Kartan suunnittelu, digitaaliset karttatietokannat ja tiedon esittämisen standardit

1. Kartan suunnittelu, digitaaliset karttatietokannat ja tiedon esittämisen standardit Kirsi Virrantaus TKK/Kartografian ja geoinformatiikan laboratorio 16. lokakuuta 2001

2. 1. Kartoista geoinformaatiotieteeksi • kartat ja kartografia – oppi karttojen tekemisestä • kartografi, maailman ”toiseksi vanhin ammatti” • kattojen laadinnan teoria kehittynyt pitkän ajan kuluessa • tuotantotekniikan ehdoilla • dimensioita kasvattaen

3. Kovamateriaalille manuaalisesti tuotetut kartat • saveen, kiveen kaiverretut uniikit kartat • käsin piirretyt ja väritetyt kartat • metallilevyyn, kiveen kaiverretut paino-originaalit • muovikalvolle tussilla piirretyt, kalvomateriaalille raamusteut originaalit • painetut ja valokopioidut kartat • kartan teko edellytti taitoa ja silmää

4. Digitaalisesta aineistosta kovamateriaalille tulostetut • digitaalisesta aineistosta • tulostetut paino-originaalit perinteistä painoa varten • väritulostetut painettua korvaavat tuotteet • digitaalisella painokoneella tuotetut • erilaisilla numeerisesti ohjatuilla työstölaitteilla tuotetut erityiskartat • esim. näkövammaisten kohokartat • kartat tuotetaan pääasiassa valmisohjelmistoilla – yleensä ammattimaisilla

5. Digitaalisena kuvaruutukarttana esitetyt • stand alone -työaseman kuvaruudulla tai Internetin välityksellä GIS -sovelluksissa kuvaruutukarttana • vektori- tai rasterikarttana • staattisena tai dynaamisena • passiivisena tai interaktiivisena • 2-, 3- tai 4- dimensioisena • kuvaruutukarttoja voi tehdä ”kuka tahansa” ns. desktop mapping -ohjelmistoilla, tulokset laadultaan varsin vaihtelevia

6. Mobiilikartat • mobiilipäätteen kuvaruudulla em. muodoissa kuvaruutukarttana • kannettavan koneen kuvaruudulla • PDA:n näytöllä • puhelimen näytöllä • lisädimensiot • paikannusominaisuus • langattomuus • mobiilikarttoja ohjelmoivat suurelta osalta ei-kartografit

7. Perinteisen kartografian osaamisesta olisi hyötyä... • kuvataan reaalimaailman kohteita, pisteinä, viivoina ja alueina, mahdollisesti kappaleina • koordinaattijärjestelmät ja projektiot • kuvaus on visuaalinen viesti • värit, muodot, koot • merkit, tekstuurit, tekstit • kartan suunnittelutehtävä !

8. Perinteinen kartta kuvaruudulla poikkeaa mobiilikartasta... • painetulla/kuvaruutukartalla • kartta-alue suhteellisen suuri • painotuote/kuvaruutu yleensä hyvätasoinen • käytettävissä tehokas ohjelmisto ja laajat tietokannat • kartan tarkastelutilanne yleensä ”ammattimainen” tai ainakin ”keskittynyt”

9. ...myös tekniikassa ja käyttäjissä • mobiilikartan • kuva-alue on pieni tai erittäin pieni • näytön laatu ei kovin hyvä • käyttötilanne usein nopea, jopa kiireinen, valaistus jne olosuhteet eivät tasalaatuiset • käyttäjät erittäin monenlaisia • city-ihmisestä • vanhuksiin

10. Kartan suunnittelun keskeiset tehtävät • esitettävän tietoaineiston valinta • tietoaineiston prosessointi • kartan ulkoasun suunnittelu • tuotantoprosessin suunnittelu

11. Kartografisen yleistyksen operaatiot • valinta • yksinkertaistaminen • yhteenliittäminen • dimensioiden vähentäminen • ääriviivakuvaus symbolikuvaukseksi • liioittelu • siirto

12. Yleistäminen vai monitasoesitykset • kartta-aineistoja kerätään tietokanoihin tai tiedostoratkaisuihin • samoista aineistoista on tuotettava karttoja useisiin eri mittakaavoihin • teknisesti ei ole mahdollista yleistää läpi kaikkien mittakaavojen • tarvitaan useita eri tasoisia esityksiä

13. Kartan suunnittelun näkökohdat • kartan käyttötarkoitus • kartan käyttäjät ja käyttötilanne • esitettävä tietosisältö • kartan dimensiot • kartan tyyli yleensä • karttakulttuurit, ks. esim. http://www.maporama.com • sovellus, jossa kartta esiintyy

14. kartografinen tietämys on dokumentoitu kartografian oppikirjoissa: • Monmonier,M., How to lie with maps • kartan suunnittelun klassikko • Kraak & Brown, WebCartography • kartografia pähkinänkuoressa • webbitekniikka pähkinänkuoressa

15. 2. Karttatietokantoja ja GIS -järjestelmiä • kartta-aineistot on tallennettu tietokantoihin • ns. karttatietokannat, aineisto tallennettu kartantuotantoa ajatellen • ns. GIS –tietokannat, aineistot tallennettu yleisempää käyttöä ajatellen • kartan voi tuottaa myös GIS–aineistosta • vaatii prosessointia ja interaktiivista työtä

16. Esimerkkejä • ns. maastotietokanta, josta tuotetaan Suomen valtakunnalliset maastokartat • organisoitu tietokannaksi Smallworld –GIS-ohjelmistolla (tietokantapohjainen) • MML; www.nls.fi • Norjan vastaavat maastokartta-aineistot • toteutettu ArcInfo GIS-ohjelmistolla (tiedostopohjainen)

17. Tiedonhallinta GIS-järjestelmien kesto-ongelma • kartta-aineistojen eli sijaintitietojen liittäminen ominaisuustietoaineistoihin • sijainti- ja ominaisuustietojen integroidun käytön mahdollistaminen esimerkiksi analyysejä varten • tunnushaut – esim. nimellä • geometriahaut – esim. asukkaat alueella • topologiahaut – esim. lyhin polku verkossa • vektoritiedon hallinnan ongelma • yhden/usean järjestelmän kesken

18. Perinteiset paikkatieto-ohjelmistoratkaisut • perinteinen GIS –ohjelmisto • suljettu, monoliittinen ”musta laatikko” • yksilöllisiä ratkaisuja tiedonhallintaan • mallinnuksen kannalta varsin hyviä • esimerkiksi topologiset mallit pitkälle kehitettyjä – tällä hetkelläkin käytössä mm. laskennallisen geometrian algoritmeissa käyteyissä tietorakenteissa vrt. DCEL ja DIME tai ArcInfon malli (adjacency)

19. esimerkkejä perinteisistä GIS-tuotteista • ArcInfo - ESRI • coverage+ INFO-kanta, shape • MGE-tuoteperhe - Intergraph • (Mstation) design-tiedostot ja linkki relaatiokantaan, DGN • Mapinfo – Mapinfo Corporation • perustiedostot, mif-tiedostot

20. ArcInfon paikkatiedon-hallinnan periaatteet - esimerkki • jokainen teema, kohdetyyppi esim. tiestö, kuvataan omana coverage-nimisenä kokonaisuutena eli karttatasona • karttataso koostuu pisteistä, viivoista ja alueista • karttataso ylläpitää koordinaattitietojen lisäksi myös kohteiden välisiä topologiatietoja: • muodostuminen (esim. alue muodostuu viivoista) • viereisyys (esim. viivan oik. ja vas. alue) • yhdistävyys (esim. verkon viivat yhdistyvät solm.)

