Geoinformatika
II – GIS jako zpracování dat
jaro 2018
Petr Kubíček
kubicek@geogr.muni.cz
Laboratory on Geoinformatics and Cartography (LGC)
Institute of Geography
Masaryk University
Czech Republic
Geoinformatika
Co je geoinformatika?
• Věda o zpracování geografické informace
– Geografická informace je soubor poznatků o
nějakém jevu (události, předmětu, procesu…)
jehož součástí je vymezení tohoto jevu vůči
(zemskému) povrchu.
• Technologický základ geoinformačních věd
– Kartografie, dálkový průzkum Země (DPZ,
RS), geodézie (sruveying).
Geoinformatika
Proč GIS?
Rozdílné:
•Zdroje
•Umístění
•Měřítko
•Zobrazení
•Legenda
Půdy
Geologie
Geoinformatika
Co je to GIS?
• Co je to informační systém?
• Informační systém je soubor hardware a software
na získávání, uchovávání, spojování a
vyhodnocování informací.
• Informační systém se skládá ze zařízení na
zpracování dat, systému ukládání dat (báze) a
vyhodnocovacích programů.
• Co je geografický?? 
Geoinformatika
Co je to GIS?
• Geografický informační systém
• Je informační systém pracující oproti
klasickým informačním systémům navíc i s
prostorovou složkou dat.
• Také lze říci, že je výkonným nástrojem
geověd, tedy že metody těchto věd
umožňuje efektivně implementovat v
počítačovém prostředí.
• Předmět výzkumu geoinformatiky.
Geoinformatika
Definice GIS(?)
• Pro GIS neexistuje jednotná definice, proto si jich
uvedeme několik (mezinárodní):
• GIS je soubor prostředků pro sběr, ukládání,
vyhledávání, transformaci, analyzování a zobrazování
prostorových údajů z reálného světa z hlediska: 1. jejich
polohy vzhledem k souřadnicovému systému; 2. jejich
popisných – atributových vlastností; 3. jejich topologie.
(Burrough, 1986)
• GIS je organizovaný soubor počítačového hardwaru,
softwaru a geografických údajů navržený na efektivní
získávání, ukládání, upravování, správu, analyzování a
zobrazování všech forem geografických informací.
(ESRI)
Geoinformatika
Definice GIS
Národní:
• GIS je kolekce počítačového technického vybavení,
programového vybavení geografických údajů a personálu,
určená k účinnému sběru, ukládání, údržbě, manipulaci,
analýze a zobrazování všech forem geograficky vztažené
informace (Neumann, 1996).
• Geoinformatika je vědecká a technická disciplína, jejímž
předmětem jsou prostorové údaje a která se soustřeďuje
na jejich sběr, ukládání, manipulaci s nimi a jejich
zprostředkování (Neumann, 1996).
• Další Rapant (2006)…
Geoinformatika
Co je to GIS
• Závěry vycházející z definic: GIS netvoří pouze
software, ale i ostatní komponenty jako data,
hardware, personál a způsob použití.
• Několik definic, ale GIS můžeme popsat i výčtem
základních otázek, které je možné řešit s pomocí GIS.
• GIS nám umožní hledat odpovědi na následující
otázky:
– Co se nachází na ...?
– Kde se nachází ...?
– Jaký je počet ...?
– Co se změnilo od ...?
– Co je příčinou ...?
– Co když ...?
– DESKRIPCE x PREDIKCE
Geoinformatika
Členění GIS
Podle různých kritérií:
• Strukturální komponenty GIS
• Funkční komponenty GIS
• Koncepční přístupy k GIS
Geoinformatika
Členění GIS
Strukturální komponenty GIS
• Hardware
• Software
• Data
• Lidé
• Metody
Geoinformatika
Členění GIS
Funkční komponenty GIS
• Vstup dat.
• Zpracování a uchování dat.
• Vykonávání analýz a syntéz z využitím
prostorových vztahů - jádro GIS, tedy to co
nejvíce odlišuje GIS a jiné IS.
• Prezentace výsledků (výstupy grafické mapy,
negrafické - zprávy, souhrnné
tabulky, statistická vyhodnocení, …).
• Interakce s uživatelem (desktop GIS, Web
GIS).
