1. Pojęcia podstawowe map cyfrowych i systemów GIS

1.1 Charakterystyka systemu informacji przestrzennej

Informacja przestrzenna to każda informacja o środowisku geograficznym, o obiektach i zjawiskach w przestrzeni otaczającej człowieka.

Geoinformacja (informacja geoprzestrzenna) jest „informacją o położeniu, geometrycznych właściwościach i przestrzennych relacjach obiektów, które mogą być identyfikowane w odniesieniu do Ziemi”. Przez obiekty przestrzenne można rozumieć obiekty naturalne i sztuczne związane z powierzchnią Ziemi oraz różne zjawiska (przyrodnicze, społeczne, ekonomiczne), które mogą być rozpatrywane w odniesieniu do Ziemi. Geoinformacja powstaje w wyniku powiązania informacji tekstowej o obiekcie z miejscem w przestrzeni geograficznej.

Zgodnie z przytoczonymi definicjami informacja przestrzenna (termin wprowadzony w Polsce w 1988 roku przez środowisko Polskiego Towarzystwa Informacji Przestrzennej) jest pojęciem szerszym znaczeniowo, a zarazem bardziej ogólnym. Geoinformację rozumieć należy jako informację tekstową wzbogaconą o dodatkowy wymiar, zwany przez niektórych wymiarem G, wyrażający położenie geograficzne, lokalizację opisywanego obiektu. W szerszym znaczeniu za geoinformację można uznać każdą informację, która w swej treści zawiera odniesienie do lokalizacji przestrzennej. Informacja geoprzestrzenna i geoinformacja to pojęcia pokrewne i stosowane mogą być zamiennie.

Nawiązując do jednej ze znanych definicji informacji można określić informacje przestrzenne jako znaczenie (treść) przyporządkowane danym przestrzennym (geograficznym) przy zastosowaniu odpowiednich konwencji. Za dane przestrzenne (geo-dane, dane geo-referencyjne) należy rozumieć surowe liczby i fakty odzwierciedlające pojedynczy aspekt obiektu geograficznego (którym może być każdy obiekt umiejscowiony w przestrzeni). Geo-dane definiowane są również jako „dane opisujące obiekty i zjawiska związane w sposób bezpośredni lub pośredni z lokalizacją odniesioną do powierzchni Ziemi”.

Dyscyplinami, które wiążą się bezpośrednio z informacją przestrzenną są: miernictwo, geodezja, kartografia, fotogrametria, teledetekcja, systemy informacji przestrzennej, kataster. Z powodu wielu współzależności i powiązań między tymi dyscyplinami, przyjęło się nazywać je razem - geomatyką. Na rangę i ważność jaką ma dziś dziedzina informacji przestrzennej wskazują następujące fakty:

Znaczna większość informacji znajdujących się obecnie w obiegu wiąże się z danymi przestrzennymi.

Blisko 80% funkcji realizowanych w trakcie działań zarówno gospodarczych jak i publicznych można odnieść bezpośrednio do danych przestrzennych.

Graficzne zobrazowanie danych przestrzennych należy do kategorii informacji objętych percepcją wzrokową, stanowiącą ponad 80% wszystkich możliwych informacji, odbieranych przez człowieka.

Systemy informacji przestrzennej na tle innych systemów informacyjnych charakteryzują się występowaniem w nich informacji przestrzennej. Informacją przestrzenną jest informacja o położeniu (współrzędne w przyjętym układzie odniesienia), własnościach geometrycznych, relacjach przestrzennych obiektów, które są przedmiotem zainteresowania systemu i mogą być identyfikowane w odniesieniu do Ziemi. Pojęcie obiektu rozumiane jest bardzo szeroko i obejmuje zarówno trwałe obiekty naturalne i sztuczne, jak również zjawiska przyrodnicze, społeczne i ekonomiczne. Przestrzeń, w której obiekty są identyfikowane może być dwuwymiarowa lub trójwymiarowa w zależności od potrzeb systemu.

Inną cechą wyróżniająca systemy informacji przestrzennej, a będącą konsekwencją występowania w nich informacji przestrzennej, jest możliwość jej kartograficznej prezentacjioraz możliwość dokonywania analizy pozwalającej uzyskiwać odpowiedzi dotyczące światarzeczywistego modelowanego przez system. Przykładami takiej analizy może być wyszukiwanie obiektów spełniających określone warunki, wykonywanie pomiarów czy określanie sąsiedztwa obiektów.

Najbardziej oczywistą formą prezentacji informacji przestrzennych jest mapa. Tradycyjne mapy na nośnikach papierowych, foliach kliszach itp. określa się jako analogowe. Ich nowoczesnym odpowiednikiem są mapy cyfrowe oraz w szerszym ujęciu systemy informacji geograficznej GIS. Mogą one być wzbogacone o trzeci wymiar (modelowanie trójwymiarowe), a nawet czwarty - czas dając możliwość prezentacji analizowanych zjawisk w sposób dynamiczny.

GIS - Geographical Information System, po polsku System Informacji Przestrzennej SIP nie ma swej precyzyjnej jednoznacznej definicji. Wynika to między innymi z szerokiego spektrum znaczeniowego. Z założenia GIS operuje na różnych poziomach odniesienia i jest wykorzystywany na tysiące indywidualnych sposobów. GIS jest systemem zbudowanym z czterech nierozłącznych i równoważnych elementów:

przestrzennie zorientowanych danych, sprzętu i oprogramowania, problemu lub zadań wymagających rozwiązania, ludzi tworzących system i wykorzystujących wyniki analiz,

Stąd najbardziej wiarygodną definicję możemy zapisać jako :

Systemem informacji przestrzennej nazywa się system pozyskiwania, przetwarzania i udostępniania danych zawierających informacje przestrzenne oraz towarzyszące im informacje opisowe o obiektach wyróżnionych w części przestrzeni objętej działaniem systemu. [Gaździcki 1990]

"System informacji geograficznej jest to zorganizowany zestaw sprzętu komputerowego, oprogramowania, danych geograficznych (przestrzennych i nieprzestrzennych) oraz osób (wykonawców i użytkowników) stworzony w celu efektywnego gromadzenia, magazynowania, udostępniania, obróbki, analizy i wizualizacji wszystkich danych geograficznych."

