Interaktivní nástroje pro environmentální analýzy na Internetu

1. Obsah a typ prezentovaných informací

Výchozím bodem environmentálně zaměřených mapových portálů je samozřejmě přehled zájmového území, ať už se jedná o územně-správní celek, povodí řeky nebo část pobřeží oceánu. K němu je přiřazen různý počet tematických mapových vrstev, které odpovídají zaměření portálu.

V oblasti environmentální se nejčastěji setkáváme s mapami zaměřené na popis využití krajiny, typy půd a hydrologii. Velmi podrobně je tímto způsobem zpracována i Česká republika, a to prostřednictvím Národního geoportálu INSPIRE (http://geoportal.gov.cz/web/guest/map). Na různých mapových podkladech (topografická, katastrální, letecká, vojenská) zde nalezneme významné a chráněné přírodní území a objekty, klimatické oblasti, geologickou, geomorfologickou a fytogeografickou mapu, využití krajiny, ale i mnoho dalších informací z oblasti dopravy a socioekonomické sféry. Podrobnější data týkající se ochrany přírody a stavu životního prostředí (rezervace Natura 2000, biodiverzita, geobotanická mapa) jsou také prezentována na mapovém serveru Agentury ochrany přírody a krajiny.

Vodní toky a útvary jsou pro potřeby vodního hospodářství zpracovány prostřednictvím Hydroekologického informačního systému VÚV TGM. Na souhrnných i specializovaných mapách lze najít detailní typizace vodních toků a těles, jakost vody v různých časových periodách, ochranná pásma, místa odběrů a vypouštění a mnoho dalších datových souborů. Některé z nich jsou však přístupné pouze registrovaným uživatelům.

Monitoring znečištění a jeho výstupy jsou doménou především Českého hydrometeorologického ústavu. Podrobná data z monitoringu povrchových a podzemních vod jsou prezentována prostřednictvím informačního systému ARROW. Ten pomocí parametrického vyhledávání a přidružených map umožňuje nalézt detailní údaje o biologických a fyzikálně-chemických ukazatelích vod, nicméně vždy pouze v rámci jedné lokality.

Systém evidence kontaminovaných míst (SEKM) je databází evidující kontaminované lokality v ČR. Na různých mapových podkladech si zde uživatel může v jednotlivých vrstvách zobrazit skládky, staré zátěže, kontaminované zeminy apod., včetně posouzení výše a rozsahu rizika.

Na evropské úrovni je výchozím bodem pro zájemce o interaktivní mapy web Evropské agentury pro životní prostředí (EEA), resp. její mapový portál, který obsahuje více než 40 map popisující vlastnosti a kvalitu životní prostředí na kontinentu. Vedle základních charakteristik typu využití krajiny je značná část věnována popisu znečištění prostředí, a to jak z obecného hlediska, tak i se zaměřením na konkrétní polutanty. Velká pozornost je věnována stavu povrchových vod z hlediska Rámcové směrnice o vodách (celkový stav vod v jednotlivých zemích, úroveň monitoringu, čištění odpadních vod, znečištění vodních toků živinami), ale i kvalitě ovzduší (znečištění oxidy síry a dusíku, ozón, z organických látek např. benzen). Pro hodnocení transportu polutantů je klíčovým výstupem bezesporu Registr úniků a přenosů znečišťujících látek a jeho mapové a databázové zpracování. Uživatel může vyhledávat prostřednictvím mapy i parametrického vyhledávání zdroje polutantů napříč Evropou od těžkých kovů a skleníkových plynů až po perzistentní organické polutanty. Jednotlivé zdroje lze analyzovat a srovnávat podle států, podílu na celkovém objemu znečištění, typu průmyslové činnosti apod. Portál také nabízí stažení surových dat formou souboru MS Excel.

Obsáhlou databázi statických i interaktivních map nalezneme na webových stránkách provozovaných pod hlavičkou UNEP centrem GRID-Arendal. Nejedná se však ani tak o ucelenou databázi, jako spíš o oddělené výstupy nejrůznějších projektů, lokálních i regionálních. Z toho plyne v mnoha případech časové omezení dostupných dat a u projektů ukončených dříve i neaktuálnost. Mezi prezentovanými mapovými výstupy mohou být z pohledu POPs zajímavé především atlasy arktických oblastí (Arctic Environmental Atlas a UArctic Atlas).

Národní instituce pro životní prostředí nabízejí interaktivní databáze určené pro laickou i odbornou veřejnost, které nabízejí informace především o zdrojích znečištění v okolí vybrané lokality; zdrojem dat jsou obvykle národní emisní inventury. Za všechny jmenujme US EPA (Envirofacts, resp. nástroj EnviroMapper), Environment Canada (CESI Interactive Maps) a australské Ministerstvo pro udržitelný rozvoj a životní prostředí (National Pollutant Inventory)

Vedle uvedených obsáhlejších portálů a projektů existuje samozřejmě i řada více méně lokálních stránek, které mapují životní prostředí na regionální úrovni. Některé z nich propojují informace týkající se znečištění životního prostředí a možných zdrojů kontaminace s údaji o zdravotním stavu obyvatelstva, např. s incidencí rakoviny. V podobných případech ovšem vyvstává otázka, jestli lze z odborného hlediska vůbec interpretovat v rámci poměrně malých území souvislost jakéhokoliv environmentálního stresu s absolutními ročními počty případů rakoviny.

Mapových nástrojů, které umožňují zobrazovat různé vrstvy a body, existuje tedy v environmentální oblasti poměrně dost. V úvodu tohoto článku jsme však zmiňovali přesnou definici analytického výstupu, který uživatel požaduje. Zde se již nejedná o pouhé „vypnout/zapnout vrstvu“ – takové řešení vyžaduje jakousi nadstavbu nad databází, která umožní parametrickou definici požadovaného výstupu. Vezmeme-li jako příklad opět monitoring POPs, tak uživatel si zde sám zvolí prostorové a časové rozmezí analyzovaného souboru, konkrétní polutant nebo skupinu polutantů.

Tento typ funkcí však nabízí pouze část environmentálních mapových portálů. Např. stránka Air4EU takový výběr umožňuje, nicméně jedná se o monitoring 7 polutantů v ovzduší 10 evropských městech ve vybraných letech. Velikost datového souboru je tak značně omezena. Podobný přístup a strukturu informací nalezneme i na stránkách AirData provozovaných agenturou US EPA, která různými typy grafických a tabulkových výstupů podrobně pokrývá znečištění ovzduší napříč USA, nicméně podobně jako u Air4EU se jedná pouze o základní anorganické polutanty a prachové znečištění. Vedle systému AirData ještě existuje i podrobnější výstup nazvaný Air Quality System (AQS), který je ovšem přístupný pouze autorizovaným uživatelům státní správy USA.

GEO Data Portal UNEP obsahuje více než 500 proměnných veličin z oblasti životního prostředí, klimatu, zdrojů znečištění, využití krajiny, zdraví obyvatelstva, urbanizace atd. Po vybrání geografické úrovně a příslušné proměnné se zobrazují mapy a grafy, jejichž parametry a podobu lze následně upravovat. Jedná se o velmi rozsáhlý prezentační nástroj unikátních environmentálních, zdravotních, ekonomických, sociologických i demografických dat z oficiálních zdrojů typu WHO, UNESCO, IEA, FAO apod. Oproti většině zde zmíněných webů nabízí opravdu interaktivní přístup k analýze a vizualizaci. V úvodu uživatel vybírá sadu dat, který ho zajímá, a to podle tématu (např. environmentální rizika, klima, zdravotní stav populace apod.) a úrovně (od globální po subregionální). Následně se zobrazuje mapa, na níž jsou indikovány země a regiony, pro něž jsou daná data k dispozici, a hrubá kategorizace zemí podle vybrané veličiny. Porovnání různých regionů a zemí je možné prostřednictvím různých typů grafů, tabulek i metadat.

2. Použité platformy a technologie

Interaktivní environmentální portály jsou založeny na několika obvyklých způsobech kombinací technologií, které na straně serveru zajišťují distribuci mapových vrstev a práci s prostorovými objekty (mapové a GIS servery) a na straně klientských – uživatelských – aplikací se využívají technologie JavaScript, Flash/Flex, SilverLight či technologie dedikované pro konkrétní platformy mobilních zařízení (Apple iOS, Android…).

2.1. Serverové technologie

Mapové a GIS servery

Mapové servery se využívají pro velko-objemové distribuce mapových podkladů ať už v podobě bitmapových dlaždic nebo vektorových map. Některé mapové servery jsou navíc rozšířeny o podporu zpracování prostorových vyhledávacích, analytických a dalších „geo-funkcí“ nad mapovými vrstvami – mluvíme tak o GIS serverech.

