Modelowanie danych przestrzennych

Robert Olszewski, Paweł Kowalski, Andrzej Głażewski

Pojęcie modelu rzeczywistości geograficznej obejmuje każdą współcześnie funkcjonującą postać opisu tej rzeczywistości, która jest zwięzła, czytelna dla odbiorcy, sformalizowana i abstrakcyjna (czyli wyodrębnia cechy istotne, pomijając cechy przygodne). Modele takie mogą być w różny sposób zapisywane w systemie informatycznym w postaci modeli danych stanowiących element modelu każdego systemu informatycznego.
W systemach informacji geograficznej (GIS) funkcjonują więc modele danych, które na etapie konceptualnym projektowania stanowią matematyczny wzorzec do tworzenia reprezentacji obiektów geograficznych, a na etapie implementacji – zestaw specyfikacji projektowych dla obiektów bazy danych (w konkretnym DBMS), który obejmuje: klasy obiektów (abstrakcje elementów rzeczywistości), atrybuty (cechy „opisowe” obiektów), więzy integralności danych oraz relacje zachodzące pomiędzy obiektami, ale też: zasady prezentacji danych czy wymagania metadanych.

Modele rzeczywistości geograficznej
Najlepiej sklasyfikować je według kryterium sposobu ich odbioru i interpretacji przez człowieka, który wiąże się także ze sposobami tworzenia i możliwościami wykorzystania tych modeli. Wyróżnić tu należy dwie zasadnicze kategorie: modele mentalne (powstające w mózgu człowieka) i modele materialne (zapisywane elektronicznie).

Model mentalny powstaje w umyśle człowieka na drodze własnych doświadczeń, pod wpływem bezpośredniego odbioru przestrzeni geograficznej oraz interpretacji różnych materialnych modeli tej przestrzeni. Ten model myślowy, tzw. mapa mentalna przestrzeni geograficznej, rozwija się wraz z ogólną świadomością człowieka w sposób wielopłaszczyznowy, odniesiony do różnych zagadnień i do coraz szerszych obszarów. Charakteryzuje się obiektową organizacją (człowiek postrzega rzeczywistość przestrzenną, wyróżniając interesujące go kategorie obiektów) oraz wieloskalowością, ponieważ różne kategorie obiektów są zapamiętywane na różnym poziomie uogólnienia. Posiada też cechę dużej wierności oryginałowi, pomimo braku precyzyjnego osadzenia matematycznego (ścisłej georeferencji), a relacje przestrzenne pomiędzy jego elementami są ważną częścią tego modelu (jest topologicznie zgodny z obserwowaną rzeczywistością).

Model materialny może przyjmować trzy postaci. W zależności od sposobu i celu jego tworzenia oraz zasad organizacji informacji w nim zapisanych może to być:

• model topograficzny,
• model kartograficzny (znakowy),
• model obrazowy.

Model topograficzny w literaturze jest często nazywany cyfrowym modelem krajobrazowym (Digital Landscape Model – DLM), a może być też określony mianem modelu wiernoprzestrzennego, analitycznego czy „bazodanowego”. Model topograficzny (topos – z gr. miejsce) zawiera informacje o obiektach (zjawiskach) przestrzennych, zapisane w wektorowym modelu danych, których położenie zostało określone zgodnie ze współrzędnymi związanymi z wybraną powierzchnią odniesienia i zachowuje ściśle to położenie z uwzględnieniem zniekształceń odwzorowawczych i przyjętych precyzji zapisu (ścisła georeferencja modelu). Pozwala to na pełne, precyzyjne zachowanie topologicznych własności obiektów oraz tworzenie struktur danych, takich jak drzewa, sieci, wypełnienia powierzchni (partycje). Model ten najlepiej oddaje relacje przestrzenne pomiędzy obiektami i może być podstawą analiz prowadzonych przy użyciu technik numerycznych. Stanowi on też podstawę uogólnień, przedmiot właściwej generalizacji danych przestrzennych (tzw. generalizacji modelu) i podstawę modelowania rzeczywistości geograficznej w bazach danych przestrzennych. Model tego typu nie jest dobrze czytelny w odbiorze wzrokowym, gdyż posługuje się wyłącznie wektorami, ale stanowi najlepszy sposób organizacji danych do wszelkich zastosowań analitycznych, prowadzonych w wektorowym modelu danych. Model topograficzny stanowi podstawową kategorię modeli rzeczywistości, najszerzej stosowaną w implementacji baz danych przestrzennych jako elementów GIS. Przykładem zastosowań tego modelu jest wektorowa baza danych przestrzennych.

