Nowa metoda oceny rozdzielczości geometrii danych przestrzennych

XV PODLASKIE FORUM GIS 14-15.06.2018 Nowa metoda oceny rozdzielczości geometrii danych przestrzennych Bartłomiej Bielawski

Źródło danych Prezentowane koncepcje i wyniki badań są wynikiem pracy badawczej prowadzonej w Zakładzie Kartografii Politechniki Warszawskiej pod kierunkiem prof. PW. dr hab. Roberta Olszewskiego 2

Plan prezentacji Przybliżenie pojęcia rozdzielczości danych przestrzennych w normach ISO serii 19100 Koncepcja Rozdzielczości Geoinformacyjnej Charakterystyka, warunki i metody wyznaczania elementów Rozdzielczości Geometrii oraz ocena Rozdzielczości Geometrii dla wybranych zbiorów danych Wnioski 2

Rozdzielczość w normach ISO 19100 PN-EN-ISO 19131:2008 Informacja geograficzna Specyfikacje produktów danych (ang. Geographic information Data Product Specification (DPS)) definiuje zakres informacji stosowanych do opisu serii i zbiorów danych oraz usług. class Context Diagram: DPS_IdentificationInformation DPS::DPS +identification 1 DPS_IdentificationInformation + abstract :CharacterString + alttitle :CharacterString [0..*] + geographicdescription :EX_GeographicDescription [1..*] + purpose :CharacterString [0..1] + spatialrepresentationtype :MD_SpatialRepresentationTypeCode [0..*] + spatialresolution :MD_Resolution [0..*] + supplementalinformation :CharacterString [0..1] + title :CharacterString + topiccategory :MD_TopicCategoryCode [1..*] 0..* {root} {root} Extent information::ex_geographicdescription + geographicidentifier :MD_Identifier Reference system information::md_identifier + authority :CI_Citation [0..1] + code :CharacterString «CodeList» Identification information:: MD_SpatialRepresentationTypeCode + grid + stereomodel + texttable + tin + vector + video «Union» Identification information::md_resolution + distance :Distance + equivalentscale :MD_RepresentativeFraction «enumeration» Identification information::md_topiccategorycode farming biota boundaries climatologymeteorologyatmosphere economy elevation environment geoscientificinformation health imagerybasemapsearthcover intelligencemilitary inlandwaters location oceans planningcadastre society structure transportation utilitiescommunication Identification information:: MD_Representativ efraction + denominator :Integer 3

Rozdzielczość w normach ISO 19100 Informacje dotyczące specyfikacji produktów danych są wykorzystywane w normie PN-EN-ISO 19115-1:2014-08 Informacja geograficzna Metadane. Norma ta definiuje zakres metadanych do identyfikacji serii, zbiorów danych i usług. Norma dostarcza reguł opisu dotyczących m.in.: rozdzielczości danych przestrzennych. class Context Diagram: MD_Resolution class Context Diagram: MD_Resolution «Union» MD_Resolution + equivalentscale :MD_RepresentativeFraction + distance :Distance «Union» MD_Resolution + equivalentscale :MD_RepresentativeFraction + distance :Distance + vertical :Distance + angulardistance :Angle + levelofdetails :Characterstring PN-EN-ISO 19115:2003 PN-EN-ISO 19115-1:2014-08 4

Rozdzielczość w normach ISO 19100 MD_Resolution zgodnie z normą ISO 19115 czynnik, który dostarcza podstawowej wiedzy o gęstości danych przestrzennych w zbiorze danych * Zgodnie z aktualną normą jest to alternatywa jednego z 5 atrybutów (jednocześnie występuje tylko jeden atrybut z listy). W przypadku danych topograficznych stosuje się atrybut equivalentscale (skala równoważna, wyrażana mianownikiem skali (denominator) w postaci liczby całkowitej). Zgodnie z Polskim Krajowym Profilem metadanych equivalentscale opisuje poziom szczegółowości wyrażony jako skala porównywalnej mapy drukowanej lub wykresu class Context Diagram: MD_Resolution «Union» MD_Resolution + equivalentscale :MD_RepresentativeFraction + distance :Distance + vertical :Distance + angulardistance :Angle + levelofdetail :CharacterString «DataType» MD_Representativ efraction + denominator :Integer *jest to wskaźnik, dostarczający ogólnego zrozumienia gęstości danych w zbiorze danych (ang. factor which provides a general understanding of the density of spatial data in the dataset) 5

