Transcript Uvod u GIS - visoka građevinsko geodetska škola beograd

Visoka građevinsko-geodetska škola,
Beograd, 2009.
Geografski informacioni sistem (GIS)
• GIS predstavlja kompjuterizovani, integrisani sistem za prikupljanje,
kompiliranje, skladištenje, održavanje i rad sa prostornim i atributnim
podacima geografski lociranim na Zemlji ili u prostoru.
• To je kompjuterski softverski sistem koji čini srce jednog
geoinformacionog sistema, sa mogućnostima održavanja,
editovanja, analiziranja i razmene geografski referenciranih
podataka i informacija.
• Ovaj softver omogućava dalje korisnicima da pravljenjem prostornih
upita rade kompleksne analize, kreiraju planove ili karte sa
statističkim podacima i prezentiraju rezultate svojih istraživanja,
generisanjem grafičkih i alfanumeričkih izveštaja u integrisanom
okruženju.
Komponente GIS-a su:
•
Ljudi
 Ljudi moraju da razvijaju procedure i da definišu zadatke GIS-a. Ljudi često
moraju da savladaju nedostatke ostalih komponenata GIS-a.
•
Podaci
 Raspoloživost i tačnost podataka može uticati na rezultate nekog upita ili analize.
•
Hardver
 Hardverske mogućnosti utiču na brzinu procesa, jednostavnost korišćenja i vrstu
izlaznog produkta.
•
Softver
 Ova komponenta ne uključuje samo aktuelni GIS softver, nego takođe i različite
softvere baza podataka, crtačke softvere, statističke softvere, softvere za obradu
fotografija (digitalnih slika) itd..
•
Procedure
 Analiza zahteva dobro definisane, usklađene metode kako bi proizvela korektne,
reproduktivne podatke.
Funkcije GIS-a su:
•
Prikupljanje podataka
 GIS mora da omogući metode za unos geografskih (koordinate) i tabelarnih
podataka. GIS je onoliko raznovrstan, koliko mogućih metoda unosa podataka
omogući.
•
Čuvanje podataka
 Postoje dva osnovna modela čuvanja geografskih podataka: vektor i raster. GIS
bi trebalo da omogući čuvanje geografskih podataka na oba načina.
•
Upiti
 GIS mora da obezbedi pomoćne programe za pronalaženje određenih prostornih
entiteta (features), na osnovu njihove lokacije ili atributne vrednosti.
•
Analiziranje podataka
 GIS mora da ima sposobnost da odgovori na pitanja koja se odnose na
interakciju prostornih veza (odnosa) između mnogostrukih setova podataka (tzv.
datasets).
•
Prikazivanje podataka
 Moraju postojati alati za vizuelizaciju geografskih fičera korišćenjem različitih
simbola.
•
Izlaz (prezentacija) – Output
 Prikazani rezultati trebalo bi da mogu da se prikažu kao izlazni u raznim
formatima, kao što su mape, izveštaji i grafički prikaz.
Primena GIS softverske tehnologije
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Katastar nepokretnosti
Telekominikacije
Geofizička istraživanja
Komunalne organizacije i kompanije kpje pružaju usluge iz oblasti
infrastrukture
Državne agencije i organizacije: popis stanovništva, životna sredina,
zdravstvo i dr.
Lokalna samouprava
Službe hitne pomoći: policija, vatrogasci, lekari
Vojska
Trgovina
Finansijske organizacije: Osiguranje, procena vrednosti zemljišta i
nekretnina
Razne biznis aplikacije
Tri vida GIS-a
Geografski informacioni sistem podržava nekoliko vidova rada sa
geografskim informacijama.
• Geobaze podataka
GIS je sveobuhvatna baza
podataka koja sadrži skupove podataka koji predstavljaju
geografske informacije u smislu generičkog GIS modela
podataka (vektorski objekti (tačke, linije, poligoni) , rasteri,
topologije, mreže, itd.).
• Geovizualizacija
GIS je skup inteligentnih mapa i
drugih prikaza koji pokazuju karakteristike zemljine površi i
njihove odnose. Mogu se konstruisati mape koje prikazuju
različite slojeve geografskih informacija i iste se mogu
koristiti kao "prozori u bazu podataka" da bi se podržala
ispitivanja, analize i editovanje informacija.
