Sylaby

kresba)
mapa bývalého pozemkového katastru - obsahuje vlastnické vztahy před jejich rušením, není však aktuální, slouží k obnovování vlastnických vztahů
Digitální katastrální mapa - mapu vedenou digitálně postupně vytvářejí katastrální úřady při obnově katastrálního operátu
Katastrální mapa v digitálním vyjádření (KMD) - mapu vedenou digitálně vytvářejí katastrální úřady digitalizací nedigitálních (analogových) map
technické mapy měřítka 1:500 (a větších měřítek) jsou vytvářeny v systému JTSK s obsahem: polohopis, sítě, čísla popisná, podle konkrétního území a záměru autora a uživatele mapy.
Státní mapové dílo velkých měřítek v České republice vznikalo v průběhu dvou století. Mapové dílo je charakteristické svou rozmanitostí a rozdílnou kvalitou (především vzhledem k přesnosti a aktuálnosti mapy). Tento stav je způsoben programovým rušením vlastnických vztahů v minulosti a několika neúspěšnými pokusy geodetů mapové dílo sjednotit.
Mapy středních měřítek 1 : 10000 až 1 : 200 000
Základní mapa středního měřítka - v měřítkách 1:10000, 1:25000, 1:50000, 1:100000, 1:20000 s obsahem topografické mapy
Topografická mapa GŠ ČSA, měřítka 1:25000 (v některém území i 1:10000)
tématické mapy s podkladem Základní mapy středního měřítka (vodohospodářská, silniční, základních sídelních jednotek a další)
Automatizovaná a počítačová kartografie
Prvotním cílem počítačové kartografie je vytváření map. Systémy pro podporu počítačové kartografie mají prostředky pro vytváření kladu mapových listů, pro umísťování popisných prvků mapy, rozsáhlé knihovny fontů a symbolů, interface pro velká, vysoce kvalitní výstupní zařízení. Na rozdíl od GIS obvykle nemají analytické prostředky a tedy ani potřebu uchovávat data tak, aby byly analýzy umožněny.

Důvody vzniku počítačové kartografie
V 60. letech a počátkem 70. let daly významné osobnosti směr a rozsah výzkumu v počítačové kartografii.
Podnět ke změnám přišel ze dvou komunit:
Vědci, kteří potřebovali zrychlit vytváření map, aby bylo možné zobrazit výsledky modelování nebo reprezentovat data, která již byla v digitální podobě (např. sčítání lidu). Kvalita map nebyl hlavní cíl, prvním SW balíkem pro tento účel byl SYMAP, vytvořený v HARVARD LAB v roce 1967
Kartografové hledali cesty k redukci ceny a času potřebného k vytváření map
V současnosti je už většina map vytvářena pomocí počítače. Plně automatizovaný přístup naráží na problémy s generalizací a návrhem map. Pokud data, která jsou pořízená za účelem vytváření map, mají být použita i za jiným účelem, je nutné je upravit.
Výhody počítačové kartografie
nižší cena pro jednoduché mapy, jejich rychlejší výroba
větší pružnost na výstupu - snadnější změna měřítka nebo zobrazení
mapy mohou být ušity na míru uživatelům
lze dobře využít digitálních dat
Nevýhody počítačové kartografie
navzdory původním předpokladům bylo vytvořeno málo (především cenově) efektivních systémů
vysoká hodnota počátečních investic
počítačové metody prozatím neumějí vytvářen mapy ve vysoké kvalitě, existuje obava ze ztráty kartografických tradic a z vytváření nekvalitních map (obdoba problému počítačové typografie)
Porovnání GIS a map
Uchování dat
prostorová data jsou uchována v GIS v digitální podobě tak, aby byl umožněn rychlý přístup
podstata map vytváří obtíže, pokud je mapa užita jako zdroj pro digitální data
většina GIS nerozlišuje mezi daty, která jsou odvozena z map z různých měřítek
generalizační postupy (idiosynkrasie) použité v mapách způsobují, že v datech odvozených z map jsou výsledky generalizace zachovány
tyto typy chyb jsou zřejmé až při pozdějším zpracování dat odvozených z map
mapy zůstávají stále excelentním způsobem pro sestavování prostorových informací
mapy mohou být navrženy tak, že je snadné je konvertovat do digitální formy (například užitím různých barev, které mohou být rozlišeny při skenování)
mapy mohou být vytvářeny z GIS jako levný výstup s velkou hustotou informací, který zobrazuje informace pro koncového uživatele
Indexování dat
indexování dat může být realizována mnohem lépe v kvalitním GIS, kde je vyžadováno efektivní vyhledávání dat a hledání vztahů mezi daty
Prostředky pro analýzy dat
GIS je silným prostředkem pro analýzy map
v GIS neexistuje tradiční překážka pro přesné a rychlé měření ploch pro řešení operace překryvů, která existuje v mapách
pro analýzy je přístupno mnoho nových technik a metod
Prostředky pro zobrazování dat
Elektronické zobrazení nabízí významné výhody proti papírovým mapám
schopnost procházet mapovanou oblastí bez přerušování hranicemi mapových listů (bezešvost mapy)
schopnost volně zvětšovat nebo zmenšovat zobrazenou oblast (zooming)
možnost animovat data závislá na čase
zobrazení ve třech rozměrech (3D) - perspektiva, rotace podle úhlu pohledu
možnost spojitě měnit intensitu, barevnost a šrafování nezávisle na omezeních definovaných procesem tisku mapy
Zkušební otázky
Navrhni takové kroky v procesu získávání digitálních dat z map, které minimalizují efekty generalizace a chyby v digitálních datech.
"V počítačovém prostředí nemá smysl hovořit o rozdílu mezi topografickými a tématickými mapami." Je tento výrok pravdivý?
Jaký má vztah měřítko k obsahu mapy?
Připomínky a dotazy k obsahu lekce posílej, prosím, na adresu:
Rudolf Richter, .cz


Lekce 3 - Data v GIS

 TOC \o "1-3" Cíle lekce PAGEREF _Toc482978323 \h 1
Geografická data PAGEREF _Toc482978324 \h 1
Rastrový a vektorový model prostorových dat PAGEREF _Toc482978325 \h 2
Data v rastrovém modelu PAGEREF _Toc482978326 \h 4
Data ve vektorovém modelu PAGEREF _Toc482978327 \h 4
Špagetový (spaghetti) model prostorových dat PAGEREF _Toc482978328 \h 4
Topologický model prostorových dat PAGEREF _Toc482978329 \h 5
Základní entity prostorových dat PAGEREF _Toc482978330 \h 5
Geometrické entity
Topologické entity
Vztahy mezi protorovými daty
Zkušební otázky
Cíle lekce
vysvětlit pojem geograficky vztažená data, prostorová data
popsat vektorový a rastrový model prostorových dat
vymezit základní entity prostorových dat a vztahy mezi nimi
Geografická data
Geografická proměnlivost reálného světa je nekonečně komplexní, k jejímu přesnému zachycení bychom potřebovali nekonečně velkou databázi. Data tedy musí být redukována na konečnou a upravovatelnou velikost. Pravidla, která jsou užita pro konverzi reálného světa do diskrétních objektů vytvářejí datový model.
Datové modelování v GIS se neliší od modelování běžných IS. Datový model každého informačního systému obsahuje objekty (entity) a relace mezi objekty (entitami). Mezi relacemi je významná relace hierarchie (vyjadřuje nadtyp - podtyp objektu), tato relace je acyklická, nemusí to být strom (les). V datovém modelu GIS jsou vymezeny speciální - prostorové - objekty a speciální - prostorové - relace. Prostorové objekty a relace jsou pokud možno zobecňovány a standardizovány: architekt systému vybírá z předem stanovených tříd prostorových objektů a z předem stanovených tříd prostorových relací.
Prostorové objekty se dále dělí dále na dva základní podtypy
geometrický objekt, který popisuje tvar objektu a lokalizaci objektu v prostoru - například souřadnicemi
topologický objekt, který vchází do prostorové relace s jinými (topologickými) objekty
Neprostorové objekty se v GIS nazývají předmětné objekty. Všechny objekty a relace jsou v každém datovém modelu definovány svým výčtem. Například:
prostorový objekt
prostorový topologický objekt
třída bod
třída graf
třída uzel
třída hrana
třída hranice areálu
třída areál
prostorový geometrický objekt
třída vektorových dat
třída bod
třída lomená čára
třída rastrových dat
třída pixel
třída řetěz pixelů
třída oblast pixelů
předmětný objekt
Příklady topologických relací:
objekt typu hrana začíná v objektu typu uzel a končí v objektu typu uzel
objekt typu prostorový objekt leží uvnitř objektu typu areál
objekt typu hrana tvoří hranici mezi dvěma objekty typu areál
objekt typu prostorový objekt leží {nalevo, napravo} od objektu typu hrana
Příklad hierarchie jednoduchého datového modelu:
Příklad struktury jednoduchého datového modelu GIS
Rastrový a vektorový model prostorových dat
Základními modely prostorové složky geografických dat jsou rastrové a vektorové modely. Rastrový model dělí modelovanou oblast (WOI) do pravoúhlé sítě buněk, každá buňka obsahuje jednotlivou hodnotu sledovaného údaje. Buňce odpovídá plocha sledované oblasti (území). Jedna množina buněk spolu s asociovanými hodnotami vytváří vrstvu. V databázi může být uloženo mnoho vrstev.
Vektorový model využívá pro vymezení lokalizace diskrétní bodové nebo liniové elementy - úsečky. Diskrétní objekty vektorového datového modelu vznikají spojením úseček. Na rozdíl o rastrového datového modelu nemusí vektorový datový model pokrývat celé území. (Rastrový model říká, co se vyskytuje kdekoliv - v každém místě oblasti, vektorový model říká, kde se cokoliv vyskytuje, zobrazuje umístění každého objektu.)
V obou modelech je prostorová informace reprezentována základními (homogenními) jednotkami. V rastrových modelech jsou to pixely (buňky), ve vektorových modelech jsou homogenními jednotkami body, lomené čáry a polygony. Pokud rastrový a vektorový model popisují shodné území ve srovnatelné přesnosti, je v rastrovém modelu řádově více základních jednotek než ve vektorovém modelu. Rozměr základních jednotek v rastrovém modelu je konstantní, rozměr základních jednotek ve vektorových modelech je velice proměnlivý - lomená čára se může skládat ze dvou bodů nebo také z několika desítek tisíc bodů.
Rastrový model
Vektorový model
Výhody
Výhody
- jednoduchá datová struktura - snadné provádění některých operací - například mezi překrývajícími se vrstvami (overlay) - viz popis analytických funkcí
- zachycuje data s proměnlivou prostorovou složkou (barevný digitální obraz)- nemusí být žádná primární znalost jevu pro získání dat, vzorkování lze provést automaticky
- kompaktní datová struktura
- výhodné uchování topologických vlastností
- blíží se ručně kresleným mapám, možnost estetického výstupu dat
Nevýhody
Nevýhody
- málo kompaktní (řídké matice)
- obtížná reprezentace topologických vlastností
- neestetický výstup reprezentovaných dat (pouze za cenu zvýšení hustoty dat)
- nemožnost libovolného zvětšování obrazu
- složitější datová struktura
- obtížnější overlay operace
- nevýhodná reprezentace dat s proměnlivou prostorovou složkou (digitální obraz)
Příklad rastrové a vektorové reprezentace
Volba datového modelu prostorových dat a datového modelu popisných dat je dána následujícími požadavky na vlastnosti implementace GIS:
stupněm integrace geografického informačního systému do "vnějšího" informačního systému (datový model GIS musí být přizpůsoben okolí, pokud je GIS komponentou širšího informačního systému)
základní architekturou informačního systému - centralizovaný x distribuovaný systém (komunikace v distribuovaném systému je složitější a tedy nevýhodná pro komplikované datové modely)
cenou pořízení dat a cenou údržby dat ve zvoleném modelu (pořízení i údržba dat ve složitějších modelech je dražší)
softwarovým vybavením, které je k dispozici
zkušenostmi a znalostmi klíčových pracovníků
historickými precedenty v dané oblasti
Volba mezi rastrovým nebo vektorovým GIS není řešením otázky, který je lepší, ale otázky, za jakých podmínek je kterých z nich výhodnější a jakou máme možnost využít nejvhodnější řešení v konkrétních případech.
Lze diskutovat o čtyřech oblastech:
přesnost souřadnic
rychlost analytických funkcí
požadavky na velikost paměti
charakteristiky jevu, který má GIS modelovat
Přesnost souřadnic
u rastru závisí na přesnosti pořízení dat (družicového snímku, skenovacího zařízení), obtížně se reprezentují liniové objekty s malým průměrem
u rastru není často známo, jaký vztah má poloha hraničních bodů nebo středu buňky k reálnému kartografickému souřadnému systému
u vektorových dat může být přesnost prakticky libovolná, závisí pouze na metodě reprezentace souřadnic (počet bitů na jednu souřadnici) a na velikosti zobrazovaného území, velká přesnost však často nemá smysl, je nutné zohlednit vlastnosti vstupujících dat
přesnost vektorových dat se uplatní při zpracování dat z přesných geodetických měření, při vytváření map z těchto měření
některé jevy (hranice parcel, administrativních jednotek, osy vedení inženýrských sítí) jsou vhodné pro reprezentaci vektory s velkou přesností, u některých jevů (hranice druhů lesních porostů, rozšíření živočichů a pod.) jsou přesné hranic zavádějící
Výpočetní rychlost
rastrová data mohou být velmi rychle zpracovány při odpovědích na většinu analytických dotazů včetně překryvů (vrstev), blízkosti, často stačí porovnání buněk v různých vrstvách
ve vektorových systémech je pro stejné odpovědi vyžadována větší výpočetní kapacita - musí být řešeny komplexní geometrické problémy například výpočet polohy a průsečíku dvou úseček
při výpočtech průniků polygonů vznikají singulární polygony
Požadavky na paměť
v nejjednodušším režimu vyžadují rastrová data na jednu buňku jeden nebo dva byty, v těchto případech je podstatně omezen počet použitých řádků a sloupců
rastrová data je možné komprimovat několika metodami, stupeň komprese závisí na prostorové proměnlivosti dat
u vektorových dat jsou nároky na paměť malé, závisí na složitosti objektů a přesnosti souřadnic
Data v rastrovém modelu
hodnota uchovaná v buňce (pixelu) závisí jednak na kódované realitě, jednak na vlastnostech SW
možnosti: celá čísla, čísla v pohyblivé čárce, alfanumerické hodnoty
každá buňka - pixel - má pouze jednu hodnotu, což nepřesně interpretuje realitu (hranice jevu prochází buňkou), některé systémy umožňují uchovat více hodnot v jedné buňce a jejich podíly
rastrová data mohou být vizualizována jako množina mapových vrstev (mapová vrstva je množina dat popisující jednoduchou charakteristiku pro každou buňku uvnitř sledované oblasti)
typické rastrové databáze obsahují více než sto vrstev, důležitou charakteristikou vrstvy je rozlišení (rozměr buňky), orientace (azimut, úhel mezi severem a směrem sloupců rastru)
Data ve vektorovém modelu
Špagetový (spaghetti) model prostorových dat
Pojem špagetový model vektorových dat je odvozen od způsobu digitalizace papírové mapy a uchování digitalizovaných dat. Papírová mapa je převedena po čarách do posloupností bodů definovaných souřadnicemi X a Y - struktur typu lomená čára. Bodové prvky jsou převedeny do dvojic souřadnic - struktur typu bod. Soubor lomených čar a bodů nemá žádnou vnitřní strukturu - odtud termín špagetový model.
V širším pojetí lze pojem špagetový model použít při charakteristice datového modelu, ve kterém jsou objekty prostorových dat uchovány bez vazeb na jiné objekty prostorových dat stejné nebo jiných tříd (například v sekvenčním souboru typu DXF nebo DGN).
Ve špagetovém datovém modelu tedy nejsou topologické objekty. Špagetový model nepostihuje relace mezi prostorovými daty, vztahy musí být odvozeny výpočtem. Špagetový model je jednoduchá struktura vhodná pro počítačovou reprodukci map, ale i pro uchovávání prostorových dat, se kterými nebudou prováděny prostorové operace a které mají charakter pozadí - podkladu pro práci s jinými prostorovými daty. Výhodou špagetového modelu je levná údržba prostorových dat.
Topologický model prostorových dat
Topologický model je nejrozšířenějším modelem, který uchovává prostorová data a vztahy mezi nimi. Tímto modelem lze reprezentovat areály i sítě. Základními objekty v tomto modelu jsou:
rovinný graf (arc - node model),
areálový rovinný graf
síťový graf s identifikovanými hranami
síťový graf s identifikovanými uzly
Topologický model obsahuje topologické objekty, nemusí však obsahovat geometrické objekty (v tomto málo častém případě probíhá údržba prostorových dat bez jejich grafického vyjádření).
Mezi hlavní výhody topologického modelu je možnost provádět analýzy prostorových dat bez užití souřadnic - bez práce s geometrickými objekty. Nevýhodou je nutnost údržby topologické struktury, která se často - zejména pro grafy s velkým počtem prvků - provádí dávkově.
Základní entity prostorových dat
Geometrické entity
Bod
typedef struct
{
long x; // souřadnice x
long y; // souřadnice y
}
pointT;
příklady: střed sídla, definiční bod budovy, šachta kanalizační sítě
Lomená čára
posloupnost bodů
efektivní reprezentace lomených čar: přírůstky (offset) ve vektorech, Freemanův řetězový kód v rastrech
příklady: osa komunikační sítě, osa koleje, osa kanalizační sítě, vodovodní sítě, plynovodní sítě, elektrické sítě, vodního toku
Polygon, areál
polygon - uzavřená lomená čára
areál - posloupnost orientovaných polygonů
příklady: hranice fyzickogeografických oblastí (typy půdy, lesa, užití Země), hranice administrativních jednotek (okresy, obce, katastrální území)
Sledované území může být pokryto plochami (areály) dvěma způsoby:
1. entity jsou izolované plochy, mohou se překrývat (příklad: plochy zasažené různými lesními požáry), prostor nemusí být plně pokryt entitami
2. každé místo patří právě jedné entitě (až na body hraničních čar), plochy plně pokrývají prostor
První způsob pokrytí území může být konvertován do druhého.
Z toho vyplývají dvě možnosti uchování ploch:
polygony - každý polygon je uložen jako posloupnost bodů, většina bodů je uložena dvakrát
diagraf rovinného grafu (arc-node model) - jsou uloženy hranice mezi areály, každý jen jednou s ukazateli na areály
Pixel
primitiv – základní jednotka rastrových dat, důležitá je jeho velikost
Řetěz pixelů
řetěz pixelů (např. ve Freemanově kódu) vymezuje liniový prvek v rastrovém modelu
příklady: osa liniového prvku (inženýrské sítě, komunikace), skelet liniového prvku
Oblast pixelů
množina pixelů – vymezuje areálový prvek v rastrovém modelu
příklady: fyzickogeografické oblasti, oblasti land-use
Topologické entity
Definice rovinného grafu
Orientovaný graf (U,H) je binární relace H na konečné množině U (H je tedy množina dvojic prvků z množiny U). Prvky množiny U nazýváme uzly (uzlové body), prvky množiny H hrany grafu. Grafy je běžné zaznamenávat pomocí kresby, pro tuto kresbu budeme používat termín diagraf: Diagrafem grafu (U,H) budeme rozumět množinu bodů euklidovské roviny, které vzájemně jednoznačně korespondují množině U a množinu linií (oblouků) vzájemně jednoznačně korespondující množině H. Platí přitom, že žádná z linií jako svůj vnitřní bod neobsahuje bod korespondující s některým z uzlů a že linie odpovídající hraně tvořené dvěma uzly má za koncové body ty body, které s uzly korespondují. Stupeň uzlového bodu je definován jako počet hran, se kterými uzlový bod inciduje (počet dvojic - prvků množiny H, ve kterých se uzlový bod vyskytuje).
Graf je rovinný, pokud existuje jeho diagraf takový, že linie diagrafu korespondující hranám grafu se protínají právě jen v uzlových bodech.
Rovinný graf nazveme rovinným areálovým grafem, pokud jeho hrany tvoří hranice areálů v rovině. Každá hrana grafu je identifikována dvěma údaji: jmény (identifikacemi) areálů, jejichž hranici tvoří.
Datové struktury areálového grafu
Hrany
typedef struct
{
long numVert; // počet vrcholů
pointT *vert; // vrcholy
graphNodT *ub1; // počáteční uzlový bod
graphNodT *ub2; // koncový uzlový bod
idT id1; // identifikace levého areálu
idT id2; // identifikace pravého areálu
}
graphEdgeT;

Uzly
typedef struct
{
pointT node; // souřadnice uzlového bodu
int degree; // stupeň uzlového bodu
graphEdgeT edge[]; // hrany incidující s uzlovým bodem
}
graphNodT;
Hranice areálu
typedef
{
long numEdge; // počet hran tvořících hranici
graphEdgeT edge[]; // seznam hran tvořících hranici
}
boundaryT;
Areál
typedef struct
{
idT id; // identifikace areálu
long numBoundary; // počet hranic tv