Facutatea de Geografie - ID/IFR

Sisteme Informationale Geografice

1. Ce este GIS?

Un Sistem Informational Geografic (GIS / SIG), este o unealta de cartografiere bazata pe

computer care analizeaza fenomenul geografic daca exista impreuna cu evenimentele precedate de

acesta.

Tehnologia GIS integreaza operatii comune cu baze de date, interogari si analiza statistica,

cu beneficii unice de vizualizare si analiza geografica oferita de harta.

<<GIS trebuie privit ca o tehnologie si nu ca un simplu sistem de computer.>>

In general un gis ofera facilitati pentru capturarea, mamagementul, manipularea si analiza datelor,

prezentarea rezultatelor in ambele forme: forma grafica si cea de raport. Este un set integrat de

unelte hardware si software folosite pentru manipularea si managementul datelor digirale spatiale si

datele atribut asociate.

2. Subsistemele GIS

GIS are 4 subsisteme functionale:

a) Subsistemul de introducere a datelor, permite utilizatorului sa captureze, colecteze si sa

transforme, datele spatiale si tematice in formate digitale. Datele introduse sunt in general derivate

1

dintr-o combinatie de harti, aerofotograme, imagini de teledetectie, documente, rapoarte.

b) Subsistemul de stocare si recuperare a datelor, organizeaza datele, statiale si atribut, in

forme care permit sa fie recuperate repede de utilizator pentru analiza, si permite actualizari rapide

si precise ale bazei de date. Aceasta implica utilizarea unui DBMS (sistem de gestiune a bazei de

date)

c) Subsistemul de manipulare si analiza a datelor, permite utilizatorului sa defineasca si sa

execute proceduri spatiale si de atribut pentru a genera informatii derivate. Acesta este considerat

"inima" unui GIS.

d) Subsistemul de output si vizualizare, permite utilizatorului sa genereze afisari grafice,

harti, rapoarte tabulare, reprezentand produse informationale derivate.

Functia critica a unui GiS este, prin arhitectura lui, analiza datelor spatiale.

3. Componentele unui GIS

Un GiS integreaza 5 componente principale:

a) Componenta Hardware este sistemul de calculator pe care GiS opereaza. Soft-urile de

GIS ruleaza pe o gama larga de tipuri hardware, de la servere pana la satii de lucru in mod stand-

alone sau configurate in retea. Piesele centrale sunt de statia de lucru si echipamentele auxiliare

periferice (GPS, data loger, senzori, camere web, etc). Utilizarea device-urilor high-tech in teren

sunt o unealta GIS importanta de colectare, la fel ca si serverele GIS web-based (MapServer).

b) Componenta Software ofera uneltele si functiile necesare pentru a stoca, analiza si afisa

informatiile geografice. Este reprezentata de pachetele de aplicatii GIS (QGIS, GRASS, MapServer,

Udig, gvSIG etc.), necesare pentru a creea, edita, si analiza datele spatiale si de atribut. Extensiile

sau add-on -urile sunt soft-uri care extind capabilitatile pachetelor GIS. Exista si soft-uri GIS pentru

web care ajuta la oferirea de date prin intermediul internetului (GeoServer).

c) Componenta Date este dea mai importanta dintre componentele unui GiS. Datele

geografice si cele tabulare, pot fi colectate, compilate dupa diverse specificatii si cerinte. Un GiS

poate integra datele spatiale cu alte resurse de date externe care sunt la fel stocate in baze de date.

Stocarea datelor, spatiale si datelor tabulate, intr-o baza de date (DBMS) este cheia functinalitatii

unui GiS. Baza de date geografica se referentiaza intr-un anumit mod la locatii de pe suprafata

Pamantului. Documentatiile despre seturile de date GIS sunt cunoscute ca Metadate. Ele contin

informatii referitoare la sistemul de cordonate, data actualizarii, etc.

d) Componenta Personal. Are o valoare dinamica fiind dependenta de pregatirea

personalului in analiza spatiala si in utilizarea software-urilor GIS. Gama de utilizatori GIS porneste

2

de la specialistii care proiecteaza si mentin sistemul pana la cei care il folosesc in munca de zi cu

zi.

f) Componenta Metode, arata ca GIS opereaza in stransa concordanta cu reguli si planuri de

implememntare, care sunt modele si proceduri de operare unice.

4. Modele de date gis

Un GiS stocheaza informatii despre mediul inconjurator sub forma de colectii de strate

(layer) tematice care pot fi unite de geografia lor. Conceptia de strat tematic ne permite organizarea

complexitatii mediului inconjurator in reprezentari simple pentru a facilita intelegerea relationarilor

naturale.

Tipuri de date GiS

Tipurile principale de date GiS reflecta datele traditionale gasite pe harta, astfel un GiS

utilizeaza dou tipuri de date:

- date spatiale - care descriu locatia absoluta si relativa a trasaturii geografice;

- date atribut - care descriu caracteristicile trasaturii spatiale (pot fi cantitative si/sau

calitative).

a) Modele de date spatiale

Datele spatiale traditionale au fost stocate si reprezentate sub forma de harta. Trei tipuri

primare de modele de date spatiale sunt "implicate" in stocarea digitala a datelor geografice:

formatul vectorial, formatul raster si formatul tip imagine.

Formatul de date vectorial

Toate modelele de date sunt concepute pentru stocarea locatiei spatiale a trasaturii

geografice intr-o baza de date. Stocarea vectoriala implica utilizarea vectorilor (linii directionale)

in reprezentarea unei trasaturi geografice. Data vectoriala este caracterizata de utilizarea punctelor

secventiale sau vertecsi in definirea unui segment liniar. Fiecare vertex este alcatuit dintr-o

coordonata X si o coordonata Y. Liniile vectoriale sunt numite arce si sunt alcatuite din stringuri de

vertecsi terminati printr-un nod. Un nod este definit ca fiind un vertex care incepe si termina un

segment de arc. Trasaturile punctului sunt definite de o coordonata pereche, un vertex. Trasatura

poligonala este definita de un set inchis de coordonate pereche. In reprezentarea vectoriala, stocarea

3

vertecsilor pentru fiecare trasatura este importanta, la fel cum este conectivitatea intre trasaturi.

Cea mai comuna metoda in pastrarea

relationarii spatiale intre trasaturi este

reprezentata de inregistrarea explicita a

vecinatatii informatiei in ceea ce este cunoscut

ca data topologica. Topologia este un concept

matematic ca are baza in principiile trasaturii

vecinatatii si conectivitatii.

Structura topologica a datelor ne este adesea

atribuita ca o structura inteligenta de date,

deoarece relationarile spatiale intre trasaturile

geografice sunt derivate. Din acest motiv

modelul topologic este structura de date

vectoriala dominanta folosita in acest moment in GiS.

O alta structura vectoriala de date des utilizata in GiS este structura de date CAD (computer-

aided drafting). Aceasta structura este alcatuita dintr-o lista de elemente, nu trasaturi, definite de

stringuri de vertecsi, care definesc trasaturile geografice ( puncte, linii sau poligoane). Este un

excedent considerabil cu acest model de date deoarece segmentul comun (de granita) intre doua

poligoane poate fi stocat de doua ori, cate o data pentru fiecare trasatura.

Puncte

Punctele reprezinta obiecte prea mici pentru a putea fi descrise prin linii sau poligoane, cum

ar fi stâlpi de înaltă tensiune, copaci, fântâni, locuri unde se petrec diverse evenimente (accidente

rutiere, infracţiuni) precum şi obiecte care nu au suprafata, cum sunt varfurile muntilor. Punctele se

reprezintă utilizand diverse simboluri punctuale grafice şi pot fi însoţite de texte explicative

corespunzand valorilor atributelor aferente.

Arce (linii)

Liniile reprezintă obiecte prea iînguste pentru a putea fi descrise prin poligoane, cum ar fi

drumuri, cursuri de apă, curbele de nivel. Liniile se reprezintă utilizând diverse simboluri liniare

grafice şi pot fi însoţite de texte explicative corespunzând valorilor atributelor aferente.

Poligoane

Poligoanele sunt suprafeţe închise reprezentând forma şi poziţia obiectelor omogene cum ar fi

lacuri unităţi administrative, parcele, tipuri de vegetaţie. Poligoanele se reprezintă utilizând diverse

simboluri liniare

grafice pentru contururi, simboluri grafice de haşuri pentru interior şi pot fi însoţite de texte

4

explicative corespunzând valorilor atributelor aferente.

Formatul de date raster

Modelul de date raster incorporeaza utilizarea structurii de date grid-celula unde zona

geografica este impartita in celule identificate prin rand si coloana. Aceasta structura de date este

cunoscuta sub numele de raster.

Marimea celulei intr-o structura de date tip mozaic este selectata in baza preciziei si

rezolutiei datelor necesare utilizatorului. O structura de date tip raster este in fapt o matrice unde

orice coordonata poate fi calculata daca punctul de origine si marimea gridului celulei este

cunoscuta. Deoarece celula-grid poate fi manuita ca un grup de obiecte bi-dimensional in encodarea

computerului, multe operatii analitice sunt usor de programat. Topologia nu este un concept

relevant cu structurile de date tip mozaic deoarece vecinatatea si conectivitatea sunt implicite in

locatia unei anumite celule in matricea datelor. In general, majoritatea datelor sunt capturate in

format vectorial (ex: digitizare), ele trebuiesc convertite intr-o structura de date raster, acest

procedeu este numit conversie vector-raster.

Selectarea unui model de date

particular, vector sau raster, este

dependent de sursa si tipul de date si de

directia de folosire a datelor. Procedurile

analitice au nevoie de date raster in timp

ce altele au nevoie mai bine de date

vectoriale.

Model 3D al terenului (model

numeric altitudinal), se obtine din

reprezentarea vectoriala a curbelor de nivel, impreuna cu valoarea elevatiei atribuita inregistrarii

vectoriale (liniei reprezentand curba de nivel sau punctului reprezentand cota altimetrica), care sunt

interpolate prin metode de interpolare care difera in functie de ce fel de regiune doresc sa reprezint,

numarul punctelor folosite.

Formatul de date tip Imagine

Data de tip imagine este adesea utilizat pentru a reprezenta date grafice. Termenul de

5

imagine, prin definitie, reprezinta o reprezentare reproducere electronica a unei imgini, iar in mediul

GIS difera semnificativ de datele tip raster. Datele tip imagine sunt folosite pentru a stoca imagini

de teledetectie, scene satelitare sau ortofotograme, fotografii, planuri scanate, documente. Datele tip

imagine sunt utilizate ca date de fundal sau ca atribut grafic. Datele tip imagine sunt stocate intr-o

varietate de formate standard proprietare. Datele tip imagine cele mai folosite in teledetectie sunt

imaginile satelitare si ortofotoplanurile.

Imaginile Satelitare

Nici o altă combinare între două ştiinţe şi tehnologii nu a generat mai mult interes şi aplicaţii

decât îmbinarea dintre teledetecţie şi explorarea spaţiului.

Programul satelitar Landsat (Land Remote Sensing Satellite Program) începe pe 23 iulie

1972 cu scopul de a urmări evoluţia stării vremii, ulterior modificat pentru culege date asupra

suprafeţei

terestre,într-o manieră sistematică, repetitivă cu rezoluţie medie şi în benzi multispectrale.

Programul satelitar SPOT (Systeme Probatoire d’Observation de la Terre) a fost demarat în

anul 1978 de către guvernul francez. La scurt timp, se asociază acestui proiect şi Belgia şi Suedia.

Scopul programului era de a lansa o serie de sateliţi de observare a suprafeţei terestre. Condus de

către Centrul Naţional Francez de Studii Spaţiale (CNES), programul SPOT s-a dezvoltat pe scară

internaţională, astăzi cuprinzând staţii de recepţie la sol şi de distribuţie a datelor localizate în peste

20 de ţări.

Sisteme de înaltă rezoluţie.

Alte sisteme au fost lansate si/sau sunt în curs de dezvoltare:

6

Avantaje si dezavantaje dintre formatul de date vector si raster

Sunt cateva avantaje si dezavantaje in folosirea oricarui model de date, raster sau vector, in

stocarea datelor spatiale.

Datele Vectoriale

Avantaje:

- datele pot fi reprezentate la rezolutia si forma originala fara generalizare.

- output-ul grafic este mai estetic (la fel ca in reprezentarea cartografica traditionala)

- majoritatea datelor sunt in forma vectoriala, nu este necesara nici o conversie.

- precizia locatiei geografice a datelor este mentinuta

- permite codificare eficienta a topologiei si ca rezultat mai multe operatii eficiente care

necesita informatie topologica (proximitate, analiza de retea, etc)

Dezavantaje:

- locatia oricarui vertex necesita o stocare explicita.

- pentru analiza efectiva, data vectoriala necesita conversie intr-o structura topologica

- topologia este statica, asa ca orice actualizare sau editare a datei vectoriale necesita

reconstruirea topologiei

- algoritmii pentru functiile de manipulare si analiza sunt complecsi si necesita procesare

intensiva.

- manipularea intensiva limiteaza functionalitatea pentru seturi mari de date (cu numar mare

de trasaturi)

- datele continue, cum ar fi datele de elevatie, nu sunt reprezentate efectiv in forma de

vector;

- analiza spatiala si filtrarea in cadrul poligoanelor este imposibila.;

- datorita tehnicii de stocare a datelor, analiza lor este usor de programat si usor de executat;

- datorita naturii hartilor raster, sunt ideale pentru modelare matematica si analiza cantitativa

;

- sistemele grid-celula sunt compatibile cu dispozitivele care au raster ca baza de

vizualizare;

Dezavantaje:

7

- marimea celulei determina rezolutia la care data este reprezentata,

- este destul de dificil sa repreziti corect trasaturi liniare, acestea depinzand de rezolutia

celulei

- legaturile retelei sunt dificil de stabilit.

Raster Vector

Procesarea datelor atribut asociate poate fi impovaratoare daca exista seturi mari de date.

Hartile raster prin definitie reflecta doar un atribut sau o caracteristica pentru o zona. Pe langa

cerintele crescute de procesare aceasta poate induce probleme in integritatea datelor datorita

generalizarii sau alegerii nepotrivite a marimii celulei. Majoritatea hartilor rezultate din sistemul

grid-celula nu sunt conforme cu necesitatile de calitate cartografice.

Este dificil sa compari sau sa clasifici softurile GIS care folosesc modele de date diferite.

Unele pachete utilizeaza structuri vectoriale pentru introducerea datelor, editate si afisare dar

convertesc in raster pentru orice analiza; alte pachete ofera ambele tehnici integrate, de analiza

raster si vectoriala.

b) Modele de date atribut

Datele atribut reprezinta informatii descriptive despre trasataturi sau elemente care pot fi

editate sau colectate in baze de date. Pot include orice tip de informatie care poate fi asignata unei

8

entitati (evenimente, locatii, etc).

Modele separate sunt utilizate in stocarea si mentinerea datelor atribut pentru soft-urile de

GIS. Aceste modele pot exista in interiorul soft-urilor sau pot fi in baze de date externe.

Cele mai comune modele de date sunt:

Modelul tabular reprezinta maniera in care pachetele de aplicatii GIS isi stocheaza datele

atribut. Acest model stocheaza datele atribut ca fisiere secventiale de date cu formate fixe

(delimitate de virgula pentru datele ASCII) pentru locatia valorilor atributului intr-o structura de

inregistrare predefinita. Acest tip de model nu se mai foloseste deaorece prezinta probleme in

verificarea integritatii datelor si capabilitatii limitate de indexare a inregistrarilor sau atributelor.

Modelul ierarhic, organizeaza datele intr-o structura tip arbore. Data este structurata de sus

in jos intr-o ierarhie de tabele. Fiecare nivel din ierarhie poate avea un numar nelimitat de

subalterni, dar orice subaltern poate avea un singur superior. Acest model este orientat pe seturi de

date foarte stabile, unde relationarile primare ale datelor sunt infrecvent modificare sau deloc.

Modelul retea, organizeza datele intr-o structura tip retea, unde fiecare coloana poate fi

conectata de oricare alta. Ca si structura arbore, structura retea poate fi descrisa in termeni de

superior si subaltern cu specificatia ca orice subaltern poate avea mai mult de un superior. Acest

model prezita aceleasi flexibilitati limitate ca si modelul ierahic.

Modelul relational, organizeaza datele in

tabele. Fiecare tabel este identificat de un nume unic

si este organizat in randuri si coloane. Fiecare

coloana dintr-un tabel are un nume unic. Coloanele

stocheaza valori pentru un atribut specific (ex.

inaltimea unui copac). Randurile reprezinta o

inregistrare in tabel, iar fiecare rand este conectat

separat la o trasatura spatiala. Fiecare rand este

alcatuit din mai multe coloane, fiecare coloana

contine o valoare specifica pentru trasatura

geografica. Datele sunt stocate in mai multe tabele

care sunt unite sau referentiate intre ele prin coloane

comunte (campuri relationale). In mod normal

9

coloana comuna este un numar de identificare pentru trasatura geografica aleasa.

Bazele de date relationale sunt cel mai larg folosite pentru administrarea atributelor datelor

geografice.

Modelul relational este atractiv deoarece:

- prezinta simplitate in organizarea si modelarea datelor;

- flexibilitate in manipularea datelor;

- eficienta in stocare;

Modelul orientat pe obiecte, manageriaza datele prin obiecte. Un obiect reprezinta o colectie

de elemente de date si operatii care impreuna sunt considerate o singura entitate. Aceasta conceptie

este interesanta deoarece interogarea este foarte naturala.

5. Topologia

Natura relationarilor datelor spatiale este imporanta sa o intelegem in contexul unui GIS,

deoarece rolul principal este de manipulare si analiza cantitatilor mari de date spatiale. Solutia

teoretica acceptata este de a topologiza structura datelor spatiale. Structura topologica este utilizata

pentru a stoca date spatiale, in timp de bazele de date relationale sunt utilizate pentru a stoca date

atribut. Datele din ambele structuri sunt interconectate pentru a fi utilizate prin numere de

identificare unice.

Topologia este un concept matematic care ne permite sa structuram datele avand ca baza

principiile trasaturii de adiacenta si trasaturii de conectivitate, si este de fapt o metoda matematica

10

utilizata pentru a defini relationarile spatiale.

Cea mai comuna structura de date topologica este reprezentata de modelul arc/nod. Acest

model contine doua entitati: arc si nod. Arcul reprezinta o serie de puncte unite printr-un segment de

linie dreapta care incepe si se termina printr-un nod. Nodul este punctul de intersectie unde doua sau

mai multe arce se intalnesc. Nodurile izolate, neconectate la arce, reprezinta trasaturii ale punctului.

O trasatura poligonala este alcatuita dintr-un lant inchis de arce.

In pachetele GIS, definitia topologica este stocata in formate proprietare, iar inregistrarea ei

se face in 3 tabele care sunt analoage tabelelor relationale. Cele 3 tabele reprezinta tipuri diferite de

trasaturi (punct, linie, poligon). Al patrulea tabel contine datele de coordonate. Tabelul nod,

stocheaza informatii despre noduri si arcele la care sunt conectati. Tabelul arc contine informatia

topologica despre arce, incluzand nodul de inceput si cel de final, poligonul din stanga si cel din

dreapta la care arcul este element comun. Tabelul poligon contine informatia despre arcele care

alcatuiesc fiecare poligon.

Deoarece majoritatea datelor de intrare nu sunt in structura de date tolpologica, aceasta

trebuie construita cu o aplicatie GIS. Pentru a defini corect topologia, sunt anumite cerinte

specifice: fara lini duplicat, fara rupturi in arcele care definesc trasaturile poligon, etc.

Modelul topologic se foloseste deoarece modeleaza efectiv relationarea entitatilor spatiale,

si este util pentru o suita de operatii cum ar fi cele de analiza a vecinatatii si conectivitatii.

Continuitatea implica evaluarea trasaturii de adiacenta si proximitate. Avantajul primar este acela ca

modelul topologic este analiza spatiala care poate fi facuta fara a utiliza datele de coordonate.

Dezavantajul major al modelului de date topologic il reprezinta natura statica a sa. Acesta

necesita timp pentru o definire corecta, si depinde de marimea si complexitatea seturilor de date.

Natura statica implica ca la orice editare, actualizare sau schimbare sa fie reconstruita topologia.

11

6. MapServer

MapServer-ul este o platforma open source pentru publicarea datelor spatiale si

mediul pentru aplicatii de mapping interactiv pe web. Acesta a fost dezvoltat de NASA, pentru a

gasi o cale de publicare a imaginilor satelitare catre public (in primele faze ale acestui proiect).

12

7. FREEGIS (DVD)

Utilizarea LiveDVD-ului

Pentru a utiliza LiveDVD-ul, trebuie repornit sistemului şi alegerea mediului de lucru “Boot

de pe unitatea CD” din Bios.

Parcurgem următorii pasi:

1. Inserare Live DVD în unitatea DVD şi executăm repornirea sistemului.

2. Se alege mediu de lucru LIVE, apoi apăsaţi Enter

3. Aşteptaţi pană ce sistemul se iniţializează

4. La fereastra de logare introduceţi “freegis” ca numele de utilizator

5. Introduceţi parola “freegis”

6. Consultati meniul Application → GIS

Imaginea FREEGIS poate fi descărcat de la adresa: http://sig.unibuc.ro

Acest DVD contine pachete de programe GIS iar platforma de lucru este Debian (Ubuntu 8.10)

Informatii suplimentare legate de GIS se pot gasi la adresa web a comunitatii

Geo-Spatial.org: http://www.geo-spatial.org

13

Bibliografie:

* Markus Neteler, Helena Mitasova, “Open Source GIS: A GRASS GIS Approach”, ISBN:

038735767X, Springer, New York, 2008

* Bill Kropla, “Beginning MapServer: Open Source GIS Development”, ISBN: 1-59059-

490-8, Springer, New York , 2005

* Shivanand Balramand, Suzana Dragievi, “Collaborative Geographic Information Systems

C

”, ISBN:1591408458, Idea Group Publishing 2006

* Andrew J. Turner, “Introduction to Neogeography”, ISBN: 978-0-596-52995-6, O'Reilly

Media, Inc., 2006

* Scott Davis, “GIS for Web Developers”, ISBN-10: 0-9745140-9-8, ISBN-13: 978-0-

9745140-9-32006 The Pragmatic Programmers LLC., 2007

* John E. Harmon, Steven J. Anderson, “The Design and Implementation of Geographic

Information Systems”, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003

* Lynn E. Johnson, “Geographic Information Systems in Water Resources Engineering”,

ISBN: 978 1 4200 6913 6, Taylor & Francis Group, LLC, 2009‐ ‐ ‐ ‐

* “Encyclopedia of GIS”, ISBN: 978-0-387-30858-6, Springer, 2008

14