Sylaby

ořících areál
boundaryT boundary[]; // seznam hranic tvořících areál
}
areaT;
Příklad diagrafu rovinného areálového grafu
Příklad - odvození rovinného grafu ze špagetového modelu
Strukturu rovinného grafu lze vytvořit výpočtem ze špagetového modelu podle umístění prvků tvořících graf v prostoru (z jejich geometrie). V tomto případě je nutné provést následující kontroly vlastností rovinného grafu:
kontrola stupňů uzlových bodů (pokud je graf areálový, nesmí se v grafu vyskytovat uzlové body stupně 1)
kontrola křížení hran (hrany se musí křížit jen v uzlových bodech, v těchto bodech musí být hrany ukončeny)
kontrola identifikací hran a uzlů (pokud jsou prvky tvořící graf jednoznačně identifikovány, je nutné kontrolovat správnost těchto identifikací)
vyznačení potenciálních chyb v uzlových bodech a jejich oprava (v některých případech je vhodné zjistit, zda dva různé uzlové body nejsou příliš blízko, nebo zda uzlový bod není příliš blízko hraně grafu, se kterou neinciduje - testovaná vzdálenost je parametrem kontroly)
vyznačení a oprava singularit v grafu (hrany složené ze dvou nebo tří bodů, které mají shodný počáteční a koncový bod)
Vztahy mezi prostorovými daty
Tři typy relací:
relace, které jsou použity pro konstrukci komplexních objektů z primitivů: posloupnost bodů tvoří lomenou čáru, posloupnost polygonů tvoří plochu (areál)
relace, které lze spočítat z geometrie (ze souřadnic objektů): průsečík dvou lomených čar je uzlem grafu, bod leží v areálu
relace, které nelze spočítat ze souřadnic, musí být pořízeny při vstupu dat: ze 2D geometrie nelze spočítat uzly kanalizační sítě
Příklady prostorových relací
bod-bod: vzdálenost mezi body, nejbližší bod k zadanému bodu
bod-čára: bod je vrcholem lomené čáry, vzdálenost bodu od čáry, nejbližší bod k čáře
bod-areál: bod leží v areálu, areál může být vidět ze zadaného bodu
čára-čára: křížení čar, čára leží na čáře, "vtéká do" koncový bod jedné čáry leží na jiné
čára- areál: čára kříží areál, čára je hranicí areálu
areál - areál: množinové operace s areály (průnik, rozdíl, sjednocení), vzdálenost areálů, sousednost areálů
Zkušební otázky
1. Porovnej vlastnosti, výhody a nevýhody vektorových a rastrových dat
2. Jaké znáš reprezentace plošných objektů v datových modelech prostorových dat?
3. Souřadnice X a Y v kartografickém souřadném systému JTSK mají deset cifer. Navrhni úspornější reprezentaci lomené čáry v tomto systému, než je posloupnost bodů s těmito souřadnicemi. Proveď diskusi výhod a nevýhod svého návrhu.
4. Uveď příklad geografických dat, pro která je vhodná vektorová forma uchování. Uveď příklad geografických dat, pro která je vhodná rastrová forma uchování.
5. Uveď další příklady prostorových relací k těm, které jsou uvedeny v předcházející kapitole.
Připomínky a dotazy k obsahu lekce posílej, prosím, na adresu:
Rudolf Richter,
Lekce 4 - Vektorové a rastrové systémy
Vlastnosti rastrových systémů1
Zobrazování vrstev PAGEREF _Toc482979375 \h 1
Základní zobrazování PAGEREF _Toc482979376 \h 1
Další typy zobrazení PAGEREF _Toc482979377 \h 2
Lokální operace PAGEREF _Toc482979378 \h 2
Operace se sousedy PAGEREF _Toc482979379 \h 2
Filtrování PAGEREF _Toc482979380 \h 2
Sklon terénu PAGEREF _Toc482979381 \h 2
Operace nad buňkami
Vzdálenost
1.1.1Bufferování
Viditelná plocha
Operace nad zónami (skupinami pixelů)
Informace o obsahu vrstev
Vzorkování světa (SAMPLING THE WORLD)
Reprezentace reality
Zdroje dat
Primární sběr datc482979391 \h 4
Sekundární zdroje dat
Chyby a přesnost
Vlastnosti vektorových systémů
Jednoduché zobrazování a dotazy
Reklasifikace a slučování
Topologické operace
Bufferování
Objekty nebo vrstvy?
