1. A) Co je to Geografický Informační Systém; B) Definice; C) Strukturální a funkční členění GIS; D) Aspekty GIS; E) Oblast použití GIS. A)Co je to Geografický Informační Systém V první řadě je to informační systém a Informační systém je soubor hardware a software na získávání, uchovávání, spojování a vyhodnocování informací. Informační systém se skládá ze zařízení na zpracování dat, systému báze dat a vyhodnocovacích programů Geografie je věda zabývající se studiem Zemského povrchu. Slovo geografie pochází z řeckých slov geo - Zem, graphein - psát. Geografie popisuje a analyzuje prostorové vztahy mezi fyzikálními, biologickými a humánními jevy, které se vyskytují na Zemském povrchu GIS je tedy informační systém pracující s prostorovými daty B) Definice Pro GIS neexistuje jednotná definice, proto si jich uvedeme několik: Definice (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. Definice (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. -> 3 komponenty (technologie, databáze a infrastruktura). Závěr vycházející z definic: GIS netvoří pouze software, ale i ostatní komponenty jako data, hardware, personál a způsob použití C) Strukturální členění a funkční členění Strukturální členění 1. Hardware počítače, počítačové sítě, vstupní a výstupní zařízení(geodetické přístroje, GPS pozemní i kosmický segment, digitizéry, plottery, scannery, ). 2. Software - vlastní SW pro práci s geografickými daty (geodaty) je často postaven modulárně. Základem systému je jádro, které obsahuje standardní funkce pro práci s geodaty, a programové nadstavby (moduly) pro specializované práce (zpracovávání fotogrammetrických snímků a snímků _dálkového průzkumu Země, síťové, prostorové a statistické analýzy, 3D zobrazování, tvorba kartografických výstupů, ). 3. Data nejdůležitější část GIS (až 90% finančních nákladů na provoz GIS tvoří prostředky na získávání a obnovu dat). 4. Lidé používající daný GIS programátoři, specialisté GIS (analytici), koncoví uživatelé. 5. Metody využití daného GIS, jeho zapojení do stávajícího IS podniku (z hlediska praxe velmi komplikovaná a náročná část) Funkční členění 1. Vstup dat. 2. Zpracování a uchování dat. 3. Vykonávání analýz a syntéz s využitím prostorových vztahů jádro GIS, tedy to co nejvíce odlišuje GIS a jiné IS.
4. Prezentace výsledků(výstupy grafické - mapy, negrafické zprávy, souhrnné tabulky). 5. Interakce s uživatelem (desktop GIS, Web GIS). D) Aspekty GIS 1. Kartografický CAM (Computer Aided Mapping), CAC (Computer Aided Cartography) systémy důraz na prezentaci dat. 2. Databázový (evidenční) LIS (Land Information System), MIS (Munincipal Information System), AM/FM (Automated Mapping/Facilities Management) klade důraz na zpracování a uchování dat. 3. Analytický (modelování) důraz na analytické prostředky, je využíván hlavně hydrology, meteorology, biology, geomorfology, geology... E) Oblasti využití maloobchod inženýrské sítě zdravotnictví doprava sféra financí telekomunikace vojenství životní prostředí státní správa a samospráva lesnictví turistika školství 2. A) Prostorová Data (geodata); B) neprostorová data; metadata; C) Zdroje prostorových dat; D) Souřadnicové systémy v ČR (Rapant: Úvod do GIS, kapitola 4.2; Břehovský, Jedlička: Úvod do GIS, kapitoly 3.3-3.6 ) A) Prostorová Data (geodata) Geodata jsou jednou z nejpodstatnějších složek GISu. Jejich tvorba je finančně nákladná, avšak existují i data volně stažitelná. Se stále rostoucím množství free dat klesá jejich aktuálnost, důvěryhodnost. Dostupnost geodat se liší stát od státu, dobrým zdrojem jsou národní prostorové databáze. - naplňování databáze je ve většině případu jednoznačně nejnáročnějším a nejzdlouhavějším krokem v rámci GIS projektu. B) Metadata Jsou to data o datech, tzn. informace co popisovaná data obsahují a kde se nacházejí. Tyto informace jsou zvláště důležité, pokud je zpracováváno několik druhů dat. Pomáhají pak lépe organizovat a udržovat přehled nad daty. Metadata obsahují: co je obsahem rozlišení formát dat
