GIS4SG I – Základní stavební kameny prostorové analýzy podzim 2017 Petr Kubíček kubicek@geogr.muni.cz Laboratory on Geoinformatics and Cartography (LGC) Institute of Geography Masaryk University Czech Republic GIS4SG Prerekvizity – na co navazujeme? • Z0262 Geoinformatika – základní technologické znalosti a dovednosti. • Z2062 Geografická kartografie – základní znalosti o tvorbě a podstatě map. • ... Osnova Základní teoretické okruhy + cvičení v ArcGIS. Struktura 2/1 – hodina bude zahrnovat přednášku a diskuzi 1-2 článků vztahujících se k tématu. 1. Úvod do geoinformační problematiky v sociální geografii 2. Geoinformační metody a analýzy pro sociální geografii; 3. Vybrané datové zdroje a formáty a jejich užití; 4. Alokační úlohy; 5. Geomarketing; 6. Analýzy kriminality; 7. Geoinformační technologie v krizovém řízení; 8. Vizualizace časoprostorových dat. 9. Multikriteriální analýza a ověřování její validity. Literatura - knihy • WORTLEY, R.,MAZEROLLE , L.G. (2008): Environmental criminology and crime analysis. • OKABE, A. (2006): GIS-based studies in the humanities and social sciences. • PARKER, R. N., ASENCIO, E.K. (2008): GIS and spatial analysis for the social sciences : coding, mapping and modeling. • Vybrané doporučené články - viz přednášky. Organizace a ukončení • Zkouška – ústní zkouška. • Cvičení tvoří nedílnou část známky z předmětu. • Cvičení – viz podmínky Mgr. Václav Paleček • Projektová práce v týmu v rámci cvičení, závěrečný poster, využití „peer review“. GIS4SG Jaká je budoucnost GIS? https://youtu.be/lY2_3th-Axk MAKING SENSE OF THE DATA Modelování, model • Modelování = prostředek poznávacího procesu • Model = zjednodušené zobrazení skutečnosti, části objektivní reality či jevu. • Model zobrazuje pouze vybrané znaky předlohy, které nás zajímají v konkrétním případě zkoumání, od ostatních vlastností se upouští. • Účel modelu – rozhoduje o zobrazovaných vlastnostech • Různé typy modelů – mapa, databáze, datový model, GIS model. Datové modely v GIS (?) OPAKOVÁNÍ: • Základní typy datových modelů • Geometrická primitiva • Topologie - principy a projevy v jednotlivých datových modelech. • Výhody a nevýhody Role GIS v modelování • Nástroj pro zpracování, zobrazení a integraci různých zdrojů dat – mapy, DMT, GPS, tabulky.. • Datové modelování – vektor, rastr, hybrid. Výhody použití pro specifické jevy (vektor pro dobře ohraničené jevy s jasným tvarem). • Možnost převodu formátu vektor – rastr (RAVE, VERA), oba datové typy mohou vstupovat do modelů. Lze s úspěchem využít oba a převádět je mezi sebou. • Možnost propojení GIS na statistické programy (Matlab). • Typy propojení - volné (loose coupling - import - export), pevné (tight coupling – společný interface, SAGA GIS), vložené (embeded) systémy (Geostatistical analyst ArcGIS statistické funkce v GIS a naopak). Datové modely a základní metody • Jak převést okolní realitu do počítače? • Jaký model použít? • Jak uložit data do počítače? Základní operace • Geometrické, dotazovací a vzdáleností operace = prostorové analýzy. • Základní stavební komponenty většiny GIS SW (ArcGIS, MapInfo, QGIS…). • Definovány prostřednictvím de facto/de jure standardů. • OGC compliant. Analytické a modelovací metody – OGC simple feature specs GIS4SG GEOMETRICKÉ A RELAČNÍ OPERACE Geometrické operace Operace pro vektorové prvky či skupiny buněk v rastrovém datovém modelu – řada prostorových vlastností – délka, ploch. Představíme základní geometrické atributy, které lze využít. Jsou dvojího druhu: - Vnitřní – součást atributové tabulky pro všechny geometrické prvky. - Vnější – je nutné vypočítat a doplnit pro všechny prvky (součást SW nebo výpočetní vzorec). - Pokud