1. A GIS - ÁTTEKINTÉS 1-2

Végső Ferenc:Térinformatika A GIS-áttekintés-térinformatikai adatmodell

1. A GIS - ÁTTEKINTÉS 1.1.

Egyedfejlődés: a CAD-tól a GIS - ig

1-2 1-2

1.2. Földrajzi Információs Rendszer - (Geographic Information System) - áttekintés A GIS elemei A GIS típusai A GIS működése

1-8 1-9 1-11 1-15

1.3. Az adattól a modellig A helyhez kötött adatok A modellezés 1.3.1.1. Általános megjegyzések 1.3.1.2. Az adat-átalakítás szintjei 1.3.1.3. A földrajzi adatok természete

1-16 1-16 1-18 1-18 1-19 1-22

1.4. A valós világ számítógépes modellezése 1.4.1 Az egyed leképezésének problémái A változó világ A méretarány Az egyed besorolása 1.4.2 Az egyedek megjelenése a modellben A vektoros adatmodell Raszteres adatszerkezet 1.4.3 A vektoros és a raszteres rendszer összehasonlítása

1-25 1-25 1-26 1-26 1-26 1-27 1-28 1-32 1-39

1.5 A fedvény koncepció

1-46

1.6 Az objektum orientált modell 1.6.1 Az objektumok és jelentőségük a GIS-ben 1.6.2 Térbeli modellezés az OO módszerrel

1-48 1-49 1-50

©F öldmérési és Földrendezői Főiskolai Kar - SdiLA TEMPUS Projekt

1-1


1.

A GIS - ÁTTEKINTÉS

Amint a bevezetőben említettük, a modul célja, hogy bemutassa a földrajzi információs rendszerek leglényegesebb alapelveit, tulajdonságait és a fő alkalmazási területeket. A modulnak nem célja, hogy elsajátítása után valaki képes legyen önállóan megtervezni és felépíteni egy térinformatikai rendszert. Célja viszont az, hogy ha találkozunk egy GIS alkalmazással, akkor felismerjük benne a térinformatikai alapelemeket, a rendszer mozgatórugóit és fel tudjuk mérni, hogy az adott alkalmazás milyen szolgáltatásokat képes nyújtani a felhasználó számára.

1.1.

Egyedfejlődés: a CAD-tól a GIS - ig

Mielőtt a GIS definíciójával foglalkoznánk, tegyünk egy kis kitérőt a címben jelzett fejlődésre, illetve próbáljuk megtalálni a választóvonalat a CAD (Computer Aided Design = Számítógéppel Segített Tervezés) és a GIS között. Ez azért is lényeges, mert gyakran akarnak a felhasználóknak adatbázis kapcsolattal rendelkező rajzprogramot vagy grafikus képességekkel felruházott adat-báziskezelőt GIS szoftverként eladni. Bár az említett rendszerek - mint később látni fogjuk bizonyos mértékig megfelelnek a GIS definíciójának, tudnunk kell, hogy céljainknak milyen képességű GIS felel meg. Aki a jelen oktatási modult olvassa, bizonyára dolgozott már valamilyen rajzoló vagy térképszerkesztő programmal. Tudjuk, hogy a CAD rendszerek elsősorban eddig nem létező objektumok létrehozására szolgálnak a számítógép segítségével, míg a GIS rendszereket a valós világ modelljének megalkotására használjuk, beleértve az eseményeket (pl. változásvezetés az ingatlan-nyilvántartásban), a valós világ megértési folyamatát, a világról alkotott modell elemzését. A valós világ modellezéséhez sokkal több adat és sokkal bonyolultabb adatszerkezet szükséges, mint egy új termék létrehozásához. A kettő körülbelül úgy viszonyul egymáshoz, mint a digitális földmérési alaptérkép az ingatlannyilvántartást lefedő térinformatikai rendszerhez. A GIS rendszerek és a CAD rendszerek közös tőről fakadnak (számítógépes grafika), és talán ez az egyik oka annak, hogy


1-2


talán ez az egyik oka annak, hogy nagyon sok átfedő fogalommal találkozhatunk a két rendszerben. Az alábbiakban felsorolunk néhány gyakran használt kifejezést: CAD

GIS

rajzolás

rajz editor (szerkesztő)

fedvény

téma (tematikus fedvény)

tárgymodellezés

felszínmodell

rajz analízis

térbeli elemzés

alkatrészgyártás

térképkészítés

rajzadatbázis

folytonos térképi adatbázis

rajzadatbázis

változáskezelés

kezelése tervező rendszer

információs rendszer

Az átfedések ellenére van néhány igen fontos különbség a CAD és a GIS között: •

a CAD rajzot elsősorban szerkesztik, míg a GIS rajzi alapja térkép letapogatásával, digitalizálásával, vagy terepi felmérés útján jön létre.

•

egy CAD rajzban zömmel szabályos alakzatok fordulnak elő, ezek gyakran ismétlődnek is (pl. másolással előállíthatók). A GIS-ben ilyenek legfeljebb kivételként fordulnak elő (még az azonos alakú és nagyságú épületeket sem illik másolással előállítani egy digitális térképen).

•

a CAD rendszerekben a szabályos ívek alapelemek, a GIS rendszerekben tulajdonképpen ilyenek nincsenek, olyanynyira, hogy sok GIS program nem is tud körívet rajzolni.


1-3


•

a CAD rendszerekben egy tipikus alakzatnak csak néhány oldala van, a GIS-ben ez lehet több tucat vagy több száz is.

•

a GIS szoftverekben a CAD objektumkezelő funkciói (tükrözés, forgatás, átméretezés, másolás) nem nagyon fordulnak elő, jellemző viszont a GIS rendszerben előforduló vonalakra a fraktáció: rövid szakaszok gyakori irányváltásokkal (határvonalak).

•

a CAD rajzok erősen leegyszerűsítik a valóságot (pl. kapcsolási rajz), míg a GIS rendszerek megpróbálják minél jobban visszaadni a valóságot és tükrözni a valóság elemeinek kapcsolatát (topológiáját).

•

az adatbázis alkalmazása a CAD rendszerben perifériára szorul (jelkulcskönyvtár, rajzok és rajzverziók kezelése). A GIS esetében az adatbázis integrált és nélkülözhetetlen része a rendszernek.

A korai CAD rendszerek elsősorban gépészeti és elektronikai tervezési problémákat oldottak meg. A tágabb piac megszerzése érdekében kifejlesztették a „CAD alapú térképező rendszereket”. A fő fejlesztést a geometria kezelése, a rajzi jelek és a kezelhető adatmennyiség területén végezték. A CAD rendszerek a rajzelemhez tartozó leíró adatokat, tulajdonságokat nagyon korlátozottan kezelik (alkatrész-katalógus). A CAD térképező rendszerek megpróbáltak olyan eredményeket produkálni, amilyeneket a mai GIS-ek tudnak, de kiderült, hogy a CAD alapelgondolása erre alkalmatlan. A CAD fejlesztők felismerték, hogy egy sor szakmának (közműüzemeltetők, városirányítóknak, erőforrásokkal gazdálkodóknak stb.) szükségesek a térképi alapú nyilvántartások, és azt gondolták, hogy ezek kifejleszthetők az eredeti CAD rendszerből. Az alapötlet folyamatos finomítása azonban nem hozta meg a megfelelő eredményt, a mai sikeres GIS-ek teljesen új alapokra épültek. Sokkal jobb az esélye egy adatbáziskezelő továbbfejlesztésének GIS rendszerré, mint egy CAD rendszernek GIS rendszerré . Nem szabad azonban elfelejteni, hogy a folyamatos adatbázis kezelése felvet néhány problémát, amelyet még a vérbeli GIS-eknek sem sikerült maradéktalanul megoldani: •

megfelelő teljesítmény

•

egyidejű hozzáférés


1-4


•

hatékony térbeli keresés

•

eltérő verziók kezelése és szinkronizálása

A CAD és a GIS között lényeges eltérések vannak már az indulásnál is. A CAD rendszerben elkezdhetjük a munkát egy üres papíron is különösebb rendszerszervezési elképzelés nélkül is. A GIS rendszerben az igazi munka csak a célszerű modellépítés és a digitális térképi adatbázis létrehozása után kezdődhet. Ráadásul a digitális térkép létrehozása felvet néhány olyan problémát, amelyre sok CAD rendszer nincs felkészülve : a papír torzulásának kezelése digitalizáláskor, vegyes vetületben lévő térképanyag feldolgozása, a rajzelemek közötti topológiai viszonyok (szomszédság, kapcsolódás) megállapítása és tárolása. A GIS rendszerek esetében nem csak az adatokat kell tárolni, hanem ismerni kell a bevitt adatok megbízhatóságát is (pl. a telekhatárpont rendűsége, koordinátáinak származása). Hasonlóképpen hiányosak a CAD rendszerek képfeldolgozó funkciói is, holott sok alkalmazás számára a képi adatgyűjtés az elsődleges forrás (légifényképezés, űrfelételek).


1-5


A GIS összefüggését az egyéb rendszerekkel az 1.1 ábra szemlélteti.

számítógépes térképezés

távérzékelés

Forrás:GIS

G

I

adatbázis menedzsment

CAD

1.1 ábra


1-6


Szorgalmi feladat : A mellékletben megtalálja az AutoCad, az Arc/Info és az Idrisi nevű szoftverek parancsreferenciáját. Az AutoCad vezető CAD termék, az Arc/Info vezető GIS szoftver, az Idrisi raszteres alapú GIS szoftver. Készítsen táblázatot azokról a parancsokról, funkciókról, amelyek a másik két szoftverben nincsenek meg. Nincs meg a funkció a (z)... AutoCad-ban

Arc/Info-ban

Idrisi-ben

A feladat megoldása során ne zavarja, ha valamelyik parancsról nem tudja pontosan, hogy mire szolgál, ne sorolja be. Az elkészült táblázat alapján foglalja össze röviden, hogy milyen fő csoportokba tudná sorolni az egyes szoftverekből hiányzó parancsokat. Pl.: Az AutoCad-ből hiányzik - a képfeldolgozás - fedvények közötti műveletek - .........


1-7


1.2.

Földrajzi Információs Rendszer (Geographic Information System) - áttekintés

Amikor egy új technológiával, eljárással ismerkedünk, érdemes elolvasni néhány, a szakirodalomban elterjedt definíciót. Íme néhány:

$

•

„a GIS nem önálló tudomány, hanem egy közös alapja az információfeldolgozásnak, és sok olyan területnek, amely a térbeli elemző módszereket alkalmazza.” (Tomlinson 1972)

•

a GIS olyan eszköz, amit arra terveztek, hogy „különböző forrásokból származó nagy mennyiségű adatot fogadjon be... és ezeket az adatoknak a hatékony tárolására, visszakeresésére, átalakítására, elemzésére, megjelenítésére alkalmas a felhasználó szempontjai szerint.” (Marble and Pequet, 1983)

•

a GIS „alkalmas eszköz a világról térbeli adatok gyűjtésére, tárolására, visszakeresésére, átalakítására és megjelenítésére.”(Borrough, 1986)

•

„A GIS egy rendszer a fölfelszínnel kapcsolatos adatok gyűjtésére, tárolására, ellenőrzésére, integrálására, változtatására, elemzésére és megjelenítésére.” (Department of the Environment MU,1987)

•

„... az térbeli adatok átalakítása és azokból további információk nyerése a legizgalmasabb területe a GIS-nek.” Goodchild 1987)

•

„A GIS olyan számítógépes rendszer, amely a földfelszínnel kapcsolatos adatok tárolására és használatára szolgál.” Rhind 1989)

•

„A GIS olyan eljárások csoportja, lehetővé teszi adatok bevitelét, tárolását, visszakeresését, térképezését és térbeli elemzés elvégzését a térbeli és a leíró adatok összekapcsolásával azért, hogy valamely szervezetben segítse a döntéshozatalt.” (Grimshaw, 1994)

•

„A GIS keretet ad az adattárolás, visszakeresés, elemzés, megjelenítés és modellezés minden formájának. Techno-


1-8


lógiát biztosít a multimédia adatbázisok számára, beleértve a videót, CD-ROM-ot ugyanúgy, mint az írott adatokat.” Dangermond, 1994. Ha az idősorrendbe szedett idézeteket áttekintjük, megállapíthatjuk, hogy a hangsúly fokozatosan átkerült a technikaitechnológiai kérdésekről a térbeli elemzésekre és a döntéshozatal támogatására. Ez lényegében azt jelenti, hogy a GIS tudományos-technikai közegből ipari-társadalmi közegbe került. A definíciókból leszűrhetjük, hogy a GIS rendszerek három fő téma: •

a hardver és szoftver

•

a földrajzi helyhez kötődő adatok

•

az adatkezelés és elemzés köré csoportosulnak,

valamint négy fő, egymással kapcsolatban lévő részük van: •

a hardver

•

a szoftver

•

az adatok

•

a személyzet (fejlesztők, kezelők, felhasználók) A GIS elemei A hardver

A hardver napjainkban bármilyen kategóriájú lehet. Tudunk futtatni GIS rendszert egy viszonylag erős személyi számítógépen, munkaállomáson vagy miniszámítógépen és nagyszámítógépen egyaránt. Az utóbbi időben a relatív (teljesítményhez viszonyított) ár csökkenése miatt előtérbe került a munkaállomások és a hozzájuk csatlakozó terminálok használata. Az adatbevitelhez, tároláshoz és visszakereséshez a szokásos perifériákon kívül speciális típusokat is használunk a GISben: scannerek (letapogatók), nagyméretű digitalizáló táblák, szalagos tárolók és CD-ROM írók, rajzgépek.


1-9


A szoftver A GIS szoftverek speciális célszoftverek. A vezető szoftvercsomagoknak több száz parancsa van (ld. Arc/Info parancs referencia). Három alaptípust különböztethetünk meg: •

fájl alapú rendszer: minden adat és funkció külön fájlban van tárolva és a feldolgozás, elemzés idejére a felhasználó rendeli egymáshoz őket. Az akció eredménye egy újabb fájl. Erre a típusra jó példa az Idrisi

•

vegyes rendszerek: a leíró adatokat relációs adatbáziskezelő tárolja és egy speciálisan programozott interfész kapcsolja össze a digitálisan tárolt térképi adatokkal. A vegyes módszert alkalmazza az Arc/Info (PC-s változatának adatbázis-kezelője a dBase program)

•

kiterjesztett rendszerek: a geometriai elemeket és a leíró adatokat egyaránt standard relációs adatbázis-kezelő tárolja, amelyet elemző funkciókkal egészítettek ki. Legismertebb példája a System9 nevű rendszer.


1-10


Az adatok Az irodalom által döntő tényezőnek tartott komponens. A földrajzi adatok gyűjtése nagyon költséges, és földrajzi problémák elemzéséhez nagyon sok és nagyon sokféle adatot kell gyűjteni. A becslések eltérőek az eltérő szituációk miatt, de van aki a teljes rendszer értékének 70%-ig becsüli az adatköltségeket. Hosszú ideig csak kevés adat állt rendelkezésre GIS felhasználásra. Az utóbbi években az űrtávérzékelés, a nemzeti digitális térképezési programok és a nemzetközi méretekben működő adatbázis-építés (járműnavigációs rendszerek, globális erőforrás- és környezetvédelmi alkalmazások, katonai rendszerek) egyre több adatot biztosít a GIS-eknek. A személyzet A legfontosabb eleme a GIS-nek mégis csak az ember. Az ember tervezi meg, építi föl és alkalmazza a GIS-t. Jól képzett emberek nélkül nem lehet projekteket megvalósítani. A jól képzett szakemberek hiánya a legtöbb helyen kikényszeríti a képzési és továbbképzési programokat. Mindazonáltal sok projekt esetében tapasztalhatjuk, hogy a technikaitechnológiai kérdések mellett elhalványul a rendszert használó emberel való foglalkozás.

A GIS típusai Természetesen a GIS is annyiféle, ahány oldalról tekintjük. A földhivatalnak egy eszköz a földmérési alaptérkép és az ingatlan-nyilvántartás számítógépes összekapcsolására és lekérdezésére; a kartográfusnak elsősorban egy nagyon rugalmas térképkészítő rendszer, a közművekkel foglalkozó mérnöknek egy eszköz a vezetékek, csapok, szerelvények helyének ábrázolására, a hálózaton lezajló áramlások modellezésére, a karbantartások megszervezésére; az önkormányzatnak az erőforrások elosztására vagy turistainformációs rendszer kialakítására; a menedzser számára a lehetséges piaci terjeszkedés stratégiájának megtervezésére stb. Ez a tény tükröződik abban is, hogy a GIS-nek számtalan változata alakult ki a piacon.


1-11


Ezekből néhány: Multipurpose Geographic Data System = Többcélú Földrajzi Adatrendszer Computerized GIS = Számítógépes GIS System for Handling Natural Resources = Természeti Erőforrás Nyilvántartó rendszer Land Resources Information System = Területi Erőforrás Információs Rendszer Spatial Data Management and Comprehensive Analysis System = Térbeli Adatkezelő és Összehasonlító- elemző rendszer Planning Information System = Tervezési Információs Rendszer Resource Information System = Erőforrás Információs Rendszer National Resource Management Information System = Természeti Erőforráskezelő rendszer Spatial Data Handling System = Térbeli Adatkezelő Rendszer Geographically Referenced Information System = Földrajzi alapú Információs Rendszer Geo-Information System = Geoinformációs Rendszer Spatial Information System = Térbeli Információs Rendszer Environment Information System = Környezeti Információs Rendszer AGIS - Automated GIS = Automatizált GIS Multipurpose Cadastre = Többcélú kataszter Land Information System = Területi Információs Rendszer AM/FM - Automated Mapping and Facilities Management = Automatizált Térképezés, Közműnyivántartás és Igazgatás


1-12


Mivel az elnevezések mögötti tartalom nem mindig világos, tekintsük át a GIS típusait a fő gyakorlati alkalmazások szerint: Utcahálózati alapú címkeresés útvonal optimalizálás és ütemezés helyzeti elemzés és telepítés tervezés evakuálási tervek kidolgozása Természeti erőforrás alapú erdőgazdálkodás vadgazdálkodás üdülőterületek tervezése árvízi területek kezelése mocsaras területek védelme mezőgazdasági területek kezelése talajvíz-modellezés és szennyezés monitoring környezeti hatáselemzés láthatósági vizsgálat Földrészlet alapú körzetesítés kisajátítás környezeti állapot vizsgálata vízminőség szabályozás tulajdonos nyilvántartás Közműnyilvántartás földalatti vezetékek és kábelek nyilvántartása föld feletti vezetékek és kábelek nyilvántartása közműkarbantartás szervezése energiafelhasználás követése


1-13


Az egyes tipikus alkalmazásokhoz tipikus kérdések kapcsolódnak: Erőforrás leltározás

- mennyi van belőle? - hol van ? - ki a tulajdonosa ? - melyik erőforrás a legkönnyebben elérhető ?

