Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství Vysoká škola báňská technická univerzita Ostrava UČEBNÍ TEXT Nové informační technologie pro kontrolu a ochranu životního prostředí geografické informační systémy Ing. Petr Jančík Ostrava, prosinec 1998
Obsah 1. Úvod 6 1.1. Nástup informačních technologií 6 1.2. Informační technologie pro ŽP 8 1.3. Historie využívání prostorových informací, vznik GIS 8 1.4. Situace v České republice 10 2. Rozbor technologie GIS 12 2.1. Vymezení pojmu GIS 12 2.2. Prostorová data a informace v GIS 14 2.2.1. Souřadné systémy 16 2.3. Vstup prostorových dat do GIS 24 2.3.1. Sběr dat 24 2.3.2. Dálkový průzkum Země 24 2.3.3. Družicový polohovací systém GPS 34 2.3.4. Vkládání dat do GIS 37 2.3.5. Datové modely pro prostorová data v GIS 38 2.4. Analýza prostorových dat 44 2.4.1. Analýza výběrem 45 2.4.2. Geometrický výběr, měření 45 2.4.3. Topologické vztahy, topologický výběr 46 2.4.4. Síťové analýzy 46 2.4.5. Zónování a prostorové překryvné operace 48 2.4.6. Operace s rastry 48 2.4.7. Digitální elevační modely 50 2.4.8. Matematické modely prostorových jevů 52 ` 2
Seznam použitých veličin, symbolů a zkratek ρ [kg/m 3 ] hustota ε [m/s] rychlost disipace ϕ [ o ] směr větru γ [ o C/100 m] teplotní gradient γ d [ o C/100 m] suchoadiabatický teplotní gradient ϕ h [ o ] směr větru ve výšce h γ s [ o C/100 m] sytoadiabatický teplotní gradient µ t [m 2 /s] turbulentní viskozita σ y,σ z [m] směrodatné odchylky v dvojrozměrném normálním rozložení a, b, c [ ] koeficienty, závislé na stabilitě ovzduší C y [m n/2 ] horizontální difúzní parametr C z [m n/2 ] vertikální difúzní paramet D [ ] člen vyjadřující zánik znečišťující látky D nm [ ] difúzní koeficient h [m] výška nad zemí K (x,y,z) [g/m 3 ] koncentrace v bodě o souřadnicích x, y, z K [ ] koeficient zahrnující používané jednotky pro vyjádření koncentrací K h [ ] koeficient zeslabeni vlivu nízkých zdrojů na vyšší receptor k u [s -! ] koeficient zániku ZL, zahrnující transformaci ZL m [ ] hmotnostní zlomek ZL / vzduch n [ ] meteorologický exponent N [m 2 /s] Suttonova makroviskozita Q m [ g/s ] hmotnostní průtok ZL ze zdroje Q v [g/m 3 ] objemový průtok ZL ze zdroje R [J kmol -1 K -1 ] plynová konstanta u', w' [m/s] odchylky od průměrných složek rychlostí proudění ve směru osy y a z ` 3
u [ m/s ] rychlost větru u * [m/s] třecí rychlost u 1 [m/s] rychlost větru ve výšce z l V [ ] vertikální člen modelu ISC V s [m 3 /s] objemový průtok spalin za normálních podmínek z,z,z [ m ] korigované souřadnice referenčního bodu z s [m] výška směšovací vrstvy Zkratky 1D 2D 3D AISG K ASCII CAD CAE CAM CCD ČHMÚ DEM DKM DMT DPZ DTM EPA GIS GPS HW IDLH jednodimenzionální dvoudimenzionální třídimenzionální automatizovaného informačního systému geodézie a kartografie kód digitální znakové sady pro alfanumerické znaky computer aided design, počítačově podporované navrhování computer aided engeneering, počítačově podporované inženýrství computer aided manufacturing, počítačově podporovaná výroba Charge Couplet Devices, fotocitlivá zařízení Český hydrometeorologický ústav Digitální elevační modely digitální katastrální mapa digitální modely terénu dálkový průzkum Země Digital Terrain Modelling Environmental Protection Agency, Agentura pro životní prostředí USA geografický informační systém Global Positioning System, družicový polohovací systém hardware, technické prostředky nevratné zdravotní změny nebo smrt ` 4
IS ISÚ IT KN MŽP ČR OO informační systém Informační systém o území informační technologie katastr nemovitostí Ministerstvo životního prostředí ČR Objektově orientovaný S - JTSK Souřadnicový systém Jednotné trigonometrické sítě katastrální () SIS SW TIN TZL VUGTK WGS Státní informační systém software, programové prostředky Triangular Irregular Network tuhé znečišťující látky Výzkumný ústav geodetický, topografický a kartografický World Geodetic System ZABAGED1 základní báze geografických dat ZL znečišťující látky ` 5
1. Úvod 1.1. Nástup informačních technologií S rozvojem technologií ve 2. polovině tohoto století dochází k bouřlivému rozvoji informatiky, podložené rozvojem informačních technologií, především digitální výpočetní techniky. Informační technologie se objevují jako nezbytná součást, doprovázející rozvoj všech ostatních technologií a věd. Již ze samotného ekologického pojetí existence a rozvoje živých systémů, jako systémů u nichž samovolně roste míra informace na úkor entropie, vyplývá, že míra uspořádanosti (růstu informace) bude dále pokračovat. Nyní pokládáme člověka a jeho mozek za vrchol uspořádání hmoty. S tím je spojen rozvoj stále složitějších technologií a jejich vzájemných vazeb, stejně jako interakcí s okolím - prostředím. Právě popsání přírodních procesů a jejich využití v technologiích se stalo podstatou lidského rozvoje. S tímto rozvojem však jsou spojeny i vlivy na prostředí nežádoucí, často významnější, než u ostatních organismů. Hlavním rozdílem je zejména prostorová koncentrace lidských aktivit (těžba fosilních paliv a rud, produkce znečištění všech složek prostředí, tvorba biologicky nerozložitelných odpadů). Interakce s prostředím jsou často nejen masivní, ale i komplexní, synergické a obtížně popsatelné vcelku. Roste množství informací, které je nutno shromáždit, uchovat a zpracovat, aby bylo možno posoudit vlivy člověka na prostředí a ostatní organismy. Vědy, které člověk začal používat k poznání vztahů mezi organismy a prostředím a k minimalizaci negativních vlivů technologií na životní prostředí, jsou zcela závislé na přísunu informací z prostředí. Tyto informace se vyznačují určitou specifikou. Z velké části se jedná o informace prostorově lokalizovatelné - prostorové informace. To vyplývá i ze samotného pojmu Ochrana životního prostředí. Nutnost zpracování těchto informací s sebou přinesla s rozvojem ostatních technologií i rozvoj technologií, určených pro zpracování informací - informačních technologií. Technologie pro zpracování informací provázejí ostatní vědy a techniku celou dobu vývoje lidstva. Teprve od počátku, a zejména od poloviny století, doznávají prudkého rozvoje a v současné době se často používá pojem informační revoluce jako reminiscence na průmyslovou revoluci na konci minulého století. To je, stejně jako tehdy, opodstatněno vývojem technických složek informačních technologií, které tak jako v minulém století umožnily praktickou realizaci idejí připravených rozvojem teoretického zázemí. V první polovině 20. století se tak objevují první matematické stroje - počítače, které umožňují urychlovat a automatizovat matematické výpočty. Nejdříve dochází k rozvoji analogových počítačů, které využívají analogií mezi spojitými fyzikálními procesy a matematickými výpočty. výsledky vývoje v této oblasti se využívají zejména ve vojenské oblasti (matematické analogové počítače pro ` 6
