Geografické informační systémy v dopravním inženýrství

• Foto

Existují kroky, které mohou celý proces učinit ještě efektivnějším a pomoci například železniční dopravě stát se více konkurenceschopnou. Jedním z nich je důsledné využívání moderních nástrojů známých jako GIS, které je možné aplikovat vedle logistiky a plánování také při modelování a řízení dopravy jako takové. Paralelně s rozvojem systémů GIS probíhá již mnoho let intenzivní rozvoj na poli mapovacích zařízení využívajících satelitní navigace GPS. Také moderní komunikace pomocí bezdrátových technologií (GSM, GPRS, UMTS) s využitím internetu značně mění možnosti současných informačních systémů a GIS. Společným jmenovatelem a hlavním hybatelem všech uvedených technologií je potom samozřejmě překotný vývoj ve výpočetní technice jako takové.

Legislativní rámec
Evropská integrace se v současnosti skloňuje v mnoha pádech a výrazně ovlivňuje i dopravní sektor. Jedním z významných počinů bylo v září 2001 vydání dokumentu „European transport policy for 2010: time to decide“, který je u nás i kvůli poněkud strohému designu odborné veřejnosti znám jako „Bílá kniha dopravy“ [3]. Publikace popisuje náměty, které lze udělat pro zlepšení situace v dopravě a jejích dopadů na životní prostředí. Jedním ze zamýšlených kroků je preference železniční a vodní dopravy, kontejnerové přepravy a způsobu spravedlivého regulačního zpoplatnění dopravních cest. U železniční dopravy je ovšem jedním z jejích největších nedostatků rychlost, která se u mezinárodní nákladní přepravy pohybuje v průměru těsně u hranice 20 km/h. Přestože se podnikají některé kroky, jež by měly tuto rychlost zvýšit a učinit tak železnici propustnější, lze nyní na konci období narýsovaném Bílou knihou konstatovat, že řada opatření zůstala pouze na papíře a k dosažení cíle zbývá ještě notný kus cesty.

Jednou z mála pozitivních změn je nicméně prosazování interoperability na vybrané síti evropského železničního systému. Tímto pojmem se rozumí provozní a technická propojenost, přičemž požadavky na tuto propojenost se vydávají jako „Technické specifikace interoperability“, uváděné často pod zkratkou TSI. Výklad a rozbor těchto specifikací jsou natolik rozsáhlé, že by zasloužily samostatnou publikaci. TSI jsou vydávány jako rozhodnutí Evropské komise na základě směrnic Evropské rady a parlamentu a příslušné směrnice jsou do našeho právního prostředí implementovány např. nařízením vlády č. 133/2005 Sb. či vyhláškou ministerstva dopravy č. 352/2004 Sb.

Z pohledu systémů GIS se celým legislativním procesem vine jeden společný prvek: registr infrastruktury. Znamená jednoznačnou snahu o vytvoření evropského GIS popisujícího kompletní železniční infrastrukturu. Registr infrastruktury (RINF) již získává pevné rysy ve věci obsahu, nad formou nicméně stále probíhá živá diskuze. Nástin budoucího evropského GIS můžeme nalézt u německých drah Deutsche Bahn, které jsou v tomto ohledu velmi aktivní. Také v České republice se formuje skupina ČD pro registr infrastruktury. Bylo aktualizováno obsazení skupiny a jejím úkolem bude prověřit všechny dopady evropské legislativy a podpořit její uplatňování a uvádění do praxe.

GEOGRAFICKÉ INFORMAČNÍ SYSTÉMY
Geografický informační systém ve zcela obecné definici systém popisuje Zemi (geosféru) jako celek. Pro lepší určení tohoto pojmu do  něj musíme zahrnout i lidské životní prostředí, lidská sídla, zastavěná a obydlená území. Teprve potom jsme schopni vytvářet přesně určené systémy GIS zacílené například na dopravní stavby. Systém jako takový ovšem nelze považovat pouze jako databázi map a mapových podkladů, spektrum dat a jejich využití je daleko širší. Jedna z definic GIS zní: „Geografický informační systém je organizovaný souhrn počítačové techniky, programového vybavení, geografických dat a zaměstnanců navržený tak, aby mohl efektivně získávat, ukládat, aktualizovat, analyzovat, přenášet a zobrazovat všechny druhy geograficky vztažených informací“ [1]. Jedná se tedy o aplikaci umožňující standardní datové modelování zasazené do geografických souvislostí. Nedílnou součást GIS tvoří kromě hardware a programového vybavení také data, obsluha a uživatelé systému.

V současné době existuje značný počet produktů GIS. Je možné je členit podle různých hledisek, například podle použitého prostředí nebo podle oblasti působení. Ukážeme si několik rozdílných klasifikací, které se běžně používají. Co je třeba obzvlášť zdůraznit, je vždypřítomná možnost jistého sloučení a spolupráce mezi systémy, tzv. systémová integrace. Právě této možnosti se občas málo využívá a tím pochopitelně dochází k plýtvání finančními a lidskými zdroji při tvorbě redundantních vývojových prostředků a implementací. Integrace těchto zaměření v rámci jediného a spojitého prostředí navíc osvobozuje uživatele od nutnosti zvládat několik samostatných a specializovaných technologií. Rychlý vývoj systémů GIS je paradoxně v jistém ohledu jejich nevýhodou, protože míra zvýšení efektivity při jeho nasazení je pro řadu organizací rozhodujícím kritériem, zda takový systém přijmout či nikoliv.

Obecně jsou geografické informační systémy tvořeny navzájem souvisejícími základními komponenty: hardwarem, softwarem, daty a organizační strukturou. Z databázového hlediska lze potom data v systémech GIS rozdělit do dvou skupin: popisná data, která obsahují informaci o určitém objektu či prvku, a geografická data, která nesou informaci o prostorové poloze.

GIS V DOPRAVNÍM INŽENÝRSTVÍ
Jedna z definic postuluje dopravu jako: „cílené přemístění osob, majetku a informací v prostoru a čase“. Citace nám sice odpoví na otázku, co je to doprava, ale bohužel neodhalí kompletní význam tohoto označení. Musíme se tedy poohlédnout po jiné definici, např. tematicky zaměřené. Jejím klíčem je pochopení prostředí, pro které se informační systém navrhuje, teprve potom bude schopen uspokojit většinu potřeb v daném oboru. Nejdříve se seznámíme s definicí dopravního řetězce na obrázku č. 2.

Objekt přepravy definuje souhrnný pohyb pro přepravované materiály, zboží a osoby. Podle jejího charakteru lze dělit dopravu na osobní a nákladní. Z hlediska např. telematiky je nutné zmínit, že přepravní jednotka může být vybavena globálním, lokálním i veřejným informačním systémem, který provádí identifikaci druhu nákladu, směru přepravy, ale i určení reálné polohy nákladu. Přepravní jednotkou rozumíme samotný dopravní prostředek se zbožím. V osobní dopravě touto globální, lokální a veřejnou logikou může být např. univerzální platební karta, která jednoznačně charakterizuje držitele.

Dopravní prostředek definuje dopravní element nebo komplet (vozidlo, loď, letadlo, vlak atd.), který se pohybuje po dopravní cestě. Podle charakteru dopravního prostředku a dopravní cesty dělíme dopravu na silniční, železniční, leteckou a vodní. Dopravní prostředek též  může obsahovat globální, lokální i veřejnou logiku, která identifikuje přesně polohu, typ a další parametry konkrétního dopravního prostředku. Dopravní cesta definuje prostor, na kterém se pohybují dopravní jednotky nebo dopravní komplety. Dopravní cestu lze rozdělit dle druhů dopravy, případně podle dalších charakteristik dopravní cesty. Silniční dopravu lze dělit na dopravu v extravilánu (dálnice, silnice 1., 2. a 3. třídy) a v intravilánu (města, zastavěné obce). Železniční dopravu lze dělit na tratě celostátní (koridory a objízdné trasy koridorů, které jsou z hlediska hustoty provozu definovány jako tratě typu A a B) a regionální (z hlediska hustoty provozu definovány jako tratě typu C, D, E).

