Projekt okładki i stron tytułowych Lidia Michalak

Ilustracja na okładce Ilias Tukhtarev/123RF

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Redakcja i korekta Krystyna Wojtala, Janusz Puskarz

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Koordynator produkcji Mariola Grzywacka

Recenzenci

dr hab. Zenon Kozieł, kierownik Katedry Geomatyki i Kartografii,
Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

dr hab. Waldemar Spallek, kierownik Zakładu Geoinformatyki i Kartografii,
Uniwersytet Wrocławski

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec /Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2021

ISBN 978-83-01-21657-3

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2021 r., (wyd. II)

Warszawa 2021

(Wydanie I ukazało się pod tytułem Kartografia. Zasady i zastosowania geowizualizacji)

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Przedmowa

1. Pojęcie kartografii, mapy, geowizualizacji i geomediów

1.1. Kartografia – związki z innymi dyscyplinami

1.2. Mapa i klasyfikacje map

1.3. Wizualizacja kartograficzna i geowizualizacja

2. Przestrzeń w kartografii

2.1. Obiekty na mapie, skala mapy

2.2. Podstawy geodezyjne, współrzędne przestrzenne

2.3. Odwzorowania kartograficzne

2.4. Układy współrzędnych na mapach

3. Mapy i bazy w systemie informacji przestrzennej

3.1. Infrastruktura informacji przestrzennej

3.2. Potencjał informacyjny mapy topograficznej

3.3. Urzędowe mapy, bazy referencyjne i tematyczne

4. Działania w kartografii cyfrowej

4.1. Cyfrowy model krajobrazowy i kartograficzny

4.2. Pozyskiwanie danych przestrzennych

4.3. Generalizacja kartograficzna

4.4. Proces geomatyczny

5. Metody mapowania

5.1. Typologia map

5.2. Graficzne formy prezentacji i analizy danych statystycznych

5.3. Jakościowe metody mapowania

5.4. Ilościowe metody mapowania

6. Projektowanie map

6.1. Zasady projektowania map

6.2. Barwy w kartografii

6.3. Etapy opracowania mapy

7. Geomedia

7.1. Prezentacja kartograficzna w geomediach

7.2. Prawidła i złudzenia optyczne, perspektywa

7.3. Plastyczne i wymierne metody prezentacji rzeźby terenu

7.4. Atlasy i serwisy multimedialne

7.5. Kartografia internetowa

7.6. Rozszerzona rzeczywistość, środowisko wirtualne i wirtualna rzeczywistość

Literatura

Przedmowa

Kartografia i geomedia jest spojrzeniem na kartografię, jako połączenie techniki, nauki i sztuki, przejawiające się w zarządzaniu zasobem danych przestrzennych w procesie geomatycznym. Proces ten jest ukierunkowany na naukową geowizualizację i rozwijanie geomediów w wymiarze technologicznym i artystycznym. Książka – będąca zarazem podręcznikiem akademickim i monografią naukową – prezentuje aktualny stan badań i technologicznych rozwiązań. Adresowana jest do studiujących kartografię, geodezję, geografię, geoinformację i inne kierunki związane z przestrzenią i środowiskiem oraz specjalistów z tych dziedzin. Podręcznik cechuje sprawdzony już w dwóch poprzednich kartograficznych książkach autorki sposób przekazu wiedzy w postaci sekwencji tekstu, z odwołaniem do poglądowych schematów, barwnych rycin i specjalnie opracowanych przykładów map i wizualizacji. Autorka wyraża radość, że w trzeciej monografii-podręczniku o kartografii mogła zacytować ponad pięćdziesiąt naukowych publikacji zespołu Zakładu Kartografii i Geomatyki UAM. Dzieli się także satysfakcją, że jej wychowankowie – Paweł Cybulski, Łukasz Halik, Tymoteusz Horbiński, Dariusz Lorek, Maciej Smaczyński, Łukasz Wielebski i Krzysztof Zagata – wraz z naukową pasją przejęli również misję nauczania akademickiego.

Beata Medyńska-Gulij

Zakład Kartografii i Geomatyki

Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu

1

Pojęcie kartografii, mapy, geowizualizacji i geomediów

1.1. Kartografia – związki z innymi dyscyplinami

Kartografia jest dyscypliną zajmującą się graficznym, komunikacyjnym, wizualno-myślowym i technologicznym opracowaniem informacji przestrzennej w formie map i innych reprezentacji kartograficznych. Mapa jest podstawowym sposobem prezentacji, ale w kartografii wykorzystuje się także inne reprezentacje, np. globusy, panoramy, blokdiagramy, animacje kartograficzne i wirtualną rzeczywistość.

Naukowe podstawy kartografii wiążą się z bogatą tradycją tej dyscypliny i z wykorzystywaniem wiedzy kartograficznej we wszystkich dziedzinach zajmujących się informacją przestrzenną. Obecnie ścisły związek z kartografią ma geomatyka ze względu na konieczność kompleksowych działań w standardach informatycznych i prawnych, gdzie wizualizacja danych ma znaczenie podstawowe (por. podrozdz. 3.1).

Geomatyka jest dyscypliną zajmującą się pozyskiwaniem, modelowaniem, zarządzaniem danymi przestrzennymi w zdefiniowanych układach współrzędnych oraz wizualizacją informacji przestrzennej i utrzymywaniem systemów informacji geograficznej. Geomatykę można uważać za dyscyplinę przekrojową, która w sposób komplementarny łączy geodezję, teledetekcję, informatykę, kartografię, grafikę komputerową, ale też czerpiącą z nauk geograficznych i innych związanych z badaniem środowiska. Najbliższa kartografii jest geografia, ale nie jest jej częścią, ponieważ kartografia ma własne metody badań i koncepcje teoretyczne (B. Medyńska-Gulij 2018).

Działem łączącym tradycyjnie kartografię i geodezję jest topografia, zajmująca się wykorzystywaniem pomiarów obiektów na powierzchni ziemi i rzeźby terenu w celu sporządzenia map topograficznych. Topografię można odnieść wprost do zespołu cech zewnętrznych terenu obejmujących formy rzeźby terenu wraz z elementami krajobrazu naturalnego, antropogenicznego i kulturowego. Jeśli geografia opisuje przestrzeń geograficzną, a kartografia obrazuje tę przestrzeń, można wskazać media, jakimi posługują się obie dyscypliny w przekazywaniu wiedzy: tekst, fotografia, grafika, animiacja, wideo, gry komputerowe i in. Geomedia są środkami przekazu informacji o przestrzeni geograficznej, które twórca wykorzystuje oddzielnie lub wspólnie do jej przekazania bez wywołania działań ruchowych u odbiorcy lub z interakcją użytkownika (więcej w rozdziale 7).

Kartograficzna metoda badań jest związana z zastosowaniem map do opisu, analizy i poznania naukowego zjawisk (K.A. Saliszczew 2003). Podstawą kartograficznej metody badań staje się wykorzystanie mapy jako modelu badanych zjawisk do etapów badań rzeczywistości. Kartograficzna metoda badań obejmuje wiele kolejnych działań, a w odniesieniu do geografii do najpopularniejszych należą kartowanie terenowe i analiza wizualna map. Kartografia analityczna, zapoczątkowana przez W. Toblera (1959), obejmuje problematykę ilościowych transformacji informacji przestrzennych. Kartografia analityczna wiąże się z geomatyczną metodą badań, która oznacza wspomaganie badań według automatycznego działania na danych przestrzennych (Z. Kozieł 1997).

O procesie geomatycznym w kontekście uporządkowania ciągu działań cyfrowych traktuje podrozdział 4.2.

Do metod naukowych i technologicznych z innych dyscyplin wykorzystywanych w kartografii można zaliczyć: matematyczno-geometryczne metody dotyczące zniekształceń i georeferencji; specjalistyczno-formalne metody dotyczące struktury danych i tworzenia obiektów, czyli modele danych; semiotyczne, artystyczno-graficzne metody skupiające reguły projektowania map, technologiczne metody dotyczące publikowania map; socjologiczno-psychologiczne metody badań procesów wizualno-kognitywnych (J. Bollmann 2002).

Jedna z najważniejszych teorii w kartografii odnosi się do przekazu informacji przestrzennej, którą jako model rozpowszechnili A. Koláčný (1969) i L. Ratajski (1971). Na rycinie 1.1 zaprezentowano model kartograficznego przekazu informacji, gdzie podstawowe znaczenie ma sprzężnie między opracowaniem i użytkowaniem map.

Źródłem informacji stają się dane przestrzenne, które są częścią rzeczywistości. Następnie twórca obrazu kartograficznego dokonuje transformacji danych przestrzennych, uzyskując mapę w postaci wydrukowanej lub monitorowej. Na podstawie tego zakodowanego znakami obrazu użytkownik mapy tworzy w swoim umyśle obraz fragmentu rzeczywistości, który nazywa się mapą wyobrażeniową lub kognitywną. Im bardziej treść mapy wyobrażeniowej użytkownika jest zbliżona do treści graficznej przekazywanej na mapie, tym skuteczniejszy staje się przekaz informacji przestrzennej.

Ryc. 1.1.

Model kartograficznego przekazu informacji (według A. Koláčný 1969)

Badania nad mapą wyobrażeniową stały się podstawą nurtu kartografii poznawczej (kognitywnej), który zajmuje się psychologicznym badaniem odbioru mapy (D. Edler i in. 2019). Przedmiotem tych badań staje się mapa mentalna, czyli odręczny szkic elementów przestrzeni geograficznej wykonany przez użytkownika map na podstawie wirtualnego obrazu istniejącego w jego umyśle. Na rycinie 1.2 zaprezentowano kilka map mentalnych z narysowanymi „z pamięci” przez studentów geografii konturami granic Polski oraz lokalizacją Warszawy, Poznania i Tatr. Szczególnie interesująca jest wielkość Półwyspu Helskiego, który w tych proporcjach w ogóle nie powinien się znaleźć na mapie, ponieważ jest zbyt mały. Jednak każdy uczeń od czasów edukacji w szkole podstawowej ma zakodowany w pamięci długoterminowej jego kształt na mapie i pozostaje on ważnym elementem jego mentalnej mapy Polski (W. Żyszkowska 1996).

W kartografii teoretycznej duże znaczenie ma zastosowanie teorii znaku na mapie, która rozwinęła się jako nurt semiotyki kartograficznej (J. Bertin 1967, 1983). Wyróżniane są trzy podstawowe relacje semiotyczne: syntaktyczne, semantyczne i pragmatyczne (U. Freitag 1971). Na triadowym modelu znaków kartograficznych można wskazać zakres syntaktyczny wyrażany budową i porządkowaniem znaków (ryc. 1.3). Zakres semantyczny określa jednoznaczność przyporządkowania obiektów do pojęć i informacji zawartej w znakach. Pragmatyka kartograficzna obejmuje zależności między znakami a użytkownikiem mapy, co wyrażają funkcje mapy będącej nośnikiem informacji przestrzennej oraz wprost konotacje odbiorcy w stosunku do symboli (W.G. Koch 2007a). Nurt semiotyczny jest ciągle rozwijany, zwłaszcza w odniesieniu do etapów wizualizacji kartograficznej (W. Żyszkowska 2000) i w praktycznym zastosowaniu w projektowaniu map topograficznych (W. Ostrowski 2008).

Ryc. 1.2.

Przykłady map mentalnych Polski z lokalizacją Poznania, Warszawy i Tatr

Ryc. 1.3.

Semiotyczne relacje w triadowym modelu znaków kartograficznych (według U. Freitag 2001)

Proces komunikacji kartograficznej można połączyć z użytkowaniem map złożonym z trzech głównych działań: czytania, analizy i interpretacji. Czytanie mapy oznacza postrzeganie, rozpoznanie i identyfikację znaków według położenia i formy sygnatur. Czytaniem jest także ocenianie i szacowanie oraz porównywanie obiektów na mapie, które także łączy się z wymiernym użytkowaniem map nazywanym kartometrią. Kartometria jest mierzeniem na mapie dokładności położenia obiektów, przenoszeniem geometrycznych wielkości na mapę oraz pomiarem kątów poziomych i pionowych, odległości, powierzchni, ponadto wysokości względnych i bezwzględnych, a także obliczaniem współrzędnych.

1.2. Mapa i klasyfikacje map

Mapa jest graficznym, określonym matematycznie modelem rzeczywistości odniesionym do płaszczyzny zgodnie z przyjętą skalą, prezentującym za pomocą znaków cechy obiektów i związki przestrzenne między nimi. Mapa w ujęciu geometrycznym jest prostopadłym rzutem na zdefiniowaną poziomą powierzchnię odniesienia w zmniejszeniu określonym skalą. Obserwator nie postrzega elementów na mapie zgodnie z naturalnym widzeniem rzeczywistości z perspektywy centralnej, ale widzi wszystkie elementy równolegle, czyli oko znajduje się nad każdym punktem mapy (ryc. 1.4). Grafika mapy jest tylko pozornie „płaska”, ponieważ składa się z warstw graficznych mapy, których kolejność od najwyższej do najniższej odgrywa zasadniczą rolę w projektowaniu obrazu kartograficznego. Najwyżej umieszczoną warstwą jest siatka kartograficzna, a najniższą tło mapy. Droga jest w wyższej warstwie niż rzeka i dlatego rzeka z niższej warstwy zachowuje ciągłość linii. Sygnatura leśniczówki znajduje się na wyższym poziomie niż powierzchnia lasu, ponieważ sygnatury punktowe zawsze znajdują się nad sygnaturami powierzchniowymi.