Z przytoczonej definicji wynikają trzy główne cechy systemu GIS:

1. GIS udostępnia mechanizmy wprowadzania, gromadzenia i przechowywania danych przestrzennych oraz zarządzania nimi, zapewnia ich integralność i spójność oraz pozwala na ich wstępną weryfikację.

2. Na podstawie zgromadzonych w systemie danych możliwe jest przeprowadzenie specyficznych analiz opierających się m.in. na relacjach przestrzennych między obiektami.

3. Wyniki analiz przestrzennych i operacji charakterystycznych dla programów bazodanowych przedstawione mogą być w postaci opisowej (tabelarycznej) lub graficznej (mapa, diagramy, wykresy, rysunki), stad cechą SIP jest wizualizacja i udostępnianie informacji przestrzennych w żądanej postaci.

GIS są efektem rewolucji w geografii dokonującej się w ciągu ostatnich kilkunastu lat, jak również oczywiście wynikiem gwałtownego rozwoju informatyki i metod zarządzania bazami danych (zbiorami informacji). Powstanie GIS jest wynikiem połączenia prac prowadzonych w różnych dziedzinach: geografii, kartografii, geodezji, informatyce, elektronice.

Rozwój GIS cechuje się bardzo dużą dynamiką. Systemy te znajdują praktyczne zastosowanie w wielu dziedzinach. Stąd bierze się różnorodność terminów określających systemy przetwarzające informacje geograficzne, jak system informacyjny bazy danych geograficznych, system danych geograficznych, system informacji przestrzennej. Każde z tych określeń przybliża w pewien sposób funkcje realizowane przez poszczególne systemy. W praktyce najczęściej spotykane są systemy specjalizowane, ukierunkowane na wąską grupę zastosowań, jednakże istnieją również wielozadaniowe GIS ogólnego zastosowania.

1.2. Podział systemów informacji przestrzennej

Dokładność i szczegółowość informacji przechowywanych w systemach informacji przestrzennej prowadzi do wyodrębnienia z nich: systemu informacji terenowej SIT (ang. land information system, LIS) oraz systemu informacji geograficznej (ang. Geographic Information System, GIS). Poszczególne systemy posiadają następującą charakterystykę:

• systemy informacji o terenie (SIT)operujące informacją pierwotną (uzyskaną na podstawie bezpośrednich pomiarówterenowych lub na podstawie wielkoskalowych zdjęć lotniczych) pod względemdokładności odpowiadającą mapom wielkoskalowym (skale większe od 1:5000),

• systemy informacji geograficznej (GIS)operujące informacją wtórną (przetworzoną), pod względem dokładności iszczegółowości odpowiadającą mapom średnio i małoskalowym, (skala 1:10 000 imniejsze).

1.3 SDI – Infrastruktura Geoinformacyjna

Infrastruktura geoinformacyjna (SDI):

• jest zespołem technologii, środków politycznych i ekonomicznych oraz przedsięwzięć instytucjonalnych, które ułatwiają dostęp do danych przestrzennych oraz korzystanie z nich ... (GSDI)

• stanowi całokształt środków służących do racjonalnego gospodarowania danymi przestrzennymi oraz zmierzających do efektywnego stosowania tych danych ... zapewniając dostęp do nich ... (Leksykon geomatyczny).

1.4 Pojęcie mapy

Współczesna wizja mapy

Rewolucja informacyjna i pojawienie się społeczeństwa informacyjnego stworzyły nowe perspektywy ewolucji map. Komputery i rozwój infrastruktury telekomunikacyjnej pozwoliły odkryć nieznane dotąd możliwości prezentacji informacji przestrzennych. Używając nowej terminologii tradycyjne mapy na nośnikach papierowych, foliach, kliszach itp. określa się jako analogowe - ich nowoczesnym odpowiednikiem są mapy cyfrowe. Początkowo dążono do tego, by cyfrowe mapy stanowiły możliwie wierną kopię map analogowych, wzorowano się na rozwiązaniach zaczerpniętych z tradycyjnej kartografii. Pierwsze cyfrowe bazy kartograficzne, tworzone na użytek wspomaganego komputerowo tworzenia map, były wiernymi cyfrowymi replikami tradycyjnych planów i map. Wraz z gwałtownym rozwojem technologii informatycznych mapy cyfrowe zaczęły być wzbogacane o nowe wymiary, zmieniło się też oblicze kartografii. Przede wszystkim, poprzez zastosowanie komputerów w wizualizacji danych przestrzennych, możliwe stało się wzbogacenie mapy o dynamikę i zdolność interakcji z użytkownikiem. W oparciu o tą samą bazę kartograficzną tworzyć można różne mapy, przedstawiające określony zbiór informacji, zależny od konkretnych potrzeb. Mapy wzbogacone mogą być o trzeci wymiar (modelowanie trójwymiarowe), a nawet czwarty - czas, dając możliwość prezentacji analizowanych zjawisk w sposób dynamiczny (animacja komputerowa). Cyfrowa kartografia przyczynia się znacznie do obniżenia kosztów publikacji materiałów kartograficznych, zarówno od strony edytorskiej, jak też poprzez wykorzystanie nowych nośników (CD-ROM zamiast kosztownych matryc, czy też produktów końcowych).

Prowadzone w ostatnich latach w badania nad wizualizacją informacji przestrzennych doprowadziły do zmian w użytkowaniu map. Obecnie wyróżnić można trzy zasadnicze kierunki zmian wykorzystania map:

zmiana celów wykorzystania map - przejście od wydobywania informacji do badania informacji,

zmiana grup użytkowników - w kierunku odbiorców indywidualnych, zmiana w elastyczności korzystania z map - odejście od statycznych map w kierunku

map charakteryzujących się wysoką dynamiką.