Hálózatkezelés

- kikapcsolás esetén mely területek esnek ki ? - mit kell javítani és hol ? - hol van szükség új vezetékre?

Tervezés

- hol kell először javítani az ellátást ? - hol vannak versenytársak ? - hol kell új irodát nyitni ?

Közlekedésirányítás

- hogy jutok el oda ? - melyik a leggyorsabb út ? - melyik a legrövidebb út ? - merre menjek, ha egy út le van zárva ?

Piackeresés

- hol vannak a lehetséges fogyasztók ? - hol vannak versenytársak ? - hogyan szélesíthetjük a vevőkört ?

Mint láthatjuk, a GIS rendszerekkel szemben nagyon összetett kérdéseket fogalmaznak meg az egyes alkalmazások. Ha a megfogalmazott kérdésekből kiindulva mintegy „visszafelé” haladunk a megvalósítás útján, bepillantást nyerhetünk a GIS működésébe.


1-14


A GIS működése A GIS rendszerekkel szemben feltett kérdések nagy része valamely terület megfelelőségét firtatja. A következő példán megpróbáljuk érzékeltetni a GIS működési módját egy tipikus feladat megoldása során. Képzeljük el, hogy egy város kempingezésre alkalmas területet kíván kialakítani. A feladat a követelményeknek megfelelő terület kiválasztása. A követelmények: •

a teleknek a város tulajdonában kell lennie,

•

lehetőleg kötött, mezőgazdaságilag kevéssé művelhető terület legyen

•

essen kívül a várost elkerülő közlekedési gyűrűn, de attól legfeljebb két kilométerre

•

legyen 20 méternél távolabb a nyílt vízfolyásoktól

•

a területe ne legyen két hektárnál kisebb

A fenti kívánságlistából levezethetjük, hogy milyen funkciókat várunk el az adott esetben a GIS-től: - adott tulajdonos telkének kiválasztása - terület kiszámítása - szétválasztani az adott szempontból érdekes területeket az adott szempontból érdektelenektől - adott vonaltól adott távolságon belül eső területek megtalálása - adathalmazok fedésbe hozása a kívánt terület kiválasztására Szorgalmi feladat Próbálja meg összeírni, hogy a fenti feladat megoldására hazai körülmények között honnan és milyen térképeket szerez(het)ne be.


1-15


Ha átgondoljuk a fenti példát, a következő fő funkciócsoportokat azonosíthatjuk: - adatbevitel - adatok változtatása - adatok átalakítása - az eredmények megjelenítése

1.3.

Az adattól a modellig

Minden GIS rendszer alapvető része az adat. Ebben a fejezetben megtudjuk, hogy milyen adatokkal dolgoznak a GIS-ek és milyen adattípusokra épül a földrajzi információs rendszer modellje. A helyhez kötött adatok A földrajzi információs rendszer abban különbözik az egyéb információs rendszerektől, hogy az általa kezelt adatok egy konkrét földrajzi helyhez kapcsolódnak (ellentétben pl. a pénzügyi információs rendszerekkel, amelyekben a pénz fizikai helye nem lényeges). Mielőtt belemélyednénk a részletekbe, tegyünk különbséget az adat és az információ között. ADAT: „az adat további feldolgozás céljából kódolt információ” (British Computer Society, 1989) INFORMÁCIÓ: „az információ az értelmezés során az adathoz rendelt jelentés” (British Computer Society, 1989)

/

„az információ intelligensen átalakított adat, amely valamilyen jelentést vagy ismeretet közvetít” (Hanold, 1972) FÖLDRAJZI INFORMÁCIÓ: „olyan információ, amelyet a földfelszín egy adott pontjára vonatkoztatunk” (Dep. of Env. MU, 1987) TÉRBELI VONATKOZTATÁS: „ az információ helyének megadása valamilyen vonatkoztatási (koordináta) rendszerben (Shand and Moore, 1989) Például a statisztikai zsebkönyv táblázatainak egy oszlopa adatokat tartalmaz (népesség). A népességszám mellé odatéve


1-16


a hónapok neveit, információt kapunk arról, hogyan változott a lélekszám az adott évben. Ha azt is megmondjuk, hogy ez melyik településen hogy alakult, akkor földrajzi (helyhez kötött) információt kapunk. Ha van egy térképünk, akkor precízen meg tudjuk mutatni az információ helyét a Föld felszínén. A fenti példából leszűrhetjük, hogy egy adott objektumra vonatkozó térbeli információ az alábbi fő részekből áll: - az objektum geometriai jellemzője (hol van?) - az objektum viszonya a többi objektumhoz (hogyan helyezkedik el a többihez képest ?) - az objektum leírható jellemzője (anyaga, típusa stb. ?) Szorgalmi feladat Képzelje el Magyarország úthálózatát mint térbeli adathalmazt. Írja le néhány mondatban, hogy a fenti három szempont alapján mit kell tudnunk az úthálózat leírásához és ezeket az adatokat honnan nyerhetjük. A második jellemző esetében bizonyára mindenki megemlíti az úthálózat elemeinek viszonyát: melyik úton hová lehet eljutni, hogyan keresztezik egymást az utak. Ezt és az ehhez hasonló elemeket a GIS-ben topológiának hívjuk, és fontos részét képezi a GIS koncepciónak. TOPOLÓGIA: „ az objektum kapcsolódása más objektumokhoz, és a szomszédsági viszonyai a többi objektumhoz képest.” (Dep of Env. MU, 1987) A GIS-ben a topológia általában az alábbi három jellemzőre vonatkozik: •

kapcsolódás más egyedekhez

•

beágyazódás más egyedekbe

•

az egyedek szomszédsági viszonyai

Mielőtt nagyon belemerülnénk a részletekbe, nézzük meg, hogy hogyan képezzük le a valós világot modellé és milyen egyedeket használunk a valós világ modellezésére.


1-17


A modellezés

1.3.1.1.

Általános megjegyzések

Talán most is érdemes egy definíciót idézni a fantáziánk megmozgatása végett: A modell lehet „.... egy elmélet, egy törvényalkotás, egy feltevés vagy egy rendszerezett ötletsor. Lehet egy szabály, kapcsolat, egyenlet. Lehet adatok szintézise. Földrajzi nézőpontból az a legfontosabb, hogy tartalmazhat a valós világról térbeli változásokat (térbeli modell) vagy időbeni változásokat (történelmi modell).” Hagget and Chorley 1967, p. 21-22. A mindennapokban a modellt azért alkotjuk, hogy megértsünk és megoldjunk valamely konkrét problémát. Ez lehet nagyon egyszerű (hogyan juthatunk el A-ból B-be), közepesen bonyolult (a komplex ingatlankataszter megoldása térinformatikai módszerrel), vagy nagyon bonyolult (az atmoszféra modellezése a globális felmelegedés szimulációja céljából). Folyamatként felfogva a modellalkotást, egy visszacsatolási eljárással van dolgunk (1.2 ábra) valós

adatgyűjtés

modell

ötletek

világ

visszacsatolás

1.2 ábra

A fenti ábrából sejthető, hogy a modellezés és a modellek élete dinamikus természetű.


1-18


Mint már említettük, nem létezik általános célú, minden szituációban megfelelő modell, mert a valóságnak semmilyen leképezése nem tudja teljesen visszaadni a valós világot. Ráadásul bonyolítja a dolgot az is, hogy ma már a modelleket számítógépen kell tárolni (ha belegondolunk, a hagyományos térkép a valós világ többé-kevésbé mindenki által érthető két dimenziós modellje). Az idők során több megközelítés alakult ki a modellezést illetően. Az egyik módszer szerint a létező összes egyedet a létező összes kapcsolataikkal megpróbáljuk ábrázolni a modellben. Bár ezek a modellek hűen viszszaadják a valóságot, számítógépes környezetben túl összetettek és az adott alkalmazás céljából sok lényegtelen egyedet és kapcsolatot tartalmaznak. Más módszerek szerint a modellépítést az alapelv vezérli, hogy az adott probléma szempontjából lényegtelen egyedeket és kapcsolatokat elhagyjuk. A gyakorlati életben kialakult eljárások szerint a modell az adott probléma megoldására jön létre, kihagyva az adott szempontból fölösleges egyedeket és kapcsolatokat, ezáltal hatékony tárolásra és használatra adva lehetőséget. A modell kiválasztásakor figyelni kell az ábrázolandó egyed tulajdonságaira és azokra a műveletekre, amelyeket az adatokon végre akarunk hajtani. Ezek a szempontok sokféle formában és vegyesen jelennek meg a működő GIS rendszerekben.

1.3.1.2. Az adat-átalakítás szintjei Az eddigiekben gyakran használtuk az „egyed” kifejezést a valós világ egy jelenségének kifejezésére. Talán úgy mondhatnánk, hogy az egyed létező dolog és megkülönböztethető más dolgoktól. Így a szék, a személy, a tó egyednek tekinthető. Közös tulajdonságokat mutató egyedeket csoportoknak nevezhetünk (a tavak, a hegyek, az asztalok csoportot alkothatnak bizonyos szempontból). Mint említettük a modell nem csak egyedekből, hanem kapcsolatokból is áll. A kapcsolat sokféle lehet: „kisebb mint”, „balra van”stb. Az egyedeknek és a kapcsolatoknak tulajdonságaik (idegen szóval attribútumaik) vannak. Ezek az egyed vagy csoport olyan értékeit fejezik ki, amelyek az egyedből származnak. Például a tavaknak tulajdonsága a méretük, a tengerszint feletti magasságuk, a vizük minősége stb.


