Systemy informacji SIP, GIS czyli mapa w komputerze


Temat lekcji:

Systemy informacji przestrzennej SIP: ogólne wiadomości o systemach informacji przestrzennej (SIP, SIG, SIT), postacie i struktury danych, numeryczne modele przestrzenne, specjalistyczny sprzęt komputerowy (urządzenia we/wy, urządzenia do digitalizacji i skanowania, plotery), źródła i metody pozyskiwania danych, zarządzanie danymi, oprogramowanie SIP, przykłady systemów SIG/SIT, numeryczne systemy opracowania map, przykład systemu ewidencji gruntów i budynków.


Literatura i materiały pomocnicze:

GIS czyli mapa w komputerze. Grzegorz Myrda. . HELION 1997

Miejsca w Intenecie poświecone tematyce GIS:


Słowniczek pojęć związanych z GIS

GIS - Geographical Information Systems
komputerowy system wspomagania tworzenia, przechowywania i analizowania map
GPS - Global Positioning System
system umożliwiający śledzenie ruchu obiektów na mapie
LIS - Land Information Systems
systemy informacji lądowej - jeden z działów GIS
mapa cyfrowa
zbiór współrzędnych określajacych położenie obiektów w przestrzeni wraz z informacją o sposobie prezentacji danych
mapa wektorowa
mapa zawierająca opis każdego elementu mapy w postaci analitycznej (np. współrzędne końców odcinka), co pozwala na wyróżnienie każdego z nich i przyporządkowanie mu atrybutu opisowego
mapa rastrowa
mapa opisująca dany obszar za pomocą siatki punktów, które mogą być czarne, białe lub kolorowe
MIF - MapInfo Interchange File
format wymiany danych z MapInfo
 

Czym jest GIS ?

System GIS to oprogramowanie do obsługi map cyfrowych. Obsługa polega na wspomaganiu tworzenia map, ich przechowywaniu oraz analizie danych. Wiele systemów GIS obsługuje się tak prosto jak zwykły edytor tekstowy. Otwiera się mapę za pomocą okna dialogowego, wykonuje operacje, drukuje, zapisuje zmiany.

System GIS potrzebuje mapy czyli pliku lub zbioru plików w określonym formacie, by mógł ją obsługiwać. Mapa łączy w sobie informacje graficzne i tekstowe. Zazwyczaj informacje te są przechowywane oddzielnie - w osobnym pliku mapa jako obraz i oddzielnie jej atrybuty jako baza danych.

Niektóre bardziej zaawansowane systemy również część graficzną mapy traktują jako bazę danych i przechowują całą mapę w postaci jednolitej spójnej bazy danych. Część graficzna jest przechowywana w tym samym rekordzie co jej atrybuty opisowe. W takich przypadkach cała mapa (grafika i atrybuty opisowe) jest przechowywana na serwerze bazy danych i usostępniana w technice klient-serwer. Takie rozwiązanie ma sens dla bardzo dużych baz danych, gdyż ściąganie całości obrazu przez sieć metodą zapytania wymaga bardzo szybkich technologii.

Połączenie grafiki z bazą danych jest realizowane w sposób przeźroczysty i niewidoczny dla użytkownika (operacje wykonywane automatycznie).

Informacje graficzne mogą być przedstawione na mapie za pomocą:

W niektórych systemach zestaw ten jest rozszerzany o dodatkowe rodzaje obiektów, np. powierzchnie z wyciętym wewnątrz obszarem - z "dziurą", co pozwala umieszczać na mapie działki w kształcie pierścienia.

Obiekty punktowe reprezentowane na mapie za pomocą zwykłych kropek mogą byc przedstawione za pomocą różnych symbpli, np. znaków skalowalnych TruType.

Przeważnie każdy system oferuje także możliwość umieszczania na mapie obiektów tekstowych, bądź jako samodzielnych elementów mapy bądź jako etykiet do obiektów graficznych.

Każdy element mapy oprócz atrybutów opisowych posiada zestaw parametrów określających jego (elementu) wygląd na mapie:

Parametry są przypisane nie do pojedynczego obiektu ale do całej warstwy, naktórej leży obiekt. Istneje od tego wyjątek - klasyfikacja, polegająca na zróżnicowaniu wyglądu obiektów w zależności od atrybutów opisowych (np. budynki mieszkalne i gospodarcze).

Każdy obiekt posiada współrzędne, parametry określające wygląd a także indywidualny zestaw informacji opisowych przechowywanych w bazie danych, zwanych atrybutami opisowymi. Mogą one być prezentowane na ekranie lub drukarce w dowolny sposób (wiersze w bazie dznych, słupki na wykresie, etykiety)

Dzięki systemom GIS zadania związane z przetwarzaniem danych geograficzno-informacyjno-statystycznych mogą być w dużym stopniu zautomatyzowane. Proces podejmowania dezyzji może przebiegać szybciej, jest szybki dostęp do informacji. Dane mogą być przedstawione graficzne.

Dzięki GIS możemy usystematyzować informacje i szybko je aktualizować. Poprawiamy tylko część mapy cyfrowj, która wymaga zmian. Gdy system informacji przestrzennej jest wykorzystywany do prowadzenia ewidencji danych o terenie, to w dłuższej perspektywie inwestycje zwracają się z nawiązką.