Reprezentace reality pomocí vrstev00 \h 5
Reprezentace reality pomocí objektů
Argumenty pro přístup z pohledu vrstev
Vrstvy a objekty v různých aplikačních oblastech
Zkušební otázky _Toc482979404 \h 6
Cíle lekce
na základě vlastností rastrových a vektorových dat porovnat vlastnosti rastrových a vektorových systémů
provést diskusi o vlastnostech datových modelů založených na datech uložených ve vrstvách a objektově orientovaných datových modelů
Vlastnosti rastrových systémů
Zobrazování vrstev
Základní zobrazování
nejjednodušší zobrazované hodnoty jsou celá čísla - každému celému číslu ze rozsahu pixelu matice (1 byte, 2byte) se přiřadí jedna barva, pokud možno v nějaké smysluplné škále (barevnost, intenzita)
zobrazení je doprovázeno legendou - generovanou automaticky z dat obsažených v popisu vrstvy
různými barvami mohou být zobrazeny pouze intervaly hodnot pixelů matice (pokud je variabilita hodnot matice příliš velká)
Další typy zobrazení
data ze zobrazit jako povrch - třírozměrnou plochu nad maticí pixelů, povrch může mít pro každý pixel různé barevné hodnoty v závislosti na hodnotách pixelů další vrstvy
v matici mohou být vyznačeny kontury (hranice) mezi různými plochami (metoda nelezení hranic - contours tracing)
Lokální operace
lokálními operacemi vyniká nová vrstva z jedné nebo několika vstupních vrstev
hodnota nového pixelu je definována hodnotou (hodnotami) odpovídajícího pixelu ve vstupní vrstvě (vstupních vrstvách), sousední nebo jiné pixely nemají na hodnotu nového pixelu vliv
překódování - existuje pouze jedna vstupní vrstva, příklady: zařazení pixelů do tříd, zrušení mezer v hodnotách pixelů
překrývání vrstev - nová hodnota závisí na dvou nebo více vstupních vrstvách, příklady: aritmetický průměr, nejmenší, největší hodnota, lineární kombinace vrstev, logické podmínky
Operace se sousedy
Hodnota pixelu nové vrstvy je určena sousedy pixelu ve vstupní vrstvě.
Filtrování
Pohyb "okna" (velikosti např. 3x3 buňky) po vstupní vrstvě
nová hodnota buňky ve středu okna je dána váženým průměrem buněk v okně
změna vah může vytvořit dva hlavní efekty: - vyhlazení (redukce lokálních detailů, rozpoznání trendů), - zvýraznění (zdůraznění lokálních detailů, nalezení detailů v datech)
Příklady filtrů:
A
1
1
1
B
1
1
1
C
-1
-1
-1
1
1
1
1
10
1
-1
1
-1
1
1
1
1
1
1
-1
-1
-1
Vyhlazuje lokální detaily
Lehce vyhlazuje lokální detaily
lehce zvýrazňuje lokální detaily
Sklon terénu
jestliže hodnoty ve vrstvě reprezentují výšky, můžeme z rozdílu hodnot v sousedních pixelech spočítat sklon terénu a orientaci svahu (úhel k severu)
Operace nad buňkami
Vzdálenost
Výpočet vzdálenosti každé buňky od jedné nebo několika buněk - hodnota každé buňky v nové vrstvě je vzdálenost od zvolené buňky (buněk)
Bufferování
vytvoření bufferu (zóny) okolo objektů
operace vytvoření bufferu může být vizualizována rozšířením objektu do dané vzdálenosti
výsledkem může být vrstva s hodnotami buněk {0,1,2}: 1 - originální vybraný objekt, 2 - buffer, 0 - mimo objekt a buffer
příklady: hlukové zóny okolo silnic, bezpečnostní zóny okolo úložiště škodlivých odpadů, ochranná pásma vodních zdrojů
Viditelná plocha
máme-li vrstvu výšek terénu, je možné spočítat plochu viditelnou z jednoho nebo několika bodů pohledu, výsledek je umístěn do nové vrstvy například s hodnotami buněk {0,1}
Operace nad zónami (skupinami pixelů)
Identifikace zóny - postup: porovnání sousedních pixelů, identifikace všech oblastí, které mají stejnou hodnotu pixelů, očíslování oblastí a přiřazení každému pixelu čísla oblasti
plocha zóny - spočítá se plocha zóny, a tato hodnota se přiřadí každému pixelu zóny (namísto čísla zóny), vytvoření tabulky číslo zóny - plocha
obvod zóny - počet pixelů, které tvoří hranici zóny (výstup stejně jako v předcházejícím případě do nové vrstvy nebo do tabulky)
vzdálenost od hranice zóny - měření vzdálenosti pixelu od nejbližšího hraničního pixelu (hraniční pixel je pixel, jehož alespoň jeden soused má jinou hodnotu)
míra složitosti tvaru zóny - poměr obvodu a odmocniny z plochy zóny
Informace o obsahu vrstev
informace o jedné vrstvě: střední hodnota, medián a další statistiky
statistické porovnání vrstev: regrese, analýza rozptylu
statistiky popisující zóny na vrstvě: nejmenší, největší, počet zón, průměrná plocha, rozptyl ploch
součástí rastrových systémů jsou i operace zabezpečující vstup vrstev, export a import z jiných systémů, převzorkování vrstvy (změna velikosti buňky a orientace vrstvy)
Vzorkování světa (SAMPLING THE WORLD)
Svět je nekonečně komplexní, uživatelé vidí svět prostřednictvím databáze. Měření a vzorky světa obsažené v databázi musí prezentovat tak úplné a přesné zobrazení světa, jak je možné: a to jak s ohledem na zobrazovaný jev, tak na čas a území.
Reprezentace reality
obsah prostorové databáze zahrnuje:- digitální verze reálných objektů (například domy)- digitální verze umělých mapových znaků (například hranice parcel)- umělé objekty vytvořené za účelem uchování dat (například pixely)
některé charakteristiky existují všude a spojitě se mění po zemském povrchu (atmosférická teplota a tlak, přírodní vegetace, půdní typy), takové charakteristik můžeme reprezentován několika způsoby:- měřením v jednotlivých (vzorkovacích) bodech - rozdělením plochy do zón a předpokládat, že proměnná má stejnou hodnotu v celé zóně- nakreslením hranic, ne kterých se mění hodnota proměnné
všechny metody vytvářejí diskrétní objekty a pouze přibližně zachycují část reálné variability- měřením v bodech ztrácíme informace o změnách mezi body- zóny předpokládají, že ke změnám dochází pouze na hranicích zón
Zdroje dat
Primární sběr dat
některá data v prostorové databázi jsou měřena přímo, hustota vzorkování určuje rozlišovací schopnost dat a musí být navržena tak, aby zachytila jak na časovou, tak prostorovou variabilitu sledovaného jevu
existuje několik standardních postupů při vzorkování:- náhodné vzorkování- systematické vzorkování (podle nějakého zvoleného pravidla, např. po 1 km
vrstevnaté vzorkování - jsou známé frekvence výskytů některých dílčích znaků a vzorkování se tomu přizpůsobí (například má větší hustotu na pevnině než nad mořem)
Sekundární zdroje dat
některá data jsou získávána z existujících map, tabulek nebo z jiných databází
je vhodné mít k těmto datům informace o tom, jakým způsobem byla primárně získána (postupy a metody, přesnost měření), pokud takové informace k dispozici nejsou, může to vést k desinterpretacím dat, k nepravdivým očekáváním o přesnosti dat, apod.
je proto vhodné užívat standardy při pořizování i uchovávání dat
Chyby a přesnost
chyby jsou přeneseny do databáze, protože se vyskytují už ve vstupních zdrojích(chybně vytvořené mapy)
chyby jsou k datům přidány během procesu pořízení a zpracování pořízených dat (chyby digitalizace)
chyby se vyskytnou, když jsou data vybírána z databáze a dále zpracovávána (nesprávná klasifikace)
často se chyby objeví až při analýzách, při kterých se zpracovává několik vrstev dat (porovnáním vrstev se objeví některý z předcházejících druhů chyb)
existují normy a standardy přesnosti (například geodetické třídy přesnosti)
Vlastnosti vektorových systémů
Proti rastrovým systémům
analytické funkce pracují s objekty, ne s buňkami
míry (plocha, obvod) jsou počítány ze souřadnic, ne sečítáním buněk
některé operace jsou přesnější (výpočet ploch, obvodu)
některé operace jsou pomalejší (overlay, bufferování)
některé operace jsou rychlejší (cesta v grafu, pokud jsou data topologická)
Jednoduché zobrazování a dotazy
základní jednotkou je bod, zobrazit lokalizaci všech objektů lze pomocí jejich souřadnic
hodnoty atributů a typy entit mohou být zobrazeny různou symbologií (barva, síla a typ čáry)
využití Standard Query Language (SQL) pro konstrukci dotazů
existují SQL rozšíření pro prostorové dotazy i rozšíření pro uložení prostorových dat
Reklasifikace a slučování
Příklad: Vytváření hranic vyšších územních celků
Vstupem je vrstva obsahující hranice obcí jako areály, výstupem má být vrstva, obsahující hranice okresů. Okresy se skládají z obcí, tento vztah je zachycen ve vstupním souboru, který pro každou obec obsahuje kód okresu, do kterého obec patří.
