تجزیه و تحلیل جغرافیایی ۱: عملیات برداری

در پست قبلی با عنوان “ویژگی‌های داده‌ها و تجسم”، روش‌های مختلفی برای پرس‌وجو، طبقه‌بندی و خلاصه‌سازی اطلاعات در جداول عوارض مورد بررسی قرار گرفت. این روش‌ها برای درک روندهای کمی و کیفی پایه یک مجموعه داده ضروری هستند. با این حال، این روش‌ها بیشترین پتانسیل یک سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) را، به ویژه در زمینه روابط فضایی صریح، به کار نمی‌گیرند. تجزیه و تحلیل مکانی یک جزء اساسی از GIS است که امکان مطالعه عمیق ویژگی‌های توپولوژیکی و هندسی یک مجموعه داده یا چندین مجموعه داده را فراهم می‌آورد. در این فصل، تکنیک‌های اصلی تحلیل فضایی برای مجموعه داده‌های برداری مورد بحث قرار خواهد گرفت.

تجزیه و تحلیل تک لایه

هدف یادگیری

هدف این پست آشنایی با مفاهیم و اصطلاحات مربوط به تکنیک‌های تجزیه و تحلیل همپوشانی تک‌لایه‌ای است که برای تحلیل و دستکاری ویژگی‌های فضایی مجموعه‌ داده‌های ویژگی‌ برداری به کار می‌روند.

همانطور که از نام آن پیداست، تحلیل‌های تک‌لایه به بررسی یک مجموعه‌ داده از ویژگی‌های فردی می‌پردازند. به عنوان مثال، فرآیند “بافر” شامل ایجاد یک لایه چندضلعی خروجی است که ناحیه‌ای (یا مناطقی) با عرض مشخص در اطراف یک نقطه ورودی، خط یا ویژگی چندضلعی را در بر می‌گیرد. بافرها به ویژه برای تعیین ناحیه نفوذ اطراف ویژگی‌های خاص بسیار مناسب هستند.

ژئوپردازش (Geoprocessing) مجموعه‌ای از ابزارهاست که توسط بسیاری از بسته‌های نرم‌افزاری سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی (GIS) ارائه می‌شود و به کاربران این امکان را می‌دهد که بسیاری از وظایف روزمره مرتبط با دستکاری داده‌های GIS را خودکار کنند. پردازش جغرافیایی معمولاً شامل ورودی یک یا چند مجموعه داده ویژگی است که پس از آن یک تحلیل فضایی انجام شده و در نتیجه یک مجموعه داده ویژگی خروجی تولید می‌شود.

بافر کردن

بافرها ابزارهای رایج در تحلیل داده‌های برداری هستند که برای پاسخ به سوالات مرتبط با مجاورت در GIS استفاده می‌شوند و می‌توانند بر روی نقاط، خطوط یا چندضلعی‌ها اعمال شوند (شکل ۷٫۱ “بافرهای اطراف نقطه قرمز، خط و ویژگی‌های چندضلعی”).

به عنوان مثال، فرض کنید یک مدیر منابع طبیعی بخواهد اطمینان حاصل کند که هیچ منطقه‌ای در فاصله ۱۰۰۰ فوتی از زیستگاه پرورش مگس گل دوست دهلی سندز (Rhaphiomidas terminatus abdominalis) در معرض خطر انقراض فدرال قرار نگیرد. این گونه تنها در برخی سازندهای خاکی نادر دهلی سندز در غرب ایالات متحده یافت می‌شود. برای انجام این کار، می‌توان یک منطقه حفاظتی ۱۰۰۰ فوتی (بافر) در اطراف تمام نقاط مشاهده شده از این گونه ایجاد کرد.

از طرف دیگر، ممکن است مدیر منابع طبیعی تصمیم بگیرد که اطلاعات مکانی کافی در رابطه با این گونه نادر در دسترس نیست و ترجیح دهد از تمام سازندهای خاک دهلی سندز حفاظت کند. در این صورت، او می‌تواند یک بافر ۱۰۰۰ فوتی در اطراف تمام چندضلعی‌هایی که به عنوان «شن‌های دهلی» در مجموعه داده‌های سازندهای خاک برچسب‌گذاری شده‌اند، ایجاد کند. در هر دو حالت، استفاده از بافرها ابزاری سریع و کارآمد برای تعیین مناطقی است که باید به عنوان زیستگاه‌های حفاظت‌شده برای مگس در معرض خطر نگهداری شوند.

