درک و فهم ژئورفرنس ساختارهای رستری

شما معمولاً داده های رستری را با استفاده از داده های مکانی موجود (Target Data)، همچون لایه های رستری دارای مختصات که قبلاً ژئورفرنس شده اند و یا کلاس-عارضه های برداری انجام می دهید. این فرایند شامل استفاده از یک سری نقاط کنترل زمینی (Ground Control Point GCP) می باشد که دارای مختصات معلوم و تعریف شده x,y هستند. این نقاط موقعیت هایی را بر روی ساختارهای رستری را به موقعیت مکانی ژئورفرنس شده که در یک لایه دیگر و یا یک ساختار رستری دیگر وجود دارد، مرتبط و متصل می نماید.

نقاط کنترلی یا GCP چیست ؟

نقاط کنترلی، در اصل نقاطی هستند که موقعیتشان با دقت بالا بر روی داده های رستری و همچنین در یک سیستم مختصات واقعی و جهانی تعریف شده است. عوارض مختلفی را می توان به عنوان نقاط کنترلی قابل شناسایی و تشخیص انتخاب نمود که شامل نقاط اتصال و تقاطع، جاده ها، رودخانه ها و رودبارها، دهانة ورودی یک رودخانه به دریا، و یا گوشه یک زمین زراعی و یا یک ساختمان و بسیاری عوارض دیگر می گردد.

منظور از ترانسفورم (Transformation) در عملیات ژئورفرنس چیست ؟

تعداد لینک هایی که شما نیاز خواهید داشت بستگی به نوع و پیچیدگی نوع تغییر شکل یا ترانسفورم کردن خواهید داشت. به طوری که منظور از ترانسفورم، تبدیل و انتقال ساختار رستری از فضای تصویر به فضای مختصاتی نقشه می باشد. در نتیجه نوع معادله تبدیل یا ترانسفورماسیونی که برای این انتقال انتخاب می نمائید و شکل لایه ها و عوارض مورد استفاده در این انتقال مختصاتی، تعیین کننده تعداد حداقل نقاط و نقاط مطلوب، به عنوان نقاط کنترل زمینی (GCPs) می باشد.

نقاط کنترل زمینی (GCPs) یا لینک های انتقال (Transformation Link) را چگونه انتخاب کنیم ؟

در هر صورت استفاده از تعداد نقاط بیشتر ضرورتاً منتهی به اخذ نتایج بهتر و دقیق­ تر نخواهد شد. در صورت امکان، بهتر است که نقاط کنترلی و یا لینک های انتقالی را به طور پراکنده در کل ساختار رستری که قصد ژئورفرنس کردن آن را دارید، انتخاب کنید تا اینکه بخواهید تمامی نقاط را به طور متمرکز در یک بخش خاص انتخاب نمائید. معمولاً داشتن یک بردار انتقالی یا لینک یا نقطه کنترلی در چهار گوشه ساختار رستری و تعدادی لینک در بخش های داخلی آن به بهترین نتیجه منتهی می گردد. معمولاً، هرچقدر همپوشانی بیشتری بین لایه رستری که قصد ژئورفرنس کردن آن را دارید و لایه هدف (Target Data)، وجود داشته باشد، نتایج ژئورفرنس، بهتر خواهد شد، زیرا محدوده ای که امکان انتخاب نقاط کنترلی در آن داشته باشید، بیشتر است. به عنوان مثال اگر لایه هدف شما تنها یک چهارم از منطقه مربوط به لایه رستری اصلی شما را پوشش دهد، نقاطی که شما می توانید به عنوان نقاط کنترل زمینی انتخاب کنید و بر اساس آن لینک های انتقال را ایجاد کنید، محدود تر خواهد شد و از لحاظ توزیع و پراکندگی در کل محدوده لایه رستری ورودی به فرایند ژئورفرنس ممکن است با مشکل رو به رو شوید. در نتیجه، مناطق خارج از محدوده دارای همپوشانی بین لایه رستری ورودی و لایه هدف، در عملیات ژئورفرنس کمکی به شما نخواهد کرد. در نتیجه در انتخاب لایه ها که دارای همپوشانی مناسب هستند، بایستی دقت شود.

