مدلهای داده مکانی
داده‌های مکانی مطابق مدلهای داده‌های مکانی خاص در GIS ذخیره و نگهداری می‌شوند. مدل داده مکانی مجموعه ای از مفاهیم برای توصیف چگونگی نمایش داده‌های مکانی ویژگیهای جغرافیایی ، و نحوه ساختار ، ارتباط و سازماندهی داده‌های مکانی است. سه نوع مدل داده مکانی در سیستم‌های نرم افزاری GIS مورد استفاده قرار می‌گیرد: مدلهای رستر، وکتور و رستری و شی گرایی.
مدل داده وکتور
مدل داده وکتور بر اساس نمای شیء از مکان جغرافیایی است. مفاهیم اساسی مدل داده شامل کلاس‌های ویژگی، مختصات نقطه، خصوصیات، روابط توپولوژیکی و روابط ویژگیها و خصوصیات است. کلاس ویژگی مجموعه ای از ویژگیهای جغرافیایی از نوع هندسی یکسان (نقطه، خط و سطحی) با مجموعه ای از ویژگیها است. صفات یک ویژگی جغرافیایی دارای مقادیری است که ویژگی را توصیف می‌کند. مدل داده برداری به طور معمول داده‌های مکانی را به عنوان کلاس‌های ویژگی ذخیره می‌کند. به عنوان مثال کلاس ویژگی نقطه ای ممکن است ایستگاه‌های هواشناسی را به عنوان نقاطی با مقادیر مشاهده شده مجموعه ای از متغیرهای هواشناسی در یک دوره زمانی معین نشان دهد، کلاس ویژگی خط ممکن است جریآنهایی را با مجموعه ای از ویژگیهای جریان (مانند طول رسیدن، ارتفاع، گرادیان، حرکات موجی و عمق برش زیرین) و کلاس ویژگی چند ضلعی ممکن است نشان دهنده قطعات زمین با انواع کاربری زمین باشد.
شکل 2-18 داده‌های مکانی که مکانهای ویژگیهای جغرافیایی را با مدل داده‌های برداری توصیف می‌کنند
مختصات نقطه ای برای تعیین مکان ویژگیهای جغرافیایی در هر کلاس ویژگی استفاده می‌شود. مکان یک ویژگی نقطه ای با استفاده از یک جفت مختصات (به عنوان مثال، طول و عرض جغرافیایی، یا شرق و شمال) تعریف می‌شود. مکان یک ویژگی خط با استفاده از مجموعه ای از نقاط مرتب ثبت می‌شود که هر یک با استفاده از یک جفت مختصات تعریف می‌شوند. شکل ویژگی خط با یک خط چندگانه تقریبی است که نقاط مرتب شده را با خطوط مستقیم پیوند می‌دهد. مکان ویژگی ناحیه با استفاده از یک سری محصور از نقاط مرتب شده مشخص می‌شود که نقطه شروع و پایان آن یک نقطه است و مرز یا شکل آن توسط یک چند ضلعی که با پیوند دادن این نقاط تشکیل می‌شود، تقریبی می‌شود. شکل 2-18نشان می‌دهد که چگونه مکانهای ویژگی نقطه، خط و سطح با مختصات نقطه در مدل داده بردار تعریف می‌شوند.
روابط توپولوژیکی به روابط مکانی بین ویژگیهای جغرافیایی مجاور یا همسایه اشاره دارد : زمانی که آنها بدون تغییر باقی می‌مانند.
بر روی نقشه از سطح زمین، یا زمانی که نقشه کشیده، خم یا مخدوش می‌شود، نمایش داده می‌شوند (کوربت، 1979). سه رابطه توپولوژیکی که اغلب در داده‌های مکانی رمزگذاری می‌شوند عبارتند از : مجاورت، اتصال و مهار. اگر دو ویژگی دارای مرز مشترک باشند، گفته می‌شود که مجاور هستند، مانند جنگل و علفزار در شکل 2-19 a . اگر یک ویژگی به طور کامل در ویژگی دیگری موجود باشد دارای محدودیت ارتباط هستند،ربه عنوان مثال دریاچه در مراتع در شکل 2-19 a قرار دارد. شکل 2.19b نمونه ای از اتصال را نشان می‌دهد که در آن پیوندهای یک شبکه خط لوله در گره‌ها به یکدیگر متصل می‌شوند. اتصال را می‌توان برای دنبال کردن یک مسیر در امتداد یک شبکه (مانند شبکه جریان، شبکه فاضلاب یا شبکه جاده) استفاده کرد. اطلاعات توپولوژیکی را می‌توان به طور صریح یا ضمنی در داده‌های مکانی نشان داد.
