Kartografia

1.1 Zastosowanie GIS w kartografii

1.1.1 Definicja kartografii

Termin „kartografia” od długiego czasu pozostaje niezmienny natomiast jego definicja i zakres stosowania rozbudowywały się. Wraz z postępem czasu oraz nauki dziedzina ta w swym znaczeniu będzie coraz obszerniejsza.

Rys. 2.1 Mapa świata „Nova Totius Terrarum Orbis Tabula”, Frederick de Wit (1616-1698), grawer, wydawca dzieł kartograficznych m.in.: Atlas, Atlas maior, Atlas minor, działał w Amsterdamie [http://www.nla.gov.au/]

Początki kartografii sięgają Starożytności, gdzie przy użyciu bardziej prostych map opisywano terytoria połowu ryb oraz rejony łowieckie. Pierwsze określenie istoty i zadań kartografii (bez wymieniania tego terminu) dał starożytny uczony Klaudiusz Ptolemeusz (II w.n.e.) [Saliszczew, 1984]. Jeszcze w XIV wieku mapy wyrabiano techniką drzeworytu, następnie w XV wieku techniką miedziorytu. Rozwój grafiki na kontynencie europejskim nabrał rozpędu od XV wieku. Na tak gwałtowny postęp w kartografii ogromny wpływ miała narastająca powszechność użycia papieru i druku. W Średniowieczu powstały ręcznie malowane na pergaminach mapy morskie, tzw. portolany. Rys. 2.1 przedstawia stworzoną w Renesansie przez Frederick’a de Wit mapę typu OT (Orbis Tabula).

Kartografia jest nie tylko dziedziną nauki, ale także sztuki, zajmującą się modelowaniem rzeczywistości. Jej działalność obejmuje tworzenie oraz użytkowanie map geograficznych. Kartografia zajmuje się przedstawianiem obiektów, miejsc, procesów, zjawisk przyrodniczych i społecznych, które mają swoje miejsce w przestrzeni geograficznej.

Wraz z nowymi odkryciami, postępem nauki oraz technologii powstawała potrzeba wykorzystania nowych technik przy tworzeniu map. Przyczyniło się to do usystematyzowania prezentacji map, a także zapisu danych przestrzennych. Kartografia rozwinęła się w wielu kierunkach, dając możliwość reprezentacji zarówno powierzchni spłaszczonych, jak i krzywych. Powstała możliwość łączenia map tematycznych, co dało początek mapom wielowarstwowym (multi-tematycznym). Zaczęto również tworzyć mapy innych planet, które są wykorzystywane do podróży w Układzie Słonecznym.

Współczesna definicja kartografii jest określana jako przekazywanie informacji za pomocą map, które stanowią graficzny model aspektów przestrzennych [Kraak, Ormeling, 1999].

Pojawienie się komputerów na świecie umożliwiło ich wykorzystanie do stworzenia systemu informacji przestrzennej (GIS). System ten traktować można jako techniczno-analityczne narzędzie kartografii. Miało to ogromny wpływ na powstanie nowego jej wizerunku i niezwykłe rozszerzenie zakresu działalności.

1.1.2 Modelowanie danych przestrzennych

1.1.2.1 Trójfazowość modelowania danych przestrzennych

Modelowanie danych przestrzennych polega na uporządkowaniu zbioru informacji cyfrowych. Celem jest późniejsze ich wykorzystanie do analizy i reprezentacji świata rzeczywistego.

Początkowa faza projektowania odbywa się na płaszczyźnie pojęciowej (konceptualnej), czyli najpierw powstaje model przestrzenny. Na tym etapie wybiera się obiekty, zjawiska oraz całą potrzebną szczegółowość rzeczywistości, którą chce się odzwierciedlić. Modele danych przestrzennych są formą zapisu, która stanowi rdzeń każdego z systemów GIS. W kartografii skutkiem modelowania danych przestrzennych jest powstanie mapy. W zależności od tego jakich narzędzi użyje się do tworzenia tej mapy, jest ona w formie konwencjonalnej, papierowej, bądź w formie cyfrowej czyli w formie systemu informatycznego.