Różnica między systemami CAD i GIS

Systemy CAD służą do tworzenia modelu pojedynczego obiektu a systemy informacji przestrzennej GIS służą do prezentacji pewnego zbioru obiektów. Funkcje zawarte w tych systemach służą do realizacji całkowicie odmiennych celów. W CAD układ współrzędnych jest przeważnie lokalny, w mm lub cm, stosowany w celu uzyskania rysunku schematycznego, w drugim (GIS) - globalny układ współrzędnych (np. długość i szerokość geograficzna), pozwalający na dokładne odwzorowanie obiektów w terenie.


Do jakich celó można wykorzystywać systemy GIS?

GIS może być przydatny w każdej dziedzinie życia.

Jedną z najważniejszych cech GIS jest to, że raz stworzoną mapę cyfrową można drukować w różnych ujęciach, skalach, z wykorzystaniem różnej symboliki, kolorystyki, prezenyując pewne dane, ukrywając inne.

Dzięki przechowywaniu mapy w postaci cyfrowej łatwiejsze jest utrzymanie jej w stanie aktualny. Na podstawie danych połączonych z informacjami z bazy danych można łatwiej przeprowadzać różne analizy, odprostych po skomplikowane statystyczne, zawierające zapytania do bazy danych.

Jest to narzędzie dla instytucji lub osób zarządzających pewnym obszarem i podejmujacych decyzje.

Typowe obszary zastosowań systemów GIS

Rozległość pojecia GIS

Do GIS należą wszystkie produkty związane z geografią:


Wprowadzenie do systemów GIS

Mapa cyfrowa

Mapa cyfrowa przechowuje umiejscowienie i kształt geometryczny obiektów geograficznych wraz z informacjami opisującymi te obiekty.

Obiekt geograficzny
składniki krajobrazu (drzewa, lasy, rzeki, jeziora), obiekty stworzone przez ludzi (domy, fabryki, drogi, sieci), obiekty wirtualne (parki, miasta, działki, połączenia lotnicze, sieć sprzedaży...).

Obiekty przedstawiane są na mapie cyfrowej za pomocą figur geometrycznych lub symboli. Np. budynki jako wielokąty, drogi linie, miasta jako punkty (symbole).

Elementy graficzne w GIS:

Różnica między zwykłymi danymi graficznymi (np. obrazek w Paint) od danych graficznych przedstawiających mapę w systemach GIS

Podstawowe pojęcia

WARSTWA

Warstwa - zbiór elementów mapy o jednakowych atrybutach opisowych. Warstwa obejmyje zwykle obiekty mające pewną cechę wspólna. Np. warstwa budynki, drogi. Można wyświetlić jedną warstwę lub nakładać je na siebie w dowolnej kolejności.

Kaąda warstwa oprócz atrybutów opisowych posiada również parametry określające jej wygląd jak: kolor, grubość i typ linii, rodzaj wypełnienia poligonów, rodzaj symbolu dla obiektów punktowych itd.

Warsrwa może być aktywna - na której wykonujemy analizy na mapie, gdy np. chcemy uzyskać informacje nt. wskazanego obiektu. Można również zaznaczyc jako aktywne kilka warstw.

OBIEKT

Obiekt - pojedynczy, najmniejszy elelent, który można wyróżnić na mapie cyfrowej. Obiekt to składnik warstwy. Obiektem może być np. droga. Obiekt można przedstawić za pomocą symbolu graficznego lub figury geometrycznej. Jego reprezentacja graficzna jest łączona z informacją opisową. Informacja opisowa do każdego obiektu jest przechowywana w bazie danych. Może to być liczba, tekst, zdęcie, dźwięk, animacja. Każdy obiekt składa sie z co najmniej jednego punktu o danych współrzędnych, dzięki czemu można go umiejscowić w przestrzeni, czyli dokonać tzw. georeferencji.

ATRYBUTY

Atrybut opisowy - informacja tekstowa, liczbowa lub multimedialna dołączona do każdego obiektu.

Systemy GIS różnią się od zwykłych programów graficznych możliwością opisania każdego obiektu. Dane opisowe niekoniecznie muszą być wyświetlane na ekranie razem z obiektem graficznym. Można je wyświetlać wszystkie lub tylko część w zależności od potrzeb. Informacja jest jakby etykietą, którą możemy wyciągnąć lub schować. Każdy obiekt może być opisany dowolną ilością informacji dowolnego typu.

Mogą to być:

Niektóre systemy umożliwiają podłączenie danych opisowych dowolnego typu, w dowolnym formacie - w momencie żądania informacji wywoływany jest odpowiedni program do prezentacji danych.

Informacja związana z każdym pojedynczym obiektem jest przechowywana w rekordach bazy danych. Informacje o formacie nie obsługiwanym przez bazę (np. obrazki w niestandardowym formacie) umieszczane są przez podanie nazwy pliku, zewnętrznego w stosunku do bazy danych. Przeważnie jednemu obiektowi odpowiada jeden rekord (wiersz) z tabeli opisowej, który może zawierać dowolną liczbę pól różnego typu. Baza danych może być współużywana przez inne aplikacje Niektóre z atrybutów możemy dołączać tymczasowo w trakcie pracy systemu, np. dane statystyczne. Dane są najczęściej przechowywane w formacie DBF, który można łatwo zaimortować do dowolnego systemu.

