GIS - Podrobnejšie PDF

1. Úvod, definícia GIS, základné pojmy. História GIS, vzťah GIS a ostatných odborov, geografický objekt, transformácia geografických dát. Definícia GIS GIS (Geografický informačný systém) je integrovaný systém, ktorý umožňuje: Zber a spracovanie priestorových údajov: Tieto údaje môžu byť zozb...

1. Úvod, definícia GIS, základné pojmy. História GIS, vzťah GIS a ostatných odborov, geografický objekt, transformácia geografických dát. Definícia GIS GIS (Geografický informačný systém) je integrovaný systém, ktorý umožňuje: Zber a spracovanie priestorových údajov: Tieto údaje môžu byť zozbierané z máp, senzorov, satelitných snímok alebo geodetických meraní. Ukladanie a správu dát: Údaje sú uložené v priestorových databázach a organizované na základe geografickej lokalizácie. Analýzu priestorových vzťahov: GIS umožňuje analyzovať vzťahy medzi objektmi, napríklad identifikovať, ktoré oblasti sú najviac ohrozené povodňami. Vizualizáciu dát: Výsledky sa zobrazujú prostredníctvom máp, 3D modelov alebo grafov. Kľúčové vlastnosti GIS zahŕňajú jeho schopnosť pracovať s geografickými informáciami, využívať súradnicové systémy a podporovať rozhodovanie na základe analýzy priestorových dát. História GIS 1. Počiatky (60. roky): o Kanadský GIS (CGIS), vyvinutý v roku 1963, bol prvým praktickým GIS, ktorý spravoval 10 000 digitálnych máp pre plánovanie využitia prírodných zdrojov. o Prvé systémy ako SYMAP umožňovali jednoduchú vizualizáciu priestorových údajov. 2. Rozvoj technológie (70. a 80. roky): o Zavádzanie prvých vektorových systémov, ako ARC/INFO (1981). o Rozvoj technológií ako digitizéry, plotre a rastrové systémy na spracovanie satelitných snímok. 3. Moderné GIS (90. roky a súčasnosť): o Príchod desktop GIS, integrácia s internetom, rozvoj otvorených systémov (napr. GRASS GIS). o Súčasné systémy zahŕňajú mobilné GIS, cloudové služby a prepojenie s ďalšími technológiami, ako je BIM. Geografický objekt Definícia: Geografický objekt predstavuje digitálne modelovaný prvok reálneho sveta, ktorý má priestorové a atribútové vlastnosti. Príklad: Rieka (priestorová vlastnosť: línia; atribút: dĺžka, šírka). Hierarchia objektov: o Voda → Tekúce vodstvo → Rieky → Dunaj. o Hierarchia umožňuje dedenie vlastností a pravidiel v rámci vyšších úrovní (napr. všetky vodné objekty sa zobrazujú modrou farbou). Transformácia geografických dát Transformácia dát zahŕňa: 1. Geometrické transformácie: Zmena súradnicového systému (napr. prechod z UTM na WGS84). 2. Konverzie dátových formátov: Napríklad konverzia rastrových dát (mriežky) na vektorové dáta (čiary a polygóny). 3. Zjemňovanie alebo generalizácia: Zmena rozlíšenia alebo detailu priestorových údajov. Vzťah GIS k ostatným odborom GIS spája a využíva poznatky z rôznych vedných disciplín: Matematika: Používa štatistické metódy, numerickú analýzu a modelovanie. Geodézia a kartografia: GIS nadväzuje na metódy mapovania a presné merania. Informatika: GIS čerpá z databázových systémov, programovania a vizualizačných technológií. Aplikačné odbory: Urbanizmus, environmentálne štúdie a krízový manažment využívajú GIS pre priestorovú analýzu a rozhodovanie. 2. Informačné systémy (IS): Všeobecný model a funkcie IS, typy IS (Anthonyho paradigma). Všeobecný model IS Informačný systém (IS) je dynamický systém zaisťujúci: 1. Zber a vstup dát: Prijímanie informácií z prostredia. 2. Spracovanie dát: Transformácia surových údajov na informácie. 3. Ukladanie a pamäť: Zachovanie informácií pre ďalšie použitie. 