Úvod do GIS

 
Všechny jevy a objekty materiálního světa jsou rozmístěny v prostoru a odehrávají se v prostorové závislosti na jiných jevech a objektech. Mnohé druhy úloh jsou bez zohlednění prostorové povahy materiálního světa neřešitelné. Informační systémy, které do svého obrazu světa zahrnují tento aspekt se nazývají Geografické informační systémy (GIS).

   Problematika GISů dnes tvoří samostatný vědní obor jak to ukazuje řada specializovaných časopisů, mezi nimi IJGIS,GIS World,GIS Europe atd. Vycházejí monografie, pořádají se konference a semináře a setkání uživatelů. Pro tuto disciplínu je charakteristický průnik problematiky patřící do "počítačové grafiky a zpracování obrazu" a problematiky "databázových systémů".
 

Praktické aplikace GIS jsou velmi různorodé. Zahrnují např:
  • státní správa (katastr ...) 
  • evidence majetku (evidence parcel, nemovitostí) 
  • plánování dopravy 
  • správa inženýrských sítí (technické sítě, energetika..) 
  • ekonomické aplikace (např. analýzy trhu) 
  • urbanistické analýzy (např. tvorba územního plánu) 
  • demografie, statistika, zdravotní stav 
  • ekologie (např. vyhodnocování změn v biosféře, odpady...) 
  • zemědělství (půda, plánování ...) 
  • modelování jevů dynamických v území (např. hydrologické) 
  • integrovaný záchraný systém (hasiči, záchranka ...) 
  • armáda (kartografie, modelování činnosti vojsk ...) 

Přes velkou různorodost mají tyto aplikace něco společného. Z toho lze vyvodit jednu z obecnějších definic GIS a to že:

  • GIS je informační systém, který zahrnuje prostorovou povahu jevů a objektů, s nimiž pracuje 
Souhrnem vlastností uvedených aplikací lze získat jinou definici GIS:
  • GIS je organizované spojení hardware, software, dat a obsluhy, které umožňuje sběr, ukládání, kontrolu, manipulaci, analyzování a presentaci informací vztažených k prostoru (nejčastěji zemskému povrchu) 
   Za nejdůležitější funkci GIS lze pokládat schopnost modelování a analýzy objektů jevů v území a jejich vzájemných vztahů.
 
 


Komponenty tvořící GIS






   GIS je komplexní informační systém. Funkce GISu s jejich návaznostmi se v "klasické" literatuře zobrazují následujícím způsobem:
 
 

Funkce GIS
 

Získávání dat

   Prostorová data je možná pořizovat primárně (přímou tvorbou, GPS, měřením) nebo sekundárně (digitalizací existujících najčastěji mapových podkladů nebo výkresové dokumentace). Digitalizace se provádí buď na digitizéru nebo nad nascanovaným obrazem (postup se dá urychlit poloautomatickou nebo v některých případech automatickou vektorizací).

   Při získávání dat je pro GIS je typická digitalizace existujících podkladů (na rozdíl od CAD systému kde se objekty "tvoří").
 
 

Import dat

   Standardních formátů použitelných pro výměnu prostorových dat existuje řada (SIF, IGES, IGDS, DXF). Řada formátů byla vytvořena specielně pro potřeby přenosu dat do GISů (DLG,TIGER,SDTF).

   Import neprostorových dat je většinou méně náročný a postačí formáty ASCII, DBF atd.
 
 

Kontrola

   Pořízená data je většinou nutné kontrolovat a upravovat. Typické je nalezení a zobrazení chyb jako jsou: přetahy, nedotahy, nežádoucí průsečíky, chybějící identifikátory polygonů, chyby v hodnotách popisných atributů atd.
 
 

Transformace, čištění dat

   Důležitý předpoklad další práce s pořízenými daty je jejich transformace do uvažovaného souřadného systému. Běžně se provádí afinní transformací. Pro zesouladění dvou pořízených množin prostorových dat je někdy potřebné provedení transformací vyšších řádů (rubber sheeting). Např. se používá pro přibližné zesouladění leteckého snímku a podkladové mapy.
 
 

Prostorová databáze

   Kvalitu datového modelu lze hodnotit těmito základními kriterii:

  • úplnost (repertoár druhů entit a prostorových vztahů, které lze v modelu representovat - jen nemnohé modely dokáží representovat složité polygonální entity s děrami tvořenými jinými polygony) 
  • robustnost (míra do jaké model akceptuje speciální případy, které se při práci s prostorovými daty běžně vyskytují a které je nutno z důvodu omezené numerické přesnosti číslicového počítače speciálně ošetřit) 
  • efektivita (čím je větší, tím je zpracování rychlejší a nároky na technické vybavení nižší) 
  • složitost tvorby databáze 
   Každý reálně používaný datový model je určitým kompromisem, například z důvodu většího důrazu na kritérium efektivity mnohé modely z ostatních kritérií slevují.
 
 

Manipulace

   Systémy musí umožnit manipulace s prostorovými daty jak na úrovni jednotlivých entit, tak i na úrovni množin entit. Množinové operace zahrnují "vyříznutí","vlepení", "vymazání" , "spojení", "prostorové spojení", "tvorba obálek", "selekce" a jsou pro GIS stejně nezbytné jak jejich jednodušší ekvivalenty v tradičních databázových systémech. Mezi speciální manipulační prostředky patří prostředky pro generalizaci tvaru prvků, agregování prvků, geometrické zesouladění tvaru (conflation) atd.
 
 

Dotazy, analýzy

   Základní analýzy a ad hoc dotazy je možné provádět kombinacemi manipulačních operací nad databází. Některé systémy mají implementované rozšíření SQL o prostorové operace. Pro analýzy bývají implementovány některé speciální operace, jako je tvorba obálky, které umožňují analýzy typu spatial-search, spatial-proximity.

   Další analytické prostředky jsou stavěny na aparátu rastrového modelování, na aparátu grafů (využití při hledání nejkratší cesty, alokace zdrojů ...), na simulacích metodou Monte-Carlo, na testování prostorových korelací atd.
 
 

Prezentace, vizualizace

   Data spravovaná GIS mohou být presentována různými způsoby. Nejčastěji ve formě map, grafů, tabulek.

   Pro GIS je typická koncepci v níž mapa (nebo výkres) je virtuálním zobrazení části obsahu prostorové databáze. Stejnou databázi je možné vizualizovat různými způsoby podle konkrétní potřeby bez toho, že by se její obsah databáze musel měnit. Popis grafického zobrazení prvku není součástí geografického prvku, ale stanovuje se předpisem. 
 
 


Prostorové databáze





   Klíčovou ideou GIS je integrace prostorových dat charakterizujících tvar, rozměry, umístění v prostoru, a deskriptivních dat, které popisují libovolné další vlastnosti. Z pohledu databázových technologií je GIS databázový systém umožňující modelovat realitu pomocí prostorových a neprostorových entitních typů a prostorových a neprostorových vztahů.
 
 

Reprezentace prostor. dat v počítači

   Prvním krokem vytvoření počítačového modelu části reality je identifikace určitých druhů entit resp. objektů. Pokud mají prostorový charakter je nutné zvolit jejich prostorovou reprezentaci. Tato reprezentace musí být aproximovaná do diskrétního prostoru počítače. Z důvodů efektivity se místo křivek v oblasti GIS používají lomené čáry. Přesnost reprezentace souřadnic a přesnost výpočtů je limitovaná konečnou numerickou přesností počítače. Vzniklý diskrétní model je nutné vhodným způsobem dále transformovat do počítačové reprezentace v lineární paměti počítače. K tomu se používají různé datové struktury.

   Pro ukládání a manipulaci s prostorovými daty byla vyvinuta celá řada modelů. Jejich hlavní rozdělení je na vektorové a rastrové modely. Vektorový model zrcadlí takové chápání reálných objektů v prostoru, kdy objekty samy definují prostor který zaplňují, a prostor mimo ně definovaný není. Rastrový model je založen na jiném pojetí. Prostor v něm je definovaný jako kontinuum, ve kterém objekty zaujímají určité místo. Zdá se, že ani jeden těchto způsobů popisu není pro univerzální použití vhodný. Moderní systémy nejčastěji vektorový a rastrový model těsně integrují.

   Pro vektorově reprezentované prostorové prvky je typické, že jejich reprezentace v počítači je intenzionální, tzn. v databázi nejsou popsané všechny polohy bodů, které tvoří např. úsečku, ale pouze informace (x1,y1,x2,y2) na základě níž je možné úsečku generovat. Pro běžné databáze je typické, že se v nich nacházejí data extenzionální.
 
 

Rozdíly mezi běžnou databází a prostorovou databází:

  • v prostorové databázi jsou uloženy intenzionální reprezentace entit 
  • zabudované algoritmy výpočetní geometrie 
  • kromě běžné indexace také prostorová indexace 
  • prostorové manipulační operace a prostorové funkce, zabudované do rozšíření SQL 
  • prostorová vizualizace, formy interakce s uživatelem mapou 
  • využití reaktivních datových struktur (budoucnost) 
Ideální požadavky na prostorovou databázi:

P1: Geometrická, topologická a popisná data (atributy) musí být ukládány v jednom databázovém systému. Každý druh atributů vyžaduje specifickou datovou strukturu. Všechny tyto datové struktury by však měli být úzce integrovány jednotným prostředí.

P2: Datový model musí mít dobré vlastnosti pro implementaci základních prostorových operací

P3: Datový model by měl podporovat možnost ukládání dat s různou mírou detailu. Podle potřeb uživatele je pak použita odpovídající reprezentace. (souvisí s automatickou generalizací)

P4: Datový model by měl podporovat organizaci entit po vrstvách - je to osvědčený organizační princip v GIS aplikacích

P5: Datový model by měl být dynamický a zůstávat i po provedení aktualizací stejně výkonný (automaticky balancované datové struktury)
 
 

Datové struktury vhodné pro ukládání prostorových dat

   Typickým požadavkem na prostorovou databázi je tzv. rozsahový dotaz (range query). Jde o to nalézt (a např. vykreslit) všechny prvky které se alespoň částí nacházejí uvnitř obdélníku, daného souřadnicemi bodů x1,y1 a x2,y2. Klasické učebnice programování (např. Knuth) se o vhodné struktuře, která by efektivně řešila tento dotaz nezmiňuje, i když problém samotný problém zmiňuje. Datová struktura musí být více-dimenzionální. Během posledních (asi 15-ti let) byla publikována řada struktur vhodných pro ukládání resp. indexaci prostorových dat.

Mezi ně patří např.: 

KD-tree, Quadtree, R-tree, Grid file, Field-tree, Cell-tree, BSP-tree, ale i LSD-tree a další. V praxi CAD systému se často používá R-tree (dynamicky se buduje při otevírání výkresu). Řada GIS systémů používá pro persistetní indexaci objektů Quadtree,R-tree, často také některou variantu Grid file. ..

[[Historie] [Současnost] [Nabídka][Ukázky] [Úvod do GIS] [Kontakt]
[GISelPro Tour] [ProMIS] [UrbanIS] [Extenze ArcView]