ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ Δρ. Ιωάννης Κ. Καπαγερίδης, MSc PhD CEng CSci MIMMM Επίκουρος Καθηγητής Μεταλλευτικής Πληροφορικής Κοζάνη 2006
Περιεχόμενα ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ...2 Η ΕΠΟΧΗ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ...4 ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ & ΣΤΟΙΧΕΙΑ...4 ΧΩΡΙΚΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ...7 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΓΣΠ...9 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΓΣΠ...10 ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΓΣΠ...12 ΤΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΣΕ ΕΝΑ ΓΣΠ ΕΙΣΑΓΩΓΗ & ΈΞΟΔΟΣ...13 Ο ΧΑΡΤΗΣ ΩΣ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΤΩΝ ΓΣΠ...15 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΧΑΡΤΩΝ ΣΕ ΕΝΙΑΙΟ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ...17 Το Γεωειδές...17 Το γήινο ελλειψοειδές...18 ΠΡΟΒΟΛΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ...20 Γεωδαιτικά συστήματα αναφοράς και προβολικά συστήματα που χρησιμοποιούνται στην Ελλάδα20 Πηγές χαρτογραφικού υλικού για τον ελλαδικό χώρο...22 Ο ΧΑΡΤΗΣ ΩΣ ΠΑΡΑΓΩΓΟ ΤΩΝ ΓΣΠ...23 Η σύνταξη του χάρτη...24 ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΕΝΟΣ ΓΣΠ: ΟΝΤΟΤΗΤΕΣ, ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ...25 Σημεία...26 Γραμμές...26 Περιγραφικά χαρακτηριστικά των δικτύων...27 Αddress matching ή Geocoding...27 Πολύγωνα και Περιοχές ως οντότητες...28 Συνεχείς επιφάνειες...29 ΜΟΡΦΕΣ ΤΩΝ ΧΩΡΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ...30 Ψηφιδωτά μοντέλα (γραφικά raster)...31 Διανυσματικά μοντέλα (γραφικά vector)...32 Πλεονεκτήματα μειονεκτήματα ψηφιδωτών (raster) γραφικών...34 Πλεονεκτήματα μειονεκτήματα διανυσματικών (vector) γραφικών...34 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΧΩΡΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΕ ΕΝΑ ΓΣΠ...34 Γεωδαιτικοί Σταθμοί (Total Stations)...35 Ρομποτικά Συστήματα Μέτρησης...35 Η χρησιμοποίηση του δορυφορικού συστήματος εντοπισμού θέσης GPS...36 Φωτογραμμετρικές και τηλεπισκοπικές μέθοδοι...37 Η ψηφιοποίηση υπαρχόντων χαρτών...38 Μετατροπή από raster σε vector...39 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΕ ΕΝΑ ΓΣΠ...39 Προετοιμασία των πρωτογενών δεδομένων και οργάνωση του μηχανισμού εισαγωγής...40 Πιλοτική εφαρμογή για το σχεδιασμό της καταλληλότερης διαδικασίας εισαγωγής...40 Έλεγχος και διορθώσεις των βάσεων δεδομένων που δημιουργούνται...41 ΟΙ ΒΑΣΕΙΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ...41 Γλώσσες ερωτήσεων (Query Languages)...43 ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΚΑΤΑ ΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΕΝΟΣ ΓΣΠ...44 Η ακρίβεια (accuracy) ενός μεγέθους...44 Η αξιοπιστία (precision) των μετρήσεων...44 Η ποιότητα των δεδομένων (data quality)...44 To σφάλμα (error) ενός μετρημένου μεγέθους...45 Τύποι σφαλμάτων στα ΓΣΠ...45 Πιθανές πηγές σφαλμάτων στα ΓΣΠ...45 Κριτήρια αξιολόγησης του ψηφιακού χαρτογραφικού υποβάθρου ενός ΓΣΠ...46 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ ΣΕ ΕΝΑ ΓΣΠ...46 Κωδικοποίηση τοπολογικών συνδέσεων...47 ΧΩΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕ ΤΟ ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ...48 Ο χρόνος ως παράγων ανάπτυξης των ΓΣΠ...49 Τοπολογική επικάλυψη...49 Ερωτήσεις προς τις βάσεις δεδομένων των ΓΣΠ...53 Ανάλυση χωρικών δικτύων...54 ΧΩΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕ ΤΟ ΨΗΦΙΔΩΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ...56 2
Δημιουργία νέου επιπέδου από τα δεδομένα υπαρχόντων επιπέδων...57 Εργασίες ανάλυσης από δεδομένα γειτονικών εικονοστοιχείων...57 Ζώνες επιρροής...58 Υπολογισμός ορατότητας...59 Εργασίες ανάλυσης ανά ζώνη ή τάξη...59 3
Η Εποχή της Πληροφορίας Τις τελευταίες δεκαετίες η εξέλιξη της τεχνολογίας ήταν ραγδαία. Βρισκόμαστε στη μεταβιομηχανική εποχή της πληροφορίας. Η πληροφορία μεταβάλλεται σε κύριο προϊόν. Οι καθημερινές δραστηριότητες του ανθρώπου, από τις πιο απλές μέχρι τις πλέον σύνθετες, είναι τις περισσότερες φορές συνυφασμένες με την έννοια του χώρου. Σχεδόν όλες οι αποφάσεις που λαμβάνονται σε κυβερνητικό ή επιστημονικό επίπεδο επηρεάζονται, περιορίζονται ή ακόμη και υπαγορεύονται από κάποιο γεωγραφικό χαρακτηριστικό. Οι αποφάσεις λαμβάνονται μετά από εκτίμηση διαφόρων δεδομένων που χαρακτηρίζονται ως πληροφορίες και είναι συνδεδεμένες με το χώρο. ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ: Οποιοδήποτε είδος γνώσης ή μηνύματος που χρησιμοποιηθεί για να ολοκληρώσει ή να βελτιώσει τη διαδικασία απόφασης. μπορεί να λήψης μιας Πληροφορίες & Στοιχεία Η έννοια της πληροφορίας δεν πρέπει να συγχέεται με την έννοια του στοιχείου ή των δεδομένων. Τα στοιχεία είναι τα κύρια συστατικά από τα οποία αντλούνται ή αποτελούνται οι πληροφορίες. Πολλές φορές οι πληροφορίες που εξάγονται από την επεξεργασία κάποιων αρχικών στοιχείων, αποτελούν οι ίδιες στοιχεία για την εξαγωγή κάποιων άλλων πληροφοριών. Η αντιστοίχηση χώρου και πληροφοριών οδηγεί στην έννοια της γεωγραφικής πληροφορίας. Γεωγραφική πληροφορία θεωρείται κάθε γνώση ή μήνυμα που σχετίζεται με την κατανομή ενός φαινομένου ή μιας διαδικασίας στο χώρο. Υπάρχουν τρεις βασικές αρχές που διέπουν τις πληροφορίες κάθε μορφής: 1. Η ακρίβεια των πληροφοριών εξαρτάται από τη χρονική στιγμή ή περίοδο κατά την οποία αυτές περιγράφηκαν. 4
2. Οι ίδιες πληροφορίες σπανίως εξυπηρετούν περισσότερους από έναν σκοπούς με την ίδια αποτελεσματικότητα. 3. Οι πολύ λεπτομερείς πληροφορίες συχνά δεν είναι εύκολα κατανοητές. Οι γεωγραφικές πληροφορίες, για να βοηθήσουν στην ανάλυση χωρικών φαινομένων, θα πρέπει να είναι ακριβείς, αντικειμενικές, ενιαίες, και προσιτές. Σύστημα πληροφοριών είναι ένα σύστημα που διαθέτει τα κατάλληλα εργαλεία για την αποδοτική συλλογή, επεξεργασία και διαχείριση των πληροφοριών. Ένα σύστημα πληροφοριών δίνει τη δυνατότητα αποθήκευσης μεγάλου όγκου πληροφοριών και πολύ μεγάλη ταχύτητα επεξεργασίας, κάνει χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών με τις περιφερειακές τους μονάδες και ειδικών προγραμμάτων, και αποτελείται από τη βάση πληροφοριών, τους μηχανισμούς εισαγωγής και εξόδου δεδομένων και τις διαδικασίες ταξινόμησης, επεξεργασίας και ανάλυσης των πληροφοριών. Ένα Σύστημα Πληροφοριών που βασίζεται στη διαχείριση γεωγραφικών πληροφοριών (χωρίς αυτό να σημαίνει ότι δεν μπορεί να περιέχει και μη χωρικές (περιγραφικές) πληροφορίες) ονομάζεται Γεωγραφικό Σύστημα Πληροφοριών (ΓΣΠ, Geographical Information System, GIS). Γεωγραφικό (Geographic): Η γεωγραφία του πραγματικού κόσμου, η χωρική κατανομή των πραγμάτων. Σύστημα (System): Η τεχνολογία των ηλεκτρονικών υπολογιστών και των σχετικών περιφερειακών μονάδων. Η υποστήριξή, αειφόρος λειτουργία και αναβάθμισή τους. Πληροφοριών (Information): Δεδομένα και πληροφορίες, η σημασία (αξία) και η χρήση τους. 5
