Kapitola 7 Zdroje dat pro GIS

V rámci budování GIS aplikace řešíme tyto následující hlavní úkoly:

• navrhnout strukturu dat - analýzou situace dospět k ideálnímu pokrytí problému mapovými vrstvami,
• pořídit data - rozhodnout o vhodném zdroji dat pro naši aplikaci.

Nejnáročnějším problémem v GIS je vždy vybudování geodatabáze, tedy obstarání potřebných geografických údajů ve formě map, databází, statistik a podobně. Uvádí se, že více než 70% nákladů na vytvoření aplikace padne právě na obstarání dat.

Nejprve si musíme blíže objasnit pojem prostorová data.

7.1 Prostorová data

Jak již bylo zmíněno definici GIS a GIT, pracují tyto technologie se zvláštním typem dat, a to daty prostorovými. Definic pojmu prostorová data existuje celá řada, např. McDonnel a Kemp. (1995) uvádějí tuto:

Prostorová data jsou jakákoliv data, která obsahují formální polohovou referenci, např. odkaz na buňku gridu. Jedná se např. o data DPZ nebo mapy.

Rapant (2006) používá tuto definici:

Prostorová data (anglicky spatial data) jsou data, která se vztahují k určitým místům v prostoru a pro která jsou na potřebné úrovni rozlišení známé polohy těchto míst.

Např. pro geografická data, jako jeden z druhů prostorových dat, je známá geografická poloha místa na zemském povrchu nebo v jeho blízkém okolí, ke kterému se data vztahují a která je daná např. zeměpisnými souřadnicemi.

Ostatní data, nespadající do této skupiny, tj. data, pro která není definována nebo aespoň není na potřebné úrovni rozlišení známa v prostoru poloha míst, k nimž se vztahují, označujeme jako neprostorová data.

Rapant (2006) vysvětluje rozdíl mezi těmti dvěma pojmy na jednoduchém příkladě:

Máme k dispozici databázi všech občanů ČR, v níž je mimo jiné uvedeno datum narození každého občana, ale není zde uvedeno místo trvalého pobytu. Z takovéto databáze si můžeme např. vypočítat průměrný věk mužů a žen žijících v Česku a tyto údaje použít při sestavování tematické mapy Evropy, kde budou u každého státu znázorněny tyto údaje. Z tohoto pohledu lze konstatovat, že na uvažované úrovni rozlišení lokalizace dat (státy Evropy) pracujeme s prostorovými daty. Pokud ale budeme chtít vykreslit mapu rozložení těchto dvou veličin na úrovni okresů ČR, pak je tato databáze nepoužitelná. Data v ní jsou z tohoto pohledu neprostorová, protože jim chybí prostorová lokalizace odpovídající požadované úrovni rozlišení (u každého občana) chybí údaj o okrese, v kterém má trvalé bydliště).

Z tohoto jednoduchého příkladu je patrné, že hranice mezi prostorovými a neprostorovými daty není jednoznačná, je závislá nejen na přítomnosti údajů o poloze v prostoru, ale i na jejich úrovni rozlišení a požadavcích konkrétní aplikace. Je také zřejmé, že pokud data neobsahují žádný (byť i nepřímý) údaj o poloze a poloha nevyplývá ani z kontextu, ak takováto data jsou vždy neprostorová.

Údaj, který zajišťuje vazbu dat na konkrétní místo v prostrou se nazývá prostorová reference (anglicky gereference). V ideálním případě jsou touto prostorovou referencí přímo souřadnice (v prostoru, na mapě), ale většinou se jedná o údaj, který určuje polohu nepřímo, jako např. adresa, číslo parcely, název státu, okresu, města, městské části apod.

Obrázek 1: Prostorová reference místa - zeměpisné souřadnice (zdroj: https://www.compose.com/articles/geofile-spatial-reference-systems-2/)

Jako synonymum pro prostorová data se často používá pojem geodata. Přesto, že tyto pojmy nemají ve skutečnosti zcela stejný význam (u geodat je prostor, v němž může být definována jejich poloha, redukován jen na zemské těleso a přilehlé okolí), povolíme si jejich zaměnitelnost.

Jak uvádí Rapant (2006) na příkladu norské studie a dalších, 50 - 80 % dat zpracovávaných veřejnou správou, resp. jí přijímaných rozhodnutí je prostorové povahy. Dále také z různých průzkumů vyplývá, že hlavní uživatelé geodat, jako je stavitelství, veřejná správa, zemědělství, lesnictví a další správci přírodní zdrojů, telekomunikace, doprava, rozvodné sítě atd. vynakládají na geodata 1,5 - 2 % svých rozpočtových prostředků.

Geodata mohou být rozdělena do dvou základních skupin (Rapant, 2006):

• základní geodata (v širším slova smyslu) - nezbytná pro většinu aplikací GIT,
• aplikačně závislá geodata - specifická pro konkrétní aplikaci.
  

7.1.1 Základní geodata

Základní geodata se dnes vymezují dvěma způsoby:

• tzv. referenční geodata,
• tzv. geodata společného základu.
  

