Geografický informační systém

Geografický informační systém (GIS; anglicky Geographic information system) je počítačový systém, který umožňuje ukládat, spravovat a analyzovat prostorová data.

Většina objektů a jevů reálného světa se vyskytuje na některém místě zemského povrchu (např. strom, dům, řeka) nebo má vztah k některému místu na zemském povrchu (občan má někde trvalé bydliště, výrobek byl vyroben v určité továrně). Zároveň se tyto objekty vyskytují v daném prostoru společně s mnoha dalšími objekty a navzájem se ovlivňují. Proto znalost umístění a vzájemných prostorových souvislostí mezi objekty je velmi významná a může sehrát důležitou roli v řadě oborů lidské činnosti, od návrhu umístění jaderné elektrárny až po návrh obchodní sítě a vyhodnocování její úspěšnosti.

Prakticky to znamená, že v našich datech v počítači musíme mít zaznamenáno obojí současně, tj. jak vlastní údaje o objektu, tak údaje o jeho poloze. Tomuto typu dat říkáme geografická (nebo prostorová) data a počítačovému systému, který umožňuje ukládat a využívat taková data, říkáme geografický informační systém, zkráceně GIS.

Definice GIS

Existuje mnoho definic geografických informačních systémů. Pro příklad uvádíme dva vybrané definice.

„Organizované spojení počítačového hardware, software, geografických dat a osob, vytvořené za účelem efektivního získávání, ukládání, aktualizace, manipulace, analýzy a zobrazení všech forem geograficky lokalizovaných informací.“ Zjednodušeně: „Počítačový systém umožňující ukládání a využívání dat, které popisují místa na zemském povrchu.

Skládání vrstev [7]

Česká internetová stránka Arcdata Praha zabývající se problematikou Geografických informačních systémů od firmy ESRI uvádí definici GIS jako:

„Geografický informační systém je organizovaný souhrn počítačové techniky, programového vybavení, geografických dat a zaměstnanců navržený tak, aby mohl efektivně získávat, ukládat, aktualizovat, analyzovat, přenášet a zobrazovat všechny druhy geograficky vztažených informací.“

Historie

V roce 1969 založili manželé Jack a Laura Dangermondovi v Kalifornii soukromou konzultační skupinu Environmental Systems Research Institute, Inc. (ESRI). Vstupním kapitálem bylo jen něco málo přes 1000 dolarů a starý dům v Jackově rodišti, v Redlands. (California) Během sedmdesátých let se v ESRI zaměřili na vývoj základních principů GIS a jejich využití na reálných komerčních projektech. Z projekční firmy se postupně stala firma vyvíjející software a pokládající základy toho, čemu dnes říkáme geoinformační technologie. V roce 1982 byl uveden na trh první geografický informační systém ARC/INFO určený pro minipočítače a v roce 1986 PC ARC/INFO pro osobní počítače. V 90. letech si ESRI upevnilo svoji pozici na trhu s produktem ArcView, jehož bylo prodáno několik set tisíc instalací. V roce 1997 v ESRI zahájili práci na komplexním projektu, jehož cílem bylo přeprogramovat veškerý software na produkty založené na COM objektech. První výsledek mohli uživatelé otestovat v prosinci roku 1999 v podobě produktu ArcInfo 8. Dále je také představen ArcIMS, první software umožňující uživatelům využívat a integrovat lokální data s daty v prostředí internetu. V dubnu 2001 je uvolněna verze ArcGIS 8.1, která byla základem pro současnou rodinu produktů, ze které lze vystavět komplexní GIS pro všechny úrovně organizací. V květnu 2004 potom ESRI uvádí na trh další generaci produktů ArcGIS 9, jejíž součástí jsou dva nové produkty ArcGIS Engine a ArcGIS Server. V roce 2010 představuje ESRI světu novou verzi ArcGIS 10, která nahrazuje dosavadní verzi ArcGIS 9.3. ArcGIS 10 nabízí zásadní inovace ve všech oblastech využití GIS, ať se již jedná o vizualizaci dat, geoprocessing, práci s rastrovými daty nebo možnosti serverových technologií. Zvláštní pozornost byla věnována zejména zvýšení komfortu asnadnosti ovládání.

Prostředí ArcGIS 10 dostalo novou podobu, vizuálně byly vylepšeny ikony i systémové dialogy. V aplikaci ArcMap je také zavedeno nové katalogové okno, ve kterém má uživatel přístup k funkcím aplikace ArcCatalog bez zamčení dat. ArcCatalog je však stále součástí systému ArcGIS i jako samostatná aplikace. ArcGIS 10 výrazně zjednodušuje editaci. V ArcGIS Desktop jsou zavedeny editační šablony, umožňující ihned kreslit prvek s nastavenou symbolikou a výchozími hodnotami atributů. Přibylo zde také několik desítek geoprocessingových nástrojů, z nichž některé slouží pro tvorbu a kontrolu cyklů v geoprocessingovém modelu. ArcGIS 10 je přizpůsoben k těsné komunikaci s webovým portálemArcGIS Online, ze kterého lze volně používat podkladové mapy a družicové snímky. Pokud odjíždíte na pracovní cestu, můžete si pro svůj počítač vypůjčit licenci ze svého licenčního serveru a pracovat bez nutnosti být k licenčnímu serveru připojen.

Dnes ESRI zaměstnává více než 4000 lidí, z toho cca 1700 v sídle firmy v Redlands. V USA má 10 regionálních poboček a více jak 80 mezinárodních distributorů ve 150 zemích světa. V ČR jsou to Arcdata Praha. Produkty ESRI využívá přes 300 tisíc organizací po celém světě, téměř všechny federální úřady v USA a cca 24 000 institucí státní správy na světě.

Ukázka prostředí ArcMapu 10.2.1

Základní komponenty geografických informačních systémů

Základní komponenty geografických informačních systémů jak uvádí Vít Voženílek ve své knížce Geografické informační systém I. Pojetí, historie, základní komponenty (1998) jsou:

• Hardware
• Software
• Data
• Obsluhující personál

Pro efektivní práci systémů je nezbytná jejich vyváženost. Hardware, neboli technické vybavení, představuje technickou základnu geografických informačních systémů. Software, neboli programové vybavení, představuje soubor programů vykonávající veškeré operace systému. Data jsou klíčovým prvkem každého geografického informačního systému. GIS je z pohledu organizační struktury skutečným systémem. Jeho fungování je souhrnem činností, které zabezpečují jednotlivé funkce systému.

Geografická data

Dimenze geoobjektů

Základním dělením geoobjektů je dělení podle počtu dimenzí. Reálné objekty na zemském povrchu jsou vždy trojrozměrné. Do prostředí GIS se však převádí (transformují) dle potřebné úrovně zjednodušení (generalizace).

• 0D geoobjekty – bezrozměrné objekty, body, definované pouze svou polohou. Příkladem může být například autobusová zastávka v GISu modelujícím dopravu nebo GSM vysílač v GISu mobilního operátora modelující pokrytí signálem.
• 1D geoobjekty – jednorozměrné obj., úseky čar (hran, linií), s konečnou délkou a nulovou plochou. Pomocí 1D geoobjektů se nejčastěji modelují silnice, řeky apod.
• 2D geoobjekty – dvojrozměrné obj., mnohoúhelníky (plochy, polygony), s konečným obvodem a konečnou plochou.
• 3D geoobjekty – trojrozměrné obj., geometrické těleso. V GISech se používají výjimečně, ve specifických případech. Třetí rozměr je v GISech nejčastěji modelován pomocí tzv. digitálního modelu terénu (DMT, anglicky DEM) útvarem "Povrch" (surface) - spojenými topologickými plochami (2,5D).

Základem každého GIS jsou geografická data. Geografická data jsou informace o zemském povrchu a objektech, které se na něm nachází. Data si lze představit jako určité vrstvy informací, které se nazývají témata. Každé téma reprezentuje určitý prvek (např. silnice, jezera, města a podobně). Geografická data mohou být v GIS organizována dvěma základními modely:

Vektorový model dat

odráží reálné objekty jako výplň prostoru třemi základními typy prvků ve zvoleném souřadnicovém systému:

• body – reprezentují objekty, které mají příliš malou plochu, aby se daly zobrazit jako plochy (sídla).
• linie – reprezentují objekty, u nichž je důležitá délka a jejichž plocha je zanedbatelná (silnice, řeky).
• plochy – reprezentují veliké objekty, které nelze zobrazit bodem (lesní plochy, zemědělské plochy, jezera)

Vektorová data jsou v GISech organizována a ukládána podle různých vektorových modelů.

• Špagetový model – Ve špagetovém modelu jsou všechny typy objektů, bez ohledu na počet dimenzí, uloženy v jednom heterogenním seznamu:
  • typ objektu – bod, čára, polygon
  • parametry objektu – jedna či více souřadnic

Ve špagetovém modelu není obsažena žádná informace o topologii (sousednost, orientace, konektivita, obsahování), a proto je tento model pro analýzu geodat obtížně použitelný. Navíc zde dochází k redundanci dat.

• Hierarchický model – Hierarchický model ukládá data hierarchicky s ohledem na počet dimenzí. Vychází z faktu, že polygon se skládá z několika linií, linie z několika úseček, úsečky jsou pak spojením dvou bodů. Tyto elementy jsou pak v GISu uloženy samostatně, nejčastěji v geodatabázi.
• Topologický model – Topologický model je kompromisem mezi špagetovým a hierarchickým modelem. Ukládají se pouze body a čáry, přičemž k čáře lze připojit informaci o její orientovanosti, podle níž lze pak určit sousední polygon vlevo a vpravo.

K těmto datům lze připojit široké spektrum atributů (atributových dat), které popisují dané prvky, přiřazují jim určitou charakteristiku. Uchovávají se v tabulkách. Může jich být, kolik chceme a mohou být libovolně složité.

Rastrový model dat

je charakterizován množinou bodů stejné velikosti pravidelně uspořádaných v řádcích a sloupcích, podobně jako jakýkoli jiný obrázek v počítači. Přesnost daného modelu je pak určena velikostí bodu, který má danou vlastnost – barvu. (Co je GIS, 2007). Rastrová data zahrnují obrázky, letecké nebo družicové snímky, nebo naskenovaná data (to znamená data převedená z tištěného formátu do digitálního). Spojení grafických a tabelárních dat a užití nástrojů software GIS umožňuje vizualizaci a prezentaci těchto dat, napojení dalších statistických informací či uživatelských tabulek, jakotž i široké spektrum prostorových analýz (ARCDATA Praha : Geografická data, 2007).

Pro digitální data je typické uspořádávání informací do geografických vrstev. Názorně si lze tyto vrstvy představit jako na sebe vrstvené průsvitky tematických vrstev. Na uživateli zůstává, se kterou vrstvou chce pracovat, které chce mít zobrazeny, a které nečinné. (Co je GIS, 2007)

Geografické prvky

Geografické mapové prvky zahrnují plochy, linie a body, vykreslované z různých coverage v geografické databázi. Plochy jsou polygonovými prvky, jako například plochy funkčního využití území. Hranice pokynů jsou vykreslovány s použitím liniových symbolů. Polygony mohou být vystínovány na základě atributů s využitím barev, šrafur, či obou. Mohou být rovněž označeny atributy s využitím textových symbolů. Liniovými prvky jsou arky, jako například silnice nebo vodní toky. Arky jsou zobrazovány liniovými symboly a označovány atributy pomocí textových symbolů. Bodové prvky reprezentují body nebo identifikační body polygonů. Pro jejich zobrazení se používají symbolické značky a označení se provádí podle atributů s využitím textových symbolů.

Kartografické prvky

Kartografické prvky usnadňují orientaci v mapě a její interpretaci.

• Názvy a vysvětlující text popisují účel mapy a při jejich vykreslení se používá textových symbolů.
• Mapový rám vytváří hranice a vnitřní členění mapy. Zobrazuje se pomocí liniových symbolů.
• Legendy vysvětlují symboly, které se používají pro zobrazení geografických prvků, a využívají k tomu linií, výplní ploch, znakových symbolů a textu.
• Šipky označující sever, mapová měřítka a stupnice určují orientaci a měřítko mapy. Při jejich zobrazení se používá linií, stínovaných ploch a textových symbolů.

Techniky a technologie GIS

Moderní GIS technologie používají digitální informace, pro které se používají různé metody pro tvorbu digitalizovaných dat. Nejběžnější způsob tvorby dat je digitalizace, kde je papírová mapa, kopie nebo plán převeden do digitální podoby pomocí CAD programu s možností geo-odkazování. Díky široké dostupnosti ortorektifikovaných snímků (ze satelitů, letadel) se digitalizace stává hlavní cestu, jejímž prostřednictvím jsou geografické údaje získané. Digitalizace zahrnuje sledování geografických dat přímo kolmo směrem k zemi, namísto tradiční metody překreslování tvarů na digitalizační tablet.

Sběr dat

Získávání dat a přesun informací do systému zabere hodně času. Existuje celá řada metod používaných k zadávání dat do GIS, které jsou uloženy v digitálním formátu. Exitující data vytištěné na papíře nebo PET filmu mohou být digitalizovány nebo skenovány k výrobě digitálních dat. Digitizér produkuje vektorová data jako body, linie a polygony. Skenováním map v podobě rastru, který by mohly být dále zpracováván k výrobě vektorových dat.

Sbíraná data mohou přímo vstoupit do GIS použitím techniky ​​zvané souřadnicová geometrie. Pozice z globálního družicového navigačního systému (GNSS) lze také shromažďovat a následně importovat do GIS. Současným trendem ve sběru dat umožňujícím uživatelům využívat počítače v terénu s možností upravovat živá data pomocí připojení k bezdrátové síti nebo i úpravy bez připojení k internetu. To eliminuje potřebu importovat a aktualizovat data v kanceláři poté, co byla shromážděna prací v terénu. To zahrnuje schopnost začlenit pozic získaných pomocí laserového dálkoměru. Nové technologie umožňují uživatelům vytvářet mapy, jakož i analýzy přímo v terénu, což činí projekty účinnější a mapování přesnější. Dálkově snímané data hrají také důležitou roli při shromažďování údajů a skládají se ze senzorů připojených k platformě. Senzory zahrnují kamery, digitální skenery a LIDAR , zatímco platformy se obvykle skládají z letadel a satelitů. V Anglii v polovině roku 1990, hybridní balónky zvané Helikites první propagoval použití kompaktních digitálních fotoaparátů vzdušných výsadkových jako Geo-informační systémy. Software letadla měřící s přesností na 0,4 mm byl použit k propojení fotografií s měřením ze země. Helikitesy jsou levné a shromažďují přesnější údaje, než letadla. V poslední době vývoj miniaturních bezpilotních dronů. Například dron Aeryon Scout byla použit k mapování 50 akrového areálu s hustotou vzorkování každý 1 palec (2,54 cm) za pouhých 12 minut.

Většina digitálních dat v současné době pochází z fotointerpretace leteckých snímků. Pracovní stanice jsou používány k digitalizování dat ze stereoskopických digitálních fotografií. Tyto stanice umožňují vznik dat zachycených ve dvou a třech dimenzích, s výškami měřenými s využitím dvou obrázků s využitím principů fotogrammetrie . Analogové letecké snímky, musí být kontrolovány před tím, než vstoupí do systému.

Satelitní dálkový průzkum představuje další důležitý zdroj prostorových dat. Satelity používají různé balíčky senzorů pasivně měřící odrazivosti z částí elektromagnetického spektra vln nebo rozhlasových vln, které byly odeslány z aktivního čidla jako je radar. Dálkový průzkum sbírá rastrová data, která mohou být dále zpracovány do různých skupin k identifikování objektů a bodů zájmu, půdního pokryvu. Když jsou data zachycena uživatel by měl zvážit, zda by údaje měly být zachyceny buď s relativní přesností nebo absolutní přesností, protože by to mohlo ovlivnit nejen to, jak budou informace interpretovány, ale také náklady na sběr dat.

Po zadání dat do GIS je data obvykle třeba upravit a odstranit chyby. Vektorová data musí být "topologicky korektní" před tím, než mohou být použity pro některé pokročilejší analýzy. Například v silniční síti musí být spojeny silnice s křižovatkami. U skenovaných map může být nutné odstranit vady ze zdrojové mapy, aby nebyly na výsledném rastru . Například skvrna nečistot může spojit dvě linky, které by neměly být spojeny.

Reprezentace dat

GIS data představují reálné objekty (jako jsou silnice, nadmořské výšky, stromy, vodní cesty, atd.) s digitálními daty. Skutečné objekty lze rozdělit do dvou abstrakcí: diskrétní objekty (např. komora) a kontinuální data (jako množství srážek, nebo nadmořských výškách). Jsou dvě metody používané pro ukládání dat v GIS – rastr a vektor. Body, linie a polygony jsou věci mapovaných lokalizačních atributů referencí. Nové hybridní způsoby ukládání dat umožňují sběr mnoha (mračna) bodů, které spojují trojrozměrné body RGB informace v každém bodě, vrací "3D barevný obraz". GIS tematické mapy pak jsou stále více a více realisticky vizuálním popisem toho, co chceme zobrazit. Pro seznam populárních formátů souborů GIS, jako jsou například shapefile , viz formáty souborů GIS § populárních formátů souborů GIS .

Převod rastru na vektor

převod dat může být proveden pomocí GIS do různých formátů. Například GIS může být použit pro převod satelitního snímku na vektor vytvořením přímem kolem všech buněk se stejnou klasifikací. Náročnější zpracování dat může nastat při zpracování obrazu. Techniky vyvinuté v pozdních 1960 NASA poskytují zesílení kontrastu, falešné podání barev a řadu dalších technik. Vzhledem k tomu, že digitální data se shromažďují a ukládají různými způsoby, data nemusí být zcela kompatibilní. Takže GIS musí být schopen převést geografických dat z jedné struktury do druhé.

