Luonto-Liiton metsäryhmän GIS-kurssi

Transkriptio

1 Luonto-Liiton metsäryhmän GIS-kurssi Markku Koskinen Johdanto 1.1 GIS GIS on lyhenne sanoista Geographic Information System. Suomeksi GISjärjestelmiä kutsutaan paikkatietojärjestelmiksi. Nimensä mukaisesti paikkatietojärjestelmässä on paikkaan sidottua tietoa, eli tietoja jonkin fyysisessä maailmassa sijaitsevan pisteen, janan tai alueen ominaisuuksista. Yksinkertaisimmillaan paikkatietojärjestelmä koostuu kartasta ja vihkosesta, johon kirjataan karttaan merkittyjen kohteiden ominaisuuksia. Automaattinen tiedonkäsittely on kuitenkin tuonut uusia ulottuvuuksia tietojen hallintaan valtavan kapasiteetin, tiedonhaun ja muokkauksen helppouden sekä aineistojen yhdistelemisen nopeuden muodossa. Paikkatietojärjestelmiä käytetään laajalti etenkin maankäytön suunnittelussa, jossa on tärkeää sijoittaa eri toiminnot optimaalisiin paikkoihin. 1.2 Paikkatieto luonnonsuojelussa Luonnonsuojelussa paikkatietojärjestelmillä on oma tärkeä roolinsa. Suojelurajauksia on helppo tehdä ja muokata: mikäli esim. halutaan muodostaa suojelurajaus liito-oravien pesäpuiden perusteella, voidaan yksinkertaisesti muodostaa niiden muodostaman parven ympärille halutulla puskurilla kuvio. Tietojen siirtäminen yksittäisten toimijoiden ja viranomaisten välillä on myös yksinkertaista, kun valtava kokoelma suojeluesityksiä ja niiden perusteluja voidaan lähettää vaikka sähköpostin välityksellä. 2 Perusteita 2.1 Karttaprojektio Maapallo on pallo 1, mutta etenkin maastoon otettavat kartat ovat tasoja. Pallon pinta joudutaan siis projisoimaan kartalle. Tähän on kehitetty monia menetelmiä, kuten koulujen seinäkartoissa käytettävä pystyasentoinen lieriöprojektio, jossa pinta projisoidaan päiväntasaajalla maan pintaan koskevaan etelä-pohjoissuuntaiseen lieriöön. Tämä johtaa napoja kohti siirryttäessä erittäin voimakkaaseen vääristymään, jonka vuoksi esim. Grönlanti näyttää näissä kartoissa lähes yhtä isolta kuin Afrikka. Todellisuudessa sen pinta-ala on noin kolmastoistaosa Afrikan pinta-alasta. Tällainen projektio on kuitenkin 1 Tai oikeastaan navoiltaan litistyneen pallon ja päärynän välimuoto, geoidi. 1

2 suuntatarkka koko alueellaan, eli pohjoinen on aina ylhäällä riippumatta siitä, missä kohtaa karttaa ollaan. Pinta-alat ovat tarkkoja ainoastaan päiväntasaajan ympärillä varsin kapealla vyöhykkeellä. Toinen lieriöprojektioon perustuva projektio on poikittaisasentoinen lieriöprojektio eli englanniksi Transverse Mercator. Tällaista projektiota käyttää esimerkiksi Suomessa käytettävä kartastokoordinaattijärjestelmä (KKJ), samoin kuin tuloaan tekevä ETRS-TM35FINjärjestelmä. Poikittaisessa lieriöprojektiossa lieriö asetetaankin osoittamaan idästä länteen, ja se koskee maan pintaan halutun pituuspiirin kohdalla tai kummallakin puolella sitä, jolloin lieriön pinta on keskipituuspiirin kohdalla maan alapuolella (ks. kuva 1). Tämä johtaa siihen, että mittakaava on keskipituuspiirin kohdalla pienempi kuin sen ympärillä. Kun käytettävä kaista pidetään riittävän kapeana, mittakaavan vääristyminen idästä länteen siirryttäessä jää vähäiseksi. Kuva 1: UTM-projektio 