Predavanja iz predmeta

GEOINFORMACIONI SISTEMI doc. dr. Mirza Ponjavi, dipl.ing.geod.

prema drugom izdanju CRC Press iz 2004.

GIS: A Computing Perspective GIS textbook: Worboys, M.F. and Duckham, M.

2

Ovaj materijal je prvenstveno pripremljen sa namjerom da se studentima Geodetskog

odsjeka na Graevinskom fakultetu u Sarajevu omogui lake pohaanje nastave i priprema gradiva za grupu predmeta iz oblasti geoinformatike. On se najveim svojim dijelom koristi u nastavi na predmetu Geoinformacioni sistemi kojeg sluaju studenti zavrne godine dodiplomskog studija geodezije. Kao osnovni bibliografski izvor za njegovu pripremu je koriten prevod (Mirza Ponjavi) sa engleskog jezika knjige GIS: A Computing Perspective, odnosno GIS iz perspektive raunarstva autora Michaela Worboysa (University of Maine, USA) i Matta Duckhama (University of Melbourne,

Australia).

U nedostatku odgovarajue literature sa naeg govornog podruja, koja je vezana za ovu oblast, ovaj materijal bi trebao inicijalno pomoi studentima da uz ostalu preporuenu literatutru proire svoje znanje i lake ovladaju terminologijom i temeljnim konceptima geoinformacionih sistema.

U ovom kontekstu ovaj se materijal moe koristiti iskljuivo interno u cilju lakeg savladavanja gradiva kojim se bavi ovaj predmet. Nije dozvoljena njegova dalja

reprodukcija, tampa, kopiranje, distribucija ili bilo koji vid koritenja koji bi naruio izdavaka i autorska prava njegovih originalnih, odnosno izvornih autora.

doc.dr. Mirza Ponjavi, dipl.ing.geod. Graevinski fakultet u Sarajevu, Geodetski odsjek

3

Predgovor Geoinformacioni sistemi (GIS) su raunarski bazirani informacioni sistemi koji se koriste za prikupljanje, modeliranje, pohranjivanje, dijeljenje, manipulisanje, analizu i

prezentiranje georeferensiranih podataka. U ovoj knjizi se obrauju tehnologije, teorije, modeli i reprezentacije koje okruuju geografske informacije i geoinformacione sisteme.

Geoinformatika (nauka o geoinformacijama) se razvila u zadnje dvije dekade kao

znaajna i atraktivna multidisciplinarna oblast. Utemeljena je na osnovama geografije, kartografije, daljinskog snimanja, procesiranja slika, nauke o okolici i raunarstva. Informatiki pristup izlaganja materije u ovoj knjizi je motivisan potrebom za boljim razumjevanjem geoinformacionih sistema sa aspekta raunarstva. Gledajui sa ovog stanovita, GIS se posebno oslanja na raunarske oblasti kao to su baze podataka, raunarska grafika, sistemski inenjering, raunarska geometrija i mnoge druge. Ovakvim pristupom se pokazuje da pitanja vezana za GIS ne predstavljaju samo izazov za oblasti u

kojima se on primjenjuje, nego je takoe relevantan i za mnoge raunarske discipline.

Bez obzira da li se geoinformacijama bavili sa aspekta primjene ili raunarske podrke, uvijek je prisutna njihova posebnost, odnosno razliitost u odnosu na ostale standardne tipove informacija. Kroz izlaganje u ovoj knjizi se pokuava dokuiti esencija ove posebnosti, i to kroz razliite teme, poevi od konceptualnog i formalnog modeliranja geoinformacija, naina njihovog pohranjivanja i prezentiranja u raunarski sistem, preko njihovog upravljanja u okruenju raznih GIS arhitektura i konano do njihovog razumjevanja uz prisustvo neizvjesnosti i neodreenosti, koje su neodvojive osobine vremena i prostora u kojem egzistiraju.

Zadatak onog dijela informatike zajednice koja se bavi pitanjima i temama vezanim za GIS je da snabdiju eksperte iz razliitih domena njegove primjene sa funkcionalnim raunarskim alatima, koji e im pomoi u rjeavanju specifinih problema iz oblasti kojima se bave. Ovi alati ukljuuju konstruktore za modeliranje, algoritme i mehanizme za efikasno smjetanje, pozivanje i procesiranje podataka, te generine interfejse koji se mogu oblikovati za pojedine potrebe koritenja. Materijal u knjizi obrauje specifine teme na vie formalan nain, koji je bitan za razumjevanje GIS-a, izbjegavajui detaljnu diskusiju o aktuelnom napretku na pojedinim poljima, a koncentriui se vie na temeljne i ope principe vezane za njih. U tom smislu, se pokuao napraviti pregled ovih polja iz perspektive raunarstva. Zbog toga, teme koje su pokrivene u ovom materijalu nisu u potpunosti istraile svu relevantnu materiju iz pojedinih oblasti GIS-a. Ostavljeno je na izbor itaocima da se o njima detaljnije upoznaju kroz literaturu napisanu od onih autora koji su eksperti iz pojedinih referentnih

domena. Dalje, izostavljeni su detalji koji bi nas vie uveli u prolost GIS-a i proveli kroz njegov historijski razvoj. Takoe, nisu obraene teme vezane za dalji razvoj i budunost GIS-a, kao ni teme koje su relevantne za prostornu analizu, koja danas predstavlja jedno

od primarnih polja istraivanja u geoinformatici. Oslanjajui se na specijalizirane statistike tehnike, prostorna analiza predstavlja zasebnu oblast prouavanja i opravdano zahtjeva poseban literalni tretman sa specifinim pristupom izlaganja. U tom smislu se zainteresirani itaoci upuuju na druge referentne tekstove iz ove oblasti.

4

Kada je u pitanju italatvo, ovaj materijal je namjenjen onima koji ele da se vie upoznaju sa pitanjima koja GIS ine raunarskom tehnologijom. itaoci ne moraju imati posebno predznanje iz oblasti raunarstva, ali trebaju biti upoznati sa nekim opim znanjem o osnovnim komponentama i funkcionalnostima digitalnih raunara, kao i sa osnovnim geoinformatikim pojmovima, koji su bitni za razumjevanje vanosti odreenih kljunih pitanja u GIS-u. Dalje, ovaj material se moe koristiti u nastavi za upoznavanje studenata sa osnovnim konceptima geoinformatikog raunarstva kroz razliite definicije, objanjenja i primjere. U njemu je sadrano deset poglavlja koja zasebno obrauju pojedine relevantne oblasti. Redoslijed tema i tok izlaganja je prilagoen namjeri da se itaoci postepeno uvedu u materiju, tako da se obraene oblasti, iako su sadrajno potpuno razliite, meusobno oslanjaju i nadopunjuju. U tom smislu, materijal je organizovan tako da provodi itaoca kroz teme vezane za konceptualizaciju prostora, teoriju baza podataka, geoinformacione

modele, reprezentaciju i strukturu prostornih podataka, GIS arhitekture, interfejse,

prostorno rezonovanje i koncepte temporalnosti u GIS-u.

5

Sadraj 1 Uvod .......................................................................................................................... 10

1.1 ta je GIS i ta ga ini posebnim? .................................................................... 10 1.1.1 Funkcionalni elementi GIS-a ........................................................................ 11 1.1.2 Podaci i informacije ...................................................................................... 13

1.2 Primjena GIS-a.................................................................................................. 13 1.2.1 Inventura resursa ........................................................................................... 13

1.2.2 Mrena analiza .............................................................................................. 14 1.2.3 Distribucija podataka .................................................................................... 16 1.2.4 Analiza terena ............................................................................................... 17

1.2.5 Analiza slojeva .............................................................................................. 18 1.2.6 Analiza lokacija ............................................................................................ 19 1.2.7 Prostorno vremenske informacije ................................................................. 20 1.2.8 Rezime o analitikim i procesnim zahtjevima .............................................. 21

1.3 Podaci i baze podataka ...................................................................................... 22 1.3.1 Prostorni podaci ............................................................................................ 22

1.3.2 Baza podataka kao skladite podataka .......................................................... 23 1.3.3 Prikupljanje podataka.................................................................................... 24 1.3.4 Modeliranje podataka.................................................................................... 24

1.3.5 Pretraivanje i analiza podataka .................................................................... 26 1.3.6 Prezentacija podataka.................................................................................... 27

1.3.7 Dijeljeni pristup podacima ............................................................................ 28 1.4 Hardwareska podrka ........................................................................................ 29

1.4.1 Pregled raunarske arhitekture ...................................................................... 29 1.4.2 Procesiranje i kontrola .................................................................................. 30

1.4.3 Skladitenje podataka.................................................................................... 32 1.4.4 Korisniki ulazno/izlazni ureaji .................................................................. 34 1.4.5 Raunarske mree ......................................................................................... 35

2 Temeljni koncepti baza podataka.............................................................................. 38 2.1 Uvod u baze podataka ....................................................................................... 38

2.1.1 Pristup sa smjetanjem podataka u bazu podataka ....................................... 39 2.1.2 Elementi sistema za upravljanje bazom podataka (DBMS) ......................... 43

2.1.3 Upravljanje transakcijama ............................................................................ 44

2.2 Relacione baze podataka ................................................................................... 46 2.2.1 Relacioni model ............................................................................................ 46 2.2.2 Operacije nad relacijama ............................................................................... 48 2.2.3 Struktuirani jezik za upite - SQL .................................................................. 51 2.2.4 Relacione baze podataka koje se koriste za prostorne podatke .................... 54

2.3 Razvoj baze podataka ....................................................................................... 55 2.3.1 Konceptualno modeliranje podataka ............................................................. 56 2.3.2 Projektovanje relacione baze podataka ......................................................... 65 2.3.3 Rezime .......................................................................................................... 68

2.4 Objektna orijentacija ......................................................................................... 69

2.4.1 Osnove objektno orijentisanog pristupa........................................................ 69 2.4.2 Objektno orijentisani konstrukti ................................................................... 71

6

2.4.3 Objektno orijentisano modeliranje ................................................................ 73 2.4.4 Objektno orijentisani DBMS ........................................................................ 76

3 Fundamentalni prostorni koncepti ............................................................................ 78 3.1 Euclidov prostor ................................................................................................ 79

3.1.1 Takasti objekti ............................................................................................. 79 3.1.2 Linijski objekti .............................................................................................. 81 3.1.3 Poligonalni (poligoni) objekti ....................................................................... 82 3.1.4 Transformacije Euclidove ravni .................................................................... 84

3.2 Geometrija prostora bazirana na skupovima ..................................................... 85

3.2.1 Skupovi ......................................................................................................... 85 3.2.2 Relacije ......................................................................................................... 88

