Mobilní Geomorfologický Informační Systém

Semestrální práce z AGI


1. Abstrakt
2. Úvod
3. Mobilní GIS
4. Struktura GmIS databáze
5. Spojení mobilního GIS a GmIS
5.1. Struktura tabulek
5.2. Vytvoření projektu pro ArcPad
5.3. Editace a ovládání v ArcPadu
5.4. Check In
6. Závěr
Použité zdroje:

1. Abstrakt

Práce se zabývá vytvořením základní struktury dokumentační části databáze pro „geomorfologický informační systém“ a následným postupem jejího naplnění, pomocí „mobilního GIS“, a aktualizace. Mobilní GIS se díky rozvoji mnoha rozdílných a stále výkonnějších mobilních zařízení dostává do popředí zájmů firem i veřejnosti a do stále častějšího využití. Zejména v USA je takovýto sběr dat pomocí aplikace ArcPad poměrně častý - dle diskuzních fór k tomuto produktu.

2. Úvod

Geomorfologický Informační Systém (GmIS) jako speciální typ GIS zaměřený na sběr, uchování a analýzu geomorfologických dat je nástroj určený pro různé geomorfologické analýzy. Právě na sběr geomorfologických dat se zaměřuje moje práce. Následující výčet uvádí typické existující metody sběr dat [3].

  1. Klasické "analogové" (papír, tužka) geomorfologické mapování a následné zanesení informací do GmIS v počítači.

  2. Data jsou sbírána digitálně, nejčastěji pomocí GPS, eventuelně i jinými metodami. Atributové vlastnosti jsou zaznamenávány zvlášť a poté v kanceláři doplněny do struktury.

  3. Sběr dat je prováděn zcela digitálně pomocí lehkého GIS klienta. Data se do něho exportují a po skončení akce z něho zpět importují do GmIS.

  4. Plně digitální sběr pomocí silného GIS klienta. V podstatě nasazení celého GmIS v terénu za využití odolných notebooků. poměrně finančně náročné.

Reálně se pro mGmIS uvažuje se dvěma variantami tohoto sběru a to s body 2 a 3. Semestrální práce je založena na druhém způsobu ovšem sběr je prováděn pomocí silného klienta. GIS klienta představuje aplikace ArcPad 7.0 firmy ESRI. Serverová část databáze je realizována desktopovým produktem ArcGIS, do kterého jsou data z klienta po ukončení sběru či editace importována a podrobována nejrůznějším analýzám.

3. Mobilní GIS

Mobilní GIS se v jeho několika definicích dělí dle možnosti využití na dvě části. „Field-based GIS“ a „Location Based Services“ (LBS). Field-based GIS je zaměřen především na sběr, aktualizaci a analýzu prostorových a atributových dat. LBS se zaměřuje na poskytování GIS využívajících služeb pro navigaci v terénu, silničním provozu, logistice a dalším. Tedy, mobilní GIS je integrovaný technologický celek pro přístup ke geoprostorovým datům a LBS (Location Based Services ) z mobilních zařízení jako je Pocket PC, PDA a mobilních telefonů [1]. Na obrázku je uvedena tabulka s popisem těchto dvou technologií a s výčtem hlavních využití každé z nich.

Obrázek 1. Hlavní technologie a možnosti využití Field-based GIS a LBS [1].

Hlavní technologie a možnosti využití Field-based GIS a LBS [1].

Podle dalšího možného dělení lze mobilní GIS rozčlenit podle způsobu jeho fungování se softwarovým okolím:

  1. off-line mode,

  2. wired internet mode,

  3. wireless internet mode.

Off-line mode pracuje nezávisle na síti. Wired mode přistupuje k datům na síti pomocí klasického internetu, wireless internet mode pracuje stejně, pouze propojovací síťová technologie je jiná (bezdrátová). Vzhledem ke své podstatě se v mobilním GIS více používá právě wireless internet.

Z definice mobilního GIS od ESRI (Environmental System Research Institut) plyne, že hlavními technologiemi, na kterých stojí mobilní GIS jsou [1]:

  1. mobilní zařízení,

  2. GPS,

  3. bezdrátová síť pro přístup do klasického serverového GIS pomocí internetu.

Klientské aplikace určené pro mobilní GIS se dají rozdělit podobně jako aplikace v klasických počítačích. Jestliže aplikace není závislá na připojení do sítě a může pracovat off-line, můžeme mluvit o aplikaci typu „tlustého klienta“. Pokud jádro běží na serveru, musí být připojeno do sítě a funguje jako jakýsi terminál, hovoříme o aplikaci typu tenkého klienta.

Výhody a nevýhody jsou následující. „Tenký klient“ disponuje větší mírou kompatibility a nízkými nároky na výkon platformy na které běží. Jeho nevýhodou je samozřejmě nutnost stálého připojení v síti. Naopak „Tlustý klient“ může pracovat všude, ale jeho nároky na výkonnost zařízení, na kterém běží mohou být značné. A to v případě mobilních zařízení (PDA, mobilní telefony) může být problematické, protože do mobilních zařízení se nemohou v současné době zabudovat nejvýkonnější komponenty (např. pro jejich technické a fyzikální parametry). Další problém v použití aplikace typu „tlustého klienta“ je v rozmanitosti mobilních zařízení (operační systémy, procesory, různá rozlišení výstupních displejů). V případě mobilního GIS se používá nasazení především tlustého klienta.

4. Struktura GmIS databáze

V této kapitole je nastíněna struktura geomorfologického informačního systému (GmIS), jakožto specifického GIS určeného pro sběr, zpracování a generování geomorfologických údajů. Koncepce je postavená na struktuře vrstvené geodatabáze a funkčních vztazích jednotlivých vrstev. Definovány jsou tři základní skupiny vrstev [2]:

  1. Převzaté vrstvy – již existující geomorfologicky relevantní prostorové informace, které byly vytvořeny za jiným účelem. Spadají sem např. topografické mapy a ortofotomapy, mapy půd a podobně.

  2. Základní geomorfologické vrstvy – nezávislé skupiny geomorfologických informací o zájmovém území. Do této zkupiny spadá i praktická část této práce a proto o ní bude pojednáno více níže.

  3. Speciální geomorfologické vrstvy – další geomorfologické vrstvy, které jsou tvořeny účelovým zpracováním převzatých a základních vrstev.

Základní geomorfologické vrstvy jsou tedy to, co vzniká pro účely GmIS přímo z hrubých (měřených a zásadním způsobem neupravovaných) dat, které neprošly žádnými analýzami apod. Do této skupiny spadají především [2]:

  1. Digitální model reliéfu (DMR) – poskytuje nejen reprezentaci pole nadmořských výšek, ale i odvozených morfologických parametrů (sklony, orientace, křivosti, ...), generované profily nebo prostorová zobrazení.

  2. Elementární formy – vrstva elementárních plošných geomorfologických jednotek definovaných konstantní hodnotou podstatných morfologických parametrů uvnitř a nespojitou hranicí formy.

  3. Bazény – přirozené hydro-geomorfologické jednotky, reprezentující prostorovou organizaci nejdůležitějších exogenních procesů.

  4. Dokumentační materiály – body, linie a polygony charakterizované geomorfologicky relevantními údaji získaných terénním sběrem dat nebo z převzatých vrstev.

  5. Morfodynamické fenomény – zahrnují informace o výskytě současných geomorfologických procesů, které pocházejí z dokumentačních materiálů, měření, převzatých vrstev a dalších.

  6. Geomorfologická mřížka – generalizace významných liniových elementů georeliéfu.

  7. Genetické skupiny forem – průžezové vrstvysložené z jednotlivých morfologických skupin.

Praktická část práce je potom zaměřena na založení vrstev pro dokumentační materiály a morfodynamické fenomény a jejich následné použití při sběru dat společně s některými vrstvami převzatými. Struktura databáze bude připravena tak aby ji bylo možné použít přímo v terénu k tomuto sběru.

5. Spojení mobilního GIS a GmIS

Praktické nasazení tohoto přístupu lze realizovat pomocí již existujících GIS produktů firmy ESRI. Právě spojení jejich geodatabáze a aplikace ArcPad umožňuje efektní a poměrně jednoduché provozování mobilního GmIS. ArcPad je příkladem tlustého (silného) klienta, určeného pro mobilní zařízení, do kterého jsou nahrána naše zájmová (např. geomorfologická) data a pomocí něho v terénu editována nebo přímo sbírána nová.

5.1. Struktura tabulek

Jednotlivé prvkové třídy (feature class) byly vytvořeny v datasetu BasicLayers. Prvková třída ElementaryForms (obsahuje plošné prvky) byla převzata z dřívějšího projektu oddělení geomatiky na ZČU. Třída obsahuje již vytvořené elementární plošné geomorfologické jednotky nad zájmovým územím v okolí Prášilského jezera na Šumavě. Nově byly vytvořeny prvkové třídy pro dokumentační materiály, morfodynamické fenomény a profilové prvky.

Obrázek 2. Struktura vytvořené databáze

Struktura vytvořené databáze

V jednotlivých tabulkách byla vytvořena následující atributová pole:

OJECTID*

– automaticky vytvořené pole při založení feature class. Obsahuje jedinečný identifikátor každého objektu. Hvězdička značí, že pole je indexované.

SHAPE*

– automaticky vytvořené pole při založení feature class. Obsahuje popis geometrie objektu. Hvězdička značí, že pole je indexované.

Nazev

– formát text, 50 znaků. pojmenování objektu.

Popis

– formát text, 50 znaků. Určeno pro bližší popis objektu.

OdkazNaDokumentaci

– formát text, 200 znaků. Obsahuje odkaz na externí dokumentaci k danému objektu.

Datum

– formát date. Datum vytvoření objektu.

SHAPE_Length

– automaticky vytvořené pole – pouze u typu Lines a Polygons. Obsahuje délku grafického vyjádření prvku.

SHAPE_Area

– automaticky vytvořené pole – pouze u typu Area. V atributu je uložen obsah grafického objektu.

Z těchto prvkových tříd byl vytvořen projekt v aplikaci ArcMap. Přípona souboru ve kterém jsou definovány cesty k jednotlivým souborům použitým v projektu a další jeho atributy, má příponu *.mxd. Jedná se vlastně o referenční soubor projektu.

GIS server Cenia (geoportal.cenia.cz), poskytuje zdarma, množství tématických vrstev, které je možno připojovat k projektům v ArcMap. Z tohoto portálu byla přidána vrstva ortofota s rozlišením 1m/pixel, jako rastrová vrstva. Portál Cenia také poskytuje vrstvu DMÚ 25, která obsahuje vrstevnice v intervalu 5 metrů. V době tvorby projektu byla možnost tuto vrstvu uložit na lokální disk a z ní vytvořit triangulovaný povrch (TIN) nad zájmovým územím. Tento povrch, ale nejde exportovat do aplikace ArcPad. Proto z něj byl, funkcí "TIN to raster", vytvořen digitální model reliéfu (DMR) v podobě rastru a následně procedurou "Hillshade" vytvořen další rastrový povrch, který, pomocí nasvícení, lépe interpretuje tvar reliéfu. Tento rastr je možné exportovat do aplikace ArcPad. Ta sice rastry neumožňuje editovat, ale slouží jako podkladové vrstvy. Tímto postupem vrnikl v ArcMap kompletní projekt připravený pro export do ArcPad.

5.2. Vytvoření projektu pro ArcPad

Z výše vytvořeného projektu v ArcMap je nutné vytvořit projekt, který bude možné otevřít v aplikaci ArcPad. Referenční soubor pro ArcPad má příponu *.apm. Aplikace ArcPad musí být nainstalována v mobilním zařízení. To, že nám stačí exportovat pouze data značí, že se jedná o silného klienta s offline modem - není možný přístup do původní databáze přímo z terénu. Je nutné mít aplikaci ArcPad nainstalovánu také v počítači kde máme otevřen původní projekt v ArcMap. Po instalaci ArcPad se vytvoří v ArcMap lišta tlačítek, která umožní exportování projektů pro ArcPad a jejich zpětné importování do původního projektu po editaci v ArcPadu.

Mějme tedy otevřený v ArcMapu „projekt mxd“ s vrstvami, které chceme převést do ArcPadu (může jich být samozřejmě víc, než pouze ty, které chceme editovat). Po stisknutí tlačítka „Get Data For ArcPad“

Obrázek 3.


se zobrazí dialog:

Obrázek 4. Get data For ArcPad - dialog 1

Get data For ArcPad - dialog 1

Zde je seznam všech vrstev otevřeného projektu určených pro export. Vybereme zaškrtnutím vrstvy, které budou převedeny do adresáře připraveného pro nahrání do ArcPadu. Mohou to být vrstvy z různých databází i v různých zobrazeních. Pokud mezi vybranými vrstvami budou i rastrová data, převedou se do formátu MrSid. Rastrové vrstvy, už nebudou v následujícím dialogu k dispozici, protože je nelze editovat. Po kliknutí na tlačítko „next“ se dostaneme k následujícímu dialogu:

Obrázek 5. Get Data For ArcPad - dialog 2

Get Data For ArcPad - dialog 2

Pokud „mxd projekt“ obsahuje vrstvy z více databází, je možné mezi nimi přepínat pomocí prvního rozbalovacího políčka. Příslušné vrstvy se zobrazují v okně pod ním. Zde si vybereme zaškrtnutím ty, které budeme chtít editovat v ArcPadu. Dále ve spodním rozbalovacím políčku vybereme parametry zařízení, ve kterém bude k editaci docházet. Po stisknutí tlačítka je v následujícím dialogu zvolit další vlastnosti „apm projektu“ týkající se prostorového obsahu a vlastností.

Obrázek 6. Get Data For ArcPad - dialog 3

Get Data For ArcPad - dialog 3

Zvolí se pojmenování adresáře pro „apm projekt“ a jeho umístění. Poslední políčko v dialogu, pokud je zaškrtnuto vytvoří referenční soubor, který když otevřeme v ArcPadu, zobrazí se rovnou všechny vrstvy, které jsme zvolili v tomto postupu. Po stisknutí tlačítka Finish se zobrazí souhrnné informace o převodu.

Obrázek 7. Ged Data For ArcPad - souhrnné informace o převodu

Ged Data For ArcPad - souhrnné informace o převodu

Tím jsme vytvořili projekt, který je připraven pro použití v ArcPad. Také je možné exportovat uživatelem vytvořenou symbologii prvků. Ta usnadňuje orientaci v grafických datech. Použití symbolů nemění geometrii sebraných dat. Symboly mohou být také vytvářeny rovnou v ArcPadu v terénu (ale pouze jednoduché symboly a ne tak propracované jeko v ArcMap).

5.3. Editace a ovládání v ArcPadu

V následující kapitole bude popsána editace pomocí ArcPad, což je silný klient určený pro mobilní zařízení používaný v terénu při sběru dat. Klienta je možno spustit také v počítači,jako simulaci mobilního zařízení, a editace provádět v kanceláři. K tomuto účelu byly použity výše exportované vrstvy a rastrové podklady.

Provedeme přidání profilové linie nad digitálním modelem reliéfu. Vkládání bodů tedy neproběhne v našem případě měřením, ale ručním zadáním. Editace vybrané vrstvy se začne přes tlačítko „Zahájit/ukončit editaci“ jak je vidět na následujícím obrázku:

Obrázek 8. Volba vrstvy pro editaci.