2.2 Koordinaatisto Tasoiksi projisoiduissa kartoissa käytetään kartan pisteiden todellisuuteen sijoittamiseen tasokoordinaatteja. Ne määritellään yleensä metreinä suhteessa johonkin sovittuun pisteeseen, KKJ:n tapauksessa päiväntasaajaan (pohjoiskoordinaatti) ja kaistan keskipituuspiiriin (itäkoordinaatti). Kuntien järjestelmissä saatetaan käyttää jotain maamerkkiä koordinaatiston nollapisteenä, ja kaikkien muiden pisteiden sijainti kuvataan suhteessa esimerkiksi Kallion kirkontorniin. 2.3 Koordinaattijärjestelmä Koordinaattijärjestelmä tarkoittaa karttaprojektion ja koordinaatiston yhdistelmää. 2.4 Mitä väliä? Paikkatietoainestoa käsiteltäessä ja etenkin yhdisteltäessä on erittäin tärkeää tietää, mitä koordinaattijärjestelmää niissä on käytetty. Kun eri kaupunkien aineistoissa sama koordinaatti voi tarkoittaa täysin eri kohtaa maapallolla, on niiden yhdistely ilman muuntamista epämielekästä. Jos mahdollista, aineisto 2

3 kannattaa pyytää KKJ:n kolmoskaistassa eli yhtenäiskoordinaatistossa (YKJ) (näiden merkitys selviää myöhemmin), tai ainakin pyytää selostus käytetystä koordinaattijärjestelmästä, jotta muuntaminen on mahdollista. 2.5 Koordinaattijärjestelmät Suomessa Suomessa on tällä hetkellä käytössä pääasiassa kaksi koordinaattijärjestelmää: Kartastokoordinaattijärjestelmä ja ETRS-TM35FIN. Luonto-Liiton saamat rasterimuotoiset peruskartat ovat käytöstä vähitellen poistuvassa kartastokoordinaattijärjestelmässä, joten tässä keskitytään kuvaamaan sitä. KKJ on jaettu kuuteen kaistaan, 0 5, jotka eroavat toisistaan niiden käyttämän keskipituuspiirin suhteen. Pituuspiirit ovat kolmen asteen välein Keskipituuspiirin itäkoordinaatille annetaan KKJ-järjestelmässä arvo metriä, jonka eteen lisätään vielä käytetyn kaistan numero. Luonto-Liiton aineisto on sijoitettu koko maan kattavaksi sovittuun KKJ:n kolmoskaistaan, jonka keskipituuspiiri on 27 astetta, ja itäkoordinaatti keskipituuspiirin kohdalla m. Pohjoiskoordinaatti on metrejä keskipituuspiiriä pitkin päiväntasaajalle. Koska eri kaistat käyttävät eri pituuspiiriä, saman pisteen pohjoiskoordinaatti vaihtelee sen kaistan mukaan, jossa se kuvataan (ks. kuva 2, jossa esitetyn Vaasan torin koordinaatit KKJ:n ykköskaistassa ovat N E ja KKJ:n kolmoskaistassa eli yhtenäiskoordinaatistossa N E ). Kuva 2: KKJ:n kaistajako ja koordinaatin määräytyminen 2.6 Paikkatietojärjestelmistä Paikkatietojärjestelmissä kohteet voivat yleensä olla kolmenlaisia: pistemäisiä, janamaisia tai monikulmioisia. Pistemäisellä kohteella on ainoastaan sijainti, janamaisella on sijanti (ja suunta) ja pituus, ja monikulmioisella tiedolla sijanti ja pinta-ala (eli pituus monessa suunnassa). Kohteille annetut tiedot voivat olla lukuarvoja tai tekstiä. Esimerkkejä erilaisista kohteista voisivat olla esimerkiksi lähteet, jotka ovat selkeästi pistemäisiä kohteita, purot ja norot, jot- 3

