ABC mapy numerycznej
1. Kilka pojęć podstawowych
Przedstawione w tym podrozdziale definicje będą, być może, lepiej zrozumiałe dopiero po
zapoznaniu się z podrozdziałami 2 i 3.
Warto więc, po lekturze całego rozdziału, powrócić do tego punktu dla lepszego zrozumienia
przytoczonych definicji i określeń.
a) System Informacji Przestrzennej – SIP
System Informacji Przestrzennej (SIP), to forma manipulowania danymi zorientowanymi w
trójwymiarowej przestrzeni (współrzędne x,y,z) z uwzględnieniem czwartego elementu, jakim
jest czas.
Innymi słowy, jest to operacja na obiektach mających lokalizację w przestrzeni i
usytuowanych w czasie.
Rozwinięcie tego pojęcia, zostało doprecyzowane już w 1992 roku przez prof. H. Olenderka i
dr D. Korpettę z SGGW:
”System informacji przestrzennej umożliwia natychmiastowy dostęp do bazy danych,
ułatwiając podejmowanie decyzji gospodarczych, pozwala prowadzić symulację stanów
przyszłych, a tym samym wybierać optymalne, w zmieniających się warunkach
gospodarowania, warianty rozwiązań problemów racjonalnego zarządzania gospodarką
leśną.”
Systemy informacji przestrzennej stanowią bardzo wygodne i sprawne narzędzie w rękach
osób podejmujących wszelkiego rodzaju decyzje odwołujące się do odwzorowań
kartograficznych i powiązanych z danymi opisowymi. Szczególne zastosowanie SIP-u może
mieć miejsce na szczeblu decyzyjnym nadleśnictwa.
W Lasach Państwowych SIP przydatny będzie do pełnego rozpoznania stanu środowiska
leśnego, do bieżącego śledzenia i przewidywania zmian w nim zachodzących, do
optymalizacji wykonywania bieżących zadań gospodarczych i symulacji stanów przyszłych.
Dotyczy to zarówno sfery gospodarki leśnej, jak i pozaprodukcyjnych funkcji lasu.
Po odpowiedniej agregacji danych, informacja z poziomu SIP nadleśnictwa powinna docierać
na szczebel wyższy (regionalny - RDLP, Wojewódzcy Konserwatorzy Przyrody, Inspekcja
Ochrony Środowiska, Wydziały Ochrony Środowiska urzędów wojewódzkich, itd. oraz
wyżej, na poziom ogólnokrajowy - DGLP, ośrodki naukowe i badawcze, GUS, a nawet
centralne organy państwowe). Na tych poziomach struktur decyzyjnych i analitycznych,
systemy informacji przestrzennej pozwolą na ocenę stanu lasu w odpowiedniej skali, na
dokładniejszą analizę danych, na ich badanie naukowe oraz szybsze i trafniejsze
prognozowanie. Jest to dopiero wizja, ale realna do zastosowania w perspektywie
najbliższych kilkunastu lat.
W kontekście systemu informacji przestrzennej (SIP), można się spotkać (za prof.
Gaździckim) z takimi określeniami jak:
•
GIS (geographic information system) - czyli system informacji geograficznej, który
funkcjonuje w środowisku geografów i odnosi się w zasadzie do skal małych, oraz
•
LIS (land information system) - czyli system informacji terenowej (SIT),
funkcjonujący wśród geodetów i odnoszący się do skal dużych.
Pod pojęciem GIS spotykamy również określenia dotyczące pakietu oprogramowania
profesjonalnego do budowy systemu informacji przestrzennej oraz do późniejszej jego
eksploatacji.
b) Mapa numeryczna
W publikacji D. Korpetty z 1996 r. znajdujemy taką oto definicję mapy numerycznej:
Mapa numeryczna jest zbiorem danych, który - po zastosowaniu ściśle określonych
algorytmów i odpowiednich środków technicznych - umożliwi wykonanie różnorodnych (pod
względem skali i treści) opracowań graficznych, a także będzie mógł być poddawany wielu
operacjom wyszukiwania, sortowania i dobierania informacji oraz obliczania określonych
wielkości.
Rozumieć to należy, iż każdy punkt lub załamanie linii (czyli tzw. "węzeł"), ma przypisane
współrzędne "x" i "y", a dla terenów górskich także (opcjonalnie) współrzędną wysokościową
"z", w określonym układzie współrzędnych geograficznych. Jest to tzw. baza geometryczna.
Jeżeli założoną bazę geometryczną zorientujemy topologicznie, czyli zdefiniujemy związek
utworzonego obiektu (punktu, linii lub wieloboku) z innymi obiektami posiadającymi
współrzędne i nazwiemy utworzone obiekty - zgodnie z adekwatnymi nazwami w opisowej
bazie danych, będziemy mieli mapę numeryczną.
c) Modele danych przestrzennych
Dane przestrzenne mogą być przedstawiane w dwóch podstawowych postaciach:
•
rastrowej (zwany także bitmapą), gdzie:
obraz mapy przedstawiany jest w postaci regularnej siatki pikseli, czyli pól podstawowych
w formie regularnych figur geometrycznych (najczęściej kwadratów lub trójkątów
równobocznych), które tworzą elementy obiektów mapy;
•
wektorowej, gdzie...
każdy punkt mapy określają współrzędne oraz sposoby ich połączeń w obiekty liniowe i
powierzchniowe - jest to prosty model wektorowy, a gdy mamy jeszcze zdefiniowany
związek międzyobiektowy - mówimy o wektorowym modelu topologicznym;
Istnieją jeszcze modele mieszane, wektorowo-rastrowe, zwane także hybrydowymi.
