Przeczytaj
Z przeglądu literatury poświęconej systemom GIS wynika, że pojęcie to może być definiowane na różne sposoby. GISGIS jest akronimem Systemu Informacji Geograficznej i zazwyczaj definiuje się go jako zorganizowany zestaw sprzętu komputerowego, oprogramowania, danych odniesionych przestrzennie (lub geograficznie) oraz osób (wykonawców i użytkowników), stworzony w celu efektywnego:
magazynowania/gromadzenia,
udostępniania,
obróbki,
analizy, a także
wizualizacji danych przestrzennych (geograficznych).
Zależnie od przyjętej konwencji lub metody klasyfikacji bywa, że system GIS w różnych kontekstach utożsamiany jest z System Informacji Przestrzennej (SIPSIP) lub System Informacji Terenowej (SITSIT), choć najczęściej systemy SIP i SIT rozumiane są odmiennie - rozłącznie. Wynika to m.in. z odmiennego podejścia do klasyfikowania danych. Dane geograficzne rozumiane są bowiem jako te, które mają odniesienie do współrzędnych geograficznych, czyli zachowują relacje przestrzenne odpowiadające określonemu odwzorowaniu kartograficznemu. Dane przestrzenne mogą być natomiast odwzorowane w dowolnym układzie odniesienia, który posługuje się współrzędnymi prostokątnymi (x, y), zatem również odniesieniem geograficznym, stąd uważa się, że dane przestrzenne obejmują szerszy zbiór, w tym dane geograficzne.
Dane systemów GIS reprezentują wyniki pomiarów lub pozyskane w inny sposób cechy charakteryzujące lokalizację, typ i właściwości obiektu, jego wielkość, skład, własności fizyczne, chemiczne, stan prawny itp. Dane przedstawia się za pomocą cyfr, liter, symboli lub w innej postaci nadającej się do wprowadzenia do komputera i do dalszego przetwarzania oraz wizualizacji. Mogą one występować w postaci tzw. danych dyskretnych lub ciągłych, które odpowiadają dwóm zasadniczym typom warstw, czyli danym wektorowymdanym wektorowym i rastrowymrastrowym. Informacje przestrzenne uzupełniają dane opisowe, które jako takie są danymi nie przestrzennymi, ale zawierają charakterystykę dwóch poprzednich typów danych i są z nimi powiązane.
Do zobrazowania danych dyskretnych, czyli obiektów punktowych (np. pojedyncze drzewa, hydranty itp.), liniowych (krawędź jezdni, napowietrzna linia energetyczna itp.) i poligonowych (zarys budynków, kontur jezior, granice administracyjne itp.) zazwyczaj wykorzystuje się warstwy wektorowe, które pozwalają na dokładne odwzorowanie ich położenia i kształtu. Możliwe jest również ich odwzorowanie z użyciem warstw rastrowych, ale o jego dokładności decyduje rozdzielczość rastra, którą można utożsamiać z wielkością piksela, tj. jego rozmiarem odniesionym w realnej rzeczywistości.
Dane GIS mogą być przechowywane w postaci plikowej, tj. pojedynczych warstw reprezentujących poszczególne typy obiektów, jak i uporządkowanych tematycznie i skategoryzowanych zbiorów, czyli w postaci baz danych, gdzie zgromadzone dane mają jednakowy system odniesienia przestrzennego i respektują zasady topologiitopologii, czyli reguły określające współwystępowanie geometrii określonych klas obiektów (np. zarys budynku powinien zawierać się w zasięgu działki stanowiącej własność lub drogi nie powinny przecinać zarysu zabudowy). Dostępność takich baz danych prezentują zasoby geoportalu geoportal.gov.pl), a dostępność regionalnych i lokalnych baz danych ukazuje np. mapa dostępna na stronie mapagis.pl.
Idea zapisu danych w postaci warstw wektorowych została opracowana przez Rogera Tomlinsona w latach 70. XX w. Warstwę wektorową, nazywaną potocznie shapefilem (od ang. shape – kształt), tworzą trzy powiązane pliki:
plik z rozszerzeniem shp, w którym zapisana jest informacja o typie geometrii (punkty, linie, poligony),
plik z rozszerzeniem .dbf, w którym gromadzone są dane opisowe charakteryzujące obiekty, tzw. atrybuty, zapisywane w formie tabeli,
plik z rozszerzeniem .shx, który zawiera tzw. indeksy, czyli identyfikatory pozwalające na interaktywne łączenie kształtu z danymi atrybutowymi w obrębie warstwy wektorowej.
Sposób zapisu danych wektorowych sprawia, że każdy z obiektów może być charakteryzowany przy użyciu wielu cech opisowych, z których każda zapisana jest w osobnej kolumnie i ma indywidualną nazwę. W odróżnieniu od danych wektorowych rastrowy format zapisu danych pozwala na przypisanie wyłącznie jednej cechy (charakterystyki opisowej) do każdego z pikseli rastra. Format zapisu danych wpływa nie tylko na precyzję prezentacji cech geometrycznych danych dyskretnych, ale w podobny sposób określa możliwą dokładność odwzorowania danych o charakterze ciągłym, jak np. ukształtowania powierzchni terenu (tzw. numeryczny model terenu), rozkładu natężenia hałasu, rozkładu temperatury itp. Zjawiska ciągłe w modelu wektorowym prezentowane są zwykle przy wykorzystaniu izolinii, czyli linii reprezentujących ściśle określoną wartość danej cechy lub zjawiska. W ten sposób obraz czarno‑biały informuje wyłącznie o występowaniu lub braku określonego zjawiska, gdyż atrybuty rastra opisana są przez dwie wartości: 0 i 1. W przypadku warstw rastrowych zjawiska ciągłe reprezentują wartości przypisane do każdego z pikseli rastra, których wartość obrazuje np. ciągła skala barw. Przykładem może służyć Numeryczny Model Terenu (NMT). Względy praktyczne i techniczne sprawiają, że dane ciągłe w systemach GIS zastępowane są ich uproszczoną reprezentacją w postaci sieci (chmury) punktów reprezentujących określoną powierzchnię, co ogranicza wielkość plików, w jakich są one gromadzone, a jednocześnie zapewnia pożądaną dokładność. Przykładem mogą służyć laserowe zobrazowania powierzchni terenu (LiDAR), gdzie ciągła chmura wartości ograniczana jest do określonej liczby punktów reprezentujących 1 mIndeks górny 22 powierzchni terenu (najczęściej od kilku do kilkudziesięciu).
Uwzględniając definicję systemu GIS i charakter danych, jakimi ten system się posiłkuje, można wywnioskować, że oprogramowanie i oferowane przez takie programy narzędzia GIS muszą spełniać co najmniej takie funkcjonalności jak:
W trakcie realizacji projektu GIS modyfikacja technik i metod analizy może powodować potrzebę weryfikacji lub uzupełnienia danych, co z kolei wpływa na zakres dalszych analiz. Podstawowe etapy projektu GIS obrazuje poniższa grafika.
Dane przestrzenne, które mogą być wykorzystywane na potrzeby realizacji różnych projektów GIS, są gromadzone m.in. w Krajowym Systemie Informacji Geograficznej (KSIGKSIG), który tworzą standaryzowane bazy danych referencyjnych zawierające informacje o obiektach znajdujących się na i pod powierzchnią Ziemi, wraz z określeniem ich położenia, a także procedury i techniki służące systematycznemu zbieraniu, aktualizowaniu, przetwarzaniu i udostępnianiu danych. Struktura organizacyjna Krajowego System Informacji Geograficznej budowana jest na trzech poziomach:
Komponenty KSIG obejmują klika usystematyzowanych zbiorów danych:
VMAP2
TDB
Mapy topograficzne 1:50 000
BDO
ORTO
Mapy topograficzne 1:10 000
Mapa zasadnicza
EGIB
Baza danych ogólnogeograficznych (BDO), w skali 1:250 000, udostępnia dane referencyjne o stopniu szczegółowości odpowiednim dla systemów regionalnych, ponadregionalnych i ogólnokrajowych. Umożliwia integrację systemów informacji przestrzennej budowanych w kraju oraz pozwala na włączenie się Polski do realizacji przedsięwzięć w ramach europejskiej i światowej infrastruktury danych przestrzennych.
Baza danych ogólnogeograficznych obejmuje informację w zakresie:
podziału administracyjnego,
pokrycia terenu,
rzeźby terenu,
osadnictwa i obiektów architektonicznych,
transportu,
obszarów chronionych,
nazw geograficznych,
Vector Map Level 2
VMap Level 2
Mapa wektorowa poziomu 2 - standardowy produkt geograficzny NATO opracowany przez wojskowe służby geograficzne. Jej szczegółowość odpowiada skali mapy 1:50 000. Treść VMap 2 obejmuje 110 klas obiektów zgrupowanych w dziewięciu użytkowych warstwach tematycznych.
