Geografické informační systémy Co je to GIS? Tato zkratka se používá pro Geografické Informační Systémy. V současné literatuře se objevuje velké množství definic GIS. Jednu z nejvýstižnějších definic uvádí společnost Environmental Systems Research Institute (ESRI) v materiálech ke svému softwaru ArcGIS: GIS je organizovaný soubor počítačového hardware, software a geografických údajů navržený pro efektivní získávání, ukládání, Jak systém GPS funguje? upravování, analyzování a zobrazování všech forem geografických informací. Zjednodušeně řečeno můžeme GIS považovat za počítačový databázový systém, který se využívá zejména pro prostorovou analýzu geografických dat a tvorbu map. Každý geografický informační systém má pět základních složek: hardware: počítačové vybavení, které se používá pro zpracování geografických dat (kromě klasických osobních počítačů sem řadíme GPS přijímače, PDA, skenery či tiskárny). Důraz je kladen zejména na vysoký výkon hardware, který ovlivňuje rychlost zpracování velkého objemu dat; software: programové vybavení, které se používá pro GIS analýzy (např. ArcGIS od společnosti ESRI). Moderní GIS software je tvořen velkým počtem programových modulů, které umožňují provádět prostorovou analýzu, transformace dat, tvorbu mapových výstupů apod.; data: jsou velice důležitou složkou GIS. Uvádí se, že přibližně 70 % nákladů na profesionální GIS analýzu tvoří náklady na získávání geografických dat; metody: postupy, podle kterých GIS pracuje a je používán. Dobře definované metody jsou základním předpokladem přesných a reprodukovatelných výsledků GIS analýz; obsluha: vzhledem ke složitosti GIS jsou na jeho uživatele kladeny vysoké požadavky. Pro GIS je kvalifikovaná obsluha naprostou samozřejmostí. Výsledek GIS analýzy je vždy závislý na zkušenostech a schopnostech uživatele. V tomto ohledu nemůžeme přeceňovat význam techniky, neboť bez Strana 1 (celkem 13) Verze: 29. září 2006
kvalitních GIS odborníků je špičkový GIS software běžící na výkonném počítači k ničemu. V dnešní době se GIS používá k řešení velkého množství geografických úloh. Pomocí GIS můžeme například vytvořit mapu naučných stezek ve vybrané CHKO, zjistit kolik lidí žije v určité záplavové oblasti a odhadnout výši škod při stoleté povodni nebo třeba určit nejvhodnější místo pro lokalizaci čističky odpadních vod ve městě. Největší předností GIS je schopnost vytvářet nová geografická data pomocí různých prostorových operací. Jaké vlastnosti mají geografická data používaná pro GIS? Každá informace o geografickém prostoru má prostorovou a atributovou část. Prostorová část geografické informace popisuje polohu geografického objektu v krajinné sféře (nejčastěji pomocí zeměpisných souřadnic), atributová část geografické informace pak popisuje vlastnosti geografického objektu, který se na daném místě nachází. Názorně si to můžeme ukázat na jednoduchém příkladu. Následující fotografie (viz obr. č. 1) zachycuje Jarcovskou kulu, která se nachází nedaleko obce Jarcová poblíž Valašského Meziříčí. Ve vedlejším rámečku jsou pak základní geografické informace o tomto skalním útvaru se zvýrazněnými prostorovými a atributovými informacemi. Jarcovská kula základní informace Devět metrů vysoká Jarcovská kula je tvořena horninami slepenco-pískovcového vývoje flyše. Nachází se nedaleko obce Jarcová. Zeměpisné souřadnice útvaru jsou 49 o 26 26.5 s.š. a 17 o 57 42.9 v.d. Jarcovská kula je v současnosti chráněna jako přírodní památka. (s využitím informací na informační tabuli č. 9 Naučné stezky T. G. Masaryka). Obr. 1: Jarcovská kula (fotografie Jaroslava Jáčová). Prostorová část geografických informací je zvýrazněna růžově, atributová část je zvýrazněna žlutě. Strana 2 (celkem 13) Verze: 29. září 2006