• Geoprocesiranje
GIS je skup alata za transformaciju
informacija koji iz postojećih skupova podataka izvodi
nove. Ove funkcije geoprocesiranja primenjuju analitičke
funkcije na postojeće skupove podataka i rezultate
zapisuju u novoizvedene skupove podataka.
Tematski slojevi i skupovi podataka
GIS organizuje geografske podatke u tematske slojeve i tabele. Kako su
geografski skupovi podataka u GIS-u georeferencirani, oni imaju realne
lokacije i međusobno se preklapaju.
Homogeni skupovi
prostornih objekata su
organizovani u slojeve kao
što su parcele, izvori,
zgrade, ortofoto snimci i
raster digitalni modeli.
Precizno definisani skupovi
prostornih podataka su od
presudnog značaja za
praktičnu upotrebu
geografskih informacionih
sistema, dok je princip
tematskih slojeva od
velikog značaja za GIS
skupove podataka.
Geografski prostorni
entiteti
(Geographic features)
Lokacija u realnom svetu
Organizovanje
prostornih
podataka
Predstavljanje geografskih prostornih
entiteta (Geographic Features)
•
•
•
Feature (prostorni entitet, geo-objekat...) se može definisati kao entitet iz
realnog sveta (parcela, zgrada, drvo,...), opservacija ili događaj (nepogoda,
požar,...).
Nemoguće je prikupiti sve iz realnog sveta unutar računara. Umesto toga,
korisnici GIS-a moraju nekako da apstrakuju fenomene realnog sveta, ili
entitete, u geometrijski prikaz tih entiteta. Postoje tri osnovna oblika koji se
koriste za geografske prostorne entitete (Geographic features):
 Tačke
 Linije i
 Površi.
Ovi oblici se često nazivaju geometrijski objekti, geometric features ili
feature class (klasa prostornih entiteta). Termin “feature class” se koristi
kako bi ukazao na bilo koju grupu tačaka, linija ili poligone, bez obzira na
format u kom se čuvaju podaci. To je kolekcija prostornih entiteta
(features) sa istim tipom geometrije (npr. autoputevi, glavne saobraćajnice,
sporedne saobraćajnice i sl.)
Postoje različite metode pretvaranja ovih entiteta u digitalni oblik, uključujući
skeniranje i digitalizaciju.
Predstavljanje geografskih prostornih
entiteta (Geographic Features)
Kako opisujemo geografske prostorne entitete (features)?
• Uz pomoć dva tipa podataka:
– Prostorni podaci (gde)
• određuju lokaciju
• čuvaju se u shape fajlu, geobazi podataka ili sličnom geografskom fajlu
– Atributni podaci (šta, koliko, kada)
• određuju karakteristike na toj lokaciji, bilo prirodne ili kreirane od strane
čoveka
• čuvaju se u tabeli baze podataka
Kako se oni digitalno predstavljaju u GIS-u?
• Grupisanjem u lejere na osnovu sličnih karakteristika (hidrografija, nadmorske
visine, vodeni tokovi, kanalizacione linije, prodavnice...) i korišćenjem:
– Vektorskog modela podataka (coverage u ARC/INFO, shapefile u ArcView)
– Rasterskog modela podataka (GRID ili Image u ARC/INFO & ArcView)
• Izborom odgovarajućih osobina podataka za svaki lejer uzimajući u obzir:
– projekciju, razmeru, tačnost i rezoluciju
Kako ih spajamo sa kompjuterskim aplikacionim sistemom?
• korišćenjem sistema za upravljanje relacionim bazama podataka (RDBMS)
Rasterski model podataka
•
•
•
•
•
•
Površ je prekrivena mrežom kvadratnih ćelija (najčešće), jednakih veličina.
Poznate su koordinata krajnjih tačkaka mreže (dvo-dimenzionalana matrica),
pa je ovakav set podataka time jednoznačno definisan.
Atributi: Jednoj ćeliji se dodeljuje jedna vrednost (u većini slučejeva). Zajedno
ove vrednosti čine jedan sloj, a baza podataka može imati veliki broj takvih
slojeva.
Image – slikovni podaci su vrsta rastera čiji “atributi” predstavljaju vrednosti
refleksije iz spektra geomagnetskog zračenja.
– ćelije se kod slikovnih podataka često nazivaju pikseli (elementi slike).
Većina rasterskih podataka se dobija kao rezultat:
– daljinske detekcije (LANDSAT, SPOT,...),
– skeniranja planova i karata (mapa),
– digitalni model visina, ...
