Geoinformatyka

Ćwiczenie 2
Dane geograficzne i modele danych geograficznych II

Opracowanie: zespół Zakładu GISKiT

[e-mail]

[e-mail]

[e-mail]

[e-mail]

[e-mail]

[e-mail]

[e-mail]

[e-mail]

[e-mail]

[e-mail]

Zakład Systemów Informacji Geograficznej, Kartografii i Teledetekcji
Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej UJ

Kraków 2010

2

Wprowadzenie

Ć

wiczenie to podzielone jest na pięć części. Część pierwsza dotyczy konwersji modelu

danych. W części drugiej wprowadzone zostaną podstawowe formaty zapisu danych
przestrzennych. Kolejna część poświęcona jest zapoznaniu z organizacją pracy w aplikacji
ArcCatalog. Część czwarta obejmuje zastosowanie przykładowego serwera danych
przestrzennych. Natomiast w ostatniej części rozpoczniesz samodzielną pracę w Wirtualnym
Kampusie ESRI.

1. Konwersja wektor – raster i raster – wektor

Na poprzednim wykładzie i ćwiczeniach poznaliście podstawowe modele danych w GIS:
raster i wektor. Teraz nauczycie się jak dokonać konwersji modelu danych.

Skopiuj z dysku sieciowego Studenci na Turbacz katalog „cwiczenie2” i otwórz projekt
Małopolska.

Model zapisu danych geograficznych można zmienić – mapę rastrową przetworzyć na mapę
wektorową i odwrotnie, czyli dokonać konwersji modelu danych.

1.

Do konwersji wykorzystaj narzędzia z aplikacji ArcToolbox, zgromadzone w Conversion

Tools najpierw polecenie [To Raster] a następnie [To Feature]. Dokonaj konwersji
warstwy rzeki, jako wartości (value) wykorzystywane do konwersji wektor

raster

przyjmij ‘rzad’ natomiast raster

wektor (value). Przypomnij sobie co opisują wartości z

tabeli atrybutowej wygenerowanej rastrowej warstwy rzeki: count i value.

?

Jak zmieniła się warstwa rzeki w czasie konwersji? Zastanów się, do jakich celów można

wykorzystać tego typu konwersję.

2. Podstawy formatów i zapisu danych przestrzennych – Eksplorator Windows

W tej części ćwiczenia zapoznamy się z podstawowymi formatami zapisu danych rastrowych
i wektorowych.

Aby dane geograficzne mogły być przetwarzane w systemach informacji geograficznej muszą
być zapisane w postaci cyfrowej z zastosowaniem określonych reguł, a ściślej rzecz biorąc w
odpowiednim formacie. Jeśli przyjmiemy, że format pliku (file format) to określony standard
zapisu informacji w pliku, wówczas format GIS (GIS file format) to taki standard kodowania
informacji geograficznej, który umożliwia jej przetwarzanie w systemach informacji
geograficznej. Za najważniejszą cechę wspólną formatów GIS, zarówno rastrowych, jak i
wektorowych, możemy uznać kodowanie definicji systemu odniesień przestrzennych. Obok
rozmaitych formatów opracowanych z myślą o systemach informacji geograficznej, w
przechowywaniu danych przestrzennych znajdują zastosowanie także formaty plików
graficznych (graphic/graphics file formats), które zostały przystosowane do zapisu definicji
systemu odniesień przestrzennych, bądź przynajmniej do zapisu podstawowych informacji o
układzie współrzędnych.

3

2.1. Przykładowy format wektorowy ESRI Shapefile (najczęściej wykorzystywany na
tych zajęciach)

Format Shapefile składa się z trzech plików obligatoryjnych: *.shp; *.shx; *.dbf. W pliku shp
zapisana jest geometria obiektów wektorowych, w pliku dbf dane atrybutowe natomiast
w plik shx zawiera indeksy wiążące obydwie składowe zapisu danych geograficznych a więc
geometrie i atrybuty. W zapisie danych atrybutowych wykorzystywany jest format programu
dBase – pliki dbf można otwierać w arkuszach kalkulacyjnych, np. w programie Microsoft
Excel). Pozostałe pliki składające się na zapis zbioru w formacie Shapefile są plikami
opcjonalnymi (może ich być nawet 6). Nazwy plików są ograniczone konwencją nazewnicza
systemu MS-DOS (np. bez polskich liter, itp.), gdzie jako separator dopuszczalna jest
tabulacja ‘_’. Wszystkie pliki należące do tego samego zbioru muszą znajdować się w tym
samym katalogu.
Wszystkie pliki składające się na zbiór w formacie Shapefile muszą mieć taką samą nazwę
(prefix), posiadają natomiast różne rozszerzenia (suffix) w zależności od typu
przechowywanych informacji.

2.

Sprawdź np. w Eksploratorze Windows z ilu plików w naszym przypadku składa się

warstwa koleje.

2.2. Przykładowe formaty rastrowe wykorzystywane na tych zajęciach

W systemach infrormacji geograficznej większość danych rastrowych zapisywana jest w
plikach binarnych (np. Imagine, TIFF). Mamy również do czynienia z formatami, w których
wartości macierzy danych zapisywane są w plikach binarnych, zaś dodatkowe informacje o
mapie w plikach tekstowych (np. ESRI GRID). W przypadku kiedy macierz danych
geograficznych zapisana jest w pliku binarnym nieskompresowanym możemy łatwo obliczyć
rozmiar całego zbioru danych. Oprócz informacji o rozmiarze macierzy rastrowej (liczbie
kolumn i rzędów) potrzebna jest nam jedynie informacja o formacie zapisu bitowego wartości

S = C * R * b

gdzie:
S – rozmiar zbioru w bitach [b]
C – liczba kolumn
R – liczba rzędów
b – format zapisu bitowego, a więc liczba bitów wykorzystywana do zapisu wartości każdego piksela,
wynikająca z zakresu tych wartości (minimum – maksimum).

Uwaga: chcąc wyrazić objętość w bajtach [B] wynik należy podzielić przez 8, natomiast aby
bajty przeliczyć na kilobajty [KB] – dodatkowo przez 1024.

Zadanie

Obliczyć teoretyczną objętość macierzy danych dla warstwy ukształtowanie.img podstawiając
do powyższego wzoru informacje z metadanych warstwy (Layer Properties > Source).

We właściwościach warstwy [Layer Properties] w zakładce [Source] sprawdź ilość rzędów
(rows) i kolumn (columns) oraz format zapisu bitowego (pixel depth).

4

3.

Sprawdź we właściwościach warstwy czy odpowiedź się zgadza (Layer Properties >

Source > [Uncompressed Size]).

4.

Następnie sprawdź w Eksploratorze Windows objętość pliku ukształtowanie.img –

z czego wynika różnica pomiędzy obydwoma wielkościami objętości?

Z wykładu wiesz już, że w przypadku formatów, w których wszystkie dane i dodatkowe
informacje zapisane są w jednym pliku, możemy wyróżnić dwie części pliku:

•

nagłówek (header), zawierający metadane, m.in. wszystkie informacje niezbędne do
prawidłowego wczytania danych w postaci mapy, w tym także informacja o wersji
standardu zapisu; objętość metadanych zapisanych w nagłówku można łatwo obliczyć
z różnicy pomiędzy całkowitą objętością zbioru na dysku a objętością zbioru danych
obliczoną z powyższego wzoru.

•

macierz wartości pikseli, czyli właściwe dane.

Właśnie nagłówek powoduje, że rozmiar pliku jest większy od rozmiaru obliczonego
i wyświetlanego we właściwościach, która to wielkość dotyczy samej macierzy danych.

Istnieją również formaty, w których dane zapisywane są w kilku plikach np. format ESRI
GRID. W przypadku formatu GRID mapa zapisywana jest w wielu plikach, z których każdy
zawiera inne informacje. Pliki te zapisywane są w dwóch podkatalogach przestrzeni roboczej
(Workspace), przy czym większość z nich zgrupowana jest w podkatalogu o nazwie
odpowiadającej nazwie mapy, natomiast inne są przechowywane w katalogu INFO,
zawierającym informacje o wszystkich mapach zapisywanych w danej przestrzeni roboczej,
zarówno rastrowych (format GRID), jak i wektorowych (format Coverage; nie omawiany na
tych zajęciach).

5.

Sprawdź w Eksploratorze Windows w jaki sposób zapisana jest utworzona warstwa

rastrowa rzek, zapisana w formacie własnym programu ArcGIS, którym jest właśnie
format ESRI GRID.

Niektóre pliki składające się na zbiór w formacie ESRI GRID zapisywane są poza
wymienionymi podkatalogami, bezpośrednio w katalogu przestrzeni roboczej (clr, rrd, aux).
Są to pliki wykorzystywane nie tylko w zapisie formatu GRID ale również np. w formacie
Imagine.

6.

Sprawdź czy dla warstwy uksztaltowanie.img pojawia się taki plik.

Zdarza się, że w niektórych formatach część informacji zapisywana jest dokładnie w taki sam
sposób, w plikach o takich samych rozszerzeniach. Dotyczy to np. formatów ESRI GRID i
Imagine. W formatach tych w taki sam sposób zapisywane są piramidy oraz metadane (o tym
w dalszej części ćwiczenia).

2.3. Pyramid Layers – Piramidy

W celu przyspieszenia niektórych operacji przetwarzania danych, przede wszystkim
wyświetlania map, używane są kopie oryginalnego obrazu przepróbkowane do mniejszej
rozdzielczości;

kopie

te

–

tzw.

piramidy

–

przechowywane

są

5

w tym samym pliku *.img, w którym zapisana jest oryginalna mapa, bądź też w osobnym
zbiorze o rozszerzeniu *.rrd.

Ryc. 1. Sposób budowania piramidy. Źródło: Erdas Field Guide 1999

Poznałeś wstępnie trzy formaty zapisu danych przestrzennych, przejdźmy teraz do
zarządzania tymi danymi, a właściwie zastanówmy się jak można wykorzystując aplikacje
ArcGIS w łatwy sposób tego dokonać.

3. Organizacja pracy w aplikacji ArcCatalog

Celem tej części ćwiczenia zaprezentowanie sposobów organizacji pracy z aplikacją
ArcCatalog oraz wstępne przedstawienie możliwości zapisu danych w postaci przestrzennej
bazy danych.

ArcCatalog to swego rodzaju odpowiednik Eksploratora Windows dla danych przestrzennych
(widoczne są w nim jedynie geodane lub pliki z nimi powiązane). Służy przede wszystkim do
zarządzania danymi a więc ich kopiowania, usuwania, zmiany nazwy, eksportu plików itp.
Mamy tu również możliwość pobieżnego przeglądania (podglądu) danych oraz ich atrybutów
a także metadanych dla każdej warstwy. Z poziomu ArcCatalog tworzy się również nowe
warstwy wektorowe oraz określa ich właściwości (np. definiuje odwzorowanie).

7.

Uruchom aplikację ArcCatalog

Start > Programy > ArcGIS >

ArcCatalog.

Okno ArcCatalog podzielone jest na dwie części. Po lewej widzimy strukturę dysków
i katalogów na naszym komputerze, po prawej, w zależności od ustawienia, wyświetlana jest
zawartość dysku/katalogu [Contents], podgląd wybranej warstwy [Preview] lub metadane
[Metadata].

6

Aby móc przyjrzeć się danym, które będziemy wykorzystywać w ćwiczeniu musimy
„podłączyć” program do odpowiedniego folderu na dysku.

8.

Kliknij na ikonę

lub File > Connect to folder;

W oknie, które się pojawi nawiguj do katalogu gdzie skopiowałeś dane z dysku sieciowego
Studenci

na

„turbacz”.

Prawdopodobnie

jest

to

ś

cieżka

E:\Cwiczenie2

(na tych stanowiskach gdzie dysk Dane oznaczony jest literką F ścieżka ta będzie następująca:
F:\Cwiczenie2). Zatwierdź swój wybór klikając OK.

Domyślnie w oknie po prawej stronie wybrana jest zakładka [Contents] ukazująca zawartość
folderu. Widoczne są tam cztery pliki, z których każdy oznaczony jest inną ikoną. Jej wygląd
mówi nam z jakim modelem danych (wektorowym czy rastrowym) mamy do czynienia:

- dane wektorowe z obiektami liniowymi

sieć kolejowa i rzeki

- dane wektorowe z obiektami punktowymi

stacje kolejowe

- dane wektorowe z obiektami powierzchniowymi gminy, las

- dane rastrowe

ukształtowanie

9.

Zaznacz (podświetl) plik G_GMIN_182 i wybierz zakładkę > Preview, która pozwoli

szybki podgląd danych.

W dolnej części tego okna pojawi się rozwijane menu > Preview. Wybierając opcję
> Geography zobaczymy podgląd geometrii danych czyli ich obraz graficzny. Wybierając
> Table możemy podejrzeć atrybuty przypisane do poszczególnych obiektów. Każdy rekord
tabeli reprezentuje jeden obiekt, natomiast w kolumnach znajdują się wartości jego kolejnych
atrybutów.

7

10.

Przetestuj obie opcje podglądu.

Zakładka Metadata daje wgląd w metadane warstwy. Tekstowy opis podzielony jest na trzy
grupy: [Description] – ogólny opis warstwy; [Spatial] – informacje o odwzorowaniu i
układzie współrzędnych; [Attributes] – informacje o atrybutach tematycznych przypisanych
obiektom w warstwie.


2.1. Baza danych przestrzennych (geodatabase) w ArcCatalog

Dane geograficzne także możesz zorganizować i zapisać w postaci bazy danych (database),
która tworzy zintegrowany zbiór danych z wybranej dziedziny. W przypadku geograficznych
baz danych (geodatabase) są to dane opisujące jednostki przestrzenne oraz ich atrybuty czyli
dane tematyczne dlatego często nazywane są również bazami danych przestrzennych.

W ArcGIS możliwe jest tworzenie dwóch typów geobaz danych: plikowej geobazy danych
(file geodatabase) oraz personalnej geobazy danych (personal geodatabase)

- plikowa geobaza danych (file geodatabase) przechowuje zestawy danych (datasets) w
katalogu plików. Każdy zestaw danych jest przechowywany jako plik, limit wielkości
tworzonej geobazy danych to 1 TB (1 terabajt, czyli 1024 GB).

- personalna geobaza danych (personal geodatabase) przechowuje zestawy danych w pliku
Microsoft Access *.mdb. Limit wielkości takiej geobazy danych to 250 do 500 MB po
zmianie ustawień domyślnych można geobazę danych skonfigurować do 2GB, działa tylko w
systemie Windows.

11.

Utwórz plikową bazę danych File > New > File Geodatabase lub pod prawym

przyciskiem myszy klikając na nazwę katalogu, w którym chcemy utworzyć geobazę New

8

File Geodatabase

12.

Zmień nazwę utworzonej geobazy danych, pod prawym przyciskiem myszy opcja

[Rename] na Malopolska.

Pod prawym przyciskiem myszy na nazwie geobazy danych opcja:

Import > Feature Class (single)… lub Feature Class (multiple)…

9

Opcje:

Feature Class (single) … - dodawanie pojedynczych warstw wektorowych
Feature Class (multiple) … - dodawanie kilku warstw wektorowych jednocześnie
…
Raster Datasets … - dodawanie pojedynczych warstw rastrowych
Raster Datasets (mosaic) … - dodawanie kilku warstw rastrowych jednocześnie

13.

Dodaj warstwy z utworzonej plikowej bazy danych Malopolska do nowego projektu, czy

widzisz różnicę w dodawaniu warstw ze zwykłego katalogu w porównaniu z bazą danych?

14.

Sprawdź jak baza danych zapisywana jest na dysku komputera np. przez Eksplorator

Windows.

4. ArcGIS Online – przykład serwera danych typu ArcGIS Server

Do tej pory korzystałeś z danych dostarczanych przez prowadzącego, zgromadzonych na
dysku komputera. W tej części ćwiczenia zapoznasz się z inną możliwością dostępu do
danych.

Zestaw warstw składających się na dany projekt może zawierać również dane, które fizycznie
są przechowywane na innych serwerach, nie tylko w danej sieci intranetowej ale również w
Internecie. Poniżej prezentujemy przykład internetowego serwera danych, który udostępnia
mapy poprzez oprogramowanie ESRI. Dane te są przesyłane do klienta na jego żądanie po
uprzednim połączeniu się z danym serwerem. śądaniem jest np. powiększenie określonego
fragmentu mapy – wówczas nasz komputer wysyła stosowne polecenie a serwer odpowiada
wysyłając fragment mapy, który chcemy zobaczyć. Oznacza to ciągłe krążenie pakietów
danych pomiędzy klientem i serwerem co przy ograniczonej przepustowości łączy może
powodować znaczne spowolnienie odświeżania obrazu bądź wręcz przerwanie transmisji
danych.
ArcGIS Server jest zbudowany na bazie ArcObjects podobnie jak platforma ArcGIS Desktop.
Komunikacja z serwerem wygląda inaczej, jeśli odbywa się wewnątrz lokalnej sieci
(Intranet), a inaczej w sieci internetowej. ArcGIS Server posiada następujące usługi:


ArcGIS Server map service – serwer map



Geocode Server – serwer geokodowania, udostępniający lokalizatory



Geodata Server – serwer baz danych umożliwiający edycję w trybie wielodostępowym



Globe Server – serwer danych 3D



Geoprocessing Server – serwer narzędzi Arc toolbox.

15.

Wejdź na stronę ArcGIS Online

http://resources.esri.com/arcgisonline/index.cfm?fa=Services_Directory

16.

Po zapoznaniu się z dostępnymi zestawami danych wybierz World Street Map i zobacz

metadane tego serwisu.

17.

Skopiuj link podany w pozycji ArcGIS Desktop/Explorer URL:

http://services.arcgisonline.com/arcgis/services

18.

Dodasz teraz dane, do których link skopiowaliśmy, do swojego projektu Malopolska.mxd

19.

Aby nawiązać połączenie z serwerem danych skorzystaj z narzędzia Add data > GIS

10

Servers > Add ArcGIS Server; następnie przejdź do okna General i w pozycji Server URL
wklej link skopiowany ze strony ArcGIS Online; zatwierdź wybór.

20.

W

wykazie

serwisów

okna

Add

Data

pojawi

się

pozycja

arcgis

on

server.arcgisonline.com; po jej wybraniu wyświetli się wykaz danych udostępnianych na
serwerze; z wykazu tego wybierz ESRI_StreetMap_World_2D; po chwili fragment
warstwy ESRI_StreetMap_World powinien się wyświetlić w oknie projektu; ponieważ
okno to zawierało wcześniej dane dla Małopolski, z warstwy ESRI_StreetMap_World
zostanie wyświetlony dokładnie ten fragment który obejmuje Małopolskę.

21.

Sprawdź właściwości ESRI_StreetMap_World – w zakładkach General i Source

znajdziesz podstawowe informacje o tym zestawie danych.

22.