4. Výstup dát: Distribúcia informácií do prostredia. Statický model IS Zameriava sa na štruktúru a komponenty systému: Prvky: Ľudia, dáta, technológie. Väzby: Spojenia medzi komponentami a okolím. Dynamický model IS Popisuje funkcie a správanie systému: Vstup: Informácie zozbierané zo systému. Proces: Spracovanie a analýza vstupov. Výstup: Informácie použité na rozhodovanie. Typy IS podľa Anthonyho paradigmy Anthonyho paradigma definuje hierarchiu riadiacich systémov: 1. Operatívne riadenie: o Systémy na denné operácie (napr. správa zásob, evidencia zákazníkov). o Príklad: OLTP systémy (Online Transaction Processing). 2. Taktické riadenie: o Zameriava sa na optimalizáciu procesov a efektívne využitie zdrojov. o Príklad: ERP systémy (Enterprise Resource Planning). 3. Strategické riadenie: o Podpora dlhodobého plánovania a rozhodovania na vysokej úrovni. o Príklad: DSS (Decision Support Systems) a systémy na podporu vrcholového manažmentu (EIS – Executive Information Systems). 3. Informačné systémy vo verejnej správe a samospráve (eGovernment, základné registre), štruktúra ISKN. eGovernment a základné registre eGovernment je koncept elektronizácie verejnej správy, ktorý umožňuje efektívne poskytovanie verejných služieb občanom a firmám prostredníctvom internetu. Cieľom je zjednodušiť a zrýchliť administratívne procesy, zabezpečiť transparentnosť a efektivitu pri poskytovaní verejných služieb. Základné registre v ČR: o Register obyvateľov: Eviduje údaje o občanoch a cudzincoch s trvalým pobytom. o Register práv a povinností: Spravuje právne vzťahy medzi právnickými a fyzickými osobami. o Register územnej identifikácie (RÚIAN): Obsahuje údaje o adresách, pozemkoch a nehnuteľnostiach v ČR. o Register ekonomických subjektov: Zaznamenáva údaje o podnikateľských subjektoch a právnických osobách, ktoré pôsobia v ČR. Štruktúra ISKN (Informačný systém katastra nehnuteľností) ISKN je komplexný systém spravujúci údaje o nehnuteľnostiach v ČR, ktorý je kľúčový pre kataster nehnuteľností. Jeho štruktúra sa skladá z niekoľkých základných komponentov: 1. Centrum a pobočky: Centrálny systém spravuje a distribuuje dáta medzi regionálne pobočky katastra. 2. Databáza: Obsahuje podrobné údaje o nehnuteľnostiach, ako sú informácie o parcelách, vlastníkoch, hraniciach a právach na nehnuteľnosti. 3. WAN (Wide Area Network): Širokopásmová sieť zabezpečujúca prenos dát medzi centrom a pobočkami katastra. 4. Aplikácie a typy tabuliek: Zabezpečujú spracovanie a správu katastrálnych údajov, ako aj zobrazenie máp a registrov vlastníkov. 4. Technológia BIM, koncepcia BIM v ČR, CDE, vzťah BIM – GIS, identifikačné číslo stavby, životný cyklus stavby. Technológia BIM (Building Information Modeling) BIM je proces digitálneho modelovania stavieb, ktorý zahŕňa všetky informácie potrebné na efektívne navrhovanie, výstavbu a správu stavieb. BIM umožňuje 3D modelovanie, kde každý objekt obsahuje nielen geometrické dáta, ale aj atribúty ako materiál, výkonnosť alebo údržbové pokyny. Tento systém je veľmi užitočný na zefektívnenie plánovania a minimalizovanie chýb počas výstavby.  CDE (Common Data Environment): Spoločné dátové prostredie, ktoré umožňuje zdieľanie a správu dát medzi rôznymi účastníkmi projektu. Umožňuje lepšiu koordináciu medzi projektantmi, inžiniermi, dodávateľmi a zákazníkmi. Vzťah BIM a GIS BIM sa zameriava na detailné informácie o konkrétnych stavbách (napr. budovách), zatiaľ čo GIS poskytuje širší priestorový kontext, ako je miesto stavby, okolité infraštruktúry a environmentálne faktory. Spojenie BIM a GIS umožňuje lepšiu analýzu a modelovanie vplyvov stavby na životné prostredie, ako aj plánovanie udržateľných urbanistických riešení. Identifikačné číslo stavby a životný cyklus stavby Identifikačné číslo stavby (IČS) je jedinečný identifikátor, ktorý umožňuje sledovať konkrétnu stavbu naprieč rôznymi systémami BIM a GIS. Pomáha prepojiť atribúty stavby s jej geografickým umiestnením a ďalšími relevantnými informáciami. Životný cyklus stavby zahŕňa všetky fázy od návrhu (BIM) cez výstavbu, prevádzku až po demoláciu. Každá fáza zahŕňa rôzne dátové procesy, ktoré sú prepojené v systémoch BIM a GIS na podporu rozhodovania v reálnom čase a optimalizáciu nákladov a času. 5. Databázové systémy: priestorové dotazy SQL, priestorové dátové štruktúry (indexy), R-stromy. Priestorové dotazy SQL Prostorové dotazy SQL (Spatial SQL) rozširujú tradičné SQL o operácie, ktoré umožňujú pracovať s priestorovými dátami (napr. body, čiary, polygóny). Tieto dotazy umožňujú: Priestorové predikáty: Napríklad „INTERSECTS“, ktorý zisťuje, či sa dva objekty (napr. polygón a bod) prekrývajú. Priestorové funkcie: Umožňujú výpočty vzdialeností medzi objektmi, zistenie, či objekt leží v určitej oblasti a pod. R-štvorce a iné: Umožňujú realizovať výpočty priesečníkov, dotykov a ďalších priestorových vzťahov, ktoré sú nevyhnutné pre analýzu geografických dát. Priestorové dátové štruktúry (indexy) Priestorové indexy sú štruktúry používané na efektívne vyhľadávanie priestorových dát. Najbežnejšie indexy sú: R-stromy: Sú najčastejšie používané priestorové indexy v databázach. Slúžia na rýchle vyhľadávanie bodov, čiar a polygónov, ktoré sú geometricky podobné, a teda rýchlo umožňujú určiť, či sa dva objekty prekrývajú. Quadtree a KD-stromy: Používajú sa na indexovanie bodov v dvojdimenzionálnom priestore (napríklad na ukladanie bodov GPS). R-stromy R-stromy sú indexové štruktúry určené na rýchle vyhľadávanie a manipuláciu s priestorovými dátami, ktoré sa dajú efektívne prehľadávať. Tento typ indexu je vhodný pre dáta ako polygóny, ktoré sú časté v GIS aplikáciách. Podporuje aj operácie ako vkladanie nových objektov, mazanie a dotazovanie, ktoré sú kľúčové pre prácu s veľkými množstvami priestorových údajov. 6. Topológia: Definícia, topológia podľa normy DIGEST, topologické entity, vzťahy a pravidlá, hierarchia topologických úrovní (špagety, reťazec uzlov, planárny graf, plná topológia). Definícia topológie Topológia v geografických informačných systémoch (GIS) sa zaoberá štúdiom vzťahov medzi geografickými objektmi bez ohľadu na ich presnú polohu alebo rozmer. V GIS sa topológia zameriava na definovanie vzorcov, ako objekty vzájomne súvisia, napríklad, či sa prekrývajú, dotýkajú alebo sú oddelené. Je to kľúčová časť pre zabezpečenie integrity geografických dát, čo znamená, že dodržujú určité pravidlá (napr. žiadne neprekrývajúce sa polygóny) a správne vzťahy medzi objektmi (napr. uzly spájajúce čiarové segmenty). Topológia podľa normy DIGEST Norma DIGEST definuje topologické vzťahy v geografických systémoch: Topologické entity: Sú to základné stavebné prvky, ktoré môžu byť body (uzly), čiary (oblúky) a polygóny (plochy). Každá z týchto entít má svoje špecifické pravidlá.  