Fotogrametria i SIP_wyklad_10_ZSZ

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

GEOMATYKA

Geomatyka (geoinformatyka)

nauka na gruncie informatyki integrująca wszelkie

działania

ukierunkowane na pozyskanie,

przetwarzanie i

udostępnianie

informacji przestrzennych.

W ramach geomatyki zwykle wyróŜnia się jej

działy merytoryczne

zwane

równieŜ

technologiami

informacji

przestrzennej

lub

technologiami geomatyki:

•

systemy globalnego wyznaczania pozycji (GPS);

•

geodezję i kartografię;

•

teledetekcję z fotogrametrią;

•

numeryczny model rzeźby terenu;

•

systemy informacji przestrzennej.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

Informacja geoprzestrzenna

, często określana równieŜ

jako

przestrzenna

lub

geograficzna

jest

informacją

sensie

zdefiniowanym przez

informatykę

Cechą wyróŜniającą ją od innych rodzaj informacji jest to, Ŝe jest

odniesiona do określonego miejsca względem Ziemi. Z tego powodu
jej niezbędnymi atrybutami są dane określające połoŜenie względem
Ziemi wyraŜone w zdefiniowanym i przeliczalnym układzie
współrzędnych (geograficznym, kartograficznym lub geodezyjnym).

Takie odniesienie nazywane jest

odniesieniem bezpośrednim

, ale

określenie połoŜenia moŜe być takŜe 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

Dane geoprzestrzenne

W odróŜnieniu od geoinformacji opisowej wyróŜnia 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

Aspekty geomatyki

Geomatyka jak kaŜda dziedzina dzieli się na pewne warstwy

−

aspekty:

• aspekt podstawowy,
• aspekt teoretyczny,
• aspekt techniczny i technologiczny,
• aspekt zastosowań.

W kaŜdej z tych warstw mamy do czynienia z innym zakresem

problemów, stosowane są róŜne techniki i narzędzia, a takŜe inny
zakres wiedzy potrzebny jest do rozwiązywania tych problemów.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

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  moŜna  teŜ powiedzieć w
wielkim uproszczeniu, Ŝe geomatyka zajmuje się systemami GIS.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

Efektywność i relacje

Efektywność technologii geomatyki jest niewspółmiernie wyŜsza 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

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 naleŜącymi do tych
wspólnych obszarów.

Nie tylko geomatyka korzysta z dyscyplin sąsiednich, takŜe te dyscypliny

wzbogacają swoje  moŜliwości  dzięki  geomatyce.  Korzyści,  jakie  z  tego  czerpią
nauki o Ziemi są oczywiste, ale takŜe 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

Główne nurty działalności

W działalności na gruncie geomatyki moŜna wyraźnie wydzielić

trzy

główne nurty

związane w duŜym stopniu z charakterem i celami

instytucji i ośrodków, które się tą działalnością zajmują:

• działalność badawcza

w zakresie podstaw, teorii i metodyk – wyŜsze

uczelnie, instytuty badawcze i niektóre firmy komercyjne.

• działalność dydaktyczna i szkoleniowa

– wyŜsze 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

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

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

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,  Ŝe formaty  te  nie  mają oficjalnej  jawnej  dokumentacji.  Próby
naprawienia tej sytuacji doprowadziły do powstania ponad 23 róŜnych standardów
danych  geoprzestrzennych,  a  liczba  zajmujących się tym  komitetów  i  innych
organizacji osiągnęła liczbą 25 (Bryan, 1995).

NajwaŜniejsze 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 uŜywany takŜe 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 takŜe stosowany w badaniach naukowych (An
introduction...,1998).

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

Główne obszary problemów

- Model metadanych

Dane geoprzestrzenne są z reguły pogrupowane w pewne agregaty. W zaleŜności od

stosowanej

technologii mogą

to być

warstwy, struktury, obiekty lub

zbioryobiektów.  W  interoperacyjności systemowej  agregaty  te  moŜna 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 moŜliwych typów informacji

geoprzestrzennej.

• jednoznaczność – być jednoznacznie interpretowany zarówno przez ludzi jak i

komponenty systemu informatycznego.