Stěžejním softwarovým produktem v oblasti GIS serverů je ArcGIS Server od společnosti ESRI. Dále se v českém prostředí relativně často objevuje využití T-MapServer, který je často používán ve státní správě. Velké technologické firmy, které poskytují své mapy zdarma (Google, Microsoft, Seznam) mají většinou vlastní specializované řešení, které plně splňuje požadavky té dané firmy s možností vlastního řízení vývoje.

Mapové služby

Mnoho subjektů v dnešní době poskytuje mapové vrstvy širokému spektru uživatelů jako tzv. mapové služby. Jedná se o poskytnutí mapových vrstev většinou formou vyexportovaných bitmapových dlaždic. Uživatel mapové služby má k mapové službě přístup přes síť Internet. S mapou pracuje vždy pouze v režimu prohlížení, nemá přístup ke zdrojovým datům mapové služby a vždy pracuje pouze s výsekem z mapy podle aktuálního pohledu.
Tímto způsobem jsou často publikovány obecné satelitní nebo letecké foto-mapy, mapy ulic a dopravních komunikací či jiné tematické mapy.
Tyto mapové služby lze díky standardnímu komunikačnímu rozhraní využít ve vlastních webových aplikacích či při práci na desktopu. Zároveň je lze různě kombinovat, čehož se hojně využívá čím dál častěji.
Celosvětoví poskytovatelé (nejdůležitější):

• Google Maps
• Bing Maps (Microsoft)
• Arcgisonline.com (ESRI)
• OpenStreetMap
• Lokální poskytovatelé

2.2. Frontendové technologie

Frontendové technologie jsou charakteristické tím, že programový kód, který je pomocí nich napsaný, je v momentě potřeby přenesen přes síť na stranu klienta (uživatele), kde je teprve spuštěn. Jedná se o princip, kdy si uživatel nejprve stáhne samotnou aplikaci, která už ví, k jakým mapovým službám se má připojit, jak je skombinovat a jaké další nástroje zpřístupnit.

V prostředí webových aplikací se využívají následující technologie:

• JavaScript
• Adobe Flex
• Microsoft Silverlight

JavaScript

JavaScript je programovací jazyk, který má podporu ve všech moderních webových prohlížečích. Je to vhodná volba pro tvorbu univerzálních nejen mapových aplikací právě díky jeho širokému rozšíření a relativně nízkým nárokům na výpočetní výkon.
Problematické však je, že implementace jazyka JavaScript s v různých prohlížečích liší (stejná funkce se chová jinak nebo vrací odlišné výsledky). Vývoj v této technologii tedy vyžaduje dodatečné úsilí při překlenování těchto rozdílů.

Adobe Flex/Flash

Technologie Adobe Flex je programová nadstavba nad technologií Adobe Flash, která je podporována ve webových prohlížečích formou rozšiřujícího zásuvného modulu, který je v dnešní době nainstalovaný téměř na každém počítači. Prostředí AdobFlex/Flash je vhodné pro vývoj vysoce interaktivních aplikací s multimediálním obsahem. Výhodou je jednotné prostředí napříč operačními systémy a webovými prohlížeči.

Microsoft Silverlight

Technologie Microsoft Silverlight je obdobná technologie jako Adobe Flex. Opět je spouštěna v PC uživatele v prostředí zásuvného modulu prohlížeče. Rozšíření této technologie však není tak široké a není multiplatformní.

Technologie specifické pro mobilní platformy

Obrovským trendem je v současnosti zpřístupnění mapových aplikací i na mobilních zařízeních typu smartphone či tablet. I když je zde částečná možnost využití obecně podporovaných technologií jako je JavaScript či minoritně i Adobe Flex, je z hlediska nízkého výkonu mobilních zařízení vhodné využít nativní programové prostředí té dané mobilní platformy (iOS, Android, BlackBerry).

2.3. API

Pro zjednodušení vývoje mapových aplikací pomocí zmiňovaných frontendových technologií vznikla řada tzv. API (application programing interface). Je to sada připravených komponent, které jsou implementované v tom daném jazyku a řeší nějakou konkrétní funkci. V případě mapových aplikací to je např. mapové okno, které reaguje na gesta myší a posouvá zobrazenou mapu, kterou automaticky načítá ve formě dlaždic z mapové služby.

Google Maps JavaScript API a Google Maps API for Flash

• Podpora práce s mapami od Google
• Možnost přidání vlastní vrstvy s vektorovými objekty

ArcGIS API for Flex, ArcGIS API for JavaScipt, ArcGIS API for Silverlight

• Podpora práce s mapami v mnoha formátech
• Optimalizováno na formáty ArcGIS Serveru
• Velká škála funkcí nad prostorovými daty a objekty

2.4. Mash-up princip

Při vývoji moderních mapových webových aplikací se používá tzv. mash-up princip – smíchání mnoha různých funkcí a technologií dohromady.

Server

• Distribuce prostorových dat formou mapových služeb (chráněné / veřejné)
• Mapové služby jsou specializované a optimalizované na výkon
• Možné využití jedné služby více různými aplikacemi

Klientská aplikace

• V klientské aplikaci dochází ke kombinaci více datových zdrojů
  • Podkladové mapy z veřejných mapových služeb (Google, ArcGISOnline, Bing)
  • Vlastní mapové vrstvy s daty dle charakteru aplikace (vlastní ArcGIS Server)
  • Datové zdroje z databází se záznamy s informací o prostorovém umístění
  • Napojení na čistě datové zdroje (vlastní databáze / veřejná služba) – znalostní databáze, wiki, doprovodné texty apod.
  • Načtení vlastních mapových vrstev od uživatele
• Zpřístupnění editační, vyhledávacích či analytických funkcí

3. Co přináší GENASIS?

Z uvedeného přehledu mapových portálů s environmentálním zaměřením vyplývá, že na internetu nalezneme mnoho mapových a grafických nástrojů pro vizualizaci environmentálních dat. Jen zlomek z nich však přináší opravdovou interaktivitu, která uživateli umožní přesnou definici analyzovaných dat a formy výstupu. Projekt GENASIS tedy přináší již ve své první fázi poměrně unikátní nástroje pro webovou prezentaci environmentálních dat. Jeho grafické a mapové výstupy zůstávají totiž interaktivní i poté, co dojde k jejich vygenerování na základě vstupních požadavků. Uživatel má neustále možnost si daný výstup předefinovat, ať už jde o rozsah časové řady, lokalit, analyzovaných sloučenin apod. Analytické a grafické výstupy lze zobrazovat prakticky nad jakýmkoliv souborem environmentálních dat, který respektuje jeho základní databázovou strukturu a obsahuje dostatečné množství validních informací. Proto se jedná o velmi unikátní a užitečný zdroj informací a velmi slibnou platformu pro propojení dat nejen environmentálních, ale třeba i zdravotních a epidemiologických.

4. Odkazy

Agentura ochrany přírody a krajiny. http://mapy.nature.cz/

Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, v.v.i. Hydroekologický informační systém. http://heis.vuv.cz/default.asp?typ=00

Český hydrometeorologický ústav: Informační systém ARROW. http://hydro.chmi.cz/isarrow/

CENIA, česká informační agentura životního prostředí. Systém evidence kontaminovaných míst. http://sekm.cenia.cz/sekm/

European Environment Agency. Data and maps. http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/

United Nations Environment Programme. Environmental Data Explorer. http://geodata.grid.unep.ch/

GRID-Arendal. Maps and Graphics. http://maps.grida.no/

The Norwegian Institute for Air Research. Air4EU. http://www.air4eumaps.info/

US EPA Envirofacts. http://www.epa.gov/enviro/

US EPA EnviroMapper. http://www.epa.gov/emefdata/em4ef.home

CESI Interactive Maps http://www.ec.gc.ca/indicateurs-indicators/default.asp?lang=En&n=130FFF78-1

National Pollutant Inventory, http://www.npi.gov.au/data/search.html

New York State Health Department. Environmental Facilities and Cancer Mapping. http://www.health.ny.gov/statistics/cancer/environmental_facilities/mapping/

US EPA AirData. http://www.epa.gov/airdata/

UNEP GEO Data Portal http://geodata.grid.unep.ch/

Air4EU. http://www.air4eumaps.info/

Jakub Gregor, Ph.D., Bc. Richard Hůlek
Institut biostatistiky a analýz, LF a PřF MU, Brno

28.2.2012

Zpět