Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας

Σχολή Περιβάλλοντος

Πανεπιστήμιο Αιγαίου

Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών

Δήμητρα Κίτσιου

Μυτιλήνη 2010

-2-

Περιεχόμενα

Κεφάλαιο 1

Βασικές έννοιες των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (ΓΣΠ)

Geographic / Geographical Information Systems (GIS)

1.1 Ορισμός

1.2 Προέλευση

1.3 Χρησιμότητα

1.4 Επιμέρους τμήματα

1.4.1 Ο μηχανικός εξοπλισμός (hardware)

1.4.2 Το λογισμικό (software)

1.4.3 Το πλαίσιο οργάνωσης της λειτουργίας

1.5 Πεδία εφαρμογής

Κεφάλαιο 2

Δομή των δεδομένων σε ένα Γεωγραφικό Σύστημα Πληροφοριών

2.1 Γεωγραφικά δεδομένα

2.2 Μοντέλα χωρικών δεδομένων

2.2.1 Διανυσματικό μοντέλο (vector model)

2.2.2 Δομή του διανυσματικού μοντέλου

2.2.3 Ψηφιδωτό μοντέλο (raster model)

2.2.4 Δομή του ψηφιδωτού μοντέλου

2.2.5 Σύγκριση διανυσματικού – ψηφιδωτού μοντέλου

2.2.6 Μέθοδοι μετατροπής δεδομένων από διανυσματική σε

ψηφιδωτή μορφή

Κεφάλαιο 3

Βάσεις δεδομένων (Data Bases)

3.1 Ορισμός, βασικοί όροι και χαρακτηριστικά

3.2 Σχέσεις ανάμεσα στα στοιχεία των Βάσεων Δεδομένων

3.3 Δομές των Βάσεων Δεδομένων

3.3.1 Δομή δένδρων ή Ιεραρχική δομή (Ηierarchical structure)

3.3.2 Δομή δικτύων ή Δικτυακή δομή (Network structure)

3.3.3 Σχεσιακές Βάσεις Δεδομένων (Relational Data Bases)

3.4 Βάσεις Δεδομένων και Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών –

Υβριδικές Σχεσιακές Βάσεις Δεδομένων

-3-

Κεφάλαιο 4

Δημιουργία της χωρικής βάσης δεδομένων ενός Γεωγραφικού Συστήματος

Πληροφοριών

4.1 Εισαγωγή δεδομένων

4.1.1 Απεικόνιση του πραγματικού κόσμου

4.1.2 Πηγές χωρικών δεδομένων

4.1.3 Κλίμακες μέτρησης χωρικών δεδομένων

4.1.4 Τρόποι εισαγωγής δεδομένων σε ένα ΓΣΠ

4.2 Επαλήθευση των δεδομένων και διόρθωση λαθών

4.3 Προεπεξεργασία των δεδομένων

Κεφάλαιο 5

Γεωγραφικά συστήματα συντεταγμένων

5.1 Σφαιρικό σύστημα συντεταγμένων (Spherical Coordinate System)

5.2 Καρτεσιανό Σύστημα Συντεταγμένων (Cartesian Coordinate System)

5.3 Γεωγραφικές προβολές (Map projections)

5.3.1 Προβολή σε κύλινδρο (Cylindrical)

5.3.2 Προβολή σε επίπεδο (Azimuthal)

5.3.3 Προβολή σε κώνο (Conical)

5.4 UTM (Universal Transverse Mercator)

Κεφάλαιο 6

Ανάλυση χωρικών δεδομένων (Spatial analysis)

6.1 Υπέρθεση (Overlay)

6.2 Μέθοδοι χωρικής παρεμβολής (Spatial interpolation methods)

6.2.1 Μέθοδος παρεμβολής Αντιστρόφου Βαρύνουσας Απόστασης

(Inverse Distance Weighted Interpolation Method)

6.3 Βαριογράμματα

Βιβλιογραφία

-4-

Κεφάλαιο 1

Βασικές έννοιες των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (ΓΣΠ)

Geographic / Geographical Information Systems (GIS)

1.1 Ορισμός

Μια πρώτη ματιά στις λέξεις που συνθέτουν τον όρο Γεωγραφικό Σύστημα

Πληροφοριών μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι πρόκειται για ένα Σύστημα

Πληροφοριών που αφορά γεωγραφικά δεδομένα. Αρκεί λοιπόν να ορίσουμε τους

όρους Σύστημα Πληροφοριών και γεωγραφικά δεδομένα.

Σύστημα: Σύνολο που αποτελείται από επιμέρους τμήματα τα οποία συνδέονται

λειτουργικά μεταξύ τους για την επίτευξη ενός προκαθορισμένου σκοπού.

Δεδομένα / Στοιχεία (Data): Σειρά από ποσοτικά ή ποιοτικά χαρακτηριστικά ενός

συνόλου σε μη επεξεργασμένη μορφή.

Πληροφορία (Information): Όταν τα δεδομένα / στοιχεία υποστούν κάποιας μορφής

επεξεργασία / ανάλυση, με σκοπό να προσφέρουν επιπλέον γνώση και να

απαντήσουν σε κάποιο ερώτημα, τότε δημιουργείται η Πληροφορία.

