Ograniczenie wpływu zniekształceń archiwalnych map…

Ograniczenie wpływu zniekształceń archiwalnych map topograficznych na wyniki modelowania przemian struktury krajobrazu

Autorzy

kierownik: dr Tomasz Giętkowski (Uniwersytet Kazimierza Wielkiego)
główny wykonawca: dr Maria Zachwatowicz (Uniwersytet Warszawski)

Problem badawczy

Mapy archiwalne są podstawowym źródłem danych historycznych o pokryciu terenu. Niedoskonałe metody pomiarów terenowych, trudne warunki przechowywania papierowych arkuszy czy odmienne od współczesnych zasady redakcji, to tylko niektóre czynniki powodujące, że dawne zbiory kartograficzne obarczone są często znacznymi błędami położenia przedstawionych na nich obiektów. Niesystematyczny rozkład przestrzenny opisanych zniekształceń powoduje, że pomimo stosowania z wykorzystaniem GIS zaawansowanych, wielomianowych transformacji geometrycznych, nie można ich całkowicie usunąć na etapie rektyfikacji podczas nadawania arkuszom georeferencji.

Na podstawie źródeł obarczonych opisanymi wadami, przygotowuje się mapy użytkowania terenu. Podczas badań dynamiki jego zmian, następuje stanów z poszczególnych lat, przez co określić można ich wielkości i kierunki. Wskutek występowania opisanych błędów, część obszarów określonych jako podległe zmianom, zostaje zakwalifikowana w ten sposób wyłącznie w skutek słabej jakości materiałów kartograficznych, co skutkuje zafałszowaniem wyników.

Celem prowadzonych badań było opracowanie procedury umożliwiającej identyfikację i eliminację skutków występowania zniekształceń map archiwalnych.

Metody

Do przeprowadzenia doświadczenia wybrano trzy obszary testowe.

Badania prowadzono dla najpopularniejszych archiwalnych map topograficznych z terenu Polski w skali 1:100 000, należących do następujących serii.

Poszczególne arkusze map zrektyfikowano w oparciu o punkty kontrolne. Zbadano charakter rozprzestrzenienia się błędów pozostałych po rektyfikacji.

Mapy rozkładu przestrzennego RMS otrzymano w wyniku interpolacji wartości przesunięć dla punktów kontrolnych. Te z nich, których semiwariogramy wykazywały samopodobieństwo, interpolowano metodą krigingu, pozostałe metodą odwrotną, ważoną odległością.

Dokonano wekotryzacji treści map archiwlanych w zakresie pokrycia terenu. Poniższa mapa przedstawaia obszar „Bory Tucholskie-ekoton”

Bazując na mierze największej możliwej różnicy położenia pomiędzy tożsamymi obiektami na dwóch mapach oraz relacji między zasięgiem przestrzennym sąsiedztwa, w którym zachodzić będzie rozmywanie i jego siłą, ustalono regułę doboru wielkości terenowej komórki. Mapy pokrycia zapisano w formacie gridowym.

Wykorzystując reguły sąsiedztwa Hagena i autorską propozycję wykładniczej funkcji rozmywania dla każdej komórki porównywanych map usyskano wekotry ich przynależności do klas pokrycia terenu. Poniżej fragment mapy pokrycia terenu pierwotna (po lewej) i rozmyta, dla obszaru Pińczów w roku 1839, przedstawiony za pomocą kompozycji RGB: kanał R (czerwony) – lasy, kanał G (zielony) – łąki , kanał B (niebieski ) – inne.

W kolejnym kroku wektory przynależności odpowiadających sobie przestrzennie na porównywanych mapach komórek zostały porównane. Siłę ich podobieństwa opisano miarą Wiliammsa-Steele’a. Uzyskano w ten sposób mapę podobieństwa rozmytych map pokrycia, gdzie 1 oznacza całkowitą zgodność, a 0 jej brak.

Zaproponowano koncepcję Przedziału Nieufności Ogólnej, jako przedziału pomiędzy pewnością zmiany (0) lub podobieństwa (1). Znajdujące się w nim obszary (w istocie rozmyte wektory przynależności komórek na porównywanych mapach) różnią się za mało, żeby powiedzieć, że zaszła zmiana a jednocześnie nie są aż tak podobne, aby powiedzieć, że pokrycie terenu pozostało bez zmian. Dla poszczególnych zbiorów map ustalono parametry funkcji, opisujących górną i dolną granicę PNO w relacji do RMS.

Stworzono mapy decyzji wynikowych, na kórych określono zasięg obszarów leżących w obrębie PNO.

Obszary objęte ramkami A i B charakteryzują się dużymi błędami RMS i dużą powierzchnią niepewności. Z kolei ramki C i D obejmują obszary o niskich wartościach błędu, zatem i wąskim przedziale PNO.

Poddając porównaniom wyłącznie obszary leżące poza PNO, przygotowano macierze przejść. W porównaniu z macierzami tworzonymi z bezpośrednich porównań „komórka po komórce” zauważono szczególnie duże różnice w wartościach dla marginalnych klas pokrycia terenu (łąki, mokradła, wody). Przedstawia je tabela poniżej. Wartości ujemne wskazują na spadek prawdopodobieństwa przejść w macierzy, które zapisane zostało w procentach.

Podsumowanie

Wyniki doświadczeń wskazują, że wartości korekty mogą być istotne i wnosić poważne zmiany w opisie przemian krajobrazu. Szczególną rolę pełnią te procedury w przypadku, gdy analizy przebiegają na mapach wieloklasowych na obszarach, gdzie powierzchnia klas nie ulega dużym zmianom, występują klasy marginalne i jednocześnie zachodzą znaczne różnice w strukturze przestrzennej krajobrazu.

LandCell

W ramach projektu, przygotowany został program komputerowy służący do wykrywania ilościowych zmian pokrycia terenu w procesie porównywania obrazów rastrowych, którego algorytmy zostały przetestowane na dużej ilości danych.
więcej o programie