1-19


Codd (1981) az adatmodellek három közös összetevőjét vélte felfedezni: egyedek gyűjteménye, műveletek gyűjteménye és szabályok gyűjteménye. Mivel a modellezés emberi tevékenység, megfigyelhetjük, hogy különböző foglalkozású emberek különböző célokra eltérő adatmodelleket alkotnak ugyanazokról a jelenségekről. Jó példa erre az általános és a tematikus térképek szemléletmódja. Abban azonban minden adatmodell hasonlít, hogy a valós világot az összetettség valamilyen szintjén ábrázolja. Arra nincs szabály, hogy ez hány szint legyen, mégis elkülöníthető négy jellegzetes szint (D.J. Pequet): Valóság - az egyed, ahogyan a valóságban létezik a felismert és a fel nem ismert kapcsolataival együtt Adatmodell - általában a valóság valamilyen koncepció szerinti leképezése, amely csak az adott szempontból lényeges egyedeket és kapcsolatokat veszi figyelembe Adatszerkezet - az adatok megjelenítése számítógépes ábrázolásra alkalmas formában (listák, táblázatok, rekordok stb.) Fájl szerkezet - ahogyan az adat a fizikai tároló eszközökön megjelenik (sávok, szektorok, fájl eleje, vége stb.) Ahogyan haladunk a valóságtól a mágneses adattárolás felé (1.3 ábra), úgy fokozódik az absztrakció, az egyszerűsítés és az általánosítás (végső soron mindenből egy bit (0 vagy 1 értékű) lesz).


1-20


a valós világ 1

15

1 3

4

3

14

11

5

az adatmodell

4

7 17

2

2

12

13

6

16

8 18

pontok

poligonok

leíró adatok

az adatszerkezet

mágneslemez

állományok

Forrás: D.J.Pequet

1.3 ábra


1-21


1.3.1.3. A földrajzi adatok természete A modellépítés amúgy sem egyszerű feladatát megnehezíti, hogy a modellben ábrázolandó „térbeli” egyedek a valóságban nagyon változatos formában jelennek meg, és leképezésük nem független a szubjektumtól. Az egyik egyedtípus a pont, amellyel pontszerűnek tekinthető jelenségeket modellezünk. Gondoljunk arra, hogy egy modell szempontjából egy sokszögelési pont éppúgy pontnak képezhető le, mint az ország városai. A pontszerűen leképezett egyedet általában egy valamilyen vetületben értelmezett koordináta-párral jellemzünk. A következő típus a vonalszerű egyed, ahol koordináták sorozata írja le az egyed fizikai helyét. A vonalak lehetnek:

- különállóak, mint pl. a geológiai törésvonalak, - fastruktúrát utánzó vonalak, mint pl. a vízfolyások rendszere, - hálózatot alkotó vonalak, mint pl. az úthálózat, közművezetékek, stb. A harmadik alaptípusnak a zárt vonalak, vagy poligonok tekinthetők. Ez technikailag olyan koordináta sorozat, amelyben kétszer fordul elő egy koordináta pár. A poligonok lehetnek: - szigetszerűek, ahol a poligon egyik oldala sem közös másik poligonéval (pl. úszótelek), - szomszédos poligonok, ahol minden poligon érintkezik egy másikkal, pl. Magyarország megyehatárai, - beágyazott poligonok, ahol egy vagy több poligon van egy másikon belül, közös határvonallal, mint pl. a szintvonalak egy topográfiai térképen. A fentieken kívül szokás még beszélni egy negyedik típusról, amely valamilyen kombinációja a fentieknek. Ha egy országhatár (poligon típusú) egyben folyó is, (vonal típusú), vegyes típusú egyeddel állunk szemben. Ilyenkor általában a modell konkrét célja dönti el, hogy az egyed melyik tulajdonságát vesszük figyelembe a besoroláskor. Persze annak sincs akadálya, hogy ugyanaz a jelenség kétszer szerepeljen a modellben, csak másként leképezve. Mint már említettük minden egyednek vannak tulajdonságai, amit leíró adatnak vagy attribútumnak hívnak. A fentiek alapján tehát egy város helyét egy


1-22


koordináta pár adja meg, leíró adata pedig lehet a népessége. A térbeli jelenségek, egyedek sok tekintetben különböznek az egyszerű, lista típusú adatoktól. Van térbeli helyük, amely a földfelszínhez kapcsolja őket, és csak adott koordináta rendszerben értelmezhető. A kapcsolatok az egyedek között számosak és nagyon bonyolultak lehetnek. Ezek a kapcsolatok („közel van”, „távol van” stb.) csak ritkán fogalmazhatók meg pontosan, és a modellek korlátai miatt nem is ábrázolható minden aspektus. A fentiek miatt nem létezik általánosan megfelelő modell és sztenderd adatformátum a számítógépes megvalósítás területén, szemben pl. a pénzügyi rendszerekkel, ahol a szabályoktól kezdve az állományok rekordjainak formátumáig megvannak a kialakult eljárások. Ráadásul a számítógépes rendszerek az adatokat sorosan, egy dimenzióban tárolják. Ezért az említett - topológiai - információk önmaguk is tárolandó adattá válnak. Az eddig leírtakból érezhető, hogy a modellalkotás nagyrészt kompromisszumok sorozata, melyeket a leképezés teljessége és a hatékony kezelhetőség között kell kötni. A modellekkel szemben az alábbi elvárásokat szokták megfogalmazni: •

teljesség- lehetőleg tartalmazzon minden geometriai topológiai és leíró adatot a modellbe felvett egyed(ek)ről,

•

stabilitás - a modell alkalmazkodása a mindig előforduló kivételekhez,

•

rugalmasság - a modell bővíthető legyen az alapmodell teljes átdolgozása nélkül,

•

hatékonyság - tárolási hatékonyság és használati sebesség,

•

könnyen létrehozható legyen - mennyi munkát kell abba fektetni, hogy a valós egyedek a modellben felhasználható formában kerüljenek leképezésre ?

Természetesen nem tudunk olyan modellt alkotni, amely minden szempont szerint optimális. A modell célja szerint optimalizáljuk a rendszert. Egy turista tájékoztató rendszerben fontos a gyors válaszidő, ezért a térkép részletességéből (adatmennyiség!) engedhetünk. A komplex kataszter modellje esetében nem tekinthetünk el a gyorsaság miatt attól, hogy a földmérési alaptérkép tartalmát hiánytalanul tároljuk. Ha egy modell teljesítményét meg akarjuk határozni, akkor a fenti szempontok alapján értékelhetjük azt. Ez azonban nem egy-


1-23


szerű feladat, mert míg a tárolóhely igény, a sebesség mérhető mennyiségek, a teljesség, a stabilitás, a rugalmasság elvont fogalmak, értékelésük meglehetősen szubjektív. Szorgalmi feladat: Ha ismeri, próbálja meg a teljesség és a létrehozhatóság szerint értékelni a TAKAROS-t.

Az eddig tanultak alapján kibővíthetjük a modellalkotás szintjeinek tartalmát: A valóság _________________________________________________ 1. szint: Térbeli egyedek: pontok vonalak poligonok hálózatok(származtatott) felszínek (származtatott) _________________________________________________ 2. szint Térbeli adatmodell rácsos (raszteres) vektoros (vonalszerű) Térbeli alapegység raszteresnél cella vektorosnál pont _________________________________________________ 3. szint Adatszerkezet raszteres adatszerkezet (négyesfa)


1-24


vektoros adatszerkezet (topológia) _________________________________________________ 4. szint Számítógépen való ábrázolás relációs adatbázis objektum orientált adatbázis vegyes adatbázis A fenti felsorolásban megjelent több új fogalom, köztük a származtatott egyed. Ezek az alapobjektumok kiterjesztései, tehát új tartalommal nem bírnak. A hálózat és a felület azonban olyan tipikus jelenségeket modellez, amelyek miatt önálló egyedként is kezelhetők. A hálózatról szóltunk az egyedek természetével kapcsolatban (olyan vonalak, amelyek egymáshoz kapcsolódnak és rendszerint valaminek az áramlását szabályozzák). A felszín egy olyan egyed, amelynek minden pontjához egy mért érték vagy egy minőség kapcsolódik. Felszín lehet a topográfiai felszín, a népesség eloszlása, hibaeloszlás vagy a hőmérséklet térbeli eloszlása. Hogy mi mindent definiálunk felszínként az csak az ismereteink és a fantáziánk kérdése. A következőkben a 3. és 4. szint megvalósításának kérdéseivel foglalkozunk.

1.4.

A valós világ számítógépes mo modellezése

1.4.1 Az egyed leképezésének prob problémái Amikor modellt alkotunk, legalább három alapkérdéssel találjuk szembe magunkat: a valós világ folytonos változásban van, a leképezés „méretarányának” meghatározása és az egyedek konkrét megjelenítése a modellben.


