Geografické informační systémy Geografické informační systémy a on-line zpřístupňování map a on-line zpřístupňování map

na Internetuna Internetu

Ing. Milan Talich, Ph.D.

Milan.Talich@vugtk.cz

JIP, 20. 11. 2006

Výzkumný ústav geodetický, topografický a kartografický,250 66 Zdiby 98, tel: +420 284 890 515, e-mail: Milan.Talich@vugtk.cz

Obsah přednášky:

• Vysvětlení pojmů:– geoinformatika, geodata, geoinformace,– geoinformační technologie,– geografické informační systémy

• GIS:– principy, vlastnosti, možnosti, uplatnění

• on-line zpřístupnění geodat– standardy OGC, WMS, WFS– mapy na Internetu

Úvod:

• Téměř vše, co se děje, probíhá na určitém místě zemského povrchu,

• většina objektů a jevů reálného světa se vyskytuje na některém místě zemského povrchu, nebo má vztah k některému místu na zemském povrchu (občan má někde trvalé bydliště, výrobek byl vyroben v určité továrně)

• tyto objekty se vyskytují v daném prostoru společně s mnoha dalšími objekty a navzájem se ovlivňují (např. hlukem ze silnice jsou postiženi obyvatelé v domech do určité vzdálenosti, komín zamoří zplodinami určité území, prosperita prodejny závisí mimo jiné i na její poloze a množství potenciálních zákazníků v okolí)

Úvod 2:

• znalost umístění a vzájemných prostorových souvislostí mezi objekty je velmi významná a může sehrát důležitou roli v řadě oborů lidské činnosti, především při rozhodování,

• zpracovávaná data a informace mají tedy i své prostorové aspekty (poloha, velikost, tvar, rozmístění v prostoru, vzájemná vzdálenost apod.),

• značná část dat se vztahuje k určitým místům v prostoru a jedná se tedy o data prostorová, jejichž zpracování by mělo probíhat odlišným způsobem oproti datům, která prostorovou povahu nemají.

• v našich datech v počítači (v informačním systému) musíme mít zaznamenáno obojí současně, tj. jak vlastní údaje o objektu (popisná – atributová složka), tak údaje o jeho poloze (prostorová složka).

Základní pojmy:

• Geoinformatika je vědecká disciplína, která se zabývá zpracováním dat a informací tak, aby byly jejich prostorové aspekty při získávání, ukládání, zpracování i prezentaci plně vzaty v úvahu.

• Prostorovým datům se v geoinformatice obvykle říká geodata,• prostorovým informacím geoinformace,• Informačním technologiím určeným pro práci s geodaty

geoinformační technologie,• počítačovému systému, který umožňuje ukládat a využívat

taková data říkáme geografický informační systém (GIS).

Definice:

• „Geoinformatika (geomatika, geoinformační věda) je vědecký a technický interdisciplinární obor, zabývající se získáváním, ukládáním, integrací, analýzou, interpretací, distribucí, vizualizací a užíváním geodat a geoinformací pro potřeby rozhodování, plánování a správy zdrojů“ (definice České asociace pro geoinformace).

Definice:

• „Geoinformační technologie jsou specifické informační technologie určené pro získávání, ukládání, integraci, analýzu, interpretaci, distribuci, užívání a vizualizaci geodat a geoinformací.“

Příklady:geografické informační systémy,

geodetické metody mapování,

dálkový průzkum Země,

fotogrammetrie,

družicové polohové systémy (GPS, GLONASS, Galileo),

prostorové značkovací jazyky (GML, TGML), …

Definice:

• „Geografický informační systém je organizovaný souhrn počítačové techniky, programového vybavení, geografických dat a zaměstnanců navržený tak, aby mohl efektivně získávat, ukládat, aktualizovat, analyzovat, přenášet a zobrazovat všechny druhy geograficky vztažených informací.“

• „Geografický informační systém je informační systém v obvyklém slova smyslu rozšířený o možnosti práce s geografickým kontextem - tj. prostorovým vymezením objektů a prostorovými vztahy objektů.“

Geografický informační systém:

• geo = GIS pracuje s údaji a informacemi vztahujícími se k Zemi, pro které jsou známé jejich lokalizace v prostoru,

• grafický = GIS využívá prostředků grafické prezentace dat a výsledků analýz a grafické komunikace s uživatelem,

• informační = GIS provádí sběr, ukládání, analýzu a syntézu dat s cílem získat nové informace, potřebné pro rozhodování, řízení, plánování, modelování, atd.,

• systém = GIS představuje integraci technických a programových prostředků, dat, pracovních postupů, personálu, uživatelů apod. do jednoho celku.