7.1.1.1 Referenční geodata

Koncept referenčních dat vychází ze dvou myšlenek:

• Jde o sérii datových sad, ktero používá každý uživatel geodat a geoinformačních technologií pro prostorové referencování svých vlastních geodat.
• Tyto datové sady poskytují obecné prostorové propojení mezi různými aplikacemi a poskytují tak vhodný nástroj pro sdílení znalostí a informací mezi lidmi.

Rererenční geodata jsou používána jako společný základ, umožňující referencovat tematická (resp. aplikačně závislá) geodata. Musí splňovat následující požadavky:

• umožňovat jednoznačnou lokalizaci informací uživatele,
• umožňovat bezproblémové spojování (integraci) geodat z různých zdrojů a od různých poskytovatelů,
• poskytovat kontext, který umožní jiným uživatelům lépe porozumět prezentovaným informacím.

Měla by obsahovt následující komponenty (Rase et al. - in Rapant, 2006):

• geodetická referenční geodata,
• administrativně-správní jednotky,
• parcely a budovy (hranice vlastnických jednotek),
• adresy,
• vybtaná topografická témata (vodstvo, doprava, výškopis),
• ortofotosnímky,
• geografické názvy.

V podmínkách České republiky mohou být příkladem referenčních geodat data ZABAGED (Základní báze geografických dat) poskytovaná Českým úřadem zeměměřickým a katastrálním (ČÚZK) nebo data DMU-25 (Digitální model území 1:25 000) poskytovaná Vojenským geografickým a hydrometeorologickým úřadem (vGHMÚ). Jejich struktura však neodpovídá výše uvedeným požadavkům v plném rozsahu.

ZABAGED

Digitální geografický model území České republiky, který svou přesností a podrobností zobrazení geografické reality odpovídá přesnosti a podrobnosti Základní mapy České republiky v měřítku 1:10 000 (ZM 10) v souřadnicovém systému S-JTSK (WGS84, S-42) a výškovém systému Baltském - po vyrovnání (Bpv).

Obsah je definován katalogem objektů strukturovaným do 8 tématických kategorií, 123 základních typů geografických objektů a více než 350 typů popisných atributů. Objekty jsou v digitální databázi reprezentovány vektorovým polohopisem a příslušnými popisnými a kvalitativními atributy.

ZABAGED obsahuje informace o sídlech, komunikacích, rozvodných sítích a produktovodech, vodstvu, územních jednotkách a chráněných územích, vegetaci a povrchu a prvcích terénního reliéfu. Součástí ZABAGED jsou i vybrané údaje o geodetických, výškových a tíhových bodech na území České republiky a výškopis reprezentovaný buď prostorovým 3D souborem vrstevnic nebo gridem 10 x 10 m.

Obrázek 2: Základní mapa ČR 1 : 10 000 ze ZABAGED (2012) (zdroj: https://geoportal.cuzk.cz/Dokumenty/gako_2016_04_ZABAGED.pdf)

Prvotní naplnění zahájil ZÚ již v roce 1995 vektorovou digitalizací tiskových podkladů ZM 10. Tato základní digitalizace byla s výjimkou zástavby sídel dokončena v roce 2001.

V období do konce 1. čtvrtletí roku 2004 byl doplněn o geografické objekty zástavby sídel, do databáze byly přidány další popisné a kvalitativní atributy včetně vybraných druhů identifikátorů a jednotlivé ukládací jednotky v kladu ZM 10 byly spojeny do „bezešvé“ databáze.

Současně od roku 2001 probíhala první celoplošná aktualizace s cílem zpřesnění a zaktualizování polohopisné složky a revize a doplnění atributové části databáze. Využívány byly zejména fotogrammetrické metody a topografické šetření přímo v terénu. Tato první aktualizace byla ukončena v roce 2005.

V letech 2005 a 2006 byla vedle pokračující aktualizace dat vyprojektována a v závěru roku 2006 provozně nasazena nová technologie aktualizace a správy:

• Vytvořena je centrální databáze, která bude nadále aktualizována v režimu online z detašovaných teritoriálních pracovišť ZÚ. Souběžně bude centrálními pracovišti ZÚ v Praze zajišťována aktualizace vybraných prvků ve spolupráci s centrálními orgány státní správy s cílem zajištění systémových vazeb informačních systémů veřejné správy.
• Další periodická aktualizace a doplňování budou realizovány ve tříletých cyklech s využitím vždy nově zpracovaných leteckých měřických snímků a barevných ortofot, která budou každoročně vytvářena pro jednu třetinu území ČR.
  