1-25


A változó világ

/

A valós világ folyamatosan végtelenül bonyolult és folyamatosan változik, ezért nem könnyű eldönteni, hogy az egyed leképezésére melyik alapobjektumot válasszuk. Néhány elszórt fát valószínűleg pontként lenne kedvünk ábrázolni, de ha a kedvező körülmények miatt sűrűn kinőnek a fák, azt már erdőnek kell tekinteni, és az erdőt határoló töréspontok alapján poligonként célszerű leképezni. Könnyen elképzelhető más olyan példa is, amikor az egyed méreteinek vagy eloszlásának változása az idők folyamán új egyedtípus bevezetését indokolná. A méretarány Jelen esetben nem egészen a hagyományos értelemben vett méretarányról van szó, hanem az adatbázis térbeli kiterjedésének és az egyed leképezésének harmóniájáról. Ha az egész Magyarországot lefedő környezetvédelmi adatbázist kívánunk létrehozni, azon a településeket valószínűleg pontként ábrázolnánk. Másfelől a földmérési alaptérképen az utakat szélességüktől függetlenül poligonként ábrázoljuk, hiszen ingatlan-nyilvántartási szempontból mindegyik önálló telek. Az ideális modellben persze teljes részletességgel lenne jó ábrázolni az egyedeket az adatbázis kiterjedésétől függetlenül, erre azonban a mai hardver-szoftver környezet nem ad lehetőséget és talán nem is célszerű. Az egyed besorolása A valós világ jelenségeinek besorolása az egyedtípusok valamelyikébe mindig nehéz feladat, hiszen a valóságban ezek nem tisztán jelennek meg. Klasszikus példa a földmérésben az elhatárolás problémája. Ha egy erdőt poligonként akarunk modellezni, felvetődik a kérdés: hol az erdő széle? Vannak-e az erdő szélének töréspontjai? stb. Csak látszólag oldódik meg a probléma ha térképről digitalizáljuk az erdőt, hiszen azt is szubjektíven határolta el valaki, legfeljebb azt mondhatjuk, hogy az elhatárolás után az erdő széle jogilag tisztázott. Ez azonban sok térinformatikai alkalmazásban nem fő szempont. Élesen vetődik fel a kérdés pl. akkor, ha a gazdákat az erdősítés arányában adókedvezmény illeti meg. Az egyedek leképezése azért is alapos megfontolást igényel, mert a nem megfelelő besorolás a későbbi elemzéseket egy részét


1-26


lehetetlenné teheti. Pl. a vonalként ábrázolt utakkal nehéz területi műveleteket végezni. 1.4.2 Az egyedek megjelenése a mo modellben Míg az emberi szem és tudat hatékonyan ismeri fel a formákat és mintákat, a számítógép számára pontosan meg kell adni az egyed leképezésének módját. A valós világ leképezésének ez a második fázisa. Manapság két alapvető módon tudja a számítógép ábrázolni a térbeli egyedeket: vektoros vagy raszteres módon. A vektoros ábrázolás ahhoz hasonló, mint amikor egy mesekönyvben pontok vannak számokkal és az a feladatunk, hogy a pontokat a megfelelő sorrendben összekötve, kialakítsuk a jelenség összképét. A raszteres ábrázolás leginkább a Lego játékhoz hasonlít, amikor az egyedet azonos nagyságú elemekből rakjuk össze, és a kockák eltérő színezése különbözteti meg őket egymástól (1.4 ábra)

1.4 ábra A raszteres és vektoros leképezés


1-27


A vektoros adatmodell A vektoros adatmodell elképzelése földmérők számára nem jelenthet gondot, hiszen a nagyméretarányú térképek a valóság vektoros leképezései. Az egyedeket (pontok, vonalak, poligonok, hálózatok és felületek) jellemző pontjainak koordinátáival írjuk le. Az egyedek megjelenítése a vektoros modellben alapvetően kétféle lehet: •

topológia nélküli adatszerkezet

•

topológiával kiegészített adatszerkezet

Mivel a térinformatikában a topologikus adatszerkezet a leggyakoribb, ezért ezt ismertetjük részletesen.


1-28


Topologikus adatszerkezet A topológia megalkotásának és tárolásának szemléltetésére tekintsük az alábbi ábrát:

1.5 ábra Topologikus adatmodell Mint az ábrán láthatjuk, a topológia leírásához be kell vezetni két fogalmat: •

csomópont: két vagy több vonal találkozása

•

pont: önálló pont, vagy töréspont egy vonalon belül


1-29


Az ábrán látható jelenet topológiai leírását az alábbi táblázatokkal lehet megadni: Csomópont (node) koordináta állomány Pontszám

x

y

11 12 13 14 15 16 17 18 21 22 23 24 25 26 42

Vonal állomány Vonalszám 1

Pontok x13,y13,x12,y12,x11,y11,x18,y 18,x17,y17

2 3 4 5 6


1-30


Kapcsolódás Vonalszám

Honnan Hová

4

21

Hossz

23

5 6

Területleírás Foltszám

Vonalszám

31

1,3

Terület

Kerület

32

Szomszédság Vonalszám

Balfolt

Jobbfolt

1

31

33

2 3 Szorgalmi feladat: A példa alapján töltse ki a táblázatok hiányzó sorait ! A csomópont állományba írjon kitalált koordinátákat, és számolja ki a táblázatok hiányzó oszlopait (hossz, terület, kerület)! A fentiek alapján foglaljuk össze, hogy milyen lépései vannak a topológia létrehozásának az alapobjektumok esetében: Pontok: a pontok topológiai leírásához elegendő egy koordináta pár megadása, hiszen ez már meghatározza a többi objektumhoz való viszonyát.


1-31


Vonalak: a vonalak esetében először meg kell állapítani a kezdő-és a végpontot (vagyis a vonal irányát), valamint a közbenső töréspontokat. Ez után azt kell leírni, hogy mely pontok alkotják az egyes vonalakat. Poligonok: •

megállapítjuk az egymást keresztező vonalak metszéspontjait

•

a vonalakat poligonokká kapcsoljuk össze

•

ellenőrizzük a poligonok zártságát

•

minden poligonnak egyedi azonosítót adunk

Raszteres adatszerkezet Mint már említettük, a valós világ modellezése során két fő modellt választhatunk: a vektorost vagy a raszterest. A raszteres modell választását több dolog indokolhatja: - viszonylag egyszerű, számítógéppel jól kezelhető adatszerkezet jön létre - a fedvények közötti műveletek végrehajtása a vektoros adatszerkezethez képest egyszerűbb - a raszteres adat-előállításnak vannak automatizált formái (pl. a letapogatás vagyis szkennelés) - viszonylag könnyű áttérni raszteres modellről vektorosra - kódolási eljárásokkal viszonylag jól tömöríthetők a raszteradatok - egyes esetekben az adatnyerés raszteres formában történik (pl. távérzékelő műholdak, légifényképezés) A raszteres modellt úgy állítjuk elő, hogy a szóban forgó területet meghatározott sorrendben cellákra osztjuk. A cella alakja nem kötött, lehet három-vagy többoldalú szabályos sokszög. Praktikus okokból a négyzetet szokták választani, mert ez az idom számítógépes eljárással könnyen létrehozható és kezelhető. A leggyakoribb sorrend az, hogy a bal felső sarokból indulva sorról-sorra osztjuk fel a területet.


1-32


A raszteres átalakítás során minden cella egy értéket kap. Világos, hogy adott cellaméret mellett egy cella több értéket is kaphatna, amennyiben az jelenség nem fedi be teljesen a cellát. Ezt a problémát valamilyen megállapodással lehet megoldani. Az egyik megoldás a dominancia elve: a cellát nagyobbrészt kitöltő jelenség kapja az egész cella kódját. A másik megoldás szerint, ha a jelenség eléri a cella nagyságának 50%-át, akkor hozzá tartozik az egész cella. A 2.4 ábra érzékelteti az eltérést a két módszer között.

jelen van -nincs jelen

50%-os szabály eredeti térkép

1.6 ábra


1-33


Felhívjuk a figyelmet arra, hogy a raszteres tárolás egyik legnehezebb kérdése az optimális cellaméret megválasztása. Túl nagy méretű cellák esetén egyes objektumok „eltűnnek”, a túl kis cellaméret adattárolási problémákat okozhat, hiszen a cellaszám növekedésével az adatmennyiség négyzetesen nő. A raszteres modell létrehozása során ki kell töltenünk a teret, azaz annak minden pontját hozzá kell rendelni egy cellához. A cellák egy csoportja a hozzá tartozó értékekkel alkot egy fedvényt, amit idegen szóval layer-nek is neveznek. Több fedvényt logikailag csoportosítva juthatunk egy adatbázishoz: talajtípus, földhasználat, felszínborítottság, domborzat stb. A cellák értékeit célszerűen nem papírra, hanem valamilyen adatfájlba érdemes beírni. Ezt az adatfájlt létrehozhatjuk szövegszerkesztővel, adatbázis kezelővel vagy egy e célra írt programmal. Cellánkénti létrehozás esetén az értékeket beírhatjuk közvetlenül a GIS programban, vagy behívhatjuk a fent említett ASCII fájlt. A következőkben néhány tipikus import fájlformátumot láthatunk. Sorok szerinti elrendezés: 1

1

1

2

2

1

1

1

1

2

1

1

1

1

1

3

3

1

1

1

3

3

3

1

1

Minden elem új sorban kezdődik: 1 1 1 2 2 1 stb. Folyamatosan beírt adatok: 1 1 1 2 2 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 3 3 1 1 1 3 3 3 1 Hogy a cellák milyen értéket kapnak, és az egyes értékek mit jelentenek azt az adatmodell dönti el, ami megszabja az adat-


1-34


bázis felhasználási célját. A cellákba írt értékek lehetnek szám -vagy betű típusúak, ezen belül egész vagy tört számok is, ez csak a szoftver sajátosságaitól függ. Ha egy rendszer megengedi vegyes (szám és betű) típusok használatát, figyelmeztetni kell a felhasználót az értelmetlen műveletekre (pl. szám és betű szorzása). Az egész számok gyakran kódokat takarnak, pl. 0 = osztályozatlan 1 = finom homokos agyag 2 = durva szemcsés homok 3 = kavics A valós számok általában domborzat modellek cellaértékeként fordulnak elő. Egy fedvényen belül egy ponthoz csak egy információ kapcsolódhat. Ez azt jelenti, hogy egy összetett jelenség adatmodellje több tucat fedvényből is állhat. A fedvények sorozatát nevezzük raszteres adatbázisnak. A raszteres adatmodell legegyszerűbb tárolási módja az adatmátrix. A mátrix elemeire a sor és az oszlop megadásával lehet hivatkozni. A rácselem (pixel, képpont) hordozza az általa lefedett terület attributum adatát, az objektum típusát vagy értékét: AAAA ABBB AABB AAAB Az ilyen adatszerkezet egyszerűen kezelhető, tárigénye viszont rendkívül nagy. A fenti raszter tárolásához 16 tárolóhely szükséges. Mivel egy fedvény cellák millióit tartalmazhatja, és ezek között nagyon sok hasonló akad (a természetben sűrűn fordulnak elő homogén jelenségek), célszerű valamilyen tömörítő eljárást alkalmazni. Amennyiben a cellaadatok digitális formában állnak rendelkezésre (pl. űrfelvétel), igen gyakran csak újramintavételezés után tölthetjük be a raszter GIS-be.


1-35


Adattömörítési eljárások A sor-hossz kód A sor-hossz (run-length) kódolás objektumonként, és soronként tömörít, a sok -> egy relációt kihasználva. Ahelyett, hogy valamennyi értéket megadná, soronként balról-jobbra haladva az azonos értékeket egy csoportként kezeli és csak a csoport kiterjedését jellemzi. A módszert gyakran alkalmazzák raszteres adatbázis bevitelére. Több sor-hossz kódolási megoldást dolgoztak ki az említett alapelven. A sor-hossz kód alapmegoldásában a letapogatás soronként balról-jobbra történik. A leírás soronként a csoport értékét és kiterjedését adja meg. AAAA ABBB AABB AAAB A mintaraszterünk sor-hossz szerint kódolva: 4A,1A,3B,2A,2B,3A,1B=7 adat, ami jóval kedvezőbb a mátrixos tárolásnál. A oda-vissza rendszerű letapogatásnál a csoportnak nincs vége a sorok végén. A kódolás itt is a modell bal-felső sarkában kezdődik, az első sorban balról-jobbra haladva, de a másodikban jobbról-balra, majd ismét balról-jobbra stb. AAAA ABBB AABB AAAB A mintaraszterünk oda-vissza rendszerben kódolva: 4A,3B,3A,3B,3A=5 adat, ami további helymegtakarítást jelent. Általában nem lehet szabályt megállapítani az egyes kódolási módszerekkel elérhető hatékonysággal kapcsolatban, ez mindig függ a raszter elemeinek változatosságától és az értékek egymáshoz viszonyított elhelyezkedésétől. Szélső estben az is előfordulhat, hogy egy bonyolult kódolás nagyobb adattömeget eredményez, mint az egyszerű soronkénti kódolás.


1-36


A fenti módszereknek van egy közös hiányosságuk: ha egy rasztertömbben nagy homogén területek vannak, vagy változó pixelmérettel szeretnénk dolgozni, (más szóval változik az adatsűrűség) a kódolás során akkor is érintenünk kell minden pixelt. Ezt a problémát a hierarchikus adatszerkezet kialakításával tudjuk megoldani (négyesfa kódolás). A rasztermodellek közül a legtömörebb tárolást ez a módszer biztosítja azáltal, hogy a modellben a rácsméret rugalmasan változik. Ott, ahol az objektumok finom részleteket alkotnak, a rácsméret felére, negyedére, nyolcadára csökken.

1.7 ábra A négyesfa A fa leveleinek jelentése: a kitöltött négyzet arra utal, hogy a rácselemet teljesen lefedi az objektum; üres négyzetet ott találunk ahol a rácselemen nem található az adott objektum(típus), a nullkörök vegyes tartalmat jelölnek.) Osszuk a "térkép" területét az oldalak felezésével először négy negyedre. Azt a rácselemet nem kell tovább bontani amelyre nem esik az ábrázolandó objektumnak egy részlete sem, vagy amelyet teljes egészében lefed az objektum. A ve-


1-37


gyes tartalmú rácselemeket a szükséges részletek eléréséig tovább negyedeljük. Nagyon hasonló ehhez, bár más célú az EOV térképek szelvényszámozási rendszere. A következőkben összefoglaljuk a raszteres fedvények legfontosabb tulajdonságait: Felbontás: általánosságban a felbontás nem más, mint az ábrázolt terület legkisebb elemei közötti távolság minimuma. A raszter modellekben ez a legkisebb elem a cella vagy pixel, alakja a leggyakrabban négyzet, de egyes rendszerek használnak háromszögeket vagy hatszögeket is. Tájolás: ez azt a szöget jelenti, amelyet az északi (vagy déli) irány a raszter oszlopai által meghatározott iránnyal bezár. Övezetek: a fedvényeken övezetet alkotnak azok a helyek, amelyek folyamatosan kapcsolódnak egymáshoz, és azonos értékeket mutatnak. Ilyenekre példa: magánterületek, politikai egységek, tavak, szigetek, ugyanazon talajtípusnak vagy növényfajtának az önálló foltjai. Itt meg kell jegyezni, hogy az övezet, vagy osztály fogalmának jelentése eltérő lehet az egyes GIS szoftverek esetében. Ezért mindig gondosan át kell tanulmányozni a konkrét rendszerhez megadott definíciókat. Ha a cellák értéke folyamatosan változik (pl. fénykép) akkor azon a fedvényen nem is értelmezhető a zóna fogalma. Helyzeti azonosítás: felmerülhet az az igény, hogy a cellákat valamilyen (országos) koordináta rendszerben ábrázoljuk. Ilyenkor az eddig használt relatív cellaazonosítóról (sor, oszlop) át kell térnünk egy másik koordináta rendszerre. Ehhez a tájoláson kívül ismernünk kell egy cella helyét az országos koordináta rendszerben. Abban is meg kell állapodni, hogy az illető koordináta a cella melyik részéhez kapcsolódik (közepe, bal felső sarka stb.).


1-38


Szorgalmi feladat: A gomba rajzát fölhasználva, készítsen raszter állományt! A gomba különböző részeit különböző színekkel ábrázolja az üres rácson! Az 50%-os szabály alkalmazásával döntse el, hogy a gomba melyik része melyik cellát foglalja el. Ezután a színeket helyettesítse számokkal! Számolja össze az egyes színek által lefedett négyzeteket! Tömörítse a rasztert a sor-hossz kódolással! Válaszoljon az alábbi kérdésekre: 1. Hány cella tartozik egy-egy gombarészhez? 2. A tömörítés hány százalékos megtakarítást jelentett az egyszerű tároláshoz képest?

1.4.3 A vektoros és a raszteres rendszer öszöszszehason szehasonlítása Valószínűleg nem meglepő az Olvasónak az a megállapítás, hogy mindkét rendszernek vannak előnyei és hátrányai. Mielőtt ezzel részletesen foglalkoznánk, kérem oldja meg a következő szorgalmi feladatot:


1-39


Szorgalmi feladat: Az alábbi táblázatban a tanultak és meglévő ismeretei illetve műszaki fantáziája alapján próbálja összefoglalni a raszteres és vektoros rendszerek előnyeit és hátrányait! Ha készen van, hasonlítsa össze az ezután következő két táblázattal! Raszter modell

Vektoros modell

Előnyök:

Előnyök:

1.

1.

2.

2.

3.

3.

4.

4.

5.

5.

stb.

stb.

Hátrányok:

Hátrányok:

1.

1.

2.

2.

3.

3.

4.

4.

stb.

stb.


1-40


Az előnyök és hátrányok Burrough szerint: Vektoros rendszer

Raszteres rendszer

Előnyök

Előnyök

1. A valós világ jelensége- 1. Egyszerű adatszerkezet inek megfelelő adat2. A térképi adatok komszerkezet binálása a távérzékelt 2. Tömör adatszerkezet adatokkal egyszerű 3. Teljes körű topológia leírás 4. Pontos geometria

3. A térbeli elemzések számos változata egyszerű

5. A grafika és a leíró ada- 4. A módszer olcsó és rohamosan fejlődik tok visszakeresése, frissítése és generalizálása Hátrányok könnyű 1. A nagy adatmennyiség Hátrányok 2. Elveszíthetünk egyede1. Bonyolult adatszerkezet

ket, ha az adatmennyiség csökkentése miatt növeljük a cellák méretét

2. Több poligonos fedvény vagy raszteres és poligonos fedvény fedésbe hozása nehézkes 3. A raszteresen rajzolt „szögletes” térképek 3. A modellezés bonyonem olyan szépek, mint lult, mert minden a vektorosak egyednek eltérő topológiai formája van

4. A hálózati kapcsolatok költségesek 4. Nehézségeket okozhat a megjelenítés és a kiraj- 5. A vetületi átszámítások zolás időigényesek és speciális algoritmusokat kí5. A módszer drága a spevánnak ciális hardver és szoftverszükséglet miatt.