دقت عملیات ژئورفرنس به چه چیزی بستگی دارد ؟

نکته دیگری که بایستی مد نظر قرار گرفته شود آن است که دقت لایه هایی که ژئورفرنس می کنید، از لحاظ مختصاتی بستگی به دقت مختصاتی لایه ای دارد که به عنوان لایه هدف در فرایند ژئورفرنس انتخاب کرده اید. در نتیجه به منظور به حداقل رساندن خطا در این بخش و جلوگیری از انتشار خطا در سایر لایه ها و نقشه ها، بایستی در فرایند ژئورفرنس از داده های مبنا و هدف دقیق هم به لحاظ مختصاتی و هم به لحاظ قدرت تفکیک مکانی، استفاده کنید. در ضمن بایستی توجه داشته باشید که بسته به کاربرد و هدف شما از فرایند ژئورفرنس و نیز بسته به مقیاس کاری شما، بایستی در انتخاب دقت مختصاتی لایه هدف و نیز قدرت تفکیک مکانی آن اقدام نمائید تا در مراحل بعدی با مشکلات ثانویه مواجه نشوید. این خطاهای ثانویه شامل خطای ناشی از مختصات که تبدیل به خطا در شکل، فرم، آرایش قرارگیری و خطاهای توپولوژیک می گردد و بعضاً منجر به خطاهای محاسباتی نیز می گردد. هنگامی که نقاط کنترل زمینی را به اندازه کافی ایجاد نمودید، می توانید لایه رستری را به محدوده مختصاتی نقشه هدف منتقل کنید. بسته به تعداد نقاط کنترلی، می توانید از روش های مختلف ترانسفورم در نرم افزارهای مختلف سیستم اطلاعات جغرافیایی استفاده نمائید تا اینکه مختصات صحیح هر پیکسل لایه رستری را تعیین کنید.

روش ها یا معادلات انتقال مختصات یا ترانسفورم (Transformation Equations)

مبدل چند جمله ای (Polynomial Transformation)، از یک معادله چند جمله ای که بر اساس نقاط کنترلی بر اساس الگوریتم انطباق حداقل مربعات (LSF)، استفاده می نماید. روش های تبدیل مختصاتی مورد استفاده در سامانه های اطلاعات مکانی و سنجش از دور به منظور حفظ دقت کلی، بهینه سازی شده اند و ممکن است دقت در مقیاس محلی در برخی موارد از مطلوبیت چندانی برخوردار نباشد. مبدل چند جمله ای به دو فرمول منتهی می گردد، یکی برای محاسبه خروجی مختصات x برای یک ورودی x,y و یکی دیگر برای محاسبه مختصات y به ازای ورودی مختصات x,y هدف الگوریتم LSF استخراج معادله ای است که بتوان برای تمام نقاط مورد استفاده قرار داد.

حداقل تعداد نقاط کنترلی (GCPs) مورد نیاز در روش های مختلف انتقال مختصات (Transformation)

تعداد نقاط کنترلی مورد نیاز برای محاسبه معادله تبدیل از فضای مختصاتی تصویر به فضای مختصاتی نقشه، برای روش Zero order shift یک نقطه کنترلی، برای روش First-order سه نقطه کنترلی، برای روش Secound order، شش نقطه کنترلی و نهایتاً برای third-order، ده نقطه کنترل زمینی یا GCP می باشد.

ارزیابی خطا در روش های مختلف ترانسفورم مختصات

روش های چند جمله ای که دارای رتبه کمتری هستند تمایل به خطی تصادفی دارند در صورتی که معادلات انتقالی چند جمله ای با رتبه بالاتر، تمایل بیشتری به خطاهای جهتی و برون یابی نشان می دهند. یک معادله چد جمله ای درجه صفر برای جا به جایی داده های شما مورد استفاده قرار می گیرند. این روش معمولاً زمانی مورد استفاده قرا می گیرد که داده های شما تقریباً ژئورفرنس باشند اما یک جا به جایی کوچک می تواند انطباق بهتری برای داده ها ایجاد نماید. در نتیجه این روش امکان چرخش و تغییر مقیاس در داده های ورودی را نخواهد داشت. در صورتی که نیاز به اعوجاجات بیشتری از نوع چرخش، تغییر مقیاس، و تغییر شکل وجود داشته باشد، روش های چند جمله ای با درجه بالاتر پیشنهاد می گردد. به منظور اجرای یک ترانسفورم چند جمله ای با درجه صفر، تنها یک نقطه کفایت می کند. یک ایده خوب در این زمینه می تواند، ایجاد چندین نقطه کنترلی و سپس انتخاب دقیق ترین نقطه باشد.  مبدل چند جمله ای درجه اول (first-order polynomial) به طور رایج در ژئورفرنس کردن تصاویر رستری مورد استفاده قرار می گیرد.