automatické vybírání střemhlavého letu u letounů Ju 87, analogové elektronické počítače pro zaměřování bombardování u amerických bombardérů B17). Před druhou světovou válkou se objevuje revoluční zlom v této oblasti - první digitální počítač. Digitální počítače využívají při práci operací s nejmenšími diskrétními jednotkami informace - bity (čísla binární soustavy - 0, 1). Kombinací různých matematických operací s bity je možno sestavovat matematické výpočty značné složitosti a rozsahu. První použitelné digitální počítače byly technicky řešeny sestavami elektrických reléových obvodů. První počítače proto dosahovaly značných rozměrů při nevelkém výkonu. Další krok v jejich vývoji nastal použitím elektronek místo reléových prvků (na konci Druhé světové války v USA). Počítače o vyšším výkonu se přestěhovaly z hangárů do menších klimatizovaných místností. Revoluce ve vývoji počítačů jako zázemí informatiky nastala při použití nových prvků - tranzistorů. Ty se v podobě integrovaných prvků, kde se jich v jedné součástce integruje značné množství, používají dodnes. Nástup polovodičů u digitálních počítačů umožnil zvýšení jejich spolehlivosti a výkonu a zmenšení jejich rozměrů - z hangárů se stávají jednotky několika skříní při nárůstu výpočetního výkonu. Počítače dokáží zpracovávat stále větší množství informací za čas. Je třeba je účinně zásobovat dostatečným množstvím vstupních dat a shromažďovat výstupy výpočtů. Proto se ve výpočetních systémech začínají uplatňovat zařízení pro úschovu dat. Ty získávají časem větší kapacitu. Jako boční produkt vědeckých výpočtů tak vznikají systémy pro uchovávaní dat a informací a jejich zpracování - digitální informační systémy. Datová kapacita výpočetních systémů stále roste - vznikají centrální databáze, založené na uchovávání a analýze dat (zejména výběr a matematické operace) uložených jako alfanumerické znaky (číslice a písmena). Přístup k takovým datovým bázím je však dosti obtížný. Výpočetní systémy, umístěné v klimatizovaných sálech, umožňují přístup jen několika odborníkům obsluhy a vstupy a výstupy ostatních uživatelů informací, jsou umožněny prostřednictvím textových dokumentů, formulářů. Popisovaný stav se dramaticky změnil v 70. a 80. letech další minimalizací a integrací stavebních prvků počítačů - objevují se první počítače dostatečného výkonu a takové velikosti, aby je bylo možno umístit na pracovní stoly uživatelů informací. Každý z nich tak mohl získat bezprostřední přístup k datům a po jejich zpracování využívat výstupní informace. Výpočetní technika jako technický základ informačních technologií prožívá doslova boom v rozvinutých zemích. Se zvyšováním výpočetního výkonu a kapacity pro ukládání dat se objevuje možnost zpracování grafických dat. Záhy se objevují cesty pro jejich vstup a výstupy. Postupně se tak vyvíjejí systémy, které umožňují zpracovávání alfanumerických dat společně s grafickými daty. Otvírá se cesta k širšímu využití výpočetní techniky než k vědeckým výpočtům a uchování alfanumerických dat. Informace, zprostředkovávané dostatečně malými, levnými a výkonnými prostředky, se dostávají tam, kde jsou zapotřebí a v přijatelné podobě. Rozvoj informačních technologií probíhal zejména v nejrozvinutějších zemích, postupně od 50. do 80. let. u nás se prostředky IT dostávají ke slovu zejména po zrušení embarga na počátku 90. let. ` 7
1.2. Informační technologie pro ŽP Problematika ochrany ŽP se dostává do centra zájmu v rozvinutých zemích shodou okolností ve stejné době, kdy tam dochází také k prudkému rozvoji informačních technologií, (v 60. - 70. letech). Tehdy se rozvíjí zavádění legislativy, která má za úkol omezovat negativní vlivy člověka na prostředí ve všech jeho složkách (ovzduší, odpady, voda, půda, les, fyzikální faktory znečištění). Legislativní normy, omezující znečišťování prostředí v rozvinutých zemích, mají zejména ekonomický dopad na producenty znečišťování, to znamená na technologie, které jsou nositelem ekonomického růstu těchto zemí. Proto se stalo velmi důležitým shromáždění a analýza informací o stavu a znečišťování prostředí, aby bylo možno optimalizovat působení zákonů a sledovat a vymáhat jejich dodržování. Informace o stavu prostředí a o jeho znečišťování mají některá specifika: Jedná se téměř vždy o prostorové informace. Popsat stav životního prostředí, tedy rozsáhlého prostoru, vyžaduje velká množství informací. Je nutno uchovávat úplnou časovou řadu těchto sad. V době, o které se zmiňuji, tedy nastala potřeba zpracovávat tato kvanta informací na různých úrovních v oblasti veřejné správy, ale i u jednotlivých podnikatelských subjektů. To se brzy ukázalo nemožné klasickými prostředky. Začínají se využívat digitální informační systémy. V první fázi se vytvářejí datové báze alfanumerických dat. Stále více se projevuje nutnost uchovávat a zejména zpracovávat také prostorové informace v digitální podobě. To se projevilo zejména tehdy, když byly učiněny první pokusy o analýzu příčin zhoršeného stavu prostředí v rozsáhlejších lokalitách, jejich komplexní posouzení a návrh opatření, vedoucích k nápravě. (Los Angeles, USA, 60. - 70. léta). 1.3. Historie využívání prostorových informací, vznik GIS V té době se již zlepšily technické parametry digitálních počítačů používaných ve vyspělých zemích natolik, že bylo možno kromě alfanumerických zpracovávat také grafické informace (ukládat, analyzovat, zobrazovat). Začaly vznikat informační systémy, pracující s graficky vyjádřenými prostorovými informacemi - geografické informační systémy. První realizace GIS ukázala některá významná omezení jejich využívání: Počítače té doby neměly dostatečné technické parametry pro zobrazování grafiky. Údržba počítačů byla obtížná, vyžadovala tým specialistů v různých oborech. Fyzicky byly počítače velká zařízení vyžadující speciální stavební úpravy. Cena výpočetních systémů byla značná. Výsledkem byl omezený přístup k technickým prostředkům (terminálovým pracovištím, výstupním zařízením). Proto byla nutná organizace přístupu k počítači vyhrazováním strojového času. V horším případě byla možná kombinace s počítačem, který byl nositelem IS pomocí korespondence s obsluhou. Přesto se geografické informační systémy stávaly stále více využívanou technologií při ` 8
