BUDOVÁNÍ GLOBÁLNÍ GEOGRAFICKÉ DATABÁZE S CÍLENÝM VYUŽITÍM V DIGITÁLNÍ KARTOGRAFII
Mgr. Jan Langr
T-MAPY spol. s r. o.
Nezvalova 850, 500 02 Hradec Králové
Tel.:+420 49 5513335, Fax:+420 49 5513371
E-mail: jala@tmapy.cz
Anotace:
Příspěvek se zabývá budováním geografické databáze v celosvětovém měřítku, která se stane bankou geografických dat pro generování kvalitních kartografických výstupů s různou tématickou náplní pro měřítka 1:5.000.000 a menší. V příspěvku je navržena vhodná struktura databáze s ohledem na obsahové a formální požadavky, sumarizovány dostupné datové zdroje na zvolené platformě, charakterizovány produkty firmy ESRI a jejich datové modely a nástroje pro digitální kartografii. Obrazová dokumentace bude součástí vlastní prezentace příspěvku, na kterou Vás tímto srdečně zveme.
1 Úvod
V současné epoše lidstva, příznačně označované termínem „informační exploze“, neustále roste význam přesných a aktuálních informací. Obraz reálného světa v mnoha podobách nám až dosud přinášela ve svých dílech zejména klasická kartografie. Mapy podávají zjednodušený, ale ucelený pohled na zobrazené území. Nejsou ve zvoleném měřítku zpravidla schopny přesně vyjádřit detail, za to však přibližují širší vztahy mezi objekty a mezi třídami objektů na zemském povrchu. Tím podávají člověku chybějící pohled z ptačí perspektivy, který umožňuje vidět a představovat si okolní svět v patřičných souvislostech. Přestože zobrazují trojrozměrný prostor na rovinné ploše papíru, dokážou různými prostředky dojem plasticity vyjádřit. Všechny klasické mapy s sebou zároveň nesou stopu čtvrtého rozměru – času. Stávají se tak obrazem doby svého vzniku – vypovídají o dosažené úrovni poznání a chápaní, o technické a kulturní vyspělosti společnosti, o vztahu mezi člověkem a živou i neživou přírodou.
Nový pohled v tomto směru přinášejí informační technologie. Principiálně zcela odlišný způsob pořízení a uchování informací nabízí netušenou šíři možností pro jejich analytické a syntetické využívání. S rozvojem vyspělých technologií se postupně vyvíjejí samostatné vědní disciplíny či obory. Na jedné straně jsou to disciplíny zkoumající objekty a jevy na Zemi, jako jsou geologie, hydrologie, klimatologie či pedologie. K disciplínám, které se zaměřují na systematizaci, vizualizaci a uchování informací v podobě map, patří geodézie, kartografie a geografie. Třetí skupinou, vývojově nejmladší, jsou disciplíny zabývající se pořízením, přenosem a zpracováním informace. Tyto tři skupiny vědních disciplín jsou společným základem pro geoinformatiku či geomatiku, která se zaměřuje na vývoj a aplikaci metod pro řešení specifických problémů v geografických vědních disciplínách. Mezi důležité oblasti výzkumu a aplikací geoinformatiky patří rovněž geografické informační systémy (GIS) a digitální kartografické systémy.
1.1 Digitální kartografie
Digitální kartografie vznikla za účelem počítačové podpory při tvorbě map. Během vývoje se z ní vyvinula víceméně samostatná disciplína, která svým obsahem výrazně překročila původní rámec svého vzniku. Hlavním cílem digitální kartografie je tvorba digitálních map a s využitím jejích nástrojů produkce analogových map, které jsou kvalitou srovnatelné s analogovými mapami. Digitálním způsobem pořízení a uložení dat přispívají ke zrychlení a zlevnění produkce map, zejména v oblasti atlasové tvorby a tematických map. Systémy digitální kartografie přinášejí oproti klasické kartografii řadu dalších výhod. Digitálně zpracované mapy nabízejí pohodlnou volbu měřítka mapy a projekce, variabilitu v grafickém vyjádření, snadnou aktualizaci změn, možnost získávaní údajů z různých zdrojů či využití trojrozměrného modelování a virtuální reality pro vizualizaci.
1.2 Geografické informační systémy
Geografické informační systémy nahlížejí na problematiku zaznamenání obrazu reálného světa velmi široce a z mnoha úhlů pohledu. Mapa se tak stává jen jedním z prezentačních prostředků k velmi intuitivnímu a názornému zobrazení údajů v geografické databázi. GIS systémy jsou zpravidla velmi robustní, a tak i přes velkou šíři řešené problematiky nabízejí velmi kvalitní kartografické nástroje. Umožňují tak uživatelům vytvářet z GIS dat velmi profesionální kartografické výstupy. Mapa v klasické kartografii splňuje dva základní úkoly – slouží současně k uložení údajů i jejich prezentaci. Na rozdíl od tohoto přístupu je v GIS uložení dat zcela odděleno od jejich prezentace. Znamená to, že je možné data pořizovat s vysokou přesností a potom je prostředky GIS prezentovat na různých měřítkových úrovních a s odpovídající mírou generalizace. GIS umožňuje z jedněch dat připravit rozličné mapové výstupy, neboť používá při tvorbě prezentace nástroje databázově řízené kartografie. Hodnoty atributů daného prvku – a tedy jeho vlastnosti atributy vyjádřené – determinují způsob zobrazení daného prvku v mapě. GIS přinášejí další podstatnou výhodu proti klasickým mapám i digitální kartografii – s využitím analytických a syntetických nástrojů produkují nové informace, které se mohou stát součástí geografické databáze a kvalitativně novým zdrojem informací.
