Visoka građevinsko-geodetska škola, Beograd, 2009.

Geografski informacioni sistem (GIS)

• GIS predstavlja kompjuterizovani, integrisani sistem za prikupljanje, kompiliranje, skladištenje, održavanje i rad sa prostornim i atributnim podacima geografski lociranim na Zemlji ili u prostoru.

• To je kompjuterski softverski sistem koji čini srce jednog geoinformacionog sistema, sa mogućnostima održavanja, editovanja, analiziranja i razmene geografski referenciranih podataka i informacija.

• Ovaj softver omogućava dalje korisnicima da pravljenjem prostornih upita rade kompleksne analize, kreiraju planove ili karte sa statističkim podacima i prezentiraju rezultate svojih istraživanja, generisanjem grafičkih i alfanumeričkih izveštaja u integrisanom okruženju.

Komponente GIS-a su:

• Ljudi Ljudi moraju da razvijaju procedure i da definišu zadatke GIS-a. Ljudi često

moraju da savladaju nedostatke ostalih komponenata GIS-a.

• Podaci Raspoloživost i tačnost podataka može uticati na rezultate nekog upita ili analize.

• Hardver Hardverske mogućnosti utiču na brzinu procesa, jednostavnost korišćenja i vrstu

izlaznog produkta.

• Softver Ova komponenta ne uključuje samo aktuelni GIS softver, nego takođe i različite

softvere baza podataka, crtačke softvere, statističke softvere, softvere za obradu fotografija (digitalnih slika) itd..

• Procedure Analiza zahteva dobro definisane, usklađene metode kako bi proizvela korektne,

reproduktivne podatke.

Funkcije GIS-a su:• Prikupljanje podataka

GIS mora da omogući metode za unos geografskih (koordinate) i tabelarnih podataka. GIS je onoliko raznovrstan, koliko mogućih metoda unosa podataka omogući.

• Čuvanje podataka Postoje dva osnovna modela čuvanja geografskih podataka: vektor i raster. GIS

bi trebalo da omogući čuvanje geografskih podataka na oba načina.

• Upiti GIS mora da obezbedi pomoćne programe za pronalaženje određenih prostornih

entiteta (features), na osnovu njihove lokacije ili atributne vrednosti.

• Analiziranje podataka GIS mora da ima sposobnost da odgovori na pitanja koja se odnose na

interakciju prostornih veza (odnosa) između mnogostrukih setova podataka (tzv. datasets).

• Prikazivanje podataka Moraju postojati alati za vizuelizaciju geografskih fičera korišćenjem različitih

simbola.

• Izlaz (prezentacija) – Output Prikazani rezultati trebalo bi da mogu da se prikažu kao izlazni u raznim

formatima, kao što su mape, izveštaji i grafički prikaz.

Primena GIS softverske tehnologije• Katastar nepokretnosti• Telekominikacije• Geofizička istraživanja• Komunalne organizacije i kompanije kpje pružaju usluge iz oblasti

infrastrukture• Državne agencije i organizacije: popis stanovništva, životna sredina,

zdravstvo i dr.• Lokalna samouprava• Službe hitne pomoći: policija, vatrogasci, lekari• Vojska• Trgovina• Finansijske organizacije: Osiguranje, procena vrednosti zemljišta i

nekretnina• Razne biznis aplikacije

Tri vida GIS-a

• Geobaze podataka GIS je sveobuhvatna baza podataka koja sadrži skupove podataka koji predstavljaju geografske informacije u smislu generičkog GIS modela podataka (vektorski objekti (tačke, linije, poligoni) , rasteri, topologije, mreže, itd.).

• Geovizualizacija GIS je skup inteligentnih mapa i drugih prikaza koji pokazuju karakteristike zemljine površi i njihove odnose. Mogu se konstruisati mape koje prikazuju različite slojeve geografskih informacija i iste se mogu koristiti kao "prozori u bazu podataka" da bi se podržala ispitivanja, analize i editovanje informacija.

• Geoprocesiranje GIS je skup alata za transformaciju informacija koji iz postojećih skupova podataka izvodi nove. Ove funkcije geoprocesiranja primenjuju  analitičke funkcije na postojeće skupove podataka i rezultate zapisuju u novoizvedene skupove podataka.

