SISTEMELE INFORMAȚIONALE GEOGRAFICE (GIS – Geographical Information Systems): PREZENTARE ȘI APLICAȚII PRINCIPALE [302576]

SISTEMELE INFORMAȚIONALE GEOGRAFICE (GIS – Geographical Information Systems): PREZENTARE ȘI APLICAȚII PRINCIPALE

Noțiuni introductive despre GIS

GIS reprezintă acronimul provenit de la Geographic Informational System ([anonimizat]). Acronimul GIS mai poate fi considerat a proveni de la Geographic Informational Science (GIScience), [anonimizat].

[anonimizat]:

Un GIS este un ansamblu de:

persoane

echipamente

programe

metode

norme

care are ca scop:

culegerea

validarea

stocarea

analiza

vizualizarea datelor geografice. (Săvulescu, 1996)

[anonimizat] a evenimentelor care se petrec pe Pământ. (ESRI)

GIS este un termen generic care se referă la o [anonimizat], care au numeoase aplicații în domenii diverse: inginerie, cadastru, transport/logistică, asigurări, telecomunicații, afaceri.

SIG/GIS reprezintă o colecție organizată compusă din: hardware, software, [anonimizat]: achiziției, stocării (înregistrării), actualizării, prelucrării, analizei și afișării informațiilor geografice (spațiale) în conformitate cu specificațiile unui domeniu.

Componentele hardware ale unui Sistem Informațional Geografic sunt necesare pentru pentru culegerea datelor ([anonimizat], digitizor – [anonimizat] – scanare, [anonimizat], sau din rețea) și pentru prezentarea rezultatelor finale (monitor – vizualizare, [anonimizat], inscriptor CD/DVD – [anonimizat] – transmiterea datelor în rețea).

Componentele software

Un SIG cuprinde o sumă de programe grupate în module. [anonimizat] (Haidu, 1998):

[anonimizat], transformare, verificare, validare a datelor;

Sistem de gestiune a bazei de date;

Sistem de procesare analiză a imaginilor;

Sistem de cartografie computerizată;

Sistem de analiză statistică și spațială;

Sistem de afișare și redare.

[anonimizat]. [anonimizat]: ArcGIS, [anonimizat], IDRISI, GeoMedia etc.

Un Sistem informațional Geografic este construit având ca suport o bază de date. [anonimizat]:

Baze de date grafice

Baze de date de tip atribut.

[anonimizat] o hartă digitală care este alcătuită din obiecte de tip grafic la care se adaugă o serie de atribute cu rol descriptiv. [anonimizat] a putea fi prelucrate de calculator.

Caracteristicile Sistemelor Informaționale Geografice (GIS):

[anonimizat], exprimată prin coordonate geografice;

[anonimizat]fice, topologice și tabelare sunt tratate într-o bază de date unică;

Un SIG include o colecție de operatori spațiali care acționează asupra unei baze de date pentru a referenția geografic informații reale.

Sistemele informaționale geografice sunt utilizate pentru a simula situații și evenimente reale.

Ca o concluzie, aplicațiile GIS sunt instrumente care permit utilizatorului să creeze interogări interactive, să editeze date din hărți, să analizeze informații spațiale și să prezinte într-un mod cât mai sugestiv rezultatele obținute în urma acestor procedee.

Datele utilizate in GIS

Date și informații

Sistemele GIS se bazează pe utilizarea elementelor grafice, integrate într-un context spațial și caracterizate printr-o serie de atribute. Pentru a înțelege felul în care aceste sisteme sunt structurate este esențială clarificarea anumitor noțiuni ale acestor tehnologii, și anume:

Entități spațiale – fenomen sau obiect real, indivizibil în fenomene sau obiecte de același tip;

Diferența dintre date și informații – datele sunt reprezentări codate ale informației, în timp ce informația derivă din date (Castraveț et al., 2013).

Modul de reprezentare a entității spațiale – poziția (poziția entității fată de sistemul de referențiere spațială, exprimată de regulă în coordonate geografice), atributele (caracteristici calitative și cantitative ale entității), relațiile spațiale (poziția relativă față de celălalte entități), timpul (momenul în care au fost culese informațiile).

Reprezentarea spațiului

Reprezentarea spațiului în cadrul unui Sistem Informațional Geografic trebuie să îndeplinească două condiții de bază și anume, reprezentarea cât mai fidelă a sistemului de referință spațial (elipsoizi, sisteme de coordonate și sisteme de proiecție cartografică) și redarea caracteristicilor spațiale ale obiectelor și fenomeelor lumii reale (poziții, distanțe, forme, mărimi, unghiuri).

Modul în care aceste două condiții sunt indeplinite depinde de felul în care Sistemul Informațional Geografic vede spațiul. Principalele viziuni asupra spațiului sunt: spațiul euclidian, spațiul cartezian, spațiul fractal, spațiul peanian, spațiul teseral și spațiul topologic (Castraveț et al., 2013).

Componentele informației geografice

În cadrul a ceea ce numim informație geografică se disting două componente principale: componenta spațială și compnenta tematică.

Componenta spațială se referă la poziția într-un sistem de referențiere spațială și ne permite să claificăm informația ca fiind de natură geografică. Pe baza acestei componente se poate răspunde la întrebarea „Unde?”. Pe de altă parte, componenta tematică răspunde la întrebarea „Ce?” și este strâns legată de componenta spațială.

Componenta spațială este, de regulă, reprezentată prin valori numerice (coordonate geografice), în timp ce componenta tematică poate fi definită atât prin valori numerice (raport, interval, valoare cardinală sau ordinală) sau alfanumerice.

Un element important în ceea ce priveste informația geografică este dimensiunea (Figura 1.1.2), aceasta putând variind de la 0D (punctul adimensional) la 3D.

Structura informației geografice

O caracteristică definitorie a Sistemelor Informaționale Geografice este structurarea informațiilor geografice pe straturi (Figura 1.1.3) distincte din punct de vedere tematic, numite layer-e, referențiate în mod identic și care aduc informații (poziție geografică, atribute, relații între entități, informații temporale) despre entitățile spațiale din model.

Hărți analogice și digitale. Precizia datelor digitale. Modelul de date geo-relaționale.

Hărți analogice și digitale

Hărțile sunt, probabil, cele mai cunoscute și mai utilizate modele convenționale ale lumii reale. Acestea au fost utilizate încă de acum cateva mii de ani pentru a reprezenta informații despre lumea înconjurătoare, și continuă să fie extrem de folositoare pentru multiple aplicații în diverse domenii.

Harta analogică, denumită generic hartă “clasică”, reprezintă o imagine convențională a terenului, în care prin diferite elemente geometrice cum ar fi: punctul (stâlpi de telegraf, arbori, fântâni, etc.), linia (drumuri, cursuri de apă, curbe de nivel, etc) și poligonul (cladiri, parcele, păduri, zone industriale, etc.) sunt indicate poziția și forma spațială a obiectelor geografice iar prin simboluri grafice și texte sugestive sunt descrise aceste obiecte.

Caracteristicile unei hărți analogice:

este o reprezentare în plan a unui teritoriu:

este o reprezentare convențională (cu prescurtări sau simboluri explicate într-o legendă) și micșorată pe baza unei scări de proporție a unui teritoriu;

este întocmită pe baza unei proiecții cartografice;

este o reprezentare metrică ce permite efectuarea de măsurători ( de unghiuri, distanțe, arii, coordonate, cote, etc).

Clasificarea hărților analogice:

hărți topografice – hărți are tratează aspecte geodezice, fotogrammetrice, topografice, de relief, turistice (Figura 1.2.1), hidrogeologice, etc.

Hărți geografice (Figura 1.2.2) – hărți murale, hărți de navigație, hărțile din atlasele geografice.

Întocmirea unei hărți analogice (Figura 1.2.3) se face în câteva etape:

Suprafață fizică → elipsoid de referință – lucrări de astronomie geodezică, geodezie, gravimetrie, etc. (1)

Elipsoid de referință → plan de proiecție – lucrări de cartografie matematică; (2)

Plan de proiecție → hartă – lucrări de întocmire și editare a hărților. (3)

Harta digitală reprezintă o colecție de date (făcând parte din baza de date GIS) organizate. Într-un Sistem Informațional Geografic realitatea este modelată prin intermediul obiectelor și a relațiilor spațiale dintre acestea.

Un obiect GIS reprezintă un obiect sau un fenomen localizat pe sau în apropierea suprafeței Pământului. Astfel de obiecte pot fi:

Naturale – cursuri de apă, vegetație, relief;

Antropice – clădiri, rețele edilitare, rețele de trasport, poduri, etc.;

Convenționale – granițe, limite de parcele, suprafețe administrative.

La fel ca harta analogică, și harta digitală conține elemente geometrice (puncte, linii, polioane) care indică poziția și forma obiectelor și simboluri și texte care descriu obiectele în cauză.

De reținut este faptul că harta digitală, definită prin baza de date GIS, constituie o reprezentare la scara 1:1 a teritoriului, poziția obiectelor GIS fiind dată prin coordonate de teren (reale).

Precizia datelor digitale

În cazul hărților digitale dispare conceptul de scară de proporție, pe care se bazează micșorarea teritoriului reprezentată pe o hartă analogică, hărțile digitale fiind caracterizate de precizie. Precizia poate fi definită ca abaterea maximă dintre poziția reală a obiectului pe suprafața Pământului și poziția aceluiași obiect după reprezentarea lui pe foaia de hartă.

Pe hărțile tradiționale (analogice) informațiile de natură geografică sunt înregistrate și reprezentate cu o precizie cartografică clasică de 0,1-0,2 mm. Carateristic Sistemelor Informaționale Geografice este faptul că înregistrarea și reprezentarea informațiilor constituie două noțiuni distincte. Datele sunt înregistrate cu coordonatele lor reale, însă reprezentarea acestora poate fi facută la orice scară (în funcție de gradul de detaliu dorit) cu aceeași precizie. Noțiunea de „aceeși precizie” este însă relativă, deoarece aceasta este determinată de mai mulți factori, însă de reținut este faptul că precizia internă a datelor este aceeși, indiferent de scara de reprezentare.

În cazul unui GIS precizia este determinată de:

Precizia hărții analogice inițiale, după care se face digitizarea (vectorizarea);

Scara hărții inițiale.

Tabelul 1.2 – relații între precizia datelor GIS și scara hărții inițiale

Se poate observa în Tabelul 1.2 faptul că, la o precizie cartografică a hărții analogice inițiale de 0,2 mm, precizia datelor GIS crește odată cu creșterea scării de proporție a hărții clasice.

Modele de date geo-relaționale

Datele geografice sunt reprezentate de coordonate ale unor puncte spațiale (date grafice) și din atribute (date non-grafice) ale entităților, măsurate în momente diferite de timp.

Intern, o hartă relizată pe baza informațiilor geografice se reprezintă în două sisteme:

Sistem vector

Sistem raster.

Datele vectoriale sunt reprezentate în mare parte din puncte și linii, ale căror puncte extreme sunt referențiate prin adăugarea de coordonate (X, Y, Z). Acestea, grupate, pot forma diferite elemente grafice cum ar fi: arce de cerc (râu, drum, etc.) , suprafețe (pădure, lac, etc.), chiar volume (clădire).

Datele raster sunt formate din celule de mici dimensiuni, numite Pixeli. Pixelul, sau unitatea de imagine, este cel mai mic element de pe o suprafață de afișare, căruia i se poate atribui în mod independent o intensitate sau o culoare (Castraveț et al., 2013). Elementele grafice, un drum, de exemplu, va fi reprezentat de o matrice de pixeli incrementați cu aceeași valoare. În Figura 1.3 este reprezentată aceeași realitate, în cele două sisteme de reprezentare, vector și raster.

Modelul este o reprezentare convențională a structurilor de date într-un context precizat, în care se identifică natura datelor (primitivele grafice), operatorii care acționează asupra structurilor de date, precum și restricțiile impuse pentru menținerea corectitudinii datelor (reguli de integritate) (Castraveț et al., 2013). În funcție de sistemul de reprezentare, modele pot si vectoriale sau de tip raster.

Modelele vectoriale cele mai cunoscute și totodată cele mai reprezentative sunt:

Modelul spaghetă (Figura 1.4 A) – utilizează doar linia și punctul;

Modelul topologic de rețea (Figura 1.4 B) – adaugă la modelul spaghetă și nodul (extremitate de arc care indică sensul de parcurgere al arcului – nod de origine, nod de destinație);

Modelul topologic de suprafață (Figura 1.4 C) – la modelul topologic de rețea adaugă poligonul.

Avantajele utilizarii acestui model sunt:

are o reprezentare bună a structurii de date fenomenologice;

structură de date compactă;

topologie ușor de realizat;

grafică superioară;

posibilitatea regăsirii, actualizării, și generării datelor spațiale și atributelor.

Dezavantajele utilizarii acestui model sunt:

structură de date complexă;

combinare dificilă a straturilor tematice;

simulare dificilă deoarece fiecare entitate are propria sa topologie;

afișarea și plotarea pot fi costisitoare mai ales atunci când se urmărește o calitate înaltă;

tehnicile utilizate sunt mai costisitoare.

În sistemul raster se distinge un singur model numit model raster sau model matricial, alcătuit din celule dreptunghiulare sau pătrate, a căror dimensiune (suprafață) determină rezoluția imaginii (Figura 1.5). De reținut este fapul că fiecare celulă are valăare unică, valabilă pentru întreaga sa suprafață și că poziția celului se exprimă prin numărul liniei și al coloanei din cadrul matricii în a cărei constituție intră.

Avantajele acestui model sunt:

structură de date simplă;

suprapunerea și combinarea straturilor este mai ușor de realizat;

simplitatea, care este legată de posibilitatea de efectuare a analizei spațiale;

facilitează realizarea simulărilor deoarece fiecare entitate spațială are aceeași mărime și formă ;

reprezentarea grafică se face fără prelucrări suplimentare;

similitudinea sa cu datele de teledetecție.

Dezavantajele acestui model sunt:

este un mare consumator de memorie, trebuie păstrate valori pentru fiecare celulă;

nu este util pentru reprezentări ale elementelor de tip liniar (exemplu: căi ferate), sau la o rezoluție mare (r=100m) o casă nu mai poate fi reprezentată;

calitatea prezentării datelor grafice este inferioară;

1.3 Structura și etapele de realizare ale unui GIS

Structura unui GIS

Componentele necesare implementării unui Sistem Informațional Georgrafic sunt următoarele (Longley et al., 1999) (Figura 1.3.1):

Softuri GIS. Ținând cont de evoluția și aplicabilitatea extinsă a unui GIS este firească apariția mai multor program GIS atât comerciale cât și de tip open-source. De menționat: ArcGIS (program de tip comercial dezvoltat de compania ESRI) și QGIS (program de tip open-source).

Componente hardware. Sunt utilizate pentru rularea programelor GIS, precum și pentru gestionarea, stocarea, prelucrarea datelor și pentru redarea rezultatelor.

Datele GIS. Sunt reprezentate atât prin layer-ele ce conțin entități grafice (linii, puncte, poligoane) cât și prin atributele care descriu obiectele GIS.

Personalul specific. Este reprezentat prin specialiștii care înțeleg funcționarea aplicțiilor GIS și au competențele necesare rulării acestor aplicații.

Personalul managerial. Este implicat în elaborarea și implementarea proictului, deținând cunoștințe specifice.

Specialiștii din domeniile de aplicabilitatea ale GIS. Formulează problemele ce urmează a fi rezolvate cu ajutorul GIS.

Metodele folosite pentru culegerea și prelucrarea datelor.

Etape de realizare ale unui GIS

Așa cum se poate observa din cele meționate până acum, un GIS este un sistem cu o structură complexă, a cărui realizare necesită urmarea unei serii de etape, fiecare având rol esențial în obținerea unui proiect complet, util, care să rezolve problemele avute în vedere.

Etapele realizării unui GIS:

Identificarea problemei de rezolvat

Achizitionarea datelor

Proiectarea bazei de date

Construirea componentelor spațială și textuală a bazei de date

Analiza datelor

Prezentarea rezultatelor și propunerea unor soluții optime

1. Identificarea problemei

Etapa de identificare a problemei ce se vrea a fi rezolvată prin intermediul GIS este etapa în care, practic, se definește scopul proiectului.

În această etapă trebuie să se identifice:

caracteristicile generale și particulare ale zonei de interes, precum și natura rezultatelor care vor constitui finalitatea proiectului;

tipul datelor ce vor fi utilizate în realizarea proiectului și caracteristicilor layer-elor ce vor sta la baza acestuia:

planul ce trebuie urmat pentru ca rezultatele (hărțile finale) să răspundă cerințelor problemelor și să fie utile soluționării acestora.

2. Achiziționarea datelor

În această etapă este necesar a se identifica cele două tipuri de surse de date:

Surse primare

Surse secundare

Acestea vor servi la construirea efectivă a bazei de date.

3. Proiectarea bazei de date

Proiectarea bazei de date constă în definirea structurii acesteia. Dacă în această etapă se omit anumite aspecte necesare realizării unei BD care să satisfacă ulterior soluționarea problemei, este dificil a se remedia această omitere într-o etapă ulterioară.

Proiectarea bazei de date se realizează în 4 etape:

Definirea caracteristicilor spațiale, a atributelor și a layer-elor

Identificarea atributelor și a datelor spațiale

Organizarea layer-elor

Realizarea manuscriselor de hartă.

Definirea tipurilor de variabile ce urmează a fi stocate presupune:

Determinarea atributelor fiecărui strat tematic (layer)

Stabilirea parametrilor acestor atribute și a tipurilor de variabile ce urmează a fi stocate.

Asigurarea suprapunerii straturilor tematice

Orice bază de date este constituită din layere ce conțin un anumit tip de informație și carea acoperă același areal geografic. Nesuprapunerea acestor straturi duce la dificultăți în prezentarea grafică finală. Această problemă poate fi evitată prin realizarea registrației coordonatelor.

Proiectarea fișierelor de lucru presupune

Construirea bazei de date prin achiziția datelor necesare și, în cazul în care datele nu sunt în format digital, digitizarea acestora.

4. Construirea componentelor spațială și textuală a bazei de date

Una dintre cele mai dificile și mai costisitoare etape în realizarea unui Sistem Informațional Geografic este construirea și apoi întreținerea bazei de date. Având în vedere faptul că acestă bază de date va fi suportul unei hărți, care va trebui sa aibă o precizie satisfăcătoare, este dificil a se atinge această precizie, deoarece sursele de date sunt la rândul lor afectate de erori.

Datele geografie necesare realizării unui GIS sunt date spațiale și date atribut (textuale).

Datele spațiale pot proveni din:

Hărți digitale construite anterior;

Hărți analogice scanate și digitizate;

Ridicări topografice;

Studii fotogrammetrice;

Studii de teledetecție;

Măsurători GPS.

Prelucrarea datelor spațiale se realizează prin:

Identificarea și corectarea erorilor de digitizare;

Realizarea topologiei;

Identificarea și corectarea erorilor rezultate din construirea topologiei.

Datele textuale se obțin din:

Baze de date deja existente;

Anuare statistice;

Alte surse (monografii cu date statistice).

Prelucrarea datelor textuale:

Identificarea și eliminarea erorilor de introducere a datelor.

Realizarea bazei de date textuale presupune:

Stabilirea caracteristicilor atributelor (numele câmpurilor, tipul datelor, etc.);

Completarea tabelelor de atribute.

5. Analiza datelor

Într-un GIS, o bază de date poate fi analizată în 3 moduri:

Analiza componentei spațiale

Analiza componentei textuale

Analiza integrată a ambelor componente.

6. Prezentarea rezultatelor și propunerea unor soluții optime

Rezultatele pe care le furnizează un GIS pot fi:

prezentarea datelor brute;

prezentarea unei anume categorii de date;

prezentarea unei predicții asupra stării datelor la un moment dat.

Rezultatelor pot fi reprezentate sub formă grafică (Figura 1.3.2) sau textuală.

Aplicații GIS generale și particulare

Sistemele informaționale georgrafice (GIS) se dovedesc utile