• niezaleŜność – nie być zaleŜnym 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

Główne obszary problemów

- Metody projektowania i budowy systemów GIS

Tworzenie nowych systemów GIS stało się juŜ 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  uŜytkownika,
lecz  nie  zmienia  to faktu,  Ŝe  załoŜenia  teoretyczne  i  metodyczne  stanowiące
fundamentalnego  oprogramowania  są

juŜ

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

Główne obszary problemów

- Interoperacyjność rozproszonych GIS

Osoba wykorzystująca informacje geoprzestrzenne w zastosowaniach

profesjonalnych –

na przykład geolog przy opracowywaniu

dokumentacji – potrzebuje  mieć dostęp  do  róŜnych  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
róŜnych  systemach  GIS  i róŜnych  bazach  danych,  często  takŜe
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

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  umoŜliwi poszczególnym  ich
modułom  znalezienie  (w  oparciu  o  metadane) wszelkiej  potrzebnej  i
dostępnej

informacji,

przetransferowanie

jej

komputera

uŜytkownika 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

Główne obszary problemów

- Technologie obiektowe w GIS

Współczesna informatyka wykształciła wiele róŜnych podejść do

rozwiązywanych

problemów. Jednym z nich jest podejście

obiektowe, a oparte na nim technologie w wielu zastosowaniach dają
wyjątkowo dobre rezultaty.

Dla przykładu moŜna tu wymienić kilka najwaŜniejszych:
• obiektowe języki programowania,
• obiektowe interfejsy graficzne uŜytkownika,
• obiektowe modele i bazy danych,
• obiektowe struktury systemów i modele ich interoperacyjności.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

Obszary zastosowań praktycznych

Ponad 70% wszelkiej informacji to informacja geoprzestrzenna. KaŜdy

adres pocztowy moŜe być zamieniony na współrzędne geograficzne i
informacja z nim powiązana moŜe 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  moŜna  powiedzieć,  Ŝe
obszar zastosowań geomatyki jest  taki  jak  zastosowań informacji
geoprzestrzennej – trudno  jest  znaleźć dziedzinę działalności
praktycznej, w której geomatyka nie jest stosowana.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

Obszary zastosowań praktycznych

Do najwaŜniejszych naleŜą:
• administrowanie terenem i działalnością gospodarczą,
• planowanie przestrzenne i urbanistyka,
• ochrona środowiska i ekologia,
• rolnictwo i leśnictwo,
• przeciwdziałanie skutkom klęsk Ŝywiołowych 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

Wizja przyszłości

• 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

czy science fiction?

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

Metody sztucznej inteligencji

Dziedzina sztucznej inteligencji zajmuje się zagadnieniami tworzenia i

rozwoju właściwości maszyn sztucznych tak, Ŝeby właściwości te
były podobne do najcenniejszej cechy człowieka - czyli inteligencji.
Do metod tych naleŜą (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

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

Metody sztucznej inteligencji - SE

System ekspertowy (SE)

to komputerowy system wykonujący

skomplikowane zadania w określonej dziedzinie o duŜych
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 słuŜy do sterowania procesem wnioskowania i

wyprowadzenia wyników.

Rozdzielenie bazy wiedzy i mechanizmów wnioskowania stanowi

wyraźną zaletę SE. UmoŜliwia to łatwą aktualizację bazy  wiedzy w
celu  zwiększenia  jakości  SE  bez  ingerencji  w  mechanizmy
wnioskowania.  MoŜna  teŜ zastosować istniejące  mechanizmy
wnioskowania do ekspertyzy w rozwiązywaniu innego problemu.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

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 Ŝywego. 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

Metody sztucznej inteligencji - SN

SN wykazują pewne właściwości podobne do procesów myślowych

zachodzących u człowieka (Mulawka, 1996; Openshaw, 1997):

• zdolność przetwarzania niekompletnych danych;
• moŜliwość wytwarzania rezultatów przybliŜonych;
• szybkie i efektywne przetwarzanie duŜych ilości danych;
• przetwarzanie równoległe, rozproszone;
• skojarzeniowy dostęp do informacji zawartej w sieci (adresowanie

zawartością, a nie miejscem), tzw. pamięć skojarzeniowa;

• informacja rozproszona;
• duŜa tolerancja na błędy i uszkodzenia;
• moŜliwość przetwarzania informacji rozmytych, chaotycznych,

niekompletnych, a nawet sprzecznych.

2008-04-10

Fotogrametria i Systemy Informacji Przestrzennej - wykłady 2005

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 Ŝe nie odpowiada

ono Ŝadnemu z przechowywanych wzorców;

• skojarzenie, realizowane w następujących wariantach: skojarzenie uszkodzonego

(zdeformowanego) wejścia (albo wywołania) z najbliŜszym przechowywanym
wzorcem, skojarzenie między parą wzorców, diagnostyka, analiza;

• estymację, czyli realizacja następujących zadań: aproksymacja, interpolacja,

filtrowanie, predykcja, prognozowanie.