dr hab. Jacek Kozak

Geoinformatyka, wykład 1

www.gis.geo.uj.edu.pl/geoinformatyka_zasady.pdf

Literatura:

• Ciołkosz A., Misztalski J., Olędzki J., 1999, Interpretacja zdjęć lotniczych, PWN

• Longley PA., Goodchild MF., Maguire DJ., Rhind DW., 2006, GIS. Teoria i praktyka, PWN

• Pasławski J., (red) 2006, Wprowadzenie do kartografii i topografii, PPWK, Wyd. Nowa Era

Egzamin:

Test jednokrotnego wyboru i wielokrotnego, pytania podstawowe z ujemnymi punktami, na ćwiczeniach cotygodniowe kartkówki

Przydatne strony:

• www.ptip.org.pl

• www.geoforum.pl

• www.gis-net.pl

• blog.telefetekcja.pl

Po co geoinformatyka:

• odpowiedzi na wiele pytań, które stawiamy, wymagają rozważenia położenia różnych obiektów na powierzchni Ziemi

• absolutnego - np. poprzez podanie szerokości i długości geograficznej

• względnego - np. poprzez odniesienie do innych obiektów

DANE I INFORMACJA GEOGRAFICZNA

Ta część wykładu: Longley i in., 2006: rozdział 1.2

Podstawowe pojęcia:

• dane geograficzne

• informacja geograficzna

Dane i informacja:

• dane: liczby, tekst, symbole pozbawione kontekstu (neutralne)

• informacja: dane poddane selekcji, uporządkowane, przygotowane do interpretacji

• Dane i informacja to najniższy stopień na szczeblach prowadzących do wiedzy lub mądrości

dane ==> informacja => wiedza => mądrość

Geograficzna/-e:

• dotyczy zjawiska/obiektów o określonym położeniu na Ziemi

• jawnie/niejawnie powiązana z położeniem odniesionym do Ziemi

• geograficzna = przestrzenna

Obiekty geograficzne:

- atrybuty (np. kolor) --> cechy nie-geograficzne

- położenie (lokalizacja) --> cecha geograficzna

Informacja/dane:

• geographical = geograficzna

• spatial = przestrzenna

• geospatial = geoprzestrzenna

geoinformacja/geodane (dane i informacja geograficzne)

Cechy informacji/danych geograficznych ("Spatial is special"):

• wielowymiarowość

• skala

• znaczna objętość

• specjalne metody analizy

• złożoność prezentacji

• zmienność w czasie

Geoinformatyka - wstępna definicja:

• teoretyczne i technologiczne aspekty pozyskiwania, przechowywani, zrządzania, analizy i wizualizacji danych geograficznych/ informacji geograficznej oraz ich praktycznego zastosowania

• główne składowe:

• kartografia

• teledetekcja i fotointerpretacja

• nawigacja satelitarna

• systemy informacji geograficznej (GIS)

REPREZENTACJA RZECZYWISTOŚCI I WŁASNOŚCI DANYCH GEOGRAFICZNYCH

Ta część wykładu: Longley i in., 2006: rozdziały 3.1-3.5, 3.7, 4.1-4.8, 8.1

Co wynika z próby postrzegania i opisania rzeczywistości:

• rzeczywistość

• nieskończenie złożona

• reprezentacja rzeczywistości (jakakolwiek)

• czyli wyobrażenie

• zawsze jest mniej lub bardziej uproszczona (selekcja, generalizacja)

• odwołuje sie do pewnych schematów pojęciowych tkwiących w naszej świadomości

Od rzeczywistości do modelu danych:

• rzeczywistość

↓percepcja

• obraz w umyśle

↓klasyfikacja, formalizacja => model konceptualny

• model danych

pomiar, zapis(reprezentacja), analiza

Obraz w umyśle - co widzimy?

• obiekty, rzeczy, byty, encje, całości

• położenie (widzimy gdzieś)

• własności (widzimy jakieś)

• domyślamy się pewnych procesów

• owce wędrują

• zachodzi erozja

• trawa rośnie

Potrafimy wyróżnic owce, ale już trudniej zakreślic granice stada; potrafimy także znaleźc granice na pastwisku - np. obszaru erodowanego; albo silniej porośniętego - ale mamy też wrażenie ciągłości.

Cechy obiektów geograficznych:

1. rozciągłość, granice lub ich brak

• rozróżnienie ciągłe - dyskretne

2. własności

• jakościowe - ilościowe

3. skala

• rozmiar

• szczegółowość

• wymiarowość

4. relacje między obiektami (podobieństwo)

• autokorelacja przestrzenna

• warstwy (zbiory obiektów podobnych)

5. zmiany stanów w czasie

• procesy

ad.1.

