Systemy Informacji Geograficznej (GIS)
Geoinformacja (informacja geoprzestrzenna) jest informacją o położeniu, geometrycznych właściwościach i przestrzennych relacjach obiektów, które mogą być identyfikowane w odniesieniu do Ziemi. Przez obiekty przestrzenne można rozumieć obiekty naturalne i sztuczne związane z powierzchnią Ziemi oraz różne zjawiska (przyrodnicze, społeczne, ekonomiczne), które mogą być rozpatrywane w odniesieniu do Ziemi.
Geoinformacja powstaje w wyniku powiązania informacji tekstowej o obiekcie z miejscem w przestrzeni geograficznej.
Geoinformatyka – zastosowanie informatyki w naukach o Ziemi. Termin stosunkowo rzadko stosowany w języku angielskim, natomiast popularny w języku niemieckim (Geoinformatik).
Geomatyka – Dyscyplina naukowo-techniczna zajmująca się pozyskiwaniem, analizowaniem, interpretowaniem, upowszechnianiem i praktycznym stosowaniem geoinformacji. Według Oxford English Dictionary Online (2004) geomatyka jest matematyką Ziemi, tj. nauką o pozyskiwaniu, analizie i interpretacji danych, zwłaszcza pomiarowych, które odnoszą się do powierzchni Ziemi.
KARTOGRAFIA KOMPUTEROWA (nag. COMPUTER ASSISTED CARTOGRAPHY) – Stosowanie metod i technik informatycznych do opracowania map oraz wizualizacji danych geograficznych, zwłaszcza w systemach informacji geograficznej.
1989 – A. V. Koshakanow, V. S. Tikunov & A. M. Trofimov. System z zawansowanymi możliwościami geomodelowania.
1991, 1998 – D. J. Maguire. System Informacji Geograficznej to zintegrowany zestaw sprzętu komputerowego, oprogramowania, danych i specjalistów, które to elementy działają w kontekście instytucjonalnym.
1994 – Z. Zwoliński. System Informacji Geograficznej to zinstytucjonalizowana technologia informacji, która składa się z narzędzi, umożliwiających zbieranie i przechowywanie oraz dowolne odzyskiwanie, przetwarzanie i prezentowanie danych przestrzennych i nieprzestrzennych o świecie rzeczywistym umiejscowionych geograficznie oraz z procedur, dających odpowiedzi na stawiane pytania o interesujących użytkownika obiektach w systemie baz danych.
System informacji geograficznej (GIS) jest to zorganizowany zestaw sprzętu komputerowego, oprogramowania, danych geograficznych (przestrzennych i nieprzestrzennych) oraz osób (wykonawców i użytkowników) stworzony w celu efektywnego gromadzenia, magazynowania, udostępniania, obróbki, analizy i wizualizacji wszystkich danych geograficznych.
Z prezentowanych definicji wynikają trzy główne cechy sytemu GIS:
1. GIS udostępnia mechanizmy wprowadzania, gromadzenia i przechowywania danych przestrzennych oraz zarządzania nimi, zapewnia ich integralność i spójność oraz pozwala na ich wstępną weryfikację.
2. Na podstawie zgromadzonych w systemie danych możliwe jest przeprowadzenie specyficznych analiz opierających się m.in. na relacjach przestrzennych między obiektami.
3. Wyniki analiz przestrzennych i operacji charakterystycznych dla programistów bazodanowych przedstawione mogą być w postaci opisowej (tabelarycznej) lub graficznej (mapa, diagramy, wykresy, rysunki), stąd cechą GIS jest wizualizacja i udostępnianie informacji przestrzennych w żądanej postaci.
Systemy informacyjne: → Inne (nieprzestrzenne) systemy informacyjne; → Systemy informacji przestrzennej: → Inne systemy informacji przestrzennej; → Systemy informacji przestrzennej odniesionej do powierzchni Ziemi: → Systemy informacji geograficznej; → Systemy informacji terenowej.
Terminy kojarzone z technologia GIS:
o Automatyczne Tworzenie Map (Automatem Mapping – AM).
o Wspomagane Komputerowo Tworzenie Map (Computer-Assisted Mapping – CAM).
o Komputerowo Wspomagane Kreślenie (Computer-Aided Drafting – CAD).
o Komputerowo Wspomagane Kreślenie i Projektowanie (Computer-Aided Drafting and Design – CADD).
o System Informacji Przestrzennej (Geographic Information System – GIS_.
o System Informacji o Terenie (Land Information System – LIS).
o Automatyczne Tworzenie Map i Zarządzenie Infrastrukturą Techniczną (Automatem Mapping/Facilities Mahagement – AM/FM).
o Geoprzetwarzanie i Analizy Sieciowe (Geoprocessing and Network Analysis).
Główną różnicą między systemami CAD i GIS jest to, że pierwsze z nich służą zazwyczaj do stworzenia modelu pojedynczego obiektu, podczas gdy drugie służą do prezentacji pewnego zbioru obiektów.
Istotną różnicą jest układ współrzędnych. W pierwszym przypadku jest to lokalny układ współrzędnych odmierzany najczęściej w milimetrach lub centymetrach, stosowany w celu uzyskania rysunku schematycznego, w drugim – globalny układ współrzędnych terenowych (np. długość i szerokość geograficzna) pozwalający na dokładne odwzorowanie położenia obiektów w terenie.
Wykład 2. 2009.10.12 – Historia. Źródła danych.
Historia systemów informacji przestrzennej to część historii kartografii. GIS postrzegany jest przez wielu jedynie jako mapa cyfrowa, czyli mapa tradycyjna wzbogacona o dynamikę i interaktywność.
Niezależnie od formatu czy sposobu przechowywania danych w bazie danych geograficznych, to właśnie mapa cyfrowa stanowi interfejs pomiędzy użytkownikiem a systemem, w swej formie graficznej zawsze nawiązując do tradycyjnych map.
Korzenie technologii zarządzania informacją przestrzenną sięgają połowy XVIII wieku, kiedy kartografia nabrała znaczenia jako nauka, nastąpił szybki jej rozwój i stworzono pierwsze dokładne mapy zasadnicze. Wkrótce pojawiły się też pierwsze mapy tematyczne. W XVIII wieku usprawniono znacznie techniki litograficzne, pojawiły się pierwsze prace z zakresu statystyki, teorii liczb i matematyki wyższej.
Pojawienie się pierwszych komputerów w latach czterdziestych i związana z nimi rewolucja informacyjna dały początek gwałtownemu rozwojowi technologii zarządzania geoinformacją. Chociaż systemy informacji przestrzennej teoretycznie nie muszą opierać się na komputerach, trudno dzisiaj sobie wyobrazić funkcjonowanie takiego systemu bez informatycznego zaplecza.
Technologia zarządzania geoinformacją rozwijała się na przekroju wielu dyscyplin. Główne rodzaje systemów geograficznych – systemy rysunkowe (o rozbudowanych możliwościach graficznych), systemy analityczne (posiadające narzędzia analizy przestrzennej) i systemy statystyczne (z mechanizmami zarządzania bazą danych) – rozwijane były osobno, począwszy od lat 50. i 60. Głównym problemem, jaki rozwiązać musieli informatycy tworzący te systemy, był wydajny sposób przetwarzania danych przestrzennych.
Lata 50.
· W Stanach Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii i innych krajach podjęto pierwsze próby zautomatyzowania tworzenia map tematycznych.
· Angielscy botanicy opracowujący atlas brytyjskiej flory zastosowali karty perforowane i zmodyfikowany tabulator, wytwarzając ponad 2000 map w czasie trzydziestokrotnie krótszym niż zajęłoby ręczne ich opracowanie.
· Pierwsze próby komputerowego opracowywania map tematycznych w meteorologii przy zastosowaniu drukarek znakowych (Szwecja).
· Pod koniec dekady meteorolodzy, geofizycy i geolodzy zaczęli dostrzegać w mapach generowanych przez komputer realną szansę usprawnienia swej pracy.
· W roku 1958 w laboratoriach firmy Texas Instruments skonstruowano pierwszy układ scalony. Pojawiły się pierwsze wyświetlacze graficzne, skonstruowane w trakcie prac nad amerykańskim systemem obrony powietrznej SAGE (Semi-Automatic Ground Environment), w ramach których zaistniała potrzeba konwersji danych z radarów na komputerowo generowane obrazy.
· Fundacja Badawcza Wojsk Pancernych w Chicago opracował system „Cartographatron” przeznaczony do graficznego obrazowania zagęszczenia ruchu pojazdów na badanych trasach. Był to pierwszy system automatycznego obrazowania danych przestrzennych dla celów planistycznych.
