2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

1

GEOMATYKA

Geomatyka (geoinformatyka)

-

nauka na gruncie informatyki integrująca wszelkie

działania

ukierunkowane na pozyskanie,

przetwarzanie i

udostępnianie

informacji przestrzennych.

W ramach geomatyki zwykle wyróżnia się jej

działy merytoryczne

,

zwane

również

technologiami

informacji

przestrzennej

lub

technologiami geomatyki:

•

systemy globalnego wyznaczania pozycji (GPS);

•

geodezję i kartografię;

•

teledetekcję z fotogrametrią;

•

numeryczny model rzeźby terenu;

•

systemy informacji przestrzennej.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

2

Informacja geoprzestrzenna

Informacja geoprzestrzenna

, często określana również

jako

przestrzenna

lub

geograficzna

,

jest

informacją

w

sensie

zdefiniowanym przez

informatykę

.

Cechą wyróżniającą ją od innych rodzaj informacji jest to, że jest

odniesiona do określonego miejsca względem Ziemi. Z tego powodu
jej niezbędnymi atrybutami są dane określające położenie względem
Ziemi wyrażone w zdefiniowanym i przeliczalnym układzie
współrzędnych (geograficznym, kartograficznym lub geodezyjnym).

Takie odniesienie nazywane jest

odniesieniem bezpośrednim

, ale

określenie położenia może być także w formie odniesienia

pośredniego

, np. jako adres pocztowy. Odniesienie pośrednie musi

być jednak jednoznaczne i zamienialne na bezpośrednie.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

3

Dane geoprzestrzenne

W odróżnieniu od geoinformacji opisowej wyróżnia się pojęcie

dane

geoprzestrzenne

(lub

przestrzenne

) jako bardziej formalną postać

informacji i przez to bardziej odpowiednią do operowania na niej w
zakresie podanym w definicji. Z tego względu najczęściej pod
pojęciem informacja geoprzestrzenna

rozumie się

tu dane

geoprzestrzenne.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

4

Aspekty geomatyki

Geomatyka jak każda dziedzina dzieli się na pewne warstwy

−

aspekty:

• aspekt podstawowy,
• aspekt teoretyczny,
• aspekt techniczny i technologiczny,
• aspekt zastosowań.

W każdej z tych warstw mamy do czynienia z innym zakresem

problemów, stosowane są różne techniki i narzędzia, a także inny
zakres wiedzy potrzebny jest do rozwiązywania tych problemów.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

5

Związki geomatyki z GIS

Związek geomatyki z systemami informacji przestrzennej (GIS) jest

podstawowy - GIS jest narzędziem w aspekcie zastosowań
geomatyki i jest obiektem studiów badawczych i projektowych w
innych jej aspektach. Z tego powodu można też powiedzieć w
wielkim uproszczeniu, że geomatyka zajmuje się systemami GIS.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

6

Efektywność i relacje

Efektywność technologii geomatyki jest niewspółmiernie wyższa od

tradycyjnych metod inwentaryzacji i przetwarzania przestrzennych.

Obszar tematyczny geomatyki i jej relacje do dyscyplin z nią

powiązanych

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

7

Związki geomatyki z GIS

Problematyka stanowiąca przedmiot geomatyki była do niedawna traktowana jako

interdyscyplinarna.

Obecnie geomatyka wypełniła lukę istniejącą pomiędzy informatyką i naukami o

Ziemi.

W wyniku sprecyzowania obszaru tematycznego geomatyki powstały na stykach

pewne obszary wspólne, wskazujące na konieczność ścisłej współpracy pomiędzy
sąsiadującymi ze sobą dyscyplinami nad problemami należącymi do tych
wspólnych obszarów.

Nie tylko geomatyka korzysta z dyscyplin sąsiednich, także te dyscypliny

wzbogacają swoje możliwości dzięki geomatyce. Korzyści, jakie z tego czerpią
nauki o Ziemi są oczywiste, ale także informatyka coraz częściej przenosi na swój
grunt rozwiązania wypracowane przez geomatykę. Przykładem mogą być
przestrzenne (a ściślej -

geoprzestrzenne) rozszerzenia w systemach,

specyfikacjach i językach czysto informatycznych takich jak SQL.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

8

Główne nurty działalności

W działalności na gruncie geomatyki można wyraźnie wydzielić

trzy

główne nurty

związane w dużym stopniu z charakterem i celami

instytucji i ośrodków, które się tą działalnością zajmują:

• działalność badawcza

w zakresie podstaw, teorii i metodyk – wyższe

uczelnie, instytuty badawcze i niektóre firmy komercyjne.