3.2.3 Funkcije......................................................................................................... 90 3.2.4 Konveksnost .................................................................................................. 91

3.3 Topologija prostora ........................................................................................... 93 3.3.1 Topoloki prostori ......................................................................................... 93 3.3.2 Opa topologija skupa taaka ....................................................................... 94 3.3.3 Osobine topolokog prostora ........................................................................ 97 3.3.4 Topologija skupa taaka u Euclidovoj ravni ............................................... 101 3.3.5 Kombinatorna topologija Euclidove ravni .................................................. 107

3.4 Mreni prostori................................................................................................ 111 3.4.1 Apstraktni grafovi ....................................................................................... 112 3.4.2 Planarni grafovi ........................................................................................... 114

3.5 Metrini prostori ............................................................................................. 116 3.5.1 Topologija metrinih prostora ..................................................................... 119

3.6 Fraktalna geometrija ....................................................................................... 121 4 Modeli geoprostornih informacija .......................................................................... 126

4.1 Modeliranje i ontologija .................................................................................. 126 4.2 Modeliranje procesa ........................................................................................ 127

4.2.1 Polje ili objekat? ......................................................................................... 130

4.3 Modeli bazirani na poljima ............................................................................. 133 4.3.1 Osobine polja .............................................................................................. 135

4.3.2 Operacije nad poljima ................................................................................. 139 4.4 Objektno bazirani modeli ................................................................................ 143

4.4.1 Prostorni objekti .......................................................................................... 144 4.4.2 Prostorne operacije...................................................................................... 148

4.4.3 Formalne teorije o prostornim objektima ................................................... 153 5 Reprezentacije i algoritmi ....................................................................................... 156

5.1 Raunarstvo i geoprostorni podaci .................................................................. 156 5.1.1 Geometrijski algoritmi i raunarska geometrija ......................................... 158

5.2 Diskretna Euclidova ravan .............................................................................. 161

5.2.1 Geometrijska domena ................................................................................. 161 5.2.2 Diskretizacija i Green-Yaoov algoritam ..................................................... 162 5.2.3 Diskretizacija krivih linija ........................................................................... 165

5.3 Domena prostornih objekata ........................................................................... 166

5.3.1 pageti......................................................................................................... 166 5.3.2 Reprezentacije sa vie topologije ................................................................ 167

7

5.3.3 Lista dvostruko povezanih linija (DCEL-doubly connected edge list) ....... 170 5.3.4 Objektni DCEL ........................................................................................... 173

5.4 Reprezentacije modela zasnovanih na polju ................................................... 176 5.4.1 Reprezentacije sa regularnom teselacijom .................................................. 176

5.4.2 Reprezentacije sa neregularnom teselacijom .............................................. 177 5.4.3 Delaunay triangulacija i Voronoi dijagram................................................. 178 5.4.4 Triangulacija poligona ................................................................................ 180 5.4.5 Srednja osovina poligona ............................................................................ 181 5.4.6 Teselacija sfere............................................................................................ 182

5.5 Fundamentalni geometrijski algoritmi ............................................................ 183 5.5.1 Metrini i Euclidovi algoritmi .................................................................... 184 5.5.2 Topoloki algoritmi ..................................................................................... 186 5.5.3 Algoritmi bazirani na skupovima................................................................ 188 5.5.4 Triangulacioni algoritmi ............................................................................. 191

5.6 Vektorizacija i rasterizacija ............................................................................. 197

5.7 Mrena reprezentacija i algoritmi ................................................................... 200 5.7.1 Mrena reprezentacija ................................................................................. 200 5.7.2 Algoritmi za pretraivanje mree prvo-po-irini i prvo-po-dubini ............. 202 5.7.3 Najkrai put ................................................................................................. 204 5.7.4 Druge mrene operacije .............................................................................. 207

6 Strukture i metode pristupa ..................................................................................... 209 6.1 Ope strukture baza podataka i metode pristupa ............................................ 209

6.1.1 Organizacija fajla i metode pristupa ........................................................... 210 6.1.2 Neureeni fajlovi i linearno pretraivanje .................................................. 211 6.1.3 Ureeni (sekvencijalni) fajlovi i binarno traenje ...................................... 212 6.1.4 Indeksi ......................................................................................................... 213

6.2 Od jednodimenzionalnog prema dvodimenzionalnom ................................... 217 6.2.1 Dvodimenzionalna ureenja ....................................................................... 221

6.3 Rasterske strukture .......................................................................................... 222

6.3.1 Lanano, RLE i blokovsko kodiranje ......................................................... 223 6.3.2 Regionsko kvadrantno stablo ...................................................................... 224

6.4 Strukture takastih objekata ............................................................................ 228 6.4.1 Grid strukture .............................................................................................. 228

6.4.2 Takasto kvadrantno stablo......................................................................... 230 6.4.3 2D stablo ..................................................................................................... 233

6.5 Linearni objekti ............................................................................................... 236 6.5.1 PM kvadrantna stabla .................................................................................. 236

6.6 Kolekcije objekata .......................................................................................... 238 6.6.1 Pravougaonici i najmanji obuhvatni pravougaonici (MBB-ovi) ................ 239 6.6.2 R stabla i R+ stabla ...................................................................................... 240

6.6.3 BSP-stablo................................................................................................... 242 6.7 Strukture sfernih podataka .............................................................................. 243

7 Arhitekture .............................................................................................................. 247 7.1 Hibridne, integrisane i sastavljive (kompozitne) arhitekture .......................... 248

7.2 Sintaksna i semantika heterogenost .............................................................. 250 7.2.1 Formati i standardi za transfer podataka ..................................................... 252

8

7.3 Distribuirani sistemi ........................................................................................ 253 7.3.1 Arhitektura distribuiranog sistema visokog nivoa ...................................... 254 7.3.2 Klijent-server sistemi .................................................................................. 255 7.3.3 Distribuirani komponentni sistemi .............................................................. 259

7.4 Distribuirane baze podataka ............................................................................ 260 7.4.1 Homogeni i heterogeni distribuirani DBMS-ovi ........................................ 262 7.4.2 Relacione distribuirane baze podataka ........................................................ 263 7.4.3 Zakljuak..................................................................................................... 264

7.5 Lokacijski svijesno raunarstvo ...................................................................... 264 7.5.1 Beine raunarske mree ........................................................................... 267 7.5.2 Lokacijski senzori ....................................................................................... 268

7.5.3 Lokacijski bazirani servisi .......................................................................... 273 7.5.4 Lokacijski svjesni sistemi i zatita privatnosti ............................................ 274

8 Interfejsi .................................................................................................................. 277 8.1 Interakcija ovjeka i raunarske maine ......................................................... 277

8.1.1 Ulazno izlazni kanali................................................................................... 278 8.1.2 Razmiljanje i procesiranje ......................................................................... 279 8.1.3 Interfejsi i interakcija .................................................................................. 281

8.2 Kartografski interfejsi ..................................................................................... 284 8.2.1 Simbolizacija karte...................................................................................... 286

8.3 Geovizualizacija .............................................................................................. 288 8.3.1 Animacija .................................................................................................... 289

8.3.2 Trodimenzionalni prikazi ............................................................................ 291 8.3.3 Nevizualni prikazi ....................................................................................... 294

8.3.4 Povratna sprega (feedback) ......................................................................... 296 8.4 Dizajniranje GIS interfejsa ............................................................................. 298

9 Prostorno rezonovanje i neizvjesnost ...................................................................... 303 9.1 Formalni aspekti prostornog rezonovanja ....................................................... 303

9.1.1 Sintaksa i semantika .................................................................................... 304

9.1.2 Logika i dedukcija....................................................................................... 304 9.1.3 Primjer prostornog rezonovanja .................................................................. 305

9.1.4 Formalna notacija........................................................................................ 307 9.2 Informacije i neizvjesnost ............................................................................... 308

9.2.1 Podaci i informacije .................................................................................... 309 9.2.2 Neizvjesnost ................................................................................................ 310

9.2.3 Tipologija nesavrenosti ............................................................................. 311 9.2.4 Dimenzije kvaliteta podataka ...................................................................... 315

9.3 Kvalitativni pristupi neizvjesnosti .................................................................. 318 9.3.1 Mogui svijetovi ......................................................................................... 318 9.3.2 Vjerovanje i znanje ..................................................................................... 320

9.3.3 Revizija vjerovanja ..................................................................................... 321 9.3.4 Logika sa tri i vie vrijednosti istinitosti ..................................................... 324 9.3.5 Fuzzy skupovi ............................................................................................. 325 9.3.6 Grubi skupovi.............................................................................................. 327

9.4 Kvantitativni pristupi u neizvjesnosti ............................................................. 328 9.4.1 Vjerovatnoa ............................................................................................... 328

9

9.4.2 Bayesova vjerovatnoa ............................................................................... 329 9.4.3 Dempster-Shaferova teorija argumenta ...................................................... 330

9.5 Primjena neizvjesnosti u GIS-u ...................................................................... 331 9.5.1 Neizvjesni regioni ....................................................................................... 331

9.5.2 Neizvjesnost i vidljivost .............................................................................. 333 9.5.3 Regioni koji rezultiraju iz neodreenih prostornih relacija ........................ 333

10 Vrijeme ................................................................................................................... 337 10.1 Uvod: Kratka historija vremena .................................................................. 338

10.1.1 Nulta faza: Statika reprezentacija .......................................................... 339 10.1.2 Prva faza: Metafora trenutnog snimka .................................................... 339 10.1.3 Druga faza: Linije ivota objekata .......................................................... 339 10.1.4 Trea faza: Dogaaji, akcije i procesi ..................................................... 343

10.2 Temporalni informacioni sistemi .................................................................... 345 10.2.1 Validno i transakcijsko vrijeme .............................................................. 345 10.2.2 Vremenske ekstenzije u sistemima relacionih baza podataka ................ 346

10.2.3 Evolucija sheme ...................................................................................... 349 10.3 Prostorno vremenski informacioni sistemi ..................................................... 349

10.3.1 Vrijeme, prostor i vremenska linija ........................................................ 350 10.3.2 Bitemporalni prostorni modeli ................................................................ 351

10.4 Indeksi i upiti .................................................................................................. 352

10.4.1 Vremenske strukture podataka: transakcijsko vrijeme ........................... 353 10.4.2 Temporalni indeksi: Validno vrijeme ..................................................... 355

10.4.3 Bitemporalni indeksi ............................................................................... 357 10.4.4 Prostorno vremenski indeksi i upiti ........................................................ 357

Akronimi i skraenice ..................................................................................................... 359

10

1 1 Uvod

Kratak pregled

Geografski informacioni sistem je poseban tip raunarski baziranog informacionog sistema razvijenog da pohranjuje, procesira i manipulie geoprostornim podacima. U ovoj tematskoj jedinici se opisuje ta je GIS, i ta on omoguava. Zatim slijedi opis baza podataka, koje organiziraju podatke u forme, jednostavne za pohranjivanje i pozivanje, i

koje su u srcu svakog GIS-a. Takoe opisuju se i hardwareske tehnologije u GIS okruenju, ukljuujui raunarske procesore, memorijske ureaje, ulazno/izlazne ureaje i raunarske mree.

1.1 ta je GIS i ta ga ini posebnim? Dobra polazna taka za definisaje GIS-a jeste opa definicija informacionog sistema. Prema ovoj definiciji informacioni sistem je povezana struktura koju ine operateri, hardware, podaci i procedure, i koji participiraju u prikupljanju, upravljanju i

distribuiranju informacija vanih za pojedince ili organizacije. Pod organizacijama se podrazumjevaju preduzea, vladina administracija, naune ustanove, projektne institucije i slino. Ilustartivan primjer informacionog sistema je World Wide Web (mrea svih mrea). WWW ine podaci (web stranice) i oprema (web serveri; web pretraivai), veliki broj operatera (korisnika) irom svijeta, te procedure za odravanje informacija na WWW-u.

Slika 1.1: Definicija GIS-a (shematski prikaz)

11

GIS je poseban tip informacionog sistema, koji tretira geografski referensirane podatke.

Preciznije reeno, GIS je raunarski baziran sistem, koji omoguava prikupljanje, modeliranje, pohranjivanje, pozivanje, razmjenu, manipulisanje, analiziranje i

prezentaciju geografski referensiranih podataka (slika 1.1).

Za geografski referensirane podatke se koristi i termin geoprostorni podaci. To su podaci

koji se svrstavaju u poseban tip prostornih podataka, koji su geografski povezani ili

opisuju povrinu Zemlje. Kljune komponente GIS-a su ematski prikazane na slici 1.1. GIS terminologija. Postoje razliiti termini, kao i tipovi informacionih sistema koji se koriste u kontekstu GIS-a. Kad je u pitanju GIS terminologija postoji vie esto koritenih termina koji predstavljaju sinonime za GIS. Prostorni informacioni sistem (Spatial Information System) ima

iste funkcionalne komponente kao i GIS, ali moe operisati i sa podacima koji prostorno referensiraju iri obuhvat razliitih razmjera (dimenzija) pored geografske (na primjer podaci o molekularnoj konfiguraciji). Prostorna baza podataka obezbjeuje funkcionalnost baze podataka za prostorni informacioni sistem. Geografska baza (geodatabase) obezbjeuje funkcionalnost baze podataka za GIS. Slikovna (image) baza podataka se fundamentalno razlikuje od prostorne

baze podataka ili geografske baze podataka po tome to slike nemaju strukturalne meurelacije ili topoloke objekte. Na primjer, baza podataka skenograma ljudskog mozga moe biti nazvana slikovnom bazom podataka. CAD ima dosta zajednikih elemenata sa GIS-om. Historijski gledano, neki GIS softwareski paketi su razvijeni iz CAD softwarea. Za razliku od CAD-a, GIS

software se koristi za manipulisanje sa skupovima podataka koji su geografski referensirani. GIS

software obino operie sa veim skupovima podataka i kompleksnijim modelima za razliku od CAD softwarea. Iako nisu sinonimi za GIS, termini geoinformaciona nauka (GIScience) i

geoinformatika su vezani za GIS, poto se koriste za opis sistematizovane studije o geografskim informacijama i geografskim informacionim sistemima.

1.1.1 Funkcionalni elementi GIS-a

Svijet oko nas karakterie i prostorna i vremenska dimenzionalnost, tako da imamo potrebe za informacijama koje imaju i prostorne i vremenske dimenzije. Budue odluke koje e uticati na nas (na primjer, prilikom planiranja cestovne mree, razvoja naselja, poljoprivrednog uzgoja) ovise o propisnom prikupljanju, upravljanju, distribuiranju,

analiziranju i prezentiranju prostornih i vremenskih informacija.

GIS se moe smatrati alatom koji je sposoban da nam pomogne prilikom izvravanja ovakvih zadataka. Ovaj alat se sastoji od vie funkcionalnih elemenata (aspekata funkcionalnosti).

Elemenat funkcionalnosti baze podataka

U srcu svakog GIS-a je baza podataka. Baza podataka je kolekcija podataka

organizovanih na nain da ih raunar moe efikasno pohranjivati i uitavati. Vaan elemenat baze podataka je model podataka (data model). Neke aplikacije zahtjevaju

relativno jednostavne modele podataka. Na primjer, u bibliotekarskom registru, podaci o

knjigama, itaocima, rezervisanim i izdatim naslovima su struktuirani na jasan nain. Mnoge aplikacije, ukljuujui veliki broj GIS aplikacija, zahtjevaju sloenije modele podataka (na primjer, model globalne klime). Jedan od glavnih izazova u GIS-u

prestavlja obezbjeenje infrastrukture za rukovanje ovakvim kompleksnim modelima

12

podataka, odnosno poznavanje fundamentalnih koncepata modeliranja podataka, te

naina njihove reprezentacije u informacionom sistemu. O ovim aspektima funkcionalnosti e se vie govoriti u 2. i 3. tematskoj jedinici: fundamentalni koncepti baza podataka i fundamentalni prostorni koncepti.

Elemenat funkcionalnosti procesiranja podataka

Modeli podataka su fundametalni za manipulisanje i procesiranje podataka. GIS software

treba da bude dovoljno funkcionalno kompletan da obezbjedi vii nivo analize i podrke odluivanju, koji se zahtjevaju unutar aplikacione domene (oblasti primjene). Na primjer, GIS koji se koristi za komunalne instalacije podrazumjeva funkcionalnost mrenog procesiranja (optimalno rutiranje izmeu vorova, provjera konektivnosti), a GIS za geoloke aplikacije zahtjeva sposobnost 3D prostorne analize. Ovaj aspekt se detaljnije obrauje u 4. tematskoj jedinici: modeli geoprostornih informacija.

Elemenat funkcionalnosti pohranjivanja i uitavanja podataka Efikasno pohranjivanje i uitavanje podataka ne zavisi samo od propisno (optimalno) struktuiranih podataka u bazi podataka. Za ostvarenje zadovoljavajuih performansi sistema neophodna je i optimizacija struktura odgovornih za reprezentaciju, kao i

algoritama za operisanje sa podacima. Reprezentacijom podataka i algoritmima se bavi 5.

tematska jedinica, a strukturama i metodama pristupa se bavi 6. tematska jedinica.

Elemenat funkcionalnosti razmjene podataka

GIS mogu initi mnoge softwareske i hardwareske komponente, kao to su serveri geoprostornih podataka, web pretraivai ili mobilni raunarski ureaji. Na primjer, rutinska operacija navoenja vozaa kroz gradski saobraaj (koja ukljuuje informacije o zastojima na putu, radovima, propusnosti mree) zahtjeva interaktivan rad vie komponenti informacionog sistema, pa i razliitih informacionih sistema. Pri ovome je neophodan uslov sposobnost razmjene podataka izmeu ovih informacionih sistema, odnosno izmeu razliitih komponenti unutar istog informacionog sistema. Ovim aspektom se bavi 7. tematska jedinica: arhitekture.

Elemenat funkcionalnosti prezentacije podataka

Podaci unutar GIS-a i operacije koje se primjenjuju nad njima nisu korisne sve dok

nepostoji komunikacija izmeu njih i korisnika. Mnogi tradicionalni informacioni sistemi zahtjevaju uglavnom ograniene forme prezentacije, koje se obino zasnivaju na tabelama, numerikim proraunima ili tekstualnim komentarima. Sline forme se koriste i za podrku odluivanju koje podrazumjeva prostornu svijesnost, s tim to priroda podataka u GIS-u dozvoljava cijeli spektar novih mogunosti prezentacije ukljuujui i kartografske prikaze. Interfejsima za komunikaciju se bavi 8. tematska jedinica.

Elemenat funkcionalnosti prostornog rezonovanja

Da bismo dobili to je mogue vie kvalitetnih informacija iz geoprostornih podataka, vano je da smo sposobni zakljuivati o njihovim ogranienjima. Tanost, preciznost i pouzdanost su primjeri pojmova koje emo esto koristiti kada budemo govorili o rezonovanju i ogranienjima podataka (u 9. tematskoj jedinici).

13

Elemenat funkcionalnosti koritenja vremenskih podataka Ekstenzija GIS-a koja omoguava pohranjivanje i procesiranje dinamikih geoprostornih fenomena mjerenih u vremenu, predstavlja jedan od glavnih istraivakih izazova dananjice. Nainom pohranjivanja i prezentacije vremenskih podataka se bavi 10. tematska jedinica.

1.1.2 Podaci i informacije

Struktura meusobne povezanosti izmeu podataka i naina njihovog prikupljanja, procesiranja, koritenja i razumjevanja unutar aplikacije ini njihov kontekst. Razumjevanje modela podataka uz svjesnost njihovih ogranienja predstavlja elemente konteksta podataka. Podaci su korisni samo ukoliko dobiju vrijednost informacije unutar

ovog konteksta. Stoga, informacija se moe definisati kao sinteza i podataka i konteksta, to jest: informacija = podaci + kontekst. Ovakav koncept se u kasnijem izlaganju dalje

rafinira, imajui na umu ovu osnovnu razliku izmeu podataka i informacija.

1.2 Primjena GIS-a

GIS je informacioni sistem koji se od drugih razlikuje po nekim posebnim

karakteristikama. Pregled obuhvata njegovih mogunost primjene i funkcionalnosti se moe demonstrirati kroz nekoliko slijedeih aplikacija.

Slika 1.2: Potteries region u V. Britaniji

1.2.1 Inventura resursa

GIS se moe koristiti u turizmu (turistiki informacioni sistem) u smislu prezentacije historijskog, kulturnog ili drugog naslijea neke geografske regije (slika 1.2 - Potteries

14

region u V. Britaniji). Inventurom ovih resursa u kombinaciji sa rekreacionim objektima,

putnom mreom i hotelskim kapacitetima se moe ostvariti kompletna slika turistike ponude ove regije. Mo bilo kojeg informacionog sistema lei u sposobnosti povezivanja podataka koji se dobijaju iz razliitih izvora. Ova mo je dramatino izraena kada su ovakvi podaci geografski referensirani i mogu se lako prezentirati pomou tematskih karata. Slika 1.3 prikazuje zaetke ovakvog sistema, ukljuujui neke lokalne turistike atrakcije, glavnu putnu mreu i izgraeno zemljite u regiji.