Postup:
reklasifikace areálů, které reprezentují obce - každému areálu se přiřadí kód okresu, o kterého obec patří
zrušení hranic mezi shodně reklasifikovanými areály
vytvoření nových areálů okresů sloučením shodně reklasifikovaných areálů obcí
Topologické operace
operace body v polygonech: existuje systém (vrstva) bodů a systém areálů, výsledkem je hodnota atributu bodu - identifikace areálu (areálů), ve kterém bod leží
operace liniové prvky nad polygony: existuje systém liniových prvků a systém areálů, výsledkem je nový systém liniových prvků, ve kterém každý liniový prvek leží právě v jednom areálu (až na hraniční body areálů), každý nový liniový prvek nese informaci o tom, ve kterém areálu leží a ze kterého původního liniového prvku vznikl
operace překryvy areálů: existují dva systémy areálů (diagrafy rovinného areálového grafu), které pokrývají dané území (rovinu), výsledkem operace overlay (překryvů) je nový systém areálů, který má tyto vlastnosti:- rozsah území, které nový systém pokrývá, je sjednocením území, která pokrývají vstupní systémy areálů- pokud je bod území hraničním bodem některého ze vstupních systémů areálů, pak je hraničním bodem i v novém systému areálů- každý areál v novém systému nese informace tom, ze kterých areálů vstupních systémů vznikl
Bufferování
vytváření bufferu (zóny) okolo bodu, lomené čáry, areálu ve formě nového areálového prvku
obtížnější operace než v rastrových systémech
Objekty nebo vrstvy?
V minulých lekcích jsme diskutovali o rastrové nebo vektorové reprezentaci prostorových dat. Při návrhu datového modelu, ve kterém máme reprezentovat obsah map, volíme mezi:
rastrem - rozdělení mapy do sekvencí identických, diskrétních elementů a vymezit obsah každého tohoto elementu
vektorem - vymezit prvky znaky existující na mapě, reprezentovat každý znak jako bod, liniový prvek nebo areál
Cílem GIS ovšem není reprezentovat obsah map, ale modelovat realitu. I když mapa je vhodným nástrojem pro reprezentaci geografické variability, způsob reprezentace obsahu mapy se může lišit od způsobu reprezentace, který požadují analytické operace v GIS.
Diskuse o reprezentaci vektor x raster je pouze částí diskuse o způsobu reprezentace reality v prostorových datových modelech. Tato kapitola se zabývá diskusí mezi reprezentací pomocí objektů nebo vrstev. Oba typy těchto reprezentací používají pro popis reality body, liniové prvky a areály, rozdíl spočívá v tom, jak obsah datového modelu reprezentuje reálný svět.
Reprezentace reality pomocí vrstev
reálný svět je spojitý - existuje nekonečně mnoho bodů v reálném světě.
lokalizace bodu je specifikována pomocí nějakého souřadného systému, naše schopnost určit přesnou lokalizaci je omezená - například přesností měřícího zařízení
geografie může být popsána pomocí proměnných (půdní typ, průměrná březnová teplota, hustota obyvatelstva, každá z těchto proměnných může tvořit vrstvu - vrstva popisuje změny proměnné na povrchu Země
datový model je navržen tak, aby poskytovala informaci o hodnotě každé proměnné v každé lokalizaci- reprezentace pomocí rastrů - hodnoty proměnných jsou uchovávány v buňkách- reprezentace pomocí polygonů - hodnoty proměnných jsou shodné uvnitř území, vymezeného polygonem
někdy jsou používány objekty různých druhů - body, linie, areály - které existují v databázi, ale neexistují v reálném světě (hranice nebo další liniové objekty)
Reprezentace reality pomocí objektů
lidé vidí svět jako prázdný prostor zaplněný různými typy objektů, objekty jsou užívány v komunikaci mezi lidmi
umístění objektů se hovoří spíše jako o relacích mezi objekty (obec je blízko města) než v souřadnicích
objekty nejsou umělé konstrukce pro popis variabilní reality (jako vrstvy), ale slouží k základnímu porozumění geografické realitě
objekty mohou být body, linie a areály
na jednom místě může se může nacházet libovolný počet objektů
stejný objekt může být reprezentován různě v závislosti na měřítku
vlastnosti objektů lze dobře popisovat v čase
objekty mají vlastní identitu
objekty mohou dědit vlastnosti rodičovských objektů
objekty mohou mít zapouzdřeny operace, které s nimi lze provádět
Argumenty pro přístup z pohledu vrstev
existují reálně objekty? (pokud ano, je nutné přesně určit umístění objektu, tedy které body paří do objektu a které ne)
některé modely životního prostředí a fyzické geografie jsou kompatibilní s vrstvami (meteorologické snímky, půdní a vegetační typy, biodiverzita, atd.)
gradienty (objektový pohled pracuje s diskrétními objekty, geografické změny v území jsou spojité)
Vrstvy a objekty v různých aplikačních oblastech
správa zdrojů - model vrstev: geografická variabilita může být popsána relativně malým počtem proměnných, reprezentace se výrazně nemění s měřítkem
utility - model objektů: velký počet různých prvků, objekty mohou ležet na jednom místě
doprava, hydrologie - oba modely: silnice a železnice, vodní toky mohou být dobře modelovány jako liniové objekty, často jsou potřebné plošné objekty pro analýzy (jezera, oblast hluku okolo silnice), ochranná pásma se lépe modelují jako vrstvy
Zkušební otázky
Porovnej operaci vytváření zóny – buffering – v rastrových a vektorových systémech. Pojmenuj výhody a nevýhody obou systémů při realizaci této operace.
V odstavci „Topologické operace“ jsou uvedeny tři typy operací. Jaké další mohou existovat. Uveď ke každému typu příklad možné aplikace v reálném GIS.
Uveď příklady dat, která je vhodné uchovávat ve vrstvách. Uveď příklady dat, která je vhodné uchovávat v objektech.
Připomínky a dotazy k obsahu lekce posílej, prosím, na adresu:
Rudolf Richter,
Lekce 5 - Přehled funkcí GIS
Struktura GIS
Základní funkce GIS
Společné procesy v projektech GIS
Vstup dat
Aktualizace dat
Výměna dat
Distribuce dat
Odvození dat PAGEREF _Toc482979732 \h 4
Dotazy a analýzy
Vytváření map
Ostatní výstupy
Evidence provozu IS pomocí metainformačního systému
Vztah základních funkcí a společných procesů GIS
Příklad: GIS správce kanalizační sítě
Příklad: GIS podporující tvorbu územního plánu
Zkušební otázkyF _Toc482979740 \h 6
Cíle lekce
definovat základní funkce GIS
definovat společné procesy v GIS - příklad dekompozice procesů na při návrzích GIS
Struktura GIS
V obecném pojetí je geografický informační systém (GIS) informační systém, v jehož datovém modelu se vyskytují prostorové (topologické nebo geometrické) objekty (entity). Vlastnost objektu „být prostorový“ deklaruje formálně architekt informačního systému v rámci návrhu jeho datového modelu.
Na GIS lze stejně jako na jakýkoliv jiný informační systém pohlížet z několika pohledů:
pohled uživatele, který je vyjádřen požadovaným datovým obsahem a požadavky na činnost systému
pohled návrháře (architekta) systému, který je specifikován v návrhu systému, v jeho datovém modelu a funkcích systému - procesech probíhajících nad daty
pohled provozáře, kterého zajímá prostředí (hardware a základní software), ve kterém se systém provozuje, personál a organizační normy potřebné k provozu systému
V dalším textu se zabýváme především druhým z uvedených pohledů na GIS. Pohled uživatele se projevuje především v zadáních příkladů.
Obsah GIS je určen:
datovým modelem GIS
funkcemi (procesy) GIS
V minulých lekcích vymezujeme GIS na základě jeho datového modelu. Alternativně (duálně) bychom mohli definovat GIS jeho funkcemi: GIS je informační systém, který obsahuje prostorové funkce. První variantu jsme zvolili proto, že definovat prostorová data je snadnější než prostorové funkce.
Funkcemi GIS (které lze z didaktických důvodů rozdělit na vstup, správu, analýzy a vystup dat) a datovým modelem GIS se zabýváme v následujících lekcích.
Základní funkce GIS
Geografický informační systém (GIS) je počítačově orientovaný systém zabezpečující
vstup
management (správa) dat
analýzu
výstup
geograficky vztažených dat. Vstup, management (správa), analýza a výstup dat jsou základní funkce GIS.
Za geografická (geograficky vztažená) data považujeme data, která mají dvě složky:
fyzikální nebo klasifikační složku obsahující neprostorová, popisná, atributová , předmětná (...) data
pro