Визуализация на географската информация

Автор: Йордан Цветков

(Институт за космически изследвания и технологии – БАН)

 

 

Резюме: Географската информация, включваща сведения за населението, икономиката и околната среда и техните взаимовръзки, се явява ключова при формирането на адекватна и актуална представа за света и обществото. Същевременно, подходящата визуализация на информацията, посредством различни графични способи, дава възможност тя да бъде възприемана много по-бързо и лесно. В статията е направен преглед на някои от основните приложения в интернет, които визуализират географска информация в интерактивен вид.


РЕКЛАМА:

***

Ключови думи: географска информация, визуализация, интернет

 

Увод

Съвременните компютризирани научни изследвания все повече се сблъскват с необходимостта от обработка и анализиране на големи масиви от данни. Според Джим Грей, днес сме на прага към преход в нова (четвърта) научна парадигма, в чиято основа стои събирането, подреждането, анализирането и визуализацията на голям обем от данни. В това виждане предишните научни парадигми са били: първа – емпирична (събиране на емпирични данни и описания); втора – теоретична (формулиране на теории, закони и модели); трета – симулационна (съставяне на по-сложни компютърни модели и симулации на процеси) (Hey et al., 2009). Тези проблеми се отнасят с особена значимост и в науките за Земята и в частност в съвременната география. Съществуват големи архиви от аналогови географски данни, които все повече се трансформират в цифрови, а към тях се добавят и огромно количество нови цифрови данни. Това поставя географията пред необходимостта от прилагането на т.нар. анализ и извличане на знания от данни (data mining and knowledge discovery) (Nisbet et al., 2009; Miller, Han, 2009). То обикновено се дефинира като интердисциплинарна сфера на статистиката и компютърните науки, свързана с използването на методи за изследване на големи бази данни и генериране на модели и анализи (напр. класификация, клъстерен анализ, регресионен анализ и др.). Показателен в тази насока е стартиралият през 2015 г. двугодишен проект на Кралското географско общество (и Института на британските географи) – „Умения за работа с данни в географията” (Data Skills in Geography) [url1]. Той има за цел да обхване както университетите, така и училищата, като подобри уменията свързани с работа с данни. За целите на проекта тези умения най-общо се определят като „събиране, анализ и презентация на данни”.

В контекста на анализа на данни важно значение има и адекватната визуализация на данните и резултатите така, че те да бъдат много по-лесни за възприемане и по-удобни за комуникация, както в рамките на научната общност, така и при тяхното популяризиране в обществото. Същевременно визуализацията, която има своята дъга традиция [url2, url3], все повече се обособява като самостоятелна дисциплина определяна едновременно като наука и като изкуство (Meirelles, 2013). На практика тя включва разнообразни средства за визуализация на качествена и най-вече количествена информация, като графики, диаграми, картодиаграми и мн. др. Голяма част от тях са систематизирани в т.нар. „Периодична таблица на методите за визуализация” [url4].

Визуализацията има изключително значение в съвременната комуникация на информация. Посредством уместно подбран визуален дизайн информацията може да бъде възприемана много по-бързо, а също така в нея бързо и лесно да бъдат разкривани определени структури, модели и взаимовръзки. От своя страна способите за визуализация на информацията са не само краен етап на определено проучване и средство за по-лесно възприемане и комуникиране на информацията, но в редица случаи са част от самото изследване. Един класически пример за илюстрация на визуализацията като метод за изследване е представен от британския статистик Ф. Анскъм в т.нар. „Квартет на Анскъм”. В него има четири набора от данни включващи по една независима променлива (предиктор) – x и по една зависима променлива – y. Всички четири набора от данни имат еднакви статистически параметри, но чрез графично представяне на тези данни визуално бързо може да се установи съществено различие между тях, както и специфики в тяхната структура (фиг. 1). В този случай анализът на тези данни следва да започне с графичен анализ, а едва след това със статистически, който при това следва да бъде е правилно разчетен (напр. линейната регресия е приложима само за първия набор данни, за останалите следва да се търсят други модели).

От гледна точка на географията географската визуализация се определя в най-широк смисъл като приложение на всяко графично изображение създадено с цел улесняване на пространственото разбиране за обектите, явленията и процесите. Традиционният и най-стар способ за визуализация на географска информация са картите, започнали да се използват още в античната епоха. Според някои автори създаването на географски визуализации посредством карти се нарежда сред едно от най-важните събития в човешката комуникация (Dodge et al., 2008). По-късно с развитието на модерната наука се развиват нови способи за графични абстракции като графики, диаграми и др., а тематичните карти се усъвършенстват в картограми (в англоезичната лит. наричани карта хороплет), картодиаграми и др. Бързото развитие на информационните и комуникационни технологии през последните няколко десетилетия се отрази съвсем естествено и на географската визуализация. Това доведе до появата на нови научни направления като напр. геовизуализацията. То използва подходи взаимствани от картографията, ГИС, визуализацията на информация, научната визуализация и др. с цел да достави теория, методи и инструменти за визуално изследване, анализ, синтез и презентация на данни съдържащи географска информация (Dykes et al., 2005).

Всички тези процеси представляват не само чисто научен, но и обществен интерес, защото в условията на едно глобализиращо се и непрекъснато променящо и усложняващо се общество способността на хората сравнително бързо и лесно да възприемат реалностите от заобикалящия ги свят под формата на данни и факти е от ключово значение за взимането на решения за бъдещето. В настоящата статия, предназначена за най-широк кръг читатели (от ученици и студенти до специалисти), ще бъде направен един преглед на част от съществуващите до момента уеб-базирани приложения за визуализация на географска информация. Приоритетно ще бъдат представени тези с глобално покритие на данните и само частично тези с регионално. Те могат да бъдат от полза за всички, които искат да формират своя светоглед на основата на факти и реални данни и да се ориентират сред изобилието от информация в мрежата, разграничавайки я от все по-увеличаващата се дезинформация.

Фиг. 1. Числово и графично представяне на „Квартета на Анскъм” (по Anscombe, 1973)

Фиг. 2. Графика част от статията „Бедността по света”

 

„Нашият свят в данни” е разработен от икономиста от Оксфордския университет Макс Розер (Max Roser). Той представлява опит да се предложи един обобщаващ поглед върху съвременните тенденции по света основаващ се на реални и измерими данни в противовес на съвременните масмедии, които се концентрират изключително върху единични събития и не представят достатъчно коректно общите тенденции. Данните в този проект са организирани по теми: население; здраве; храна; енергия; околна среда; технологии; растеж и неравенство; работа и живот; публичен сектор; глобални връзки; война и мир; политика; насилие и права; образование; медии; култура. Във всяка тема има по няколко статии, които включват текстови разяснения, различни интерактивни визуализации на данни (чрез графики, карти и др.) и източници на информация (фиг. 2).

 

URL: http://ourworldindata.org/

Фиг. 3. Интерфейсът за визуализация на Gapminder – с избрана държава България

 

Gapminder (Гапмайндър) е неправителствена организация създадена от шведския професор по статистика и медицина Ханс Рослинг (Hans Rosling) и неговия син Ола Рослинг. Тя е разработила уеб-приложение, което има за цел да визуализира динамичните тенденции в наличните статистически данни по държави. В него всяка държава е представена като кръгова диаграма (с регулируем размер и цвят в зависимост от избрания параметър), разположена в координата система от два статистически параметъра. Статистическите параметри са разнообразни и вкл. демографски, икономически, здравни, екологични и др. данни, които могат да бъдат изтегляни и в табличен вид. Динамиката на кръговите диаграми може да бъде проследявана по години и да бъде визуализирана като анимирана (движеща се) графика (фиг. 3).

 

URL: http://www.gapminder.org/

Фиг. 4. Визуализация на износа на България от 1995 до 2014 г. според „Атлас на икономическата сложност”

 

„Атлас на икономическата сложност” първоначално се реализира през 2011 г. като книга и е разработен от Центъра за международно развитите на Харвадския университет и „Медия лаб” на Масачузетския технологичен институт. Заедно с него е разработена и интерактивна версия на визуализациите наречена OEC (The Observatory of Economic Complexity, URL: http://atlas.media.mit.edu). На негова основа през 2013 г. е съставен нов онлайн вариант на атласа. Той дава възможност за визуализация на много информация за икономическите връзки, износа и вноса по държави и по продукти, както и тяхната динамика във времето (фиг. 4). Атласът, освен като интерактивно уеб-приложение с много богат набор от функции е наличен и като електронна книга, която е достъпна за безплатно изтегляне.

URL: http://atlas.cid.harvard.edu/

Фиг. 5. Визуализация на интернет потребителите по света (на 100 души) според данните на Световната банка

 

Световната банка (СБ) поддържа своя голяма база данни за почти всички държави по света. Достъп до информацията е възможен по теми, държави и индикатори. Визуализацията на информацията е възможна в табличен вид, като интерактивни карти или като графики. Специално място е отделено на Индикаторите за световно развитие, които включват най-актуалните данни за развитието на национално, регионално и глобално ниво. Заедно с тези данни могат да бъдат ползвани и различни други източници на СБ като публикации, изследвания, доклади и др., чийто достъп е улеснен чрез специално създаден за тази цел каталог. Данните са отворени и може да бъдат свалени в няколко таблични формата за лично ползване и обработка (фиг. 5). Отворените данни на СБ са включени в множество други уеб-приложения за визуализация, които могат да бъдат намерени в мрежата.

URL: http://data.worldbank.org/

 

Фиг. 6. Началната страница на услугата на Гугъл за публични данни

 

Услугата на компанията Гугъл за публични данни предоставя възможност за визуализация на данни от много голям брой източници. Визуализацията включва графики и карти. Предимство е наличието на данни преведени на различни езици, вкл. на български, но в сравнение с англоезичните те за значително по-малко (фиг. 6).

 

URL: https://www.google.com/publicdata/directory

Фиг. 7. Карта на престъпността – брой на убийствата в държавите по света

 

Този проект, създаден от Люк Меткалф (Luke Metcalfe), си поставя за цел да включи колкото се може повече статистическа информация за държавите по света, която същевременно да бъде удобна за съпоставка и сравнение (напр. с използване на данни преизчислени спрямо броя на населението), както и за съставяне на различни класации на държавите. Информацията е събрана от различни източници и включва географски данни за населението, икономиката, социалната сфера,  културата, отбраната и дори геополитиката (фиг. 7). Тази информация е визуализирана чрез различни графики, диаграми и карти. Голямо предимство на сайта е лесната и бърза навигация, както и организирането на информацията, което го прави много удобен за ползване от най-широк кръг потребители.

 

URL: http://www.nationmaster.com/

Фиг. 8. Карта на възприемането на нивата на корупция в държавите по света за 2015 г.

 

Knoema (Ноума) е един прекрасен инструмент съчетаващ много голямо разнообразие от възможности и функции. Той е проект на едноименната американска компания стартирала през 2011 г. и основана от Владимир Ескин и Владимир Бугай. Ноума има за цел да предостави разнообразни услуги свързани с данни и тяхната визуализация. Данните са организирани по теми, по държави и по източници. Значителен е броят на източниците на данни, който включва над 800 организации. Разработена е и своеобразна „интелигентна търсачка”, която дава възможност за много бърз достъп до търсените данни и представлява значително улеснение. Данните могат да бъдат визуализирани чрез множество способи, да бъдат споделяни чрез уеб-връзка или изтегляни в различни формати (като таблици, изображения или PDF файл) (фиг. 8). Чрез безплатна регистрация в системата на Ноума се получава достъп до още повече възможности. Акаунтът позволява да бъдат качвани собствени данни и дава достъп до работна площ – табло (dashboard), чрез което да се създават персонални интерактивни визуализации на данни, както и презентации. Също така могат да бъдат следени различни потребителски теми с инфографики или профили на отделни потребители, които създават интересно съдържание. Ноума предоставя и много други полезни услуги, като напр. „Светът през 2020”, чрез който могат да се видят прогнози за развитието на различни сфери и показатели до 2020 г. Интересно също така е и разширението за Google Chrome браузър World Data Finder, което дава възможност за бързо търсене и препращане към налични данни от дадена уеб-страница. Същевременно сайтът разполага с много помощни материали отговарящи на най-често задаваните въпроси и видео ръководства (в YouTube), които значително улесняват запознаването с пълните възможности на Ноума.

 

URL: https://knoema.com/

Фиг. 9. Процент на чуждите граждани по региони според „Статистически атлас” на Евростат

 

Евростат е статистическата служба на Европейския съюз. Тя поддържа един чудесен сайт за статистическа информация, който включва изключително разнообразни и подробни статии, доклади, бази данни и инструменти за визуализация и илюстрация. Поради това, че сайта е голям и със сложна структура е полезно първоначално да се посети помощното меню (Help), където в раздела Първо посещение (First Visit) има обобщена информация за съдържанието на сайта и неговите възможности. Статистическата информация е групирана в 8 основни теми: обща и регионална статистика; икономика и финанси; население и социални условия; индустрия, търговия и услуги; земеделие и риболов; международна търговия; транспорт; околна среда и енергетика; наука и технологии. Освен наличието на цяла поредица разнообразни инструменти за визуализация и отпечатване, данните могат да бъдат свободно изтегляни в разнообразни файлови формати. Един от най-полезните инструменти на Евростат за визуализация на географска информация е т.нар. „Статистически атлас” (фиг. 9).

 

URL: http://ec.europa.eu/eurostat

Фиг. 10. Различните варианти на приложението Statistics eXplorer

 

Националният център за визуален анализ, ръководен от проф. Микаел Йерн (Mikael Jern) към Университета в Линкьопинг е разработил интерактивно приложение за визуализация на статистически данни. То интегрира множество различни способи за визуализация, включващи карти, графики, диаграми и мн. др., които предоставят много голямо разнообразие от възможности за изследване и анализ. Приложението има няколко варианта в зависимост от обхвата на данните, с които борави и в зависимост от набора от техники за визуализация, които ползва, като напр. приложението World eXplorer (за данни на Световната банка), Europe eXplorer (за данни на Евростат), Sverige eXplorer (за данни на шведската регионална статистика) и др. (фиг. 10). Поради голямото разнообразие от функции тези приложения изискват повече време за първоначално запознаване и са предназначени предимно за по-напреднали ползватели.

 

URL: http://ncva.itn.liu.se/?l=en

Фиг. 11. Градското население по света и визуализация на град София (URL: http://luminocity3d.org/WorldCity/#3/12.00/10.00 )

 

Сайтът за география на градовете е създаден от Дънкан Смит (Duncan Smith) и представя поредица от проекти, публикации и изследователски идеи свързани с градовете, тяхната динамика и устойчивост. Един от тези проекти е свързан с градското население на света и интерактивна визуализация на неговата времева динамика от 1950 г. до прогноза за 2030 г. (фиг. 11).

 

URL: https://citygeographics.org/

Фиг. 12. Статистическият раздел на сайта на МАЕ представящ различните приложения за търсене и визуализация на информация

 

Международната агенция по енергетика (МАЕ) разполага с голяма база данни за енергетиката на държавите по света. Информацията е достъпна чрез няколко интерактивни приложения включващи графики, карти и др. средства за визуализация (фиг. 12). Те дават редица възможности, като напр. да се проследяват динамичните изменения в „потоците” на енергийния баланс по държави или да се визуализират пространствените особености чрез карти и графики (т.нар. Енергиен атлас).

 

URL: http://www.iea.org/statistics/

Фиг. 13. Интерактивна карта на водния риск по света

 

Институтът за световните ресурси предлага достъп до голямо количество разнообразна аналитична информация. Тя включва от публикации и презентации до графики, карти и др. визуализации на данни. По тематика те обхващат 6 теми свързани с климата, енергията, храните, горите, водите и устойчивите градове, а по географски обхват могат да бъдат както глобални (фиг. 13), така и за отделни държави. Допълнително са приложени и препратки към външни проекти имащи отношение към горните теми, като напр. системата за глобален онлайн мониторинг на горите – Global Forest Watch и др.

 

URL: http://www.wri.org/

Фиг. 14. Интерфейсът с карти и данни на DOPA Explorer с пример за Рила

 

DOPA, което може да се преведе като “Дигитална обсерватория на защитените територии”, е едно много полезно уеб-приложение на JRC (Joint Research Centre) към Европейската комисия на ЕС. То включва услуги предоставящи комплексна информация за защитените територии по света и има за цел да подпомогне работата на организациите и изследователите занимаващи се с проучване, планиране и управление на дейности свързани с околната среда. В този набор от услуги основното приложение се нарича DOPA Explorer. То предоставя информация за над 16 000 защитени територии по света и покрива близо 90 % от световната площ на защитените територии. Информацията за тях включва различни индикатори за екосистемите, климата, видовете, антропогенния натиск и др. (фиг. 14). На глобално ниво освен защитените територии могат да бъдат визуализирани и други карти, като напр. наземните и морски екорегиони по света, карта на глобалното земно покритие, карта на почвите по света (по FAO), както и карти на гъстотата на населението по света и карта на глобалния индекс на човешко въздействие.

 

URL: http://dopa-explorer.jrc.ec.europa.eu/dopa_explorer/

Фиг. 15. Карта с визуализация на средната годишна температура за 2015 г.

 

„Глобален климатичен регистратор” е проект на Севилския университет, който предоставя визуална информация за глобалния климат от 1901 г. до днес. Той дава възможност за визуализация на температурите, валежите и евапотранспирацията (изпаряемостта) по месеци, години, средни стойности и по трендове (фиг. 15). Притежава и възможности за анимирана визуализация, съставяне на климатични диаграми и графики на избрани точки, както и възможност за изтегляне на данните като таблици с различен формат или като статични картни изображения.

 

URL: http://www.globalclimatemonitor.org/

Фиг. 16. Карта на част от ареала на разпространение на кафявата мечка (Ursus arctos) в Европа

 

Сайтът „Карта на живота” има за цел да предостави географска информация за биоразнообразието по света. Тя интегрира данни от различни източници (IUCN, WWF, GBIF и др.) в една уеб-платформа с две основни функции. Първата дава възможност да се визуализира разпространението на даден вид след заявка за търсене по име на вида (фиг. 16), а втората дава информация за видовете разпространени на дадено място след посочване на конкретна локация. Към момента базата данни съдържа информация за над 937 000 вида.

 

URL: http://www.mol.org/

Фиг. 17. Визуализация на избрана точка (кръстче) и нейните екологични характеристики (в ляво) и покритие (в червено) за района на България

 

Тази инициатива на компанията ESRI би могла да се преведе като „Живият атлас на света”. Той представлява подбрана колекция от проекти съчетаващи географска информация, интерактивни визуализации, карти и дори инструменти позволяващи анализи създадени от различни организации или потребители в партньорство с ESRI. Те са групирани 11 теми: сателитни изображения; базови карти; исторически карти; демография и начин на живот; ландшафт; океани; наблюдения на Земята; градски системи; транспорт; граници и места; карти – разкази. Разнообразието от проекти е значително, както като брой, така и като съдържание.

Тук за илюстрация ще представим само един от тях – Ecological Tapestry of the World (URL: http://ecoexplorer.arcgis.com/eco/). „Екологичната тъкан на света” е проект на Американската геоложка служба (USGS) и ESRI, който представя най-детайлната до момента уеб-карта на глобалните екологични единици. Те представляват класификация на основни екологични характеристики на земната повърхност в четири категории: биоклимат, релеф, скална основа и тип земно покритие (фиг. 17). В резултат на тази класификация са поделени общо 3 639 единици за целия свят. В допълнение към него е създадена и своеобразна „разходка” с визуализации и информация за 75 територии по света известни с ландшафтната си специфичност.

 

URL: http://doc.arcgis.com/en/living-atlas/about/

Фиг. 18. „Обзор на Земята” в периода преди 60 млн. г.

 

Това приложение, което би могло да се преведе като „Обзор на Земята”, е предназначено да предостави визуална и интерактивна информация за геоложката история на Земята. Чрез него може да се осъществи виртуално връщане назад във времето и да се проследят измененията в обхвата на водните басейни и сушата, промяната в глобалните температури, концентрациите на кислород и въглероден диоксид в атмосферата, да се получи информация за значими събития свързани с масови измирания на видове, находища на вкаменелости и мн. др. (фиг. 18).

 

URL: http://www.hhmi.org/biointeractive/earthviewer-online-and-downloadable-version

Фиг. 19. Общ обзор на настройките на „Глобалния калкулатор” според един от сценариите на МАЕ

 

„Глобалният калкулатор” е един уникален инструмент с отворен код, който ни отвежда в бъдещето. Той е разработен с подкрепата на редица организации, водещи от които са Международният климатичен фонд (към правителството на Великобритания) и Климатичната общност за знания и иновации (Европейски институт за иновации и технологии на ЕС). Калкулаторът представлява глобален прогнозен модел на системата на енергетиката, земеползването и храните, който позволява да се правят собствени сценарии до 2050 г. за развитието на тези системи във връзка с климатичните изменения. Той е предназначен да подпомага научно-изследователските центрове, правителствените институции, неправителствените организации и бизнеса в постигането на бъдещо устойчиво развитие. Независимо, че е предназначен за ползване и от неексперти, работата с него изисква предварително запознаване и разучаване на функциите му, както и наличие на основни познания свързани с климата и с науките за Земята. От своя страна интерфейсът му е максимално опростен и интегриран с множество помощни препратки към подробна информация, комбинирана с графики и видео-ръководства. В него са вградени 26 на брой различни готови сценарии изготвени от различни институции и организации. Същевременно всеки потребител може да състави свой собствен сценарий за развитие задавайки определени входни параметри групирани в четири категории: начин на живот (пътуване, домове, хранителна диета), технологии и горива (транспорт, сгради, промишленост, улавяне и съхранение на въглерод, биоенергия, фосилни горива, ядрена енергия, възобновяема енергия), земя и храни (храни и земеползване), демография и дългосрочност (демография и емисии след 2050 г.). След като бъдат зададени тези входни параметри калкулаторът визуализира как те биха се отразили на глобалното развитие до 2050 г., като за целта той представя серия от графики, диаграми и карти, които дават възможност да се проследят различните аспекти на сценария (фиг. 19). Така съставения сценарий може да бъде сравняван с предварително вградените сценарии и техните параметри, както и да бъде споделен като уеб-връзка в мрежата.

 

URL: www.globalcalculator.org

 

 

Литература:

 

Anscombe F. 1973. Graphs in statistical analysis. – The American Statistician, 27 (1), 17-21.

Dodge M., McDerby M., Turner M. (eds). 2008. Geographic Visualization: Concepts, Tools and Applications. John Wiley & Sons.

Dykes J., MacEachren A., Kraak M.-J. (eds). 2005. Exploring Geovisualization. ICA, Elsevier.

Hey T., Tansley S., Tolle K. (eds). 2009. The Fourth Paradigm: Data-Intensive Scientific Discovery. Microsoft Research.

Meirelles I. 2013. Design for Information: An Introduction to the Histories, Theories, and Best Practices behind Effective Information Visualizations. Rockport Publ.

Miller H., Han J. (eds). 2009. Geographic Data Mining and Knowledge Discovery (2nd ed.). CRC Press.

Nisbet R., Elder J., Miner G. 2009. Handbook of Statistical Analysis and Data Mining Applications. AP, Elsevier.

 

Интернет източници (по реда на цитиране):

 

[url1] Data Skills in Geography: http://news.rgs.org/post/145009436548/data-skills-in-geography

[url2] Friendly M. (2006). A Brief History of Data Visualization: http://www.datavis.ca/papers/hbook.pdf

[url3] Friendly M. Gallery of Data Visualization: http://www.datavis.ca/gallery/index.php

[url4] Lengler R., Eppler M. (2007). The Periodic Table of Visualization Methods: http://www.visual-literacy.org/periodic_table/periodic_table.html

 

 

 

 


Европейска нощ на учените 2022 г.: