GIS
ALS INSTRUMENT
Zijn enkel mooie plaatjes belangrijk? Bij het opzetten van een nieuw project waarbij het Peter Bogaert en Wouter Vanneuville Gent, Vakgroep Geografie verzamelen en het analyseren van ruimtelijke data Universiteit
[email protected],
[email protected]; aan bod komen, moet zo vlug mogelijk duidelijk Co-auteurs: Nico Van de Weghe, zijn welk geografisch informatiesysteem (GIS) men Philippe De Maeyer en Koen Maeghe nodig heeft. De kostprijs voor het aanbrengen van wijzigingen stijgt namelijk zeer sterk naarmate De juiste keuze het project van analysefase naar ontwerp, imple- Het ontstaan van GIS als een formalisevan een reeks ‘tools’ voor ruimtementatie en uiteindelijk productiefase gaat. Toch is ring lijk onderzoek moet een dertigtal jahet volgens Huxhold en Levinsohn [5] opmerkelijk ren terug gesitueerd worden en ligt in de lijn van meer dan 2500 jaar geograhoe weinig tijd en geld er vrij gemaakt wordt fische ontdekkingen, onderzoek en theorievorming [4]. GIS werd lang beom iets goed te doen en hoeveel tijd en geld schouwd als “te moeilijk, te duur, te specifiek” om in een brede waaier van gespendeerd worden om iets opnieuw te doen. projecten ingezet te worden [1]. De
158
Geo-Informatie Nederland
D
e tijd is voorbij dat men binnen een bepaalde organisatie verschillende projecten en/of projectdelen met dezelfde software simuleert, analyseert en voorstelt. Er zijn steeds meer conversieprogramma’s beschikbaar en de tendens om steeds meer te werken met softwareonafhankelijke standaarden en open formaten neemt steeds toe. Veel van die conversieprogramma’s worden in de software zelf ingebouwd en de conversies gebeuren ‘on the fly’. Dit maakt dat de keuze voor een bepaald GIS-pakket kan worden gemaakt in functie van de doelen, eerder dan in functie van de mogelijkheden. Toch zijn er nog andere elementen die bepalen welke software uiteindelijk geselecteerd wordt voor een project. Een eerste element is de kostprijs van de software. Men zal meestal geen nieuwe programma’s kopen indien men al software heeft die een bepaalde taak kan uitvoeren, ook al blijft bijvoorbeeld de rekentijd daardoor langer en de arbeidsintensiviteit groter. Dit gaat dikwijls gepaard met een tweede element, namelijk de acquisitietijd. Deze speelt op twee manieren een rol. Ten eerste is er de tijd die nodig is om een nieuw programma te leren, die misschien niet opweegt tegen de winst aan snelheid van de analyses. Daarnaast is ook de tijd waarbinnen software beschikbaar is een belemmerende factor: als de bestelling en/of levering van software lang op zich laat wachten werkt men misschien beter met de al voorhanden zijnde pakketten, al was het maar omdat in vele projecten de deadlines vaak weinig ruimte laten.
GEO-INFO 2004-4
kostprijs voor software en hardware is echter het laatste decennium gevoelig gedaald en de toegankelijkheid van de software, onder andere door een meer gebruiksvriendelijke omgeving, is sterk toegenomen. Daardoor hebben steeds meer niet-geomatici zich met GIS ingelaten. Het positieve effect is zeker dat GIS zich een plaats heeft weten te bemachtigen als beslissingondersteunend instrument. Een neveneffect is dat GIS steeds meer de rol van een visualisatie-instrument heeft gekregen, gehanteerd door niet-kartografen. Nochtans is die visualisatie maar één van de vele componenten. Het aantal definities van GIS is breed en kan betrekking hebben op de technische mogelijkheden, de conceptuele benadering, de componenten, de gebruiksdoelen, enzovoorts. Een belangrijk element in dit kader is dat GIS een geïntegreerd systeem is voor het invoeren van ruimtelijke data, de opslag, het beheer, de bevraging, de manipulatie, de analyse, de modellering, de uitvoer en de visualisatie van deze ruim-
telijke gegevens [1][2]. Een uitgebreide lijst van definities omtrent GIS wordt onder andere gegeven door Maguire [6]. Daarin worden de verschillende definities van GIS geklasseerd al naar gelang de nadruk ligt op de kaartaanmaak, de databank(-structuur) of de ruimtelijke analyse. Hoewel het belang en de overtuigingskracht van visuele informatie nog steeds toeneemt, mag de keuze van een GIS geschikt voor een bepaalde toepassing niet enkel afhankelijk zijn van de mogelijkheden om mooie ‘plaatjes’ te maken. De uitwisselbaarheid van de informatie is in zulke mate verbeterd en betrouwbaar geworden dat de interoperabiliteit meestal geen probleem meer is. Een professionele visuele afwerking is nog steeds het beste in specifieke kartografische of visualisatiesoftware uit te voeren. Men kan de uitvoer van de gegevens voor een kartografische toepassing ofwel realiseren binnen de kartografische module van het GIS-pakket, ofwel beroep doen op (karto-)grafische software aanvullend aan het GIS.
