Geografické informační systémy - II

5. 9. 2003 | Jáchym Čepický | Recenze | 15669×

Seznámení s programem GIS GRASS. Popis funkcí spolu s příklady využití i v každodenních situacích.

Krátce z historie

GRASS (Geographical Resources Analysis Support System), je geografický informační systém, původně vyvíjený v U.S. Army Construction Engineering Research Laboratories (CERL) (1982-1995) jako systém pro správu oblastí pod vojenskou správou. Odhaduje se, že v této době bylo do jeho vývoje investováno několik miliónů dolarů.

V roce 1995 byl jeho vývoj ukončen a zdrojové kódy byly uvolněny pod GNU/GPL. V současnosti existují dvě hlavní vývojová centra -- v Americe a v Evropě. Evropské centrum se před pár lety přesunulo z německé univerzity v Hannoveru spolu s hlavním evropským koordinátorem Marcem Netelerem do Itálie (Trento).

Pod Marcovým vedením vývoj utěšeně pokračuje (nemalou zásluhu na tom má i několik Čechoslováků) a pravidelně jsou uvolňovány aktualizace a opravy. Existuje množství konferencí (také jedna československá) zaměřených na množství specifických problémů (vývoj, dokumentace, 3D vizualizace a NVIZ, atd.).

Jaký je?

GRASS je super. V současné době je aktuální verze 5.0.2 standardně obsahující grafické uživatelské rozhraní tcltkgrass a modul pro zobrazování a práci s 3D daty NVIZ. Co do funkcionality je plně použitelný na 99% všech myslitelných geografických operací a srovnatelný s komerčními GISy, které v několika ohledech i předčí. Je samozřejmé, že v jiných ohledech (a asi jich bude i víc) zase ony trumfnou GRASS, a není se čemu divit, srovnáme-li dobu vývoje a vývojářskou základnu. Nicméně pro běžnou práci a mnoho komplikovaných úkolů GRASS stačí (a často více než to -- doufám, že jsem se vyjádřil srozumitelně).

GRASS charakterizuje především textová konzole. To je nejmocnější nástroj, kterým se data vytvářejí, ničí, modifikují, analyzují a všelijak deformují. Začátečník v příkazové řádce je zděšen. "Tohle má být ten mocný GIS!?" Jenže začátečník zapomíná, že veliké komerční GISy (a CADy ;o) ) mají textovou konzoli ve standardní výbavě. Na rozdíl od jejich je ta GRASSová více než použitelná, neboť po spuštění GRASSu pracujete dále v BASHi s tím, že jste dostali k dispozici novou množinu příkazů. Všechno, na co jsme zvyklí (historie pomocí šipek, doplňování příkazů pomocí tabulátoru, ...), funguje dále. Máme k dispozici původní sadu příkazů, takže je-li libo, lze přímo z GRASSu číst poštu a editovat soubory. TO je vlastnost, která činí z GRASSu výjimečný GIS. Výjimečný co do uživatelského komfortu.

S příkazovou řádkou se pojí několik dalších výhod. Osobně jsem člověk nadmíru líný a strašně nerad se učím nové věci, když nevidím možnost jejich dalšího využití. Běžná praxe v jiných operačních systémech je ta, že každý program si vytvoří vlastní skriptovací jazyk. Naučím-li se s bídou jeden, nemohu tyto poznatky uplatnit v programu jiném (pravda, poslední dobou je znát trend sjednotit se na jazyku Visual Basic, který se (bohužel) nevyhnul ani tomuto oboru). U GRASSu můžete podobné starosti hodit za hlavu: skripty lze psát přímo v BASHi a dostanete k nim i sadu příkazů ke zjišťování různých proměnných prostředí (vůbec nejlepší ovšem je, napíšete-li "skripty" přímo v Cčku a pošlete-li je vývojářům ;o) ). Několik skriptů, chovajících se jako samostatné moduly, dostanete přímo s GRASSem.

GIS GRASS -- grafické uživatelské rozhraní (nahoře a vlevo dole), textová konzole a GRASS-monitor.

Příkazy jsou členěny do logických skupin (příkazy pro práci s vektorovými daty, příkazy pro práci s rastrovými daty, pro zobrazování, obecné příkazy, atd.). Každý příkaz začíná charakteristickým písmenem skupiny, pokračuje tečkou následovanou vlastním názvem modulu (např. v.digit -- vektorizace (digitalizace) vektorových dat, r.report -- základní statistika rastrové mapy, d.mon x0 -- spuštění monitoru "x0" nebo g.gisenv -- zjištění proměnných prostředí).

Hned na druhém místě po textové konzoli musíme zařadit grafické monitory. To jsou okna, ve kterých se odehrává veškerá práce, ve kterých se zobrazují její výsledky. Monitorů může být až šest. S monitorem se každý velmi rychle sžije. Naučíte se jej mít rádi, nenávidět ho, závistivě pošilhávat kolegům přes rameno do ARC View a nechat si závistivě pokukovat přes rameno kolegou od ARC View do GRASS monitoru. GRASS monitor má totiž několik skvělých vlastností (tak např. funguje :o) ), ale několik jiných vlastností mi zatím docela chybí -- resp. chybí mi několik způsobů chování, které by mě značně potěšily, ale naštěstí se dá žít i bez nich. GRASS monitor je naprosto plnohodnotný prostředek pro vizualizaci jakýchkoliv dat, která vytvoříte (ano, i 3D).

Psal jsem o grafickém uživatelském rozhraní. GUI v GRASSu je reprezentováno především menu-orientovanou lištou, ve které si lze najít potřebný modul a v řídicím okně se vyplňují potřebné parametry, se kterými se pak tento modul spustí. Je to vlastně jenom jakási berlička pro jedince, kteří zarytě klikají myší, i když by stejného (a často i lepšího) výsledku dosáhli pomocí několika stisknutí těch správných kláves. Nezapírám, že existují činnosti, kde naopak člověk pláče po jakémkoliv grafickém rozhraní, ale musí se nějak obejít bez něj. Útěchou mi je, že se na několika těchto potřebných modulech již pracuje.

Jednou ze zajímavých vlastností GRASSu je, že jej lze bez potíží provozovat na většině známých operačních systémů. Vyvíjen primárně pro OS GNU/Linux, funguje i na většině ostatních operačních systémů z rodiny *NIX. Pomocí cygwinu jej lze plně funkční provozovat i na operačních systémech MS Windows postavených na technologii NT a v některých zemích převyšují dokonce instalace pod MS Windows instalace na OS GNU/Linux. Příznivci mobilních technologií zajisté uvítají, že GRASS lze také nainstalovat na PDA iPAQ a samozřejmě i Zaurus.

Příklad použití

V dnešních dnech si snad každý z nás klade otázky: "Investuji své poctivě vydělané miliony rozumně? Bude dům, který za ně právě stavím, stát opravdu věčně? Nesmete jej příští velká voda?" Jelikož pravděpodobně nikdo z nás nechce posílat německým, polským nebo slovenským sousedům zdarma hotový dům dolů po proudu, je před stavbou dobré patřičně zhodnotit budoucí staveniště. Nic tak nepotěší, jako zjištění, že vámi zvolené místo s výhledem na protější kopec je každé jaro lehce "podmáčené". Existují dvě základní metody, jak zjistit, nachází-li se váš dům v záplavové oblasti. Tou první a bezpochyby snazší metodou je zajít na některý z místních úřadů a požádat je o povodňové mapy. Daleko zajímavější metodou ale určitě bude vytvořit si takovou povodňovou mapu sám(a).

K tomu potřebujeme jednu mapu zájmového území známých souřadnic a známé kartografické projekce (čím větší měřítko, tím lépe), jeden počítač nevalného výkonu a chvíli času. Na tomto místě si dovolím malou odbočku: pozorně čtěte informace na tištěných mapách. Není jednoduché (čti: "levné") získat legální data v digitální podobě a kouzelná formulka "Veškeré reprodukce map nebo jejich částí jakoukoliv formou jsou možné pouze s předchozím písemným souhlasem vydavatele." dovede zkazit bujarou radost lecjakého GISáka.

Pokud ještě mapu nemáme v počítači, naskenujeme ji (používejte formát TIFF, JPEG nemá v tomto oboru místo -- dochází ke ztrátě cenných dat) a naimportujeme do GRASSu. V GRASSu pak provedeme orthorektifikaci -- přiřazení správných geografických souřadnic těm správným bodům (viz poznámku pod čarou č.1). Rektifikace trvá v závislosti na velikosti území, požadovaném rozlišení a výkonu počítače několik minut až několik dní.

Když všechno dobře dopadne, probudíme se do krásného jitra a v počítači na nás čeká dobře rektifikovaná mapa - můžeme přikročit k dalšímu kroku.

K tomu, abychom mohli zjistit, jak moc hluboko bude náš dům pod vodou a budeme-li muset vynést server do druhého patra nebo bude stačit první, potřebujeme digitální model terénu (DEM). To je rastrová mapa, ve které hodnota z každé buňky reprezentuje nadmořskou výšku terénu. V naší podkladové mapě je tato informace ve formě vrstevnic.

V prvním kroku tedy přistoupíme k vektorizaci vrstevnic -- v digitalizačním modulu se GISu myší klikáním na ta správná místa "ukáže", kudy vede ta správná vrstevnice a přiřadí se jí její vlastnost -- výška nad mořem.

Ve druhém kroku se z těchto linií udělají body, které si informaci o výšce nad mořem ponechaly. Získali jsme tak nepravidelné bodové pole.

Ve třetím kroku tyto body interpolujeme -- spočítáme podle zvolené interpolační metody se zvolenými parametry (ještě štěstí, že mnoho rozumných hodnot je nastaveno jako výchozí) -- a výsledkem je, tradá, rastrová mapa s informací o výšce nad mořem.

Digitální model terénu. Hodnoty z každé buňky představují výšku nad mořem.

Nyní předpokládejme, že známe bod, nad nímž bude v okamžik O v hodinu H hladina řeky 5 metrů vysoko (například dno koryta). Zpracujeme si tedy povodňovou mapu pro tuto situaci. Z GISu víme, že tento bod je přesně 467,34 metrů nad mořem (zjistili jsme to zadáním přesných souřadnic nebo méně přesným poklepáním myší na tom správném místě). Hladina vody bude 5 metrů vysoko:

mapa_hladiny = if((digitalni_model_terenu <= 467.35+5),467.35+5,null())

(funkce null() zajistí, že hodnoty z ostatních buněk se vyplní hodnotou NO DATA). A již vidíme, že nám bude stačit první patro, ale kamarád se na nějaký čas stěhuje k babičce...

Povodňová mapa -- hladina řeky vystoupila na 5 výškových metrů ode dna koryta.

To byl jeden z příkladů tzv. rastrových analýz, kdy nám jako vstupní data pro vlastní analýzu slouží rastrová data. Podobným způsobem bychom mohli spočítat erozi (odnos půdy v tunách na hektar za časovou jednotku) a nebo třeba spočítat na základě laserových dat počet stromů v lese, jejich výšku a tloušťku kmene (to už je trochu komplikovanější...).

Jednou z podkladových map pro výpočet vodní eroze je i mapa hustoty povrchového odtoku. Čím je barva modřejší, tím větší je hodnota povrchového odtoku. Při výpočtu vodní eroze se musí zohledňovat i terénní překážky v podobě příkopů podél cest a nebo železničních náspů.

Analýza vektorových dat může probíhat podobně, a nebo také ne. Analýzou vektorových dat se dobabráme například k řešení úloh nejlevnější cesty (vektorové linie představují cesty, které jsou spolu spojeny uzly, každá cesta je charakterizována cenou na jednotku délky) a nebo celá analýza spíše připomíná dobře formulovaný dotaz ve standardu SQL99. GRASS totiž disponuje, buď pomocí různých pomůcek nebo přímo, možností napojení na většinu současných známých databázových systémů. Nejvíce je však podporována databáze PostgreSQL.

Co to ještě umí

Umí toho ještě hrozně moc. Funkcionalita GRASSu není jenom v oboru "klasicky GISovém", ale vystrkuje růžky také v jiných oborech. GRASS lze nasadit na internetový server a provozovat jej dohromady s MAP Serverem jako GIS po internetu. V současné době můžeme jak u nás, tak v zahraničí, pozorovat trend zpřístupňování geografických dat po internetu. Idea je asi taková, že každý hajný se přes modem přihlásí ke svému účtu, zobrazí se mu vektorová data reprezentující jednotlivé porosty (vektory jsou dány pouze několika čísly -- běhá to jak z praku), se kterými manipuluje přes WWW rozhraní (plány péče, těžeb, informace o vývoji zásob v porostu atd.). K této činnosti můžeme tedy použít GRASS.

Dalším oborem, který vám GRASS poskytuje, je 3D vizualizace dat (nejčastěji geografických). K tomu slouží už zmiňovaný modul NVIZ. NVIZ umí rastrová data (jako je náš digitální model terénu) zobrazit z libovolného úhlu či výšky v 3D pohledu. Výsledný plastický model můžete ještě dle požadavků nasvítit a dokonce lze s jeho pomocí vyrobit film zachycující průlet vaší krajinou.

Při výrobě 3D modelů krajiny se vezme jako podklad mapa digitálního modelu terénu, ze které se vytvoří tvar povrchu, na který se mohou "navléct" další rastrové, ale i vektorové mapy.

S přídavným modulem je GRASS schopen pracovat s tzv. voxely -- 3D pixely -- a tím se otevírá zcela nové pole pro analýzu např. půdních sond.

Jaký bude?

Je radost pozorovat, že se vývoj nezastavil a že veselým tempem pokračuje dál. V současné vývojové verzi 5.1 se každý týden něco změní. Již nyní disponuje GRASS 5.1 díky úplně nové vektorové architektuře lepší možností napojení různých databází přímo na vektorová data. Omezení, která má GRASS 5.0.x v oblasti správy vektorových dat, s verzí 5.1 padají.

Modul pro zobrazování 3D dat NVIZ zvládá s verzí 5.1 zobrazování 3D vektorů. S touto zajímavou dovedností jej lze použít při řešení různých jednoduchých úloh z oblasti 3D vizualizace krajiny. Bohužel NVIZu chybí kloudný renderovací systém a také systém zobrazování 3D vektorů není zcela bez chyb (někdy vektory v pozadí překryjí při vykreslování vektory v popředí). Nesmíme ovšem zapomínat na fakt, že GIS (a tudíž i GRASS) není primárně určen k podobným kejklím jako je 3D vizualizace dat a také že se jedná o vývojovou verzi.

Pokus o 3D modelování krajiny. Na rastrovou mapu digitálního modelu terénu byla "navlečena" topologická mapa a na ni byly umístěny 3D vektory v podobě "stromů".

Celkový trend vývoje směřuje k většímu nasazení grafického uživatelského rozhraní. Tam kde v GRASSu 5.0 spustíte příkaz bez parametrů a jste zavaleni systémem otázek, na jejichž konci se spustí patřičný modul s patřičnými parametry, dostanete v GRASSu 5.1 grafické okno s možností zadat tyto parametry přímo. Osobně se mi tento trend -- pografičťování -- příliš nezamlouvá. Chápu ale, že mohou být chvíle, kdy se to hodí. Naštěstí mohu stále spouštět moduly textově, s rovnou zadanými parametry.

Doufám také, že bude alespoň trochu český. Tedy, abychom si rozuměli, český je už díky vývoji až dost. Cituji z nápovědy k moduludb.select:

(...) Parameters: sql SQL select statement, for example: 'select * from rybniky where kapri = 'hodne' (...)

Asi se shodneme na tom, že počešťovat jakýkoliv podobný program je poněkud zvěrstvo (ale jsou místa, jako již zmíněná nápověda, na kterých to pobaví). Hovořím o překladu dokumentace a návodů, což se alespoň částečně spojenými silami daří a padá tak jedna z bariér bránící většímu rozšíření GRASSu v Čechách a na Slovensku.

Závěr

Doufám, že jsem tímto tématem a formou jeho zpracování neurazil příliš mnoho čtenářů. Šlo o to představit a upozornit na skutečně fungující projekt, který je svou funkčností více než použitelný a který zároveň zajímá v podstatě jen úzkou skupinu lidí (na rozdíl od např. kancelářských balíků). To, že jeho vývoj probíhá pod GNU/GPL je další významné plus a já se těším, až se na mě kolegové přestanou dívat jako na blázna pokaždé, když jim řeknu, s jakým GISem že to pracuji.

---

1. Na začátku práce musíme založit tzv. location. To je území známé kartografické projekce a okrajových souřadnic. V rámci jedné location pracujeme s daty, která na dané území patří. Nemá přece smysl mít k dispozici celý svět, když si analyzujeme jenom několik hektarů okolo chaty. Různé locations jsou založeny v různých kartografických projekcích. Kartografická projekce se snaží o převedení tak-nějak kulové plochy Země na placatou plochu papíru. Při tomto převodu dochází u různých projekcí k různým zkreslením a chybám. Určitě si pamatujete na základní školu, kde v Zeměpisném atlasu, na vnitřní straně desek je nakreslená zeměkoule různými způsoby omotaná listy papíru (válce, kužele či jenom tak přiložený papír). To jsou právě příklady různých projekcí. V GRASSu lze buď vytvořit projekci vlastní (nebo spíše zadat parametry projekce, kterou GRASS neumí) nebo použít jednu ze stávajících. Jednou z možností je používat tzv. projekci x,y, která představuje pouze jakýsi kartézský souřadný systém.
2. Pokud se nám povedlo dostat do počítače požadovanou rastrovou mapu, musíme ji nejdříve do GRASSu naimportovat (to se děje příkazem r.in.tiff). Většinou si v GRASSu založíme projekci x,y, do které naimportujeme obrázek našeho území. Tím jsme dostali obrázek do GISu a od nynějška s ním zacházíme jako s rastrovými geografickými daty. Založíme si další projekci (nejčastěji projekce šířka/délka, Gauß-Krüger nebo S-JTSK (Křovák)), ve které je naše podkladová mapa (tato informace bývá na mapě napsána nebo ji dostaneme spolu s mapou). A několika známým bodům na naší naimportované rastrové mapě přiřadíme ty správné souřadnice. Body volíme tak, aby byly jasně identifikovatelné (průsečíky poledníků a rovnoběžek, středy křižovatek, soutoky potoků). V závislosti na stupni polygonu, kterým budeme provádět vyrovnání volíme 4 až několik desítek bodů. Souřadnice buď odměříme rovnou z papírové mapy, nebo zaběhneme do terénu a získáme je pomocí přístroje GPS. Když jsou tedy potřebné body "posazeny", musíme celou mapu z projekce x,y převést na námi požadovanou projekci. Výsledkem je mapa, jejíž každý bod má přesnou zeměpisnou polohu. Mapa může být různě pootočená, zdeformovaná nebo (když špatným bodům přiřadíte špatné souřadnice) úplně "naruby". V takovém případě nezbývá než začít proces tzv. rektifikace od začátku.

       

Komentáře

[rodo]

visualizace by se daly vylepsit pouzitim externiho rendrovadla. v povray-i se daji vykreslit celkem pekne stromecky. kamarad architekt ho pouziva pro vizualizace architektonickych projektu. (napr. http://www.disnel.com/showJpegImg.html?arch/thesis/nadhled1)

[J. Dušek]

Zdravim Autora clanku a moc dekuji za clanek! Napadla me jedna věc. Pro linux asi neni k dispozici GNU CAD systém (asi jen QCad). Slo by pouzit GRASS pro modelovani budov (interiery a exterier)??? Jirka D.

[Jáchym Čepický]

Zdravím a děkuji za pochvalu.

Na modelování budov (exteriér i interiér) je GRASS vysloveně nevhodný. GRASS je především GIS a ten se především odehrává v 2D. Na nakreslení 3D modelu je lepší použít nějaký jiný program (CAD), který vytvoří požadované vektory a GRASS je pak umí, v nějaké kvalitě, zobrazit. Na stromečky jsem si napsal skriptík, který generuje souřadnice popisující jednotlivý každý jednotlivý strom.

Na jednom z obrázků jsou sice budovy vidět, ale byly dělány velmi jednoduchým způsobem (jsou to rastrové mapy).

Více najdete na stránce NVIZu případně přímo na stránkách Radima Blažka (na jeho stránkách se většinou najde, co je v GRASSu nového a jak zrovna koukám, zase to umí něco navíc a jiného, než jsem kdy viděl... člověk to nestíhá sledovat.... viz. v.out.pov + POV-Ray )

Přeji hezký den

Jáchym

[Jáchym Čepický]

Ještě se doplním: Já nemám totiž nijak výkonný počítač s nijak velikým HDD a nijak dobrým připojením k internetu. Snažím se v něm mít hlavně to, co skutečně potřebuji a o ostatním mít tak alespoň přehled.

Utilitky typu Povray nepotřebuji a proto nemám (zabírají místo, na kterém mohou být data...).

Proto se omlouvám. Pro diskusi na toto téma nejsem kompetentní partner. Vypadá to, že jedna ze současných verzí GRASSu 5.1 obsahuje modul v.out.pov, který by měl umět exportovat GRASSové vektorové formáty do formátu skousnutelného pro právě Povray (kdybych kecal blbosti, tak prosím o doplnění).

Jáchym