Janusz Michalak Uniwersytet Warszawski Podstawy metodyczne i technologiczne infrastruktur geoinformacyjnych Cz. 1.b: Główne problemy technologiczne infrastruktury Warsztaty naukowe w ramach XIII Konferencji PTIP „Systemy informacji przestrzennej” Warszawa, 8.10.2003 Janusz Michalak Uniwersytet Warszawski

Wstęp: przejście z zapisu na papierze na zapis elektroniczny – w systemach komputerowych Koniec okresu dominacji papieru (początek: około roku 105 – Chiny) Pierwszy wielki przełom od czasu Gutenberga Forma zapisu informacji zmienia sposób widzenia rzeczywistości Systemy geoinformacyjne (GIS) – ewolucja koncepcji Komputerowa redakcja tradycyjnej mapy papierowej („myślenie ‘mapą papierową’ ”) Wprowadzenie danych dla mapy do komputera Celem jest uzyskanie mapy wiernie odpowiadającej mapie papierowej „Pozostałość poprodukcyjna” okazała się bardziej cenna niż rezultat Można to aktualizować, poprawiać, transformować i przesyłać Nie jest potrzebny podział na arkusze, skala i odwzorowanie – jedynie układ (system) odniesienia i dokładność (szczegółowość) Wizualizacja (zobrazowanie) geoinformacji to oddzielne zagadnienie

Rozwój systemów geoinformacyjnych w kierunku interoperacyjności opartej na interfejsach Scenariusz 2 Scenariusz 1 Infrastruktura Monolityczny system geoinformacyjny Platforma sprzętowa Platforma sprzętowa i/lub komunikacja sieciowa Prezentacja (UI) Aplikacja Własna (specyficzna) baza danych Udostępnianie danych przestrzennych Uniwersalna baza danych Uniwersalne bazy danych lub uniwersalne składy danych Serwery aplikacyjne Aplikacje Dane przestrzenne: "obiekty wszędzie" Aplikacje (narzędzia i aplety) - specyficzne interfejsy własne (wewnętrzne) - uniwersalne interfejsy zgodne ze standardami (ISO/TC 211 i OpenGIS) DCP Ewolucja systemów w kierunku interoperacyjnego przetwarzania obiektów rozproszonych [Źródło: archiwum OGC]

Zasoby przetwarzania rozproszonego z interfejsami OpenGIS Interoperacyjność jest niezbędnym elementem infrastruktury geoinformacyjnej Zasoby naturalne i rolnictwo Służby miejskie Transport Agencje rządowe Kataster Infrastruktura gosodarcza Zasoby przetwarzania rozproszonego z interfejsami OpenGIS Decyzje gospodarcze Budownictwo [Źródło: archiwum OGC]

Interdyscyplinarność i wielopoziomowość zagadnień geomatyki Według raportów INSPIRE informacja geoprzestrzenna jest tworzona w wielu dziedzinach działalności – zarówno w sferze praktycznej jak i badawczej – jest to zagadnienie interdyscyplinarne Problematyka informacji geoprzestrzennej może być rozpatrywana na różnych poziomach – od produkcji standardowych zestawów danych (np. topograficzne mapy cyfrowe) do precyzowania zagadnień ontologicznych, semantycznych i terminologicznych Zawężanie i spłaszczanie prowadzi do ubóstwa dorobku tej dziedziny – staje się tylko rzemiosłem (dotyczy to także zagadnień infrastruktury geoinformacyjnej)

Interdyscyplinarność geomatyki 80 % wszelkiej informacji ma aspekt przestrzenny (nie jest to domena wąskiej grupy specjalistów od geoinformacji) Geomatyka (= aspekt przestrzenny i topologiczny geoinformacji) – „wspólny mianownik” Czyli bez części specyficznej dla dziedzin zastosowań Część tematyczną każda dziedzina inną (z tego powodu opracowuje ją sama) Geoinformacja tworzona przez różne dyscypliny musi pomiędzy nimi „przepływać” (z tego wynikają pojęcia: społeczności geoinformacyjne, translatory semantyczne)

Modele pojęciowe geoinformacji w danej dziedzinie Ontologia – w rozumieniu teorii informacji Geoinformacja Informacja ogólna klasyfikacja, geometria, topologia Informacja w danej dziedzinie Inne dziedziny Modele pojęciowe – semantyka, geometria, topologia Modele pojęciowe w danej dziedzinie Modele pojęciowe geoinformacji w innych dziedzinach Modele pojęciowe nieprzestrzenne informacji w danej dziedzinie Modele pojęciowe geoinformacji w danej dziedzinie Formy zapisu – struktury danych (struktury informacji) Środki techniczne – platformy i języki implementacyjne i aplikacyjne np.: C, C++, CORBA, Jawa, SQL, OQL, XML, WWW i inne

Bez poprawnie określonej ontologii nie można opracować poprawnych modeli pojęciowych Protege - edytor języka OIL (Ontology Interface Layer)

Przykład zapisu w języku OIL ontology-container title "Hydrogeology Foundation" creator "J. Michalak, Uniwesytet Warszawski, Wydz. Geologii" subject "basic hydrogeological classifications" description "An example ontology describing hydrogeological information" description.release "1.01" type "ontology" format "pseudo-xml" identifier "http://www.ontoknowledge.org/oil/xml-schema/OILSchema.xsd" source "Z. Pazdro, 1977 - Hydrogeologia ogólna, Wyd. Geologiczne, Warszawa." language pl ontology-definitions slot-def name domain ( Zjawisko_hydrogeologiczne Parametr_fizyko-chemiczny ) range STRING slot-def ma_przepuszczalność domain warstwa_wodonośna range Przepuszczalność slot-def kategoria_przepuszczalności range STRING slot-def ma_twardość domain woda_podziemna range Twardość

Problemy z podstawowymi pojęciami z zakresu informacji geoprzestrzennej Ogólno-informatyczne: informacja, dane, treść Problemy polskiej terminologii w zakresie geomatyki Definicja geomatyki („geoinformatyki”?) Definicja geoinformacji – informacji geograficznej Informatycy nie zajmują się tymi zagadnieniami Podstawowe pojęcia: „Feature” – abstrakcja zjawiska świata rzeczywistego Problem z odpowiednikiem polskim: cecha, obiekt, wyróżnienie Termin obiekt ma w geomatyce wiele znaczeń Inne terminy: pokrycie, geometria, topologia, semantyka

Geomatyka czy geoinformatyka? W krajach anglojęzycznych nie używa się nazwy geoinformatyka, ponieważ nie używa się nazwy informatyka W krajach niemieckojęzycznych geoinformatyka jest bardzo często synonimem geomatyki Na podstawie analizy polskiej literatury z tego zakresu można przyjąć, że znaczenie oby tych nazw jest różne: Geoinformatyka, ujmując to najogólniej, zajmuje się zastosowaniami informatyki w naukach o Ziemi (w naukach z przedrostkiem „geo-”). Geomatyka to dyscyplina zajmująca się wyłącznie informacją geoprzestrzenną (geograficzną), czyli dyscyplina „zawężona” tylko do tego rodzaju informacji. Takie rozumienie szczegółowego zakresu problemów jest oparte na pracach ISO/TC211 i OGC. Na tej podstawie można przyjąć, że geomatyka jest częścią geoinformatyki geomatyka jest bardzo uzależniona od informatyki

„Feature” – abstrakcja zjawiska świata rzeczywistego Ta bardzo lakoniczna definicja pozwala jedynie domyślać się znaczenia tego terminu: Jakiego typu abstrakcja? (uogólnienie, oderwanie od rzeczywistości czy od środowiska implementacyjnego lub aplikacyjnego) Co to jest zjawisko świata rzeczywistego? (byt w sensie teorii informacji, czy byt w sensie fizyki lub nauk przyrodniczych) Nie można tego utożsamiać z obiektem, bez względu na przyjęty sens terminu obiekt, ponieważ: „feature” jest podtypem obiektu (specyfikacje OpenGIS – GML3) „feature” może zawierać w sobie wiele obiektów (specyfikacje OpenGIS – ORM) zdarzenie jest szczególnym podtypem „feature” (ORM) „feature” może mieć „charakter ciągły” (bez ostrych granic) (ORM) Proponowany termin polski: wyróżnienie

Problemy z podstawowymi pojęciami z zakresu informacji geoprzestrzennej - II Wyróżnienie rzeczywiste lub ustanowione np. budynek i działka geodezyjna lub obszar jednostki administracyjnej (np. gminy) Wyróżnienie o granicach rozmytych lub ostrych np. wyż atmosferyczny i jezioro Gdy granice wyróżnienia są rozmyte najczęściej są zastępowane granicami ustanowionymi np. strefa ochronna lub strefa skażona zanieczyszczeniami Wyróżnienie może mieć różne rodzaje granic, np. zatoka morska: od strony lądu – ostra granica rzeczywista Od strony otwartego morza – rozmyta i w rezultacie ustanowiona

Modele pojęciowe informacji geoprzestrzennej (geoinformacji) Ontologia – w rozumieniu teorii informacji Modele pojęciowe w hydrogeologii Formy zapisu – struktury danych (struktury informacji) klasyfikacja, geometria, topologia Informacja ogólna Geoinformacja Informacja hydrogeologiczna Modele pojęciowe – semantyka, geometria, topologia Inne nauki Modele pojęciowe geoinformacji w hydrogeologii pojęciowe Modele geoinformacji w innych dziedzinach nieprzestrzenne informacji Środki techniczne – platformy i języki implementacyjne i aplikacyjne np.: C, C++, CORBA, Jawa, SQL, OQL, XML, WWW i inne Wykorzystane są koncepcje opracowane przez informatykę: Mentalny model świata rzeczywistego – model ontologiczny Abstrakcyjny model pojęciowy – semantyka, geometria i topologia Modele pojęciowe struktur danych (zorganizowane dane = informacja) Obiektowość w modelowaniu pojęciowym (Subieta, 1998) Środek do walki ze złożonością Dekompozycja – podział złożonego problemu na prostsze fragmenty Abstrakcja – ukrycie mniej istotnych szczegółów (hermetyzacja), wyodrębnienie cech wspólnych (generalizacja) Obiektowość wiąże trzy poziomy modeli pojęciowych: mentalny, abstrakcyjni i struktur danych

Zastosowanie metodyki obiektowej – generalizacji (abstrakcji): Generalizację można porównać z „wyciąganiem” części wspólnej przed „nawias”: (działka budowlana, działka rolna, działka leśna, działka rekreacyjna) = działka (budowlana, rolna, leśna, rekreacyjna) (może być abstrakcyjna: działka) Można to opisać przy pomocy diagramu klas języka UML (Unified Modeling Language) – ujednolicony język modelowania Działka DziałkaBudowlana DziałkaLeśna DziałkaRolna DziałkaRekreacyjna Objaśnienia notacji UML

Symbole i ich elementy: Objaśnienia: <<NazwaStereotypu>> Ogólny symbol klsay z podaniem stereotypu, listu atrybutów i listy NazwaKlasy operacji. <<StereotypAtrybutu>> + nazwaAtrybutu1 : TypAtrybutu = wartośćPoczątkowa Atrybuty mogą mieć stereotypy, <<StereotypAtrybutu>> + nazwaAtrybutu2 : TypAtrybutu = wartośćPoczątkowa widoczność, typ i wartość początkową. <<StereotypOperacji>> + nazwaOperacji1(nazwaArgumentu) : TypZwracany Określenie widoczności: <<StereotypOperacji>> + nazwaOperacji2(nazwaArgumentu) : TypZwracany + oznacza publiczną, # oznacza chronioną, - oznacza prywatną. {ograniczenie wyrażone w języku OCL - Object Constraint Language} Ograniczenie dotyczące klasy, KlasaAbstrakcyjna ale może dotyczyć także innych elementów. Nazwa klasy abstrakcyjnej jest Klasa_AB_Uogólnienie_Dla_A_i_B wyróżniona pismem pochyłym. Dziedziczenie (uogólnienie – specjalizacja) jest oznaczone strzałką z białym grotem. Klasa AB jest uogólnieniem klas A i B. Klasa_B <<Interface>> Klasy A i B są specjalizacjami klasy Interfejs_1_Klasy_A AB. <<Type>> Dziedziczenie + operacjaInterfejsowa1() Pomiędzy klasą ze stereotypem Klasa_A + operacjaInterfejsowa2() <<Type>> i klasą ze stereotypem <<Initerface>> może wystąpić + atrybutAbstrakcyjny1 Zależność dziedziczenie, zależność lub + atrybutAbstrakcyjny2 realizacja. Interfejs 2 jest + operacja1() Interfejs_2_ przedstawiony w formie ikony. + operacja2() Realizacja <<Interface>> interfejs_3_Klasy_A Klasy_A Powiązanie (ogólna asocjacja) jest +rolaKlasyA licznośćKlasyA oznaczone linią ciągłą i może mieć nazwę, role i liczności. NazwaOgólnejAsocjacji Oznaczenia Liczności: 1 dokładnie jeden, 0..* (lub 0..n) zero lub wiele, +rolaKlasyC licznośćKlasyC 1..* (lub 1..n) jeden lub wiele, Klasa_C_z_InnegoPakietu <<Leaf>> 0..1 zero lub jeden, (from InnyPakiet) InnyPakiet 3 dokładnie 3. + Klasa_C_z_InnegoPakietu Klasa importowana z innego pakietu +rolaKlasyC licznośćKlasyC ma określenie pochodzenia przy pomocy specyfikacji "from". NazwaAgregacji Agregacja jest oznaczona ciągłą linią z białym rombem. Klasa D należy do klasy C, ale +rolaKlasyD licznośćKlasyD może istnieć bez klasy C. Klasa_D 1 NazwaKompozycji licznośćKlasyE Klasa_E Kompozycja (silna lub całkowita +rolaKlasyD +rolaKlasyE agregacja) jest oznaczona ciągłą linią z ciemnym rombem. Klasa E jest częścią klasy D i nie może istnieć bez niej. Liczność klasy D w tej roli musi być 1.

Aspekty geoinformacji w danej dziedzinie Semantyka Geometria Topologia Informacja (ogólna) Dotyczy tego, co jest wspólne dla różnych dziedzin Może nie występować Może nie występować Geo- informacja + semantyka geomatyczna (geoprzestrzenna) Geometria ogólna Topologia ogólna Geo- informacja danej dziedziny + semantyka specyficzna – dziedzinowa (oparta na terminologii tej dziedziny) + geometria specyficzna – dziedzinowa, np. dla opisu zjawisk atmosferycznych + topologia specyficzna – dziedzinowa, np. topologia pokrycia rastrowego (macierzowego)

Tabela poprzednia zapisana przy pomocy notacji graficznej UML Aspekt geometryczny <<B1>> Semantyka ogólna semantyka ogólna <<A1>> 0..1 Aspekt topologiczny <<C1>> Geometria ogólna geometria wspólna <<B2>> Semantyka dziedzinowa semantyka specyficzna dla danej dziedziny <<A3>> Geometria dziedzinowa geometria specyficzna dla <<B3>> Topologia dziedzinowa topologia specyficzna dla <<C3>> Semantyka geomatyczna semantyka czaso- przestrzenna <<A2>> Topologia ogólna topologia wspólna <<C2>>

Przykłady zagadnień geoinformacyjnych specyficznych tylko dla jednej dyscypliny: Układ odniesienia czasowego w geologii oparty na tablicy stratygraficznej Topologia czasoprzestrzenna Według standardu ISO 19108 jest to układ porządkowy (ordinal ) – nie można przy jego pomocy mierzyć odległości w czasie, lecz jedynie określać następstwa czasowe zdarzeń i zjawisk Układ taki powinien mieć charakter topologiczny i w jego modelu powinny występują elementy topologii czasu Podstawowy model ogólny dla takiego układu zawiera standard ISO 19108 – niestety w tym modelu jest prawdopodobnie błąd, ponieważ zastosowana tam klasa interfejsowa pozwala na określanie odległości w czasie Innym specyficznym zagadnieniem jest topologia czasoprzestrzenna niezbędna dla określania relacji topologicznych pomiędzy wyróżnieniami zmieniającymi w czasie swoje położenie przestrzenne

Elementy topologiczne czasu – diagram UML (opracowano programem Rational Rose na podstawie normy ISO 19108) <<Interface>> TM_Order TM_TopologicalComplex + relativePosition(other : TM_Primitive) : TM_RelativePosition +complex 1 Complex <<Uses>> +primitive 1..n TM_TopologicalPrimitive TM_Primitive +previousEdge Termination +end 0..n 1 TM_Edge TM_Node 0..n 1 +topology 0..1 0..1 +topology +nextEdge Initiation +start Realization Realization +geometry 0..1 0..1 +geometry [Źródło: norma ISO 19108] TM_Period TM_Instant

Przykład dziedzinowego układu odniesienia: Diagram klas UML zawierający główne elementy topologicznego modelu porządkowego systemu odniesienia czasowego przeznaczonego dla zastosowań geologicznych. Część klas tego diagramu jest importowana z pakietów modelu ISO 19108. TM_Primitive TM_TopologicalPrimitive <<Interface>> (from Temporal Objects (ISO)) (from Temporal Objects (ISO)) TM_Order (from Temporal Objects (ISO)) + relativePosition(other : TM_Primitive) : TM_RelativePosition TM_Node TM_Edge TM_ReferenceSystem (from Temporal Objects (ISO)) (from Temporal Objects (ISO)) + name : RS_Identifier Initiation + domainOfValidity [0..*] : EX_Extent <<Uses>> 1 1..n +start +next TM_OrdinalEra_Mod TM_OrdinalBoundary TM_OrdinalReferenceSystem_Mod + name : CharacterString +end +previous 1 Terminatio 1..n Geol_StratigraphicChart 1 +system Structure_Mod +compoment 1..n Geol_Eon +member +group +member +group +member +group +member 1..n 1 1..n 1 1 +group Geol_Age 1..n 1 Geol_Epoch Geol_Period Geol_Era 1..n Composition_Eon Composition_Epoch Composition_Period Composition_Era

Schematyczna topologia czasoprzestrzenna powstawania profilu b c d e f H L 1 2 3 4 5 Schematyczna topologia czasoprzestrzenna powstawania profilu geologicznego. Objaśnienia: Czasoprzestrzenne linie topologiczne: – segment linii topologicznej dla warunków erozji L – powierzchnia litosfery w punkcie (x,y) H – powierzchnia hydrosfery w punkcie (x,y) – segment linii topologicznej dla warunków sedymentacji – topologiczny węzeł w lokalnym ekstremum linii topologicznej – topologiczny węzeł na początku i na końcu linii topologicznej a – topologiczny węzeł w przecięciu dwóch topologicznych linii (w tym przykladzie jest to brzeg morza w punkcie (x,y))

Uproszczony model topologii czasoprzestrzennej. STM_DirectedObject <<Interface>> STM_TopologicalDirectedPrimitive STM_DirectedComplex 1..n +element +complex Complex Contains +subComplex +superComplex STM_DirectedFace STM_DirectedEdge Boundary_ STM_DirectedSegment 1 STM_DirectedNode 2 Contains_ +contains Boundary +initiationOrTermination +bounded +bounding {Direction in time > 0}