Definicje

ISTOTA, POWSTANIE ORAZ CELE STOSOWANIA

SYSTEMÓW INFORMACJI PRZESTRZENNEJ GIS

1.1 Zagadnienia wstępne związane z technologią GIS

1.1.1 Definicja GIS

Wśród osób zajmujących się w Polsce problematyką Systemów Informacji Geograficznej GIS, nie ma jednomyślności co do definicji tego pojęcia [Głowacki 2005]. Wynika to z rozbieżności zastosowań technologii informacji przestrzennej, krótkiej obecności tych systemów w naszym kraju, a także z mniej lub bardziej dosłownego przekładu terminu angielskiego [Weintrit, 1997]. Wprowadzanie coraz to nowszych technologii w branży GIS powoduje, że także jej terminologia ewoluuje. Powstają nowe słowa, a z czasem ich przekłady na inne języki. W Polsce funkcjonuje kilka tłumaczeń pojęcia GIS: System InformacjiGeograficznej, System Informacji Przestrzennej, System Informacji o Terenie, System Geoinformacyjny. Oryginalna nazwa GIS (Geografical Information System) przyjęta została od nazwy kanadyjskiego projektu Kanadyjski System Informacji Przestrzennej CGIS (Canada Geographic Information System) i w wielu krajach obejmuje całą problematykę z nią związaną [http://www.geoforum.pl].

System Informacji Przestrzennej jest narzędziem powstałym poprzez połączenie sprzętu (hardware), oprogramowania (software) oraz danych przestrzennych (spatial database) (rys. 1.1) [Gaździcki, 2007]. Aplikacja GIS jest nazywana komputerowym systemem gromadzenia, przetwarzania, szerzenia, analizowania oraz wizualizacji przestrzennego źródła danych [Morad, Connolly, 2004]. GIS wyróżnia się od innych form informacji tym, że prezentuje różnego rodzaju zagadnienia w odniesieniu do przestrzeni. GIS pozwala powiązać ze sobą wiele warstw danych dla jednego punktu w przestrzeni, ich przetwarzanie, analizowanie oraz przeglądanie w formie wizualizowanej na ekranie monitora .

Rys. 1.1 Składowe Systemu Informacji Przestrzennej [opracowanie własne]

1.1.2 Historia GIS

Kartografia stanowi fundament systemów GIS, dlatego można powiedzieć, że GIS wziął swój początek kilka tysięcy lat temu w Mezopotamii, kiedy zaczęła rozwijać się sztuka sporządzania map. Jednakhistoria systemów GIS ściśle powiązanych z informatyką, została zapoczątkowana pod koniec lat pięćdziesiątych XX w., gdy zaczęto podejmować próby wykorzystania komputerów do stworzenia map tematycznych. W tym samym czasie szwedzki geograf Törsten Hägerstrand wprowadził analizę ilościową do geografii, a brytyjscy biolodzy wynaleźli urządzenie sprowadzające rysunek papierowy do postaci cyfrowej (digitizer) [Urbański, 1997], [Myrda, Litwin, 2005]. Powstaje pierwsza zautomatyzowana produkcja map [Magnuszewski, 1999]. Za początek cyfrowej kartografii uważa się również rok 1959, kiedy to Waldo Tobler z uniwersytetu w Seattle zaproponował model MIMO (map-in map-out), w którym do stworzenia mapy zaprzęgnięto komputer [http://www.geoforum.pl]. Lata sześćdziesiąte XX w. to okres podwalin naukowych pod przyszłe zinformatyzowane systemy GIS [Myrda, Litwin, 2005]. Systemy geoinformacyjne mają wiele źródeł, jednak za ich ojca uważa się Rogera Tomlinsona [Magnuszewski, 1999]. Dr Tomlinson zainicjował w 1963 roku projekt Kanadyjski System Informacji Przestrzennej CGIS (Canada Geographic Information System) [Magnuszewski, 1999], [Leszczycki, 2007]. Ten projekt GIS miał służyć do inwentaryzacji zasobów naturalnych, informowania o możliwościach wykorzystania terenu, a także wszelkiej analizy zgromadzonych informacji przestrzennych.

W 1964 roku na Uniwersytecie Harwardzkim pod opieką profesora Howarda T. Fishera (1903-1979) powstało Laboratorium Grafiki Komputerowej i Analizy Przestrzennej (Harvard Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis). Wkrótce narodził się system SYMAP (Synagraphic Mapping System), program do opracowywania mapy cyfrowej. Profesor Fisher swoimi innowacyjnymi rozwiązaniami w tamtych latach wytyczał kierunki rozwoju systemów GIS [Urbański, 1997]. Od drugiej połowy lat sześćdziesiątych przedsiębiorstwa kartograficzne rozpoczęły eksperymentalną adaptację programów GIS. Miało to na celu zmniejszenia dużej ilości czasu, jaką dotychczas pochłaniało opracowanie map. W latach siedemdziesiątych zostały wprowadzone na orbitę okołoziemską pierwsze satelity cywilne wyposażone w cyfrową teledetekcję, co przyczyniło się do przyśpieszenia rozwoju GIS. Od połowy lat osiemdziesiątych dominującym nurtem w kartografii są sposoby wykorzystania nowych technologii komputerowych, a w szczególności coraz szersze zainteresowanie mapą jako elementem systemów informacji geograficznej lub niezbędnym ogniwem infrastruktury informatycznej państwa [http://www.geoforum.pl].

1.1.3 Interdyscyplinarność GIS

GIS wykorzystuje kilka powiązanych ze sobą dyscyplin, a jego interdyscyplinarna natura została zilustrowana na rys. 1.2. Technologia GIS powstała na styku nauk o Ziemi z informatyką i początkowo łączono ją z tymi dziedzinami. Wraz ze stale przyśpieszającym rozwojem techniki, gdzie komputer jest narzędziem codziennego użytku w instytucjach, organizacjach, przedsiębiorstwach, urzędach oraz szpitalach, spektrum interdyscyplinarności poszerza się. Wykorzystywanie aplikacji GIS staje się coraz bardziej powszechne, a nawet obowiązkowe w przypadku Instytucji państwowych w obrębie UE (dyrektywy). Dzięki swojej interdyscyplinarności System Informacji Przestrzennej może być wykorzystywany tam, gdzie szybki dostęp do informacji geograficznej ma duże znaczenie.

W zależności od tego, jaki rodzaj oraz jaką naturę danych chcemy wprowadzić do systemów GIS, możemy wykorzystać w tym celu wiele przeróżnych źródeł przy użyciu różnych technik. Przy tworzeniu baz danych przestrzennych dane rastrowe i wektorowe należy podzielić na pierwotne i wtórne [Longley, Goodchild, Maguire, Rhind, 2006]. Tabela 1.1 przedstawia sposoby gromadzenia informacji zgodnie z tym podziałem.

1.2.2 Mapy rastrowe i wektorowe

Dane przestrzenne można prezentować przy użyciu jednego z dwóch niżej wypisanych formatów:

- model rastrowy, jako zdjęcie wkomponowane w siatkę kartograficzną,

- model wektorowy, jako obiekt geometryczny.

“Raster is faster, but so much vaster.”

(„Raster jest szybszy, ale tak bardzo obszerny.”)

“Vector just seems more correcter!”

(„Wektor zdaje się być bardziej poprawny!”) [Clarke, 2002], [Tomlin, 1990]

Rys. 1.2 Interdyscyplinarność GIS [Longley, Goodchild, Maguire, Rhind, 2006]

1.1.4 Ogólne zastosowanie GIS

Zastosowanie systemów informacji przestrzennych jest bardzo szerokie, ponieważ stosuje się je w przeróżnych dziedzinach. Wraz z postępem technologii, ilość gromadzonych danych potęguje się. Powstaje coraz większa społeczna potrzeba poczucia bezpieczeństwa na świecie, a odpowiednio szybkie wykorzystanie danych przestrzennych sprzyja temu bezpieczeństwu. Sprawne wykorzystanie posiadanych danych jest możliwe przy wykorzystaniu odpowiednich narzędzi, a idealna do tego jest aplikacja GIS.

Sektory, w których wykorzystuje się Systemy Informacji Przestrzennej [Myrda, Litwin, 2005]:

- administracja centralna oraz lokalna

(ewidencja, obsługa i zarządzanie zakładem, zasobami ludzkimi i przedmiotowymi [Głowacki, 2005]; zarządzanie nieruchomościami oraz gruntami, zagospodarowanie oraz planowanie przestrzenne, podejmowanie decyzji prawnych, administracyjnych, lokalizacyjnych);

- biznes

(analiza strat i zysków, podejmowanie decyzji na poziomie indywidualnym, weryfikowanie strategii firmowej poprzez analizę konkurencji oraz konsumentów);

- hydrografia

(tworzenie mapy dna morskiego, analiza i przewidywanie skutków powodzi, szybkie zabezpieczenie terenu w przypadku nadchodzącej klęski żywiołowej, osłona meteorologiczna i hydrologiczna gospodarki narodowej i społeczeństwa, tworzenie map tematycznych, takich jak: prądów stałych, pływowych, wiatrów, oblodzenia, termicznych, itd.);

- edukacja

(służy jako ogromne kompendium wiedzy, które nie tylko zawiera geograficzne informacje, ale także szczegółowe informacje dotyczące interesującego nas miejsca, obiektu czy zjawiska; GIS wykorzystuje się do tworzenia ścieżek edukacyjno-poznawczych);

- kartografia

(kartografia jest dziedziną stanowiącą podstawę wszystkich map, dlatego od momentu pojawienia map komputerowych zastosowanie aplikacji GIS w kartografii jest bardzo duże; uznając kluczową rolę kartografii jako samodzielnej nauki zajmującej się modelowaniem rzeczywistości, GIS traktować można jako techniczno-analityczne narzędzie kartografii [Olszewski, Kowalski, Głażewski, 2006]);

- leśnictwo i rolnictwo

(mapy terenów leśnych z podziałem ze względu na typ drzewostanu, mapy upraw, gleb rolniczych, itp. [Saliszczew, 1984]);

- marketing (geomarketing)

(prowadzenie analiz wspomagających decyzje, obsługę klienta, sprzedaż; tworzenie map przedstawiających lokalizacje klientów bądź konkurencji);

- nieruchomości

(szukanie na mapach ofert, które spełniają nasze potrzeby i są w obrębie interesującego nas obszaru);

- ochrona środowiska

(ograniczenie negatywnych skutków wylesiania, analizowanie zanieczyszczeń, ocena oraz kontrola hałasu w środowisku, ocena stanu środowiska geograficznego i szlaków turystycznych [Harmon, Anderson, 2003], analiza bogactwa faunistycznego różnych obszarów);

- opieka zdrowia

(przestrzenne modelowanie obszarów, wokół których rozprzestrzenia się, np. epidemia, tworzenie wirtualnego modelu anatomii człowieka);

- przemysł budowniczy

(planowanie optymalnego rozmieszczenia dróg, linii kolejowych; budowa oraz zarządzanie mediami typu: wodociągi, rurociągi gazowe, kanalizacje, sieci telekomunikacyjne, energetyczne);

- służby szybkiego reagowania

(szybkie zlokalizowanie pożaru, wypadku, katastrofy czy nawet przestępstwa, natychmiastowa reakcja, określenie strefy, jaką obejmuje dane zdarzenie, oszacowanie możliwych strat, natychmiastowe utworzenie planu ewakuacji, przewidzenie oraz zapobieganie dalszym skutkom zdarzenia, monitorowanie ruchu pojazdów uprzywilejowanych);

- turystyka

(tworzenia wirtualnych ścieżek rzeczywistych miejsc, planowanie wypoczynku w miejscu, które spełnia nasze kryteria, wędrówki pieszych, żeglowanie, wspinaczka czy survivalowa przeprawa przez dżungle);

- transport

(prowadzenie nawigacji morskiej oraz lądowej, analiza optymalnej trasy, kontrola ruchu statków, samolotów, monitoring samochodów osobowych, pociągów, autobusów, a nawet urządzeń poruszających się pod powierzchnią Ziemi w czasie rzeczywistym przy wykorzystaniu systemu GPS (Global Position System));

- inne dziedziny, takie jak meteorologia, sejsmologia, ontologia, logistyka, geologia, medycyna, mapowanie planet, informatyka, batymetria, zagospodarowanie przestrzenne, analiza kryminalistyczna, infrastruktura danych przestrzennych, złoża naturalne, itd. [Longley, Goodchild, Maguire, Rhind, 2006], [Gotlib, Iwaniak, Olszewski, 2006], [Beyer, 1994], [Albin, 2003].

1.2 Tworzenie oprogramowania GIS

1.2.1 Źródła danych przestrzennych

Można powiedzieć, że GIS to systemy, który bez komputera nie istniałyby. Wszelkie dane, jakie chcemy wykorzystać w aplikacji GIS, muszą zostać zapisane w formie cyfrowej.

Tabela 1.1

Klasyfikacja danych przestrzennych ze względu na sposób ich gromadzenia [Longley, Goodchild, Maguire, Rhind, 2006], [Myrda, Litwin, 2005]

Rys. 1.3 Odmienność map a) rastrowych od b) wektorowych [http://geosun.sjsu.edu/paula/285/gis/sld009.htm]

Wiele, choć nie wszystkie, aplikacje GIS mają możliwość przechodzenia z jednego do drugiego modelu danych informacji przestrzennych, dzięki czemu możemy odkryć, że niektóre zadania są łatwiejsze do wykonania przy użyciu jednego bądź drugiego formatu [Harmon, Anderson, 2003].

Mapy rastrowe

Najczęściej spotykaną metodą prezentacji danych rastrowych jest zdjęcie fotograficzne wkomponowane w siatkę. Siatka ta tworzy macierz (rzędy i kolumny), która umożliwia zlokalizowanie każdego z podstawowych punktów składowych obrazu [Myrda, 1997], tzw. piksela (rys. 1.3). Każdy z pikseli ma przypisany kolor pełniący rolę atrybutu. Zdjęcia przerobione na model rastrowy przeważnie wykonywane są z satelity okołoziemskiej bądź samolotu, a ich dokładności zależą od rozdzielczości przestrzennej. Mapy rastrowe z reguły objętościowo są znacznie obszerniejsze od typu wektorowego. Jeżeli już zdarzy się przypadek odwrotny, możemy powiedzieć, że wyjątek potwierdza regułę.

Mapy wektorowe

Mapy typu wektorowego reprezentują obiekty geometryczne, które opisane są za pomocą układu współrzędnych. W tym modelu danych przestrzennych świat wygląda jako mozaika punktów oraz łączących ich linii (rys. 1.4).

Rys. 1.4 Przykład wektorowy i rastrowy dla tego samego obiektu [Morad, Connolly, 2004]

Całość przedstawia miejsce oraz jego geograficzne granice. Istnieje tu możliwość ulokowania danego obiektu z bardzo dużo dokładnością. Przeważnie tworzenie map wektorowych jest bardzo pracochłonne, ponieważ każdy punkt tworzący obraz jest ręcznie wprowadzany.

1.2.3 Producenci i tworzone przez nich oprogramowania GIS

W dzisiejszych czasach na światowym rynku istnieje ogromna ilość producentów oprogramowania GIS. Wymienię tutaj kilka najbardziej znanych twórców, których oprogramowanie w większości jest komercyjne. Każda z tych firm daje sobie miano światowego lidera. W celu uniknięcia detronizacji którejkolwiek z nich pominę ocenę, ponieważ każdy z tych producentów toruje rozwój technologii GIS.

Environmental Systems Research Institute (ESRI)

Rys. 1.5 ArcScene (symulacja skutków wycieku LNG w porcie) [http://www.asascience.com/]

ESRI jest twórcą m.in.: ArcGIS, ArcScene (rys. 1.5), ArcInf, ArcCad. To amerykański producent oferujący bardzo bogaty zestaw narzędzi służących do analizowania, przeróbki danych przestrzennych, a także do tworzenia nowych map cyfrowych. Firma ESRI publikuje bardzo wiele książek dotyczących tematyki GIS.

