Geografické informační systémy - I

29. 8. 2003 | Jáchym Čepický | Recenze | 17414×

GIS pro úplné začátečníky. Nenáročný a zajímavý úvod do problematiky zpracování zeměpisných dat v Linuxu.

My, (po)uživatelé operačního systému GNU/Linux si často stěžujeme na nedostatek pokročilých aplikací, jako jsou např. systémy CAD. Pokud tyto systémy k dispozici jsou, bývá poměr mezi kvalitou a cenou značně nevýhodný. V oboru Geografických informačních systémů je ovšem situace jiná. Za vůdčí projekt se považuje GIS GRASS, který se zdárně vyvíjí a jehož funkčnost je ve srovnání s komerčními GISy, běžícími na jiných platformách více než dobrá.

Tento článek si neklade za cíl, naučit někoho GIS (sám jsem v oboru naprostý amatér a začátečník). Na to jsou určeny jiné stránky, jiní autoři a jiné publikace (viz seznam odkazů na konci). Jeho hlavním cílem je především upozornit rozrůstající se komunitu na tento produkt a případně nalákat další potenciální uživatele, kteří zatím s přechodem váhají, protože jim chybí zrovna ten "jejich" program, bez kterého se neobejdou. Představení se bohužel neobejde bez rychlého exkurzu na pole teoretické, které si odbudeme v začátcích a pak už hurá do srovnávání a představování.

Geografické informační systémy (GIS)

Geografické informační systémy nám umožňují pracovat s daty, která jsou spolu navzájem v nějakém geografickém vztahu. Takovým datům říkáme geografické objekty (Geoobjekty), tyto jsou unikátní svou polohou v geografickém prostoru a mají definovanou geometrii, topologii a tématické vlastnosti

Nejčastěji jsou rozlišovány tři funkce GISu:

• GIS -- prostředek pro zpracování a výrobu kartografických děl.
• GIS -- databáze vztažená ke geografickému prostoru
• GIS -- analytický prostředek pro prostorové analýzy a modelování

GISy u nás v současné době prožívají slušný rozvoj. Našli bychom jen několik nedotčených oborů lidské činnosti. Používají se na ukládání a analýzu geografických dat v oblasti politiky, ochrany přírody, pěstování lesa, zemědělství, monitoringu ovzduší, meteorologie a třeba i internetu (viz nový tag <META NAME="ICBM" content="XX.XXXXX, XX.XXXXX">, který si můžete dát do zdrojového kódu svých stránek a server GeoURL si vás přidá po registraci do databáze, ze které můžete zjistit své geograficky nejbližší sousedy). I když je výroba mapových děl jedna z nejzákladnějších funkcí GISu, není tato právě funkcí, která by možnosti GISu využívala z největší části. Naopak troj- i vícerozměrné analýzy datové základny jsou přesně to, co dělá GIS GISem.

Jako jeden z příkladů si můžeme uvést počítání tzv. DVI -- Difference vegetation index. Je to výsledek rozdílu hodnot dvou družicových snímků v oblastech spekter NIR (Near Infra Red) a RED z družice Landsat. Výsledkem je mapa zobrazující rozložení vegetace na zájmovém území (nutno ovšem podotknout, že mapa bývá VELMI hrubá a člověk je často rád alespoň za hodnoty vegetace a ne-vegetace při snesitelné pravděpodobnosti chyby). Při tomto postupu se pracuje s rastrovými daty.

Příkladem nasazení GISu může být i sběr údajů o lesním porostu (výška stromů, tloušťka, korunový zápoj, popis vertikální struktury stromového patra, popis bylinného patra (druh, pokryvnost), popis půdních a humusových horizontů, zjištění majitele pozemku, atd...). Takto získaná data se pak vyhodnotí (z půdního profilu, bylinného a stromového patra se určí Lesní typ), uloží do databáze, připojí se ke geografickým objektům (hranice lesních porostů) a může se začít analyzovat. Při řešení podobných úloh se pracuje převážně s vektorovými daty.

Nejdříve si ale musíme povědět něco o způsobu uložení dat v běžném GISu.

Způsob uložení geografických dat v GISech

Každý GIS (lépe -- každý program s GIS funkcemi) tuto úlohu řeší trochu jinak, ale můžeme říci, že v základu se naše data rozdělují na RASTROVÁ a VEKTOROVÁ.

Rastrová data si můžeme představit jako obrázek, jehož každý bod je charakterizován vlastnostmi souřadnice x, souřadnice y a souřadnice z. Souřadnice z je nejčastěji prezentována nějakou barvou, která může reprezentovat konkrétní hodnotu nějaké vlastnosti (nadmořská výška, výška srážek) a nebo prostě jenom představuje barvu (např. v turistických mapách nelze barevné hodnoty vynést na nějakou souvislou stupnici). Pokud hodnota z nereprezentuje nějakou jasně definovanou vlastnost, máme tuto mapu uloženu v GISu jako obrázek, který nám sám o sobě není k ničemu, protože nejsme schopni přiřadit barevným hodnotám žádné vlastnosti. Takový obrázek se používá jako podklad pro vektorizaci (viz níže).

Na první pohled jsou vidět hlavní nevýhody rastrových dat:

• Rychle narůstající objem dat a s tím související nároky na kapacitu pevných kotoučů, operační paměti a dobu zpracování

• Nemožnost připojení geografické databáze s větším množstvím dat -- vše, co pro dané území máme, je hodnota z rastrové buňky.