Rozdzielczość w normach ISO 19100 Rozdzielczość Jakość Element identyfikacji serii, zbioru danych i usługi (Identification Information) Element jakości danych (Data quality information) 6

Rozdzielczość Geoinformacyjna Rozdzielczość Geoinformacyjna wielowskaźnikowa cecha zbioru danych, serii lub usługi charakteryzująca przedmiot opisu w ujęciu geometrycznym, pojęciowym, czasowym i sytuacyjnym. class Rozdzielczość Pojęciowa Nominalna Rzeczywista Geometrii Współrzędnych Rozdzielczość geoinformacyjna Maksymalna Densytatytywna Sytuacyjna Kwantytatywna Aktualizacji Czasowa Czasoprzestrzena Właściwa 7

Rozdzielczość Geometrii Rozdzielczość Geometrii to cecha serii, zbioru danych lub usługi wskazująca na stopień zagęszczenia werteksów budujących geometrię o typach liniowych i powierzchniowych. class Geometry resolution Rozdzielczość Geometrii Współrzędnych Nominalna Maksymalna Rzeczywista 8

Rozdzielczość Geometrii Założenia: 1. Rozdzielczość Geometrii może być wyznaczana dla specyfikacji (serii) i zbiorów danych utworzonych zgodnie z normami ISO serii 19100 2. Ocenie mogą podlegać dane wektorowe w prostym lub topologicznym modelu wektorowym 3. Analizie podlegają obiekty przestrzenne (spatial object) w rozumieniu zgodnym z normą ISO 19101 4. W związku z powyższym metoda abstrahuje od specyfiki obiektów świata rzeczywistego (odmienna specyfika przestrzenne linii kolejowych, dróg, lasów itd.) oraz od relacji obiektu świata rzeczywistego do obiektu przestrzennego 5. Geometria obiektów musi składać się z typów geometrii wykorzystujących krzywe poddane liniowej interpolacji zgodnie z ISO 19107 (GM_Curve) 6. Metoda znajduje zastosowanie do oceny geometrii 2D i 3D 9

Rozdzielczość Współrzędnych Rozdzielczości Współrzędnych to miara odległości metrycznej lub kątowej oznaczającej minimalną odległość między dwoma punktami wynikającymi z precyzji zapisu współrzędnych. Jest to cecha charakterystyczna zarówno modelu danych jak i jego implementacji. ATKIS OSM BDOT 10k 10

Rozdzielczość Współrzędnych Rozdzielczości Współrzędnych (RWG) to miara odległości metrycznej lub kątowej oznaczającej minimalną odległość między dwoma punktami wynikającymi z precyzji zapisu współrzędnych. Lp. Zasób Skala równoważna RWG 1 LPIS - - 2 OSM - 0.0000001 3 BDOT10k 1:10 000 0.01m 4 ATKIS Basis-DLM 1:5000-1:25 000 0.001m 5 CLC 1:100 000 nie zidentyfikowano 6 BDOO 1:250 000 0.01m 7 BTN100 1:100 000 1m 8 EGM 1:1 000 000 5m 9 VMAP_L0 1:1 000 000 Nie zidentyfikowano 11

Rozdzielczość Rzeczywista Rozdzielczość Rzeczywista Geometrii (RRG) to charakterystyka zbioru danych, mówiąca o stopniu zagęszczenia punktów pośrednich (werteksów) poszczególnych instancji obiektów wchodzących w skład zbioru danych. RRG to miara opisująca najczęściej występujące odległości pomiędzy werteksami tworzącymi geometrię instancji obiektów (obiektów przestrzennych). Charakterystyka odległości między werteksami (długości segmentów) wyrażona jest w postaci mediany, tj. wartość cechy w szeregu uporządkowanym, powyżej i poniżej której znajduje się jednakowa liczba obserwacji. 12

Rozdzielczość Rzeczywista Lp. Nazwa powiatu RRG LPIS RRG BDOT10k RRG CLC 2012 RRG BDOO RRG EGM RRG VMAP_L0 bd 1:10 000 1:100 000 1:250 000 1:1 000 000 1:1 000 000 1 kielecki 24 18 75 137 615 1371 2 słupski 29 20 89 106 317 1276 3 kłodzki 22 18 62 84 527 1382 4 żarski 28 22 66 127 158 1330 5 piski 30 23 79 147 54 790 6 braniewski 27 12 73 148 293 1275 7 goleniowski 31 27 72 145 114 1286 8 lubaczowski 27 17 91 90 848 2055 9 tatrzański 16 17 65 68 573 1094 10 krasnostawski 26 16 88 163 951 2292 11 Warszawa 13 12 83 134 89 725 12 wrocławski 25 13 88 125 593 1364 Wyniki pomiarów wartości Rozdzielczości Nominalnej dla różnych produktów na tych samych obszarach testowych 13

Rozdzielczość Rzeczywista Wyniki testowych pomiarów wartości Rozdzielczości Rzeczywistej dla BDOO 14

Rozdzielczość Nominalna Nominalna Rozdzielczość Geometrii (NRG) wyraża teoretyczną lub zakładaną rozdzielczość danych. Wartość NRG charakteryzuje model pojęciowy. Na poziomie implementacyjnym może dotyczyć serii zbiorów danych utworzonych na podstawie wspólnego modelu pojęciowego. Jest to rozdzielczość abstrakcyjna (uogólniona) i powinna być określana na poziomie definiowania wymagań modelu pojęciowego. Proponowana charakterystyka wydaje się być odpowiednikiem obecnie stosowanych opisów rozdzielczości wykorzystujących mianownik skali do opisania rozdzielczości geometrii, np. skala równoważna (ISO 19115:2014), skala nominalna, skala bazowa, rozdzielczość wynikająca z generalizacji pierwotnej, wynikająca z zastosowanej metody pomiaru oraz modelu pojęciowego danych. Wartość NRG może być wyrażona w postaci pojedynczej wartości całkowitej lub przedziału wartości. W przypadku pojedynczej wartości NRG może być założona a priori przez autora modelu pojęciowego lub uzyskana na drodze odwrotnej inżynierii (reverse engineering). 15

Rozdzielczość Nominalna W przypadku oceny NRG serii zbiorów danych za pomocą odwrotnej inżynierii wyznaczanie rozdzielczości teoretycznej polega na określeniu wartości średniej ważonej Rozdzielczości Rzeczywistych (RRG) dla zbiorów danych wchodzących w skład serii lub reprezentatywnej statystycznie próbki danych. Wagę stanowi pole powierzchni zbiorów danych będących przedmiotem pomiaru. W przypadku pojedynczej wartości rozdzielczość nominalną dla serii wyznacza się ze wzoru na średnią ważoną: NRG = PP 1RRG 1 + PP 2 RRG 2 +PP 3 RRG 3 + + PP n RRG n PP 1 + PP 2 + PP 3 + + PP n Gdzie: NRG rozdzielczość nominalna geometrii, RRG rozdzielczość rzeczywista geometrii, PP pole powierzchni zbioru danych wyrażone w km 2, n liczba zbiorów danych w serii lub reprezentatywna liczba zbiorów danych. 16

Rozdzielczość Nominalna Cecha/ Specyfikacja Skala równoważna NRG Odch. STD/NRG*100% (współczynnik niespójności) NRG max NRG min BDOT10k 1:10 000 18,91 23,45 16,63 19,86 LPIS - 26,07 28,4 22,26 26,59 OSM - 30,02 10,43 28,39 31,84 ATKIS 1:5000-1:25 000 31,56 5,57 30,82 32,09 CLC 2012 1:100 000 76,43 5,96 74,09 78,97 BCN500 1:500 000 92,48 12,79 89,12 94,15 BDOO 1:250 000 125,65 8,5 120,16 129,24 EGM 1:1 000 000 473,55 63,07 197,32 649,53 VMAP_L0 1:1 000 000 1308,72 28,33 965,88 1614,18 Wyniki pomiarów wartości Rozdzielczości Nominalnej w podziale na specyfikacje danych 17

Rozdzielczość Maksymalna Maksymalna Rozdzielczość Geometrii (MRG) określa maksymalną rozdzielczość poprzez zdefiniowanie najmniejszych elementów konstrukcji geometrii na poziomie modelu pojęciowego. Od tego wskaźnika w dużym stopniu zależy stopień uogólnienia geometrii w zbiorze danych. Rozdzielczość ta określana w specyfikacji danych stanowi istotne założenie modelu pojęciowego. Wartość Maksymalnej Rozdzielczości Geometrii jest aktualnie często stosowana w specyfikacjach danych. Wartość maksymalnej rozdzielczości wyrażana jest w metrach i oznacza minimalną długość segmentu łączącego sąsiednie werteksy. W szczególnych przypadkach, gdy założenia modelu pojęciowego w szczególności generalizacji pierwotnej - nie zakładają takiej wartości, Rozdzielczość Maksymalna przyjmuje wartość Rozdzielczości Współrzędnych. 19