Slika 1.3: Mjesta od interesa u Potteries regionu

1.2.2 Mrena analiza

Mrena analiza je jedna od temeljnih funkcionalnosti GIS-a i moe se primjeniti u mnogim oblastima, od upravljanja cestovnom (transportnom) mreom, do analize distribucione (komunalne) infrastrukure. U ovom primjeru se ova funkcionalnost moe iskoristiti za definisanje ruta u putnoj mrei, koje bi se koristile za obilazak znamenitosti uz uslov minimizacije vremena putovanja. Na slikama su naznaene ema sa prosjenim vremenima putovanja (ruta) i generisanje optimalne rute (odabir putanje) na osnovu date

putne mree uz uslov minimalnog vremena obilaska. Prilikom mrene analize koritena je posebna tehnika, to jest algoritam trgovakog putnika, koja generie najkrai put kroz mreu prolazei kroz sve vorne take (od poetne do zavrne) samo jednom i to u to kraem vremenu. Skup podataka koji je neophodan za mrenu alnalizu predstavlja mreu vremena putovanja izmeu ciljnih lokacija (slika 1.4). Ova mrea (slika 1.4) je derivirana iz prosjenih vremena kretanja glavnim putevima prikazanim na karti. Ovakva mrea se moe potom koristiti kao osnova za generisanje zahtjevane optimalne rute (slika 1.4b). Specifina tehnika mrene analize koja se ovdje zahtjeva se naziva algoritam trgovakog putnka, koji generie optimalnu rutu (minimalno vrijeme obilaska zadatih lokacija) kroz mreu posjeujui (prolazei kroz) pojedine

15

lokacije samo jednom. Ovakva analiza moe biti i dinamikog karaktera, gdje se koriste teine za pojedine vorove (lokacije) u mrei i izraunavaju optimalne rute u zavisnosti od promjenljivih uslova na putu (usporenja saobraaja i slino).

Slika 1.4a: Mrea putovanja bazirana na vremenima putovanja (u minutama) izmeu ciljnih lokacija

Slika 1.4b: Optimalna ruta koja prolazi kroz sva ciljna mjesta (problem trgovakog putnika)

16

1.2.3 Distribucija podataka

Veina podataka koji se koriste u GIS-u su smjeteni u razliitim formatima i na fiziki udaljenim lokacijama. GIS treba biti u mogunosti prevazii ovakve prostorne barijere prilikom djeljenja (distribucije) podataka. Saglasno opisanim primjerima GIS bi

korisniku trebao omoguiti pristup informacijama o razliitim lokacijama, saobraajnoj mrei i drugim resursima, koje se obino uvaju i odravaju na razliitim lokacijama (prevoznike kompanije, lokalna uprava, turistika zajednica i slino). Na slici 1.5 je dat shematiziran prikaz distribuiranog informacionog sistema za navigaciju, gdje se turistike informacije iz razliitih izvora integriu, procesiraju i prenose (to obavlja kompleksniji dio sistema) od servisnog provajdera do depnog raunara turiste ili mobitela (sa jednostavnim interfejsom za prezentaciju).

Slika 1.5: Shematski prikaz distribuiranog turistikog informacionog sistema

Turisti koji obilaze turistike znamenitosti mogu putem mobitela primati navigaciona upustva i informacije o lokalnim atrakcijama. Ovi podaci koji mogu dolaziti iz raznih

izvora se moraju integrisati, procesirati (obraditi) i transmitovati do turista. Kako turisti

obino nisu GIS eksperti, ovi kompleksni zadaci se obino izvravaju od strane nekog turistikog servisnog provajdera (pruaoca usluge). Ovaj provajder prikuplja i integrie potrebne informacije unaprijed ili dinamiki prilikom zahtjeva za njima, zatim izvrava odreene analitike procese (na primjer, mrenu analizu za pronalaenje najbolje rute od lokacije turiste korisnika do traene lokacije atrakcije) i emituje informacije (upustva) do korisnika.

17

1.2.4 Analiza terena

Analiza terena je obino zasnovana na skupovima podataka o topografskim visinama na odreenim takama. Iz ovakvih skupova podataka se mogu derivirati informacije o stepenu nagiba i orijentaciji (aspektu) pada terena. U kompleksniji tip analize spada

analiza vidljivosti, koja se bavi provjerom dogledanja izmeu zadatih lokacija i generisanjem karte svih taaka vidljivih sa neke lokacije (zona vidljivosti). Na slikama 1.6a i 1.6b su prikazane forme prezentacije povrine terena (karta sa izohipsama i perspektivna projekcija osjenenog reljefa) koje ilustruju rezultate analize terena.

Slika 1.6a: Karta sa izohipsama

Slika 1.6b: Perspektivna projekcija

Slika 1.6b prikazuje perspektivnu projekciju iste povrine prikazane na slici 1.6a. Ovakve projekcije predstavljaju moan pristup prezentacije terena.

18

1.2.5 Analiza slojeva

esto je neophodno preklapanjem uporediti razliite skupove podataka organizovanih u slojeve. U ovu svrhu se koristi analiza slojeva. Na primjer, ovom analizom je mogue dobiti odgovor na slijedei upit: pronai sve lokacije koje su od glavnog puta udaljene 0.5 km, koje nisu u graevinskoj zoni, i koje su po svom geolokom sastavu predisponirane za pozajmita kamena i pijeska (slika 1.7). Na slici je prikazan postupak preklapanja slojeva koji nose pojedine informacije vezane za postavljeni upit.

Slika 1.7: Lokacije nalazita pjeska i kamena

Sive povrine na slici 1.8a prikazuju regiju unutar 0.5 m od glavnog puta (bez autoputa), koja se openito naziva baferom. Sive nijanse na slici 1.8b indiciraju povrine koje po svom geolokom sastavu predstavljaju pjesakovito i ljunkovito zemljite. Na slici 1.9c su indicirane lokacije koje ne predstavljaju izgraeno (graevinsko) zemljite. Slika 1.9d prikazuje rezultat preklapanja tri prethodno opisana sloja, odnosno povrinu koja zadovoljava postavljeni upit.

Opisana analiza je pojednostavljena zbog ilustrativnosti. U realnosti ovakve analize mogu

ukljuiti i druge kriterijalne faktore poput vrijednosti zemljita, tipa vlasnitva i slino. Cilj je ovdje bio prezentirati osnovne funkcionalnosti koje se zahtjevaju od GIS-a

primjenjenog za vieslojnu analizu, koje ukljuuju:

formiranje povrina koje sadre lokacije unutar zadatog ranga za dati skup objekata, to se naziva baferovanjem. Baferi predstavljaju krune ili kvadratne

19

(regije) opisane oko taaka, odnosno koridore sa konstantnom irinom du linija i oko povrina;

kombinovanje (povezivanje) jednog ili vie slojeva u jedan sloj koji predstavlja uniju, presjek, razliku ili drugu Boolovu operaciju primjenjenu na razne slojeve,

to se naziva Boolovo preklapanje. Slojno bazirana funkcionalnost se istrauje u kasnijem izlaganju u kontekstu modela i struktura zasnovanih na poljima.

Slika 1.8: a) baferi puteva (gore lijevo), b) geoloki sastav sa pjeskovitim i ljunkovitim materijalima (gore desno), c) neizgraeno zemljite (dole lijevo) i d) rezultat preklapanja slojeva (dole desno)

1.2.6 Analiza lokacija

Analiza lokacija se moe lako ilustrovati slijedeim primjerom. Predpostavimo da treba odrediti lokaciju za novu bolnicu, uvaavajui da su pri tome presudni faktori pristupanost (dostupnost) i optimalna pokrivenost regije. Na slikama 1.9a i 1.9b su prezentirana ova dva aspekta prilikom lokacijske analize. Kritian parametar za donoenje odluke o koritenju usluga neke klinike je vrijeme potrebno da se stigne do nje. Da bi se on definisao potrebno je konstruisati susjedstvo oko klinike, na bazi poloaja susjednih klinika i vremenu putovanja do klinike. Sa ovakvim podacima je onda mogue podrati odluivanje o premjetanju, zatvaranju ili izgradnji nove klinike. Slika 1.9 prikazuje idealizirane poloaje klinika u regiji. Predpostavimo da je vrijeme direktno proprcionalno Euklidovoj udaljenost izmeu taaka (pravolinijski putevi izmeu

20

taaka). Slika 1.9a prikazuje krive linije (krunice) koje povezuju lokacije koje su podjednako udaljene od lokacije klinike (koja se analizira) u smislu vremena putovanja

(izokrone). Takoe, mogue je podjeliti prostor na povrine, gdje svaka sadri po jednu kliniku, tako da svaka povrina sadri sve take koje su najblie (po vremenu putovanja) njenoj pripadajuoj klinici, to se naziva poligonima bliskosti (slika 1.9b). Na osnovu ovako dobijenih informacija je svakako mogue jednostavnije analizirati opravdanost odgovarajue odluke.

Slika 1.9: Prikaz klinikih centara i njihovih pripadajuih poligona bliskosti (pokrivenosti)

1.2.7 Prostorno vremenske informacije

U temporalnom GIS-u, koji koristi dinamike prostorne informacije, podaci su referensirani trima vrstama dimenzionalnosti: prostornom, vremenskom i atributnom.

Ovakav pristup omoguava vremenskoprostornu analizu i praenje prostornih fenomena dinamine prirode. Problemom uvoenja vremenskih dimenzija emo se baviti u zavrnoj nastavnoj jedinici.

Slika 1.10 prikazuje kartu dijela naselja Cobridge (UK) iz vremena 1878. i 1924. godine.

Jasno je (i vidljivo) da su se u ovom periodu desile mnoge promjene u smislu irenja rezidentalnih povrina u pravcu sjeverozapad jugoistok. U ovom kontekstu, primjeri pitanja koja moemo postaviti prostorno-vremenskom sistemu ukljuuju:

- Koje su ulice promjenile svoj naziv u datom periodu?

21

- Koje ulice su promjenile svoje prostorne reference (poloaj i oblik) u datom periodu?

- i slina pitanja.

Slika 1.10: Historija naselja Cobridge prikazana kartografski iz 1878. (lijevo) i 1924. godine (desno)

1.2.8 Rezime o analitikim i procesnim zahtjevima

Iz opisanih aplikacija se vidi da GIS kao informacioni sistem treba da obezbjedi

funkcionalnost procesiranja podataka kakva je prostorna analiza. Sa ovakvom

funkcionalnou GIS postaje vie od same grafike baze podataka. Grafiki sistemi se bave manipulacijom i prezentacijom ekransko baziranih grafikih objekata, dok GIS rukuje fenomenima povezanim sa geografskim svijetom, koji nemaju samo geoprostorne

dimenzije nego takoe i strukturalan razmjetaj u multidimenzionalnim geografskim modelima. Neki od zahtjeva za analitikim procesiranjem, koji GIS-u daju posebnost ukljuuju i funkcionalnosti kao to su:

Geometrijska, topoloka i skupovno orijentisana analiza Veina, ako ne i svi geografsko referensirani fenomeni imaju geometrijske, topoloke ili skupovno orijentisane osobine. Skupovno orijentisane osobine podrazumjevaju uslove

pripadnosti (lanstva), Boolove relacije izmeu kolekcija elemenata, kao i rukovanje hijerarhijama. Topoloke operacije ukljuuju relacije bliskosti (susjedstva) i relacije povezanosti (konektivnosti).

Analiza nad poljima

Mnoge aplikacije uvode prostorna polja, kojim su predstavljene atributne varijacije u

nekoj regiji. Na primjer, teren je varijacija topografske visine neke oblasti. Operacije nad

poljima ukljuuju preklapanje, analizu padova i orijentacija (aspekata) terena, traenje optimalne putanje, analizu protoka, analizu dogledanja itd.

Mrena analiza Mrea predstavlja strukturu linija koje povezuju pojedine vorove. Karte metr saobraajnog sistema imaju formu mree, pri emu vorovi reprezentuju stanice koje su povezane stranama mree. Mree mogu biti direkcione, gdje je stranama doznaen

22

pravac kretanja direkcija (na primjer, mrea jednosmjernih ulica) ili labelne, gdje je stranama doznaena labela (numeriki ili tekstualni atribut), kao na primjer, vrijeme trajanja putovanja i slino. Mrene operacije ukljuuju analizu povezanosti (konektivnosti), traenje optimalne putanje, analizu protoka i druge.

1.3 Podaci i baze podataka

Svaki informacioni sistem je dobar onoliko koliko su dobri raspoloivi podaci sa kojim on operie. Da bi se omoguila operativnost baze podataka, neophodne su odgovarajue sposobnosti informacionog sistema za unos, modeliranje, uitavanje, analizu, prezentaciju i razmjenu (distribuciju) podataka. Meutim, ono po emu se razlikuje ovakav skup operacija za openamjenske baze podataka od geoprostornih baza podataka jeste dodatna sposobnost rukovanja sa prostornim podacima.

1.3.1 Prostorni podaci

Prije svega podsjetimo se na neke osnove o digitalnim podacima. Podaci pohranjeni u

raunarski sistem se mjere u bitima. Svaki bit zapisuje jedno od dva mogua stanja: 0 (false, la) i 1 (true, istina). Biti ine bajte (bytes), pri emu svaki bajt predstavlja jedan karakter (slovo). Svaki karaker moe biti kodiran pomou 7 bita sa jo jednim dodatnim bitom koji se koristi za provjeru greaka. Na ovaj nain, svaki bajt dozvoljava 27=128 moguih slovnih kombinacija. Ovo je dovoljno za sve karakterne znakove koji se normalno koriste u engleskom alfabetu (ovo kodiranje je osnova ASCII koda). Da bi

predstavili sve postojee karaktere koji postoje i u drugim jezicima potrebno je ukljuiti jo bita. Tako dvo-bajtni karakteri dozvoljavaju 216=65536 razliitih kombinacija karakternih znakova (osnova za Unicode).

Geoprostorni podaci su tradicionalno podjeljeni u dvije velike klase: rasterske i vektorske

podatke. Sistemi su imali tendenciju da se specijalizuju za koritenje jedne ili druge klase podataka. Prevoenje podataka iz jedne u drugu klasu (proces rasterizacije, odnosno vektorizacije) predstavlja posebnu problematiku. Na slici 1.11 su prikazani rasterski i

vetorski podaci istog detalja sa kuom, njenom okolinom, pristupnim stazama i cestom.

Slika 1.11: Rasterski i vektorski podaci

23

Rasterski podaci su struktuirani kao matrica (mrea) elija, koje predstavljaju piksele (pixel). Njen 3D ekvivalent je 3D matrica kubinih elija, nazvanih vokselima (voxel). Svaka elija u rasteru je adresirana njenim poloajem u matrici (broj reda i broj kolone). Rasterima je mogue reprezentovati irok spektar prostornih objekta u raunarskom sistemu. Take se mogu reprezentovati pojedinim elijama, linije sekvencama susjednih elija, a povrine kolekcijama meusobno kontinualno povezanih elija. Rasteri predstavljaju nativne raunarske strukture, poto veina programskih jezika podrava matrine operacije. Uprkos tome, pohranjivanje matrica u sirovom obliku, bez kompresije, je izuzetno neefikasno u smislu iskoritenja raunarskog memorijskog prostora. Na primjer, ogromne uniformne (zaravnjene) povrine, bez posebnih karaketristika, su pohranjene kao velike kolekcije elija, pri emu svaka sadri jednu istu vrijednost. U kasnijem tekstu e se razmatrati efikasne raunarske metode za rukovanje rasterima.

Druga paradigma za prostorne podatke je vektorski format (termin vektora u ovom smislu

je slian, ali ne identian vektorima iz teorije polja). Vektor je konaan pravolinijski segment definisan svojim krajnjim takama. Lokacije krajnjih taaka su date u odnosu na neki referentni koordinatni sistem u ravni ili veedimenzionalnom prostoru. Diskretizacija prostora sa mreom elija nije eksplicitno potrebna za vektorski model, ali ona mora implicitno postojati u nekoj formi zbog diskretne prirode raunarske aritmetike. Vektori ine odgovarajuu reprezentaciju za irok rang prostornih podataka. Take su reprezentovane njihovim koordinatnim vrijednostima, linije su diskretizovane kao

sekvence pravolinijskih segmenata, gdje je svaki predstavljen vektorom, a povrine su definisane u smislu njihovih graninih linija, koje su opet reprezentovane kolekcijama vektora. Vektorska reprezentacija je, u odnosu na rastere, sama po sebi efikasnija u

smislu iskoritenja raunarske memorije, jer se u nju pohranjuju samo lomne take na linijama. Njeni nedostatci su vezani za sam princip opisivanja prirodnih pojava, koje su u

vektorskom formatu prikazane sa tvrdo oivienim granicama, sastavljenih od idealno ravnih segmenata.

1.3.2 Baza podataka kao skladite podataka

Baza podataka je repozitorij logiki povezanih podataka, koji mogu biti fiziki razmjeteni na razliitim lokacijama i kojim korisnici mogu pristupati pomou razliitih aplikacija. Baza podataka se kreira i odrava koritenjem openamjenskog softwareskog paketa sistema za upravljanje bazom podataka (Data Base Management System). Da bi baza podataka bila korisna ona mora biti:

Pouzdana: Baza podataka mora biti sposobna da ponudi kontinuirani servis po zahtjevu korisnika, ak i pri pojavi neoekivanih dogaaja, kao to su prekidi u napajanju. Na primjer, baza podataka mora biti sposobna da se nosi sa situacijom

kada podiemo novac putem ATM-a (bankomata) prilikom nestanka struje u momentu auriranja stanja naeg rauna.

Korektna i konzistentna: Podaci iz baze podataka trebaju meusobno biti korektni i konzistentni. esto je bio problem sa starijim fajl sistemima, da su podaci iz jednog sektora bili kontradiktorni sa podacima iz drugog sektora u istoj organizaciji. Poto nije bilo mogue stalno meusobno uporeivati ove podatke i traiti nekorektne i

24

nekonzistentne podatke, problem se mogao kontrolisati uvoenjem provjere integriteta podataka prilikom njihovog unosa. to se vie znalo o vrsti podataka koji su se oekivali pri unosu, to se vie greaka moglo detektovati pri samom unosu.

Otporna na tehnoloke promjene: Baza podataka se treba razvijati predvidljivo, skladno i postepeno tokom svakog novog tehnolokog unapreenja. I hardware i software se nastavljaju rapidno razvijati. Razvijaju se i inoviraju novi procesori,

memorija, programi i tehnike modeliranja. Korisnici baze podataka trebaju biti

izolovani od svih zahvata prilikom odravanja i unapreenja rada sistema. Na primjer, kada provjeravamo stanje naeg rauna na bankovnom automatu ne moramo biti svjesni da su tokom prethodne noi instalirani novi diskovi u sistemu.

Sigurna: Baza podataka mora omoguiti razliite nivoe autorizacije pristupa (privilegije), i zatitu od neautorizovanog pristupa. Na primjer, dozvoljeno je da vlasnik rauna oitava (provjerava) stanje sopstvenog rauna u banci (read access). U isto vrijeme nije dozvoljeno runo mjenjanje tog stanja (write access).

1.3.3 Prikupljanje podataka

Proces preuzimanja i unosa podataka opaanjem fizike okoline se naziva prikupljanjem podataka (data capture). Primarni izvor podataka za GIS su senzori koji mjere neke

osobine objekata u prostoru. Satelitsko snimanje, na primjer, koristi senzore za mjerenje

elektromagnetnog zraenja (razliitih talasnih duina) koje je reflektovano ili emitovano od Zemljine povrine. Geodeti koriste senzore za mjerenje duina i uglova izmeu objekata lociranih na Zemljinoj povrini. Ponekad su neophodni ljudski resursi da bi se ovi podaci konvertovali u oblik koji je

razumljiv za informacioni sistem, kao to je to sluaj prilikom unoenja podataka u raunar putem tastature. Meutim, u veini sluajeva ovaj proces je automatiziran tako da se podaci sa senzora (skener, digitajzer, kamera) direktno unose i nakon procesiranja

pohranjuju u informacioni sistem. Prisustvo raznih tipova i vrsta senzora je sve vee, a njihove veliine i cijene su sve manje. Kao posljedica ove pojave, javljaju se zahtjevi da GIS treba biti sposoban da prihvati, procesira i pohrani podatke iz ovih senzorskih

sistema.

Sekundarni izvor podataka za GIS su postojei podaci u obliku papirnih karata. Ovakve karte imaju funkciju i prezentacije i skladita podataka (to se u GIS-u tretira separatno). Konverzija geoprostornih podataka sa papirne karte u formu koja omoguava pohranjivanje u GIS moe biti mukotrpna i skupa. Automatska konverzija, kao to je skeniranje karata, ne moe lako razloiti kompleksnu strukturu kartografskog prikaza, tako da je njen rezultat blii slikovnoj (image) bazi podataka nego GIS-u. Runom konverzijom, na primjer, kada se sadraj karte precrtava putem digitajzera ili mia, moe se preuzeti ova struktura, ali to zahtjeva vie vremena i ljudskih resursa.