Přes tyto nevýhody jsou rastrové modely zhusta využívané, protože jsou schopny popsat území s velmi velkým rozlišením, ale hlavně -- doba získání dat je relativně krátká. Někdy je to otázka naskenování mapy, někdy jednoho přeletu letadla nebo družice.

Topologická mapa zájmového území. Lesy, pole, řeka, budovy a železnice se silnicemi.

Vektory jsou určeny, jak si všichni pamatujeme ze školy, svou velikostí a směrem (případně ještě počátkem). Tímto způsobem uložení se velmi šetří kapacita disků i operační paměti. Nevýhodou ale je doba získávání dat.

Získávání vektorových dat se děje několika způsoby:

• Automatickým převodem z rozumných rastrových map. Pod pojmem rozumná mapa si nelze představit běžnou turistickou mapu s veškerou možnou barevnou škálou a navzájem se překrývajícími objekty (silnice, hranice pozemků, elektrické vedení atd.). Za rozumnou mapu se považuje mapa s maximálně 16 barvami, s jasně oddělenými objekty. Příkladem budiž mapa půdních typů na daném území, kde se jednotlivé objekty -- území se stejným půdním typem -- navzájem nepřekrývají a mohou být výrazně barevně odlišeny.
• Obyčejně se ale volí metoda přímá, tzv. vektorizace. Vektorizace je postup, při kterém z rastrových dat vznikají data vektorová. Buď myší nebo nějakým podobným zařízením se "objede" objekt (např. silnice) a označí se lomové body reprezentující daný objekt. Tyto body jsou spojeny přímkou. Několik přímek (nebo také jenom jedna -- pokud je silnice rovná "jako když střelí") dává dohromady vektor. Ten vždy začíná a končí v uzlu. V jednom uzlu může být několik vektorů. Je to místo jejich spojení.
• Vektorizaci nemusíte dělat jenom nad mapou. Můžete vzít vhodný nástroj a požadovaná data získat přímo v terénu. Za vhodný nástroj můžeme považovat např. Theodolit (takový ten dalekohled s nožičkami, který používají zeměměřiči). Přesnost takového zaměření (a následného převedení do GISu) se počítá v milimetrech, doba získání dat je ovšem o něco větší (několik hektarů dělá několik lidí několik dní). Daleko rychlejší pomůckou, která si co do přesnosti a mnohdy i rychlosti nezadá s vektorizací rastrových map, je tzv. GPS -- globální poziční systém. Místo abyste klikali myší před monitorem, si požadované objekty obejdete in situ (čti: "po vlastních").

Po vytvoření vektorových dat se většinou musí vybudovat jejich topologie. Víme již, že vektor je dán velikostí a směrem. Tím, že známe směr, víme kde je vpředu a kde vzadu a tím také víme, kde je vlevo a kde vpravo. Každý vektorový objekt si tedy "uvědomuje" své sousedy a toto "vědomí" se musí bezprostředně po vektorizaci vytvořit.

Rozlišujeme tři základní formy vektorových dat: body (používají se pro reprezentaci bodových objektů, jako jsou prameny, meteorologické stanice, místa půdních sond), linie (silnice, elektrické vedení, potoky) a polygony (mnohostěny) (hranice území, větší vodní plochy). Polygony jsou definovány hranicí a bodem ležícím kdesi uvnitř vymezeného polygonu a je pro něj reprezentativní.

Jednou z vlastností vektorových dat je, že jim můžeme přiřazovat větší množství dat buď přímo a nebo pomocí jejich identifikačního čísla je spojit s externí databankou. Od tohoto okamžiku zajásá srdce každého, kdo nelenil a ve volných chvílích se učil standardům SQL99.

Příkladem vektorových dat mohou být vrstevnice. Každá vrstevnice má vlastnost "výška nad mořem".

V příštím díle se seznámíme s programem GRASS, který je synonymem pro GIS v Linuxu.

       

Komentáře

[LadaS]

Pokud vim, tak GPS = Global Positioning System

[Robert Krátký]

jsem si jist, ze autor se jen upsal. uz jsem to opravil.

[Jiří Svoboda]

GPS = Gde Právě Su

[Valoun]

Oprava. Spravny preklad zni: Gde Proboha Su ?!

[Jáchym Čepický]

Ano, máte pravdu. Originál je skutečně Global Positioning System. Omlouvám se, jestli Vám můj ,,překlad`` vadí. Sám jsem se ještě nerozhodl, kde je hranice toho, kdy zkratky překládt a kdy je nechat v originále... Asi by to bylo na delší diskusi. Jáchym

[root]

Me by zajimala hlavne rychlost jednotlivich DB v praci s GIS objektama. GIS objekty (Spatial) umi ukladat pokud vim Oracle, PostgreSQL, MySQL (4.1 beta) a IBM DB2, ale nikde jsem nenasel analyzu rychlosti jednotlivych implementaci. Snad to bude tady alespon v nejakem 35. pokracovani

[Jáchym Čepický]

Jo, tak to by mě zajímalo taky a moc se těším na to, až to 35 pokračování někdo jiný napíše ;o)

O databázových systémech v kombinaci s GRASSem se píše v referátu Radima Blažka " The new GRASS 5.1 vector architecture", který zazněl na konferenci v Trentu roku 2002 (ROOT o ní informoval).

Jáchym

[Hynek (Pichi) Vychodil]

Autor je tvrďák Mám rozmáčenou nosočistoplenu od slz smíchu.