داده‌های مکانی و مدیریت داده ها

این پست ماهیت داده‌های مکانی را مورد بحث قرار می‌دهد، مفاهیم مربوط به ارجاع جغرافیایی، سیستم‌های مختصات جغرافیایی، پیش‌بینی‌های نقشه و سیستم‌های مختصات پیش‌بینی‌شده را معرفی می‌کند، مدل‌های داده و ساختارهای داده را برای نمایش و مدیریت داده‌های مکانی در رایانه‌ها مورد بحث قرار می‌دهد و مقدمه‌ای مختصر برای پایگاه‌های داده مکانی ارائه می‌کند. و مدیریت پایگاه داده

اهداف یادگیری

پس از مطالعه این پست شما باید بر مطالب زیر مسلط باشید :

1. توضیح مشخصات داده‌های مکانی
2. مفهوم سازی مکان جغرافیایی با شی ء و منظر میدان
3. درک مفاهیم مقیاس نقشه، تعمیم نقشه و تأثیرات آنها بر نمایش مکان جغرافیایی
4. درک چگونگی تعریف و اندازه گیری داده‌های مکانی در سیستم‌های مختصات جغرافیایی و پیش بینی شده
5. انتخاب نقشه‌های مناسب و سیستم‌های مختصات پیش بینی شده برای برنامه‌های کاربردی خاص GIS
6. شناسایی و تبدیل سیستم‌های ارجاع جغرافیایی مرتبط با داده‌های مکانی در GIS
7. اطلاع از نحوه نمایش، ساختار و سازماندهی داده‌های مکانی با استفاده از رایانه
8. درک تفاوت بین نمایش بردار و تصادفی و مقایسه مزایا و معایب آنها
9. درک نحوه مدیریت داده‌های مکانی در پایگاه داده‌های مکانی

۲-۱-ماهیت داده‌های مکانی

ویژگی منحصر به فرد GIS توانایی در مدیریت داده‌های مکانی است. داده‌های مکانی، توزیع مکانی ویژگی‌های جغرافیایی و خصوصیات آن‌ها را که در یک زمان خاص یا در طول دوره‌ای معین مشاهده یا اندازه‌گیری می‌شوند، توصیف می‌کند. به عنوان مثال داده‌های مکانی در شکل ۱-۱ فهرست برخی از سوابق رانش زمین که در استرالیا سال ۱۹۰۰ رخ داده است را نشان می‌دهد. هر رکورد شامل تاریخ، نوع و محل وقوع زمین لغزش است. محل با نام مکان و یک جفت عرض و طول جغرافیایی مشخص می‌شود. با مختصات عرض جغرافیایی و طول جغرافیایی (در بخش ۲-۲ بحث شده است) هر لغزش می‌تواند به طور دقیق واقع شده و روی نقشه ترسیم شود. نوع و نام مکان لغزش را می‌توان به عنوان دو ویژگی آن در نظر گرفت. تاریخ وقوع زمین لغزش بعد زمانی آن است. بنابراین داده‌های مکانی از سه مورد تشکیل شده است : اجزاء : مکان، ویژگی و زمان. مولفه مکان موقعیت و شکلها، ویژگیهای جغرافیایی را در سطح زمین تعریف می‌کند، مولفه ویژگیها یا مقادیر موضوعی ویژگیهای جغرافیایی را توصیف می‌کند  و مولفه زمان، زمان وقوع ویژگیهای جغرافیایی، اندازه گیری یا مشاهده  یا زمانی که داده‌های مکانی جمع آوری شده را نشان می‌دهد.

داده‌های مکانی ثبت شده بصورت سنتی، نشان داده و در نقشه‌ها ذخیره می‌شوند. داده‌های مکانی که ویژگی‌های سیاسی، اجتماعی، اقتصادی، فرهنگی، زیست‌محیطی و اکولوژیکی یک منطقه را توصیف می‌کنند اغلب در یک سری نقشه‌های موضوعی مانند نقشه‌های اداری، نقشه‌های جمعیتی، نقشه‌های کاربری اراضی، نقشه‌های حمل‌ونقل، نقشه‌های کاداستر، نقشه‌های خاک، نقشه‌های گیاهی، نقشه‌های زمین شناسی و نقشه‌های اکوسیستم نشان داده می‌شوند. GIS از نقشه‌ها به عنوان یکی از منابع اصلی داده‌های مکانی و وسیله ای برای نمایش و تجسم داده‌های مکانی و چارچوب مفهومی برای ساختار، سازماندهی، ذخیره، مدیریت و ویرایش داده‌های مکانی استفاده می‌کند. توابع اساسی تجزیه و تحلیل مکانی در GIS نیز تا حد زیادی بر اساس نقشه‌ها است. اگرچه ممکن است داده‌های مکانی از منابع دیگری مانند سنجش از دور، GPS، نقشه برداری و نمونه برداری نیز حاصل شود.

