POWRÓT

SEMESTR VI

Systemy informacji przestrzennej (SIP) - wykład


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Charakterystyka systemu
Funkcje i zadania systemu
Mapa jako podstawowy element SIP
Źródła informacji
Program QGIS
Przykłady zastosowań SIP

Źródła - Waldemar Izdebski - Wykład z SIP


 

Charakterystyka systemu

     
   

    Systemy System Informacji Przestrzennej (SIP) jest narzędziem uniwersalnym stosowanym w różnych dziedzinach nauki, zarządzaniu i biznesie, którego początki przypadają na późne lata 50-te XX w. Technologia ta zrodziła się na bazie technologii AM (Automated Mapping) - idei wykorzystania komputera w kartografii jako kopiarki sporządzonych w ściśle określonym celu i określonej skali map. W minionych 60-ciu latach, zmiany w technologii komputerowej i sprzętowej przyczyniły się do rozwoju systemów SIP. O ile na początku system pełnił rolę narzędzia wykorzystywanego do inwentaryzacji danych przestrzennych, to w latach 80-tych XX w. w wyniku połączenia bazy danych zawierających graficzny opis obiektów z bazami zawierającymi ich tekstowy i numeryczny opis, technologia ta umożliwiła wykorzystanie tego systemu do czynności analitycznych.
    Współczesny SIP to narzędzie uzbrojone w mapę cyfrową i narzędzia ułatwiające lokalizację i rozmieszczenie danych przestrzennych obiektów. Czynności te ułatwia stosowanie różnego rodzaju systemów informatycznych, w ramach których przetwarzane są informacje terenowe SIT (ang. Land Information System, LIS) oraz informacje geograficzne GIS (ang. Geographics Information System, GIS). Istnieje wiele definicji SIP.

    Zgodnie z jedną z definicji - systemem informacji przestrzennej (SIP) jest systemem pozyskiwania, przetwarzania i udostępniania danych zawierających informacje przestrzenne oraz towarzyszące im informacje opisowe o obiektach wyróżnionych w części przestrzeni objętej działaniem systemu. [za Gaździcki 1990].
    Z przedstawionej definicji wynika, że jednym z głównych elementów systemu informacji przestrzennej (SIP) są bazy danych, w których zgromadzone są informacje o przestrzennym rozmieszczeniu obiektów oraz informacje zapisane w postaci opisów obiektów świata rzeczywistego reprezentowanych w systemie, a konstrukcja systemu umożliwia przedstawianie wyników analiz przestrzennych w postaci opisowej (tabele) i graficznej (mapa, rysunki, wykresy, diagramy), a jego cechą jest wizualizacja i udostępnianie informacji przestrzennych w takiej postaci aby były one czytelne dla użytkownika systemu i umożliwiały przeprowadzenie analiz opierających się m.in. na relacjach przestrzennych między obiektami.
    Aby SIP mógł pełnić taką rolę, niezbędne jest posiadanie sprzętu komputerowego, oprogramowania, zgromadzonych danych i ludzi którzy będą obsługiwali system. Dodatkowo należy, również posiadać różnego rodzaju urządzenia służące do pozyskiwania danych (instrumenty geodezyjne, digitizery, skanery, autografy) oraz urządzenia do generowania opracowań tabelarycznych i kartograficznych (drukarki, plotery).
    Z powyższego wynika, że podstawowym elementem wspomagającym System Informacji Przestrzennej (SIP) są różnego rodzaju systemy informatyczne, przetwarzające różnego rodzaju dane przy wykorzystaniu techniki komputerowej. W tak zorganizowanym systemie występują powiązane ze sobą elementy, z których najważniejszym jest mapa. Mapa, jako podstawowy składnik SIP umożliwia nam pozyskanie informacji o;

  • położeniu obiektu (współrzędne w przyjętym układzie odniesienia),
  • własnościach geometrycznych obiektu,
  • relacjach przestrzennych obiektów, które są przedmiotem zainteresowania systemu i mogą być identyfikowane w odniesieniu do Ziemi.

    W czasach współczesnych trudno wyobrazić sobie sprawnie funkcjonujący urząd administracji publicznej czy firmy komercyjnej, bez informatyzacji zarządzania, automatyzacji projektowania czy dostępu do baz danych przestrzennych i tekstowych oraz przetwarzania dowolnej informacji w czasie rzeczywistym. Przykładów zastosowań SIP można podać wiele. Najważniejsze zastosowania umożliwiają wykorzystanie SIP do analiz danych demograficznych i statystycznych, badania trendów rozwojowych, wspomagania działalności sektora bankowego i finansowego oraz telekomunikacji. W tym ostatnim przypadku SIP umożliwia zarządzanie zasobami sieci, projektowanie rozwoju sieci i analizowanie wszelkich danych potrzebnych do obsługi abonentów usług.

Do góry


 

Funkcje systemu

     
   

    W ramach SIP realizowane są następujące zadania;

  • Pierwszym zadaniem SIP jest gromadzenie danych o charakterze przestrzennym. Dane mogą być zapisywane w postaci zwykłych plików, warstw tematycznych w jednym z popularnych formatów lub też w specjalnie do tego stworzonych systemach zarządzania bazami danych.
  • Drugim zadaniem SIP jest przetwarzanie danych przestrzennych. Jest to cecha najbardziej odróżniająca SIP od podobnych do niego narzędzi. Funkcje analityczne decydują o konkretnych obszarach zastosowań. Obecnie niektóre z nich wbudowuje sie w bazy danych, lecz nadal wiekszość narzędzi do analiz przestrzennych stanowia specjalistyczne programy. Inne analizy moga być prowadzone na danych rastrowych, inne zaś na danych wektorowych.
  • Trzecim zadaniem SIP jest wizualizacja danych przestrzennych. To zadanie tylko częściowo realizowane jest przez programy SIP. Często do zaawansowanej wizualizacji wykorzystywane są specjalistyczne programy 2D, 3D bądź też programy do animacji. W swoim podstawowym zakresie SIP zapewniają zwykle narzędzia do redakcji map do potrzeb prezentacji na ekranie komputera badź przygotowania map do wydruku.

    Systemy Informacji Przestrzennej (SIP) są nierozerwalnie związane z systemami informatycznymi, w ramach których przetwarzane są informacje terenowe SIT (ang. Land Information System, LIS) oraz informacje geograficzne (ang. Geographics Information System, GIS).
Poszczególne systemy można scharakteryzować następująco:

  • systemy informacji o terenie (SIT) - wykorzystuje informację pierwotną (uzyskaną na podstawie bezpośrednich pomiarów terenowych lub na podstawie wielkoskalowych zdjęć lotniczych), pod względem dokładności odpowiadającą mapom wielkoskalowym (skala 1:5000 i większe),
  • systemy informacji geograficznej (GIS) - wykorzystuje informacją wtórną (przetworzoną), pod względem dokładności i szczegółowości odpowiadającą mapom średnio i małoskalowym, (skala 1:10 000 i mniejsze)

    Ponieważ SIP nierozerwalnie związane są z systemami informatycznymi, dlatego też w tym systemie wyróżniamy następujące funkcje:

  • wprowadzanie danych,
  • zarządzanie danymi,
  • przetwarzanie danych,
  • udostępnianie danych.

Wprowadzanie danych

    Wprowadzanie danych oprócz dosłownego rozumienia, zawiera w sobie jeszcze dodatkowe funkcje służące do weryfikacji i wstępnego opracowania wprowadzanych danych. Do najważniejszych funkcji wprowadzania danych należy zaliczyć:

  • pozyskiwane danych przestrzennych w drodze:
    • pomiarów terenowych, również tych historycznych udokumentowanych przez szkice, dzienniki, zarysy,
    • trójwymiarowej digitalizacji fotogrametrycznej (stereodigitalizacji) oraz innych metod fotogrametrii i teledetekcji,
    • transferu danych z innych systemów,
    • digitalizacji map,
    • skanowania i wektoryzacji map.
  • wprowadzanie danych opisowych interaktywnie lub wsadowo,
  • wykrywanie błędów i redagowanie danych przestrzennych:
    • kontrolowanie danych przestrzennych pod względem formalnym, tj. pod względem formatu i dopuszczalnych wartości, konstrukcji geometrycznej,
    • interaktywna edycja obiektów (usuwanie, modyfikacja),
  • wykrywanie błędów i redagowanie danych opisowych:
    • kontrolowanie danych opisowych pod względem formalnym,
    • wyszukiwanie i modyfikacja grupy danych.

