Γεω-οπτικοποίηση και ζητήματα κλίμακας: εύρεση και συνδυασμός κλιμάκων με ανάπτυξη υπολογιστικών μεθόδων και γεωπληροφορικής

Abstract

In our days digital technology has pervaded cartography as the cartographic design and production processes ore entirely digital. The increasing power of the information technology permits geo-scientists and more specific geographers and cartographers to create more accurate and detailed geovisualizations at different scales. Mapmaking is on entirely digital process while nearly all map representations ore mode with digital tools. Thus expand the creation of new digital mapping processes. However, many aspects of cartographic design ore still carried out by "manual-digital" workflows. Several attempts have been made to develop algorithmic procedures and software tools in order to help cartographers to tackle specific cartographic problems and to improve the final mopping result. While the design and production of maps, as well as their distribution and visualization are indeed carried out by digital means, many specialized fields of cartography do not yet take full advantage of the potential offered by digital technology and the digital development of the cartographic procedure. While bits and bytes are an important cornerstone of modern cartography, there remain many fields awaiting further digital advancements. Such fields are the automated scale selection and the insetting procedure where expert knowledge in a very specialized field of cartography is required as well as mathematics in order to define and to describe scale relationships. Cartographers are dealing with problems that confront the necessity of designing novel algorithms and cartographic software tools in order to help them. One of the most serious problems faced by mapmakers is that of the selection of the most appropriate cartographic and geographic scale according the needs of the representation, the size of cartographic visualization but also the type of the digital imaging media. Another unique and special cartographic problem that geo-scientists are facing is that of «Land Discontinuity». This problem arises when cartographers want to visualize islands regions with multiple islands of significantly different size and is confronted in the portrayal of island regions where very small islands, and sometimes isolated ones, must be displayed in the main map. In this case these islands are difficult to be represented at the same scale as the main map. Consequently the main map scale sometimes causes small size islands to not be clearly viewed by the map reader or to not be clearly drawn. A clever trick and the most efficient cartographic solution is the creation of an inset map. Hence, this thesis deals with the automation of digital cartography in two areas: a) compiling scale issues with the creation of a mathematic model that help cartographers to the selection of the most appropriate geographical and cartographical scale according the needs of the representation, the size of cartographic visualization but also the type of the digital imaging media and b) implementing all the appropriate computational methods and cartographic techniques for the creation of multiple inset maps in order tackle the problem of the «Complexity of Land Discontinuity». These two areas are addressed with the creation of the 3D Scale Cube and Inset Mapper software tools. 3D Scale Cube is a software tool and a representation model of geographical, cartographical and spatial scales that interacts into Geovisualisation. This software tool has been developed by exploiting the mathematical functions that describe the different scale relationships. These functions help us to approach and to describe scales relationships with the size of visual extend of the visualization. Inset Mapper is a software tool for automated place and scale selection for inset maps that overcomes "Inset Scale and Misplacement Problems'' as well as insetting procedure difficulties. Inset Mapper is developed in MATLAB, along with other pertinent cartographic functionalities. This software tool attempts to emulate the steps a cartographer takes when deciding where to place and in which scale within a map to inset. To meet these requirements, Inset Mapper employs some new strategies of cartographic representation for the inset placement procedure, and for scale selection, in multiple inset maps visualizing island regions. This thesis explores selected aspects of the automated cartography described above, and contributes to the further digitalization of cartography. Its goal is to bring well-proven mathematical representations, computational procedures, design methods and production techniques, as well as new digital ways for selecting scales when creating geovisualizations. The implementation of 3D Scale Cube and Inset Mapper contributes to the integration of cartographic knowledge into software tools that perform automated processes in order to resolve cartographic problems.

Η χρήση των συστημάτων υπολογιστών στη Χαρτογραφία έδωσε ώθηση στη δημιουργία νέων χαρτογραφικών μεθόδων και τεχνικών. Η συνεχώς αυξανόμενη υπολογιστική ισχύς τους επιτρέπει στους γεω-επιστήμονες και πιο συγκεκριμένα στους γεωγράφους και στους χαρτογράφους τη δημιουργία ψηφιακών αναπαραστάσεων του γεωγραφικού χώρου με ιδιαίτερα μεγάλη ακρίβεια καλύπτοντας όλο το εύρος των χαρτογραφικών κλιμάκων. Στις μέρες μας οι χαρτογραφικές εργασίες πραγματοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά με τη χρήση ψηφιακών μέσων, ωστόσο αρκετά μεγάλος αριθμός πολύπλοκων διαδικασιών του χαρτογραφικού σχεδιασμού εξακολουθούν να υλοποιούνται με μη αυτοματοποιημένες ψηφιακές διεργασίες. Προς τη βελτίωση του τελικού χαρτογραφικού αποτελέσματος αλλά και της επίλυσης συγκεκριμένων χαρτογραφικών προβλημάτων έχουν κατασκευαστεί αρκετά χαρτογραφικά λογισμικά και έχουν αναπτυχθεί αρκετοί αλγόριθμοι. Ωστόσο πολλοί εξειδικευμένοι τομείς της Χαρτογραφίας δεν αξιοποιούν πλήρως την ψηφιακή ανάπτυξη και αυτοματοποίηση των χαρτογραφικών μεθόδων. Παράδειγμα αποτελούν η αυτοματοποιημένη επιλογή κλιμάκων και ο χαρτογραφικός σχεδιασμός ένθετων χαρτών. Στις περιπτώσεις αυτές η γνώση εξειδικευμένων χαρτογραφικών κανόνων αλλά και των κατάλληλων μαθηματικών για την περιγραφή και τη συσχέτιση των κλιμάκων είναι υποχρεωτική. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανάγκη δημιουργίας ψηφιακών εργαλείων για την αντιμετώπιση των δυσκολιών που προκύπτουν. Η Χαρτογραφία συχνά καλείται να αντιμετωπίσει προβλήματα για τα οποία η ανάπτυξη ειδικά σχεδιασμένου λογισμικού κρίνεται απαραίτητη. Ένα από τα σημαντικά χαρτογραφικά προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι χαρτογράφοι είναι αυτό της επιλογής της βέλτιστης χαρτογραφικής και γεωγραφικής κλίμακας ανάλογα με το είδος, το μέγεθος της χαρτογραφικής οπτικοποίησης αλλά και το είδος του ψηφιακού μέσου απεικόνισης. Επιπρόσθετα ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα είναι αυτό της «Χωρικής Ασυνέχειας του Γεωγραφικού Χώρου» το οποίο εμφανίζεται λόγω της χωρικής ιδιομορφίας που έχουν τα πραγματικά χαρτογραφικά δεδομένα. Συναντάται κατά κύριο λόγο στις οπτικοποιήσεις της Νησιωτικής Χαρτογραφίας και κυρίως σε απεικονίσεις μικρών ή απομονωμένων νησιών που περιέχονται ή και περιβάλουν την κυρίως περιοχή απεικόνισης. Στην περίπτωση αυτή απαιτείται η κατασκευή ένθετων χαρτών ως ο πιο αποτελεσματικός τρόπος αντιμετώπισης του προβλήματος αυτού αποτελώντας ταυτόχρονα τη βέλτιστη χαρτογραφική προσέγγιση. Στόχος της διατριβής είναι η διερεύνηση και η επίλυση των προβλημάτων: α) επιλογής της αποδοτικότερης χαρτογραφικής και γεωγραφικής κλίμακας σύμφωνα με το μέγεθος της απεικόνισης και το είδος του ψηφιακού μέσου που χρησιμοποιείται και β) της «Χωρικής Ασυνέχειας του Γεωγραφικού Χώρου» με τη χρήση αυτοματοποιημένων διαδικασιών επιλογής της βέλτιστης χαρτογραφικής κλίμακας και θέσης ένθετων χαρτών. Η προσπάθεια διερεύνησης και επίλυσης των προβλημάτων αυτών πραγματοποιήθηκε από τις εφαρμογές 3D Scale Cube και Inset Mapper αντίστοιχα, τα οποία αναπτύχθηκαν ειδικά γι' αυτόν το σκοπό. Το 3D Scale Cube είναι ένα εργαλείο που ενσωματώνει υπολογιστικές μεθόδους οι οποίες κωδικοποιούν τις συσχετίσεις των κλιμάκων της Γεωγραφίας Χαρτογραφική, και Γεωγραφική κλίμακα και της Ανάλυσης (resolution) των δεδομένων με στόχο να βοηθήσουν το χαρτογράφο να επιλέξει τη βέλτιστη χαρτογραφική ή γεωγραφική κλίμακα ανάλογα με το μέγεθος της οπτικοποίησης και το είδος του ψηφιακού μέσου απεικόνισης. Το Inset Mapper αποτέλεσε μια προσπάθεια ανάπτυξης ενός αυτοματοποιημένου εργαλείου που έχει ως στόχο την κωδικοποίηση της χαρτογραφικής γνώσης κατασκευής ένθετων χαρτών σε περιοχές με πρόβλημα «Χωρικής Ασυνέχειας». Έτσι απώτερος σκοπός του είναι να προσπαθήσει να «μιμηθεί» τα στάδια σχεδιασμού και τις αποφάσεις που παίρνει ένας χαρτογράφος όταν σχεδιάζει χαρτογραφικές αναπαραστάσεις που περιέχουν ένθετους χάρτες. Η εφαρμογή αυτή έχει σχεδιαστεί με στόχο να αποτελέσει μια χρήσιμη χαρτογραφική πλατφόρμα επιλογής τόσο της βέλτιστης χαρτογραφικής κλίμακας όσο και της βέλτιστης θέσης πολλαπλών ένθετων χαρτών που απεικονίζουν νησιωτικές περιοχές Οι ερευνητικές συνεισφορές αυτής της διατριβής που πραγματεύτηκε συγκεκριμένα πεδία της αυτοματοποιημένης Χαρτογραφίας, εντοπίζονται στο ότι μπορούν να συμβάλλουν στην αντιμετώπιση των ζητημάτων κλίμακας για πιο αποδοτικές και σωστές χαρτογραφικά απεικονίσεις μέσα από αυτοματοποιημένες διαδικασίες, με τη δημιουργία καλά δοκιμασμένων υπολογιστικών μεθόδων και τεχνικών χαρτογραφικού σχεδιασμού για την κατασκευή ψηφιακών χαρτογραφικών εργαλείων. Με την κατασκευή των 3D Scale Cube και Inset Mapper επιτεύχθηκε η ενσωμάτωση της χαρτογραφικής γνώσης σε εφαρμογές που εκτελούν αυτοματοποιημένες διεργασίες για την επίλυση αμιγώς χαρτογραφικών προβλημάτων.