GEOGRAFICKÉ INFORMAČNÍ SYSTÉMY CN 02 1. přednáška
Geo pracuje s údaji a informacemi vztahujícími se k Zemi, pro které je dána jejich lokalizace v prostoru, případně v čase grafický vyuţívá prostředků grafické prezentace dat, výsledků a analýz a grafické komunikace s uţivatelem Informační provádí sběr, ukládání, analýzu a syntézu dat s cílem získat nové informace, potřebné pro rozhodování, řízení, plánováním či modelování Systém integrace technických a programových prostředků, dat, pracovních postupů, personálu, uţivatelů apod. do jednoho funkčního celku
Co to je GIS? Geografický informační systém je organizovaný souhrn počítačové techniky, programového vybavení, geografických dat a zaměstnanců navrţený tak, aby mohl efektivně získávat, ukládat, aktualizovat, analyzovat, přenášet a zobrazovat všechny druhy geograficky vztaţených informací.
Geografický informační systém je informační systém pracující s prostorovými daty. Další definice
Vztah GIS a ostatních oborů
Co GIS není! GIS není počítačový systém na vytváření map GIS není CAD
Oblasti vyuţití GIS Maloobchod výběr nejvhodnějších míst pro supermarkety optimalizaci rozmístění skladovacích kapacit optimalizaci zásobovací sítě supermarketů. Inţenýrské sítě správa dat o sítích modelování reakcí sítí na změnu poptávky, na poruchy Ţivotní prostředí jedná se o historicky první oblast uţití geografických informačních systémů inventarizace přírodních zdrojů modelování přírodních procesů (eroze půdy, modelování šíření povodňové vlny) Archeologie
Oblasti vyuţití GIS Státní správa územní plánování evidence nemovitostí vyměřování daní správu majetku Doprava plánování a údrţba dopravní infrastruktury optimalizace městské hromadné dopravy, dálkové přepravy navigace vozidel pomocí systémů umístěných ve vozidlech Záchranné sluţby dispečeři záchranných sluţeb navádění vozidel do místa neštěstí Armáda a bezpečnostní sluţby
Příklady projektů realizovaných v ČR Vyuţití digitálního modelu terénu pro rozbor erozních a odtokových poměrů Mapa erozní ohroţenosti zemědělské půdy a transportu splavenin vyuţití digitálních podkladů v měřítku ČR Ekologická stabilizace v záplavovém území Kategorizace zemědělských odvodňovacích soustav zpracování melioračního detailu pro hydraulické výpočty Analýza zdrojů a modelování znečišťování ovzduší v rozsáhlém území Vyuţití GIS při modelování interakcí základních sloţek ţivotního prostředí Monitorování změn krajinného pokryvu s vyuţitím GIS a DPZ Obnova funkce krajiny narušené povrchovou těţbou Analýza ekologických nároků tetřívka obecného ve východní části Krušných hor Vytipování vhodných lokalit pro reintrodukci tetřeva Vyuţití GPS při typologickém mapování Silniční a ţelezniční pasport
Státní správa a samospráva, životní prostředí Cenové mapy pro odhadce, projektanty, daňové zatíţení pozemků Odkud budou vidět projektované výškové stavby (větrné elektrárny, vysílače mobilních operátorů.) určení oblasti narušení krajinného rázu Monitoring hloubky hladiny podzemní vody v sondách a modelování interpolací Analýzy ekologických nároků druhu
Státní správa a samospráva, životní prostředí, lesnictví Modelování dopadů projekčních plánů na povodí Trasy odtoku z povodí a zdroje znečištění Modelování šíření: Lesního poţáru na základě údajů o terénu, vodních zdrojích, kvalitě lesa Kůrovcové kalamity na základě expozice, druhového sloţení, zdravotního stavu porostu Druhu na základě výskytu vhodných biotopů a překáţek
Státní správa a samospráva, životní prostředí, lesnictví Optimalizace tras -Kudy vést lesní cesty -Pohyb mezi výzkumnými lokalitami v terénu Tvorba porostních map, vyhledávání porostů splňujících zadané podmínky
Inženýrské sítě Optimalizace umístění nových transformátorů Kde jsou nejbliţší uzavírací kohouty od místa, kde praskl vodovod? Které segmenty potrubí jsou nejvíce ohroţeny vzhledem ke geologickým a hydrogeologickým podmínkám
Optimální rozmístění sil vzhledem k míře kriminality Obchod Analýza vhodnosti umístění obchodních míst na základě koncentrace zákazníků v okolí a umístění konkurence
Povodně vyhodnocení, prevence
Ochrana přírody - management
Strukturální členění GIS Hardware - počítače, poč. sítě, vstupní a výstupní zařízení Software - často bývá modulárně postaven = jádro systému (zakl. příkazy pro práci s geodaty) + nadstavby (spec. práce) Data nejdůleţitější část GIS (90% nákladů) Lidé programátoři, specialisté GIS, uţivatelé Metody vyuţití GIS, zapojení do stávajícího IS
Funkční členění GIS Vstup dat Zpracování a uchování GIS Vykonání analýz a syntéz s vyuţitím prostorových vztahů Prezentace výsledků (mapy, zprávy, tabulky) Interakce s uţivatelem (desktop/web GIS)
Ţivotnost komponent GIS Hardware: 2-3 roky Základní software: 4-7 let Aplikační software: 10-15 let Lidé: dny-desetiletí
Historie GIS 1963 - R. F. Tomlinsen zavedl pojem GIS jako novou technologii pracující s daty a podávající informaci o terénu pomocí výpočetní techniky 60. léta aplikace zaměřené na digitální kartografii (CGIS Canadian GIS 10 000 diditálních map) 70. léta aplikace s důrazem na zpracování a uchování dat (LIS) 80. léta. - komercionalizace, nové systémy zaloţené na CAD určené na zpracování geografických dat (ESRI, Intergraph..) 90. léta počátek standardizace, desktop GIS, Internet Současnost vývoj objektově orientovaných systémů, propojení s databázemi, vzdálený přístup přes Internet.
Různé aspekty GIS Kartografický: důraz je kladen především na informačně- komunikační funkci mapy Databázový: dominuje potřeba inventarizace, shromaţďování, třídění, selektování a prezentování údajů Analytický: vyzdvihuje schopnosti prostorové analýzy, syntéz poznatků a modelování.
ArcGIS
Vlajkovou lodí společnosti ESRI je produkt ArcGIS. ArcGIS Desktop poskytuje kompletní software pro GIS a je k dispozici ve třech úrovních (tj. licencích): 1. ArcView, 2. ArcEditor 3. ArcInfo Další moduly jsou: ArcIMS - řešení pro internet ArcSDE - řešení pro správu geografických dat v relační databázi Aktuální verze je 9.3 ArcView je základním produktem řady ArcGIS Desktop
ArcView je výkonným samostatným nástrojem GIS pro jednoduché aplikace, ale zejména vstupní branou k ArcGIS, integrované a škálovatelné sadě softwarových produktů pro GIS. ArcView tvoří tři desktopové aplikace: 1. ArcMap Umoţňuje data zobrazovat, dotazovat se na ně, provádět nejrůznější analýzy, vytvářet výkresy a tisknout výsledné mapy 2. ArcCatalog Nabízí nástroje pro správu, tvorbu a organizaci geografických a tabelárních dat 3. ArcToolbox Poskytuje základní nástroje pro konverzi dat
Moţnosti aplikace ArcView 1. provádět nejrůznější úlohy GIS, od nejjednodušších aţ po ty sloţitější, včetně geografických analýz, prostorových operací, základní editace dat, tvorby map a správy geografických dat 2. Je určený k zobrazení a analýze dat GIS 3. K tvorbě mapových výstupů 4. Disponuje i základními nástroji pro tvorbu, správu a editaci dat. ArcView lze s úspěchem nasadit i jako samostatný software GIS pro menší projekty nebo jednodušší aplikace.
