Wojciech Drzewiecki SYSTEMY INFORMACJI GEOGRAFICZNEJ

Transkrypt

1 Wojciech Drzewiecki SYSTEMY INFORMACJI GEOGRAFICZNEJ Systemem Informacji Geograficznej (Systemem Informacji Przestrzennej, GIS, SIP) nazywamy skomputeryzowany system pozyskiwania, przechowywania, przetwarzania, analizowania i udostpniania informacji posiadajcej odniesienie przestrzenne do powierzchni Ziemi (czyli informacji geograficznej). Unikatowo technologii GIS polega na połczeniu moliwoci oferowanych przez bazy danych z moliwociami wizualizacji i analiz przestrzennych - typowymi dla map. Jednak GIS to znacznie wicej ni mapa plus baza danych. Baza danych Systemu Informacji Geograficznej stanowi model realnego wiata. Przyjcie takiego załoenia posiada, o czym bdzie mowa póniej, daleko idce implikacje. Oczywicie wiat rzeczywisty jest zbyt skomplikowany by mogły odtworzy go najbardziej nawet zaawansowane systemy komputerowe. Baza danych GIS stanowi zatem model uproszczony, który powinien by wystarczajcy z punktu widzenia załoonego celu systemu. Inaczej wyglda bdzie baza danych systemu przeznaczonego do zarzdzania sytuacjami kryzysowymi na szczeblu województwa a inaczej systemu słucego modelowaniu procesów przyrodniczych na obszarze o powierzchni kilku kilometrów kwadratowych. Dane wprowadzane do GIS pochodzi mog z bezporednich pomiarów terenowych (np. z wykorzystaniem GPS), skanowania i digitalizacji istniejcych papierowych materiałów kartograficznych (na ekranie za pomoc myszy lub przy uyciu specjalnych urzdze - digitalizerów), pomiarów teledetekcyjnych. Do systemu wprowadzane mog by równie np. dane istniejce w postaci tabel, wykresów, rysunków itp. Wreszcie, w coraz wikszym stopniu równie w Polsce, korzysta mona z istniejcych ju zbiorów danych cyfrowych. Niezwykle wan cech GIS jest moliwo integracji danych pochodzcych z rónych ródeł.

2 Dane w Systemach Informacji Przestrzennej posiadaj zarówno charakter atrybutowy jak i przestrzenny. Oznacza to, e opisuj je nieprzestrzenne atrybuty informujce o ich charakterze, a jednoczenie okrelona jest ich lokalizacja w przestrzeni. Przestrzenne odniesienie do powierzchni Ziemi moe by okrelone w róny sposób, zalenie od przyjtego odwzorowania i układu współrzdnych. W Systemach Informacji Geograficznej dane zorganizowane s w postaci warstw tematycznych. Kada warstwa tematyczna pokrywa ten sam fragment terenu i zawiera wyłcznie jeden rodzaj danych, np. sposób uytkowania terenu, drogi, wysoko nad poziom morza, szpitale, gsto zaludnienia itp.. Warstwami mog by równie np. obrazy teledetekcyjne czy fotogrametryczne. Ten sposób organizacji danych porównywany jest czsto do zestawu map tematycznych narysowanych na przeroczystej folii, które mona na siebie nakłada. Poszczególne warstwy mog by wywietlane i analizowane pojedynczo lub w kombinacji z innymi warstwami tematycznymi. Do przedstawienia wiata rzeczywistego uywa si najczciej w Systemach Informacji Geograficznej jednego z dwu tzw. modeli danych: wektorowego lub rastrowego. W modelu wektorowym połoenie obiektów opisywane jest za pomoc dokładnych współrzdnych przypisanych poszczególnym punktom. Obiekty mog mie w tym przypadku posta pojedynczych punktów, linii (powstajcych z połczenia punktów) lub poligonów (obszarów) tworzonych jako domknite cigi linii. Dane w modelu wektorowym posiada mog równie zdefiniowan topologi, czyli relacje przestrzenne pomidzy obiektami. W modelu topologicznym kady segment linii lub poligonu zdefiniowany jest przez współrzdne punktów pocztkowego i kocowego, zwanych wzłami. Informacja topologiczna zawiera informacje o pocztkowym i kocowym wle kadego segmentu oraz poligonach znajdujcych si po jego lewej i prawej stronie. W modelu rastrowym przestrze dzielona jest na regularne wypełniajce j w całoci elementy (tzw. komórki rastra lub piksele). Zwykle maj one posta kwadratów. Zakłada si, e kada komórka jest homogeniczna - jednolita pod wzgldem opisujcego j atrybutu. Rozmiar pojedynczej komórki róni si w zalenoci od stopnia szczegółowoci danych w systemie - mog to by zarówno centymetry jak i setki kilometrów.