Vzťahy medzi entitami: Tieto vzťahy popisujú, ako sa jednotlivé entity navzájom ovplyvňujú, ako sú napríklad dva polygóny spojené čiara, alebo či sa dve čiary križujú. Pravidlá: Stanovujú, že objekty v systéme sa musia vzájomne ovplyvňovať určitým spôsobom. Napríklad, každá línia (obluk) musí mať dva uzly a každý polygón musí byť uzavretý, aby spĺňal topologické pravidlá. Hierarchia topologických úrovní 1. Špagetový model: Tento model nezahŕňa žiadnu topológiu. Ide o veľmi jednoduchú reprezentáciu, kde dáta nie sú vzájomne prepojené. 2. Reťazec uzlov (node-chain): Tento model zahŕňa vzťahy medzi uzlami (bodmi), ktoré sú spojené do reťazca. Umožňuje napríklad modelovať cesty, cesty s bodmi alebo iné siete. 3. Planárny graf: Zahŕňa vzťahy medzi čiarami a uzlami v rámci geometrického priestoru. Je to spôsob reprezentácie vzťahov medzi prvkami, kde neexistujú žiadne prekrývajúce sa oblasti, čo je vhodné pre mapovanie ciest alebo iných objektov. 4. Plná topológia: Zahŕňa úplné pravidlá a vzťahy medzi bodmi, čiarami a polygónmi, ako sú topologické vzťahy, kde sú objekty definované v závislosti od ich geometrických vlastností (napríklad Arc/Node model). Tento model zaisťuje úplnú kontrolu nad údajmi a zabezpečuje ich správnu organizáciu a analytickú použiteľnosť. 7. Organizácia priestorových dát: Základné modely vektorovej a rastrovej reprezentácie podľa topológie, maticové dáta. Vektorová reprezentácia 1. Špagetový model: Tento model nevyužíva topologické vzťahy medzi objektmi. Ide o veľmi jednoduchú reprezentáciu dát, kde sa objekty neprepojujú medzi sebou. Tento model je častý pri zobrazovaní ciest alebo iných prvkov, kde nie sú kritické topologické vzťahy. 2. Topologický model: Umožňuje organizáciu dát na základe vzťahov medzi objekty. Tu sa zohľadňuje, ako sú objekty geometricky prepojené, čo je dôležité pre analýzu, ako je analýza pohybu alebo šírenie (napr. znečistenia). Tento model používa spojenia medzi bodmi, čiarami a plochami, aby sa zabezpečila správna interakcia medzi objektmi. Rastrová reprezentácia Rastrový model je založený na rozdelení priestoru na malé bunky (pixely), kde každý pixel má hodnotu, ktorá reprezentuje určitú vlastnosť, ako je výška terénu alebo teplota. Topológia v rastrových dátach: Topológia v rastrových dátach je implicitná, pretože vzťahy medzi bunkami sa definujú ich susedstvom. Je to veľmi efektívne pre analýzu, ako je modelovanie povodní alebo analýza slnečného svitu. Maticové dáta Maticové dáta predstavujú štruktúru, kde sú všetky hodnoty uložené v pravidelnej mriežke s rovnakým rozlíšením. Tento typ dát je najvhodnejší na analýzu veľkých oblastí, ako sú satelitné snímky alebo digitálne modely terénu (DMT). Maticové dáta môžu byť použité na vykonávanie analýz ako sú prevod rastrových údajov na vektorové a späť. 8. Metadata, normy, kvalita dát, chyby údajov v GIS. Metadata Definícia: Metadata sú dáta o dátach, ktoré popisujú obsah, kvalitu, pôvod, štruktúru a použiteľnosť geografických dát. Metadata sú kľúčové pre efektívne zdieľanie a opätovné využívanie dát v GIS. Normy: Existujú rôzne normy na organizovanie metadát, ako je INSPIRE v EÚ, ktoré upravujú, aké informácie musia byť zahrnuté v metadátach, ako aj štandardy pre ich výmenu a použitie. Kvalita dát Kvalita dát v GIS je meraná podľa viacerých faktorov: 1. Presnosť: Miera, do akej sú dáta správne a v súlade s reálnym svetom. 2. Úplnosť: Miera, do akej sú dáta úplné a neexistujú v nich žiadne chýbajúce informácie. 3. Aktualizácia: Dáta musia byť pravidelne aktualizované, aby odrážali aktuálny stav. Chyby údajov v GIS 1. Geometrické chyby: Napríklad nesprávna lokalizácia bodov alebo prekrývajúce sa polygóny. 2. Atribútové chyby: Nesprávne alebo neúplné hodnoty pre vlastnosti objektov. 