• Data se v současné době poskytují po celých mapových listech v kladu ZM 10, dále ve výběru dat v rozsahu krajů, případně jako ucelená bezešvá databáze z celého území ČR a to jako vektorové soubory polohopisu (2D) ve formátu DGN, případně s atributy v MPD pro aplikaci v programových prostředích firmy Intergraph, nebo ve formátu SHP pro aplikaci v programových prostředích firmy ESRI, a dále ve formátu GML.
• V roce 2001 začal ZÚ zpracovávat digitální rastrový kartografický model území z vektorového topografického modelu ZABAGED. Touto novou formou rastrové ZM 10 je již pokryto celé území ČR.
• Data jsou v souřadnicovém systému S-JTSK a výškovém systému Bpv. Umístění TIFF souborů do souřadnicového systému pomocí souborů TFW. Je možné též poskytnout soubory pro georeferenci do sytému WGS84 - zobrazení UTM, případně do S-42.
• Rastrová data se poskytují ve dvou variantách:1. Barevný „bezešvý“ obraz 1 : 10 000 – 400 dpi, čtverec 2 x 2 km; klad čtverců v S-JTSK ke stažení zde:http://www.cuzk.cz/segmenty10.zip2. Obraz „po vrstvách“ m.l. ZM 10 – obraz je rozložen do deseti vrstev. Poskytuje se buď komplet deseti vrstev (úplný obsah) nebo jednotlivé vrstvy; 400 dpi, cca 18 km2, CIT, TIFF.
  

DMÚ 25

Druhým významným zdrojem kvalitních topografických dat je vojenské mapové dílo. Správcem digitálních produktů odvozených z vojenských topografických map je Vojenský geografický a hydrometeorologický úřad (VGHMÚř) se sídlem v Dobrušce. Autorská práva k tomuto dílu spravuje Generální štáb Armády České republiky. I zde najdeme jak rastrové mapy, tak vektorové databáze, a to jako součást budovaného vojenského topografického informačního systému (VTIS). Dílem srovnatelným se ZABAGED je digitální model území DMÚ 25. Jedná se o vektorovou databázi topografických informací o území, která svou přesností a obsahovou náplní koresponduje s vojenskými topografickými mapami měřítka 1:25 000 označovanými TM25. Databáze obsahuje topografické objetky rozdělené do 7 tématických vrstev – vodstvo, sídla, komunikace, vedení sítí, hranice a ohrady, rostlinný a půdní kryt a terénní reliéf. Databáze je bezešvým digitálním modelem celého území České republiky s mírným přesahem přes státní hranici. Na rozdíl od databáze ZABAGED nekončí na státní hranici, ale zobrazuje ještě několik kilometrů široké pásmo sousedních států.

DMÚ 25 je k dispozici jako IMS a WMS2 služba na adrese Geoportálu CENIA.

Měřítko (resp. prostorové rozlišení) je závislé na úrovni použití referenčních geodat. V tabulce 1 jsou uvedeny rozsahy prostorového rozlišení a rozsahy měřítek tak, jak byly navrženy v Rase et al., 1995 (in Rapant, 2006):

Tabulka 1: Rozsahy prostorového rozlišení a rozsahy měřítek pro jednotlivé úrovně referenčních geodat

geografická úroveň	rozsah prostorového rozlišení	úroveň měřítka	rozsah měřítek
evropská	> 100 m	malá měřítka	< 1:250 000
národní	~ 25 m	střední měřítka	1: 100 000 - 1:250 000
regionální	~ 10 m	střední měřítka	1:25 000 - 1: 50 000
lokální	< 2,5 m	velká měřítka	> 1:25 000

7.1.1.2 Geodata společného základu

Geodaty společného základu je míněna sada geodat nezbytných pro optimální užívání většiny aplikací GIT, tj. geodat, která představují dostatečnou (prostorovou) referenci pro většinu prostorově vztažených dat. Základní geodata tak mohou zahrnovat daleko nižší počet geoprvků nezbytných pro prezentaci daného tématu.

Tato geodata by měla být volně sdílena všemi uživateli, aby byl zajištěn lokalizační základ pro všechny aplikace a byly minimalizovány náklady spojené s tvorbou a údržbou základních geodat (Rapant, 2006).

základní geodata byla dlouhou dobu pořizována a šířena v analogové formě geodetickými a kartografickými organizacemi. Dnes se používají převážně v digitální podobě. Pomocí GIT mohou být různým způsobem získávána, šířena, modifikována a kombinována s jinými daty.

7.1.2 Aplikačně závislá geodata

Aplikačně závislá geodata pokrývají všechny ostatní oblasti geodat, která mohou být použita v jednotlivých aplikacích. Jako příklad lze uvést socioekonomická data, data o přírodních zdrojích, případně i účelové verze základních dat (např. středové linie silnic pro potřeby navigace vozidel). Jedná se většinou o tematická data.

Podle charakteru získaných vstupních dat zdroje dělíme:

1. Primární – mezi primární zdroje řadíme veškeré formy měření v terénu, které provádíme právě za účelem budování naší geodatabáze. Data vznikají z ničeho, máme možnost ovlivnit spoustu parametrů souvisejících s jejich pořízením a především jejich důveryhodnost a přesnost. Pořízení dat muže však být velmi pracné, drahé a časově náročné. Lze předpokládat, že se do toho pustíme v situacích, kdy nemáme jinou možnost.
2. Sekundární – veškeré formy získávání dat z již hotových geodatabází, které vznikly puvodně pro jiné účely (kdysi byly primární). Tento zdroj dat je nejobvyklejší. Dokonce existují instituce zabývající se sběrem dat a prodejem licencí na geodata. Zřejme se pokusíme o tento zdroj dat, když je to ekonomičtější než je pořizovat osobně. Nevýhodou sekundárních zdrojů dat je jejich pravděpodobná odchylka od našeho konkrétního záměru.
   