3 Obydwa modele danych posiadaj swoje wady i zalety, a wybór modelu zaley od przeznaczenia systemu. Niewtpliwie systemy rastrowe nadaj si lepiej do analizy zjawisk cigłych w przestrzeni, jak np. opady atmosferyczne czy stenie zanieczyszczenia w powietrzu. Struktury rastrowe mog by równie wydajniej przetwarzane cyfrowo, w zwizku z czym lepiej sprawdzaj si w zastosowaniach wymagajcych zaawansowanych operacji matematycznych z wykorzystaniem rónych warstw danych, np. modelowania procesów przyrodniczych (erozji gleb, podatnoci wód odziemnych na zanieczyszczenie, itp.). W systemach rastrowych łatwiej równie integrowa mona dane teledetekcyjne, które równie posiadaj przecie charakter rastrowy (piksele). Systemy wektorowe z kolei posiadaj przewag tam, gdzie wane jest dokładne odwzorowanie granic obiektów (np. w ewidencji gruntów), szybkie sporzdzanie rónego rodzaju map zawierajcych wybrane warstwy tematyczne czy tzw. analizy sieciowe (zwizane z obiektami o charakterze sieci, np. drogowej, energetycznej, komunikacyjnej, itp.). Dane zgromadzone w systemie mog by na róne sposoby wizualizowane. Najczciej wizualizacja przybiera form mapy. Dziki warstwowej strukturze systemu uytkownik GIS moe decydowa o jej zawartoci - wybierajc za kadym razem tylko te elementy bazy danych, które maj dla niego znaczenie. Wizualizacja przybiera moe równie inne formy - np. widoków perspektywicznych czy nawet wirtualnych wdrówek po terenie. Dane oraz wyniki analiz mog by równie udostpniane w postaci rónego rodzaju zestawie tabelarycznych, wykresów, itp. GIS umoliwia zarówno wizualizacj na ekranie monitora jak i sporzdzanie materiałów w formie wydruków, wyplotów, itp.

4 Istot Systemów Informacji Geograficznej stanowi jednak moliwo dokonywania analiz o charakterze przestrzennym. GIS wymylono przede wszystkim po to by usprawni proces uzyskiwania odpowiedzi na pytania w rodzaju: Gdzie to jest? Co znajduje si w tym, a co w tamtym miejscu? Co znajduje si w pobliu tych miejsc? Czy wystpowanie okrelonych zjawisk jest w jaki sposób powizane przestrzennie? Jak zmienia si ono w czasie i przestrzeni? Czy gdzie wystpuj warunki by zaistniało okrelone zjawisko? Tym, co odrónia GIS od "zwykłych" baz danych jest włanie moliwo zadawania zapyta przestrzennych, czyli takich, na które odpowied nie jest moliwa bez wykorzystania informacji o połoeniu obiektów i relacjach przestrzennych w jakich obiekty te pozostaj (topologii). Analizy w systemach informacji geograficznej podzieli mona na trzy zasadnicze grupy: - zapytania do bazy danych, - sporzdzanie map pochodnych, - modelowanie. Zapytania do bazy danych mog dotyczy informacji zawartych na pojedynczych warstwach (np. "poka wszystkie kina" lub "co wiadomo o kinie, które wybralimy na mapie"), ale take, wykorzystujc relacje przestrzenne midzy obiektami, moemy w naszych zapytaniach korzysta z kilku warstw łcznie (np. "poka składowiska odpadów przemysłowych lece na obszarze płytko zalegajcych wód podziemnych i gruntach przepuszczalnych" lub "jaka jest głboko zalegania pierwszego poziomu wodononego i przepuszczalno gruntu we wskazanym przez nas miejscu" albo "poka wszystkie działki budowlane na sprzeda połoone w odległoci do 25 km od Krakowa, oddalone od lasu o nie wicej ni 1,5 km, nie dalej ni 2 km od najbliszej szkoły podstawowej i przystanku MPK" czy "poka wszystkie szkoły w dzielnicy ródmiecie"). Analizy GIS umoliwiaj równie pozyskanie zwizanej z przestrzeni informacji statystycznej, np. "jaka jest gsto (ilo na kilometr kwadratowy) przypadków kradziey", "ilu naszych klientów mieszka w odległoci ponad 5 km od naszych sklepów" czy "jakie s powierzchnie pól uprawnych, łk i lasów w poszczególnych gminach". Do zaawansowanych analiz tego typu nale m.in. analizy zmian czy rozkładów przestrzennych. Moemy pyta "czym róni si od siebie poszczególne zarejestrowane stany?" (np. jakie zmiany zaszły w uytkowaniu gruntów, na jakich obszarach wzrasta a na jakich maleje stenie zanieczyszczenia). Moemy poszukiwa odpowiedzi na pytanie czy obserwowane zjawisko (np. przypadki zachorowa) wykazuje jaki trend przestrzenny bd w jakich rejonach zjawisko to si koncentruje.