21. Karttatiedon ja ominaisuustiedon linkitys • karttatasot on järjestetty hierarkkisesti ja niitä hallitaan tiedostotyyppisesti • kartta-aineistolle ns. georelationaalinen laajennus, jossa esimerkiksi polygoneille omat taulut edellä kuvatun mukaisesti • ominaisuustiedot INFO-tietokannassa • linkkinä karttakohteiden ja ominaisuutietotalulujen välillä toimii tunnus • staattinen, suljettu ratkaisu, topologiat tallennettu, vain ArcInfo voi lukea

22. Siirtoon ja perustallennukseen- avoin shape -formaatti • käytetään ns. shape –tiedostomuotoa • vaihtuvamittainen tietue, suorasaantitiedosto • kaikkien ESRIn tuotteiden kanssa soveltuva • yksi shape –tiedosto sisältää vain yhtä kohdetyyppiä – piste, viiva,alue • shape ei sisällä topologisia relaatioita • ominaisuustietolinkki indeksitaulun kautta • avoin, dokumentoitu formaatti

23. Perinteisten ratkaisujen etuja ja ongelmia • yleesä varsin tehokkaita kohtuullisella aineistomäärällä ja staattisella sovelluksella • tiedostoja voi käyttää yleensä vain ko. sovellusohjelman kautta, vain yksi yhtäaikainen käyttäjä • monia tiedon esitysmuotoja/formaatteja • monia tiedon konversio-ohjelmia, usein epätäydellisiä • ns. ”pre-open-GIS” välitysformaatteja • SDTS, SAIF, DXF...shape, DGN

24. Relaatiotietokannat paikkatietojärjestelmissä • relaatiotiedonhallintajärjestelmien vakiinuttua yleiseen, kaupallis-hallinnolliseen käyttöön niitä alettiin soveltaa myös GIS-ympäristöön • aluksi räätälöityinä, ei-standardeina ratkaisuina (System9, Gradis) • myöhemmin aitoja relaatiokantoja • relaatiokanta ns. paikkatietomoottorin kanssa • spatiaaliominaisuuksilla varustettu relaatiokanta

25. Relaatiokantojen etuja ja haittoja GIS-ympäristössä • (relaatio)tietokannan yleisiä etuja • relaatiokanta on avoin, kyselyjä voidaan suorittaa erilaisiin sovelluksiin standardikyselykielen avulla • monen käyttäjän yhtäaikaisuus, versiointi,varmuuskopiointi ja tietoturva • relaatiokannan puute - tehottomuus • ei voida tallentaa topologiaa • sijaintitiedon tallennus ns. normaalimuotoon ongelmallista • indeksointimenetelmät eivä tue 2-ulotteista dataa

26. Ratkaisumalli: Paikkatietomoottori • ratkaisu, jossa relaatiotiedonhallinnan puutteet on korvattu tietokantaohjelman yhteydessä käytettävällä sovelluksella • tietokantaa voidaan käyttää myös ilman paikkatietomoottoria • tukee tietokantojen verkkokäyttöä • käytetään standardia relaatiokantaa, mutta huolehditaan topologiasta, tehostetaan hakuja maantieteellisellä indeksoinnilla

27. ESRIn Spatial Data Engine • sijainti- ja ominaisuustiedot tallennettu samaan relaatiokantaan • pistetaulut, viivataulut, aluetaulut • mahdollistaa • tavanomaisten tietokantaominaisuuksien lisäksi • spatiaalisen indeksoinnin, sijaintikyselyt • ns. pitkät transaktiot ja yhtäaikaisen tiedonpäivityksen • OpenGIS standardin mukainen

28. SDE • pystyy toimimaan coverages- tai DBMS –ympäristöisssä • SDEforCoverages, SDEforDBMS • tuetaan coverage- ja shape- tiedostomuotoja • versiot ohjelmistoille Microsoft SQL Server, Oracle, IBM DBDB2, Informix ja Sybase • ominaisuustauluissa ylimääräinen sarake, josta on viittaukset geometrisiin kohteisiin