Geografski informacioni sistem podržava nekoliko vidova rada sa geografskim informacijama.

Tematski slojevi i skupovi podataka

Lokacija u realnom svetu

Geografski prostorni entiteti

(Geographic features)

Organizovanje prostornih podataka

GIS organizuje geografske podatke u tematske slojeve i tabele. Kako su geografski skupovi podataka u GIS-u georeferencirani, oni imaju realne lokacije i međusobno se preklapaju.

Homogeni skupovi prostornih objekata su organizovani u slojeve kao što su parcele, izvori, zgrade, ortofoto snimci i raster digitalni modeli. Precizno definisani skupovi prostornih podataka su od presudnog značaja za praktičnu upotrebu geografskih informacionih sistema, dok je princip tematskih slojeva od velikog značaja za GIS skupove podataka.

• Feature (prostorni entitet, geo-objekat...) se može definisati kao entitet iz realnog sveta (parcela, zgrada, drvo,...), opservacija ili događaj (nepogoda, požar,...).

• Nemoguće je prikupiti sve iz realnog sveta unutar računara. Umesto toga, korisnici GIS-a moraju nekako da apstrakuju fenomene realnog sveta, ili entitete, u geometrijski prikaz tih entiteta. Postoje tri osnovna oblika koji se koriste za geografske prostorne entitete (Geographic features):

Tačke Linije i Površi.

Ovi oblici se često nazivaju geometrijski objekti, geometric features ili feature class (klasa prostornih entiteta). Termin “feature class” se koristi kako bi ukazao na bilo koju grupu tačaka, linija ili poligone, bez obzira na format u kom se čuvaju podaci. To je kolekcija prostornih entiteta (features) sa istim tipom geometrije (npr. autoputevi, glavne saobraćajnice, sporedne saobraćajnice i sl.)

• Postoje različite metode pretvaranja ovih entiteta u digitalni oblik, uključujući skeniranje i digitalizaciju.

Predstavljanje geografskih prostornih entiteta (Geographic Features)

Predstavljanje geografskih prostornih entiteta (Geographic Features)

Kako opisujemo geografske prostorne entitete (features)?• Uz pomoć dva tipa podataka:

– Prostorni podaci (gde)• određuju lokaciju• čuvaju se u shape fajlu, geobazi podataka ili sličnom geografskom fajlu

– Atributni podaci (šta, koliko, kada)• određuju karakteristike na toj lokaciji, bilo prirodne ili kreirane od strane

čoveka• čuvaju se u tabeli baze podataka

Kako se oni digitalno predstavljaju u GIS-u?• Grupisanjem u lejere na osnovu sličnih karakteristika (hidrografija, nadmorske

visine, vodeni tokovi, kanalizacione linije, prodavnice...) i korišćenjem:– Vektorskog modela podataka (coverage u ARC/INFO, shapefile u

ArcView) – Rasterskog modela podataka (GRID ili Image u ARC/INFO & ArcView)

• Izborom odgovarajućih osobina podataka za svaki lejer uzimajući u obzir:– projekciju, razmeru, tačnost i rezoluciju

Kako ih spajamo sa kompjuterskim aplikacionim sistemom?• korišćenjem sistema za upravljanje relacionim bazama podataka (RDBMS)

Rasterski model podataka

• Površ je prekrivena mrežom kvadratnih ćelija (najčešće), jednakih veličina.• Poznate su koordinata krajnjih tačkaka mreže (dvo-dimenzionalana matrica),

pa je ovakav set podataka time jednoznačno definisan.• Atributi: Jednoj ćeliji se dodeljuje jedna vrednost (u većini slučejeva). Zajedno

ove vrednosti čine jedan sloj, a baza podataka može imati veliki broj takvih slojeva.

• Image – slikovni podaci su vrsta rastera čiji “atributi” predstavljaju vrednosti refleksije iz spektra geomagnetskog zračenja.– ćelije se kod slikovnih podataka često nazivaju pikseli (elementi slike).

• Većina rasterskih podataka se dobija kao rezultat:– daljinske detekcije (LANDSAT, SPOT,...),– skeniranja planova i karata (mapa),– digitalni model visina, ...

• Rasterski model podataka najbolje je koristiti kod neprekidnih prostornih entiteta (features):– visine,– temperature,– tipove zemljišta,– način korišćenja zemljišta,...

Vektorski model podataka• Osnovni koncept vektorskog GIS-a je taj da se svi prostorni entiteti

iz realnog sveta mogu predstaviti ili kao: Tačke (ili čvorovi): drveće, aerodromi, gradovi,...; ili kao Linije (lukovi): vodeni tokov, ulice, kanalizacija,...; ili kao Površi (poligoni): parcele, gradovi, države, šume, vrste stena,...

• Lokacije su određene x, y kordinatama, koje se mogu povezati radi formiranja linija i poligona.

• Veza sa atributima iz tabele uspostavlja se na osnovu ID broja (jedinstvenog identifikatora – svakom prostornom entitetu (feature) dodeljen je ID)

• Naljbolja primena postiže se kod prostornih entiteta sa diskretnim granicama:– granice poseda– političke granice– transport

Rasterski i vektorski model podataka

Realan svet

Vektorsk prikazRasterski prikaz

Rasterski i vektorski model podataka

Fajl formati za rasterske prostorne podatke

Rasterski model je implementiran u nekoliko različitih kompjuterskih fajl formata:• GRID je ESRI-jev format za čuvanje i obradu rasaterskih podataka• Standardni formati slikovnih podataka, kao što su JPEG, TIFF i

MrSid formati, mogu se koristiti za prikaz rasterskih podataka ali ne i za analizu (moraju se konvertovati u GRID)

• Georeferenciranje je potrebno radi prikaza slikovnih podataka zajedno sa vektorskim podacima na mapi.– Zahtevaju pratići fajl koji pruža informaciju o lokaciji na zemljinoj

površi.Image Image File World FileTIFF image.tif image.tfwBitmap image.bmp image.bpwBIL image.bil image.blwJPEG image.jpg image.jpw

Fajl formati za vektorske prostorne podatkeOpšti vektorski modeli su implementirani od strane proizvođača softvera uspecifične kompjuterske fajl formateShape fajl (ArcView, 1993)• može da sadrži samo jednu klasu prostornih entiteta (feature class)• atributna tabela se čuva u dBASE formatu i njeno ime je shapefile.dbf• svaki shape file se sastoji od najmanje tri fajla: shapefile.shp, shapefile.shx,

shapefile.dbf (ako shape fajl ima definisan koordinatni sistem, prostorna referentna informacija se čuva u shapefile.prj fajlu)

Coverage (ArcInfo, 1981)• Može da sadrži jednu ili više klasa prostornih entiteta (feature class)• Atributi se čuvaju u INFO tabeli • Više fizičkih fajlova (12 ili više) u jednom folderu → fajlovi sa podacima o

lokaciji i fajlovi sa opisnim podacima za datu geografsku oblastGeodatabase (ArcGIS 8.0, 2000)• Svaka klasa prostornih entiteta može da čuva jedinstven tip prostornih entiteta,

a mogu i da se grupišu u kolekciju koja se naziva feature dataset (set podataka), jedini uslov je da imaju isti koordinatni sistem.

• Čuva prostorne entitete (features) i njihove atribute u istoj bazi podataka.– za projekte malih opsega čuva se u MDB formatu (kao jedan .mdb fajl)– za projekte većeg opsega čuva se u nekom od podržanih RDBMS formata

TabeleStruktura tabele:• Svaka tabela je podeljena u redove (zapise) i kolone (polja).• Tipovi podataka koji se čuvaju u kolonoma mogu biti brojevi,

tekstovi, datumi, ...(tipovi podataka polja se razlikuju u zavisnosti od formata tabele).

• Jedinstveni nazivi kolona

Red(zapis)

Kolona (polje)

Vrednostatributa

Atributne Tabele• Atributne tabele sadrže opisne informacije o prostornim entitetima

(features). • Svaka klasa prostornih entiteta (feature class) je povezana sa

odgovarajućom tabelom.• Svaki red je rezervian za po jedan prostorni entitet (features). • Svi prostorni entiteti u tabeli imaju iste atribute• Svaki prostorni entitet ima svoj ID (jedinstveni identifikator)

entitet

Atribut

Vrednostatributa

Jedinstveni identifikator(primarni ključ)

Osnovna razlika između CAD i GIS sistema• I CAD (Computer Aided Design) i GIS sistemi omogućavaju grafički prikaz prostora:

– CAD “vidi svet” kao 3D-kocku– GIS “vidi svet” kao sferu

• CAD sistem namenjen je, između ostalog, i automatskoj izradi karata. Uobičajeno, ogromna količina podataka prikazana je na različitim slojevima, a karakterističan sadržaj prikazan je različitim simbolima.

• GIS raspolaže takođe velikom količinom podataka, ali za razliku od CAD-a ti podaci su hijerarhijski i svrstani po kategorijama i značenjima (features).– Jednom prostornom entitetu (feature), sobzirom na njeno značenje, može biti

pridruženo više prostornih entiteta (features), što omogućava pregledanje sadržaja karte ne više po slojevima, već po stvarnim značenjima pojedinih grafičkih elemenata (npr. granica države može da predstavlja i granicu katastarske opštine, kao i samu granicu katastarske parcele)

• GIS omogućava istovremenu manipulaciju sa ogromnim bazama podataka i prikazivanje samo potrebnih delova tih podataka na pravi način, kao i zaštitu i autorska prava nad podacima.

• CAD sistemi imaju izvesnu mogućnost povezivanja sa tabelama (na primer MDB), ali je to za specifične potrebe.

• Pretraživanje informacija sasvim je nemoguće u programima tipa CAD, dok u GIS okruženju postoji nekoliko mogućnosti formiranja upita uz upotrebu posebnih funkcija koje poseduje GIS ili sama baza podataka.

Prostorne analizeNajveća vrednost GIS tehnologija je mogućnost analiza geografskih objekata i fenomena realnog sveta.Prostorne analize zasnivaju se na korišćenju raznih tehnika i metodologija (matematički algoritmi i funkcije, statističke funkcije, verovatnoće, ...).U opštem slučaju razlikujemo sledeće tipove prostornih analiza:• Postavljanje upita i generisanje raznih izveštaja

Savremeni GIS softveri raspolažu alatima za pristup podacima u DBMS sistemima, koji i standardnim korisnicima daju mogućnost da postavljaju upite bazirane na traženoj lokaciji ili atributima kao parametrima. Kombinacijom ovih upita mogu se od podataka generisati razne informacije i tako praviti izveštaji, radi analize ili se kombinovati sa drugim izvorima informacija.Kompleksniji upiti se mogu postavljati poznavajući sintaksu SQL jezika baza podataka.– Upiti po atributu

• Koristi SQL “where” (gde) klauzulu da bi selektovao prostorne entitete (features)• SQL jezik se koristi da bi se definisao jedan ili više kriterijuma po kojima korisnik želi da selektuje

prostorne entitete (features), tj. redove iz atributne tabele. Kriterijumi se definišu korišćenjem izraza koji se sastoje od atributa, operatora i vrednosti.

– Upiti po lokaciji• Pronalaženje prostornih entiteta (features) na osnovu njihove geografske ili prostorne veze sa

drugim prostornim entitetima (features).• na onovu prostornih entiteti jednog lejera, selektuju se prostorni entiteti u drugom lejeru

Prostorne analize

• MerenjaNajčešći slučejevi utvrđivanja odnosa između geografskih objekata su merenje dužina objekata i međusobnih rastojanja, utvrđivanje površina, oblika, određivanje pravaca, nagiba, itd.

• TransformacijeObuhvataju metode pretvaranja jednog modela podataka u drugi (npr. prevođenje rasterskog u vektorski model), prostorne interpolacije, prostornu regresiju, buffer operacije idr.

• Prostorne interakcijeOvaj tip analize omogućava protok ljudi, materijala, informacija i dr. između geoprostornih lokacija. Analize se vrše na osnovu definisanog funkcionalnog modela i parametara, numeričkih metoda obrade.

• Simulacije i modeliranjeOvaj tip prostorne analize se zasniva na testiranju hipoteza korišćenjem poznatih statističkih metoda, kojima se na osnovu ograničenog uzorka procenjuje da li je moguća generalizacija npr. na čitavu populaciju.

Prezentacija

• Za mnoge tipove geografskih operacija kao krajnji rezultat najbolja je vizuelizacija u obliku mape ili grafikona

• Mape su veoma efikasne za čuvanje i razmenu geografskih informacija.– Mape se mogu integrisati sa izveštajima, todimenzionalnim

pogledima, digitalnim fotografijama i ostalim digitalnim medijima.

IzveštajiGrafikoni

Mape

Prezentacija

• Tumačenje rezultata dobijenih određenom analizom u mnogome zavisi od načina prikaza tih rezultata. Zato je važno odabrati odgovarajuću formu prikazivanja. Razmera i boje treba da budu odgovarajući, a sama mapa mora biti lako razumljiva.

• Generisanje grafičkog sadržaja u GIS softverima relativno je lako , kao i promena razmere. Ono što nije tako jednostavno je kontrolisanje sadržaja generisanog prikaza na ekranu (GIS automatski ne primenjuje sve kartografske principe kod generisanja sadržaja i prilagođavanja zahtevanim razmerama)

Clients

ESRI ArcGIS Sistem

FilesFiles(Personal Geodatabase,(Personal Geodatabase,Shapefiles, Coverages,Shapefiles, Coverages,Grids, tins, etc)Grids, tins, etc)

ArcSDE ServicesDatabase storage/access

DatabasesDatabasesMulti-user GeodatabasesMulti-user Geodatabases(in Oracle, SQL Server,(in Oracle, SQL Server,

IBM DBII, etc)IBM DBII, etc)

ArcInfo ArcEditor ArcView

ArcIMS ServicesMap display & query

ArcExplorer Browser

InternetArcPad

ArcEngine/ArcObjectsApplicationDevelopment &Customization

c:\ ArcGIS WorkstationConsistent interfaceIncreasing capability

ArcMapArcCatalogArcToolbox

ArcMapArcCatalogArcToolbox

ArcMapArcCatalogArcToolbox

Izvor: ESRI with mods.

$

ArcServer ServicesFull GIS analysis

ESRI ArcGIS

ArcGIS Dektop sadrži tri integrisane aplikacija: ArcMap, ArcCatalog, i ArcToolbox.Zajedničkim korišćenjem ove tri aplikacije može se izvršiti bilo koji zadatak GIS-a, od jednostavnog do naprednog.• ArcMap je osnovna ArcGIS aplikacija za prikaz, kreiranje upita,

uređivanje, kreiranje i analizu podataka.• ArcCatalog aplikacija služi za pregled, organizovanje i upravljanje

GIS podacima.• ArcToolbox pruža podatke za konverziju podataka, upravljanje

koordinatnim sistemima i promenu projekcije mape (ArcView & ArcEditor) plus dodatne i savršenije alate za konverziju i analizu podataka (ArcInfo)

ESRI ArcGIS

ArcGIS Desktop-u se može pristupiti korišćenjem tri softverska paketa, koji se razlikuju po stepenu funkcionalnosti, a to su:• ArcView

– ArcView pruža sveobuhvatne alate za kartiranje i analizu uz alate za jednostavno uređivanje (editing) i geoprocesiranje

• ArcEditor– ArcEditor uključuje punu funkcionalnost ArcView-a, kao i

napredne mogućnosti uređivanja (editing) (i za coverage i geo-baze podataka).

• ArcInfo– ArcInfo obuhvata funkcionalnost oba i uključuje napredno

geoprocesiranje

ESRI ArcGIS

ArcGIS Server:• Data services: ArcSDE (Spatial Database Engine)

– Služi kao podrška prostornim podacima uskladištenim u standardnom DBMS-u na serveru

– Podržava sve baze podataka velikih proizvođača• Oracle, SQL-Server, IBM DB2, Ingres

• Map services: ArcIMS (Internet Map Server)– Nude mape i jednostavne upite korisnicima koji nemaju GIS

Desktop– Pristup putem web interfejsa

Literatura

1. Dr Zoran Popović, Osnove geoinformacionih sistema, 2008.2. www.esri.com3. Dr Ronald Briggs, Geographic Information Systems –

Fundamentals, The University of Texas at Dallas, 2009.4. Dr Ronald Briggs, Introduction to GIS, The University of Texas at

Dallas, 2009.5. Mag. Samo Drobne, Geografski informacijski sistemi, Fakulteta

za gradbeništvo in geodezijo