Rzadko, ale występują one i w leśnym SIP (np. usytuowanie lasów w zasięgu
terytorialnym nadleśnictwa).
2
Powyższe definicje rastra i wektora są bardzo ważne i bardzo często znajdziesz
Czytelniku niniejszej publikacji odwołania do nich. Warto więc je dobrze zrozumieć, a
nawet powracać do nich, czytając dalsze informacje odwołujące się do tych pojęć.
Często mapy numeryczne konstruowane są w wariancie topologicznym modelu
wektorowego na bazie obrazu rastrowego. Praktycznie wygląda to w ten sposób, że
zeskanowaną mapę lub zdjęcie lotnicze poddaje się wektoryzacji na ekranie komputera,
po wcześniejszym przeprowadzeniu procesu kalibracji (czyli znalezieniu odpowiedniej
ilości punktów wspólnych i wczytania ich do jednego układu współrzędnych).
System rastrowy jest o tyle wygodny, że posiada duży stopień automatyzacji
pozyskiwania danych i charakteryzuje się prostotą operacyjną. Ze względu jednak na to,
że każdy piksel zapisywany jest oddzielnie w bazie danych, jest on pamięciochłonny.
Zniekształca też obraz rzeczywisty.
Wykorzystywany jest do pozyskiwania i analizy zdjęć lotniczych i satelitarnych, a także
obrazów skanowanych. Skanowane i zapisywane w postaci rastra bywają też leśne mapy
analogowe. W tej formie mogą jedynie służyć jako tło do różnych prac projektowych (np.
jako substytut mapy papierowej). Pomimo posiadania zbioru danych cyfrowych, raster nie
może być wykorzystany do automatycznego rejestrowania obiektów, czyli nie może być,
bezpośrednio na jego bazie zbudowana mapa numeryczna. Musi on zostać przekształcony
do postaci wektorowej.
Do budowy mapy numerycznej wykorzystywany jest więc system wektorowy.
Prosty model wektorowy jest zbiorem punktów, linii lub wieloboków, które nie są ze sobą
powiązane. Np. rysując sąsiadujące ze sobą wydzielenia drzewostanowe, wspólną granicę
dwóch pododdziałów musimy rysować dwa razy (osobno dla wydzielenia pierwszego i
drugi raz dla wydzielenia drugiego). Jest to niewygodne, pracochłonne i nie daje
gwarancji uzyskania wspólnej linii granicznej (gdyż nie zawsze uda się wspólne dla
dwóch obiektów punkty umieścić w identycznych współrzędnych). Skomplikowane jest
także ustalenie wzajemnych zależności pomiędzy obiektami. Z tego powodu ten typ
modelu wektorowego do tworzenia map numerycznych powinien być stosowany rzadko.
Topologiczny model danych wektorowych powinien być najczęściej stosowany do
budowania systemów informacji przestrzennych. Potrafi on zachować związki i znaleźć
współzależności między obiektami, gdyż oprócz opisu położenia współrzędnych punktów
węzłowych, potrafi zdefiniować przebieg linii między węzłami i jej kierunek oraz opisać
obiekty sąsiadujące. Współrzędne każdego wspólnego dla dwóch lub więcej obiektów
punktu zapisane są tylko raz, nie ma więc niejednoznaczności w ich interpretacji.
d) Numeryczny model powierzchni terenowej - NMT
(zwany także numerycznym modelem terenu)
Numeryczny model powierzchni terenowej (NMT) jest zbiorem odpowiednio wybranych
punktów powierzchni o znanych współrzędnych x,y,z oraz algorytmów interpolacyjnych
umożliwiających odtworzenie jej kształtu dla określonego obszaru.
Podstawowe zadanie NMT polega na określeniu trzeciej współrzędnej (Z) punktu, którego
współrzędne płaskie (X,Y) są znane.
Innymi słowy, jest to mapa numeryczna zawierająca dodatkowo informacje o pionowym
ukształtowaniu terenu.
3
Rzeźba terenu, ma znaczny wpływ na kształtowanie zbiorowisk leśnych, dlatego musi być
brana pod uwagę w różnorodnych pracach prowadzonych w gospodarce leśnej, a w
szczególności: w hodowli lasu i w użytkowaniu drzewostanów, w inżynierii leśnej, w pracach
urządzeniowych (łącznie z glebo- i siedliskoznawstwem oraz fitosocjologią), w ochronie lasu
i ochronie przeciwpożarowej, w zagospodarowaniu turystycznym lasów, w ekonomice prac
leśnych, itd.
Numeryczne modele terenu umożliwiają automatyczną interpolację warstwic, obliczenie
spadków terenu (nachylenie), określenie ekspozycji terenu (wystawa), obliczenie przekrojów
przez teren (dla obliczeń inżynieryjnych, związanych np. z projektowaniem dróg leśnych i
określaniem zakresu prac ziemnych), określenie obszaru widoczności z zadanego punktu we
wskazanym kierunku.
Mapa trójwymiarowa jest także bardzo efektownym narzędziem wizualizacji i prezentacji
danych kartograficznych dla nadleśnictw o urozmaiconej rzeźbie terenu.
Dane pozyskiwane dla potrzeb NMT (chodzi o trzeci wymiar) mogą być pobierane z map
topograficznych (najlepiej w skali 1 : 10 000), jako wyniki bezpośrednich pomiarów
geodezyjnych lub ze zdjęć lotniczych. Pobrane którymś z powyższych sposobów dane
zapisywane są w postaci nieregularnej siatki trójkątów, tworzących płaszczyzny najlepiej
przystające do terenu lub jako regularna sieć kwadratów modelowana do terenu systemem
interpolacji.
Mapy oparte na numerycznym modelu terenu powinny być w przyszłości podstawowymi
mapami leśnymi dla terenów górskich i podgórskich.
e) System Informatyczny Lasów Państwowych (SILP)
System Informatyczny Lasów Państwowych (SILP) jest opisową bazą danych, obejmujących
całą działalność nadleśnictwa, w tym działalność gospodarczą w pododdziałach i
wydzieleniach (podstawowych jednostkach adresowych) - posiadających pełny opis
elementów taksacyjnych oraz planowanych i wykonanych zadań gospodarczych.
Ponieważ w SILP-ie gromadzone są różnego rodzaju dane związane z prowadzeniem
gospodarki leśnej oraz różnorodne dane związane z pozaprodukcyjną funkcją lasów i
posiadające zarazem odniesienie do usytuowania w terenie, informacje te, po zintegrowaniu z
danymi geometrycznymi mapy numerycznej, mogą być wykorzystane do zbudowania
systemu informacji przestrzennej na poziomie nadleśnictwa, a z czasem (wraz z rozwojem
SILP-u i umożliwieniem generowania danych w nim zawartych) na wyższych poziomach
decyzyjnych.
Wprowadzenie do Lasów Państwowych SILP-u, oparcie go na efektach prac urządzeniowych,
przypisanie modułu adresu leśnego do każdego rekordu oraz obowiązek aktualizacji danych,
powodują wielką jego przydatność, a nawet wymuszają logiczną konieczność zastosowania
SILP-u jako podstawowego składnika relacyjnej bazy danych opisowych w Systemie
Informacji Przestrzennej na poziomie nadleśnictwa.
Powtórzmy raz jeszcze za prof. Olenderkiem słowa przytoczone we Wstępie, iż ...
”fakt wprowadzenia Systemu Informatycznego Lasów Państwowych (SILP) jest podstawową
okolicznością sprzyjającą i zarazem wymuszającą budowę systemów informacji przestrzennej
4
dla nadleśnictw. Będą one stanowić rozwinięcie części tabelarycznej SILP o zobrazowania
przestrzenne zapisanych danych.”
2. Leśna mapa numeryczna
a) Wady mapy analogowej
Mapą analogową nazywane jest opracowanie kartograficzne w postaci kreskowej, wykonane
na planszy aluminiowej (pierworys), folii przeźroczystej (matryca) lub na papierze (kopia).
Powszechnie stosowana dotąd leśna mapa analogowa ma kilka poważnych niedogodności:
•
Sporządzona jest na jedną datę (1 stycznia pierwszego roku obowiązywania planu
urządzania lasu dla nadleśnictwa).
Ponieważ ruch gruntami w nadleśnictwie odbywa się bez przerwy, a jednocześnie
zmieniają się kontury pododdziałów (z przyczyn wynikających z prowadzenia gospodarki
leśnej, występowania pożarów, gradacji oraz innych czynników biotycznych i
abiotycznych), mapa bardzo szybko się dezaktualizuje. Ręczna aktualizacja mapy
papierowej w pełnym zakresie raczej nie może być brana pod uwagę, ze względu
chociażby na małą (po tej operacji) czytelność takiej mapy oraz dużą pracochłonność i
ograniczoną ilość posztucznego aktualizowania kopii.
•
Przedstawienie na mapie papierowej pełnego zakresu posiadanych informacji o
poszczególnych obiektach jest praktycznie niemożliwe ze względu na brak mechanizmów
wymuszających spójność i kompletność danych, brak miejsca oraz zmniejszenie
czytelności mapy.
Istnieje możliwość przedstawienia na wielu egzemplarzach mapy pewnych części
pożądanych informacji. Znajduje to wyraz w wykonywanych przez urządzanie tzw.
przeglądowych mapach tematycznych. Są to jednak wybrane wcześniej, narzucone przez
instrukcję urządzania lasu, opracowania kierunkowe. Zakres merytoryczny może
oczywiście być poszerzony na życzenie zleceniodawcy prac urządzeniowych, ale i tak nie
ujmie on wszystkich potencjalnie potrzebnych tematycznych opracowań takiej mapy.
Opis taksacyjny lasu i inne źródła, w tym wynikające z prowadzonych czynności
gospodarczych, dostarczają wielu innych danych, które nie znajdują niestety
odzwierciedlenia na mapach przeglądowych. Nadleśnictwo dysponuje wprawdzie
czystymi kopiami map przeglądowych na które można wprowadzić (i wprowadza się) te
dodatkowe informacje, wiąże się to jednak z dużym nakładem pracy i czasu.
•
Utrudnione jest przeprowadzanie analiz przestrzennych, a zwłaszcza analiz przestrzenno -
czasowych oraz przestrzenno - tematycznych.
Przedstawienie takich analiz na kopiach map papierowych jest możliwe (w ograniczonym
zakresie), ale jest też niezwykle pracochłonne i nie może być pełne.
•
Skala mapy analogowej jest stała i z góry narzucona.