29. Ratkaisumalli:Oraclen Oracle Spatial • spatiaalisen laajennuksen sisältävä aito oliokeskeinen relaatiotiedonhallintaohjelmisto • spatiaalisesti laajennettu SQL • ei tarvita mitään lisäohjelmistoa spatiaalisen tiedon käsittelyä ja hallintaa varten

30. 3. Paikkatietoalan standardit • tunnetuimmat standardit • ISO ja CEN • laajoja standardointihankkeita • Open GIS Konsortio • GIS –ohjelmistojen tuottajien yhteenliittymä • de facto –standardi GIS –ohjelmistojen rajapinnasta • vastaus GIS –maailman konversio-ongelmaan

31. Open GIS Konsortiowww.opengis.org/techno/guideIntroduction to Interoperable geoprocessing • OpenGIS – yhteiset pelisäännöt avoimeen paikkatietojen hallintaan - interoperability • määritelty sijaintitietojen oliomalli – Simple Features Specification • määritelty rutiinit paikkatieto-olion tallentamiseen, hakemiseen, kyselemiseen ja päivittämiseen SQL-tietokannassa • riippumaton hajauteun laskennanalustasta (CORBA(Common Object Request Broker), OLE/COM, JAVA, C++) • sekä stand-alone että verkkosovelluksiin

32. Simple Features • kohteiden (vektori)geometria koostuu yksinkertaisista ja kootuista (collection) perusprimitiiveistä • kohteisiin liittyy • geometrian määrittely (simple features) • koordinaatit ja referenssijärjestelmä • topologian käsite • käsitteet määritelty täsmällisesti

33. Pistekäsitteet • PISTE (Point) • 0-dimensioinen • PISTEJOUKKO (MultiPoint) • koostuu pisteistä joilla ei järjestystä

34. Erilaiset viivat • KÄYRÄ (Curve) • useimmiten peräkkäisinä pisteinä kuvattu 1-dimensioinen sijaintitietokohde • erilaiset viivat ovat KÄYRÄN erikoistapauksia • yksinkertainen ja suljettu KÄYRÄ on RENGAS (Ring) • KÄYRÄN topologinen määrittely on ”suljettu”

35. JANA (Line), JANAKETJU (LineString), LINEAARINEN RENGAS (LinearRing) • ovat kaikki KÄYRÄN tapauksia • JANA on viiva joka koostuu kahdesta pisteestä • JANAKETJU on KÄYRÄ jossa lineaarinen interpolaatio pisteiden välillä • LINEAARINEN RENGAS on suljettu ja yksinkertainen (ei leikkaa itseään)

36. KÄYRÄJOUKKO (Multicurve) • JANAKETJUJOUKKO (MultiLineString)

37. Alueet • POLYGONI (Polygon) • on tasopinta, jolla on yksi ulkoreuna ja 0 tai useampia sisäreunoja (muodostuu reikiä) • topologisesti ”suljettu” • MONIPOLYGONI (MultiPolygon) • suljettujen käyrien muodostama joukko

38. GML • Geography Markup Language • OpenGIS spesifikaatioiden mukainen • XML koodaus paikkatiedoille • tiedon siirtoa ja tallenusta varten

39. Lähteitä Huttunen,Hannu:Relaatiomalliin pohjautuva oliokeskeinen paikkatiedon hallinta Tampereen kaupungille, TKK, diplomityö, 1999. Hynninen,Jukka: Selvitys relaatiotietokantapohjaiseen paikkatiedonhallintaan siirtymisestä valtion ympäristöhallinnossa, TKK, diplomityö, 2000. Katasonov,A., Intelligent user-centred transmission of geographical data in mobile location-based services, pro gradu, Jyväskylän yliopisto, 2001. Lehto,Lassi, Object-Oriented Techniques for WebTopGIS, TKKlisensiaatintyö, 1998. Nissinen, Ilkka, Rendering geography markuo languagenwith Java 2D API, TKK, diplomityö, 2001. The OpenGIS Guide, Introduction to interoperable geoprocessing.