Z przeglądu literatury poświęconej systemom GIS wynika, że pojęcie to może być definiowane na różne sposoby. GISbaza danych 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).

RIN5imAkIXSdY
Elementy tworzące system GIS
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., CC BY-SA 3.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/.

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 wektorowymdane wektorowe (wektorowy model danych)danym wektorowymrastrowymdane rastrowe (rastrowy model danych)rastrowym. Informacje przestrzenne uzupełniają dane opisowe, które jako takie są danymi nie przestrzennymi, ale zawierają charakterystykę dwóch poprzednich typów danych i są z nimi powiązane.

RuLhYTlcM9ABl
Typy danych GIS
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., CC BY-SA 3.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/.

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.

RBLRCmAl22Hzc
Możliwości odwzorowania warstwy wektorowej w zależności od rozdzielczości warstwy rastrowej. Dane wektorowe w postaci trzech klas obiektów (punkty, linie, poligony) reprezentuje górny kwadrat, zaś możliwość i sposób ich odwzorowania w zależności od rozdzielczości rastra ukazany jest przez trzy kwadraty poniżej.
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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 topologiitopologiatopologii, 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.

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:

RS3PW9SKCNqlP
1. Identyfikacja celów, uwzględniając: - uczestników i podmioty, które będą wykorzystywać wyniki projektu GIS (opinia publiczna, technicy, planiści, decydenci, urzędnicy);
- zadania stawiane przez poszczególnych uczestników, czyli:
• Jaki problem jest do rozwiązania?
• W jaki sposób jest on rozwiązywany dotychczas?
• Czy są alternatywne sposoby jego rozwiązania z wykorzystaniem systemu GIS?
- określenie, czy dane projektu będą wykorzystywane do innych celów i jakie są wymagania w tym zakresie;
- formę produktów finalnych: np. wykresy, grafy, mapy, itd.
, 2. Opracowanie logicznego i koncepcyjnego projektu bazy danych, a w tym: - dobór danych wymaganych do spełnienia sprecyzowanych wcześniej zadań:
• dla każdej warstwy informacyjnej określa się typ danych: punkt, linia, powierzchnia; uwzględniając sposób wykorzystania danych przestrzennych przez każdego użytkownika oraz określenie atrybutów opisowych każdej warstwy informacyjnej.
- organizacja warstw - niektóre warstwy mogą być logicznie połączone, gdy ich dane są przestrzennie zbieżne, wtedy stają się atrybutami tej samej warstwy;
- skala bazy danych determinowana jest przez rozdzielczość obrazów i liczbę obiektów, szczegółowość treści;
- wybór odwzorowania: odwzorowanie może zniekształcać kształt, powierzchnię, odległość lub kierunki;
- podjęcie decyzji czy wybrane oprogramowanie GIS ma wymagane możliwości oraz jest łatwe w użyciu i jest dostosowane do potrzeb użytkowników., 3. Utworzenie bazy danych projektu, a w tym: - wprowadzanie danych do bazy danych obejmuje digitalizację lub konwersję danych z innych systemów i formatów, jak również weryfikację i korygowanie błędów.
- projekt pilotowy przed pełnym wdrożeniem, aby upewnić się, że system spełni określone wymagania przed pełnym wdrożeniem powinny być opracowane projekty pilotowe dla głównych użytkowników.
- zarządzanie bazą danych obejmuje weryfikację układów współrzędnych i łączenie sąsiednich warstw informacyjnych.
, 4. Analizę danych, na którą składają się proste prezentacje kartograficzne, ale również tworzenie złożonych modeli przestrzennych, w tym modelowanie:
geometrii - obliczanie odległości, generowanie buforów oraz obliczanie pól powierzchni i obwodów.
zgodności - nakładanie zestawów danych w celu wyszukania miejsc zgodności określonych wartości.
sąsiedztwa - alokacje, wyszukiwanie połączeń oraz wyznaczanie obszarów., 5. Prezentacja wyników na mapach i wykresach lub generowanie plików i map cyfrowych na potrzeby serwisów internetowych.
Do podstawowych funkcjonalności w zakresie analizy danych w środowisku GIS, jakie mogą być wykonywane w trakcie realizacji projektu GIS można m.in. zaliczyć:
• konwersję i zmiany struktury danych:
− automatyczne lub interaktywne łączenie fragmentów baz z uzgodnieniem styków,
− generalizacja,
− generowanie warstwic na podstawie regularnych i nieregularnych siatek punktów terenowych,
− wygładzanie linii przez aproksymację jej przebiegu,
a) transformacje:
− transformacja danych wektorowych lub rastrowych do układu współrzędnych punktów łącznych,
− obliczanie współrzędnych w różnych odwzorowaniach kartograficznych.
b) analizy przestrzenne:
− nakładanie warstw,
− agregowanie obiektów,
− tworzenie obszarów buforowych,
− wyznaczanie pola części wspólnej obszarów,
− analiza sieciowa,
− obliczanie i bilansowanie objętości,
− wyznaczanie obszarów zalewowych,
− wykonywanie przekrojów powierzchni oraz analiz zasięgu widoku.
c) analizy statystyczne:
− ocena dokładności danych,
− analiza statystyczna, w tym regresji i wariancji.