Przykład: Dana mapa Polski z podziałem na województwa z jednym tylko polem informacyjnym podłączonym do każdego województwa (poligonu) - nazwa woj. Po wykonaniu operacji linkowania, czyli podłączenia tabeli atrybutów warstwy z tabelą zewnętrzną, otrzymujemy rozszerzoną tabelę atrybutów. Wskazujemy tabelę źródłową, tabelę docelową, 2 pola służące do połączenia (nazwy pól nie muszą być takie same, ale ich zawartość musi sobie nawzajem odpowiadać) i otzrymujemy mapę wzbogaconą o nowe informacje.

nazwa woj
katowickie
krakowskie
bielskie
nazwa wojew Zaludnienie Berobocie Inwestycje
katowickie 5000000 10 500000000
krakowskie 2000000 7 250000000
bielskie 1000000 12 800000

Istnieje wiele różnych formatów mapy cyfrowej. Dane można wymieniać korzystając z programów do konwersji, jakie dostarczają producenci jak np. ESRI, BENTLEY, INTERGRAPH, Mapinfo. Posiadając mapę w formacie shapefile, DGN, MIF lub możliwość zapisu w jednym z tych formatów, będziemy mieli większe możliwości jej konwersji do innych formatów, bez utraty danych.

GIS nie przechowuje mapy ani obrazu jakiegoś obszaru lecz dane umożliwiające generację mapy!

Na podstawie tych samych danych można wygenerować różne mapy tego samego obszaru.

obiekt id   id opis1 opis2
dane binarne 1 + 1 opis1_1 opis2_1
dane binarne 2   2 opis1_2 opis2_2
część graf.	część bazodanowa

Dane binarne to ciąg liczb okreslających obiekt,
np. 1, 3, 358416.92, 821456.44, 358421.34, 821459.32, 359001.89, 82147.55

gdzie:


Mapa w postaci przechowywanej w systemie GIS

MAPA CIĄGŁA

Graficzna część mapy zapisywana jest jako obszar ciągły, co oznacza, że nawet w przypadku gdy obszar w oryginale zapisany był na wielu arkuszach mapy, w zapisie komputerowym zapisany jest jako jednolity obszar, bez podziału na arkusze.

Dane są przechowywane w komputerze w skali 1:1, niezależnie od przyjętej skali w czasie wprowadzania mapy i w każdym przypadku rysunek z graficznej bazy danych można oglądać w dowolnej skali.

Mapa rastrowa a mapa wektorowa

WEKTOR - mapa wektorowa

Mapa wektorowa - mapa zawierająca opis każdego elementu mapy w postaci analitycznej (np. współrzędne początku i końca dla obiektu liniowego), co pozwala na wyróżnienie każdego z nich i przyporządkowanie mu atrybutu opisowego. Mapa w postaci wektorowej składa się ze zbioru punktów opisanych współrzędnymi w zadanym układzie współrzędnych. Obiekt punktowy to para współrzędnych (x,y); linia to ciąg punktów (x1,y1), (x2,y2)...Reprezentacja wektorowa nadaje się do przechowywania danych o charakterze dyskretnym, dla których wymagana jest duża dokładnośc, np. granice działek, ulice, budynki, sieci.
Wektor ma jeszcze ważną zalete: możliwe jest wyodrębnienie poszczególnych obiektów, można podłączać do nich informacje z bazy danych, co nie jest możliwe dla mapy rastrowej.

Zapis wektorowy jest stosowany powszechnie w systemach CAD-owskich, z tm, że współrzędne są tam wyrażane w lokalnych jednostkach, np. w calach, cm lub milimetrach, a nie we współrzędnych geograficznych.

Zwykle objętość (wielkość pliku w bajtach) mapy wektorowej jest mniejsza niż rastrowej, ale są czasem wyjątki. Tworzenie mapy wektorowej to proces bardzo czaso- i pracochłonny, bo trzeba ręcznie wprowadzić każdy punkt. Nie każdy materiał ze względu na jakość nadaje się do automatycznej wektoryzacji. Istniejące programy do konwersji automatycznej rastra na wektor sprawdzają się w miarę dobrze w przypadku rysunków CAD-owskich, ale nie są na tyle dobre w zastosowaniach GIS. Programów so automatycznej wektoryzacji używa się sporadycznie i przeważnie w trybie półautomatycznym.

Dużą zaletą zapisu wektorowego jest skalowalność - jakość mapy nie zależy od skali w jakiej jest przedstawiana, w przeciwieństwie do zapisu rastrowego, gdzie najlepsza jakość jest osiągnięta przy skali zbliżonej do skali oryginału.

RASTER

Raster czyli mapa rastrowa - mapa opisująca dany obszar za pomocą siatki punktów, które mogą być czarne, białe lub kolorowe; nie istnieje możliwość wyodrębnienia poszczególnych obiektów na tej samej zasadzie co w warstwie wektorowej. Mapę w postaci wektorowej można porównać do fotografii. Jest to siatka punktów zorganizowanych w wiersze i kolumny. Każdy z nich może przyjmować różne wartości (kolory), jak na ekranie telewizora.