3. Logické chyby: Porušenie topologických pravidiel, ako sú nesprávne vzťahy medzi objektmi (napríklad objekt, ktorý nemá žiadne susediace objekty, kde by mal mať). 9. Smernica INSPIRE, GeoInfoStrategie. Smernica INSPIRE INSPIRE (Infrastructure for Spatial Information in Europe) je legislatívna iniciatíva EÚ, ktorá má za cieľ zjednotiť geografické informácie naprieč Európskou úniou. Jej cieľom je: Zabezpečiť prístup k priestorovým dátam zo všetkých členských štátov EÚ. Umožniť jednoduchú výmenu dát medzi členskými štátmi. Stanovuje pravidlá pre metadáta, dátové štruktúry a webové služby na poskytovanie priestorových údajov. GeoInfoStrategie GeoInfoStrategie je česká iniciatíva na rozvoj infraštruktúry priestorových informácií v ČR, ktorá podporuje digitalizáciu geografických dát a ich integráciu do národného systému GIS. Cieľom je zabezpečiť efektívne využívanie priestorových dát v rôznych oblastiach, ako je územné plánovanie, doprava a životné prostredie. 10. Digitálny model terénu (DMT): Definícia, druhy DMT, rastrový a vektorový model DMT, nepravidelná trojuholníková sieť (TIN). Definícia DMT Digitálny model terénu (DMT) je geometrická a geografická reprezentácia zemského povrchu, kde sú výškové hodnoty reprezentované v rôznych formátoch (rastrové alebo vektorové dáta). Druhy DMT 1. Rastrový model: Výškové hodnoty sú reprezentované vo forme matice, kde každý pixel obsahuje výšku. 2. Vektorový model: Výškové údaje sú reprezentované ako body, línie a polygóny. 3. TIN (Nepravidelná trojuholníková sieť): Tento model používa trojuholníky na vytvorenie siete medzi nepravidelne rozloženými bodmi, čo umožňuje presnejšie modelovanie terénu v oblastiach s rôznymi zmenami výšky. 11. Zdroje geografických dát v ČR (ČÚZK, ZÚ), webové mapové služby (WMS, WFS, WCS). Zdroje geografických dát v ČR ČÚZK (Český úřad zeměměřický a katastrální): Tento úrad je hlavným poskytovateľom priestorových údajov v ČR. Spravuje katastrálne mapy, databázy nehnuteľností a rôzne ďalšie geografické dáta. Medzi jeho kľúčové údaje patrí katastrálna mapa, RÚIAN (Register Územnej Identifikácie, Adries a Nehnuteľností) a údaje o geodetických a geodynamických sieťach. ZÚ (Zeměměřický úřad): Tento úrad poskytuje mapy, ktoré sú základom pre tvorbu geodetických podkladov a spravovanie geografických údajov. ZÚ vydáva digitálne modely terénu (DMT), a spravuje geografické a kartografické dáta. Webové mapové služby WMS (Web Map Service): Tento protokol slúži na zobrazenie mapových výstupov cez internet. Poskytuje rastrové obrázky, ktoré sa generujú v reálnom čase podľa požiadaviek užívateľa. WFS (Web Feature Service): Tento protokol umožňuje prístup k vektorovým dátam (napr. bodom, čiaram, polygónom). Na rozdiel od WMS umožňuje aj prácu s atribútovými údajmi, nie iba zobrazenie. WCS (Web Coverage Service): Tento protokol umožňuje prístup k rastrovým geografickým dátam, napríklad k digitálnym modelom terénu, ktoré sa poskytujú cez internet vo formáte, ktorý umožňuje ich analýzu a spracovanie. Tieto služby umožňujú efektívny prístup k geografickým údajom a umožňujú ich využívanie na rôznych platformách, čo zjednodušuje prácu s geografickými dátami v GIS aplikáciách. 