ten’ die door eigenschappen en attributen beschreven worden en waarvan de positie gekarteerd wordt door een geometrisch systeem; b) de variatie van een attribuut varieert over de ruimte als een continue mathematische functie. Hierbij duikt het verschil op tussen een vector-GIS (a) en een raster-GIS (b). Wat betreft de visualisatie is een vector-GIS, waar alles weergegeven wordt door punten, lijnen, vlakken (en oppervlakken), duidelijk gevarieerder dan een rasterGIS, dat opgebouwd is op basis van een rooster met (meestal) gelijke cellen. Binnen een vector-GIS kan immers gevarieerd worden met de zeven kartografische variabelen [3], die niet allen weer te geven zijn in raster-GIS. Tabel 1: De kartografische variabelen en de mogelijkheid deze weer te geven binnen één basisentiteit van de opslagstructuur.
Kartografische Variabele Vector-GIS
Raster-GIS
Grootte
niet weer te geven
weer te geven
Vorm
weer te geven
niet weer te geven
Kleur
weer te geven
weer te geven
Grein of Rasterstructuur
weer te geven
enkel weer te geven indien de rastercellen voldoende groot zijn
Textuur
weer te geven
enkel weer te geven indien de rastercellen voldoende groot zijn
Grijswaarde of Tint
weer te geven
weer te geven
Richting
weer te geven
niet weer te geven
De softwarekeuze heeft zijn invloed op de manier waarop de data voorgesteld kunnen worden, maar ook op de manier van dataopslag en de analyse- en manipulatiemogelijkheden. Het verzamelen van de nodige data is een zeer belangrijke stap binnen een project met ruimtelijke component, zowel wat betreft tijd als geld. Men wil data die zo nauwkeurig en precies zijn als mogelijk en die daarenboven handig te verwerken zijn. Dat laatste is zeker van belang daar waar het GIS als beslissingondersteunend middel op korte termijn respons moet kunnen geven, zoals bij rampsituaties (overstromingen, giftige emissies, aanslagen, et cetera). De waarde van een zeer gedetailleerd beeld, tot stand gekomen na zeer geavanceerde analyses, is immers uiterst beperkt als de antwoorden enkele dagen tot weken op zich laten wachten en dit bijvoorbeeld omwille van omslachtige onaangepaste rekentijden.
Door het overdreven belang aan visualisatie, worden GIS-pakketten die hierin sterk zijn veelal ‘beter’ geacht dan andere. Het verschil zit hem echter in de manier waarop het waargenomene binnen het systeem beschreven wordt. Burrough en McDonnell (1998) maken een indeling in twee extremen: a) als een ruimte gevuld met ‘entitei-
Kartografie.
Als een ander type software dezelfde analyses veel sneller maakt of veel gedetailleerder kan verwerken binnen dezelfde tijdspanne, moet het voordeel hiervan afgewogen wordt tegen het feit dat op het einde een conversie nodig is naar bijvoorbeeld een formaat dat door de opdrachtgever is gevraagd. Toch is het belangrijk om al in het begin te beslissen welke software men wil inzetten voor de verschillende stappen (invoer, databasemanagement, analyse, bevraging, visualisatie en output) ondanks het feit van de vele conversiemogelijkheden. Iedere conversie tussen raster en vector gaat immers gepaard met een vergroting van het datavolume of een verlies aan informatie [9]. De conclusie is dat het
GEO-INFO 2004-4
159
om meer informatie over het netwerk op te slaan. Dit probleem kan echter opgelost worden door in plaats van aan elke pixel de weerstandswaarde te koppelen, er een bepaalde ID aan te koppelen. Deze ID kan dan gekoppeld worden aan een databank.
verhaal van raster-GIS en vector-GIS niet zwart-wit is. RasterGIS is niet beter dan vector-GIS of omgekeerd, alles hangt af van de aard van de data en de aard van de analyse. Een randbemerking hierbij is dat een GIS gemaakt is voor ruimtelijke analyse en om de taken zoals hiervoor beschreven in de definiëring van een GIS uit te voeren. Naar analogie van het gebruik van kartografische software voor professionele kaartopmaak, zal men, om complexe statistische analyses te doen, beter een beroep doen op een specifiek statistisch pakket en voor simulaties beter simulatiesoftware inschakelen [1]. De resultatenbestanden van statistische pakketten, simulatiepakketten en andere specifieke software zijn echter steeds meer rechtstreeks uitwisselbaar met GIS-pakketten.
2. Wat topologie betreft is het moeilijk werken met raster-GIS. De enige topologische relatie in een rasterbestand is nabuurschap: een pixel heeft vier of acht buren, afhankelijk van de definitie die voor buren gebruikt wordt. In een vector-GIS zijn meerdere topologische relaties te definiëren: in een wegennetwerk kan men op eenvoudige wijze bruggen, tunnels, eenrichtingsstraten, kruispunten, enzovoorts definiëren. Binnen een netwerk van waterleidingen kan men bijvoorbeeld de richting van het stromende water, aansluitingspunten, kranen en dergelijke definiëren.
Ruwweg kan men stellen dat vector-GIS meer geschikt is indien: • De topologie belangrijk is (zoals bij netwerkstudies); • (bijna) Alle objecten duidelijke harde grenzen hebben en de vorm van de objecten van belang is; • De visualisatie een belangrijke component van het project is. Raster-GIS verdient dan weer de voorkeur als: • Gewerkt wordt met continue variabelen; • Vaagheid en onzekerheid van belang zijn; • Veel puntanalyses moeten worden uitgevoerd. Deze lijsten zijn zeker niet als uitputtend te beschouwen, maar alleen een ruwe benadering. Winter en Frank [9] stellen bijvoorbeeld een methode voor om topologie te brengen in raster-GIS.
160
Beide systemen blijken in de eerste plaats complementair te zijn, eerder dan concurrenten. Veel software die in de eerste plaats voor raster- of vectorbestanden gebouwd is, heeft (beperkte) mogelijkheden om ook om te gaan met het andere datatype. Er zijn commerciële GIS-pakketten op de markt die kunnen omgaan met raster- en vectordata (hybride GIS-pakketten), maar de mogelijkheden blijven meestal beperkt tot het samen visualiseren en converteren tussen de types in één pakket [9].
Verschil in uitzicht netwerk raster en vector.
3. De visualisatie van een netwerk in vector-GIS biedt meer mogelijkheden dan in een raster-GIS. Aan elke lijn binnen een vector-GIS kan men een bepaalde lijnstijl koppelen (volle lijn, streeplijn, pijlen, et cetera) en dit zonder verlies in topologie. In een raster-GIS echter kan men uitsluitend een kleur aan een cel koppelen. Dit zorgt ondermeer bij doorsnee resolutie voor de gekartelde visualisatie van een lijn. Er bestaan wel technieken zoals ‘anti-alaising’ om een dergelijke lijn minder gekarteld voor te stellen, doch dit gaat gepaard met informatieverlies.
In het tweede deel van dit artikel volgen enkele voorbeelden waarbij de keuze van het GIS een bepalende factor was voor het slagen van het project.
Geo-Informatie Nederland
Voorbeeld: Kortste-pad-berekeningen De meeste kortste-pad-berekeningen gebeuren over een netwerk (riviernetwerk, wegennetwerk, leidingen, …). Als men met dergelijke netwerken werkt, ligt het voor de hand om een vector-GIS te gebruiken. Hiervoor zijn verschillende redenen aan te voeren. In wat volgt geven we een aanvulling op Wise [10]: 1. Raster-GIS is minder geschikt omdat men per pixelwaarde rechtstreeks slechts een attribuutwaarde kan opslaan. Dit zorgt er ondermeer voor dat men normaal gezien alleen een ‘weerstand’ over een bepaalde pixel kan opslaan. Men heeft verschillende rasterbestanden nodig
GEO-INFO 2004-4
4. Langs een lijn kan men in een vector-GIS gemakkelijk nieuwe objecten definiëren en opslaan via een LRS (Linear Reference System). 5. Bij het aanmaken van een netwerk binnen een raster-GIS moet men op zijn hoede zijn voor fouten die ge-
makkelijk binnen het raster sluipen. Zo kan het ontbreken van een pixel de bepaling van de kortste afstand volledig (foutief) veranderen. Binnen een vector-GIS is dit gemakkelijk te voorkomen door gebruik te maken van de topologische relatieconnectiviteit: punt x is verbonden met punt y.
Afleidingsschema risicokaart.
Connectiviteit verbroken.
In een eerste fase wordt een bodemgebruikkaart opgemaakt, waarbij de klassenindeling in functie van economische schade staat. Dit wil zeggen dat er voldoende klasseverdelingen moeten zijn daar waar de te verwachten schade per oppervlakte groot is. Zo zijn er verschillende klassen die een onderscheid maken in functie van de dichtheid van bebouwing en worden alle (semi-)natuurlijke gebieden samengenomen in één klasse [8].
Deze redenen zorgen ervoor dat men in de meeste gevallen kortste-pad-berekeningen in een vector-GIS zal oplossen. Dit is echter geen conditio sine qua non. Soms kan het nuttig zijn een dergelijke berekening toch in een raster-GIS uit te voeren. Vooral als de berekeningen betrekking hebben op het volledige te onderzoeken oppervlak. Een voorbeeld van een dergelijke toepassing kan men vinden in Upchurch et al. [7]. Een dergelijke toepassing zou in een vector-GIS een te grote opslagruimte innemen en een te grote rekentijd vragen. Kortste pad in raster (oppervlakken).
De bodemgebruikkaarten die hiervoor aan de basis liggen zijn CORINE Land Cover en het Kleinschalig Bodemgebruikbestand van Vlaanderen en Brussel. Beide zijn afgeleid van satellietbeelden en de beelden bestaan in oorsprong uit een matrix van cellen (raster). Uit de samengestelde bodemgebruikkaart wordt een kaart gegenereerd die de maximale schade per oppervlakte voor ieder bodemgebruik weergeeft.
Toepassing: Een applicatie voor overstromings- en risico-GIS Aangezien overstromingen nooit volledig uitgesloten kunnen worden, is in Vlaanderen besloten om in de toekomst steeds meer te beveiligen tegen schade in plaats van tegen een bepaalde waterstand. De schade die optreedt, zal bijvoorbeeld groter zijn in dicht bebouwde gebieden en industrieterreinen dan in natuurgebieden. De structuur van dit project wordt uitgelegd in onderstaande figuur.
Samengestelde bodemgebruikkaart.
Aan de andere kant worden er overstromingskaarten gemaakt die, gecombineerd met een digitaal hoogtemodel (DHM), de waterdiepte boven het maaiveld weergeven. Er worden verbanden afgeleid tussen de reële waterdiepte en de maximale schade (alphafactor) om tot schadekaarten te komen. De combinatie van al deze schadekaarten leidt tot risicokaarten.
GEO-INFO 2004-4
161
Schadefactoren.
GIS is een zeer bruikbaar instrument bij het beantwoorden van allerlei ruimtelijke vragen, waarbij men conventioneel raster-GIS en vector-GIS onderscheidt. De integratie van verschillende softwarepakketten, zowel simulatiesoftware, statistische pakketten, visualisatietools, als GIS-pakketten zet zich steeds voort. In het bijzonder wordt er gestreefd naar de integratie van de mogelijkheden van raster-GIS en vector-GIS in één totaal GIS-pakket. Nu al zijn bijna alle vectorpakketten in staat (beperkt) om te gaan met rastermateriaal en omgekeerd. Toch stellen we vast dat geen enkel commercieel softwarepakket er momenteel in slaagt om alle mogelijkheden van raster en vector volwaardig gelijktijdig aan te bieden.