Lata 60.
· Opracowanie Kanadyjskiego Systemu Informacji Przestrzennej (Canada Geo-graphic Information System). CGIS był pierwszym kompleksowym systemem informacji przestrzennej o zasięgu ogólnokrajowym, a pełną zdolność operacyjną osiągnął w roku 1971 po skompletowaniu dostatecznej ilości danych.
· Opracowanie przez H. Fishera w 1964 roku w Harwardzkim Laboratorium Grafiki komputerowej i Analiz Przestrzennych pierwszego modelu rastrowego SYMAP (Syngraphic Mapping System) do wizualizacji informacji przestrzennych.
· SYMAP obejmował zestaw modułów do analizy i obróbki danych, np. generowania map obszarowych, izoliniowych oraz wydruku map o treści przedstawionej skalą natężenia odcieni szarości. Wydruki wykonywane były na prostych drukarkach znakowych.
· Stworzenie w Columbia Regional Association of Governments i na Uniwersytecie Oregońskim systemu MAP/MODEL – narzędzia analitycznego dla potrzeb planowania i tworzenia map.
· W 1967 roku G. Farnsworth z Amerykańskiego Urzędu Statystycznego (US Bureau of the Census) opracował format zbioru danych przestrzennych GBF-DIME (Geographic Base File, Dual Independent Map Encoding), wprowadzając przejrzystą koncepcję kodowania topologii obiektów geograficznych. Format ten, stale rozwijany i modyfikowany, stał się światowym standardem.
Lata 70.
· Rozwój firmy M&S Computing, której nazwę zmieniona później na Intergraph. Pierwotnie celem działalności firmy było dostarczenie agencjom rządowym systemu komputerowego dla sterowania pociskami w czasie rzeczywistym. Od 1973 roku firma zaangażowała się w prace nad rozwojem systemów z interaktywną grafiką, sprzedając pierwsze systemy armii. M&S Computing prowadziła także badania nad interaktywnym systemem zautomatyzowanego tworzenia map (AM).
· W Redlands w Kalifornii rozwijał się Instytut Badań Systemów Środowiskowych (Environmental System Research Institute – ESRI). Położył on ogromne zasługi w rozwoju oprogramowania oraz zastosowań i popularyzacji SIP. Tutaj m.in. opracowano pierwszy efektywny system radzący sobie z nakładaniem tzw. poligonów, czyli obiektów przestrzennych – zadaniem uznawanym za jedną z zasadniczych funkcji analitycznych GIS. Analizy przestrzenne wykonywane były wówczas w oparciu o rastrowy model danych. Sztandarowym produktem ESRI jest ciągle rozwijany system ARC/INFO.
· Kolejny przełom w rozwoju GIS wyznaczyło umieszczenie w 1972 roku na orbicie ziemskiej satelitów Landsat (począwszy od satelity Landsat 1, pierwotnie ERTS-1). Obrazy satelitarne stały się nowym podstawowym źródłem i metodą pozyskiwania danych przestrzennych dla GIS. Jednym z pierwszych projektów realizowanych w oparciu o nowe medium był system MAGI (Maryland Automated Geographic Information), finansowany przez NASA.
· W Europie najsilniejszy rozwój GIS następował w Wielkiej Brytanii, Holandii i Niemczech. W RFN systemy te rozwijane były przede wszystkim przez geograficzne ośrodki naukowe w porozumieniu z władzami federalnymi. Łączono zastosowania praktyczne technologii GIS z wykorzystaniem naukowo-badawczym, np. w ekologii krajobrazu.
Lata 80.
· Połączenie baz danych z grafiką było kolejnym kamieniem milowym w rozwoju SIP. Pierwszymi firmami, które zintegrowały technologie zarządzania bazą danych z grafiką, były Comarc Design Systems, ESRI i Intergraph. Comarc opracował system nazwany Geographic Data Management System (GDMS), nastawiony głównie na potrzeby przemysłu drzewnego. Wkładem ESRI było opracowanie komercyjnej relacyjnej bazy danych z możliwością przechowywania grafiki. Badania Intergraph'u doprowadziły do powstania standardu hierarchicznej bazy danych.
· Wzrosło zainteresowanie tworzeniem globalnych baz danych, wyrażone choćby na konferencji sponsorowanej przez IGU (International Geographic Union) poświęconej bazom danych o zasięgu globalnym, która miała miejsce w Londynie w 1987 roku.
· W odpowiedzi na rosnącą świadomość stałego wzrostu populacji i problemów ochrony środowiska, w ramach Programu Środowiskowego Narodów Zjednoczonych (United Nations Environmental Programme – UNEP) rozpoczęto budowę Informacyjnej Bazy Danych o Zasobach Globalnych (Global Resource Information Database – GRID).
· Popularyzacji systemów informacji przestrzennej sprzyjało w dużym stopniu upowszechnienie komputerów osobistych (PC – personal computer), połączone ze spadkiem ich ceny. Pojawił się także system Windows, posiadający graficzny interfejs użytkownika, ułatwiający zasadniczo kontakt użytkownika z komputerem.
· Początki zarządzania obiektami przestrzennymi. Promocją tego typu zastosowań GIS zajęło się Narodowe Centrum Informacji i Analiz Geograficznych (National Centem for Geographic Informator and Analysis) powołane przy Uniwersytecie Santa Barbara w Kalifornii. Zarządzanie wspomagane GIS może dotyczyć zarówno obiektów naturalnych (np. systemy zarządzania obszarami chronionymi), jak i stworzonych przez człowieka (np. zarządzanie systemami komunikacyjnymi).
Lata 90.
· Technologiczna integracja trzech głównych typów systemów geograficznych: rysunkowych i kartograficznych, analitycznych i statystycznych z mechanizmami zarządzania bazą danych przestrzennych. Współczesne oprogramowanie to z reguły pakiety wielofunkcyjne, w oparciu o które realizować można specjalistyczne systemy. Wysiłki zmierzają w kierunku ustanowienia przejrzystych standardów zarządzania danymi przestrzennymi, ich wymiany i komunikacji systemów z użytkownikiem. Prace nad integracją systemów informacji przestrzennej prowadzone są w ramach Open GIS Consortium (OGC).
· Zastosowanie pamięci optycznych (CD-ROM, CD-RW, DVD itp.) rozwiązało chwilowo problem niewystarczającej pojemności nośników danych. Nowoczesne digitizery, skanery, monitory, plotery i drukarki oraz ewoluujące ciągle w tempie wykładniczym komputery stanowią dziś solidną podstawę sprzętową do budowy wysoce wydajnych systemów GIS. Satelity kolejnych generacji (Landsat TM, NOAA, TIROS-N) dostarczają coraz bogatszych i dokładniejszych danych. Nowym źródłem danych przestrzennych, coraz powszechniej wykorzystywanym w SIP, stał się satelitarny system określania współrzędnych lokalizacji obiektu GPS (Global Positioning System).
· Rośnie zainteresowanie wykorzystaniem sieci globalnych – głównie Internetu – w dystrybucji geodanych i w zapewnianiu zdalnego dostępu do lokalnych systemów informacji przestrzennej. Coraz częściej spotkać się można z określeniem InterGIS, oznaczającym integrację systemu GIS z Internetem.
I dekada XXI wieku.
· Początek działalności satelitów komercyjnych, np. Quickbird (rozdzielczość 62 cm).
· Ponad milion użytkowników systemów GIS na świecie.
· Udostępnianie w sieci danych geoprzestrzennych na masową skalę w USA i Wlk. Brytanii.
Źródła danych:
· Mapy analogowe – topograficzne i tematyczne.
· Zdjęcia lotnicze – konwencjonalne (czarno-białe i kolorowe), w podczerwieni, wielospektralne, obrazy z kamer termalnych i radiometrów, obrazy radarowe.
· Obrazy satelitarne.
· Dane przestrzenne w zapisie cyfrowym.
· Nieprzestrzenne dane opisowe.
2009-10-26 – wykład 3. Obiekty geograficzne – właściwości, atrybuty, cechy.
Właściwości obiektów. Czas → Obiekt: → typ → relacje → atrybuty → geometria: → wektor → raster.
Typy danych i obiektów.
Dane: obiekty topograficzne, jednostki administracyjne, dane wysokościowe, dane topologicznr, symbole graficzne, opisy tekstowe
Typy obiektów: punkty, linie, poligony
Atrybuty danych geograficznych.
