UNIVERZITA TOMÁŠE BATI VE ZLÍNĚ FAKULTA APLIKOVANÉ INFORMATIKY GEOGRAFICKÉ INFORMAČNÍ SYSTÉMY 10 Lubomír Vašek Zlín 2013 Tento studijní materiál vznikl za finanční podpory Evropského sociálního fondu (ESF) a rozpočtu České republiky v rámci řešení projektu: MODERNIZACE VÝUKOVÝCH MATERIÁLŮ A DIDAKTICKÝCH METOD
2 Obsah... 3 1. Základní pojmy... 3 2. Úvod... 4 3. Měřící funkce... 4 4. Dotazy do databáze - prohledávání databáze... 4 4.1 Atributové dotazy... 5 4.2 Prostorové dotazy... 6 4.3 Kombinované dotazy... 6 5. Topologické překrytí... 6 Použitá literatura... 8
3 STRUČNÝ OBSAH PŘEDNÁŠKY: Analýzy v GIS Měřicí funkce Dotazy do databáze Topologické překrytí MOTIVACE: Prostorové analytické možnosti GIS tvoří jádro systému GIS, tedy to co GIS odlišuje od ostatních informačních systémů. V této přednášce se studenti seznámí s první částí metod a postupů pro analýzy geografických dat. Zbývající metody k analýzám jsou probírány v následujících dvou přednáškách a společně tvoří nástroj k provádění analýz. Tyto analýzy provádí uživatelé buď interaktivně (pak musí metody užívané při analýzách znát po věcné i formální stránce), nebo prostřednictvím aplikací (pak jim musí porozumět nejméně po obsahové stránce). CÍL: Seznámení se s první částí metod pro analýzy geografických dat. Probrané metody je nutno spojit s metodami patřícími do druhé a třetí části, probíranými v následujících dvou přednáškách, aby bylo dosaženo společného cíle tří souvisejících přednášek získání znalostí o postupech pro analýzy geografických dat. 1. Základní pojmy Analýzy geografických dat: jádro systému GIS, tedy to co GIS odlišuje od ostatních informačních systémů. Měřicí funkce: funkce pro měření vzdáleností a ploch. Dotazy do databáze: nástroj pro získání informací z databáze pro provádění atributových, prostorových a kombinovaných dotazů. Topologické překrytí: metody pro kombinaci geografických dat ze dvou nebo několika tematických vrstev.
4 2. Úvod Jak bylo řečeno na začátku, prostorové analytické možnosti GIS tvoří jádro systému GIS, tedy to co GIS odlišuje od ostatních informačních systémů. Analytické možnosti GIS můžeme rozdělit do následujících skupin: měřící funkce, geografické analýzy, nástroje na prohledávání databáze. topologické překrytí, mapová algebra, vzdálenostní analýzy, analýzy síti, analýzy modelu reliéfu. statistické analýzy, analýzy obrazu. 3. Měřicí funkce Systémy poskytují funkce na měření vzdáleností a ploch. Při měření je třeba dát pozor na zobrazení: konformní - nedochází ke zkreslení úhlů, ekvivalentní - nedochází ke zkreslení ploch. ekvidistantní v určité soustavě křivek - nezkresluje délky ve směru určité soustavy křivek (většinou ve směru poledníků, rovnoběžek, případně jiných křivek). kompenzační - dochází k deformaci všech geometrických prvků (úhlů, délek i ploch), ale hodnoty deformací nejsou extrémní. Poznámky: Systémy umí efektivně používat různých délkových jednotek (stopy, cm, atd.) případně mezi nimi i automaticky provádět převody. Při projektech v malém měřítku, a tedy většího plošného obsahu, má na měření vliv také zakřivení zemského povrchu, takže v poslední době umožňují GIS produkty uvažovat i tento faktor. 4. Dotazy do databáze - prohledávání databáze Dotazováním se vybírají údaje, které odpovídají specifickému kritériu nebo podmínce. Dotazovací operace má obvykle tři hlavní komponenty: Specifikace údajů, kterých se týká. Formulace podmínek, kterým musí údaje vyhovovat. Instrukci, co se má na vybraných údajích vykonat.
5 Dotaz (query) má tedy obecně následující strukturu: vyber z údajů typu T takové, které vyhovují podmínce P a vykonej na nich operaci O. Dotazy můžeme v GIS dále rozdělit na: Atributové - dotaz typu: které geografické objekty (lokality) mají definovanou vlastnost,... Prostorové - dotaz typu: co se nachází na tomto místě, co se nachází v této oblasti. Kombinované - dotaz typu: které objekty splňují definovanou vlastnost a zároveň se nacházejí v nějaké oblasti. 4.1 Atributové dotazy Atributové dotazy lze uskutečnit různými způsoby. První způsob spočívá v identifikaci jednotlivého objektu na základě jeho jména, označení či jiného atributu. Častěji se ale používá druhý způsob, který spočívá ve vyhledání všech objektu splňující intervalové a logické podmínky jednoho nebo více atributů. Pro vyhledávání intervalových podmínek je možné použít operátorů <, >, =, <=, >=, <>(!=). Intervalové podmínky jdou kombinovat pomoci logických operátorů (AND, OR. NOR) využívajících pravidel Booleovské logiky. K vlastnímu definování podmínky se nejčastěji používá jazyk SQL nebo prostředí Query By Example (QBE). Příklad atributového dotazu: Existuje vrstva silnice, objekty mají dva atributy: typ (I,II,D,o) a počet pruhů (1,2). Atributový dotaz, který hledá všechny silnice, které jsou typu I a mají dva jízdní pruhy: pomocí dotazovacího prostředí QBE: vyplněný dialog ( [Třída_sil] = "1") and ([J_pruhy] = 2 ) pomocí SQL: SELECT' PROM SILNICE WHERE TRIDA_SIL='I' and J_PRUHY=2; Výsledek je obr. Rozdíly u vektorové a rastrové reprezentace: U vektorové reprezentace se zpracovávají údaje atributových tabulek připojených k jednotlivým vektorovým objektům.