Τα ΓΣΠ δέχονται δεδομένα από πολλαπλές πηγές οι οποίες μπορεί να έχουν πολλές διαφορετικές τυποποιήσεις και δομές. Στους διαφορετικούς τύπους δεδομένων συμπεριλαμβάνονται χάρτες, εικόνες, φωτογραφίες, ψηφιακά προϊόντα, σήματα /μετρήσεις GPS, κείμενα, πίνακες δεδομένων. Τα ΓΣΠ συνδυάζουν δεδομένα και συνεργάζονται με ένα μεγάλο αριθμό άλλων επιστημονικών κατευθύνσεων, όπως τη Γεωγραφία, τη Χαρτογραφία, τη Φωτογραμμετρία, την Τηλεπισκόπιση, τη Γεωδαισία, την Τοπογραφία, την Επιστήμη του Πολιτικού Μηχανικού, τη Στατιστική, την Πληροφορική, την Επιχειρησιακή έρευνα, την Τεχνητή Νοημοσύνη κλπ. Αποστολή των ΓΣΠ είναι να εφοδιάσουν τις διαδικασίες λήψης αποφάσεων με τις απαραίτητες πληροφορίες. Οι πληροφορίες χρησιμοποιούνται, είτε για να αναγνωρίσουν και να επισημάνουν την ύπαρξη και τη θέση ενός προβλήματος, είτε για να ανιχνεύσουν και να αναλύσουν τις διάφορες εναλλακτικές λύσεις ή και για να βοηθήσουν στην εκτέλεση μιας απόφασης. 6
Τα ΓΣΠ αποτελούν μια δυναμική και συνεχώς αναπτυσσόμενη τεχνολογία της σύγχρονης εποχής και έρχεται να αντικαταστήσει παραδοσιακούς τρόπους εργασίας και παραγωγής. Σε αυτή την εξέλιξη είναι αναπόφευκτο να ακολουθήσουν τρία βασικά στάδια έως την πλήρη αποδοχή τους: 1. Άρνηση χρήσης και αποδοχής 2. Προσεκτική αποδοχή και χρήση 3. Πλήρης αποδοχή και εφαρμογή των πλεονεκτημάτων που παρέχουν Χωρικά και περιγραφικά δεδομένα Tα ΓΣΠ αποδίδουν γεωγραφική ταυτότητα στις κάθε είδους ιδιότητες και θεματικές πληροφορίες που ενσωματώνονται σε αυτά. Η γεωγραφική διάσταση των πληροφοριών υλοποιείται με τα διάφορα συστήματα συντεταγμένων και τους ψηφιακούς χάρτες (διανυσματικούς ή ψηφιδωτούς). Ένα ΓΣΠ περιλαμβάνει μηχανισμούς και διαδικασίες τόσο για τη διαχείριση των χωρικών πληροφοριών, όσο και των περιγραφικών. Σε κάθε στοιχείο του χώρου αντιστοιχίζονται: Χωρικά δεδομένα (spatial data), που προσδιορίζουν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του στοιχείου (θέση, διαστάσεις, σχήμα κ.λπ.) και έχουν άμεση σχέση με τον εντοπισμό του. Περιγραφικά δεδομένα ή μη χωρικά δεδομένα (aspatial data ή attributes), που αναφέρονται σε χαρακτηριστικά ή ιδιότητες που αποδίδονται στο συγκεκριμένο στοιχείο του χώρου και δεν σχετίζονται άμεσα με τον εντοπισμό του. Οι γεωδαιτικές επιστήμες παρέχουν στο ΓΣΠ χωρικά δεδομένα. Η συγκέντρωση περιγραφικών δεδομένων μπορεί να γίνει με οποιοδήποτε τρόπο με τη βοήθεια ειδικών διαδικασιών τυποποίησης για την ευχερέστερη εισαγωγή στο σύστημα. Tα ΓΣΠ βασίζονται για τη λειτουργία τους στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών υπολογιστών, των περιφερειακών τους μονάδων και στη σύνταξη 7
ειδικών προγραμμάτων. Τα χωρικά δεδομένα ορίζονται συνήθως από μαθηματικά ορισμένα χαρακτηριστικά που περιλαμβάνουν τη δυνατότητα εντοπισμού: προβολικές συντεταγμένες x, y γεωγραφικές συντεταγμένες φ, λ. Τα μη χωρικά δεδομένα περιγράφουν κάποια χαρακτηριστικά ενός αντικειμένου /στοιχείου και με την έννοια αυτή καλούνται περιγραφικά δεδομένα. Τα περιγραφικά δεδομένα μπορεί να είναι μη χωρικά χαρακτηριστικά ενός χωρικού αντικειμένου, όπως όνομα, ταξινόμηση, χρώμα, ενώ μπορεί να είναι ποσοτικά ή ποιοτικά. Ονόματα, επεξηγήσεις και επιγραφές Aριθμοί (πχ. αρίθμηση οικοπέδων) H διεύθυνση ενός ακινήτου (x, y) μπορεί να εντοπισθεί, επομένως χαρακτηρίζεται ως χωρικό δεδομένο και η θέση παραμένει αναλλοίωτη, ενώ ο ιδιοκτήτης μπορεί να αλλάξει και επομένως το όνομά του είναι περιγραφικό δεδομένο. Μέσα από τις δομές λειτουργίας των ΓΣΠ και τις δυνατότητες του λογισμικού είναι δυνατή η αμφίδρομη σχέση μεταξύ χωρικών και περιγραφικών δεδομένων. O χρήστης επιλέγει το γραφικό (χωρικό) στοιχείο και με απλούστατο χειρισμό λαμβάνει τις περιγραφικές πληροφορίες που αντιστοιχούν σε αυτό. Mια γραφική οντότητα (ένα χωρικό στοιχείο) εντοπίζεται μέσα στον ψηφιακό χάρτη και τίθεται υπόψη του χρήστη, όταν αυτός επιλέγει από τη βάση περιγραφικών δεδομένων τη μη χωρική πληροφορία που σχετίζεται με το συγκεκριμένο γραφικό στοιχείο. Τα ΓΣΠ: Αποτελούν μια τεχνολογία παραγωγής ψηφιακών προϊόντων (χάρτες, πίνακες κλπ.). Παρέχουν δυνατότητες συσχέτισης μεταξύ αναγκών και πληροφοριών για την κάλυψη οργανωτικών και διαχειριστικών λειτουργιών. Παρέχουν τη δυνατότητα δημιουργίας μοντέλων που ορίζουν τις σχέσεις μεταξύ χωρικών 8
πληροφοριών και περιγραφικών πληροφοριών. Δίνουν δυνατότητα πρόβλεψης φαινομένων με βάση τα μοντέλα συσχετίσεων που περιέχονται στη βάση πληροφοριών ή δημιουργίας υποθετικών καταστάσεων για τον έλεγχο και την αύξηση της ετοιμότητας κυρίως των κρατικών μηχανισμών. Η μετακίνηση μεταξύ των βάσεων χωρικών και περιγραφικών δεδομένων δίνει τη δυνατότητα όχι μόνον της εύρεσης κάποιου στοιχείου ή κάποιας πληροφορίας, αλλά και της χρησιμοποίησης πολλαπλών δεδομένων αποθηκευμένων σε μεγάλο αριθμό αρχείων. Τα εργαλεία αναζήτησης και η διαδικασία χωρικής ανάλυσης επιτρέπουν πολλαπλές αναζητήσεις, εύρεση στοιχείων που πληρούν συγκεκριμένες προϋποθέσεις ή διαθέτουν προκαθορισμένα από το χρήστη ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Οι δυνατότητες συνδυασμένης χρησιμοποίησης των χωρικών και των περιγραφικών πληροφοριών καθιστούν τα ΓΣΠ ισχυρότατα βοηθήματα για το σχεδιασμό ενεργειών και τη λήψη αποφάσεων. Αυτό ισχύει τόσο για αποφάσεις που βασίζονται σε αντικειμενικά στοιχεία, στατιστικές αξιολογήσεις και πραγματικούς αριθμούς, όσο και για αποφάσεις που βασίζονται σε αρχές πολιτικής. Οι αποφάσεις αυτής της κατηγορίας ακολουθούν διαφορετική λογική, όπου όμως ένα ΓΣΠ και πάλι μπορεί να δώσει τα υπάρχοντα στοιχεία και να προδιαγράψει τις επιπτώσεις των αποφάσεων σε θεωρητικό επίπεδο. Τα ΓΣΠ βοηθούν στη λήψη αποφάσεων που αφορούν ένα πρόσωπο, μια μικρή επιχείρηση μέχρι την άσκηση πολιτικής από ένα κυβερνητικό σχήμα σε ένα τόπο. Εφαρμογές των ΓΣΠ Σε κρατικό και κυβερνητικό επίπεδο: Καταγραφή και διαχείριση της δημόσιας και ιδιωτικής ακίνητης περιουσίας (κτηματολόγιο). Πολεοδομικός και χωροταξικός σχεδιασμός. Διαχείριση οδικών δικτύων. Εθνική άμυνα και κατανομή στρατιωτικών εγκαταστάσεων. Αντιμετώπιση φυσικών καταστροφών και προστασία του περιβάλλοντος με τη δυνατότητα δημιουργίας σεναρίων καταστάσεων έκτακτης ανάγκης και άσκηση των υπηρεσιών στην αντιμετώπισή τους. Διαχείριση των φυσικών πόρων και των καλλιεργειών. Διαχείριση των δικτύων των οργανισμών κοινής ωφέλειας (ηλεκτρικό, τηλέφωνο, νερό, αποχέτευση, φυσικό αέριο, καλωδιακή τηλεόραση). Παρακολούθηση των οικονομικών, εμπορικών, βιομηχανικών και βιοτεχνικών δραστηριοτήτων για τον καλύτερο σχεδιασμό της ανάπτυξης της εθνικής οικονομίας. Παρακολούθηση της υγείας του πληθυσμού, εντοπισμό επιδημιών στη γένεσή τους, σχεδιασμό νοσηλευτικών κέντρων σε σχέση με την κατανομή του πληθυσμού. Καταγραφή, τεκμηρίωση και προβολή των αρχαιολογικών ευρημάτων και μνημείων της χώρας. Παρακολούθηση της εκπαίδευσης του πληθυσμού, συσχέτιση πληθυσμιακών δεδομένων και σχεδιασμού νέων εγκαταστάσεων εκπαίδευσης. Διαχείριση δημογραφικών στοιχείων για την μακροπρόθεσμη πολιτική ανάπτυξης. Εθνική ασφάλεια και καταπολέμηση του εγκλήματος. 9
Στη σημερινή κοινωνία των πληροφοριών δημόσιες υπηρεσίες, οργανισμοί, ιδιωτικές εταιρείες, ακόμη και απλοί πολίτες συλλέγουν διαφόρων ειδών πληροφορίες για τα θέματα που τους αφορούν και αναφέρονται στις δραστηριότητες άλλων πολιτών. Η χρησιμοποίηση των πληροφοριών αυτών χωρίς περιορισμούς εγκυμονεί πολλούς κινδύνους για τις ίδιες τις δομές της κοινωνίας και του δημοκρατικού πολιτεύματος. Σημαντικά θέματα στη χρήση και ανάπτυξη ΓΣΠ είναι: Ποιότητα των γεωγραφικών πληροφοριών Κόστος συγκέντρωσης και της εισαγωγής υψηλής ποιότητας πληροφοριών Δημιουργία των βάσεων δεδομένων ως μια ακόμη δυνατότητα επένδυσης. Πρόσβαση στα ΓΣΠ μόνο για τους οικονομικά ισχυρούς; Είναι απαραίτητο ένα κατάλληλο νομοθετικό πλαίσιο που θα επιτρέψει τη συγκέντρωση και αξιοποίηση των γεωγραφικών πληροφοριών με σεβασμό για την ιδιωτική ζωή του πολίτη. Ιστορική εξέλιξη των ΓΣΠ Τα χωρικά δεδομένα και οι μέθοδοι αποτύπωσης και διανομής της γης απασχόλησαν τις ανθρώπινες κοινωνίες από τη στιγμή που ο άνθρωπος σταμάτησε τη νομαδική ζωή και άρχισε η δημιουργία οργανωμένων οικισμών. Με την πάροδο των αιώνων αναπτύχθηκαν οι διάφορες επιστήμες και ανάμεσα σε αυτές η Γεωδαισία και η Χαρτογραφία. Παράλληλα άρχισε να γίνεται απαραίτητη η συγκέντρωση και αξιοποίηση πληροφοριών για τη γη και τις χρήσεις της. Ο πρώτος γνωστός συνδυασμός χαρτογραφικού υλικού και άλλων περιγραφικών πληροφοριών εμφανίστηκε στους γεωγραφικούς άτλαντες στα μέσα του 19ου αιώνα. Σε πολλές περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκαν επάλληλοι χάρτες οι οποίοι, βασισμένοι στο ίδιο υπόβαθρο, απεικόνιζαν διαφορετικές λεπτομέρειες τοπικά ή χρονικά. Η τεχνική αυτή, που χρησιμοποιείται ακόμη σήμερα, όταν λείπει η δυνατότητα ψηφιακής επεξεργασίας, θυμίζει πολύ τα επίπεδα σχεδίασης (layers) που χρησιμοποιούνται στα προγράμματα CAD και ΓΣΠ. Xάρτες που σχεδιάσθηκαν κατά την εκστρατεία του Μεγάλου Ναπολέοντα στη Ρωσία δείχνουν κινήσεις στρατευμάτων με ημερομηνίες, αριθμό και σύνθεση στρατιωτικών μονάδων και στοιχεία για τις καιρικές συνθήκες (αρχές 19ου αιώνα). 10
Γεωγραφικοί άτλαντες σε διάφορες χώρες από τα μέσα του 19ου αιώνα συσχέτιζαν χωρικές και περιγραφικές πληροφορίες (π.χ. Ιρλανδία, για τους ιρλανδικούς σιδηροδρόμους - απεικονίζονται με τη μορφή επάλληλων χαρτών στοιχεία για τον πληθυσμό, τη γεωλογία και την τοπογραφία, Ολλανδία απεικονίζονται δημογραφικές και στατιστικές πληροφορίες). Ο Dr. John Snow χρησιμοποίησε ένα χάρτη που σημείωνε τους τόπους κατοικίας των θυμάτων της επιδημίας χολέρας στο Λονδίνο το 1854, για να συμπεράνει ότι η μετάδοση της ασθένειας οφειλόταν σε μολυσμένη κοινόχρηστη βρύση. Η επιστημονική και συστηματική ανάπτυξη των ΓΣΠ άρχισε από τις δεκαετίες του 1940 και 1950. Τότε εμφανίστηκαν και οι πρώτοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές σε παρόμοιες εφαρμογές. Στα μέσα περίπου της δεκαετίας του 1960 αναφέρονται οι πρώτες εφαρμοσμένες και ολοκληρωμένες προσπάθειες. Η ανάπτυξη των ΓΣΠ βασίσθηκε, μεταξύ άλλων σε βελτιώσεις στα υπολογιστικά συστήματα, ειδικά στο θέμα της διαχείρισης γραφικών στοιχείων, στην ανάπτυξη των θεωριών συσχέτισης του χώρου με ανθρωπολογικά, δημογραφικά και γεωγραφικά στοιχεία, και στην ανάπτυξη των διαδικασιών προστασίας του περιβάλλοντος. Το πρώτο μεγάλο ΓΣΠ που αναπτύχθηκε ήταν το Canada Geographic Information System (CGIS). To σύστημα αυτό δημιουργήθηκε κατά τη δεκαετία του 60 με σκοπό να παράγει στατιστικά αγροτικά στοιχεία για την αποτελεσματικότερη ανάπτυξη των χρήσεων γης στις αγροτικές περιοχές του Καναδά. Τα στοιχεία που περιείχε αναπτύσσονταν σε επτά χαρτογραφικά επίπεδα με τη μορφή των επάλληλων, αλλά ψηφιοποιημένων με ειδικό σαρωτή, χαρτών. Την ίδια περίπου εποχή ένας αρκετά μεγάλος αριθμός λογισμικών προϊόντων για αυτοματοποιημένη χαρτογραφία και ΓΣΠ άρχισε να παράγεται στο Laboratory of Computer Graphics and Spatial Analysis του Πανεπιστημίου του Harvard. Τo 1969 ιδρύθηκε η εταιρεία Environmental Systems Research Institute (ESRI) η οποία παρήγαγε λογισμικό βασισμένο στις τεχνικές και εφαρμογές του Harvard. To 1980 η ESRI παρουσίασε στην αγορά το ΑRC/INFO. Το ΑRC/INFO ήταν το πρώτο πρόγραμμα ΓΣΠ που εκμεταλλεύθηκε τις δυνατότητες των super mini ηλεκτρονικών υπολογιστών που κατασκευάστηκαν από εταιρείες, όπως η ΙΒΜ. Άλλα λογισμικά πακέτα ΓΣΠ που χρησιμοποιήθηκαν κυρίως στις Η.Π.Α. κατά τις δεκαετίες του 1960 και 1970: 11
Το Minnesota Land Management Information System (MLMIS) Το NARIS για την αποθήκευση και διαχείριση δεδομένων του φυσικού περιβάλλοντος Το MIDAS για τη διαχείριση του δασικού περιβάλλοντος Το STORET για την καταγραφή υδρολογικών δεδομένων Όλα τα παραπάνω συστήματα λειτουργούσαν σε mainframe συστήματα ηλεκτρονικών υπολογιστών με υψηλό κόστος και ιδιαίτερη δυσχέρεια στη λειτουργία. Τα περισσότερα από τα πρώτα συστήματα ΓΣΠ έπαυσαν να χρησιμοποιούνται από τις αρχές της δεκαετίας του 1980, οπότε η κατασκευή Workstations (Sun, HP, Apollo, Intergraph) οδήγησε στη σύνταξη νέου λογισμικού σε λειτουργικό σύστημα UNIX. Aυτά τα υπολογιστικά συστήματα ήταν οι κύριες πλατφόρμες χρήσης των ΓΣΠ μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 1990. Με τη δημιουργία ισχυρών Personal Computer (PC) και τα λειτουργικά συστήματα Windows η σύνταξη λογισμικού για ΓΣΠ μπήκε σε μια νέα εποχή με ιδιαίτερα φιλικό προς το χρήστη περιβάλλον εργασίας (user interface) και ιδιαίτερα χαμηλό κόστος ανάπτυξης και λειτουργίας. Σήμερα δεκάδες εταιρείες σε όλο τον κόσμο παράγουν λογισμικό για εφαρμογές ΓΣΠ. Δομή των ΓΣΠ Η αξιόπιστη λειτουργία ενός ΓΣΠ εξαρτάται από τέσσερα σημαντικά τμήματα: Τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό (Hardware) Το κατάλληλο λογισμικό (Software) Tα δεδομένα (Data) Την οργάνωση και το προσωπικό (χρήστες) Tα τμήματα που απαρτίζουν ένα ΓΣΠ πρέπει να βρίσκονται σε βέλτιστη σχέση μεταξύ τους για την αποδοτική λειτουργία του συστήματος. Ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός ενός ΓΣΠ μπορεί να αποτελείται από έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή ο οποίος να είναι ένας σταθμός εργασίας (Workstation) ή ένα απλό PC, μια οθόνη σχετικά μεγάλων διαστάσεων (τουλάχιστον 20 ή 21 ) υψηλής ανάλυσης με αντίστοιχη κάρτα γραφικών, κάρτα video για εισαγωγή και διαχείριση ταινιών video 12
και κάρτα ήχου για εισαγωγή και δημιουργία ήχων (Multimedia). Επίσης περιλαμβάνονται συστήματα αποθήκευσης δεδομένων όπως σκληροί δίσκοι, CD-R, CD-RW, DVD-R/RW, συστήματα μαζικής αποθήκευσης (jukebox), και Storage Area Networks. Όλα αυτά μπορούν να βρίσκονται σε ένα τοπικό δίκτυο υπολογιστών (Local Area Network, LAN) ή δίκτυο ευρείας περιοχής (Wide Area Network, WAN) για την ταυτόχρονη εργασία πολλών χρηστών. Στις συσκευές εισόδου πληροφοριών και δεδομένων περιλαμβάνονται το πληκτρολόγιο, οι ψηφιοποιητές (digitizers), οι σαρωτές (scanners) και οποιαδήποτε συσκευή παρέχει ψηφιακά αποτελέσματα (π.χ. zip-drive, κάμερα video). Στις συσκευές εξόδου αποτελεσμάτων περιλαμβάνονται οι εκτυπωτές (printers) διαφόρων ειδών (laser, inkjet, μονόχρωμοι ή έγχρωμοι), οι σχεδιογράφοι (plotters) διαφόρων ειδών (διανυσματικοί με πενάκια, inkjet, θερμο-ηλεκτρικοί) και τα ψηφιακά προϊόντα (CD-R, DVD-R, κλπ.) Το λογισμικό αποτελείται συνήθως από ξεχωριστά υποπρογράμματα που το καθένα εκτελεί διαφορετική εργασία, αλλά όλα συνεργάζονται μεταξύ τους. Τέτοια υποπρογράμματα μπορεί να εκτελούν ενδεικτικά τις παρακάτω εργασίες: Έλεγχο της διαδικασίας εισόδου δεδομένων (γραφικών) με ψηφιοποίηση ή σάρωση ή υπολογισμό από μετρήσεις υπαίθρου. Έλεγχο της διαδικασίας εισόδου περιγραφικών δεδομένων. Αποθήκευση στις βάσεις γραφικών και περιγραφικών δεδομένων. Το λογισμικό σε ένα ΓΣΠ πρέπει να έχει ορισμένες δυνατότητες. Πρέπει να επιτρέπει την ανάλυση των δεδομένων σε ότι αφορά τη θέση τους, τις σχέσεις μεταξύ τους και τις ιδιότητές τους. Πρέπει να παρέχει διάφορες επεξεργασίες μετατροπής των ιδιοτήτων ή της εμφάνισης διαφόρων δεδομένων, όπως μετασχηματισμοί από ένα προβολικό σύστημα σε ένα άλλο, αλλαγή κλίμακας κλπ. και να επιτρέπει την παρουσίαση των αποτελεσμάτων και εκτύπωση αυτών με διάφορες μορφές (χάρτες, τρισδιάστατες απεικονίσεις, πίνακες, χάρτες με γραφήματα, χάρτες με διάφορες πληροφορίες κλπ.). Πρέπει επίσης να υπάρχει η δυνατότητα προσαρμογής του ΓΣΠ σε ειδικές ανάγκες του χρήστη μέσα από μια διαδικασία προγραμματισμού με ιδιαίτερη γλώσσα ή κοινή γλώσσα προγραμματισμού. Τα δεδομένα σε ένα ΓΣΠ Εισαγωγή & Έξοδος Τα δεδομένα που εισάγονται στο ΓΣΠ αποτελούνται από χωρικές και περιγραφικές πληροφορίες. Οι χωρικές πληροφορίες αφορούν κατά κύριο λόγο το ψηφιακό χαρτογραφικό υπόβαθρο στο οποίο βασίζεται το ΓΣΠ. Οι ψηφιακοί χάρτες μπορούν να προκύψουν με διαφόρους τρόπους, όπως π.χ. από επίγειες τοπογραφικές ή κτηματολογικές εργασίες, φωτογραμμετρικά δεδομένα, ψηφιοποίηση υπαρχόντων «χάρτινων» χαρτών κλπ. Οι περιγραφικές πληροφορίες συλλέγονται από υπάρχοντα ηλεκτρονικά ή συμβατικά αρχεία, εκθέσεις, συζητήσεις ή και από τη συμπλήρωση ερωτηματολογίων. Η ακρίβεια, εγκυρότητα και επικαιρότητα των κάθε είδους πληροφοριών αποτελούν κρίσιμους παράγοντες για την επιτυχία ή την αποτυχία του έργου της δημιουργίας και της χρησιμοποίησης ενός ΓΣΠ. Μεγάλη σημασία για την αποτελεσματική χρήση ενός ΓΣΠ έχουν και οι δυνατότητες απεικόνισης των αποτελεσμάτων και της παραγωγής προϊόντων από την επεξεργασία των αποθηκευμένων σε αυτό πληροφοριών. Η πιο απλή περίπτωση είναι η απεικόνιση των αποτελεσμάτων με τη μορφή χαρτών και πινάκων στην οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή. 13
Ένα ολοκληρωμένο ΓΣΠ επιτρέπει τη σύνταξη θεματικών χαρτών, όπου με κατάλληλους συμβολισμούς δείχνονται τα ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά των περιγραφικών πληροφοριών, την εξαγωγή των αποτελεσμάτων σε ψηφιακή μορφή, σε format αναγνώσιμο από άλλα προγράμματα, την έξοδος αναλυτικών στατιστικών στοιχείων με τη μορφή αριθμών και διαγραμμάτων, τη δημιουργία νέων αρχείων με δευτερογενή στοιχεία, και τη χρησιμοποίηση των αποτελεσμάτων της χωρικής ανάλυσης σε εκθέσεις και αναλύσεις. Η σωστή οργάνωση της μεθοδολογίας της εργασίας και η εκπαίδευση και αποτελεσματική απόδοση του προσωπικού είναι πολύ σημαντικοί παράγοντες που καθορίζουν την επιτυχή έκβαση κάθε είδους εργασίας εφαρμογής ενός ΓΣΠ. Η διαδικασία εισαγωγή δεδομένων σε ένα ΓΣΠ περιλαμβάνει τα εξής βήματα: Βήμα 1ο: Ανάλυση της εφαρμογής, σχεδιασμός των απαραίτητων περιεχομένων του ΓΣΠ και οργάνωση. Βήμα 2ο: Εισαγωγή των χαρτογραφικών δεδομένων που θα αποτελέσουν το ψηφιακό υπόβαθρο του ΓΣΠ. Βήμα 3ο: Έλεγχος και διόρθωση των χωρικών στοιχείων, ώστε να είναι δυνατός ο ορισμός της τοπολογίας χωρίς προβλήματα. Βήμα 4ο: Μετασχηματισμός των διορθωμένων ψηφιακών δεδομένων, με σκοπό να αναφέρονται όλα στο ίδιο χαρτογραφικό σύστημα. Βήμα 5ο: Μετατροπές της μορφής των γραφικών αρχείων, όπου απαιτείται και καθορισμός της τοπολογίας. Βήμα 6ο: Έλεγχος ακριβείας του ψηφιακού υποβάθρου του ΓΣΠ με την τοπολογία του. Βήμα 7ο: Εισαγωγή των περιγραφικών δεδομένων. 14
Ο χάρτης ως υπόβαθρο των ΓΣΠ Tα ΓΣΠ βασίζονται στη διαχείριση πληροφοριών που έχουν άμεση σχέση με το γεωγραφικό χώρο, περιέχουν δηλαδή δεδομένα με γεωγραφική ταυτότητα. Θα πρέπει συνεπώς να λειτουργούν με υπόβαθρο ένα αναλυτικό περιβάλλον που επιτρέπει τον χωρικό ή γεωγραφικό εντοπισμό. Αυτό το περιβάλλον είναι ο χάρτης. Κάθε χάρτης συντάσσεται με βάση ένα σύστημα αναφοράς, ως προς το οποίο κάθε γραφική οντότητα χαρακτηρίζεται ή περιγράφεται από συντεταγμένες. Έτσι έχουμε χάρτες: διαφορετικών κλιμάκων τυπωμένοι σε χαρτί ηλεκτρονικοί χάρτες (πρόγραμμα Η/Υ) βάσεις χαρτογραφικών δεδομένων με τα αναλυτικά στοιχεία του χάρτη σε κατάλληλο format 15
O κλασικός χάρτινος χάρτης προκύπτει από την προβολή της φυσικής επιφάνειας του εδάφους και των επικείμενων λεπτομερειών πάνω σε ένα επίπεδο με τη βοήθεια του κατάλληλου προβολικού συστήματος. Ο ηλεκτρονικός χάρτης που απεικονίζεται στην οθόνη του Η/Υ να είναι ένας απλής μορφής εικονικός χάρτης που προκύπτει από επεξεργασία πραγματικών μετρήσεων υπαίθρου ή ψηφιοποίηση του πραγματικού χάρτη και στη συνέχεια μετασχηματίζεται με τον κατάλληλο μετασχηματισμό από το σύστημα αναφοράς του πραγματικού χάρτη στο σύστημα αναφοράς της οθόνης. Η σύγχρονη τεχνολογία με τη χρήση Η/Υ επιτρέπει τη σύνταξη και άλλων μορφών «εικονικών» (virtual) χαρτών και παραγώγων, όπως απεικόνιση του ανάγλυφου του εδάφους με τη βοήθεια ψηφιακών μοντέλων (Digital Terrain Model, DTM), στερεοσκοπικές απεικονίσεις στο χώρο μετά από επεξεργασία κλπ. Η χρησιμοποίηση υπαρχόντων χαρτών για τη δημιουργία ψηφιακού υποβάθρου σε ένα ΓΣΠ πρέπει να γίνεται με μεγάλη προσοχή. Παράγοντες που πρέπει να μελετώνται είναι: η κλίμακα των υπαρχόντων χαρτών η σχεδίαση όλων των χαρτών σε ενιαίο χαρτογραφικό σύστημα η δυνατότητα εκτέλεσης μετασχηματισμών μεταξύ διαφόρων γεωδαιτικών συστημάτων αναφοράς η μέθοδος ψηφιοποίησης η επιλογή και άλλων τρόπων δημιουργίας ή συμπλήρωσης του ψηφιακού υποβάθρου, όπως επίγειες τοπογραφικές εργασίες, μετρήσεις με GPS, φωτογραμμετρικές εργασίες ή δορυφορικά τηλεπισκοπικά στοιχεία Η κλίμακα του χάρτη που χρησιμοποιείται έχει άμεση σχέση με τη λεπτομέρεια και την ακρίβεια απεικόνισης των διαφόρων γραφικών στοιχείων που είναι σχεδιασμένα σε αυτόν. Ως κλίμακα ενός χάρτη ορίζεται η σταθερή σχέση που υπάρχει μεταξύ των γραμμών του σχεδίου και των ομολόγων με αυτές γραμμών του εδάφους, δηλαδή ο λόγος ομοιότητας ανάμεσα στην εικόνα και το εικονιζόμενο. Η κλίμακα παριστάνεται με ένα κλάσμα που έχει αριθμητή τη μονάδα (1) και παρονομαστή έναν αριθμό, συνήθως πολλαπλάσιο ή δύναμη του 10 (για χώρες που έχουν ως μονάδα μήκους το μέτρο (m)), πχ. 1:5000. Mια κλίμακα γίνεται τόσο μικρότερη, όσο αυξάνεται ο παρονομαστής του κλάσματος και τόσο μεγαλύτερη, όσο αυτός μειώνεται. Αυτό που πρέπει να προσεχθεί ιδιαίτερα κατά τη χρησιμοποίηση ενός χάρτινου χάρτη σε ένα ΓΣΠ είναι το γεγονός ότι η κλίμακα του αρχικού χάρτη καθορίζει κατά απόλυτο τρόπο την ακρίβεια κάθε παραγώγου χαρτογραφικού προϊόντος. 16
Η δημιουργία χαρτών μικρότερων κλιμάκων από αυτήν του χάρτινου χάρτη μπορεί να είναι επιτρεπτή, γιατί με τη σμίκρυνση γίνεται γενίκευση των λεπτομερειών. Η δημιουργία χαρτών μεγαλυτέρων κλιμάκων αφενός μεν αυξάνει τα σφάλματα του αρχικού χάρτη και αφετέρου δεν βελτιώνει τη λεπτομέρεια απεικόνισης, καθώς ο χάρτης σε μεγαλύτερες κλίμακες υστερεί σημαντικά σε λεπτομέρεια απεικόνισης. Έτσι, ένας χάρτης κλίμακας 1:5000 που προήλθε από δεδομένα ψηφιοποίησης χάρτη κλίμακας 1:20.000 απεικονίζει την έκταση που περιέχει σε μεγαλύτερο μέγεθος, αλλά με λεπτομέρεια και ακρίβεια που δεν παύει να είναι εκείνη της κλίμακας 1:20.000. Σχεδίαση χαρτών σε ενιαίο χαρτογραφικό σύστημα Οι χάρτες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του ψηφιακού υποβάθρου στα ΓΣΠ μπορεί να αναφέρονται σε διαφορετικά γεωδαιτικά συστήματα αναφοράς ή Datum και προβολικά συστήματα. Τα γεωδαιτικά συστήματα αναφοράς ή Datum καθορίζουν το σχήμα και το μέγεθος της Γης. Η προβολή του σημείου πάνω στην επιφάνεια ορίζεται από τις συντεταγμένες του που αναφέρονται σε ένα καθορισμένο σύστημα αξόνων. Μέχρι σήμερα έχουν χρησιμοποιηθεί εκατοντάδες διαφορετικά Datum για τη γήινη σφαίρα ή τοπικά σε διάφορα κράτη. Σήμερα τα γεωδαιτικά συστήματα αναφοράς μπορεί να είναι από επίπεδες επιφάνειες για μικρής έκτασης τοπογραφικές εργασίες μέχρι σύνθετα συστήματα που καλύπτουν ολόκληρη τη Γη και περιγράφουν το μέγεθος και τη μορφή της. Το Γεωειδές Εάν η Γη αποτελούνταν από ένα ομογενές υγρό που βρίσκεται σε ηρεμία, τότε η γήϊνη επιφάνεια θα είχε τη μορφή ενός ελλειψοειδούς εκ περιστροφής γύρω από το μικρό του άξονα. Θεωρούμε τη μέση στάθμη της θάλασσας (ΜΣΘ) να προεκτείνεται κάτω από την ξηρά και να περικλείει ολόκληρη τη Γη. Η επιφάνεια αυτή ονομάζεται γεωειδές (Geoid) και είναι επιφάνεια πολύπλοκη, την οποία δεν μπορούμε να αναπαραστήσουμε με κάποιες απλές μαθηματικές εκφράσεις. Για τον προσδιορισμό του γεωειδούς χρησιμοποιούνται γεωδαιτικές μετρήσεις, μετρήσεις GPS, μετρήσεις του πεδίου της γήϊνης βαρύτητας και αστρονομικές παρατηρήσεις. Η ΜΣΘ της θάλασσας δεν είναι μία σταθερή επιφάνεια, αλλά μεταβάλλεται υπό την επίδραση διαφόρων γεωδυναμικών και μη παραγόντων, προσδιορίζεται δε με μακροχρόνιες μετρήσεις με τη βοήθεια ειδικών οργάνων, των παλιρροιογράφων. Πάνω στο γεωειδές προβάλλονται κατά τη διεύθυνση της 17
κατακόρυφου (νήμα της στάθμης, διεύθυνση της βαρύτητας) τα διάφορα σημεία που βρίσκονται πάνω στη φυσική επιφάνεια της Γης, ενώ η κατακόρυφη απόσταση ενός σημείου από αυτό αποτελεί το απόλυτο υψόμετρο του σημείου που ονομάζεται και ορθομετρικό υψόμετρο Η. Το γήινο ελλειψοειδές Επειδή το γεωειδές δεν ανήκει σε καμιά από τις γνωστές μαθηματικές επιφάνειες, αντικαθίσταται για υπολογισμούς από ένα οριζόντιο επίπεδο (για περιορισμένα τμήματα της γήινης επιφάνειας), από τη γήινη σφαίρα (για μεγαλύτερα τμήματα της γήινης επιφάνειας, όταν το επιτρέπει η απαιτούμενη ακρίβεια) ή από ένα ελλειψοειδές εκ περιστροφής που είναι πεπλατυσμένο στους πόλους, έχει για κέντρο το κέντρο μάζας της Γης και άξονα περιστροφής που συμπίπτει περίπου με τον άξονα περιστροφής της Γης. Αυτό το ελλειψοειδές λέγεται γήινο ελλειψοειδές. θέση ενός σημείου πάνω στο γήινο ελλειψοειδές μπορεί να ορισθεί από τις καρτεσιανές συντεταγμένες του Χ, Υ, Ζ ως προς ένα τρισορθογώνιο σύστημα αξόνων Oxyz. Η θέση ενός σημείου μπορεί να προσδιορισθεί με τις ελλειψοειδείς ή γεωδαιτικές συντεταγμένες του που είναι το πλάτος φ και το μήκος λ. Το πλάτος φ ενός σημείου Ρ πάνω στην επιφάνεια του γήινου ελλειψοειδούς είναι η γωνία που σχηματίζεται, από την κάθετο στο γήινο ελλειψοειδές (στο σημείο Ρ) με το ισημερινό επίπεδο. Το φ παίρνει τιμές από 90 ο (ή 90 ο S) στο Νότιο πόλο (South, S) ως + 90 ο (ή 90 ο Ν) στο Βόρειο πόλο (North, N), με μηδέν στον ισημερινό. Το μήκος λ ενός σημείου P πάνω στην επιφάνεια του γήινου ελλειψοειδούς είναι η δίεδρη γωνία που σχηματίζεται από το μηδενικό μεσημβρινό επίπεδο και το αντίστοιχο μεσημβρινό επίπεδο που διέρχεται από το Ρ. Οι τιμές του λ μεταβάλλονται 18
από 0 ο (στον μεσημβρινό αφετηρίας) ως 360 ο με φορά προς ανατολάς (East, E). Το λ μετράται και με φορά προς δυσμάς (West, W) λ = + 22 ο (ή 22 ο Ε) και λ = + 338 ο (ή 338 ο Ε ή 22 ο W). Η κάθετη απόσταση ενός σημείου της γήινης επιφάνειας από το ελλειψοειδές λέγεται γεωμετρικό υψόμετρο h και δεν μπορούμε να το μετρήσουμε άμεσα. Συνδέεται όμως με το ορθομετρικό υψόμετρο του σημείου ως προς το γεωειδές σύμφωνα με τη σχέση: h = H + N όπου με Ν συμβολίζονται οι αποχές του γεωειδούς από την επιφάνεια του ελλειψοειδούς. Οι αποχές αυτές ονομάζονται και υψόμετρα του γεωειδούς. Με διάφορες μετρήσεις τελική επιδίωξη είναι ο υπολογισμός ενός ελλειψοειδούς εκ περιστροφής τέτοιου, ώστε οι αποκλίσεις του γεωειδούς από αυτό να γίνονται ελάχιστες για την ιδιαίτερη περιοχή. Έτσι χρησιμοποιούνται τοπικά από διάφορες χώρες διαφορετικά ελλειψοειδή αναφοράς, αυτά που προσαρμόζονται καλύτερα στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κάθε περιοχής. Κάθε τοπικά καλύτερα προσαρμοζόμενο ελλειψοειδές αποτελεί μέρος του αντίστοιχου γεωδαιτικού συστήματος αναφοράς 19
(DATUM). Ένα τοπικό γεωδαιτικό σύστημα αναφοράς ορίζεται από τα παρακάτω στοιχεία: Το ελλειψοειδές εκ περιστροφής με όλα τα μαθηματικά στοιχεία που το ορίζουν. Ένα γνωστό σημείο το οποίο καλείται αφετηρία του συστήματος αναφοράς ή θεμελιώδες ή βασικό σημείο του συστήματος αναφοράς. Τις συνιστώσες της απόκλισης της κατακόρυφου και το υψόμετρο του γεωειδούς (ξ, η, Ν) στο θεμελιώδες σημείο του συστήματος αναφοράς. Τη συνθήκη ότι ο μικρός άξονας του ελλειψοειδούς είναι παράλληλος με τον άξονα περιστροφής της Γης. Ένα κατάλληλο προβολικό σύστημα. Τις συντεταγμένες των τριγωνομετρικών σημείων του κρατικού δικτύου με τα αντίστοιχα ορθομετρικά υψόμετρα. Προβολικά συστήματα Τα προβολικά συστήματα χρησιμοποιούνται για να απεικονίζουν ή να προβάλλουν σημεία που ανήκουν σε μία επιφάνεια αναφοράς πάνω σε μία άλλη επιφάνεια. Με τον τρόπο αυτό τα γεωμετρικά ή φυσικά χαρακτηριστικά της πρώτης επιφάνειας μεταφέρονται μέσω μιας αμφιμονοσήμαντης αντιστοιχίας πάνω στη δεύτερη. Όταν η πρώτη επιφάνεια είναι το ελλειψοειδές αναφοράς, τότε η προβολή πάνω σε ένα επίπεδο παράγει ένα χάρτη που ονομάζεται γεωδαιτικός. Όταν η πρώτη επιφάνεια είναι η σφαιρική Γη, τότε παράγεται ένας χάρτης που λέγεται γεωγραφικός. Η χρήση διαφορετικών προβολικών συστημάτων μπορεί να προκαλέσει παραμορφώσεις στο χάρτη. Σε περίπτωση που το πρωτότυπο διαθέσιμο χαρτογραφικό υλικό αποτελείται από χάρτες διαφορετικών γεωδαιτικών ή/και προβολικών συστημάτων, τότε είναι απαραίτητο, αφού επιλεγεί το σύστημα αναφοράς του ΓΣΠ, να γίνουν μετασχηματισμοί όλων των χαρτογραφικών δεδομένων που δεν αναφέρονται σε αυτό έτσι, ώστε το τελικό ψηφιακό υπόβαθρο του ΓΣΠ να είναι ενιαίο. Κάθε μετασχηματισμός συντεταγμένων, ανάλογα και με τον αλγόριθμο που χρησιμοποιείται, εισάγει ένα σφάλμα στο τελικό αποτέλεσμα, το οποίο θα πρέπει να συνεκτιμηθεί κατά τα επόμενα στάδια της εργασίας. Γεωδαιτικά συστήματα αναφοράς και προβολικά συστήματα που χρησιμοποιούνται στην Ελλάδα Στην Ελλάδα χρησιμοποιούνται σήμερα διάφορα γεωδαιτικά συστήματα αναφοράς σε συνδυασμό με διάφορα προβολικά συστήματα. Μέχρι πριν από λίγα χρόνια: 20
το (παλιό) Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστημα Αναφοράς ή (παλιό) Ελληνικό Datum (GRD). το Ευρωπαϊκό Γεωδαιτικό Σύστημα Αναφοράς (ED 50). το Νέο Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστημα Αναφοράς ή Νέο Ελληνικό DATUM (δεν χρησιμοποιήθηκε ιδιαίτερα). Τα τελευταία χρόνια υπολογίσθηκε το Νέο Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστημα Αναφοράς 1987 (ΕΓΣΑ 87) συμβατό με τα παγκόσμια γεωδαιτικά συστήματα αναφοράς WGS 84 και BTS. Το Παλιό Ελληνικό DATUM βασίζεται στο ελλειψοειδές αναφοράς του Bessel και ήταν το πλέον διαδεδομένο στον ελλαδικό χώρο. Οι επίπεδες συντεταγμένες X, Y των διαφόρων σημείων του εκφράζονται στην ισαπέχουσα αζιμουθιακή προβολή Hatt. Ο ελλαδικός χώρος, όπως απεικονίζεται στο ελλειψοειδές του Bessel, χωρίζεται σε σφαιροειδή τραπέζια πλευρών 30 x 30 κατά φ και λ (περίπου 55 km x 45 km), το καθένα από τα οποία έχει ένα κέντρο. Μετά την απεικόνιση Hatt τα σφαιροειδή αυτά τραπέζια απεικονίζονται σε 132 φύλλα χάρτη (τα λεγόμενα μεγάλα φύλλα) κλίμακας 1:100.000. Ο πολύ μεγάλος αριθμός φύλλων χάρτη σε προβολή Hatt, ενώ παρέχει ικανοποιητική ακρίβεια για την εκτέλεση γεωδαιτικών υπολογισμών σε μικρές περιοχές (όσο κοντύτερα στο κέντρο ενός φύλλου χάρτη βρισκόμαστε, τόσο μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια), δεν επαρκεί για την ενιαία χαρτογράφηση της χώρας. Στο παλιό Ελληνικό DATUM και την προβολή Hatt βασίζονται οι χάρτες της Τοπογραφικής Υπηρεσίας του Υπουργείου Γεωργίας (διανομές αγροκτημάτων, αναδασμοί) και η σύνταξη ορισμένων χαρτών από τη Γεωγραφική Υπηρεσία Στρατού. Η Τ.Υ.Υ.Γ. χρησιμοποιεί και υποδιαιρέσεις ενός μεγάλου φύλλου χάρτη, τα λεγόμενα μικρά φύλλα χάρτη που έχουν πλευρές 6 x 6. Κάθε μεγάλο φύλλο υποδιαιρείται σε 25 μικρά. Το παλιό Ελληνικό DATUM βασίζεται στο ελλειψοειδές αναφοράς του Bessel, στο οποίο όμως οι επίπεδες συντεταγμένες εκφράζονται στο σύστημα της Εγκάρσιας Μερκατορικής Προβολής 3 ο (ΤΜ3 ο ). Το σύστημα αυτό έχει μόνο τρεις ζώνες και έτσι τρία μόνο ανεξάρτητα συστήματα συντεταγμένων, οπότε πλεονεκτεί σημαντικά έναντι των 132 διαφορετικών συστημάτων της προβολής Hatt. Το σύστημα αυτό εφαρμόσθηκε από το Υπουργείο Χωροταξίας, Οικισμού και Περιβάλλοντος για τις ανάγκες της Επιχείρησης Πολεοδομικής Ανασυγκρότησης (ΕΠΑ) από το 1982 μέχρι την αποδοχή του νέου ελληνικού συστήματος αναφοράς ΕΓΣΑ 87. Το Νέο Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστημα Αναφοράς του 1987 (ΕΓΣΑ 87) χρησιμοποιεί το ελλειψοειδές GRS 80 και τοποθετήθηκε με παράλληλη μετάθεση ως προς το Παγκόσμιο Σύστημα BTS 87 έτσι, ώστε να προσαρμόζεται καλύτερα στο γεωειδές που καλύπτει τον ηπειρωτικό χώρο της Ελλάδος. Ως προβολικό σύστημα εδώ χρησιμοποιείται η Εγκάρσια Μερκατορική Προβολή σε μια ζώνη με κεντρικό μεσημβρινό λ = 24 ο, συντελεστή κλίμακας κατά μήκος του κεντρικού μεσημβρινού ίσο με 0.9996 και προσθετική σταθερά 500.000 m στις τετμημένες. Το ΕΓΣΑ 87 ορίσθηκε με βάση τα πλέον πρόσφατα γεωδαιτικά στοιχεία και παρέχει ένα ενιαίο και μοναδικό σύστημα συντεταγμένων για όλο τον ελλαδικό χώρο. Παρέχει δυνατότητα ενιαίας αναλυτικής έκφρασης των κάθε είδους πληροφοριών που σχετίζονται με το χώρο για όλη την Ελλάδα, χωρίς μετασχηματισμούς. Δίνει τη δυνατότητα άμεσης εφαρμογής του δορυφορικού συστήματος εντοπισμού θέσης GPS, αφού είναι απόλυτα συμβατό με το Παγκόσμιο Σύστημα WGS 84 που χρησιμοποιείται από το GPS. Έχει την ίδια κλίμακα και προσανατολισμό με το 21
Παγκόσμιο Σύστημα Αναφοράς ITRF, το Ευρωπαϊκό EUREF και το σύστημα WGS 84 του GPS. Χρησιμοποιείται για όλες τις νέες γεωδαιτικές εργασίες που γίνονται στην Ελλάδα. Πηγές χαρτογραφικού υλικού για τον ελλαδικό χώρο 22
Ο χάρτης ως παράγωγο των ΓΣΠ O χάρτης, κυρίως στην παραδοσιακή χάρτινη μορφή του, αποτελεί το κύριο μέσο απεικόνισης και κατανόησης των χωρικών δεδομένων και των σχέσεων μεταξύ τους. Τα περισσότερα προγράμματα ΓΣΠ διαθέτουν δυνατότητες σύνταξης και σύνθεσης χαρτών υψηλού αισθητικού αποτελέσματος που συνδυάζονται με τις άλλες δυνατότητες αποθήκευσης, επεξεργασίας δεδομένων και εκτέλεσης χωρικών αναλύσεων. Οι χάρτες και οι ψηφιακές αντίστοιχες απεικονίσεις αποτελούν συμβολικές αναπαραστάσεις ή γενικεύσεις του πραγματικού κόσμου. Απλούστευση της πραγματικότητας, ο βαθμός της οποίας εξαρτάται από το είδος του χάρτη και συμβολισμός λεπτομερειών και σχέσεων ανάμεσα στα δεδομένα. Ένας καλός επικοινωνιακός χάρτης πρέπει να μεταφέρει προς τους χρήστες του τις απαραίτητες πληροφορίες, για να τους ενημερώσει, να τους διδάξει ή ακόμη και να τους πείσει. 23
Η σύνταξη του χάρτη Για τη σύνταξη ενός χαρτογραφικού προϊόντος παραδοσιακής ή ηλεκτρονικής μορφής θα πρέπει να συνεκτιμώνται οι ακόλουθοι παράγοντες: Ο σκοπός για τον οποίο γίνεται η σύνταξη του χάρτη. Οι πιθανοί χρήστες του χάρτη. Οι εφαρμογές στις οποίες θα χρησιμοποιηθεί ο συγκεκριμένος χάρτης. Τα δεδομένα που υπάρχουν ή πρέπει να συγκεντρωθούν, για να καταστεί δυνατή η δημιουργία του χάρτη. Οι τεχνικές δυνατότητες που είναι διαθέσιμες για τη σύνθεση και εκτύπωση του χάρτη. Η χρησιμοποίηση ενός χάρτη ως επικοινωνιακού μέσου προϋποθέτει την κατά το δυνατό καλύτερη σχεδίασή του στο προβλεπόμενο μέγεθος, την πληρότητα πληροφοριών για τον χρήστη, τη χρήση κατάλληλων χαρτογραφικών συμβολισμών και γραμμάτων. Βασικά στοιχεία ενός χάρτη είναι η κλίμακα σχεδίασης, η οποία μπορεί να είναι αριθμητική ή γραφική και ο προσανατολισμός του χάρτη, με τη σχεδίαση βέλους που δείχνει τη διεύθυνση του γεωγραφικού βορρά. Άλλα στοιχεία περιλαμβάνουν: Ο γεωδαιτικός κάνναβος χαρτογραφικό προβολικό σύστημα κλίμακα του χάρτη διεύθυνση του βορρά (άξονας Οy) Το υπόμνημα του χάρτη επεξήγηση συμβόλων Οι πηγές από τις οποίες αντλήθηκαν στοιχεία για τη σχεδίαση του χάρτη αξιολόγηση της ακριβείας και της αξίας μέθοδοι επεξεργασίας χρονική περίοδος δεδομένων. Ο τίτλος του χάρτη Το χαρτογραφικό προβολικό σύστημα Το όνομα του χαρτογράφου Η χρονολογία παραγωγής του χάρτη Τα σημεία, οι γραμμές και οι περιοχές (που ουσιαστικά συνθέτουν το χάρτη) αποτελούν την απλοποίηση του πραγματικού γεωγραφικού χώρου. Επίσης περιλαμβάνονται χαρτογραφικά σύμβολα, για την παράσταση κάποιων χαρακτηριστικών, προδιαγραφές για τη σχεδίαση συμβόλων που απεικονίζουν κάποια γενικά γραφικά δεδομένα (πχ. δέντρα, κτίσματα, δρόμοι, καλλιέργειες, πρανή του εδάφους, κλπ.), και σχεδίαση ειδικών συμβόλων. Σε ηλεκτρονικά χαρτογραφικά προϊόντα η μορφή των συμβόλων για τα ίδια γραφικά αντικείμενα αλλάζει με την κλίμακα. Περιλαμβάνονται σύμβολα για την παράσταση παρόμοιων γεωμετρικά γραφικών στοιχείων που έχουν όμως διαφορετικά χαρακτηριστικά ή απεικονίζουν διαφορετικά στοιχεία του πραγματικού κόσμου. Άλλο είδος γραμμής θα παραστήσει ένα δρόμο και άλλο είδος γραμμής θα παραστήσει ένα ποτάμι. Επίσης περιλαμβάνονται σύμβολα για την παράσταση ομοειδών γραφικών στοιχείων που διαφέρουν ως προς κάποια ποιοτικά χαρακτηριστικά. Άλλο είδος γραμμής θα παραστήσει ένα δρόμο με δύο λωρίδες κυκλοφορίας και άλλο ένα δρόμο με τέσσερις, με άλλο χρώμα θα συμβολιστεί μια αγροτική περιοχή με δημητριακά και με άλλο μια 24
περιοχή με δάσος. Δίνονται σύμβολα για την παράσταση δεδομένων που διαφέρουν ως προς κάποια μετρήσιμα ποσοτικά χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, πληθυσμιακά στοιχεία πόλεων παριστάνονται με κύκλους ακτίνας ανάλογης με τον πληθυσμό. Η διάκριση μεταξύ περιοχών του χάρτη που απεικονίζουν διαφορετικά ποιοτικά ή ποσοτικά χαρακτηριστικά γίνεται συνήθως με τόνους του γκρι, με διάφορες διαγραμμίσεις, με διάφορα χρώματα (πολυχρωμία) ή με τόνους του ίδιου χρώματος (πολυτονία). Κατά την αναγραφή γραμμάτων σε χάρτες, χρησιμοποιούνται κατάλληλες γραμματοσειρές σε τύπο, μέγεθος και θέση. Γίνεται αναγραφή ονομάτων κατά μήκος επιμηκών γραφικών στοιχείων (π.χ. γραμμή που παριστάνει ποταμό). Αποφεύγεται η αναγραφή ονομάτων με τρόπο που να διασταυρώνονται με άλλες γραμμές του χάρτη ενώ γίνεται και αναγραφή υψομέτρου με διακοπή της σχεδίασης των υψομετρικών καμπυλών. Τα προγράμματα CAD και τα προγράμματα ΓΣΠ παρέχουν πολλές πρόσθετες δυνατότητες οπτικής απεικόνισης των χαρτογραφικών δεδομένων όπως: Όχι μόνο στατική, δισδιάστατη απεικόνιση του χώρου Προσομοίωση του πραγματικού χώρου σε τρεις διαστάσεις Εικονική μελέτη στον τρισδιάστατο χώρο Διερεύνηση σχέσεων και συσχετίσεων μεταξύ διαφορετικών χαρακτηριστικών ή χαρακτηριστικών με το χρόνο. Επαναδημιουργία παλαιότερων καταστάσεων Προσομοίωση πολύπλοκων ή δυναμικών σχέσεων. Οι εξελίξεις της ανάπτυξης των ΓΣΠ και της συναφούς τεχνολογίας δίνουν πρωτότυπες δυνατότητες και διαστάσεις στην οπτική απεικόνιση των δεδομένων και την παραγωγή χάρτινων ή ψηφιακών χαρτογραφικών προϊόντων. Δεδομένα ενός ΓΣΠ: Οντότητες, αντικείμενα και περιγραφικά χαρακτηριστικά Aπεικόνιση του πραγματικού κόσμου σε ένα ΓΣΠ είναι ουσιαστική απλοποίηση απόψεων της πραγματικότητας. Οι οντότητες (entities) του πραγματικού κόσμου στο ΓΣΠ αντιπροσωπεύονται από χωρικά αντικείμενα (objects) τα οποία σχετίζονται με χαρακτηριστικά (attributes) τα οποία περιγράφουν τις ιδιότητες της οντότητας. Τα κύρια χωρικά αντικείμενα ή στοιχεία ενός ΓΣΠ είναι τα σημεία, οι γραμμές και τα πολύγωνα. 25
Σημεία Τα σημεία είναι ο απλούστερος τύπος των χωρικών αντικειμένων. Δεν έχουν φυσικές ή χωρικές διαστάσεις ενώ χαρακτηρίζονται από τις συντεταγμένες τους. Αντιπροσωπεύουν θέσεις συγκεκριμένων συμβάντων ή αντικειμένων και οι οντότητες που αποδίδουν δεν εμφανίζονται με το πραγματικό τους μέγεθος. Ανάλογα με το χώρο που ανήκουν (πραγματικό κόσμο ή ΓΣΠ) μπορεί να αποδίδουν σημειακές οντότητες, σημειακά αντικείμενα, ή σημειακά χαρακτηριστικά. Κριτήριο για τον καθορισμό των σημειακών οντοτήτων είναι η κλίμακα σχεδίασης /αναπαράστασης /μελέτης. Για τις οντότητες που αναπαρίστανται ως σημειακές, η θέση τους αποτελεί σημαντικό χαρακτηριστικό, ενώ δεν συμβαίνει το ίδιο με το εμβαδόν τους. Παραδείγματα σημειακών οντοτήτων είναι: στάσεις λεωφορείων, σημεία εγκληματικών πράξεων, πηγάδια, φωλιές ζώων ή πουλιών, φρεάτια υπονόμων, κλπ. Γραμμές Οι γραμμές είναι μονοδιάστατα αντικείμενα με αρχή και τέλος, με μήκος, αλλά χωρίς πλάτος. Αναφέρονται σε υφιστάμενα ή υλοποιημένα τεχνητά δίκτυα εξυπηρετήσεων (δρόμοι, σιδηροδρομικές γραμμές, γραμμές παροχών (ηλεκτρικό, τηλέφωνο, ύδρευση, άρδευση, κλπ), αεροπορικές γραμμές (κόμβοι και διαδρομέςαεροδιάδρομοι), φυσικά δίκτυα (ποταμός με τους παραποτάμους του, τυπικές διαδρομές μεταναστευτικών πουλιών). Μπορεί να αναφέρονται σε μη υλοποιημένα όρια ή μελλοντικές κατασκευές, όπως είναι διοικητικά όρια περιοχών ή μη υλοποιημένες μελέτες κατασκευών και δικτύων. Οι γραμμικές οντότητες του πραγματικού κόσμου μετατρέπονται αντίστοιχα σε συγκεκριμένα γραμμικά αντικείμενα στο ΓΣΠ. Αυτά συνήθως αποτελούν τμήματα δικτύων γραμμών (π.χ. οδικό δίκτυο, δίκτυο ηλεκτρισμού κλπ.) και ως εκ τούτου χαρακτηρίζονται ως αντικείμενα γραμμικών δικτύων. Τα γραμμικά αντικείμενα δικτύων αποτελούνται από κόμβους (nodes) και γραμμές σύνδεσης (links). Οι κόμβοι (nodes) είναι σημεία διασταυρώσεων διαφορετικών διαδρομών ή αρχή /τέλος μιας διαδρομής. Κάθε κόμβος χαρακτηρίζεται από το σθένος, που είναι ο αριθμός των διαδρομών /συνδέσεων που καταλήγουν σε αυτόν. Για παράδειγμα, κόμβοι 4ου βαθμού είναι τα σημεία διασταύρωσης δύο δρόμων, γιατί από αυτά ξεκινούν τέσσερις γραμμές. Οι γραμμές σύνδεσης (links) αντιπροσωπεύουν συγκεκριμένες διαδρομές που αποτελούνται από γραμμές και βρίσκονται μεταξύ δύο κόμβων. Οι γραμμές των δικτύων μπορεί να είναι κλειστές και να σχηματίζουν βρόγχους, όπως ένα αστικό 26
οδικό δίκτυο ή να έχουν το σχήμα των κλαδιών ενός δέντρου (tree network), όπως ένας ποταμός με τους παραποτάμους του. Περιγραφικά χαρακτηριστικά των δικτύων Αυτά είναι οι περιγραφικές πληροφορίες που αντιστοιχούν είτε στις γραμμές σύνδεσης είτε στους κόμβους κάθε δικτύου, όπως για παράδειγμα: Όνομα οδού, διεύθυνση και όγκος κυκλοφορίας, απαιτούμενος χρόνος διαδρομής Διάμετρος σωλήνα, διεύθυνση παροχής δικτύου ύδρευσης Τάση ρεύματος και ύψος εναέριων γραμμών σε ένα δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος Αριθμός τραίνων, εύρος στενότερης σήραγγας, αντοχή γέφυρας σε ένα σιδηροδρομικό δίκτυο Ύπαρξη φώτων κυκλοφορίας, διάβασης, ονόματα διασταυρούμενων δρόμων Ύπαρξη βαλβίδων διακοπής, μετασχηματιστών, συσκευών μετρήσεων. Μερικά περιγραφικά χαρακτηριστικά, όπως πχ. τα ονόματα των οδών, συνδέουν μεταξύ τους κόμβους και τις γραμμές σύνδεσης. Σε άλλες περιπτώσεις, τα περιγραφικά χαρακτηριστικά αναφέρονται όχι σε όλο το μήκος της γραμμής, αλλά σε τμήματα αυτής, όπως πχ. ένα τμήμα γραμμής οδού βρίσκεται σε σήραγγα. Για να καλυφθούν αυτές οι περιπτώσεις, είναι πολλές φορές απαραίτητο να διαχωρίζονται οι παλιές γραμμές σύνδεσης και να δημιουργούνται νέες με την προσθήκη και νέων κόμβων. Αυτή η διαδικασία μπορεί να οδηγήσει σε μεγάλη αύξηση του αριθμού των γραμμών σύνδεσης και των κόμβων σε ένα δίκτυο, ειδικά σε αστικές περιοχές. Αddress matching ή Geocoding Είναι ο εντοπισμός της θέσης μιας κατοικίας από τη διεύθυνσή της. Εντοπίζει τη θέση ενός ακινήτου από τη γραμμή σύνδεσης πάνω (ή δίπλα) στην οποία βρίσκεται και την απόσταση από τον κόμβο αρχής της γραμμής. Η μέθοδος αυτή είναι περισσότερο αποτελεσματική από τη χρήση συντεταγμένων x, y. Λύνει το πρόβλημα της αύξησης των γραμμών σύνδεσης και των κόμβων που αναφέρθηκε 27
προηγουμένως. Οι συντεταγμένες κάποιου σημείου υπολογίζονται από το ΓΣΠ, αν χρειάζεται. Πολύγωνα και Περιοχές ως οντότητες Τα πολύγωνα ως οντότητες είναι κλειστές δισδιάστατες πολυγωνικές γραμμές με τουλάχιστον τρεις πλευρές και περικλείουν εδαφικές περιοχές με κοινά ανά κατηγορία χαρακτηριστικά. Τα βασικά χαρακτηριστικά των πολυγώνων είναι το εμβαδόν και η περίμετρός τους. Παραδείγματα είναι τα οικόπεδα, τα αγροτεμάχια, και οι διοικητικές περιφέρειες. Οι περιοχές καθορίζονται από συγκεκριμένα όρια και εντός αυτών αντιπροσωπεύονται συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Τα όρια των περιοχών μπορεί να είναι φυσικά (πχ. όρια λιμνών, δασών) ή να καθορίζονται με βάση συγκεκριμένες επιλογές (πχ. όρια απογραφής, όρια συγκεκριμένων δραστηριοτήτων ή γεγονότων). Τα πολύγωνα και οι περιοχές ως οντότητες του πραγματικού κόσμου μετατρέπονται στο ΓΣΠ σε συγκεκριμένα γραφικά αντικείμενα συνήθως με σχήμα κλειστού πολυγώνου που ορίζεται από τις συντεταγμένες των κορυφών του. Σε άλλες περιπτώσεις, ειδικά για τις περιοχές, ο ορισμός τους γίνεται από μια και μοναδική κλειστή γραμμή γνωστής αναλυτικής έκφρασης, χωρίς τον καθορισμό σημείων ορίων. Διακρίνουμε τις εξής περιπτώσεις πολυγώνων ως γραφικά αντικείμενα: Ανεξάρτητες περιοχές με πιθανή όμως επικάλυψη. Τα αντίστοιχα πολύγωνα του ΓΣΠ δεν καλύπτουν κατ ανάγκη όλη τη χαρτογραφημένη περιοχή. Ανεξάρτητες περιοχές οι οποίες γειτονεύουν, τα πολύγωνα καλύπτουν όλη το χαρτογραφημένο χώρο, δεν υπάρχει επικάλυψη και κάθε γραμμή ορίου διαχωρίζει μόνο δύο οντότητες /πολύγωνα. Περιοχές οι οποίες προκύπτουν από αλληλοεπικάλυψη άλλων πολυγώνων. Κάθε επιμέρους επικάλυψη ή και συνδυασμός αυτών μπορεί να μετατραπεί σε νέο πολύγωνο. Οι περιοχές /οντότητες συχνά περιλαμβάνουν άλλες περιοχές (holes ή islands) με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Μία λίμνη περικλείεται από τα όρια μιας επαρχίας, ενώ και η ίδια η λίμνη μπορεί να έχει νησάκια τα οποία επίσης μπορεί να περικλείουν άλλες μικρότερες λίμνες κλπ. Τα περιγραφικά χαρακτηριστικά των πολυγώνων και των περιοχών θεωρητικά είναι απεριόριστα και εξαρτώνται συνήθως από το είδος της οντότητας που μας ενδιαφέρει. Εκτός από το εμβαδόν και την περίμετρο άλλα χαρακτηριστικά είναι: Tύπος και περιγραφή εδάφους. Πληθυσμιακές εκτιμήσεις. Αριθμός παιδιών ανά οικογένεια. Κατάσταση /συνθήκες βλάστησης. Χρήσεις γης. Φορολογικά χαρακτηριστικά. Ιδιοκτησιακό καθεστώς (αγροτεμάχια, οικόπεδα). 28
Συνεχείς επιφάνειες Υπάρχουν ορισμένες οντότητες του πραγματικού κόσμου που δεν μπορούν να προσεγγισθούν ή να αναπαρασταθούν με σημεία, γραμμές ή περιοχές και χαρακτηρίζονται από συνεχή μεταβολή με το χώρο. Αυτές οι οντότητες απεικονίζονται ως συνεχή χωρικά αντικείμενα και ονομάζονται συνεχείς επιφάνειες. Παραδείγματα είναι τα υψόμετρα του εδάφους για μια περιοχή, η κατανομή στοιχείων βροχόπτωσης, ατμοσφαιρικής πίεσης, θερμοκρασίας σε μια περιοχή, και η πυκνότητα του πληθυσμού σε μια περιοχή. Για την αναπαράσταση μιας επιφάνειας με σημεία δημιουργείται ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους (Digital Elevation Model, DEM) που βασίζεται στον υπολογισμό υψομέτρων σημείων διατεταγμένων σε κάναβο. Το αποτέλεσμα είναι ένας πίνακας υψομέτρων σε αριθμητική μορφή που μπορεί να παρασταθεί και με γραφικό τρόπο. Για την αναπαράσταση μιας επιφάνειας με γραμμές χρησιμοποιούνται οι καμπύλες ίσων τιμών ή ισομετρικές καμπύλες (ισοϋψείς καμπύλες για υψομετρικά δεδομένα εδάφους, ισοθερμικές καμπύλες για δεδομένα θερμοκρασιών) που είναι γραμμές που συνδέουν σημεία με ίσες τιμές (υψόμετρο, θερμοκρασία). 29
Για την αναπαράσταση μιας επιφάνειας με συνδυασμό σημείων, γραμμών και πολυγώνων δημιουργείται ένα δίκτυο τριγώνων που καλύπτει την περιοχή. Τα τριγωνικά δίκτυα δίνουν τη δυνατότητα της τρισδιάστατης απεικόνισης της επιφάνειας και χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα για την απεικόνιση του ανάγλυφου του εδάφους. Η χρησιμοποίηση του δικτύου τριγώνων επιτρέπει ακόμη τον υπολογισμό κλίσεων περιοχών πάνω στην επιφάνεια. Επιτρέπει ακόμη την τρισδιάστατη απεικόνιση της επιφάνειας με το δίκτυο τριγώνων ή και με τη βοήθεια τεχνικών σκίασης. Μορφές των χωρικών δεδομένων Eάν θελήσουμε να αναπαραστήσουμε το περιβάλλον με ακρίβεια, τότε θα χρειαζόταν μία απείρως μεγάλη και πρακτικά μη πραγματοποιήσιμη βάση δεδομένων. Αυτό οδηγεί στην επιλογή της απλούστευσης μέσω της γενίκευσης και της αφαίρεσης. Οι κανόνες που ορίζουν μια τέτοια προσέγγιση αποτελούν το μοντέλο δεδομένων (data model) κατ αντιστοιχία με τον τρόπο αποθήκευσης των δεδομένων στον υπολογιστή, που ορίζεται από τη δομή των δεδομένων (data structure). Το μοντέλο δεδομένων μπορεί να είναι ένα σύνολο σημείων, γραμμών ή άλλων γραφικών αντικειμένων 30