5 Tworzenie map pochodnych polega na odpowiednim zestawianiu i przetwarzaniu elementów bazy danych systemu, tak by w efekcie uzyska now informacj w postaci nowej warstwy tematycznej, wzbogacajcej baz danych. Przykładem moe by sporzdzanie map spadków i ekspozycji na podstawie mapy wysokociowej (numerycznego modelu terenu) czy opracowanie mapy zagroenia erozj wodn gleb na podstawie mapy opadów, numerycznego modelu rzeby terenu, mapy gleb i pokrycia/uytkowania terenu. Tworzenie map pochodnych moliwe jest poprzez połczenie danych zawartych w bazie GIS oraz wiedzy operatora systemu o zalenociach pomidzy elementami bazy danych a tworzon map. Zalenoci te maj charakter logiczny lub matematyczny. GIS moe by równie wykorzystany do poszukiwania takich zalenoci, np. na drodze regresji (przykładem moe by zaleno midzy wysokoci nad poziom morza a temperatur). Implikacj, wynikajc z przyjcia załoenia, e baza danych GIS jest fragmentem realnej rzeczywistoci przeniesionym do komputera, jest moliwo modelowania w rodowisku GIS procesów zachodzcych w otaczajcych nas wiecie, czyli moliwo dokonywania symulacji i optymalizacji. Symulacja to prowadzenie eksperymentów na modelu rzeczywistego systemu. Symulowa moemy rónorodne procesy np. jak zmieni si nasilenie procesów erozyjnych po wprowadzeniu proponowanych przez nas rozwiza, jak rozprzestrzenia si bdzie wprowadzone do rodowiska zanieczyszczenie czy te jak uruchomienie nowego punktu sprzeday wpłynie na zachowania klientów. Optymalizacja polega na poszukiwaniu najlepszego rozwizania. Np. jaka jest najkrótsza trasa przejazdu pomidzy wskazanymi lokalizacjami? albo jak rozmieci sie punktów sprzeday by najlepiej obsłuy naszych klientów? Symulacja powodzi GIS to nie tylko system komputerowy, niezbdny sprzt i oprogramowanie, ale równie ludzie. Operator systemu jest jego niezwykle wanym elementem. Od jego wiedzy, umiejtnoci i dowiadczenia zaley efektywne zastosowanie systemu w praktyce. Pamita bowiem naley, i System Informacji Geograficznej jest tylko narzdziem analitycznym majcym wspiera podejmowanie decyzji. Wiarygodno i warto uzyskiwanych wyników uzaleniona jest od od wiarygodnoci i wartoci danych wejciowych i prawidłowego doboru procedur analitycznych. Systemy Inormacji Geograficznej znajduj coraz szersze zasosowanie w rónorakich, czsto bardzo rónicych si od siebie dziedzinach. Potencjalne pole zastosowania GIS

6 pojawia si zawsze, gdy mamy do czynienia z danymi o charakterze przestrzennym. Poniej przedstawiono niektóre z zastosowa GIS w wybranych branach. " # $ % & $ ( (& $ & " $ "# & " # #

7 #$ )$ # & # % $# *+,*-, # # & & # " # # "