Wszystkie badania w zakresie kartografii związane z wykorzystaniem map, prowadzone w okresie od lat 50. do 80., koncentrowały się na wykorzystaniu statycznych map przez indywidualnych, przeciętnych odbiorców w celu wydobycia z nich określonej informacji. Skupiano się na takich zagadnieniach jak: jakość produktów kartograficznych, usprawnienie technik edytorskich, wizualizacja rosnącego spektrum informacji. Obecnie badania zmierzają w kilku zarysowanych poniżej kierunkach:

rozwijanie modelu koncepcyjnego i narzędzi do pozyskiwania informacji przestrzennych, zmieniających się w czasie (wizualizacja czasowa zmienności danych przestrzennych);

opracowanie modelu koncepcyjnego i związanych z nim narzędzi do wizualizacji jakości danych i wiarygodności informacji;

badania nad integracją różnych systemów związanych z przetwarzaniem informacji przestrzennych;

badanie możliwości narzędzi do trójwymiarowej realistycznej prezentacji informacji (VR, VRML);

prace nad powiązaniem mapy z dokumentami hipermedialnymi (koncepcja hipermap, atlasów wirtualnych).

Pojawienie się współczesnych map cyfrowych oraz zmiany w badaniach nad wizualizacją informacji nie byłyby możliwe bez prowadzonych od początku lat 60 badań nad technologią systemów informacji przestrzennej. Osiągnięcia w tej dziedzinie pozwoliły odkryć na nowo mapę i znaleźć dla niej szereg nowych zastosowań w dziedzinach, które do tej pory z różnych przyczyn nie były zainteresowane wykorzystaniem informacji przestrzennych.

1.5 Struktury danych SIP

1.5.1 Struktura danych geograficznych

Pomimo różnorodności celów przetwarzania, we wszystkich GIS punktem wyjścia są dane związane z lokalizacją obiektów geograficznych. Opisy obiektów geograficznych zasadniczo składają się z dwóch części, zawierających dwa różne rodzaje danych:

dane przestrzenne - mogą one zawierać informacje zarówno o kształcie i lokalizacji bezwzględnej poszczególnych obiektów w wybranym układzie odniesienia, jak również o ich rozmieszczeniu wzajemnym względem innych obiektów (topologia),

dane opisowe (zwane także danymi nieprzestrzennymi lub atrybutowymi) - opisujące cechy ilościowe lub jakościowe obiektów geograficznych nie związane z ich umiejscowieniem w przestrzeni.

Uzupełnieniem informacji o obiektach świata rzeczywistego reprezentowanych w bazie danych jest symbolika, tj. graficzny opis postaci, w jakiej obiekty te mają być przedstawiane użytkownikowi.

Istotnym składnikiem GIS jest cyfrowa geograficzna baza danych. Zawiera ona opis poszczególnych obiektów geograficznych. Baza danych przestrzennych jest zazwyczaj ściśle

zintegrowana z pozostałymi modułami funkcjonalnymi GIS, tzn. dostęp do niej jest możliwy tylko poprzez GIS. Często stosowane są rozwiązania, w których dane o lokalizacji (rozszerzone o identyfikatory) obiektów geograficznych wraz z ich opisem graficznym przechowywane są przez wewnętrzną bazę danych, natomiast dane atrybutowe przez bazę zewnętrzną względem GIS. Rolę tę z powodzeniem może spełniać dowolny system zarządzania baz danych ogólnego zastosowania. Połączenie pomiędzy poszczególnymi typami danych opisujących konkretny obiekt geograficzny zapewnione jest dzięki istnieniu unikalnego identyfikatora, nadawanego obiektowi w procesie wprowadzania danych.

1.5.2 Struktura funkcjonalna GIS

Geograficzny system informacyjny składa się z kilku grup programów (modułów) realizujących odrębne funkcje. Są to:

procedury wprowadzania i weryfikacji danych wejściowych, procedury zarządzania i przetwarzania w obrębie bazy danych (system zarządzania

bazą danych), procedury przetwarzania i analizy danych geograficznych, procedury wyjściowe: prezentacji graficznej, kartograficznej i tekstowej danych, procedury komunikacji z użytkownikiem.

Poniżej opisane zostały poszczególne moduły funkcjonalne typowego GIS.

Wprowadzanie danych

Źródłem danych wejściowych dla GIS mogą być wszystkie informacje, zebrane w dowolnej formie: mapy, zdjęcia lotnicze, obrazy satelitarne, ankiety statystyczne, dokumenty z badań geodezyjnych i obserwacji terenowych, jak również wszelkiego rodzaju informacje zapisane w postaci cyfrowej.

W chwili obecnej w procesie wprowadzania danych przestrzennych największe znaczenie praktyczne ma zastosowanie digitizerów (często z wbudowanymi laserami umożliwiającymi automatyczne śledzenie linii) oraz wprowadzanie danych za pomocą skanerów. Z jednej strony użycie digitizerów daje najdokładniejsze wyniki, a ponadto umożliwia natychmiastową wektoryzację danych, z drugiej zaś strony metoda ta jest wysoce czasochłonna, a co za tym idzie - droga. Innym rozwiązaniem jest wektoryzacja map i dokumentów po uprzednim ich zeskanowaniu. Wektoryzacja jednak jest procesem bardzo złożonym i praktycznie niemożliwym do pełnej automatyzacji.