To co układ tych punktów przedstawia (np. budynek, napis) nie jest rozpoznawalne dla komputera, tylko dla użytkownika. Rysunek rastrowy też zachowuje globalny układ współrzędnych i może być zapisany z oryginałów w różnych skalach. Mozna go powiększać i pomniejszać w granicach czytelności - ok. +10 do -10 razy.

W warstwach rastrowych pola opisowe nie są wykorzystywane, nie można wskazywać obiektów.

Raster jest wykorzystywany przede wszystkim w przypadkach:

Jakość mapy rastrowej zależy od rozdzielczości siatki punktów. Im więcej punktów na jednostkę długości, tym większa jakość. Wielkość punktów rastra jest stała, więc przy powiększaniu mapy rastrowej tracimy na jakości.

Są różne formaty plików rastrowych. Różnią się głównie liczbą kolorów oraz stopniem kompresji. Im lepsza jakość obrazu tym większa pojemność pliku. Zwykle pliki najwierniej odwzorowujące (tru color) posiadają wewnętrzną kompresję danych. Przy źródłach czarno-białych wystarczy oszczędny format monochromatyczny. Najczęściej wykorzystywane formaty rastrowe: TIF, RLC, BMP.

Obraz rastrowy jest dokładny ale bardzo obszerny (pojemność pliku). Źródłem pliku jest najczęściej skaner, przy pomocy którego przenosimy do komputera mapy lub zdjęcia (satelitarne, lotnicze). Po zakończeniu skanowania arkuszy dokonuje się korekty geometrii każdego arkusza mapy przy pomocy punktów charakterystycznych, o znanych współrzędnych terenowych.

 

Projekcja (odwzorowanie)

Projekcja mapy - zamiana modelu kuli ziemskiej na model płaski, który można przedstawić na arkuszach mapy.

Na mapach o dużej skali (np. plan miasta), stosowanie projekcji ma niewielkie znaczenie, bo można założyć, że tak niewielki wycinek kuli jest powierzchnią płaską. Na mapach o mniejszej skali, obejmujących regiony lub całe kraje, dobranie odpowiedniej projekcji jest bardzo ważne. Może mieć duży wpływ na pomiar odległości, powierchni, porównywanie kształtu obiektów z mapy. Każda reprezentacja kuli ziemskiej za pomocą płaskiego układu współrzędnych wprowadza zniekształcenia jednej z cech mapy:

Różne projekcje wpływają na zmiany różnych parametrów. Wybór odpowiedniej projekcji decyduje o przydatności mapy w takich a nie innych zastosowaniach.

GEOGRAFICZNY UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH

Początkiem układu jest środek kuli ziemskiej. Istnieją 2 systemy definicji zerowego południka: powszechnie stosowany Grenweech oraz mniej znany Ferro. Różnią się o 17°40´.

PŁASKI UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH

Najprostszy, zwany kartezjańskim, składa się z 2 prostopadłych do siebi osi. W układzie matematycznym oś pozioma jest nazywana osią X, a pionowa Y. W układzie geodezyjnym osie są zamienione: oś pozioma to oś Y, pionowa X, kierunek orientacji kątów odwrotny - w każdym układzie od osi X do Y (by kąt wynosił 90 stopni).

Przy odwzorowaniu obiektów z kuli ziemskiej na płaską powierzchnię arkusza mapy lub ekran monitora, trzeba się pogodzić ze zniekształceniami. Trzeba się zdecydować na czym nam najbardziej zalezy:

W zależności od tego stosujemy odpowiednią projekcję.

Transformacja Gaussa-Krugera to jedna z najbardziej popularnych projekcji. Nazywana też jest transformacją Transversal Mercator. Kula ziemska jest podzielona na kawałki. Jeden kawałek zawiera 3 południki. Środkowy z nich jest prostopadły do równika. Odwzorownie ma bardzo małe zniekształcenia w pobliżu środkowego południka.

Inne popularne projekcje:

KLASYFIKACJA

Klasyfikacja - jedna z funkcji systemu GIS umożliwiająca zróżnicowanie elementów należących do tej samej warstwy, na podstawie jej atrybutów opisowych.

Wszystkie obiekty w danej warsywie są wyświetlane w tym samym kolorze, tą samą grubością linii itd. Czasem w celu ułatwienia orientacji trzeba wyróżnić grupy obiektów należących do tej samej warstwy - przydaje się wtedy klasyfikacja.

Przykładem jest odróżnienie klas dróg. W bazie opisowej istnieje pole typ drogi i dzięki niemu można po włączeniu klasyfikacji rozróżnić drogi główne od podrzędnych - za pomocą grubości i koloru linii na mapie.

GEOKODOWANIE

Geokodowanie - umieszczanie obiektów na mapie nie na podstawie współrzędnych, lecz adresu; adresy mogą być umieszczone w pliku tekstowym, który po wczytaniu zostaje zamieniony na jedną z warstw mapy.

