojů, podpora trasování výletů Obchod: řízení rybolovu, marketing a monitorování zákazníků, optimalizace dopravy zboží GIS_06 14

15 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 GIS_06 15

16 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 GIS_06 16

17 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, GIS_06 17

18 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 GIS_06 18

19 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. Pactitioners also regard the total GIS as including operating personnel and the data that go into the system GIS_06 19

20 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 GIS_06 20

21 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 GIS_06 21

22 Komponenty GIS Software data, hardware, personál, způsob použití GIS_06 22

23 Účel GIS Co se nachází na vybrané lokalitě? seznam objektů Kde se nachází objekt XY? poloha + objekt XY Kolik je pozemků s obilovinami 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? GIS_06 23

24 Reprezentace prostorových dat Způsob převedení analogickách 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 GIS_06 24

25 Vědy k poznání prostorového světa Geografie Geologie Geodezie Kartografie Geoinformatika GIS_06 25

26 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 GIS_06 26

27 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 GIS_06 27

28 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 GIS_06 28

29 Geografie Definice 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 GIS_06 29

30 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, zkoumání Země pomocí hlubinných vrtů, sond uvnitř sopek, během těžby v dolech, vnitřní struktura zemského tělesa je známa díky geofyzikálním výzkumům GIS_06 30

31 GIS_06 31

32 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 GIS_06 32

33 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,...) GIS_06 33

34 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 GIS_06 34

35 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 pomicí matematicky definovaných vztahů GIS_06 35

36 GIS_06 36

37 Kartografie Měřítko mapy udává poměr zmenšené délky ke skutečnosti Mapy malého měřítka: 1: a výše; Mapy středního měřítka: 1: : Mapy velkého měřítka: 1: :5000; 1: 2500 plány, speciální mapy (např. při stavební činnosti) GIS_06 37

38 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 1626 využil kopečkové metody GIS_06 38

39 Mapy prvky Mapa obsahuje řadu prvků s různým významem Prvky polohopisné znázorňují vzájemnou polohu objektů zem. 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 GIS_06 39

40 Mapy prvky Popis mapy popisuje a vysvětluje ostatní obsah mapy; studiem Grafické symboly bodové (město, vrchol hory) čárové (silnice); možnost vyjádření pohybu plošné (jezera, pohoří, pole, nížiny) GIS_06 40

41 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 GIS_06 41

42 Kartografická zobrazení Kartografická zobrazení určuje způsob přenosu zemského povrchu na rovinu mapy Dělení dle tří kritérií Podle zobrazovací plochy rovinné (azimutální) válcové kuželové GIS_06 42

43 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 GIS_06 43

44 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 GIS_06 44

45 GIS_06 45

46 GIS_06 46

47 GIS_06 47

48 GIS_06 48

49 GIS_06 49

50 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: GIS_06 50

51 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 GIS_06 51

52 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) GIS_06 52

53 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 GIS_06 53

54 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 GIS_06 54