Atrybuty nieprzestrzenne w bazie danych geograficznych, to zbiór nazw i liczb, cech jakościowych lub ilościowych obiektów. Dla przykładu, droga może być wprowadzona do geograficznej bazy danych jako ciąg punktów (w przypadku wykorzystywania rastrowego formatu zapisu danych) bądź jako macierz (ciąg wektorów). Ponadto droga ta może charakteryzować się ustalonym sposobem prezentacji graficznej w systemie, określonym przykładowo przez takie cechy, jak kolor, grubość, rodzaj linii. Sposób prezentacji graficznej obiektu może w pewnym stopniu wyrażać część przyporządkowanych mu atrybutów nieprzestrzennych (i tak np. dla drogi - jej grubość lub kolor mogą odpowiadać gęstości ruchu na niej lub rodzajowi nawierzchni). Niemniej jednak w przypadku wprowadzenia większej

liczby cech składających się na atrybuty nieprzestrzenne obiektu, wskazane jest ich wyodrębnienie. Pozwala to na uproszczenie przetwarzania danych.

Źródłem tych danych mogą być raporty i roczniki statystyczne, książki adresowe, słowniki nazw geograficznych itp. Akwizycja i rejestracja tych danych jest także procesem czasochłonnym; przyczyną tego jest ich duża ilość. W GIS często importuje się dane nieprzestrzenne z innych systemów.

Zarządzanie bazą danych

Dostęp do zbiorów danych zapisanych w postaci cyfrowej zapewnia system zarządzania bazą danych. Oferuje on między innymi procedury dopisywania, wyszukiwania, aktualizacji i porządkowania danych. W zależności od przyjętego logicznego modelu danych, baza może mieć różną strukturę: hierarchiczną, sieciową, relacyjną, lub może być zorientowana obiektowo. Niezależnie jednak od sposobu konstrukcji bazy danych, jej zasadniczymi jednostkami są zazwyczaj rekordy składające się z pól. Rekordy te reprezentują poszczególne obiekty geograficzne lub kartograficzne, natomiast ich pola odpowiadają atrybutom. Głównym celem stawianym przed systemem zarządzania geograficzną bazą danych jest umożliwienie szybkiego dostępu do danych. Można wyobrazić sobie, że zbiór obiektów jednej klasy tworzy podkład (warstwę) mapy.

W ten sposób model mapy analogowej w zapisie cyfrowym wygląda, jak gdyby nałożono na siebie szereg folii, podkładów o różnym zakresie tematycznym. Rozdział obiektów na poszczególne warstwy dokonywany jest w procesie rejestracji danych przestrzennych.

Czym innym jest jednak fizyczna alokacja i rozmieszczenie plików w pamięci komputera, a czym innym jej pojęciowa logiczna konstrukcja ułatwiająca użytkownikowi dostęp do żądanych informacji. Przekładnię między tymi dwoma aspektami: technicznym i logicznym, zapewniają odpowiednie procedury zarządzania systemem bazy danych. Tak jak tematyczna organizacja bazy operuje pojęciem warstwy (podkładu, pokrycia) zawierającego obiekty, tak organizacja danych przestrzennych według lokalizacji operuje pojęciem regionu (strony). Baza danych jest wówczas dzielona na części, w których umieszczone są obiekty geograficzne sąsiadujące ze sobą na powierzchni Ziemi. Strony te mogą się dodatkowo dzielić.

Wyprowadzanie i obrazowanie danych

Wyprowadzanie danych polega na ich przedstawianiu w formie zrozumiałej dla użytkownika lub w formie umożliwiającej ich transfer do innego systemu przetwarzania. Najczęściej wykorzystywaną formą prezentacji danych w geograficznych systemach informacyjnych jest ich wyświetlenie na monitorze w postaci graficznej przypominającej mapę. Użytkownik dokonuje wyboru obiektów, które mają zostać wyświetlone. Kryterium wyboru obiektów może być m.in. ich lokalizacja lub wartość atrybutów. W trakcie wyświetlania mapy cyfrowej możliwa jest zmiana sposobu prezentacji graficznej poszczególnych obiektów lub ich grup. Ponadto zazwyczaj dostępne są takie operacje, jak powiększanie i pomniejszanie fragmentu mapy, zmiana kolorów, zmiana usytuowania napisów opisujących obiekty na mapie. Do zaawansowanych technik wizualizacji zaliczyć należy możliwość prezentacji trójwymiarowej.

Procedury prezentacji umożliwiają w większości GIS uzyskanie trwałej kopii obrazowanych danych w postaci mapy. Najczęściej wykorzystywanymi w tym celu urządzeniami są ploter oraz drukarka (mozaikowa lub laserowa).

1.6 Zastosowania SIP

Szeroką grupę zastosowań GIS stanowi wszelkiego typu ewidencja - gruntów, budynków, a ogólnie rzecz biorąc: wszelkiego rodzaju zasobów. Szczegółowe informacje tego typu wykorzystują urbaniści, geodeci, konstruktorzy. Zastosowanie warstwowej organizacji map umożliwia łatwą modyfikację jedynie wybranych obiektów, bez konieczności przerysowywania całej mapy. Komputerowa ewidencja własności gruntów z powodzeniem może zastąpić tradycyjną, prowadzoną za pomocą rejestrów i map geodezyjnych (kadastralnych).

Inną grupę zastosowań stanowi wykorzystanie GIS do przetwarzania informacji o lokalizacji wszelkiego rodzaju zjawisk, zwłaszcza tych cechujących się znaczną zmiennością w czasie. GIS są bardzo wygodnym zjawiskiem w rejestracji poziomów emisji wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń. Dla potrzeb monitoringu środowiska naturalnego akwizycja danych dla GIS może być prowadzona z wykorzystaniem zdalnych czujników i urządzeń pomiarowych sterowanych komputerowo. W tej grupie zastosowań mieści się również wykorzystanie GIS do analizy i obrazowania danych o charakterze statystycznym, takich jak np. zagrożenie przestępczością, występowanie chorób, struktura użytkowania gruntów itp.