Leteckou dopravu pak lze dělit podle typu vzdušného prostoru, v němž je provozována a vodní dopravu lze dělit podle povoleného ponoru vodní cesty podle klasifikačních tříd. Prezentované rozdělení dopravních cest sehraje klíčovou roli ve výběru systémů dopravní telematiky, protože použitá technologie ITS (inteligentních dopravních systémů) musí být v souladu s charakteristikou dopravní cesty. Dopravní terminál definuje prostor, kde dochází k nakládce, vykládce či překládce objektu přepravy, nebo ke změně druhu dopravy. Jako terminál lze uvažovat v individuální automobilové dopravě např. parkoviště, ve veřejné dopravě osob je možné pod pojem terminál zahrnout např. nádraží. Typickým terminálem letecké dopravy je letiště, u vodní dopravy potom přístav, v případě železniční dopravy železniční stanice, překladiště i vlečka. Pro další rozvoj dopravy jsou velmi důležité terminály multimodální dopravy. Multimodálním terminálem v našem pojetí může být např. i parkoviště typu „Park and Ride“ [2].

Doprava jako celek je tedy výsledkem spolupráce, vazeb a procesů podílející se na jejím uskutečnění. Přeprava se uskutečňuje dopravními prostředky, které se pohybují po dopravní cestě. Zde je jasná vazba mezi vlastníkem dopravní cesty a dopravcem, přičemž dopravní cesta se dnes stále častěji nazývá infrastruktura a vlastník je označován jako manažer infrastruktury. Úlohou manažera infrastruktury je přidělovat nebo prodávat kapacitu dopravní cesty. Dopravní cesta je spravována vlastníkem a ten by o ní měl shromažďovat informace a následně některé informace poskytovat dopravcům. Tito síť užívají, platí za ni a měli by tedy mít také možnost plánovat své cesty s ohledem na rychlost, energetickou náročnost či ujetou vzdálenost. Neposkytováním těchto informací bráníme volné soutěži a konkurenci mezi jednotlivými druhy dopravy.

Zabýváme-li se dopravou, setkáváme se s pojmem dopravní inženýrství. Tato oblast na první pohled nenápadná je v celém souboru dopravy tou částí, která se stará o její řízení. V silniční dopravě je jejím příkladem tvorba signálních plánů na křižovatkách, u drážní dopravy je ekvivalent v podobě zaměstnanců řídících provoz za pomoci sdělovacího a zabezpečovacího zařízení. Pochopením dopravy jako celku se nám otevírá možnost navrhnout GIS, který je možné využít pro větší část procesů. Systém je užitečný zejména pro správce spravující data o dopravní cestě, která lze následně použít jako vstup pro logistické úlohy nebo pro řešení úloh dopravního inženýrství.

GEOGRAFICKÁ DATA
Nositelem topologie je v případě dopravních staveb osa komunikace. V případě železniční dopravy se jedná o osu koleje. Osa koleje (komunikace) se ve spojení se staničením (kilometrickou polohou) používá při lokalizaci, tj. pro stanovení polohy nebo popisu zájmového místa či úseku. Příkladem popisu používaného v prostředí Správy železniční dopravní cesty, státní organizace (SŽDC) je následující sestava: trasa, definiční úsek, číslo koleje a staničení.

• Trasa nahrazuje rozšířenější název trať. Pojem byl nově zaveden pro potřeby pasportizace železničního svršku, důvodem byla potřeba odlišit část úseku železniční dopravní cesty, obsahující pouze železniční svršek. Trať je chápána jako část železniční dopravní cesty, tvořená železničním tělesem, včetně staveb a pevných drážních zařízení mezi dvěma stanicemi. Přitom železniční těleso je chápáno jako komplet železničního svršku a železničního spodku.
• Definiční úsek je úsek kolejové trasy sloužící k lokalizaci dle předpisu ČD M12.
• Číslo koleje je nezbytné, pokud se jedná o vícekolejnou trať či o železniční stanici.
• Staničení pak udává kilometrickou polohu.

Geografická data v tomto případě budou reprezentována osou koleje a případně dalšími zájmovými objekty. Obecně je několik možností, jak tato data pořídit:

a) Měření, resp. další zpracování naměřených dat:
• klasické geodetické metody představují měření úhlů, délek atd., např. pomocí totální stanice,
• fotogrammetrické metody data nepořizují přímo z terénu, ale vyhodnocují letecké měřičské snímky,
• metody GPS slouží k určení přesné polohy za využití signálu družic obíhajících kolem Země.

b) Přebírání dříve vytvořených dat:
• importování digitálních záznamů ze souřadnic, databázových tabulek atd.,
• digitalizování analogových záznamů (mapy, snímky).

Při výběru metody pro náběr geografických dat je vhodné uvážit mimo pořizovacích nákladů také časovou náročnost, následnou aktualizaci a práci s daty.

U klasických geodetických metod dosáhneme pořízení velmi přesného podkladu, ovšem za značně vysokou cenu a se značnou časovou náročností. Zaměření a následná lokalizace v jednotkách milimetrů je v tomto případě zbytečně přesná. Pro náš případ zcela postačuje přesnost v řádu jednotek cm. Následné aktualizace či případná rozšíření budou také vyžadovat značné finanční náklady. Fotogrammetrické metody umožňují pořídit datové podklady relativně snadno, ortofotomapy celého území ČR jsou veřejně dostupné pomocí systému ZABAGED, mapových portálů apod. Vyšší přesnost než standardních 50 cm/pixel s sebou ovšem již nese výrazně vyšší pořizovací náklady. Data některých zájmových objektů (např. zabezpečovací zařízení) navíc nemusí být touto metodou dostupná. Metodu lze doporučit především pro kombinaci s jinou metodou získávání dat. Velmi působivá je zejména prezentace nad takto vytvořeným modelem.

Metody GPS dnes představují nejvýhodnější metodu pořízení dat. Metoda sama je dostatečně přesná a rychlá, její hlavní výhodou je snadná správa těchto dat a následná aktualizace či rozšíření systému. Postup je vhodný i jako doplněk jiných metod. Přebírání dříve vytvořených dat konkrétně v případě železniční sítě znamená využití fotogrammetrických úloh nebo existujících měření GPS, které v síti SŽDC provedl měřicí vůz Technické ústředny českých drah. U rekonstrukcí či nových staveb je výhodné použít projektu skutečného provedení stavby.

MOŽNÉ PROPOJENÍ SATELITNÍCH MĚŘENÍ GPS A GIS
U dopravních staveb, jak již bylo zmíněno, je nositelem topologie osa komunikace. Náročnost zaměření osy komunikace a požadované infrastruktury se značně liší podle typu dopravy. Velký rozmach satelitní navigace v automobilové dopravě zapříčinil také velké investice soukromých společností do mapování silniční sítě a související infrastruktury. Komerční satelitní navigace je dnes jedním z významných tahounů výzkumu a vývoje v této oblasti. Typickým příkladem je fenomén prostorového snímkování silniční sítě společností Google, běžný uživatel zná výsledek této aktivity jako službu Google Street View.

Společnost Google ovšem není jediná, která se touto činností zabývá. Z tuzemských zdrojů stojí za zmínku obdobný projekt www.norc.cz, v zahraničí na univerzitě v Laussane se zabývají vývojem vozidla PHOTOBUS. Vozidlo lze využít při mapování osy pozemních komunikací, je snímána kamerou, poloha a odvozený směr jsou následně určovány pomocí dvou přijímačů GPS na bázi Real Time Kinematic (RTK). Nezbytná datová korekce probíhá běžným mobilním připojením GPRS, datové zprávy GPS pak zprostředkovává mezi přijímači komunikační linka RTCM (Radio Technical Commission for Maritime).

Dalším počinem pro mapování pozemních komunikací je zařízení Mobile Mapping Van. Vůz je osazen kamerami a přijímačem DGPS. Kamery jsou umístěny na střeše vozu ve stereoskopické dvojici, tak aby se dala získat trojrozměrná informace. Rychlost snímkování je propojena s rychlostí vozu a odpovídá třem snímkům za sekundu, tím lze pořídit záznam celého okolí podél komunikace. Počet použitých kamer (čtyři až šest) se liší podle typu mapované komunikace. Při počtu šesti kamer směřují dvě dopředu, dvě doprava, jedna zpět a jedna vlevo. Data pořizovaná tímto způsobem se dají rozdělit do pěti kategorií údajů a vlastností: adresy, údaje o významu dopravní komunikace či o směru dopravního proudu, údaje o směrových poměrech, vizuální rozhraní (kartografické prezentace) a navigační informace (dopravní značení atd.).

ZÁVĚR
Problematika mapování je bezprostředně svázána s problematikou GIS a moderních metod satelitních měření GPS. Jedná se o metody RTK a DGPS, zejména pak o doplnění a korekci těchto měření za pomocí akcelerometrů, příp. gyroskopů. Podíváme-li se ovšem na jiné druhy dopravy, především na železniční, zjistíme, že tyto nové technologie by mohly nastartovat a dále usnadnit mapování také její infrastruktury. Železniční síť je specifická z pohledu mapování pro často velmi složité terénní podmínky, jakými jsou hluboké zářezy, zalesněné oblasti nebo dlouhá údolí. Zakomponování moderních metod může sehrát velikou roli v tom, jak se dále bude vyvíjet mapování železniční sítě a do budoucna také i řízení drážní dopravy. Dnes existuje jasný směr Evropské unie k vybudování celoevropského GIS v podobě registru infrastruktury a v nejbližší době lze očekávat rozsáhlé debaty o tomto informačním systému budoucnosti. Hlavní rysy připravuje Evropská železniční agentura (ERA) a použití moderních metod se může při uvádění registru do praxe ukázat jako jeho důležitá součást.

Výše uvedené v současnosti řeší především železniční dopravu, i když na nadnárodní úrovni, čili nikoliv dopravu jako funkční celek sloužící přepravě. Proto je zapotřebí spolupráce mezi jednotlivými správci dopravních sítí (u nás ŘSD ČR, krajské správy a údržby silnic, správci místních komunikací, SŽDC, s.o., a případně správa lodní dopravy) na vytvoření centrální databáze, která by sloužila k efektivnímu propojení jednotlivých druhů dopravy, a tím i zvýšení dopravních výkonů.

Ing. Václav Souček
Vystudoval Fakultu stavební VUT v Brně, obor Konstrukce a dopravní stavby. V současné době je doktorandem na Ústavu informatiky tamtéž a působí rovněž ve Výzkumném Ústavu Železničním, a.s. Zabývá se zejména problematikou pasportizace a geografických informačních systémů.

Ing. Michal Radimský, Ph.D.
Vystudoval Fakultu stavební VUT v Brně, obor Konstrukce a dopravní stavby. V současné době je odborným asistentem na Ústavu pozemních komunikací. Zabývá se zejména navrhováním pozemních komunikací, dopravním inženýrstvím, bezpečností dopravy a jejím vlivem na životní prostředí.

Mgr. Tomáš Apeltauer
Absolvoval Přírodovědeckou fakultu Masarykovy univerzity v Brně, obor Teoretická fyzika a astrofyzika. Nyní je asistentem na Ústavu informatiky Vysokého učení technického v Brně. Zabývá se zejména modelováním dynamických systémů a objektově orientovaným programováním.

LITERATURA A ZDROJE INFORMACÍ:
[1] Voženílek, Vít: Geografické informační systémy, Sv. 1. Pojetí, historie, základní komponenty, ISBN 80-7067-802-X
[2] Definice dopravní telematiky: http://www.lt.fd.cvut.cz/its/rok_2001/definice.htm
[3] Commission, European, White Paper – European transport policy for 2010: time to decide, European Commission, 2001
[4] http://ec.europa.eu/transport/white_paper/documents/doc/lb_texte_complet_en.pdf, ISBN 92-894-0341-1

RECENZE
Článek popisuje metody mobilního mapování, jehož produkty prozatím získávají velkou popularitu především mezi širokou veřejností. Ve spojení s vysokou přesností prostorové lokalizace se však stávají také jedinečným podkladem pro dopravní informační systémy například v oblasti pasportizace majetku nebo dopravního inženýrství. Výhodou řešení založených na těchto technologiích je vysoká produktivita sběru dat a možnost automatizovaného zpracování. Autoři předkládají odborné informace ve srozumitelné formě a v závěru apelují na integraci dat z jednotlivých odvětví dopravy. Doufejme, že tato výzva nezůstane příliš dlouho bez odezvy.

Ing. Robert Knap, vedoucí oddělení GIS řešení, VARS BRNO a. s.

Geographic information systems in transport engineering
Mapping the transport network is directly connected with geographic information systems and modern methods of GPS satellite measuring. The methods are RTK and DGPS, mainly amendment and correction of the measuring using accelerometers or gyroscopes. In the railway transport, for example, these new technologies have helped to apply and make mapping the infrastructure easier. So far, this area is only being solved within railway transport and future cooperation is necessary between individual administrators of transport networks in order to create central database which could serve for effective interconnection of individual types of transport and increase of transport performance.

Autoři

• doc. Mgr. Apeltauer Tomáš Ph.D.
• Ing. Souček Václav
• Ing. Radimský Michal Ph.D.