Research areas

Kartografia topograficzna

W Zakładzie Kartografii badania w zakresie kartografii topograficznej prowadzone są od wielu lat. Koncentrują się one na koncepcji rozwoju polskiej bazy danych topograficznych, której współtwórcami byli pracownicy Zakładu. Obecnie badania z tego zakresu dotyczą sposobów transformowania bazy danych topograficznych z modelu 2D na pełen model 3D (w tym pełnej integracji wektorowej bazy danych topograficznych z numerycznym modelem terenu), nowoczesnych procesów generalizacji kartograficznej danych topograficznych, zastosowania na nowych mapach topograficznych procesu cieniowania w celu efektywnego przedstawienia ukształtowania terenu, projektowania hybrydowych tj. wektorowo-rastrowych geowizualizacji danych (ryc. 3). Wiele prac związanych jest z efektywnym wykorzystaniem danych z bazy danych topograficznych, integracją i harmonizacją ich z innymi zasobami m.in. danych tematycznych.

ryc. 3. Przykład hybrydowej wizualizacji danych topograficznych

Jednym z najważniejszych osiągnięć w tym zakresie było zaproponowanie założeń koncepcyjnych wspólnego modelu pojęciowego danych referencyjnych odniesionych do dwóch poziomów szczegółowości tj. 1:10 000 oraz 1:250 000. Koncepcje te znalazły zastosowanie w przyjętym modelu pojęciowym BDOT, integrującym dane referencyjne w dwóch segmentach bazy danych: BDOT10k oraz BDOO. Kolejnym osiągnięciem, wypracowanym w zespole wraz z pracownikami Katedry Kartografii Uniwersytetu Warszawskego, jest propozycja spójnej koncepcji szeregu skalowego map topograficznych nowej edycji, opracowywanych na podstawie bazy danych topograficznych (BDOT10k), obejmująca definicje elementów treści map, sposoby generalizacji danych przestrzennych, zasady redakcyjne i koncepcje graficzne wraz z procesem przygotowania dokumentów technicznych.

W wyniku prac badawczych przedstawiono również propozycje uzupełnienia treści map topograficznych cieniowaniem numerycznego modelu rzeźby terenu o wysokiej szczegółowości, które uplastycznia rysunek warstwicowy. Propozycje te, podnoszące atrakcyjność graficzną przekazu informacji, a przez to jego efektywność, spotkały się z szerokim zainteresowaniem środowiska kartografów. Badania nad aspektami wizualizacji internetowej danych topograficznych, prowadziły do opracowania koncepcji wraz z wdrożeniem internetowego serwisu geoinformacyjnego. Serwis udostępnia dane referencyjne z różnych poziomów szczegółowości, wizualizowane zgodnie z obowiązującymi standardami (dokumentacją techniczną BDOT i kartograficznych opracowań pochodnych), przy użyciu internetowego serwera map.

Pracownicy i doktoranci Zakładu wspierają prace koncepcyjne i praktyczne przy budowie systemów zarządzania bazami danych referencyjnych, są także współautorami przekrojowej monografii pod redakcją dr. hab. inż. Dariusza Gotliba i dr. hab. inż. Roberta Olszewskiego pt. „Rola bazy danych obiektów topograficznych w tworzeniu infrastruktury informacji przestrzennej w Polsce”, wydanej nakładem Głównego Urzędu Geodezji i Kartografii w r. 2013. Monografia zawiera prezentację edycji polskich map topograficznych, opis Krajowego Systemu Zarządzania BDOT, charakterystykę modelu pojęciowego TBD/BDOT, opis metadanych i źródeł danych zasilających. W jej skład wchodzą także obszerne rozdziały dotyczące sposobów wykorzystania bazy danych topograficznych w tworzeniu polskiej infrastruktury informacji przestrzennej oraz możliwości zastosowań i kierunków rozwoju tej podstawowej bazy danych referencyjnych. Wiele z przedstawionych tam propozycji zostało wdrożonych w praktyce lub ma szansę na wdrożenie w niedalekiej przyszłości.

Wielorozdzielcze bazy danych przestrzennych i generalizacja informacji geograficznej

Pracownicy Zakładu Kartografii od wielu lat prowadzą także badania związane z generalizacją kartograficzną oraz tworzeniem tzw. wielorozdzielczych baz danych przestrzennych typu MRDB (ang. multi resolution / multirepresentation data base), aktywnie uczestniczą także w pracach Międzynarodowej Asocjacji Kartograficznej i Komisji ICA Generalisation and Multiple Representation. Prace naukowe prowadzone w Zakładzie Kartografii zaowocowały zarówno licznymi publikacjami naukowymi, wystąpieniami konferencyjnymi na forum krajowym i międzynarodowym, jak i opracowaniem prototypów rozwiązań geoinformacyjnych. Do realizacja procesu zasilania urzędowej bazy BDOO danymi BDOT10k zaproponowano system generalizacji informacji geograficznej łączący zalety tzw. podejścia regułowego i restrykcyjnego (ryc. 4). W prototypowym systemie generalizacji danych topograficznych zastosowano tzw. modelowanie restrykcyjne, w którym określone są warunki brzegowe - ograniczenia (ang. constraints) natury geometrycznej i topologicznej. Istotną zaletą tego podejścia jest samoewaluacja procesu generalizacji. Zdefiniowane ograniczenia określają nie tylko sposób działania systemu, lecz także więzy integralności przestrzennej.

Opracowując założenia systemu generalizacji informacji geograficznej umożliwiającego zasilanie bazy BDOO danymi BDOT10k w Zakładzie Kartografii opracowano także tzw. bazę wiedzy oraz opis operatorów generalizacji wraz z ich implementacją w postaci odpowiednich operatorów, algorytmów i parametrów generalizacji. Celem prowadzonych badań było opracowanie kompleksowej bazy wiedzy systemu generalizacji informacji geograficznej, umożliwiającej zarówno wspomaganie procesu tworzenia wyższych poziomów informacyjnych bazy danych topograficznych (TOPO250), jak i generowanie map topograficznych i przeglądowych w skalach od 1: 10 000 do 1: 1 000 000.

ryc. 4. Schemat procesu generalizacji informacji geograficznej
w bazie danych obiektów topograficznych

Kartograficzna metoda badań i eksploracyjna analiza danych przestrzennych

W Zakładzie Kartografii od wielu lat prowadzone są projekty naukowe związane z kartograficzną metodą badań i eksploracyjną analizą danych przestrzennych (ang. spatial data mining) oraz statystyką przestrzenną. Istnieje bowiem swoista analogia pomiędzy kartografią (czy ściślej mówiąc - kartograficzną metodą badań) a metodyką badań statystycznych. By móc wiarygodnie wnioskować o populacji, prowadzi się badania na odpowiednio dobranej próbie reprezentatywnej. Poprzez zastosowanie adekwatnego dla celu opracowania modelu kartograficznego, i jego analizę w systemach geoinformacyjnych, możemy wnioskować nie o układzie „kresek na mapie”, lecz o wzajemnym oddziaływaniu obiektów terenowych, o zależnościach komponentów środowiska przyrodniczego, o relacjach i układach przestrzennych.

Pracownicy Zakładu Kartografii w publikowanych pracach naukowych zaproponowali wiele innowacyjnych rozwiązań poszerzających „klasyczny” arsenał badawczy kartograficznej metody badań o: wykorzystanie metod inteligencji obliczeniowej do analizy informacji geograficznej, zastosowanie sztucznych sieci neuronowych do wielocechowej klasyfikacji danych przestrzennych, dystansową i osobliwą metodę koncentracji przestrzennej itp. Prowadzone badania pozwoliły także na zróżnicowanie przestrzenne i uszczegółowienie wyników analizy korelacji przestrzennej wyznaczanej zarówno na poziomie ilościowych skal pomiarowych, jak również skal rangowych i jakościowych.

Obecnie prowadzone badania związane są z wykorzystaniem metod spatial data mining w zaawansowanej analizie danych przestrzennych. Celem prowadzonych prac jest także komercjalizacja wyników badań naukowych, realizowana wspólnie z firmą Intergraph Polska i firmą WIZIPISI w ramach projektu NCBiR „Opracowanie i wdrożenie innowacyjnej technologii GeoMedia Enterprise Intelligence realizującej wielokryterialną analizę danych przestrzennych w środowisku narzędziowym desktop oraz Web”. Opracowane w ramach projektu narzędzie - GeoMedia Enterprise Intelligence pozwoli na znaczące rozszerzenie analityki biznesowej baz danych (business intelligence) o informacje przestrzenną – lokalizację obiektów, ich wielkość, kształt, sąsiedztwo, zależności przestrzenne w występowaniu poszczególnych zjawisk itp. Pracownicy Zakładu Kartografii wnoszą istotny wkład w realizację tego projektu, opracowując algorytmy:

• wyznaczenia lokalnej korelacji pomiędzy danymi wyrażonymi w różnych skalach pomiarowych (ilościowych, rangowych i jakościowych),
• interaktywnej budowy wieloczynnikowego modelu regresji i ocenę rozkładu przestrzennego reszt z regresji (określających stopień objaśnienia zjawiska przez model matematyczny),
• wykorzystania metody szeregów czasowych do wyznaczenia trendu i sezonowości określonego zjawiska przestrzennego,
• realizacji w sposób dynamiczny agregacji przestrzennej,
• redukcji wymiarowości problemu poprzez wykorzystanie zbiorów przybliżonych (rough sets) i tzw. reduktów.

Kartografia internetowa i multimedialna

Na początku XXI wieku rozwijające się technologie internetowe udostępniania danych spopularyzowały informację geograficzną w sieci internetowej i uczyniły ją atrakcyjną w wielu zastosowaniach. Szczególna rola przypadła serwisom geoinformacyjnym, które dostarczały nie tylko obraz kartograficzny, ale także szereg usług wyszukiwania, analiz i elastycznej prezentacji danych. Juz wtedy istotą badań było stwierdzenie, na ile metodyka projektowania serwisów internetowych odpowiada i wyczerpuje potrzeby publikacji danych geoprzestrzennych w sieci globalnej. Analiza wykorzystywanych w tzw. webmasteringu zasad naukowej obserwacji, pomiaru i projektowania podczas tworzenia i modyfikowania stron internetowych w celu zwiększenia ich walorów użytkowych pozwoliła na sformułowanie tezy, iż w przypadku kartograficznych publikacji internetowych niezbędne jest stosowanie w równej mierze reguł kartograficznych oraz wytycznych użytecznościowych. A zatem konieczne stało się zdefiniowanie zasad kartograficzno-funkcjonalnego podejścia do projektowania map przeznaczonych do publikacji internetowej.

Rozważania teoretyczne pozwalały na stwierdzenie, iż metodyka kartograficzna znakomicie koresponduje z uwarunkowaniami publikacji internetowych. Mapy z reguły dobrze spełniają swe funkcje dzięki zastosowanym regułom redagowania, z definicji zorientowanym na użytkownika. W teorii przekazu kartograficznego bez odbiorcy nie ma mowy o komunikowaniu. Tak więc tradycyjna metodyka kartograficzna, zarówno teoria jak i praktyka, znakomicie sprawdzają się w zastosowaniach internetowych. Jednak przeprowadzone analizy porównawcze przykładów publikacji kartograficznych pokazały, że założenia teoretyczne nie są stosowane przez twórców witryn. W praktyce w dalszym ciągu trudność sprawia jednoczesne zapewnienie funkcjonalności (wyposażenia aplikacyjnego) i jakości kartograficznej.

Rozwinięcie idei implementacji zasad użyteczności w projektowaniu map zaowocowało wnioskiem, iż na zasadzie sprzężenia zwrotnego własności mapy wpływają na podniesienie użyteczności całego przekazu internetowego. Dzieje się tak dlatego, że mapa ze swej istoty jest dziełem użytkowym. Cechy użytkowe nabywa w procesie redakcji i reprodukcji: od momentu przygotowania danych źródłowych, poprzez generalizację, symbolizację, aż po publikację. Dlatego w każdym zastosowaniu, również wtedy, gdy mapa trafia na stronę internetową, poprawnie przygotowany produkt kartograficzny gwarantuje wysoki poziom użyteczności. Jeśli proces tradycyjnej reprodukcji poligraficznej zastępuje publikacja za pośrednictwem Internetu, to poza typowymi cechami kartograficznymi mapę charakteryzują dodatkowo dwie cechy: interaktywność i hipermedialność. Dzięki nim funkcjonalność mapy wykracza poza tradycyjne cechy kartograficzne. Można więc mówić o osnowie funkcjonalnej mapy, jako immanentnej cesze map w systemach komputerowych. Realizację osnowy funkcjonalnej, czyli zdefiniowanej interaktywności, elementów multimedialnych i innych narzędzi obsługi mapy cyfrowej można nazwać funkcjonalizacją mapy.

Ze względu na cechy funkcjonalne mapa może być wykorzystana w roli interfejsu użytkownika. Propozycję takiego zastosowania map zaprezentowano w kilku artykułach i wystąpieniach konferencyjnych. Kartograficzny interfejs użytkownika może obecnie integrować różne źródła danych przestrzennych, a także dowolne dane multimedialne. Niezmienne jest to, że tylko metodyczne podejście do redagowania tego specyficznego interfejsu użytkownika gwarantuje prawidłowy odbiór usługi kartograficznej, którą końcowy użytkownik będzie w stanie wykorzystać i samodzielnie rozwinąć. Upowszechnienie aplikacji internetowych w sieci internetowej drugiej generacji (Web 2.0) spowodowało wzrost zainteresowania użytkowników informacją przestrzenną w różnych zastosowaniach praktycznych. Uspołecznienie Internetu okazało się równoznaczne z otwarciem kartografii na wielu odbiorców oraz nieprofesjonalnych twórców map. Stąd koniecznym okazało się inne spojrzenie na rolę kartografa, a jednocześnie możliwe było odkrycie nowych zastosowań technik i metod kartograficznych.

Opracowane zasady funkcjonalizacji kartograficznej i zapewnienia użyteczności zostały wykorzystane w pracach koncepcyjnych i podczas realizacji serwisów geoinformacyjnych w ramach projektów naukowych i wdrożeniowych Zakładu Kartografii (ryc. 5).

ryc. 5. Projekt interfejsu serwisu internetowego danych statystycznych.

Kartografia mobilna i kartografia nawigacyjna, kartografia wnętrz budynków

W projektowaniu i produkcji mobilnych aplikacji nawigacyjnych i lokalizacyjnych wykorzystuje się metody, technologie z zakresu GIS i kartografii. Związki między kartografią a dziedziną projektowania oraz użytkowania aplikacji nawigacyjnych i lokalizacyjnych powinny być bardzo ścisłe, a rola kartografa w tym procesie niezwykle istotna. Podstawą współczesnych mobilnych aplikacji geoinformacyjnych są wysokiej jakości dane geograficzne oraz wysokiej jakości, złożona prezentacja kartograficzna. Dlatego też w ostatnich latach w Zakładzie Kartografii podjęto badania w zakresie tzw. kartografii mobilnej. Zgodnie z definicją proponowaną przez Reichenbachera (2004) kartografia mobilna (ang. mobile cartography) to dziedzina kartografii zajmująca się teorią i technologiami dotyczącymi dynamicznej wizualizacji danych przestrzennych oraz ich wykorzystania przy użyciu urządzeń mobilnych, w dowolnym miejscu i dowolnym czasie, ze szczególnym uwzględnieniem rzeczywistego kontekstu i preferencji użytkownika.

Nawiązując do tej definicji przyjęto (Gotlib 2011), że kartografia mobilna to dziedzina zajmująca się metodyką zapewnienia poprawnego przekazu informacji geograficznej i powiązanych z nią informacji specjalistycznych użytkownikowi znajdującemu się w ruchu, korzystającemu z oprogramowania opartego w znacznym stopniu na metodach GIS, wykorzystującym najczęściej satelitarny system nawigacyjny oraz nowoczesne technologie teleinformatyczne. Obszarem zainteresowania kartografii mobilnej jest przede wszystkim zespół zagadnień kartograficznych dotyczących modelowania kartograficznego danych pozyskiwanych ze źródłowych baz danych, sposobu doboru treści na potrzeby mobilnych aplikacji geoinformacyjnych oraz jej przekazywania użytkownikowi w najbardziej efektywny i estetyczny sposób, z uwzględnieniem możliwości technologicznych oraz zasad zapewniających optymalną jej percepcję (Gotlib 2011).

Pierwsze prace z zakresu kartografii mobilnej oraz systemów nawigacji wykorzystywanych na lądzie podjęto w Zakładzie Kartografii w roku 2007. Jednym z głównych osiągnięć było zaproponowanie pierwszego formalnego, Modelu Mobilnej Prezentacji Kartograficznej (opisanego przy pomocy diagramu klas UML) wprowadzającego szereg nowych pojęć, mogących stanowić podstawę opracowania ontologii mobilnego przekazu kartograficznego. Przedstawione zostały też zasady i wskazówki o charakterze metodyczno-implementacyjnym, dotyczące procesu redakcji kartograficznej prezentacji mobilnych oraz koncepcja budowy nowych narzędzi kartograficznych spełniających wymagania zaproponowanej metodyki. Do procesu nauczania na II stopniu studiów na specjalności „Kartografia i Systemy Informacji Geograficznej” wprowadzono przedmiot „Kartografia mobilna”. Nawiązano współpracę z firmą GARMIN, która stała się partnerem Laboratorium Kartografii Mobilnej. Poza systemami nawigacji lądowej, obszarem zainteresowań Zakładu jest tematyka kartografii lotniczej. Zakład Kartografii jest w chwili obecnej jedynym Zakładem w Polsce zajmującym się tą problematyką. Zakład współpracuje w tym zakresie z Polską Agencją Żeglugi Powietrznej, Centralną Szkoła Szybowcową w Lesznie oraz Akademickim Ośrodkiem Szybowcowym Politechniki Rzeszowskiej w Bezmiechowej.

W ostatnich dwóch latach badania w zakresie kartografii mobilnej skoncentrowały się na nowych możliwościach i wyzwaniach kartograficznych dotyczących nawigowania wewnątrz budynków. Rozpoczęto pierwsze w Polsce i jedne z pierwszych na świecie badania w zakresie kartografii wnętrz obiektów.  Nawiązano współpracę m.in. z korporacją Samsung Electronics. Problematyka poruszana w badaniach z zakresu kartografii wnętrz budynków wykracza poza zakres kartografii mobilnej, ponieważ dotyczy również klasycznych systemów zarządzania budynkami. Prowadzone są między innymi badania dotyczące integracji modeli budynków tworzonych w technologii BIM i GIS.

Obecnie przygotowywane są cztery rozprawy doktorskie dotyczące zagadnień kartografii mobilnej, nawigacji  i kartografii wnętrz budynków oraz  powstało 8 prac dyplomowych inżynierskich i magisterskich (3 kolejne są na ukończeniu).

Kartografia matematyczna

W ostatnim pięcioleciu działalności naukowej Zakładu Kartografii można wyróżnić trzy główne obszary badań w zakresie kartografii matematycznej:

• problematyka minimalizacji zniekształceń w odwzorowaniach kartograficznych,
• problematyka konstruowania odwzorowań kartograficznych anamorficznych,
• problematyka obliczeń kartometrycznych, a w szczególności zastosowanie odwzorowań kartograficznych równopolowych do obliczania pól powierzchni wieloboków elipsoidalnych.

Minimalizacja zniekształceń odwzorowawczych jest jednym z podstawowych problemów kartografii matematycznej. Mimo upływu 200 lat od pojawienia się pierwszych publikacji z tego zakresu tematyka jest nadal aktualna. Świadczy o tym szereg prac i projektów aktualnie realizowanych na świecie. Jako przykład mogą posłużyć prace Franka Cantersa z Uniwersytetu w Brukseli nad odwzorowaniami równopolowymi o minimalnych zniekształceniach dla Unii Europejskiej oraz prace Bernarda Jenny’ego z Uniwersytetu Stanowego w Oregonie, których celem jest poszukiwanie nowych odwzorowań kartograficznych całego globu ziemskiego. W Zakładzie Kartografii również prowadzone są badania z tego zakresu. Przede wszystkim dotyczą one zastosowania rachunku wariacyjnego oraz numerycznych metod programowania nieliniowego do minimalizacji zniekształceń w odwzorowaniach kartograficznych spełniających tzw. kryteria integralne. Dzięki zastosowaniu tych kryteriów oraz metod opracowano nowe interesujące odwzorowania kartograficzne charakteryzujące się niewielkimi zniekształceniami w odwzorowywanym obszarze.

Projektując nowe odwzorowania nie zawsze najważniejszym celem jest uzyskanie niewielkich zniekształceń. Czasem wręcz przeciwnie, intencją twórców może być opracowanie mapy, na której pewne obszary lub elementy treści są celowo zniekształcone (zazwyczaj powiększone). Do takich map mają zastosowanie tzw. odwzorowania anamorficzne. W Zakładzie Kartografii prowadzono badania dotyczące konstruowania tego typu odwzorowań kartograficznych. Opracowano metodykę uwzględniającą podstawy teoretyczne i wyprowadzenie formuł analitycznych wyznaczania zniekształceń odwzorowawczych, a także transformacji anamorficznych treści numerycznych map topograficznych. Opracowano prototypowe aplikacje komputerowe do anamorficznych transformacji map topograficznych w skalach 1:10 000 i 1:50 000. Przeprowadzono stosowne badania testowe i wyznaczono najkorzystniejsze wartości parametrów tych transformacji dla map postaci wektorowej i rastrowej. Efektem tych prac była opublikowana w 2009 r. rozprawa doktorska mgr inż. Sylwii Garbarczyk-Walus pt.: „Metodyka konstruowania odwzorowań anamorficznych”.

W Zakładzie Kartografii prowadzono również badania związane z zastosowaniem odwzorowań kartograficznych równopolowych do obliczania pól powierzchni wieloboków geodezyjnych na elipsoidzie.

Obliczanie pól powierzchni wieloboków geodezyjnych jest jednym z podstawowych zadań wykonywanych przez geodetów i kartografów, m. in. w pracach związanych z prowadzeniem katastru nieruchomości czy obliczaniem pól powierzchni jednostek podziału terytorialnego. Jeżeli zadanie sprowadza się tylko do powierzchni kuli lub płaszczyzny, to rozwiązanie jest stosunkowo łatwe. Zadanie komplikuje się, jeżeli za powierzchnię odniesienia przyjmiemy elipsoidę obrotową. Możemy wówczas stosować metody, które z lepszym lub gorszym rezultatem pozwalają uzyskać przybliżone pola powierzchni wieloboków geodezyjnych.

W ramach prowadzonych prac przeanalizowano istniejące metody obliczania pól powierzchni wieloboków geodezyjnych elipsoidalnych oraz możliwość zastosowania w tym zakresie odwzorowań równopolowych. Opracowano algorytmy oraz programy komputerowe do obliczania pól wieloboków elipsoidalnych z zastosowaniem odwzorowań równopolowych. Przeprowadzono szereg analiz oraz w oparciu o nie sformułowano zalecenia co do zastosowania odwzorowań równopolowych do obliczania pól. Ponadto wykonano szereg obliczeń testowych bazując na danych pochodzących z Państwowego Rejestru Granic. Efektem przeprowadzonych prac jest autorska metoda, która z powodzeniem może znaleźć zastosowanie do obliczania pól powierzchni dowolnie dużych wieloboków geodezyjnych na elipsoidzie, i może stanowić alternatywę dla istniejących metod wykorzystywanych w tym zakresie.

W wyniku opisanych wyżej prac powstała rozprawa doktorska mgr inż. Marty Kuźmy pt.: „Metodyka obliczania pól powierzchni geodezyjnych wieloboków elipsoidalnych z zastosowaniem odwzorowań równopolowych”.

Wyniki badań naukowych publikowane były w czasopismach o zasięgu krajowym i międzynarodowym oraz na konferencjach krajowych i międzynarodowych.