Doc. RNDr. Jaromír Kolejka, CSc.
Katedra geografie Pedagogické fakulty
Masarykova univerzita
Poříčí 7
603 00 Brno
E - mail: kolejka@ped.muni.cz
The digital landscape model (DLM) is at least the 3D computer generated scheme of a landscape segment presenting its basic structural features in a generalized but integrated form. DLM consists of the digital terrain model, the integrated land attribute database in one layer as a natural landscape map, and the integrated human impacts database in one layer as an multiparameter land use map. DLM simulates a logically integrated database where all territory parameters are mutually ballanced as it is in the reality. This database can be disintegrated into corrected analytic data layers. DLM serves as suitable input into SW models based opn GIS.
Digitální model krajiny (DMK) představuje minimálně trojrozměrné počítačem generované scháma výřezu krajiny prezentující její základní strukturní vlastnosti v generalizované, avšak integrované podobě. DMK krajiny sestává z digitálního modelu reliéfu, atributů krajiny integrovaných do vrstvy jediné v podobě mapy přírodní krajiny a multiparametrické integrované vrstvy antropogenních vlivů na krajinu. DMK simuluje logicky integrovanou databázi, ve které jsou parametry území ve vyváženém vztahu, jak je tomu ve skutečnosti. Tato databáze může být opět rozložena na korigované analytické vrstvy. DMK slouží jako datový vstup do specializovaných SW modelů pracujících na bázi GIS.
Pod pojmem "model" lze v současné v geoinformační literatuře zahrnout téměř vše, od produktů analogových po složité SW balíky. V obecné rovině existují tzv. datové modely. Bez ohledu na svůj původ a obsah tyto "modely" pracují jistým způsobem s prostorovými daty. Až na výjimky, data do modelů vstupují, aniž by bylo zkoumáno, zda tato jsou vůbec reálná, zda jsou opravdu odrazem skutečnosti. Obvykle postačuje, že data na vstupu jsou homogenní z hlediska formátu, měřítka, projekce - tedy integrována podle potřeb "modelů". Stačí takto upravené datové vrstvy na sebe naložit (procedurou overlay) a vstupní podmínky modelu splňují. Je to však dostačující?
Geografické prostředí, má-li být vystiženo alespoň zevrubně, lze popsat prostřednictvím jeho složek, nebo spíše pomocí konkrétních hodnot jednotlivých parametrů přírody, ekonomiky a společnosti, jež se mohou více nebo méně podílet na fungování prostoru či na jeho chování v případě konkrétního vlivu. Sotva lze však předpokládat, že všechny možné vlivy se prostřednictvím svých parametrů relevantně zapojí do každého procesu probíhajícího v prostředí a že proto budou všechny respektovány zmíněnými modely, resp. jejich SW moduly. Jelikož každý model je vždy generalizovaným, zobecněným a zjednodušeným odrazem reality, parametry, které do modelu vstupují, podléhají jak výběru, tak vlastnímu zobecnění. Tyto operace jsou do značné míry subjektivní a tak vliv individua se zákonitě odráží na kvalitě modelů a spolehlivosti jejich výsledků.
Příprava dat na vstup do tématicky zaměřených modelů všech typů stojí poněkud v pozadí pozornosti celého procesu modelování. Pokud se datům věnuje pozornost a nejsou automaticky přebírána z různých databází (především modely americké provenience jsou založeny na datech uložených v národních či regionálních oborových databázích), jde především o stanovení nezbytných datových souborů, jejich kvantitu, někdy rozlišení a způsoby nahrazení v případě absence. Kvalitativní stránka dat zkoumána není a vždy je spoléháno na jejich absolutní vhodnost pro vstup do modelu, případně do předběžného procesu konverze dat na vstup.
Podle míry přípravy dat na vstup do modelů lze rozlišit:
1. Mnohovrstevné základní informační zabezpečení - informační zdroje tohoto typu jsou představovány databázemi, které obsahují digitální mapy těch faktorů prostředí, které tvůrce modelů považoval za relevantní pro řešenou problematiku. Obvykle jde o systematizovanou posloupnost map či tabulek, která má (včetně doprovodného textu) uvést uživatele systému do dané problematiky, seznámit jej s územím, jeho vybranými rysy, vytvořit prostorovou představu o těch parametrech či objektech v území, které jsou důležité (z hlediska tvůrce) pro dungování modelu. Digitální datové soubory s expertními pokyny a návody jsou upraveny tak, aby s nimi mohl manipulovat uživatel důkladné kvalifikace v daném oboru. Tíha odpovědnosti za výběr modelu, vstupních dat, jejich hodnocení a rozhodování leží na uživateli. Ten musí "surová" vstupní data upravit, vyhodnotit a případně integrovat do podoby nabídky akceptovatelné modelem. Obvykle se tak děje prostým kombinováním informačních vrstev nakládáním na sebe a vyhledáváním kombinací parametrů pro splnění požadovaných podmínek. Že takto vznikne celá řada nesmyslných kombinací hodnot či parametrů je zřejmé, model však data přijme bez problémů. Jeho výsledky jsou však již od počátku zatíženy nemalou chybou.