GIS mogą również być bardzo wygodnym narzędziem do przetwarzania danych o infrastrukturze technicznej terenu, tj. o sieciach wodociągowych, gazowniczych, energetycznych, liniach komunikacyjnych. Dane tego wymagają częstych modyfikacji. Ponadto wymagana jest ich duża dokładność i aktualność. GIS umożliwiają spełnienie tych wymagań.

SIP można podzielić według stopnia szczegółowości gromadzonej informacji o obiektach przestrzennych, wyróżniając:

Systemy Informacji Geograficznej (SIG) - skala powyżej 1 : 5000, Systemy Informacji o Terenie (SIT) - skala poniżej 1 : 5000.

SIP przetwarza i nanosi na przestrzenną mapę cyfrową dane opisowe, wektorowe i rastrowe, dotyczące szlaków komunikacyjnych, nieruchomości, mieszkańców, podmiotów gospodarczych oraz pojazdów w miastach i gminach. SIP tworzy również przestrzenny obraz przedsiębiorstwa: umożliwia obserwację przemieszczania się obiektów ruchomych i ich wzajemnego położenia, rozlokowania pracowników, przebiegu instalacji zasilających w prąd, wodę, gazy techniczne itp. (dotyczy dużych zakładów przemysłowych, portów, stoczni). Jest on także wykorzystywany do paszportyzacji sieci telekomunikacyjnych, energetycznych, gazociągów itp. Mapy sporządzane są w oparciu o materiały źródłowe dowolnej skali, zaś dostęp do nich możliwy jest poprzez sieci Internet.

SIP znajduje zastosowanie na obszarach o dużej gęstości zaludnienia. W przypadku pożaru, eksplozji, zamachu terrorystycznego, dzięki połączeniu danych obrazowych i tekstowych, można ustalić adresy najbliższych stacji pogotowia, szpitali, ośrodków zdrowia, a nawet prywatne adresy mieszkających w okolicy lekarzy, z podziałem na specjalności, oraz

najkrótsze drogi dojazdu do nich. Karetki i wozy strażackie w drodze na miejsce zdarzenia można monitorować na mapie numerycznej i - dzięki sygnałom z centrum dowodzenia - zmieniać trasę przejazdu, omijać korki itp. Za pomocą mapy cyfrowej oraz skojarzonych z nią danych i aplikacji wykonawczych w krótkim czasie można zaplanować reorganizację ruchu w rejonach krytycznych, powstałych na przykład wskutek zawalenia się wiaduktu lub zablokowania przejazdu przez manifestację uliczną, wytyczając trasy objazdów, zmieniając kierunek ruchu lub wzajemne podporządkowanie ulic.

Połączenie danych przestrzennych i tekstowych jest niezwykle użyteczne podczas planowania nowych inwestycji niezależnie od tego, czy są one finansowane ze środków prywatnych czy publicznych. Dzięki mapie numerycznej inwestor, który zgłasza chęć zakupu działki pod budowę dowolnego obiektu, otrzyma od ręki wszystkie niezbędne informacje o jej powierzchni, strukturze własnościowej, uzbrojeniu, przebiegających przez nią liniach wysokiego napięcia, rozmieszczeniu instalacji wodociągowych i gazowych oraz możliwościach transportowych (dane dotyczące sieci dróg i liczby ramp kolejowych). W podobnie krótkim czasie można otrzymać propozycje innych lokalizacji, których opis będzie równie wyczerpujący jak poprzedni.

Dane dotyczące gęstości zaludnienia i struktury wiekowej w danej dzielnicy pozwolą zaoszczędzić sporo pieniędzy, jeśli w wyniku analizy okaże się na przykład, że taniej jest dowozić dzieci do istniejącej nieco dalej szkoły, niż budować nową, która w dodatku za kilka lat, w wyniku starzenia się dzielnicy, może okazać się zupełnie bezużyteczna.

Właściwe wykorzystanie posiadanych narzędzi informatycznych może również oddać nieocenione usługi ludziom kultury oraz historykom. W Gdańsku na przykład na bazie SIP-u powstaje system, który na mapach numerycznych przedstawi zarówno dane geograficzne, jak i historyczne. Ogrom zebranego przy okazji obchodów 1000-lecia Gdańska materiału (zdjęć, filmów, dokumentów) zostanie przestrzennie rozlokowany tak, by udostępnić użytkownikom maksimum informacji dotyczących poszczególnych zabytków lub dowolnych miejsc znajdujących się na badanym obszarze.

W wielu zakładach przemysłowych praca odbywa się w warunkach znacznego hałasu, zapylenia, zagrożenia pożarowego, nierzadko na dużych wysokościach. Ciągle uaktualniane informacje o przemieszczaniu się ludzi oraz sprzętu są kwestią kluczową dla bezpieczeństwa pracy. Z tego punktu widzenia niezwykle ważna jest wiedza o liczbie pracowników przebywających na terenie zakładu oraz możliwość ich łatwego zlokalizowania, identyfikacji miejsc ewentualnych wypadków oraz obszarów, które muszą być łatwo dostępne dla służb ratowniczych. Tej wiedzy o całym obszarze przedsiębiorstwa - w sposób syntetyczny - mogą dostarczyć właśnie bazy danych, budowane w oparciu o mapy numeryczne. Przeniesienie przestrzennego obrazu przedsiębiorstwa do komputera oraz naniesienie na stworzoną w ten sposób mapę graficzną wszystkich obiektów znajdujących się na terenie zakładu (np. budynków, dźwigów, ramp kolejowych, konstrukcji wielkowymiarowych), pozwoli efektywnie zarządzać tymi obiektami, a tym samym usprawni procesy usługowe i produkcyjne. Paszportyzacja instalacji zasilających zakład w prąd, wodę i gazy techniczne to stały nadzór i łatwość ustalania miejsc awarii, a dodatkowo - źródło informacji o wymaganych przeglądach, atestach i remontach.