6 U rastrové se zpravidla zpracovávají údaje uložené v buňkách jednotlivých vrstev (není to ale podmínka, i u rastrových reprezentací je možné mít připojené atributové tabulky). 4.2 Prostorové dotazy Prostorové dotazy jdou uskutečnit opět dvěma základními způsoby. První je jednoduchý a spočívá v identifikaci geografického objektu na základě jeho souřadnic a to buď ručně (zadáním souřadnic) nebo interaktivně (ukázáním na objekt myší. Druhý způsob spočívá v prohledávání prostoru různých geometrických tvaru (obdélníky, kružnice, polygony, linie). Rozdíly rastrové a vektorové reprezentace: U vektorů je vždy vybrán celý objekt, u rastrů je vybírána vždy konkrétní buňka či skupina buněk. 4.3 Kombinované dotazy Kombinované dotazy - jak atributové, tak prostorové dotazy pracují pouze s jednou informační vrstvou. Kombinované dotazy umožňují práci i s více vrstvami (či množinami objektů), tudíž je zde opět možnost propojovat je pomocí operátorů Booleovské logiky, podobně jako u atributových dotazů. Kombinované dotazy také zčásti používají topologické překrytí vrstev, o kterém se více hovoří v další části. Příklad: Najdi všechna sídla, která jsou ve vzdálenosti do 5 km od dálnice. Je zřejmé, že nejdříve bude provedena analýza atributová (výběr dálnic z množiny silnic) a poté prostorová (najdi sídla ve vzdálenosti do 5 km od této dálnice). 5. Topologické překrytí Obecně dotazování dvou nebo více informačních vrstev se označuje jako topologické překrytí (overlay) těchto vrstev. Klasicky se tento problém řešil překrytím dvou tematických map na průhledných fóliích. Stejný problém se v GIS řeší pomocí základních algoritmů počítačové grafiky (test bodu v polygonu, hledání průsečíku dvou objektů, ořezáváni). Výsledkem postupu je pak identifikace nových objektů, které mají kombinace vlastností objektů ze zdrojových informačních vrstev. Pro kombinaci vstupních objektů se používají logické operace ve smyslu Booleovské logiky. Systémy obvykle nabízejí tyto základní operace: INTERSECT (AND - průnik). UNION (OR - sjednocení). IDENTITY (AND NOT- přiřazení na základě prostorového umístění). Jedna vrstva je vždy vstupní, druhá na ní provádí výše uvedené operace. Vstupní vrstva může být jak bodová, liniová, tak polygonová, druhá vrstva (ta co provádí topologické překrytí) musí být polygonová. Výjimkou je sjednoceni, které se může provádět pouze mezi dvěma
7 polygonovými vrstvami. Z procesu topologického překrytí vznikají nové objekty (vrstvy), kterým jsou přiřazeny také atributy. Tím se topologické překrytí liší od prostorových dotazů, kde žádné nové vrstvy nevznikají. Speciálním případem topologických operací jsou: CLIP a ERASE, UPDATE a SPLIT, které mají tu vlastnost, že atributy nejsou spojovány, ale přejímány ze vstupní vrstvy. Tyto funkce je možné zařadit i do kategorie restrukturalizace dal. CLIP - ořízne vstupní vrstvu pomocí definovaných polygonů v druhé vrstvě. ERASE - opak CLlP odstraní části vstupní vrstvy pomocí polygonu definovaných v druhé vrstvě. SPLIT - rozdělí vstupní vrstvu na části pomocí hranic definovaných polygony ve druhé vrstvě. UPDATE - vyjme tu část vstupní vrstvy, která bude aktualizovaná druhou vrstvou a místo ní vloží prvky z druhé vrstvy. Přednáškový text se vztahuje k těmto otázkám: Analýzy v GIS Měřicí funkce Dotazy do databáze Topologické překrytí
8 Použitá literatura [1] Břehovský M., Jedlička K.: Úvod do geografických informačních systémů, ZČU Plzeň, Přednáškové texty [2] Kolár, J.: Geografické informační systémy 10, Praha, ČVUT, 2001. ISBN 80-01-02687-6. [3] Tuček, J.: Geografické informační systémy - principy a praxe, Praha, Computer Press, 1998. ISBN 80-7226-091-X. [4] Burrough, Peter A. McDonnell, Rachael A. : Principles of geographical information systems /. 1st ed. repr.. Oxford : 1998. 0-19-823365-5.