je třeba provádět s geometrickými vlastnostmi nějaké další operace (seřadit podle plochy, plocha x obvod), je vhodné si explicitně vytvořit vlastní pole. Délka a plocha - vektor • Eukleidovský prostor (jaké jsou předpoklady?) • Lichoběžníkové pravidlo: • Pro 4 vrcholy A,B,C,D: • Obecně: Délka a plocha - rastr • Dáno velikostí buňky a počtem řádků a sloupců. • Plocha = počet buněk; vymezení celistvé plochy (otvory, homogenity, celistvost hranic) • Vzdálenost – dle typu povoleného pohybu – Manhattan, diagonální pohyb. Jak jsou reprezentovány atributové složky plochy? Středy a centroidy • Odlišné podle SW, odlišné pro geometrii (bod, linie, plocha a jejich skupiny). • Průměrný střed (M1), těžiště (gravitační střed) – centroid (M2), střed MBR (M3). • MBR střed – rychlý, ale citlivý k odlehlým vrcholům (B(34,3). Linie – bod stejně vzdálený oběma hraničním bodům (počátku a konci) Potenciální problémy • Komplexní tvar polygonů – centroidy mohou ležet mimo polygon. • ArcGIS – Feature to points (INSIDE option on). Prostorové dotazy (spatial join) • Která místa leží v JMK?? • ŘSD a projektování výstavby rychlostních komunikací – CleverMaps. Bod (linie, polygon) v polygonu • Leží daná geometrie uvnitř polygonu (adresa v městské části)?? • Primární řešení - použití MBR. • Standardní řešení – protažení linie vzhůru nebo kolmo doprava – pokud je počet protnutí hranice polygonu lichý = bodl leží uvnitř polygonu. • Speciální případy – hranice, vertex, vertikální segment Interpolace polygonu • Jak přiřadit atributy nově vzniklému polygonu? • Obslužná zóna nemocnice vs. Demografie. • Overlay vs. Pyknofylaktické přiřazení. • Uniformí vs. proměnlivé rozložení prostoru – jak řešit? Dělení plochy - tesalace Voroného polygony Tesalace v rastru a na síti Hustota a metody jádrového vyhlazení – kernel density • Ve které části města dochází k nejvíce krádežím aut?? • metoda výpočtu hustoty povrchu lze představit tak, že kolem každého bodu se vytvoří kruhové okolí podobné plynule zakřivenému povrchu. Ten má nejvyšší hodnotu 1 v místě bodu a klesá pomocí matematicky definované funkce směrem k okraji, kde nabývá hodnoty 0. Hodnota hustoty pro každou buňku je poté vypočtena posčítáním hodnot všech jádrových povrchů, které překrývají střed dané buňky. Anamorfované mapy (Cartograms) • Změněná geometrie prostoru • Doorling. MAPresso, MapViewer a GeoDa. GIS4SG MAPOVÁ ALGEBRA Mapová algebra • Tomlin (1983) – Map Algebra • Berry (1987) – Map-ematics • Ustanovili kartografické modelování jako přijatou metodiku pro zpracování geografických dat. • Kartografické modelování je základní způsob vyjádření a organizace metod, jejichž způsobem jsou prostorové proměnné (data) a prostorové operace (funkce) vybírány a používány v GIS. • Více v předmětech: – Kartografické modelování – Aplikovaná 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. 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 (unární) jsou to nejčastěji skalární operace jako je připočítávání konstanty, násobení, atp. Jako příklad může posloužit tvorba 2x převýšeného DMR pro vizualizaci ve 3D. – Na dvou vrstvách (binární) - porovnání – Na více vrstvách (n-ární) jsou to operace jako sčítání vrstev (min, max), které se vykonávají s prostorově odpovídajícími si buňkami. 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 (Tomlin – Inkrementální) používají se všechny buňky informační vrstvy. 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. – Na více vrstvách jsou to operace jako sčítání vrstev, které se vykonávají s prostorově odpovídajícími si buňkami. 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. 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.