5
Istnieje co prawda potencjalna możliwość zamówienia u wykonawcy operatów ul map
różnych obszarów nadleśnictwa w skalach pośrednich pomiędzy najczęściej używanymi (i
na KTG podejmuje się niejednokrotnie takie decyzje), ale nie zawsze można przewidzieć
co będzie potrzebne za kilka lat. Zamawianie takich map w trakcie obowiązywania rewizji
ul wiąże się z różnymi utrudnieniami, trwa dość długo, a wykreślona mapa i tak jest już
nieaktualna.
•
Mapy analogowe obejmują terytorium całego nadleśnictwa lub określone jego obszary.
Niejednokrotnie potrzebny jest jedynie wycinek mapy (określony rejon nadleśnictwa), a
nie mając możliwości jego wygenerowania, musimy użytkować kopię większej całości.
Powoduje to niewygodę w posługiwaniu się mapą (za duża płachta) i niepotrzebne
marnotrawstwo papieru.
•
Starzenie się informacji - dezaktualizacja.
Bieżąca aktualizacja mapy papierowej może być procesem obejmującym jeden lub
najwyżej kilka egzemplarzy mapy papierowej. Wiąże się to z pracą na notorycznie
dezaktualizujących się mapach, o czym była już wcześniej mowa.
•
Trwałość mapy papierowej jest dość krótka.
Dla zwiększenia trwałości map papierowych stosuje się ich foliowanie. Uniemożliwia ono
jednak pracowanie na mapie (robienie notatek, nanoszenie poprawek, wrysowywanie
swoich symboli i uwag) oraz przeprowadzanie aktualizacji mapy.
•
Skurcz mapy papierowej powoduje, że długości odcinków zmieniają się z upływem czasu,
gdy papier podlega deformacjom.
Jest to mankament, który zmusił geodetów do wykonywania map zasadniczych na
blachach aluminiowych, ograniczających deformacje.
•
Brak jest integracji z istniejącymi (w innych, niż urządzeniowe i pochodne, dziedzinach)
danymi cyfrowymi.
b) Zalety mapy numerycznej
Wszystkie te niedogodności rozwiązuje mapa numeryczna. Znajduje się ona w komputerze i
jest „żywa”. Znaczy to, że istnieje możliwość prawie dowolnego jej formowania,
ograniczonego jedynie możliwościami programu komputerowego i pomysłowością operatora.
Mapa numeryczna, zbudowana najpierw na ekranie komputera, może zostać wydrukowana i
wtedy niczym w zasadzie nie różni się od zwykłej mapy analogowej.
Posiada ona kilka niewątpliwych zalet:
•
ma możliwość wiernego przechowywania danych, z zachowaniem dokładności
uzyskanych w wyniku pomiarów,
•
pozwala na zmniejszenie kosztów opracowań kartograficznych urządzanego
nadleśnictwa (sic !),
•
poprawia jakość merytoryczną map,
6
•
można na niej wykonywać różnorodne opracowania tematyczne,
•
pozwala na automatyczne wyliczenie długości odcinków i powierzchni wieloboków
oraz odległości pomiędzy dowolnymi punktami,
•
można na niej przedstawić różnorodne dane zaczerpnięte z relacyjnej, opisowej bazy
danych,
•
można przy jej pomocy wykonywać różnego rodzaju analizy,
•
może być wyświetlana i drukowana w dowolnej liczbie egzemplarzy, w dowolnej
skali i przedstawiać dowolny obszar z terytorium zapisanego w pamięci komputera,
•
może być na bieżąco aktualizowana (obowiązkowo równolegle z aktualizacją bazy
opisowej),
•
może być w każdej chwili edytowana - poprawiana i uzupełniana (nie jest uzależniona
od pierwszego jej wydania, jak mapa analogowa od swojego pierworysu),
•
nie niszczy się i jest trwała, gdyż zapisana jest w pamięci komputera,
•
wielkości (długości odcinków) nie zmieniają się z upływem czasu, gdyż nośnik nie
podlega deformacjom (jak np. skurcz papieru mapy analogowej),
•
istnieje możliwość sprawdzenia zgodności zawartości baz SILP z mapą leśną.
c) Budowanie mapy numerycznej
Aby zbudować mapę numeryczną, należy najpierw skonstruować geometryczną bazę danych,
czyli przypisać współrzędne x,y wszystkim węzłom, tj. charakterystycznym punktom mapy.
Węzłem będzie zarówno punkt załamania linii lub boków poligonu (wieloboku), jak również
miejsce przecięcia się dwóch odcinków, czy też pojedynczy punkt.
Najważniejsze dla zachowania wiarygodności mapy (czytaj: zgodności z ewidencją
powszechną) jest właściwe zorientowanie obwodnicy stanowiącej granice działek LP w
stosunku do punktów osnowy geodezyjnej i do graniczników. Najczęściej będzie to
przepisanie odpowiedniej ilości współrzędnych geodezyjnych uzyskanych z ośrodków
dokumentacji geodezyjno - kartograficznej, albo pozyskanie ich z bezpośrednich pomiarów
(różnymi dostępnymi i akceptowalnymi metodami). Pozyskane współrzędne geodezyjne,
wpisane do tabeli atrybutów bazy geometrycznej, będą szkieletem na bazie którego powstaną
pozostałe punkty tworzące granicę geodezyjną działek leśnych. Do stworzenia numerycznej
mapy leśnej wystarczy teraz „przerysować” z map analogowych sytuację wewnętrzną.
Jednak jeszcze przed przypisaniem współrzędnych x,y należy zdecydować się na przyjęcie
jednolitego dla całej mapy numerycznej układu współrzędnych.
