UNIVERZITA TOMÁŠE BATI VE ZLÍNĚ FAKULTA APLIKOVANÉ INFORMATIKY GEOGRAFICKÉ INFORMAČNÍ SYSTÉMY 3 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. Strukturální a funkční členění GIS:... 4 2.1 Strukturální komponenty... 4 2.2 Funkční členění GIS... 4 3. Geografický objekt... 5 4. Topologie a GIS... 6 Použitá literatura... 7
3 STRUČNÝ OBSAH PŘEDNÁŠKY: Strukturální komponenty GIS Funkční členění GIS Transformace dat Geografické objekty Topologie a GIS MOTIVACE: V této přednášce se studenti seznámí se základními komponentami v GIS. Jedná se o strukturální komponenty, funkční moduly a geografické objekty. Dále se seznámí s některými používanými transformacemi dat a se základními a užívanými pojmy z topologie. CÍL: Získat znalosti o struktuře i funkčních blocích GIS, o geografických objektech a jejich členění. Dále získat přehled o pragmatickém přístupu k topologii, který je v GIS využíván. 1. Základní pojmy Strukturální komponenty: prvky, z nichž je GIS sestaven HW, SW, data, lidé (tvůrci, správci a uživatelé) Funkční členění GIS: funkční moduly, které realizují jednotlivé funkce GIS Geografický objekt: objekt krajinné sféry, který je používán k popisu a modelování dějů na zemském povrchu. Topologie: matematická disciplina, která se v GIS využívá k popisu vzájemných prostorových vztahů geografických objektů
4 2. Strukturální a funkční členění GIS: 2.1 Strukturální komponenty Strukturálními komponentami GIS (vychází z definic) se rozumí to, z jakých části se GIS skládá. Jsou to 1. Hardware počítače, počítačové sítě, vstupní a výstupní zařízeni (geodetické přístroje, GPS - pozemní i kosmický segment, digitizéry, plottery, scannery). 2. Software - vlastni 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 zobrazováni, 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 zapojeni do stávajícího IS podniku (z hlediska praxe velmi komplikovaná a náročná část) 2.2 Funkční členění GIS Funkční prvky GIS software (opět vychází z definic) - co nám GIS umožní dělat:? 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 od jiných IS. 4. Prezentace výsledků (výstupy grafické mapy, negrafické zprávy, souhrnné tabulky, atd.). Na proces zpracování informací v GIS, který se realizuje pomocí uvedených funkčních modulů, je možno pohlížet i jako na proces určitých transformací dat viz obr. 1 (GO je zde geografický objekt viz dále, DB je databáze). Tyto transformace musí však být takového druhu, aby nedocházelo ke ztrátám informací ani k takovým jejich změnám, které by měnily jejich význam. V této souvislosti je možno uvést, že jednou z takových transformací je tzv. homeomorfismus. Je to transformace (zobrazení) užívaná pro uložení geografických dat v DB a vyznačuje se následujícími vlastnostmi: Funkce zobrazení je bijekce, tj. jednomu vzoru přísluší právě jeden obraz Funkce zobrazení je spojitá Existuje inverzní zobrazení a je také spojité Homeomorfismus hraje klíčovou roli v topologii, která je důležitou součástí geografických dat určuje prostorové vztahy geografických objektů viz dále.
5 Geosféra Výběr GO Uložení v DB Analýzy, prezentace Uživatelé Účel GIS Model uložení Požadavky uživatelů Obr. 1. Zpracování informací v GIS jako proces transformace dat 3. Geografický objekt Jedním ze základních pojmů užívaným v GIS je pojem geografický objekt. To souvisí s tím, že se v GIS velmi rozšířil tzv. objektový přístup, který je založen na principech objektově orientovaného programování. Použití tohoto přístupu, které získává na oblibě hlavně v posledních letech, je v GIS velmi logické, protože realita, která je v GIS zachycována a analyzována, je zcela přirozeně a snadno na objekty členěna. Hlavní znaky objektového přístupu (obecně i specificky v GIS) jsou: každý objekt obsahuje geometrii, topologii (viz dále, tématiku (atributy) i chování (metody), objekty je možné sdružovat do tříd objektů, objekt je pak instancí takovéto třídy, je možné vytvářet hierarchické vztahy mezi objekty (rodič - potomek), atributy a metody je možné dědit (linie -> komunikace -> silnice, železnice). Výhody objektového přístupu je možný hierarchický přístup od shora dolů" k individuálním objektům, definování tříd je díky dědičnosti velmi pružně, individuální objekt se velice snadno vyhledává. jednotlivé objekty se umí starat samy o sebe (dálnice ví, že silnice na ni může být připojena jen pomocí nájezdu), objekt jako celek sebou nese všechny informace. Je tedy třeba nejprve definovat pojem objekt a geografický objekt v té podobě, v níž bude v dalším používán. Objekt tedy je charakterizován následujícími vlastnostmi: Je to jev reálného světa Tvoří jej soubor entit, které v rámci určitého datového modelu vytvářejí entitu vyšší úrovně
6 Používá se digitální reprezentace celé entity (její instance) nebo její části V objektově orientovaném systému je tvořen daty (např. souřadnicemi a atributy objektu reálného světa) a zapouzdřením, v němž jsou uloženy metody nebo operace vztahující se k tvorbě, zpracování a výstupu těchto dat Geografický objekt je pak chápán jako objekt krajinné sféry ve smyslu výše uvedených definic objektu. Obecně lze říci, že jednotlivé geografické objekty jsou v GIS reprezentovány pomoci následujících prvků (podrobněji bude otázka reprezentace jednotlivých geografických objektů rozebrána v dalším: Bod - reprezentuje objekty tak malé, že není vhodné je reprezentovat linií nebo plochou. Body také reprezentují objekty, které nemají žádný rozměr. Objekt má dimenzi nula - nelze u něj měřit žádný rozměr. Linie - reprezentuje objekty jako řeky, silnice, potrubí, vedení, tedy objekty tak úzké, že je není vhodné reprezentovat plochami. Rovněž jsou tak reprezentovány objekty, které nemají definovanou šířku (např. vrstevnice). Objekt má dimenzi 1 - lze u něj měřit délku jen v jednom rozměru. Plocha - reprezentuje objekty, jejichž hranice uzavírá nějakou homogenní oblast (např. jezera, lesy, zastavěná plocha). Objekt má dimenzi 2 a lze jej měřit ve dvou rozměrech. Dalšími důležitými informacemi, které se týkají geografických objektů a jsou v GIS hojně využívány, jsou informace o jejich vzájemných prostorových vztazích (např. objekty se dotýkají, tj. mají společný bod nebo linii, překrývají, tj. mají společnou plochu, nebo spolu prostorově nesouvisí). Těmito vzájemnými prostorovými vztahy se obecně zabývá topologie. 4. Topologie a GIS Matematický přístup: Topologie je matematická disciplína zabývající se topologickými prostory, jejich zobrazením a charakteristikami, nauka o spojitých zobrazeních velmi obecná část matematiky. Pragmatický přístup (užívaný běžně v GIS): Topologie je postup založený na explicitní definici prostorových vztahů mezi geografickými objekty. V mapách definuje topologie spojení mezi prvky, identifikuje přilehlé polygony, může definovat prvek jako soubor jiných prvků (plocha jako soubor linií, které ji ohraničují) apod. Počet typů geografických objektů a zejména počet základních topologických vztahů mezi nimi v GIS není příliš velký a proto je možné je definovat výčtem tím se situace výrazně zjednoduší. Užití topologie v GIS přináší zejména následující výhody: umožňuje ukládat data efektivněji, mnoho analýz v GIS využívá pouze topologické a nikoli geometrické vztahy.
7 Důvod pro využívání topologie (ESRI 1995): "Topology is useful in GIS because many spatial modeling operations don't require coordinates, only topological information. For example, to find an optimal path between two points requires a list of the arcs that connect to each other and the cost to traverse each are in each direction. Coordinates are only needed for drawing the path after it is calculated." Využívají se tři základní topologické koncepty: Konektivita - dvě linie se na sebe napojuji v uzlech. Definice plochy linie, které uzavírají nějakou plochu, definuji polygon. Sousednost (princip okřídlené hrany) - linie mají směr a nesou informaci o objektech napravo a nalevo od nich. Příklady: Jezero je definováno svým okrajem, máme k dispozici jak jezero, tak i jeho okraj. Dvě sousední parcely sdílejí hranici, pokud chci najít veškeré sousedící parcely s tou mou, díky topologii je to velice snadné. Umožni snadněji provádění nejrůznějších analýz, jako je nalezení sousedů, nalezení nejkratší cesty, atd. Tyto objekty jsou zobrazeny na mapě v určitém kartografickém zobrazení v určitém rovinném souřadnicovém systému (např.: Křovákovo zobrazeni se souřadnicovým systémem S-JTSK) a v měřítku. Přednáškový text se vztahuje k těmto otázkám: Strukturální komponenty GIS. Funkční členění GIS. Transformace dat, homeomorfismus. Geografický objekt. Topologie a GIS. 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.
8 [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.