Rasterski model podataka najbolje je koristiti kod neprekidnih prostornih
entiteta (features):
– visine,
– temperature,
– tipove zemljišta,
– način korišćenja zemljišta,...
Vektorski model podataka
• Osnovni koncept vektorskog GIS-a je taj da se svi prostorni entiteti
iz realnog sveta mogu predstaviti ili kao:
 Tačke (ili čvorovi): drveće, aerodromi, gradovi,...; ili kao
 Linije (lukovi): vodeni tokov, ulice, kanalizacija,...; ili kao
 Površi (poligoni): parcele, gradovi, države, šume, vrste stena,...
• Lokacije su određene x, y kordinatama, koje se mogu povezati radi
formiranja linija i poligona.
• Veza sa atributima iz tabele uspostavlja se na osnovu ID broja
(jedinstvenog identifikatora – svakom prostornom entitetu (feature)
dodeljen je ID)
• Naljbolja primena postiže se kod prostornih entiteta sa diskretnim
granicama:
– granice poseda
– političke granice
– transport
Rasterski i vektorski model podataka
Realan svet
Rasterski prikaz
Vektorsk prikaz
Rasterski i vektorski model podataka
Fajl formati za rasterske prostorne podatke
Rasterski model je implementiran u nekoliko različitih kompjuterskih
fajl formata:
• GRID je ESRI-jev format za čuvanje i obradu rasaterskih podataka
• Standardni formati slikovnih podataka, kao što su JPEG, TIFF i
MrSid formati, mogu se koristiti za prikaz rasterskih podataka ali ne i
za analizu (moraju se konvertovati u GRID)
• Georeferenciranje je potrebno radi prikaza slikovnih podataka
zajedno sa vektorskim podacima na mapi.
– Zahtevaju pratići fajl koji pruža informaciju o lokaciji na zemljinoj
površi.
Image
TIFF
Bitmap
BIL
JPEG
Image File
image.tif
image.bmp
image.bil
image.jpg
World File
image.tfw
image.bpw
image.blw
image.jpw
Fajl formati za vektorske prostorne podatke
Opšti vektorski modeli su implementirani od strane proizvođača softvera u
specifične kompjuterske fajl formate
Shape fajl (ArcView, 1993)
• može da sadrži samo jednu klasu prostornih entiteta (feature class)
• atributna tabela se čuva u dBASE formatu i njeno ime je shapefile.dbf
• svaki shape file se sastoji od najmanje tri fajla: shapefile.shp, shapefile.shx,
shapefile.dbf (ako shape fajl ima definisan koordinatni sistem, prostorna
referentna informacija se čuva u shapefile.prj fajlu)
Coverage (ArcInfo, 1981)
• Može da sadrži jednu ili više klasa prostornih entiteta (feature class)
• Atributi se čuvaju u INFO tabeli
• Više fizičkih fajlova (12 ili više) u jednom folderu → fajlovi sa podacima o
lokaciji i fajlovi sa opisnim podacima za datu geografsku oblast
Geodatabase (ArcGIS 8.0, 2000)
• Svaka klasa prostornih entiteta može da čuva jedinstven tip prostornih
entiteta, a mogu i da se grupišu u kolekciju koja se naziva feature dataset
(set podataka), jedini uslov je da imaju isti koordinatni sistem.
• Čuva prostorne entitete (features) i njihove atribute u istoj bazi podataka.
– za projekte malih opsega čuva se u MDB formatu (kao jedan .mdb fajl)
– za projekte većeg opsega čuva se u nekom od podržanih RDBMS
formata
Tabele
Struktura tabele:
• Svaka tabela je podeljena u redove (zapise) i kolone (polja).
• Tipovi podataka koji se čuvaju u kolonoma mogu biti brojevi,
tekstovi, datumi, ...(tipovi podataka polja se razlikuju u zavisnosti od
formata tabele).
Kolona (polje)
• Jedinstveni nazivi kolona
Red
(zapis)
Vrednost
atributa
Atributne Tabele
•
•
Atributne tabele sadrže opisne informacije o prostornim entitetima
(features).
Svaka klasa prostornih entiteta (feature class) je povezana sa
odgovarajućom tabelom.
Svaki red je rezervian za po jedan prostorni entitet (features).