V geografických informačních systémech se používají geografická data, která jsou digitálním záznamem geografických informací. K údajům o poloze zeměpisných objektů na zemském povrchu se váží tematické informace o jejich vlastnostech. Právě tato skutečnost je největší předností geografických informačních systémů a důvodem jejich širokého využívání v mnoha oborech lidské činnosti. Soubor digitalizovaných geografických dat pak označujeme jako geografickou databázi. V krajinné sféře se nachází velké množství geografických objektů a jevů. Pro jejich grafické znázornění v geografickém informační systému využíváme tři základní geometrické prvky: body, linie a plochy (polygony). Body používáme pro objekty, které jsou příliš malé na to, aby se daly zobrazit jako plochy (např. chráněné stromy, vrcholy pohoří). Liniová data znázorňují objekty, které mají značnou délku, ale jsou příliš úzké na to, aby se daly zakreslit jako plochy (např. silnice, železnice, potoky). Plochy pak používáme pro znázornění objektů, které jsou příliš velké na to, aby je bylo možno zobrazit jako body nebo linie (např. lesy, pastviny, parky). Názorné ukázky všech typů dat zachycují obr. č. 2 a 3. Obr. 2: Bodová data (vrcholy pohoří ČR). Otisk obrazovky programu ArcMap, data převzata z databáze ArcČR 1997 ARCDATA PRAHA, s.r.o. Strana 3 (celkem 13) Verze: 29. září 2006
A B Obr. 3: A - liniová data (říční síť ČR); B plošná data (lesní plochy v ČR). Otisk obrazovky programu ArcMap, data převzata z databáze ArcČR 1997 ARCDATA PRAHA, s.r.o. Strana 4 (celkem 13) Verze: 29. září 2006
Dalším charakteristickým rysem geografických informačních systémů je uspořádání dat do tematických vrstev. Každá skupina dat vyjádřená formou bodových, liniových nebo plošných značek tvoři jednu vrstvu dat (např. vrstva řek, sídel, silnic, dálnic, jezer viz obr. č. 4). Protože každá vrstva dat nese informaci o poloze objektů v území (je tzv. georeferencována), můžeme jednotlivé vrstvy dat překrývat a vytvářet mapy a získávat nové geografické informace. Na obrázku č. 5 můžete vidět jednoduchou mapku vybraných vrcholů Moravskoslezských Beskyd vytvořenou překrytím 4 vrstev dat (vodní toky, výšky, lesy, kraje) v programu ArcExplorer. Obr. 4: Uspořádání GIS dat do tematických vrstev. Převzato z publikace: ArcGIS 9. Co je ArcGIS?, str. 7, 2001 2004 ESRI. Strana 5 (celkem 13) Verze: 29. září 2006
Obr. 5: Jednoduchá mapka vybraných vrcholů Moravskoslezských Beskyd vytvořená překrytím čtyř datových vrstev v programu ArcExplorer. Otisk obrazovky programu ArcExplorer, data převzata z databáze ArcČR 1997 ARCDATA PRAHA, s.r.o. Bodová, liniová a plošná data mohou být v digitální podobě vyjádřena ve vektorovém nebo rastrovém formátu. Ve vektorovém formátu je poloha geografických objektů určena zápisem kartézských souřadnic x a y reprezentativních bodů objektu (viz obr. č. 6). Vektorová data jsou velice přesná a vhodná pro tvorbu map. Nevýhodou vektorového formátu dat je mimo jiné vysoká výpočtová náročnost některých prostorových operací. V rastrovém formátu je základním nositelem prostorové informace tzv. pixel (obrazový bod, odvozeno z anglického picture element), který je umístěný v mřížce tvořené pravidelnou sítí řádků a sloupců. Poloha objektu je pak určena souřadnicemi polí mřížky (tj. čísly řádků a sloupců), ve kterých se vyskytuje (viz obr. č. 6). Rastrová data jsou méně přesná než data vektorová. Používají se Strana 6 (celkem 13) Verze: 29. září 2006
například pro znázornění jevů spojitě se měnících v území (např. teplota, množství srážek, nadmořská výška). Formou rastrových dat se také ukládají letecké a družicové snímky nebo nasnímané obrázky (např. skenerem). Geografický prvek Vektorový formát Rastrový formát Bod souřadnice x, y jeden pixel Linie posloupnost souřadnic x, y reprezentativních bodů linie skupina pixelů Plocha uzavřená posloupnost souřadnic x, y reprezentativních bodů obvodu polygonu skupina pixelů Obr. 6: Srovnání vektorového a rastrového formátu dat. Zpracováno podle Mirvalda a kol. (1998) a Novotné a Voženílka (2003), upraveno. Při práci s GIS je důležité si uvědomit, že všechna geografická data mají kromě prostorové informace o poloze v území také atributovou složku, což umožňuje jejich využití při tvorbě map a analýzách dat. Veškeré údaje o geografických objektech v dané tematické vrstvě jsou v prostředí GIS dostupné v tzv. atributové tabulce (viz obr. č. 7 a 8). Strana 7 (celkem 13) Verze: 29. září 2006
Obr. 7: Atributová tabulka datové vrstvy Státy světa. Nahoře: Mapový obsah datové vrstvy Státy světa ; dole: část atributové tabulky, která obsahuje data o jednotlivých státech světa. Tyrkysovou barvou jsou zvýrazněny jihoamerické státy. Otisk obrazovky programu ArcMap. Strana 8 (celkem 13) Verze: 29. září 2006