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.

RHYNVBfHijbMw
Etapy projektu GIS
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Ciekawostka

Dane przestrzenne, które mogą być wykorzystywane na potrzeby realizacji różnych projektów GIS, są gromadzone m.in. w Krajowym Systemie Informacji Geograficznej (KSIGKrajowy System Informacji Geograficznej (KSIG)KSIG), 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:

  • krajowym - przez Głównego Geodetę Kraju w oparciu o Bazę danych ogólnogeograficznych w skali 1:250000

Baza danych ogólnogeograficznych obejmuje m. in. informację w zakresie: podziału administracyjnego, pokrycia terenu, rzeźby terenu, transportu, obszarów chronionych, nazw geograficznych.

  • wojewódzkim - przez marszałka województwa- na podstawie TDB w skali 1:10000 i VMap 2 w skali 1:50000

Baza Danych Topograficznych (TBD) - system gromadzenia, zarządzania i udostępniania danych topograficznych (odpowiadający skali 1:10 000) funkcjonujący na podstawie właściwych przepisów prawnych.

Komponenty Bazy Danych Topograficznych (TBD) obejmują: TBD, mapy drukowane, wektorową bazę danych, ortofotomapę, NMTnumeryczny model terenu (NMT)NMT.

Treść VMap 2 obejmuje 110 klas obiektów zgrupowanych w dziewięciu użytkowych warstwach tematycznych.

  • powiatowym - przez starostów - w oparciu o ewidencję gruntów

Poniżej podano kilka wybranych serwisów wchodzących w skład Krajowego Systemu Informacji GeograficznejKrajowy System Informacji Geograficznej (KSIG)Krajowego Systemu Informacji Geograficznej oferujących dane graficzne i opisowe.

Nazwa

Przykłady zasobów

Geoportal Infrastruktury Informacji Przestrzennej

Web Map ServerWeb Map ServerWeb Map Server, Web Map Service (WMS), WMTS, BDOT, NMTnumeryczny model terenu (NMT)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

Open Street Map

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.