Leśną mapę numeryczną możemy budować różnymi metodami, ale najpopularniejsze są dwa
sposoby: digitalizacja przy pomocy digitizera i wektoryzacja na ekranie komputera.
d) Digitalizacja
Digitizer (zwany także digimetrem) jest narzędziem w postaci specjalnego stołu z aktywnym
elektronicznym blatem, na którym umieszczona jest mapa analogowa. Urządzenie odczytuje z
mapy analogowej i zapisuje w pamięci komputera współrzędne punktów wskazywanych
przez operatora specjalną myszką wyposażoną w celownik (służący do precyzyjnego
namierzania kolejnych punktów, stanowiących elementy obiektów mapy). Wcześniej należy
oczywiście zorientować mapę w odpowiednim układzie współrzędnych.
7
Metoda ta bywa u nas rzadko stosowana, gdyż jest znacznie wolniejsza od omówionej poniżej
oraz mniej dokładna i także - pod pewnymi względami - mniej wygodna. Tylko jedno
nadleśnictwo (Kliniska) posiada mapę wykonaną przy pomocy digimetru.
e) Skanowanie i wektoryzacja
Popularniejszym sposobem jest digitalizacja myszką na ekranie komputera, zwana też
wektoryzacją ekranową.
Najpierw należy zeskanować mapę analogową na bazie której ma powstać baza
geometryczna. Skanowanie polega na "przekopiowaniu" jakby obrazu mapy do postaci rastra,
czyli zamianie linii mapy na uporządkowany zbiór pikseli. Piksele są to malutkie,
niepodzielne pola podstawowe, najczęściej kwadraciki. Można je zobaczyć przy bardzo
dużym powiększeniu. Raster nie może jednak być wykorzystany do automatycznego
rejestrowania obiektów, czyli nie może bezpośrednio na jego bazie być zbudowana mapa
numeryczna. Musi on zostać przekształcony do postaci wektorowej, czyli musi mieć
przypisane współrzędne punktów i sposób ich połączeń. Najpierw należy jednak
przeprowadzić kalibrację rastra. Kalibracja (albo rejestracja rastra) jest to transformacja
zeskanowanego obrazu do przyjętego w digitalizacji układu współrzędnych. Dobierając
odpowiednią skalę wyświetlania rastra i przy zastosowaniu odpowiedniego programu
graficznego (specjalistycznego oprogramowania GIS), klikamy myszką w charakterystyczne
punkty załamania elementów mapy i łączymy je ze sobą. Powstają w ten sposób obiekty
będące dokładnym odzwierciedleniem zeskanowanej mapy. Zdigitalizowane obiekty należy
jeszcze nazwać, czyli przypisać im unikalne (niepowtarzające się) cechy adresowe. Adresy te
powinny być tożsame z odpowiadającymi im adresami znajdującymi się w opisowej bazie
danych. Obie bazy (geometryczna i opisowa) powinny posiadać jedną tożsamą kolumnę,
która łącząc oba zbiory, stworzy tzw. relacyjną bazę danych.
Stosując obie metody (digitalizację i wektoryzację ekranową), dostaniemy w efekcie ten sam
obraz wektorowy i bazę danych współrzędnych geometrycznych.
f) Warstwy mapy
Idea mapy numerycznej polega m.in. na tym (w większości elementów struktury przyjętego w
Lasach Państwowych standardu mapy numerycznej), że każdy rodzaj informacji
geometrycznej na mapie umieszczony jest w osobnej warstwie. Najczęściej przypisanie
obiektów do odpowiednich warstw dzieje się już na etapie digitalizacji.
Przykładowo, osobne warstwy mogą stanowić kontury pododdziałów, kontury oddziałów,
linie podziału powierzchniowego, drogi leśne, cieki, punkty czerpania wody itd. Warstwy
mogą stanowić niejako oddzielne mapy (można je np. osobno drukować). Nakładając się na
siebie, tworzą jednak całkiem inną informację. Np. wydruk warstwy z samymi punktami
czerpania wody pokazuje niewiele, natomiast ta sama warstwa połączona z warstwą
obrazującą podział powierzchniowy, pozwala na usytuowanie tych punktów w sytuacji
nadleśnictwa; gdy dołączone zostaną warstwy dróg i cieków, pozwoli to na dokładniejszą
orientację, przeprowadzenie analizy (nawet sieciowej) i wyciąganie wniosków.
Tworzenie warstw jest bardzo istotnym elementem budowy mapy numerycznej. Od tego, co
8
będzie się składało na poszczególne warstwy, uzależnione będzie tworzenie map
tematycznych - jednej z podstawowych funkcji mapy numerycznej.
g) Systemy obiektowe
Są też programy, które nie wymagają tworzenia warstw. Są to tzw. programy obiektowe.
Wszystkie informacje znajdują się w jednej warstwie. Istnieje tu wszakże możliwość
manipulowania wyświetlaniem poszczególnego rodzaju obiektów.
Programy te umożliwiają prezentację na ekranie wszystkich obiektów, bez ich warstwowania,
z jednoczesną możliwością manipulowania każdym obiektem z osobna lub grupą dowolnie
wybranych obiektów (nazywanych obiektami złożonymi). Przykładowo: wydzielenie, które
poprzecinane jest drogami i rowami może być zdefiniowane jako jedna konstrukcja dająca
sumę wszystkich elementów, albo też ujęte zostaną jako osobne obiekty poszczególne jego
składowe.
h) Programy narzędziowe
Do zbudowania i późniejszej eksploatacji mapy numerycznej konieczne są specjalistyczne
programy obsługujące komputerową grafikę mapową, a zarazem relacyjne bazy danych,
zwane pakietami programów GIS. Inne programy mogą być używane do budowy mapy
numerycznej, a inne do jej eksploatacji.