• działalność dydaktyczna i szkoleniowa

– wyższe uczelnie i firmy

komercyjne.

• działalność produkcyjna

w zakresie oprogramowania aplikacyjnego,

pozyskiwania danych, ich obróbki i dystrybucji – firmy komercyjne
i niektóre instytucje badawcze.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

9

Metodyki i techniki wykorzystywane w geomatyce

Wiele dyscyplin zajmujących się lub posługujących się informacją

geoprzestrzenną (np. geografia, geodezja, kartografia, topografia,
fotogrametria, teledetekcja, geologia i inne) posiada własne
metodyki i techniki, które ujęte w algorytmy programowe i zapisane
w kodzie języków komputerowych są

(lub mogą

być) z

powodzeniem wykorzystywane w geomatyce.

Geomatyka posiada wiele własnych metod i technik, które nie są

stosowane w informatyce i naukach o Ziemi, jak na przykład:

• map-algebra,
• topologiczna

analiza

warstw

geoinformacji

z

elementami

wektorowymi,

• topologiczna analiza warstw geoinformacji rastrowej i siatkowej

.

Wiele nowych rozwiązań z tego zakresu powstaje i rozwija się na

styku geomatyki i dyscyplin z nią sąsiadujących.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

10

Główne obszary problemów

- Modele danych geoprzestrzennych

Brak powszechnie przyjętego standardu klasyfikacji i formatów danych spowodował

sytuację bliską chaosu. W rezultacie bardzo często jako standard dla danych
przyjmuje się wewnętrzne formaty popularnych monolitycznych systemów GIS
zaniedbując fakt, że formaty te nie mają oficjalnej jawnej dokumentacji. Próby
naprawienia tej sytuacji doprowadziły do powstania ponad 23 różnych standardów
danych geoprzestrzennych, a liczba zajmujących się tym komitetów i innych
organizacji osiągnęła liczbą 25 (Bryan, 1995).

Najważniejsze z nich to:
DIGES – (Digital Geographic Information Exchange Standard) przeznaczony dla

zastosowań militarnych w państwach NATO (The Digital...,1997),

SDTS – (Spatial Data Transfer Standard) opracowany przez USGS, obecnie

najbardziej znany i często używany także w zastosowaniach międzynarodowych
(American...,1998),

HDF (EOSDIS) – (Hierarchical Data Format (Earth Observing System Data and

Information

System)

opracowany przez NCSA i NASA dla danych

otrzymywanych z satelitów,ale także stosowany w badaniach naukowych (An
introduction...,1998).

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

11

Główne obszary problemów

- Model metadanych

Dane geoprzestrzenne są z reguły pogrupowane w pewne agregaty. W zależności od

stosowanej

technologii mogą

to być

warstwy, struktury, obiekty lub

zbioryobiektów. W interoperacyjności systemowej agregaty te można traktować
jak pewnego rodzaju zamknięte „paczki informacji” z dołączonym dokumentem
szczegółowo opisującym zawartość takiej „paczki”. Metadane zawarte w tym
dołączonym dokumencie muszą być zgodne z jakimś ogólnie przyjętym
standardem i ich forma (model)musi spełniać szereg wymagań, jak na przykład:

• uniwersalność – być odpowiedni dla wszystkich możliwych typów informacji

geoprzestrzennej.

• jednoznaczność – być jednoznacznie interpretowany zarówno przez ludzi jak i

komponenty systemu informatycznego.

• niezależność – nie być zależnym od określonego środowiska programowego, czyli

od określonej platformy sprzętowo-systemowej.

Najczęściej obecnie stosowanym modelem metadanych jest standard CSDGM

(Content Standard for Digital Geospatial Metadata) rozwijany przez FGDC
(Federal Geographic Data Committee).

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

12

Główne obszary problemów

- Metody projektowania i budowy systemów GIS

Tworzenie nowych systemów GIS stało się już zjawiskiem powszechnym, lecz

niestety w większości przypadków metodyki ich projektowania oparte są na stanie
wiedzy z przed ponad dwudziestu lat. Tyle bowiem lat liczy sobie najczęściej
stosowane do tego oprogramowanie. Te komercyjne pakiety dla GIS są ciągle
ulepszane pod kątem szybkości działania i sprawności interfejsu użytkownika,
lecz nie zmienia to faktu, że założenia teoretyczne i metodyczne stanowiące
fundamentalnego oprogramowania są

już

bardzo przestarzałe. Dzisiejsza

informatyka dostarcza wielu metod i narzędzi pozwalających projektować systemy
GIS zgodnie z obecnym stanem wiedzy w tym zakresie. Jednym z takich
rozwiązań jest język i metodyka UML (Unified ModelingLanguage).