Kolejny etap odbywa się na płaszczyźnie logicznej. Jest to forma przejściowa między pierwszym a ostatnim etapem. Zestawia się w nim wszystkie zebrane dane, porządkuje się je, tabelaryzuje. Ważnym elementem jest tutaj również określenie wzajemnych relacji danych.

W ostatnim etapie finalizuje się zestawianie danych. Dochodzi do aranżacji i organizacji komponentów oraz ufizycznienia etapu logicznego. Tutaj również ustala się w jakiej dokładnie formie cyfrowej chcemy wizualizować obiekty bądź zjawiska.

1.1.2.2 Bazy danych

Najbardziej powszechna metoda przechowywania i zarządzania danymi odbywa się przy użyciu relacyjnych baz danych (database). Jest to zbiór danych w postaci tabel połączonych relacjami. Takie bazy dają możliwość przekształcania, przemieszczania, usuwania, edytowania, wyszukiwania danych oraz ich transformowania danych. Do wszystkich operacji używa się specjalnego języka zapytań. Najpopularniejszym z języków jest SQL (Structured Query Language). Za pomocą SQL serwera użytkownik aplikacji GIS, na poziomie administracji, jest w stanie znaleźć wszelkie niedoskonałości (bugs), które nie zostały wykryte podczas programowania aplikacji.

W miarę rozpowszechnienia technologii obiektowej oraz wraz z rosnącą krytyką modelu relacyjnego, powstała nowa generacja baz danych znanych jako obiektowe bazy danych (ODB). ODB przechowują obiekty - zakapsułkowane kombinacje danych o dowolnej strukturze razem ze skojarzonymi procedurami [http://galaxy.uci.agh.edu.pl]. Choć bardziej nadawałyby się do zastosowania w GIS, niestety nie są wciąż tak powszechnie stosowane jak tradycyjne, relacyjne bazy danych. Najistotniejszym problemem dla OBD jest kwestia zapytań. Większość współczesnych obiektowych baz danych pozwala jedynie na proste przeszukiwanie przechowywanych obiektów. Bardziej skomplikowane operacje są na dzień dzisiejszy nie do osiągnięcia.

1.1.3 Sposoby wizualizacji danych przestrzennych

Proces obrazowania jest trudnym zadaniem dla kartografów. Często do poprawienia przejrzystości mapy generalizuje się. W tym celu selekcjonuje się zebrane informacje dotyczące obiektów oraz zjawisk i wybiera się te najistotniejsze. Wizualizacja danych przestrzennych przy użyciu aplikacji GIS pozwala na wiele więcej niż w przypadku tradycyjnych map. Możliwości są tym większe, im większa moc zliczeniowa komputerów.

Opisany w rozdziale 1.2.2. podział na dwa podstawowe sposoby cyfrowej reprezentacji obrazów: wektorowy oraz rastrowy, stanowi fundamentalną klasyfikację istniejących map.

Zobrazowanie danych przestrzennych dzieli się także na przeróżne podklasy. Jeden z bardziej istotnych podziałów dotyczy ilości wymiarów jakie dana mapa posiada.

Dwa podstawowe typy map:

- dwuwymiarowe 2D,

- trójwymiarowe 3D.

Do tych typów możemy dodać dodatkowy wymiar to jest czas albo ruch, jednocześnie zwiększając ilość wymiarów.

Jako przykład może być dodanie wymiaru czasu do płaskiej mapy rozmieszczenia lasów na Kaszubach. Mapa ta wizualizowałaby, w jaki sposób zmieniało się w minionych 10-leciach poszycie ziemi drzewami na Pojezierzu Kaszubskim (rys. 2.2).

Rys. 2.2 Przykład zmiany poszycia Ziemi drzewami dla danego rejonu w skali kilku lat (wykres ilości drzew w funkcji czasu) [http://www.westminster.edu]

Znacznie przeważająca część systemów GIS wykorzystywanych do celów kartograficznych pozwala jedynie na przedstawienie rzeczywistości w dwóch wymiarach. Nie zmienia to jednak faktu, iż popularność oraz zapotrzebowanie na aplikację GIS 3D ciągle wzrasta. Do tworzenia trójwymiarowych obrazów przestrzennych używa się specjalnych technik graficznych. Specjalistyczne aplikacje towarzyszące takim modelom pozwalają na symulację i analizę wielu procesów, które dotychczas były trudne do ujęcia na drodze modelowania płaskiego, np. warunki przewietrzania miasta, bada­nie poziomu hałasu [Kościuk, 2007].