شکل ۷٫۱ بافرهای اطراف ویژگی های نقطه قرمز، خط و چند ضلعی

چندین گزینه برای اصلاح خروجی بافر وجود دارد. به عنوان مثال، ابزار بافر معمولاً فقط ویژگی‌های انتخاب شده را بافر می‌کند. اگر هیچ ویژگی انتخاب نشود، همه ویژگی‌ها بافر خواهند شد. دو نوع اصلی بافر در دسترس کاربران GIS عبارتند از: بافر با عرض ثابت و بافر با عرض متغیر. در بافرهای عرض ثابت، کاربران باید مقداری را وارد کنند که ویژگی‌ها بر اساس آن بافر می‌شوند (شکل ۷٫۱ “بافرهای اطراف نقطه قرمز، خط و ویژگی‌های چند ضلعی”)، مانند آنچه که در مثال‌های پاراگراف قبلی مشاهده شد. از سوی دیگر، بافرهای عرض متغیر، یک فیلد بافر از پیش ساخته شده را از جدول ویژگی فراخوانی کرده و عرض بافر را برای هر ویژگی خاص در مجموعه داده تعیین می‌کنند. (شکل ۷٫۲ “گزینه‌های بافر اضافی پیرامون ویژگی‌های قرمز: (الف) بافرهای عرض متغیر، (ب) بافرهای حلقه‌ای چندگانه، (ج) بافرهای دونات، (د) بافر عقب‌نشینی، (ه) بافر غیرحل‌شده، (f) بافر حل‌شده”).

علاوه بر این، کاربران می‌توانند مرزهای بین مناطق بافر متقابل و هم‌پوشانی را حل کنند یا آنها را حفظ کنند. بافرهای حلقه‌ای چندگانه می‌توانند به‌گونه‌ای ساخته شوند که یک سری مناطق بافر متحدالمرکز (مانند هدف تیراندازی با کمان) در اطراف ویژگی مبدا در فواصل مشخص شده توسط کاربر ایجاد شود (شکل ۷٫۲ “گزینه‌های بافر اضافی پیرامون ویژگی‌های قرمز: (الف) بافرهای عرض متغیر، (ب) بافرهای حلقه چندگانه، (ج) بافر دونات، (د) بافر عقب‌نشینی، (ه) بافر حل نشده، (f) بافر حل شده”).

در مورد لایه‌های چند ضلعی، بافرهایی می‌توان ایجاد کرد که ویژگی چند ضلعی مبدا را به‌عنوان بخشی از بافر شامل کنند یا به‌صورت یک بافر دونات ایجاد شوند که ناحیه چند ضلعی ورودی را حذف می‌کند. بافرهای عقب‌نشینی مشابه بافرهای دونات هستند، اما تنها ناحیه داخل مرز چند ضلعی را بافر می‌کنند. ویژگی‌های خطی را می‌توان در هر دو طرف خط، فقط در سمت چپ یا فقط در سمت راست بافر کرد. همچنین، ویژگی‌های خطی را می‌توان به‌گونه‌ای بافر کرد که نقاط انتهایی خط گرد (به نیم‌دایره ختم می‌شود) یا صاف (به مستطیل ختم می‌شود).

شکل ۷٫۲ گزینه های بافر اضافی پیرامون ویژگی های قرمز: (الف) بافرهای با عرض متغیر، (ب) بافرهای حلقه چندگانه، (ج) بافر دونات، (د) بافر برگشتی، (ه) بافر حل نشده، (و) بافر حل شده

عملیات پردازش جغرافیایی

«پردازش جغرافیایی» یک اصطلاح پرکاربرد در زمینه GIS است که به طور گسترده برای هر نوع دستکاری داده‌های GIS به کار می‌رود. با این حال، این اصطلاح به ویژه به دلیل کاربرد آن در مجموعه‌ای خاص از تکنیک‌های تحلیلی تک‌لایه و چندلایه در بسته نرم‌افزاری ArcView ESRI در اواسط دهه ۱۹۹۰ رایج شد. صرف‌نظر از این پیش‌زمینه، ابزارهای پردازش جغرافیایی موجود در یک GIS، بسیاری از فرآیندهای مدیریت و دستکاری داده‌های ویژگی برداری را به‌طور چشمگیری ساده‌سازی و گسترش می‌دهند. استفاده اصلی از این ابزارها، خودکارسازی نیازهای پیش‌پردازش مکرر تحلیل‌های فضایی معمولی و ایجاد نمایش‌های گرافیکی دقیق برای تجزیه و تحلیل‌های بعدی و یا گنجاندن آن‌ها در ارائه‌ها و محصولات نقشه‌برداری نهایی است. عملیات‌هایی مانند اتحاد، تقاطع، تفاوت متقارن و سایر تکنیک‌های پردازش زمینی چندلایه معمولاً در این زمینه استفاده می‌شوند. در اینجا، رایج‌ترین ابزارهای پردازش جغرافیایی معرفی می‌شود.