RADVDG4CCZB7V1
Schemat interaktywny dotyczy trzech podstawowych narzędzi analitycznych GIS wykorzystywanych w analizach danych przestrzennych. To buforowanie, przycinanie i selekcja atrybutowa. 1. Narzędzie buforowania (ang. buffer) – Skopiuj lub pobierz dane na dysk twardy komputera lub postępuj zgodnie z instrukcją nauczyciela. – Uruchom program QGIS. – Z głównego menu programu wybierz polecenie: Warstwa >; Dodaj warstwę. Ilustracja przedstawia fragment okna menu głównego. Z zakładki warstwa wybrano Dodaj warstwę i Dodaj warstwę wektorową. - W oknie dialogowym wybierz „Przeglądaj”. Ilustracja przedstawia fragment okna dialogowego o nazwie Dodaj warstwę wektorową. Z Typu źródła danych wybrano Plik. W Kodowaniu wybrano System. Zaznaczono przycisk Otwórz. – Odszukaj dane na dysku i wybierz plik o nazwie: event_NY.shp, a następnie kliknij w „Otwórz” i dalej w oknie początkowym potwierdź wybór warstwy, klikając w „Otwórz”. Warstwa „events” wskazuje na miejsca, w których doszło do wypadku i określa ich liczebność (co można sprawdzić w tabeli atrybutów; w panelu warstw po lewej stronie interfejsu klikając prawym klawiszem w warstwę event_NY można wybrać opcję „Otwórz tabelę atrybutów”; grafika poniżej. Tabelę można zamknąć, klikając myszką w krzyżyk w prawym górnym narożniku panelu tabeli). Ilustracja przedstawia okno dialogowe. W Panelu warstw z rozwiniętej listy wybrano Otwórz tabelę atrybutów. Na ilustracji jest fragment okna dialogowego. W oknie Otwórz warstwę wektorową OGR z listy wybrano event_NY.shp. Zaznaczono przycisk Otwórz. Na kolejnym zrzucie ekranu jest okno Dodaj warstwę wektorową. W Typie źródła danych wybrano opcję Plik. W Źródle wybrano Warstwę o nazwie K:\_eduexpert\032\dane\event_NY.shp. Zaznaczono przycisk Otwórz. Korzystając z menu głównego QGIS, wybierz przycisk „Wektor”, a następnie przesuń kursor myszki na zakładkę „Narzędzia geoprocesingu” i dalej na zakładkę „bufor o stałej szerokości”. Wybór potwierdź, klikając lewym klawiszem myszki. Na ilustracji jest zrzut ekranu, w którym po rozwinięciu zakładki Wektor, wybrano Narzędzia geoprocesingu, a w nich Bufor o stałej szerokości. Okno dialogowe narzędzia buforowania powinno wyglądać jak poniżej. W pozycji odległość wpisz wartość „200", a następnie w pozycji „otoczka" kliknij w „..." i wybierz opcję „zapisz w pliku", wskazując nazwę „buffer" i miejsce na dysku (folder z danymi do ćwiczenia), w którym zostanie zapisany nowy plik. Po uzupełnieniu okienek kliknij w przycisk „Run". Na zrzucie ekranu jest okno z paskiem o nazwie Bufor o stałej szerokości. W zakładce o nazwie Plik zdarzeń wybiera się Warstwę wejściową, Odległość, Segmenty. W oknie Otoczka wybieramy opcję Zapisz w pliku. Naciskamy przycisk run. Okno dialogowe narzędzia „bufor” (QGIS v. 2.18.8). W efekcie wykonanej operacji powinny się pojawić bufory wokół punktów lokalizujących wypadki. Jeśli bufory są słabo widoczne obraz można przybliżyć (powiększyć). Jeśli widzisz okręgi wokół punktów, to opanowałeś narzędzie buforowania., 2. Narzędzie przycinania – wycinania (ang. clip) – Uruchom program QGIS i dodaj do podglądu dwie warstwy: event_NY.shp oraz manhattan.shp Sposób dodawania warstw jest opisany w pozycji 1 – buforowanie – po dodaniu warstw uruchom narzędzie przytnij. Znajduje się ono w zakładce „Wektor” menu głównego w grupie narzędzi narzędzia geoprocesingu >; przytnij – po uruchomieniu narzędzia skonfiguruj okno dialogowe jak poniżej (warstwy event_NY.shp oraz manhattan.shp powinny automatycznie pojawić się w odpowiednich okienkach: warstwa wejściowa i maska przycięcia. – Klikając w pozycji przycięcie w symbol „…" i określ nazwę i miejsce docelowe do zapisania nowego pliku. – Po skonfigurowaniu panelu kliknij lewym klawiszem myszki w pozycję „Run" – jeśli po chwili ukaże się nowa warstwa obejmująca wycięte punkty events, które mieszczą się w zasięgu granic Manhattanu, to znaczy, że opanowałeś narzędzie wycinania. Ilustracja przedstawia zrzut ekranu z oknem o nazwie Przycisk. W zakładce Plik zdarzeń wybiera się Warstwę wejściową, Maskę przycięcia oraz Przycięte. Po prawej stronie okna wyświetla się jedno pod drugim: Input, clip featureoutput. Intputoutput zaznaczono kolorem żółtym. Wybrano przycisk Run., 3. Selekcja atrybutowa Selekcja na podstawie atrybutów (select by attribute) polega na realizacji zapytania do tabeli atrybutów i wyborze tych obiektów, które spełniają kryteria wyszukiwania np. powierzchnia poligonu większa od 2000 metrów kwadratowych. W QGIS korzystamy w tym celu z kreatora zapytań, przez co nie jest wymagana znajomość składni formuł. W QGIS należy otworzyć tabelę atrybutów warstwy i w jej oknie wybrać narzędzie „zaznacz obiekty", używając wyrażenia" (grafiki poniżej). Na ilustracji jest zrzut ekranu z paskiem narzędzi – wybrano ikonkę i Zaznacz obiekty używając wyrażenia. W celu wykonania ćwiczenia uruchom program QGIS. Dodaj do podglądu warstwę „parki_NY.shp (opis procedury w ćwiczeniu nr 1). Po dodaniu warstwy otwórz tabelę atrybutów. W panelu warstw kliknij prawym klawiszem myszki w warstwę parków i wybierz z menu kontekstowego „otwórz tabelę atrybutów”. W tabeli atrybutów odszukaj narzędzie „zaznacz obiekty używając wyrażenia”. Po otwarciu panelu narzędzia kliknij lewym klawiszem myszki w „+” przy pozycji „geometria”. Odszukaj operator o nazwie „$area” i kliknij w jego obrębi dwukrotnie lewym klawiszem myszki, tak, żeby się znalazł w okienku po lewej. Z klawiatury wpisz znak operatora „<;” i wpisz wartość „2000”, co oznacza, że chcesz wyselekcjonować w obrębie warstwy parków wszystkie powierzchnie, o obszarze mniejszym od wskazanej liczby. Na ilustracji w oknie Select by expression – parki NY otwarto zakładkę Edytor funkcji. W okienku po lewej stronie wpisano $area<20000. W kolejnym okienku po rozwinięciu listy w Geometrii wybrano $area. W kolejnym okienku jest informacja dotyczą funkcji $area. Wybrano przycisk Zaznacz. (uwaga: pomiędzy operatorem, znakiem <; i liczbą nie powinno być spacji) Po uzupełnieniu formuły wybierz pozycję „Zaznacz”. W tabeli i okienku podglądu powinny być wyselekcjonowane pola tabeli i odpowiadające im obiekty. Zrzut ekranu przedstawia pola o nazwach: feat_code, landuse, park_name i inne z danymi. Obok nich jest okno Select by expression – park z rozwiniętą zakładką Edytor funkcji. W pierwszym oknie wpisano „shape_area”<2000, w kolejnym wyświetla się lista wyszukująca hasła typu: Aggregates, Data i czas, Geometria, Kolor, Konwersja i inne. Na końcu wybrano przycisk Zaznacz. Jeśli obiekty są wyselekcjonowane, to znaczy, że opanowałeś/aś kolejną umiejętność w posługiwaniu się danymi w środowisku GIS.
Źródło: Englishsquare Sp. z o.o., CC BY-SA 3.0, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0.

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.

baza danych GIS
dane wektorowe (wektorowy model danych)
dane rastrowe (rastrowy model danych)
GIS – akronim Systemu Informacji Geograficznej
Krajowy System Informacji Geograficznej (KSIG)
narzędzia geoprzetwarzania
numeryczny model terenu (NMT)
System Informacji Przestrzennej (SIP)
System Informacji Terenowej (SIT)
topologia
Web Map Server