Zarządzanie danymi

    Zarządzanie danymi można określić jako zespół procesów, których głównym celem jest utrzymanie w należytym stanie zasobów informacyjnych systemu. Aby ten cel osiągnąć dane muszą być sprawdzane i korygowane przed wejściem do systemu, a sposób ich przechowywania powinien uwzględniać niezbędne zabezpieczenia przez fizycznym uszkodzeniem lub dostępem osób nieupoważnionych. Istotną rzeczą jest również, aby zastosowane struktury danych oraz mechanizmy wyszukiwania zapewniły użytkownikowi sprawne udostępnianie informacji. Wśród funkcji przechowywania i zarządzania danymi można wyodrębnić następujące zadania szczegółowe:

  • określanie praw dostępu poszczególnych użytkowników,
  • wyszukiwanie danych z zastosowaniem różnych warunków,
  • kontrola poprawności,
  • archiwizacja danych.

Przetwarzanie danych

    Do funkcji przetwarzania zaliczamy transformowanie, analizowanie, agregowanie, generalizowanie. Część z funkcji przetwarzania wykonuje jedynie operacje na obiektach bez ich zmian. Inne grupa funkcji przetwarzania generuje (kreuje) nowe obiekty na podstawie istniejących, a jeszcze inna może jedynie modyfikować obiekty istniejące. Do podstawowych funkcji przetwarzania danych zaliczamy:

  • konwersje i zmiany struktury danych:
    • automatyczne lub interaktywne łączenie fragmentów baz z uzgodnieniem styków,
    • generalizacja,
    • generowanie warstwic na podstawie regularnych i nieregularnych siatek punktów terenowych,
    • wygładzanie linii przez aproksymację jej przebiegu linia krzywą,
  • transformacje:
    • transformacja danych wektorowych lub rastrowych do układu określonego współrzędnymi punktów łącznych,
    • obliczanie współrzędnych w różnych odwzorowaniach kartograficznych,
  • analiza przestrzenna:
    • nakładanie warstw,
    • agregowanie obiektów,
    • tworzenie obszarów buforowych,
    • wyznaczanie pola części wspólnej obszarów,
    • analiza sieciowa,
    • obliczanie i bilansowanie objętości mas ziemnych,
    • wyznaczanie obszarów zalewowych,
    • wykonywanie przekrojów powierzchni oraz analiza widoczności,
  • analiza statystyczna:
    • ocena dokładności danych,
    • analiza regresji i wariancji.

Udostępnianie danych

    Do funkcji udostępniania danych zaliczamy udostępnianie w formie numerycznej lub w postaci wydruków na papierze. Wraz z rozwojem internetu coraz bardziej znaczące stały się różne formy udostępniania danych w internecie. Możemy wyróżnić następujące funkcje:

  • funkcje ogólne;
    • wykonywanie rysunków na monitorach graficznych, ploterach i drukarkach,
    • wykonywanie kopii obrazu wyświetlanego na ekranie,
    • określenie znaków umownych, kolorów,
    • generowanie zestawień i wyrysów,
    • przekazywanie danych w ustalonych formatach zapisu,
    • generowanie danych do standardowych serwisów internetowych WMS i WFS,
    • inne formy udostępniania danych w internecie,
  • sporządzanie mapy:
    • automatyczny wybór sposobu symbolizacji w zależności od obiektu z możliwością interaktywnej modyfikacji,
    • interaktywne umieszczanie, tytułów, legend, i opisów map,
    • automatyczne umieszczanie nazw z możliwością ich interaktywnego przesuwania.