2. Mnohovrstevné hodnotící informační zabezpečení - již obsahuje nejen expertem připravené základní podklady a pokyny, jak s nimi naložit, ale také již i jejich účelově interpretované verze. Uživatel je obvykle ne-expertem jak v oblasti výpočetní techniky, tak v dané problémové odbornosti. Spíše mu přísluší výkonná (administrativní) řídící a realizační úloha v nápravných opatřeních. Systémy tohoto typu prezentují logické řady odvozených elektronických (digitálních) map nejrůznějších měr vhodnosti, resp. ohrožení území. Uživatel má usnadněnou práci v tom, že nemusí pracovat se "surovými" daty, nýbrž s daty vhodným způsobem předpřipravenými. Chybí jim však totéž, co v předchozím případě, jsou integrována jen formálně (technicky), při vzájemném naložení na sebe budou opět vytvářet nesmyslné kombinace, byť z upravených údajů.
3. Vícevrstevné integrované informační zabezpečení - vycházejí ze znalosti souvislostí mezi relevantními proměnnými. Tato znalost umožňuje jejich vzájemné zesouladění předtím, než vstoupí, ať již individuálně, společně či pouze výběrově do tématického modelu. Data jsou logicky integrována manuálně, semiautomaticky či plně automaticky procedurou, která kontroluje vznik kombinací parametrů z na sebe naložených informačních vrstev a vylučuje nesmyslné kombinace, resp. opravuje je na přijatelnou míru. Opravy jsou provedeny fixně a nové individuální datové vrstvy, na které lze integrovanou vrstvu rozložit, jsou sice vzájemně kompatibilní, ovšem díky použité proceduře mohou být chyby v originále jedné vrstvy "bona fide" přeneseny do vrstev dalších a ty z původně správné podoby změněny na chybnou. Uživatel v každém případě musí disponovat širokými poznatky o mnohoodvětvové problematice, aby mohl logickou integraci provést, nebo tuto proceduru svěřit specialistovi. Integrovaná vrstva je v podstatě digitální krajinnou mapou (přírodní nebo současné krajiny).
4. Flexibilní integrované datové zabezpečení - vychází sice ze znalosti vztahů mezi proměnnými, ale tyto vztahy jsou považovány za volnější, čili statisticky a pravděpodobnostně popsatelné. Pevná integrace jednotlivých datových vrstev navzájem není potřebná, vyjma vyloučení nelogických či reálně nemožných kombinací proměnných. Data nabízejí více možností v kombinování proměnných a tím větší variabilitu zpracování do podoby variant a alternativ, mj. použitím fuzzy statistiky. Mezi databázi, operační GIS a vlastní tématický model-modul je tak ještě vkládána procedura pro fuzzy zpracování a přípravu dat na vstup do modelu. Tímto postupem je nejčastěji předpovídán vývoj relativně velmi dynamických přírodních jevů a havárií v ovzduší a ve vodě. Je-li procedura logické integrace formalizována a naprogramována, může ji provádět i neodborník. Teprve pak data vstupují do vlastního modelu. Kolik je variant datové integrace, tolik může být odlišných produktů modelu.
Integrace analytických dat a jejich prezentace až po vstup do dalších zpracovatelských procedur, např. do tématických modelů-modulů je otázkou konstrukce a využití digitálního modelu krajiny (DMK).
"Digitálním modelem krajiny rozumíme minimálně třírozměrné, počítačem generované schéma vybraného segmentu krajinné sféry zachycující ve zjednodušené, avšak integrované podobě jeho základní strukturní a v dalším rozměru také dynamické rysy. Manipulace s tímto modelem se děje na základě pokynů uživatele integrované databázi prostřednictvím poznatkové základny, která pak může řídit tvorbu sekvence situací i bez zásahu uživatele až po dosažení předem definovaného stavu. První tři rozměry modelu (prostorové souřadnice) popisují strukturní aspekt modelu, zatímco čtvrtý rozměr podchycuje aspekt časový. Model je tvořen integrovanými vrstvami geografické informace a expertním systémem (poznatkovou základnou) pro manipulaci s ním."
Mimo specializovaných účelových doplňků, je databáze digitálního modelu krajiny tvořena třemi základními vrstvami dat (obr. 1):
1. tzv. "nadpovrchovými" daty, reprezentovanými vzájemně integrovanými údaji o následujících složkách přírodního geosystému a jeho antropogenní nadstavbě: klima (energie), vodstvo (vlhkostní poměry), vegetace, případně aktuální či historické využití ploch,
2. tzv. "povrchovými" daty, představovanými informací o reliéfu, v podstatě digitálním modelem reliéfu, umožňujícím nejrůznější morfometrické operace, rotace a změny pohledu,
3. tzv. "podpovrchovými" daty, zastoupenými informací o půdním pokryvu, zvětralinovém a sedimentárním plášti (o zeminách) a o horninové geologické struktuře, případně o parametrech podpovrchové vody.
"Nadpovrchové" a "podpovrchové" údaje jsou vzájemně integrovány jak v těchto "vrstvách", tak i mezi vrstvami navzájem, jak je tomu v reálné krajině (nikoliv tedy jen na sobě mechanicky naskládány).
Obr. č. 1 Schéma digitálního modelu krajiny
Podle účelu modelování v krajině mohou být tyto vrstvy doplněny o další potřebné informace, avšak před použitím musí být i tyto integrovány se základními strukturními údaji o geosystémech nacházejících se v modelovaném segmentu krajiny. "Kostrou" digitálního modelu krajiny je digitální model terénu (DMT), který je "nosnou plochou", na které (nebo nad/pod kterou) probíhá simulace dynamických jevů (např. odtoku, znečistění, vzdušného proudění, morfogenetických pochodů, letu, atd. - Voženílek, 1996).
Základní procedurou konstrukce DMK je integrace analytických (komponentních) dat. V případě dat o atributech jednotlivých složek přírody (geologie, půdy, vláha, klima,...) nutno předpokládat, že naložením těchto souborů na sebe vznikne určité množství nereálných kombinací parametrů integrovaných proměnných. Problém lze řešit nasazením statistického vyhodnocení naložených a propojených individuálních informačních vrstev v GIS (Kolejka, 2000). Klíčovým momentem integrace je vyloučení nesmyslných kombinací parametrů jednotlivých analytických vrstev. Procedury OVERLAY a JOIN v ArcView slouží k přípravě multiparametrického statistického souboru. Nejlépe se pro tyto účely osvědčuje vstup vytvořeného DBF souboru do MS Excel, v němž lze provést základní matematické operace vedoucí ke zjištění:
Soubor kombinací parametrů vstupuje do klasifikační procedury, např. do vlastního klasifikačního programu nebo do komerčně dostupné clusterové analýzy (obr. 2), přičemž plošné zastoupení kombinací v území je kritériem (vahou) při vytváření jader shluků. Principiálně jde o to, aby se plošně málo zastoupené a tím pravděpodobně "nelogické" kombinace připojily k typickým, tj. hojně plošně zastoupeným, pravděpodobně správným kombinacích sledovaných parametrů. Vliv subjektu zpracovatele zde musí zasáhnout alespoň minimálně do vlastního zpracování tím, že vyhledá tu "nelogickou" kombinaci parametrů, která má největší zastoupení v území, a rovněž tu "správnou" kombinaci parametrů, která je naopak zastoupena nejméně. Na základě srovnávacího posouzení je třeba rozhodnout o kvantitativním kritériu, kdy již málo zastoupené soubory budou připojovány k větším, nebo naopak od jaké úrovně se soubor může stát zárodkem shluku. V každém případě po spuštění této "kvazi"neřízené klasifikace vzniknou již po prvním kroku shluky, v nichž všechny odlišné souřadnice (bez ohledu na kterou - tj. proměnnou popisující jen jeden parametr přírody) jsou modifikovány podle souřadnice v daném shluku nejčetnější. Tím dojde k vnitřní kvalitativní homogenizaci shluku. "Opravené souřadnice" jsou ponechány u původního územního segmentu (polygonu nebo pixelu) a vloženy do souboru DBF. Při prezentaci dat v mapové podobě dochází k očekávané redukci v počtu typů polygonů (podle nového počtu kombinací). Problém sousedství areálů se stejným obsahem se řeší jejich "slitím" procedurálním odstraněním hranice mezi nimi.
Obr. č. 2 Vektory jako popisné charakteristiky kombinací parametrů integrovaných datových vrstev
Jistý problém nastává, jestliže "nelogické" kombinace parametrů nejsou odstraněny po prvním kroku shlukování, tj. minimálně dvě souřadnice ve vektoru popisujícím polygon nejsou "logické". Tato otázka je v současné době experimentálně testována využitím fuzzy statistiky. Zkušenosti jsou však optimistické v tomu, že takových problémových kombinací je velmi málo (záleží na množství vstupujících analytických vrstev do procesu integrace).
Obr. č. 3 Ukázka krajinné mapy jako integrované vrstvy parametrů přírody
Výchozí informační vrstvy v podstatě zanikají (pokud je nearchivujeme z různých důvodů) vznikem integrované datové vrstvy ("krajinné mapy"), v níž jsou již jen logické kombinace parametrů, jak je tomu ve skutečnosti (obr. 3). Podle potřeby lze tuto integrovanou vrstvu rozložit na analytické vrstvy, které však oproti původním již nesou provedené korektury (obr. 4a, b, c, d, e). Takto upravená data lze generalizovat nebo naopak diferencovat vkládáním dalších proměnných a jejich integrováním obdobnou cestou s již vytvořeným integrovaným souborem. Jako příklad mohou sloužit vrstvy odvozené z digitálního modelu reliéfu. Takto integrované údaje pak mohou vstupovat do uvedených problémově orientovaných modelů-modulů a podstatně zkvalitňovat jejich výsledky.
Obr. č. 4 Integrovaná vrstva rozložená na korigované analytické datové soubory
V případě statického modelování lze digitální model krajiny pouze prezentovat v úpravě 3D (obr. 5). Ačkoliv nelze plně znázornit veškerý jeho obsah (po částech ovšem lze jednotlivé vrstvy nakládat na DMR), lze si takto alespoň učinit základní představu o charakteru slícovaných informačních vrstev.
Obr. č. 5 Statická prezentace DMK jako integrované databáze
Nejčastějšími produkty modelování pomocí GIS jsou rychlé, řekněme dramatické pochody v prostředí (např. eroze půdy, znečistění vody a vzduchu, geologického či hydrogeologického prostředí, postup požáru nebo povodňové vlny, havárie aj. situace v distribuční či dopravní síti apod.). Jednotlivé modely-moduly jsou obvykle rozpracovány jako samostatné SW balíky připojované účelově ke GIS. Většinou fungují tak, že na bázi pevně zadaných vstupních parametrů sestaví jednoznačný výstupní produkt. Vzhledem k tomu, že jednou z proměnných může být také čas, lze vytvářet také na čase závislé meziprodukty, ty řadit chronologicky za sebou a z jejich posloupnosti tvořit animované sekvence, vizuálně často dobře dokumentující časoprostorový vývoj sledovaného jevu. Na modely lze nahlížet z mnoha aspektů.
Dynamická stránka modelování je zabezpečována použitím expertní poznatkové základny - tedy vlastními SW moduly, pomocí kterých jsou simulovány jednotlivé stavy krajiny či konkrétního pochodu za stanovených podmínek. Chronologické sekvence těchto stavů, vzájemně na sebe navazující, představují animaci sledovaného jevu. Animace může mít také jen podobu zdanlivého pohybu nad nebo v modelu dané krajiny.
Relativně nejlepších zkušeností s prostorovými modely území (krajinnými modely nelze dosavadní příklady nazvat, neboť data v nich nejsou integrována) bylo zatím dosaženo v hydrologickém modelu, ať již se týkalo vlastního odtokového procesu (MacMillan, Furley a Healey, 1993, Flügel, 1995) nebo šíření polutantů ve vodním prostředí (Fedra, 1995, Casanova, Maggi, Maran, Martinoli, 1997, Říha, et al., 1997). V pokročilém stádiu rozpracování je tzv. ekologický bilanční model (Haber, Schaller, 1988), který se snaží postihnout vztahy mezi složkami a prvky krajiny ve vybraném 3D výřezu z krajiny zájmového území z prostorového i časového hlediska pomocí formalizovaných vztahů mezi naloženými informačními vrstvami. Významné praktické využití je očekáváno u digitálních modelů erozního procesu (Šúri, Hofierka, Cebecauer, 1996).
Společným rysem těchto modelů je významná absence kontrolního mechanismu na kvalitu vstupních dat. Zdá se, že tento problém producenty SW GIS či především tvůrce rozmanitých modelů-modulů netrápí, obzvláště při dominanci matematického či technického přístupu k jejich koncipování a konstrukci. Z geografického hlediska je tento problém nepřehlédnutelný. Otázkou je vývoj technologií, které by "vnesly pořádek" do disponibilních dat a vzájemně je zesouladily. Projekt vývoje takového nástroje podporuje GAČR projektem "Digitální model krajiny - perspektivní nástroj věd o Zemi".
Nabízí se netradiční využití principu tvorby DMK, byť z kratografického hlediska problémové. Jsou-li k dispozici analytické vrstvy výrazně odlišných měřítek nebo třeba jen jedna analytická vrstva je výrazně menšího měřítka než ostatní, a k danému úkolu jsou zapotřebí vrstvy shodného rozlišení, přesto lze integrací dospět ke vzniku integrované vrstvy. Procedurou integrace lze dospět ke zvýšení rozlišovací úrovně původně nejslabší vrstvy - k jejímu většímu obsahovému rozrůznění a detailnosti, což je prozatím nedostatečně prověřená metoda "kartografické de-generalizace".