1Pojęcia, teorie i nurty badawcze w kartografii wobec geomatyki i geomediów

1.1. Kartografia, geowizualizacja, geomatyka, geomedia, mapa, klasyfikacje map

Kartografia jest dyscypliną zajmującą się graficznym, komunikacyjnym, percepcyjnym i technologicznym opracowaniem informacji przestrzennej w formie map i innych reprezentacji. W tej definicji widoczne są odniesienia do kluczowego znaczenia znaków graficznych reprezentujących cechy obiektów w przestrzeni geograficznej. Komunikacja w kartografii oznacza komunikowanie się twórcy mapy z odbiorcą przez obraz przestrzeni geograficznej. Natomiast percepcja wiąże się z procesem odbioru znaków kartograficznych przez użytkowników map. Ostatni przymiotnik dotyczy technologii opracowania, które wraz z szybkim rozwojem informatyki i technologii informacyjnych zdecydowanie determinują stan i rozwój zarówno naukowej, jak i użytkowej kartografii. Rycina 1.1 ukazuje miejsce kartografii i jej tematów badawczych w odniesieniu do innych dyscyplin, co wskazuje na interdyscyplinarną naturę jej badań oraz wysoki stopień adaptacji do aktualnych nurtów naukowych i technologicznych.

Tradycyjnie najbliższa kartografii jest geografia, ale kartografia nie jest jej częścią, ponieważ posiada własne metody badań i koncepcje teoretyczne, a wyodrębniła się jako oddzielna dyscyplina naukowa w latach 20. XX wieku (G. Papay 2018). Na rycinie 1.1 bezpośrednio przy kartografii widzimy trzy główne działy geografii: geografię fizyczną, geografię społeczno-ekonomiczną i teorię informacji geograficznej (GIScience), które warunkują komplementarny rozwój badań kartograficznych. Natomiast umieszczenie w bezpośrednim sąsiedztwie nurtu geomedia i dyscypliny geomatyka wskazuje na usytuowanie naukowo-artystyczno-techniczne kartografii w niniejszej monografii. Geomatyka mieści się między kartografią, informatyką, sztukami wizualnymi, fotogrametrią, teledetekcją i geodezją oraz topografią. Termin topografia nie jest napisany dużymi literami, ponieważ nie jest ona oddzielną dyscypliną, ale działem łączącym kartografię, fotogrametrię i geodezję. Topografii, ze względu na ogromną rolę w kartografii, został poświęcony rozdział 3 w niniejszej książce. Na rycinie 1.1 uwzględniono terminologię polską, która dziś jest często tłumaczeniem oryginalnych angielskich określeń, dlatego kursywą dodano angielskie pojęcia. Po stronie geomediów widzimy sąsiedztwo geografii społeczno-ekonomicznej, statystyki, socjologii, psychologii i historii, z których zaadaptowano metody badawcze w kartografii. Natomiast wzrost znaczenia mediów społecznych uwidacznia medioznawstwo sąsiadujące ze sztukami wizualnymi i kieruje nas do kartografii gamingowej, której także poświecono oddzielny podrozdział 9.3. Ważny jest rozwój imersyjnego geowizualizowania i mapowania wirtulanego opisanego w rozdziale 9.

Ryc. 1.1. Usytuowanie kartografii wobec innych dyscyplin, działy, nurty badawcze, pojęcia we współczesnej kartografii

Naukowe podstawy kartografii wiążą się z bogatą tradycją tej dyscypliny i z wykorzystywaniem wiedzy kartograficznej we wszystkich dziedzinach zajmujących się informacją przestrzenną. Ścisły związek z kartografią ma geomatyką ze względu na konieczność kompleksowych działań w standardach informatycznych i prawnych, gdzie wizualizacja danych ma znaczenie podstawowe (por. podrozdz. 4.1 i 5.4). Geomatyka jest dyscypliną zajmującą się pozyskiwaniem, modelowaniem, zarządzaniem danymi przestrzennymi w zdefiniowanych układach współrzędnych oraz wizualizacją informacji przestrzennej i utrzymywaniem systemów informacji geograficznej. Geomatykę można uważać za dyscyplinę przekrojową, która w sposób komplementarny łączy geodezję, teledetekcję, informatykę, kartografię, grafikę komputerową, ale też czerpiącą z nauk geograficznych i innych związanych z badaniem środowiska. Przysłówek "geomatycznie", określający podejście do kartografii w tytule tej książki, wskazuje na pierwsze główne sprofilowanie rozważań, natomiast przysłówek "geomedialnie" ukierunkowuje treść książki na medialne sposoby i graficzne środki przekazu informacji o przestrzeni we współczesnej kartografii.

Kartografia zajmuje się obrazowymi reprezentacjami przestrzeni, zatem można wskazać media, jakimi można posłużyć się w przekazywaniu informacji geograficznej: tekst, fotografia, grafika, animacja, wideo, gry komputerowe, wirtualna rzeczywistość i inne. Geomedia są środkami przekazu informacji o przestrzeni geograficznej, które twórca wykorzystuje oddzielnie lub wspólnie do jej przekazania odbiorcy według doboru cech statycznych lub interaktywnych oraz właściwości indywidualnych, społecznych lub masowych tych mediów (więcej w rozdziale 8). Dlatego na rycinie 1.1 geomedia są otwarciem kartografii na interdyscyplinarne tematy badawcze i aplikacyjne w obszarach sztuk wizualnych, medioznawstwa, socjologii i psychologii. Z jednej strony można mówić o wizualizacji przestrzeni geograficznej za pomocą różnych środków wizualnych na nośnikach medialnych tradycyjnych, takich jak np. drukowane i monitorowe mapy, oraz na nowych (internetowe multimedialne serwisy mapowe, mobilne systemy wizualne i nawigacyjne). Natomiast z drugiej strony mamy do czynienia z masowym charakterem przekazu informacji w mediach społecznych oraz w zindywidualizowanych grupach przebywających we własnych przestrzeniach (imersyjne geowizualizowanie, strategiczne gry w wirtualnych przestrzeniach).

Obecne rozszerzenie pola działań kartografii na różne media stwarza znacznie większe możliwości dla wszechobecności map przy zachowaniu aktualności tradycyjnego pojęcia mapy. Mapa jest graficznym, określonym matematycznie modelem rzeczywistości odniesionym do płaszczyzny zgodnie z przyjętą skalą, reprezentującym za pomocą znaków cechy obiektów i związki przestrzenne między nimi. Klasyczna mapa w ujęciu geometrycznym jest prostopadłym rzutem na zdefiniowaną poziomą powierzchnię odniesienia w zmniejszeniu określonym skalą. Obserwator nie postrzega elementów na mapie zgodnie z naturalnym widzeniem rzeczywistości z perspektywy centralnej, ale widzi wszystkie elementy równolegle, czyli oko znajduje się nad każdym punktem mapy (ryc. 1.2). Grafika mapy jest tylko pozornie "płaska", ponieważ składa się z warstw graficznych mapy, których kolejność od najwyższej do najniższej odgrywa zasadniczą rolę w projektowaniu obrazu kartograficznego. Najwyżej umieszczoną warstwą jest siatka kartograficzna, a najniższą tło mapy. Droga jest w wyższej warstwie niż rzeka i dlatego rzeka z niższej warstwy zachowuje ciągłość linii. Sygnatura leśniczówki znajduje się na wyższym poziomie niż powierzchnia lasu, ponieważ sygnatury punktowe zawsze znajdują się nad sygnaturami powierzchniowymi.

Ryc. 1.2. Mapa w ujęciu geometrycznym, warstwy graficzne mapy

Mapy można klasyfikować ze względu na: zakres treści kartograficznej, skalę mapy, metodę mapowania, sposób reprezentacji danych i publikacji (ryc. 1.3). Według kryterium treści mapy dzieli się na dwie zasadnicze grupy: mapy ogólnogeograficzne i mapy tematyczne. Podział map ogólnogeograficznych, zwanych też referencyjnymi, wiąże się z klasyfikacją map według skali. Do map wielkoskalowych zaliczamy mapy geodezyjne do skali 1:5000 oraz plany miast i mapy topograficzne do 1:25 000. Mapy średnioskalowe obejmują skale od 1:50 000 do 1:200 000, natomiast mapy małoskalowe są w skalach mniejszych od 1:200 000 aż do skal z milionowymi mianownikami.

Mapy tematyczne, reprezentujące rozmieszczenie wybranych obiektów i zjawisk określonych w temacie mapy, można podzielić na mapy fizycznogeograficzne i mapy społeczno-gospodarcze. Mapy fizycznogeograficzne są nazywane również mapami przyrodniczymi, a ich tematem stają się komponenty jednej lub kilku sfer środowiska przyrodniczego. Do map fizycznogeograficznych zalicza się mapy: geologiczne, geomorfologiczne, gleb, hydrograficzne, klimatyczne, biogeograficzne, środowiska przyrodniczego oraz pokrycia i użytkowania terenu (W. Żyszkowska, W. Spallek, D. Borowicz 2012). Mapy społeczne obejmują mapy: ludnościowe, osadnictwa, zagadnień społecznych i społecznej organizacji przestrzeni. Do map gospodarczych natomiast zalicza się mapy: rolnictwa, przemysłu i budownictwa, usług i ogólnogospodarcze. Mapy tematyczne są też utożsamiane z mapami statystycznymi, na których do prezentacji danych statystycznych zastosowano odpowiednie metody mapowania (por. rozdz. 6). Można wobec tego dzielić mapy tematyczne również według metody mapowania na: kartogram, kartodiagram, mapy izoliniowe, mapy kropkowe itd. Mapy statystyczne są nośnikiem przede wszystkim informacji ilościowej (J. Mościbroda 1999).

Ze względu na sposób prezentacji danych przestrzennych wyróżnia się mapy trwałe i mapy wirtualne. Mapa trwała, zwana też permanentną lub materialną, jest graficzną postacią prezentacji danych przestrzennych na stałych nośnikach materialnych, takich jak wydruk i rysunek na papierze lub inny sposób trwałej publikacji materialnej, np. mapa foliowa, metalowa, tyflomapa (ryc. 1.3). Mapa wirtualna jest mapą bez trwałego materialnego stanu, a jej przykładami są mapy cyfrowa, kognitywna, ekranowa (wyświetlana na monitorze lub na urządzeniu mobilnym). Mapa cyfrowa posiada zapis cyfrowy obsługiwany na wyświetlaczach i może mieć postać rastrową, wektorową, kodu lub bazy danych. Mapa cyfrowa jest modelem przestrzeni geograficznej zapisanym w postaci cyfrowej zachowującym informację o położeniu i cechach obiektów. Ze względu na sposób cyfrowego zapisu graficznej cyfrowej reprezentacji można wyróżnić mapę wektorową, mapę rastrową, mapę zakodowaną, mapę w bazie danych przestrzennych. Mapa wektorowa jest dwuwymiarowym modelem przestrzeni geograficznej zapisanym w postaci zbioru obiektów geometrycznych: punktów, linii i powierzchni z ich cechami przyporządkowanymi im symbolami graficznymi (por. podrozdz. 5.1). Mapa rastrowa, nazywana też mapą obrazową, jest cyfrowym modelem przestrzeni geograficznej zapisanym w postaci dwuwymiarowej siatki pikseli z cechami przyporządkowanymi każdemu pikselowi (por. podrozdz. 5.1). Wśród innych kryteriów można wymienić mapy ze względu na poziom interaktywności: statyczne, internetowe, multimedialne i animowane. Według kryterium przeznaczenia, czyli potrzeb społeczeństwa, można wskazać: ogólnospołeczne, eksperckie, prywatne, urzędowe i szkolne. Natomiast ze względu na specyfikę treści można wymienić: dydaktyczne, naukowe, planistyczne, dokumentacyjne, nawigacyjne, reklamowe i turystyczne.

Ryc. 1.3. Klasyfikacja map z przykładami

W kartografii można wskazać mapy o znaczeniu epokowym mające fundamentalny wpływ na zrozumienie przestrzeni geograficznej oraz na jej odpowiednie użytkowanie (C.W. Withers 2009).

Rycina 1.4 ukazuje pierwszą profesjonalną i szeroko rozpowszechnioną mapę Europy A. Orteliusa, która znalazła się w pierwszym atlasie z roku 1570 i wielu następnych jego wydaniach. Technologia miedziorytu umożliwiła publikowanie map o bardzo wysokiej jakości grafiki czarnej kreski, linii i kropki, które stanowiły podstawę graficznych środków wyrazu (B. Medyńska-Gulij 2013). Wtórne kolorowanie papierowego arkusza wydrukowanego z blachy miedzianej miało na celu zwrócenie uwagi klientów komercyjnych. Tylko raz w historii światowej kartografii istniał stuletni okres (1570-1673), podczas którego cztery rodzinne wydawnictwa skupiały w jednym kraju światową produkcję map ze stosunkowo spójnymi zasadami projektowania map ogólnogeograficznych.

Ryc. 1.4. Mapa Europy A. Orteliusa z 1570 roku

Mapa świata G. Merkatora widoczna na rycinie 1.5 została wydrukowana w 1569 roku na 18 arkuszach w odwzorowaniu walcowym, które do dziś jest znane jako odwzorowanie Merkatora i stosowane w globalnych serwisach mapowych. U dołu umieszczono opis sposobu pomiaru linii na tej mapie, wskazówki posługiwania się kierunkami wiatrów i rozwiązywania zadań nawigacyjnych. Największą zaletą tego odwzorowania, które zrewolucjonizowało nawigację morską, jest możliwość posługiwania się odległościami loksodromicznymi ze stałym azymutem rysowanymi i odczytywanymi przez żeglarzy (por. ryc. 2.27 oraz 2.30).

Ryc. 1.5. Mapa świata G. Merkatora z 1569 roku (Carta do Mundo de Mercator)

Jedną z map, w niewiele zmienionym stylu graficznym od drugiej połowy XIX wieku, jest mapa fizyczna z barwami hipsomertycznymi, którą możemy zaliczyć do map ogólnogeograficznych małoskalowych reprezentujących najczęściej kraje lub kontynenty. Rycina 1.6 ukazuje klasyczną mapę hipsometryczną Europy z atlasu Debesa, której graficzna forma stała się kanonem map zamieszczanych w atlasach szkolnych od 1881 roku. Wysoki poziom edytorski mapy uzyskano dzięki technologii chromolitografii, która umożliwiła dostęp społeczeństwa do kolorowych map w atlasach szkolnych (W. Spallek 2018).

Ikonicznym przykładem mapy tematycznej statystycznej jest mapa figuratywna Ch. Minarda z 1869 roku ukazująca kampanię Napoleona na Moskwę z lat 1812 i 1813. Ta sugestywna wizualizacja łączy: metodę kartodiagramu wstęgowego dla ukazania geograficznej trasy marszu z liczbą żołnierzy i lokalizacją miast, wykres temperatury oraz objaśniający tekst. Zmniejszająca się szerokość wstęgi kartodiagramu reprezentuje postępującą redukcję liczby żołnierzy armii Napoleona od 422 000 do 10 000. Taki dobór środków kartograficznych, graficznych i tekstowych uwidacznia wpływ niskich temperatur na kurczenie się liczby żołnierzy. Podziałka liniowa wskazuje na zdecydowanie kartograficzny charakter tej wizualizacji.

Ryc. 1.6. Mapa Europy E. Debesa z atlasu szkolnego wydawnictwa Wagner & Debes z Lipska, z 1886 roku

Przykładem wyjątkowej kartograficznej grafiki jest mapa metra londyńskiego zaprojektowana przez H. Becka w 1933 roku, ponieważ do dziś jest ona adaptowana do wszystkich map komunikacji publicznej. Jest to bardzo prosta do odczytania schematyczna mapa sieci metra, gdzie linie otrzymały poziomy, pionowy lub ukośny przebieg tylko z przybliżonym geograficznym odniesieniem bez zachowania rzeczywistych odległości. Pasażer odczytuje szybko nazwy przystanków, ich wzajemną lokalizację, linie metra i możliwości przesiadek na inne linie.

Ryc. 1.7. Mapa figuratywna Ch. Minarda z 1869 roku Carte figurative des pertes successives en hommes de l'Armee Française dans la campagne de Russie 1812-1813

Ryc. 1.8. Mapa londyńskiego metra H. Becka z 1933 roku

Technologie graficzne i możliwości pozyskiwania danych globalnych przyczyniają się do powstawania zjawiskowych map, z których duże wrażenie wywiera na odbiorcy mapa oświetlenia Ziemi w nocy (ryc. 1.9). Jest to połączenie wielu obrazów satelitarnych wykonanych w podczerwieni w 2012 roku przez NASA (National Aeronautics and Space Administration; Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej - agencja rządu Stanów Zjednoczonych). Taka kompilacja blisko 500 000 obrazów satelitarnych ukazująca powierzchnię lądów i oceanów w nocy jest specjalną kartograficzną reprezentacją, ponieważ w rzeczywistości nasz glob jest w każdej chwili w połowie oświetlony przez promienie słoneczne.

Ryc. 1.9. Mapa nocnego oświetlenia Ziemi NASA z 2012 roku, https://eoimages.gsfc.nasa.gov/images/imagerecords/79000/79765/dnb_land_ocean_ice.2012.3600x1800.jpg

1.2. Metodyka kartografii, geowizualizacja, efektywność wizualizacji

Kartograficzna metoda badań jest związana z zastosowaniem map do opisu, analizy i poznania naukowego zjawisk (K. Saliszczew 2003). Podstawą kartograficznej metody badań staje się wykorzystanie mapy jako modelu badanych zjawisk do etapów badań rzeczywistości. Kartograficzna metoda badań obejmuje wiele kolejnych działań, a w odniesieniu do geografii do najpopularniejszych należą kartowanie terenowe, analiza wizualna map, generalizacja kartograficzna i klasyfikacje cech przestrzennych. Kartografia analityczna, zapoczątkowana przez W. Toblera (1959), obejmuje problematykę ilościowych transformacji informacji przestrzennych. Kartografia analityczna jest uznawana za teoretyczną podstawę naukowego podejścia do systemów informacji geograficznej. Natomiast pojęcie geomatycznej metody badań powiązano ze wspomaganiem badań według automatycznego działania na danych przestrzennych (Z. Kozieł 1997). W tej książce omówiony zostanie proces geomatyczny w kontekście uporządkowania ciągu działań cyfrowych na danych przestrzennych w odpowiednich środowiskach obliczeniowo-cyfrowych (podrozdz. 5.4).

Do metod naukowych i technologicznych z innych dyscyplin wykorzystywanych w kartografii można zaliczyć między innymi: matematyczno-geometryczne metody dotyczące zniekształceń i georeferencji; geoinformatyczne struktury danych i tworzenia obiektów, czyli modele danych; semiotyczne i artystyczno-graficzne metody skupiające reguły projektowania map; technologiczne metody dotyczące publikowania map; socjologiczno-psychologiczne metody badań procesów wizualno-kognitywnych (J. Bollmann 2002).

Jedna z najważniejszych teorii w kartografii odnosi się do przekazu informacji przestrzennej, którą jako model rozpowszechnili A. Koláčný (1969) i L. Ratajski (1971). Na rycinie 1.10 zaprezentowano model kartograficznego przekazu informacji przestrzennej przez kartografa (twórcę mapy) użytkownikowi (odbiorcy) mapy. Podstawowe znaczenie w tym modelu ma różnica miedzy rzeczywistą informacją przestrzenną postrzeganą zakodowaną w postaci znaków kartograficznych a informacją otrzymaną przez użytkownika po przeczytaniu i zinterpretowaniu przez niego mapy. W obecnych badaniach nacisk kładzie się na mapę kognitywną, zwaną też wyobrażeniową, czyli tą, która powstaje w umyśle odbiorcy na podstawie procesów percepcyjnych (A. Griffin 2021).

Ryc. 1.10. Model kartograficznego przekazu informacji (inspirowany według A. Koláčný 1969)

Badania nad mapą wyobrażeniową stały się podstawą nurtu kartografii poznawczej (kognitywnej), który zajmuje się psychologicznym badaniem odbioru mapy (D. Edler i in. 2019a). Przedmiotem tych badań staje się mapa mentalna, czyli odręczny szkic elementów przestrzeni geograficznej wykonany przez użytkownika map na podstawie wirtualnego obrazu istniejącego w jego umyśle. Na rycinie 1.11 można porównać pięć map mentalnych z narysowanymi "z pamięci" przez studentów z konturami granic Polski oraz lokalizacją Warszawy, Poznania i Tatr do układu tych elementów na mapie. Szczególnie interesujące jest przewiększenie wielkości Półwyspu Helskiego, który w tych proporcjach w ogóle nie powinien być narysowany na mapie szkicowej, ponieważ jest zbyt mały w porównaniu do całej powierzchni kraju w tej skali. Jednak każdy uczeń od czasów edukacji w szkole podstawowej ma zakodowany w pamięci długoterminowej jego kształt na mapie i pozostaje on ważnym elementem jego mentalnej mapy Polski (W. Żyszkowska 1996).

W kartografii teoretycznej duże znaczenie ma zastosowanie teorii znaku na mapie, która rozwinęła się jako nurt semiotyki kartograficznej (J. Bertin 1967, 1983). Nurt semiotyczny jest rozwijany, zwłaszcza w odniesieniu do etapów wizualizacji kartograficznej (W. Żyszkowska 2000) i w praktycznym zastosowaniu w projektowaniu map topograficznych (W. Ostrowski 2008). Wyróżniane są trzy podstawowe relacje semiotyczne: syntaktyczne, semantyczne i pragmatyczne (U. Freitag 1971). Na triadowym modelu znaków kartograficznych można wskazać zakres syntaktyczny wyrażany konstrukcją i porządkowaniem znaków (ryc. 1.12). Zakres semantyczny określa relacje między rzeczywistymi obiektami w przestrzeni geograficznej, czyli jednoznaczność przyporządkowania obiektów do pojęć i informacji zawartej w znakach. Pragmatyka kartograficzna w sensie semiotycznym obejmuje zależności między znakami a odbiorcą mapy, co wyrażają użytkowe funkcje mapy będącej nośnikiem informacji przestrzennej oraz wprost skojarzenia odbiorcy w stosunku do czytanych przez niego symboli (W.G. Koch 2007).

Proces komunikacji kartograficznej można połączyć z tradycyjnym rozumieniem czytania mapy jako trzech działań: postrzegania, rozpoznania i identyfikacji znaków według położenia i formy sygnatur. Czytaniem jest również ocenianie i szacowanie oraz porównywanie obiektów na mapie, które także łączy się z kartometrią. Kartometria jest mierzeniem na mapie dokładności położenia obiektów, przenoszeniem geometrycznych wielkości na mapę oraz pomiarem kątów poziomych i pionowych, odległości, powierzchni, ponadto wysokości względnych i bezwzględnych, a także obliczaniem współrzędnych.

Ryc. 1.11. Przykłady map mentalnych Polski z lokalizacją Poznania, Warszawy i Tatr

Ryc. 1.12. Semiotyczne relacje w triadowym modelu znaków kartograficznych (według U. Freitag 2001)

Wizualizacja jest kojarzona z wykorzystaniem środków graficznych do przekazywania informacji i obecnie stała się ważnym instrumentem w etapach i prezentacji badań naukowych jako wizualizacja naukowa. Według W. Żyszkowskiej (2000) wizualizacja kartograficzna jest kierunkiem badawczym i zajmuje się analizą i prezentacją danych przestrzennych za pomocą metod kartograficznych, z wykorzystaniem metod systemów informacji przestrzennej i narzędzi grafiki komputerowej. W tym opracowaniu wizualizacja pojmowana jest jako kompilacja wizualizacji kartograficznych, graficznych i multimedialnych, która w sposób najbardziej skuteczny i jasny umożliwia użytkownikowi zrozumienie cech i zależności zjawisk geograficznych. W tym przypadku pojęcie wizualizacji odnosi się do procesu wizualizowania, czyli kreowania oraz do jego efektu, czyli zakończonej prezentacji.

Zależności między sposobem użytkowania map, poziomem interaktywności narzędzi graficznych i stopniem znajomości relacji między danymi prezentuje sześcian użytkowania mapy (A.M. MacEachren 1994). Interakcja człowiek-mapa będzie interaktywnością niską, jeśli użytkownik ma do czynienia z finalną mapą analogową. Interaktywność wysoka zachodzi, jeśli stosuje się zaawansowane technologie graficzne i geoinformacyjne do działań na danych na mapie cyfrowej (ryc. 1.13). Użytkowanie mapy może być powszechne, czyli publiczne, w rozumieniu prezentacji obrazów kartograficznych, takich jak mapy samochodowe czy atlasy szkolne. Z kolei prywatne użytkowanie oznacza wykorzystywanie indywidualne map do określonego zadania przez profesjonalistę w jakiejś dziedzinie, gdzie badane są relacje przestrzenne. W jednym z górnych narożników sześcianu znajduje się komunikacja kartograficzna, związana z szerokim odbiorem w sposób zrozumiały gotowych map o wysokiej jakości opracowania graficznego. Im wyższa pozycja w sześcianie, tym większy zakres odbiorców i mapa jest poprawniej wykonana, ponieważ jej głównym zadaniem jest przekaz zależności przestrzennych każdemu odbiorcy. Wizualizacja znajduje się z kolei w przeciwnym narożniku do komunikacji. Tutaj relacje między danymi są odkrywane przez użytkownika w trakcie indywidualnych działań za pomocą technologii geoinformacyjnych lub graficznych w celu badania nieznanych relacji między danymi przestrzennymi.

Ryc. 1.13. Sześcian użytkowania mapy (według A.M. MacEachren 1994)

Z wizualizacji naukowej wywodzi się nurt wizualizacji geograficznej (Geographical visualization) lub geowizualizacji (Geovisualization, GeoVis lub GVis), którą A. MacEachren (2011) zdefiniował jako wykorzystanie wizualnych reprezentacji informacji geoprzestrzennej do ułatwienia myślenia, zrozumienia i budowania wiedzy o aspektach środowiska człowieka i środowiska fizycznego typowych dla skal geograficznych oraz kreowania reprezentacji wizualnych dla tych aspektów. W innej definicji geowizualizacja oznacza prywatną aktywność, w której wcześniej nieznana informacja przestrzenna zostaje ujawniona w wysoce interaktywnym graficznym środowisku komputerowym (T.A. Slocum i in. 2023).

Szczególne związki istnieją między kartografią i geowizualizacją w odniesieniu do GIS i GIScience. Biorąc pod uwagę postęp technologiczny, rola mapy w geowizualizacji przekłada się na efektywność map w procesie poznawczym (kognitywnym). Kluczowym elementem GIS (Geographic Information System) jest sprzęt komputerowy z oprogramowaniem geoinformacyjnym, natomiast pozostałymi składnikami systemów informacji geograficznej są: sieć komputerowa, bazy danych, użytkownicy i producenci oraz zarządzanie (P.A. Longley i in. 2006). W tym znaczeniu GIS dla kartografii jest technologią opracowania map z baz danych przestrzennych. Dla GIS, czyli systemu informacji geograficznej, stosuje się także określenie systemy informacji terenowej, których znaczenie jest związane z przekazem i zarządzaniem informacją przestrzenną w gospodarce i polityce. Z kolei podstawy teoretyczne GIS nawiązują bezpośrednio do wiedzy kartograficznej, a w szczególności do semiotyki kartograficznej, generalizacji kartograficznej, zasad projektowania map i metod mapowania danych statystycznych.

Akademickie rozważania dotyczące rozwoju, użytkowania i zastosowania systemów informacji geograficznej opierają się na teorii informacji geograficznej (Geographic Information Science - GIScience) (M.F. Goodchild 1992). W kontekście tych rozważań użytkowanie map w GIScience można rozpatrywać w czterech zakresach: eksploracji, analizy, syntetyzowania i prezentacji (M.-J. Kraak, F. Ormeling 2021). Porównując sześcian użytkowania map, przedstawiony na rycinie 1.13, z modelem na rycinie 1.14, można dostrzec, że na jego osi pionowej znajduje się stopień interaktywności użytkownika w środowisku komputerowym, ponieważ to interaktywność ma podstawowe znaczenie. Im wyższa interaktywność operacji na danych przestrzennych, tym wyższa pozycja w sześcianie związana z procesem naukowym zmierzającym do indywidualnej eksploracji naukowej i ujawniania nieznanych relacji przestrzennych (ryc. 1.14).

Ryc. 1.14. Użytkowanie map w odniesieniu do wizualizacji danych w GIS (według M.-J. Kraak, F. Ormeling 2021)

Eksploracja danych, jako zasadnicze pojęcie w geowizualizacji, jest często prywatną aktywnością, w której nieznane zostaje ujawnione w wysoce interaktywnym środowisku komputerowym. Można wyróżnić następujące metody interaktywnej eksploracji (T.A. Slocum i in. 2023):

- manipulowanie danymi wejściowymi obejmujące standaryzację danych, transformację atrybutów i różne metody klasyfikacji danych;

- różna symbolizacja (np. zmiany barw w mapie choropletowej, czyli kartogramie);

- manipulacja punktu obserwacji użytkownika w prezentacjach 3D - wybór perspektywy i nawigacja w przestrzeni wirtualnej;

- wyeksponowanie części zbiorów danych przez "wyostrzenie" przedziałów cech danych o szczególnych wartościach;

- serie widoków/wielokrotne widoki - wyświetlenie na monitorze więcej niż jednego kartograficznego obrazu, pokazujących ten sam zestaw danych przy zastosowaniu różnych metod symbolizacji;

- animacja danych czasoprzestrzennych;

- łączenie map z innymi formami prezentacji, np. tabelami, wykresami, z kompleksowymi zestawieniami liczbowymi;

- wykorzystanie różnorodnych pomocy naukowych w celu dostępu do dodatkowych informacji;

- przypisywanie symboli do atrybutów, szczególnie przy wielowariantowych mapach atrybutowych;

- automatyczna interpretacja map - związana z pojęciem "wydobywania danych przestrzennych" z ogromnych zbiorów danych.

Do przykładów form geowizualizacji wielokryterialności i wielowymiarowości danych należą:

- kartogram (mapy choropletowe) dla jednej lub dwóch zmiennych;

- wykresy współrzędnych równoległych;

- diagramy punktowe 3D i 4D;

- diagramy i wykresy punktowe 2D;

- wieloseryjne mini-mapy [w książce przyjęto dla minimapy zapis z łącznikiem stosowany w kartografii - przyp. red.];

- diagramy zmiennych wartości;

- łączone diagramy mikromapowe;

- histogramy łącznie z wykresami punktowymi;

- animacje zmienności danych dla diagramów i kartogramów.

Ze wszystkich form prezentacji danych najczęściej wykorzystuje się mapy choropletowe, czyli kartogramy, ponieważ są intuicyjnie interpretowane przez odbiorcę, a także mogą być konstruowane w łatwy sposób w niemal każdej aplikacji geoinformacyjnej.

Ryc. 1.15. Formy geowizualizacji możliwe do integracji na Geovis Portal https://mitweb.itn.liu.se/geovis/portal/#, https://ncva.itn.liu.se/?l=en

Możliwości integracji wielu form geowizualizacji oferują portale, których przykładem jest Geovis Portal, ukazujący różne cechy ludnościowe za pomocą łączonych i komplementarnych wykresów, diagramów i technik mapowania (ryc. 1.15).

Na rycinie 1.16 zaprezentowano sieć pięciu aktywności obejmujących proces naukowy w GIScience: eksplorację, syntezę, analizę, ocenę i prezentację (M. Gahegan 2005). W ramach jednego postępowania badawczego mogą być wykorzystywane wybrane działania, które przebiegają w różnych kierunkach i mogą być również powtarzane.

Przykładowa ścieżka badawcza w GIScience, znaczona strzałkami na rycinie 1.16, rozpoczyna i kończy się konkretną reprezentacją, w tym przypadku na starcie są dane, a na końcu mapa. Zbiór danych przestrzennych podlega badaniu, które prowadzi do postawienia hipotezy i sformułowania koncepcji. Po zastosowaniu odpowiednich narzędzi następuje zrozumienie ogólnych schematów relacji między danymi. Ich kategoryzacja pozwala na sformułowanie teorii i odpowiedniego modelu. Działania na modelu mogą dotyczyć analizy prowadzącej do wyniku, który jest testowany i oceniany. Ostatecznym działaniem naukowym jest prezentacja, czyli wymierny przekaz wyników badań. Na każdym z tych etapów można stosować różne formy wizualizacji geograficznej, z których np. wykres współrzędnych równoległych może być efektem analizy wielu map tematycznych. Do dyspozycji badacza są różne formy geowizualizacji, które są wykorzystywane na kolejnych etapach działań. Forma przekazu efektu badań powinna już nawiązywać do jednoznacznie zrozumiałej dla odbiorcy konkluzji, dlatego w przypadku danych przestrzennych najczęściej jest to mapa statystyczna.

Ryc. 1.16. Przykład ścieżki badawczej w GIScience (według M. Gahegan 2005)

Z geowizualizacji wyłoniła się analityka geowizualna, która jest rozumowaniem analitycznym z wykorzystaniem informacji przestrzennych wspomaganych przez interaktywne interfejsy wizualne (A. Robinson 2017). Rozumowanie analityczne obejmuje proces badania informacji w celu znalezienia w nich wzorców, dlatego w analityce geowizualnej interaktywność jest kluczowym czynnikiem do modyfikacji wyświetlania informacji geograficznych. Dlatego w projektowaniu zorientowanym na użytkownika w analityce geowizualnej korzysta się z eksperymentów śledzenia wzroku, aby zbadać, jak użytkownicy zwracają uwagę na różne reprezentacje geograficzne (I. Gołębiowska 2021). Przykład interfejsu zamieszczonego na rycinie 1.16 umożliwia użytkownikom przeglądanie lokalizacji dla wysyłanych tweedów, a także referencji przestrzennej zawartości treści tych wiadomości. W tym przykładzie tweety dotyczące wyborów prezydenckich w Stanach Zjednoczonych w 2016 roku są wizualizowane z wielu perspektyw (A. Robinson 2017). Oś czasu i widok listy po lewej stronie wyświetlacza pokazują ostatnią aktywność, natomiast mapa pośrodku wyświetlacza pokazuje gęstość wzmianek o lokalizacjach w tweetach związanych z wyborami. Po prawej stronie widok matrycowy pozwala użytkownikom porównać relacje między lokalizacjami wymienionymi w tweetach z wykorzystaniem określonych hasztagów.

Ryc. 1.17. Przykład systemu analizy geowizualnej SensePlace3 umożliwiającej przestrzenną analizę konwersacji w mediach społecznościowych (A. Robinson 2017)

Kartografia zawsze korzystała z nowych technologii w kierunku ścisłego łączenia walorów grafiki użytkowej w rozwijających się mediach i potrzeb społeczeństwa w zakresie użytecznej wizualizacji informacji przestrzennej. Użyteczność kartografii wobec innych dyscyplin miała i ma wymiar ułatwienia zrozumienia przestrzeni i ujawnienia relacji przestrzennych. Nawet najprostsza mapa jest bardziej zrozumiała w przekazie informacji przestrzennej niż wiele słów opisujących lokalizacje obiektów i relacje geograficzne.

W tej monografii kartografia opisana jest w kontekście geomatycznym i geomedialnym, co odpowiada nowym nurtom badawczym w kierunku problemów adaptacji ugruntowanej wiedzy kartograficznej do nowych technologii, takich jak wirtualne mapowanie terenu i zabudowy, imersyjne geowizualizowanie, kartografia w grach, responsywne projektowanie map, multimedialne wizualizacje przestrzeni w mediach społecznych, mobilne aplikacje mapowe itp. Przykładowo wirtualne rekonstrukcje przedmiotów szeroko rozumianego dziedzictwa kulturowego oraz zapisane na dawnych mapach stany środowiska przyrodniczego stwarzają nowe możliwości stosowania źródeł kartograficznych i ich transformacji do kreowania geowizualizacji w ujęciu topograficznym - fizycznym oraz statystycznym - tematycznym. Wobec nowych wymiarów reprezentacji pojęcie geowizualizacji wykracza poza analityczne i statystyczne wizualizowanie danych, a zdecydowanie rozszerza znaczenie w ujawnianiu relacji przestrzennych w każdej wizualizowanej przestrzeni w pojęciu rzeczywistych skal percepcyjnych człowieka i mediów społecznych oraz środowisk wirtualnych desktopowych i mobilnych.

Do tej pory ocena map lub wizualizacji dotyczyła najczęściej gotowych, izolowanych, samodzielnych wizualizacji lub wybranych technik mapowania zjawisk geograficznych. Natomiast w kontekście geomediów otwartych na społeczeństwo, takich jak serwisy mapowe czy też media społecznościowe, istotne staje się poznanie opinii użytkowników kartograficznych form przekazu przestrzeni geograficznej pod kątem trzech istotnych cech: informacyjności, atrakcyjności oraz inspiracyjności dla określonych środków wyrazu medialnego. Informacyjność formy kartograficznej wiąże się z przekazywaniem przydatnych informacji w sensie nowej, nieznanej wiedzy lub odkrywaniem nowych relacji dzięki specjalnie dobranym geowizualizacjom. Atrakcyjność formy kartograficznej kojarzy się z wywołaniem odczuć estetycznych, które także pośrednio wpływają na chęć zdobywania wiedzy przestrzennej. O ile informatywność można uznać za bardziej obiektywną cechę, o tyle atrakcyjność zaliczymy do bardziej indywidualnych odczuć. Natomiast inspiracyjność formy kartograficznej oznacza, że posiada ona takie graficzne lub medialne cechy, które wyzwalają u widza nowe pomysły na tworzenie podobnych lub nowych geowizualizacji. Coraz więcej badań nad wizualizacjami kartograficznymi przeznaczone jest dla geograficznie sprofilowanych użytkowników socjalnych mediów, których należy dziś traktować nie tylko jako odbiorców informacji przestrzennej, ale także jako potencjalnych nadawców informacji. Nadawca informacji geograficznej wykorzystuje ogólnie dostępne oprogramowanie, otwarte serwisy mapowe, media społeczne do rozpowszechniania zaprojektowanych form kartograficznych i geowizualizacji.

Dzisiejsze badania w kartografii skupiają się na pragmatycznym podejściu do użytkowania map, a właściwie wysokiej personalizacji twórcy i odbiorcy mapy, co przekłada się na dążenie do wskazywania rekomendacji dla twórców map i geowizualizacji na podstawie wiedzy kartograficznej oraz wszechstronnych badań efektywności przekazu informacji przestrzennej. Zatem odchodzi się od autorytatywnego przekazywaniu zasad projektowania bez potwierdzenia ich możliwej skuteczności na podstawie badań na sprofilowanych grupach użytkowników. Nie istnieją uniwersalne zasady do projektowania "dobrej mapy" i nie jest możliwie przeprowadzenie badań na ogólnie pojętych użytkownikach publicznych i profesjonalnych w konkretnych dziedzinach oraz uśrednienie takich zasad.

Kluczowe staje się określenie użyteczności mapy i geowizualizacji na podstawie ewaluacji produktu kartograficznego oraz formułowanie odpowiednich rekomendacji dla projektujących. Cel badań użyteczności map może dotyczyć efektywności obiektywnej i subiektywnej oraz efektowności kojarzonej z atrakcyjnością graficzną.

Efektywność wizualizacji kartograficznych wiąże się z opracowaniem map umożliwiających proste i jednoznaczne odczytywanie cech zjawisk geograficznych. Efektywność geowizualizacji jest określana jako sprawność lub skuteczność przekazu informacji przestrzennej wyrażona czasem lub poprawnością wykonanych zadań. Atrakcyjność graficzna wizualizacji kartograficznych jest związana z indywidualnymi, subiektywnymi odczuciami odbiorców dotyczącymi odczucia piękna, estetyki i oryginalności reprezentacji zjawisk geograficznych.

Zadaniami w ramach badań efektywności obiektywnej mapy są np.: czas wykonania zadania, szybkość odnalezienia symboli na mapie, poprawność odczytania odległości między obiektami, szybkość wykonania zadania przestrzennego, długość skupienia uwagi na symbolu, prawidłowość interpretacji znaczenia znaku kartograficznego. Do metod w pozyskiwaniu wymiernych ocen efektywności obiektywnej należą ankiety online lub bezpośrednie badania i eye-trackingowe (str. 36-37).

W koncepcji badań użyteczności uwzględnia się następujące punkty z możliwymi szczegółowymi wytycznymi:

- formalny tabelaryczno-graficzno-kartograficzny zapis wyników: analityczne i syntetyczne diagramy słupkowe wraz z podsumowaniem opinii użytkowników, tabele, diagramy ewaluacji, kartograficzna wizualizacja cech ilościowych i jakościowych badanych parametrów i cech ewaluacji;

- uczestnicy badań: liczebność i cechy grupy/ grup, jednorodna grupa: minimum 20 osób, eksperci w wybranej dyscyplinie lub branży: minimum 15 osób;

- kartograficzny obiekt badań i medium: mapa lub geowizualizacja na monitorze, laptopie, smartfonie, albo wydruk;

- sposób przeprowadzenia badań: np. ankieta internetowa; nadzorowanie badania w pomieszczeniu; bez ograniczenia czasowego i z ograniczeniem czasowym; z wymogiem udzielenia odpowiedzi, z możliwością powrotu do poprzednich zadań, pytań lub bez możliwości powrotu do wcześniejszego zadania;

- warunki etyczne: wyjaśnienie uczestnikom na czym polegają badania, dobrowolność uczestnictwa, możliwość rezygnacji w każdym momencie badania, zachowanie anonimowości, czas badania do około 15 minut.

Metody mapowania różnią się efektywnością i atrakcyjnością graficzną. Obie te cechy mają ważne znaczenie dla odbiorców wizualizacji. Zazwyczaj wzrost złożoności graficznej powoduje zwiększenie atrakcyjności wizualizacji, co często skutkuje spadkiem efektywności (Ł. Wielebski, B. Medyńska-Gulij 2019). Zgodnie z wynikami badań efektywności obiektywnej i subiektywnej najbardziej efektywne w przekazie informacji o dostępności przestrzennej są metody punktowe (por. ryc. 8.5), a metody dwuwymiarowe są bardziej skuteczne niż ich odpowiedniki trójwymiarowe, w których odległości fizyczne ulegają zniekształceniom wynikającym z rzutu perspektywicznego. Wzrostowi efektywności może sprzyjać także stosowanie etykiet tekstowych (liczbowych). Wizualizacje trójwymiarowe uchodzą natomiast za bardziej atrakcyjne, szczególnie te wykonane z użyciem wielokolorowej skali spektralnej. Metody mapowania dostępności przestrzennej stosujące powierzchnie barwne są postrzegane jako bardziej atrakcyjne niż oparte o elementy graficzne punktowe i liniowe (Ł. Wielebski 2015).

W badaniach efektywności subiektywnej dla oceniania każdej mapy oddzielnie i niezależnie stosuje się ranking lub rating. Rating oznacza, że różne mapy mogą otrzymać te same oceny, natomiast ranking polega na ułożeniu map w określonej kolejności. W ratingu istnieje tendencja respondentów do oceniania wszystkich obiektów lub cech stosunkowo wysoko lub nisko, co może skutkować tym, że dane uzyskane od dwóch różnych respondentów nie będą ze sobą porównywalne (P. Tarka 2010). Ranking, w przeciwieństwie do ratingu, nie jest tak podatny na wpływ braku motywacji respondenta, co w przypadku ratingu skutkuje brakiem różnorodności w ocenie. Przykład rankingu sześciu map tematycznych wykonanych przez 104 studiujących na kierunkach geograficzno-kartograficznych ukazuje rycina 1.19 (Ł. Wielebski, B. Medyńska-Gulij 2023). Przedmiotem ewaluacji subiektywnej było sześć map zawierających różne informacje o działalności Lotniczego Pogotowia Ratunkowego w Polsce, które były reprezentowane za pomocą różnych metod mapowania. Ankietę przeprowadzono za pomocą aplikacji Limesurvey. Na podstawie wyników ankiety widocznych na diagramach słupkowych można wysunąć wiele wniosków, np. najbardziej czytelny jest kartogram, chociaż użyteczność informacji wynikającej z niego uzyskała niskie rangi. Natomiast najbardziej użyteczna i ważna w opinii respondentów okazała się mapa reprezentująca czas przelotu miedzy bazą LPG a lądowiskiem przyszpitalnym, a z kolei metoda użyta na tej mapie otrzymała niską rangę.

Ryc. 1.18. Ranking czytelności map tematycznych i ważności informacji na nich zawartych na przykładzie reprezentacji działalności Lotniczego Pogotowia Ratunkowego w Polsce (Ł. Wielebski, B. Medyńska-Gulij 2023)

Dane uzyskane z badań eksperymentalnych zapisywane są w postaci tabel, które następnie poddawane są analizom statystycznym i wizualizacji kartograficznej (B. Medyńska-Gulij i in. 2022). Zastosowanie metod graficznych i technik mapowania prezentacji wyników pozwala na pełniejszą interpretację wyników. W efektywności poruszania się po mapie topograficznej na wyświetlaczu smartfona postawiono na sposoby wizualizacji wyników badań przeprowadzonych z użytkownikami gry mapowej na smartfony (por. ryc. 9.24). Dlatego w koncepcji badań z użytkownikami znalazły się następujące założenia:

- Respondenci: 60 użytkowników w wieku 19-24 lata, pochodzących z jednorodnej grupy studentów, biorących udział w grze dobrowolnie, bez gratyfikacji finansowej;

- Ankieta: każdy uczestnik otrzymuje te same instrukcje dotyczące zadania, które polega na poruszaniu się po mapie jedynie drogami w celu jak najszybszego dotarcia kolejno do każdego z ośmiu kamiennych pomników; 30 uczestników wykonuje zadanie na smartfonie w orientacji poziomej, a 30 uczestników w orientacji pionowej;

- Technologie: zapis czasu i śladu przemieszczania się każdego uczestnika oddzielnie (silnik gry: Unity, język programowania C#); badanie eye-trackingowe (smartfon 16×9; eye-tracker Gazepoint GP3 HD, Gazepoint Control);

- Analiza statystyczna: całkowity czas rozgrywki, mediana, istotność statystyczna;

- Wizualizacja kartograficzna wyników badania: strategia wizualna: mapa ciepła (heat mapa) i mapa symboli punktów proporcjonalnych; natężenie obciążenia dróg: mapa przepływu (kartodiagram wstęgowy).

Na rycinie 1.19 widzimy badanie eye-trackingowe z zapisem śladu jednego uczestnika badań, analizę statystyczną oraz kartograficzną wizualizację wyników badań z użytkownikami w ułożeniu pionowym i poziomym smartfona. Mapy ciepła oparto na rozkładzie fiksacji (miejsca zatrzymania wzroku). Przedstawiają wizualną strategię wykonywania zadań. W orientacji pionowej wzrok użytkowników skupiony był poniżej środka ekranu z eliptycznym polem natężenia fiksacji. W ułożeniu poziomym środek pola natężenia fiksacji wykazuje bardziej okrągły kształt i zdecydowanie centralne położenie. Kartodiagram wstęgowy porównawczy pokazuje znaczne obciążenie dróg w centrum mapy, a różnice miedzy dwoma ułożeniami smartfona są bardzo małe. Mapa symboli punktowych proporcjonalnych reprezentuje liczbę fiksacji na poszczególnych kamiennych pomnikach, gdy były one aktywne w kolorze czarnym, a uczestnik zbliżał się do tego punktu. Najczęściej obserwowanym punktem w orientacji pionowej był punkt 2, a w orientacji poziomej punkt 3. Pomniki 1-4 miały średnio więcej niż trzy fiksacje w obu ułożeniach, podczas gdy pozostałe punkty miały mniej niż trzy fiksacje o wartości 2-3.

Ryc. 1.19. Wizualizacja kartograficzna wyników badania strategii wizualnej poruszania się po prostej mapie topograficznej na smartfonie w orientacji pionowej (portrait) i poziomej (landscape) (B. Medyńska-Gulij i in. 2023)

Kartografia

Geomatyka

Geomedia

Mapa

Mapa w ujęciu geometrycznym

Warstwy graficzne mapy

Mapa ogólnogeograficzna, referencyjna

Mapy fizycznogeograficzne, przyrodnicze

Mapa wektorowa

Mapa rastrowa

Mapy epokowe

Mapa Europy Orteliusa

Mapa świata Merkatora

Mapa Europy Debesa

Mapa figuratywna Minarda

Mapa metra Becka

Mapa oświetlenia Ziemi

Kartograficzna metoda badań

Kartografia analityczna

Geomatyczna metoda badań

Model kartograficznego przekazu informacji

Mapa kognitywna

Kartografia poznawcza

Mapa mentalna

Semiotyka kartograficzna

Triadowy model znaków kartograficznych

Czytanie mapy

Kartometria

Ścieżka badawcza w GIScience

Analityka geowizualna

Użyteczność kartografii

Wiedza kartograficzna w nowych technologiach

Geowizualizacje topograficzne i statystyczne

Informacyjność formy kartograficznej

Atrakcyjność formy kartograficznej

Inspiracyjność formy kartograficznej

Nadawca informacji geograficznej

Ewaluacja produktu kartograficznego

Ewaluacja wizualizacji kartograficznej

Atrakcyjność graficzna

Efektywność obiektywna

Koncepcja badań użyteczności

Efektywność subiektywna

Efektywność poruszania się po mapie na smartfonie

Badanie eye-trackingowe

System znaków