Volba vrstvy pro editaci.

Zde se v nabídce rozbalí seznam tabulek, které jsme si naimportovali do projektu. Zvolíme tabulku (Feature class) „DocumentationLines“. Aktivuje se nová nabídková lišta, kde vybereme, že budeme zadávat novou lomenou linii a provedeme její zadání:

Obrázek 9. Vložení lomenné linie.

Vložení lomenné linie.

Takto se samozřejmě provádí editace v kanceláři u počítače. V terénu je mobilní zařízení spojeno s aparaturou GPS a provádíme měření observacemi na konkrétních bodech.

Obrázek 10. Vložení lomenné linie - graficky

Vložení lomenné linie - graficky

Kliknutím na tlačítko

Obrázek 11.


vlevo dole přejdeme k editaci atributů. Zobrazí se dialog:

Obrázek 12. Dialog pro editaci atributů

Dialog pro editaci atributů

Na první záložce vidíme seznam atributových polí, které jsme vytvořili pro tabulku „Points“. Zadáme tedy údaje o bodu. V dalších záložkách můžeme editovat další údaje jako použitá symbologie nebo ruční editace souřadnic.

Naším výsledkem je umístěná lomená linie

Obrázek 13. Umístěná linie.

Umístěná linie.

V následující kapitole ji naimportujeme do naší původní databáze – tedy do „mxd projektu“.

5.4. Check In

Po ukončení měření a přemístění ke stolnímu počítači chceme naším měřením aktualizovat původní projekt. Aktivujeme editační nástroj jak je vidět na obrázku pomocí „Edit Toolbar“.

Obrázek 14. Naimportování zahájíme spuštěním editace.

Naimportování zahájíme spuštěním editace.

Tím se nám aktivuje ikona

Obrázek 15.


„Check in Edits from ArcPad. Klikneme na ni a otevřeme dialog, kde označíme vrstvy, které chceme importovat.

Obrázek 16. Check In - dialog

Check In - dialog

V našem případě tedy pouze vrstvu „DokumentationLines“. Stiskneme tlačítko „Check in“. Po potvrzení se můžeme přesvědčit, že tabulka příslušné vrstvy byla editována.

Obrázek 17. Otevření atributové tabulky

Otevření atributové tabulky

Obrázek 18. Editovaná atributová tabulka

Editovaná atributová tabulka

Stejně tak na grafické mapě vidíme, že linie byla umístěna do mxd projektu i polohově:

Obrázek 19. Linie v mxd projektu

Linie v mxd projektu

6. Závěr

V práci bylo částečně popsáno založení struktury databáze pro Geomorfologický Informační Systém a popsán jednoduchý postup její naplňování pomocí mobilního GIS. Samozřejmě tento způsob není jediná možnost. Obecně lze ale říci, že klient ArcPad je pro tento účel velmi vhodným prostředkem. Nejen jeho poměrně snadnou obsluhou, ale především tím, že s GmIS (spravované pomocí produktu firmy ESRI - ArcGIS) komunikuje v podstatě pouze pomocí dvou tlačítek. "Check Out" - pro export a "Check In" pro inport zájmových dat.

Použité zdroje:

[1] Král, M. Přístup do GIS a prostorových databází z mobilních zařízení. Diplomová práce, Univerzita Karlova v Praze, 2006.

[2] Minár, J., Mentlík, P.,Jedlička, K.,Barka, I. Geomorphological information system: idea and options for practical implementation. In Geografický časopis. 2005, roč.57, č.3, s.247-266, ISSN 0016-7193.

[3] Jedlička,K. Koncepce GmIS, zpráva z projektu AIP č. 106, Geomorfologický informační systém jako základ environmentálních aplikací, interní materiály ZČU.

[4] Šilhavý,J. Využití moderních metod pro tvorbu map pro orientační běh, Bakalářská práce, ZČU.