OŽP. Velký zlom v jejich využití nastal v 80. letech, kdy se ke slovu dostávají počítače, které svými rozměry vejdou na pracovní stůl uživatele - pracovní stanice a osobní počítače. Tehdy dochází k velkému rozšíření prostorových informačních systémů. Na trhu se objevují balíky programového vybavení, které jsou schopny zabezpečit všechny požadované operace s prostorovými daty, pracovní stanice a ostatní počítače se stávají stále výkonnější v oblasti výpočetního výkonu a grafiky. To vše platí pro nejrozvinutější země. U nás trvá do roku 1990 přísné embargo na informační technologie pro prostorová data. Jedná se totiž o systémy, které byly v první řadě využívány pro armádní potřeby. Díky možnostem zpracování velkého množství prostorových dat v krátkém čase jsou totiž velmi dobře využitelné pro podporu vedení bojových operací a pro přímé řízení moderních zbraňových systémů. Na počátku 90. let se u nás radikálně mění situace v zavádění moderních informačních technologií. To, co trvalo v rozvinutějších zemích desetiletí (vývoj počítačů, programového vybavení pro IS) a postupně se zavádělo do praxe, se u nás objevuje náhle. Prostorové informační systémy se začínají budovat nejdříve v těch oblastech, kde byl nejdále vývoj technického zázemí - v 70. a 80. letech. První aplikace byly především v armádě, veřejné správě a ochraně ŽP. Tento rychlý vpád hotových technologií s sebou přinesl i negativní dopady při jejich implementaci. Každý prostorový informační systém je totiž sestavou z několika základních složek: technické vybavení (počítače, komunikace, periferie), programové vybavení, lidé, znalosti, organizace, data. Pouze dvě složky se k nám dostávají na dostatečné úrovni - technické a programové vybavení. Chybí však zbývající složky, které jsou pro implementaci IT stejně významné. Dochází k tomu, že nasazení prostorových informačních systémů obecně a tedy i pro OŽP provází řada problémů, které představují významné omezení jejich využití: v prvé fázi téměř zcela chyběla prostorová data v digitální podobě chybí správné projekty informačních systémů data jsou shromažďována často nepromyšleně, v nevhodné formě nejsou plně využívány analytické možnosti IT chybí komplexní zapojení IT do organizační struktury chybí vazby prostorových IS na ostatní IS. Tato situace se od r. 1991, kdy jsem se začal zabývat problematikou využití prostorových IS pro OŽP, vyvíjí. Pro její řešení byly u nás provedeny některé systémové kroky, další kroky bude nutno provést v budoucnosti (kap. 3.4, 8). ` 9
1.4. Situace v České republice Za jeden ze základních kroků v rozvoji prostorových informačních systémů je možné považovat přijetí Usnesení vlády ČR Záměr a postup výstavby státního informačního systému České republiky dne 20. září 1995. Motivem je snaha vylepšit činnost státní správy a odstranit bariéry ve využívání výpočetní techniky, které se již začínaly vytvářet. Státní informační systém (SIS) umožňuje zajistit efektivní shromažďování, předávání a využívání informací ve shodě se zákony, a to nejen státní správou, samosprávou, mezinárodními institucemi, ale i občany. Při jeho tvorbě mají být uplatňovány následující zásady: 1. Nevyžadovat od poskytovatele takovou informaci, která není potřebná.. 2. Minimalizovat styk poskytovatele informace se státní správou. 3. Zajistit přítomnost informace vždy a jen tam, kde je využívána. 4. Zajistit bezpečnost informace před zneužitím. 5. Využít všechny dostupné technické prostředky pro maximálně efektivní využití informace a minimalizaci ekonomických nákladů. Základní principy SIS vycházejí z toho, že existují informace, které se týkají občana, ekonomického subjektu anebo území, a které neslouží jen omezenému počtu resortů. Působnost SIS je celostátní a počítá se s jeho působností jak ve státních orgánech, tak i v přenesených působnostech na jiné orgány, např. obce s přenesenou působností státní správy. Ve vztahu k vyžadování a poskytování informací státem má jako partnera občana, právnickou nebo fyzickou osobu. Tyto kroky si vyžadují analýzu a tvorbu nové legislativy ve sféře poskytování, ochrany a nakládání s informacemi a povedou k návrhu systémových změn v oblasti kompetencí, způsobu ochrany a nakládání s daty. Legislativa musí vycházet z východiska jednoznačnosti a kontrolovatelnosti systémů. Na tyto aktivity navazují kroky, které již v ČR v tomto směru byly provedeny: V letech 1991-1995 byl (podle usnesení vlády ČR č. 123/91) ve Výzkumném ústavu geodetickém, topografickém a kartografickém (VUGTK) řešen výzkumný projekt Státního programu rozvoje ČR Výstavba automatizovaného informačního systému geodézie a kartografie (AISGK). Navržený AISGK se skládá ze tří integrovaných subsystémů: 1. Subsystém základních bodových polí (SZBP), tvořený prostorovými daty základní trigonometrické, nivelační a gravimetrické sítě bodů, které pokrývají celé území státu. 2. Subsystém digitálního katastru nemovitostí (SKN), tvořený dvěma vzájemně propojenými informačními soubory: Souborem geodetických informací (SGI) - (digitální katastrální mapa - DKM), Souborem popisných informací (SPI) katastru ` 10
3. Systém základní báze geografických dat (ZABAGED1, obsahující prostorová data digitálních map středních měřítek z území státu jako základní (zdrojové) báze geografických dat. (viz kap. 6.1.2). Společným prvkem subsytémů je definování jednotných identifikátorů a klasifikátorů objektů a stanovení závazného (standardizovaného) datového rozhraní. To má zabezpečit tok informací mezi zájmovými informačními subsystémy i v rámci veřejné datové sítě (VDS), pomocí standardních protokolů. Postupné budování předpokládá využití dostupných datových forem, zpracovávaných prostřednictvím digitálních geodetických, fotogrammetrických a kartometrických metod. Získaná data je možné pomocí moderních technologií interakce a datových analýz na systémech počítačové grafiky a připojených databází jednotně interpretovat, klasifikovat, vektorizovat a databázově zpracovat (podle [60] a [35]). ` 11