4 ka ovat selvästi janamaisia kohteita, sekä runsaslahopuustoiset korvet, jotka ovat selvästi monikulmioisia, pinta-alaisia kohteita. Kohteille annettuja tietoja voisivat olla esimerkiksi lahopuuston määrä, joka voitaisiin antaa vaikkapa arvioituna kuutiomääränä tai jollakin luokka-asteikolla eli lukuarvoisia tietoja, tai uhanalaisen lajin nimi, eli tekstitietoja. Edellä esiteltyjen vektorimuotoisten aineistojen lisäksi käytetään rasterimuotoista aineistoa, joka muodostuu määrätyn kokoisista soluista, joille on määritelty arvo yhdellä tai useammalla kanavalla. Ilmakuvat ovat esimerkki rasteriaineistosta. 3 Quantum GIS 3.1 Alkuun Quantum GIS (QGIS) on helppokäyttöinen, alunperin paikkatietoaineistojen katselemiseen tarkoitettu ohjelma. Sitä on myöhemmin kehitetty täysiverisen paikkatietojärjestelmän suuntaan siten, että sillä voi myös muokata vektorimuotoista aineistoa. Kun QGIS käynnistetään, se luo tyhjän projektin. Projekti on yhdistelmä eri paikkatietoaineistoja ja säännöt niiden esittämiseen. Jos aletaan luoda uutta projektia, ensin on valittava sille koordinaattijärjestelmä. Tämä tapahtuu Filevalikosta Project Properties-valinnan alta. Avautuvasta ikkunasta valitaan Coordinate Reference System (CRS) -välilehti. Tarjolla on satoja eri koordinaattijärjestelmiä, joten niistä kannattaa hakea jotain tiettyä hakusanalla tai EPSGkoodilla 2. Luonto-Liiton aineiston käyttämän KKJ:n kolmoskaistan (eli yhtenäiskoordinaattijärjestelmän) EPSG-koodi on Syötetään hakukenttään 2393, ja painetaan Search. Varmistetaan, että ohjelma tarjoaa valinnaksi KKJ, ja painetaan OK. Nyt voidaan alkaa ladata ja luoda aineistoa. Luonto-Liiton saamat peruskartat ovat KKJ 3:n mukaan referoituja rasteritiedostoja. Sellaisen avaaminen tapahtuu valitsemalla Layer-valikosta Add Raster Layer (tai painamalla shift-control-r) ja valitsemalla avautuvasta tiedostonvalintaikkunasta haluttu tiedosto. Vastaavasti vektoriaineistoa ladataan saman valikon valinnalla Add Vector Layer tai painamalla shift-control-v. Lisätyt aineistot tulevat näkyviin Layers-palkkiin. Aineiston voi valita tarkastelua varten klikkaamalla sen nimeä hiiren vasemmalla napilla. Oikealla napilla saa esiin valikon, josta voi mm. poistaa aineiston, suurentaa aineiston rajoihin, aloittaa muokkaamisen, selata tietotaulua ja muokata aineiston esitystapaa eli symboliikkaa. 3.2 Selaaminen ja muokkaaminen QGISin valikoissa on monenlaisia aineiston selaamiseen tarkoitettuja työkaluja. Kartan siirtäminen onnistuu pan-työkalulla, ja suurentaminen ruudun keskikohtaa kohti tapahtuu hiiren rullalla. Vaihtoehtoisesti voi suurentaa suurennustyökalulla, jolla voi rajata kiinnostuksensa kohteen. Identify features-työkalulla voi tarkastella valittuna olevan aineiston kohteille annettuja tietoja klikkaamalla kartalla kohteen päällä. Measure-työkalulla voi mitata etäisyyksiä. Vektoriaineiston luominen ja muokkaaminen on myös melko yksinkertaista. Olemassa olevaa aineistoa voi muokata valitsemalla aineiston ja klikkaamalla 2 European Petroleum Survey Groupin määrittelemä koodisto 4

5 Toggle editing Layer-valikosta. Uuden aineiston luominen tapahtuu saman valikon alavalikosta New, valinta New Shapefile Layer. Tämä avaa ikkunan, jossa pitää valita aineiston muoto: piste, jana, monikulmio (polygon). Tämä valinta on tärkeä, koska shapefile-tiedostomuodossa, jota QGIS käyttää, yhdessä aineistotiedostossa voi olla vain yhden muotoista aineistoa. Aineiston muodon valinnan jälkeen tulee miettiä, mitä tietoja kohteille halutaan antaa. Yleensä kannattaa luoda ainakin jonkinlainen tunnistekenttä ja luokituskenttä. Aineiston esittämistä teemakarttana helpottaa, mikäli yhdessä aineistotiedostossa ei kuvailla liian montaa luokitusta. Toisaalta saman aineiston voi ladata kartalle useampaan kertaan, ja käyttää symboliikan pohjana eri tietokenttää. Kannattaa myös harkita, tekeekö luokituskentistä teksti- vai lukuarvokenttiä. Jos kohteella voi olla vain muutama erilainen luokka, joiden nimet ovat pitkiä, kannattaa luokituskentästä tehdä lukuarvoinen ja panna muistiin, mitä eri luokat tarkoittavat. Tällöin kirjoitusvirheet ovat pienempi murhe kuin pitkän tekstikentän tapauksessa. Teemakarttaa luodessa voidaan eri luokituksille antaa nimet avaimessa. Toisaalta taas lajinimiä varten kannattanee luoda tekstikenttä, koska niiden etsiminen erillisestä luettelosta (ja sellaisen luettelon luominen) aiheuttaa huomattavaa tuskaa. Kun kentät on luotu, tulee valita nimi luotavalla aineistotiedostolle. Kannattaa keksiä kuvaava nimi, mieluummin kuin esim. omajuttu1.shp (shp on shapefilen tiedostopääte). Kolmen kuukauden päästä on mahdotonta muistaa, missä omajuttu-n.shp:ssa juuri tietty aineisto oli. Kun aineistotiedosto on luotu, sitä voidaan alkaa muokata. Muokaaminen aloitetaan samoin, kuin olemassa olevan aineistotiedoston tapauksessa. Kohteita luodaan valitsemalla Capture (point, line, polygon) ja naputtelemalla noodeja eli käännepisteitä kartalle. Pisteaineistolla voi olla vain yksi noodi kohdetta kohden. Jana- ja monikulma-aineistossa noodeja voi olla rajattomasti. Noodeja sijoitellaan hiiren vasemmalla napilla, ja niiden lisääminen lopetetaan hiiren oikealla napilla. Noodien sijoittelun jälkeen tulee halutuille tietokentille antaa arvot ohjelman avaamassa ikkunassa. Sijoiteltuja noodeja voi myös siirtää tai poistaa. Kohteen luomisen jälkeen voidaan joko luoda uusi kohde tai tallentaa tehdyt muutokset ja lopettaa muokkaaminen. Luotuja kohteita voidaan muokata erilaisilla työkaluilla. Pistemäisiä kohteita voi vain siirtää paikasta toiseen (ja niille annettuja kenttiä muokata). Janamaisia kohteita voidaan lisäksi katkoa, jolloin muodostuva uusi kohde perii luokitustiedot alkuperäiseltä kohteelta. Monikulmiokohteille voidaan antaa erillisiä osia, ns. saaria, tai niiden keskeltä voidaan ottaa paloja pois, eli luoda kehä. Monikulmiokohteen pilkkominen antaa mahdollisuuden ensin rajata jonkin isomman kohteen ulkoreunat ja sitten pilkkoa sitä pienemmiksi kuvioiksi. Shapefile ei ole niin sanottu topologinen paikkatietoaineisto. Toisin sanoen kahden toisiaan sivuavan polygonin rajalla on kaksi viivaa sen sijaan, että niitä olisi vain yksi. Tämä aiheuttaa ongelmia, jos vaikkapa kuviorajoja halutaan siirtää. QGISissä on onneksi mahdollisuus matkia topologista muokkausta. Tämä ominaisuus kytketään päälle File-valikosta Project Properties-valinnan Generalvälilehdeltä. Valinnan Snapping Options alta voidaan määritellä, miten helposti mitäkin aineistoa muokatessa noodit kytketään toisiinsa, jolloin ne siirtyvät yhdessä. 5

6 3.3 Aineiston vienti QGIS tallentaa aineistot Shapefile-muodossa, jota avaavat käytännössä kaikki viranomaisten käytössä olevat paikkatieto-ohjelmistot. Tiedostoja lähettäessä on kuitenkin tärkeää huomata lähettää kaikki samalla tiedostonnimellä olevat tiedostot päätteestä huolimatta. Luotujen tiedostojen päätteet ovat.shp,.prj,.dbf,.qpj ja.shx. 3.4 Teemakartat Eräs tärkeimmistä paikkatietojärjestelmien käyttötavoista on teemakarttojen luonti. Teemakartassa taustakartan (usein ilmakuva tai peruskartta) päälle liitetään haluttuja paikkatietoaineistoja, kuten kuviorajoja, liito-oravien pesäpuita ym. Aineiston esitystavan valinnalla päätetään se, millaisena se esiintyy teemakartoissa. Esitystapa voi olla sama kaikille aineiston kohteille, tai sitten sitä voi muuttaa jonkin aineiston kentän perusteella. Esimerkiksi jos halutaan esittää eri määriä lahopuita sisältäviä kuvioita eri tavoin, voidaan valita lahopuun määrää kuvaavan kentän mukaan muuttuva väri kuviolle. Usein kuviot merkitään karttaan niiden ID-numerolla, jotta kartan käyttäminen erillisten kuviotietojen kanssa olisi mahdollista. QGISin teemakarttaeditori on melko helppokäyttöinen ja yksinkertainen. Ensin on valittava paperin koko. Tämän jälkeen tärkein elementti on karttaikkunan lisääminen, joka tapahtuu Layout-valikon valinnalla Add map. Oletuksena tämä luo paperille karttaikkunan, jonka keskipiste on sama, kuin QGISin pääkarttaikkunan keskipiste. Teemakartan karttaikkunan keskipistettä ja mittakaavaa voi muutella. Add Vector Legend -valinnalla voi paperille lisätä vektoriavaimen, johon tulostuu automaattisesti vektorien symbolien selitykset. Niitäkin voi halutessaan ja tarvittaessa muokata. Valmiin kartan voi tulostaa paperille maastoon viemistä tai esittelyä varten, tai tulostaa PDF- tai SVGtiedostoon. 3.5 Projektin tallentaminen Kun aineistotiedostoja on ladattu ja niiden esitystapoja muokattu sopiviksi, kannattaa auki oleva projekti tallentaa. Tallennetun projektin avulla QGIS osaa avata samat karttatiedostot ja esittää niissä olevat aineistot samalla tavalla kuin edellisellä käyttökerralla. Aineistoihin tehdyt muutokset toki säilyvät istuntojen välillä vaikka projektia ei erikseen tallentaisikaan. 3.6 Rasteriaineiston georeferointi Georeferoiminen tarkoittaa kuva-aineiston sijoittamista koordinaatistoon niin, että jokaisella kuvan kuvapisteellä on tunnettu sijainti. Tähän on olemassa komentorivityökaluja ja ikkunoituja työkaluja, joita voi etsiä verkosta, mutta myös QGISissä on oma georeferointityökalunsa. Työkalulla georeferointi tapahtuu kertomalla ohjelmalle, missä tietyt kuvan pisteet sijaitsevat kartalla. Pisteitä pitää antaa vähintään kaksi, mutta tulos on aina sitä parempi, mitä useampia pisteitä annetaan. Näiden pisteiden perusteella ohjelma laskee kuvan muille pisteille koordinaatit. Yleensä georeferoidaan esimerkiksi ilmakuvia peruskartan 6

7 perusteella. Hyviä referenssipisteitä ovat esimerkiksi talojen nurkat ja purojen suut, niemenkärjet ynnä muut, jotka näkyvät tarkasti sekä ilmakuvalla että peruskartassa. Tämä käydään kurssilla läpi kädestä pitäen. 7