هر یک از روش های ترانسفورم چه نوع تغییراتی در لایه های رستری ورودی ایجاد می کنند و چه روشی را باید برای عملیات ترانسفورم انتخاب  نمود؟

از روش مبدل چند جمله ای درجه اول یا affine برای جا به جایی، تغییر مقیاس و یا چرخش لایه های رستری به هنگام عملیات ژئورفرنس، استفاده می شود. در نتیجه در صورتی که نیاز به اعوجاج بیشتری در ساختارهای لایه ورودی برای انطباق با داده هدف، وجود داشته باشد، این روش پیشنهاد می گردد. در روش تبدیل یا ترانسفورم چند جمله ای درجه اول امکان ایجاد انحنا در داده های ورودی وجود ندارد. در نتیجه همواره یک خط مستقیم در لایه ورودی به صورت یک خط مستقیم در لایه خروجی نمایش خواهد داده شده که البته طول خط، جهت قرارگیری یا به عبارت دیگر مقیاس و چرخش امکان پذیر خواهد بود. بنابراین، با استفاده از این روش یک مربع و یا مستطیل در لایه ورودی می تواند کشیده و یا جمع گردد و یا آنکه دچار چرخش شود، اما امکان ایجاد یک متوازی الضلاع در خروجی این روش نخواهد بود. زیرا امکان ایجاد انحنا در نتایج خروجی این روش وجود ندارد. با بکار بردن از حداقل سه نقطه کنترلی، معادله ریاضی به کار گرفته شده در روش first-order polynomial، خواهد توانست مختصات لایه ورودی را بر اساس لایه هدف تغییر داده و انطباق مطلوبی بین لایه ورودی و لایه هدف در خلال عملیات ژئورفرنس ایجاد نماید. استفاده از بیش از سه نقطة کنترلی منجر به ایجاد خطا یا (خطای باقیمانده) در این روش می گردد که بر روی تمامی نقاط کنترلی مورد استفاده سرشکن می گردد. در هر صورت بایستی از بیش از سه نقطه استفاده نمائید. زیرا اگر یکی از نقاط کنترلی شما دقیق نباشد، این وضعیت تأثیر بسیار زیادی بر روی عملیات انتقال و تبدیل مختصات خواهد گذاشت. در نتیجه استفاده از بیش از سه نقطه کنترلی با وجود ایجاد خطای Residual قویاً توصیه می گردد. تنها در شرایط ایده آل و شرایطی که از دقت بسیار بالای سه نقطه کنترلی مطمئن باشیم، استفاده از تنها سه نقطه کنترلی بالامانع است. در نتیجه، با وجود اینکه خطای تبدیل معادله با ایجاد لینک های بیشتر (ایجاد نقاط کنترلی بیش از سه نقطه) افزایش می یابد، اما دقت کلی عملیات تبدیل به این طریق افزایش خواهد داشت. هر چقدر درجه معادلات ترانسفورم، افزایش یابد، اعوجاجات بیشتری را می توان تصحیح نمود، اما به طور کلی معادلات با درجه بیش از 3 معمولاً مورد نیاز نیست. معادلات انتقال با درجه بالاتر نیاز به نقاط کنترل و لینک های انتقالی بیشتری دارد و همچنین به طور تصاعدی نیاز به زمان پردازش بیشتری خواهد داشت. به طور کلی، در صورتی که نیاز به کشیدگی، تغییر مقیاس و چرخش لایه رستری داشته باشید، از تبدیل چند جمله ای درجه اول استفاده نمائید. در صورتی که در لایه رستری نیاز به ایجاد خمیدگی و انحنا وجود داشته باشد از معادلات انتقال درجه دوم و یا سوم استفاده کنید.