Baza Danych Topograficznych
TBD ma stanowić jeden z istotnych elementów szeroko rozumianego Krajowego Systemu Informacji Geograficznej (KSIG). Oprócz Topograficznej Bazy Danych produktami w oparciu, o które mają być realizowane bazy danych KSIG są:
- Ogólnogeograficzna Baza Danych w skali 1:250 000
- Baza Danych VMAP2
- ortofotomapy ze zdjęć lotniczych i obrazów satelitarnych
- ewidencja gruntów i budynków
- mapa zasadnicza
Przepływ danych pomiędzy wektorowymi bazami danych (Albin 2003)
Topograficzna Baza Danych składa się z dwóch wyraźnych składowych:
1. Zasób podstawowy – część zasobu danych TBD zorganizowana i zapisana zgodnie z ogólnie przyjętymi standardami dotyczącymi budowy baz danych przestrzennych (technologia GIS), zawierająca dane pomiarowe, niezniekształcone w wyniku zabiegów redakcyjnych związanych z prezentacjami kartograficznymi, obarczone jedynie generalizacją pierwotną danych wynikającą z metod pomiaru i przyjętego modelu pojęciowego.
Zasób podstawowy danych TBD stanowią trzy główne bazy składowe:
- "ciągła" przestrzennie, wektorowa baza danych topograficznych tworzona w oparciu o technologię GIS (komponent TOPO)
- zapisana w podziale arkuszowym (pojedyncze arkusze lub zaspoły arkuszy) baza numerycznego modelu rzeźby terenu (komponent NMT)
- zapisana w podziale arkuszowym (pojedyncze arkusze) baza ortofotomap (komponent ORTOFOTO)
2. Zasób kartograficzny – część zasobu danych TBD zorganizowana zgodnie z kartograficznym modelem danych, będąca wynikiem przekształceń zasobu podstawowego, służąca opracowaniu wysokiej jakości prezentacji kartograficznych zarówno w ramach TBD jak i w zewnętrznych systemach produkcji map. Utworzenie cyfrowego zasobu kartograficznego (map cyfrowych) ma na celu m.in. umożliwienie udostępnienia danych topograficznych w formie cyfrowej do systemów produkcji map specjalistycznych np. sozologicznych, geologicznych jak również zewnętrznych w stosunku do TBD systemów produkcji map ( w tym topograficznych).
. Rozdzielenie baz danych przestrzennych od opracowań kartograficznych (Albin 2003)
GENERALIZACJA
Generalizacja jest jednym z głównych etapów procesu tworzenia map i od początku rozwoju kartografii stanowi jedno z ważniejszych i trudniejszych zagadnień, przez co E. Sydow uznał ją jako jedną z trzech „raf” w kartografii. W literaturze kartograficznej można znaleźć zasady generalizacji, nie istnieje jednak zbiór uniwersalnych reguł, które pozwalałyby na precyzyjne zdefiniowanie sposobu jej wykonywania. Przeciwnie generalizacja jest tym procesem w kartografii, które charakteryzuje się dużą indywidualnością i której wynik jest bez wątpienia zależny od redaktora. W związku z tym określenie obiektywnych zasad jej przeprowadzania należy zaliczyć do najważniejszych potrzeb nowoczesnej kartografii. Sformułowaniem ogólnych reguł generalizacji oraz określeniem sposobu przeprowadzania poszczególnych czynności wchodzących w jej zakres, zajmują się kolejne pokolenia kartografów, jednak nadal w głównej mierze sprawdza się tylko jedna zasada - „przy minimum środków maksimum efektów”. Wynika z niej najważniejszy cel przeprowadzania generalizacji tj. dokonanie takiego wyboru i redukcji informacji pochodzących z danych pomiarowych lub z map źródłowych - aby uzyskać mapę wynikową, która wyraża podstawowe cechy elementów geograficznych i relacje między nimi oraz zapewnia odpowiednią czytelność jej treści.