Mapy można klasyfikować ze względu na: treść, skalę, metodę mapowania, formę prezentacji i funkcje mapy (ryc. 1.5). Według kryterium treści mapy dzieli się na dwie zasadnicze grupy: mapy ogólnogeograficzne, nazywane też referencyjnymi, i mapy tematyczne. Podział map referencyjnych wiąże się bezpośrednio z klasyfikacją map według skali. Mapy referencyjne prezentują ogólne rozmieszczenie zjawisk o szczegółowości związanej ze skalą. Mapami referencyjnymi w wielkich skalach do 1: 5 000 są mapy geodezyjne: ewidencyjna i zasadnicza.

Mapa zasadnicza wielkoskalowa (w skali większej niż 1:10 000) stanowi podstawowe opracowanie geodezyjno-kartograficzne kraju. Treść mapy zasadniczej obejmuje następujące elementy: zagospodarowanie terenu, ewidencję gruntów i budynków, uzbrojenie oraz ukształtowanie terenu.

Ryc. 1.4.

Mapa w ujęciu geometrycznym, warstwy graficzne mapy

Mapa ewidencyjna zawiera część informacji z mapy zasadniczej dotyczącą spraw ewidencji własnościowej, tj. działek ewidencyjnych i klasyfikacji gruntów. Stosowana jest w powszechnej ewidencji gruntów w odniesieniu do gruntów bez prawnej dokumentacji oraz pozostających we współwłasności. Mapa ewidencyjna nawiązuje do mapy katastralnej, czyli pierwszej mapy urzędowej tworzonej w czasach starożytnych.

Mapy topograficzne są mapami ogólnogeograficznymi o możliwie dokładnym przedstawieniu obiektów na powierzchni ziemi oraz rzeźby terenu w skalach od 1:10 000 do 1:200 000. Do map referencyjnych należy także plan, który oznacza najczęściej plan miasta, czyli mapę miasta w dokładnej skali lub też mapy w działaniach administracyjno-urbanistycznych i wtedy są nazywane planami zagospodarowania terenu i planami budowlanymi. Mapy przeglądowe zawierają się w skalach mniejszych niż topograficzne i także obejmują ogólnogeograficzne i krajobrazowe mapy krajów, części kontynentów i kontynentów w skalach bardzo małych, stosowanych przede wszystkim w atlasach świata.

Ryc. 1.5.

Klasyfikacje map według sześciu kryteriów

Mapy tematyczne, prezentujące rozmieszczenie wybranych zjawisk określonych w temacie mapy, można podzielić na mapy fizycznogeograficzne i mapy społeczno-gospodarcze. Mapy są nazywane również mapami przyrodniczymi, a ich tematem stają się komponenty jednej lub kilku sfer środowiska przyrodniczego. Do map fizycznogeograficznych zalicza się mapy: geologiczne, geomorfologiczne, gleb, hydrograficzne, klimatyczne, biogeograficzne, środowiska przyrodniczego oraz pokrycia i użytkowania terenu (W. Żyszkowska, W. Spallek, D. Borowicz 2012). Mapy społeczne obejmują mapy: ludnościowe, osadnictwa, zagadnień społecznych i społecznej organizacji przestrzeni. Do map gospodarczych natomiast zalicza się mapy: rolnictwa, przemysłu i budownictwa, usług i ogólnogospodarcze. Mapy tematyczne są też utożsamiane z mapami statystycznymi, na których do prezentacji danych statystycznych zastosowano odpowiednie metody mapowania (por. rozdz. 5). Można wobec tego dzielić mapy tematyczne również według metody mapowania na: kartogram, kartodiagram, mapy izoliniowe, mapy kropkowe itd. Mapy statystyczne są nośnikiem przede wszystkim informacji ilościowej (J. Mościbroda 1999).

Ze względu na sposób prezentacji danych przestrzennych wyróżnia się mapy analogowe i mapy cyfrowe. Mapa analogowa jest graficzną postacią prezentacji danych przestrzennych na stałych nośnikach materialnych lub niematerialnych. Mapy analogowe najczęściej są kojarzone z klasyczną postacią na stałym nośniku, jakim jest wydruk na papierze, ale mapa analogowa to także grafika prezentowana na monitorze czy też na slajdzie widzianym na ekranie.

