1. Geografické informační Systémy

Za posledních několik let poměrně vzrostl zájem o geografické informační systémy. Mezi aplikace, kde se technologie geografických informačních systémů (dále jen GIS) již využívá, patří například topografické a katastrální mapování, řídící, komunikační a navigačních systémy, územní plánování a další. Dostupnost výkonného hardwaru se neustále zvyšuje a k dispozici jsou stále výkonnější zařízení, která usnadňují rozvoj GIS. Dostupnost těchto zařízení částečně také vysvětluje vzrůstající zájem o tyto systémy.

1.1. Výhody GIS

Hlavním důvodem pro úspěch GIS je to, že nabízí více funkčnosti než tradiční papírové mapy. Tuto rozšířenou funkčnost využijí jak tvůrci map, tak i běžní uživatelé. Vytvořením kvalitního prostředí pro tvorbu map usnadníme jejich následnou údržbu a produkci. Místo ručního překreslování, efektivně vložíme nově upravená data do geografické databáze.

Pro koncové uživatele je v tomto případě hlavní výhodou to, že mohou komunikovat se systémem (jedná se o tzv. interakci uživatele se systémem). To znamená, že uživatelé mohou provádět různé typy výběrů, které jsou založeny na prostorových vlastnostech anebo na příslušných atributech. Systém může zprostředkovat nejrůznější analýzy a výpočty, přičemž výsledky jsou okamžitě dostupné, a to buď v grafické anebo v alfanumerické podobě. Jednou z dalších z výhod těchto systémů je, že více uživatelů může pracovat nad stejnou geografickou databází najednou.

1.2. Problémy GIS

Jedním z největších problémů GIS je hledání aplikací založených na bezměřítkové a bezešvé geografické databázi. Spolu s vývojem techniky pro sběr geografických dat zároveň stoupá i jejich objem a to je dalším problémem. Rychlost hardwaru se sice neustále zvyšuje, ale vzhledem k rychlosti rozvoje GIS toto zrychlování nestačí. [1] Proto se budeme snažit popsat prostředí, ve kterém se bude vyvíjet nový efektivní GIS. Tento GIS bude založený na reaktivních datových strukturách, o nichž se dozvíme více v následujících kapitolách. Efektivním vývojem tohoto efektivního GIS se dále zabývá [1].

1.3. Požadavky na datový model pro GIS

V této části uvedeme jednotlivé požadavky, které jsou specifické pro tvorbu datového modelu pro GIS. Rozdělení podle [1]:

  • r1 - Integrované uchování geometrických topologických a tematických dat

    Geometrická, topologická a tematická data musí být uložena v jednotném nerozděleném systému tak, abychom se vyhnuli nevýhodám duální architektury. Každý ze zmíněných typů dat vyžaduje specifickou datovou strukturu, což je dáno jejich odlišnou povahou. Tyto datové struktury musí být integrovány již v datovém modelu GIS.

  • r2- Prostorové schopnosti

    Datový model musí mít dobré prostorové schopnosti (spatial capabilities), které umožní efektivní implementaci základních tří operací: zobrazení mapy (display), výběr prvku (selection) a prostorové výpočty (spatial calculations). Geometrické vlastnosti jsou nezbytné pro efektivní implementaci operací, jako je výběr všech objektů uvnitř obdélníku, získání informací o objektu, výpočty pokrytí atd. Topologické vlastnosti jsou požadovány pro efektivní řešení problémů síťových analýz a pro topologické výběry, jako je například výběr zemí, které sousedí s ČR.

  • r3 Úrovně detailů

    V datovém modelu musí být možné uchovávat data ve vhodné formě tak, aby je bylo možné použít v několika úrovních detailů (levels of detail). V poslední době vzrostl zájem o multi-měřítkové (multi scale) geografické databáze. Pro úrovně detailů existuje několik důvodů:

    • Pokud je prezentováno moc informací najednou, sníží se efektivita vnímání důležitých informací, aneb jak praví staré rčení: „Přes stromy neuvidíš les.“

    • Nepotřebné detaily zdržují procházení databází a zpomalují vykreslování na výstupu. Vykreslování se zdržuje především kvůli objektům, které se po transformaci do rozlišení obrazovky stanou menšími než 1 pixel a tudíž ani nebudou zobrazeny.

    Uživatel, který pozoruje mapu v malém měřítku, nesmí být obtěžován příliš prokreslenými detaily. Když mapu přiblíží, je nutné detaily přidat. Této operaci se říká tzv. logický zoom (logical zoom). Tento zoom (přiblížení) má oproti klasickému dva doplňující efekty:

    • vykreslí objekty s více detaily

      To platí pro objekty, které byly viditelné již v menším měřítku.

    • zobrazí nové objekty

      Některé objekty, které předtím vidět nebyly, se musí zobrazit.

    Logické zoomování je úzce spojeno s generalizací mapy. Musí být totiž možné seskupování (aggregation) menších objektů do jednoho většího a naopak. Existuje pravidlo konstantní obrazové hustoty informace (constant pictorial information density), které říká, že množství informace zobrazené na obrazovce by mělo být pro všechna měřítka přibližně stejné.

  • r4 Vrstvy geografických objektů

    V datovém modelu musí být možné uchovávat data ve vrstvách (layers) geografických objektů tak, aby bylo možné jednotlivé vrstvy na grafickém výstupu přidávat a odebírat. Tento požadavek je zřejmý, protože je pro nás přirozené organizovat data po úplných a tematicky uspořádaných celcích.

  • r5 Stabilní úložný prostor

    Datový model musí podporovat stabilní úložný prostor (persistent storage). Neměla by vznikat velká mezera mezi daty uchovanými v databázi nebo v souborovém systému a v datech uchovaných v datových strukturách běžícího GIS programu. Stabilní uchování pak poskytuje dvě hlavní výhody:

    • snazší implementace GIS

      Programátor se nemusí starat o ukládání nestálých dat běžícího programu a naopak. Při analýze existujících GIS programů je evidentní, že značné části kódu jsou zasvěceny právě tomuto účelu.

    • rychlejší chod programu

      Když je dobře vytvořen stabilní úložný prostor, program bude pracovat rychleji, protože se vyhneme významnému množství nadbytečností.

    Poznamenejme, že stabilní úložný prostor zodpovídá za úkoly tradičního SŘBD jako je podpora přístupu pro více uživatelů, bezpečnost a integrita.

  • r6 Dynamičnost

    Datový model musí být dynamický (dynamic) tak, aby bylo možné vkládat, odstraňovat nebo měnit geografické objekty a typy těchto objektů. Ne všechny z těchto operací jsou rovnocenně důležité. Mnoho GISů není příliš dynamických v ohledu ke geografickým datům. To znamená, že počet aktualizačních transakcí (během určité doby) je relativně malý v porovnání s velikostí celé databáze. Čas od času jsou geografická data aktualizována samotným dodavatelem dat. Vytvoření vstupní datové struktury není časově kritické, ale je potřeba, aby vznikla efektivní datová struktura. Přidání objektu musí být uskutečněno okamžitě a nemělo by snížit výkon vyhledávacích operací přímo založených na datové struktuře. Upravování a mazání objektů se nebude dít příliš často, proto tyto operace mohou být méně efektivní. Objekt může být smazán jednoduše označením, že není již dále přítomný. Tento přístup rovněž umožní efektivní krok zpět (undo).