Obr. 8: Tematická mapa Počet obyvatel států Jižní Ameriky v roce 2005 vytvořená v programu ArcMap. Použita byla datová vrstva Státy světa (viz obr. č. 7). Orig. Martin Jáč. Strana 9 (celkem 13) Verze: 29. září 2006
S využitím byť jediné datové vrstvy tak můžeme vytvořit velké množství tematicky odlišných map a provádět řadu prostorových analýz. Záleží pouze na tom, jaké atributy jsou k jednotlivým státům přiřazeny v atributové tabulce (viz obr. č. 7 a 8). Prozkoumejte svět pomocí GIS Možná vám po přečtení předchozích stránek připadá GIS jako něco strašně složitého. Ve skutečnosti jsou však základy práce s GIS snadné. Vytvoření tematické mapy Počet obyvatel států Jižní Ameriky v roce 2005 trvá zkušenému uživateli GIS 20 až 30 minut. Pokud byste měli tuto mapu kreslit ručně, určitě by Vám to zabralo minimálně několik hodin. Pak stačí jedna chyba (například záměna názvu státu Guyana za Guineu) a celou mapu můžete kreslit znovu. V GIS tuto chybu opravíte během několika sekund. První zásada tedy je: Nebojte se GIS, v dnešní době jej opravdu používá (téměř) každý (viz obr. č. 9). Obr. 9: Nebojte se GIS. Převzato se svolením z prezentace doc. V. Voženílka Základy geoinformatiky ; Edward Galagan. Strana 10 (celkem 13) Verze: 29. září 2006
V současné době je k dispozici velké množství GIS software (včetně volně stažitelného). Pokud chcete začít s GIS pracovat, stáhněte si z internetu například program ArcExplorer od společnosti ESRI a prozkoumejte s GIS celý svět od vašeho okolí až po nejvzdálenější kouty světa. Pro usnadnění začátků práce s tímto jednoduchým prohlížečem GIS dat jsme pro vás připravili výukový materiál s názvem Prozkoumejte svět pomocí GIS. Najděte si na internetu 1) Stažení české verze programu ArcExplorer - tento program je možné stáhnout na stránkách společnosti ArcData Praha, s. r. o. (sekce Software / download / software) http://www.arcdata.cz 2) Geoinformační portál Gymnázia Františka Palackého Valašské Meziříčí Na tomto portálu si můžete stáhnout výukové materiály pro využití GIS a GPS ve výuce zeměpisu na gymnáziích (sekce výukové materiály). V sekci rozcestník jsou uvedeny odkazy na internetové stránky s geovědní tematikou. Výukové materiály a školní geoinformační portál byly vytvořeny z prostředků projektu SIPVZ 0323P2005. http://geo.gfpvm.cz Strana 11 (celkem 13) Verze: 29. září 2006
Zařazení do výuky ve čtyřletém gymnáziu Zeměpis 1. ročník tematický celek kartografie (GIS) Seminář ze zeměpisu 3. nebo 4. ročník, tematický celek GIS Časová náročnost Teoretická výuka 1 až 2 vyučovací hodiny (po 45 minutách) Doplňkem tohoto učebního textu je i výuková powerpointová prezentace (GIS.ppt). Použitá literatura Davis, E. D.: GIS pro každého. Vytváříme mapy na počítači. Computer Press 2000, 1. vydání, 112 stran. ESRI: ArcGIS 9. Co je ArcGIS? Manuál k programu ArcGIS 2001 2004 ESRI. ESRI: ArcGIS 9. Začínáme s ArcGIS. Manuál k programu ArcGIS 2001 2004 ESRI. Kasianchuk, P. a Taggart, M.: Úvod do ArcGIS I (přednášky a cvičení), verze kurzu 4.2., revize srpen 2004. Český překlad ArcData Praha, s.r.o. 2000 2004 ESRI, překlad 2000 2005 ArcData Praha, s.r.o. Malone, L.: Mapping our world GIS Lessons for Educators. ESRI Press Redlands, California, First printing March 2002, 538 pp. Mirvald, S. a kol.: Geografie pro střední školy 2 socioekonomická část. SPN, a.s. Praha, 1. vydání 1998, 96 stran. Novotná, M. a Voženílek, V.: Geoinformatika nový vítr do plachet geografie. Geografické rozhledy, ročník 12 (2002-2003), číslo 4, příloha Orbis pictus (strany I - IV). Novotná, M. a Voženílek, V.: Zkoumejme svět pomocí GIS. Geografické rozhledy, ročník 13 (2003-2004), číslo 1, strany 10-11. Tuček, J.: Geografické informační systémy principy a praxe. Computer Press 1998, 1. vydání, 424 stran. Strana 12 (celkem 13) Verze: 29. září 2006
Autorská práva V tomto výukovém materiálu byly použity otisky obrazovky programů ArcMap a ArcExplorer. Části tohoto dokumentu obsahují duševní vlastnictví firmy ESRI a osob, které udělují licenci a jsou zde použity na základě licence. Copyright 1999-2004 ESRI, Inc., všechna práva vyhrazena. Obrázky č. 2, 3 a 5 byly vytvořeny za použití dat z databáze ArcČR 1997 ARCDATA PRAHA, s.r.o. Tento výukový materiál vznikl v rámci projektu SIPVZ 0323P2005. Gymnázium Františka Palackého Valašské Meziříčí, 2006 Sestavil: Martin Jáč (kontakt:martin.jac@gfpvm.cz) Strana 13 (celkem 13) Verze: 29. září 2006