Oprogramowanie do tworzenia mapy powinno mieć możliwość:
•
wykonywania obliczeń geodezyjnych i geometrycznych,
•
wykonywania kalibracji rastra
•
przetwarzania i obróbki danych skanowanych,
•
przeprowadzania wektoryzacji (najlepiej topologicznej),
•
konwersji do i z wielu popularnych formatów danych przestrzennych i opisowych,
•
zarządzania relacyjną bazą danych,
•
tworzenia własnych aplikacji,
•
wykonywania analiz przestrzennych,
•
budowania numerycznego modelu terenu.
Do eksploatacji leśnej mapy numerycznej należy używać oprogramowania o nieco innych
cechach. Niejednokrotnie do celów przeglądania i prezentacji działających systemów
informacji przestrzennej wystarczą tzw. pakiety "desktop GIS", które wykorzystują zwykle
prosty model wektorowy. Jednakże oprogramowanie wykorzystywane w nadleśnictwie
powinno mieć możliwość m.in.:
•
wektoryzacji (najlepiej topologicznej) materiału skanowanego,
•
edycji bazy graficznej i opisowej,
•
zarządzania relacyjną bazą danych,
•
wykonywania analiz przestrzennych,
•
konwersji danych z innymi formatami,
a ponadto powinno się charakteryzować:
•
łatwością obsługi i interfejsem przyjaznym użytkownikowi,
9
•
pracą w środowisku Windows,
•
polską wersją językową,
•
formatem zapisu zgodnym ze standardem światowym,
•
system powinien być uznany i stosowany na świecie, co zagwarantuje użytkownikowi
ciągłość pracy na nim i możliwość jego modernizacji.
Należy pamiętać, że jedną z najważniejszych cech takiego oprogramowania powinna być
przyjazność dla użytkownika, którym będzie również kierownik jednostki (nadleśniczy,
dyrektor). Nie musi on posiadać wielkiego zasobu wiedzy na temat GIS, a nawet
komputerów, powinien jednak mieć możność szybkiego i łatwego opanowania podstawowych
funkcji programu, aby nie tylko wiedzieć jakie daje możliwości w zarządzaniu firmą, ale
również, aby móc się nim osobiście posługiwać.
3. Opisowe i geometryczne bazy danych
Z systemem informacji przestrzennej spotykamy się zaglądając chociażby do operatu
urządzeniowego. Bo nie jest to nic innego, jak usytuowanie różnych danych o konkretnych
obiektach w przestrzeni. Jest to więc np. przeglądowa mapa drzewostanów, którą wszyscy
doskonale znają, a która zawiera elementy danych opisowych (skrócony opis wydzielenia)
usytuowane w przestrzeni (na mapie).
Ale oczywiście nie o taki SIP nam chodzi, chociaż jest to dobry przykład na zrozumienie
istoty zagadnienia. Spróbujmy więc skomputeryzować nasze dane i utworzyć systemem
informacji przestrzennej o jakim ciągle ostatnio się słyszy.
a) Relacje baz danych
Weźmiemy więc dane urządzeniowe zapisane w postaci tzw. bazy danych komputerowych,
tzn. ułożone w tabelkę, w której wiersze, nazywane rekordami, zawierają całą informację
zebraną o danym wydzieleniu taksacyjnym, a kolumny, zwane polami (właściwie polem
nazywa się komórkę przydzieloną do konkretnego rekordu i leżącą w konkretnej, nazwanej
kolumnie), określają każdy opisywany element rekordu. W ten sposób mamy już opisową
bazę danych.
Sięgnijmy teraz po leśną mapę numeryczną tego samego terenu, dla którego założyliśmy bazę
opisową. W tabelce integralnie dołączonej do naszej mapy, czyli w jej bazie geometrycznej,
oprócz współrzędnych sytuujących mapę w przestrzeni, znajdziemy także kolumnę, która
nazywa unikalnie wszystkie rekordy. Znaczy to, że adresy poszczególnych wydzieleń
taksacyjnych nie powielają się i znajdują się w jednej kolumnie.
Zauważamy od razu, że nazwa kolumny adresowej i jej zawartość, zarówno w bazie
geometrycznej (mapy numerycznej), jak i w bazie opisowej (opisu taksacyjnego) są
identyczne. Oznacza to, że obie bazy są względem siebie relacyjne. Nazywamy je więc
relacyjnymi bazami danych. (Nazwy kolumn niekoniecznie muszą być takie same, ważne jest
jednak, aby miały taką samą strukturę.)
Relacyjne bazy danych pozwalają na korzystanie z informacji zawartych w poszczególnych
10
polach tych samych rekordów jednej bazy przez drugą bazę. Oznacza to, że informacje
dotyczące jakiegokolwiek elementu taksacyjnego z opisowej bazy danych urządzeniowych
mogą być przeniesione do tabeli zarządzającej numeryczną bazą danych, czyli po prostu
wyświetlone na mapie.
b) Mapy tematyczne i analityczne
Z przykładem mapy tematycznej mogliśmy się dotychczas zetknąć korzystając z map
wykonanych w wyniku prac urządzeniowych. Mapa drzewostanowa, siedliskowa, cięć
rębnych, czy zagospodarowania turystycznego - to właśnie typowe mapy tematyczne.