Příklad prostorových dat:

• Nejjednodušší forma prostorových dat – tabulka odběrových míst s udáním souřadnic bodů

SAMPLE_ID COLLECTION_DATESITE_NAME SITE_CODE MATRIX SAMPLE TYPE LAB ANALYSIS_DATELATITUDE LONGITUDES19C3000.ASC 17.2.1995 San Jose C-3-0 SED FS AMS 17.2.1995 37,46 121,98S19C1300.ASC 17.2.1995 Sunnyvale C-1-3 SED FS AMS 17.2.1995 37,43 122,01S19A1000.ASC 16.2.1995 Coyote Creek BA10 SED FS AMS 16.2.1995 37,47 122,06S19A2100.ASC 16.2.1995 South Bay BA20 SED FS AMS 16.2.1995 37,49 122,09S19A3000.ASC 16.2.1995 Dumbarton BridgeBA30 SED FS AMS 16.2.1995 37,51 122,13S19A4100.ASC 16.2.1995 Redwood CreekBA40 SED FS AMS 16.2.1995 37,56 122,21S19B1500.ASC 16.2.1995 San Bruno ShoalBB15 SED FS AMS 16.2.1995 37,62 122,28S19B3000.ASC 16.2.1995 Oyster Point BB30 SED FS AMS 16.2.1995 37,67 122,33S19B7000.ASC 16.2.1995 Alameda BB71 SED FS AMS 16.2.1995 37,75 122,32S19C1100.ASC 15.2.1995 Yerba Buena IsBC10 SED FS AMS 15.2.1995 37,82 122,35S19C2100.ASC 15.2.1995 Horseshoe BayBC21 SED FS AMS 15.2.1995 37,83 122,48S19C3200.ASC 15.2.1995 Richardson BayBC30 SED FS AMS 15.2.1995 37,86 122,48S19C4100.ASC 15.2.1995 Point Isabel BC41 SED FS AMS 15.2.1995 37,89 122,34S19C6000.ASC 15.2.1995 Red Rock BC60 SED FS AMS 15.2.1995 37,92 122,43S19C6100.ASC 15.2.1995 Red Rock BC60 SED FS AMS 15.2.1995 37,92 122,43

Reprezentace dat v GIS – mapové vrstvy:

• Datové sady GIS uložené obvykle společně v jednom datovém souboru či v jedné databázové tabulce,

• popisují určitou třídu objektů či jevů v území,

• vizuálně jsou v GIS reprezentovány skládáním přes sebe s průhledným pozadím.

Příklad zobrazení mapových vrstev v GIS:

Prostorové propojení dat:

• Všechna data v jedné mapě GIS se dostávají do vzájemné souvislosti na základě polohy – hlavní přínos GIS jako databáze,

• prostorovým propojením dat lze zjistit nové skutečnosti, které v jednotlivých datových sadách nebyly obsaženy,

• nejjednodušší způsob propojení - připojení tabulkových dat k mapové vrstvě,

• v GIS je možné převádět neprostorová data na prostorová, mají-li nějaký vztah k území (např. telefonní seznam obsahuje adresy => je možné je automatizovaně převést na souřadnice).