Termin generalizacja pochodzi od łacińskiego słowa „generalis”, oznaczającego uogólnienie. Istotą generalizacji kartograficznej jest „wybór rzeczy najważniejszych i istotnych oraz ich celowe uogólnienie” (Saliszczew, 1998).To wybór elementów powinien mieć na względzie prezentację na mapie fragmentu przestrzeni geograficznej z uwypukleniem jej zasadniczych, typowych cech i charakterystycznych właściwości stosownie do przeznaczenia, skali, bogactwa treści i danych źródłowych. Generalizacja jest jednym z głównych procesów związanych z tworzeniem przedstawień kartograficznych w różnych skalach i o różnym przeznaczeniu. Jest ona niezbędna w prezentacji treści, gdy jej przedstawienie przekracza wymiary arkusza mapy. Jest to proces przekształcania świata rzeczywistego w obraz na mapie, uważany za kartograficzną konceptualizację i wizualizację rzeczywistości. Proces ten jest bardzo wszechstronny - dotyczący elementów graficznych: punktowych, liniowych i powierzchniowych, jak również zjawisk stanowiących treść mapy. Generalizacja znana jest również jako abstrakcja kartograficzna, gdyż fizyczna rzeczywistość świata ujmowana na mapie jest w sposób symboliczny. W sensie artystycznym abstrakcja rzeczywistości jest jak karykatura, w której pewne elementy są uwypuklane kosztem innych w celu przedstawienia określonego aspektu środowiska geograficznego [Muehrcke, 1978]. Celem generalizacji jest doprowadzenie mapy do takiego stanu, aby wyrażała podstawowe cechy geograficzne elementów i relacje miedzy nimi, a zarazem jej treść była dobrze dostrzegalna i czytelna. Efekt ten uzyskuje się przez stosowanie trzech procesów: wyboru, upraszczania elementów oraz uogólniania pojęć odnoszących się do tych elementów
W tradycyjnej kartografii generalizacja opiera się na wiedzy geograficznej kartografa i jego wyczuciu graficzno-estetycznym. Subiektywny charakter tego procesu sprawia, iż nie jest łatwe ustalenie jego jednoznacznych definicji logicznych i matematycznych a co za tym idzie zastosowanie generalizacji w systemach komputerowych. Próby określenia ogólnych zasad generalizacji treści mapy podejmowano już przed II wojną światową i w latach pięćdziesiątych, na długo przed pojawieniem się komputerów. Miały one na celu umożliwienie ujednolicenia sposobów generalizacji i porównywania opracowań kartograficznych, toteż większość z nich dotyczyła ilościowych aspektów generalizacji, które można ująć w formie matematycznych reguł (Iwaniak, Paluszyński, Żyszkowska). W związku z rozwojem systemów komputerowych służących do opracowywania map oraz systemów informacji geograficznej, których integralną częścią są mapy w różnych skalach, pojawiły się nowe wyzwania dla kartografów tj. potrzeba opracowania innego podejścia do procesu generalizacji, w kontekście technologii komputerowej i związanymi z nią możliwościami zapisu i przetwarzania informacji kartograficznej. Początkowo wraz z rozwojem systemów automatycznych ograniczenia dotyczące przechowywania danych i warunki ich przetwarzania stanowiły czynnik rozwoju technik redukcji par współrzędnych w szeregu danych. Równie ważnym powodem było zachowanie graficznej percepcyjności przy redukcji skali. Z początkowych źródeł redukcji par współrzędnych rozwinęła się generalizacja oparta na innych działaniach takich, jak selekcja, klasyfikacja, łączenie, przemieszczenie i symbolizacja. Działania te odnoszą się zarówno do aspektów tematycznych, jak i geometrycznych obiektów. Na przykład selekcja, klasyfikacja i łączenie koncentrują się na kompozycjach tematycznych (odnoszą się do zawartości mapy), natomiast uproszczenie i przemieszczenie dotyczą przedstawienia graficznego i ogniskują się w większości przypadków na podniesieniu percepcyjności mapy (odnoszą się do formy mapy)
Współczesne prace nad automatyzacją procesu generalizacji toczą się w dwóch kierunkach. W pierwszym z nich są kontynuowane próby imitowania tradycyjnych koncepcji generalizacji, dotyczących poszczególnych elementów mapy, natomiast w drugim podejmowane są starania całościowego ujmowania generalizacji, a więc rozwijania nowych modeli dla tego procesu. Większość dotychczasowych badań związana była z pierwszym nurtem i skupiała się na geometrycznych aspektach generalizacji oddzielnych elementów mapy - głównie linii i punktów, które podlegają procesom wyboru i uproszczenia, a wiec generalizacji ilościowej. Natomiast generalizacja jakościowa, odnosząca się do aspektów tematycznych, polegająca na uogólnianiu informacji kartograficznej, to znaczy na przechodzeniu od kategorii niższego do wyższego rzędu, pojawiła się w rozważaniach nad automatyzacją generalizacji w związku z systemami informacji geograficznej, które zawierają bazę danych i dysponują narzędziami do grupowania informacji tematycznej.(Iwaniak, Paluszyński, Żyszkowska).
Podsumowując przejście od generalizacji manualnej do cyfrowej należy zwrócić uwagę na radykalne zmiany w rozwiązaniach dotyczących procesu generalizacji. W technologii ręcznej procesy selekcji, uproszczenia, klasyfikacji czy symbolizacji dokonywane były łącznie. W środowisku komputerowym natomiast każda czynność musi być wykonywana oddzielnie. Wyodrębnienie poszczególnych procesów w technologii komputerowej spowodowało, że otrzymanie tych samych rezultatów przy generalizacji cyfrowej okazało się bardziej problematyczne, niż przy generalizacji tradycyjnej. To, co było relatywnie proste w środowisku konwencjonalnym stało się bardzo złożone w środowisku cyfrowym.
Organizowanie danych przestrzennych: (a) wybór z rzeczywistości na podstawie modelu danych, (b) wybrane dane zapisane w formacie rastrowym lub wektorowym (cyfrowy model krajobrazu, (c) charakter danych określa poziom przeszukiwania, (d) określa, jaką mapę można opracować (Kraak, Ormeling, 1998)
Proces modelowania pojęciowego
W ciągu trwającej już kilkadziesiąt lat działalności w dziedzinie generalizacji cyfrowej zaproponowano wiele rozwiązań, osiągnięto zadowalające rezultaty w zakresie poszczególnych czynności związanych z ilościowym aspektem generalizacji (Weibel), pomimo że nadal nie są określone obiektywne prawa i reguły rządzące doborem elementów treści map i nadal poszukuje się metod ich definiowania w formie algorytmów. Początki rozwoju generalizacji komputerowej sięgają połowy lat 60- tych (Tobler, 1966) i rozwój ten możemy podzielić na trzy etapy badań. W pierwszym okresie rozpoczętym w latach 60 – tych większość badań i rozwiązań dotyczyła generalizacji obiektów liniowych. Znaczący wysiłek został położony na opracowanie wydajnych technik pozwalających na redukcję par współrzędnych w obiektach liniowych. Opisy kilkunastu z nich są dostępne w literaturze (Zycor 1984, McMaster 1987, Muller 1987). Drugi etap badań to testowanie otrzymanych wcześniej rozwiązań do uproszczeń obiektów liniowych, polegające w szczególności na ocenie ich wydajności przy eliminacji par współrzędnych. W literaturze dostępnych jest kilka studiów opisujący wybrane algorytmy (McMaster 1986, White1985, Vanzella 1988, Muller 1987). Trzeci okres rozpoczęty pod koniec lat 70- tych i trwający do dziś to poszukiwania całościowych podejść w generalizacji w wyniku, czego zaproponowano kilka modeli, przy czym wiele z nich jest przeznaczonych do rozwiązywania kilku zadań w zakresie generalizacji.
W fazie rozwoju algorytmów upraszczania obiektów liniowych można wyróżnić pięć kategorii procesów (McMaster 1987):
- niezależne algorytmy punktowe;
- procedury przetwarzania lokalnego;
- procedury warunkowego rozszerzonego przetwarzania lokalnego;
- procedury bezwarunkowego rozszerzonego przetwarzania lokalnego;
- procedury globalne.
Poniżej zostaną omówione cztery koncepcje opracowania bazy danych topograficznych jako bazy typu MRDB i podejścia do procesu generalizacji (Gotlib, Olszewski, 2005). Kolejność ich omawiania odpowiada przybliżaniu się do koncepcji bazy danych typu MRDB – od koncepcji najbardziej odbiegającej do koncepcji zgodnej z tym podejściem.
Zostaną zastosowane następujące skróty:
- BDT – bazy danych topograficznych, odpowiadające różnym poziomom dokładności i szczegółowości np. BDT10 - baza danych odpowiadająca szczegółowości mapy topograficznej w skali 1:10000,
- MTP – mapy topograficzne w różnych skalach np. MTP10 - mapa topograficzna w skali 1:10000.
Koncepcja klasyczna opracowania bazy danych topograficznych (Rys. 18) zakłada tworzenie bazy danych topograficznych o poziomie szczegółowości opisu terenu odpowiadającemu mapie topograficznej w skali 1:10000, a następnie z niej w procesie redakcji kartograficznej byłaby opracowywana mapa topograficzna w skali 1:10000. Mapy topograficzne w mniejszych skalach byłyby uzyskiwane w wyniku przeprowadzenia procesu generalizacji pojęciowej i graficznej oraz dalszej redakcji. W tym podejściu byłby generalizowany tylko obraz, nie zaś model bazy danych.
Koncepcja klasyczna
Koncepcja baz pochodnych (Rys. 19) opiera się na założeniu, że byłyby tworzone oddzielne bazy danych topograficznych o poziomie szczegółowości opisu terenu odpowiadającemu mapom topograficznym w całym szeregu skalowym (1:10000 -1:200000). Wyjściową bazą danych byłaby BDT10, a kolejne bazy tworzone byłyby w procesie generalizacji pojęciowej. Mapy topograficzne byłyby opracowywane w procesie generalizacji graficznej i w procesie redakcji z baz danych o odpowiadającym im poziomie skalowym.
Koncepcja bazy wieloskalowej) jest koncepcją zbliżoną do koncepcji budowy baz typu MRDB. Zakłada ona, że tworzona byłaby baza danych topograficznych umożliwiająca przechowywanie reprezentacji obiektów terenowych na różnym poziomie generalizacji (np. o różnej dokładności geometryczneji rozdzielczości przestrzennej) w jednej w sensie logicznego wydzielenia bazie danych. Fizycznie mogłoby to być kilka spójnych baz danych przechowujących wzajemne powiązania między obiektami przedstawianymi na różnych poziomach generalizacji. Baza ta umożliwiałaby generowanie map topograficznych w całym szeregu skalowym.
. Koncepcja baz pochodnych
Koncepcja bazy wieloskalowej
Koncepcja źródłowej bazy danych (Rys. 21) to podejście będące zgodne z koncepcją bazy danych typu MRDB, którego cechą charakterystyczną jest przechowywanie danych właściwych różnym poziomom skalowym w jednej bazie danych na jednym poziomie dokładności. W związku z tym baza ta zawierałaby wszystkie klasy obiektów niezbędne do opracowywania map w całym szeregu skalowym. W podejściu tym zakłada się, że tworzona byłaby jedna źródłowa baza danych dla całego obszaru opracowania. Cechy charakterystyczne tej bazy to:
- jednakowy poziom dokładności położenia dla wszystkich obiektów przechowywanych w bazie,
- poziom informacyjny obejmujący wszystkie obiekty uwidocznione w bazach i mapach topograficznych w całym szeregu skalowym.
Mapy topograficzne w całym szeregu skalowym byłyby tworzone z bazy źródłowej przy zastosowaniu generalizacji kształtu, położenia, eliminacji obiektów według kryteriów rozpoznawalności rysunku oraz prac redakcyjnych np. ustawiania napisów.
Koncepcja ta zakłada opracowanie jednorodnej z punktu widzenia modelu pojęciowego bazy danych topograficznych, a co za tym idzie rozdzielenie generalizacji pojęciowej od graficznej.
. Koncepcja źródłowej bazy danych
W Polsce w ciągu ostatnich lat sporządzano różne urzędowe systemy gromadzące dane georeferencyjne i przetwarzające te dane do postaci map cyfrowych. Przykładowo są to:
- Baza Danych Ogólnogeograficznych (BDO) – dokładność danych odpowiadająca mapie topograficznej w skali 1:250000,
- VMapL2 - dokładność danych odpowiadająca mapie topograficznej w skali 1:50000,
- Baza Danych Topograficznych (TBD) - dokładność danych odpowiadająca mapie topograficznej w skali 1:10000.
Te produkty to oddzielne opracowania danych georeferencyjnych na rożnych poziomach dokładnościowych, współdziałające ze sobą w niewielkim zakresie. Z założenia bazy tych systemów opracowywano na podstawie różnych źródeł danych w różnym czasie i w odmiennych uwarunkowaniach organizacyjno-technologicznych. Jednocześnie przewidziane były one do zastosowań dla różnych grup użytkowników.
Obecnie podjęta została szeroko dyskusja, co do infrastruktury danych przestrzennych w Polsce. Ponadto zwrócono uwagę na konieczność jak najszybszego opracowania procedur pozwalających na prowadzenie spójnego i kompletnego w skali kraju zbioru danych georeferencyjnych. W tym kontekście wymienione powyżej bazy danych uznano jako na bazy georeferencyjne, które powinny współpracować w możliwie szerokim zakresie i stanowić podstawę dla różnorakich opracowań specjalistycznych (tematycznych). W pierwszej kolejności wydało się celowe zapewnienie spójności danych w zakresie TBD i VMapL2, co nie tylko pozwoliłoby na unikniecie podwójnego gromadzenia danych i podwójnych kosztów, ale i otwierałoby nowe możliwości w zakresie wykorzystania danych i zgodności ze światowymi trendami w budowaniu wieloreprezentacyjnych baz danych przestrzennych (MRDB) (tematyka ta jest szeroko omówiona min. Gotlib, Olszewski, Iwaniak (2005,2006), Bac-Bronowicz (2006)).Utworzenie bazy tego typu (MRDB) będzie wywoływało w konsekwencji konieczność weryfikacji i wyboru metod wizualizacji danych, ponieważ dla obszaru, dla którego użytkownik będzie chciał uzyskać mapę w określonej skali będą dostępne dane mogące różnić się w poszczególnych fragmentach zarówno, co do stopnia ich szczegółowości jak i dokładności. W związku z tym dla prowadzenia procesu automatycznej generalizacji i wizualizacji danych konieczne stanie się sklasyfikowanie obiektów i ustalenie hierarchii klas i obiektów.
