GIS4SG
Základní stavební kameny
prostorové analýzy
podzim 2023
Lukáš Herman
herman.lu@mail.muni.cz
Laboratory on Geoinformatics and Cartography (LGC)
Institute of Geography
Masaryk University
Czech Republic
Prezentace
• Téma Vaší bakalářské práce
• Jakou prostorovou analýzu
(případně mapu) jste do práce zařadili?
Navrhněte možné rozšíření
• Jakou prostorovou analýzu nebo mapu by
bylo možné do práce zařadit v rámci jejího
rozšíření?
• Soustřeďte se především na problém, cíl
analýzy nebo téma mapy.
• Budete se snažit v tématu pokračovat i v
diplomce?
GIS-aktivity
• Vysvětlete /
nakreslete
vylosovaný
termín z
geoinformatiky
nebo kartografie
• Ostatní hádají…Vysvětlit – nakreslit
GIS-aktivity
• Vidíte mezi pojmy nějaké souvislosti?
• Dají se pojmy nějak rozdělit
(klasifikovat)?
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?
GIS4SG
GEOMETRICKÉ, DOTAZOVACÍ
A VZDÁLENOSTNÍ OPERACE
Základní operace
• Geometrické, dotazovací a vzdáleností
operace = prostorové analýzy
• Základní stavební komponenty většiny GIS
SW (ArcGIS Pro, QGIS…)
• Definovány prostřednictvím de facto
standardů
• OGC complint (kompatibilní)
Analytické a modelovací metody –
OGC Simple Feature specification
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(14,3).
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
• 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.
Metoda jádrových odhadů
Předpoklady užití metody
jádrových odhadů
• Není vhodná pro zobrazení rozsáhlých území.
• Vhodná pro mapy větších měřítek (obce či jejich
části).
• Není doporučena pro větší územní celky (okres,
kraj, ČR) → toto záleží na zobrazovaném jevu
• Neexistuje také žádná hranice pro minimální počet
událostí v oblasti.
• Doporučujeme však brát v potaz počet bodů a
plochu analyzované oblasti. Pokud je oblast menší,
je možné pracovat i s menším počtem událostí.
• V případě malých počtů na větší ploše použití
jádrového vyhlazení není doporučeno.
Metoda jádrových odhadů –
shrnutí
• Hlavní metodou pro identifikaci anomálních lokalit, které bývají
často nazývány jako hot spots, je metoda jádrových
odhadů (kernel density estimation) či jádrového vyhlazení.
• Jaká je hlavní nevýhoda??
– Základním nedostatkem je subjektivita v intepretaci
výsledků.
– Stejná podkladová data mohou být zobrazena značně
rozdílně jen s využitím rozdílného nastavení metody a
způsobu zobrazení.
• Použité parametry je vhodné uvést.
– Z tohoto důvodu je potřeba zvýraznit statisticky významné
výsledky.
GIS4SG
VOLNĚ DOSTUPNÍ GIS
NÁSTROJE
Knihovny
GDAL/OGR, PROJ.4
Databáze
PostgreSQL,
PostGIS,
SpatiaLite
Utility
ogr2ogr
Skriptovací
jazyky
Python
Data
OSM,
data.Brno
Mapové
servery
Mapserver,
Geoserver
WWW
Lefleat,
geoDjango,
Openlayers
Desktop GIS (GUI)
Prohlížečky
Analytické aplikace
ETL
GDAL a OGR
GDAL
• Rastrová data
• Asi 80 formátů
• C/C++
OGR
• Vektorová data
• Asi 30 formátů
• C/C++
https://pcjericks.github.io/py-gdalogr-cookbook/
https://training.gismentors.eu/geopython-
zacatecnik/vektorova_data/ogr/index.html
https://cs.wikipedia.org/wiki/GDAL
ogr2ogr
• Převody formátu
• Prostorové/atributové dotazy
• Nastavení souřadnicových systémů
• Reprojekce
QGIS
• https://www.qgis.org/en/site/
• Dříve (do verze 2.0) pojmenován Quantum GIS
• Licence: GNU GPL
• Jazyk: C++, Qt, plug-iny lze vytvářet v Pythonu
• Vektor i rastr, geodatabáze
• Široké analytické možnosti
– Integruje moduly z jiných GIS prostředí
– Řada plug-inů
QGIS
SAGA
• https://saga-gis.sourceforge.io/en/index.html
• System for Automated Geoscientific Analyses
• Licence: GNU GPL
• Ovládání pomocí GUI nebo příkazové řádky
• programován v C++, modulární uspořádání
• 40 typů rastrových formátů
• z vektorů umí ty základní
• moduly ze SAGA jsou spustit v QGIS ale i v dalších
programech
SAGA
https://sagatutorials.w
ordpress.com/training-
manual/
https://sourceforge.net/p
/saga-
gis/wiki/Documentation/
GRASS GIS
• https://grass.osgeo.org/
• Geographic Resources Analysis Support Systém
• Vývoj zahájen v roce 1982 pro účely U.S. Army
• Licence: GNU GPL
• Vektorová i rastrová data
• Mnoho nástrojů pro analýzu
• GUI i příkazová řádka
• Moduly přístupné i v QGISu
GRASS GIS
OpenJUMP
• http://www.openjump.org/
• Původně JUMP GIS od Vivid Solutions
• Jazyk: JAVA, primárně vektorová data (editace, …)
• Plug-iny: generalizace, …
– http://ojwiki.soldin.de/index.php?title=Plugins_for_OpenJUMP#S
patial_Analysis_and_Editing_PlugIns
GeoKettle
• ETL = Extract Transform Load
• http://www.geokettle.org/
• spatially-enabled” version of Pentaho Data Integration (also
known as Kettle)
GeoDa
• Otevřený software - https://geodacenter.github.io/
• Dr. Luc Ansellin - https://spatial.uchicago.edu/software
(i další nástroje)
• Explorativní analýza dat
• Prostorové statistiky a modelování prostorových vzorů
CrimeStat
• „balík pro prostorovou statistiku, který může analyzovat rozmístění
trestných činů“ (Levine, 2013).
• program pro Windows, v jazyce C++, vývoj zaháje díky grantu
National Institute of Justice.
• Neumožňuje přímo vytváření map, vizualizace dat a výsledků
výpočtů
• Mezi hlavní funkce (v.4.0):
– prostorová deskripce (spatial description)
– analýzy koncentrací (hot spot analysis),
– prostorové modelování (spatial modeling),
– interpolace,
– Crime Travel Demand Modeling analýza
potenciálních sériových zločinců
https://en.wikipedia.org/wiki/CrimeStat
https://nij.ojp.gov/topics/articles/crimesta
t-spatial-statistics-program-analysis-
crime-incident-locations
A nejen GIS!
• Vektorová grafika – Inkscape
– https://inkscape.org/
• Rastrová grafika – GIMP
– https://www.gimp.org/
• Sazba a předtisková příprava – Scribus
– https://www.scribus.net/