Baza Danych Topograficznych (TBD) - system gromadzenia, zarządzania i udostępniania danych topograficznych (odpowiadający skali 1:10 000) funkcjonujący na podstawie właściwych przepisów prawnych. Obejmuje zarówno zasób danych, system informatyczny zarządzania danymi, jak i odpowiedni system finansowania i organizacji Zakres informacyjny i funkcjonalny oraz poziom technologiczny definiują wytyczne techniczne Bazy Danych Topograficznych (TBD).
Komponenty Bazy Danych Topograficznych (TBD) obejmują: TBD, mapy drukowane, wektorową bazę danych, ortofotomapę, NMT.
Baza danych fotogrametrycznych – SZDF ma w swoich zadaniach: archiwizację danych i produktów fotogrametrycznych, standaryzację opracowań, wykonanie wstępnej kontroli jakości przyjmowanych opracowań, zarządzanie i udostępnianie danych, udostępnianie metadanych przez Internet, udostępnienie narzędzi internetowych do wizualizacji danych i składania zamówień.
Poniżej podano kilka wybranych serwisów wchodzących w skład KSIG oferujących dane graficzne i opisowe.
Nazwa | Przykłady zasobów |
---|---|
Geoportal Infrastruktury Informacji Przestrzennej | Web Map ServerWeb Map Server, Web Map Service (WMS), WMTS, BDOT, NMT, ortofotomapa |
Centralny Ośrodek Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej | Dane o charakterze katastralnym Państwowy rejestr granic i powierzchni jednostek podziałów terytorialnych kraju - PRG Państwowy rejestr nazw geograficznych - PRNG Baza danych obiektów ogólnogeograficznych - BDOO Numeryczny model terenu o interwale siatki co najmniej 100 m – NMT_100 Siatki skorowidzowe do map topograficznych i niestandardowych opracowań topograficznych Siatki podziału arkuszowego układu PL‑1992 w skalach 1:1250, 1:12500 i 1:5000 |
Generalna Dyrekcja Ochrony Środowiska | Parki narodowe Parki krajobrazowe Rezerwaty Obszary chronionego krajobrazu Specjalne obszary ochrony („siedliskowa” Natura 2000) Obszary specjalnej ochrony („ptasia” Natura 2000) Zespoły przyrodniczo‑krajobrazowe Stanowiska dokumentacyjne Użytki ekologiczne |
Lasy Państwowe | Geometria wydzieleń leśnych wraz z opisem taksacyjnym |
Państwowy Instytut Geologiczny | Dane z zakresu geologii, hydrogeologii, środowiska, budownictwa i surowców mineralnych (m.in. pliki o rozszerzeniu .shp) |
Główny Urząd Statystyczny | Dane opisowe według podziału terytorialnego |
OpenStreetMap | Otwarty zasób danych przestrzennych |
Sentinel | Zdjęcia satelitarne |
Narzędzia analityczne systemów GIS
Typowe systemy oprogramowania GIS posiadają wbudowane moduły analityczne, które są w stanie realizować wszystkie funkcjonalności w zakresie przetwarzania danych, jakie wymieniono omawiając przebieg realizacji projektu GIS. Zwykle zorganizowane są one w formie tzw. zestawów narzędziowych (ang. Toolbox – w dosłownym tłumaczeniu „skrzynka narzędziowa”) lub grupowane w postaci zestawów tzw. wtyczek (ang. plugins) lub rozszerzeń (ang. extensions). Po wybraniu narzędzia ukazuje się okno dialogowe, w którym użytkownik definiuje parametry niezbędne do wykonania operacji. Często dostępne jest również okno pomocy, w którym podane jest wyjaśnienie sposobu działania danego narzędzia. Przykładowe okna dialogowe narzędzi GIS pokazują poniższe grafiki.
Ponadto każdy z systemów oprogramowania GIS zwykle umożliwia tworzenie własnych podprogramów i modeli, które wykorzystują gotowe zestawy narzędzi dostępnych z poziomu określonego programu GIS lub są tworzone z użyciem określonych języków programistycznych. Nabycie biegłości w sprawnym posługiwaniu się narzędziami i funkcjonalnościami programów GIS wymaga wieloletniej praktyki i ciągłego pogłębiania wiedzy i umiejętności. Jest to powodem, dla którego skoncentrujemy się na kilku przykładach podstawowych narzędzi analitycznych GIS wykorzystywanych w analizach danych przestrzennych, które omówiono poniżej.