1.3.4 Modeliranje podataka

Odabir odgovarajueg modela podataka moe biti kritini faktor za uspjeh ili neuspjeh uspostave informacionog sistema. Model podataka, u stvari, predstavlja klju za sam princip uspostave baze podataka. Modeli podataka funkcioniu na vie nivoa u informacionom sistemu. Sam proces razvoja baze podataka, odnosno bilo kojeg

25

informacionog sistema je u biti proces izrade modela podataka. Na najviem nivou se nalazi korisniki model u domeni aplikacije, koji opisuje kljune zahtjeve korisnika u odreenoj domeni primjene, i koji se definie na samom poetku projektovanja informacionog sistema. Na slijedeem (niem) nivou je konceptualni model koji opisuje aplikaciju, odnosno sistem, nezavisno od detalja vezanih za samu implementaciju. Proces

razvoja konceptualnog modela se fokusira na pitanje ta sistem treba raditi, i naziva se sistemskom analizom (system analysis). Logiki model je skrojen saglasno pojedinom tipu implementacije. Proces razvoja logikog modela se fokusira na pitanje kako e sistem implementirati konceptualni model, i naziva se sistemskim dizajnom (system

design). I na kraju, na najniem nivou je fiziki model, koji prestavlja rezultat procesa samog programiranja i implementacije sistema. On opisuje aktuelnu aplikaciju u smislu

sofwarea i hardwarea, ukljuujui nain procesiranja i organizacije podataka za pojedinani tip maine. Razliite faze i procesi prilikom razvoja sistema su prikazani na slici 1.12.

Slika 1.12: Procesi modeliranja i faze razvoja sistema

Ove faze formiraju logiko napredovanje razvoja od aplikacione domene do aktuelne implementacije. Ovakva logika napredovanja u razvoju sistema se esto naziva modelom vodopada (waterfall model). U praksi je razvoj sistema vie ciklian (na slici prikazano crtkanim linijama), na primjer, u okviru pilot projekta se prilikom dizajna moemo vratiti na prethodni korak analize. Zbog toga je, zbog same iterativne prirode modela, moda poeljnije koristiti termin ciklini sistem razvoja (system life-cycle). Razliite faze ovakvog razvoja formiraju most izmeu ljudske koncepcije u aplikacionoj domeni i raunarskih procesa koritenih u samom informacionom sistemu. Bez ove strukture, procesom razvoja sistema se nebi moglo upravljati. Neprihvatanje principa

ciklinog razvoja moe rezultirati sistemom, koji je, ili teak za koritenje, zbog

26

zanemarenosti ljudskih aspekata, ili neefikasan, zbog zanemarenosti raunarskih aspekata.

Dva vana elementa ovakvog modela razvoja nisu opisana na slici 1.12, jer ne predstavljaju primarne zadatke modeliranja. To su odravanje sistema, koje slijedi nakon implementacije i odnosi se na promjene u smislu poboljanja njegovog koritenja, i dokumentovanje sistema, koje se pojavljuje u okviru svake faze njegovog razvoja,

osiguravajui praenje njegovog razvoja odgovarajuom dokumentacijom.

1.3.5 Pretraivanje i analiza podataka

Kljuna funkcija baze podataka je sposobnost rapidnog i efikasnog pretraivanja i analize informacija. Da bi pretraivali podatke iz baze podataka, moemo primjeniti filter, obino u formi logikog izraza (logical expression) ili upita (query). Na primjer:

1. Pronai nazive i adrese svih aktivnih rudnika uglja u odreenoj regiji. 2. Pronai imena i adrese svih zaposlenih u odreenom preduzeu ija su primanja

vea od polovine primanja direktora preduzea. 3. Pronai srednju vrijednost populacija svih naseljenih mijesta u odreenoj regiji. 4. Pronai imena svih pacijenata odreene ambulante, koji su pregledani u zadnjih

mjesec dana i ija je starost preko 60 godina.

Zakljuujemo da je prvi upit postavljen nad podacima o rudokopima, koji u okviru adrese imaju i geografsku odrednicu naziva regije u kojoj se nalaze. Ovakvi podaci se pronalaze

pomou jednostavnog pregledavanja i uparivanja zapisa sa zadatim nazivom. Za drugi upit je potrebno pretraiti primanja svih zaposlenih i pomou jednostavne numerike uporedbe sa platom direktora pronai one koje odgovaraju zadatom izrazu. Kod treeg upita se zahtjeva da se pronau vrijednosti populacija svih naseljenih mjesta u odreenoj regiji, a onda da se nad njima primjeni zahtjevano numerko izraunavanje. I na kraju, za etvrti upit je potrebno primjeniti najsloeniji filter, koji ukljuuje provjeru viestrukih zapisa vezanih za pojedine osobe.

Za navedene upite postoje i prostorni operatori. Za prvi upit, to se odnosi na pitanje da li

se rudnik nalazi u datoj regiji. Meutim, podrazumjeva se da procesiranje ovog upita ne zahtjeva posebno prostornu komponentu. U ovom primjeru se ne oekuje provjera da li se rudnik nalazi unutar prostornih granica regije, jer je ova informacija data eksplicitno u

tekstualnom formatu u bazi podataka.

Pored predhodno opisanog standardnog procesiranja upita, GIS omoguava i stvarno geoprostorno procesiranje upita. Na primjer, posmatrajmo slijedee upite:

1. Koje lokacije za gradnju na nekom odreenom prostoru zadovoljavaju slijedei skup uslova:

imaju povoljnije od prosjene cijene zemljita u regiji,

nalaze se unutar 15 minuta vonje od autoputa,

imaju odgovarajuu geoloku podobnost za gradnju stambenih zgrada,

nisu predmet planerskih ogranienja?

2. Postoji li korelacija izmeu:

lokacija saobraajnih udesa (prema evidenciji slube hitne pomoi) i

27

markiranih crnih taaka na nekoj odreenoj regiji?

Zadovoljenje ovakvih upita esto zahtjeva integraciju prostornih i neprostornih (poslovnih) informacija. Problem u prvom primjeru je bolje definisan, jer specificira

odreeni tip relacije koja se zahtjeva. Drugi primjer zahtjeva primjenu tehnika prostorne analize sa otvorenim krajevima (open-ended). Obje funkcionalnosti su atraktivne i

poeljne, ali su beskorisne ako algoritamski nisu izvodljive (to jest, ako su skupe) u pogledu raspoloivih performansi. Raunarske performanse su obino mjerene u kontekstu memorijskih zahtjeva za pohranjivanje i vremena procesiranja. Tehnologije

pohranjivanja i procesiranja podataka se konstantno unapreuju. Meutim, ne mogu se svi problemi vezani za raunarske performanse rjeavati koritenjem naprednije tehnologije. Neki problemi, kao to je problem trgovakog putnika (pomenut u dijelu 1.2.2), zahtjevaju toliko raunanja da za njih praktino nije mogue nai optimalno rjeenje u razumnom (prihvatljivom) vremenu. Performanse predstavljaju ak i vanije pitanje za baze geoprostornih podataka nego za baze podataka ope namjene. Prostorni podaci su openito obimni. Dalje, prostorni podaci su esto hijerharhijski strukturirani (taka je dio linije, koja je dio poligona). Moemo uoiti da ove strukture predstavljaju problem za tradicionalnu tehnologiju baza podataka. Iako su DBMS-ovi dizajnirani da rukuju sa viedimenzionalnim podacima, dimenzije u standardnim skupovima podataka se podrazumjevaju nezavisnim. Meutim, geoprostorni podaci su esto vezani za Euclidovu ravan za koju se zahtjevaju posebne strukture pohranjivanja i pristupa. Na pitanje pohranjivanja, pristupa i procesiranja

prostornih podataka emo se vratiti tokom kasnijeg izlaganja.

1.3.6 Prezentacija podataka

Tradicionalne openamjenske baze podataka obezbjeuju izlaz u formi teksta i brojeva, koji su esto tabelarno organizovani. Report generator za izvjetavanje je standardna odlika DBMS-a koja omoguava da se izlazni podaci prikazuju u formatu itljivom za korisnike. Mnoge iroko primjenjene baze podataka, imaju takoe i funkcionalnost napredne prezentacije, poput grafikona i grafikih prikaza, koji se nazivaju poslovnom grafikom (business graphics).

Vezano za ove prezentacione mehanizme, GIS ima potrebu za prikazom karata i formi

baziranih na kartografskoj predstavi. U kontekstu primjene openamjenskih baza podataka, zahtjev za kartografski baziranom prezentacijom podataka je vrlo neuobiajena pojava. Sa druge strane, sposobnost automatske izrade analognih karata, koja se esto vee za termine automatske ili digitalne kartografije, je bila jedan od primarnih razloga za iniciranjem razvoja GIS-a i ostaje vana funkcija nekih GIS softwarea. Neki od DBMS i GIS paketa idu dalje od uvoenja alata za poslovnu grafiku ili automatsku kartografiju, i obezbjeuju alate za pomo korisnicima u istraivanju skupova podataka i otkrivanju relacija i uzoraka sadranih u podacima, nazvanih data mining (odnosno prostorni data mining). Pitanja vrste: postoji li bilo ta znaajno ili interesantno to je vezano za skup podataka koji se pretrauje, predstavljaju prototip za data mining. Sistemi koji podravaju data mining obino imaju visoko fleksibilne prezentacione sposobnosti, tako da korisnici mogu interaktivno kombinovati i prikazivati viedimenzionalne podatke u mnogim razliitim formama, ukljuujui grafikone, stabla i animacije.

28

Prostorni (spatial) data mining: Data mining se odnosi na proces otkrivanja (iznalaenja) dragocjenih informacija i znaajnih uzoraka unutar velikih skupova podataka. Data mining je od posebne vanosti za geoprostorne podatke, jer ovaj tip podataka obino predstavlja opsean i bogat izvor uzoraka. Data mining se razlikuje od standardnih upita bazi podataka, u tome to korisnici ne moraju unaprijed znati koje se informacije ili uzorci trae. Klase informacija koje data mining omoguava da se otkriju su asocijativna pravila i uzorci klasterizacije. Primjer prostorne data mining aplikacije je CRM (customer relationship management). CRM kompanija

moe koristiti data mining za otkrivanje postojanja povezanosti izmeu razliitih tipova potronje u maloprodaji, to je esto bazirano na podacima vezanim za koritenje debitnih ili kreditnih kartica. Na primjer, ukoliko postoji tendencija da korisnici kartica nakon gledanja filma odlaze u

restoran koji je u blizini kina, data mining moe pomoi u otkrivanju ovog uzorka, to se moe iskoristi kao osnova za specijaliziranu promociju (npr. pogledajte film u kinu Dubrovnik i posjetite restoran Metropolitan). Data mining se moe takoe koristiti za otkrivanje klastera koji se koriste kao osnova za klasifikaciju neke pojave. Na primjer, organizacija koja prati pojavu

zagaenosti moe koristiti data mining za otkrivanje uzoraka klasterizacije za lociranje industrijskog zagaenja.

1.3.7 Dijeljeni pristup podacima

Sistem centralizovane baze podataka ima osobinu da su podaci, DBMS i hardware

zajedno obuhvaeni jednim raunarskim sistemom. Iako je baza podataka smjetena na jednoj lokaciji, ne treba iskljuiti mogunost daljinskog pristupa bazi podataka. Zapravo, ovo je jedan od vodeih principa za baze podataka: omoguiti dijeljeni pristup podacima. Ukoliko bi sve aplikacije mogle koristiti centralizovanu bazu podataka, onda bi studiranje

baza podataka bilo mnogo jednostavnije. Meutim, kao to je ilustrovano primjerima sistema za navigaciju turista i eksploatacije ruda (dio 1.2.3 i 1.2.4), mnoge aplikacije

zahtjevaju pristup podacima iz viestrukih baza podataka povezanih digitalnom komunikacionom mreom, to se naziva distribuiranom bazom podataka. Postoje prirodni razlozi zbog ega podaci trebaju biti distribuirani na ovaj nain. Ovakav pristup omoguava vei stepen autonomije i jednostavnije auriranje i odravanje. Na primjer, detalje o lokalnim vremenskim uslovima je korisnije uvati na lokalitetu pojave gdje postoji sistem kontrole i provjere integriteta podataka. Druga prednost distribuirane baze

podataka je vea pouzdanost. Prekid u radu na jednoj lokaciji nee uticati na rad cijelog sistema. Distribuirane baze podataka takoe nude bolje performance. U primjeru baze podataka lokalnih vremenskih uslova, pristup lokalnim podacima od strane lokalnih

korisnika (koji je najfrekventnija pojava) e biti efikasniji. Performanse su slabije prilikom koritenja pristupa udaljenim bazama podataka, ali su i potrebe za ovim pristupima manje.

injenica je da distribuirane baze imaju komplikovaniju strukturu za podrku. Na primjer, distribuirane baze podataka moraju rukovati sa upitima koji koriste podatke

fragmentirane na raznim lokacijama, kao i odravati konzistentnost podataka koji se repliciraju na raznim lokacijama. Distribuirane geoprostorne baze podataka su

diskutovane u 7. tematskoj jedinici.

29

1.4 Hardwareska podrka Termin hardware se koristi za fizike komponente raunarskog sistema, kao to su raunarski ipovi, monitor ili tastatura, dok se software odnosi na instrukcije ili programe koji se izvravaju pomou raunarskog sistema. Za razliku od GIS softwarea koji je namjenski visoko specijaliziran, hardware koriten za GIS je potpuno isti onome koji se koristi za openamjenske raunarske sisteme. U ovom dijelu e se diskutovati struktura i funkcija raunarskog hardwarea do onog stepena koji je neophodan za razumjevanje uloge koju on igra u GIS-u. Pri ovome se podrazumjeva da je italac openito upoznat sa standardnom raunarskom arhitekturom, tako da e se napraviti samo kratak pregled onih komponenti koje su relevantne za GIS.

1.4.1 Pregled raunarske arhitekture

Uprkos irokom obuhvatu zadataka koje raunar izvrava, skoro svi savremeni raunari su zasnovani na principima von Neumannove arhitekture, razvijene od Johna von

Neumanna, matematiara maarskog porijekla, na Princeton University, tokom 40-tih i 50-tih godina prolog stoljea. Saglasno von Neumannovoj arhitekturi, raunarski sistem se sastoji od 4 glavna podsistema (slika 1.13.):

Procesiranje: Procesiranje podataka sadri operacije koje kombinuju i transformiu podatke. Kompleksne funkcije procesiranja podataka mogu biti reducirane na mali skup primitivnih operacija.

Skladitenje: Podaci se dre u skladitu tako da su pristupani za procesiranje. Ovo skladite moe biti kratkorono (gdje se podaci dre samo dok traje njihovo procesiranje) ili dugorono (u sluaju potreba za buduim procesiranjem).

Kontrola: Skladine i procesne funkcije se moraju kontrolisati raunarom, koji mora upravljati i alocirati (delegirati) resurse za procesiranje, skladitenje i premjetanje podataka.

Ulaz/izlaz: Raunari moraju biti sposobni prihvatiti unos (input) podataka i prezentaciju (output) rezultata procesiranja. Dvije vane klase ulaza/izlaza se odnose na interakciju izmeu korisnika i raunara, i na komunikaciju izmeu razliitih raunarskih sistema (posredstvom digitalne komunikacione mree).

Kljune komponente raunarskog sistema (prije u smislu sastavnih jedinica, nego po samoj funkcionalnosti) su CPU (komponenta odgovorna za procesiranje i kontrolu),

memorijski ureaji (odgovorni za skladitenje podataka) i ulazno/izlazni ureaji (korisnike ili raunarske mree).

Slika 1.13: etiri osnovne funkcionalne komponenta raunara

30

1.4.2 Procesiranje i kontrola

Procesiranjem podataka u raunarskom hardwareu se rukuje pomou centralne procesirajue jedinice (Control Processing Unit). Njena glavna funkcija je izvravanje mainskih instrukcija (execute machine instruction), od kojih svaka izvodi jednu primitivnu operaciju raunanja. CPU izvrava mainske instrukcije dohvatajui (fatching) podatke u specijalnim registrima i izvravajui raunarsku aritmetiku nad njima. Sam CPU se sastoji od nekoliko podkomponenti, od kojih su najvanije aritmetiko-logika jedinica (ALU) i kontrolna jedinica (CU). Kontrolna jedinica je odgovorna za funkciju

kontrole, upravljanja i alociranja resursa. ALU je odgovorna za trenutne funkcije

procesiranja.

Slika 1.14 prikazuje model von Neumannova raunara. On se sastoji od etiri funkcionalne jedinice:

aritmetiko-logike jedinice (ALU),

upravljake jedinice,

memorijske jedinice, i

ulazno-izlazne (U/I) jedinice.

Slika 1.14: Model von Neumannova raunara

Izvravanje instrukcije se odvija u dvije faze: pribavi (fetch) i izvri (execute). Slika 1.15 prikazuje dijagram prelaza stanja za von Neumannov raunar.

Slika 1.15: Dijagram prelaza stanja

31

Slika 1.16: etiri koraka izvravanja instrukcijskog ciklusa

Operacije nad podacima se izvode sekvencijalno, uitavanjem pohranjenih podataka, izvravanjem odgovarajue operacije i vraanjem rezultata u skladite. Proces izvravanja je poznat kao instruction cycle (machine cycle, fetch-execute cycle). On se sastoji od 4

koraka (slika 1.16). U prvom koraku kontrolna jedinica uitava (dohvata) instrukciju iz skladita. U narednom koraku kontrolna jedinica dekodira pohranjenu instrukciju da bi se odredilo koja operacija se treba izvesti. Dalje, kontrolna jedinica proslijeuje ovu instrukciju ALU jedinici, koja zavrava trenutni zadatak izvravanja operacije. Konano, rezultati izvravanja operacije se vraaju u skladite, spremni da se uitaju za slijedei instrukcijski ciklus. Veza izmeu procesora (CPU) i drugih komponenti u raunaru je ostvarena namjenskim komunikacionim ianim vezama, koje se nazivaju bus. Iako se rad skoro svih raunara zasniva na instrukcijskom ciklusu, sami raunarski procesori se razlikuju po tipu i opsegu instrukcija koje implementiraju (CISC, RISC).

CISC i RISC raunarski procesori: Obino se hardware posmatra potpuno odvojeno od softwarea: hardware su stvarni raunarski predmeti koje moete dodirnuti, software su digitalne instrukcije i podaci. Meutim, distinkcija nije uvijek tako jasna. Skup instrukcija kojeg podrava CPU (hardware) je determinirajui faktor za kompleksnost programa (sofvera) koji se pokree pomou CPU. Veina PC raunara koristi CISC (complex instruction set computer) arhitekturu, kao to su oni iz Intel Pentium procesorske familije. U CISC arhitekturi, CPU podrava desetine, pa ak i stotine instrukcija, to software ini jednostavnijim i pristupanijim (finansijski povoljnijim) za programiranje. Meutim, kompleksne instrukcije su openito sporije za izvravanje od jednostavnih instrukcija. RISC (reduced instruction set computer) arhitektura podrava manji skup instrukcija od CISC arhitektuire. Prednost RISC arhitekture je u koritenju openito brih i jednostavnijih CPU jedinica sa niom potronjom energije. Zato veina malih i mobilnih raunarskih ureaja koristi RISC arhitekturu male potronje (kao to je ARM familija procesora). inei hardware jednostavnijim, RISC arhitektura treba puno kompleksniji software za dostizanje istih zadataka. CISC i RISC arhitekture su dobra ilustracija zato distinkcija izmeu hardwarea i softwarea moe biti nejasna. U stvari, distinkcija izmeu CISC i RISC arhitekure takoe postaje nejasna, poto noviji procesori sve vie koriste mnoge od ideja razvijenih za RISC arhitekturu, a RISC procesori koriste mnoge instrukcije starije CISC arhitekture.

32

1.4.3 Skladitenje podataka

Digitalni podaci se mogu fiziki uvati u raunarskom sistemu pomou ureaja za skladitenje. Ureaji za skladitenje se razlikuju po svom kapacitetu (koliko podataka mogu pohraniti), performansama (brzina pristupa podacima), postojanosti (dali

pohranjeni podaci postoje i poslije prestanka napajanja) i cijeni. Ureaji za skladitenje podataka se mogu podjeliti u dvije kategorije:

memorija kojom se moe upravljati direktno sa CPU se naziva primarnom memorijom, i obino se zasniva na poluprovodnikoj tehnologiji. Primarna memorija je relativno skuplja po pohranjenom bitu u poreenju sa sekundarnom memorijom, i openito je nepostojana (memorisani podaci se gube nakon iskljuivanja raunara);

memorija kojom se moe pristupiti samo indirektno pomou CPU (preko ulazno/izlaznih kontrolera), koja se naziva sekundarnom memorijom. Sekundarna

memorija je obino zasnovana na magnetnoj ili optikoj tehnologiji. Relativno je jeftinija od primarne i postojana je (jer podaci ostaju nakon iskljuenja napajanja memorijskog ureaja).