Obiekty geograficzne:

• można klasyfikować w różny sposób

• np. przestrzennie rozciągłe (pastwisko) i przestrzenie nierozciągłe (owca)

• owce mogą być duże i małe, ale nie w tym sensie jak pastwiska

• stado owiec jest przestrzennie rozciągłe

„Miejscem zajmowanym przez ciało są jego granice” - Arystoteles

Granice:

• z faktu wyróżniania obiektów wynika postrzeganie ich granic

• są często nieostre

• wyznaczenie najczęściej nie jest jednoznaczne (nawet w przypadku owcy)

• problem definiowania granic wpływa na nieokreśloność obiektów geograficznych

Własności a rozciągłość:

• obiekty przestrzennie nierozciągłe opisujemy jako obiekty dyskretne (discrete objects), najczęściej za pomocą jednej wartości danej własności dotyczącej danego obiektu (imię, masa, wiek są policzalne jakościowo lub ilościowo)

• dokładniejszy opis – np. rozkład temperatury powierzchni ciała owcy – nie jest istotny dla geografa

• obiekty przestrzennie rozciągłe (pastwisko)

• opisujemy jako jednorodne [ odróżniające się od innych, sąsiednich], za pomocą 1 wartości danej własności (cechy) dotyczącej całego obiektu, zakładając jednorodność z punktu widzenia tej własności

• jakość bonitacyjna, wystawa, wysokość npm, średni plon

• w takim wypadku opis jest tożsamy z opisem obiektu dyskretnego – pastwisko ma pewne granice, mniej lub bardziej wyraźne

• obiekty przestrzennie rozciągłe (pastwisko)

• jako niejednorodne, za pomocą przestrzennie zróżnicowanych wartości danej własności (cechy)

• o rozkładzie ciągłym w przestrzeni (continuous fields, pola)

• najczęściej o charakterze ilościowym

• wartości mogą być określone w dowolnym punkcie obiektu/pola zmierzone lub obliczone

• kwestia granic jest drugorzędna

Ciągłe a dyskretne:

• rozróżnienie ciągłe – dyskretne jest fundamentalne, ale należy pamiętać, że ma charakter umowny

ad.2.

Własności obiektów:

• mogą być opisywane różnymi skalami pomiaru

• jakościowe

• nominalna (nazwy) np. roślinność, imię owcy

• ilościowe

• porządkowa (rangi, kolejność) np. klasa bonitacyjna, ranga w stadzie

• inne liczbowe np. zawartość próchnicy/mg; masa wełny/cm² owcy

ad.3.

Skala przestrzenna:

• to fundamentalna własność obiektów geograficznych: postrzeganie w przestrzeni zachodzi zawsze w określonej skali

• skala determinuje

• szczegółowość lub generalizację

• zasięg (rozmiar)

• wymiarowość

• skala jako pojęcie kartograficzne: podziałka mapy jest tylko konsekwencją skali postrzegania lub rozważania danego problemu

Skala a wymiarowość:

• obiekty geograficzne są zawsze i bez wyjątku 3-wymiarowe

• ale w zależności od skali, w jakiej są rozpatrywane, niektóre wymiary mogą się redukować

• 0-wymiarowe (punktowe)

• Mają zerową szerokość i długość

• 1-wymiarowe (liniowe)

• Mają niezerową długość i zerową szerokość)

• 2-wymiarowe (powierzchniowe)

• Mają niezerową szerokość i długość, a więc powierzchnię

• 3-wymiarowe (bryłowe)

• Mają niezerową szerokość, długość, wysokość (głębokość), a więc objętość

Ad.4.

Autokorelacja przestrzenna:

• Relacje pomiędzy wartościami cechy określonej w różnych punktach

• Autokorelacja dodatnia: wartości cech blisko położone są podobne; a oddalone różnią się od siebie

• I prawo geografii Toblera: Everything is related to everything else, but near things are more related than distant things

• Autokorelacja przestrzenna:

• Ułatwia przewidywanie rozkładu zjawisk geograficznych

• Utrudnia nieobciążone badania statystyczne

Relacje: warstwy

• Zbiory obiektów o podobnych własnościach

Pomiar w geografii:

• Kwestie 1-4 poruszone wcześniej

• A ponadto:

• Próba (przestrzenna)

• Pole podstawowe

Jaka jest średnia temperatura powietrza w Polsce:

• Mierzymy temperaturę w określonych miejscach

• Wartości odczytujemy w określonym momencie, przez dłuższy okres

• Średnią określamy dla pewnej powierzchni (pola podstawowego) i pewnego okresu

Pomiar rzeczywistości:

• Obiekty geograficzne mają atrybuty (A), są w czasie (T) i w przestrzeni (S)

• Trzy zmienne A, T, S mogą być:

• Mierzone (m)

• Ustalone (u)

• Kontrolowane (k)

• Na przykład, pomiar stanu wody (A, m) zakłada pomiar w jednym punkcie (S, u), w określonych momentach (T, k)

• Pomiar granicy jeziora (S, m) zakłada stałość atrybutu (A, u) w określonym czasie (T, k)

Próbkowanie:

• Próba: wybór elementów ze zbioru

• Sample, sampling

• Zbiór = populacja

• Wybór próby (np. Longley i In., rycina 4.4, s.96)

• Celowy – losowy

• Regularny – nieregularny

Pomiar linii (np. granicy) to też próba – nie mierzymy położenia KAŻDEGO punktu tworzącego granicę obiektu, ale tylko położenie WYBRANYCH punktów linii

Interpolacja przestrzenna:

IP polega na oszacowaniu wartości cechy w punkcie o wartości nieznanej i o znanym położeniu, na podstawie wartości określonej

w innych punktach o znanych położeniach

Pola podstawowe:

• Powierzchnie, dla których określamy wybrane wartości

• Obiekt przestrzenny dobierany najczęściej w sposób arbitralny (umowny granice)

• Częsty sposób reprezentacji zjawisk geograficznych

• Np. gęstość zaludnienia

Pola podstawowe:

• MAUP: Modifiable Areal Unit Problem

• Zależność wyniku od wybranego pola podstawowego

• Możliwość manipulacji wynikiem (geografia polityczna)

• Niepewność uogólnienia danych

MODELE DANYCH GEOGRAFICZNYCH

Ta część wykładu: Longley i In., 2006: rozdziały3.6, 8.1-8.2.3

Model danych geograficznych:

• Formalny i niezależny od technicznej metody reprezentacji sposób zapisu wybranych cech świata rzeczywistego

Mapa:

• Mapa: model danych geograficznych

• Selekcja

• Porządkowanie

• Formalizacja

• Funkcje mapy `papierowej’

• Komunikacja IG (wizualizacja)

• Analiza IG

• Przechowywanie IG

• Mapa jest w określonej skali (a więc ma określony stopień generalizacji/szczegółowości)

• Jednoznacznie lokalizuje obiekty

• Wykorzystuje sformalizowane sposoby prezentacji

• Symbole

• Kolor

• Tekst

• Relacje

Od modelu danych do pliku na dysku komputera:

• Model danych

↓

• Struktura danych (techniczna realizacja)

↓

• Struktura pliku (zapis cyfrowy)

Teselacja:

dowolny podział płaszczyzny, rozłączny i wyczerpujący
tessella (łac.): element mozaiki

Wartości pikseli:

• Różne skale pomiaru

• Zakres wartości

• Wysokości lądów [m]: -420 : 8850

• Siła trzęsienia Ziemi [skala Richtera]: 0-10 (nie zanotowano trzęsienia o sile > 10)

• Znak

• Temperatura [^oC]: ujemne i dodatnie

• Siła wiatru: nigdy ujemna

• Całkowite/wymierne

• Zachmurzenie: 0-8 (0 – brak, 8 – pełne)

• Nachylenie: np. 10,5^o; 20,47^o

Model wektorowy:

• Sir Francis Galton (1822-1911); angielski podróżnik, geograf, meteorolog, antropolog, psycholog, statystyk ,… zajmował się m.in. sposobami numerycznego kodowania biegu linii (profile twarzy, linie papilarne)

Eugenika

http://galton.org

• Podstawowy element: punkt P (x,y)

• Punkty (0-wymiarowe)

• Linie (1-wymiarowe)

• Wieloboki/wielokąty (poligony) (2-wymiarowe)

Domyślny przebieg linii wektorowej między punktami (węzły i wierzchołki) wyznacza prosta; ale może być też modelowany funkcją nieliniową

Wierzchołek = vertex

Węzeł = node: wyróżniony wierzchołek dalej

Linia wektorowa = arc

Podsumowanie:

• Dane i informacja geograficzna

• Rzeczywistość a jej reprezentacja

• Ciągłe/dyskretne

• Skala

• Wymiarowość

• Model danych

• Raster i wektor