•
Svi prostorni entiteti u tabeli imaju iste atribute
•
Svaki prostorni entitet ima svoj ID (jedinstveni identifikator)
•
Jedinstveni identifikator
(primarni ključ)
entitet
Atribut
Vrednost
atributa
Osnovna razlika između CAD i GIS sistema
•
•
•
•
•
•
I CAD (Computer Aided Design) i GIS sistemi omogućavaju grafički prikaz
prostora:
– CAD “vidi svet” kao 3D-kocku
– GIS “vidi svet” kao sferu
CAD sistem namenjen je, između ostalog, i automatskoj izradi karata.
Uobičajeno, ogromna količina podataka prikazana je na različitim slojevima,
a karakterističan sadržaj prikazan je različitim simbolima.
GIS raspolaže takođe velikom količinom podataka, ali za razliku od CAD-a ti
podaci su hijerarhijski i svrstani po kategorijama i značenjima (features).
– Jednom prostornom entitetu (feature), sobzirom na njeno značenje,
može biti pridruženo više prostornih entiteta (features), što omogućava
pregledanje sadržaja karte ne više po slojevima, već po stvarnim
značenjima pojedinih grafičkih elemenata (npr. granica države može da
predstavlja i granicu katastarske opštine, kao i samu granicu
katastarske parcele)
GIS omogućava istovremenu manipulaciju sa ogromnim bazama podataka i
prikazivanje samo potrebnih delova tih podataka na pravi način, kao i
zaštitu i autorska prava nad podacima.
CAD sistemi imaju izvesnu mogućnost povezivanja sa tabelama (na primer
MDB), ali je to za specifične potrebe.
Pretraživanje informacija sasvim je nemoguće u programima tipa CAD, dok
u GIS okruženju postoji nekoliko mogućnosti formiranja upita uz upotrebu
posebnih funkcija koje poseduje GIS ili sama baza podataka.
Prostorne analize
Najveća vrednost GIS tehnologija je mogućnost analiza geografskih objekata i fenomena
realnog sveta.
Prostorne analize zasnivaju se na korišćenju raznih tehnika i metodologija (matematički
algoritmi i funkcije, statističke funkcije, verovatnoće, ...).
U opštem slučaju razlikujemo sledeće tipove prostornih analiza:
•
Postavljanje upita i generisanje raznih izveštaja
Savremeni GIS softveri raspolažu alatima za pristup podacima u DBMS sistemima, koji i
standardnim korisnicima daju mogućnost da postavljaju upite bazirane na traženoj lokaciji
ili atributima kao parametrima. Kombinacijom ovih upita mogu se od podataka generisati
razne informacije i tako praviti izveštaji, radi analize ili se kombinovati sa drugim izvorima
informacija.
Kompleksniji upiti se mogu postavljati poznavajući sintaksu SQL jezika baza podataka.
– Upiti po atributu
• Koristi SQL “where” (gde) klauzulu da bi selektovao prostorne entitete (features)
• SQL jezik se koristi da bi se definisao jedan ili više kriterijuma po kojima korisnik
želi da selektuje prostorne entitete (features), tj. redove iz atributne tabele.
Kriterijumi se definišu korišćenjem izraza koji se sastoje od atributa, operatora i
vrednosti.
– Upiti po lokaciji
• Pronalaženje prostornih entiteta (features) na osnovu njihove geografske ili
prostorne veze sa drugim prostornim entitetima (features).
• na onovu prostornih entiteti jednog lejera, selektuju se prostorni entiteti u drugom
lejeru
Prostorne analize
•
•
•
•
Merenja
Najčešći slučejevi utvrđivanja odnosa između geografskih objekata
su merenje dužina objekata i međusobnih rastojanja, utvrđivanje
površina, oblika, određivanje pravaca, nagiba, itd.
Transformacije
Obuhvataju metode pretvaranja jednog modela podataka u drugi (npr.
prevođenje rasterskog u vektorski model), prostorne interpolacije,
prostornu regresiju, buffer operacije idr.
Prostorne interakcije
Ovaj tip analize omogućava protok ljudi, materijala, informacija i dr. između
geoprostornih lokacija. Analize se vrše na osnovu definisanog
funkcionalnog modela i parametara, numeričkih metoda obrade.
Simulacije i modeliranje
Ovaj tip prostorne analize se zasniva na testiranju hipoteza korišćenjem
poznatih statističkih metoda, kojima se na osnovu ograničenog uzorka
procenjuje da li je moguća generalizacija npr. na čitavu populaciju.
Prezentacija
Mape
Grafikoni
Izveštaji
• Za mnoge tipove geografskih operacija kao krajnji rezultat najbolja
je vizuelizacija u obliku mape ili grafikona
• Mape su veoma efikasne za čuvanje i razmenu geografskih
informacija.
– Mape se mogu integrisati sa izveštajima, todimenzionalnim
pogledima, digitalnim fotografijama i ostalim digitalnim medijima.
Prezentacija
• Tumačenje rezultata dobijenih određenom analizom u mnogome
zavisi od načina prikaza tih rezultata. Zato je važno odabrati
odgovarajuću formu prikazivanja. Razmera i boje treba da budu
odgovarajući, a sama mapa mora biti lako razumljiva.
• Generisanje grafičkog sadržaja u GIS softverima relativno je lako ,
kao i promena razmere. Ono što nije tako jednostavno je
kontrolisanje sadržaja generisanog prikaza na ekranu (GIS
automatski ne primenjuje sve kartografske principe kod generisanja
sadržaja i prilagođavanja zahtevanim razmerama)
ESRI ArcGIS Sistem
c:\ ArcGIS Workstation
Clients
ArcInfo
ArcEditor
ArcView
ArcMap
ArcCatalog
ArcToolbox
ArcMap
ArcCatalog
ArcToolbox
ArcMap
ArcCatalog
ArcToolbox
ArcEngine/
ArcObjects
Application
Development &
Customization
$
Consistent interface
Increasing capability
ArcExplorer
Browser
ArcServer Services
Full GIS analysis
ArcIMS Services
ArcSDE Services
Map display & query
Database storage/access
Internet
ArcPad
Files
(Personal Geodatabase,
Shapefiles, Coverages,
Grids, tins, etc)
Databases
Multi-user Geodatabases
(in Oracle, SQL Server,
IBM DBII, etc)
Izvor: ESRI with mods.
ESRI ArcGIS
ArcGIS Dektop sadrži tri integrisane aplikacija: ArcMap, ArcCatalog, i
ArcToolbox.
Zajedničkim korišćenjem ove tri aplikacije može se izvršiti bilo koji
zadatak GIS-a, od jednostavnog do naprednog.
• ArcMap je osnovna ArcGIS aplikacija za prikaz, kreiranje upita,
uređivanje, kreiranje i analizu podataka.
• ArcCatalog aplikacija služi za pregled, organizovanje i upravljanje
GIS podacima.
• ArcToolbox pruža podatke za konverziju podataka, upravljanje
koordinatnim sistemima i promenu projekcije mape (ArcView &
ArcEditor) plus dodatne i savršenije alate za konverziju i analizu
podataka (ArcInfo)
ESRI ArcGIS
ArcGIS Desktop-u se može pristupiti korišćenjem tri softverska paketa,
koji se razlikuju po stepenu funkcionalnosti, a to su:
• ArcView
– ArcView pruža sveobuhvatne alate za kartiranje i analizu uz
alate za jednostavno uređivanje (editing) i geoprocesiranje
• ArcEditor
– ArcEditor uključuje punu funkcionalnost ArcView-a, kao i
napredne mogućnosti uređivanja (editing) (i za coverage i geobaze podataka).
• ArcInfo
– ArcInfo obuhvata funkcionalnost oba i uključuje napredno
geoprocesiranje
ESRI ArcGIS
ArcGIS Server:
• Data services: ArcSDE (Spatial Database Engine)
– Služi kao podrška prostornim podacima uskladištenim u
standardnom DBMS-u na serveru
– Podržava sve baze podataka velikih proizvođača
• Oracle, SQL-Server, IBM DB2, Ingres
• Map services: ArcIMS (Internet Map Server)
– Nude mape i jednostavne upite korisnicima koji nemaju GIS
Desktop
– Pristup putem web interfejsa
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
Dr Zoran Popović, Osnove geoinformacionih sistema, 2008.
www.esri.com
Dr Ronald Briggs, Geographic Information Systems –
Fundamentals, The University of Texas at Dallas, 2009.
Dr Ronald Briggs, Introduction to GIS, The University of Texas at
Dallas, 2009.
Mag. Samo Drobne, Geografski informacijski sistemi, Fakulteta za
gradbeništvo in geodezijo