Slika 1.17: Standardni ureaji za skladitenje

Slika 1.17 prikazuje neke primjere standardnih primarnih i sekundarnih memorijskih

ureaja. Primarna memorija openito obezbjeuje bri pristup podacima od sekundarne. Meutim, primarna memorija nudi manji kapacitet po koliini uvanih podataka. Balans izmeu primarne i sekundarne memorije je kritian za performanse GIS-a. Openito, zbog velikih koliina podataka sa kojima operie GIS, koritenje samo primarne memorije za rad sa svim podacima nije praktino. Zbog toga efikasno struktuiranje fajlova podataka na sekundarnim memorijskim ureajima predstavlja vaan faktor za performanse GIS-a. Raunarski strunjaci i naunici su utroili mnogo napora u traenju odgovarajue strukture podataka koja bi osigurala dobre performanse koritenja

33

prostornih podataka. Da bismo razumjeli probleme vezane za ovakve strukture,

neophodno je detaljnije upoznati osobine primarne i sekundarne memorije.

Primarna memorija je direktno pristupana za CPU. Da bi ALU mogla operisati sa podacima, CPU zahtjeva svoju sopstvenu lokalnu memoriju u formi registara. Pored

ALU, i kontrolna jedinica takoe zahtjeva dio interne memorije. Ovakva registarska memorija je najbra i najskuplja od svih ostalih tipova, i njena brzina mora biti komparativna sa vremenom instrukcijskog ciklusa.

Drugi tipovi primarne memorije se odnose na glavnu memoriju.

Tipina glavna memorija je RAM (random access memory), iji naziv (memorija sa sluajnim pristupom) nije adekvatan obzirom da je svaki tip glavne memorije sluajno pristupaan (odnosno direktno adresabilan). RAM je nepostojana memorija, koja zahtjeva stalno napajanje, i omoguava pristup za itanje i pisanje. RAM se koristi za uvanje podataka koji dolaze i protiu izmeu CPU i perifernih ureaja. ROM (read only memory) je postojana memorija (ostaje zapamena nakon prekida napajanja) i sadri podatke koji su tvrdo-oieni, u smislu da su upisani tokom proizvodnje ROM ipa i nemogu se naknadno mjenjati. ROM je zbog toga koristan samo za pohranjivanje

permanentnih podataka, kao to su sistemske rutine za esto koritene funkcije (na primjer, grafike funkcije u GIS-u). Drugi tipovi ROM-a dozvoljavaju da se podaci pohrane i naknadno (poslije proizvodnje ipa). PROM (Programmable ROM), dozvoljava upisivanje podataka naknadno. EPROM (Erasable PROM) i EEPROM

(Electrically EPROM) dozvoljavaju viestruko postojano upisivanje podataka, meutim po cijenu sporijeg pistupa podacima od RAM-a. Flash memorija je tip EEPROM

memorije sa relativno brzim pristupom podacima i esto se koristi u manjim ureajima za pohranjivanje podataka i konfigurabilnim mobilnim raunarskim ureajima, kao to su mobiteli.

Najvaniji oblik sekundarnog pohranjivanja je magnetni disk. Magnetni disk je presvuen tankim slojem magnetnog materijala. Polarizacija veoma malih regija na disku se postie pomou specijalne elektrine glave za itanje i pisanje. Kombinovanim rotiranjem diska i pomjeranjem glave se postie brz pristup cijeloj povrini diska. Sam disk rotira po nekoliko hiljada okretaja u minuti (RPM - rotation per minute), tako da je vrijeme

pristupa (traenja) potrebno za kretanje glave presudan faktor pristupanosti podacima na disku. Prednost fizikog struktuiranja podataka na disku se ostvaruje sve boljom minimizacijom vremena pristupa. Fizika struktura geoprostornih podataka na disku je pitanje koje permanentno zaokuplja panju istraivaa raunarskih sistema. Optika skladita, kao to su CD-ovi i DVD-ovi, imaju slinu strukturu (rotirajui disk i glave za itanje/pisanje, s tim to koriste lasersku tehnologiju za itanje i pisanje sa fotoosjetljivog diska).

Magnetni i optiki diskovi itaju i piu podatke traenjem specifinog bloka podataka na disku pomou jedinstvene fizike adrese (tzv. proces direktnog pristupa). Nakon pronalaenja eljenog bloka, podaci iz bloka se skeniraju u sekvencama sve dok se ne pronae precizna lokacija za itanje, odnosno pisanje (tzv. proces sekvencijalnog pristupa).

34

1.4.4 Korisniki ulazno/izlazni ureaji

Postoji itav niz razliitih ureaja koji korisniku omoguavaju unos podataka u raunare i primanje izlaza iz raunara. Najei ureaj je tastatura, koja se koristi za unos numerikih i tekstualnih podataka. Navigacioni (pokazivaki) ureaji su drugi veoma est ureaj, koji za razliku od tastature, koja ima standardizovanu konfiguraciju tipki, dolaze u raznim veliinama i oblicima (mi, touchpad, stick pokaziva, kuglica, joystick, dodirni ekran).

Specijalizovani tip pokazivaa (pointing device) koji je posebno relevantan za GIS je digitajzer. Digitajzer je kombinacija velikog ravnog tableta i pokazivaa koji se pomjera preko tableta (vidi sliku 1.18). Digitajzeri su neophodni za sekundarno prikupljanje

analognih podataka: prevoenje geoprostornih informacija sa papirnih karata u digitalni oblik. Operator privrsti kartu na tablet i pomou pokazivaa precrtava oblike kartografskih objekata, kao to su tok rijeke ili granica administrativne regije. Kako se pokaziva kree preko tableta, njegov poloaj se oitava i biljei u raunaru. Za unos podataka u zvunom obliku se koriste drugaiji ureaji, kao to su mikrofon u kombinaciji sa sistemom za prepoznavanje govora. Za unos podataka u optikoj formi se koriste ureaji kao to su skeneri za konvertovanje karata ili slika u digitalne slike.

Slika 1.18: Tablet za digitalizaciju

Izlazne forme korisnikih ureaja se mogu klasificirati u dvije kategorije: hard copy i soft copy. Hard copy izlazni ureaji, kao to su tampai i ploteri, proizvode izlaz sa fizikom postojanou. GIS je esto bio vezan za skupe, visokokvalitetne plotere, neophodne za izradu detaljnih papirnih karata velikog formata. Meutim veina GIS korisnika se uglavnom ili potpuno slui soft copy izlaznim ureajima, i to primarno raunarskim monitorima, kao i drugim ureajima video ptikaza (video display unit). Soft copy izlazni ureaji proizvode izlazni prikaz, koji je prolazan i neuhvatljiv, poput slike na ekranu. Zvuk iz audio ureaja, kao to su zvunici, je takoe tip soft copy izlaza. Za GIS aplikacije, izrazito vizualna priroda ljudske percepcije geoprostornih informacija

podrazumjeva da je audio izlaz manje vaan od vizualnog prikaza.

35

1.4.5 Raunarske mree

Komunikacija izmeu raunarskih ureaja povezanih u mreu je postala fundamentalni dio veine dananjih informacionih sistema, ukljuujui i GIS. Veina komunikacionih mrea su digitalne (u smislu prenosa informacija putem serije bita koji koriste signalne rafale razliitog intenziteta koji odgovara binarnim vrijednostima 0 i 1, kako je prikazano na slici 1.19a. Starije komunikacione tehnologije za prenos podataka koriste analogne

signale, gdje snaga signala moe varirati kontinualno kao sinusni talas (slika 1.19b).

Slika 1.19: a) digitalni (lijevo) i b) analogni signali (desno)

Postoje razliite tehnike za kodiranje digitalnih podataka u analogni signal, ukljuujui moduliranje (variranje) amplitude (intenziteta) signalnog talasa. Primjer amplitudne

modulacije za kodiranje digitalnih podataka u analognom signalu je ilustrovan na slici

1.20.

Slika 1.20: Amplitudna modulacija koja kodira digitalne podataka u analogni signal

Konverzija izmeu digitalnih i analognih signala zahtjeva ureaje zvane modem. Analogni signali se lake degradiraju nego digitalni signali, tako da je veina zaostale analogne komunikacione tehnologije zamjenjena sa digitalnom.

Bez obzira dali se transmituju digitalni ili analogni signali, sve komunikacione mree koriste elektromagnetno (EM) zraenje za propagiranje (prenos) signala. EM radijacija se moe posmatrati kao kretanje talasa kroz neki medij. Frekvencija i duina talasa EM radijacije direktno utiu na osobine prenosa. Frekvencija predstavlja broj ciklusa koje talas zavri po jedinici mjerenja, dok je talasna duina u stvari duina svakog ciklusa. Za

36

talas koji se kree konstantnom brzinom, kao to je sluaj sa EM zraenjem kroz vakuum, frekvencija je obrnuto propocionalna talasnoj duini (drugim rijeima, kako se talasna duina poveava, frekvencija se smanjuje).

Slika 1.21: Elektromagnetni spektar

EM zraenje sa kraom talasnom duinom, kao to je infracrvena i vidljiva svjetlost, moe nositi vie podataka nego zraenje sa duim talasnim duinama, kao to su mikrotalasi i radio talasi, poto krae talasne duine omoguavaju signalnim rafalima da budu krai. Meutim, krae talasne duine EM signala bre degradiraju od duih, te ih je tee koristiti za vee udaljenosti prenosa. Raspon talasnih duina ili frenkvencija, koje su raspoloive za transmisiju se naziva irina opsega. Postoji jasan odnos izmeu irine opsega signala i koliine podataka koji se prenose signalom: iri opseg podrazumjeva vei kapacitet prenosa podataka. Slika 1.21. daje pregled magnetnog spektra sa mogunostima transmisije podataka. Radio talasi, mikro talasi, infracrvena i vidljiva svjetlost se mogu koristiti za raunarske mree. Visoko frekventna ultra ljubiasta svjetlost, x zraci i gama zraci EM radijacije se ne mogu koristiti za prenos podataka, jer njihova velika energija moe biti opasna za okolinu i ljudsko zdravlje.

Signali noeni EM zraenjem se mogu prenositi koritenjem razliitih medija. Najei medij koji se koristi za prenos podataka su metalne, obino bakarne ice poput onih koje se koriste za konvencionalne telefonske linije, kao i koaksijalni raunarski mreni kablovi. Konvencionalne telefonske mree esto imaju niske kapacitete za prenos podataka, jer one ne omoguavaju efikasno koritenje raspoloive irine opsega kroz bakarne ice. Normalna glasovna komunikacija zahtjeva samo mali frekventni rang za transmisiju, ostavljajui vei dio raspoloive irine opsega neiskoritenom. Digitalne komunikacije se prilikom koritenja telefonske mree moraju nagurati u malu irinu opsega raspoloivog za glasovne komunikacije. Mnoge telefonske mree su se nadogradile da bi ostvarile bolje koritenje irine opsega, i postale sposobne za prenos digitalnih podataka uporedo sa glasovnim komunikacijama, koritenjem frekvencija, koje nisu bile potrebne za glasovne komunikacije (terminisane kao DSL digital subscri