Paikkatieto ja sen uudet sovellukset

Maantieteellistä tietoa eli tietoa paikoista ja alueista on joka puolella. Jotta tätä tietoa voitaisiin tarkastella ja käsitellä, tarvitaan geomediaksi kutsuttuja materiaaleja ja työkaluja.

Käytämme geomediaa päivittäin, kun etsimme digikarttojen ja mobiilisovellusten avulla reittejä paikasta toiseen tai kun katsomme uutisista ja sosiaalisesta mediasta kuvamateriaaleja eri puolilta maailmaa. 

Jos tarvitsemme tietoa esimerkiksi maaston korkeussuhteista, kasvillisuudesta tai liikennemääristä, saamme tiedon käyttöömme parhaiten paikkatietoa hyödyntävien geomedia-työkalujen avulla.

Tässä luvussa tutustutaan geomedian eri muotoihin ja niiden sovelluksiin. Alla on esimerkki Esrin satelliittikuvakoosteesta. 

Karttatasot

Paikkatietojärjestelmän kartan sisältämä tieto on yleensä jaettu useaan karttatasoon (engl. layer). Tämä mahdollistaa kartan helpon muokkaamisen. Aineistosta voidaan valita näytettäväksi vain kyseisessä sovelluksessa tarvittavat tiedot eli karttatasot ja jättää tarpeeton tieto piiloon. Tämä mahdollistaa myös erilaisten ilmiöiden alueellisten riippuvuussuhteiden visuaalisen analysoinnin. Voidaan esim. ensiksi katsoa pelkkiä vesistöjä ja sitten lisätä näkyviin kaupungit, jolloin huomataan havainnollisesti, miten ne ovat sijoittuneet vesistöjen varteen.

Rasteri- ja vektorimuotoinen paikkatietoaineiston sijaintitieto

Digitaalinen kuva eli myös kartta-aineisto voi olla joko rasteri- tai vektorimuotoinen. Rasteriaineistossa kuva koostuu ruudukkomaisesti järjestelyistä kuva-alkioista eli pikseleistä. Rasterimuodon avulla voidaan esittää paljon sävyjä sisältäviä kuvia, kuten esimerkiksi satelliittikuvia. Rasteriaineiston huono puoli on se, että sitä voi suurentaa vain tiettyyn rajaan asti, jonka jälkeen kuva-alkiot eli pikselit tulevat selvästi näkyviin. Tätä ongelmaa voidaan vähentää liittämällä satelliittikuvia esittävään sovellukseen erilaisella tarkkuudella olevia satelliittikuvia niin, että kuvaa suurennettaessa avautuu uusi tarkempi kuva. Näin on toteutettu esim. Google Maps ja Google Earth.

Vektorimuotoinen aineisto taas ei kärsi suurentamisesta, koska se ei koostu pikseleistä, vaan kuvaelementit kuten viivat ja pisteet on mallinnettu matemaattisesti koordinaattiensa avulla. Esim. kartassa tie on vektorimuotoinen paikkatietoaineisto. Ominaisuustietona voi olla esim. tien nimi. Vektoriaineistolla voidaan kuvata alueita ja muita karttakohteita äärimmäisen tarkasti.

Satelliittipaikannus- eli GNSS-laitteet (Global Network Satelite System) ovat yleistyneet niin autolla suunnistamisessa kun retkeilyssäkin. Yleisin satelliittipaikannusjärjestelmä on GPS (Global Positioning System), jonka Yhdysvaltojen armeija kehitti alunperin omiin tarpeisiinsa. Nykyään järjestelmällä on myös paljon siviilisovelluksia. GPS perustuu Maata kiertäviin sateliitteihin, joita on yhteensä 24. 

Sateliitit lähettävät tarkkaa aikasignaalia yksilöllisellä radiotaajuudellaan. Ne ovat järjestetty niin, että vähintään neljä satelliittia on jatkuvasti näkyvissä missä tahansa pisteessä maapallon pinnalla. Kun pelkästään vastaanottimena toimiva GPS-laite saa esteettä tätä signaalia neljältä satelliitilta, se osaa laskea tarkan sijaintinsa maapallon pinnalla.

GPS ei ole ainoa paikannusjärjestelmä, vaan esim. Euroopassa on kehitetty oma paikannusjärjestelmä, Galileo.

On huomattavaa, että monet ilmaiset kartta- ja muut mobiilipalvelut tallentavat laitteesi sijaintitietoja. Tämän takia esim. Google voikin toimittaa sinulle tietoja ja valokuvia paikoista, joissa olet viimeisen kuukauden aikana käynyt ja joista olet ottanut valokuvia.

Kaukokartoitus on maan pinnalla olevien kohteiden ominaisuuksien mittaamista sähkömagneettisen aaltoliikkeen, kuten esimerkiksi valon tai lämpösäteilyn avulla ilman fyysistä kosketusta kohteeseen, esimerkiksi Maata kiertävään satelliitin tai lentokoneeseen tai droneen kiinnitetyn mittalaitteen avulla.

Passiivinen kuvaus havaitsee kohteen lähettämää lämpösäteilyä tai siitä heijastunutta Auringon säteilyä. 

Aktiiviset havaintoinstrumentit lähettävät havaittavaan kohteeseen sähkömagneettista säteilyä tietyllä aallonpituusalueella, kuten esimerkiksi laser-valoa ja havaitsevat sitten sensoreillaan tämän kohteesta heijastuneen säteilyn. Ne siis toimivat tutkan tavoin.

Laserkeilauksessa lentokoneesta tai dronesta lähetetään laserpulsseja, jotka heijastuvat kuvauskohteesta. Tällä menetelmällä saadaan tehokkaasti tarkkaa, kolmiulotteista tietoa maaston sekä esimerkiksi puuston ja rakennusten muodoista. Esimerkiksi Maanmittauslaitoksen tekemän laserkeilauksen tarkkuus on viisi pistettä neliömetriä kohden ja menetelmällä voidaan kartoittaa maanpinnan kohteiden korkeustietoa esimerkiksi 30 cm tarkkuudella. Näin voidaan muodostaa maanpinnan muodoista kolmiulotteinen korkeusmalli.

Laserkeilausta sovelletaan nykyään myös historian, tarkemmin sanottuna arkeologian tutkimukseen, koska sen avulla voidaan erottaa hyvin pieniä maanpinnan korkeuseroja, jotka paljastavat esimerkiksi kasvillisuuden peittoon jääneitä muinaisia asuinpaikkoja ja rakennusten pohjia.

Laserkeilaus on yksi nykyään hyvin monella alalla käytetyn Lidar- (light detection and ranging) eli valotutkateknologian sovellus. Se perustuu Lidar-skannerin lähettämän laservalon heijastumiseen kohteista ja rekisteröintiin valon palatessa skanneriin. Lidar-teknlogialla kohteita, kuten esimerkiksi rakennuksia voidaan skannata lentokoneen ja dronen lisäksi lähietäisyydeltä maan pinnalla olevan telineen päälle asennetulla lidar-laitteella. Lisätietoa Lidarin sovelluksista saat aihetta käsittelevästä Wikipedia-artikkelista.

Lentokoneesta käsin tehtävän ilmavalokuvauksen tavoitteena karttojen tekeminen sekä tiedon kerääminen maastossa tapahtuvista muutoksista. Karttojen pohjaksi tehdään useasta ilmakuvasta yhdistämällä laskennallisilla menetelmiä hyödyntäen ortokuvia, joissa ilmavalokuvan kaikki kuvapisteet näkyvät suoraan ylhäältä päin. Kun tavallisessa ilmavalokuvassa erottuvat esimerkiksi kuvan reunalla olevat rakennusten seinät, ortokuvassa näkyvät vain katot, kuten kartassakin. Ortokuvasta on poistettu myös maaston korkeuseroista johtuvat mittakaavaerot. Ortokuvien tekoa alkuperäisten ilmakuvien pohjalta kutsutaan orto-oikaisuksi.

Satelliitteja on monenlaisia. Niiden käyttötarkoitukset ja koko ja kiertoradat poikkeavat suuresti. Esim. televisiolähetyksiä välittävät geostationaariset satelliitit kiertävät Maata samalla nopeudella kuin Maa pyörii, kun taas eräät sääsatelliitit kulkevat melkein navalta navalle, mutta hiukan vinoon, ikään kuin lankaa kierrettäisiin kerälle. Ne kulkevat jokaisen maapallon pisteen yli, mutta saman paikan yli vain kahdesti vuorokaudessa.

Kaukokartoitukseen osallistuvat Maata ja ilmakehää tutkivat satelliitit. Niiden kameroilla ja mittauslaitteilla saadaan tietoa esimerkiksi hurrikaanien liikkeistä tai Itämeren sinilevä- eli syanobakteeritilanteesta. Satelliitteja ylläpitäviä organisaatiota ovat esimerkiksi yhdysvaltalaiset NASA (National Aeronautics and Space Administration) ja NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) sekä eurooppalainen avaruusjärjestö ESA (European Space Agency).

Satelliittikuvassa on digitaalista tietoa tietyltä alueelta eri aallonpituuksilla tutkittuna. Kuvauksessa voidaan käyttää näkyvän valon lisäksi esimerkiksi infrapuna- eli lämpösäteilyn aallonpituuksia ja sitten luoda eri aallonpituusalueiden aineistoa yhdistämällä väärävärikuvia. Analysoimalla eri vuosina samasta paikasta otettuja satelliittikuvia saadaan tietoa esimerkiksi maankäytön muutoksista tai ilmastonmuutoksen seurauksista alueella. Väärävärikuvissa korostetaan jotakin fysikaalista ilmiötä, eikä värien ole tarkoitus olla lähellä ihmissilmän näkemiä värejä. Oheisessa NASA:n ottamassa satelliittikuvassa n. 300 km² laajuinen metsäpaloalue erottuu punaisena, palamaton metsä vihreänä hakkuualue beigenä ja savu sinisenä.

Käteviä tapoja tutkia satelliittikuva-aineistoja eri puolilta maailmaa ovat esimerkiksi Googlen Maps ja Earth. Earthilla voi uusimpien kuvien lisäksi tarkastella myös eri alueiden maankäytön muutoksia vanhojen satelliittikuvien kautta timelapse-toiminnon avulla.

Satelliittikuvan tulkinta vaatii kenttämittauksia tai mallintamista. Kun saadaan mallinnettua satelliittikuvan infromaatio, esim. Itämeren satelliittikuvista voidaan mitata veden sameutta, pintalevien määrää, jääpeitettä ja niin edelleen.

Paikkatietoa kerätään ihmisten matkapuhelinten avulla automaattisesti heidän liikkuessaan GPS-paikantimella varustettujen puhelintensa kanssa. Esimerkiksi Google pyytää Mapsin käyttäjiltä luvan tallentaa anonyymiä tietoa heidän sijainnistaan reaaliaikaisesti ja koostaa tästä tiedosta lukuisia hyödyllisiä palveluita, kuten tiedon liikenneruuhkista navigoinnin avuksi sekä tiedon eri paikkojen ruuhkaisuudesta tiettyyn kellonaikaan. Matkapuhelinten sijaintitietoja keräävät myös puhelinoperaattorit, joilta voidaan saada tietoja myös tutkimustarkoituksiin. Esimerkiksi koronapandemian aikaan ihmisten liikkuminen väheni merkittävästi, mikä näkyi selkeästi puhelinoperaattorien paikannustiedoissa. 

Paikkatiedon keräämisessä ja tuottamisessa voidaan hyödyntää ihmisten vapaaehtoistyötä. Esimerkiksi OpenStreetMap-kartasto on tuotettu eri puolilla maailmaa asuvien vapaaehtoisten harrastajien voimin, mistä syystä se on kaikkien vapaasti käytettävissä ja erittäin ajantasainen. Myös kaupalliseen tuotteeseen Google Mapsiin käyttäjät ovat tuottaneet merkittävän osan tiedoista lisäämällä kohteita ja kuvia niistä kartoille. Tällaista ison ihmisjoukon yhteistyönä toteuttamaa tiedonhankinta- ja koostamistapaa kutsutaan joukkoistamiseksi. Nykyään myös tieto luonnononnettomuuksista ja niiden seurauksista leviää nopeiten ihmisten paikannetuista matkapuhelimistaan jakaman tiedon kautta.

Myös jakamistalouden sovellukset ja uudet liiketoimintamallit, kuten esimerkiksi kyytipalvelu Uber ja ruokalähettipalvelu Wolt hyödyntävät palvelujensa tuottamisessa keskeisesti paikkatietoa, kun järjestelmillä optimoidaan kuljettajien ja lähettien reittejä.

Paikantamiseen ja paikkatietojärjestelmiin perustuvat myös urheilusovellukset, jotka tallentavat esimerkiksi urheilukellolla kerättyä sijaintitietoa, jota käyttäjät voivat jakaa halutessaan keskenään tai julkiseksi. Esimerkiksi taustaltaan suomalainen yritys Suunto tarjoaa palvelua, jolla voi saada tietoa siitä, missä muut tietyn liikuntalajin harrastajat liikkuvat ns. heatmap-kartan avulla. 

Paikkatietojärjestelmillä on paljon sovelluksia niin yritysten ja virastojen kuin yksittäisten ihmistenkin toiminnassakin. Paikkatietojärjestelmien tärkeä sovellus on erilaisten suunnitelmien ja mallinnusten tekeminen. Jos suunnitellaan uutta tietä, paikkatietojärjestelmän avulla voidaan mallintaa melun ja saasteiden leviämistä tien ympäristöön. Ilmastonmuutoksen seurauksena nousevan meren pinnan aiheuttamien tulvien laajuutta voidaan simuloida maaston korkeustiedot sisältävällä paikkatietosovelluksella. Jos suunnitellaan ydinvoimalan radioaktiivisen jätteen sijoittamista kallioperään, voidaan paikkatietomallinnuksella tutkia, miten mahdolliset vuodot leviäisivät pohjavesiin.

Yritykset hyödyntävät paikkatietojärjestelmiä liiketoimintansa tehostamisessa ja voittojen maksimoinnissa. 

Yritys voi uutta toimipaikkaa suunnitellessaan tehdä paikkatietoanalyysin, jossa selvitetään etukäteen, kuinka paljon kyseisellä paikalla todennäköisesti liikkuu asiakkaita perustuen alueen väestötietoihin ja liikennevirtoihin. 

Kun yritys kuljettaa tuotteitaan, voidaan paikkatietojärjestelmällä optimoida jakeluautojen ajoreitit ja säästää polttoaine- ja kalustokustannuksissa.

Kun tähän reittien suunnitteluun liitetään vielä paikkatietojärjestelmään perustuva GPS-satelliittipaikannus jokaisessa ajoneuvossa, saadaan autot käytännössäkin kulkemaan suunniteltuja reittejä. Tällaisen autonavigaatiojärjestelmän avulla kuljetusyritys voi parhaimmillaan säästää jopa yli 10 % polttoainetta ja ajokilometrejä.

Yksityisille ihmisille paikkatietojärjestelmät tarjoavat internetin kautta laajan valikoiman palveluja, joilla voi suunnitella ajoreittejä ja hakea tietoa kiinnostavista paikoista. Esimerkiksi kaupungin opaskarttaan voidaan liittää ominaisuustietona tiedot nähtävyyksien aukioloajoista ja puhelinnumeroista. Asia, joka useimmille tulee mieleen, kun kuulee sanan paikkatietojärjestelmä, on varmaan GPS-paikannukseen perustuva autonavigointi. Autonavigaattori sisältääkin pienen tietokoneen ja paikkatieto-ohjelmiston, joka yhdistää reaaliaikaisen GPS-paikantimen tuottaman koordinaattitiedon laitteen muistissa olevien kohteiden sijainti- ja ominaisuustietoon.

Paikkatietojärjestelmien eli GIS:n hyödyntäminen on yksi nopeimmin kasvavista maantieteen ja tietotekniikan aloista. Muun muassa mobiililaitteiden valmistajat ja hakukoneyhtiöt tarjoavat paikkatietojärjestelmiin perustuvia sovelluksia: esimerkiksi reittipalvelut ja Internetin karttapalvelut (Google Maps, Bing Maps, Fonecta jne.).

Interaktiivisten digikarttojen taustalla on aina paikkatietojärjestelmä, jolla käsitellään karttakohteiden sijainti- ja ominaisuustietoja. Esimerkiksi Helsingin tuomiokirkon tarkat maantieteelliset koodinaatit ovat sen sijaintitieto. Kirkon nimi, rakennusvuosi ja käyttötarkoitus ovat taas sen ominaisuustietoja.

Suomessa paikkatietojärjestelmiä hyödynnetään tehokkaasti esimerkiksi metsätaloudessa. Metsänhoitaja tekee tietokoneensa paikkatietojärjestelmällä metsän hakkuusuunnitelma, joka perustuu tietoihin puuston ikärakenteesta, määrästä ja lajeista sekä alueella sijaitsevista suojeltavista kohteista kuten lähteistä. 

Metsäkoneen kuljettaja suorittaa hakkuun suunnitelman mukaisesti samaan paikkatietojärjestelmään langattomasti yhdistetyn satelliittipaikannuksella varustetun karttatietokoneensa opastuksella. 

Tukkirekan kuljettaja taas löytää koneurakoitsijan tekemät puupinot ja oikean ajoreitin rekkansa paikkatietojärjestelmän navigaation avulla.

Suomi 112 -sovellus kannattaa ladata omaan puhelimeen sen sovelluskaupasta. Hätätilanteessa saat sovelluksella soitettua helposti hätänumeroon 112 ja kerrottua sijaintisi automaattisesti puhelimen satelliittipaikannusta (GPS) hyödyntäen. 

Sovellus ilmoittaa sijaintisi hätäkeskukselle niin tarkasti, että sinut on helppo löytää. Sovellus kertoo sijaintisi leveys- ja pituuspiirien koordinaateilla. Oheisen kuvan esimerkissä 62° P tarkoittaa 62 astetta pohjoista leveyttä ja 22° I taas 22 astetta itäistä pituutta. 

Maantieteen hyvin hallitsevalle luvut kertovat heti, että oheinen näyttökaappauskuva sovelluksesta on otettu Suomessa, tarkemmin sanottuna Etelä-Pohjanmaalla.

Paikkatietokyselyitä teet varmasti usein, kun esimerkiksi etsit karttapalvelusta sopivaa ravintolaa tai kauppaa ja saat haun avulla käyttöösi liikkeiden sijainti- ja ominaisuustietoja.

Paikkatietoanalyyseissä yhdistellään eri tietokantojen tietoja.

Visuaalisessa analyysissä tulkitaan esimerkiksi päällekkäin asetettuja kartta-aineistoja katsomalla niitä.

Laskennalliset analyysit tuottavat esim. uuden kartan. Esimerkiksi maanpinnan ja kasvillisuuden korkeusmalleja voidaan hyödyntää näkyvyys- ja maisema-analyysissä: esim. minne näkyisi 150 m korkea tuulivoimala?

Kartografinen mallinnus (päällekkäisanalyysi): Esimerkiksi jos halutaan selvittää melko jyrkän jokirannan parhaat alueet asuntorakentamiselle, yhdistetään tietoja maaperästä, rinteen jyrkkyydestä ja saadaan tuotettua kartta, jossa alueiden sopivuus rakentamiselle on visualisoitu. Syksyn 2022 yo-kokeessa päällekkäisanalyysiä käytettiin tutkimalla matka-aikoja uimahalleihin ja kylpylöihin (7A), nopeusrajoituksia (7B) ja asukastiheyttä (7C) pääkaupunkiseudulla

Naapuruusanalyyseihin  kuuluvalla vaikutusalueanalyysillä eli puskurianalyysillä voidaan hakea alueet, joissa etäisyys kohteesta on annettua raja-arvoa pienempi. Pisteiden, viivojen ja alueiden ympärille voidaan laskea vyöhykealue (engl. buffer), jolla on tietty yhtenäinen ominaisuus. Esim. Helsinki-Vantaan lentokentän tai jonkin valtatien ympäristössä voi tutkia meluvyöhykkeitä ja niillä asuvien ihmisten lukumäärää. Voidaan selvittää esim. työpaikan suhteen sopivan asuinpaikan valintaa saavutettavuuden perusteella (matka ja aika eri reittejä pitkin). Pohjois-Savon potentiaalisia hiljaisia alueita on selvitetty puskurianalyysilla.