Mapa cyfrowa jest modelem przestrzeni geograficznej zapisanym w postaci cyfrowej zachowującym informację o położeniu i cechach obiektów. Ze względu na sposób cyfrowego zapisu reprezentacji można wyróżnić mapę wektorową i mapę rastrową. Mapa wektorowa jest modelem przestrzeni geograficznej zapisanym w postaci zbioru obiektów geometrycznych: punktów, linii i powierzchni. Mapa rastrowa jest modelem przestrzeni geograficznej zapisanym w postaci dwuwymiarowej tablicy tzw. macierzy pikseli.

Kryterium formy prezentacji pozwala na wyodrębnienie map: statycznych, interaktywnych, multimedialnych i animowanych. Mapy mają odpowiednie funkcje, a do najważniejszych można zaliczyć: dydaktyczne, naukowe, planistyczne, dokumentacyjne, nawigacyjne, reklamowe i turystyczne.

1.3. Wizualizacja kartograficzna i geowizualizacja

Wizualizacja jest kojarzona z wykorzystaniem środków graficznych do przekazywania informacji i obecnie stała się ważnym instrumentem w etapach i prezentacji badań naukowych jako wizualizacja naukowa. Według W. Żyszkowskiej (2000) wizualizacja kartograficzna jest kierunkiem badawczym i zajmuje się analizą i prezentacją danych przestrzennych za pomocą metod kartograficznych, z wykorzystaniem metod systemów informacji przestrzennej i narzędzi grafiki komputerowej. W tym opracowaniu wizualizacja pojmowana jest jako kompilacja wizualizacji kartograficznych, graficznych i multimedialnych, która w sposób najbardziej skuteczny i jasny umożliwia użytkownikowi zrozumienie cech i zależności zjawisk geograficznych. W tym przypadku pojęcie wizualizacji odnosi się do procesu wizualizowania, czyli kreowania oraz do jego efektu, czyli zakończonej prezentacji.

Zależności między sposobem użytkowania map, poziomem interaktywności narzędzi graficznych i stopniem znajomości relacji między danymi prezentuje sześcian użytkowania mapy (A.M. MacEachren 1994). Interakcja człowiek–mapa będzie interaktywnością niską, jeśli użytkownik ma do czynienia z finalną mapą analogową. Interaktywność wysoka zachodzi, jeśli stosuje się zaawansowane technologie graficzne i geoinformacyjne do działań na danych na mapie cyfrowej (ryc. 1.6). Użytkowanie mapy może być powszechne, czyli publiczne, w rozumieniu prezentacji obrazów kartograficznych, takich jak mapy samochodowe czy atlasy szkolne. Z kolei prywatne użytkowanie oznacza wykorzystywanie indywidualne map do określonego zadania przez profesjonalistę w jakiejś dziedzinie, gdzie badane są relacje przestrzenne. W jednym z górnych narożników sześcianu znajduje się komunikacja kartograficzna, związana z szerokim odbiorem w sposób zrozumiały gotowych map o wysokiej jakości opracowania graficznego. Im wyższa pozycja w sześcianie, tym większy zakres odbiorców i mapa jest poprawniej wykonana, ponieważ jej głównym zadaniem jest przekaz zależności przestrzennych każdemu odbiorcy. Wizualizacja znajduje się z kolei w przeciwnym narożniku do komunikacji. Tutaj relacje między danymi są odkrywane przez użytkownika w trakcie indywidualnych działań za pomocą technologii geoinformacyjnych lub graficznych w celu badania nieznanych relacji między danymi przestrzennymi.

Ryc. 1.6.

Sześcian użytkowania mapy (według A.M. MacEachren 1994)

Wizualizacja geograficzna wywodzi się od wizualizacji naukowej, rozwijanej poza geografią do badania wielkich wielowymiarowych zbiorów danych, np. związanych ze strukturą molekularną. Wizualizację geograficzną można zdefiniować jako prywatną aktywność, w której wcześniej nieznana informacja przestrzenna zostaje ujawniona w wysoce interaktywnym graficznym środowisku komputerowym (T.A. Slocum i in. 2010). A.M. MacEachren (1994) skrócił określenie wizualizacja geograficzna (Geographical visualization) do geowizualizacji (Geovisualization, GeoVis lub GVis). Po latach doświadczeń naukowych A.M. MacEachren (2011) jest bliższy zdefiniowania geowizualizacji jako wykorzystaniu wizualnych reprezentacji informacji geoprzestrzennej do ułatwienia myślenia, zrozumienia i budowania wiedzy o aspektach środowiska człowieka i środowiska fizycznego typowych dla skal geograficznych oraz kreowania reprezentacji wizualnych dla tych aspektów.

Szczególne związki istnieją między kartografią i geowizualizacją w odniesieniu do GIS i GIScience. Biorąc pod uwagę postęp technologiczny, rola mapy w geowizualizacji przekłada się na efektywność map w procesie poznawczym (kognitywnym). Kluczowym elementem GIS (Geographic Information System) jest sprzęt komputerowy z oprogramowaniem geoinformacyjnym, natomiast pozostałymi składnikami systemów informacji geograficznej są: sieć komputerowa, bazy danych, użytkownicy i producenci oraz zarządzanie (P.A. Longley i in. 2006). W tym znaczeniu GIS dla kartografii jest technologią opracowania map z baz danych przestrzennych. Dla GIS, czyli systemów geoinformacyjnych, stosuje się także określenie systemy informacji terenowej, których znaczenie jest związane z przekazem i zarządzaniem informacją przestrzenną w gospodarce i polityce. Z kolei podstawy teoretyczne GIS nawiązują bezpośrednio do wiedzy kartograficznej, a w szczególności do semiotyki kartograficznej, generalizacji kartograficznej, zasad projektowania map i metod mapowania danych statystycznych.

Akademickie rozważania dotyczące rozwoju, użytkowania i zastosowania systemów informacji geograficznej opierają się na teorii informacji geograficznej (Geographic Information Science – GIScience) (M.F. Goodchild 1992). W kontekście tych rozważań użytkowanie map w GIScience można rozpatrywać w czterech zakresach: eksploracji, analizy, syntetyzowania i prezentacji (M.-J. Kraak, F. Ormeling 2010). Porównując sześcian użytkowania map, przedstawiony na rycinie 1.6, z modelem na rycinie 1.7, można dostrzec, że na jego osi pionowej znajduje się stopień interaktywności użytkownika w środowisku komputerowym, ponieważ to interaktywność ma podstawowe znaczenie. Im wyższa interaktywność operacji na danych przestrzennych, tym wyższa pozycja w sześcianie związana z procesem naukowym zmierzającym do indywidualnej eksploracji naukowej i ujawniania nieznanych relacji przestrzennych (ryc. 1.7).

Ryc. 1.7.

Użytkowanie map w odniesieniu do wizualizacji danych w GIS (według M.-J. Kraak, F. Ormeling 2010)

Geowizualizacja opiera się na podejściach z wielu dyscyplin, takich jak istniejące w kartografii, wizualizacji naukowej, analizach obrazów, wizualizacji informacji, eksploracyjnych analizach danych oraz w GIScience (A. MacEachren, M.-J. Kraak 1997). Różnorodne powiązania przyczyniają się do tworzenia teorii, metod i narzędzi do eksploracji, analiz, syntez i prezentacji danych zawierających informację geograficzną. Wzrost liczby użytkowników informacji geograficznej przyczynia się do zastosowania wysoce interaktywnych technologii w celu osiągnięcia zgłębienia różnorodnych zbiorów danych przestrzennych.

Główny nacisk w badaniach dotyczących geowizualizacji jest położony na reprezentację zjawisk geograficznych, na wizualizację i na interfejs (J. Dykes, A.M. MacEachren, M.-J. Kraak 2005). Problem analizy ogromnych i kompleksowych zbiorów danych można rozwiązać za pomocą wizualizacji naukowej w interaktywnym środowisku graficznym. Wysoki poziom interakcji zapewniają działania człowiek–komputer prowadzące do tworzenia map eksperymentalnych i multimedialnych. Istotą geowizualizacji jest także interpretacja wyświetlanych graficznie informacji z połączeniem wiedzy o percepcji człowieka i kognitywnych, czyli poznawczych, relacji. Projektowanie sposobów wizualizacji zmierza do ułatwienia identyfikacji i interpretacji przestrzennych i czasoprzestrzennych cech obiektów. Priorytetem jest tu integracja metod związanych z GVis i eksploracji, czyli odkrywania wiedzy zawartej w bazach danych, gdzie w wieloetapowym procesie główną rolę odgrywają algorytmy wydobycia danych, czyli algorytmy, dzięki którym są wyodrębniane schematy z danych (A.M. MacEachren i in. 1999). Formalne podstawy semiotyczne dotyczące teorii znaków i kognitywne studia wpływają na zrozumienie abstrakcyjnych reprezentacji zjawisk oraz procesów, co pozwala na wyszukiwanie schematów mentalnych połączeń w akcje przez narzędzia interfejsu.

Operacje GVis nawiązują do tradycyjnego czytania mapy, gdzie zadania są często realizowane na trzech poziomach: identyfikacji, porównania i interpretacji cech obiektów. Identyfikacja cech obiektów skupia się na znalezieniu przykładów możliwych do zidentyfikowania w danych przestrzennych lub czasoprzestrzennych. Z perspektywy semiotycznej identyfikacji można dokonać na podstawie wyrazu graficznego znaków, ich wzajemnych związków syntaktycznych dotyczących konstrukcji i porządkowania znaków. Celem porównania cech jest zwiększenie prawdopodobieństwa, że analizujący nie będzie widział tylko tych cech, ale uchwyci związki między nimi (A.M. MacEachren 1994). Oczywistą cechą danych przestrzennych jest lokalizacja obiektów, ale metody wizualizacji powinny ułatwiać porównanie innych złożonych atrybutów. Celem interpretacji jest powiązanie znakowych środków wyrazu zidentyfikowanych cech obiektowych z realnym światem zjawisk przez ich wzajemność.

Eksploracja danych, jako zasadnicze pojęcie w geowizualizacji, jest często prywatną aktywnością, w której nieznane zostaje ujawnione w wysoce interaktywnym środowisku komputerowym. Można wyróżnić następujące metody interaktywnej eksploracji (T.A. Slocum i in. 2010):

– manipulowanie danymi wejściowymi obejmujące standaryzację danych, transformację atrybutów i różne metody klasyfikacji danych;

– różna symbolizacja (np. zmiany barw w mapie choropletowej, czyli kartogramie);

– manipulacja punktu obserwacji użytkownika w prezentacjach 3D – wybór perspektywy i nawigacja w przestrzeni wirtualnej;

– wyeksponowanie części zbiorów danych przez „wyostrzenie” przedziałów cech danych o szczególnych wartościach;

– serie widoków/wielokrotne widoki – wyświetlenie na monitorze więcej niż jednego kartograficznego obrazu, pokazujących ten sam zestaw danych przy zastosowaniu różnych metod symbolizacji;

– animacja danych czasoprzestrzennych;

– łączenie map z innymi formami prezentacji, np. tabelami, wykresami, z kompleksowymi zestawieniami liczbowymi;

– wykorzystanie różnorodnych pomocy naukowych w celu dostępu do dodatkowych informacji;

– przypisywanie symboli do atrybutów, szczególnie przy wielowariantowych mapach atrybutowych;

– automatyczna interpretacja map – związana z pojęciem „wydobywania danych przestrzennych” z ogromnych zbiorów danych.

Ekstrakcja danych przestrzennych dotyczy wydobycia wiedzy o przestrzeni z ogromnych zbiorów danych (Spatial data mining), gdzie tradycyjne statystyczne podejście nie jest wystarczające, a istotą staje się zastosowanie technik wizualnych do testowania hipotez. Metody eksploracji są łączone bezpośrednio ze sposobami interakcji, co wiąże się z funkcjami odpowiedniego oprogramowania i konkretnymi formami reprezentacji możliwymi do uzyskania (A.M. MacEachren i in. 1999). Tradycyjne metody mapowania, jak kartogram i kartodiagram, nadal są niezbędne w wizualizacji danych przestrzennych i najczęściej stają się częścią procesu geowizualizacji. Inne metody formą dotykają problemu analizy matematycznej i geostatystycznej. Do przykładów form geowizualizacji wielokryterialności i wielowymiarowości danych należą:

– kartogram (mapy choropletowe) dla jednej lub dwóch zmiennych;

– wykresy współrzędnych równoległych;

– diagramy punktowe 3D i 4D;

– diagramy i wykresy punktowe 2D;

– wieloseryjne minimapy;

– diagramy zmiennych wartości 22.8;

– łączone diagramy mikromapowe;

– histogramy łącznie z wykresami punktowymi;

– animacje zmienności danych dla diagramów i kartogramów.

Ze wszystkich form prezentacji danych najczęściej wykorzystuje się mapy choropletowe, czyli kartogramy, ponieważ są intuicyjnie interpretowane przez odbiorcę, a także mogą być konstruowane w łatwy sposób w niemal każdej aplikacji geoinformacyjnej.

Duże znaczenie przy klasyfikacji i analizie danych mają wykresy współrzędnych równoległych, ukazujące relacje pomiędzy elementami w wielowymiarowym zbiorze danych. Trudniejsze do interpretacji pozostają diagramy punktowe w sześcianie, które pokazują trzy zmienne w odniesieniu do trzech osi współrzędnych, ale barwa punktów może prezentować czwartą zmienną (ryc. 1.8). Do przestrzennego wskazania zmienności danych można wykorzystać „geoobraz”, czyli widok punktów w trójwymiarowych oknach w kontekście przestrzennym na mapie.

Umożliwienie interakcji z typem danych, którymi są zainteresowani zarówno użytkownicy publiczni, jak i profesjonaliści, prowadzą do opracowania ogólnodostępnych serwisów internetowych. Przykładem zintegrowanego odkrywania zależności zachorowań na nowotwory na podstawie różnych form prezentacji jest atlas internetowy GeoVISTA (ryc. 1.9). Użytkownik wybiera kryteria, sposób klasyfikacji danych w kartogramie, których analiza jest wspomagana przez wyświetlane obok kolejne sposoby wizualizacji informacji w postaci wykresu częstotliwości, wykresu słupkowego parzystego dla płci i tabeli bazy danych. Podświetlony na żółto wiersz w bazie danych można bezpośrednio odnieść przestrzennie do wyróżnionej żółtą barwą jednostki kartogramu i kropką na wykresie punktowym.

Ryc. 1.8.

Jasność barwy w rozróżnieniu 7 klas dla zbioru danych wizualizowanych na wykresie współrzędnych równoległych, diagramie punktowym 3D oraz na „geoobrazie” (A.M. MacEachren i in. 1999)
(http://www.geovista.psn.edu/publications/ijgis99/index.html)

Na rycinie 1.10 zaprezentowano sieć pięciu aktywności obejmujących proces naukowy w GIScience: eksplorację, syntezę, analizę, ocenę i prezentację (M. Gahegan 2005). W ramach jednego postępowania badawczego mogą być wykorzystywane wybrane działania, które przebiegają w różnych kierunkach i mogą być również powtarzane.

Ryc. 1.9.

Atlas internetowy z możliwościami interaktywnego wizualizowania danych (http://www.geovista.psu.edu/grants/CDC/; za zgodą GeoVISTA Center, Penn State; więcej informacji: A.M. MacEachren, S. Crawford, M. Akella and G. Lengerich, 2008: Design and Implementation of a Model Web-based, GIS-Enabled Cancer Atlas. The Cartographic Journal 45, s. 246–260)

Przykładowa ścieżka badawcza w geowizualizacji, znaczona strzałkami na rycinie 1.10, rozpoczyna i kończy się konkretną reprezentacją, w tym przypadku na starcie są dane, a na końcu mapa. Zbiór danych przestrzennych podlega badaniu, które prowadzi do postawienia hipotezy i sformułowania koncepcji. Po zastosowaniu odpowiednich narzędzi następuje zrozumienie ogólnych schematów relacji między danymi. Ich kategoryzacja pozwala na sformułowanie teorii i odpowiedniego modelu. Działania na modelu mogą dotyczyć analizy prowadzącej do wyniku, który jest testowany i oceniany. Ostatecznym działaniem naukowym jest prezentacja, czyli wymierny przekaz wyników badań. Na każdym z tych etapów można stosować różne formy wizualizacji geograficznej, z których np. wykres współrzędnych równoległych może być efektem analizy wielu map tematycznych. Do dyspozycji badacza są różne formy geowizualizacji, które są wykorzystywane na kolejnych etapach działań. Forma przekazu efektu badań powinna już nawiązywać do jednoznacznie zrozumiałej dla odbiorcy konkluzji, dlatego w przypadku danych przestrzennych najczęściej jest to mapa statystyczna.

Ryc. 1.10.

Przykład ścieżki badawczej w GIScience (według M. Gahegan 2005)

Podstawowa rola mapy w procesie geowizualizacji nie ulega wątpliwości. Mapa statystyczna i mapa referencyjna pozostają głównym sposobem przekazu i zrozumienia zjawisk geograficznych oraz niezbędnym komponentem w strukturze zintegrowanego odkrywania wiedzy przestrzennej. Wszystkie formy prezentacji wymiarów przestrzeni omówione w tej książce stają się podstawą tworzenia indywidualnych i publicznych wizualizacji geograficznych. Szczególny rozwój multimedialnych przekazów, zwłaszcza w Internecie, jest najbardziej dynamicznym kierunkiem rozwoju kartografii, a zwłaszcza nurtu geowizualizacji (por. ryc. 7.46 i 7.47).