Geoinformatika
II – GIS jako zpracování dat
jaro 2019
Petr Kubíček
kubicek@geogr.muni.cz
Laboratory on Geoinformatics and Cartography (LGC)
Institute of Geography
Masaryk University
Czech Republic
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.
Geoinformatika
Topologický datový model
• V tomto modelu každá linie začíná a končí v bodě
nazývaném uzel - node.
• Dvě linie se mohou protínat opět jenom v uzlu. Každá
část linie je uložena s odkazem na uzly a ty jsou uloženy
jako soubor souřadnic x,y. Ve struktuře jsou ještě uloženy
identifikátory označující pravý a levý polygon
vzhledem k linii. Tímto způsobem jsou zachovány
základní prostorové vztahy
•Použitelné pro analýzy. Navíc tato topologická informace
umožňuje body, linie a polygony uložit v neredundantní
podobě (bez opakovaného zápisu).
Geoinformatika
Geoinformatika
Vektorová reprezentace -
topologie
• Topologie je matematický způsob, jak explicitně vyjádřit
prostorové vztahy mezi jednotlivými geometrickými
objekty.
• Proč vůbec topologie? Má jisté výhody, například:
– Umožní ukládat data efektivněji.
– Mnoho analýz v GIS využívá pouze topologické a nikoli
geometrické vztahy.
• Důvod pro využívání topologie (ESRI 1995):
• "Topology is useful in GIS because many spatial modeling
operations don't require coordinates, only topological
information. For example, to find an optimal path between two
points requires a list of the arcs that connect to each other and
the cost to traverse each arc in each direction. Coordinates are
only needed for drawing the path after it is calculated."
Geoinformatika
Tři základní topologické
koncepty
• Konektivita – dvě linie se
na sebe napojují v uzlech.
• Definice plochy – linie,
které uzavírají nějakou
plochu, definují polygon.
• Sousednost - linie mají
směr a nesou informaci o
objektech nalevo a
napravo od nich.
Geoinformatika
Kahoot 