Geoinformatika IX – GIS modelování jaro 2018 Petr Kubíček kubicek@geogr.muni.cz Laboratory on Geoinformatics and Cartography (LGC) Institute of Geography Masaryk University Czech Republic 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). Geoinformatika y=(0.0) y=(6,6) |0−6|+|0−6| Neuklidovské vzdálenosti Manhattan• Manhattan distance (taxi cab geometry) • x=(a,b) y=(c,d) • Vzdálenost = |a−c|+|b−d| X y Geoinformatika Kahoot Geoinformatika Geoinformatika Mapová algebra Analytické nástroje GIS v rastrovém datovém modelu Geoinformatika Kartografické modelování – historie • Tomlin (1983) – Map Algebra • Berry (1987) – Map-ematics • Ustanovili kartografické modelování jako přijatou metodiku pro zpracování geografických dat. Geoinformatika Přirozený jazyk Tomlin – rozpoznal roli přirozeného jazyka pro vyjádření logiky v prostorové analýze. Každá prostorová operace je sloveso, název (jméno) reprezentuje mapovou vrstvu. Př. Mapa obyvatelstva (jméno 1) je překryta (overlay – sloveso) mapou administrativních jednotek (jméno 2) a vzniká mapa hustoty obyvatelstva (jméno 3 – výsledek). Geoinformatika Příklady použití • Termíny nejsou obecně akceptovány – závisí na konkrétní implementaci v GIS balíku. Geoinformatika Implementace kartografického modelu v GIS • Identifikace požadované mapové vrstvy nebo datové sady. • Použijte logický nebo přirozený jazyk a popište proces vytvoření výsledného modelu (data – výsledek). • Reprezentujte postup graficky, aby zahrnoval navrhované operace a postupy. • Popište grafický postup případnými příkazy, které používá příslušný GIS balík. Geoinformatika Umístění supermarketu Hledáme místo na prodej v obytné zóně, mimo oblast záplav a v blízkosti hlavní silnice (I. třída). Čtyři datové vrstvy • Land_use – využití země • Site_status – místa na prodej • River_map – říční síť • Roads_map – silniční síť Geoinformatika Geoinformatika Operace nutné pro výběr vhodného místa Geoinformatika Algebraické operace Geoinformatika Jazyk mapové algebry • Nástrojů mapové algebry je možné využívat pomocí speciálního jazyka (jazyka mapové algebry). • Jedná se o jednoduchý programovací jazyk navržený speciálně pro popis analýz prostorového modelování nad rastrovou reprezentací (datovým modelem. • Jeho syntaxe se produkt od produktu liší, ale princip zůstává stejný. • Původně navržen jako obecný jazyk pro následnou implementaci v GIS nástrojích (Tomlin). Geoinformatika Struktura jazyka MA Mapová algebra používá objekty, činnosti a kvalifikátory činnosti. Ty mají obdobné funkce jako podstatná jména, slovesa a příslovce. •Objekty slouží k uložení informací, nebo jsou to vstupní hodnoty. Jako objekty se používají rastry, tabulky, konstanty, … •Činnosti jsou příkazy jazyka (operátory a funkce) vykonávají operace na objektech: – Operátory jsou obvyklé matematické, statistické, relační a logické operátory (+, -, *, /, >, <, >=, <=, <>, mod, div, and, or, not, …). – Funkce mapové algebry se dělí na lokální, fokální, zonální a globální. Geoinformatika Operace na jedné a více vrstvách • Z hlediska počtu zpracovávaných vrstev lze operace mapové algebry dělit na operace s jednou nebo více vrstvami. – Na jedné vrstvě jsou to nejčastěji skalární operace jako je připočítávání konstanty, násobení, atp. Jako příklad může posloužit tvorba 2x převýšeného DMR pro vizualizaci ve 3D. - UNÁRNÍ – Na více vrstvách jsou to operace jako sčítání vrstev, které se vykonávají s prostorově odpovídajícími si buňkami. BINÁRNÍ, N-ÁRNÍ Geoinformatika Dělení funkcí mapové algebry Z hlediska oblasti ze které je počítána hodnota výsledné buňky dělíme funkce mapové algebry na : • Lokální - na individuální buňce, nová hodnota vzniká z individuální buňky jedné nebo více vrstev. • Fokální - v definovaném okolí, nová hodnota vzniká z definovaného okolí buňky. • Zonální - na specifické oblasti, nová hodnota vzniká ze zóny definované v jiné vrstvě. • Globální - používají se všechny buňky informační vrstvy. Geoinformatika Fokální funkce • Fokální - v definovaném okolí, nová hodnota vzniká z definovaného okolí buňky. • Fokální funkce se dělí na statistické funkce a na analýzy proudění. Většinou se provádějí na okolí 3x3 sousedních buněk, ale systémy často umožňují definovat sousedské okolí podle uživatele. • Ze statistických funkcí jde o stanovení např. aritmetického průměru v okolí, sumy, odchylky, min, max, rozpětí a další. • U analýz proudění se počítá směr proudění (maximální gradient z hodnot dané buňky do okolních), rychlost proudění a další. Analýzy proudění jsou základem většího počtu dalších pokročilých analýz, jako jsou hydrologické analýzy, modelování eroze. Geoinformatika Statistické funkce - zpracování • focalSum (3x3) • NoData ignorováno (pokud není všude). Geoinformatika Příklad fokálních statistických funkcí Geoinformatika Zonální funkce Zonální funkce - na specifické oblasti, nová hodnota vzniká ze zóny definované v jiné vrstvě. Možné rozdělit na statistické a geometrické (area). • U statistických funkcí jde o statistické zpracování hodnot analyzované informační vrstvy, které patří do zóny definované v druhé informační vrstvě. Statistické funkce mohou být opět průměry, sumy, min, max. • Mezi geometrické funkce patří např. stanovení plochy, obvodu a dalších charakteristik každé zóny. Geoinformatika Najděte PLOCHU zastavěného území pro jednotlivé kategorie sklonu svahu 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 Multimodální sítě 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. Geoinformatika 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. 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! • TYPY ZAKŘÍVENÍ? Geoinformatika Horizontální a vertikální zakřivení 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 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) 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 – (TOBLER) Více v předmětu „Základy geostatistiky“prof. 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