Autodesk GIS

Autodesk GIS jest światowym liderem w dziedzinie oprogramowania do projektów dwu- i trójwymiarowych przeznaczonych dla sektorów przemysłu, architektury i budownictwa, inżynierii lądowej oraz mediów i rozrywki. Firma ta głównie skupia się na scalaniu, pobieraniu i udostępnianiu połączonych informacji CAD i GIS. Jednym z ciekawszych programów Autodesk jest MapGuide. Technologia MapGuide pozwala szybko i łatwo tworzyć oraz publikować mapy, a także informacje projektowe w celu ich rozpowszechnienia. Jest to jedno z łatwiejszych do opanowania i wdrażania rozwiązań do tworzenia map w sieci www [http://www.autodesk.pl]. Autodesk posiada bardzo szerokie portfolio nowoczesnych aplikacji GIS. Godnymi uwagi są także AutoCAD Map 3D 2008 i AutoCAD Raster Design 2008.

MapInfo

Rys. 1.6 MapInfo Professional

MapInfo jest amerykańską firmą, która stworzyła program MapInfo Professional (rys. 1.6), który pozwala na tworzenie bardzo szczegółowych map, posiada bogaty warsztat umożliwiający tworzenie, uaktualnianie i importowanie baz danych przestrzennych. Istnieje możliwość rozbudowania programu według własnych potrzeb, instalując odpowiednie wtyczki (plugins). MapInfo jest bogaty także w wiele innych, różnych aplikacji GIS takich, jak: MapXtreme, MapInfo Routnig J Server, MapMarker.

Intergraph

Intergraph jest kolejną, jedną z pionierskich firm specjalizujących się w produkcji oraz dystrybucji zaawansowanych systemów GIS.

Rys. 1.7 GeoMedia Professional [www.fargeo.com]

Rodziną najnowszej generacji programów z dziedziny Systemów Informacji Geograficznej jest pakiet GeoMedia (rys. 1.7). GeoMedia pozwalają wizualizować i analizować dane z wielu baz w jednym środowisku bez konieczności ich importu. Oprogramowanie pozwala na tworzenie własnego projektu, którego dane graficzne i opisowe mogą być zapisane w bazie MS Access (element pakietu Microsoft Office).

Bentley Systems

Firma Bentley obsługuje wybrane rynki oferując szeroką gamę rozwiązań dla szeroko rozumianej architektury, inżynierii i wykonawstwa. Flagowym produktem jest MicroStation. Program ten przeznaczony jest do projektowania, konstruowania i zarządzania światową infrastrukturą [http://www.bentley.com/pl]. Bentley w koszyku produktów ma znacznie więcej programów, m.in.: Bentley Architecture, Bentley Building Electrical Systems, Bentley Building Mechanical Systems. Jest to oprogramowanie służące do projektowania, analizy, budowy i eksploatacji budynków i zakładów przemysłowych.

Na rynku jest także wielu producentów systemów elektronicznych map nawigacyjnych. Istnieją także oprogramowania dostępne bezpłatnie znane jako „wolne oprogramowanie” (Open Source). Przykładami takiego wolnego oprogramowania są [http://opensourcegis.org/]:

- Amein!,

- ArcView APR Parser ,

- AutoREALM,

- AVPython,

- BBBike,

- BLM GIS Utilities,

- CAVOR,

- CGAL,

- Community Mapbuilder,

- Computer Vision Library,

- DEM Tools,

- DGNLib,

- Discovering Cambodia,

- drawmap,

- EDBS,

- ElectricArc,

- EDBS,

- FMaps,

- FeatureX ,

- FIST,

- GARNIX,

- GDV Mapserver Client,

- GDAL,

- geGIS,

- gen2shape,

- Geo,

- Geocoder,

- GeoNetwork OpenSource,

- GEOS (Geometry Engine - Open Source),

- GeoTools,

- GRASS,

- GIS Knoppix

- GRASSLinks,

- MapServer

- MapWindow,

- mezoGIS,

- NetMaps,

- Nunaliit,

- Open 3D GIS

- Open CASCADE

- OpenMap,

- PostGIS,

- PrimaGIS,

- RoadMatcher,

- Technologia Google Earth,

- Virtual Terrain Project (VTP).