   

7.2 Primární zdroje dat

Primární zdroje zahrnují veškerá měření, která proběhla přímou přítomností měřitele v dané lokalitě formou přímého kontaktu měřícího zařízení se zkoumaným jevem (různé formy geodetických měření) nebo nějakou variantou pořízení snímku nekontaktním způsobem - z dálky (DPZ).

DPZ je všeobecně známá zkratka pro Dálkový Průzkum Země (angl. Remote Sensing). Je to disciplína založená na zkoumání reality z dálky. V praxi nacházíme tyto podoby DPZ:

• Letecké snímkování - pořizování fotografií povrchu terénu z relativně nízko letícího letadla. V této disciplíne v ČR jasně vede brněnská firma Geodis.
• Snímkování objektů z povrchu Země - například laserové skenování 3D objektu (budov).
• Multi-spektrální snímkování Země z velké dálky pomocí vesmírných družic (na polárních drahách nebo geostacionárních drahách) nebo například meteorologických balónů v nejvrchnejších vrstvách atmosféry.

S fotografováním Země z dálky souvisí další obory spojené se zpracováním fotografie - fotogrammetrie a fotointerpretace.

7.2.1 Geodetická měření

Geodetické měření je v současné dobe nejpřesnější a beztak i nejspolehlivější způsob získání (geometrické) informace o zkoumané lokalitě. Mělo by vycházet z potřeby získání nějaké konkrétní informace v nějaké konkrétní lokalitě. Pro geodetické měření obvykle využíváme nějakou formu geodetického zápisníku, do kterého zapisujeme získané údaje. Technickou realizaci elektronického geodetického zápisníku si snad dokážeme představit. Do zápisníku zaznamenáváme:

1. Geografickou polohu měřícího členu (může být součástí zápisníku) - typicky prostredky globálního zjištování polohy (nějaká forma GPS). Systémy GPS se stále velmi vyvíjí a dosahují stále vyšší přesnosti určení polohy.
2. Hodnotu zkoumaného jevu získanou měřícím členem.
3. Čas a další okolnosti měření, jako například důležité vlivy ovlivňující měření.

Lze předpokládat, že po návratu z měření přeneseme data ze zápisníku do pořizované geodatabáze a dále budeme dále v rámci postprocessingu upravovat. Jako příklady zápisníku si mužeme predvést oblíbený pocítac typu Palm a program ArcPAD (v rámci rodiny ArcGIS).

Obrázek 3: Získávání dat pomocí geodetických měření (zdroj: http://gis.fzp.ujep.cz/files/5.prednaska.pdf)

Zaměřování je geodetická činnost, při které se u libovolných objektů zjišťuje jejich skutečný tvar, rozměr a umístění. Výsledkem této činnosti je tedy např. mapa, výkres, plán, souřadnice bodů atd. Z těchto výstupů lze dále odvozovat různé geometrické parametry, a to jak daného objektu, tak i vzájemné vztahy mezi různými objekty.

Nejběžnější úlohy pro zaměření a jeho následné zpracování jsou např. vyhotovení mapy území, vytvoření podkladu pro projekt nové výstavby nebo rekonstrukce, zaměření skutečného provedení pro kolaudaci, vyhotovení stavební dokumentace existujících objektů, zaměření ploch pro výpočet výměr, zaměření terénu pro výpočet kubatury a další.

Geodetické měření využíváme při tvorbě map velkých měřítek (katastrální mapy, technické mapy, plány apod.), neboť produkuje vektorová data s přesností v jednotkách cm.

7.2.2 Dálkový průzkum Země

Dálkový průzkum Země (DPZ) je metoda získávání informací o objektech na zemském povrchu bez přímého kontaktu s ním. DPZ zahrnuje kompletní proces získávání informace od pořízení dat, jejich zpracování, analýzu až po výslednou vizualizaci a interpretaci obrazu.

Jedná se o moderní geoinformační technologii, která se v současnosti dostává do povědomí stále širšího okruhu odborné i laické veřejnosti. K tomu přispívá zejména fakt, že tato technologie má oproti klasickým pozemním měřením řadu výhod. Druhým důvodem je pak neustálý rozvoj družicových technologií a výpočetní techniky, a tím i zjednodušení dříve náročných postupů.

7.2.2.1 Základní principy DPZ

Základním principem DPZ je měření množství elektromagnetického záření odraženého nebo vyzařovaného zemským povrchem (obrázek 4). Zdrojem tohoto záření je každý objekt na zemském povrchu, jehož teplota je větší než absolutní nula (tj. -273,15 °C). V případě DPZ je uvažováno jednak záření vydávané samotným povrchem Země, ale i sluneční záření povrchem odrážené, případně záření vydávané umělým zdrojem (např. radarem), které zemský povrch odráží. Zemský povrch a objekty na něm mají určité fyzikální vlastnosti; při dopadu elektromagnetického záření na tento povrch dojde k vzájemné interakci záření s konkrétním povrchem, na který dopadá. Odražené záření nám pak podává informaci o povrchu, od kterého se odrazilo (obrázek 5). Zjednodušeně řečeno na základě záření odraženého zemským povrchem jsme schopni určit, o jakou látku se jedná.

Obrázek 4: Princip DPZ (zdroj: Upraveno podle http://geoportal.icimod.org)

Obrázek 5: Projev různých typů povrchu na družicovém snímku - spektrální křivka. (zdroj: http://copernicus.gov.cz/zakladni-informace-a-princip-dpz)

Elektromagnetické záření, které je odraženo nebo vydáváno zemským povrchem, je v případě DPZ zaznamenáváno speciálními přístroji - radiometry, které mohou být neseny letadlem nebo družicí. Následně hledáme vztah mezi hodnotami záření naměřenými radiometrem a vlastnostmi zemského povrchu, ze kterého toto záření pochází. Radiometr snímající elektromagnetické záření může být nesen družicí nebo letadlem, ve vzácných případech jsou používány i pozemní nosiče.

DPZ má oproti klasickým metodám pozemních měření řadu výhod. Data jsou pořízena poměrně rychle i za rozsáhlá území. Zároveň jsou získávána za celou plochu, odpadá tak nutnost interpolace z bodových měření. Prováděná měření jsou opakovatelná; je tak možné získat pro konkrétní území časovou řadu snímků za určité období. Tím dochází i ke snížení finančních nákladů za pořízení dat. DPZ zároveň umožňuje získávání informací i ze špatně přístupných míst. Díky možnosti automatizace celého procesu zpracování družicových nebo leteckých snímků je možné lépe provádět dlouhodobý a udržitelný monitoring potřebné oblasti.

Velkou předností DPZ je možnost záznamu informace pro člověka neviditelné. Lidské oko je schopné zaznamenávat pouze viditelné záření o rozsahu vlnových délek přibližně 380 - 720 nm (obrázek 6), zatímco pro DPZ jsou využívány vlnové délky cca 300 nm - 1 m.

Obrázek 6: Elektromagnetické záření (zdroj: http://copernicus.gov.cz/zakladni-informace-a-princip-dpz)

Při použití delších vlnových délek je možné sledovat daleko více charakteristik povrchu. Např. vegetace má v infračervené části spektra daleko výraznější projev než ve spektru viditelném, na infračervených snímcích je tak daleko lépe odlišitelná od ostatních povrchů. Pokud byl snímek pořízen v tepelné části spektra, je možné z něj určit teplotu objektů na zemském povrchu.

Některé družice mají i tzv. panchromatické pásmo, které zahrnuje oblast viditelného záření. Toto pásmo mívá vyšší rozlišení než ostatní pásma; pomocí techniky zvané pansharpening je s jeho pomocí možné zlepšit rozlišení multispektrálního obrazu.

Systémy DPZ používají ke snímání dva druhy senzorů:

• pasivní – zaznamenává vyzářené nebo odražené elektromagnetické vlny,
• aktivní – používá svůj vlastní zdroj elektromagnetického vlnění, tudíž je možné jej používat jak ve dne, tak v noci. Výhodou aktivních senzorů je také schopnost monitorovat mnohem delší vlnové délky. Výhodou delších vln je schopnost lépe pronikat atmosférou, mraky a dokonce i mělkou vodou. Nevýhodou aktivních systémů je nutnost poskytovat energii senzoru.
  

Parametry družicových dat

Při výběru vhodných dat DPZ pro konkrétní aplikaci je nutné zaměřit se na několik základních parametrů družicových snímků. Prvním z nich je prostorové rozlišení (obrázek 7), které nám definuje, jak velká plocha na zemském povrchu odpovídá jednomu pixelu na snímku.

Obrázek 7: Prostorové rozlišení snímku (zdroj: National Ecological Observatory Network)

Čím vyšší je prostorové rozlišení, tím větší podrobnosti lze na snímku rozeznat. V tomto ohledu lze rozlišovat družice nízkého rozlišení pořizující snímky o velikosti pixelu větší než 1 km. Snímky tohoto prostorového rozlišení jsou sice málo podrobné, avšak zachycují velkou část zemského povrchu a snímkování je možné provádět velmi často, i několikrát denně. Tento typ rozlišení je typický pro meteorologické družice, jakými jsou např. NOAA nebo MetOp. Družice středního rozlišení mají velikost pixelu v rozmezí 100 až 250 metrů. Využívají se především pro studie regionálního rozsahu, přičemž snímání jednoho povrchu je opakováno v řádu několika dnů. Střední prostorové rozlišení má např. družice Envisat. Velikost pixelu dat vysokého rozlišení je cca 10 až 50 metrů, patří sem např. družice Landsat nebo SPOT. Snímky středního a vysokého rozlišení jsou používány zejména pro monitorování zemského povrchu (např. sledování oceánů, zdravotního stavu vegetace nebo mapování v regionálním měřítku). Pomocí družic velmi vysokého rozlišení lze již sledovat zemský povrch velmi detailně, velikost pixelu je v tomto případě 5 metrů a méně. Takto podrobná data jsou využívána především pro územní plánování či podrobné lokální mapování. Družice velmi vysokého rozlišení jsou většinou provozovány komerčními subjekty a pořizují data na objednávku.

Dalším důležitým parametrem dat DPZ je časové rozlišení (obrázek 8), které udává, s jakou časovou periodou jsou pořizována za stejné území. Zatímco meteorologické družice nízkého prostorového rozlišení mohou snímek stejného území pořídit několikrát denně, v případě družic s rozlišením v řádu metrů se měření opakují jen velmi málo.

Obrázek 8: Časové rozlišení snímku (zdroj: Dobrovolný)

Spektrálním rozlišením je myšlena jednak šířka elektromagnetického spektra, jakou je radiometr schopen snímat, ale i počet pásem, do kterých je tento interval rozdělen. V tomto ohledu je možné rozlišovat multispektrální data, která obsahují několik jednotek pásem o šířce v řádu desítek nm, a hyperspektrální data, která obsahují několik desítek až stovek spektrálních pásem o šířce několika nm. Hyperspektrální snímky proto poskytují velmi podrobnou informaci o zemském povrchu (obrázek 9).

Obrázek 9: Spektrální rozlišení snímku (zdroj: Dobrovolný)

V současnosti obíhá kolem Země množství družic, které se liší svým prostorovým, časovým a spektrálním rozlišením a jsou tak vhodné pro různé aplikace.

7.2.2.2 Radarový DPZ

Pokud chceme sledovat zemský povrch v delších vlnových délkách, je nutné využít vlastní zdroj energie, neboť záření Země i Slunce je v této oblasti poměrně nízké a tím i obtížně zaznamenatelné. Toto lze obejít použitím tzv. zobrazujících radarů generujících vlastní záření, které je následně zemským povrchem odrážené. Radary pracují v oblasti mikrovlnného záření (cca 0,8 - 100 cm). Použitá vlnová délka přitom ovlivňuje pronikavost záření; při použití vlnových délek delších než 30 cm je za určitých podmínek možné sledovat i objekty pod povrchem. Protože radar produkuje vlastní záření, na rozdíl od optických dat není závislý na denní době a na počasí. Radarové snímky je tedy možné pořizovat i v noci a jeho paprsky prochází skrze oblačnost (s výjimkou vlnových délek kolem 1 cm, které jsou naopak používány k detekci srážek). Radarová data proto mají široké využití v meteorologii, v krizovém řízení (díky schopnosti radarového záření proniknout skrz oblačnost jsou často využívány při povodních) či pro detekci ledu a sněhu. Další využití naleznou radarová data při tvorbě výškových modelů terénu a sledování terénních změn (díky diferenční radarové interferometrii je možné pozorovat vertikální pohyby terénu v řádu cm až mm).

Obrázek 10: Radarová data (zdroj: http://copernicus.gov.cz/zakladni-informace-a-princip-dpz)

Podívejte se na oblasti využití DPZ.

Další doporučený zdroj pro zájemce: VŠB - TU Ostrava - DPZ

7.2.2.3 Fotogrammetrie

Fotogrammetrie se zabývá rekonstrukcí tvarů, měřením rozměrů a určováním polohy předmětů, které jsou zobrazeny na fotografických snímcích. Obecněji lze fotogrammetrii definovat jako vědní obor zabývající se zpracováním informací na fotografických snímcích. Fotogrammetrie tvoří např. důležitou součást dálkového průzkumu Země (DPZ). Používá se také při vyhodnocování snímků meteorů pořízených bolidovými kamerami.

Název fotogrammetrie vznikl složením tří řeckých slov photos – světlo, gramma – záznam, metron – měřit. Slovo fotogrammetrie vzniklo ze snahy nazvat vhodným termínem činnost zabývající se měřením fotografických snímků.

Fotogrammetrie je umění, věda a technika získávání informací o fyzických objektech a prostředí skrz proces zaznamenávání, měření a interpretace fotografických snímků a obrazů vzorů elektromagnetického záření a dalších jevů.

Informace ve fotogrammetrii si lze představit jako geometrické vztahy, jako jsou tvar, velikost, poloha zobrazovaných objektů; při snímkování ve více spektrálních pásmech lze určit i druh a stav objektu.Výhodou fotogrammetrie je využívání bezkontaktní metody měření. Objekty mohou být vzdáleny od místa snímkování.

Vývoj fotogrammetrie

Vývoj fotogrammetrie si můžeme shrnout v několika bodech:

• Počátky sahají daleko před vynález fotografie (1839-Daguerre).
• Pprvním, kdo uvedl do praxe centrální promítání (základní zobrazovací metoda ve fotogrammetrii), byl Leonardo da Vinci (15. století) - pomocí dírkové komory (kamera obscura) obkresloval středové průměty, z nichž rekonstruoval mapové obrazy.
• Za zakladatele fotogrammetrie je považován Laussedat (Francie), který začal fotografické snímky využívat pro měřické účely.
• První fotogrammetrické měření u nás provedl Dr. Kořistka – průsekovou metodou určil polohu významných bodů na území Prahy (1867).
• s rozvojem létání se začala rozvíjet i letecká fotogrammetrie – první snímky ze vzduchu již v roce 1858, ale velký rozmach až během první světové války (sledovací a interpretační účely).
• Na území našeho státu se první letecké stereofotogrammetrické mapování uskutečnilo v roce 1921.
• Rychlý vývoj počítačových technologií koncem 80-tých let – vznik prvních digitálních systémů – nová oblast (digitální fotogrammetrie).

Podle počtu vyhodnocovacích snímků dělíme fotogrammetrii na:

• jednosnímkovou - naa samostných snímcích lze měřit pouze rovinné souřadnice. V letecké fotogrammetrii lze takto pořídit polohopisnou složku rovinatého území a to jak ze snímků svislých, tak se šikmou osou záběru.
• dvousnímkovou - pomocí dvousnímkové fotogrammetrie lze vyhodnit z dvojice snímků prostorové souřadnice objektu. Předmět měření musí být současně zobrazen na obou snímcích. Pokud se k vyhodnocení snímků využívá stereoskopického vjemu, mluvíme o stereofotogrammetrii.

Podle způsobu zpracování snímků (tzv. převod snímkových souřadnic na rovinné nebo prostorové souřadnice) fotogrammetrii dělíme na metodu:

• analogovou - k vyhodnocení je potřeba opticko mechanické zařízení obsluhované speciálně vyškolenou obsluhou s dlouhodobým zácvikem.
• analytickou - metoda analytická převádí snímkové souřadnice do geodetických pomocí prostorových transformací, které se řeší na počítačích.
• digitální - Tato metoda využívá jako vstupní informace digitální obraz. Tento může být naskenovaný klasický snímek, nebo snímek pořízený přímo digitálním fotoaparátem.

Mezi nejčastěji používané druhy výstupů patří: * 3D mračno bodů, * ortofoto zájmové oblasti, * účelová mapa, * vrstevnicový plán.

Princip fotogrammetrie

Informace o předmětech se nezískávají přímým měřením, ale měřením jejich fotografických obrazů. Fotogrammetrie využívá ke své práci fotografické snímky, které jsou nositelem informací (měřických, o předmětech měření-tvar, rozměr, poloha). snímek je exaktním středovým průmětem předmětu (obrazem každého bodu, přímky a roviny je zase bod, přímka a rovina, spojnice předmětového a obrazového bodu prochází středem promítání). Základním úkolem fotogrammetrie je převedení tohoto středového průmětu na průmět pravoúhlý. Vstupem je fotografický snímek a výstupem je mapa nebo plán. V rámci fotointerpretace (obrázek 12) pak provádíme rozpoznání, identifikování a klasifikování předmětů zobrazených na fotografických snímcích. Geometrické vztahy mezi předmětem a jeho snímkem lze určit pomocí fotogrammetrických přístrojů (početně, graficky, mechanicky).

Rozlišujeme fotogrammetrii:

• leteckou,
• pozemní a
• blízkou.

Před snímkováním povrchu je nejdříve nutno provést fotogrammetrickou signalizaci bodů, na nichž se poté bude geodeticky doměřovat. Tyto body musejí kontrastovat s okolím. Existují 3 fotogrammetrické metody, podle nichž se snímkování provádí: univerzální, kombinovaná a integrovaná.

Pozemní fotogrammetrie

Vzhledem k tomu, že pozemní fotogrammetrie je nejvhodnější pro použití ve výškově členitém terénu, její pole pùsobnosti je při mapovacích pracích značně omezené. Ze začátku se uplatňovala především při mapování ve vysokohorském terénu. Mnohem větší význam má při určování kubatur těžby (a to i v současnosti) v povrchových dolech, měření pohybů mostů a těles hrází a ve velké míře ve stavebnictví při dokumentování fasád, kleneb a to historických, nebo jinak důležitých budov. Dále se využívá v kriminalistice při dokumentování místa trestného činu nebo dopravních nehod, kde je známá pod pojmem blízká fotogrammetrie.

Ve stavebnictví se pozemní fotogrammetrie používá především pro dokumentaci stavebních objektů, ať již památkových, anebo nových. Lze ji využít jak pro zaměřování exteriérů, tak i interiérù. Dokumentace stavu kleneb, které by se jinak těžko zaměřovaly, je pomocí pozemní fotogrammetrie velmi rychlá a snadná. Pro rovinné stavební objekty se využije jednosnímkové fotogrammetrie, pro dokumentaci prostorově členitých staveb stereofotogrammetrie. Ukázku využití klasické pozemní fotogrammetrie a jejího digitálního vyhodnocení představují obrázky 13 a 14.

Obrázek 13: Fotografie klenby kostela (zdroj: Böhm, 2002)

Letecká fotogrammetrie

Letadla jsou starším typem nosiče. Takto pořízené snímky mají většinou lepší prostorové rozlišení než v případě snímků družicových. Jejich provoz je operativnější, tzn. letadlo je možné rychleji nasměrovat nad snímané území, než je tomu u družice. Nevýhodou leteckých nosičů je zejména větší prostorové zkreslení a dražší pořízení snímku než v případě družice. Letecké snímky jsou využívány zejména pro tvorbu ortofotomap (např. Ortofoto České republiky pořizované ČÚZK). Vzhledem k vyšší technologické náročnosti konstrukce hyperspektrálních senzorů jsou letecké nosiče velmi často využívány pro pořizování hyperspektrálních dat. Příkladem jsou např. senzory AISA nebo HyMap, používané zejména v oblasti geologie a pro studium vegetace.

Obrázek 15: Letecká data (zdroj: http://copernicus.gov.cz/zakladni-informace-a-princip-dpz)

Letecká fotogrammetrie je geodetická metoda, při které se geometrický tvar části zemského povrchu neurčuje v terénu, ale na jeho obraze pořízeného ze vzduchu. Snímací zařízení umístěné na létajícím nosiči pořizuje snímky během letu. Schopnost fotografického snímku - zachytit ve zlomku vteřiny celou zájmovou oblast - je nenahraditelná při dokumentování rychle se měnících dějů, jako je dokumentace území postižených povodněmi, vichřicemi, požáry a podobně. Její nenahraditelnost je v těžko přístupných nebo nepřístupných oblastech, kde se jiná měřická metoda ani nedá použít.

Výhodou letecké fotogrametrie je tedy velká plocha zobrazená na snímku. Nevýhodou je pak neznalost přesné prostorové polohy snímku v okamžiku expozice, což vede ke složitějšímu zpracování. Podle směru fotografování (směru osy záběru) rozeznáváme snímky:

• horizontální,
• vertikální,
• šikmé.

Podle způsobu fotografování pak rozlušujeme snímky:

• jednotlivé (orientační),
• řadové - fotografovány za sebou tak, aby se překrývaly.

Podélný překryt snímků v řadách by měl být 60 %, překrytí řad 30 %. Pak máme jistotu, že každé místo v terénu bylo vyfotografováno dvakrát. Nejvýhodnější a nejpoužívanější jsou snímky svislé, u kterých je jednotné měřítko po celé ploše snímku.

Obrázek 16: Letecké snímkování (zdroj: photogrammetry-nec-for-students)

7.3 Sekundární zdroje dat

Sekundární zdroje jsou dány bankou již existujících vyhotovených mapových děl. Vycházíme z předpokladu, že jejich znovupoužitím ušetříme prostředky, které bychom jinak museli vynaložit na vlastní měření. Rozlišujme:

• Analogové zdroje - nejčastěji papírové mapy, které musíme naskenovat nebo jiným způsobem digitalizovat do podoby počítačového obrazu. Dalším zpracováním obrazu je jeho rektifikace (transformace souradného systému) a případná vektorizace.
• Digitální zdroje v podobě existujících gisovských souborů s mapovými vrstvami. Mohou již být geokoordinovány (definovány v nějakém geografickém souřadném systému).
  

Obecně lze o sekundárních zdrojích, říci, že jsou v nich obsaženy chyby získané již během prvního zpracování dat, tudíž nemohou být přesnější než zpracovávané primární zdroje. Analogové zdroje lze do digitální podoby převést tzv. digitalizací.

7.3.1 Digitalizace mapových podkladů

Předpokládejme, že máme mapový list naskenovaný a uložený v souboru ve formě obrázku (například TIFF). Je nutné si uvědomit, že se jedná pouze o obrázek, který nemá s mapou zatím vůbec nic spolecného – obsahuje sice něco, co človek vidí jako mapu, ale tento obrázek stroji nedává vůbec žádnou informaci.

Při digitalizaci mapových papírových podkladů řešíme v zásadě dva úkoly:

1. Rektifikovat (geokoordinovat, georeferencovat) naskenovaný obrázek - potřebujeme dát obrázku charakter mapy, což znamená ho predevším někam umístit v geografickém prostoru.
2. Vektorizovat vybrané objekty v obrázku - vytáhnout z něj nekteré další vektorové vrstvy.

Georeferencování je prvním krokem zpracování skenu. Obrázek je matice barevných bodů a má rozměr například 1000x1000 obrazových bodů. Naše mapa je tudíž v tomto okamžiku v souřadném systému X-Y a zkoumané objekty (například hranice katastrálních parcel) mají souřadnice v rámci tohoto obrázku. Rozhodně proto nemají souřadnice v systému S-JTSK nebo WGS-84 a jsou tudíž pro GIS systém zcela nepoužitélné. Existují matematické postupy transformace těchto X-Y souřadnic do souřadných systémů GIS.

Úkolem georeferencování je tedy dát původně počítačovému obrázku charakter mapy, kde jsme schopni v každém jejím bode určit geografickou souřadnici a měřit vzdálenost k jiným bodům. Navíc je třeba pochopit, že vstupní mapa vznikla za jistých okolností, kdy bylo použito jisté měřítko, náhradní elipsoid, případne zobrazení. To rozhodlo o usporádání objektů na ploše mapy. My se chystáme zavést obrázek do obecně jiného prostředí s jinými parametry. Lze očekávat, že po importu obrázku do našeho GIS systému bude obrázek vůči původní předloze zdeformovaný. Svůj účel však bude plnit.

Georeferencování je poměrně složitý algoritmus. Je naštěstí běžnou součástí GIS nástrojů. Algoritmus je založen na zadání tak zvaných referenčních bodů. Referenční bod je bod v obrázku pro který známe jeho reálnou polohu (například ve formátu šírka-délka).