12. Mapová algebra: Koncepcia modelu, typy premenných a funkcií, druhy analýz. Koncepcia modelu mapovej algebry Mapová algebra je matematická metóda, ktorá umožňuje operovať s geografickými dátami na základe rastrových a vektorových dát. Používa sa na analýzu a manipuláciu s priestorovými dátami pomocou základných operácií, ako sú sčítanie, odčítanie, násobenie a iné. Tento model je kľúčový pre rôzne druhy geografických analýz, ako sú analýzy znečistenia, hydrologické analýzy a predikcia rizík. Typy premenných a funkcií Premenné: Môžu byť rastrové (súbor mriežky s hodnotami v jednotlivých bunkách) alebo vektorové (bod, línia, polygón). Funkcie: Mapová algebra využíva funkcie na spracovanie dát, ako sú: o Lokálne funkcie: Operácie na jednotlivých bunkách (napr. zmena hodnoty pixelu podľa nejakej podmienky). o Fokálne funkcie: Používajú informácie z okolitých buniek, napríklad pre výpočet sklonu terénu. o Globálne funkcie: Tieto operácie zahŕňajú všetky bunky v mriežke (napr. celková plocha alebo priemerná hodnota pre oblasť). Druhy analýz v mapovej algebre Topografická analýza: Určuje vlastnosti terénu, ako je sklon, expozícia a výškový profil. Hydrologická analýza: Používa mapovú algebru na určenie odtokových oblastí, povodí, oblasti zadržiavania vody alebo na analýzu odvodnenia. Analýza vhodnosti územia: Mapová algebra sa používa na určenie vhodnosti lokalít na rôzne aktivity, ako sú výstavba, poľnohospodárstvo alebo ochrana prírody. Analýza viditeľnosti: Pomocou algoritmov sa modeluje, ktoré oblasti sú viditeľné z určitého bodu, čo je užitočné napríklad pri navrhovaní telekomunikačných veží. 13. GIS v krízovom riadení. GIS v krízovom riadení GIS je neoceniteľným nástrojom v oblasti krízového riadenia, kde pomáha pri rozhodovaní v prípade mimoriadnych udalostí, ako sú prírodné katastrofy (povodne, požiare, zemetrasenia), technické havárie alebo iné núdzové situácie. GIS podporuje krízové riadenie prostredníctvom: 1. Zberu a analýzy priestorových dát: GIS umožňuje zhromažďovať informácie o geografických oblastiach, ktoré sú ovplyvnené katastrofou, a poskytovať ich v reálnom čase pre operatívne rozhodovanie. 2. Vizualizácie a mapovania: GIS pomáha vizualizovať postihnuté oblasti, poskytnúť mapy pre evakuáciu, zobraziť prístupové cesty, záchranné miesta a ďalšie kritické informácie. 3. Podporu rozhodovania: GIS umožňuje analyzovať rôzne scenáre (napr. šírenie požiaru alebo povodne) a podporuje efektívnu koordináciu záchranných operácií. Použitie GIS v krízovom riadení 1. Detekcia a predpoveď rizík: GIS sa používa na predikciu potenciálnych rizík, ako sú povodne, požiare alebo iné katastrofy, na základe analýzy historických dát a modelov. 2. Plánovanie evakuácie a ochrany: GIS pomáha určiť najlepšie evakuačné trasy, bezpečné oblasti a rozmiestnenie záchranných tímov. 3. Koordinácia záchranných operácií: GIS uľahčuje koordináciu medzi rôznymi zložkami záchranného systému (polícia, hasiči, záchranné služby), čo umožňuje rýchlu reakciu na katastrofy. 4. Analýza dopadov a obnova: Po katastrofách GIS pomáha analyzovať rozsah škôd a riadiť proces obnovy, ako aj distribúciu pomoci a materiálov do postihnutých oblastí. Legislatíva a krízové riadenie v ČR GIS je kľúčovým nástrojom aj v rámci legislatívnych predpisov v ČR, konkrétne v oblasti integrovaného záchranného systému (IZS), ktorý je zodpovedný za koordináciu záchranných a likvidačných prác v prípade mimoriadnych udalostí. Tento systém využíva moderné GIS technológie na mapovanie situácií a efektívne rozmiestnenie zdrojov. V ČR existujú zákony a nariadenia, ktoré upravujú využívanie GIS v rámci krízového riadenia, ako je zákon č. 239/2000 Z.z. o integrovanom záchrannom systéme, ktorý podporuje používanie GIS pre efektívnu reakciu na krízové situácie