2. Rozbor technologie GIS 2.1. Vymezení pojmu GIS Pojem GIS byl u nás převzat do technické praxe společně s jejich nezbytnou komponentou - programovým vybavením, na počátku 90. let. Přitom v jazyce odborníků v předmětné oblasti se tomuto pojmu podsouvá dvojí sémantika, způsobená historickým vývojem této technologie u nás a poněkud jiným smyslem slova geografický v označení v původním anglickém názvu. Pokud by název této IT vznikl u nás, zůstalo by patrně u názvu Prostorové informační systémy nebo územní IS, které se z části používaly před r. 1990 u některých prostorových informačních systémů, které se sporadicky objevily i u nás před zrušením embarga na SW (např. ISÚ Informační systém o území, který vyvíjel TERPLAN Praha ). Vzhledem k tomu, že historicky byly prostorové informace lokalizovány na povrchu Země jako dvourozměrné informace, začal se pro ně při počítačovém zpracování používat pojem geoinformace a první systémy v USA, pracující s graficky vyjádřenými prostorovými informacemi byly nazvány GIS s přihlédnutím k dvojímu významu slova geographic - zeměpisný a akronym geo-graphic - graficky vyjádřené geoinformace. U nás se objevuje tento název poprvé zejména v souvislosti se softwarem pro GIS. Stejně jako v případě jiných nových oblastí informatiky (CAD, CAM, CAE apod.) se u nás přímo přejímá anglický pojem včetně zkratky a protože je dobře přeložitelný dostává ihned český ekvivalent geografický informační systém (GIS). Dokonce se v technické praxi objevují případy skloňování původní zkratky, takže se setkáváme s GISy, GISem apod. Zároveň se ke slovu dostává uvedená dvojí sémantika: 1. V jednom smyslu jsou tak označovány programová vybavení a aplikace. 2. Ve druhém smyslu tento pojem označuje celou oblast prostorově orientovaného systému v prostředí technických a programových prostředků pro GIS. V druhém, širším, smyslu se tento pojem používá v zemi vzniku a začíná se rozšiřovat i u nás. Většina definic nyní i v naší literatuře uvádí význam pojmu blízký autorovi od počátku zavádění GIS u nás v 90. roce, kterou bych interpretoval takto: Geografický informační systém je informační technologie, tvořená systémem technického a programového vybavení, prostorových dat a lidského prvku (znalostí, aplikací, organizačního kontextu). GIS slouží pro sběr, uložení, správu, analýzu a prezentaci prostorových dat a informací spolu s jejich atributy. Jádrem GIS jsou digitální prostorová data o reálném světě (geografická data). Od jiných druhů dat se odlišují tím, že zahrnují popis objektů reálného světa, vyjádřený jejich polohou vůči známému souřadnému systému. Jejich součástí jsou i atributy, které nemají prostorový charakter (obr. 1). ` 12
B A C Parcel Land Polygo n Area Number Use A 12,001 11-115- 001 R1 B 15,775 11-115-002 R1 C 19,136 11-115- 003 R3 Parcel Owner Nu mber 11-115-001 Brown, C. 11-115-002 Greene, J. 11-115-003 Smith, L. 11-115-003 Cleaver, T. 11-115-003 Koop,C Obr. 1 Složky GIS ` 13
2.2. Prostorová data a informace v GIS Definování pojmu prostorová data není tak jednoduché, jak se jeví na první pohled. Prostorovými daty a informacemi se zabývá celý vědní obor geoinformatika (nebo i geomatika). Pro účely této práce budeme používat pojem prostorová data ve smyslu, ve kterém se používá v praxi v GIS. Prostorová data jsou tedy data, popisující: prostorovou polohu (geometrii), polohové vztahy (topologii), relevantní charakteristiky (atributy), eventuálně časové změny (dynamiku) prostorových objektů. Jak bylo uvedeno v definici GIS, tvoří prostorová data jeho hlavní součást, jádro, které je nejvýznamnější z několika hledisek: 1. Prostorová data jsou nejtrvalejší složkou GIS. Životnost dat je závislá na typu objektu, které znázorňují v reálném světě. U některých objektů jsou neměnná řádově desítky až stovky let (digitální model terénu, vodní plochy, geologické úpravy). Taková data se mohou časem zhodnocovat - upřesňovat, ale jsou relativně trvalou složkou systému oproti ostatním. Technické prostředky se dnes obměňují zcela za několik let. U počítačů se uvádí doba životnosti cca 2-3 roky. Obdobně je tomu u ostatních technických zařízení. Relativně krátká doba životnosti této složky je dána především rychlým technickým vývojem, spojeným se stálým snižováním cen. Životnost programových prostředků je dána nástupem nových verzí operačních systémů a snahou konkurujících výrobců o každoroční zlepšování svých produktů. Je možno říci, že průměrná životnost SW pro GIS je proto cca 7 let. Za tuto dobu dojde k takovým změnám, že se jedná fakticky o celkovou obměnu (obr.2). 2. Prostorová data jsou nejdražší složkou GIS. V přiloženém grafu (obr. 3) je relativní srovnání ceny jednotlivých komponent GIS [9]. Uvedené srovnání platí pro různé velikosti GIS, jak je možno demonstrovat z naší současné praxe. Cena pracovní stanice na bázi osobního počítače, vhodného pro menší GIS (např. menší obce) je cca 100 tis. Kč. SW pro GIS uvedeného rozsahu je možno pořídit v ceně cca 200 tis. Kč. Digitální prostorová data pro území obce (například Velká Polom) zahrnující digitální katastrální mapu, technické sítě, významné krajinné prvky a územní plán lze pořídit v průběhu několika let za cca 800000 Kč. Obdobně u velkého GIS (GIS města Ostravy) - technické vybavení v ceně cca 2 mil. Kč, programové prostředky pro GIS a externí databázový SW cca 5 mil. Kč, data v cílovém stavu podle projektu cca 28 mil. Kč. Z těchto důvodů je možno říci, že prostorová data jsou jádrem celého systému, kolem kterého jsou organizovány ostatní složky. ` 14
Obr. 2 Graf setrvání komponent v GIS 10 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 technické prostředky 2 programové prostředky prostorová data Obr. 3 Poměr cen jednotlivých složek GIS ` 15
