Geoinformatika IX – GIS modelování, geoinformační infrastruktury a standardy jaro 2014 Petr Kubíček kubicek@geogr.muni.cz Laboratory on Geoinformatics and Cartography (LGC) Institute of Geography Masaryk University Czech Republic Geoinformatika Analytické nástroje GIS Analytické možnosti GIS můžeme rozdělit do následujících skupin: – měřící funkce, – atributové i prostorové dotazy(nástroje na prohledávání databáze ), – topologické překrytí, – mapová algebra, – vzdálenostní analýzy, – analýzy sítí, – analýzy modelu reliéfu a dalších povrchů, – statistické analýzy. VZDÁLENOSTNÍ ANALÝZY Geoinformatika Analýza vzdáleností - opakování • Tvorba obálek (buffer) • Analýzy sousedství (Proximy analysis) – Thiesen polygons, Voronoi – konstrukce?? Geoinformatika Geoinformatika Vzdálenostní funkce • Obálka • Obálka • Nákladové vzdálenosti – Funkce šíření a proudění VEKTOR RASTR • Základem je Euklidovská vzdálenost • Matice vzdáleností • Identifikace nejbližšího souseda Geoinformatika Euklidovské vzdálenosti Geoinformatika Euklidovské vzdálenosti (2) Geoinformatika Vzdálenost objektů • Nejbližší objekt • Vzdálenost všech objektů Geoinformatika Neuklidovské vzdálenosti • Sférická vzdálenost • Manhattan distance • Nákladové vzdálenosti Geoinformatika Vážené vzdálenosti • Vážená vzdálenost si všímá jedné podstatné vlastnosti, a to, že při běžných vzdálenostních analýzách se vůbec neuvažují vlivy okolí, vše je měřeno vzdušnou čarou za ideálních podmínek. • V reálném světě ale tento model zdaleka neodpovídá skutečnosti. Geoinformatika Faktory ovlivňující vzdálenost • Vlastnosti reálného světa ovlivňující reálnou vzdálenost: – objekty (antropogenní prvky, krajinný pokryv) nacházející se na povrchu, – průběh terénu, s ním související převýšení, – převládající směr větru, • následně se modelují jako faktory ... • Faktory modelující vlastnosti reálného světa: – frikční povrch, – faktor terénu (reliéfu), – vertikální faktor, – horizontální faktor, • se skládají do výsledného povrchu nákladů (nákladového vzdálenostního povrchu). ANALÝZY SÍTÍ Geoinformatika Analýzy nad vektorovou sítí • Analýzy sítí jsou významnou oblastí aplikace GIS. • V podstatě se jedná opět o hledání nejkratší vzdálenosti, ale s tím rozdílem, že sítě jsou vektorovou reprezentací. • Síť tvoří (orientovaný) ohodnocený graf, skládající se z uzlů (průsečíků) a hran (linií). Geoinformatika Tvorba sítě Postup tvorby sítě: – Je třeba získat liniovou vrstvu, nad kterou budou analýzy prováděny (ulice, rozvody, kanalizace). – Tato data musí být topologicky čistá (hlavně musí splňovat konektivitu a znalost směru) – nutná a v zásadě postačující podmínka pro analýzy sítí. – Následně lze síti přiřadit pravidla, která určují, jak je možné se pohybovat mezi jednotlivými uzly. Pravidla uzlová a hranová: • Uzlová pravidla definují směr pohybu uzlem. – Například, pokud budu mít uliční síť, na některých křižovatkách není povoleno odbočení doleva či doprava. • Hranová pravidla definují směr a rychlost pohybu po hraně. – Ulice mohou být jednosměrné, uzavřené, s nadefinovanou maximální a průměrnou rychlostí. Geoinformatika Vlastní analýzy nad sítí • Hledání optimální trasy – jde o vyhledání optimální trasy mezi dvěma nebo více body (ve stanoveném pořadí nebo bez) na základě ceny cesty (vzdálenost, čas, …). Analýza umí produkovat i pokyny o cestě pro řidiče. • Hledání cesty do nejbližšího zařízení – jde o vyhledání optimální trasy do nejbližšího (optimálního) zařízení. • Alokace zdrojů – vyhledání všech lokalit, které jsou od vybraného objektu vzdáleny nějakou cenu cesty. • Úloha obchodního cestujícího - optimalizace tras s určitým počtem zastávek. • Dijkstra algoritmus - algoritmus sloužící k nalezení nejkratší cesty v grafu. ANALÝZY RELIÉFU (PRO RASTROVÝ DATOVÝ MODEL) Geoinformatika Sklon svahu • Vychází z definice první parciální derivace povrchu. • Technicky řešeno pohybem okna 3x3 nebo 5x5 pixelů. • Mnoho metod, ale všechny na stejném principu 1. derivace. Realizace výpočtu pomocí fokální funkce. Geoinformatika Příklad Geoinformatika Další charakteristiky reliéfu Expozice (aspect) • Opět založeno na první derivaci ve dvou směrech x a y. • Měřeno od severu (0°) ve stupních po směru hodinových ručiček, 8 kategorií. • Nejen pro určení orientace svahu, ale také základní algoritmus pro určení směru proudění v buňce – základ hydrologických analýz Horizontální a vertikální zakřivení • Založeno na druhé derivaci změn povrchu. • Lze si představit např. jako křivku vzniklou průsečíkem roviny kolmé k povrchu a tohoto povrchu – záleží na směru roviny vzhledem k povrchu! Geoinformatika Horizontální a vertikální zakřivení Geoinformatika Cvičení – zkuste nakreslit vrstevnice pro níže uvedené křivosti reliéfu  Geoinformatika Zakřivení (ukázka) • Horizontální a vertikální křivost reliéfu -zásadní pro hydrologické analýzy: – Akumulace vody ale i substrátu – eroze – Přímá souvislost s vlhkostí stanoviště (vertikální zakřivení) • Zjištění konkávních (chráněných) a konvexních (exponovaných povrchů) může být využito i v mnoha jiných oborech (např. predikce výskytu druhů, akumulace apod.) Geoinformatika Analýza viditelnosti • Identifikace oblastí viditelných z určitého místa. • Řada aplikačních úloh Geoinformatika Viditelnost mezi body (Line of Sight LoS) Geoinformatika Viditelnost (Multiple Viewshed) • „Která místa jsou z daných pozorovatelen viditelná?“ • „Z kolika pozorovatelen je viditelný daný objekt/místo?.“ • Rozdělení území podle toho, z kterých míst je viditelné. • Situace pro 5 pozorovacích míst. Atributová tabulka rastrové vrstvy obsahuje sloupce pro každý pozorovací bod a pomocí hodnot „1“ a „0“ rozlišuje, zda jsou místa označená danou hodnotou z tohoto bodu viditelná. Geoinformatika Analýza viditelnosti z více bodů Geoinformatika • AND OR HYDROLOGICKÉ ANALÝZY Geoinformatika Směr odtoku • Směr odtoku je takový směr, kterým při simulaci povrchového odtoku odtéká voda z dané buňky. • Podle toho, zda je pro danou buňku povolen pouze jeden směr odtoku (směr odpovídající největšímu spádu) či směrů více, jedná se buď o jednosměrný (single flow) či vícesměrný (multiple flow) odtok. • ArcGIS určuje pouze jednosměrný odtok pomocí algoritmu SFD8 (Single Flow 8- Direction), též nazývaný D8 – fokální analýza. Geoinformatika Směr odtoku - kódování Geoinformatika Akumulace odtoku (flow accummulation) • Akumulace vody v buňce neboli akumulace odtoku je dána součtem hodnot buněk, které přispívají do dané buňky. • Údolnice (max) • Hřbetnice (0) Geoinformatika Strahler Řády toků – Strahler a Shreve Shreve GEOSTATISTIKA Geoinformatika Geoinformatika Geostatistika • V širším slova smyslu – statistická analýza prostorově lokalizovaných dat. • Geostatistika v užším slova smyslu – skupina interpolačních algoritmů založených na metodě krigingu. • Pomocí „klasických“ statistických metod lze vhodně analyzovat především atributová data – jejich kvantitativní či kvalitativní vlastnosti. Velmi omezeně však jimi lze charakterizovat prostorové vlastnosti objektů a jevů. • Tyto prostorové vlastnosti jako např. spojitost jevů, prostorovou autokorelaci, prostorové uspořádání (strukturu) lze