اولا داده‌های مکانی معمولاً مشاهده ای تا تجربی هستند (هینینگ، ۲۰۰۹). این بدان معناست که داده‌های مکانی کاملا در شرایط کنترل شده جمع آوری نمی‌شوند. آنها وقوع یا خصوصیات یک ویژگی جغرافیایی یا مجموعه ای از ویژگی‌های جغرافیایی را از طریق یک رویداد جمع آوری داده‌ها در مکانی در شرایط طبیعی یا موقعیت‌های طبیعی توصیف می‌کنند. مشاهدات لزوماً موجودیت‌های مستقلی نیستند و می‌توانند از طریق ویژگی‌هایی مانند زمان، مکان، هم جواری و ویژگی‌های جغرافیایی همزمان به هم مرتبط شوند. همه اینها پیامدهایی بر کیفیت داده‌های مکانی دارد (در بخش ۵-۳ مورد بحث قرار گرفته است).

ثانیاً داده‌های مکانی پیچیدگی دنیای واقعی را به شکل محدود از طریق فرایند خاص مفهوم سازی و بازنمایی نشان می‌دهند. غیرممکن است که داده‌های مکانی بتوانند تمام جزئیات بی نهایت جهان واقعی را به تصویر بکشند و نمای کامل و کاملی از ویژگی‌های جغرافیایی، خصوصیات و تغییرات مکانی آنها را ارائه دهند. ویژگی‌های جغرافیایی مشخص‌شده در داده‌های مکانی انتخاب و تعمیم داده می‌شوند و بر اساس روش خاصی که در آن مکان جغرافیایی مفهوم‌سازی می‌شود، نمایش داده می‌شوند (در زیر در این بخش بحث می‌شود).

سوم  همه داده‌های مکانی محل ویژگیهای جغرافیایی را با توجه به آنها به یک سیستم مختصات خاص که رابطه ای ثابت با سطح زمین دارد و شکل پیچیده زمین را در نظر می‌گیرد، ثبت می‌کنند. چنین سیستم مختصاتی را چارچوب اندازه گیری مکانی یا سیستم ژئورفرنسینگ می‌نامند. ممکن است سیستم‌های مختلف زمین مرجع بر اساس تعاریف یا مشخصات مختلف اندازه و شکل زمین ایجاد شوند (در بخش ۲-۲ بحث شده است). همه داده‌های مکانی در یک پروژه زیست محیطی باید دارای مرجع جغرافیایی و مطابق با یک سیستم جغرافیایی مرجع شناخته شده باشند تا بتوان آنها را مشاهده، نقشه برداری، جستجو، تجزیه و تحلیل و یکپارچه نمود. این ویژگی‌های خاص داده‌های مکانی قبل از استفاده مناسب برای حل مسائل با GIS باید کاملاً درک شوند.

مفهوم سازی مکان جغرافیایی

دو نما از مکان جغرافیایی وجود دارد : نمای شی و نمای میدان. نمای شیء وضعیت جغرافیایی را که توسط اجسام جداگانه پر شده است مفهوم سازی می‌کند. به عنوان مثال ما ممکن است مکان جغرافیایی یک شهر را که شامل بسیاری از اشیاء مجزا است مانند ساختمانها، خیابانها، بزرگراهها، راه آهن، رودخانه‌ها و نهرها، زمینهای ورزشی و پارکها را در نظر بگیریم. با توجه به شکل هندسی یا ابعاد یک شیء  ممکن است اشیاء را به اشیاء نقطه ای (مانند ساختمانهای جداگانه)، اشیاء خطی (مانند خیابانها و نهرها) و اشیاء منطقه ای (مانند پارکها و زمینهای ورزشی) لایه  بندی کنیم. آنها همچنین ویژگی‌های نقطه، خط و منطقه نامیده می‌شوند. ویژگیهای نقطه ای در مکانهای منفرد بدون طول قابل اندازه گیری، ویژگیهای خط دارای طول قابل اندازه گیری و ویژگیهای منطقه دارای سطح  قابل اندازه گیری هستند. نقشه درشکل ۲-۱ نمای شیئی از یک منطقه شهری در مرکز شهر آستین و تگزاس که در آن ساختمانهای کوچک با استفاده از نمادهای نقطه به عنوان ویژگی‌های نقطه ای هستند نشان داده می‌شوند. خیابانها، بزرگراهها، راه آهن و نهرها به عنوان ویژگیهای خط با استفاده از نمادهای خط نشان داده می‌شوند و مناطق ساخته شده، رودخانه و مناطق جنگلی به عنوان ویژگی‌های منطقه ای با استفاده از نمادهای سطحی نشان داده شده اند. همه اشیاء در نمای شی می‌توانند به طور دقیق واقع شوند، دارای مرزهای مشخص و قابل شمارش باشند. بیشتر پدیده‌های ملموس طبیعی و انسانی را می‌توان با نمای شی نمایش داد. داده‌های مکانی بر اساس نمای شی، مکآنها و ویژگی‌های هر شی قابل شناسایی را ثبت می‌کنند.

شکل ۲-۱- نمای شیء از مکان جغرافیایی

با این حال بسیاری از پدیده‌های محیطی در مکان جغرافیایی مانند زمین، دما، تراکم جمعیت و pH خاک را نمی‌توان با نمای شی تصور کرد. به عنوان مثال آیا می‌توانیم اجسام جداگانه ای را با مرزهای مشخص نشان داده شده از سطح زمین را در آن شناسایی کنیم؟ (شکل ۲-۲ a). مناطق کم ارتفاع و مرتفع و شیب صاف و شیبدار وجود دارد. اما چگونه می‌توانیم مرزهای آنها را مشخص کنیم؟ مفهوم سازی سطح زمین به عنوان مجموعه ای از اشیاء گسسته و قابل شمارش موثر نیست. در عوض ما سطح زمین را به عنوان یک سطح پیوسته در نظر می‌گیریم. این نما، نمای میدانی را نشان می‌دهد. به عبارت دیگر نمای میدانی مکان جغرافیایی را تحت پوشش سطوح مداوم قرار می‌دهد که در آن می‌توان مقادیر ویژگی را در هر مکان تعریف کرد. نمای میدانی مکان جغرافیایی را می‌توان با استفاده از نقشه کانتور مطابق شکل ۲-۲ b ارائه کرد ( خط کانتور، نقاط با ارزش مساوی را مرتبط می‌سازد) یا یک نقشه رستری  (شبکه ای از سلول‌ها به سادگی رستر نامیده می‌شوند) همانطور که در تصویر شکل ۲-۲ c نشان داده شده است. داده‌های مکانی مبتنی بر نمای میدانی، یک میدان را به تعداد محدودی از بیت‌های داده کاهش می‌دهد که سطح را با استفاده از تعداد محدودی از نقاط نمونه که در آن ویژگی ثبت می‌شود و می‌توان خطوط را از آن‌ها درون یابی کرد، یا با استفاده از شبکه‌ای از سلول‌ها نشان می‌دهد. که در آن مقادیر سلول نشان دهنده ویژگی است. سلولهای تشکیل دهنده رستر اغلب مربعهایی با اندازه یکسان هستند. (ما در بخش ۲-۳ و در مورد رسترها و interpolation بحث خواهیم کرد.

به ترتیب تصویر ۴-۵ سنجش از دور در واقع نمای میدانی از ناحیه ای را که پوشش داده ارائه می‌دهد. مفهوم سازی مکان جغرافیایی به عنوان میدان یا به عنوان  شی تا حد زیادی توسط ویژگی تعیین می‌شود.

برگرفته از کتاب کاربرد GISدر محیط زیست

ترجمه:سعید جوی زاده،شهناز تیموری،فاطمه حسین پور فرزانه