Kapitola 9 Vizualizace dat a vytváření výstupů

Úloha vizualizace v geografických analýzách se netýká jen map a údajů z DPZ či fotogrammetrie, ale stejně tak se týká např. statistických analýz. Interpretace grafu nebo schématu je efektivnější než interpretace založená na množství čísel, reprezentujících tytéž údaje.

Zpracováváme-li obraz reprezentovaný souborem čísel, hovoříme o digitálním zpracování obrazu (digital image processing - DIP). Výsledek takovéhoto zpracování obrazů je obvykle zobrazován na rastrovém zobrazovacím zařízení, nejčastěji monitoru - displeji. Počátky DIP spadají do 50. let 20. stol. Na vzniku tohoto oboru se podílely klasická optika, teorie signálů, lineární algebra, matematika, informatika, počítačová technika, statistika a rozvoj rastrových zobrazovacích systémů. Digitalizace obrazu sestává ze dvou kroků:

  • vzorkování definičního oboru videosignálu (vizuální signál přenášející informace pomocí záření) na pole elementů - na obrazový rastr,
  • kvantování hodnot jasu z kontinua čísel.

Zjednodušeně lze konstatovat, že spojitý videosignál nahradíme při digitalizaci obrazu maticí čísel.

Vizualizaci můžeme tedy zjednodušeně chápat jako sběr údajů, jejich organizaci, modelování a reprezentaci. Zohledňuje se přitom i lidský faktor. Největší význam ve vztahu ke GIS má oblast chápání (čtení), analýzy a interpretace dat. Grafické reprezentace dat mají formu mapových nebo diagramových reprezentací, které jsou vytvářeny s použitím grafického rozhraní - interface.

9.1 Základy počítačové grafiky

Grafické zpracování dat - počítačová grafika se zabývá počítačově podporovanou vizualizací (alfa)numerických dat, týkajících se libovolných geoobjektů. Hlavní problém počítačové grafiky spočívá v transformaci znakově orientovaných dat na data obrazová - grafická. Základní teorii grafického zobrazení dat vyvinul Bertin, uvedením tzv. grafické sémiologie (syntaxe, sémantiky a pragmatiky). Pro základní elementy dvojrozměrného zobrazování (bod, čáru a plochu) rozlišuje tyto grafické proměnné, které lze modifikovat podle zprostředkované informace: velikost, jas (světlost), vzorek, barva, směr a forma.

Pro lokalizaci grafických primitiv se v počítačové grafice používají různé druhy souřadnicových systémů:

  • systém světových souřadnic (world coordinates),
  • systém normalizovaných souřadnic (normalized device coordinates) - společný pro různé aplikace a zařízení výpočetního systému. Jeho základním prostorem je čtverec 0,1 x 0,1. Je to hardwarově nezávislý systém vhodný především pro účely programování.
  • systém souřadnic zařízení (device coordinates) - vlastní souřadnicový systém každého pracoviště (počítačového systému).

Mimořádnou roli v grafické sémiologii sehrává barva. Používá se různá hloubka barvy neboli barevná diferencovanost:

  • 4bitové zobrazení v 16 barvách - standardní barevná paleta pro jednodušší grafiku,
  • 8bitové zobrazení v 256 barvách - pro náročnější grafiku,
  • 24bitové zobrazení v cca 16,7 mil barvách - pro zobrazení v tzv. pravých barvách (true color).

Pro popis (definici) a generování barev jsou používány především tyto tři základní barevné modely a prostory:

  • RGB model (RedGreenBlue) - je založen na aditivním (přidávacím) míchání třech základních barev (červené, zelené, modré). Při zobrazení na monitoru je každý pixel zobrazován prostřednictvím červené, zelené a modré složky. Barevný prostor RGB lze znázornit jako jednotkovou krychli nebo krychli o délce strany 255. V případě jednotkové krychle podíl (intenzita) každé primární barvy může nabývat hodnot: 0 - žádný podíl až 1 - plný podíl. V případě true color barev se reálný interval (0,1) nahradí množinou celých čísel od 0 do 255.
  • CMY nebo CMYK model (CyanMagentaYellow, resp. CyanMagentaYellowblacK) - je dualitou RGB modelu. Je založen na manipulaci s doplňkovými (komplementárními) barvami - cyan, magenta a žlutou. Doplňková barva k barvě primární vznikne smícháním zbývajících dvou primárních, tj. k červené je doplňková cyan (azurová), která vznikne smícháním modré a zelené, k zelené je to magenta (purpurová) - vznikne smícháním červené a modré a konečně doplňkovou barvou modré je žlutá, která vznikne smícháním červené a zelené. Subtraktivní míchání barev si lze představit jako proces odfiltrovávání bílého viditelného světla žlutým, magenta a cyan filtrem nebo jejich kombinacemi.
  • model HSV (Hue Saturation Value) - někdy je označován také jako IHS - Intensity Hue Saturation - je založen na systému, ve kterém je barevný prostor reprezentován kuželem, který má tři komponenty: barvu (odstín) - hue, nasycení - saturation a hodnotu podílu bílé - value. Hue specifikuje barvu, která je nastavená a nabývá hodnot mezi 0 a 360. Nasycení - saturace hovoří o vzdálenosti, ve které se nachází od neutrální barvy (šedé) - o plnosti barvy. Je-li saturace 0, je barva nenasycená, je-li rovno 100, je barva plně nasycená.