Dane geograficzne posiadają trzy podstawowe atrybuty:
· Lokalizację (atrybut przestrzenny): ● Odniesienie do dowolnego układy współrzędnych płaskich (x, y); ● Dodatkowo podanie współrzędnej „z” wysokości); ● Relacje topologiczne – określające związki obiektu z innymi obiektami przestrzennymi.
· Cechy (atrybuty opisowe) mogą mieć charakter jakościowy lub ilościowy. Wyróżniamy 4 skale pomiaru tych atrybutów: ● Nominalną (o charakterze jakościowym), która dopuszcza tylko zgodność cechy obiektu z założoną charakterystyką, np. „teren leśny”, „teren zabudowany”; A, B, C; ● Porządkową (o charakterze jakościowym), która wprowadza uporządkowanie (kolejność) i daje możliwość porównywania obiektów, np. „gleba dobra”, „gleba słaba”; mało, średnio, dużo; ● Interwałową (o charakterze ilościowym) – cecha jest wyrażona liczbą w określonym przedziale; od 0 do 19, od 20 do 39 na podziałce liniowej; ● Bezwzględną (o charakterze ilościowym) – cecha jest wyrażona liczbą.
· Zmienność obiektu (atrybut czasowy) – wymaga danych o cechach tych samych obiektów co najmniej z dwóch momentów czasu.
Atrybuty (cechy) opisują podstawowe właściwości obiektów, np. podstawowe atrybuty jeziora, to: nazwa, położenie, powierzchnia, głębokość, jakość wody, stopień eutrofizacji, zmiany temperatury, zamarzanie itp.
Raster i wektor.
· Raster – uporządkowany zbiór punktów (pikseli) umieszczonych w węzłach umownej siatki (grid). Raster jest jednym z modeli danych przestrzennych. Odległość między elementami rastra określa jego rozdzielczość.
· Wektor – rodzaj danych przestrzennych, w którym podstawową jednostką informacji jest punkt i linia. Linie mogą być zorganizowane w łańcuchy i wieloboki.
· Wektoryzacja – zamiana danych rastrowych na wektorowe. Procesem odwrotnym jest rasteryzacja.
Wektorowy i rastrowy model danych: a – model terenu; b – zapis wektorowy; c – zapis rastrowy.
Topologiczny model wektorowy – wybrane elementy:
· punkt kontrolny – para współrzędnych (x, y), wiążąca mapę analogową z mapą cyfrową;
· punkt – obiekt geograficzny określony parą współrzędnych (x, y) lub współrzędnymi (x, y, z);
· linia – obiekt geograficzny opisany zbiorem par współrzędnych;
· obszar, poligon – obiekt geograficzny (powierzchniowy) opisany przez zbiór par współrzędnych;
· węzeł – obiekt topologiczny posiadający lokalizację geograficzną, lokalizujący miejsca przecięcia i łączenia linii (krawędzi) lub ich przecięcia z brzegiem arkusza mapy;
· krawędź – obiekt topologiczny łączący dwa węzły, określony zbiorem par współrzędnych (np. linia);
· wyspa – obiekt geograficzny otoczony całkowicie przez inny obiekt, nie posiadający żadnych krawędzi łączących go z innymi obszarami;
· atrybut – część informacji o obiekcie geograficznym dodana do jego współrzędnych, obiekt może mieć wiele atrybutów;
· identyfikator – atrybut kluczowy – numer wewnętrzny obiektu geograficznego zapisywany w GIS automatycznie, unikatowy dla każdego obiektu;
· etykieta – jeden z atrybutów istotnych z punktu widzenia użytkownika, najczęściej nazwa obiektu.
Cechy danych.
Najistotniejsze cechy danych GIS:
· Dane powinny być jak najbardziej szczegółowe i dotyczyć jak najmniejszych powierzchniowo jednostek przestrzennych lub jak najszczegółowiej rozpatrywanych procesów i zjawisk;
· Dane powinny mieć charakter bezwzględny, najlepiej aby były to dane opisywane jednym mianem.
Cechy danych wejściowych do GIS:
· dokładność – największa bliskość wartości prawdziwej;
· precyzja – dokładność przedstawiania wartości;
· powtarzalność – zgodność wartości na wejściu i na wyjściu z systemu;
· rozdzielczość;
· zmienność – czas, w którym następuje zmiana wartości danego atrybutu w rzeczywistości;
· aktualność;
· wiarygodność;
...
anaa08