1-41


Az előnyök és hátrányok Aronoff szerint: Vektoros rendszer

Raszteres rendszer

Előnyök

Előnyök

1. Sokkal tömörebb adat- 1. Egyszerű adatszerkezet szerkezet, mint a raszte- 2. A fedvények közötti resnél műveletek egyszerűek 2. A topológia hatékony és hatékonyak tárolása 3. A nagy térbeli változé3. A grafika hatékony támogatása 4. A digitális állomány hatékony kezelése

konyságot (sok, egymástól eltérő apró jelenség) hatékonyan kezeli Hátrányok

Hátrányok

1. Az adatszerkezet kevéssé tömör

1. Az adatszerkezet sokkal 2. Nehéz a topológiai vibonyolultabb, mint a szonyokat ábrázolni raszteresé 2. Sokkal nehezebb meg- 3. A grafikus megjelenítés „szögletes” - amit javítvalósítani a fedvények hatunk a cellák számáközötti műveleteket nak növelésével, de ez 3. A nagy térbeli változénagyon nagy állomákonyság ábrázolásában nyokat eredményezhet nem hatékony

Az előnyöket és hátrányokat öt jellegzetes csoportba gyűjthetjük: •

adatmennyiség

•

topológiai keresés

•

generalizálhatóság

•

elemzési lehetőségek

•

pontosság és élesség

A fenti szempontok alapul szolgálhatnak akkor, amikor a GIS tervezése során voksolnunk kell valamelyik adatszerkezet mellett.


1-42


Adatmennyiség A raszter-vektor „ellentétben” a legtöbbet tárgyalt téma az adatmennyiség kérdése. Az 1980-as évek közepéig központi kérdés volt az adatmennyiség, főleg a személyi számítógépek lassúsága és az adattárolók 1 MB-ra eső magas ára miatt. A gyors processzorok és a relatíve olcsó tömegtárak terjedése miatt ez a kérdés hamarosan le fog kerülni a napirendről. Valójában nem könnyű megmondani, hogy a raszteres adatmennyiség nagyobb-e, mint a vektoros. Ez nagyon függ a leírni próbált jelenség jellemzőitől és összetettségétől. Ugyanazon terület vektoros leírása is lehet nagyon kis vagy nagyon nagy méretű. Ezen túlmenően, a tárolási helyszükséglet függvénye a tárolási technikának (lásd tömörítési eljárások). Alapelvként azonban leszögezhetjük, hogy ugyanazon terület leírásához több hely kell a raszteres rendszerben, mint a vektorosban. Az alábbi táblázatban bemutatjuk ugyanazon egyedek leírásának helyigényét raszteres és vektoros rendszerben (Heywood): Szoftver IDRISI

SPANS

Adat-

Adat-

Méret

modell

szerkezet

(byte)

Raszter

Egyszerű

2 500

Vektor

Spagetti

283

Raszter

Sor-hossz

49 152

Négyesfa

3 616

Spagetti

816

Vektor

A táblázat alátámasztja a bekezdés elején állítottakat, de azért figyelmet érdemel, hogy a raszter esetében a négyesfa kódolás megközelíti a vektoros adatszerkezet hatékonyságát.


1-43


Topológiai keresések Tudjuk, hogy a relációs kérdésekre (hol van, milyen messze van, mit tartalmaz? stb.) adott válaszok fontos részei a GIS használatának és az adatmodell által nyújtott lehetőségek alapvetők a felhasználó számára. A térbeli kérdések megválaszolásában mindkét rendszernek vannak erősségei és gyengeségei. Ezeket a következő fejezetben fogjuk megismerni (Térbeli elemzés). Egyelőre elég anynyit mondani, hogy a vektoros rendszerek előnyben vannak a szomszédsággal, kapcsolódással és bennfoglalással kapcsolatos kérdések megválaszolásában. Két esetben azonban nagy előnyben vannak a raszteres rendszerek: amikor egy adott pont legközelebbi szomszédait keressük, illetve amikor azt a területet akarjuk behatárolni, amelyikben a pont elhelyezkedik. Általában elmondhatjuk, hogy azokban az esetekben amikor a térbeli elemzés, keresés fontos feladata az adott GIS-nek, a vektoros adatmodell a megfelelőbb. Generalizálhatóság Egy GIS rendszerben gyakran lehet szükség a méretarány változtatására és egyes témák összevonására, hogy bizonyos esetekben csökkenthessük az egyedek bonyolultságát. Ha egy elemzésben csak az erdőkre van szükségünk, nagyon hasznos, ha a fafajok szerint nyilvántartott foltokat össze tudjuk ideiglenesen, vagy véglegesen vonni. A két rendszernek a generalizálás kívánt fajtája szerint eltérő relatív előnyei vannak. A vektoros rendszerben sokkal könnyebb a más méretarányban történő kirajzolás, mert az egyedeket méretüktől függetlenül koordináta párok reprezentálják. A raszteres rendszereknél a méretarány váltás felbontás (cellaméret) váltást jelent, így nagyítás esetén darabos lehet a kép, kicsinyítéskor elveszhetnek egyedek. Ugyanakkor szomszédos területek összevonásakor a raszteres rendszer előnyben van, mert ez a művelet neki egyszerűen a pixelek értékének megváltoztatását jelenti (újraosztályozás); míg a vektoros rendszerben a szomszédos


1-44


poligonok határainak eltüntetését, a topológia újralétrehozását és a leíró adatok összevonását jelenti. Elemzési lehetőségek Mivel az egész következő fejezet ezzel foglalkozik, ezért ezt itt nem részletezzük.

Pontosság és élesség A vektoros rendszereket kínáló eladóktól gyakran hallják az ügyfelek, hogy mivel koordinátákkal írják le az egyedeket ezért a vektoros rendszerek pontosabbak, mint a raszteresek. Ez rávilágít arra, hogy a pontosság és az élesség fogalma ezen a területen is gyakran keveredik. A pontosság azt jelenti, hogy a számítógépünkben mennyire tudtuk helyesen ábrázolni a valós világ egy egyedének helyét (térbeli pontosság) és a jellemzőit (leíró adatok pontossága). Az élesség a térbeli és a leíró adat ábrázolásának bizonytalansági szintjét fejezi ki. Például egyes GIS rendszerek nyolc számjegy hosszúsággal ábrázolják a koordinátákat, mások tizenhatot biztosítanak erre a célra. Ebben az összefüggésben a vektoros rendszerek azért „pontosabbak”, mert az egyed megjelenítése sokkal jobban hasonlít a megszokott papírtérképekre, mint a raszteres megjelenítés, amely általában négyzet alakú pontokat, lépcsős vonalakat, szögletes poligonokat eredményez. Tudjuk azonban az első fejezetből, hogy a pontosság kérdése már akkor eldőlt, amikor az egyed a modellbe bekerült azután, hogy szubjektív alapon megállapítottuk a helyét vagy a határát (elhatárolás). Tovább bonyolítja a kérdést, hogy a valós világ elemeit sosem a maguk összetettségében, hanem valamilyen fokon általánosítva ábrázoljuk az adatmodellben( a gyümölcsösnek nevezett folt valójában csak „általában” gyümölcsös, közelebbről nézve fák és fa nélküli területek váltakozása). A különbség a két rendszer között aztán végkép elmosódni látszik, amikor képernyőre vagy papírra rajzolunk, hiszen a monitorok mindig is, a mai modern nyomtatók és rajzgépek ma már


1-45


pontokból állítják össze a térképet (ez alól egyetlen kivétel elvileg a tollakkal rajzoló rajzgép).

1.5 A fedvény koncepció

Az előző két részben láttuk, hogy a valós világ egyedeit az öt alapobjektumba besorolva (pont, vonal, poligon, hálózat, felület), hogyan ábrázolhatjuk a számítógépben raszteres és/vagy vektoros formában. A valóság bonyolultsága miatt azonban általában nem elég egy egyedtípus leképezése. Például egy tervezőnek szüksége lehet ugyanarról a területről a domborzat, a vízfolyások, az épületek és a növényzet ábrázolására. A leggyakoribb megoldás a GIS-ben erre a problémára a fedvény alapú megközelítés.


1-46


domborzat

vízrajz

épületek

növényzet

a valós világ

1.8 ábra A fedvény koncepció A fedvények általában témájukra nézve homogének, tárolásuk a GIS-ben vektoros vagy raszteres formában történhet, egy rendszeren belül akár vegyesen is. A vektoros rendszerekben egy időben akárhány fedvény kirajzolhatunk egymás fölé, az egyetlen probléma, hogy a látvány egyre zsúfoltabb lesz. Ha ugyanezt megpróbáljuk egy raszteres rendszerben, a következő fedvény eltakarja az előzőt. Ennek az az oka, hogy a raszteres modellben annak a képpontnak is van értéke (színe), ahol nincs „semmi”. Bár néhány GIS rendszer megengedi a pixelek átlátszó ábrázolását, ez ma még kivételnek számít.


