NZK c.4 /03 - Billen, R.

Novinky zeměměřické knihovny č.4/2003

*BILLEN, Roland - ZLATANOVA, Siyka*	VÚGTK 46 262
Koncepční problémy v trojrozměrném městském GIS : Pohyb v multidimenzionálních systémech : Skutečná revoluce
[Conceptual issues in 3D Urban GIS : Moving into Multi Dimensional Systems : a True Revolution]

Přeložil L. Krňávek (zkráceno).
Zdiby: VÚGTK, 2003. - 3 s.
In: GIM int. - ISSN 1566-9076. - Roč.17, č.1 (2003), s.33-35 : 3 obr. - Lit.4.

Klíčová slova: městský GIS, trojrozměrný, multidimenzionální systém, geoinformace, objekt, datový model

Technologický vývoj nového systému musí vždy na své cestě k realizaci překonávat silnou setrvačnost. Tento jev je, co se týče 3D informací, stále kritičtější. Podle autorů představuje pohyb směrem k třetí dimenzi nejen technickou výzvu, ale také posun v koncepčním myšlení. Koncepční vývoj v kontextu geoinformací znamená vzdávání se tradičních dvojrozměrných představ ve prospěch trojrozměrných.

1. Úvod

Po mnoho let zkoumala a vyvíjela vědecká společnost a průmysl GIS trojrozměrný GIS pro diskrétní objekty v souvislosti se speciálními účely, jako jsou problémy životního prostředí, ulehčení řízení a podobně. Všeobecně lze říci, že se výzkumní a vývojoví pracovníci soustřeďovali na technické aspekty: jak získávat trojrozměrná data, jak s nimi zacházet, jak je analyzovat, jaké otázky klást. Znalosti, týkající se získávání 3D dat kontinuálně rostou: klasické topografické techniky, GPS, fotogrammetrie (letecká i satelitní) a laserová výšková měření jsou již dostupné a široce využívané v trojrozměrném modelování. Trojrozměrné infrastruktury GIS prosperují a dostupná jsou již mnohá komerční řešení trojrozměrných znázornění. Praktická omezení ve využití 3D informací se snižují, ale ještě v mnoha případech, zejména v kontextu s urbanistikou, jsou vývojové kroky směrem k reálným 3D geoobjektům stále pomalé. Směr k trojrozměrným GIS zřejmě zahrnuje víc než jen technický vývoj – vyžaduje koncepční krok vpřed.

2. Reálné výhody?

Je třeba vzít v úvahu dva důležité problémy:

Trojrozměrný GIS musí představovat reálné výhody oproti běžným dvojrozměrným řešením. Výzkum v 3D systémech je poněkud nákladný. Je dobře pochopitelné, že uživatelé GIS jsou váhaví provést změny jen kvůli tomu, aby měli trojrozměrné aplikace. Městský 3D GIS (nebo i 4D, zahrneme-li i časové změny) vede k poskytování lepšího, komplexnějšího obrazu reálného světa, a proto se předpokládá provedení účinnějších simulací a prostorových analýz.
Trojrozměrný GIS musí zachovat dvojrozměrnou analýzu a zajišťovat výrobu obvyklých dvojrozměrných map. Tento proces by měl být komplexnější než ten, který zahrnuje výrobu dvojrozměrných map z 2D GIS.

3. Trojrozměrné objekty zájmu

V diskusích o trojrozměrných městských objektech lidé obvykle míní terén, stavby a vegetaci. Za podzemní urbanismus je považována podzemní infrastruktura jako jsou kanály, potrubí, tunely atd. Objekty zájmu městského prostředí jdou ale dál. Vraťme se ke všeobecné klasifikaci reálných objektů. Lze rozlišovat čtyři základní skupiny reálných objektů:

právní objekty, např. jednotlivce, instituce, společnosti;
topografické objekty, např. stavby, ulice, technologická zařízení;
fiktivní objekty, např. administrativní hranice;
abstraktní objekty, např. daně, příjmy, dohody.

Protože mají všechny tyto objekty významovou charakteristiku, geometrická charakteristika reálných objektů je hlavním kritériem jejich seskupení. Podle toho jsou objekty:

s neúplnou geometrickou charakteristikou (např. pouze poloha),
s úplnou geometrickou charakteristikou a existencí v reálném světě,
s úplnou geometrickou charakteristikou a fiktivní existencí,
bez geometrické charakteristiky.

4. Trojrozměrné fiktivní objekty

Podle této klasifikace jsou 3D topografické objekty v podstatě 3D objekty běžně udržované, nebo určené k údržbě v různých informačních systémech. Potřebou u těchto objektů obvykle není jejich transparentnost. Zatímco je běžné vyvíjet z dvojrozměrných zobrazení budov jejich zobrazení trojrozměrná, protože se jedná o lepší zobrazení reality, u fiktivních objektů, jako je městská jednotka, statistická jednotka či jiné fiktivní jevy, tomu tak není.

4. Katastr

Katastr dává velmi dobré příklady fiktivních objektů, např. katastrální parcely a jiné nemovitosti. Kompromis existuje u některých druhů trojrozměrných realit. Bez uvažování technických omezení a dnešních řešení se zdá jasné, že nejlepším řešením pro realitu je trojrozměrný model. Jediným nebo v mnoha případech nejlepším řešením pro zobrazení reality by měl být zobrazení 3D, spíše než 2D katastrální jednotky. Prvotní reakcí při snaze o zlepšení současného 2D katastrálního modelu by mohlo být zachovat současnou 2D objektovou definici a doplnit její rozšíření na 3D.

Ale i kdyby bylo touto cestou dosaženo uspokojivých výsledků, je tento přístup omezující a nekompletní. Příležitost pracovat s 3D daty umožňuje vzít v úvahu trojrozměrný svět, v němž mnohé objekty procházejí zásadním vývojem.

5. Výzva

Výzvou pro 3D GIS tedy je podpořit diferenciální analýzu zahrnující všechny druhy reálných objektů. Začlenění pouze topografických objektů do 3D GIS bez 3D objektů fiktivních může takovou analýzu příliš zjednodušit nebo i okleštit. Zjednodušení může také působit jako silná brzda vývoje 3D GIS. Skutečný svět je velmi komplexní. I když bude určitá generalizace přípustná, přicházející technologické nástroje by měly v blízké budoucnosti umožnit práci s komplexním virtuálním zobrazením světa, v němž by mělo být možné zobrazit všechny druhy objektů.

6. Městské potřeby a aktivity

Pokusili jsme se pustit do problému datové struktury 3D z pohledu nových 3D geografických informací. Snahou je opustit klasické chápání GIS jakožto systému udržujícího topologii. Místo toho zohledňujeme naše vnímání 3D objektů, městské potřeby a aktivity. Dimenzionální model, který jsme vyvinuli, není modelem topologickým, protože základní matematický prostor je jiný. Matematickými prostory použitými společně pro zobrazení reálného světa jsou prostory základní, topologické, metrické a euklidovské. Například topologické modely jsou definovány na bázi topologického prostoru. Náš model je prvním, který je definován v prostoru afinním. Tento matematický prostor je velmi vhodný pro 3D abstrakci, protože umožňuje definici a využití konvexity objektů a realit.

7. 3D datová struktura

Existují mnohé 3D datové struktury vycházející ze zobrazení hranic a konstrukční prostorové geometrie. Tyto struktury byly široce přijaty jako nejvhodnější způsob zobrazení trojrozměrných městských dat. Definice dimenzionálního modelu se opírá o tento přístup, v němž jsou objekty zobrazeny svými hranicemi a podle konstrukčních pravidel, odvozených z teorie afinních prostorů a konvexivity realit. Tento datový model může být použit pro dva účely: jako prostorový datový model a jako základní rámec pro zobrazení prostorových vztahů mezi objekty.

8. 3D zobrazení

3D zobrazení je velmi usnadněno, protože objekty jsou zobrazeny pomocí minimálního souboru skladebních prvků. Čas potřebný pro vyvození geometrie objektů nebo k provedení jiných geometrických operací je významně zkrácen v porovnání s tím, který je potřebný pro topologické zobrazení. To ovlivňuje rychlost geometrického modelu.

9. Prostorové vztahy

Model se dá použít pro zobrazení prostorových vztahů. Podobně jako u topologického přístupu se zde zavádějí dimenzionální prvky a zkoumají se jejich vzájemné vztahy. Na základě těchto vztahů se vyvozují závěry týkající se typu vztahů mezi objekty. Tento přístup je podobný tomu, který byl přijat z popisu otevřených GIS, ale umožňuje zjišťování rozsáhlého souboru vztahů. Protože se berou v úvahu odlišné kombinace dimenzionálních prvků (liší se například pouze 3D prvky nebo prvky 3D a 2D), může být přístup snadno přizpůsoben potřebám dílčích aplikací. Tento koncepční vývoj byl ověřen na prototypu systému, zaváděného v Oracle 9 i v technologickém oddělení TU Delft. Konkrétní analýzy prostorových modelů byly provedeny v PL/SQL (vysoká úroveň jazyka SQL firmy Oracle).

10. Závěr

Přání uvažovat trojrozměrně přivedlo znovu k 3D datovému modelu, který může být chápán jako prostředek mezi strukturou topologickou a strukturou CAD. Pohyb směrem k vícerozměrným systémům je skutečnou revolucí v chápání, zobrazování a strukturování našeho světa. Technologická omezení již problémem nejsou, nutná je ale hlubší redefinice 3D koncepce pro další pokrok ve vědách o geografických informacích. Fiktivní objekty 3D a zde navrhovaná nová datová struktura výsledek takového koncepčního přístupu zjednoduší.