Způsob uložení dat v geografické databázi GIS zpravidla neodpovídá způsobu uložení dat v mapách i digitální kartografii. GIS klade vyšší nároky na strukturu dat, která musí respektovat vzájemné prostorové i neprostorové vazby mezi objekty. Splnění těchto nároků je předpokladem pro logické uspořádání dat a pro efektivní propojení prostorových dat geometricky reprezentujících reálný svět s neprostorovými údaji uloženými v informačních databázích, které popisují vlastnosti jednotlivých objektů reality. To umožní zkoumat jednotlivé prvky a třídy prvků, jakož i vztahy mezi nimi, a výsledky pak vhodným způsobem prezentovat ve formě mapy doplněné o tabulky, grafy a textové popisy.
Co je však společné oběma systémům, to je nabídka silných nástrojů pro práci s geografickými daty – počínaje jejich pořízením a správou a konče jejich vizualizací formou interaktivní či klasické papírové mapy. Samozřejmostí kvalitních systémů jsou nástroje na transformace dat, a to jak numerické, tak analytické. Právě možnost převodů dat mezi jednotlivými souřadnými systémy a rozličnými projekcemi otevírá prostor pro využívání dat z více zdrojů, ať už pro doplňování a rozšiřování databáze či její aktualizaci.
Velmi složitou záležitostí je proces kartografické generalizace. V klasické kartografii (pomineme-li generalizaci při primárním pořízení dat) je veškerá generalizace v rukou zkušeného kartografa, který při své práci vhodně kombinuje zavedené metody a vkládá do mapy svůj rukopis. V současné době se věnuje velké úsilí automatizaci procesů generalizace digitálních dat. Vzhledem k intuitivnosti a subjektivnosti tohoto procesu je velmi složité stanovit pravidla a vytvořit systém, který by dokázal simulovat práci kartografa. Tyto postupy jsou prostředkem k tomu, aby data z jediného procesu pořízení mohla sloužit k mnoha účelům. Tento nejen ekonomicky motivovaný požadavek je realizován tak, že ze základního modelu reality se odvozují další modely – buď se stejným rozlišením a redukovaným obsahem, a nebo s nižším rozlišením. Ve druhém případě se nejčastěji používá vícenásobné uložení dat v různých měřítkách podle účelu použití. Pro dané měřítko kartografického výstupu se v tomto případě použijí data z úrovně měřítkově nejbližší.
1.3 Vizualizace geografických dat
Geografická data nejsou pořizována samoúčelně. Jejich základním smyslem je zaznamenání zjednodušeného obrazu reality, tj. objektů, jevů a procesů za účelem uchování, dalšího zkoumání a reprezentace ve formě vhodné pro vnímání člověka. Při zkoumání reality si člověk vytváří pomocí svých smyslů myšlenkový (mentální) model reálného světa, který je dynamický stejně jako realita, ale díky lidskému vnímání generalizovaný. Tento model odráží geometrické vlastnosti i projevy objektů navenek, navíc vše ve vazbách a souvislostech mezi objekty. Vytváření geografických dat je snahou o transformaci tohoto modelu do digitální podoby. Proces, jehož cílem je indukovat v lidském mozku co nejvěrnější mentální model na základě reprezentace geografických dat, se nazývá vizualizace geografických dat. Jedná se o samostatnou velmi komplikovanou oblast, která se pohybuje na pomezí několika disciplín zkoumajících proces poznávání, psychologii vnímání i zásady počítačové grafiky.
Z hlediska procesu poznávání se při vizualizaci jedná o schopnost člověka vnímat, rozeznávat a analyzovat model reality vyjádřený grafickou formou (mapa, tabulka, graf, diagram, schéma). Člověk musí být schopen vnímat jednotlivosti i celek, rozeznávat jednotlivé objekty a jejich vlastnosti a vztahy k jiným objektům. Cílem vizualizace je tedy najít vhodný prezentační jazyk takového modelu, jehož reprezentace bude lidskému vnímání přirozená, blízká a srozumitelná. V případě digitální reprezentace se jedná o princip grafické komunikace mezi počítačem a člověkem a o způsob vytváření vizuálních počítačových výstupů.
Na rozdíl od klasické kartografie přinášejí digitální technologie i širší škálu druhů výstupních produktů. Velmi důležité je interaktivní zobrazení na monitoru počítače, neboť přináší uživateli možnost aktivně ovlivňovat formu grafického vyjádření. V tomto ohledu jsou velmi příjemná prostředí datových GIS prohlížeček a desktop systémů pracujících v interaktivním režimu. Sestavené pohledy na data nebo mapové kompozice je možno převádět do mnoha dalších grafických systémů a použít například ve formě multimediální prezentace či v systémech virtuální reality. Neodmyslitelným výstupem je klasická mapa, která může být vytištěna na kterémkoli výstupním zařízení (tiskárna, plotr). Pro klasický způsob ofsetového tisku mapy pak digitální systémy dovedou připravit tiskové podklady.
2 Návrh geografické databáze
Cílem projektu je navrhnout a realizovat geografickou databázi v celosvětovém rozsahu, která umožní efektivně využívat informace v ní uložené a vytvářet kvalitní kartografické výstupy s různým tematickým zaměřením a různou úrovní rozlišení pro měřítka 1:5.000.000 a menší. Dlouhodobým cílem je pak naplnění atributové složky prvků v databázi, aby ve spojení s vhodným prohlížečem ji bylo možno použít jako interaktivní mapu s možností vyhledávání geografických prvků a jejich popisováním z databáze.
2.1 Požadavky na obsah a strukturu geografické databáze
Prvním krokem je stanovení požadavků na obsah geografické databáze Z hlediska obsahu je lze rozdělit na fyzické, obecně zeměpisné, politické a ostatní tématické mapy. Je třeba výčtem určit všechny kategorie prvků, které musí být v databázi zařazeny, včetně jejich jemnějšího členění na podkategorie dle kvalitativních či kvantitativních hledisek.
Dalším krokem je stanovení požadavků na strukturu geografické databáze, ze kterých bude vycházet i volba vhodného grafického systému. Na strukturu databáze vektorových dat jsou kladeny následující požadavky:
- třídy prvků by měly být logicky uspořádány do tematických vrstev
- prvky jednotlivých tematických vrstev by měly být organizovány pro měřítka 1:5.000.000 a menší vcelku
- každý prvek si ponese informaci o svém zdroji
- každý prvek si ponese informaci o své geometrické přesnosti
- každý prvek si ponese informaci o kartografické generalizaci výběrem
- třídám prvků budou přiřazeny atributy, které umožní klasifikaci prvků v rámci dané třídy dle kvantitativních nebo kvalitativních charakteristik
- kvalitativní charakteristiky budou vyjádřeny číselným kódem a připojeným číselníkem
- popisy prvků budou s těmito prvky svázány jedinečným identifikátorem
- vybrané třídy prvků budou mezi atributy obsahovat mezinárodně užívané identifikátory (názvy států)
- jednotlivé tematické vrstvy budou opatřeny metadaty, které budou obsahovat následující informace:
- název a obsah tematické vrstvy
- definici souřadnicového systému a projekce
- zdroj dat
- způsob pořízení
- aktuálnost dat
- popis atributů
- číselníky
- klíčové identifikátory.
Volba grafického systému bude rovněž ovlivněna požadavky kladenými na vizualizaci geografické databáze. Základním požadavkem je navrhnout takový grafický systém, který umožní:
- zobrazovat data ve zvoleném formátu
- přiřazovat jednotlivým objektům a třídám objektů vhodnou symbologii
- rozčlenit třídy objektů podle hodnot libovolného atributu
- zobrazovat data na základě zvoleného kriteria
- hiearchicky a vertikálně nad sebe zobrazovat data více rozličných tříd objektů uspořádaných do tematických vrstev
- zobrazovat data ve zvoleném měřítku
- zobrazovat data ve zvolené projekci
- kombinovat vektorová a rastrová data
- vytvářet mapovou kompozici včetně legendy a dalších textových či grafických prvků
- vytvářet výstupní grafické soubory pro tisk na plotru, DTP zpracování nebo ofsetový tisk.
2.2 Charakteristika zvoleného grafického systému
Po zralé úvaze byla zvolena platforma produktů firmy ESRI, které můžeme zařadit do skupiny geografických informačních systémů (GIS). Tato volba nabízí širokou škálu produktů, které jsou schopny realizovat výše zmíněné požadavky na budování, správu i vizualizaci geografické databáze.
Základním produktem je ARC/INFO, které má profesionální nástroje pro pořízení dat, jejich editaci a správu, analýzy a vizualizaci ve formě kvalitních kartografických výstupů. Správu rozsáhlých databází se značným objemem dat zajišťuje Spatial Data Engine (SDE). Komplexní víceuživatelskou správu bezešvých databází s uchováním historie databáze nabízí produkt ArcStorm. Univerzálním produktem je ArcView GIS, které v uživatelsky příjemném prostředí modulárně nabízí značnou část funkcí systému ARC/INFO. Funkci prohlížeče dat splní některá z dostupných aplikací MapObjects – například T-MapViewer nebo ArcExplorer. Specifické postavení má CPS (Cartographic Production System), vyvíjený ve Švédsku naší mateřskou firmou T-Kartor. Tato nadstavba systému ARC/INFO nabízí intuitivní prostředí pro pořízení a správu geografické databáze a představuje komplexní technologickou linku pro vytváření map na profesionální úrovni.
Zaměříme se na dva z těchto produktů – ARC/INFO a ArcView GIS. Oba splňují náročné požadavky na vizualizaci z předchozí kapitoly.
2.2.1 Nástroje systému ARC/INFO pro digitální kartografii
Systém ARC/INFO je představitelem databázově řízené kartografie, čímž se stává ideálním nástrojem pro produkci map z geografické databáze. Kartografické zobrazování v ARC/INFO je založeno na předpokladu, že prvky jsou vykreslovány pomocí symbologie, která reprezentuje daná data. Například komunikace mohou být v databázi rozčleněny podle třídy (dálnice, silnice pro motorová vozidla, silnice I., II., III. třídy, místní komunikace) a vykresleny specifickými barvami, vzory a tloušťkami liniového symbolu. Dále mohou být popsány názvem ulice, číslem silnice, mezinárodním označením nebo kilometráží. Zobrazení prvků se opírá o hodnoty atributů v databázi; jestliže je hodnota zvoleného atributu prvku změněna, změní se rovněž i reprezentace prvku bez nutnosti jakéhokoli manuálního zásahu.
ARC/INFO je modulární systém nástrojů; základním interaktivním zobrazovacím, mapovacím a kartografickým modulem je ARCPLOT. Umožňuje vytvářet grafické soubory a mapové kompozice, dotvářet je do kartografické podoby a připravit je pro odeslání na výstupní zařízení.
ARC/INFO nabízí širokou škálu pokročilých nástrojů pro tvorbu kartografických výstupů vysoké kvality. Zde jsou uvedena základní specifika:
- interaktivní nastavení mapové kompozice a designu
- robustní datový model pro databázové výběry
- databázově řízená symbologie
- kompletní správa symbolů
- připravená nastavení symbolů pro bodové, liniové a plošné objekty
- podporované barevné modely (CMYK, CMY, RGB, HSV, HLS)
- připravené kvalitní fonty
- podpora více typů grafických fontů (Intellifont, PostScript, TrueType, Type 1)
- volba sofistikované generalizace linií
- klasifikace a symbolizace dat
- bodové hustotní mapování pro kvantitativní data
- výsečové grafy pro poměrová data
- popisování z databáze a správa anotací
- řešení konfliktů textů a anotací
- vytváření legend
- grafy
- generování souřadnicové sítě
- možnost kombinování mapových kompozic
- připravené měřítkové lišty
- připravené severky a směrové růžice
- kombinování vektorových a rastrových dat.
ARC/INFO umožňuje exportovat vytvořené grafické soubory a mapové kompozice do několika standardních výměnných a bitmapových formátů, které mohou být dále zpracovány jinými grafickými aplikacemi a DTP programy. Podporovány jsou následující formáty:
- Adobe Illustrator (AI)
- Encapsulated PostScript (EPS)
- Computer Graphics Metafiles (CGM)
- Windows Metafiles (WMF)
- Enhanced Metafiles (EMF).
ARC/INFO rovněž nabízí možnosti pro vysoce kvalitní tisk. Poskytuje podporu mapových výstupů pro řadu výstupních tiskových zařízení. Podporuje tiskové ovladače pro plotry a stolní a vektorové tiskárny pracující s formáty EPS, Scitex, RTL, HPGL, VCGL a CCRF. Velmi užitečným pomocníkem při tisku velkých a složitých mapových kompozic je rozšiřující modul ARC/INFO – ArcPress. Je to rasterizační program (RIP), který podstatně zvyšuje možnosti tisku vysoce kvalitních map především na velkoformátová výstupní zařízení. ArcPress zpracuje grafický soubor či mapovou kompozici a výsledkem je výstup přímo na příslušné tiskové zařízení nebo export do některého z rastrových formátů. ArcPress umožňuje kromě rasterizace otočit mapu, stanovit její formát, změnit měřítko, vytvořit vnější rámeček, doplnit titulek, vytvořit výřez, provést korekci sytosti barev či odděleně kalibrovat vektorovou a rastrovou složku mapy. ArcPress je možno s výhodou použít při tisku map, které kombinují rastrová a vektorová data. ArcPress rovněž podporuje výkresy Arcview GIS převedené do formátu EPS.
V případě zpracování mapy ofsetovým tiskem ARC/INFO vytváří barevné separační soubory EPS včetně soutiskových a kalibračních elementů, které jsou určeny k osvitu tiskových podkladů, nebo barevné kompozitní soubory EPS určené k dalšímu DTP zpracování.
2.2.2 Stručná charakteristika produktu ArcView GIS
ArcView je geografický informační systém, který patří do třídy tzv. „desktop GIS“. Je to produkt pro koncové uživatele, kterým umožní snadnou práci se všemi informacemi, které mají vztah k mapě. Jedná se o komplexní systém pro přístup ke geografickým a tabulkovým datům; umožňuje jejich zobrazování, dotazy, výběry, analýzy a samozřejmě i prezentaci ve formě map. Hlavními rysy ArcView z hlediska kartografické vizualizace jsou:
- zcela zásadní oddělení dat a jejich vizualizace formou tzv. projektu
- intuitivní uživatelské prostředí
- snadné vytváření map pomocí široké palety symbolů
- různé způsoby klasifikace – jednoduchý symbol, výčet hodnot, rozdělení do tříd dle statistických veličin
- využití gradující velikosti symbolu nebo barevného odstínu u kvantitativních dat
- využití generování náhodných barev u kvalitativních dat
- snadné vytváření legend a číselníků
- podpora vektorových dat, rastrových dat a grafiky
- nastavení průhlednosti vektorových i rastrových dat
- automatické nebo poloautomatické popisování objektů z databáze
- snadné provádění výběrů
- měřítková omezení pro vykreslování dat
- možnost zobrazit jedna data několikrát v tomtéž pohledu různými způsoby
- hiearchické zobrazování jednotlivých témat nad sebou
- nastavení měřítka a jednotek zobrazení a měření
- podpora široké škály analytických projekcí, souřadných systémů a zobrazovacích elipsoidů
- interaktivní nastavení mapové kompozice (výkres, layout)
- automatické generování legendy
- grafické mapové elementy – popisy, grafika, rámečky, tabulky, grafy, měřítkové lišty, severky a směrové růžice
- generování tiskových souborů výkresu nebo dokumentu zobrazení přímo pomocí ovladačů nebo do souboru EPS.
Pro náročné tisky lze opět doporučit nadstavbový modul ArcPress pro ArcView. Tento rasterizační program zpracuje výkres nebo dokument zobrazení z ArcView a výsledkem je výstup přímo na příslušné tiskové zařízení nebo export do některého z rastrových formátů.
2.3 Návrh struktury geografické databáze
Návrh struktury databáze vychází z datového modelu systému ARC/INFO, který byl zvolen jako platforma pro její realizaci. Snaží se respektovat požadavky na obsah a strukturu geografické databáze tak, jak byly specifikovány v příslušných kapitolách.
2.3.1 Struktura a uložení geografických prvků v databázi
Vektorová data budou uložena ve struktuře ARC/INFO coverage nebo ArcView Shape file, rastrová data potom ve struktuře grid. Atributová data budou umístěna v interní relační databázi Info nebo v jiné externí databázi (např. dbf). Interní atributové tabulky budou obsahovat jen nutné položky pro zobrazení a klíčové identifikátory, přes něž bude kdykoli možné navázat externí databáze. Za účelem snadnějšího a efektivnějšího prohledávání databáze bude většina kvalitativních vlastností prvků vyjádřena číselným atributem a ke každému z nich bude vytvořen číselník, který jednoznačně upřesní jeho obsah.
Většina vektorových tematických vrstev bude obsahovat čtyři základní atributy pro popis tematické složky – typ, stav, level a zdroj. Položka typ člení určitou třídu objektů na podtřídy. Tak například silniční komunikace jsou dále členěny na dálnice, silnice pro motorová vozidla, hlavní silnice, vedlejší silnice a ostatní komunikace. V položce stav je pak vyjádřeno upřesnění aktuálního stavu objektu nebo druhotné členění třídy objektů podle jiného kritéria. Generalizace cenzálním výběrem objektů pro jednotlivá rozmezí výstupních měřítek je zabezpečena položkou level. Znamená to tedy, že každý prvek má přidělenu hodnotu, která odpovídá hraničnímu měřítku, do kterého se ještě v mapě bude zobrazovat. Z pohledu kartografa bude každému prvku přidělena jistá úroveň významu, která bude ovlivněna jeho subjektivním výběrem objektů pro danou měřítkovou úroveň. Zde se bude řídit obecnými zásadami generalizace – tedy čitelností výsledné mapy, optimální zahuštěností prvků, minimálními rozměry pro zobrazení, ale zejména geografickými souvislostmi pro zvýraznění určitých objektů. Příkladem může být požadavek na zobrazení významného vodního toku ve velmi malém měřítku od pramene až po ústí. V tomto případě bude významová úroveň pramenné oblasti a horní části této řeky (vyjádřené v položce level) vyšší než ostatní přítoky stejné kategorie (vyjádřené v položce typ). Použitím kombinace položek typ, stav a level lze dosáhnout určitého stupně měřítkové nezávislosti budované databáze. V položce zdroj je zachycen původ každého datového prvku. Dále jsou u některých tématických vrstev definovány další atributové položky pro doplnění názvu či příslušnosti k určité vyšší správní jednotce (stát, region, kontinent).
Specifickým problémem jsou geografické popisy. Anotace jsou členěny do geograficky příbuzných skupin v systémové položce $level. Ta umožní při tvorbě mapové kompozice v modulu ARCPLOT vykreslit jen popisy určité geografické skupiny prvků, například při tvorbě politické mapy pouze popisy vodstva, sídel a administrativních celků. Všechny anotace konkrétních geografických prvků (sídla, státy, řeky a jezera) budou s těmito provázány unikátním identifikátorem. V případě změny některého údaje prvku se tato změna poloautomaticky promítne i do vlastností popisu tohoto objektu (například přírůstek počtu obyvatelstva určitého sídla se může v mapě projevit zvětšením signatury a současně změnou typu písma. Způsob, jakým se popis zobrazí (tj. výška písma, font, proporce, barva, styl, podtržení apod.), je uložen v systémové položce $symbol, a závisí na aktuálně zvoleném textovém nastavení (textset). To znamená, že při použití jiného textsetu se charakteristika popisů může změnit.
3 Dostupné datové zdroje
S rozvojem informačních technologií přibývá i zdrojů rozličných geografických dat. Zvláště v USA existuje řada státních i nestátních institucí, které produkují široké spektrum geografických dat a různou formou je nabízejí k využití ostatním uživatelům. Zpravidla je možno data objednat a zakoupit za přijatelný poplatek na CD nebo jiném médiu nebo získat přímo z Internetu.
V této kapitole se pokusíme stručně charakterizovat dostupné datové zdroje, ze kterých je možno geografickou databázi vystavět. Vzhledem k využití produktů firmy ESRI pro pořízení a správu databáze se u vektorových dat budeme zabývat výhradně daty ve formátech ESRI.
1.1 Datové zdroje ve formátech ESRI
Firma ESRI neustále rozšiřuje nabídku geografických dat, která zpravidla distribuuje na CD. U zmiňovaných datových zdrojů jsou uvedeny pouze základní charakteristiky. Podrobnější informace je možné získat na internetové adrese http:/www.esri.com.
- obsah datového média
- použitelný software
- formát a rozvržení dat
- zdroj dat
- aktuálnost dat
- velikost databáze
- výčet tematických datových vrstev, map a dalších utilit.
3.1.1 Digital Chart of the World
Součástí originálního balíku dat je dokumentace (Data Dictionary) a 4 CD-ROM, které obsahují jednotlivé datové vrstvy, anotace geoprvků, zeměpisný slovník (Gazetteer), metadata (Metadata files) a připravené mapy (Browse maps).
Data jsou uchována ve formě ARC/INFO coverages v geografických souřadnicích a jsou rozdělena do 2094 dílů reprezentujících čtverce souřadnicové sítě o velikosti 5° × 5°. Výjimkou je oblast Antarktidy, kde jsou díly vzhledem k malému množství dat sloučeny. Databáze byla originálně vyvíjena firmou ESRI v datovém formátu VPF (Vector Production Format) pro Mapovou vojenskou agenturu USA (DMA). Primárním zdrojem dat pro tuto databázi se stala série námořních navigačních map ONC (Operational Navigation Chart) v měřítku 1:1.000.000 vytvořených Austrálií, Kanadou, Velkou Británií a USA.
Databáze byla poprvé publikována v roce 1992. Aktuálnost data se liší místo od místa v závislosti na aktuálnosti podkladových map, a to od poloviny 60. let do počátku 90. let. Data sestavení jednotlivých námořních map jsou součástí databáze.
3.1.2 ESRI Data & Maps
Tato databáze obsahuje mnoho typů geografických dat v mnoha měřítkách. Data jsou šířena na 4 CD-ROM. Data jsou uložena ve formátu Shape file a pro uživatele ArcView GIS verze 3.x jsou opatřena legendami. Na CD č.1 nalezneme data světa, Evropu včetně jednotlivých zemí, USA, Kanadu a Mexiko. Na dalších CD se nalézají podrobnější data USA a jednotlivých států unie. Jednotlivé tematické vrstvy jsou určeny pro určitý rozsah zobrazovacích měřítek, které spolu s dalšími technickými specifikacemi je možno nalézt v on-line nápovědě. Tato databáze vyšla v roce 1998 a je ze všech nejaktuálnější – zejména administrativní členění a demografické údaje odrážejí velmi věrně současný stav.
3.1.3 ArcWorld
Databáze ArcWorld je distribuována na CD-ROM a obsahuje data v měřítcích 1:3.000.000 a 1:25.000.000 a připravené mapy v Robinsonově projekci. Data jsou uchována v coverages ARC/INFO verze 6.
Primárním zdrojem dat byla The US Government´s World Data Bank II. Pro města a některé další vrstvy se podkladem staly mapy DMA. Atributy jsou převzaty z World Bank, Social Indicators of Development (SID) nebo z World Resources Institute a World Resources 1992 – 93 Data Base.
Data byla pořízena ze jmenovaných zdrojů od roku 1988. Státní hranice jsou aktuální k 1. lednu 1992. Aktuálnost velké části dat spadá do období 1980 – 1990. Velikost databáze je 500 MB pro měřítko 1:3M a 22 MB pro měřítko 1:25M, připravené mapy mají cca 4 MB.
Dále obsahuje velkou řadu tématických údajů – populační charakteristiky, zdraví a vzdělání, zemědělská produkce, ekonomické a průmyslové indikátory, charakteristiky pracovní síly, přírodní zdroje a životní prostředí.
Doplněk dat přináší rozšíření administrativního členění o kontinenty, světové regiony, moře, oceány, příslušnosti ke světovým organizacím a rozšíření počtu sídel.
3.1.4 ArcAtlas
CD-ROM obsahuje mapy po kontinentech, ArcView projekty, družicové snímky a fotografie, obrázky referenční mapy a mapy světa a on-line nápovědu. Data jsou uchována v coverages ARC/INFO verze 7 v geografických souřadnicích s výjimkou některých dat Antarktidy, která je uložena v Lambertově polární projekci. Rastry jsou uloženy ve formátu tiff. Pobřeží je odvozeno z dat ArcWorld 1:25M. Měřítka použitelnosti dat se liší po kontinentech následovně: 1:10M pro Evropu, 1:20M pro Severní a Jižní Ameriku a 1:25M pro ostatní lokality.
Zdroje dat a jejich aktuálnost se liší podle tématu vrstvy a společně s metodami sestavování jsou uvedeny v textové dokumentaci. Databázová velikost atlasu je přibližně 380 MB.
3.1.5 ArcScene World Tour
ArcScene World Tour na CD-ROM obsahuje 14 satelitních snímků z družice SPOT.
3.2 Datové zdroje v jiných formátech
Z těchto zdrojů uvedeme pouze dostupná a vhodná data digitálních modelů terénu - GTOPO30 a ETOPO5. Na Internetu lze najít řadu odkazů na geografická data v celé řadě vektorových i rastrových formátů. Některé z nich jsou distribuovány za poplatek na různých médiích (zpravidla převládá CD-ROM), mnohé je však možné přímo stáhnout.
3.2.1 GTOPO30
Databáze GTOPO30 je globální digitální výškopisný model (Digital Elevation Model – DEM), produkovaný EROS Data Center amerického geologického ústavu U.S. Geological Survey. Data byla pořizována v letech 1993 – 1996 a od té doby byly některé oblasti aktualizovány. Data mají rozlišení 30 úhlových vteřin, což na rovníku odpovídá zhruba vzdálenosti 1 km. Data jsou pořízena horizontálně v geografických souřadnicích (zeměpisná šířka a délka) vztažených k referenčnímu elipsoidu WGS84. Navíc oblast Antarktidy je zpracována ještě samostatně v polární stereografické projekci. Vertikálně jsou data reprezentována nadmořskou výškou v metrech nad mořem. Zobrazené hodnoty mají rozlišení 1 metr a pohybují se v rozmezí od -407 m do 8752 m. Přesnost výškopisné složky dat je uváděna cca +/- 30 metrů. Data pokrývají celý zemský povrch, oceány jsou však maskovány a je jim přiřazena hodnota -9999. Velikost horizontální mřížky je 30" (0,0083°), což znamená že DEM má rozsah 21 600 řádků × 43 200 sloupců.
3.2.2 ETOPO5
Tvůrcem této globální databáze je instituce NOAA National Geophysical Data Center sídlící v americkém státě Colorado. Jedná se o digitální model reliéfu zemského povrchu včetně oceánského dna. Databáze ETOPO5 byla generována z digitálních dat nadmořských výšek a hloubek do gridu o velikosti mřížky 5'. Data rozdílné přesnosti byla získána od několika institucí z celého světa. Vertikální přesnost je velmi ovlivněna kvalitou použitých podkladů a je uváděna v rozmezí od 1 m do několika desítek metrů, výjimečně až 200 m uvnitř oceánu.
4 Realizace databáze
4.1 Správa a aktualizace geografické databáze
Z výše jmenovaných zdrojů byla sestavena geografická databáze, jejíž struktura se blíží navrhovanému modelu. Tento model během pořizování databáze doznal určitých změn, které byly způsobeny rozdílnostmi v datových strukturách jednotlivých datových zdrojů. Všechna vektorová data jsou uložena v zeměpisných souřadnicích, aby mohla být kdykoli transformována či zobrazena do zvolené projekce a souřadného systému.
Databáze je udržována ve formátu ARC/INFO coverages, případně ARC/INFO GRID. Bude postupně doplňována a rozšiřována o další tématické vrstvy, případně o nové třídy prvků v rámci stávajících vrstev. Oprava chyb a nedostatků bude prováděna dávkově na základě zákresu v kontrolním výtisku nebo vytvořeného Shape file.
4.2 Výstupy z geografické databáze
Požadavky na konkrétní mapové výstupy z geografické databáze výrazně ovlivňují nezbytnou součást každé mapy – geografické popisy zobrazených objektů. Množství popisů, zvolené velikosti a použité fonty do značné míry ovlivňují výsledný dojem vytvářené mapy. Protože pro dobrý výsledek při umisťování popisů je kromě dodržování jistých pravidel třeba i velkého citu kartografa – operátora, není možné popisy zcela automaticky generovat z databáze bez jeho zásahu pro kterýkoliv požadovaný mapový výstup. Proto se zpravidla generují popisy pro určitá konkrétní měřítka, ze kterých je potom možné odvodit popisy pro požadovaný účel. Pokud žádná skupina existujících popisů není vhodná, pak se jeví výhodnější vygenerovat popisy automaticky z geografické databáze a pak je manuálně upravit.
V našem případě byl dán požadavek na zpracování nástěnné politické a fyzické mapy světa v měřítku cca 1:30.000.000. Cílem bylo zpracovat mapu na profesionální úrovni, proto byl pro vytvoření mapové kompozice použit modul ARCPLOT. Většina editačních prací byla realizována v prostředích ARC/INFO, ArcView GIS a CPS. Byl proveden databázový výběr všech zobrazených objektů na mapě a k nim byly z databáze vygenerovány popisy, operátorem následně rozmístěné na správnou pozici. Popisy jsou na rozdíl od vektorových dat udržovány v projekci a souřadném systému zvoleného mapového díla. Mapová kompozice je zcela nezávislá na geografických datech, neboť představuje předpis, jakým způsobem se mají jednotlivé mapové prvky vykreslit. Definuje tedy velikost stránky a rozmístění mapových elementů na ploše, určuje projekci, měřítko a polohu zobrazeného výřezu dat, stanovuje pořadí vykreslování jednotlivých datových vrstev a použitou symbologii. Při změnách podoby mapové kompozice či symbolů tak nedochází k zásahům do geografických dat. To tedy znamená, že jedna a tatáž data budou zobrazena různým způsobem v mnoha připravených výstupech.
Pro přípravu obou map je využito rovněž rastrových dat, které jsou zpracovány v modulu ARC/INFO GRID. Z DEM byly odvozeny bathymetrické vrstvy moří a oceánů pro politickou mapu a hypsometrie a stínování terénu pro mapu fyzickou.
Předpokládáme, že budou následovat další výstupy v oblasti tematických map a atlasové tvorby. Dalším krokem bude postupné zahušťování geografické databáze tak, aby bylo dosaženo zaplněnosti mapy až do měřítka 1:5.000.000. Současně předpokládáme doplňování a aktualizaci atributů, aby bylo možno databázi poskytnout uživatelům v digitální podobě.
5 Závěry
Z přípravy a dosavadní realizace tohoto projektu jsme získali zkušenosti, které lze shrnout do následujících bodů:
- Stále větší potřeba informací globálního charakteru, vyplývající z mohutného nástupu informačních technologií ve všech oblastech lidské činnosti, vytváří široký prostor pro nasazení technologií GIS i v této oblasti. Je žádoucí, aby mapa v digitální podobě dokázala sdělit uživateli daleko komplexnější a ucelenější informaci než doposud. To vyžaduje schopnost napojení databázových údajů na geografické objekty a vytváření nových analytických a syntetických informací. Právě zde se ukazuje síla nástrojů GIS.
- Zvolená platforma produktů firmy ESRI je vhodným řešením pro budování a využívání geografické databáze velkého rozsahu, neboť nabízí širokou škálu účinných nástrojů pro různé typy úloh.
ARC/INFO je profesionální nástroj pro velmi kvalitní výstupy z geografické databáze. Proto je lze doporučit pro objemově náročné či složité a komplikované mapové kompozice a jejich prezentace formou tisku na plotr nebo tiskových souborů pro další DTP zpracování či podkladů pro ofsetový tisk.
CPS je plně funkční systém vybudovaný na základě produktu ARC/INFO. Základní nástroje zahrnují funkce pro grafickou editaci a kvalitní kartografické výstupy, včetně kontroly a správy dat. Modul CPS Master Database (mdb) povyšuje standardní funkčnost CPS o nástroje pro správu geografických dat. Základ Master Database má plné předpoklady pro bezpečnou, operativní a cenově přijatelnou cestu pro ukládání a správu geografických dat. Pro rychlou a efektivní mapovou produkci mohou být generovány z vlastní Master Databáze (MDB) jednotlivé produkční databáze (Product Database – PDB).
ArcView GIS je stolní komplexní nástroj pro práci s geografickými daty. Umožňuje vytvářet velmi pohodlně a snadno variabilní tématické mapy na velmi solidní úrovni. V čem je však výjimečné – to je interaktivní komunikace s uživatelem, kde se osvědčuje jako velmi univerzální a účinný informační systém.
- Projekt budování rozsáhlé geografické databáze je časově i finančně velice náročný. Lze však očekávat, že po prvotní vysoké investici do jejího pořízení se náklady v dalším období postupně vrátí.
Červen 1999 Mgr. Jan Langr
ESRI, ARC/INFO, PC ARC/INFO, ARCPLOT, ARCEDIT, ARC/INFO GRID, ArcView jsou registrované obchodní značky a MapObjects je obchodní značka firmy Enviromental Systems Research Institute, Inc. Ostatní názvy jsou obchodní značky příslušných vlastníků.
Dnes je úterý 7. 2. 2012, svátek má Veronika.