VÝUKA GIS NA FIT VUT V BRNĚ Výuka GIS na FIT VUT v Brně Martin Hrubý Department of Intelligent Systems Faculty of Information Technology, Brno University of Technology E-mail: hrubym@fit.vutbr.cz Kĺıčová slova: GIS, výuka, programováńı, GRASS Abstrakt Př́ıspěvek pojednává o zavedeńı předmětu GIS do výuky na Fakultě informačńıch technologíı VUT v Brně. Předmět se vyučuje už druhý rok. Vzhledem k programátorskému zaměřeńı naš́ı fakulty je hlavńım posláńım předmětu zatáhnout do GIS oblasti daľśı nové programátory. Jako technické zázemı́ předmětu GIS byl zvolen nástroj GRASS a to předevš́ım proto, že v době vzniku předmětu jsme nic jiného neměli. V pr̊uběhu letńıho semestru 2005/06 jsme koupili komerčńı nástroj ArcGIS firmy ESRI, takže mě jako garanta předmětu čeká rozhodováńı o budoućı formě výuky GIS... Základńım textem pro př́ıpravu kurzu byla kniha Jána Tučka “Geografické informačńı systémy”. Posloužila mi jako odrazový m̊ustek pro návrh osnov předmětu. Fakulta informačńıch technologíı, VUT Naše fakulta vznikla před pár lety, kdy se tehdeǰśı Ústav informatiky a výpočetńı techniky odtrhl od Fakulty elektrotechniky a informatiky VUT v Brně. Nově vzniklá fakulta se začala hned rychle rozr̊ustat, nab́ırat v́ıc student̊u, budovat nové studijńı programy a podobně. Dá se ř́ıci, že studijńı obory a předměty jsou stále ještě ve velkém vývoji a neustálené. Výhodou však je, že stav́ıme na naš́ı dlouhé tradici výuky poč́ıtač̊u a programováńı. Já pracuji na Ústavu inteligentńıch systémů. Specializujeme se na poč́ıtačové modelováńı, si- mulaci a umělou inteligenci. Zpráva o existenci GIS se k nám dostala v podstatě náhodou. Po jisté diskuzi o kompetenci r̊uzných ústav̊u vyučovat tuto problematiku se toho ujal náš ústav. V našem pojet́ı jsou GIS technologie modelovým vyjádřeńım reality, na které lze aplikovat teorii poč́ıtačového modelováńı a simulace; GIS technologie mohou být provázány s roboti- kou, agentńı simulaćı, poč́ıtačovými hrami, modely počaśı a podobně. Ukázalo se, že pojem “informačńı systém” ve smyslu databáze zde hraje minoritńı význam. Studium GIS na FIT Jsme programátorská škola, ke geodézii a kartografii nemáme absolutně žádný vztah a proto se snaž́ım pojmout přednášky o GIS programátorským zp̊usobem. GIS chápeme jako specifický druh softwaru. Jistým základ̊um se však nedá vyhnout, proto přednášky zahrnuj́ı i statě o geografických souřadných systémech, kartografii, základech geografie naš́ı planety a podobně. Geinformatics FCE CTU 2006 123 VÝUKA GIS NA FIT VUT V BRNĚ V tomto textu jsou uvedeny témata jednotlivých přednášek. Vypadá to, že každé jednot- livé téma by vydalo na samostatný předmět na specializované škole. Z tohoto pohledu je náš předmět v podstatě jenom přehledový. Chtěl bych ho směřovat do studia analytických algoritmů a nástroj̊u, modelováńı reálných situaćı do podoby GIS aplikaćı, zapojeńı podp̊urné elektroniky, provázáńı na daľśı problémy modelováńı a simulace a předevš́ım na programátorský rozvoj GISovských nástroj̊u - tedy programů. V tomto ohledu se zdá být GRASS ideálńı pro svou otevřenost. Nab́ıźı se však otázka, jestli je opravdu koncepčńı ho rozv́ıjet. Mám v dlou- hodobém plánu zkoumat možnosti objektově orientovaných GIS model̊u a jejich snadnou propojitelnost. Proto se taky s kolegy a studenty budeme snažit položit základ nového expe- rimentálńıho objektově orientovaného GIS nástroje nebo alespoň ukázat smysluplnost nebo nesmysluplnost OO pojet́ı GIS dat a model̊u. Přednášky GIS Na naš́ı fakultě má semestr 13 přednáškových týdn̊u. Snaž́ım se na každé přednášce probrat jedno téma. Osnova je následuj́ıćı a nejsṕı̌s taková i