1-47


1.6 Az objektum orientált modell

Ha GIS témájú irodalmat olvasunk, egyre gyakrabban bukkan fel az „objektum orientált modell” kifejezés. A fogalom és a módszer először az adatbázis kezelők környezetében jelent meg. Később jött az ötlet, hogy az objektum orientált (OO) modellezés módszerét alkalmazni lehetne a valós világ földrajzi bonyolultságának leírására. Mielőtt erre rátérnénk, egy egyszerű példán keresztül világítsuk meg a „hagyományos” és az OO szemlélet közötti különbséget. A feladat két szám összeadása: a=1, b=2, c=a+b. Hagyományos módon a következő történik: vesszük az a-t és a b-t, majd egy előre elkészített függvénnyel (+) elvégezzük a műveletet és az eredményt elhelyezzük a c nevű változóba. Az OO módszernél vesszük az a objektumot és küldünk neki egy üzenetet (az OO szemléletben az objektumok között üzenetváltások formájában zajlanak a műveletek) ami tartalmazza a „+” jelet és a b-t. Az a objektum fogadja az üzenetet és teljesíti a kívánt eseményt, amely azt mondja, hogy adja hozzá a paraméter értékét önmagához. Létrehoz egy új objektumot, értékül adja neki az eredményt és elküldi ezt az objektumot a c-nek. Egy egyszerű összeadás esetében a hagyományos módszer szimpatikusabbnak tűnik de biztosak lehetünk benne, hogy a műveletek bonyolultságának növekedésével szembetűnők lesznek a OO módszer előnyei. Ezek az előnyök röviden az alábbiakban foglalhatók össze: •

„szabad kezet” kapunk egy valós rendszer leképezése esetében

•

a hangsúly a tervezés során a „hogyan csináljuk ?”ról áttevődik a „mit csináljunk ?” - ra

•

megragadhatjuk a feladat lényeges aspektusait

•

a modell (főleg grafikus formában) áttekinthetőbb

•

a modell módosítása egyszerű, így könnyebben szánjuk rá magunkat alternatívák kidolgozására

Végül idézzük fel az OO szemlélet három alapelvét:


1-48


•

polimorfizmus: lehetőséget biztosít arra, hogy kettő vagy több objektum válaszoljon ugyanarra az üzenetre

•

öröklődés: lehetőséget biztosít egy objektumnak, hogy ugyanúgy viselkedjen, mint egy másik objektum, illetve kiterjessze, vagy megcsonkítsa a tulajdonságokat, vagy különleges esetekben másképp viselkedjen

•

•

egyszerű öröklés: emlősök -> lovak -> csikók

•

többszörös öröklés: lovak és szamarak -> öszvérek

egymásba ágyazás: összegyűjtjük az összes attribútumot és eljárást, ami egy objektumhoz tartozik

1.6.1 Az objektumok és jelentőségük a GISGISben Az előző fejezetekben megismertünk módszereket a valós világ modellezésére és számítógépen való ábrázolására. Ezek az eljárások alkotják a ma használatos GIS rendszerek magvát. A vektoros vagy raszteres modellezés megismerése során biztosan támadt hiányérzetünk. Valóban le tudjuk képezni a környező világot mint pontok, vonalak és foltok halmazát ? Ha ezt megpróbáljuk megmutatni egy átlagembernek, bizonyára idegenkedni fog az így látott képtől. Hasonlóképpen nehéz modellezni a térbeli egyedek közötti - olykor rendkívül bonyolult - folyamatokat, összefüggéseket. Erre az esetre ígér megoldást az OO modellezés. A térbeli (földrajzi) jelenségek modellezésében az alábbi előnyöket nyújtja az OO szemlélet Peterson és Platt (1993) szerint: 1. intelligens térbeli egyedek definiálása 2. az egyedek közötti kapcsolatok modellezhetősége 3. létrehozhatók valódi dinamikus térbeli modellek


1-49


1.6.2 Térbeli modellezés az OO mód módszerrel A részletek tárgyalása előtt nézzük meg, mi indokolja az OO módszer használatát a térinformatikában. Erre sok megfogalmazást találunk az irodalomban amelyeknek a közös lényege talán így fogalmazható meg: az OO modell közelebb áll minden másnál a valós világ egyedeihez és eseményeihez szemben a számítástechnikai megközelítéssel. Ráadásul legalább is elméletileg - a modellezés módszertanának megértése is könnyebb. Vegyük példának egy farm modellezési problémáját, amely farm működését GIS rendszerrel szeretnénk leírni. Tudjuk, hogy egy farm a valóságban objektumok sokasága: táblák, épületek, utak stb. Mindegyiknek van sajátos geometriai jellemzője (mérete, alakja, földrajzi helye), topológiai tulajdonága (az út a tábla széle), mindegyik objektumhoz kapcsolódik valamilyen tevékenység (a táblákon növényt termelnek, az utakon közlekednek, a gazdasági épületekben tárolnak, feldolgoznak stb.) és minden objektumnak van valamilyen viselkedése a másikkal szemben (a csatornából öntözik a táblákat). Az OO megközelítéssel lehetőségünk van olyan modell kifejlesztésére amely a lehető legjobban tükrözi az objektumok tulajdonságait és a többiekhez való viszonyát. Ez nagyon szép elméletben, azonban megkérdezhetjük, hogy hogyan készül ebből egy térinformatikai rendszer ? Valóban el kell vetnünk a pontokból, vonalakból és foltokból való építkezés gondolatát ? Erre azt mondhatjuk, hogy az OO modellezés még nem ment át a mindennapi gyakorlatba. A GIS rendszerek piacán ma még nincs több mint két - három olyan cég amelyik OO GIS-t fejlesztett (pl. LaserScan). Visszatérve az alapkérdésre (el kell-e vetnünk a pont, vonal, folt koncepciót ?) a válasz nem, viszont el kell látni az alapegyedeket olyan tulajdonságokkal, amelyek jobban tükrözik a valóságos állapotukat, kapcsolataikat. Mit jelent ez a pontokra, vonalakra, foltokra nézve ? Térjünk vissza a farm példájára. Képzeljük el, hogy van egy hagyományos GIS modellünk a farmról amely fedvényekből áll és úgy jött létre, hogy a bonyolult valóságot transzformáltuk pontokká, vonalakká, foltokká. Ezeknek az egyedeknek szokás szerint van valamilyen leíró adatuk, amely megmondja a felhasználónak, hogy ez az „A” típusú terület. Ehhez csatlakozik még a geometriai és a topológiai információ, amely megmondja, hogy hol van az „A” terület és kik a szomszédai. Ebben az esetben


1-50


ez az összes információ amit rögzítettünk és visszakereshetünk a GIS alkalmazása során. Az OO szemlélet azt sugallja, hogy a geometriai, topológiai és néhány leíró adatnál sokkal több információt kapcsolhatunk az egyedekhez, és nem feltétlenül a pontokat, vonalakat és foltokat kell objektumoknak tekintenünk. Például a valós világban a legtöbb dolog egy csoportnak a tagja, ezért az OO modellezés figyelembe veszi a csoporthoz tartozásra vonatkozó információkat is. A csoporthoz való tartozás két formában is megjelenhet. Az egyik az objektum viselkedését tükrözi a valós világban, a másik leírja az objektum számítógépes megvalósítását. A mezőgazdasági táblát véve példának, mondhatjuk, hogy a foltunk egy tábla, amely „megművelt területek” csoportjába tartozik. Másrészt mondhatjuk, hogy a tábla a számítógép számára egy poligon, amelyet a vonal csoport egyedei alkotnak. Annak a haszna, hogy az egyedeket mint csoport(ok) tagját is definiáljuk, akkor jelentkezik, amikor egyszerű vagy összetett műveletet akarunk elemzés céljából végrehajtani. Ha a farmot akarjuk kirajzoltatni a képernyőre, akkor a programnak nem kell mást tudnia, mint hogy mely táblák alkotják a kérdéses farmot. A fenti példában csak érintettük az OO szemlélet előnyeit a földrajzi információk modellezésében. Természetesen sokkal több előnye is van, ezek azonban csak részletes adatbázis kezelési ismeretek birtokában, illetve a későbbi fejezetekben ismertetendő elemzési lehetőségek áttekintésekor jönnek elő. FONTOSABB FOGALMAK CAD

GIS

adat

információ

topológia

adatmodell

adat-átalakítás

térbeli egyedek

térbeli adatmodell

adatszerkezet

egyed

objektum

vektor

raszter

fedvény

térbeli modellezés

objektum

objektum-orientált zés

modelle-


1-51


zés

ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK 1. Melyek a GIS elemei? 2. Mondjon legalább két GIS definíciót! 3. Sorolja fel a GIS típusait! 4. Hogyan jutunk el az adattól a modellig? 5. Ismertesse a modellezés folyamatát! 6. Melyek az adat-átalakítás szintjei? 7. Mi jellemzi a földrajzi adatokat? 8. Milyen az optimális térinformatikai modell? 9. Milyen problémákkal találkozunk az egyedek leképezése során? 10. Milyen alapelemek keletkeznek az egyedek leképezésekor? 11. Hogyan jön létre a vektoros adatmodell és milyen típusai vannak? 12. Hogyan jön létre a raszteres adatmodell? 13. Milyen raszterkódolási eljárásokat ismer? 14. Milyen előnyei és hátrányai vannak a vektoros és raszteres rendszereknek? 15. Mi a fedvény koncepció? 16. Mi az objektum orientált modellezés lényege?


1-52

1. A GIS - ÁTTEKINTÉS 1-2

Recommend Documents