GEOMATYKA
Geomatyka (geoinformatyka)
- nauka na gruncie informatyki integrująca wszelkie działania
ukierunkowane na pozyskanie, przetwarzanie i udostępnianie
informacji przestrzennych.
W ramach geomatyki zwykle wyró\
nia się jej działy merytoryczne,
zwane równie\
technologiami informacji przestrzennej lub
technologiami geomatyki:
" systemy globalnego wyznaczania pozycji (GPS);
" geodezję i kartografię;
" teledetekcję z fotogrametrią;
" numeryczny model rzez
by terenu;
" systemy informacji przestrzennej.
2008-04-10 Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005 1
Informacja geoprzestrzenna
Informacja geoprzestrzenna, często określana równie\
jako
przestrzenna lub geograficzna, jest informacją w sensie
zdefiniowanym przez informatykę.
Cechą wyró\
niającą ją od innych rodzaj informacji jest to, \
e jest
odniesiona do określonego miejsca względem Ziemi. Z tego powodu
jej niezbędnymi atrybutami są dane określające poło\
enie względem
Ziemi wyra\
one w zdefiniowanym i przeliczalnym układzie
współrzędnych (geograficznym, kartograficznym lub geodezyjnym).
Takie odniesienie nazywane jest odniesieniem bezpośrednim, ale
określenie poło\
enia mo\
e być tak\
e 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 2
Dane geoprzestrzenne
W odró\
nieniu od geoinformacji opisowej wyró\
nia 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 3
Aspekty geomatyki
Geomatyka jak ka\
da dziedzina dzieli się na pewne warstwy -
aspekty:
" aspekt podstawowy,
" aspekt teoretyczny,
" aspekt techniczny i technologiczny,
" aspekt zastosowań.
W ka\
dej z tych warstw mamy do czynienia z innym zakresem
problemów, stosowane są ró\
ne techniki i narzędzia, a tak\
e inny
zakres wiedzy potrzebny jest do rozwiązywania tych problemów.
2008-04-10 Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005 4
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 mo\
na te\
powiedzieć w
wielkim uproszczeniu, \
e geomatyka zajmuje się systemami GIS.
2008-04-10 Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005 5
Efektywność i relacje
Efektywność technologii geomatyki jest niewspółmiernie wy\
sza 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 6
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 nale\
ącymi do tych
wspólnych obszarów.
Nie tylko geomatyka korzysta z dyscyplin sąsiednich, tak\
e te dyscypliny
wzbogacają swoje mo\
liwości dzięki geomatyce. Korzyści, jakie z tego czerpią
nauki o Ziemi są oczywiste, ale tak\
e 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 7
Główne nurty działalności
W działalności na gruncie geomatyki mo\
na wyraz
nie wydzielić trzy
główne nurty związane w du\
ym stopniu z charakterem i celami
instytucji i ośrodków, które się tą działalnością zajmują:
" działalność badawcza w zakresie podstaw, teorii i metodyk  wy\
sze
uczelnie, instytuty badawcze i niektóre firmy komercyjne.
" działalność dydaktyczna i szkoleniowa  wy\
sze 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 8
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 9
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, \
e formaty te nie mają oficjalnej jawnej dokumentacji. Próby
naprawienia tej sytuacji doprowadziły do powstania ponad 23 ró\
nych standardów
danych geoprzestrzennych, a liczba zajmujących się tym komitetów i innych
organizacji osiągnęła liczbą 25 (Bryan, 1995).
Najwa\
niejsze 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 u\
ywany tak\
e 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 tak\
e stosowany w badaniach naukowych (An
introduction...,1998).
2008-04-10 Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005 10
Główne obszary problemów
- Model metadanych
Dane geoprzestrzenne są z reguły pogrupowane w pewne agregaty. W zale\
ności od
stosowanej technologii mogą to być warstwy, struktury, obiekty lub
zbioryobiektów. W interoperacyjności systemowej agregaty te mo\
na 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 mo\
liwych typów informacji
geoprzestrzennej.
" jednoznaczność  być jednoznacznie interpretowany zarówno przez ludzi jak i
komponenty systemu informatycznego.
