توضیحات

مقدمه­ای بر آمار فضایی در ArcGIS

1-1 مقدمه

آمار فضايي1 مجموعه‌ای از روش‌های اکتشافی برای توصیف و مدل­سازی توزیع فضایی، الگوها، فرآیندها و روابط است. اگر چه آمار فضایی شبیه به آمار کلاسیک است، اما آمار فضايي روابط فضایی را نيز در محاسبات ادغام می‌کند. در آمار فضایی معمولاً انتظار می­رود بین پدیده­های مجاور رابطه نسبتاً قابل توجهی وجود داشته باشد (مارتينز² و همکاران، 2016). از این­رو در آمار فضایی، نزدیک بودن³ پدیده­ها موضوع مهمي است. پديده­هايي که نزدیکتر هستند ارتباط بیشتری با هم دارند. این شاخه از آمار می­کوشد تا بین مقادیر مختلف یک متغیر، فاصله و جهت­گیري آن­ها ارتباط برقرار کند. این ارتباط فضایی، ساختار فضایی⁴ نام دارد. موقعیت مکانی، تأثیرپذیری مکانی و به کارگیری نقشه از موضوعات مهم در آمار فضایی محسوب می­شود (جوی­زاده و همکاران، 1396). ArcGIS Desktop داراي جعبه ابزار آمار فضايي⁵ است که در تمام سطوح تحت مجوز اين نرم­افزار قابل دسترس است. در این جعبه ابزار، ابزارهايي براي تحلیل توزیع فضایی، الگوها، خوشه­بندی و روابط موجود در مجموعه داده‌های GIS گنجانده شده است. در کتاب حاضر هر کدام از ابزارهای ارائه شده در جعبه ابزار آمار فضايي مورد بحث و بررسي قرار مي­گيرد.

در اين فصل موضوعات زير مورد بررسي قرار خواهد گرفت:

– مقدمه‌ای بر آمار فضایی؛

– معرفی نرم­افزار ArcGIS؛

– مرور اجمالی بر قابلیت­های نرم­افزاری ArcGIS؛

– مرور اجمالي جعبه ابزار آمار فضایی در ArcGIS؛

1-2 مقدمه­ای بر آمار فضایی

با چند تعریف از آمار فضایی شروع مي­کنيم. فرهنگ لغت GIS که در آدرس زير در دسترس است:

Http://gisgeography.com/GIS-Dictionary-Definition-glossary

آمار فضایی را رشته مطالعاتی مربوط به روش‌های آماری می­داند که از روابط مکاني و فضایی (براي نمونه، فاصله، ناحیه، حجم، طول، ارتفاع، جهت­گیری⁶، مرکزگرايي⁷ و یا سایر ویژگی‌های فضایی داده‌ها) در محاسبات ریاضی استفاده مي­کند. بابلی⁸ و گاتریل⁹ (1995) طی مطالعاتی، تعاریف و اهداف علم آمار فضایی را جمع­آوری نموده و این گونه بیان می­کنند: «داده­های مشاهده شدنی، در برخی فرآیندهای عملیاتی در فضا قابل دسترس هستند، و روش­هايي به دنبال توصیف یا توضیح رفتار خودشان و یا سایر پدیده­های فضایی دیگر که با آن­ها در ارتباط هستند، می­باشند». آمار فضايي در انواع مختلف تحليل­ها از جمله تحلیل الگو¹⁰، تحلیل شکل¹¹، مدل­سازی و پیش­بینی سطح¹²، رگرسیون فضایی، مقایسه آماری مجموعه داده‌های فضایی، مدل­سازی آماري و پیش­بینی درهم کنش فضایی¹³، مورد استفاده قرار مي­گيرد. اين شاخه از علم آمار، انواع آمار توصیفی، استنباطی، اکتشافي¹⁴، زمين­آمار¹⁵، و آمار اقتصادی را نيز شامل مي­شود (پیمپلر16، 2017).

آمار فضایی در رشته‌های زیست محیطی از جمله کشاورزی، زمین شناسی، علوم خاک، هیدرولوژی، محیط زیست، اقیانوس­شناسی، جنگلداری، هواشناسی و … کاربرد دارد. بسیاری از رشته‌های اجتماعی و اقتصادی، از جمله اپیدمیولوژی¹⁷، تحلیل جرم و جنایت، املاک، برنامه­ریزی و مانند آن نیز از تحلیل­هاي آمار فضایی استفاده مي­کنند. این گونه تحلیل­ها می­تواند عرصه­های وسیعی در زمینه تحقیقاتی و پژوهشی بر روی دانشجویان، پژوهشگران، برنامه­ریزان و تحلیل­گران بگشاید. پیشرفت­های ایجاد شده در زمینه جمع­آوری و پردازش داده­های فضایی امکان کاربرد آمار فضایی را بیش از پیش گسترش داده است (عسگری، 1390).

از مهمترین اهداف آمار فضایی در تحقیقات مختلف می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تشخیص رفتار مکانی پنهان پدیده­های طبیعی و انسانی؛
• شناسایی الگو­های فضایی و روند­های آن؛
• تحلیل نحوه توزیع پدیده­ها در محیط مکانی – فضایی؛
• تصمیم­سازی و تصمیم­گیری بهتر؛
• ارزیابی پدیده­ها در سطح اطمینان بالاتر؛
• پیش­بینی مقادیر در مناطقی که مشاهدات پدید نیامده­اند؛
• موقعیت­های فضایی را می­توان به طور مستقیم در ارزیابی آن با ویژگی­های دیگر ادغام کرد.

1-3 معرفی نرم­افزار ArcGIS

در عرصه پیشرفتهای تکنولوژی، طی سال­های اخیر، تعداد قابل توجهی نرم­افزار که هر کدام برخی از تحلیل­های آمار فضایی را انجام می­دهند به بازار عرضه شده­اند. نرم­افزار ArcGIS که توسط «موسسه تحقیقات سیستم­های محیطی»18 تهیه و به بازار ارایه شده است از جمله نرم­افزارهای سیستم­های اطلاعات جغرافیایی است که در حال حاضر بیشترین کاربر را در سطح جهان دارد.

سیستم­های اطلاعات جغرافیایی بنا بر تعریف سیستم­هایی هستند که امکان سازماندهی، تولید، تکثیر، تحلیل و نمایش داده­های فضایی را فراهم آورده و امکان شناسایی روندها، روابط و الگوهای موجود بین داده­ها را به دست می­دهند.

از ابتدای پیدایش نرم­افزارهای سیستم­های اطلاعات جغرافیایی به تدریج ابزارهای تحلیلی آن نیز تکمیل و توسعه داده شده­اند و در شکل­هاي مختلف مانند تحلیل­های شبکه19، تحلیل­های فضايي20، تحلیل­های سه­بعدی21، تحلیل­های زمين­آماری22، و ابزارهای تحلیلی مخصوص فعالیت­های مختلف مانند امور تجاری23، تدارکات24، تخصیص منابع و مانند آن­ها ارائه گردیده­اند. برای مدت­ها عدم امکان انجام تحلیل­های آمار فضایی در نرم­افزارهای رایج سیستم­های اطلاعات جغرافیایی نوعی کاستي محسوب می­گردید و این باعث شده بود که نرم­افزارهای ویژه­ای مانند SpaceStat و GeoDat برای انجام تحلیل­های آمار فضایی به وجود آیند. اگر چه این نرم­افزارها کاستي­هاي موجود را تا حدی پوشش می­دادند ولی به دلیل آن که هیچ کدام از آن­ها نرم­افزارهای سیستم­های اطلاعات جغرافیایی محسوب نمی­شوند کاربران در نهایت مجبور بودند که داده­های خود را از نرم­افزارهای سیستم­های اطلاعات جغرافیایی به این نرم­افزارها منتقل کرده و تحلیل­های مورد نظر را انجام و سپس نتایج را به نرم­افزار سیستم­های اطلاعات جغرافیایی منتقل کنند. از سال 2004 موسسه ESRI اقدام به افزودن مجموعه ابزارهای تحلیلی جدیدی به نرم­افزار ArcGIS کرد که تحت عنوان ابزارهای آمار فضایی شناخته می­شوند (عسگری، 1390).

1-4 قابلیت­های نرم­افزار ArcGIS

ArcGIS نرم­افزاری است که امکان ایجاد یک سیستم کامل اطلاعات جغرافيايي را فراهم می­نماید. این نرم­افزار ابزارهای لازم برای جستجو، تحلیل داده­ها و نمایش نتایج را با کیفیت مناسب در اختیار کاربران قرار می­دهد. چون سیستم­های اطلاعات جغرافیایی قابلیت­های متفاوتی دارند، کاربران آن­ها نیز انتظارات متفاوتی از آن­ها دارند. برخی از قابلیت­های نرم­افزار ArcGIS را می­توان به­صورت زیر خلاصه نمود:

– قابلیت استفاده برای مکان­یابی پروژه­های مختلف؛

– قابلیت ردیابی و بررسی تغییرات مکان­های جغرافیایی در طول زمان؛

– توانایی انجام محاسبات آماری مانند محاسبه مساحت و محیط پدیده­های مشخص شده؛

– داشتن دقت، کارآیی، سرعت عمل زیاد و سهولت در به­هنگام­سازی داده­ها؛

– توانایی انجام طیف وسیعی از تحلیل­ها؛

– قابلیت برقراری ارتباط بین اطلاعات جغرافیایی که از طریق نقشه به دست آمده­اند و اطلاعاتی که از طریق جداول به دست می­آیند؛

– قابلیت جمع­آوری، ذخیره، بازیابی و تحلیل اطلاعات با حجم زیاد؛

– محیط کاری و گرافیکی آسان؛

– توانایی بررسی همزمان داده­های مکانی و غیر مکانی؛

– تبدیل و انتقال داده­ها به فرمت­های مختلف؛

– تهیه گزارش به اشکال مختلف؛ و

– کلی­نمایی، کوچک­نمایی و بزرگ نمایی و حرکت در نقشه.

1-5 مرور اجمالی بر جعبه ابزار آمار فضایی در ArcGIS

ابزارهای آمار فضایی شامل مجموعه­ای از تکنیک­ها و روش­ها برای توصیف و مدل­سازی داده­های فضایی می­باشند. در برخی از موارد این ابزارها همان کارهایی را انجام می­دهند که ما می­توانیم با ملاحظه نقشه­ها و با استفاده از چشم و ذهن خود نیز انجام دهیم ولی در مواردی که حجم داده­ها زیاد است و توزیع و یا پراکندگی آن­ها در فضا پیچیده­تر است استفاده از آماره­های فضایی می­تواند به افزایش دقت نتایج و مشاهدات کمک زیادی نماید.

جعبه ابزار آمار فضايي در تمامي سطوح تحت مجوز ArcGIS Desktop ازجمله سطح پايه²⁵، استاندارد و پیشرفته، در دسترس است. اين جعبه ابزار شامل تعدادی ابزار به شرح زیر است:

– دسته ابزار سنجش توزیع جغرافیایی26

– دسته ابزار تجزیه و تحلیل الگو27

– دسته ابزار تهيه نقشه خوشه­ها28

– دسته ابزار مدلسازی روابط فضایی29

1-5-1 دسته ابزار سنجش توزیع جغرافیایی

سنجش توصیفی داده­های فضایی، در ارزیابی مفاهیم بنیادین جغرافیایی مانند سطوح دسترسی و پراکندگی حائز اهمیت می­باشد (جوی­زاده و همکاران، 1396). دسته ابزار سنجش توزيع جغرافيايي در جعبه ابزار آمار فضايي شامل مجموعه‌ ابزارهایی است که آمار توصیفی جغرافیایی را بررسي مي­کنند. از جمله اين ابزارها عبارتند از: عارضه مرکزی³⁰، توزیع جهت­دار³¹، ميانگين جهت­دار خطی³²، مرکز ميانگين³³، مرکز میانه³⁴ و فاصله استاندارد³⁵. این مجموعه ابزار روي هم رفته اکتشاف آماری پایه را انجام مي­دهند. آمار توصیفی پایه، نقطه شروع و آغازين تحلیل­هاي آماري مي­باشد.       شکل 1-1 خروجی ابزار توزیع جهت­دار را در تحلیل داده‌های جرم و جنایت نشان می‌دهد.

ابزارهای عارضه مرکزي، مرکز میانگین و مرکز میانه قابليت­هاي مشابهي دارند. خروجي همه اين ابزارها يک کلاس عارضه³⁶ است که فقط يک عارضه دارد و بيانگر مرکزگرايي مجموعه داده جغرافیایی است. ابزار میانگین جهت­دار خطی، میانگین جهت³⁷، طول و مرکز جغرافیایی مجموعه خطوط را مشخص می‌کند. خروجی این ابزار یک کلاس عارضه حاوي یک عارضه خطی است. ابزارهاي فاصله استاندارد و توزیع جهت­دار به دلیل اندازه­گیری درجه‌ تمرکز يا پراکنش عوارض حول مرکز هندسي، با يکديگر مشابه هستند؛ اما ابزار توزیع جهت­دار، که با عنوان «بيضي انحراف استاندارد³⁸» نيز معرفي مي­شود قادر به اندازه­گیری جهت­گیری مجموعه داده‌ها نيز مي­باشد.

شکل (1-1): خروجي ابزار توزيع جهت­دار

1-5-2 دسته ابزار تحلیل الگوها

شناخت الگوها و کشف روندهای موجود در داده­های فضایی اهمیت زیادی در آمار فضایی دارد (توني³⁹، 2016)؛ چرا که پیش از هرگونه تحلیل و تهیه نقشه بايستي این پیش­داوری صورت گیرد که داده­ها چگونه در فضا توزیع شده­اند و توزیع آن­ها در فضا از چه الگو و قاعده­ای پیروی می­کند (ایلان⁴⁰ و همکاران، 1971).

دسته ابزار تحلیل الگوها در جعبه ابزار آمار فضايي شامل مجموعه‌ ابزارهایی است که به ارزیابی عارضه­ها یا مقادير مربوط به عوارض با الگوي فضايي خوشه­اي، پراکنده یا تصادفی کمک می­کند. این ابزارها یک نتیجه منحصر به فرد برای مجموعه داده‌های مورد نظر ایجاد می‌کنند. نتیجه کار به صورت نقشه نیست بلکه همان­طور که در شکل 1-2 زير مي­بينيد به صورت خروجی آماري است.

1 Spatial Statistics

2 Martinez

3 Proximity

4 Spatial Structure

5 Spatial Statistics Toolbox

6 Orientation

7 Centrality

8 Bailey

9 Gatrell

10 Pattern analysis

11 Shape Analysis

12 Surface Prediction

13 Spatial interaction

14 Exploratory

15 Geostatististics

16 Pimpler

17 علم مطالعه امراض مسري

18 Environmental Systems Research Institute

19 Network Analyst

20 Spatial Analyst

21 3D Analyst

22 Geostatistical

23 Business Analyst

24 ArcLogistic

25 Basic

26 Measuring Geographic Distribution

27 Analyzing Pattern

28 Mapping Clusters

29 Modeling Spatial Relationships

30 Central Feature

31 Directional Distribution

32 Linear Directional Mean

33 Mean Center

34 Median Center

35 Standard Distance

36 Feature Class

37 Mean Direction

38 Standard Deviational Ellipse

39 Tonny

40 Iilan