Kwestią czasu jest kiedy technologia informatyczna rozwinie się na tyle, aby komputery mogły bez trudności obsługiwać bardziej rozbudowane modele 3D danych przestrzennych (patrz rozdz. 4.2.).

Poza podziałem na ilość wymiarów jakie posiada mapa, istnieje także kilka metod obrazowania danych przestrzennych, dwie z nich warto wymienić i pokrótce opisać.

Metoda anamorfozy

Polega ona na bardziej przejrzystym przedstawieniu zjawiska kosztem pozbawienia wierności odzwierciedlenia. Odległości, powierzchnie, topologia, umiejscowienie oraz rozmiary są zniekształcone. Ważniejsze są atrybuty oraz proporcje przestrzennych relacji między obiektami.

Rys. 2.3 Mapa metra w Amsterdamie przedstawiona metodą anamorfozy [www.amsterdam.info]

Za przykład może posłużyć mapa metra w Amsterdamie, którą przedstawia rys. 2.3. Podróżujący czytając tak przejrzystą i czytelną mapę, z łatwością może przemieszczać się po stacjach.

Miastem, które słynie w Europie z zastosowania metody anamorfozy przy tworzeniu map systemu komunikacji miejskiej, jest Londyn, gdzie metodę tę zastosowano do wielu środków transportu takich, jak: metro, autobusy oraz pociągi. Rys. 2.4 przedstawia mapę systemu komunikacji autobusowej na terenie ogromnego Londynu.

Rys. 2.4 Mapa tras autobusowych w połączeniu ze stacjami metra w Londynie przedstawiona metodą anamorfozy [http://www.tfl.gov.uk]

Jak widać mapa jest typem anamorfotycznym. W celu jej stworzenia przekształcone zostało rzeczywiste rozmieszczenie trasy autobusów w mieście na linie proste. Autobusy jadą krętą drogą, przejeżdżając przez gęstą sieć dróg miejskich Londynu, jednak wizualizowanie realne spowodowałoby nieczytelność mapy.

Cyfrowe obrazy teledetekcyjne

Wykorzystywanie cyfrowych obrazów teledetekcyjnych takich, jak zdjęć satelitarnych oraz lotniczych Ziemi, to kolejna bardzo istotna metoda wizualizacji danych przestrzennych. Mapy powstałe przy użyciu zdjęć teledetekcyjnych mają strukturę danych rastrowych.

Można powiedzieć, że wizualizacja danych polega na wygenerowaniu informacji znajdujących się w relacyjnych bazach danych . GIS nie przechowuje obrazu jakiegoś obszaru, lecz dane umożliwiające generację mapy [Myrda, Litwin, 2005].

1.1.4 Mapy jako obraz wyświetlony w monitorze systemu informacji przestrzennej

Punktem finalnym sprzężenia aplikacji z bazą danych przestrzennych jest wyświetlenie mapy na monitorze komputera. Ten wygenerowany obraz zawiera w sobie współrzędne, kształt, opis oraz wzajemne relacje (topologie) geometrycznych obiektów mających swoje miejsce w przestrzeni geograficznej. Kreowanie obiektów polega na łączeniu ze sobą punktów, które dają linie. Z kolei przez połączenie ze sobą linii uzyskuje się krzywą. Jeżeli końce krzywej łączą się ze sobą, czyli mają te same współrzędne geograficzne, to ta krzywa staje się figurą geometryczną. Często taka figura tworząca obszar zamknięty nazywana jest poligonem.

Mapa wyświetlona na monitorze komputera przy użyciu aplikacji GIS jest połączona z bazami danych przestrzennych. To połączenie daje nam możliwość filtrowania informacji. Przy użyciu odpowiednich poleceń można wyszukać obiekty, zjawiska bądź inne potrzebne dane. Bazy danych można także przeszukiwać przy pomocy kwerend. Program wyszuka nam wówczas tylko te informacje, które spełniają zadane kryteria.