" niezale\
ność  nie być zale\
nym 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 11
Główne obszary problemów
- Metody projektowania i budowy systemów GIS
Tworzenie nowych systemów GIS stało się ju\
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 u\
ytkownika,
lecz nie zmienia to faktu, \
e zało\
enia teoretyczne i metodyczne stanowiące
fundamentalnego oprogramowania są ju\
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 12
Główne obszary problemów
- Interoperacyjność rozproszonych GIS
Osoba wykorzystująca informacje geoprzestrzenne w zastosowaniach
profesjonalnych  na przykład geolog przy opracowywaniu
dokumentacji  potrzebuje mieć dostęp do ró\
nych 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
ró\
nych systemach GIS i ró\
nych bazach danych, często tak\
e
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 13
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 umo\
liwi poszczególnym ich
modułom znalezienie (w oparciu o metadane) wszelkiej potrzebnej i
dostępnej informacji, przetransferowanie jej do komputera
u\
ytkownika 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 14
Główne obszary problemów
- Technologie obiektowe w GIS
Współczesna informatyka wykształciła wiele ró\
nych podejść do
rozwiązywanych problemów. Jednym z nich jest podejście
obiektowe, a oparte na nim technologie w wielu zastosowaniach dają
wyjątkowo dobre rezultaty.
Dla przykładu mo\
na tu wymienić kilka najwa\
niejszych:
" obiektowe języki programowania,
" obiektowe interfejsy graficzne u\
ytkownika,
" obiektowe modele i bazy danych,
" obiektowe struktury systemów i modele ich interoperacyjności.
2008-04-10 Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005 15
Obszary zastosowań praktycznych
Ponad 70% wszelkiej informacji to informacja geoprzestrzenna. Ka\
dy
adres pocztowy mo\
e być zamieniony na współrzędne geograficzne i
informacja z nim powiązana mo\
e 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 mo\
na powiedzieć, \
e
obszar zastosowań geomatyki jest taki jak zastosowań informacji
geoprzestrzennej  trudno jest znalez
ć dziedzinę działalności
praktycznej, w której geomatyka nie jest stosowana.
2008-04-10 Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005 16
Obszary zastosowań praktycznych
Do najwa\
niejszych nale\
ą:
" administrowanie terenem i działalnością gospodarczą,
" planowanie przestrzenne i urbanistyka,
" ochrona środowiska i ekologia,
" rolnictwo i leśnictwo,
" przeciwdziałanie skutkom klęsk \
ywiołowych 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 17
Wizja przyszłości - czy science fiction?
" 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
2008-04-10 Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005 18
Metody sztucznej inteligencji
Dziedzina sztucznej inteligencji zajmuje się zagadnieniami tworzenia i
rozwoju właściwości maszyn sztucznych tak, \
eby właściwości te
były podobne do najcenniejszej cechy człowieka - czyli inteligencji.
Do metod tych nale\
ą (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 19
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 20
Metody sztucznej inteligencji - SE
System ekspertowy (SE) to komputerowy system wykonujący
skomplikowane zadania w określonej dziedzinie o du\
ych
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 słu\
y do sterowania procesem wnioskowania i
wyprowadzenia wyników.
Rozdzielenie bazy wiedzy i mechanizmów wnioskowania stanowi
wyraz
ną zaletę SE. Umo\
liwia to łatwą aktualizację bazy wiedzy w
celu zwiększenia jakości SE bez ingerencji w mechanizmy
wnioskowania. Mo\
na te\
zastosować istniejące mechanizmy
wnioskowania do ekspertyzy w rozwiązywaniu innego problemu.
2008-04-10 Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005 21
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 \
ywego. 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 22
Metody sztucznej inteligencji - SN
SN wykazują pewne właściwości podobne do procesów myślowych
zachodzących u człowieka (Mulawka, 1996; Openshaw, 1997):
" zdolność przetwarzania niekompletnych danych;
" mo\
liwość wytwarzania rezultatów przybli\
onych;
" szybkie i efektywne przetwarzanie du\
ych ilości danych;
" przetwarzanie równoległe, rozproszone;
" skojarzeniowy dostęp do informacji zawartej w sieci (adresowanie
zawartością, a nie miejscem), tzw. pamięć skojarzeniowa;
" informacja rozproszona;
" du\
a tolerancja na błędy i uszkodzenia;
" mo\
liwość przetwarzania informacji rozmytych, chaotycznych,
niekompletnych, a nawet sprzecznych.
2008-04-10 Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005 23
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 \
e nie odpowiada
ono \
adnemu z przechowywanych wzorców;
" skojarzenie, realizowane w następujących wariantach: skojarzenie uszkodzonego
(zdeformowanego) wejścia (albo wywołania) z najbli\
szym 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 24
SIP w Internecie
2008-04-10 Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005 25