Využití GIS

Geografické informační systémy, i když si to mnohdy vůbec neuvědomujeme, nacházejí využití téměř ve všech oborech lidské činnosti, k nejvýznamnějším z nich patří např. veřejná správa, doprava nebo obrana. Implementace GIS je často řízena požadavky jurisdikce (jako je například město), účelem nebo typem využití. Obecně platí, že implementace GIS může být speciálně navržená pro organizaci. Proto nasazení GIS vyvinutý pro určitý typ využití, město, podnikání, nebo jiný záměr nemusí být nutně kompatibilní s GIS, která byla vyvinuta pro jiné aplikace, jurisdikce firmy nebo účel. GIS při integraci s jinými podnikovými řešeními pomáhá vytvářet výkonný systém pro podporu rozhodování na úrovni podniků.

Mnoho oborů může těžit z technologie GIS. Konkurenční prostředí GIS má za následek nižší náklady a neustálé zlepšování v hardwarových a softwarových komponent GIS a využití v oblasti vědy, vlády, obchodu a průmyslu, veřejné zdraví, mapování kriminality, národní obrany , udržitelný rozvoj , přírodní zdroje , klimatologie krajinná architektura, archeologie, regionální a komunitní plánování, doprava a logistika. GIS také zasahuje do lokalizačních služeb, což umožňuje GPS v mobilním zařízení zobrazit jeho umístění ve vztahu k pevným objektům (nejbližší restaurace, čerpací stanice atd.) nebo pohyblivých objektů (přátelé, děti, policejní auto).

Příklady využití GIS

• Veřejná správa

Ministerstva, centrální instituce (Český statistický úřad, Český úřad zeměměřický a katastrální), krajské úřady, magistráty, obecní úřady, katastrální úřady, úřady práce a další. (Např.: územní plán, kamerový systém měst, zpřístupnění dat katastru nemovitostí, evidence)

• Systém rychlého zásahu

Zajištění bezpečnosti obyvatel, centra tísňového volání – vybavení dispečerských pracovišť, analýzy časové dostupnosti zdravotnických záchranných vozidel, mapování kriminality, informační systémy krizového řízení měst a obcí.

• Kartografie

Tvorba turistických map, cyklomap, automap, atlasů, úprava a tisk starých map, ortofotomap.

• Obrana

Tvorba veškerého mapového zázemí armády, analýza a modely reliéfu, využití GPS a aktuálních leteckých a družicových snímků, rychlé mapové služby dostupné z terénu.

• Doprava

Znalost silniční sítě, lokalizace nehod, monitoring aktuální dopravní situace, správa a modelování dopravní infrastruktury, monitoring dopravních nehod, uzavírek či sjízdnosti vozovek, analýzy dopravní obslužnosti v jednotlivých krajích, letové mapy, sledování letadel, tvorba lodních map a staničení.

• Vzdělávání

Diplomové práce na téma GIS, studentské akce a soutěže, speciální zvýhodněné multilicence pro školy.

Web mapping

V posledních letech došlo k explozi mapových aplikacích na webu jako jsou Google mapy, Bing mapy, mapy od Seznam.cz. Tyto stránky umožňují přístup veřejnosti k obrovskému množství geografických dat. Některé z nich jako jsou Mapy Google a OpenLayers, zveřejňují API, pomocí kterých je umožněno uživatelům vytvářet vlastní aplikace. Web mapping také odhalil potenciál crowdsourcingování geodat v projektech jako je OpenStreetMap, což je projekt vytvářející bezplatně upravitelné mapy světa.

Odkazy

Literatura

• ČAPEK, Richard. MIKŠOVSKÝ, Miroslav. MUCHA, Ludvík. Geografická kartografie, Praha: Státní pedagogické nakladatelství Praha, 1992. 373 s. ISBN 80-04-25153-6.

Související články

• Geoportál
• WMS - Web Map Service
• GeoMedia
• GRASS GIS
• Janitor

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu geografický informační systém na Wikimedia Commons
• Geografický informační systém v České terminologické databázi knihovnictví a informační vědy (TDKIV)
• Slovenský a český geokomunitní portál o využívání GI, GIS a GIT v geovědách
• Scripta Úvod do GIS (ZČU)
• Úvod do open source GIS (GISMentors)

Portály: Geografie | Informační věda a knihovnictví

Autoritní data	NKC: ph114617 PSH: 13620 TDKIV: 000000398 BNE: XX667435 BNF: cb121806943 (data) GND: 4261642-6 LCCN: sh90001880 LNB: 000073769 NDL: 00933031 NLI: 987007551319305171