Geoinformatika
GIS životní cyklus dat
Geoinformatika
GIS a okolní svět
Vztah GIS a ostatních oborů lidské činnosti
Geoinformatika
Je GIS přínosný?
• Proč vůbec používat GIS?
– 80 % dat lze prostorově lokalizovat.
• Příklady využití GIS:
– mapové portály, služby,
– obchod,
– ochrana proti pohromám – krizové řízení,
– správa inženýrských sítí (distribuční
společnosti),
– životní prostředí,
– veřejná správa (ministerstva, kraje, města),
– školství.
Historie GIS
• V 50. letech 20. století začaly pokusy s
automatizovaným mapováním za využití
výpočetní techniky.
• V roce 1963 zavedl pojem GIS Kanaďan R. F.
Tomlinson a označil tak nové technologie
pracující s daty a podávajícími informaci o
terénu pomocí výpočetní techniky.
??Jak dostat mapu do počítače??
Historie GIS
• Pionýrské období (konec 60. let až 1975) hlavně
průkopnické práce, univerzity - důraz na
digitální kartografii.
• 1975- začátek 80. let - ujednocení pokusů s
institucemi na lokální úrovni - první LIS.
• 1982 - konec 80. let - komercionalizace
problematiky – běžně dostupné softwarové
systémy pro GIS (ESRI, Intergraph, …), první
systémy založené na CAD (systémy před tím
měly minimální grafické možnosti). Autocarto,
EuroCarto (1987 Brno).
• 1986 – P. Burrough - učebnice GIS; Konečný a
Rais – GIS v ČR.
Historie GIS
• NCGIA – National Centre for Geographic Information
and Analysis;GI science (USA). Změna pojetí GIS jako
nástroje (research with GIS) na přijetí GIS jako
výzkumného směru (research about GIS – spatial
information theory).
• 90. léta - počátky standardizace, uživatelské GIS,
Desktop GIS, otevřené systémy (Open GIS), Internet.
• Výuka GIS v Č(SS)R – Brno, Ostrava, Olomouc…
• AGILE; Conference on Spatial Information Theory
(COSIT).
• Současnost - vývoj objektově orientovaných systémů,
masivní propojení s databázemi, vzdálený přístup přes
Internet/Intranet, webové služby, sociální sítě,
geoparticipace (VGI).
• Mobilní GIS ...
Komplexní GIS schéma
TEORETICKÉ POJETÍ GIS
Pohledy na reálný svět
Tři základní pohledy - Objektový , Jevový, Procesní
Jevový a procesní pohled
• Dělení jevů – kvalitativní x
kvantitativní; statické x
dynamické; kontinuální x
diskrétní.
• Procesní pohled – vnáší do
reálného světa dynamiku a
ovlivňuje jak jevy, tak objekty.
• Pro modelování jevů a objektů
využívá geoinformatika odlišné
datové modely.
Geoinformatika
Modelování geografických
objektů
• V geoinformatice se nezaobíráme reálnými
objekty, ale z důvodu zjednodušené
reprezentace - modelem reality.
• Modelování - abstrahování týkající se
všech součástí geografické informace:
– geometrické,
– topologické,
– tematické
– dynamické.
Geoinformatika
Proces modelování
• modelování – je proces abstrakce, při kterém jsou
podstatné elementy reálného světa zdůrazněny a
nepodstatné eliminovány (s ohledem na cíl, který
má toto modelování splnit):
– úmyslně – zobrazují se jen ty elementy, které
jsou předmětem zkoumání, ostatní se potlačují;
– neúmyslně – v dané fázi poznání jsou
nedostupné či nepoznatelné.
• Principem modelování je snaha o poznání vlastností
studované části reality.
Geoinformatika
Složky geografických dat
• Neprostorová složka (tzv. Atributy)
– Čísla – kvantitativní hodnoty
– Řetězce znaků – kvalitativní hodnoty
– Datum – časové určení
– Komplementární atributy – linky, videa, dokumenty …
• Časový aspekt odráží změnu jevu v čase (od jednoho záznamu ke
druhému)
• Prostorová složka (tzv. Geometrie)
– tvar
– poloha
– topologie
Všechny měřitelné nebo popsatelné vlastnosti reálných
entit spadají do jednoho z aspektů: prostoru (KDE),
tématu (CO) nebo času (KDY).
