INFORMAČNÍ SYSTÉMY

GEOGRAFICKÉ

INFORMAČNÍ SYSTÉMY

Ing. Roman Danel, Ph.D.roman.danel@vsb.cz

Institut ekonomiky a systémů řízení

Hornicko – geologická fakulta

Co je to GIS?

GIS (Geographic information systém) je na počítačích založený informační systém pro získávání, ukládání, analýzu a vizualizaci dat, která mají prostorový vztah k povrchu Země.

Pracuje s daty, které jsou spjaty s prostorovou informací.

Význam GIS

• Dokumentace, identifikace a lokalizace objektů, oblastí a vztahů

• Tématické mapování

• Podpora plánování a rozhodování

• Podpora podnikových procesů

• Prostorová analýza a modelování

Příbuzné obory

• CAD (Computer Aided Design) – počítačový design

• CAM (Computer Aided Manufacturing) – automatizovaná výroba od kontrukce, přes výrobní linku až po prodej

• CAM (Computer Aided Mapping) – počítačová kartografie

• FM (Facilities Management) – plánování a správa podpůrných činností ve firmě

GIS – proces zpracování

1. Specifikace problému

2. Pořízení dat

3. Správa, manipulace a analýza dat

4. Vizualizace

GIS – řešené úlohy

• Poloha – kde se co nachází

• Podmínka – vyhledání místa, splňujícího určitou podmínku

• Šíření – pohyb po definovaném povrchu

• Struktura – prostorové uspořádání

• Modelování – závislosti, predikce, trend

Úrovně GISu

• GIS jako software- SW „XY“ je/není GIS

• Konkrétní aplikace

• GIS - informační systém

Geodata

Data, se kterými GIS pracuje se nazývají geodata. Geodata se skládají z jednotlivých geoobjektů.

Geoobjekt je část modelované reality, kterou je možno na dané úrovni generalizace v GISu modelovat jako jeden objekt.

Geoobjekt obsahuje dva druhy informací:– prostorové informace (tvar, poloha, topologie) – neprostorové informace (atributy, specifické pro každý

typ objektu)

Dimenze geoobjektů• 0D geoobjekty - Bezrozměrné objekty, body, definované

pouze svou polohou. Příkladem může být například autobusová zastávka v GISu modelujícím dopravu nebo GSM vysílač v GISu mobilního operátora modelující pokrytí signálem.

• 1D geoobjekty - Objekty jednorozměrné, úseky čar, s konečnou délkou a nulovou plochou. Pomocí 1D geoobjektů se nejčastěji modelují silnice, řeky, apod.

• 2D geoobjekty - Objekty dvojrozměrné, polygony, s konečným obvodem a konečnou plochou.

• 3D geoobjekty - Objekty trojrozměrné, polyhedrony. V GISech se používají výjimečně, ve specifických případech. Třetí rozměr je v GISech nejčastěji modelován pomocí tzv. Digitálního modelu terénu (DMT, DEM).

Mapové vrstvy

• Geoobjekty popisující stejné téma se sdružují a ukládají do mapových vrstev, někdy také nazývaných tematické mapové vrstvy. Takovým tématem může být např. vodstvo, silnice, typy půd, nadmořská výška, apod.

• Smyslem dělení geodat do mapových vrstev je usnadnit analýzu dat. Ta je nejčastějším důvodem pro nasazení GISu pro modelování reality.

Data

• Rastrová

• Vektorová

Rastrové vrstvy

• Rastrových mapových vrstev se používá k modelování veličin, které jsou spojitě definovány na celém modelovém prostoru. Příkladem může být mapová vrstva nadmořské výšky, mapa typu půd, vegetace, atmosférického tlaku, teploty, apod.

• Prostor je v rastrových mapových vrstvách rozdělen na množství malých plošek, jejichž rozměr je dostatečně malý na to, aby bylo možno na jejich povrchu hodnotu dané veličiny považovat za konstantní.