9.2 Vizualizace v prostředí GIS

Proces vizualizace v GIS slouží k převodu dat z digitální formy (databáze GIS) do analogové (člověku čitelné formy – mapy, grafy, tabulky, zprávy). Nejčastěji vytvářený typ výstupu představují mapy. V tomto případě slouží GIS jako prostředek digitální kartografie (Computer Aires Cartography - CAC). Podsystém GIS, sloužící pro tvorbu mapových výstupů, obvykle poskytuje následující nástroje, které lze využít pro automatickou tvorbu map:

  • tvorba tématických map (kartogramů, kartodiagramů apod.),
  • tvorba grafů apod.,
  • využití statistických metod při zpracování hodnot atributových vlastností grafických objektů a jejich následné využití při grafické reprezentaci daného objektu,
  • automatické generování legendy,
  • automatické generování měřítka, směrové růžice, rámu, geografické sítě,
  • prostředky pro automatizaci tvorby symbolů a popisu (anotace).

Vlastní vizualizace dat je uskutečňována dvěma způsoby, odlišujícími se podle použitého hardware:

  • interaktivní vizualizace – monitor – subtraktivní skládání barev (model RGB),
  • neinteraktivní vizualizace – plotter, tiskárna – aditivní skládání barev (model CMYK)

9.2.1 Neinteraktivní vizualizace

Plottery jsou zařízení sloužící pro tvorbu tiskových výstupů na velké formáty (A2 - A0). Velikost výstupů je omezena pouze šířkou. V praxi jsou používány dva druhy plotterů:

  • perové – dnes již téměř nepoužívané – výstup je tvořen pomocí několika per různých barev, která jsou posunována mechanicky. Jsou určeny pro vektorové kresby. Jejich rozlišení se pohybuje kolem desetiny mm. Rozlišujeme dva podtypy:
    • statický – papír se neposouvá, pera se posouvají v horizontálním i vertikálnímsmu
    • posuvný – papír se posouvá vertikálně, pera horizontálně
  • inkoustové – místo per mají tiskovou hlavu, ve které probíhá míchání barev a tisk pomocí různých metod (inkjet, bubblejet), umí tisknout i rastry, jejich rozlišení se pohybuje v rozmezí 360 – 720 dpi.

Způsoby komunikace plotteru se softwarem GIS/CAD:

  • výrobce plotteru dodá ovladač pro plotter přímo pro konkrétní SW GIS/CAD (např. drivery v MicroStation), jejichž nevýhodou je to, že je nelze použít v jiných aplikacích,
  • výrobce dodá ovladač pro plotter pro operační systém, SW GIS/CAD využívá pro tisk služby operačního systému (např. Kokeš, GeoMedia, ArcGIS, ArcView) – nevýhody tohoto způsobu spočívají v tom, že v případě multiplatformního provozu musí být k dispozici ovladače pro všechny operační systémy,
  • výrobce použije některý ze standardů pro popis tiskové stránky a software GIS tento popis umí vytvořit – zřejmě nejvhodnější a nejvíce používaný způsob, který umožňuje většina SW GIS (i MicroStation).

Nejpoužívanější standardy pro popis stránek velkých formátů:

  • HPGL – byl vyvinut speciálně pro perové plottery Hewlett Packard. Slouží k popisu pohybu per po tiskovém prostoru (soubor obsahuje příkazy). Tento typ souboru je určen pouze pro vektorovou grafiku. Jeho výhodou je široká podpora (i ostatními výrobci) – přípona .hp, .hpg
  • HPGL/2 – rozšíření HPGL o další možnosti (rastry, komprese). Byl zaveden spolu s rozšířením inkoustových plotterů – také široce podporován
  • Postskript – jazyk vyvinutý firmou Adobe pro popis stránky, nezávislý na rozlišení výstupního zařízení. Nemusí obsahovat pouze kresbu, nýbrž může obsahovat i definice fontů a další. Existují jeho tři verze – level 1, 2 a 3: level 1 se už prakticky nepoužívá, level 2 je nejrozšířenější (existuje veliké množství zařízení, která jej používají), level 3 je nejlepší (zachování barevných odstínů na různých zařízeních) – není ještě zcela rozšířen. Formát PS je velmi často používán v oblasti desktop publishing (DTP), neboť z jednoho tiskového souboru je možno tisknout jak na laserových tiskárnách (rozlišení 300 dpi), tak i na osvitových jednotkách (rozlišení tisíce dpi). PostScriptové soubory mají obvykle příponu *.ps
  • Encapsulated (zapouzdřený) Postskript – vychází z PostScriptu, nejde však o popis celé stránky, ale pouze jednoho konkrétního obrázku (neobsahuje tedy definice okrajů, zalomení stránek, číslování a další). Soubor EPS je možno vkládat do PS dokumentů a je možné jej importovat do programů určených pro desktop publishing (Quarix X press, Corel a další). Soubory mají příponu *.eps.
  • CGM – Computer Graphics Metafile – ANSI standard pro výměnu 2D rastrové a vektorové grafiky. Mnoho programů určených pro práci s grafikou provádět výstupy do CGM (podobně jako do PS, HPGL), umí CGM importovat a použít v plné šíři (Corel, Word a další). Existují i zásuvné moduly (plugins) například do Netscape, které umí CGM zobrazovat na běžné WWW stránce (CGM používá firma Intergraph ve svém internetovém klientu pod názvem ActiveCGM)
  • WMF/EMF – Windows MetaFile/Enhanced MetaFile – standard pro výměnu dat v prostředí Windows – prakticky každá aplikace pod Windows je umí používat – nevýhoda: není možno je používat v heterogenním prostředí – přípony .wmf, .emf
  • VRML - je grafický formát založený na deklarativním programovacím jazyce, který byl navržen především pro popis trojrozměrných scén obsahujících aktivní i pasivní objekty, použité například v aplikacích virtuální reality. Nejedná se o jediný formát (či jazyk) této kategorie, dnes se například poměrně razantním způsobem prosazuje formát X3D, který lze chápat jako ideového nástupce VRML a v minulosti si prakticky každá firma vytvářející 3D aplikace navrhla vlastní formát, ovšem doposud se z grafických formátů a deklarativních jazyků určených pro popis virtuální reality nejvíce rozšířil právě jazyk VRML.

9.2.2 Tvorba tématických map v prostředí GIS

Jedním ze způsobů, jak může jeden člověk jinému člověku předat nonverbálně informace, je zaznamenat předávanou informaci pomoci obrázku nebo písma. V prostředí geoinformatiky se k předávání informací velmi často používá mapa.

Stejně jako při čtení textu poznáte, že je text dobře čitelný a srozumitelný nebo naopak nesrozumitelný, tak i při čtení mapy můžete zjistit, že obsahu mapy vůbec nerozumíte či zda je pro vás obsah srozumitelný. Při tvorbě mapy je tedy hlavním cílem vytvořit výstup, který bude dobře čitelný a jednoznačně interpretovatelný, samozřejmě s ohledem na typ a účel mapy.

Zatímco by dnes málokdo důvěřoval programu pro automatické generování textu na základě zadaných slov a parametrů textu, a už vůbec by si takový text nedovolil publikovat bez kontroly a úpravy, tak v případě tvorby map mnoha uživatelům vůbec nevadí, že dělají totéž, co je popsáno v příkladu s textem, jen to provádějí s mapou. Mnoho začínajících uživatelů GIS aplikací předpokládá, že když aplikace podporuje tvorbu map, pak stačí jen kliknout na tlačítko „Vytvoř mapu!“ a výsldkem je mapa se vším, co má mapa mít - mapa, kterou bez dalších úprav a nebo jen s minimálním úpravami může publikovat. To však není pravda. Při tvorbě tématických map je třeba dodržovat základní kartografická pravidla.

9.2.2.1 Základní pravidla pro tvorbu tématické mapy

Kartografie, jako obor zabývající se tvorbou map a vším co s mapami, jejich vznikem a užíváním souvisí, má celou řadu ověřených postupů a pravidel pro tvoru různých typů map. Níže jsou uvedena základní pravidla určená pro tvorbu tématických map.

Při tvorbě tématické mapy se uplatňují tzv. základní a nadstavbové kompoziční prvky. Zatímco základní kompoziční prvky musí být v mapě vždy přítomny a je velmi přesně popsáno, jak mají vypadat. Přítomnost nadstavbových kompozičních prvků je dána potřebami konkrétní mapy, která je sestavována.

K základním kompozičním prvkům patří:

  • název mapy,
  • měřítko,
  • legenda,
  • tiráž,
  • mapové pole.

K důležitým nebo často používaným nadstavbovým prvkům tématické mapy patří:

  • směrovka (směrová růžice),
  • textové pole,
  • citace.

Název mapy

Název mapy musí obsahovat, tj. musí být stanoven jednoznačně z hlediska:

  • obsahového - obsahově věcné vymezení, jinak řečeno CO mapa znázorňuje, jaké téma nebo témata jsou mapou vyjádřena?
  • prostorového - prostorové vymezení, jinak řečeno KDE se, to co mapa zachycuje, nachází?
  • časového - pokud je téma mapy časově proměnlivé musí mít mapa i časové určení. Tedy KDY?

např.: MÍRA NEZAMĚSTNANOSTI V OKRESECH ČESKÉ REPUBLIKY V ROCE 2018.

Nadpis se rozděluje na hlavní nadpis a podnadpis. Pro hlavní nadpis se používá velké tiskací bezpatkové písmo. V podnadpisu pak používáme malé tiskací bezpatkové písmo s menším řezem písma než nadpis. Nadpis musí být vyveden největším řezem písma, jde o prvek, který musí být čitelný i z větší vzdálenosti.

Nadpis neobsahuje slova jako například: mapa, plánek apod. (to je zřejmé již z daného výstupu). Dále by se v nadpisu nemělo objevit vyjádření metody jako napřílad: Interpolovaná data, Data měřená GPS, apod. Metodu můžete uvést v tiřáži.

Měřítko

Měřítko je dalším základním prvkem mapy. V digitálních mapách je upřednostňováno grafické měřítko před textovým měřítkem. U měřítka se používá dělení na 10-ky, 100-ky, 1000-ce atd. Popis jednotek grafického měřítka se uvádí zkratkou km, m, mm a to za posledním textovým popiskem grafického měřítka.

Pokud používáte současně měřítko textové i grafické, umisťuje se textové měřítko na opačnou stranu, než jsou umístěny u grafického měřítka popisky. Pokud má měřítko popisky dole, je textové měřítko umístěno nad grafickým měřítkem a naopak. U textového měřítka se používá mezera jako oddělovač tisíců a milionů.

Legenda

U tematických map se nepoužívá nadpis Legenda! Popisky u prvků legendy se uvádí v jednotném čísle. Legenda musí být:

  • úplná – to co je v mapě musí být v legendě;
  • nezávislá (jednoznačná) – v mapě nemohou být dva objekty, jevy se shodným vyjádřením v legendě;
  • uspořádaná – objekty a jevy spolu související jsou v legendě seskupovány do skupin. Dále se legenda uspořádává od nejdůležitějšího k méně důležitému. Soulad legendy s označením v mapě – symbol v legendě musí vypadat naprosto shodně se symbolem použitým v legendě (tvarem a polohou znaků, velikostí, odstíny barvy).
  • srozumitelná – legenda musí být srozumitelná nejen vám, ale i budoucím uživatelům mapy.

Tiráž

Tiráž obsahuje soubor informací o tvorbě mapy. K těmto informacím vždy patří:

* jméno a příjmení autora, autorů mapy. Pro odlišení se zapisuje příjmení velkým tiskacím písmem.
* místo vydání (sestavení) mapy;
* rok vydání (sestavení) mapy;
* kartografické zobrazení, copyright a podkladové zdroje jsou jedny z dalších prvků které se umísťují v tiráži.

Při citování zdroje je potřeba zadat úplnou citaci zdroje, nestačí uvést: „Jako podklad byla použita data z datatabáze z adresy xyz.“ Musíte uvést, kdo data vydal, jejich oficiální název, popřípadě obsah.

Mapové pole

Bez mapového pole nelze mapu sestavit. Zde je nutno dbát na proporční vyváženost mapy. Mapové pole představuje největší část mapy. Snahou ted je využít celou plochu média, pro které je mapa připravována. Nejde zde jen o pravidla co má být a co nemá být, ale také o jistou míru estetického cítění. Příklady kompozic tématické mapy ukazuje obrázek 2.

Kompozice mapy

Kompozice mapy

Směrovka

Jedním z nejdůležitějších nadstavbových kompozičních prvků, které jsou využívány téměř vždy, je směrovka. Udává vždy orientaci ke skutečnému severu. Ve dvou případech severku v tématické mapě nemusíme používat:

* zobrazení obecně známého území, například Evropy;
* V mapě je znázorněná síť zeměpisných rovnoběžek a poledníků.

9.2.3 Story Maps

Doporučená literatura a zdroje: