Geoinformatyka
Ćwiczenie 2
Dane geograficzne i modele danych geograficznych II
Opracowanie: zespół Zakładu SIG, Kartografii i Teledetekcji
Zakład Systemów Informacji Geograficznej, Kartografii i
Teledetekcji, Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej UJ
Kraków 2012
2
Wprowadzenie
Ćwiczenie 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] [Feature to Raster], a następnie [From Raster]
[Raster to Polyline]. 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
3
systemu odniesień przestrzennych, bądź przynajmniej do zapisu podstawowych informacji
o układzie współrzędnych.
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).
4
We właściwościach warstwy [Layer Properties] w zakładce [Source] sprawdź ilość rzędów
(rows) i kolumn (columns) oraz format zapisu bitowego (pixel depth).
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
5
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
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
6
zawartość dysku/katalogu [Contents], podgląd wybranej warstwy [Preview] lub metadane
[Metadata].
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 folder;
W oknie, które się pojawi nawiguj do katalogu gdzie skopiowałeś dane z dysku sieciowego
Studenci na „turbacz”. Prawdopodobnie jest to ścieżka 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
7
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.
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
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.
8
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
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. Żądaniem 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
10
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.
Najnowsza wersja ArcGIS umożliwia bardzo łatwe korzystanie z zasobów online, które są
zdefiniowane w programie. Są to mapy, których możemy używać jako pokładów do
naszych projektów, np. zdjęcia lotnicze, modele terenu, mapa fizyczna, OpenStreetMap,
Bing Maps Road i inne. Dostęp do nich jest możliwy z menu Add data
15. Rozwiń menu znajdujące się pod Add data i wybierz opcję Add Basemap
16. Z dostępnych map wybierz Streets.
17. Po kliknięciu nowa warstwa Basemap pojawi się w Table of content.
!
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.
Program umożliwia również pobranie pewnych danych na dysk lokalny i korzystanie
z nich offline. Dane te obejmują np. kody pocztowe w USA, granice krajów świata.
Niestety praktycznie brak tam danych dotyczących Europy i Polski.
18. Rozwiń menu znajdujące się pod Add data i wybierz opcję Add Data from ArcGIS Online
19. Wybierz interesujący Cię zestaw i kliknij add – rozpocznie sie pobieranie na dysk
(zestawy są dość duże, więc pobieranie może trwać dłuższą chwilę)
20. Zostaną one zapisane na stałe i można z nich korzystać w każdej chwili.
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.
11
Ryc. 3. Nazewnictwo serwisów WMS (źródło: ArcGIS Help)
21. 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.
22. Połącz się z GeoPortalem CODGiK korzystając ponownie z Add Data; tym razem
wybierz GIS Servers; 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).
Ryc. 2. Połączenie z serwisem ortofotomap GeoPortalu
12
23. 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.
24. Ustaw przezroczystość dla warstwy ESRI_StreetMap_World np. na 50% - ułatwi Ci to
orientację w terenie oraz umożliwi porównanie nakładania obydwóch zestawów danych.
25. 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
26. Wejdź na stronę Wirtualnego Kampusa ESRI: http://training.esri.com
27. Zaloguj się, a następnie wybierz: Training/My Training → My Virtual Campus Courses
→ Start a new course
28. Wprowadź kod dostępu do kursu Learning ArcGIS Desktop
29. Rozpocznij pracę z modułem pierwszym pt. Getting Started with ArcGIS Desktop.
MODUŁY OBLIGATORYJNE WIRTUALNEGO CAMPUSU ESRI Z ĆWICZEŃ 1,2
VC ESRI: Learning ArcGIS Desktop (for ArcGIS 10):
Moduł 1: Getting Started with ArcGIS Desktop: Exploring a GIS map; Exploring ArcGIS
Desktop; Using GIS to solve problems
Moduł 2: Creating Map Symbology: Working with map symbols and labels; Symbolizing
features based on attributes; Classifying data; Mapping density and proportion
Moduł 4: Organizing Geographic Data: Exploring geographic data; Organizing data into a
geodatabase
Certyfikat ukończenia kursu Learning ArcGIS Desktop należy przesłać e-mailem do 31
maja 2012 na adres: krzysztof.ostafin@uj.edu.pl