Opisane narzędzia to zaledwie bardzo mała próbka z tego, co oferują systemy GIS. Dzięki temu, że praktycznie wszystkie programy GIS posiadają obszerne systemy pomocy lub tutoriale, posługiwanie się z pozoru skomplikowanymi narzędziami nie powinno sprawić większego problemu. Warto eksperymentować z poszczególnymi narzędziami i danymi, analizując uzyskane wyniki. Ćwiczenie czyni bowiem mistrza.
Słownik
zbiór danych powiązanych wzajemnie i zoptymalizowanych do przechowywania i wyszukiwania obiektów zdefiniowanych w przestrzeni geometrycznej oraz ich charakterystyk opisowych
dane GIS reprezentujące obiekty rzeczywiste, których typ i kształt wyrażane są za pośrednictwem uporządkowanych współrzędnych (x, y); mogą reprezentować zarówno zjawiska dyskretne i ciągłe
typ danych cyfrowych wykorzystywany do gromadzenia i przetwarzania danych pochodzących ze skanowania istniejących materiałów mapowych, zdjęć lotniczych i satelitarnych oraz obrazów teledetekcyjnych; dane o obiektach zapisywane są w postaci regularnych elementów powierzchniowych zwanych pikselami
zorganizowany zestaw sprzętu komputerowego, oprogramowania, danych odniesionych przestrzennie (geograficznie) oraz osób (wykonawców i użytkowników), stworzony w celu efektywnego: magazynowania - gromadzenia, udostępniania, obróbki, analizy, wizualizacji danych geograficznych
rejestr państwowy, który stanowią standaryzowane bazy danych referencyjnych, zawierające informacje o obiektach znajdujących się na i pod powierzchnią Ziemi, wraz z określeniem ich położenia, zlokalizowanych na obszarze kraju, a także procedury i techniki służące systematycznemu zbieraniu, aktualizowaniu, przetwarzaniu i udostępnianiu danych
narzędzia GIS pozwalające na różnego rodzaju modyfikacje i przeobrażenia danych geograficznych; w wyniku takich przetworzeń, na podstawie istniejących danych, można tworzyć nowe zestawy informacji; na geoprzetwarzanie składa się wiele narzędzi, które służą do wykonywania określonych zadań, od prostych operacji polegających na selekcji danych po skomplikowane analizy oparte na zdefiniowanych schematach
numeryczna reprezentacja powierzchni terenowej, utworzonej poprzez zbiór odpowiednio wybranych punktów leżących na tej powierzchni oraz algorytmów interpolacyjnych umożliwiających jej odtworzenie na określonym obszarze [źródło: Gaździcki J., Systemy informacji przestrzennej, Państwowe Przedsiębiorstwo Wydawnictw Kartograficznych im. Eugeniusza Romera, Warszawa 1990]
system pozyskiwania, przetwarzania i udostępniania danych zawierających informacje przestrzenne oraz towarzyszące im informacje opisowe o obiektach wyróżnionych w części przestrzeni objętej działaniem systemu [źródło: Gaździcki J.,Systemy informacji przestrzennej ,Państwowe Przedsiębiorstwo Wydawnictw Kartograficznych im. Eugeniusza Romera, Warszawa 1990]; informacją przestrzenną jest informacja o położeniu (współrzędne w dowolnym układzie odniesienia), własnościach geometrycznych, relacjach przestrzennych obiektów, które mogą być również identyfikowane w odniesieniu do powierzchni Ziemi
baza danych przestrzennych dotyczących określonego obszaru oraz procedury i techniki służące systematycznemu zbieraniu, aktualizowaniu i udostępnianiu tych danych; system SIT wykorzystuje tzw. informacją pierwotną (uzyskaną na podstawie bezpośrednich pomiarów terenowych lub na podstawie wielkoskalowych zdjęć lotniczych) pod względem dokładności odpowiada mapom wielkoskalowym (skala 1:5000 i większa)
przestrzenne relacje między sąsiednimi lub sąsiadującymi obiektami; w GIS topologia jest definiowana przez zestaw reguł, które określają, w jaki sposób obiekty mogą współdzielić przestrzeń geograficzną
system udostępniania map w formacie rastrowym w protokole http stworzony przez Open Geospatial Consortium (OGC)
system udostępnia danych w postaci wektorowej, wykorzystujący do tego format GML