SIP dostarcza również informacji o różnego rodzaju zdarzeniach mających miejsce na terenie przedsiębiorstwa, m.in. dzięki monitorowaniu urządzeń mobilnych, takich jak żurawie, dźwigi oraz suwnice. Możliwe jest także planowanie ich ustawienia i rozmieszczenia

dużych elementów wykonywanych konstrukcji. SIP pomaga ponadto w zapobieganiu ewentualnym kolizjom z innymi obiektami w przypadku, gdyby zostały one nieprawidłowo rozlokowane. Rozszerzeniem takich systemów są technologie GPS wykorzystywane do automatycznego pozycjonowania i monitorowania ruchu obiektów.

Budowa SIP-u jest procesem żmudnym, wymagającym interdyscyplinarnej wiedzy i zaangażowania użytkowników oraz doświadczenia w zakresie funkcjonowania informatyzowanych struktur.

1.7 Właściwości systemu SIP

Wdrożenie systemu GIS jest procesem długotrwałym i kosztownym, gdyż całe przedsięwzięcie opiera się na zgromadzeniu zasobów informacji graficzno-opisowych dotyczących obiektów, które mają być objęte systemem. Podaje się że koszt uzyskania danych stanowi ok. 80% kosztów całego przedsięwzięcia. Przy opracowywaniu wymagań jakie winien spełniać system GIS przyjmuje się, że systemem muszą zostać objęte wszystkie typy urządzeń, dla których istotną cechą jest lokalizacja i połączenie z innymi urządzeniami. Dotyczy to wszystkich rodzajów sieci. Istotne jest prowadzenie w systemie różnych, lecz powiązanych ze sobą warstw, przy czym warstwa rzeczywistości geograficznej jest odwzorowana w odpowiedniej formie kartograficznej wraz z warstwą schematów i połączeń ideowych. Wymagane jest zachowanie połączeń i relacji między obiektami w poszczególnych warstwach tak, aby zmiany zachodzące w jednej warstwie były odzwierciedlane w drugiej. System powinien posiadać następujące właściwości:

posiadanie modułu umożliwiającego pozyskiwanie i aktualizację danych, selektywny wybór treści do wyświetlania, dobieranie środków prezentacji map w zależności od tematyki, skali wyświetlania i

wartości zjawisk przedstawianych, możliwość definiowania kategorii zmian przedstawiania,

selekcjonowanie i wyszukiwanie obiektów na podstawie ich cech, analizy przestrzenne i sieciowe przy użyciu standardu wyrażeń SQL i operatorów

przestrzennych, tworzenie i modyfikacja zależności topologicznych między obiektami, mechanizmy przeprowadzania tzw. transakcji długoterminowych we wszystkich

fazach budowy systemu (projekt, tworzenie i eksploatacja), w celu umożliwienia prowadzenia oddzielnych projektów równocześnie z zabezpieczeniem udostępniania wersji projektowych innym użytkownikom, zatwierdzania tych wersji i wprowadzania ich do użycia,

dopasowanie adresów tzw. geokodowanie (proces, dzięki któremu na mapie można ulokować obiekt na podstawie adresu),

możliwość prowadzenia warstwy geograficznej sprzężonej interaktywnie ze schematami,

wyposażenie w rozbudowane środowisko do rozwijania aplikacji, połączenie z zewnętrzną bazą danych i współpraca z aplikacjami zewnętrznymi, wymiana danych z innymi systemami (eksport / import) z możliwością definiowania

struktur danych i formatów użytkownika, współpraca z systemami zarządzania ruchem (SCADA), bogate możliwości tworzenia raportów i ich prezentacja w popularnych środowiskach

np. MS Office, itp.

możliwość integracji w ramach systemu zarządzania informacją (IMS - Information Management System),

dynamiczne wyświetlanie danych na mapie w czasie rzeczywistym, technika dołączania obiektów multimedialnych.

SIP należy do szerszej grupy systemów związanych z zarządzaniem informacją przestrzenną. W zamieszczonych tekstach termin technologia zarządzania informacją przestrzenną jest używany w znaczeniu ogólnym jako technologia obejmująca wszelkie zastosowania systemów komputerowych w tworzeniu map i przetwarzaniu informacji przestrzennej.

Terminy kojarzone z tą technologią to:

Automatyczne Tworzenie Map (Automated Mapping - AM), Wspomagane Komputerowo Tworzenie Map (Computer-Assisted Mapping - CAM), Komputerowo Wspomagane Kreślenie (Computer-Aided Drafting - CAD), Komputerowo Wspomagane Kreślenie i Projektowanie (Computer-Aided Drafting and

Design - CADD), System Informacji Przestrzennej (Geographic Information System - GIS), System Informacji o Terenie (Land Information System - LIS), Automatyczne Tworzenie Map i Zarządzanie Infrastrukturą Techniczną (Automated

Mapping/Facilities Management - AM/FM), Geoprzetwarzanie i Analizy Sieciowe (Geoprocessing and Network Analysis),

System informacji przestrzennej powinien być rozumiany nie tylko jako kombinacja sprzętu i oprogramowania, której funkcjonalnym celem jest przetwarzanie danych przestrzennych. SIP, zgodnie z koncepcją systemową, składa się z pięciu wzajemnie powiązanych elementów: sprzętu komputerowego, oprogramowania, danych, zasobów ludzkich i metod (zadań). Koncepcję tą ilustruje poniższy rysunek. Brak choćby jednego z tych podsystemów wyklucza sprawne działanie systemu jako całości.

Ze względu na zawrotne w ostatnich latach tempo rozwoju technologii komputerowych standardowe konfiguracje sprzętowe SIP podlegają szybkiej dezaktualizacji. Zacierają się, wyraźne jeszcze na początku lat 90., różnice między komputerami osobistymi, mikrokomputerami a stacjami roboczymi. Aktualnie tylko od specyfiki realizowanych zadań zależy klasa sprzętu do realizacji SIP. Ponieważ istotnymi funkcjami SIP są wprowadzanie danych i uzyskiwanie produktu końcowego, niezbędnymi elementami sprzętowymi kompletnego SIP są urządzenia służące do wprowadzania danych, jak skanery i digitizery, oraz urządzenia do wyprowadzania wyników analiz: drukarki i plotery.