datum pořízení kontakt na pořizovatele a správce Dnes se pro metadata již používají některé standardy V ČR se o metadata stará ČAGI C) Zdroje prostorových dat Rozdíl mezi rastrovými daty a vektorovými daty: Úsečka popsaná rastrem je množina bodů o různých souřadnicích, které zobrazené dohromady tvoří obraz úsečky. Úsečka ve vektorovém zápisu bude obsahovat pouze počáteční a koncový bod a informaci o barvě a tloušťce. Primární-přímo měřené Vstup z geodetických měření: -terénní měření, produkuje vektorová data -zadávají se ručně z terénních zápisníků a přes klávesnici se převedou do vektorové podoby -pomocí COGO systému(coordinate geometry) se převedou do prostorové databáze -novější přístroje zaznamenávají rovnou digitálně -použití hlavně pro mapy velkých měřítek(katastr, technické mapy ) Vstup z fotogrammetrických údajů: -je věda zabývající se rekonstrukcí tvaru, velikost a polohy předmětů zobrazených na fotogrammetrických snímcích -produkuje rastrová data -měření se uskutečňuje na fotografii, ne na objektu - Výstup fotogrammetrie digitální model reliéfu, digitální ortofoto Vstup z DPZ (Dálkový průzkum Země) Remote Sensing (družicové snímky a obrazové záznamy) -data z leteckých a družicových nosičů, jsou v rastrové podobě -pracuje na principu vyzařování nebo odrazivosti elektromagnetické energie(zdrojem je slunce) -používá se viditelná i neviditelná část spektra -sleduje se např: stav ozónové vrstvy, olejových skvrn, napadení lesů škůdci Rozdělení dle druhu senzoru: pasivní - zaznamenává odražené nebo vyzářené EM vlny aktivní -používá svůj vlastní zdroj elektromagnetického vlnění, tudíž je možné jej používat jak ve dne, tak v noci, může monitorovat mnohem delší vlnové délky a lépe proniká atmosférou, mraky i mělkou vodou, nevýhodou je, že se musí dodávat energie senzoru u DPZ jsou důležité tyto parametry: spektrální rozlišení-obvykle platí, že systémy s větším počtem pásem poskytují lepší výsledky (šedotónové 1pásmo, RGB 3pásma, Thematic Mapper 7pásem) prostorové rozlišení- nejmenší plocha, která je rozlišitelná (1pixel) Thematic Mapper 30x30m SPOT 10x10m v panchromatickém, 20x20 v multispektrálním IKONOS 1m v odstínech šedi, 4m barevně
QUICKBIRD 61cm v panchromatickém, 244cm v RGB radiometrické rozlišení- kolik různých hodnot (počet rozlišitelných úrovní citlivost detektoru) mohu dostat v každém spektrálním pásmu časové rozlišení- interval mezi dvěma úspěšnými přelety nad tím samým územím Výhody DPZ z kosmického nosiče: -v porovnání s leteckými snímky zabírá oblast tisíce km2 -pravidelný sběr dat -možnost okamžitého zpracování -opakovatelnost měření, možno sledovat změny v čase Nevýhody DPZ: -velké měřítko 1:25000 a menší -náročné na SW, HW a školený personál Vstup přes GPS měření -vznikl v 70.letech kvůli potřebě armády rychle zjistit polohu jaderných ponorek -přesnost dříve 15 metrů, nyní v cm(velmi drahé) -Po naměření dat pomocí GPS je musím pak převést do GIS jednoduché, jelikož dostanu soubor [X,Y,Z] nebo [B,L,H] souřadnic v textovém tvaru a ty mi většina systémů umožní snadno zpracovat -možno použít tracking(slouží ke sledování objektů v reálném čase) -používá souřadnicový systém WGS 84, je potřeba převést do S-JTSK Výhody sběru dat pomocí GPS: -levné a rychlé -možno měřit kdykoliv a za jakéhokoli počasí -snadná konverze do GIS -dnes již velmi přesné -vysoké budovy a stromy v lese blokují signál -složitá konfigurace systému -špatná měřitelnost nedostupných objektů Sekundární- již jednou zpracované primární zdroje -Obecně lze říci, že jsou v nich obsaženy chyby získané již během prvního zpracování dat, tudíž nemohou být přesnější než zpracovávané primární zdroje Vstup manuálně přes klávesnici -prakticky nepoužitelný Vstup z manuální digitalizace -často používaný, využívá se tablet-digitizér(na snímání souřadnic o velikost A3-A0 a přesností setin mm) Princip: snímaný podklad se upevní na pracovní plochu a pomocí zaměřovacího kříže (kurzoru) je snímána poloha zaměřovaných bodů a z klávesnice nebo pomocí kurzoru se zadává identifikátor objektu. Metody digitalizace: bodová kliká se na každý vrchol, nejčastější způsob
proudová počítač automaticky zaznamenává sekvence bodů Postup digitalizace: definování oblasti- definování minimálních a maximálních hodnot souřadnic registrace mapy- zadání nejméně 4 kontrolních(vlícovacích) bodů vlastní digitalizace mapy editace chyb- nespojení čar, nedotahy, přetahy Výhody ruční digitalizace: -levné -flexibilní a adaptibilní na různé zdroje dat -lze snadno naučit -vysoká kvalita -digitizéry jsou spolehlivé -snadné úpravy -přesnost je limitována stabilitou vstupního média -únavná a nudná a tedy náchylná k chybám Vstup ze skenování a vektorizace - Stále rozšířenějším způsobem převodu dat z analogové do digitální (rastrové) formy je scanování. Vykonává se pomocí scannerů, zařízeních sloužících k optickému snímání dokumentů 3 typy skenerů: bubnové -nejpřesnější (přes 1000dpi) a nejdražší -princip spočívá v rychlé rotaci bubnu, na kterém je připevněn snímaný dokument a v paralelně se pohybujícím se senzoru -zdlouhavé a pro potřeby GIS zbytečně přesné a nákladné deskové -nejběžnější (přes 600dpi) -malá snímatelná plocha -princip spočívá v položení dokumentu na skleněnou desku, za kterou se pohybuje světlo a senzor -pro GIS nevhodné, kvůli malé maximální velikosti snímaného dokumentu posuvné velkoformátové -nejpoužívanější pro GIS (kolem 400dpi) -princip spočívá v posouvání dokumentu přes snímací kameru Postup při skenování: výběr rozlišení- 2x větší rozlišení vede ke čtyřnásobné velikosti souoru výběr přesnosti- je lepší skenovat z nesrážlivých materiálů příprava mapy ke skenování- očištění, identifikace vlícovacích bodů, úpravy vlastní skenování registrace- pomocí vlícovacích bodů úprava obrazu- jas, kontrast, prahování, ekvalizace histogramu čištění rastrového podkladu- volitelně
vektorizace- volitelně Druhy vektorizace: automatická vektorizace- vše dělá počítač, rychlé, ale je nutné čištění vektorových dat poloautomatická vektorizace- počítač sám vektorizuje, ale uživatel ho koriguje na sporných místech ruční- uživatel provádí sám na základě rastrového modelu D) Souřadnicové systémy v ČR - Vláda ČR vydala nařízení č.116/1995 SB. (NV116), kterým stanovila závazné geodetické referenční systémy, použitelné na území našeho státu 1. WGS 84- světový geodetický referenční systém 2. ETRS- evropský terestrický referenční systém 3. S-JTSK- souřadnicový systém Jednotné trigonometrické sítě katastrální 4. S-42- souřadnicový systém 1942 5. BPV- výškový systém baltský po vyrovnání 6. S-Gr95- tíhový systém 1995 3. A) Datové modely (vektorový), B) příklady vektorových dat, porovnání s rastrovými daty; C) Topologie a tvorba topologicky čistých dat; D) Generalizace. (Rapant: Úvod do GIS, kapitola 6; Břehovský, Jedlička: Úvod do GIS, kapitoly 2; 3.9.4 a 3.9.5) A) Datové modely (vektorový) Vektorové datové struktury jsou založeny na jednotlivých bodech u kterých je přesně _ známa poloha. Tyto body využívají primitiva, jako jsou body a linie, k popisu složitějších objektů Špagetový model: Tento model patří mezi nejjednodušší. Princip vychází z digitalizace map, kde se každý objekt na mapě reprezentuje jedním logickým záznamem v souboru a je definovaný jako řetězec x,y souřadnic -ačkoli jsou všechny objekty v prostoru definovány, struktura neposkytuje informace o vztazích mezi objekty, odtud také pochází název Špagetový, je to soubor řetězců souřadnic nemající žádnou logickou strukturu -další nevýhodou je způsob uložení sousedících polygonů. Společná linie je totiž ukládána dvakrát, pro každý polygon zvlášť Základní topologický model: Jedním z nejpoužívanějších modelů uchovávajících prostorové vztahy mezi objekty je topologický model. Každá linie začíná a končí v bodě nazývaném uzel - node. Dvě linie se mohou protínat opět jenom v uzlu. Každá část linie je uložena s odkazem na uzly a ty jsou uloženy jako soubor souřadnic x,y. Ve struktuře jsou ještě uloženy identifikátory označující pravý a levý polygon vzhledem k linii. Tímto způsobem jsou zachovány základní prostorové vztahy použitelné pro analýzy. Navíc tato topologická informace umožňuje aby body, linie a polygony byly uloženy v neredundantní podobě
-naprostá neuspořádanost jednotlivých záznamů -k vyhledání určitého liniového segmentu je třeba sekvenčně projít celý soubor -k vyhledání všech linií ohraničující polygon je třeba tento soubor projít několikrát Hierarchický model: Tento model odstraňuje neefektivnost při vyhledávání v jednodušším topologickém modelu pomocí ukládání v logicky hierarchické podobě. Vzhledem k tomu, že polygony se skládají z linií, které odpovídají jejich hranicím, a linie se skládají ze souboru bodů, jsou do modelu zahrnuty odkazy mezi jednotlivými druhy objektů(polygony, liniemi a body). Tyto odkazy pak umožňují mnohem snadnější vyhledávání jednotlivých objektů než v případě topologického modelu. Hierarchický model obvykle také obsahuje topologickou informaci. Příkladem hierarchického modelu může být datová struktura arc-node, kterou mimo jiné využívá v malé modifikaci i geografický informační systém ARC/INFO. Řetězce linií jsou složeny z jednotlivých úseček, které jsou definovány jako seřazená množina vrcholů-vertices o souřadnicích x,y. Důležitou roli pak hrají uzly (nodes), což jsou body vyskytující se na konci, na začátku a v místech, kde se jednotlivé linie protínají. Polygony jsou definovány jako plochy úplně ohraničené pomocí řetězců linií. Výhody: -jednodušší vyhledávání a manipulace Rozšířený topologický model: Jedná se o vylepšení hierarchického modelu o regiony-regions a cesty-routes B) příklady vektorových dat, porovnání s rastrovými daty Vektorová data Vektorový grafický soubor obsahuje informace o objektech složených z křivek a jednoduchých těles, které umožňují jejich geometrickou konstrukci. Je-li takto uložena např. kružnice, soubor neobsahuje informace o všech jednotlivých bodech, které na ní leží. Informuje o tom, že se jedná o kružnici, dále obsahuje souřadnice jejího středu, jednoho bodu, který na ní leží a poslední bod určuje rovinu její konstrukce. Připojeny jsou rovněž informace o barvě objektu a tloušťce čáry, kterou má být sestrojen. Program, pro který jsou tato data určena, musí být schopen tyto informace správně přečíst a musí obsahovat algoritmus, který na základě těchto informací kružnici sestrojí. Vektorová data jsou typická např. pro technické výkresy. Z grafických softwarů je používá např. CorelDraw, Adobe Illustrator. Výhody: -změnou měřítka nedochází ke ztrátě informací -vstupní soubory jsou poměrně malé -vhodné pro tvorbu map a dalších obrázků, které se používají v různých rozměrech -jednoduché kreslení -při velmi velkém zvětšení mohou některé čáry zmizet
-při velkém zvětšení jsou vidět chyby v kresbě Rastrová data Rastrová data dohromady tvoří obrázek. Ten se skládá z matice jednotlivých teček (pixelů). Každý má svoji vlastní barvu. Někdy bývají uloženy i informace o způsobu případné komprese a kódování barev. Rastrově jsou ukládány buď informace, které již nebudou dále upravovány systémem, kterým byly vytvořeny (např. žánrový pohled na strojní součást), nebo obrazy, které nebyly pořízeny počítačem (např. fotografie). Na rastrovém principu funguje většina zobrazovacích zařízení (monitory, jehličkové, inkoustové i laserové tiskárny, televize apod.). Počet pixelů záleží na daném obrázku, v jaké velikosti jej chceme tisknout či prezentovat. Aby se dalo porovnávat rozlišení obrázků, byla zavedena jednotka DPI - Dots Per Inch (počet bodů na palec). Rozlišení 800x600 může poskytovat vysoce kvalitní (malý) obraz na čtrnáctipalcovém monitoru a díky omezené rozlišovací schopnosti lidského oka zde již nemá smysl použít rozlišení větší. Totéž rozlišení však bude asi nedostatečné na monitoru jednadvacetipalcovém. Výhody: -jednoduché pro výstup -velká paměťová náročnost -nelze libovolně zvětšovat(čtvercuje) -při zmenšení ztrácí ostrost C) Topologie a tvorba topologicky čistých dat Topologie: je matematická disciplína, která studuje vzájemné prostorové vztahy geometrických prvků. Je pro ni typické, že nepracuje se souřadnicemi těchto objektů. Někdy se jí také říká geometrie bez souřadnic. Studuje geometrické vztahy geoprvků, které mohou být definované nezávisle na souřadnicovém systému. V oblasti GISů se tímto pojmem označují přímo vlastní prostorové vztahy geoprvků Tvorba topologicky čistých dat: Data, nad kterými je možné vytvořit topologii, aniž by se jakkoli změnila jejich poloha. Protože je topologie nutná pro uskutečnění nejrůznějších analýz, je nutné i u systém _ nepodporujících explicitní uchování topologie provádět její tvorbu (tzv. topologie onthe-fly viz. problematika vektorových datových modelů). Pro tvorbu topologicky čistých dat se používají první dva topologické koncepty: konektivita dvě linie se na sebe napojují v uzlech definice plochy linie které uzavírají nějakou plochu definují polygon + někdy je používán i třetí: sousednost (princip okřídlené hrany) linie mají směr a nesou informaci o objektech napravo a nalevo od nich D) Generalizace Obecně je generalizace proces, který se pokouší stanovit univerzalitu všeobecnost stavu. V kartografickém smyslu je generalizace výběr a zjednodušování reprezentace detailů objektů s ohledem na měřítko a/nebo účel mapy.
Proč vůbec je generalizace v GIS potřebná: ekonomické požadavky svět nelze nikdy modelovat úplně přesně požadavky redukce objemu dat platí, že čím více je dat, tím je větší možnost udělat chybu víceúčelovost požadavků pro údaje z jedné digitální reprezentace dat je nutné vytvářet mapy s různými informacemi i v různých měřítkách, požadavky zobrazování a komunikace (percepce) dat vychází z kartografických doporučení některých limitů, při jejichž překročení se mapy stávají nečitelnými Poznámka: Jelikož je v kartografii generalizace závislá na subjektivním citu a intuici kartografa, je její automatizace velice problematická, ne-li nemožná. Generalizační metody: selekce- výběr tematických vrstev eliminace- odstranění prostorově nedůležitých prvků zjednodušení- zjednodušení tvaru agregace- kombinování malých prvků do větších prostorová redukce- redukce dimenze prvku typifikace- redukce hustoty prvků exaggerace- zvýraznění reklasifikace a spojení- spojení prvků do jednoho řešení konfliktů- posunutí některých prvků pro její přehlednost zjemnění- vyhlazení linie řeky pro estetičnost Fce v GISu: Coordinate Thinning Eliminace Výběr prvků Posunutí prvku Reklasifikace a spojení Zjemnění linií 4. A) Datové modely (rastrový); B) příklady rastrových dat; C) porovnání s vektorovými daty; D) převod mezi datovými modely. (Rapant: Úvod do GIS, kapitola 6; Břehovský, Jedlička: Úvod do GIS, kapitola 2 a 3.9.3) A) Datové modely (rastrový) Provádí se jako překryv vektorové vrstvy na rastrovou mřížku o určené velikosti buňky a přiřazení hodnoty této buňky z vybraného atributu Důležité je určit si správnou velikost buňky výsledného rastru V případech, kdy jedna buňka obsahuje více různých objektů se používají 4 základní metody: Metoda dominantního typu-vyjádří se jako podíl plochy nebo počtem objektů u bodů a linií Metoda nejdůležitějšího typu- přiřadí hodnotu, která je považována za nejdůležitější Centroidová metoda- hodnota je definována polouhou jejího středu při průmětu do vektorové prezentace
5. Analytické nástroje GIS; dotazování, topologické překrývání, (Břehovský, Jedlička: Úvod do GIS, kapitola 3.10)