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

13

Główne obszary problemów

- Interoperacyjność rozproszonych GIS

Osoba wykorzystująca informacje geoprzestrzenne w zastosowaniach

profesjonalnych –

na przykład geolog przy opracowywaniu

dokumentacji – potrzebuje mieć dostęp do różnych rodzajów
tematycznych tej informacji dla dokumentowanego obszaru, na
przykład do danych z wierceń, do mapy topograficznej i geologii
powierzchniowej, do danych geofizycznych, geodezyjnych i wielu
innych. Dane te z oczywistych powodów będą się znajdowały w
różnych systemach GIS i różnych bazach danych, często także
odległych. Aby te wszystkie dane mogły być dla określonego obszaru
dostępne z jednego komputera i wyświetlone na jego ekranie w
sposób całkowicie zgodny niezbędna

jest interoperacyjność

systemowa rozproszonych systemów GIS.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

14

Główne obszary problemów

- Interoperacyjność rozproszonych GIS

Interoperacyjność

daje

specyfikacja

OpenGIS

(Open

GeodataInteroperability

Specification) opracowywana w OGC

(Buehler & McKee, 1996) w połączeniu z specyfikacją CORBA
(Common Object Request Broker Architecture) opracowaną i
rozwijaną

w korporacji OMG

(Object

Management

Group).

Proponowane w tych specyfikacjach rozwiązania pozwalają na taką
współpracę systemów GIS, która umożliwi poszczególnym ich
modułom znalezienie (w oparciu o metadane) wszelkiej potrzebnej i
dostępnej

informacji,

przetransferowanie

jej

do

komputera

użytkownika w formie zgodnej z określonymi wymaganiami,na
przykład przetransformowanej do układu współrzędnych podanego
odwzorowania kartograficznego.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

15

Główne obszary problemów

- Technologie obiektowe w GIS

Współczesna informatyka wykształciła wiele różnych podejść do

rozwiązywanych

problemów. Jednym z nich jest podejście

obiektowe, a oparte na nim technologie w wielu zastosowaniach dają
wyjątkowo dobre rezultaty.

Dla przykładu można tu wymienić kilka najważniejszych:
• obiektowe języki programowania,
• obiektowe interfejsy graficzne użytkownika,
• obiektowe modele i bazy danych,
• obiektowe struktury systemów i modele ich interoperacyjności.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

16

Obszary zastosowań praktycznych

Ponad 70% wszelkiej informacji to informacja geoprzestrzenna. Każdy

adres pocztowy może być zamieniony na współrzędne geograficzne i
informacja z nim powiązana może być

poddana operacjom

stosowanym tylko do danych geoprzestrzennych, na przykład
wyznaczenie odległości pomiędzy dwoma adresami. W geologii, tak
jak w innych naukach o Ziemi, prawie cała informacja ma charakter
geoprzestrzenny. Ujmując to najogólniej można powiedzieć, że
obszar zastosowań geomatyki jest taki jak zastosowań informacji
geoprzestrzennej – trudno jest znaleźć dziedzinę działalności
praktycznej, w której geomatyka nie jest stosowana.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

17

Obszary zastosowań praktycznych

Do najważniejszych należą:
• administrowanie terenem i działalnością gospodarczą,
• planowanie przestrzenne i urbanistyka,
• ochrona środowiska i ekologia,
• rolnictwo i leśnictwo,
• przeciwdziałanie skutkom klęsk żywiołowych i katastrof,
• gospodarka wodna i meteorologia,
• nauki geologiczne i górnictwo,
• epidemiologia,
• transport i telekomunikacja,
• dziedziny związane z obronnością i bezpieczeństwem,
• marketing.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

18

Wizja przyszłości

• Skaning i obrazy cyfrowe uzyskiwane za pomocą

satelitów oraz lotnictwa

• Uzupełniające prace lokalizacyjne oraz pomiarowe

dokonywane za pomocą zintegrowanych urządzeń
typu – odbiornik GPS + palmtop

• Rozbudowane metody analityczne i prognostyczne

• Zaawansowane systemy eksperckie, wspomagające

planowanie oraz podejmowanie decyzji

-

czy science fiction?

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

19

Metody sztucznej inteligencji

Dziedzina sztucznej inteligencji zajmuje się zagadnieniami tworzenia i

rozwoju właściwości maszyn sztucznych tak, żeby właściwości te
były podobne do najcenniejszej cechy człowieka - czyli inteligencji.
Do metod tych należą (Mulawka, 1996):

• robotyka
• systemy ekspertowe
• algorytmy genetyczne
• sztuczne sieci neuronowe
• przetwarzanie języka naturalnego
• oprogramowanie i języki programowania
• programy automatyki
• rozpoznawanie mowy, percepcji, wizja komputerowa
• rozwiązanie problemów metodami sterowania i przeszukiwania.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

20

Metody sztucznej inteligencji

W zagadnieniach przyrodniczo-leśnych prawdopodobnie największe

zastosowanie mogą mieć takie metody jak:

• systemy ekspertowe,
• sztuczne sieci neuronowe,
• algorytmy genetyczne,
• percepcja,
• wizja komputerowa.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

21

Metody sztucznej inteligencji - SE

System ekspertowy (SE)

to komputerowy system wykonujący

skomplikowane zadania w określonej dziedzinie o dużych
wymaganiach intelektualnych, który robi to tak dobrze jak człowiek
będący ekspertem w tej dziedzinie.

SE składa się z dwóch głównych części: bazy wiedzy i maszyny

wnioskującej.

Baza wiedzy zawiera wiedzę z danej rozwiązywanej dziedziny i jest

odseparowana od reszty systemu.

Maszyna wnioskująca służy do sterowania procesem wnioskowania i

wyprowadzenia wyników.

Rozdzielenie bazy wiedzy i mechanizmów wnioskowania stanowi

wyraźną zaletę SE. Umożliwia to łatwą aktualizację bazy wiedzy w
celu zwiększenia jakości SE bez ingerencji w mechanizmy
wnioskowania. Można też zastosować istniejące mechanizmy
wnioskowania do ekspertyzy w rozwiązywaniu innego problemu.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

22

Metody sztucznej inteligencji - SN

Sztuczna sieć neuronowa (SN)

jest systemem wzajemnie połączonych

prostych

elementów

przetwarzających

informację,

zwanych

neuronami sztucznymi. Zasada działania SN polega na symulacji
pracy komórek nerwowych mózgu człowieka.

Budowa i zasady pracy neuronów sztucznych opierają się na budowie

neuronu żywego. Neuron sztuczny jest układem o wielu wejściach i
jednym wyjściu. Neurony te grupuje się w większe zespoły zwane
warstwami. Struktura wewnętrzna, wraz z określonym sposobem
przekazywania sygnału między neuronami, tworzy architekturę sieci
neuronowej.

Najczęściej sieć składa się z warstwy wejściowej, warstwy wyjściowej

oraz jednej lub kilku warstw wewnętrznych.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

23

Metody sztucznej inteligencji - SN

SN wykazują pewne właściwości podobne do procesów myślowych

zachodzących u człowieka (Mulawka, 1996; Openshaw, 1997):

• zdolność przetwarzania niekompletnych danych;
• możliwość wytwarzania rezultatów przybliżonych;
• szybkie i efektywne przetwarzanie dużych ilości danych;
• przetwarzanie równoległe, rozproszone;
• skojarzeniowy dostęp do informacji zawartej w sieci (adresowanie

zawartością, a nie miejscem), tzw. pamięć skojarzeniowa;

• informacja rozproszona;
• duża tolerancja na błędy i uszkodzenia;
• możliwość przetwarzania informacji rozmytych, chaotycznych,

niekompletnych, a nawet sprzecznych.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

24

Metody sztucznej inteligencji

Przy rozwiązywaniu problemów metodami sztucznej inteligencji, dane przestrzenne

poddawane są odpowiedniemu przetwarzaniu i dalej mogą być wykorzystane w
SIP. Systemy ekspertowe i sieci neuronowe realizują następujące przetwarzania
(Zieliński, 2000):

• optymalizację, a w tym rozwiązywanie równań liniowych i nieliniowych;
• klasyfikację, która realizowana jest np.przez podział zbioru wejściowego na klasy;
• sterowanie, realizowane inteligentnie bez konieczności opracowania modelu, oparte

wyłącznie na doświadczeniu;

• przypominanie

polegające

na:

odzyskiwaniu

(albo

interpretowaniu)

zmagazynowanych w SN informacji;

• rozpoznawanie, rozumiane jako klasyfikowanie wejścia, mimo że nie odpowiada

ono żadnemu z przechowywanych wzorców;

• skojarzenie, realizowane w następujących wariantach: skojarzenie uszkodzonego

(zdeformowanego) wejścia (albo wywołania) z najbliższym przechowywanym
wzorcem, skojarzenie między parą wzorców, diagnostyka, analiza;

• estymację, czyli realizacja następujących zadań: aproksymacja, interpolacja,

filtrowanie, predykcja, prognozowanie.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

25

SIP w Internecie