Jedną z głównych funkcji, które posiadają mapy systemu informacji przestrzennej, a czego nie mają konwencjonalne, papierowe mapy, jest dowolne skalowanie (zoom in / zoom out) jednej mapy. Istnieją różnice między skalowaniem mapy rastrowej a wektorowej. W przypadku rastrowego typu obrazu skala zależy często od rozdzielczości zdjęcia. Rozdzielczość obrazu zależy od stopnia oddalenia. Przy najniższej rozdzielczości/największym oddaleniu można zidentyfikować duże punkty orientacyjne takie, jak góry czy jeziora. Przy największej rozdzielczości/największym powiększeniu widoczne są samochody i budynki [http://maps.google.com/support].

Rys. 2.5 Porównanie zdjęć satelitarnych w średniej rozdzielczości 15,0 cm/piksel, parkingu wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Gdyni (a), ze zdjęciami w największej rozdzielczości bo 2.5 cm/piksel, Google Mountain View Campus (b) [http://maps.google.com]

Innymi słowy, im większa rozdzielczość obrazu, tym większa możliwość powiększania. Rys. 2.5 jest przykładem zdjęcia satelitarnego w największej rozdzielczości. Przeważnie rysunek rastrowy można powiększać i pomniejszać w rozsądnych granicach, w których jeszcze jest czytelny (przeważnie w granicach od +10 do -10 razy) [Myrda, Litwin, 2005]. Zapis wektorowy można oglądać w dowolnej skali. Możliwości są tu większe, gdyż obraz został stworzony w skali 1:1. 6 września 2008 roku o godzinie 11:50 został wystrzelony na orbitę okołoziemską satelita GeoEye1, którego zadaniem jest zbieranie zdjęć w wysokiej rozdzielczości (panchromatyczne 0,41 m oraz wielospektralne 1,65 m). Zastosowany w satelicie system obrazowania jest w stanie rozróżniać tak małe obiekty na powierzchni naszego globu, jak 40 centymetrów na pixel. Wyłączność na publikowanie zdjęć o tak wysokiej rozdzielczości ma firma Google. Ta znana z zastosowań GIS firma będzie udostępniała zdjęcia z GeoEye1 w Internecie – w serwisach Google Maps i Google Earth.

Rys. 2.6 Model zapisu mapy analogowej w podziale na warstwy [http://www.pg.gda.pl/PismoPG]

Programy GIS dają możliwość organizacji danych w sposób przejrzysty. Jest to możliwe dzięki strukturze warstwowej (rys. 2.6). Pojedyncza warstwa (layer) dotyczy obiektów bądź atrybutów o wspólnej właściwości. Użytkownik może ustawić wyświetlanie warstw o tematyce go interesującej, ułatwiającej wyszukiwanie. Może to być jedna lub kilka płaszczyzn nakładanych na siebie, o dowolnej kolejności wyświetlania. Wyłączenie niepotrzebnych warstw

Rys. 2.7 Przykłady wyświetlania mapy z różną ilością nałożonych warstw [aplikacja GoogleEarth]

tematycznych poprawia przejrzystość map. Za przykład może posłużyć program Google Earth. Przeglądając w GE rejon Gdańska do przeanalizowania przebiegu trasy linii kolejowej, możemy wyłączyć wyświetlanie nazw ulic, miejsc, oznaczenie miejsc użytecznych, które są mało istotne, zostawiając jedynie linie torów (rys. 2.7).

Mapa zawiera zestaw parametrów, które dopiero wspólnie połączone decydują o jej wyglądzie. Parametrami tymi są:

- kolor wypełniający obiekty i zjawiska,

- rozmiar linii, obiektów, symbolów i zjawisk,

- atrybuty liczbowe i tekstowe (informacje opisowe),

- symbole będące odnośnikami do opisów, tabel, wykresów, zdjęć, dźwięków, animacji i filmów.

Każdy z wyżej wymienionych elementów posiada własną warstwę. Jedynie niektóre aplikacje GIS mają wbudowaną funkcję scalania kilku warstw w jedną.