عملیات انحلال ویژگی‌های چندضلعی مجاور را در یک مجموعه داده مشخصه بر اساس ویژگی‌های از پیش تعیین‌شده ترکیب می‌کند. به عنوان مثال، قسمت (الف) شکل ۷٫۳ “توابع پردازش جغرافیایی تک لایه” مرزهای هفت قطعه زمین مختلف را نشان می‌دهد که متعلق به چهار خانواده متفاوت است (با برچسب‌های ۱ تا ۴). ابزار dissolve به طور خودکار ویژگی‌های مجاور را با مقادیر مشخصه یکسان ترکیب می‌کند. نتیجه این عملیات یک لایه خروجی است که وسعت اولیه خود را حفظ می‌کند، اما از بخش‌های خط غیرضروری و میانجی خالی می‌شود. تفسیر بصری لایه خروجی حل‌شده، زمانی که نقشه بر اساس ویژگی حل‌شده طبقه‌بندی می‌شود، بسیار آسان‌تر خواهد بود.

عملیات الحاق یک لایه چندضلعی خروجی را با ترکیب وسعت فضایی دو یا چند لایه ایجاد می‌کند (قسمت (د) شکل ۷٫۳ “توابع پردازش جغرافیایی تک لایه”). برای استفاده با مجموعه داده‌های نقطه، خط و چندضلعی، لایه خروجی همان نوع ویژگی لایه‌های ورودی خواهد بود (که هرکدام باید از نوع ویژگی یکسانی برخوردار باشند). برخلاف ابزار dissolve، ابزار append خطوط مرزی بین لایه‌های الحاقی را حذف نمی‌کند (در مورد خطوط و چندضلعی‌ها). بنابراین، معمولاً پس از استفاده از ابزار append، لازم است یک عملیات dissolve برای حذف خطوط جداکننده غیرضروری انجام شود. ابزار append بیشتر برای لایه‌های داده‌ای مانند نقشه‌های توپوگرافی ۷٫۵ دقیقه‌ای سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS) کاربرد دارد تا نقشه واحدی برای تجزیه و تحلیل یا نمایش ایجاد کند.

عملیات انتخاب یک لایه خروجی را بر اساس یک پرس و جوی تعریف‌شده توسط کاربر ایجاد می‌کند که ویژگی‌های خاصی را از لایه ورودی انتخاب می‌کند (قسمت (f) شکل ۷٫۳ “توابع پردازش زمینی تک لایه”). لایه خروجی فقط شامل ویژگی‌هایی است که در طول پرس و جو انتخاب شده‌اند. به عنوان مثال، یک برنامه‌ریز شهری ممکن است انتخابی را برای تمام مناطق «مسکونی» انجام دهد تا بتواند به سرعت ارزیابی کند که کدام مناطق در شهر برای توسعه مسکن پیشنهادی مناسب هستند.

عملیات ادغام عوارض را در یک لایه نقطه، خط یا چندضلعی به یک ویژگی واحد با اطلاعات عارضه یکسان ترکیب می‌کند. گاهی اوقات ویژگی‌های مشابه برای یک عارضه خاص مقادیر متفاوتی دارند. در این حالت، اولین مشخصه‌ای که با آن مواجه می‌شوید به جدول ویژگی منتقل می‌شود و سایر ویژگی‌ها نادیده گرفته می‌شوند. این عملیات به‌ویژه زمانی مفید است که چندضلعی‌ها به‌طور ناخواسته با هم تداخل دارند. ابزار merge به راحتی این ویژگی‌ها را در یک موجودیت واحد ترکیب می‌کند.

شکل ۷٫۳ توابع پردازش جغرافیایی تک لایه

خوراکی های کلیدی

بافرها اغلب برای ایجاد مناطق با عرض مشخص در اطراف نقاط، خطوط و چند ضلعی ها استفاده می شوند.

گزینه های بافر برداری شامل عرض های ثابت یا متغیر، حلقه های متعدد، دونات ها، عقب نشینی ها و حل شدن هستند.

عملیات پردازش جغرافیایی تک لایه رایج در لایه های برداری شامل حل کردن، ادغام، الحاق و انتخاب است.

تمرینات

گزینه های مختلف بافر موجود در GIS را فهرست و توصیف کنید.

چرا ممکن است از عملیات های مختلف پردازش جغرافیایی برای پاسخ به سؤالات فضایی مرتبط با رشته تحصیلی خاص خود استفاده کنید؟