Příklad připojení tabulkových dat k mapové vrstvě:

z toho z toho

Území vinice

Hl. m. Praha 21 15 - 0 1 29 5 1 10Středočeský 668 556 3 0 71 433 305 21 27,7Jihočeský 495 321 - - 160 511 375 43 37,28Plzeňský 384 265 0 - 106 372 298 11 39,42Karlovarský 125 57 - - 64 206 143 7 43,2Ústecký 278 187 7 1 69 255 160 10 30,02Liberecký 141 70 0 - 62 175 140 5 44,3Královéhradecký 280 194 - 0 70 196 147 7 30,88Pardubický 274 201 - - 60 178 133 6 29,42Vysočina 420 325 - 0 84 273 210 12 30,3Jihomoravský 426 358 - 15 28 281 196 15 27,72Olomoucký 276 208 1 0 52 240 179 6 34,69Zlínský 196 126 - 1 56 200 157 5 39,65Moravskoslezský 285 179 - - 88 269 196 11 35,38Česká republika 4 269 3 062 11 17 971 3 618 2 644 160 33,52

Země-dělskápůda

ornápůda

chmel-nice

trvalé travní

porosty

Nezemě-dělskápůda

lesní pozemky

vodníplochy

Podíl lesní půdy [%]

Druhy mapových vrstev:

• Rastrové:– Pravidelné rastry: nejčastěji

čtvercová mřížka („klasický rastr“, obrázek, poloha pixelu odpovídá poloze na mapě, hodnota pixelu odpovídá hodnotě veličiny)

– Nepravidelné sítě: nejčastěji trojúhelníky (hodnoty dané ve vrcholech trojúhelníků)

• Vektorové:– body– linie– plochy

Rastrová data:• Vhodný zejména pro:

– Zobrazení leteckých snímků

a podkladových map

– Zobrazení veličin plynule se

měnících v území (nadmořská

výška, teplota, sklon svahu...)

• Vlastnosti:– Umí zobrazit pouze jeden parametr– Pevné rozlišení (polohová přesnost) dané velikostí pixelu

– Velké objemy dat, jednoduché operace s daty

– Problémy s aktualizací– Při použití nepravidelného rastru lze měnit hustotu a umístění bodů v závislosti na

lokální členitosti povrchu

• Formáty:– Tiff, GIF, PNG, – Geotiff, MrSID, Zoomify

Vektorová data:

• Mají prostorovou a popisnou složku– Mohou popisovat parametry zobrazených objektů (tloušťka čáry = šířka

silnice, …),

– lze uložit i záznamy o vzájemných prostorových vztazích objektů v mapě (tj. topologii),

– lze jim přiřadit popisky i s jejich umístěním.

• Vhodná zejména pro:– Izolované objekty v území typu bodu, linie či plochy a veličiny k nim

vztažené ( => vhodné pro katastrální a technické mapy, nevhodné pro topografické mapy),

– lze je uložit do databáze (nejen do souboru) => rychlejší vyhledávání, výpočty,…

• Formáty:– ESRI Shapefile (.shp), Geography Markup Language (.gml),– DXF, HPGL

Kartografická zobrazení:

• Pro vytvoření mapy z dat je třeba převést

nepravidelnou plochu zemského povrchu

do roviny mapy• Postup:

– Bramboroid (zemský povrch),– geoid (hladinová plocha),

– referenční elipsoid (rotační),

– rovina mapy.

• Nelze převést do roviny povrch elipsoidu bez zkreslení (úhlů, vzdáleností, ploch) => nutnost kartografického zobrazení

– Projektivní = mapové projekce na těleso rozvinutelné do roviny– Neprojektivní = matematický předpis pro transformaci souřadnic

• Po převodu do roviny mapy je třeba na ní umístit rovinný kartézský souřadnicový systém

Základní typy mapových projekcí:

Příklad kartografického zobrazení:

Kartografická zobrazení používaná v ČR:• Křovákovo zobrazení

– Speciálně navržené pro ČSR za 1. republiky,– kuželové zobrazení v obecné (šikmé) poloze,– Besselův elipsoid,

– civilní státní mapové dílo, nejrozšířenější v ČR

• UTM:– Systém 60ti šesti-stupňových zón a dvou polárních

oblastí pro celý svět,

– válcové v příčné poloze,– elipsoid WGS84, původně Hayfordův,– každá zóna má vlastní souř. systém,

– vojenské mapy od r. 2006

• Gauss-Krüger:– Systém šesti- a tří-stupňových pásů pro celý svět,

– válcové v příčné poloze,– Krasovského elipsoid,– každý pás má vlastní souř. Systém