Rastr

• Jednotka – pixel

• Informace: poloha a hodnota

• Pravidelně rozdělená síť

Vektorové mapové vrstvy

• Ve vektorových mapových vrstvách jsou data uložena pomocí bodů a čar.

• Bod je základním elementem s definovanou polohou (souřadnicí) a nemá z geometrického hlediska žádný rozměr. Čára je úsečka nebo křivka spojující dva body.

• V běžných GISech se z důvodů zjednodušení křivka reprezentuje pomocí seřazené sekvence bodů spojených přímou čarou.

Vektorové vrstvy

• Bod (point), linie (line), polygony, plochy

• Topologické vztahy

• Společný vývoj se systémy CAD

• Nyní orientace na databáze– Relační – Postrelační

Vektorové modely• Špagetový model - Ve špagetovém modelu jsou všechny typy objektů, bez

ohledu na počet dimenzí, uloženy v jednom heterogenním seznamu.Tento seznam má pouze 2 položky:

– typ objektu - bod, čára, polygon – parametry objektu - jedna či více souřadnic

Ve špagetovém modelu není obsažena žádná informace o topologii (sousednost, orientace, konektivita, obsahování) a proto je tento model pro analýzu geodat obtížně použitelný.Navíc zde dochází k redundanci dat. Příklad: shapefile ESRI

• Hierarchický model - Hierarchický model ukládá data hierarchicky s ohledem na počet dimenzí. Vychází s faktu, že polygon se skládá z několika linií, linie z několika úseček, úsečky jsou pak spojením dvou bodů. Tyto elementy jsou pak v GISu uloženy samostatně, nejčastěji v geodatabázi. Neredundantní. Příklad: geodatabáze ArcInfo

• Topologický model - Topologický model je kompromisem mezi špagetovým a hierarchickým modelem. Ukládají se pouze body a čáry, přičemž k čáře lze připojit informaci o její orientovanosti, podle níž lze pak určit sousední polygon vlevo a vpravo. Neredundantní, ale obtížné vyhledávání.

Metadata

• Doplňkové informace k datům

• Metadata = data o datech, popis obsahu dat

Prostorový index

Pomocí prostorového indexu označujeme (indexujeme) geografické objekty.

Z reálného světa je ekvivalencí obsahu v knize.

Standardní databáze – pouze jednodimenzionální indexace -> nevyhovující.

Metody indexování v GIS

• Čtyřstrom (Quad-tree)

• R-tree

Rasterizace a vektorizace

Rasterizace – proces konverze vektorově definované grafiky na rastrový obraz (bitmapu)

Vektorizace – odvozování vektorových dat z rastrových (analogových) dat – rastrové plochy se převádějí na polygony

Lokalizace prostorových dat

Lokalizace (stanovení polohy v prostoru):1.využitím prostorových referenčních

systémů (souřadnicový systém, georeferencing)

2.nepřímé prostorové referenční systémy (údaje o objektu v prostoru se vztáhnou k prvku, který je přímo prostorově lokalizován; systém geokódů)- bodové, liniové, plošné

Modely terénu

• Rastrové

• Polyedrické – terén dělen na nepravidelné plochy (trojúhelníky)

• Plátové – interpolace uvnitř ploch nelineární

Topologie

Topologie je matematická disciplina, která studuje prostorové vztahy geometrických prvků – nepracuje se souřadnicemi.

GIS – prostorové vztahy geoprvků, v rovině:

bod – 0D objekt – modelujíc se body

linie – 1D objekt

polygon – 2D objekt – tvoří hranici plochy

Topologie 3D

• Složité, komerčně dostupný GIS dosud není

• Linie nemusí být rovinná a plocha je 3D

Teorie grafů

Bod – uzelSpojnice bodů – hrana

Pomocí teorie grafů můžeme studovat vztahy mezi objekty.

Vlastnosti grafu – Orientovaný– Ohodnocený (hranově, uzlově)– Rovinný– Cesta, cyklus, řetěz

Teorie grafů

• Graf konektivity – topologie prvků reprezentovaných liniemi

• Graf incidence – topologie plošných prvků, hrany reprezentují hranice mezi polygony

• Graf přilehlosti – uzly reprezentují polygony, užití např. Při studiu průchodnosti terénem

Speciální typ grafu - síť

• Souvislý

• Orientovaný

• Hranově (nebo uzlově) ohodnocený

• Nezáporné ohodnocení

• Dvojice uzlů – vstup do sítě, výstup ze sítě

Příklady sítí

• Vodovodní

• Plynovodní

• Rozvod elektrické energie

Zavedení času do GIS

• Čas vzniku nějakého údaje

• Čas zjištění údaje (čas indikace)

• Čas vložení do databáze

Vytvoření a průběžná údržba stavové topologie.

Např. evidence parcel – potřebujeme aktuální stav, ale někdy i historii.

Způsoby získávání dat

• Digitalizace analogových map

• Digitalizace kartoték a jiných dokumentů

• Dálkový průzkum země – letecké, družicové snímky

• Fotogrammetrické vyhodnocení leteckých snímků

• Vlastní geodetická měření v terénu

• Převzetím existujících dat

Souřadnicové systémy

• Volen po projekci na vzniklé rovinné mapě – kartézský, obdélníkový

• Projekce na myšlené těleso a rozvinutí povrchu tělesa – pak se umístí kartézský souřadný systém s osami a měřítkem

• Datový model – logické uspořádání dat

• Datová struktura - jak jsou data uloženy

Databázové systémy s podporou prostorových dat

GIS může data ukládat do souborů nebo do relačních databází.

OGC – Open GIS Consortium

http://www.opengeospatial.org/

- nezisková organizace definující standardy

Prostorová (spatial) data

• INFORMIX – modul Datablade

• ORACLE – Oracle Locator

• MS SQL Server

• PostgreSQL

• PostGIS

Programy umožňující přístup k datům v relačních databázích

• ArcGIS – firma ESRI, světově jeden z nejrozšířenějších

• GRASS – free GIS, http://grass.itc.it/, http://grass.osgeo.org/

• QGIS (Quantum GIS) open source http://www.osgeo.org/qgis

• UMN Map Server• OpenLayers• ILWIS (2007)

Prohlížeče a knihovny

Příklady prohlížečů geografických dat:

• uDig http://udig.refractions.net

• gvSIG

• GeoTools

Příklady knihoven pro GIS:

• GDAL (Geospatial Data Abstraction Library)

• FWTools

Oracle Spatial a Locator

• Oracle Spatial– Nadstavba nad Oracle, volitelný doplněk k Oracle

11g Enterprise Edition– zahrnuje plnou podporu 3D a webových služeb

pro správu veškerých územních dat včetně vektorových a rastrových dat, topologie a síťových modelů

• Oracle Locator – funkce a mapování potřebné pro umožnění práce

s určenou polohou– Součást všech edicí Oracle

Microsoft SQL Server

• Od verze 2008 nativní datový typ pro prostorová data („geography“)

• Dva základní typy– Geometrická - Umožňuje skladovat

geometrické objekty, jednotlivé vrcholy polygonů

– Geografická - Nad daty lze poté klást dotazy ve stylu „vrať mi všechny řádky/objekty/… které mají od toho a toho místa vzdálenost x“

MS SQL Server - příklad

INSERT INTO Obce (Nazev ,Souradnice) VALUES ('Praha', geography::STGeomFromText('POINT(50.0668 14.4662)', 4326))

MS SQL Server - příklad

Dotaz

select Souradnice from Obce where ObecId = 1

Vrátí

0xE6100000010C58CA32C4B1EE2C40B8AF03E78C084940

MS SQL Server - příklad

Ale dotaz

select Souradnice.ToString() from Obce where ObecId = 1

Vrátí výsledek:

POINT (50.0668 14.4662)