In dit project wordt gebruik gemaakt van verschillende softwarepakketten. Ten eerste moeten de overstromingskaarten gesimuleerd worden met hydrologische en hydraulische pakketten. Zoals al eerder aangehaald is simulatiesoftware niet hetzelfde als een GIS. De resultaten die hieruit voortkomen zijn rasters met een pixelgrootte van tien bij tien meter. Hoewel oorspronkelijk afgeleid uit satellietbeelden en dus rasterfiles, is CORINE Land Cover beschikbaar als vectorbestand (polygonen). In een vector-GIS wordt de databank van deze bodemgebruikkaart aangepast en daarna worden de bestanden geconverteerd naar een raster-GIS om gecombineerd te worden met het Kleinschalig Bodemgebruikbestand van Vlaanderen en Brussel. De uiteindelijke kaarten in het raster-GIS worden opnieuw geconverteerd naar een vector-GIS om afgewerkt te worden: aanpassing van de kleuren, topografische kaart voor de lokalisatie toevoegen, aanpassen legende, papierformaat, beschrifting, et cetera.
162
Voor een aantal gevallen worden niet alleen de schadekaarten (per terugkeerperiode) en de risicokaarten geconverteerd naar een vector-GIS, maar ook de verschillende overstromingskaarten. Deze worden dan afgewerkt zoals hierboven beschreven en uitgevoerd als beeldformaten. Deze beelden worden gebruikt om achter elkaar te monteren tot filmpjes om de evolutie in de tijd duidelijk te maken.
Conclusie
De ervaring leert dat de hoekige visualisatie van raster-GIS helemaal niet staat voor een symbool van oubolligheid. Hoewel naar scherm- en papiervisualisatie vector-GIS zeker beter oogt, hebben beide benaderingen nog steeds hun plaats in de ruimtelijke analyse en de taak van de gebruiker bestaat erin het beste uit beide systemen in te zetten op het juiste moment. ■
Literatuur [1] Chang K.-T. (2002). An introduction to Geographic Information Systems, McGraw Hill, Boston. Risicokaart.
[2] Delaney J. (1999). Geographical Information Systems – An Introduction, Oxford University Press, Melbourne. [3] De Maeyer Ph., De Vliegher B.M. (2003). Inleiding tot de cartografie, Academia Press, Gent. [4] DeMers M.N. (2000). Fundamentals of Geographic Information Systems 2nd ed., John Wiley & Sons, New York.
Geo-Informatie Nederland
[5] Huxhold W.E., Levinsohn A.G. (1995). Managing Geographic Information System Projects, Oxford University Press, New York. [6] Maguire D.J. (1991). An overview and definition of GIS, In Maguire D.J., Goodchild M.F., Rhind D.W. (eds.), Geographical Information Systems: Principles and Applications, Longman, London, Vol. 1 p. 9-20.
GEO-INFO 2004-4
[7] Upchurch Ch., Kuby M., Zoldak M., Barranda A. (2004), Journal of Transportation Geography, 12, p. 23-33. [8] Vanneuville W., Maeghe K., De Maeyer Ph., Mostaert F., Bogaert P. (2002). Risicobenadering bij waterbeheersingplannen – Methodologie en case study Denderbekken, UGent vakgroep geografie, in opdracht van het Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap – afdeling WLH. [9] Winter S., Frank A.U. (2000). Topology in Raster and Vector Representation, GeoInformatica, 4(1), p. 35-65.
Samenvatting GIS is een zeer bruikbaar instrument bij het beantwoorden van allerlei ruimtelijke vragen, waarbij men conventioneel een onderscheid maakt tussen raster-GIS en vector-GIS. De integratiemogelijkheden van verschillende softwarepakketten, zowel simulatiesoftware, statistische pakketten, visualisatietools, als GIS-pakketten nemen verder toe. Daarom is het nuttig de gepaste keuze uit het software-aanbod te maken en een afweging te doen van deze extra investering, inclusief de nodige opleidingstijd, tegenover de vertraging die de organisatie loopt door het gebruik van minder gepaste tools. Trefwoorden bedrijfseconomie, GIS-technologie, gegevensverwerking
[10] Wise S. (2002). GIS Basics,Taylor & Francis, London
163
GEO-INFO 2004-4