– vojenské mapy v souř. systému S-42 do r. 2005

Souřadnicové systémy používané v ČR:

• Celosvětový:– WGS 84 = geocentrické X,Y,Z souřadnice, jim odpovídají zeměpisné

souřadnice na referenčním elipsoidu WGS84 (používá jej GPS)

• Univerzální (jednotná řada systémů pro celý svět):– UTM – používají armády NATO, osy E a N– S42 – používaly armády Varšavské smlouvy (v ČR do r. 2005), osa X

na sever, osa Y na východ

• Speciální (lokální): – S-JTSK = „Systém jednotné trigonometrické sítě katastrální“,

navržen pro ČSR Ing. Křovákem za 1. republiky, používá se pro civilní účely v ČR a SR, osa X přibližně na jih, osa Y na západ

– S-SK = Systém stabilního katastru, používaný dosud na některých katastrálních mapách v ČR a zemích bývalého Rakousko-Uherska, osa X na sever, Y na východ

Zdroje prostorových dat pro GIS:

• Primární:– Geodetická měření – Letecké a pozemní snímkování a dálkový průzkum Země

(DPZ)– Globální systémy určení pozice (GPS, Glonass, Galileo)

• Sekundární:– Digitalizace papírových map

Zdroje atributových dat:

• Manuální vstup• Digitalizace OCR• Převod z jiných, již digitálních zdrojů na základě

společného atributu– Databáze státní správy a statistických institucí– geokódování a „adress matching“

Geodetická měření:

• Nejstarší a stále nejpřesnější způsob

• Výstupy z měření - přepis do PC ručně, nebo přístroje umějí přímo ukládat naměřená geodetická data v digitální podobě.

• Geodetické výpočty - v PC se naměřená data převádějí do souřadného systému mapy

• Použití: mapy velkých měřítek (technické, katastrální), plány.

• Výstupem je vektorová mapa

DPZ a letecké snímkování:

• primární výstupy:– snímky – rastry + údaje o snímání

• sekundární výstupy (využití překryvu):– Orthofotomapa (rastr s charakterem mapy)

• -> Využití území, zdravotní stav vegetace, editace vektorových vrstev...

– Digitální model terénu (nepravidelný rastr)• -> TIN, vrstevnice, sklony svahů, povodí, 3D, modely...

Družicové snímky:

• Pasivní systémy– přijímám odražené

sluneční paprsky– panchromatické,

multispektrální

• Aktivní systémy– aktivně ozařuji terén– radarové– LIDAR - Laser Imaging

Detection and Ranging

LANDSAT 7Bands

Orthofotomapa:• Při vzniku orthofotomapy je třeba:

– odstranit zkreslení snímacího senzoru (optické vady).– odstranit deformace snímku vlivem nekolmého snímání.– odstranit polohové zkreslení vzniklé různou nadm. výškou

• To lze s pomocí DMT, který zase lze získat ze dvojic překrývajících se snímků z focených různých pozic

– převést projekci optiky snímacího senzoru na cílovou mapovou projekci a umístit snímek do souřadného systému

Globální systémy určení polohy:

• V současnosti GPS/Navstar (USA) – přesnost závisí na „mezinárodní politické situaci“, může být i vypnut. ~5m horizontálně, vertikálně horší přesnost.

• GLONASS (Rusko) – nekompletní sada družic, technické problémy, opět doplňování družic.

• Galileo (EU), zatím jedna družice, má mít garantovanou přesnost, komerční aplikace, civilní.

• Zvýšení přesnosti – DGPS – přenos korekčního signálu z referenční stacionární GPS umístěné ve známé poloze – zpřesnění pod 3m, u geodetických přístrojů cca 1cm v poloze, 5cm ve výšce.

GPS – využití pro vstup dat do GIS

• GPS modul pro PC/notebook, flash modul pro PDA, PDA/notebook s vestavěným GPS přijímačem... – může s příslušným softwarem přímo ukládat data pro GIS a zobrazovat je v mapě, s daty lze ihned v terénu pracovat.

Digitalizace papírových map:

• Skenování => rastr• Vektorizace mapy => vektor

– přímo - digitizér– nepřímo přes skenovanou mapu

• manuální - „obtahování pomocí myši“• automatická a poloautomatická vektorizace (problémy s

rastrem, překryvy...)

Data jsou to nejdůležitější:

• Z uvedeného je zřejmé, že připravit pro takový systém všechna potřebná data a zajistit jejich správu a aktualizaci představuje zejména pro rozsáhlejší území složitou a poměrně náročnou problematiku. 90% nákladů na provoz GIS tvoří prostředky na získávání a obnovu dat.

• Výsledek se ale vyplatí, získáváme technologie a nástroj, které usnadňují podporu rozhodovacího procesu.

• Lze zodpovědět otázky spojené s topologií, např.:– najdi mi všechny sousedy právě probíhajícího stavebního řízení,

zobraz mi informace o jejich pozemcích,– vyber mi všechny vlastníky pozemků, přes které prochází plánovaná

dálnice včetně ochranného pásma 50 metrů na každou stranu a vytiskni mi jejich adresy,

– vyber mi všechny pozemky ve vlastnictví města a zobraz v mapě.

Data x informace:

• Za předpokladu, že informace je smysluplná interpretace dat, můžeme hovořit o tom, že:

– To co vkládáme do GIS a co pomocí GIS zpracováváme, budeme označovat za data

– To co prostřednictvím GIS získáme (výstupy), budeme označovat za informace

– Jinak řečeno: data uchováváme a informace vybíráme

Sdílení dat – distribuovaný IS:

• Vzhledem k obrovské nákladnosti dat, jsou snahy vytvářet distribuované GIS, které sdílejí data on-line, obvykle s využitím Internetu

• K tomu jsou vyvinuty technologické nástroje, které standardizuje OGC – Open Geospatial Consorcium

• Web map services (WMS) umožňuje sdílet rastrová data v GIS, klient tak nepotřebuje mít data vlastní, ale službou WMS si je vyžádá

• Jsou i další služby: WFS pro vektorová data, …

• Dnešní GIS umožňuje sdílet a distribuovat data prostřednictvím mapových služeb a umožňuje tak pracovat současně s daty různých správců a vlastníků s využitím distribuované správy a aktualizace těchto dat.

Praktické užití GIS:

• ve státní správě a samosprávě (evidence majetku, parcel, nemovitostí)• plánování dopravy (sledování pohybu vozidel, jízdní řády)• správa inženýrských sítí (technické sítě, energetika, evidence majetku)• kartografie (digitální zpracování map)• marketingové analýzy (např. analýzy trhu)• urbanismus (např. tvorba územního plánu, strategického plánu)• ekologie (vývoj krajiny, odpady)• zemědělství, lesnictví (půda, hospodaření)• modelování jevů dynamických v území (např. hydrologické, rizikovost

liniových staveb)• integrovaný záchranný systém (hasiči, záchranná služba, policie)• armáda (modelování činnosti vojsk, pohybu objektů)

Závěr:

V prvních nástěnných malbách a mapách nelze spatřovat GIS jak ho chápeme dnes, ale rozhodně na ně lze pohlížet jako na první pokusy člověka zobrazit okolní svět, nějakým způsobem ho zachytit a vyhodnotit. A v tomto rámci se dnešní GIS snaží o to samé, jen s využitím moderních a současných prostředků a znalostí.

Mapy v Internetu:

• www.cuzk.cz, geoportal.cuzk.cz• oldmaps.geolab.cz• www.env.cz, map.env.cz/website/mzp• portal.gov.cz, geoportal.cenia.cz/mapmaker/ceu/portal• www.atlas.cz, www.seznam.cz, www.centrum.cz

• Mapy.cz, Mapy.Atlas.cz, Mapy.Centrum.cz, Mapy.Tiscali.cz• … a mnohé další

Milan Talich

Milan.Talich@vugtk.cz

Výzkumný ústav geodetický, topografický a kartografický, 250 66 Zdiby 98, tel: +420 284 890 515, e-mail: Milan.Talich@vugtk.cz

Děkuji za pozornost