ArcEditor Poskytuje nástroje pro pořizování, editaci a správu geografických dat ve formátu shapefile, coverage a geodatabáze Obsahuje všechny moţnosti, které se dají najít v ArcView, Navíc umoţňuje stanovit chování geodatabáze (topologie, podtypy, domény, geometrické sítě) Jeho součástí jsou i nástroje pro tvorbu metadat, zkoumání a analýzy geografických dat a mapování V případě, ţe máme přístup do DBMS lze pomocí software ArcEditor editovat a udrţovat víceuţivatelskou geodatabázi s kompletní správou verzování, např. včetně identifikace a řešení konfliktů mezi jednotlivými verzemi, provádění oddělené editace a správy historie.
ArcMap je centrální aplikace ArcGIS Desktop. Slouţí pro všechny mapově orientované úlohy včetně kartografie, prostorových analýz a editace dat Aplikace ArcMap poskytuje dva různé pohledy na mapu, tedy zobrazení geografických dat a zobrazení výkresu mapy V zobrazení geografických dat se pracuje s geografickými vrstvami a lze zde měnit symboliku, analyzovat a kompilovat datové sady GIS Rozhraní tabulky obsahu napomáhá organizovat a ovládat vlastnosti vykreslení datových vrstev GIS v datovém rámci Zobrazení dat je jakýmsi oknem do datových sad GIS, které je dispozici pro danou oblast. V zobrazení výkresu mapy je moţné pracovat s mapovými stránkami, které obsahují nejen geografická data, ale i další mapové prvky, jako jsou legendy, měřítka, severky a referenční mapy ArcMap slouţí pro tvorbu mapových kompozic připravených pro tisk a publikaci
ArcInfo Nabízí stejné moţnosti jako ArcView a ArcEditor Obsahuje kompletní sadu nástrojů v aplikaci ArcToolbox Jde o kompletní GIS pro tvorbu dat, aktualizaci, dotazy, tvorbu map a analytické úlohy
Další funkčnost na všech třech úrovních je vyřešena rozšiřitelnými moduly ArcReader ArcReader dovolí uţivatelům k takto vytvořeným interaktivním mapám přistupovat, dotazovat se na data a tisknout mapu ArcReader si můţe kdokoli zdarma stáhnout ze stránek firmy ESRI www.esri.com
ArcGIS 3D Analyst přináší do GIS třetí rozměr Umoţňuje na základě měřených výšek vytvořit podrobný model reliéfu včetně ostrých lomů a náspů apod. Data o reliéfu a všechna další data GIS se pak zobrazí ve 3D prostřednictvím speciální aplikace ArcScene nebo ArcGlobe, 2D vrstvy získají prostorový tvar na základě modelu reliéfu, navíc je moţné jednotlivé 2D prvky vytáhnout nad či pod úroveň terénu podle údaje v atributové tabulce (budovy, ohrady, studny, vrty) Terén lze texturovat prostřednictvím leteckého nebo druţicového snímku Na povrch snadno lze rozmístit 3D modely objektů Lze nastavit vzhled oblohy (barevné přechody, mlha ) Výsledkem je přehledný třírozměrný model zájmového území Stále existuje moţnost dotazovat se na vlastnosti prvků a provádět výběry na základě podmínek stejně, jako v prostředí aplikace ArcMap.
Dále modul poskytuje další 3D Analyst nástroje, které jsou uţitečné pro analýzu reliéfu např. výpočet sklonu, expozice svahu či kubatury, profil po linii, nalezení nejstrmější cesty, analýza viditelnosti, stínování reliéfu apod. Informaci o reliéfu je moţné konvertovat z formátu TIN (nepravidelná síť trojúhelníků) do rastrového formátu či do formy vrstevnic. Model reliéfu můţe být ze souboru měření vytvořen také interpolačním algoritmem Obecně lze uvedenými metodami zpracovat nejen data výškopisná, ale i data o výskytu jakékoli jiné veličiny (teplota, znečištění, výskyt těţkých kovů apod) 3D Analyst je významným pomocníkem ve všech případech, kdy je třeba v řešení územní situace zohlednit průběh reliéfu a aspekty plynoucí z jeho tvaru
ArcGIS Network Analyst Poskytuje prostorovou analýzu na síti Pouţívá speciální datový model, pomocí něhoţ mohou uţivatelé snadno vytvořit z dat v geografickém informačním systému sítě a provádět nad nimi síťovou analýzu Poskytuje nástroje umoţňující dynamicky modelovat reálné podmínky na síti (dopravní omezení, rychlostní limity, váhová omezení, podmínky pro dopravu v jakékoliv části dne a další) Software ArcGIS Network Analyst je uţitečným nástrojem pro uţivatele, kteří potřebují kvalitní zpracování síťové analýzy v prostředí GIS Umoţňuje vytvoření cestovního itineráře, určení nejkratšího spojení, nalezení nejbliţšího střediska (obsluhy), stanovení trasy z bodu do bodu, vymezení oblastí pro obsluhu, nalezení optimální trasy, analýzám podle potřebného času, výpočtu matice vzdáleností
Spatial Analyst Dává moţnost vytvářet data v rastrovém formátu a analyzovat souvislosti mezi různými typy geografických dat v rastrovém i vektorovém formátu : Lze pouţívat data, která popisují spojitě se měnící veličiny, jako např. nadmořská výška, sklon, teplota, tlak, sráţky, znečištění apod. a umoţní vám vytvořit rastrovou vrstvu prostřednictvím interpolace hodnot naměřených v diskrétních bodech zkoumaného území Lze pracovat i s klasifikovanými rastry (např. rastr vyjadřující způsob vyuţití půdy apod.), či takové rastry vytvářet (převodem z vektorového formátu nebo kategorizací spojitých dat) Prostřednictvím logických dotazů, kombinací různých rastrových i vektorových dat a pomocí nejrůznějších algoritmů prostorové analýzy, jeţ poskytuje Spatial Analyst, získáme nové informace o území
Příklady analýzy Oblasti vybrané na základě daných kritérií Zemědělská půda v nadmořské výšce větší neţ 750 m apod. Sklon a expozice svahu apod. Vyhodnocení časové řady (území s největším nárůstem znečištění za posledních 10 let) Hranice povodí, nejvhodnější trasa pro průchod daným územím Místa viditelná z dané pozorovatelny Analýza a popis spojitě se měnící veličiny, jako např. nadmořská výška, sklon, teplota, tlak, sráţky, výskyt znečištění, chorob apod.
ArcGIS Publisher Umoţňuje publikovat data a mapy, které byly vytvořeny v prostředí ArcGIS Desktop Je moţné pro jakýkoli dokument aplikace ArcMap vytvořit soubor ve formátu publikovaná mapa (.pmf) Tyto publikované mapy pak můţete sdílet s jakýmkoli počtem dalších uţivatelů, kteří si je zobrazí ve volně dostupné aplikaci ArcReader. Formát PMF je vhodný i pro rozšíření mapy na webu nebo intranetu prostřednictvím nadstavby ArcMap Server pro ArcIMS. ArcGIS Survey Analyst Umoţňuje spravovat komplexní databázi geodetických měření jako ucelenou část GIS Relativní přesnost a chybu v systému měření lze zobrazit pro jakékoli naměřené místo Lze propojit prvky v GIS databázi se zaměřenými body v databázi měření a upravit polohu prvků tak, aby odpovídala geodetickému zaměření.
Geostatistical Analyst Geostatistika je taková statistická metodika, která do zpracování zahrnuje i geografické souřadnice zpracovávaných údajů. Na základě údajů naměřených na několika místech zájmového území umoţňuje Geostatistical Analyst předpovědět hodnoty spojitě se měnící veličiny. Můţe jít např. o: nadmořské výšky, teploty, tlaku, sráţek, znečištění, kyselost půdy apod. na ploše celého tohoto území K dispozici jsou jak stochastické tak deterministické metody. K vytváření předpovědních map jsou pouţívány sofistikované interpolačních algoritmy Umoţňuje definovat závislosti, anomálie a trendy
Geostatistical Analyst je řešením pro pracoviště, která potřebují analyzovat a popisovat spojitě se měnící veličiny, např. nadmořskou výšku tlak signál vysílače výskyt znečištění, chorob, nezaměstnanosti apod. Geostatistical Analyst se proto uplatní v oblastech: Zemědělství hydrologie, ochrany přírody, výzkumné geologie, těţebního průmyslu Meteorologie, klimatologie Telekomunikac Lesnictví zdravotnictví státní správy a samosprávy
ArcGIS Data Interoperability Poskytuje moţnost přímého čtení a vyuţití více neţ 60 běţných vektorových datových formátů ArcGIS Publisher Umoţňuje publikovat data a mapy, které byly vytvořeny v prostředí ArcGIS Desktop Pomocí nadstavby ArcGIS Publisher je moţné pro jakýkoli dokument aplikace ArcMap vytvořit soubor ve formátu publikovaná mapa (.pmf) Tyto publikované mapy pak můţete sdílet s jakýmkoli počtem dalších uţivatelů, kteří si je zobrazí ve volně dostupné aplikaci ArcReader Formát PMF je vhodný i pro rozšíření mapy na webu nebo intranetu prostřednictvím nadstavby ArcMap Server pro ArcIMS
ArcGIS Tracking Analyst Nadstavba ArcGIS Tracking Analyst umoţňuje periodický příjem dat o poloze nebo vlastnostech prvků Díky tomu je moţné sledovat trasu pohybu prvků a změny hodnot atributů jednotlivých míst během určité doby Poskytuje moţnosti: zobrazení bodů a trasy (v reálném nebo pevném čase), barevnou symbolizaci času (zobrazení stáří dat) interaktivní playback manaţer akce (zaloţené na atributových nebo prostorových dotazech), zvýraznění, potlačení, podporu linií a polygonů, přehrávání s časovými histogramy vykreslování přídavné časové symbologie, časová okna pro správu mnoha vrstev s časově závislými daty časové odsazení pro porovnání průběhu událostí, animační soubory, datové hodiny pro dodatečné analýzy.
ArcScan Přidává k editačním moţnostem ArcEditor a ArcInfo editaci rastrů a digitalizaci skenovaných obrazů: Pouţívá se pro generování dat z naskenovaných map a rukopisů J emoţné provádět úlohy typu konverze rastru na vektor včetně editace rastrů, přichytávání na rastr, ručního sledování kresby v rastru a dávkové vektorizace. StreetMap Poskytuje mapy v podrobnosti uliční sítě a s moţností lokalizace kterékoliv adresy v pokryté oblasti Automatizovaně spravuje, vykresluje a popisuje prvky jako jsou význačné body a pamětihodnosti, ulice, parky, vodní plochy a další. ArcGIS StreetMap dokáţe lokalizovat téměř kteroukoliv adresu jak při interaktivním zadání jednotlivé adresy, tak hromadně ze souboru adres
Image Analysis Rozšiřuje prostředí ArcGIS o nástroje pro vyuţití leteckých a druţicových snímků v GIS Obsahuje intuitivní a snadno ovladatelné nástroje pro přípravu snímků k vyhodnocení i pro vlastní analýzu snímků souvislosti s dalšími shromáţděnými daty ArcPress ArcPress je nadstavba aplikací ArcView, ArcEditor a ArcInfo, která slouţí k tisku map Mapy velkého formátu často obsahují ohromné mnoţství dat, sloţité popisy, a extrémně velké rastrové obrázky. ArcPress poskytuje prostředky pro přípravu kvalitní mapy k tisku rychle a bez zvláštních nároků na paměť nebo jiný hardware
Prostorová (geografická) data Prostorová data (spatial data) jsou data, která se vztahují k určitým místům v prostoru, a pro která jsou na potřebné úrovni rozlišení známé lokalizace těchto míst. Jednotlivá data jsou organizována v tématických vrstvách (layer, theme, coverage). Reprezentace komplexního světa pomocí jednoduchých tématických vrstev umoţňuje zorganizovat a pochopit vztahy mezi vrstvami.
Geografický prvek (feature) Geoprvek je základní prostorová entita, která je dále nedělitelná na jednotky stejného typu a která je popisovaná prostorovými daty. Na kaţdý geoprvek se odkazujeme jedinečným identifikátorem, unikátním kódem. Geoprvky mohou reprezentovat jak objekty reálného světa (studna, silnice, řeka, jezero), tak i abstraktní jednotky (volební obvody).
Sloţky popisu geoprvku Má-li být geoprvek v GISu správně reprezentováv a zpracován musí být popsán z mnoha hledisek: geomertické zaznamenává lokalizaci geoprvku v prostoru, popisuje přímo jeho geometrické vlastnosti a nepřímo prostorové vztahy s okolními objekty (topologii) popisné (tématické) zaznamenává negeometrické vlastnosti geoprvku, tzv. atributy geoprvku časové zaznamenává pozici geoprvku na časové ose, tedy jeho existenci při daném stavu geometrie a atributů vztahové popisuje vztahy, do nichţ geoprvek vstupuje s jinými georvky funkční popisuje operace, které lze s daným geoprvkem provádět
Popis geoprvku Časová sloţka popisu
Datové modely v GIS Datový model označení logické struktury dat z pohledu zobrazení reálného světa v GIS, představuje zjednodušený pohled na část reálného světa Datová struktura označení logické a fyzické struktury dat v databázi Datové modelování je proces abstrakce, při kterém jsou podstatné elementy reálného světa zdůrazněny a nepodstatné eliminovány s ohledem na cíl, který má toto modelování splnit Datové modely a datové struktury jsou na sobě závislé, pokrok pouţívaný v datových modelech je limitovám pokrokem v pouţívaných datových strukturách Datová model popisuje nejstabilnější a nejnákladnější součást GISu data (poţadovaná ţivotnost dat 50.let)
Proces modelování (příklad) Vnitřní model Pozorování reálného světa Promítnutí vnitřního modelu pozorovatele do mapy Papírová mapa Digitizér Převod papírové mapy do GIS pomocí digitizéru
Rozdělení datových modelů Klasické (mapa GIS), reálný svět je rozdělen na 0-2D geometrické prvky (body, linie, plochy) Rastrový zaměřuje se na danou lokalitu jako celek, pouţívá se na prezentaci spojitě se měnících jevů (teplota, sráţky, bonita půdy, oblast znečistění) Vektorový zaměřuje se na popis jednotlivých geografických objektů Hybridní vyuţívá duálních dat, uloţení dat v rastrovém i vektorovém modelu, velká redundance dat Objektové (vnitřní model GIS), zaloţené na principech OOP, ve stádiu vývoje
Vektorový datový model Nejrozšířenější datový model pouţívaný v GISech Pro popis geometrických vlastností se pouţívají lineární geometrické prvky, tzv. vektory Vektor je orientovaná úsečka, definovaná souřadnicemi počátečního a koncového bodu
Základní geometrické prvky Bod jako vektor nulové délky Linie otevřená posloupnost vektorů, uzel je počáteční a koncový bod, vrcholem se označuje mezilehlý bod Plocha reprezentována uzavřenou hraniční linií, uzavřenou posloupností vektorů
Základní geometrické prvky
Typy vektorových datových modelů Vektorové datové struktury jsou zaloţeny na jednotlivých bodech u kterých je známa jejich poloha. Ty se pouţívají k popisu sloţitějších objektů pomocí bodů a linií. Špagetový model Topogický model Hierarchický model
Špagetový model Nejjednodušší model Kaţdý prvek je kódován odděleně ve vektorové formě, bez vytváření vztahů s okolními prvky Uplatnění v digitální kartografii
Topologický model Kaţdá linie začíná a končí v uzlu Dvě linie se mohou protínat jen v uzlu Uzly jsou uloţeny jako soubor souřadnic x,y Struktura také obsahuje identifikátor polygonu Neuspořádanost záznamů, při vyhledávání určitého liniového segmentu se musí projít celý soubor
Hierarchický model Základní stavebním kamenem jsou body Linie se skládají z úseček, které jsou definovány jako seřazená mnoţina vrcholů o souřadnicích x,y Uzly jsou počáteční nebo koncové body linií (průsečíky) Polygony jsou definovány jako plochy ohraničené pomocí řetězců linií