Oprogramowanie pełni rolę integratora podsystemów SIP. Musi umożliwiać realizację pięciu podstawowych funkcji SIP: wprowadzania danych przestrzennych i opisowych, wstępnego ich przetwarzania, przechowywania danych, analizy i prezentacji wyników (tworzenia produktu końcowego). Stąd kluczowymi elementami oprogramowania SIP są: narzędzia do wprowadzania

i modyfikowania geodanych, system zarządzania bazą danych (DBMS - Data Base Management System), narzędzia analiz przestrzennych i wizualizacji, graficzny interfejs użytkownika (GUI - Graphical User Interface), umożliwiający łatwy dostęp do pozostałych elementów systemu. Oferowane na rynku pakiety oprogramowania SIP dostępne są na wiele platform sprzętowych. Występują zarówno w postaci pakietów zintegrowanych, łączących w sobie funkcje bazodanowe i analityczne systemu, jak i aplikacji wysoce specjalistycznych, wymagających współpracy z innymi systemami dla realizacji wszystkich funkcji SIP.

Dane stanowią najważniejszy i najbardziej wartościowy element systemów informacji przestrzennej. Immanentną cechą SIP jest zdolność integracji danych przestrzennych i atrybutowych (opisowych), co ma zasadnicze znaczenie przy realizacji funkcji analitycznych i prezentacji wyników. Dane przestrzenne pochodzić mogą z wielu źródeł, jak mapy, zdjęcia lotnicze i obrazy satelitarne, bezpośrednie pomiary w terenie, GPS. Podstawową cechą, jaką powinny odznaczać się dane przestrzenne jest ich wystarczająca dokładność, oznaczająca zgodność lokalizacji rzeczywistej z lokalizacją w przyjętym układzie współrzędnych. Pozyskanie odpowiednich danych dla realizacji celów danego SIP jest z reguły procesem długotrwałym, pochłaniającym większą część kosztów związanych z opracowaniem SIP. Późniejsze utrzymanie bazy danych wymaga w większości przypadków znacznie mniejszych nakładów.

Każdy kompleksowy system informacji przestrzennej realizowany jest wokół celów i zadań przed nim postawionych. Właściwe rozpoznanie potrzeb i dokładne określenie wymagań, jakie powinien spełniać SIP warunkuje sukces całego przedsięwzięcia. To właśnie postawione zadania związane z wykorzystaniem informacji przestrzennych i rozpoznane metody ich realizacji rzutują na klasę i rodzaj wymaganego sprzętu i oprogramowania, oraz na wymagania kadrowe. Pakiet oprogramowania SIP sam w sobie nie pozwala na realizację konkretnych zadań, specyficznych dla danego użytkownika - konieczne jest z reguły stworzenie specjalistycznych aplikacji, bazujących na rozwiązaniach oferowanych przez oprogramowanie SIP. Sprzyja temu otwarta struktura współczesnych programów SIP, dająca możliwość praktycznie dowolnego rozszerzania możliwości systemu poprzez opracowywanie dodatkowych modułów, przy wykorzystaniu niezależnych bądź wbudowanych języków programowania.

Najważniejszym podsystemem SIP są ludzie - zarówno kadra techniczna, odpowiedzialna za projektowanie i konserwację systemu, jak i końcowi użytkownicy wykorzystujący SIP w codziennej pracy. W podsystemie tym mieszczą się również producenci i sprzedawcy oprogramowania SIP i sprzętu komputerowego oraz pracownicy naukowi zaangażowani w rozwój technologii. Sukces wdrożenia SIP zależny jest właściwie od każdej z tych grup, choć zasadniczą rolę odgrywają oczywiście projektanci i użytkownicy systemu. Zależności pomiędzy różnymi grupami osób mających udział w tworzeniu SIP przedstawia poniższy rysunek: [5]

1.8 Zadania i zastosowania Systemu SIP

Zadania jakim może sprostać Geograficzny System Informacji przy zastosowaniu go w spółce dystrybucyjnej to:

możliwość wprowadzania danych, zarządzanie danymi tzn. szybki dostęp do dowolnej informacji o dowolnym

urządzeniu, wymiana danych z innymi zakładami (np. ciepłownictwo, gazownictwo, wodociągi,

geodezja itp.), wspomaganie dyspozycji ruchu (współpraca z systemami SCADA), wspomaganie eksploatacji sieci, analiza awaryjności, obliczenia inżynierskie, planowanie rozwoju sieci, informacja o klientach (współpraca z systemem Inkasa), prace dla celów prawnych, zarządzanie majątkiem.

Wychodząc z definicji systemu informacji przestrzennej, wymienić można jego pięć podstawowych funkcji (odnoszących się zarówno do danych przestrzennych, jak i atrybutowych):

wprowadzanie danych, transformacja danych, przechowywanie, uzupełnianie i aktualizacja danych (zarządzanie danymi), analiza danych, uzyskiwanie produktu końcowego.

Zależności pomiędzy poszczególnymi funkcjami systemu przedstawia poniższy rysunek: [28]

Systemy informacji przestrzennej mogą być klasyfikowane według różnych kryteriów, np. według kryterium: obszaru (systemy obiektowe, lokalne, regionalne, krajowe, o zasięgu międzynarodowym), źródłowości informacji (informacja pierwotna, wtórna - zagregowana, przetworzona), zakresu użytkowania (jeden konkretny użytkownik, wielu użytkowników), struktury funkcjonalnej (scentralizowane, rozproszone), przeznaczenia (ewidencyjne, planowania przestrzennego, monitorowania środowiska, analiz marketingowych) i innych. Pełną klasyfikację SIP wg różnych kryteriów przedstawia J. Gaździcki w monografii Systemy informacji przestrzennej. [26]

Dziedziny zastosowań systemów GIS to:

sieci energetyczne, geodezja i kartografia, sieci telekomunikacyjne, sieci wodno-kanalizacyjne, sieci gazowe, planowanie przestrzenne i urbanistyka, rolnictwo i leśnictwo, gospodarka wodna, transport i drogownictwo.

2. Przegląd oprogramowania służącego do tworzenia i obsługi GIS

Obecnie w Polsce nie uzgodniono standardu stosowanego oprogramowania do tworzenia systemów GIS. Najczęściej mówi się o ARC/INFO jest w prawdzie drogim systemem ale ma największe możliwości i pozwala na przetwarzanie danych z innych systemów. Istnieje tez wersja polskojęzyczna. Często spotyka się też w Polsce Mapinfo ze względu na niską cenę i instrukcje i wersję po Polsku, niemniej jego możliwości są dość skromne.

Inne oprogramowanie do zarządzania systemami GIS to: GENASYS, GEMINI, MGE, FRAMME, ERDAS, ESI/PACE, ERMapper, TNT-MIPS.

Różnice wynikają przede wszystkim ze sposobu:

1. wprowadzania danych przestrzennych i opisowych,

2. zarządzania bazą danych,

3. przetwarzania danych,

4. wizualizacji danych,

5. łączności operatora z systemem.

Problem jest tego typu, że występują trudności w przenoszeniu danych pomiędzy poszczególnymi pakietami, tak więc już na etapie tworzenia systemu musimy zdecydować się na odpowiednie oprogramowanie gdyż potem możemy mieć trudności w jego zmianie na inny (problem przeniesienia danych do innego systemu).

3. Przegląd istniejących systemów GIS oraz warstw akustycznych w tych systemach na świecie i w Polsce

Jednym z pierwszych systemów GIS był powstały w latach 60 Kanadyjski System Informacji Geograficznej CSIP. Był on pierwszym kompleksowym systemem informacji przestrzennej o zasięgu ogólnokrajowym. System rozpoczął funkcjonowanie w roku 1971. Aktualnie zgromadzono w nim pond 10000 map w postaci cyfrowej. Kolejne systemy powstawały głownie właśnie na kontynencie amerykańskim. (Nowy York, Minesota, Kalifornia). W połowie lat 70 coraz powszechniej zaczęto stosować GIS do analizy danych przestrzennych. Zastosowaniem GIS w planowaniu przestrzennym zainteresowały się wówczas głównie kraje wysoko rozwinięte jak Stany Zjednoczone, Austria, Japonia. W Europie w latach 70 najsilniejszy rozwój SIP następował w Holandii i Niemczech. Obecnie prawie każde bardziej rozwinięte państwo (miasto) zachodnie posiada swój system GIS.

W Polsce pierwsze eksperymenty w dziedzinie systemów GIS datują się na przełom lat 70 i 80. Jednym z pierwszych takich systemów był System Informacji o Ukształtowaniu Środowiska. Najbardziej zaawansowanym niedawno stworzonym systemem SIP funkcjonującym w Polsce jest system w Szczecinie.

Wspomagający zarządzanie miastem Szczeciński System Informacji Przestrzennej, po trwających kilka lat pracach, zbudowany jest z ponad 500 tematycznych warstw pogrupowanych w zbiorach zawierających informacje dotyczące m.in. geodezji, podziałów administracyjnych, zapisów planu zagospodarowania przestrzennego, uzbrojenia terenu, obrony cywilnej, ochrony środowiska, mienia komunalnego, inwestycji, kultury i oświaty, a także ochrony zdrowia. Warstwy te wzbogacone są dodatkowo o treść mapy zasadniczej terenu całego miasta (ponad 2000 arkuszy) oraz zdjęcia lotnicze. Ponadto są one osadzone na szkielecie wspólnym dla wszystkich użytkowników i zawierającym jednolite, aktualizowane warstwy adresów, ulic, budynków, zbiorników wodnych oraz pasów zieleni.

W sieci Urzędu Miejskiego, obejmującej ponad 1200 użytkowników, upoważnione komórki poprzez Intranet mogą przeglądać warstwy mapowe oraz korzystać z danych ewidencji m.in. podmiotów gospodarczych, pojazdów, uchwał rady miejskiej oraz terenów inwestycyjnych. Podobny system tworzony jest obecnie również w Poznaniu. We Wrocławiu problem ten jest dopiero w fazie pomysłów.

3. Literatura dotycząca map cyfrowych, systemów GIS

Istnieje bogaty zbiór literatury anglojęzycznej dotyczącej tak systemów GISIstnieje również wiele dedykowanych serwerów internetowych tak polskich jak i zagranicznych dotyczących problemu systemów GIS.

Do najważniejszych pozycji literaturowych (poza różnego rodzaju materiałami konferencyjnymi) dostępnych w j. polskim zaliczyć można:

1. Kistowski M., Iwańska M.: Systemy informacji geograficznej. Podstawy techniczne i metodyczne. Przegląd pakietów oprogramowania i zastosowań w badaniach środowiska przyrodniczego. Bogucki Wydawnictwo Naukowe, Poznań 1997.

2. Kraak Menno-Jan, Ormeling Ferjan: Kartografia: wizualizacja danych przestrzennych. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 1998.

3. Werner P.: Wprowadzenie do geograficznych systemów informacyjnych. UW, Warszawa 1992.

4. Piotrowski R.: System Informacji o Terenie - Program Modernizacji. Warszawa 1991.

5. Gaździcki J.: Systemy informacji przestrzennej. PPWK, Warszawa 1990.

6. Myrda G.: GIS czyli mapa w komputerze. Helion, 1997.

7. Gołaś A. Metody komputerowe w akustyce wnętrz i środowiska, Kraków 1995.

Opracowano na podstawie:1) Izdebski, Wykłady z SIP2)