Geoinformatyka w praktyce: naukowiec UPWr tworzy niezwykły model miasta

• Celem projektu jest opracowanie nowej, wielowymiarowej struktury danych, która umożliwi reprezentację modeli przestrzennych na różnym poziomie szczegółowości
• Potencjalne zastosowanie modelu jest w zasadzie nieograniczone: od analizy zagrożeń powodziowych do zastosowania w tomografii komputerowej

Dr Paweł Bogusławski z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki UPWr na projekt „Nowa wielowymiarowa struktura danych do zmienno-skalowej reprezentacji modelu przestrzennego” otrzymał ponad 490 tys. złotych z Narodowego Centrum Nauki w ramach konkursu OPUS 21. Jak tłumaczy naukowiec, to badania z zakresu geoinformatyki: – Czyli taka informatyka, która jest zorientowana na zagadnienia związane z informacją przestrzenną i geograficzną. Otaczająca nas rzeczywistość jest tu przedstawiana w postaci modeli komputerowych.

Za przykład może posłużyć model miejski, na który składają się m.in.: model terenu, budynki, sieć transportowa, czy różne rodzaje infrastruktury. Wymagają one często dużych zasobów komputera, takich jak pamięć, czy moc obliczeniowa. To niezbędne nie tylko do wizualizacji, czyli graficznego przedstawienia tego modelu na ekranie komputera, ale głównie do przeprowadzenia różnego rodzaju analiz przestrzennych i symulacji.

Prezentacja modeli na różnym poziomie szczegółowości

– A te są oparte nie tylko na geometrii, ale przede wszystkim na relacjach przestrzennych pomiędzy poszczególnymi elementami modelu. Te z kolei zwiększają jego złożoność i wymagają wyszukanych sposobów reprezentacji w pamięci komputera. Ze względu na ograniczenia techniczne konieczne są tutaj pewne uproszczenia. Na przykład trójwymiarowa rzeczywistość jest przedstawiana za pomocą modelu dwuwymiarowego, a budynki opisane są prostymi bryłami bez reprezentacji części wewnętrznej. Dzięki temu możliwe jest przeprowadzenie analiz i symulacji w rozsądnym czasie, niestety, odbywa się to kosztem jakości otrzymanych wyników – wyjaśnia dr Bogusławski.

Celem projektu naukowca z UPWr jest więc opracowanie nowej wielowymiarowej struktury danych, która umożliwi reprezentację modeli przestrzennych na różnym poziomie szczegółowości. Dzięki temu będziemy w stanie przeprowadzić przybliżoną analizę dużego obszaru przedstawionego na niskim poziomie szczegółowości. Jeśli zajdzie taka konieczność, zostanie wykonana dokładna analiza wybranych, mniejszych fragmentów na szczegółowym modelu.

– Nic nie stoi na przeszkodzie, żeby takie podejście zastosować już dziś, bez konieczności wprowadzania nowych rozwiązań. Jednak modele, nawet jeśli posiadają reprezentację na różnym poziomie szczegółowości, nie zawierają jednoznacznych powiązań pomiędzy składowymi elementami na poszczególnych poziomach. Modyfikacja struktury na jednym poziomie nie wpływa na zmiany powiązanych elementów. Nasze rozwiązanie przewiduje wprowadzenie takich mechanizmów, które powiążą te elementy w spójną całość. W tym celu chcemy wykorzystać czwarty wymiar przestrzenny. Z technicznego punktu widzenia nie różni się on od trzech podstawowych służących do reprezentacji modelu trójwymiarowego. Pozwoli jednak na jednoznaczne połączenia i identyfikację takich samych elementów na różnych poziomach reprezentacji, a co za tym idzie na płynne przechodzenie pomiędzy tymi poziomami oraz automatyczną kaskadowość ewentualnych zmian. To zapewni spójność całego modelu – mówi dr Paweł Bogusławski i wyjaśnia, że kolejnym aspektem planowanych zadań jest sposób, w jaki powyższe rozwiązanie zostanie zaimplementowane w pamięci komputera.

Istnieje szereg rozwiązań pozwalających na reprezentację modelu przestrzennego przy wykorzystaniu różnych struktur danych. Przechowują one geometrię i powiązania pomiędzy elementami modelu. Tylko niewielka ich część umożliwia reprezentację czterowymiarową.

Od zagrożeń powodziowych do tomografii komputerowej

– Nasze rozwiązanie to umożliwi. Co więcej, zastosowana koncepcja związana z teorią grafów – dualizm Poincaré – w znaczący sposób wpłynie na uproszczenie podstawowych elementów, z których zbudowany jest model. Co prawda, reprezentacja relacji przestrzennych, czyli połączeń pomiędzy poszczególnymi elementami modelu, będzie skomplikowana, ale opracowane mechanizmy do ich tworzenia i edycji umożliwią prostą i intuicyjną pracę z modelem – podkreśla naukowiec.

W związku z tym, że zaproponowane podejście jest niskopoziomowe (są to operacje na poziomie pamięci komputera), zespół dr. Bogusławskiego planuje przygotowanie prototypu pokazującego użyteczność i możliwości opracowanych rozwiązań. Opracowany zostanie model miasta składający się z cyfrowego modelu terenu oraz budynków przedstawionych na różnych poziomach szczegółowości. Potencjalne zastosowanie tego modelu jest w zasadzie nieograniczone. Analiza zagrożeń powodziowych, wpływ projektowanych budynków na otoczenie, symulacje mobilności mieszkańców na terenie miasta, czy na poziomie poszczególnych budynków, to tylko wybrane przykłady.

– Mamy nadzieję, że wyniki badań znajdą zastosowanie również w innych dyscyplinach niż geoinformatyka, na przykład w tomografii komputerowej, czy grafowych bazach danych – podsumowuje naukowiec.

mm