در سیستم‌های اولیه GIS، داده‌های مکانی در مدل داده‌های وکتوری (که به سادگی داده‌های بردار نامیده می‌شوند) حاوی اطلاعات توپولوژیکی مشخصی نیستند. آنها از داده‌های غیر توپولوژیکی برای ذخیره و سازماندهی داده‌های بردار در رایانه استفاده کردند. ساده ترین ساختار داده‌های غیر توپولوژیکی، اسپاگتی نقشه نگاری است (پئوکوئت ، 1984). همانطور که در تصویر شکل 2-18 نشان داده شده است هر ویژگی جغرافیایی را به عنوان رشته ای از جفت مختصات نشان می‌دهد و مختصات همه ویژگیهای جغرافیایی را به صورت متوالی در یک فایل واحد ذخیره می‌کند، از یک پرچم یا کد برای نشان دادن پایان یک ویژگی استفاده می‌کند. این ساختار هیچ ویژگی و هیچ ارتباط مکانی ندارد. فایل شکل در حال حاضر یک ساختار داده غیر توپولوژیکی پرکاربرد است (ESRI 1998). در فایل شکل، ویژگی نقطه با یک راس، که توسط یک جفت مختصات تعریف شده است نشان داده می‌شود. ویژگی خط یا چندخط با یک دنباله مرتب از رئوس نشان داده می‌شود که توسط پاره‌های خط غیر منشعب به هم متصل می‌شوند. سطح یا ویژگی چند ضلعی با یک یا چند حلقه هندسی نشان داده می‌شود. هر حلقه هندسی دنباله ای متصل از رأس است که یک حلقه بسته و غیر متقاطع را تشکیل می‌دهد. حلقه هندسی که نشان دهنده یک چند ضلعی واحد است یک سازگار را حفظ می‌کند، ترتیب رأس‌ها در جهت عقربه‌های ساعت به طوری که ناحیه سمت راست (همانطور که فرد در امتداد مرز به ترتیب راس راه می‌رود) در داخل چند ضلعی و چپ در خارج قرار دارد. حفره‌های چند ضلعی با حلقه‌های هندسی نشان داده می‌شوند که رئوس آنها در خلاف جهت عقربه‌های ساعت هستند. فایل شکل هم هندسه غیر توپولوژیکی را ذخیره می‌کند و هم اطلاعات ویژگیهای جغرافیایی را در یک لایه داده ذخیره می‌کند ( کادر 2-3 را ببینید). داده‌های ویژگی در قالب یک جدول یا صفحه گسترده ساخته شده است که در آن یک سطر یا رکورد مربوط به یک ویژگی جغرافیایی است و یک ستون مقادیر یک ویژگی را ذخیره می‌کند. چنین جداول را جداول ویژگی نیز می‌نامند. داده‌های ویژگی و داده‌های هندسی توسط GIS از طریق شناسه‌های ویژگی پیوند داده می‌شوند.
شکل 2-19 روابط توپولوژیکی : (الف) هم جواری و مهار و (ب) ارتباط
| کادر 2-3 شکل فایل ESRI |
| فنی |
| فایل، فایل داده‌های مکانی را در سه فایل اصلی و چندین فایل اختیاری ذخیره می‌کند. همه نام فایلها از قرارداد نامگذاری 8-3 پیروی می‌کنند : یک پیشوند نام فایل با هشت کاراکتر، یک نقطه و یک پسوند نام فایل سه کاراکتری مانند ‘shp’. همه فایلها دارای پیشوند یکسانی هستند و باید در یک پوشه قرار داشته باشند. |
| فایلهای اصلی |
| سه فایل اصلی شامل موارد زیر است: |
| 1) فایل shp این فایل اصلی است که داده‌های هندسی اولیه، از جمله انواع شکل یا کلاس‌های ویژگی و مختصات نقطه (بر حسب x و y) را ذخیره می‌کند. هر ویژگی دارای ضبط مختصات است. |
| 2) فایل .shx این فایل فهرست است که نمای موقعیتی (طول افست و طول محتوا) هر رکورد مختصات را در فایل .shp ذخیره می‌کند تا مختصات یک ویژگی به سرعت بازیابی شود. |
| 3) فایل .dbf این جدول dBASE است ، داده‌های ویژگی را برای هر ویژگی در قالب dBase IV ذخیره می‌کند که می‌تواند در Microsoft Excel ویرایش شود. هر رکورد ویژگی دارای ارتباط یک به یک با رکورد ویژگی مرتبط در فایلهای .shp و .shx است. |
| فایلهای اختیاری |
| سه فایل اختیاری زیر اغلب در یک shapefile گنجانده می‌شود : |
| 4) فایل .prj فایل طرح ریزی است که سیستم مختصات و اطلاعات طرح ریزی را در قالب متن ساده ذخیره می‌کند. به عنوان مثال |
| PROJCS[″Africa_Albers_Equal_Area_Conic″, |
| GEOGCS[″GCS_WGS_1984″, |
| DATUM[″D_WGS_1984″,SPHEROID[″WGS_1984″,6378137.0,298.257223563]], |
| PRIMEM[″Greenwich″,0.0], |
| UNIT[″Degree″,0.0174532925199433]], |
| PROJECTION[″Albers″], |
| PARAMETER[″False_Easting″,0.0], |
| PARAMETER[″False_Northing″,0.0], |
| PARAMETER[″Central_Meridian″,24.0], |
| PARAMETER[″Standard_Parallel_1″,-18.0], |
| PARAMETER[″Standard_Parallel_2″,-32.0], |
| PARAMETER[″Latitude_Of_Origin″,0.0], |
| UNIT[″Meter″,1.0]] |
| 5) فایلهای .sbn و .sbx، دو فایل فهرست مکانی هستند که شامل فهرست مکانی ویژگیهای جغرافیایی هستند. فایل .sbn (سطوح فضایی) ناحیه ای را که داده‌ها پوشش می‌دهد به مناطق مستطیلی (bin) تقسیم می‌کند. هر سطل شامل اعداد رکورد ویژگیهای فایل .shp است که در ناحیه آن قرار می‌گیرند. فایل .sbx (فهرست bin فضایی) حاوی ردیف‌هایی است که هر ردیف تعداد رکورد و طول رکورد bin مربوطه را در فایل .sbn به بایت ذخیره می‌کند. |
| 6) فایل .shp.xml – این فایل فراداده است که حاوی اطلاعاتی در مورد ویژگیهای اصلی لایه داده در قالب XML است که ممکن است شامل شناسایی، گستردگی، کیفیت، ارجاع جغرافیایی و نگهبان مجموعه داده باشد. |
| ساختارهای داده ای غیر توپولوژیکی، ویژگیهای جغرافیایی را به صورت اجسام منفرد و مکانی غیر مرتبط ذخیره می‌کنند. بنابراین چند ضلعی‌های مجاور که دارای مرزهای مشترک هستند، رأس‌های مشترک را تکرار می‌کنند که ممکن است هنگام ساده سازی یک مرز ، شکاف ایجاد کرده و با هم همپوشانی داشته باشند. روابط توپولوژیکی بین ویژگیهای جغرافیایی با محاسبه تقاطع‌های مکانی آنها با استفاده از برنامه‌های رایانه ای ایجاد می‌شود (تئوبالد، 2001). بسیاری از بسته‌های GIS رومیزی به دلیل سادگی (ساختار فایل ساده)، قابلیت همکاری (انتقال آسان داده‌ها بین بسته‌های نرم افزاری مختلف GIS) و در دسترس بودن الگوریتم‌های کامپیوتری کارآمد که می‌توانند برای ایجاد توپولوژی در حال پرواز استفاده شوند، از ساختار داده‌های غیر توپولوژیکی پشتیبانی می‌کنند. |
| ساختار داده‌های توپولوژیکی به صراحت روابط توپولوژیکی را همراه ویژگیهای مجاور ذخیره می‌کند. آنها ویژگی نقطه را با یک جفت مختصات، ویژگی خط به عنوان یک قوس یا زنجیره و چند ضلعی را به عنوان یک دنباله سطح از سطح‌های متصل نشان می‌دهند. سطح یک خط چند خطی است که از دنباله ای از رأس‌های مرتب شده (شکل 2-20). نقاط انتهایی یک کمان گره نامیده می‌شود. نقطه شروع یک کمان از گره است و نقطه پایانی به گره است. جهت یک کمان ترتیب رئوس از گره به گره است. ساختارهای داده توپولوژیکی هر سه رابطه توپولوژیکی را که در شکل 2-19 نشان داده شده است، توصیف می‌کنند. ساختار داده توپولوژیکی معمولی از قوس به عنوان پایه ای برای ذخیره سازی داده‌ها استفاده می‌کند. شکل 2-20 ساختار داده توپولوژیکی برای ویژگیهای خط را نشان می‌دهد. مختصات قوس هندسه ویژگیهای خط را تعریف می‌کند و توپولوژی قوس گره اتصال را توصیف می‌کند. قوس‌های متصل در گره‌های مشترک قطع می‌شوند. به عنوان مثال درشکل 2-20 قوس‌های 1 ، 2 و 3 همه در گره 2 ، کمآنهای 3 ، 4 و 5 در گره 4 به هم متصل شده‌اند اما قوس‌های 4 و 5 به دلیل عدم وجود یک گره مشترک، مستقیماً با کمان 1 و 2 متصل نیستند. |
| ساختار داده‌های توپولوژیکی برای ویژگیهای منطقه در نشان داده شده است شکل 2-21 جایی که یک ناحیه یا چند ضلعی به صورت دنباله منظم قوس نشان داده می‌شود. به طور مشابه مختصات قوس هندسه ویژگیهای منطقه را تعریف می‌کند. توپولوژی کمان – چند ضلعی نشان می‌دهد که کدام چند ضلعی از کدام کمان تشکیل شده است و نشانه‌هایی از مهار را ارائه می‌دهد، در حالی که توپولوژی چپ – راست هم جواری را توصیف می‌کند. به عنوان مثال در شکل 2-21 توپولوژی چپ-راست نشان می‌دهد که چند ضلعی 1 در سمت چپ کمان 1 و چند ضلعی 2 در سمت راست آن است. بنابراین چند ضلعی 1 در هم جواری چند ضلعی 2 است. هر کمان در دو چند ضلعی به عنوان مرز مشترک آنها ظاهر می‌شود. این اطمینان می‌دهد که مرزهای چند ضلعی‌های مجاور فقط یکبار ذخیره می‌شوند و با هم همپوشانی ندارند، بنابراین از تکرار در دیجیتالی شدن مرزهای مشترک دو چند ضلعی جلوگیری می‌شود و مشکلات زمانی حل می‌شود که دو نسخه مرز مشترک با هم منطبق نباشند. توجه داشته باشید که ناحیه خارج از مرز منطقه مورد مطالعه به عنوان چند ضلعی صفر برچسب گذاری می‌شود که اغلب به آن چند ضلعی خارجی یا جهانی می‌گویند. |
شکل 2-20 ساختار داده توپولوژیکی برای ویژگیهای خط
شکل 2-21 ساختار داده توپولوژیکی برای ویژگیهای منطقه
توپولوژی چند ضلعی-قوس در شکل 2.21 نشان می‌دهد که چند ضلعی 4 یک چند ضلعی ایزوله است زیرا توسط یک قوس منفرد (قوس 4) تشکیل شده است. از سوی دیگر، چند ضلعی 3 از کمان‌های 2، 3، 5 و 4 تشکیل شده است (صفر قبل از 4 نشان می‌دهد که قوس 4 جزیره ای را در چند ضلعی تشکیل می‌دهد). بنابراین استنباط می‌شود که چند ضلعی 4 در چند ضلعی 3 قرار دارد.
ساختار داده‌های توپولوژیکی ذخیره داده‌ها را برای ویژگیهای منطقه کاهش می‌دهد زیرا مرزها یا قوس‌ها بین چند ضلعی‌های مجاور دوبار ذخیره نمی‌شوند، روابط توپولوژیکی صریح را حفظ می‌کنند و عملکرد تجزیه و تحلیل هم جواری را بهبود می‌بخشند. مانند ساختار داده‌های غیر توپولوژیکی، آنها داده‌های ویژگی را در جداول توصیفی و ویژگی ذخیره می‌کنند و داده‌های ویژگی و هندسه را از طریق شناسه‌های ویژگی پیوند می‌دهند. ساختارهای داده توپولوژیکی که در بالا توضیح داده شد در پوشش ArcInfo یا به سادگی پوشش می‌شوند، یکی از چندین فرمت داده‌های مکانی پشتیبانی شده توسط ArcGIS استفاده می‌شود (کادر 2-4). سایر ساختارهای داده توپولوژیکی معروف عبارتند از POLYVRT (Peucker and Chrisman 1975) ، DIME (Peucker and Chrisman 1975) و TIGER (Marx 1990).
| کادر 2-4 پوشش ArcInfo
تکنیک پوشش شامل مجموعه ای از فایلها است که اطلاعات هندسی، توپولوژیکی و ویژگیهای مربوط به مجموعه ای از کلاس‌های ویژگی را ذخیره می‌کند. همه فایلها در فهرست راهنمای تحت عنوان نام پوششی ذخیره می‌شوند که باید کوتاهتر از چهارده نویسه باشند، فاقد فاصله، بدون پسوند و با همه حروف کوچک باشد. مجموعه ای از پوشش‌ها مکان کاری نامیده می‌شود. شکل 2-22 نمونه ای از مکان کاری حاوی چندین پوشش را نشان می‌دهد. هر مکان کاری دارای یک پایگاه داده INFO (یک پایگاه داده رابطه ای است که می‌تواند به عنوان مجموعه ای از جداول درک شود ( بخش 2-4 را ببینید) که در فهرست INFO ذخیره می‌شود. ویژگیهای یک پوشش در یک رابطه یک به یک با رکوردهای مربوطه در جدول توصیفی مکانی وجود دارد. هر فایل adf در یک پوشه پوششی با یک جفت فایل dat و nit در دایرکتوری INFO مرتبط است. فایل arc.dir در دایرکتوری INFO ثبت می‌کند که کدام جفت فایل dat و nit مربوط به کدام فایل adf است. جداول توصیفی ویژگی در فایلهای adf در فهرست‌های پوشش ذخیره می‌شوند. سایر ویژگیها در جداول در پایگاه داده INFO ذخیره می‌شوند ویژگیهای یک پوشش در یک رابطه یک به یک با سوابق مربوطه در جدول توصیفی مکانی وجود دارد. هر فایل .adf در پوشه پوشش با یک جفت فایل .dat و .nit در فهرست INFO مرتبط است. |
شکل 2-22 نمونه ای از مکان کاری پوشش
جدول 2-3 فایلهای متداول مورد استفاده برای ذخیره پوشش
جدول 2-3 فایلهای رایج مورد استفاده برای ذخیره پوشش برای کلاس‌های ویژگی نقطه، قوس (خط) و چند ضلعی (منطقه) را فهرست می‌کند. همچنین پرونده‌ها را برای تیک‌ها و میزان پوشش ذکر می‌کند. تیک‌ها نقاط کنترلی هستند که برای جغرافیایی و تغییر مختصات در یک پوشش استفاده می‌شوند. آنها اجازه می‌دهند مختصات پوشش در یک سیستم مختصات مشترک ثبت شوند. تیک‌ها برای ثبت صفحات نقشه هنگام دیجیتالی شدن و ویرایش و تبدیل مختصات از واحدهایی مانند سانتی متر دیجیتایزر به مختصات دنیای واقعی مانند متر UTM مهم هستند. میزان پوشش، محدوده بیرونی پوشش را مشخص می‌کند. این حداقل مستطیل محدود کننده است که محدوده مختصات (یعنی حداقل و حداکثر مختصات x ، y) پوشش را مشخص می‌کند.
پوشش یک فرمت داده مکانی اختصاصی قدیمی است که توسط ArcGIS پشتیبانی می‌شود. فقط داده‌های جداول ویژگی ویژگی برای کاربران قابل دسترسی است. سایر فایلها در فرمت باینری هستند و به صورت خودکار توسط ArcGIS نگهداری می‌شوند. با این حال، کاربران نیازی به دانستن فایلهای مورد استفاده ندارند. آنها فقط باید بفهمند که کدام کلاس‌های ویژگی در یک پوشش وجود دارند و چه ویژگیهای جغرافیایی را نشان می‌دهند.
بدون دیدگاه