Geografické objekty a jejich modelování (3. díl)
Před tím, než začnete sestavovat ve svých systémech konkrétní gisovské dotazy v rámci svých geografických informačních systémů, je dobré si alespoň stručně říci, v jakém prostředí se pohybujeme, co se za jednotlivými daty skrývá a jaké jsou jejich základní teoretické principy. Pomůže to lépe pochopit geoobjekty a modelování geodat.
Realita a model
V reálném světě přicházíme trvale do styku s různými objekty denní potřeby. Tyto objekty můžeme různě uchopit, přemísťovat, dělit, spojovat nebo kombinovat s jinými objekty, měnit jejich barvy a tvary. Ve světě geoinformatiky musíme objekty podle určitých pravidel zjednodušit. Takové objekty nazýváme modely reality. Každý model nese s sebou určité geoinformace a to geometrické, topologické, tématické a dynamické. Cílem je soubory všech informací zjednodušit tak, abychom mohli mluvit o geoobjektu, ale na druhou stranu, aby nám příliš mnoho detailních a nedůležitých informací o něm, nekomplikovalo další procesy.
Z hlediska geometrického modelování se pohybujeme v nám dobře představitelném trojrozměrném prostoru, rozlišujeme čtyři druhy objektů podle počtu jejich rozměrů. Bezrozměrné objekty jsou body, definované pouze polohou v prostoru. Za jednorozměrné objekty považujeme přímé úseky čar, dvourozměrnými objekty nazýváme polygony (plochy) a třírozměrné objekty jsou tělesa, která mají svůj objem nebo jsou definována plochami, které těleso ohraničují.
Za předpokladu, že víme, že topologie zkoumá vzájemné postavení objektů vůči sobě, lze v podstatě stejným způsobem rozlišit i topologickou dimenzi. Platí že bezrozměrné objekty jsou uzly, jednorozměrné jsou hrany, dvourozměrné jsou polygony a třírozměrné budou tělesa. Tématickou dimenzí nazýváme počet definovaných atributů. V dynamickém modelování vstupuje do úvahy ještě čtvrtý rozměr, kterým je čas. Složitost modelování je podtržena sledováním prostorového měřítka, ve kterém se geoobjekt nachází.
Geografická poloha objektu a prostorové vztahy
Hlavním znakem pro všechny geoobjekty je definování jeho přesné polohy. Z geodézie víme, že poloha je definována v stanoveném souřadnicovém systému. Protože souřadnicových systémů je ve světě geodézie několik, je na místě vzpomenout jenom fakt, že principiálně vycházejí z modelu, neboli zjednodušení, tvaru Země. Za ideální se považuje geoid. Tvar geoidu se nejvíce přibližuje rotačnímu elipsoidu a to rotací elipsy kolem malé osy. Elipsoidní modely se využívají většinou pro lokální nebo národní souřadnicové systémy. Pro určení polohy navigačního systému GPS se využívá celosvětově elipsoid WGS jako referenční souřadnicový systém, na základě kterého lze přepočítat polohu do lokálních systémů.
V České republice se používá souřadnicový systém jednotné trigonometrické sítě katastrální (S-JTSK). Dalším důležitým znakem geoobjektu je jeho vztah v prostoru vůči sousedním objektům. Mezi vlastnosti, které jsou z tohoto pohledu sledované patří zejména jejich vzájemná sousednost, orientace, spojitost a obsahovost.
Tématické atributy
Geoobjekty jsou dále popisovány svými atributovými vlastnostmi. Objektem může být například vodní plocha. Jejím atributem je určení, zda se jedná o rybník nebo jezero, zda je plocha určena k rekreaci nebo nikoliv, datum vzniku, hloubka. Tyto atributy nenesou popis lokalizace, ani prostorového vztahu. Svoji povahou jsou proto v databázových systémech celkem snadno uchopitelné. Atributy lze různě a celkem neomezeně kvantifikovat. Detail rozlišovací úrovně by měl vycházet z námi sledovaných cílů. V prostředí GIS je potřeba tyto atributy vždy navázat na objekt, který je určený polohou a prostorovým vztahem k jiným objektům.
Dynamika objektu
Posledním údajem geoobjektů je jeho popis na časové ose. Tím se určuje dynamika objektu. Dynamiku můžeme sledovat ve vztahu k poloze objektu, jeho vztahu k jiným objektům i změnou atributových vlastností. U většiny objektů je časový interval definován ve vztahu ke sledování odpovídajících atributů. Pro názornost můžeme sledovat průtok vody přehradou ve dnech, ale změnu zemského povrchu v letech. Čas, jako atribut, hraje významnou roli při vyhodnocování dat, proto je důležité vědět, kdy byla data pořízena, kdy zapsána do databázového systému, případně, kdy změněna nebo smazána.
Udržování všech čtyř složek geografických údajů je značně náročné. Proto navrhujeme zjednodušení, nebo-li model. Při jeho tvorbě musíme určit, jaké vlastnosti budeme sledovat. Efektivní je v modelu popisovat pouze atributy, které budou mít dostatečnou vypovídací schopnost pro náš cíl. Z tohoto pohledu existují dvě skupiny dat. Zdrojová data a cílová data. Zdrojová data jsou reprezentována všemi, pro nás potřebnými i nepotřebnými vlastnostmi. Jsou nositelem často detailních a komplikovaných atributů a jevů mezi objekty. Modelováním se snažíme dosáhnout toho, abychom tyto procesy zjednodušili pro práci v cílových datech. Jestli je to nutné nebo účelné, model navrhujeme tak, aby tím nebyla vyloučena existence zpětné transformace do zdrojových dat.
Abstrakce reality a druhy modelů
Zjednodušování vlastností objektů a vztahů mezi nimi se dá pro účely počítačového zpracování rozlišit do několika úrovní. Na vrcholu je realita. Je to zaznamenání objektů tak, jak ve skutečnosti existují, včetně všech jejich vlastností. Obrazem reality pro počítačové zpracování je datový model, který obsahuje jenom ty vlastnosti, které jsou pro vybranou aplikaci důležité. Datová struktura je složená ze záznamů, polí a diagramů tak, aby odpovídaly způsobu zápisu v počítačových souborech. Struktura souborů odráží datové struktury v paměti počítače. Když se pokusíme tyto abstrakce přeložit do laické řeči, lze jednoduše konstatovat, že geografické údaje musí být pořizovány v předem přesně stanovených strukturách, aby bylo možné s nimi relativně jednoduše pracovat. Tento fakt byl reprezentován fyzickým modelem.
Relační model jako soubor tabulek byl ve své podstatě nejjednodušším logickým datovým modelem. Pro účely GIS byl nedostatečným, protože nedokázal popsat geoobjekt. Proto se začal používat objektově orientovaný model. Vzhledem k tomu, že ne všechny atributy objektů byly pro stanovené cíle důležité, bylo potřebné rozhodnout, jak lokalizovat a prezentovat relevantní objekty. Vzniká tak konceptuální modelování dat. Popis atributů u různých objektů se dostává do roviny, kde každá tématická oblast má své specifické hodnoty. Různí uživatelé se na ně dívají vždy z jiného pohledu. Někdo sleduje více lokalizaci objektu jiný zase vzájemné vztahy nebo tématické atributy. Konceptuální modelování je popsáno několika teoretickými metodami.
Realizace pomocí ER diagramu vyjadřuje přístup entity a jejich vztahů. (ER = entity, relationship). Entita je zjednodušeně chápána jako objekt ve vztahu k databázím. Vztahy mezi entitami mohou mít několik typů, relace 1:1, relace 1:N a relace M:N. Relační vztahy lze využít v konceptuálním modelování pro prostorové modelování, přičemž entitou mohou být jednotlivé prostorové polohy nebo celé prostorové pole. Prostorový model je někdy označován i jako model externí a model nejnižší úrovně zase jako model interní. Hierarchie je potom následující:
Realita
Externí model
Konceptuální model
Logický model
Interní model
Hierarchií je stanovené i personální rozložení specialistů GIS. Na úrovni externího modelu pracuje geovědec, který definuje geoobjekty, určuje souřadnicový systém.
Na úrovni konceptuálního modelu pracuje geoinformatik, kterého úlohou je strukturovat geometrické, polohové a tématické údaje geoobjektů. Na nejnižší, interní, úrovni je informatik. Ten optimalizuje přístupy k datům a organizuje jejich správu.
Uvedená zaměření jsou sice rámcově navržena, ale tak, jako i v jiných oblastech života, je i v geoinformatice zřejmé, že jednotlivé úrovně modelů a přístupy k nim se vzájemně prolínají.
Existují dva různé přístupy k modelování prostoru. Rastrový model je založen na principu polí, kde se pracuje s informací jako s množinou jevů. Vektorový model pracuje s entitami, které mají svoji přesnou polohu a obsahují další atributy.
O tomto zase příště.
Díly seriálu:
Hardware a software pro GIS (2. díl)
Geografické objekty a jejich modelování (3. díl)
Vektorové a rastrové modely, geometrie a topologie (4.díl)
Databázové systémy pro GIS (5. díl)
GIS – získávání dat, proces aktualizace dat (6. díl)
GIS projekt, budování databáze (7. díl)
Analytické úlohy a prezentace dat GIS (8. díl)
Lidský a ekonomický faktor GIS (9.díl)
Využití GIS v podmínkách městského úřadu (10. díl – shrnutí)
Odpovědět na příspěvek