Sprawdź dokładność nakładania się obydwóch zestawów map z serwera i map w Twoim

projekcie.

!

Oglądanych danych nie możesz zachować na dysku lokalnym – są one udostępniane

jedynie do wizualizacji. Możesz natomiast dokonać transformacji systemu odniesień
przestrzennych oraz przygotować kompozycję mapy do druku korzystając z Layout.




Dla dociekliwych (dodatkowe portale dla zainteresowanych ta tematyką)

GEOPORTAL.GOV.PL – przykład portalu z serwisami typu WMS

Serwisy WMS bazują na standardach OGC. Mogą być zaimplementowane na różnych
platformach GIS, w tym również na platformach ArcIMS i ArcGIS Server. Serwery WMS
udostępniają dane na podobnej zasadzie jak serwery IMS.

Ryc. 3. Nazewnictwo serwisów WMS (źródło: ArcGIS Help)

23.

Korzystając z GeoPortalu (http://maps.geoportal.gov.pl/webclient) znajdź adres serwisu z

ortofotomapami. Adresy wyszczególnione są m.in. w oknie wywoływanym poleceniem
Zdefiniuj źródło danych.

24.

Połącz się z GeoPortalem CODGiK korzystając ponownie z Add Data; tym razem

wybierz Add WMS Server; w oknie Add WMS Server (ryc. 2) wklej adres serwisu z
ortofotomapami (ryc. 2): http://sdi.geoportal.gov.pl/wms_orto/wmservice.aspx, a następnie
wybierz Get Layers. Jeśli połączenie zostanie nawiązane zawartość okna będzie wyglądać
tak jak na rycinie 2 (poniżej). Zwróć uwagę na wersję serwisu WMS 1.1.1. – jest to
najwyższa wersja obsługiwana przez ArcGIS 9.2.

11

Ryc. 2. Połączenie z serwisem ortofotomap GeoPortalu

25.

Ortofotomapa wyświetla się dopiero przy odpowiednio dużym powiększeniu, początkowo

zamiast niej zobaczysz napis geoportal.gov.pl; aby szybko uzyskać pożądany fragment
mapy skorzystaj z narzędzia Go to X, Y i wpisz współrzędne geograficzne, np. 20, 50 a
następnie wpisz skalę większą od 1:150 000.

26.

Ustaw przezroczystość dla warstwy ESRI_StreetMap_World np. na 50% - ułatwi Ci to

orientację w terenie oraz umożliwi porównanie nakładania obydwóch zestawów danych.

27.

Sprawdź właściwości warstwy WMS – Ortofotomapa.

Przykłady katalogów serwisów WMS:

•

GIDB Portal

http://columbo.nrlssc.navy.mil/ogcwms/servlet/WMSServlet?REQUEST=ServiceLinks

•

WMS – Sites:

http://wms-sites.com/catalog

5. Learning ArcGIS Desktop – Wirtualny Kampus ESRI

28.

Wejdź na stronę Wirtualnego Kampusa ESRI: http://training.esri.com

29.

Zaloguj się, a następnie wybierz: Training/My Training → My Virtual Campus Courses
→

Start a new course

30.

Wprowadź kod dostępu do kursu Learning ArcGIS Desktop

12

31.

Rozpocznij pracę z modułem pierwszym pt. Getting Started with ArcGIS Desktop.

ZADANIE DOMOWE

Zapoznaj się z teorią oraz wykonaj ćwiczenia zawarte w modułach: czwartym pt. Organizing
Geographic Data i drugim pt. Creating Map Symbology.

!

UWAGA: treści zawarte w modułach pierwszym, drugim i czwartym kursu Learning

ArcGIS Desktop należy traktować jako obligatoryjne.



Literatura:
Longley P.A., Goodchild M.F., Maguire D.J., Rhind D.W., GIS. Teoria i praktyka.

Wydawnictwo Naukowe PWN, r. 3.1-3.6; 4.1-4.6