Niestety, urządzanie wykonywało dotychczas wyłącznie mapy przewidziane instrukcją
urządzania lasu. Teraz, posiadając mapę numeryczną, będziemy mogli w krótkim czasie
wygenerować mapę dowolnego obszaru zapisanego w pamięci komputera, złożoną z
dowolnych elementów opisowych znajdujących się w bazach SILP (lub w innych bazach, np.
stworzonych przez nas samych w Excelu) oraz wydrukować ją w dowolnej skali. Może to być
np. mapa kilku oddziałów, w których prowadzone są prace związane z przebudową, z
wyeksponowanymi wydzieleniami na siedlisku BMśw i o zadrzewieniu poniżej 0,6 oraz
mającą rozmiar mieszczący się w okładkach formatu A3.
W ten sposób możemy wyświetlać i drukować numeryczne mapy tematyczne. Mogą to być
mapy zbudowane z dowolnie wybranych elementów występujących w zintegrowanych
tabelach relacyjnych baz danych. Możemy wyświetlić dowolny element taksacyjny, zbiór
tych elementów lub wyrażenie będące wynikiem działania na tych elementach. Mogą to być
także elementy nie związane z opisem taksacyjnym, a nawet z SILP-em, ale mające
jakiekolwiek powiązanie z adresem w geometrycznej bazie danych. Mając np. dane o
mieszkańcach miejscowości obszaru w terytorialnym zasięgu nadleśnictwa i mając te
miejscowości w geometrycznej bazie danych, możemy wygenerować mapę tematyczną w
postaci kartodiagramu dotyczącą mieszkańców tych miejscowości.
Na bazie map numerycznych można też wykonywać bardziej skomplikowane operacje.
Można prowadzić np. analizy różnych zjawisk zachodzących w organizmie leśnym,
symulować różnowariantowe rozwiązania jakiegoś problemu, optymalizować procesy zależne
od podejmowanych decyzji. Mapy obrazujące wyniki takich operacji powiązanych z
usytuowaniem w przestrzeni nazywamy mapami analitycznymi.
4. Element czasu
Dane urządzeniowe nie są jeszcze pełną reprezentacją systemu informacji przestrzennej, gdyż
nie posiadają dodatkowego elementu definicji, jakim jest czas. Wykorzystanie funkcji czasu
nastąpić może, gdy dane z operatu urządzeniowego przeniesiemy do SILP, zaktualizujemy je
po upływie określonego czasu, połączymy z bazą geometryczną zaktualizowaną na ten sam,
co baza opisowa moment i wówczas możemy porównać je z poprzednimi (starymi) danymi,
łącząc np. poprzednie dane z już zaktualizowanymi.
Tworząc relacyjne bazy danych tego samego terenu i tych samych danych opisowych lecz z
różnych momentów czasowych, możemy zbudować system informacji przestrzennej o tym
samym obiekcie lecz pokazujący całkiem inne informacje.
11
Element czasu jest niezwykle istotny w procesie aktualizacji Systemu. Aktualizować należy
równocześnie, na tę samą datę, obie bazy - opisową i geometryczną. Zaktualizowanie tylko
jednej z nich będzie skutkowało błędnym, lub niepełnym generowaniem danych, co z kolei
odbić się może na niepoprawnym wnioskowaniu z pozyskanych informacji, mylnych
analizach i podejmowaniu niesłusznych decyzji.
Element czasu związany jest także z archiwizacją danych opisowych i geometrycznych.
Archiwizacja przydatna może być nie tylko do przechowywania danych o stanie lasu, ale też
przy analizach związanych z upływem czasu. Dlatego istotnym jest cykliczne i jednoczesne
zapisywanie na trwałych nośnikach najbardziej istotnych i często się zmieniających
informacji graficznych i alfanumerycznych.
5. Aktualizacja leśnej mapy numerycznej
a) Co to jest aktualizacja leśnej mapy numerycznej?
Pod pojęciem aktualizacji mapy numerycznej należy rozumieć proces przystosowywania jej
bazy geometrycznej do zmian, jakie zaistniały w czasie użytkowania systemu informacji
przestrzennej od czasu jej powstania lub od czasu wprowadzenia ostatnich poprawek, do
chwili obecnej. Proces ten powinien być obowiązkowo ściśle powiązany z procesem
poprawiania bazy opisowej, do której odwołuje się baza geometryczna. Wówczas możemy
mówić o procesie aktualizacji systemu informacji przestrzennej.
Każda mapa, w tym także mapa numeryczna nadleśnictwa, powstaje na jedną określoną datę.
Najczęściej będzie to, dla nadleśnictwa, data 1 stycznia pierwszego roku obowiązywania
planu urządzenia lasu. W miarę upływu czasu mapa dezaktualizuje się: powstają nowe
wydzielenia będące wynikiem prowadzenia działalności gospodarczej lub wynikiem działania
czynników niezależnych od człowieka (pożary, gradacje, inne wylesienia), przybywają grunty
przejęte przez LP, ubywa zaś powierzchnia przekazana. W niektórych nadleśnictwach zmiany
te bywają nieraz bardzo znaczne. Mapa w postaci analogowej nie poddaje się możliwościom
wprowadzania zaistniałych zmian, a jeżeli już, wprowadzanie ich jest bardzo ograniczone -
aktualizacja jest prowadzona tylko dla wykonania określonych czynności, na ograniczonej
liczbie egzemplarzy i tylko w koniecznych przypadkach. Natomiast do mapy numerycznej
zmiany wprowadzane mogą być na bieżąco, bezpośrednio po ich zaistnieniu. Jest to bardzo
ważna cecha map numerycznych, jedna z najważniejszych odróżniających je od map
analogowych.