W dalszej części pracy zostaje zaproponowany system zarządzania Bazą Danych Topograficznych zgodny z ideą przestawioną powyżej, pozwalający na tworzenie z jednej bazy referencyjnej map topograficznych w dowolnej skali.
Aby można było generować cyfrowe mapy topograficzne w dowolnych skalach, należy utworzyć system zarządzania Bazą Danych Topograficznych zgodny z trójwarstwową architekturą przedstawioną na rysunku 22.
. Trójwarstwowa architektura systemu zarządzania bazą danych topograficznych
Pierwsza warstwa tego systemu to klient i związany z nim interfejs użytkownika, umożliwiający dokonanie wyboru: danych tematycznych, obszaru opracowaniai skali wykonywanej mapy. Interfejs ten ma także umożliwić dostęp użytkownika do serwera aplikacji w celu wyboru algorytmów i reguł geometrycznych, które zostaną wykorzystane w procesie tworzenia mapy.
Druga warstwa to serwer aplikacji zawierający moduły dotyczące reguł geometrycznych i algorytmów służących do:
- tworzenia, klasyfikacji i eliminacji regionów drogowych,
- eliminacji i upraszczania obiektów,
- scalania obiektów,
- eliminacji konfliktów,
- wyznaczania metod wizualizacji obiektów.
Trzecia warstwa to Baza Danych Topograficznych zmodyfikowana do postaci źródłowej bazy danych – bazy typu MRDB. W bazie tej muszą zostać uwzględnione elementy podstawowe, od których zależy poprawność procesu automatycznej generalizacji, czyli topologia i klasyfikacja obiektów (opisująca rzeczywistość geograficzną i uwzględniająca hierarchię klas i klasyfikację obiektów). Ponadto musi zostać uwzględniona możliwość stosowania w procesie generalizacji reguł i algorytmów z serwera aplikacji (warstwa druga).
Nie zawsze, oczywiście, można dokonać scalania obiektów w obrębie jednej hierarchii klas. W wielu przypadkach scalanie obiektów implikuje całkowicie odmienny opis tematyczny obiektów, wymagający zdefiniowania nowej klasy. Pokazano to na rysunku gdzie zabudowania gospodarcze i pola zostały scalone w gospodarstwa rolne, a te z kolei w obszary rolnicze. Hierarchia scalania rozpoczyna się od obiektów elementarnych do obiektów złożonych, o coraz wyższym stopniu złożoności
. Przykład połączeń między obiektami na różnych poziomach scalania
(tworzone są w kierunku wzwyż). Na rysunku obszary rolnicze powinny składać się jedynie z gospodarstw rolnych, a te z kolei powinny być wzajemnie przylegające tak, aby graf przyległości gospodarstw rolnych należących do jednego obszaru był spójny[1].
Możliwe jest zdefiniowanie rodzajów scalania poprzez ich reguły. (Nie należy mylić tych rodzajów z klasami obiektów w hierarchiach klas). Jeżeli obiekty elementarne są łączone tworząc obiekt złożony, wartości ich atrybutów często zostają scalane. Plony z gospodarstwa są sumą wydajności plonów na pole, a wydajność na dany obszar jest sumą plonów z gospodarstw. Rozdzielenie tych wartości jest zazwyczaj dość trudne, gdyż można go dokonać jedynie, gdy informacje są dodawane do systemu. Dlatego też hierarchia scalania charakteryzuje się strukturą „z dołu do góry”, w tym sensie, że obiekty elementarne z najniższego poziomu są łączone tworząc coraz bardziej złożone obiekty w miarę wspinania się w górę hierarchii. Obiekty złożone otrzymują wartości atrybutów obiektów, z których są zbudowane.
Obiekty superklasy SWRK_L po przeprowadzonym procesie generalizacji dla skali mapy: 1:100000, 1:250000, 1:500000 – przedstawione w skali 1:100000
Obiekty superklasy SWRK_L z TBD po przeprowadzonym procesie generalizacji dla skali mapy 1:50000 oraz obiekty z VMapL2 odpowiadajace tej klasie – przedstawione w skali 1:50000
Proces generalizacji obiektów klasy „Budynki”
...
Daria-awaria