Adresy to najbardziej popularna forma przechowywania danych geograficznych. W związku z tym istnieje funkcja pozwalająca na automatyczne umieszczanie na mapie dowolnych obiektów na podstawie ich adresu. Można umieścić obiekt na mapie, nie znając jego współrzędncyh tylko adres. Do tego niezbędne jest posiadanie warstwy ulic z atrybutami opisowymi: nazwa ulicy oraz 4 numery: od którego zaczyna się numeracja po lewej stronie, numer na którym kończy się numeracja po lewej stronie i analogiznie numery początkowy i końcowy po prawej stronie. System na podstawie długosci odcinka ulicy sam wyznaczy numery pośrednie.

Aby przeprowadzić proces geokodowania musimy posiadać 2 zbiory danych:

 

Mapy o dużej skali i mapy o małej skali

W zależności od skali mapy dzielą się na mapy o dużej skali (mały mianownik skali) - 1:500 ... 1:500000 i mapy o małej skali - 1:1000000 ... 1:25000000.

Dokładność mapy

Dokładność mapy jest często mylona ze stopniem szczegółowości. Mapy mniej szczegółowe są mniej dokładne bo prezentują większy obszar i większą liczbę obiektów, ale jest to niedokładność zamierzona. Na mapach o małych skalach nie ma miejsca na szczegóły, np. miasta są reprezentowane przez punkty a nie przez poligony.

Szczegółowość mapy jest cechą, którą można w każdej chwili zmienić. Gdy mapa jest nieczytelna, można zmniejszyć liczbę prezentowancy obiektów i opisów. Natomiast dokładność jest stałą cechą mapy nadaną w trakcie tworzenia. Dokładność mapy cyfrowj nie zależy od bieżącej skali, bo mapa cyfrowa jest w skali 1:1. Zależy od dokładności materiałów wykorzystanych do stworzenia mapy i dokładności procesu wprowadzania do komputera. Wyświetlana mapa ma dokładność zależną od rozdzielczości ekranu. Natomiast mapa wydrukowana ma dokładność zależną od rozdzielczosći wydruku.

Tworząc mapę cyfrową z istniejących map papierowych - przez skanowanie, czy didgitalizację - na pewno nie uzyskamy mapy o większej dokładności niż oryginały.

Trzecim pojęciem związanym z dokładnością jest rozdzielczość. Określa nam jak dokładnie mapa może byc przedstawiona w danej skali. Rozdzielczość zależy od 3 czynników:

Tworząc mapę rastrową skanujemy materiały źródłowe z określoną rozdzielczością, ustawianą jako parametr procesu skanowania (np. 300 dpi). Jest to wartość ustalona raz na zawsze w trakcie procesu skanowania i zmienić ją można tylko przez powtórne skanowanie.

W przypadku warstw wektorowych większość systemów jest wyposażona w funkcję skalowania, która przy zmianie skali automatycznie przelicza takie parametry jak grubość linii czy wielkość symbolu.

Najbardziej istotnym czynnikiem decydującym o dokładności mapy cyfrowej jest dokładność jej tworzenia.

Dla map rastrowych polega to na odpowiednim zeskanowaniu mapy, aby uniknąć w maksymalnym stopniu zniekształceń w czasie skanowania. Następnie na przeprowadzeniu kalibracji zeskanowanych map, aby usunąć zniekształcenia, których nie udało się usunąć przy skanowaniu. Wreszcie na procesie georeferencji, czyli umiejscowieniu obrazu rastrowego na mapie.

W czasie tworzenia map wektorowych ich dokładność zależy od stosowania pewnych zasad dokładności - stosowanie jak największej skali przy digitalizacji z ekranu, obrysowywanie obiektów liniowych za pomocą cieńszej linii itp.

Przy wydruku mapy ustala się parametry wydruku, korzystając ze standardowych okien dialogowych systemu operacyjnego a także ustalając parametry charakterystyczne dla wydruku mapy w systemie GIS (np. skala).


Jak stworzyć mapę cyfrową

Tworzenie mapy cyfrowej to najbardziej czasochłonny etap wdrażania systemów GIS.

Wprowadzanie danych

Przed rozpoczęciem tworzenia mapy należy określić dla niej typ projekcji. Dla niewielkich wycinków kuli ziemskiej, które można traktować jako płaskie, można zrezygnować z projekcji. Wprowadzanie danych geograficznych trzeba dobrze zaplanować ze względu na koszty.

Podstawowe pojęcia związane z tworzeniem mapy cyfrowej

Topologia lub informacja topologiczna - opisuje wzajemne zależności w położeniu obiektów względem siebie. Jest to zapis mapy umożliwiający analizę relacji przestrzennych między obiektami. W najprostszym przypadku jest to np. połączenie 2 punktów. W bardziej skomplikowanych systuacjach są to reguły określające obiekt poprzedni lub następny w stosunku do aktualnego.

Każdy GIS ma własny format zapisu. Struktura zapisu polega na przechowywaniu linii oraz zestawu informacji jak zbudować z nich poligon. Trzeba brać pod uwagę element poprzedni, następny, element sąsiadujący z lewej strony, z prawej strony. Zajmuje to trochę miejsca ale zaletą jest mniej pracy przy analizie wzajemnych relacji przestrzennych miedzy obiektami.