charakterizovat právě pomocí geostatistických metod • Více v předmětu „Základy geostatistiky“ (doc. Dobrovolný). GEOINFORMAČNÍ INFRASTRUKTURY Geoinformatika • Geografické informační systémy (GIS) – technologický základ • Formáty – SHP, DGN, DXF – SDTS • Internet – klient x server architektura Geoinformační infrastruktury (?) Geoinformatika • Nejen technologie, ale také ostatní součásti systému, jakými jsou organizační, datové a politické aspekty. • GII, SDI, prostorové datové infrastruktury. • Clinton (1994): „Národní geoinformační infrastruktura (NGII) zahrnuje technologii, pravidla, standardy a lidské zdroje nezbytné pro sběr, zpracování, ukládání, šíření a zlepšení využití geoinformací“ Vznik GII Geoinformatika • Evropská geoinformační infrastruktura: „Evropský politický rámec vytvářející nezbytné podmínky pro dosažení cílů. Zahrnuje všechny nařízení, regulativy, pobídky a struktury vytvořené jak na úrovni EU institucí, tak na úrovni států“ (Evropská komise, 1995). Překážky organizačního a politického charakteru (!). Evropský rámec GII2000 Geoinformatika „Národní geoinformační infrastruktura České republiky Program rozvoje v letech 2001 – 2005“ (NEMOFORUM), NGII byla popsána jako: „Soubor vzájemně provázaných podmínek, které v prostředí ČR umožňují zajistit a zpřístupnit co největšímu okruhu uživatelů širokou škálu geoinformací uživatelsky vhodnou formou při plném využití potenciálu moderních (geo)informačních a komunikačních technologií“ . Národní geoinformační infrastruktura Geoinformatika Proč INSPIRE? Environmentální požadavky • Potřeba lepších informací pro podporu environmentální politiky • Zlepšení existujících informačních toků • Sdílení informací EC Directive establishing an infrastructure for spatial information in the Community – INSPIRE Situace v Evropě • Nedostatečná přeshraniční koordinace/ koordinace mezi různými úrovněmi v rámci států • Nedostatek standardů • Data špatně využitelná Data o životním prostředí • 90% dat je prostorové povahy STANDARDY V GEOINFORMATICE Geoinformatika Standardy v GI • Standardy definují „lingua franca“ nebo obecné dohody, které napomáhají dosáhnout interoperabilitu mezi jednotlivými IS a IT komponentami. • De jure standardy – vytvářené oficiálními standradizačními autoritami • De facto standardy – vytvářené komerčními organizacemi na základě širokého konsensu a obecné akceptace. • Liší se legislativní závazností, stejná technologická relevance. Geoinformatika Hlavní standardizační organizace • ISO (International Standardisation Organisation) ISO/TC 211 – Geographic information/Geomatics • www.isotc211.org • „developing a suite of standards for digital geographic information and describes interoperability … “ • Evropská komise pro normalizaci - CEN (Comité Europeén de Normalization, Brussels) CEN/TC 287 - technický výbor pro geografickou informaci • www.centc287.org • CZ - Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví Geoinformatika ISO/TC 211 Standardy (1) • ISO 6709:1983 – Standard representation of latitude, longitude and altitude for geographic point locations • ISO 19101:2002 – Reference model • ISO/TS 19103:2005 - Conceptual schema language • ISO 19105:2000 – Conformance and testing • ISO 19106:2004 – Profiles • ISO 19107:2003 – Spatial schema • ISO 19108:2002 – Temporal schema • ISO 19109:2005 – Rules for application schema • ISO 19110:2005 – Feature cataloguing methodology • ISO 19111:2007 – Spatial referencing by coordinates • ISO 19112:2003 – Spatial referencing by geographic identifiers • ISO 19113:2003 – Quality principles • ISO 19114:2003 – Quality evaluation procedures • ISO 19115:2003 – Metadata • ISO 19116:2004 – Positioning services • ISO 19117:2005 – Portrayal Geoinformatika ISO/TC 211 standardy (2) • ISO 19118:2005 – Encoding • ISO 19119:2005 – Services • ISO/TR 19120:2001 – Functional standards • ISO/TR 19121:2000 – Imagery and gridded data • ISO/TR 19122:2004 – Qualification and certification of personnel • ISO 19123:2005 – Schema for coverage geometry and functions • ISO 19125:2004 – Simple feature access – Part 1-2 • ISO 19127:2005 – Geodetic codes and parameters • ISO 19128:2005 – Web Map Server Interface • ISO 19131:2007 – Data product specification • ISO 19133:2005 – Location-based services – Tracking and navigation • ISO 19134:2007 – Location-based services – Multimodal routing and navigation • ISO 19135:2005 – Procedures for item registration • ISO 19136:2007 – Geography Markup Language (GML) • ISO 19137:2007 – Core profile of the spatial schema • ISO 19138:2006 – Data quality measures • ISO 19139:2007 – Metadata – Implementation specification Geoinformatika De facto standardy Cílem standardizace na nízké úrovni je zajištění interoperability GIS v technologické oblasti - tedy na úrovni programových aplikací tvořících základ pro tvorbu GIS. Obecné: –IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE-1451- senzorová interoperabilita (OGC SWE specifikace). –Oasis - Organization for the Advancement of Structured Information Standards, e-standardy – UDDI, CAP. –W3C- World Wide Web Consortium, specifikace SVG, XML, SOAP, RDF a OWL. Geoinformační: –OGC – Open Geospatial Consortium –INSPIRE- Infrastructure for Spatial Information in Europe (http://inspire.jrc.it ) – evropská direktiva pro tvorbu SDI zaměřenou na problematiku životního prostředí. Geoinformatika Základní specifikace OGC • Web Map Service (WMS) • Web Feature Service (WFS) • Web Coverage Service (WCS) • Web Map Context (WMC) • Geography Markup Language (GML) • Catalog Service (CAT) • Simple Features Specification (SFS) Geoinformatika Rozhraní OGC Web Mapping • definována společná rozhraní, která umožňují klientům připojovat a zobrazovat data z různých mapových serverů, pokládat dotazy na jejich vlastnosti. • rozhraní jsou implementována přes protokol HTTP a zprávy v jazyce XML (GML) • Web Map Server (WMS) • Web Feature Server (WFS) Geoinformatika Co je to rozhraní? Zaklínadlo, které vyvolá určité chování Sezame, otevři se Geoinformatika Zaklínadla a jejich části Zaklínadlo Mluvčí Posluchač Chování Autorita Sezame, otevři se! Alibaba Hora (skryté dveře) Hora (skryté dveře) Se otevře Pohádky 1001 noci Get Map (Tenký) klient (geo)Datový server Zobrazí se mapa OGC Geoinformatika Rozhraní Web Map Server •3 protokoly: – GetCapabilities (P) – metadatový popis informačního obsahu a možných parametrů požadavku – GetMap (P) – mapový obraz s definovanými geoprostorovými a rozměrovými parametry – GetFeatureInfo (N) – požadavek na informace o určitém mapovém prvku Možnost rozšíření funkčnosti - Cascading Map Servers (datové konverze, transformace v reálném čase) • SLD – Style Layer Descriptors Geoinformatika GetCapabilities WMS Geoinformatika GetMapWMS Geoinformatika GetFeatureInfo WMS Geoinformatika WFS – Web Feature Services Umožní klientovi získávat geodata ve tvaru GML z několika WFS. GML obsahuje popis geometrických vlastností, ale nikoliv vizualizace. Operation GetCapabilities DescribeFeatureType Základní WFS (read-only) GetFeature / LockFeature Transakční WFS Transaction GML katastrální data - Bylany GIS ve veřejné správě Komplexní GIS schéma