Geoinformatika
Neprostorová složka - atributy
Popisující geografické objekty a jejich vlastnosti
• Typy atributových dat
• poměr - např. procenta
• interval - např. celá čísla z intervalu (0,10), desetinná čísla z
intervalu (0.5-14.0)
• pořadí (ordinální) - řadová číslovka
• výčet (nominální) - např. pro typ silnice to může být (dálnice,
rychlostní silnice, silnice 1.třídy, silnice 2.třídy, ostatní silnice)
Příklad:
• Objekt = lesní porost
• Atribut = dřevinná skladba, průměrná výška porostu, věková
struktura, apod.
• Atributy jsou neprostorové (nereprezentují informaci o lokalizaci či
o prostorových vztazích), mají vytvořenou vazbu na prostorové
prvky atributové hodnoty, reprezentující kvalitu geografického
objektu, nelze vždy měřit nebo udávat v jednotném měřítku.
• Př. Borovicový porost není nikdy 100% složen pouze z borovice. Při
analýzách to nevadí, ale je nutno s touto skutečností počítat (míry
kvality).
Geoinformatika
Časová složka
• Čas – dynamický popis
– dynamika charakterizuje časovou variabilitu
geografických objektů.
– tyto změny se mohou týkat geometrie, topologie i
tematického popisu.
• Modelování dynamických prostorových procesů v rozměrném
prostoru vyžaduje složité modely a metody.
V praxi se ale používá zjednodušení:
• 1. Analýza časové série na jednom měřícím bodě - časová
změna.
• 2. Prostorová změna atributové hodnoty mezi dvěma body v tom
samém čase - prostorová změna.
Geoinformatika
Prostorová složka - tvar
• Dvě chápání prostoru – vektorový a rastrový
– Jev –> jeho vymezení -> hranice -> objekty
• Kartografický model reality
– Bod, Linie, Plocha
• Uspořádaný soubor souřadnic - VEKTOR.
– Prostor -> jeho rozdělení -> jaký jev je
přítomen v dílu
• Vzorkování
• Různé druhy členění podle charakteru buněk
– Pravidelnost, komplexita
• Matice hodnot – u pravidelného a jednoduchého
členění - RASTR.
Geoinformatika
Datové modelování – vektorová
reprezentace
Bod
– nemá délku,
hloubku ani
šířku -
bezrozměrný
(0D) prvek
– je jednotlivý pár
souřadnic X, Y,
reprezentující
geografický
prvek
– je příliš malý na
to, aby byl
zobrazen jako
linie či plocha.
Geoinformatika
Typy geometrických objektů -
linie
Linie
– má délku, ale nemá
šířku ani hloubku -
jednorozměrný
(1D) geografický
prvek;
– je sled
orientovaných
úseček (hran)
definovaných
souřadnicemi
vrcholů (vertex)
mezi dvěma uzly
(nodes);
– tvar
reprezentovaného
geografického
prvku je příliš úzký
na to, aby mohl být
zobrazen jako
plocha.
Geoinformatika
Typy geometrických objektů -
plocha
• Polygon (plocha)
– mají délku a
šířku, ale nemají
hloubku -
dvojrozměrný
(2D)
geografický
prvek;
– je uzavřený
obrazec, jehož
hranicí je
uzavřená linie.
– První a poslední
vrchol jsou
stejné.
Geoinformatika
Sítě
• systém linií s topologickou
strukturou;
• je řada vzájemně
propojených linií, podél níž
probíhá tok informací.
Povrchy
• je to souvislá entita, pro kterou
v každém bodě existuje nějaká
hodnota (2,5 D) x,y,z.
Objemy
• mají všechny rozměry (délku,
šířku, hloubku) - trojrozměrné
(3D) geografické prvky.
Geoinformatika
Špagetový datový model
• Nejjednodušší – CAD, CAM.
• Objekt na mapě se reprezentuje jedním logickým
záznamem v souboru a je definovaný jako řetězec x,y
souřadnic.
•Nevýhody - ačkoli jsou všechny objekty v prostoru
definovány, struktura neposkytuje informace o
vztazích mezi objekty.
•Společná linie je pro každý polygon ukládána
dvakrát.
•Pro většinu prostorových analýz je tento model
nevhodný, protože veškeré potřebné prostorové
vztahy musí být spočítány před každou analýzou.