Model topograficzny (DLM) – obraz części geometrycznej

Model kartograficzny – znakowy (Digital Cartographic Model – DCM) jest takim modelem graficznym (obrazowym) rzeczywistości geograficznej, który przekazuje informacje o obiektach (zjawiskach) za pomocą ustalonych konwencji graficznych – systemu znaków kartograficznych. Jest więc obrazem przestrzeni geograficznej, który został przygotowany do bezpośredniego odbioru za pomocą zmysłów człowieka. Własności topologiczne są zachowywane w sposób pośredni – mogą być odczytywane metodą interpretacji obrazu. Obraz ten powstaje w wyniku redakcji kartograficznej i nosi znamiona graficznych korekcji – związanych np. z dyslokacjami znaków w stosunku do właściwego położenia prezentowanych obiektów. Może być zapisywany zarówno w wektorowym, jak i rastrowym modelu danych. Najlepszymi przykładami modelu tego typu są mapy geograficzne, które mogą nosić znamiona prezentacji dynamicznych i multimedialnych.

Model kartograficzny – znakowy (DCM)

Model obrazowy (image model) jest takim modelem graficznym rzeczywistości geograficznej, który przekazuje wygląd obszaru zarejestrowany w sposób automatyczny i odnosi się najczęściej do topografii tego obszaru – modeluje obiekty widoczne na powierzchni terenu. Nie ma tu zastosowania obiektowa klasyfikacja elementów treści, więc nie można też bezpośrednio modelować klas obiektów i ich atrybutów. Najważniejszą cechą tych modeli (obok stosowania łatwo przetwarzanych struktur danych oraz pełnej automatyzacji pozyskiwania danych) jest stworzenie możliwości obejrzenia obrazu danego obszaru, a przez to nawiązania do własnych wyobrażeń przestrzennych i znaczny wpływ na model mentalny rzeczywistości. Przykładami modeli tego typu są zdjęcia lotnicze i obrazy satelitarne.

Model obrazowy (image model)

Modele danych przestrzennych
Rzeczywistość geograficzną o nieskończonej liczbie relacji wzajemnych zachodzących pomiędzy obiektami (i zjawiskami) modeluje się za pomocą systemów informacji geograficznej o konstrukcjach czytelnych dla narzędzi informatycznych. W modelach tych systemów należy więc wyróżnić tzw. modele danych przestrzennych (czyli sposoby ich organizacji) oraz dwie zasadnicze, znane powszechnie, kategorie tych modeli danych: wektorowe i rastrowe. W zależności od zastosowanej kategorii można modelować różne rodzaje obiektów, wykorzystywać różne źródła danych, stosować różne sposoby reprezentacji i wykorzystywać unikalne struktury danych. Kategorie te różnią się także rodzajami dostępnych analiz przestrzennych, sposobami i zakresem odtwarzania relacji topologicznych, metodami generalizacji oraz sposobami wizualizacji danych.
Wśród modeli danych na uwagę zasługują wektorowe modele danych (zarówno model spaghetti, jak i topologiczny), które są zorientowane obiektowo, tzn. każdy wektor lub ich zbiór reprezentuje jakiś obiekt bazy danych, wyróżniony na etapie jej budowy i wynikający z przyjętych zasad klasyfikacji obiektów. Odrębną klasą modeli wektorowych jest model TIN (Triangulated Irregular Network), który służy do modelowania powierzchni statystycznych (najczęściej rzeźby terenu) za pomocą sieci wektorów. Wektory te tworzą zbiór nieregularnych trójkątów łącznie odtwarzający modelowaną powierzchnię trójwymiarową. Wektorowe modele danych najlepiej pasują do szerokich zastosowań analitycznych GIS, modelując rzeczywistość geograficzną w sposób zbliżony do jej odbioru przez człowieka i umożliwiając odtwarzanie skomplikowanych relacji topologicznych zachodzących w rzeczywistości.

Kartograficzny (znakowy) model rzeczywistości geograficznej zapisany w wektorowym modelu danych

Obrazowy model rzeczywistości geograficznej zapisany w rastrowym modelu danych

Rastrowe modele danych, zapisywane w postaci tablic pikseli (struktur macierzy) oraz sieci typu GRID (regularnych siatek punktów), są modelami ziarnistymi, tzn. opisują dane za pomocą elementarnych ziaren (pikseli) obrazu odpowiednio zagęszczonych (liczba pikseli w jednostce długości to parametr rozdzielczości) i zróżnicowanych (każdy element niesie informację atrybutową).

Rastrowe modele danych, zapisywane w postaci tablic pikseli (struktur macierzy) oraz sieci typu GRID (regularnych siatek punktów), są modelami ziarnistymi, tzn. opisują dane za pomocą elementarnych ziaren (pikseli) obrazu odpowiednio zagęszczonych (liczba pikseli w jednostce długości to parametr rozdzielczości) i zróżnicowanych (każdy element niesie informację atrybutową).

Dr Robert Olszewski, dr Paweł Kowalski i dr Andrzej Głażewski są pracownikami Zakładu Kartografii Politechniki Warszawskiej

Opracowanie zamieszczono na Geoforum w czerwcu 2006 r.