      Do góry


 

Mapa jako podstawowy element SIP

     
   

Mapy w ujęciu historycznym

    Pierwsze rodzaje informacji przestrzennej opisywały bliskie i dalsze otoczenie człowieka, co przedstawiano w postaci prymitywnych rysunków wykonanych na płaszczyznach kamiennych. Z czasem pojawiła się mapa w wersji papierowej, która Wraz z rozwojem technologii informacyjnych i telekomunikacyjnych tradycyjne została stopniowo wypierta przez cyfrową informację geograficzną pochodzącą z digitalizacji map, satelitów do obserwacji Ziemi, lokalnych czujników cyfrowych i globalnych systemów pozycjonowania. Mapy papierowe są nadal wykorzystywane do celów wizualizacji, jednak komputery i inne urządzenia stały się główną platformą analizy przestrzennej, projektowania technicznego i usług opartych o położenie geograficzne.w czasach na współczesnych przybrała postać cyfrową, wzbogaconą wieloma informacjami tekstowymi, a pokazany obraz mapy jest generowany z wykorzystaniem systemów informatycznych. Na rynku pojawiły się mapy zróżnicowane pod względem treści. Podstawowe to mapy;

  • drogowe,
  • morskie,
  • zasobów naturalnych,
  • własności terenu i wiele innych.

    Po raz pierwszy mapa do analizy przestrzennej została wykorzystana przez francuskiego geografa Charls Picqueta, który w 1832 r. mapie Paryża, zaznaczając różnymi odcieniami szarości, zaznaczył miejsca ognisk cholery, co zostało praktycznie wykorzystane do zwalczania tej choroby.
    W zasadzie każda mapa jest źródłem wiedzy, którą można do różnego rodzaju analiz, w tym również wcześniejsze mapy jak mapa geografa Charlsa Picqueta. Przykładem są mapy autorstwa M. Schubartha z 1736 r., na których uwidoczniono system połączeń drogowych, urządzeń przemysłowych, granice zalesień, itp. (rys. 1). Innym przykładem jest mapa Cieplic z 1748 r. na której przedstawiono zabudowę miejscowości, techniką odbiegającą od wcześniej stosowanych (rys. 2), tj. układzie przestrzennym.

Rys. 1 Fragment mapy autorstwa M. Schubartha z 1736 r. (Jelenia Góra)

Rys. 2 Mapa Cieplic z 1748 r.

    Systemy informacji przestrzennej (SIP) w odróżnieniu od innych systemów informacyjnych charakteryzują się występowaniem w nich informacji, którą jest;

  • informacja o położeniu (współrzędne w przyjętym układzie odniesienia),
  • informacja o własnościach geometrycznych,
  • informacja o relacjach przestrzennych obiektów, które są przedmiotem zainteresowania systemu i mogą być identyfikowane w odniesieniu do Ziemi.

    Pojęcie obiektu rozumiane jest bardzo szeroko i obejmuje zarówno trwałe obiekty naturalne i sztuczne, jak również zjawiska przyrodnicze, społeczne i ekonomiczne. Przestrzeń, w której obiekty są identyfikowane może być dwuwymiarowa lub trójwymiarowa w zależności od potrzeb systemu.
    Inną cechą wyróżniająca systemy informacji przestrzennej, a będącą konsekwencją występowania w nich informacji przestrzennej, jest możliwość jej kartograficznej prezentacji oraz dokonywania analiz pozwalających uzyskiwać wnioski dotyczące świata rzeczywistego modelowanego przez system. Przykładami takich analiz może być wyszukiwanie obiektów spełniających określone warunki, wykonywanie pomiarów czy określanie sąsiedztwa obiektów. Przykładem może być geoportal Karkonoskiego Parku Narodowego na którym istnieje dostęp do spójnych, zharmonizowanych map i baz danych dla parku po stronie polskiej i czeskiej w ramach GIS.

Rys. 3 Geoportal KPN

Do góry


 

Wdrożenie SIP - źródła informacji

     
   

    Wdrożenie SIP jest procesem długotrwałym i kosztownym, gdyż całe przedsięwzięcie opiera się na zgromadzeniu zasobów informacji graficzno-opisowych dotyczących obiektów, które mają być objęte systemem. Podaje się że koszt uzyskania danych stanowi ok. 80% kosztów całego przedsięwzięcia. Przy opracowywaniu wymagań jakie winien spełniać SIP przyjmuje się, że systemem muszą zostać objęte wszystkie typy urządzeń, dla których istotną cechą jest lokalizacja i połączenie z innymi urządzeniami. Dotyczy to wszystkich rodzajów sieci. Istotne jest prowadzenie w systemie różnych, lecz powiązanych ze sobą warstw, przy czym warstwa rzeczywistości geograficznej jest odwzorowana w odpowiedniej formie kartograficznej wraz z warstwą schematów i połączeń ideowych. Wymagane jest zachowanie połączeń i relacji między obiektami w poszczególnych warstwach tak, aby zmiany zachodzące w jednej warstwie były odzwierciedlane w drugiej. System powinien posiadać następujące właściwości:

  • posiadanie modułu umożliwiającego pozyskiwanie i aktualizację danych,
  • selektywny wybór treści do wyświetlania,
  • dobieranie środków prezentacji map w zależności od tematyki, skali wyświetlania i wartości zjawisk przedstawianych, możliwość definiowania kategorii zmian przedstawiania,
  • selekcjonowanie i wyszukiwanie obiektów na podstawie ich cech,
  • analizy przestrzenne i sieciowe przy użyciu standardu wyrażeń SQL i operatorów przestrzennych,
  • tworzenie i modyfikacja zależności topologicznych między obiektami,
  • mechanizmy przeprowadzania tzw. transakcji długoterminowych we wszystkich fazach budowy systemu (projekt, tworzenie i eksploatacja), w celu umożliwienia prowadzenia oddzielnych projektów równocześnie z zabezpieczeniem udostępniania wersji projektowych innym użytkownikom, zatwierdzania tych wersji i wprowadzania ich do użycia,
  • dopasowanie adresów tzw. geokodowanie (proces, dzięki któremu na mapie można ulokować obiekt na podstawie adresu),
  • możliwość prowadzenia warstwy geograficznej sprzężonej interaktywnie ze schematami,
  • wyposażenie w rozbudowane środowisko do rozwijania aplikacji,
  • połączenie z zewnętrzną bazą danych i współpraca z aplikacjami zewnętrznymi,
  • wymiana danych z innymi systemami (eksport / import) z możliwością definiowania struktur danych i formatów użytkownika, bogate możliwości tworzenia raportów i ich prezentacja w popularnych środowiskach np. MS Office, itp.
  • możliwość integracji w ramach systemu zarządzania informacją (IMS - Information Management System),
  • dynamiczne wyświetlanie danych na mapie w czasie rzeczywistym,
  • technika dołączania obiektów multimedialnych.

Do góry


 

Program QGIS

     
   

    Program QGIS - Wolne i otwarte oprogramowanie, dzięki swoim liberalnym licencjom oraz możliwości ingerowania w kod źródłowy, jest idealnym środowiskiem do wykorzystania w nauce i badaniach. Program QGIS może czytać i zapisywać najpopularniejsze formaty rastrowe i wektorowe. Został także zintegrowany m.in. z systemem GRASS GIS.
GRASS GIS, powszechnie określane jako GRASS Geographic Resources Analysis (Support System), jest darmowy i open source Geographic Information System Suite (GIS) oprogramowanie służące do zarządzania danymi GIS, przetwarzania i analizy obrazów, grafik i map, modelowania przestrzennego produkcji i wizualizacja. GRASS GIS jest obecnie używany przez środowiska akademickie i handlowe na całym świecie, jak również przez wiele agencji rządowych i firm konsultingowych.

Obecnie w Polsce nie uzgodniono standardu stosowanego oprogramowania do tworzenia SIP. Najczęściej mówi się o ARC/INFO, który jest w prawdzie drogim systemem ale ma największe możliwości i pozwala na przetwarzanie danych z innych systemów. Istnieje tez wersja polskojęzyczna. Często spotyka się też w Polsce Mapinfo ze względu na niską cenę i instrukcje i wersję po Polsku, niemniej jego możliwości są dość skromne.
Inne oprogramowanie do zarządzania SIP to: GENASYS, GEMINI, MGE, FRAMME, ERDAS, ESI/PACE, ERMapper, TNT-MIPS.
Różnice wynikają przede wszystkim ze sposobu:

  • wprowadzania danych przestrzennych i opisowych,
  • zarządzania bazą danych,
  • przetwarzania danych,
  • wizualizacji danych,
  • łączności operatora z systemem.

Do góry


 

Przykłady zastosowań SIP

     
   

     Po zbudowaniu, SIP powinien stać się inteligentną mapą na której znajdziemy wybrane elementy (np. podziały administracyjne, itp.), które będą wyświetlane w wybranej przez użytkownika skali z pokazaniem ich wizualizacji i przypisanych danych przestrzennych. Wizualizacja to najczęściej grafika pod postacią zdjęć, filmów lub rekonstrukcje komputerowe obiektów a nawet fragmentów miasta w dwóch lub trzech wymiarach (3D). Czasami zachodzi potrzeba pokazania obiektów już nie istniejących, albo obiektów istniejących, ale w wyniku prac modernizacyjnych, rozbudowy i zniszczeń wojennych zmieniły swoje pierwotne przeznaczenie i wygląd. W tym przypadku koniecznością staje się wykonanie wizualizacji komputerowej, co nie jest zadaniem łatwym, ponieważ często nie posiadamy wielu danych przestrzennych o obiekcie oraz danych architektonicznych.

Dziedziny zastosowań systemów SIP to:

  • sieci energetyczne,
  • geodezja i kartografia,
  • sieci telekomunikacyjne,
  • sieci wodno-kanalizacyjne,
  • sieci gazowe,
  • planowanie przestrzenne i urbanistyka,
  • rolnictwo i leśnictwo,
  • gospodarka wodna,
  • transport i drogownictwo.

W szczegółach

  • Szeroką grupę zastosowań SIP stanowi wszelkiego typu ewidencja - gruntów, budynków, a ogólnie rzecz biorąc: wszelkiego rodzaju zasobów. Szczegółowe informacje tego typu wykorzystują urbaniści, geodeci, konstruktorzy. Zastosowanie warstwowej organizacji map umożliwia łatwą modyfikację jedynie wybranych obiektów, bez konieczności przerysowywania całej mapy. Komputerowa ewidencja własności gruntów z powodzeniem może zastąpić tradycyjną, prowadzoną za pomocą rejestrów i map geodezyjnych (kadastralnych).
  • Inną grupę zastosowań stanowi wykorzystanie SIP do przetwarzania informacji o lokalizacji wszelkiego rodzaju zjawisk, zwłaszcza tych cechujących się znaczną zmiennością w czasie. SIP są bardzo wygodnym narzędziem w rejestracji poziomów emisji wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń. Dla potrzeb monitoringu środowiska naturalnego akwizycja danych dla SIP może być prowadzona z wykorzystaniem zdalnych czujników i urządzeń pomiarowych sterowanych komputerowo. W tej grupie zastosowań mieści się również wykorzystanie SIP do analizy i obrazowania danych o charakterze statystycznym, takich jak np. zagrożenie przestępczością, występowanie chorób, struktura użytkowania gruntów itp.
  • SIP mogą również być bardzo wygodnym narzędziem do przetwarzania danych o infrastrukturze technicznej terenu, tj. o sieciach wodociągowych, gazowniczych, energetycznych, liniach komunikacyjnych. Dane tego wymagają częstych modyfikacji. Ponadto wymagana jest ich duża dokładność i aktualność. SIP umożliwiają spełnienie tych wymagań.

Do góry


 

 (C) 2011 - 2017 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved