INFORMAČNÍ SYSTÉMY

1. INFORMAČNÍ SYSTÉMY GEOGRAFICKÉ INFORMAČNÍ SYSTÉMY Ing. Roman Danel, Ph.D. roman.danel@vsb.cz Institut ekonomiky a systémů řízení Hornicko – geologická fakulta

2. 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.

3. Význam GIS • Dokumentace, identifikace a lokalizace objektů, oblastí a vztahů • Tématické mapování • Podpora plánování a rozhodování • Podpora podnikových procesů • Prostorová analýza a modelování

4. Příbuzné obory • CAD (ComputerAided Design) – počítačový design • CAM (ComputerAidedManufacturing) – automatizovaná výroba od kontrukce, přes výrobní linku až po prodej • CAM (ComputerAidedMapping) – počítačová kartografie • FM (Facilities Management) – plánování a správa podpůrných činností ve firmě

5. GIS – proces zpracování • Specifikace problému • Pořízení dat • Správa, manipulace a analýza dat • Vizualizace

6. 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

7. Úrovně GISu • GIS jako software- SW „XY“ je/není GIS • Konkrétní aplikace • GIS - informační systém

8. 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)

9. 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).

10. 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.

11. Data • Rastrová • Vektorová

12. 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.

13. Rastr • Jednotka – pixel • Informace: poloha a hodnota • Pravidelně rozdělená síť

14. 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.

15. Vektorové vrstvy • Bod (point), linie (line), polygony, plochy • Topologické vztahy • Společný vývoj se systémy CAD • Nyní orientace na databáze • Relační • Postrelační

16. 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: geodatabázeArcInfo • 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.

17. Metadata • Doplňkové informace k datům • Metadata = data o datech, popis obsahu dat

18. Prostorový index Pomocí prostorového indexu označujeme (indexujeme) geografické objekty. Z reálného světa je ekvivalencí obsahu v knize. Standardní databáze – pouze jednodimenzionální indexace -> nevyhovující.

19. Metody indexování v GIS • Čtyřstrom (Quad-tree) • R-tree

20. 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

21. Lokalizace prostorových dat Lokalizace (stanovení polohy v prostoru): • využitím prostorových referenčních systémů (souřadnicový systém, georeferencing) • nepřímé prostorové referenční systémy (údaje o objektu v prostoru se vztáhnou k prvku, který je přímo prostorově lokalizován; systém geokódů) - bodové, liniové, plošné

22. Modely terénu • Rastrové • Polyedrické – terén dělen na nepravidelné plochy (trojúhelníky) • Plátové – interpolace uvnitř ploch nelineární

23. 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

24. Topologie 3D • Složité, komerčně dostupný GIS dosud není • Linie nemusí být rovinná a plocha je 3D

25. Teorie grafů Bod – uzel Spojnice bodů – hrana Pomocí teorie grafů můžeme studovat vztahy mezi objekty. Vlastnosti grafu • Orientovaný • Ohodnocený (hranově, uzlově) • Rovinný • Cesta, cyklus, řetěz

26. 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

27. Speciální typ grafu - síť • Souvislý • Orientovaný • Hranově (nebo uzlově) ohodnocený • Nezáporné ohodnocení • Dvojice uzlů – vstup do sítě, výstup ze sítě

28. Příklady sítí • Vodovodní • Plynovodní • Rozvod elektrické energie

29. 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.

30. 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

31. 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

32. Datový model – logické uspořádání dat • Datová struktura - jak jsou data uloženy

33. 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

34. Prostorová (spatial) data • INFORMIX – modul Datablade • ORACLE – Oracle Locator • MS SQL Server • PostgreSQL • PostGIS

35. 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 sourcehttp://www.osgeo.org/qgis • UMN Map Server • OpenLayers • ILWIS (2007)

36. Prohlížeče a knihovny Příklady prohlížečů geografických dat: • uDighttp://udig.refractions.net • gvSIG • GeoTools Příklady knihoven pro GIS: • GDAL (Geospatial Data AbstractionLibrary) • FWTools

37. Oracle Spatial a Locator • OracleSpatial • Nadstavba nad Oracle, volitelný doplněk k Oracle 11g EnterpriseEdition • zahrnuje plnou podporu 3D a webových služeb pro správu veškerých územních dat včetně vektorových a rastrových dat, topologie a síťových modelů • OracleLocator • funkce a mapování potřebné pro umožnění práce s určenou polohou • Součást všech edicí Oracle

38. 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“

39. MS SQL Server - příklad INSERT INTO Obce (Nazev ,Souradnice) VALUES ('Praha', geography::STGeomFromText('POINT(50.0668 14.4662)', 4326))

40. MS SQL Server - příklad Dotaz select Souradnice from Obce where ObecId = 1 Vrátí 0xE6100000010C58CA32C4B1EE2C40B8AF03E78C084940

41. MS SQL Server - příklad Ale dotaz select Souradnice.ToString() from Obce where ObecId = 1 Vrátí výsledek: POINT (50.0668 14.4662)