několik let z̊ustane: 1. Úvodńı seznámeńı s GISy - pojem GIS, pojmy geoobjekt, prostor (abstraktńı) a vazba pojmu prostor na geografický prostor, atribut. Smyslem přednášky je předevš́ım vysvětlit základńı pojmy a motivaci pro celý tento vědecko-technický obor. 2. Modelováńı geografického prostoru - je ukázána problematika modelováńı geografického prostoru od nejnižš́ı abstrakce ve formě nepřesně změřené fyzické reality, přes jej́ı mo- del ve formě geoidu a dále referenčńıho elipsoidu a zobrazeńı náhradńıho elipsoidu do souřadného systému. Proberou se souřadné systémy š́ı̌rka-délka, UTM a S-JTSK. S t́ım souviśı historie zjǐst’ováńı polohy na Zemi, měřeńı vzdálenost́ı a podobně. 3. Modelováńı geo-objekt̊u - základńı př́ıstupy k modelováńı prostorových objekt̊u, koncept vektoru a rastru, vektorová topologie, uložeńı vektorových dat. Z této přednášky by mělo alespoň intuitivně být student̊um jasné, jaké části reality modelovat vektorově a které rastrem (v závěru semestru chystám přednášku o konkrétńıch př́ıpadových studíıch). Je objasněn pojem topologie - minimálně jako zp̊usob organizace vektorových dat při ukládáńı. 4. Rastrové vrstvy - vzhledem k silné vazbě předmětu na nástroj GRASS je rastrovým vrstvám věnována zvláštńı přednáška. Typické aplikace rastr̊u. Po úvodńım seznámeńı s koncepćı rastr̊u se prob́ıraj́ı povrchy, digitálńı modely terénu a jejich r̊uzné vyjádřeńı. 5. Geografické (GIS) databáze - r̊uzné generace GIS z pohledu databázových systémů, objektově orientované DB, postrelačńı databáze, PostGIS. 6. GIS nástroj GRASS - seznámeńı s GRASSem, uložeńı dat v GRASSu, lokace, mapsety, monitory, základńı operace, NVIZ. Př́ıprava pro prvńı poč́ıtačové cvičeńı. 7. Vstup geo-údaj̊u, základńı restrukturalizace údaj̊u - primárńı a sekundárńı zdroje geo- grafických údaj̊u, pr̊uzkum v terénu, fotogrammetrie a DPZ, restrukturalizace vektor̊u a rastr̊u - převody, změny měř́ıtka. Přednáška je také podkladem pro druhé poč́ıtačové cvičeńı, kde se ukazuje geokoordinace naskenovaného kusu mapy a vektorizace vy- braných část́ı obrázku. Geinformatics FCE CTU 2006 124 VÝUKA GIS NA FIT VUT V BRNĚ 8. Analýza (v rastrovém formátu) - analýzy geografických dat jako hlavńı smysl GIS, dotazy na geodatabázi, reklasifikace a mapová algebra, vzdálenostńı analýzy (buffer, š́ı̌reńı, prouděńı), výškové analýzy (sklon a orientace svah̊u, analýza osvětleńı, př́ımá viditelnost). Několik rozsáhleǰśıch př́ıklad̊u v GRASSu 9. Analýza (ve vektorovém formátu), analýza obrazu - analýza śıt́ı, zóny dopravńı dostup- nosti k obslužným centr̊um. Vektorová analýza se vzhledem k nedostatk̊um ukázkových dat necvič́ı. Daľśım tématem přednášky jsou ákladńı pojmy z analýzy dat z DPZ - úprava obrazu, identifikace objekt̊u v obraze, analýza multispektrálńıch dat. V tomto tématu bych chtěl rozhodně přednášky a cvičeńı pośılit. 10. GIS ve státńı správě, zaváděńı GIT do organizaćı (přednáš́ı host - dr. Jitka Machalová z PEF MZLU) výměnou za to, že já u nich přednáš́ım rastrovou analýzu v GRASSu. 11. Mapový výstup - základńı pravidla pro tvorbu map, základy kartografie, tématické mapy, 3D vizualizace. Tady zřejmě bude i MapServer. Tato přednáška se poněkud zkva- litńı zavedeńım nástroje ArcGIS. 12. GPS a podobné systémy. DPZ pro meteorologii - technické parametry, popis principu, rozš́ı̌reńı GPS, daľśı podobné systémy, připojeńı GPS k poč́ıtači, formát NMEA. Tato problematika je pro studenty zřejmě atraktivńı (asi se nejv́ıc bĺıž́ı jejich vńımáńı zapojeńı GIS do života). Druhou část́ı přednášky je popis systému Meteosat pro sledováńı mete- orologických prostorových proces̊u. Chtěl bych v́ıce rozvést problematiku poč́ıtačového modelováńı počaśı, meteorologických map a podobně. 13. Case studies - zat́ım nenaplněné téma. Chtěl bych tu ukázat konkrétńı inženýrské pro- jekty se zapojeńım GIS nástroj̊u a technologíı. Zřejmě záviśı na dostupnosti dat nebo na spolupráci s jinými odborńıky. Cvičeńı Cvičeńı jsou zat́ım vedeny na systému GRASS. Proto taky zač́ınaj́ı až po úvodńı přednášce o GRASSu a nav́ıc v době, když už na přednášce zazněly hlavńı pojmy. Cvičeńı se dělá ve skupinkách po cca 20 studentech u poč́ıtač̊u. Naše školńı poč́ıtače v la- boratoř́ıch jsou naštěst́ı všechny vybaveny OS Linux (MS-Windows je tam taky). Instalace GRASSu je umı́stěna centrálně na file-serveru. Menš́ı datasety si studenti vytvářej́ı ve svých domovských adresář́ıch. Velký dataset, jako je třeba demonstračńı lokace cr-wgs84 od skupiny českých uživatel̊u GRASSu, je umı́stěn a použ́ıván souběžně všemi ve speciálńım sd́ıleném ad- resáři. Náplńı cvičeńı je: 1. Seznámeńı s GRASSem - základńı operace, výpis mapových vrstev, monitory, zobrazeńı vrstvy, nastaveńı zobrazovaćıho regionu, měřeńı vzdálenost́ı a podobně. Ukázka selekce vybraných část́ı vrstev. 2. Vstup dat - georeferencováńı zadaného obrázku, vektorizace vybraných partíı obrazu, pořizováńı atributových dat, správa databázové části GRASSu. Geinformatics FCE CTU 2006 125 VÝUKA GIS NA FIT VUT V BRNĚ 3. Analýza v rastru - jako podklady jsou použity demonstračńı datasety z distribuce GRASSu (spearfish, leics). Vzhledem k fatálńımu nedostatku vektorových dat se ne- prob́ıraj́ı analýzy založené na vektorech. 4. tady zřejmě přijde seznámeńı s ArcEditorem od ESRI Náplň cvičeńı je podle mě celkem rozumná vzhledem ke stavu kurzu, technických možnostech a našemu hlavńımu zaměřeńı. V budoucnu nejsṕı̌s v́ıce zapoj́ım nástroj ArcGIS, ke kterému jsme dostali několik DVD geodat pro experimentováńı. Nebylo by špatné mı́t cvičeńı na implementaci vybraného analytického algoritmu pro GRASS nebo ArcGIS. Budeme instalovat taky rozhrańı ArcSDE, tak si lze představit experimenty s uložeńım a správou geodat na školńıch Oraclovských serverech. Projekty Je u nás zvykem v každém předmětu hodnotit samostatnou studentskou práci na zadané nebo studentem zvolené téma - tak zvaný projekt. Obt́ıžnost projektu v jednotlivých předmětech je dána obvykle významnost́ı předmětu pro náš studijńı obor nebo prostě jenom nároky jeho vypisovatele-garanta předmětu. V předmětu GIS neńı př́ılǐs mnoho alokovaného kreditového prostoru pro obt́ıžná zadáńı. Ani je ze student̊u nevymáhám. Studenti si své zadáńı voĺı sami z těchto tř́ıd: 1. studijńı - ćılem je nastudovat vybranou problematiku v rozsahu převyšuj́ıćım výuku. Tato kategorie je studentsky nejobĺıbeǰśı - studenti tvrd́ı, že považuj́ı za odpočinek chv́ıli neprogramovat. Nacháźım zde mı́sty velmi zaj́ımavé práce (tento rok jsem např́ıklad dostal velmi obsáhlou třicetistránkovou studii modelováńı větr̊u v ČR včetně popisu př́ıslušných simulačńıch nástroj̊u a analýzy provozovatelnosti větrných elektráren v ČR). 2. implementačńı - implementace vybraných algoritmů a formát̊u. Dostal jsem např́ıklad hezké pokusy o objektovou GIS databázi, implementace rastrových analýz, prohĺıžečky r̊uzných formát̊u a daľśı. 3. infiltračńı - ćılem je proniknout do nějaké gisařské firmy a vyzvědět od nich zaj́ımavé detaily o jejich práci (včetně např́ıklad ceńık̊u). 