Druga część definicji jest też niezmiernie istotna. Poprawienie bazy geometrycznej, czyli
naniesienie nowopowstałych wydzieleń na mapę bez jednoczesnej korekty bazy opisowej,
spowoduje wyświetlenie na mapie tematycznej informacji niepełnych lub fałszywych.
Nawarstwienie się ich może być przyczyną błędnych analiz i związanego z nimi
podejmowania nieprawidłowych decyzji. Aby się tego ustrzec, należy aktualizację bazy
geometrycznej prowadzić równolegle z aktualizacją bazy opisowej, w tym przede wszystkim,
z aktualizacją Systemu Informatycznego Lasów Państwowych.
Ponieważ pominięcie w aktualizacji SILP-u elementu miąższości na poziomie wydzielenia
nie ma żadnego znaczenia w odniesieniu do aktualizacji mapy numerycznej, można śmiało
prowadzić aktualizację elementów, w których zmienił się tylko adres leśny na bieżąco -
12
bezpośrednio po zaistnieniu zdarzenia, gdyż to właśnie adres leśny jest główną przyczyną
powstawania zmian na mapie.
b) Po co i kiedy aktualizować?
Celem aktualizowania bazy geometrycznej nadleśnictwa jest:
•
utrzymanie zgodności z bazą opisową SILP,
•
poprawne prowadzenie rejestru gruntów i kategorii użytkowania,
•
dokonywanie analiz,
•
wizualizacja stanu lasu i zadań gospodarczych oraz wykonania tych zadań,
•
posiadanie aktualnych map dla celów bieżącego zarządzania i potrzeb planów
urządzeniowych.
Aktualizacja bazy geometrycznej nadleśnictwa powinna być prowadzona w przypadku:
•
przejęcia gruntu,
•
sprzedaży lub przekazania gruntu,
•
prowadzonych czynności prawnych,
•
zmian granic podziału administracyjnego kraju,
•
zmian granic podziału administracyjnego LP,
•
zmiany adresu leśnego,
•
wyjaśniania rozbieżności i korekty błędów.
Wykazane powyżej potrzeby wskazują, że należy jednak prowadzić aktualizację i to zarówno
bazy geometrycznej, jak i SILP-u. Najlepiej prowadzić ją „na bieżąco”. Po wystąpieniu
zdarzenia zmieniającego zapis w adresie leśnym (utworzenie nowego wydzielenia w SILP lub
zlikwidowanie istniejącego) i po wprowadzeniu tej zmiany do SILP, należy dokonać pomiaru
zmienionego poligonu i wprowadzić tę zmianę do bazy geometrycznej. W przypadku
podziału istniejącego pododdziału, w SILP-ie powstaną dwa nowe wydzielenia (zachowujące
literkę starego pododdziału z indeksami 99 i 01). Na mapie numerycznej powstaną również
dwa poligony, którym należy w tabeli atrybutów przypisać nowe nazwy w adresie leśnym,
odwołujące się do adekwatnych nazw w SILP. Po połączeniu obu baz, dane zawarte w
tablicach SILP dla nowych wydzieleń, można będzie wykorzystać na numerycznej mapie
tematycznej. Wykonywanie takiej aktualizacji „na bieżąco” pozwoli dysponować zawsze
aktualnym systemem informacji przestrzennej i daje pewność, że oglądana mapa jest „mapą
na dzisiaj”.
c) Jak aktualizować mapy numeryczne?
Aktualizacja bazy geometrycznej wykonywana będzie na podstawie:
•
dokumentacji geodezyjnej,
•
pomiarów uzupełniających,
•
wykorzystania metod fotogrametrycznych i teledetekcji,
•
bazy opisów taksacyjnych w SILP.
Jest kilka metod, przy pomocy których można aktualizować mapy:
1. Pozyskanie z ośrodków dokumentacji geodezyjno kartograficznej współrzędnych
punktów przejętego gruntu w postaci pliku danych lub w postaci analogowej.
13
2. Pomiary bezpośrednie różnymi instrumentami geodezyjnymi, najlepiej mającymi
możliwość zapisu elektronicznego, dzięki któremu pomierzone dane można dołączyć
automatycznie do bazy geometrycznej.
3. Pomiary bezpośrednie odpowiednio dokładnymi odbiornikami GPS, wraz z
automatycznym wczytaniem współrzędnych do bazy geometrycznej.
4. Wrysowywanie granicy wydzieleń ze zdjęć lotniczych lub satelitarnych (jest to
najlepsza metoda przy skomplikowanych, ale wyraźnych granicach).
5. Domiary prostokątne wykonane w terenie i przeniesione na ekran komputera
(najtańsza metoda pomiaru w terenie).
6. Rysowanie myszką bezpośrednio na ekranie (przy bardzo prostych domiarach lub po
granicach naturalnych, już wcześniej zwektoryzowanych).
Dla ułatwienia przeprowadzania czynności aktualizacji mapy numerycznej w nadleśnictwie
przez bezpośrednich użytkowników, projektuje się zbudowanie specjalnych aplikacji
pomocnych w tym procesie. Pierwowzory ich działają już w niektórych nadleśnictwach
eksperymentalnych.
14