Novinky zeměměřické knihovny č. 4/2006

Klíčová slova: GIS, geografická informace, vizualizace, modelování, technologie, historický vývoj

       Abstrakt: V historickém a aktuálním pohledu se diskutují prostředky vizualizace geografické informace („geozobrazení“) a požadované vlastnosti vytvářených obrazů. Jde např. o mapy, prostorová zobrazení objektů, „virtuální přelety“ apod. Uvažuje se i o vztahu názornosti a mě-řitelnosti zobrazení, o některých aspektech globální vizualizace („Google Earth“) a o grafickém prostředí jako systému vizualizace. Virtuální modely by se měly propojovat s tradičními mapami, nebo by se smluvené značky mohly umísťovat přímo na virtuální modely krajiny. Diskutují se i ně-které otázky plánů a modelů měst apod.

       Poznámka:  V dalším textu uvádím kurzívou své případné poznámky, komentáře nebo souhrny některých pasáží článku.

Pojem vizualizace

       V kartografii, dálkovém průzkumu, geoinformatice či telekomunikacích se v poslední době intenzivně diskutuje o otázkách vizualizace dat. Tento pojem se dotýká několika hlavních aspektů modelování geografických zobrazení (dále jen „geozobrazení“), mezi které patří:

·      přístup k datům, tj. podmínky (nebo procedury) spojení mezi geodaty a uživateli;

·      způsob modelování, který určuje analogové, digitální nebo analogově-digitální vytváření geozobrazení;

·      typ geozobrazení, jeho vyjádření v podobě mapy, snímku, fotomapy, animace, trojrozměrné-ho, virtuálního nebo jiného modelu;

·      grafické znázornění a design geozobrazení, tj. jeho forma (konfigurace), struktura, barva, tón, textura, stínování tvarů, směr záběru, zvukové efekty apod.;

·      názornost, tj. srozumitelnost pro bezprostřední nebo zprostředkované vnímání, a rovněž měřitelnost geozobrazení;

·      vizuální vnímání geozobrazení a jeho interpretace, které určují schopnost uživatele vyčlenit, uspořádat a pochopit grafickou informaci, a získat představu o reálném (nebo abstraktním) objektu.

            Souhrn těchto vzájemně souvisejících podmínek a vlastností je podstatou pojmu „vizualizace“, který lze vysvětlit zcela jasně a srozumitelně. Navrhli jsme pro „Kartografický slovník“ (Berljant, A.M.: Kartografičeskij slovar. Moskva, Nauč. mir, 2005) následující výklad: „Vizualizace [visualization, display, viewing] - transformace pro oko neviditelných fyzikálních parametrů nebo kódů objektu do podoby černobílého nebo barevného obrazu, vhodného pro zrakové vnímání.“  Poznamenejme, že se tímto pojmem v kartografii, dálkovém průzkumu nebo geoinformatice často označuje samotný proces tvorby map, snímků a jiných obrazů na základě digitálních dat, pravidel a algoritmů - ale podle našeho soudu by se tak neměly  nahrazovat pojmy jako „tvorba map", „reprodukce snímků“, „výstup geozobrazení na displej“ apod. (Pro srovnání: J. Šíma - Geoinformační terminologie pro geodety a kartografy, VÚGTK, Zdiby 2003 - definuje: vizualizace - způsob viditelné grafické reprezentace numerických dat nebo způsob velmi přesvědčivé grafické reprezentace méně srozumitelných grafických dat.)

Vztah názornosti a měřitelnosti geozobrazení

       Při vizualizaci je podstatné nalezení pro každý konkrétní případ optimální vyváženosti mezi názorností a měřitelností geozobrazení. Je to odvěký problém kartografie, ještě zvýrazněný aplikacemi geoinformačních technologií. Vyvstává tu otázka, zda je důležitější mít nejvýše názorný obraz zkoumaného objektu, nebo znakový model, vhodný k proměřování? A zda je možné ve všech případech spojit vizuální názornost modelu s jeho geometrickou přesností? (Slovem „znak“, „znakový“ se v tomto kontextu míní nějaký druh symbolu, značka, barva apod., umožňující rozeznat některý z atributů, vlastností, charakteristik modelovaného objektu. „Znakovost“ je odpovídající vlastnost modelu či zobrazení. - Poslední pojem se užívá mj. v cha-rakteristikách uměleckých směrů, symbolismu, surrealismu, příp. filmové tvorby, viz Encyklopedie Diderot 2001.)

       Rozvoj věd o Zemi v současnosti probíhá nikoliv hlavně v terénu, ale u počítačů, kde geografové, geologové, pedologové pracují s leteckými a kosmickými snímky, s mapami, různými profily a řezy, i s jinými grafickými informacemi (zde se chce dodat, že i s informacemi číselnými a matematickými, např. s tepelnými toky či s rychlostmi šíření vln apod.). Názorná představivost nabývá stále většího významu v procesech vnímání okolního světa a v jeho poznávání.

       V další části autor jako příklad pojednává historický vývoj kartografie, která se odedávna snažila splnit současně požadavky na názornost reliéfu i měřitelnost mapy, tj. možnost získání absolutních výšek, převýšení, sklonů atd. Vzpomíná např. historické mapy s perspektivními schematickými kresbami hor a stínováním, zmiňuje se o technice šrafování J. Lehmanna (1799),  o ruských mapách z XIX. století. Zavádění vrstevnicového znázornění terénu spojuje s potřebami dělostřelectva (!) - konstatuje však, že při značné metrické přesnosti tento způsob postrádá názornost šrafování. To vedlo k zavádění barevného odlišení vrstev, „osvětlených“ vrstevnic apod.

       Pro současnou etapu rozvoje způsobů vizualizace je opět hlavní znázornění tvarů reliéfu. Je patrná snaha ukazovat ho v přirozených barvách (např. jak se jeví z kosmu) a nikoliv ve smluvených. Názornosti obrazů se dosahuje stínovanou plastikou, pokrývající tvary reliéfu „stíny“. Vrstevnice a barevná hypsometrie se doplňují jemným šedým stínováním, což kromě názornosti zvyšuje i estetickou úroveň znázornění reliéfu.

       Na nové kvalitativní úrovni se obnovila kresba tvarů: na mapách se znovu využívá perspektivní zobrazení reliéfu, tentokráte na přesném geometrickém základu se zvláštními výtvarnými znaky. Tento způsob byl nazván fyziografickým. Ukazuje morfologii reliéfu, např. na dnech oceánů či na jiných planetách. Tak vytvořené mapy působí plasticky, jsou velmi názorné a podobné uměleckým panoramatům, nejsou však určeny pro měření.

       Příkladem zdařilé kombinace plasticity a názornosti může být současné použití osvětlených izobat a barevných vrstev na Generální batymetrické mapě světového oceánu 1:10 000 000.

Obr. 1

Výřez z Generální batymetrické mapy světového oceánu 1:10 000 000 s osvětlenými izobatami jako příklad zdařilého sloučení názornosti a měřitelnosti zobrazení reliéfu

       Se zvýšením názornosti map se poněkud snížila péče o jejich znakové vlastnosti. To vede ke ztrátám měřitelnosti, a tím i k omezení sféry vědeckého a praktického využití map. Vzniká dojem, že metrické úlohy, kvantitativní analýza a matematicko-kartografické modelování má být konáno jen na digitálních modelech, zatímco názorným zobrazením by zbývala jen funkce ilustrativní. Podle našeho názoru to znamená nedocenění možností vizualizace a je to vážná chyba metodologická. Nic na příklad nebrání doplnit fyziografické modely reliéfu o vrstevnice    a smluvené značky, jako na ortofotoplánech. Kombinace digitálních a analogových modelů může zajistit optimální vizualizaci terénu a úplněji realizovat heuristické možnosti map.

Názornost vizualizace trojrozměrných geozobrazení

       V prostředí geoinformací se výše naznačené tendence projevují sice poněkud odlišně, ale zcela zřetelně, pokud jde o virtuální geozobrazení. Technologie jejich tvorby se postupně rozvíjela od manuální kresby různých blokových diagramů - trojrozměrných obrazů povrchu např. geologických útvarů s jejich řezy apod., přes mechanické a elektronické kreslicí stoly, až    k dnešní vizualizaci trojrozměrných obrazů na displejích, s využitím digitálních modelů. Přitom se obrazy mohou natáčet, měnit měřítka os i směr pohledu pozorovatele. Pro lepší názornost se na povrch blokových diagramů „navlékají“ snímky území.

       Snahy ukázat změny a rychlosti procesů v geosystémech, stejně jako úlohy monitorování, si vyžádaly modelování dynamiky dějů. Statické mapy a snímky z různých časů byly nahrazeny (ovšemže ne bezvýhradně a vždy) promítáním řad („filmy“) diapozitivů, kreseb, a elektronickými animacemi. Tak geoinformační kartografie získala čtvrtý, časový rozměr. V následujícím rozvoji virtuálních technologií se za prvé začaly modelovat objekty nejen v abstraktním, ale v kon-krétním prostředí, tj. spolu s ním (např. denní a roční doba, osvětlení, počasí, zvuky aj.). A za druhé se realizovaly interakce virtuálního objektu s člověkem, jako „průlety“, „ponory“ ke dnu oceánu, „procházky“ virtuálními městy, či (vyžádané) sezónní změny porostů. Názorné modely (zvláště ty s „navléknutými“ kosmickými snímky) nemusí nutně mít značkový klíč, jako ho nemá samotná krajina.

       V polovině XX. stol. se experimentovalo s holografickými modely krajiny, které se považovaly za velmi perspektivní pro řešení různých taktických nebo inženýrských úkolů. Ale ukázalo se, že jejich technologie je příliš pracná a nákladná, takže v oblasti geověd nemůže konkurovat virtuálním geozobrazením.

       Při veškeré dokonalosti virtuálních technologií však znovu vyvstává otázka: je to dobře, že virtuální geozobrazení ztrácejí znakovost? Tím se také ztrácí měřitelnost modelu, je obtížné určit absolutní výšku daného bodu, typy reliéfu a další charakteristiky krajiny, porostu apod. Pro uživatele je tedy krajně žádoucí mít vedle (kromě) názorného modelu buď tradiční topografické a tematické mapy (s možností souběžné práce, třeba plánování průletu na nich), nebo mít informace ze smluvených značek, umístěných přímo na virtuálním modelu krajiny. Druhý způsob je vhodnější, neboť umožňuje sloučit znakovost a měřitelnost geozobrazení s jeho názorností - byť doplňková zátěž obrazu značkami ztěžuje vnímání vnější tváře prostoru.

Některé aspekty globální vizualizace

            Soudobá koncepce „Elektronické Země“ staví problematiku vizualizace v měřítku celé planety. Je zajímavé jak to předvídal M.A. Bulgakov (1891 - 1940) v románu Mistr a Markétka (což je posmrtně vydané „filozofické románové podobenství o osudu umělce v dehumanizovaném společenském systému, paralelně rozvíjející parafrázi biblického příběhu a faustovského tématu  a zkarikovaný, fantaskně groteskní obraz mravů meziválečné Moskvy“ - Encyklopedie Diderot 2001). V kap.22 tam popisuje, jak Woland „otáčí před sebou globus tak dokonale udělaný, že oceány se na něm vlnily a polární čepička vyhlížela jako skutečná, ledová a zasněžená.... Markétka se naklonila a spatřila, jak se čtvereček Země rozšířil a proměnil jakoby v plastickou mapu. Pak spatřila stužku řeky a nějaké sídlo u ní. Domek o velikosti hrášku vyrostl do velikosti krabičky sirek...“

            Tento oddíl článku je věnován podrobné diskusi zejména o systému „Google Earth“ (http://earth.google.com). Zmiňuje se o jeho vzniku v polovině devadesátých let, konstatuje některé nedostatky, jako nerovnoměrné pokrytí globu kosmickými snímky s různými možnostmi zvětšení (např. New York a Moskva až do 1:1 000, jinde třeba „jen“ 1:50 000), některé problémy s „průlety“. Jsou tu uvedeny přednosti a možnosti systému, např. možnost prohlídky některých staveb, navození pohledu na pohoří z různých stran, promítnutí silniční sítě do krajiny aj. Jako obr.2 je v článku dána ukázka vstupního snímku systému (severní Amerika) a jako obr.3 virtuální přílet k Mount Everestu.

Obr. 2.

Severní Amerika - vstupní snímek vyhledávacího systému „Google Earth“

                                                                    Obr. 3.

Zobrazení, která se objevují v různých závěrech při virtuálním příletu k Everestu v systému "Google Earth"

       Přes některé očividné nedostatky (kritické poznámky v článku se týkají hlavně zobrazení území Ruska) je systém „Google Earth“ významným pokrokem kartografie na počátku XXI. století. Je to fotografický model různoměřítkového a multigeneralizovaného informačního systému v síti Internetu. Ale i zde se projevila priorita názornosti nad velmi omezenou měřitelností, chybí údaje o absolutních výškách objektů aj.

       V současné době je „earth.google.com“ jedním z nejznámějších a nejefektivnějších vyhledávacích serverů v síti Internet. Bezplatná verze „Google Earth“ má své komerční verze „Plus“ a „Pro“, které dávají submetrové rozlišení a možnost synchronizace s GPS.

       V perspektivě rozvoje globální kartografie lze očekávat vznik systémů operativního globálního kartografického monitorování rizikových oblastí, např. sopečných, lavinových, katastrofických tsunami, povodní apod.

Grafické prostředí jako systém vizualizace

       Při zkoumání zvláštností vizualizace na různých prostorových úrovních může být prospěšné využití pojmu grafické prostředí (GP) - což je systém vizualizace, v němž se realizuje ikonické modelování geozobrazení, jejich fungování a vnímání člověkem, nebo rozpoznávacím zařízením.

       GP se formuje pomocí grafických proměnných (jazyka geozobrazení), které lze rozdělit do tří skupin: geometrické (poloha, tvar, rozměr, orientace, struktura a textura), optické (barva, tón, jas), časové (periodicita, trvání). GP umožňuje vizualizovat rovinné a prostorové grafické obrazy (časové řezy), a také dynamické prostorově-časové situace. Jinak řečeno - GP je čtyřrozměrné. Je také interaktivní, umožňuje grafickou komunikaci mezi člověkem a prostředky vizualizace, výměnu, zpracování a přetváření informace. GP může vyjadřovat vlastnosti, souvislosti, dynamiku, hierarchii reálných geosystémů, a také modelovat abstraktní grafické představy: výpočetní pole, prognostické scénáře, minulé situace, myšlenkové konstrukce, pseudofotografie apod. V GP lze vizualizovat neviditelné, i pro člověka nevnímatelné objekty a jevy.

       Zřetelně lze rozlišit dva typy GP. První - fixní GP, tj. systémy v nichž se vytvářejí a dlouho-době uchovávají tradiční mapy, snímky, blokové diagramy a jiná geozobrazení. Druhým typem jsou programově řízená GP, aneb systémy zajišťující reprodukci map, atlasů, snímků, či dynamických geozobrazení, a to pomocí programových a technických prostředků počítačové grafiky. (Kam by přitom patřily počítačově připravené papírové mapy atd.?)  S jistou licencí si lze představit i myšlenková GP v lidských mozcích.

       Zmíněná GP vzájemně interagují na úrovni analogově/digitálních převodů a zařízení pro vstup a výstup geozobrazení do/z počítačů a sítí. I myšlenková GP, ač nemají obrazy ve zrakově vnímatelné podobě, se těchto interakcí s prvními GP účastní.

       Dále se na některých příkladech (jako anamorfní schémata tras metra, názorná, leč velmi zkreslující zobrazení map ve školních atlasech, barevné kódování snímků pro interpretaci) znovu zdůrazňuje preferování názornosti před měřitelností v GP.

       Virtuální modelování na všech úrovních, až do globální, nesnižuje, ale dokonce zesiluje dialektický rozpor (!) mezi názorností a měřitelností modelů. Pro řešení tohoto problému je třeba nalézt optimální spojení smluvené znakovosti a obrazové názornosti geozobrazení.