4. gisovské - použit́ı GIS nástroje pro zpracováńı geodatabáze zadané lokality. Ve většině př́ıpad̊u tyto projekty koṕıruj́ı úlohy ze cvičeńı a v mnoha př́ıpadech poskytuj́ı téma student̊um, kteř́ı nechtěj́ı nic speciálńıho hledat nebo řešit. Studentské bakalářské/diplomové projekty Vypsal jsem několik témat pro studentské bakalářské a diplomové projekty. Několik ukázek: 1. Databázová podpora GIS systému GRASS - ćılem je poněkud narovnat db část grassu, prozkoumat napojeńı postgresu a podobně. V ideálńım př́ıpadě vyrobit něco jako Ar- cSDE pro GRASS. Geinformatics FCE CTU 2006 126 VÝUKA GIS NA FIT VUT V BRNĚ 2. Databázová podpora v projektech geografického pr̊uzkumu - jednoduchá aplikace zob- razuj́ıćı mapové vrstvy na např́ıklad Palmu s možnost́ı vrstvy editovat, měřit polohu a podobně. 3. GIS systém pro obec - implementace GIS aplikace pro potřeby obce s možným webovým rozhrańım. 4. Navigačńı systémy v geografických pr̊uzkumných akćıch - výpočet navigace pro pohy- buj́ıćı se objekt. Napojeńı na ř́ıd́ıćı prvek (např́ıklad na autonomńı mobilńı robot). 5. Objektově orientované geografické databáze - lze pojmout na r̊uzných úrovńıch složitosti. Zapojeńı topologie, mobilita objekt̊u, analytické operace. Implementačńı prostřed́ı na bázi Smalltalku, Selfu. 6. Vektorová analýza v GIS systémech - souhrná studia a implementace vektorových analýz na obecněǰśı úrovni. Knihovna napojitelná na libovolná rozhrańı. Možná revize vekto- rové analýzy v GRASSu, nové programové rozhrańı. 7. Webové rozhrańı pro GIS systém GRASS (diplomka přihlášená na př́ı̌st́ı rok) - studium mapových server̊u, nezbytné zásahy do jádra GRASSu, správa v́ıce připojeńı. Rozhrańı ve formě vzdáleného př́ıstupu ke GRASSu nebo pouze poskytovatele mapových služeb. Některé závěry byly již publikovány [1]. 8. Systém pro podporu sběru a správy programu rozvoje obćı v ČR (bakálařský projekt, momentálně běž́ı) - bakalářská práce našeho studenta ve spolupráci se studentem z př́ırodovědy MUNI. Ćılem byl poč́ıtačový program, který bude generovat specifickou dokumentaci (program rozvoje obćı) z veřejně dostupných dat a z uživatelem zadaných dat. Výzkum v GIS ???? Tady bych chtěl naznačit, kde bych plánoval přispět ve výzkumu GIS problematiky. Je mi jasné, že kvalitu výuky určuje i vědecká angažovanost učitele - a to plat́ı speciálně na vysokých školách. Současně s t́ım hledám oblast, která by měla návaznost na moje dosavadńı odborné zaměřeńı - tedy na modelováńı, simulace a umělou inteligenci. Proto mě napadaj́ı dvě oblasti: 1. Prostorové modely zapojitelné do modelováńı inteligence - hry, robotika. V posledńı době se zabývám matematickým modelem inteligence nazývaným Teorie her. Jednou z mnoha aplikaćı teorie her je i vývoj poč́ıtačových her, kde se spojuje umělá inteligence entity prováděj́ıćı strategické rozhodováńı a prostorový kontext jej́ı existence. Mohlo by být zaj́ımavé modelovat prostorovou představu inteligentńı entity o svém okoĺı. V doméně kooperuj́ıćıch agentńıch systémů, př́ıpadně v robotice je prostorová představa dokonce ještě d̊uležitěǰśı. 2. Objektově orientované geosystémy - v této oblasti bych chtěl sledovat dva proudy: 3. koncepčnost návrhu a vytvářeńı geodatabáźı, kde objektová orientace má jasné mı́sto, Geinformatics FCE CTU 2006 127 VÝUKA GIS NA FIT VUT V BRNĚ 4. mobilitu geo-objekt̊u, tedy snadnou přenositelnost libovolného elementu geografické da- tabáze do zcela obecně jiného prostřed́ı. Závěr Předmět GIS se na naš́ı fakultě, zdá se, uspěšně rozběhl. Budu se snažit, aby měl stále hodně student̊u, zaj́ımavých projekt̊u a navazuj́ıćıch diplomových praćı. Tento článek měl o něm podat zprávu a možná i někoho inspirovat. Reference 1. Hrubý Martin: WEB Interface for GRASS Geographic Information System, In: Proce- edings of XXVIIth Internation Autumn Colloquium ASIS 2005, Ostrava, CZ, MARQ, 2005, s. 103-108, ISBN 80-86840-16-6 Geinformatics FCE CTU 2006 128