2.2.1. Souřadné systémy Základem pro vyjádření prostorových dat v digitální podobě je souřadný systém, ve kterém jsou data umístěna. V současné době se v GIS používají zejména dvourozměrné popisy polohy. Třetí rozměr, případně čas jako další rozměr, je obvykle veden jako atribut prostorových dat. Matematicky je tedy problém lokalizace obvykle zjednodušen na vyjádření polohy v dvourozměrném souřadném systému. Cílem většiny geodetických prací je proto zobrazení části zemského povrchu ve formě plánu nebo mapy, tj. zhotovení zmenšeného generalizovaného obrazu na rovinné ploše. Jedná se vlastně o přemístění bodů ze zakřiveného zemského povrchu do roviny. Protože je fyzický zemský povrch členitý a geodetická měření se vykonávají na různých hladinových plochách, je potřeba geodetické prvky (délky, směry, úhly) nejprve redukovat na vhodnou referenční plochu a pak z ní vytvořit zobrazení do roviny rozvinutelné plochy mapy. Referenční plocha, označovaná také jako výpočetní plocha, je matematicky definovatelná plocha (nejčastěji elipsoidu nebo koule), která se co nejvíce přimyká ke geoidu. Za zobrazovací plochu se určují jiné, jednodušší plochy, nejčastěji rozvinutelné do roviny (válcová a kuželová) anebo přímo rovina. Referenční plocha naší Země je plochou nerozvinutelnou do roviny, a proto není možno žádným způsobem vytvořit rovinný kartografický (mapový) obraz, který by byl geometricky zcela podobný vodorovnému průmětu předmětů měření na referenční ploše. Převod prvků obrazu z referenční plochy do mapy se označuje jako kartografické zobrazení, a to vždy provází zkreslení geometrických prvků obrazu - uhlů, délek a plošných obsahů. Protože v GIS se jedná o prostorová data z reálného světa, která jsou umístěna na geoidu Zemi - prostorovém tělese, jeví se jako nejvýhodnější užití polárních 3D souřadnic se středem ve středu geoidu. Poloha jakéhokoli bodu pak může být udána dvěmi úhly a vzdáleností od středu. Takto je založen Světový souřadný systém WGS. World Geodetic System (WGS) Tento souřadný systém se používá jako standard například pro Globální poziční systém (viz kapitola 3.3.3) a jako světový standard pro výměnu dat. Je to globální souřadnicový systém, který dovoluje jednoznačné definování polohy na Zemi. WGS poskytuje základní souřadnicový rámec, geometrickou reprezentaci tvaru zemského tělesa - elipsoid i gravitační model Země. WGS je i konvenčním souřadnicovým systémem za předpokladu že: jeho počátek bude ve středu gravitačního pole Země, jeho referenční meridián ztotožníme s nultým poledníkem, jeho osa Z bude paralelní se zemskou osou, jeho osu X tvoří průsečnice roviny referenčního meridiánu a roviny rovníku, jeho osa Y je kolmá na osu X a doplní tak pravotočivě orientovaný pravoúhlý trojrozměrný systém.(obr. 4) ` 16
Teoreticky by tento souřadný systém mohl být použit jako univerzální. Ve skutečnosti je však nutno vyřešit při výstupu a zobrazování dat hlavní problém kartografie - přenesení tohoto prostorového modelu do rovinné plochy. V závislosti na požadovaném výstupu (měřítko, přesnost měření délek nebo úhlů na výsledném výstupu) jsou proto účelová mapová díla vedená v různě definovaných projekcích specifických souřadných systémech [36]. S - JTSK Vzhledem k tradicím a historickému vývoji se v různých zemích využívají mapová díla a vyhotovená v různých kartografických zobrazeních. U nás se začal používat krátce po vzniku Československa Souřadnicový systém Jednotné trigonometrické sítě katastrální (S - JTSK). Nyní je v České republice závazným souřadnicovým systémem. Systém charakterizují parametry Besselova elipsoidu, rozměr, poloha a orientace sítě na Besselově elipsoidu, zobrazení Besselova elipsoidu do roviny Křovákovým způsobem a způsob budování, vyrovnání a zpracování trigonometrické sítě I. řádu. Podle Křovákova zobrazení se Besselův elipsoid, který je referenčním elipsoidem zobrazení, konformně zobrazí na Gaussovu kouli, jejíž poloměr se zmenší o jednu desetitisícinu. Ta se pak konformně zobrazuje do roviny všeobecným konformním kuželovým zobrazením (proto se toto zobrazení někdy označuje jako dvojité konformní). Zmenšení koule a volba polohy kužele má zabezpečit minimální délkové zkreslení při zobrazení. Vrchol kuželu se umístí na spojnici středu koule C a kartografického pólu PK zmenšené Gaussovy koule. Pól PK je přitom posunutý severní pól S zmenšené koule po obrazu základního zemského poledníku Besselova elipsoidu, který má geodetickou zeměpisnou délku 42 30' východně od Ferra. Soustava kartografických délek D a kartografických šířek Š se vztahuje ke kartografickému pólu PK. Zobrazovací kužel se umístí tak, že se dotýká Gaussovy koule podél základní kartografické rovnoběžky, která má severní šířku 78 30' a probíhá přibližně podélnou osou území bývalé československé republiky. Na kuželovém plášti se kartografické poledníky zobrazují jako přímky procházející vrcholem kuželu. Kartografické rovnoběžky se na něm zobrazí jako koncentrické kružnice se středem ve vrcholu kužele (obr. 5). Základní kartografická rovnoběžka 78 30' protíná poledník o zeměpisné délce 42 30' východně od Ferra v bodě T se zeměpisnou šířkou 48 15'. Tečna v bodě T k uvedenému poledníku byla zvolena za kladnou osu X souřadnicového systému, ale začátek systému byl posunut od bodu T na sever do vrcholu kuželu V ve vzdálenosti TV = 1 298 039, 0046 m. Tento bod je potom počátkem souřadnicového systému, jeho osa X (umístěná v obraze poledníka se zeměpisnou délkou 42 30') směřuje k jihu a kladná osa Y směřuje na západ. V tomto souřadnicovém systému se pak celé území Čech, Slovenska a Zakarpatské Ukrajiny nachází v jediném kladném kvadrantu. Podrobněji ho komentuje např. [59]. ` 17
Obr. 4 Souřadný systém WGS Obr. 5 Souřadný systém S - JTSK ` 18
Gauss-Krügerovo zobrazení S 42 V Gauss-Krügerově zobrazení se povrch celého zemského elipsoidu rozděluje poledníky na poledníkové pásy. Každý poledníkový pás se zobrazuje konformně na samostatný válec, který se dotýká elipsoidu podél středního poledníkového pásu, tzv. základního poledníku. Válec má tedy příčnou, čili transverzální polohu jako při Gaussově konformním válcovém zobrazení. Od jmenovaného zobrazení se liší tím, že se tady nezobrazují poledníkové pásy referenční koule, ale zemského elipsoidu. Krüger odvodil zobrazovací rovnice pro konformní zobrazení elipsoidických poledníkových pásů na transverzální válec, proto se toto zobrazení nazývá Gaussovo-Krügerovo zobrazení.(obr. 6 ) Obraz rovníku na válci rozvinutém do roviny je přímka zvolená za osu y. Průsečík os je začátkem rovinné souřadnicové soustavy. Každý pás má svoji souřadnicovou soustavu. Protože zobrazení je konformní, obrazy poledníků a rovnoběžek se vzájemně protínají pravým úhlem, obraz geografické sítě na rozvinutém válci tvoří ortogonální soustavu V tomto zobrazení se délkové zkreslení zvětšuje se čtvercem vzdálenosti od osy x. Pro geodetické účely se může zobrazovat jen takový široký pás území, aby na jeho okraji m překročena dovolená mez délkového zkreslení. Šířka zobrazeného pásu je tedy omezena požadavkem mezí délkových zkreslení pro mapy podrobné velkých měřítek To je důvod pro rozdělení povrchu zobrazeného zemského elipsoidu na poledníkové pásy tak široké, aby vyhovovaly už uvedeným podmínkám. V našich zeměpisných šířkách dosáhne přípustného zkreslení v pásu o málo více než 2" zeměpisné délky. Volba zobrazovaných pásů byla určena mezinárodně, hodnotami 2", 3", 6". Každý poledníkový pás je dále dělený na pásy rovnoběžkové (vrstvy) na sever i na jih od rovníku. Tyto vrstvy se označují od rovníku k pólu velkými písmeny latinské abecedy. Území Čech a Slovenska leží v pásech L a M. Digitální prostorová data Armády České republiky jsou vedena v tomto systému. V GIS jsou data vedena obvykle v rovině v kartézských pravoúhlých souřadnicích. To je obdobou vedení analogových map na rovinném podkladě. Pokud je u digitálních dat zároveň vedena informace o projekci, je pak přepočet takto vedených dat na jiný matematicky definovaný souřadný systém snadný. SW pro GIS mají transformace mezi světově užívanými souřadnými systémy obvykle implementovány. V civilní oblasti se u nás používají digitální data nejčastěji v souřadném systému JTSK. To přináší problémy ve většině zahraničních SW balíků pro GIS. Proto se používá pro digitální data obvykle pravoúhlý souřadný systém S - JTSK s transformací pro 3. kvadrant Kartézského souřadného systému. To znamená záměnu os x a y a transformaci dat do záporného kvadrantu (x = - y, y = - x) (obr. 7). Protože v některých starších SW pro GIS (např. PC Arc/Info) jsou problémy s používáním příliš velkých čísel pro vyjádření hodnot souřadnic a SJTSK používá hodnoty řádu 1000000, používá se někdy také transformace posunutím do kladného kvadrantu (přičtení patřičné konstanty posunu). ` 19
nárys půdorys Obr. 6 Souřadný systém S 42 y 0 x S Obr. 7 Modifikace S - JTSK pro 3. kvadrant ` 20
Reprezentace prostorových dat Prostorová data je možno vést v digitální podobě v definovaném souřadném systému dvojím zásadně odlišným způsobem: 1. jako vektorová data, 2. jako rastrová data. Vektorová data Jedná se o nejúspornější možnost, jak vést prostorové údaje v číselné podobě. Prostorová data jakéhokoli tvaru je nutno vyjádřit pomocí primitivních entit - bod, linie, polygon (obr. 8). Bod - je vyjádřen polohou v souřadném systému (x, y) a identifikací jednoznačnosti (A); např. A, x, y. Linie - je vyjádřena řadou bodů (souřadnicemi) a identifikátorem. Navíc je automaticky dán pořadím zápisu směr prvků linie (vektorů, které ji tvoří): B, x 1, y 1, x 2, y 2, x 3, y 3, x 4, y 4. Polygon - je vyjádřen tvořící linií nebo liniemi. První a poslední bod této linie (linií) je shodný; např. C, x 1, y 1, x 2, y 2, x 3, y 3, x 4, y 4, x 1, y 1... Takto je možné alfanumericky vyjádřit jakýkoli tvar v prostoru. Z principu vyplývá, že vektorová data jsou téměř vždy určitou generalizací spojitých hranic reálných prostorových objektů (s výjimkou některých bodových prvků). Protože data jsou tvořena vektory, je možné jako jejich další prostorovou charakteristiku vést informace o jejich topologické struktuře. Topologie je obor geometrie, který zkoumá vzájemné souvislosti mezi objekty v prostoru (zda mají společnou hranici, zda leží uvnitř jiného objektu atd.). Topologická struktura umožňuje pozdější využití těchto informací k analýzám. Udržování topologické struktury vektorových dat je v GIS nezbytné. Uvedené ukázky formátu vektorových dat jsou teoretické. Jednotliví výrobci SW, které pracují s vektorovými daty, vytvořili vlastní digitální formáty pro jejich zápis. Zatím bohužel neexistuje světový standard pro formát vektorových dat. Některé formáty dokonce nejsou zveřejněny a proto se při výměně dat v GIS, ale i v jiných systémech, pracujících s vektorovou grafikou, staly standardem některé zveřejněné, často používané nebo historicky déle používané formáty. Vektorový zápis prostorových dat má své přednosti a nevýhody oproti zápisu rastrovému. Porovnání je zřejmé z přiložené tabulky (tab. 1). Vstup vektorových dat do GIS z analogových podkladů (např. mapové podklady, letecké fotografie) je možný zejména ručním vkládáním jednotlivých bodů vektorů, například ruční vektorizací na vhodném vstupním zařízení nebo vkládáním těchto bodů přímo v terénu některou z měřických metod. Jedná se vždy o metody s velkým podílem lidské práce, často vysoce kvalifikované. To se odráží v ceně tohoto druhu dat. Kromě vysoké ceny je další nevýhodou časová náročnost jejich pořizování. ` 21
Rastrová data Druhou možnou formou zápisu umístění a tvaru prostorových objektů v číselné podobě je rastrový formát digitálních dat. Vychází se opět z matematicky definovaného souřadného systému (např. Kartézský pravoúhlý systém). Oblast v níž se objekty nacházejí (obvykle obdélník nebo čtverec) se rozdělí mřížkou (obvykle pravoúhlou čtvercovou nebo obdélníkovou) na matici plošek. Každá ploška je definována pořadím ve směru jedné i druhé osy. Každá ploška může nést identifikátor a číselnou hodnotu. Takto vzniklá digitální data jsou obvykle uspořádána do matice hodnot. Dále musí být definována poloha matice v souřadném systému, případně její rotace vůči tomuto systému, velikost buňky v obou osách a počet buněk v obou osách. Výsledkem může být např. sada alfanumerických dat v tomto tvaru: x 0 y 0 α u 11, u 12 u 13 u 14 u 21, u 22 u 23,u 24 u 31, u 32, u 33,u 34 u 41 u 42, u 43,u 44 Přitom hodnoty u mn mohou znamenat jakoukoli číselně vyjádřitelnou hodnotu, vztahující se k prostorovým objektům, které se nacházejí v místě buňky m, n (například jas, barva, nadmořská výška, koncentrace, kód objektu apod.). (obr. 9) Rastrová data takto realizovaná nemohou z principu popsat přesné průběhy hranic prostorových objektů, není možné udržovat tato data v topologické struktuře. Tak je významně ovlivněna možnost jejich prostorových analýz. Datové soubory jsou v porovnání s vektorovými daty, popisujícími podobné prvky prostoru řádově nebo i o několik řádů větší. To přináší problémy při jejich přesnosti a ukládání. Mají však také některé významné výhody. Je možná značná automatizace jejich vkládání do GIS. Některé metody dálkového průzkumu Země z principu vytvářejí prostorově lokalizovaná rastrová data (družicové snímky skenovacích družic). Snadná je i digitalizace analogových podkladů pomocí scannerů. Formáty rastrových dat nejsou obvykle vázány na SW pro GIS. Protože rastrová data jsou obecně používaná v počítačové grafice již delší dobu, ustálily se jejich formáty na několika standardech, které se využívají v používaných SW pro GIS. Používané formáty jsou obvykle pouze matice hodnot bez prostorové lokalizace v obecném souřadném systému. Proto se k nim používá doplňková tabulka s informacemi o lokalizaci. Některé SW pro GIS mají vlastní formáty pro ukládání rastrových dat. Ty obvykle umožňují rozsáhlejší a specializované analytické operace s těmito daty. Problémy s velikostí datových souborů se někdy řeší komprimací dat. To znamená, že pokud se např. vyskytují stejné nebo podobné hodnoty v matici buněk, neopakují se v datech, ale ukládají se pouze ` 22
Obr. 8 Vektorová prezentace prostorových dat Obr. 9 Rastrová prezentace prostorových dat Výhody Nevýhody VEKTOR logická struktura topologie malý objem dat měřické metody získávání možnosti kombinace analytických metod obtížné získávání z analogových podkladů RASTR snadná digitalizace vyjádření spojitých jevů přímé získávání z DPZ výsledky prostorových modelů velký objem dat nemožnost topologie Tab. 1 Porovnání výhod a nevýhod prezentací prost. dat ` 23
informace o počtu opakování této hodnoty. Při komprimaci a dekomprimaci rastrových dat se používají také složitější metody, využívající např. matematické teorie fraktálů apod. Při dekomprimaci při použití rastrových souborů se rekonstruuje původní stav dat (ne vždy bez ztrát původních informací). Protože oba způsoby digitalizace rastrových dat mají své výhody i nevýhody, používají se v současných GIS obvykle kombinace obou druhů digitálních dat. 2.3. Vstup prostorových dat do GIS Pro vstupy dat do GIS se v anglickém originále používají dva pojmy: data capturing a data acquisition. První pojem označuje fázi získávání dat přímo z reálného prostoru. V češtině by se mohl použít ekvivalent sběr dat. Druhý pojem označuje další krok a to je fyzické vkládání dat do GIS. V češtině bychom mohli použít ekvivalent vkládání dat nebo digitalizace. Vkládání dat označuje spíš transformace digitálních dat a jejich vkládání do takové struktury GIS, digitalizace znamená převedení analogových podkladů (map, manuscriptů, leteckých snímků) do digitální podoby a jejich uložení do datové struktury GIS. 2.3.1. Sběr dat je oblast z velké části zahrnující starý vědní obor - geodézii. Je to dlouhodobě se rozvíjející obor, který má za úkol provádět sběr prostorových dat v terénu - měření a zobrazování Země. S rozvojem informačních technologií a nástupem GIS se však mění i tento tradiční obor. Data, získávána geografickými metodami se z velké části předávají zákazníkům v digitální podobě. Nejčastěji ve vektorových formátech některých CAD SW nebo ve formátu digitálních textových souborů (ASCII). Měřická data jsou z principu měřických metod data vektorová. Tato oblast je samostatná vědní disciplína a nebude detailně rozebírána. Na pomezí této vědy a dalších oblastí použití se objevují další moderní metody získávání prostorových dat, které se dnes začínají stále více integrovat do GIS. Proto jim budu věnovat podrobnější popis. Jsou to: metody dálkového průzkumu Země a družicový polohovací systém GPS. 2.3.2. Dálkový průzkum Země Elektromagnetické záření po kontaktu s jakýmkoliv objektem odnáší do prostoru informace o něm. Směr záření přicházejícího k pozorovateli dává informaci o poloze a barva o vlastnostech sledovaného objektu. Tyto informace je možno také kvantifikovat, analyzovat a využívat. S tím souvisí samozřejmě také způsob zpracování získaných informací, jejich distribuce a využití. Disciplína, která se zabývá dálkovým získáváním a zpracováním informací, se nazývá dálkový průzkum Země. U nás se pro ni začala používat zkratka DPZ. V DPZ se k získávání dat využívá ` 24
snímacích aparatur instalovaných na leteckých nosičích a umělých družicích Země. Z tohoto pohledu se oblast dělí na letecký a kosmický DPZ. Z praktického hlediska je to však dělení nepříliš významné, protože se nijak zvlášť nepromítne ani do přístrojového vybavení, ani do metod zpracování dat. Některé typy aparatur na letadlech a na družicích jsou dokonce naprosto shodné. Obě oblasti mají společné to, že požadovaná data se získávají snímáním zemského povrchu z velkých výšek. Ve výšce letu leteckého a kosmického nosiče aparatury je však rozdíl plných dvou řádů. Výška letu určuje rozsah snímaného území, geometrické i radiometrické vlastnosti a časovou dostupnost požadovaných dat. Pro rozlišovací schopnost to dnes již neplatí, protože novější satelity jsou dnes vybaveny zařízeními, která si svými výsledky nezadají s přístroji umístěnými na leteckých nosičích, přestože létají ve výškách zhruba stokrát větších než letadla. DPZ můžeme členit z hlediska dalšího využití získaných dat pro GIS na: 1. fotogrammetrii - disciplínu, zabývající se získáváním geometrických charakteristik vzdálených objektů a 2. další metody DPZ, které se zabývají získáváním atributů (vlastností) těchto objektů Fotogrammetrie Fotogrammetrie je věda,která se zabývá rekonstrukcí tvaru, velikosti a polohy předmětů zobrazených na fotogrammetrických snímcích. Základem fotogrammetrie jako měřické a mapovací techniky je měřický fotogrammetrický snímek, vyhotovený měřickou fotografickou komorou. Od vytvoření této definice však uplynulo několik let a ve fotogrammetrii se stále více uplatňují digitální záznamy, které mohou být zhotoveny bud' primárně skenerem nebo sekundárně skenováním klasické fotografie. Problematika fotogrammetrie je složitá, obor má bohatou historii a množství propracovaných metod a postupů. Fotogrammetrie umožňuje získat geometrické informace o objektech na snímcích. Při zpracování a vyhodnocování snímků, které jsou centrální projekcí, je třeba ji numericky nebo analogově transformovat na ortogonální projekci. Transformace se uskutečňuje klasicky graficko-optickomechanickými vyhodnocovacími metodami a zařízeními, početními metodami a v poslední době zejména digitálními metodami. Základní úlohou fotogrammetrie je tedy převod středového průmětu (měřický snímek) do ortogonálního průmětu (mapa, plán). Spolu s fotogrammetrií zaměřenou na měření na snímcích (zjišťování kvantitativních charakteristik - rozměrů objektů) se vyvíjela a vyvíjí i fotointerpretace jako obor, při kterém se zkoumá obsahová - sémantická náplň snímku. Při fotointerpretaci se zjištují, třídí a popisují předměty a jevy viditelné na snímcích, případně jejich prostřednictvím se usuzuje na ty, které nejsou zobrazeny. Na příkladě na obr.10 je vidět interpretovaný snímek v infračervené části spektra, ukazující poškození porostu vlivem znečištění půdy ropnými látkami (snímek pořídila firma Argus Geo Systém, s.r.o.). ` 25
Obr. 10 Infračervený snímek poškozeného porostu Obr. 11 Letecká fotogrammetrická kamera ` 26
Fotogrammetrie se rozděluje z různých hledisek. Základním je poloha kamery v čase fotografování. Takto rozeznáváme fotogrammetrii pozemní a leteckou. Zde je zřejmá příbuznost k metodám DPZ. Pro GIS s využívá zejména letecká nebo družicová fotogrammetrie. To znamená, že kamera, kterou jsou snímány objekty, je umístěna na leteckém nebo družicovém nosiči.(obr. 11). Snímá se obvykle řada snímků s 60 % překryvem, takže se vyhotovují a následně vyhodnocují snímkové dvojice tak, aby vytvořily prostorový model. Dnes se stále více používá digitální reprezentace obrazu (snímku). Ta je výhodná pro následné radiometrické úpravy. Při převodu do digitálního tvaru může však dojít k určité ztrátě informace. K dispozici jsou obvykle techniky pro úpravu kontrastu a pro digitální filtrování. Základním předpokladem umělého stereoskopického vjemu je, že každé oko pozoruje jen jeden snímek. Toho lze dosáhnout více způsoby, jako jsou např. anaglyfy, pomocí optické techniky, pomocí polarizované obrazovky a brýlí. Řešení těchto problémů, podobně jako možnosti ovládání měřické značky kurzoru, je poměrně složité, závislé na konkrétním počítačovém a speciálním vybavení. Stereoskopické vyhodnocování snímků je základem pro generování digitálního modelu terénu. Letecké fotografie (ani jejich digitální reprezentace) nemohou být interpretovány přímo kvůli zkreslení, způsobenému centrální projekcí a různou výškou předmětů na nich. Proto je nutno přepočíst polohu jednotlivých pixelů snímku do ortogonálního průmětu na rovinu s využitím znalosti geometrických vlastností optické soustavy a modelu terénu. Ortofotomapa je pak vhodná jako vstup pro mapování zvláště a jako podkladová data pro další zpracování v GIS (viz fotomapa použitá jako podklad pro výstupy z matematického modelování v kapitole 5.1.2). Ortofotomapa slouží často jako podklad pro aktualizaci map velkých měřítek nebo vyhodnocování a vektorizaci objektů, které nejsou na mapách uvedeny (např. černé skládky apod.). Další metody DPZ Rozdíl oproti fotogrammetrii je v principu snímání dat. Získávání informací se děje vždy měřením charakteristik elektromagnetického záření, radiace. Přístroje určené k jejímu měření se nazývají radiometry. Vlastnosti zemského povrchu se navenek projevují různými způsoby, jako např. elektrickou vodivostí, obsahem vody, absorpcí radiace určitých vlnových délek apod. V běžných případech se vlastnosti objektů určují pomocí přímého kontaktu s nimi, v metodách DPZ se využívá toho, že řada fyzikálních vlastností zemského povrchu a předmětů na něm se bezprostředně promítá do elektromagnetického spektra a zanechává v něm svůj specifický otisk. Radiometry měří intenzitu emitovaného nebo odraženého záření, převádějí ji na elektrický signál a ten je pak zaznamenán v podobě digitálních dat. Jsou-li data vhodným způsobem organizována, což je jednou z funkcí snímací a přenosové aparatury, lze s jejich pomocí rekonstruovat obraz zemského povrchu vypovídající o jevech, které radiometr zaznamenal. ` 27
Elektromagnetické záření je přírodním médiem přenášejícím informace o předmětech prostorem na velké vzdálenosti. Záření je jednou z forem hmoty a jeho vnější projevy lze obecně charakterizovat jako přenos energie a informací prostřednictvím elektromagnetického pole, které kolem sebe vytvářejí hmotné objekty. Pokud všechny druhy elektromagnetického záření seřadíme vedle sebe v závislosti na energii fotonů, dostaneme obraz elektromagnetického spektra. V něm se vedle sebe řadí postupně rádiové vlny, mikrovlny, infračervené záření, viditelné světlo, ultrafialové a rentgenové záření, záření gama a tzv. kosmické záření. Rozdílná energie fotonů z různých částí spektra je příčinou rozdílných účinků jednotlivých druhů záření na částice hmoty. Přitom přesně platí nepřímá úměra, neboť fotony vyšších energií mají kratší vlnovou délku než fotony s nižší energií. Tato vlastnost je velmi důležitá, protože na ní závisí způsob interakce s hmotou. Ta je zdrojem informací, neboť jejím výsledkem je ovlivnění vlastností dopadajícího záření. Interakce záření s hmotou je rovněž prostředkem k registraci informací v přístrojích. Elektromagnetické spektrum je teoreticky souvislé. Vlnová délka záření se plynule mění z jednoho konce spektra na druhý. Zdrojem elektromagnetického záření je každé těleso o teplotě vyšší než 0 K. Žádný zdroj ve vesmíru však nevysílá do okolního prostoru záření dokonale rovnoměrně rozdělené po celém rozsahu spektra. Rozdělení energie záření ideálního tělesa o nenulové teplotě odpovídá Planckovu zákonu. Pro DPZ je hlavním zdrojem záření Slunce, vyzařující nejvíce v oblasti viditelného světla (vlnová délka 550 nm). Tomu odpovídá průměrná teplota zářivého povrchu Slunce zhruba 6000 o C. Zdrojem energie jsou však procesy probíhající v nitru Slunce při teplotách ještě mnohem vyšších (výpočty naznačují kolem 10 až 14 milionů stupňů). Slunce podle Planckova zákona vyzařuje rovněž část energie v oboru rádiových vln, o něco více na středních vlnách, ještě více v mikrovlnách a maximum v oblasti kolem 550 nm (pro lidský zrak žlutozelená barva). Směrem k vyšším energiím množství vyzařované energie dále klesá a souvislé sluneční spektrum končí v oblasti rentgenového záření. Rozdělení energie ve slunečním spektru odpovídá dosti věrně Planckovu zákonu, obsahuje však drobné odchylky způsobené chemickým složením a fyzikálními podmínkami ve sluneční fotosféře. Tyto odchylky nám na dálku vypovídají o podmínkách na Slunci a také ovlivňují charakter osvětlení zemského povrchu. Kromě tepelného vyzařování existují rovněž fyzikální principy, jak donutit hmotný objekt k vyzařování elektromagnetické energie netepelným způsobem. Takovéto vyzařování však nemá spojité spektrum jako např. Slunce. K jeho vyprovokování je potřeba např. elektrických oscilací na určité frekvenci. Vyzařování naší planety má dvě složky. Vlastní záření Země se drží Planckova zákona pro těleso o povrchové teplotě Země. Odchylky v jejím spektru jsou způsobeny fyzikálními a chemickými podmínkami na zemském povrchu. Maximum emise spadá do oblasti tepelného infračerveného záření. Většinu energie vyslané do prostoru Zemí ale představuje odražené sluneční záření. Tato složka záření zemského povrchu má obdobný charakter jako sluneční záření. Sluneční spektrum je však silně změněno interakcí s povrchem naší planety[57]. ` 28