نویسنده: دکتر سعید جوی زاده | مشاوره و آموزش تخصصی GIS: ۰۹۱۲۰۴۳۸۸۷۴
آموزش زمین مرجع کردن نقشه یکی از پایه‌ای‌ترین مهارت‌های آموزش GIS است. نقشه‌های کاغذی اسکن‌شده، عکس‌های هوایی قدیمی، نقشه‌های طرح تفصیلی که به‌صورت تصویر یا PDF در اختیار شما قرار می‌گیرند و حتی تصویری که از یک گزارش برداشته‌اید، هیچ‌کدام مختصات واقعی ندارند. نرم‌افزار آن‌ها را فقط مجموعه‌ای از پیکسل می‌بیند و نمی‌داند این تصویر به کجای زمین تعلق دارد. زمین‌مرجع کردن فرایندی است که به تصویر مختصات واقعی می‌دهد تا بتوان آن را روی لایه‌های دیگر قرار داد و از روی آن عوارض را رقومی کرد. در این راهنما مفاهیم، مراحل کار در دو نرم‌افزار و خطاهای پرتکرار را مرور می‌کنیم. برای رفع اشکال نقشه خود با شماره ۰۹۱۲۰۴۳۸۸۷۴ تماس بگیرید.
زمین‌مرجع کردن چیست و چه زمانی به آن نیاز داریم؟
در زمین‌مرجع کردن، چند نقطه مشخص روی تصویر را به مختصات واقعی همان نقاط روی زمین پیوند می‌دهیم. نرم‌افزار بر اساس این پیوندها یک رابطه ریاضی میان مختصات تصویر و مختصات زمین می‌سازد و کل تصویر را جابه‌جا، بزرگ یا کوچک و در صورت نیاز می‌چرخاند یا تغییر شکل می‌دهد تا در جای درست خود بنشیند. به این نقاط، نقاط کنترل زمینی گفته می‌شود.
این فرایند با تعریف سیستم مختصات تفاوت دارد. اگر داده‌ای مختصات درست دارد اما سیستم مختصات آن معرفی نشده، کافی است سیستم را تعریف کنید. اما تصویری که مختصات آن از صفر و بر حسب پیکسل است، باید زمین‌مرجع شود. اشتباه گرفتن این دو حالت از خطاهای رایج تازه‌کارهاست. کاربردهای متداول عبارت‌اند از: استفاده از نقشه‌های توپوگرافی و زمین‌شناسی قدیمی، مقایسه عکس‌های هوایی دوره‌های مختلف برای بررسی تغییرات، انتقال نقشه‌های طرح‌های شهری به محیط GIS و قرار دادن کروکی‌ها و نقشه‌های ملکی روی تصویر ماهواره‌ای.
پیش از شروع: آماده‌سازی تصویر و داده مرجع
کیفیت نتیجه به کیفیت ورودی وابسته است. نقشه را با وضوح مناسب، معمولاً ۳۰۰ نقطه در اینچ، و بدون تاخوردگی و کجی اسکن کنید. اسکن مورب یا عکس گرفتن با گوشی از زاویه، اعوجاجی ایجاد می‌کند که اصلاح آن دشوار است. قالب TIFF یا PNG برای حفظ کیفیت بهتر از JPEG فشرده است. حاشیه‌های اضافه را می‌توانید نگه دارید، زیرا شبکه مختصات و اطلاعات حاشیه نقشه برای یافتن نقاط کنترل ارزشمند است.
سپس باید بدانید مختصات مرجع را از کجا می‌آورید. سه منبع رایج وجود دارد. نخست، شبکه مختصات چاپ‌شده روی خود نقشه؛ اگر نقشه شبکه UTM یا جغرافیایی دارد، محل تقاطع خطوط شبکه بهترین نقطه کنترل است، چون مختصات آن دقیق و معلوم است. دوم، یک لایه برداری یا تصویر زمین‌مرجع‌شده از همان منطقه، مانند لایه معابر یا تصویر ماهواره‌ای پایه؛ در این حالت عوارض مشترک مانند تقاطع خیابان‌ها یا گوشه ساختمان‌ها را به هم پیوند می‌دهید. سوم، نقاطی که با GPS روی زمین برداشت شده‌اند.
پیش از افزودن تصویر، سیستم مختصات نقشه یا پروژه را روی همان سیستمی تنظیم کنید که مختصات مرجع شما در آن است. اگر مختصات شبکه نقشه بر حسب متر و در زون ۳۹ است، سیستم مختصات پروژه نیز باید WGS 1984 UTM Zone 39N باشد. نادیده گرفتن این مرحله، اصلی‌ترین دلیل نتایج نادرست است.
انتخاب نقاط کنترل: مهم‌ترین بخش کار
تعداد و توزیع نقاط کنترل تعیین‌کننده دقت نهایی است. چند قاعده را همیشه رعایت کنید.
- توزیع یکنواخت: نقاط را در چهار گوشه و مرکز تصویر پخش کنید. تمرکز همه نقاط در یک بخش، بخش‌های دیگر را بدون کنترل رها می‌کند و باعث کشیدگی می‌شود.
- عوارض پایدار و دقیق: تقاطع خطوط شبکه، تقاطع جاده‌ها، گوشه ساختمان‌های قدیمی و پل‌ها مناسب‌اند. عوارض متغیر مانند خط ساحل، بستر رودخانه و مرز پوشش گیاهی را انتخاب نکنید.
- تعداد کافی: حداقل لازم برای تبدیل ساده سه نقطه است، اما در عمل دست‌کم شش تا ده نقطه بگذارید تا بتوانید خطا را ارزیابی کنید.
- بزرگ‌نمایی هنگام کلیک: روی هر نقطه تا حد ممکن بزرگ‌نمایی کنید. خطای چند پیکسلی در کلیک، روی زمین به چند متر یا چند ده متر تبدیل می‌شود.
- هم‌خط نبودن: نقاط نباید روی یک خط راست قرار بگیرند.
انواع تبدیل و انتخاب درست آن
پس از تعیین نقاط کنترل باید نوع تبدیل ریاضی را برگزینید. تبدیل چندجمله‌ای درجه یک یا افاین، تصویر را جابه‌جا می‌کند، می‌چرخاند و مقیاس آن را تغییر می‌دهد، اما خطوط راست را راست نگه می‌دارد. این تبدیل برای نقشه‌های اسکن‌شده سالم و بدون اعوجاج بهترین انتخاب است و به حداقل سه نقطه نیاز دارد.
تبدیل درجه دو و سه امکان خم کردن تصویر را فراهم می‌کنند و به ترتیب دست‌کم شش و ده نقطه می‌خواهند. این تبدیل‌ها برای عکس‌های هوایی یا نقشه‌هایی که دچار تغییر شکل شده‌اند به کار می‌روند، اما اگر نقاط کنترل کم یا بد توزیع شده باشند، در حاشیه تصویر اعوجاج شدیدی ایجاد می‌کنند. تبدیل‌هایی مانند Spline یا Thin Plate Spline تصویر را دقیقاً از همه نقاط کنترل عبور می‌دهند و خطای نقاط را صفر نشان می‌دهند؛ این به معنای دقت کامل نیست و فقط دقت محلی را بالا می‌برد. تبدیل پروژکتیو نیز برای تصاویری که از زاویه مایل گرفته شده‌اند مناسب است. قاعده کلی این است: ساده‌ترین تبدیلی را انتخاب کنید که نتیجه قابل قبول می‌دهد.
زمین‌مرجع کردن در ArcGIS Pro
- سیستم مختصات نقشه را از بخش Properties روی سیستم مرجع مورد نظر تنظیم کنید.
- تصویر را به نقشه اضافه کنید. اگر دیده نمی‌شود نگران نباشید؛ هنوز مختصات ندارد.
- لایه تصویر را در پنل Contents انتخاب کنید و از زبانه Imagery روی Georeference کلیک کنید.
- با دکمه Fit To Display تصویر را به محدوده نمایش فعلی بیاورید تا کار ساده‌تر شود.
- ابزار Add Control Points را انتخاب کنید. ابتدا روی نقطه در تصویر و سپس روی محل متناظر آن در لایه مرجع کلیک کنید. اگر مختصات عددی دارید، پس از کلیک اول راست‌کلیک کنید و مقدار X و Y را وارد کنید.
- پس از چند نقطه، جدول نقاط کنترل را باز کنید و مقدار خطای هر نقطه و خطای کل را ببینید.
- نوع تبدیل را از منوی Transformation انتخاب کنید.
- در پایان، Save فقط اطلاعات تبدیل را کنار فایل اصلی ذخیره می‌کند و Save As New یک تصویر تازه و اصلاح‌شده می‌سازد. برای استفاده در نرم‌افزارهای دیگر، گزینه دوم مطمئن‌تر است.
زمین‌مرجع کردن در QGIS
در QGIS ابزار Georeferencer از منوی Layer یا Raster در دسترس است. در پنجره این ابزار، تصویر را با Open Raster باز کنید. با ابزار Add Point روی نقطه مورد نظر کلیک کنید؛ پنجره‌ای باز می‌شود که می‌توانید مختصات را دستی وارد کنید یا با گزینه From Map Canvas آن را از روی نقشه اصلی بردارید. پس از افزودن نقاط، از Transformation Settings نوع تبدیل، روش نمونه‌برداری مجدد، سیستم مختصات مقصد و نام فایل خروجی را تعیین کنید. جدول پایین پنجره خطای هر نقطه را نشان می‌دهد. با زدن دکمه Start Georeferencing فایل GeoTIFF خروجی ساخته و به نقشه افزوده می‌شود. امکان ذخیره نقاط کنترل در یک فایل جداگانه نیز وجود دارد تا در آینده بتوانید کار را ادامه دهید یا اصلاح کنید.
خطای RMS را چگونه تفسیر کنیم؟
خطای جذر میانگین مربعات نشان می‌دهد نقاط کنترل پس از تبدیل، به‌طور میانگین چقدر با موقعیت هدف فاصله دارند. این عدد بر حسب واحد نقشه، معمولاً متر، گزارش می‌شود. مقدار قابل قبول به مقیاس نقشه و هدف کار بستگی دارد؛ یک قاعده سرانگشتی این است که خطا از حدود نیم میلی‌متر در مقیاس نقشه فراتر نرود. برای نمونه، در نقشه یک‌بیست‌وپنج‌هزارم، نیم میلی‌متر روی کاغذ برابر با دوازده و نیم متر روی زمین است.
به خطای تک‌تک نقاط نیز نگاه کنید. نقطه‌ای که خطای آن چند برابر بقیه است، احتمالاً اشتباه کلیک شده و باید حذف یا اصلاح شود. اما مراقب باشید: حذف پی‌درپی نقاط فقط برای کوچک کردن عدد خطا، دقت واقعی را بالا نمی‌برد. خطای پایین با سه یا چهار نقطه، اطمینان کاذب است. بهترین آزمون، کنترل چشمی است: لایه معابر یا تصویر پایه را روی نقشه زمین‌مرجع‌شده بیندازید و در بخش‌های مختلف، به‌ویژه دور از نقاط کنترل، انطباق را بررسی کنید.
روش نمونه‌برداری مجدد
هنگام ساخت تصویر خروجی، مقدار هر پیکسل تازه باید از پیکسل‌های تصویر اصلی محاسبه شود. روش نزدیک‌ترین همسایه مقدار اصلی را تغییر نمی‌دهد و برای نقشه‌های اسکن‌شده با رنگ‌های مشخص و داده‌های طبقه‌بندی‌شده مناسب است. روش‌های دوخطی و مکعبی تصویر را نرم‌تر می‌کنند و برای عکس‌های هوایی و تصاویر پیوسته ظاهر بهتری می‌دهند. برای نقشه‌هایی که قرار است از روی آن‌ها رقومی‌سازی کنید، هر دو روش قابل استفاده است و انتخاب به خوانایی نتیجه بستگی دارد.
هشت اشتباه رایج
- تنظیم نکردن سیستم مختصات پروژه پیش از شروع.
- وارد کردن مختصات جغرافیایی در پروژه‌ای با سیستم متری یا برعکس.
- جابه‌جا وارد کردن طول و عرض جغرافیایی.
- انتخاب زون نادرست UTM برای نقشه.
- تمرکز نقاط کنترل در یک گوشه تصویر.
- استفاده از تبدیل درجه بالا با نقاط کم.
- بی‌توجهی به مبنای ژئودتیک نقشه‌های قدیمی که ممکن است با WGS84 متفاوت باشد.
- اعتماد به عدد خطا بدون کنترل چشمی.
زمین‌مرجع کردن نقشه‌های CAD و لایه‌های برداری
گاهی داده شما تصویر نیست، بلکه یک فایل اتوکد یا لایه برداری با مختصات محلی است. در ArcGIS Pro برای فایل‌های CAD ابزار جداگانه‌ای در زبانه مربوط به لایه CAD وجود دارد و برای لایه‌های برداری می‌توان از ابزارهای تبدیل در محیط ویرایش استفاده کرد. در QGIS افزونه‌ها و ابزار Affine Transform این کار را انجام می‌دهند. منطق همان است: چند نقطه مشترک میان داده و مرجع را معرفی می‌کنید و نرم‌افزار داده را به محل درست منتقل می‌کند. تفاوت در این است که هندسه برداری تغییر می‌کند، نه پیکسل‌ها.
پس از زمین‌مرجع کردن چه کنیم؟
نخست نتیجه را مستند کنید: تعداد نقاط کنترل، نوع تبدیل، خطای نهایی و منبع مختصات مرجع را یادداشت کنید. این اطلاعات در گزارش پروژه و پایان‌نامه لازم می‌شود. سپس تصویر را در صورت نیاز به محدوده مطالعاتی برش دهید و کار رقومی‌سازی عوارض را آغاز کنید. اگر چند برگ نقشه مجاور دارید، هر کدام را جداگانه زمین‌مرجع کنید و در لبه‌ها انطباق عوارض را بررسی کنید. پس از آن می‌توانید نقاط برداشت‌شده یا جدول‌های مختصات را نیز روی همین نقشه بیاورید؛ روش کار در مقاله تبدیل اکسل به نقشه در GIS توضیح داده شده است.
یک نمونه عملی کوتاه
فرض کنید نقشه توپوگرافی اسکن‌شده‌ای از یک شهرستان دارید که شبکه UTM روی آن چاپ شده است. نخست از حاشیه نقشه شماره زون و مبنای آن را بخوانید و سیستم مختصات پروژه را بر همان اساس تنظیم کنید. سپس نه تقاطع شبکه را انتخاب کنید: چهار گوشه، وسط هر ضلع و مرکز نقشه. برای هر نقطه، مختصات چاپ‌شده در حاشیه را به‌صورت عددی وارد کنید. تبدیل افاین را برگزینید و جدول خطا را ببینید. اگر یکی از نقاط خطای غیرعادی دارد، به احتمال زیاد یک رقم را اشتباه وارد کرده‌اید؛ آن را اصلاح کنید. در پایان، خروجی را ذخیره کنید و لایه راه‌های منطقه را روی آن بیندازید تا انطباق را در چند بخش مختلف بسنجید. کل این فرایند برای یک برگ نقشه معمولاً کمتر از نیم ساعت زمان می‌برد و نتیجه آن پایه همه مراحل بعدی کار شما خواهد بود.
پرسش‌های متداول
حداقل چند نقطه کنترل لازم است؟
برای تبدیل افاین سه نقطه، برای درجه دو شش نقطه و برای درجه سه ده نقطه. اما همیشه بیش از حداقل نقطه بگذارید تا خطا قابل ارزیابی باشد.
آیا می‌توان از گوگل ارث برای گرفتن مختصات نقاط کنترل استفاده کرد؟
برای کارهای با دقت متوسط بله. توجه کنید که دقت موقعیت تصاویر در مناطق مختلف متفاوت است و برای کارهای ملکی و مهندسی دقیق، برداشت زمینی لازم است.
چرا تصویر پس از ذخیره در نرم‌افزار دیگر در جای درست باز نمی‌شود؟
احتمالاً فقط اطلاعات تبدیل را ذخیره کرده‌اید و فایل جانبی همراه تصویر منتقل نشده است. خروجی را به‌صورت تصویر تازه GeoTIFF ذخیره کنید.
جمع‌بندی
زمین‌مرجع کردن دقیق سه شرط دارد: سیستم مختصات درست، نقاط کنترل کافی با توزیع مناسب و انتخاب ساده‌ترین تبدیل ممکن. با رعایت این اصول و کنترل چشمی نتیجه، نقشه‌های قدیمی و اسکن‌شده به داده‌ای قابل اعتماد برای تحلیل تبدیل می‌شوند. برای یادگیری عملی این مهارت و ثبت‌نام در دوره‌های آموزش GIS، با شماره ۰۹۱۲۰۴۳۸۸۷۴ تماس بگیرید.
مطالب مرتبط در GISLand
- مشاوره پایان نامه GIS از انتخاب موضوع تا دفاع
- هزینه انجام پروژه GIS چگونه محاسبه می‌شود؟
- آموزش تبدیل اکسل به نقشه در GIS
- کنترل کیفیت داده GIS؛ چک‌لیست کامل
- GeoAI چیست؟ پیوند هوش مصنوعی و داده‌های مکانی
درباره نویسنده
این مقاله را دکتر سعید جوی زاده، مدرس و مشاور سیستم اطلاعات جغرافیایی در www.gisland.org نوشته است. برای دریافت مشاوره GIS، ثبت‌نام در دوره‌های آموزش GIS یا سفارش پروژه، با شماره ۰۹۱۲۰۴۳۸۸۷۴ تماس بگیرید.
بدون دیدگاه