Zapis obiektowy (nie-topologiczny) jest zwartym, jasnym, prostym i łatwiejszym w zarządzaniu. Format topologiczny sprawdza się w przypadku, gdy pojedynczemu poligonowi odpowiada jeden opis. W przypadku nakłądających się poligonów lepszym rozwiązaniem jest model obiektowy.

W reprezentacji topologicznej każdy odcinek poligonu posiada odpowiadający mu rekord w bazie danych. Dodatkowo istnieje rekord opisujący poligon (numery odcinków wchodzących w jego skład).

W reprezentacji obiektowej poligon stanowi jednolitą całość.

Przykładem modelu topologicznego jest ARC/Info, a przykładem obiektowego jest ArcView.

Dla użytkownika zwykle nie ma znaczenia jak mapa cyfrowa jest zapisana, liczą się głównie funkcje systemu. Istnieją programy do konwersji między modelami, istnieją nawet systemy, w których jednocześnie można używać map zapisanych w sposób topologiczny i obiektowy.

Informacja geometryczna - opisuje położenie przestrzenne obiektu przy pomocy współrzędnych.

Informacja tematyczna lub atrybuty - informacje skojarzone z obiektem. Na przykład dane nt. budynku: liczba kondygnacji, nazwiska lokatorów, powierzchnia itp.

OBIEKT = Informacja Topologiczna + Informacja Geometryczna

ATRYBUT = Informacja tematyczna

Każdy obiekt może posiadać dowolną liczbę atrybutów. Głównym zadaniem systemów GIS jest nawiązanie połączenia między obiektem, którego wygląd zewnętrzny jest przedstawiony graficznie na ekranie - a jego atrybutami, które są przechowywane w bazie danych. Im lepszy system GIS, tym mniej użytkownik musi się zajmować obsługą połączenia grafiki z bazą danych. W najlepszych systemach integracja jest tak posunięta, że użytkownik może nie wiedzieć o istnieniu takiego połączenia.

PUNKTY CHARAKTERYSTYCZNE

Przy tworzeniu mapy należy posiadać siatkę stałych punktów orientacyjnych, występujących w terenie, o dokładnych współrzędnych. Na podstawie sieci takich punktów można określić współrzędne dowolnego nowego pounktu, mierząc odległości od punktów orientacyjnych. Aby otzrymać siatkę punktów orientacyjnych, należy zmierzyć w terenie wszystkie znaczące punkty, jak np. zarysy dróg, narozniki domów, drzewa. Do pomiaru można użyć teodolit, dalmierz. Do bezpośredniego wyznaczenia współrzędnych najwygodniej jest stosować mierniki satelitarne GPS (Global Positioning System). Uzyskana dokładność pomiaru jest wprost proporcjonalna do kosztów urządzenia i waha się od kilkudziesięciu metrów do kilku cm.

UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH - musi być wspólny dla całej warstwy

Ustalanie odpowiedniej struktury danych

To w jaki sposób wprowadzimy do komputera dane - czyli z jaką dokłądnością, w jakiej strukturze i jak kompletne - zadecyduje jak będziemy je mogli przetwarzać. Trzeba brac pod uwagę koszty i czas.

Podstawowe kwestie, które należy brać przy projektowaniu mapy cyfrowej:

Etapy budowania mapy cyfrowej:

Przed rozpoczęciem pracy należy się zastanowić nad zagadnieniami:

Budowa bazy danych

Pod pojeciem bazy danych kryje się całość danych wchodzących w skład systemu GIS: o charakterze graficznym - są określone przez zestaw współrzędnych, czyli zbiór punktów, któremu można nadać topologię przez umieszczenie w bazie danych, grupując punkty w tabele (spełniające rolę warstw), rekordy (bedące obiektami) - jak i czysto bazodanowych, będących atrybutami obiektów. W przypadku niektórych systemów obydwa rodzaje danych stanowią jednolitą, spójną bazę danych i wtedy referencja między obiektami i ich atrybutami jest realizowana przez bazę danych, ponieważ stanowią one ten sam rekord w bazie danych.

Zaprojektowanie bazy danych to bardzo ważna czynność (jak projekt domu). Źle zaprojektowana baza nie pozwoli wykonać potrzebnych analiz i przedstawiać informacji w interesujacy nas sposób.

Zbudowana baza może podlegać potem ewolucji - zmianom i rozbudowie. Dobrze zaprojektowana baza nie wymaga zmian tylko może być rozbudowywana, np. dołożenie nowych pól.

Projektowanie bazy danych:

Trzeba określić co ma być w bazie danych, jakie obiekty i z jakimi atrybutami będą potrzebne. Określając atrybuty obiektu, możemy mu przyporządkować dowolną ilość danych opisowych różnego typu

Przykłady:

obiekt typ atrybuty
budynek poligon adres,
liczba kondygnacji,
typ budynku,
fotografia
rodzaj gleby poligon typ,
powierzchnia
latarnia punkt (symbol) typ,
data przeglądu,
właściciel
działka poligon Imię właściciela,
Nazwisko właściciela,
Pole powierzchni,
Cena 1 m,
Inne dane

Po określeniu obiektów należy zająć się ich przydzieleniem do warstw. Warstwy można tworzyć biorąc pod uwagę rodzaj obiektów, które doń należą, lub typ figur geometrycznych (punkt, linia, poligon). Najczęściej w warstwach grupujemy pewne typy obiektów: budynki w jednej, drogi w innej itd.

Ważne jest określenie typów obiektów, np. warstwa ulice - soie lub obszary określające granice ulic. Problemem jest zdefiniowanie skrzyżowań ulic - przeważnie rozwiązanie narzuca system GIS.

Metody tworzenia map

Wykorzystanie danych cyfrowych z pomiarów, digitalizacja: za pomocą digitizera lub z ekranu na podstawie obrazu rastrowego. Metoda polegająca na skanowaniu całych arkuszy mapy daje mapę rastrową, co nie daje możliwości połączenia z opisową bazą danych.

Metoda wektorowa

Istnieją 3 główne metody wprowadzania rysunku wektorowego map do komputera:

Automatyczna wektoryzacja polega na wykorzystaniu specjalnych programów. Podstawą jest obraz rastrowy ze skanowania, na wyjściu otrzymujemy obraz wektorowy. Działanie programu wykorzystuje dział informatyki zwany rozpoznawaniem obrazu. Przed wektoryzacją zeskanowany materiał poddaje się obróbce za pomocą programu umożliwiajacego edycję obrazów rastrowych, w celu usunięcia "śmieci" i poprawy zakłóceń. Wektoryzacja odbywa się w kilku etapach. W pierwszym etapie obraz rastrowy zamieniany jest wstępnie na wektory (rozróżniane są obiekty, typy i grubości linii itp), które na drugim etapie są porównywane i łączone. W końcu obraz dzielony jest na warstwy.
Wymagania: komputer, skaner wielkoformatowy, oprogramowanie do automat. wektoryzacji, oprogramowanie do kalibracji map, system GIS, operator lub operatorzy do wprowadzania danych opisowych.

Mapa rastrowa

Mapa rastrowa powstaje przez skanowanie map, zdjęć satelitarnych, lotniczych. Po zeskanowaniu mapę należy skalibrować aby usunąć zniekształcenia, a następnie poddać edycji (retusz, wycięcia). Ze skalibroanych map można utworzyć ciągłą mapę cyfrową, dokonując ich georeferencji w systemie GIS. W tym celu trzeba znać współrzędne narożników każdego z arkuszy mapy.

Przy korzystaniu ze zdjęć satelitarnych, jednym z najważniejszych parametrów jest rozdzielczość, decydująca o szczegółowości. Przykładowe dane zdjęcia KFA 1000 o rozdzielczości 2m:

DOŁĄCZANIE INFORMACJI OPISOWYCH

Informacje opisowe można wprowadzić po danych graficznych lub wprowadzać jednocześnie - po wprowadzeniu obiektu jego opis. Drugi sposób stosowany jest gdy posiadamy dane wpisane do komputera w całości lub częściowo. Wystarczy wtedy obiekt graficzny opatrzyć unikalnym identyfikatorem identycznym z identyfikatorem opisu i dokonać linkowania obu rodzajów danych.

Gdzie można znaleźć gotowe mapy:


Z czego składa się system GIS

W każdym systemie GIS wyróżnia się następujące elementy:

OPROGRAMOWANIE

Wybór odpowiedniego oprogramowania decyduje o potencjalnych możliwościach systemu. Wybór powinien być dokonany po głębokiej analizie zadań przed nim stawianych. W skład oprogramowania, oprócz systemu GIS może wchodzić kilka elementów wspomagających system GIS.

W prostych zastosowaniach, gdy baza nie jest duża, a GIS jest jednym a licznych narzędzi jakich używamy, wystarczającym jest sam pakiet oprogramowania GIS.

W bardziej złożonych zastosowaniach, gdy stosowany jest model pracy typu klient-serwer, potrzebne są następujące składniki:

Oprogramowanie jest drugim po sprzęcie elementem systemu operacyjnego ulegającym szybkiemu starzeniu się.

DANE

W skład danych wchodzą informacje graficzne (położenie i kształt obiektu) oraz dane opisowe (atrybuty obiektu). Informacje graficzne przechowywane są zwykle w oddzielnym pliku lub plikach w formacie charakterystycznym dla danego systemu GIS. Informacje opisowe przechowywane są w bazie danych, w formacie zależnym od używanej bazy danych.

Najważniejszym elementem danych jest połączenie każdego obiektu z jego opisem w bazie danych. Dzięki temu, po wybraniu na rysunku obiektu graficzne\go, wybrazny zostanie automatycznie odpowiedni rekord w bazie danych. Analogicznie dokonując selekcji rekordu w bazie danych, równocześnie zostanie podświetlony obiekt na rysunku.

Najważniejszymi cechami danych są: dokładność i aktualność. O dokładności decyduje jakość procesu tworzenia mapy, a o aktualnosci jego ciągłość.

Dane możemy pozyskać nastepująco:

SPRZĘT

Sprzęt dobiera się w zależności od oprogramowania, zgodnie z zalecaniami. Znaczenie ma też to, jak dużo danych mamy gromadzić w systemie (MB, GB). Im więcej, tym sprzęt powinien być lepszy. Dysk twardy w aplikacjach graficznych powinien byc bardzo szybki, dużo pamieci RAM.

LUDZ|IE + WIEDZA

Nawet najlepsze oprogramowanie muszą obsługiwać odpowiednio przeszkoleni ludzie.


Cechy wspólne wszystkich systemów GIS

Każdy system GIS ma pewne cechy wspólne, niezależnie od producenta i zastosowań.

Zapis części graficznej mapy posiada przeważnie włąściwosci:

Funkcje charakteryzujące każdy system GIS:

Funkcje zaawansowane


Różne środowiska pracy dla systemów GIS

Są oprogramowania GIS na różne platformy sprzętowe i systemy operacyjne. Najbardziej popularne są wydajne stacje robocze (workstations), pracujące w różnych odmianach UNIX-a. W zastosowaniach desktop (powszechne) popularne są Windows 9x oraz Window NT. Każde środowisko ma wady i zalety. Wadą systemów UNIXowych jest koszt, zaletą niezawodność i efektywność pracy.

Zalety środowiska PC w stosunku do minikomputerów:


Wymiana danych między różnymi systemami

Najnowsze systemy GIS pozwalają na korzystanie z map zapisanych w różnych formatach. Ogólnie znane i popularne formaty mapy cyfrowej:


Podział systemów GIS na kategorie

Ze względu na oferowane możliwości pakiety GIS można podzielić na 3 kategorie:

 


Systemy GIS najbardziej popularne w Polsce

ESRI - ARC/Info

Produkt rozwijany od wielu lat, z zasłużoną sławą na świecie. Sercem systemu jest georelacyjny model danych, umożliwiajacy przechowywanie dowolnych tupów geograficznych, wspomagany przez funkcje w zakresie obsługi mapy cyfrowej. System współpracuje z różnymi relacyjnymi bazami danych typu Oracle, Informix itp. (PC-ARC/Info wykorzystuje format dBase'a). Środowisko pracy obejmuje: DOS (wersja uboższa), UNIX, Windows NT. Przybliżona cena 70 tys zł, PC ArcInfo - 5,3 tys zł

ArcView for Windows

Początkowo była to przeglądarka do map zapisanych w ARC/Info, z czasem stała się samodzielnym systemem. Dane opisowe w formacie DBF ale możliwe połączenie z dowolną bazą przez ODBC. Zapytania do bazy można formułować w SQL, dostępne także Query Builder. Wymagania: Windows, UNIX, Mac OS. Cena ok. 3,9 tys zł.

ArcCAD

Zbiór narzędzi do pracy z mapami w środowisku AutoCAD. Pracuje w śrosowiskach Windows 3.x, Windows 9x, NT.

Atlas GIS

Produkt między business GIS a desktop mapping

Przyjazny, dostęp do danych w: Lotus 1-2-3, Excel lub dBase, możliwość zadawania pytan do baz typu klient-serwer przez ODBC. Praca w Windows 3.x, 9.x, NT. Cena ok. 2,8 tys zł.

BENTLEY SYSTEMS - MicroStation Geographics

Dostęp do atrybutów opisowych za pomocą SQL-owych zapytań. Wersje dla DOS, Windows 3.x, 9x, NT, UNIX. Przeznaczony głównie dla zastosowań kartograficznych i geodezyjnych. Cena 4,7 tys + 15,5 tys zł (MicroStation + Microstation Geographics)

INTERGRAPH - MGE

Standardowy produkt firmy Intergraph. Bazy typu SQL lub XBase. Cena MGE Mapping Office ok. 16 tys zł

AUTODESK - AutoCAD Map

Program działajacy w środowisku AutoCAd-a. Systemy Window 9x, NT.

Autodesk World

GIS typu desktop, dla klientów nie korzystających z AutoCAD-a. Środowisko Windows 9x, NT. Baza danych Microsoft Access (Jet Engine), zewnętrzne przez ODBC (dBASE, MS FoxPro, Paradox, arkusze kalkulacyjne: MS Excel, Lotus 1-2-3), bazy typu klient-serwer (Oracle, Sybase, Informix).. Cena ok. 7 tys zł.

MAPINFO CORP. - MapInfo Proffesional

GIS klasy desktop, łatwy w użyciu, integrujący się z MS Office. Pracuje w Windows 3.1, 95, NT. Dane w formacie dBase lub na serwerze bazy danych z dostępem typu klient-serwer poprzez ODBC. Cena ok. 5 tys zł.

Inne systemy GIS

Hitachi System Software

CADCore

Posiada edytory rysunków rastrowych i wektorowych. Ok. 7 tys zł.

Inter Design Tessel Systems

Raster Edit

Samodzielny edytor rastrowo-wektorowy do zastos. geograficznych. Cena ok. 2,9 tys zł.

SuperView

Przeglądarka z możliwością wydruku. Cena 950 zł

CADRaster

Edytor rastrowy pracujący w środowisku AutoCAD-a do zastosowań geograficznych. Cena ok. 2,9 tys zł.