Rozdzielczość Maksymalna Maksymalna Rozdzielczość Geometrii (MRG) określa maksymalną rozdzielczość poprzez zdefiniowanie najmniejszych elementów konstrukcji geometrii na poziomie modelu pojęciowego. Od tego wskaźnika w dużym stopniu zależy stopień uogólnienia geometrii w zbiorze danych. Rozdzielczość ta określana w specyfikacji danych stanowi istotne założenie modelu pojęciowego. Wartość Maksymalnej Rozdzielczości Geometrii jest aktualnie często stosowana w specyfikacjach danych. Wartość maksymalnej rozdzielczości wyrażana jest w metrach i oznacza minimalną długość segmentu łączącego sąsiednie werteksy krzywej. Lp. Zbiór danych Skala równoważna MRG 1 LPIS Brak informacji nie stosuje się 2 OSM Brak informacji nie określono 3 BDOT10k 1:10 000 2 m 4 ATKIS Basis- 1:5000-1:25 000 brak informacji DLM 5 CLC 1:100 000 brak informacji 6 BDOO 1:250 000 50 m 7 BCN 500 1:500 000 100 m 8 EGM 1:1 000 000 20 m 9 VMAP_L0 1:1 000 000 brak informacji 20

Rozdzielczość Nominalna LOG 2 (NRG) 12 10 8 6 4 2 0 1:10 000?? 1:25 000 1:100 000 1:500 000 1:250 000 1:1 000 000 1:1 000 000 BDOT10k (PT) LPIS OSM ATKIS CLC2012 BCN500 BDOO EGM VMAP_L0 Zmiana rozdzielczości w zależności od produktu 18

rozdzielczość rozdzielczość rozdzielczość rozdzielczość Ocena rozdzielczości geoinformacyjnej (dla wybranych zasobów i składowych RG) BDOT 10k skala referencyjna: 1: 10 000 BDOO skala referencyjna: 1: 250 000 20 18 20 18 logarytm mianownika skali mapy: 17,93 16 14 logarytm mianownika skali mapy: 13,29 16 14 12 12 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 0 nominalna geometrii rzeczywista geometrii densytatywna pojęciowa kwantytatywna 4,24 4,77 6,7 10,39 17,34 0 nominalna geometrii rzeczywista geometrii densytatywna pojęciowa kwantytatywna 6,81 6,9 0,91 10,39 14,3 ATKIS skala referencyjna: 1: 5 000-1: 25 000 PRG skala referencyjna: 1: 500-1: 10 000 20 18 20 16 logarytm mianownika skali mapy: 12,29-14,61 18 14 12 10 8 6 4 16 14 12 10 8 6 4 logarytm mianownika skali mapy: 8,97-13,29 2 2 0 nominalna geometrii rzeczywista geometrii densytatywna pojęciowa kwantytatywna 4,65 4,9 7 11,02 13,83 0 nominalna geometrii rzeczywista geometrii densytatywna pojęciowa kwantytatywna 4,65 4,7 0,76 7,42 13,75

Wnioski 1. Rozdzielczość Geometrii jest jednym z elementów Rozdzielczości Geoinformacyjnej 2. Proponowany zestaw charakterystyk dotyczących geometrii obiektów przestrzennych charakteryzuje specyfikacje danych, dane lub usługi je publikujące w znacznie lepszy sposób (w ocenie autora) niż mianownik skali 3. Uzyskane wyniki oceny serii (specyfikacji), zbiorów danych czy usług w zakresie Rozdzielczości Geometrii są obiektywne, porównywalne i możliwe do zweryfikowania 4. Proces oceny rozdzielczości jest niezależny od stosowanej technologii czy oprogramowania 5. Ocena kluczowych komponentów Rozdzielczości Geometrii może się odbywać w sposób automatyczny, bez konieczności ingerencji operatora 6. Określenie Rozdzielczości Współrzędnych ułatwia utrzymanie topologii obiektów utrzymywanych w relacyjnych bazach danych 7. Zastosowanie metody jest bardzo szerokie, m.in. kontrola danych, wycena kosztów pozyskania danych, możliwość automatycznej integracji usług geoprzestrzennych 21

XV PODLASKIE FORUM GIS 14-15.06.2018 Dziękuję za uwagę Bartłomiej Bielawski