Σύστημα Πληροφοριών: Ένα σύνολο διαδικασιών όπως π.χ. παρατήρηση, μέτρηση,

περιγραφή, επεξήγηση, πρόβλεψη οι οποίες εφαρμόζονται στα δεδομένα / στοιχεία

για τη δημιουργία πληροφορίας χρήσιμης για τη λήψη αποφάσεων.

Γεωγραφική πληροφορία: Πληροφορία που έχει ορισθεί χωρικά και περιγράφει

αντικείμενα στον πραγματικό κόσμο βάσει:

(α) της θέσης τους σύμφωνα με ένα γνωστό σύστημα συντεταγμένων, (β) των

χαρακτηριστικών τους (attributes), δηλαδή των ποσοτικών και ποιοτικών ιδιοτήτων

τους (όνομα, μέγεθος, χρώμα κλπ.), (γ) της μεταβολής τους στο χρόνο και (δ) της

σχέσης τους με άλλα αντικείμενα του χώρου, δηλαδή της τοπολογίας τους.

Βάσει των παραπάνω, ποικίλοι ορισμοί θα μπορούσαν να δοθούν για ένα ΓΣΠ,

μερικοί από τους οποίους αναφέρονται στη συνέχεια.

-5-

Ορισμοί ΓΣΠ

Ένα ολοκληρωμένο σύστημα συλλογής, αποθήκευσης, διαχείρισης, ανάλυσης

και απεικόνισης πληροφορίας σχετικής με φαινόμενα που εξελίσσονται στο χώρο.

Ένα ισχυρό σύνολο εργαλείων για τη συλλογή, την αποθήκευση, το

μετασχηματισμό και την απεικόνιση χωρικών δεδομένων του πραγματικού κόσμου

για ένα συγκεκριμένο σκοπό (Burrough, 1986).

Ένα πληροφοριακό σύστημα που αποθηκεύει, αναλύει και απεικονίζει τόσο

χωρικά όσο και μη χωρικά δεδομένα (Parker, 1988).

Σύστημα βάσης δεδομένων τα οποία στην πλειοψηφία τους είναι χωρικά και

στα οποία εφαρμόζονται διάφορες διαδικασίες με σκοπό να απαντηθούν ερωτήματα

σχετικά με χωρικές οντότητες της βάσης δεδομένων (Smith et al., 1987).

Σύστημα που υποβοηθεί στη λήψη αποφάσεων σχετικά με ένα πρόβλημα που

έχει τεθεί βάσει της διαχείρισης χωρικών δεδομένων (Cowen, 1988).

Στη διεθνή βιβλιογραφία συναντώνται πολλά συνώνυμα του όρου Γεωγραφικά

Συστήματα Πληροφοριών (Geographic/Geographical Information Systems), τα οποία

έχουν προκύψει από τα επιμέρους πεδία εφαρμογής τους. Μερικοί από τους

συνώνυμους αυτούς όρους δίνονται στη συνέχεια:

Geomatique

Georelational Information System

GeoInformation System

Natural Resources Information System

Geoscience or Geological Information System

Spatial Data Analysis System

Planning Information System

1.2 Προέλευση

Ο επιστημονικός χώρος των ΓΣΠ είναι ένας σύνθετος χώρος. Προέκυψε από το

συνδυασμό διαφόρων άλλων επιστημών, όπως:

Γεωγραφία

Χαρτογραφία: Οι χάρτες αποτελούν όχι μόνο τη βασική πηγή πληροφορίας

ενός ΓΣΠ, αλλά και μία μορφή απεικόνισης των αποτελεσμάτων της ανάλυσης

των δεδομένων.

Τοπογραφία

-6-

Τηλεπισκόπηση: Αποτελεί βασική πηγή γεωγραφικών δεδομένων μέσω

ψηφιακών δορυφορικών εικόνων και αεροφωτογραφιών.

Φωτογραμμετρία: Παρέχει υψηλής ακρίβειας δεδομένα όσον αφορά στη θέση

αντικειμένων και στην τοπογραφία.

Μαθηματικά και Στατιστική

Πληροφορική: Συστήματα Αυτοματοποιημένης Σχεδίασης, Συστήματα

Αυτοματοποιημένης Χαρτογραφίας, Συστήματα Διαχείρισης Βάσεων

Δεδομένων.

Τα ΓΣΠ έχουν αρκετά κοινά χαρακτηριστικά με τα Συστήματα

Αυτοματοποιημένης Σχεδίασης (Computer Assisted Design-CAD) τα οποία έχουν

ευρεία εφαρμογή ιδιαίτερα στο χώρο της αρχιτεκτονικής. Και στα δύο συστήματα

απαιτείται ο σαφής χωρικός προσδιορισμός των αντικειμένων σε σχέση με ένα

σύστημα αναφοράς, καθώς και η περιγραφή της τοπολογίας τους. Οι βασικές τους

διαφορές είναι ότι: (α) σε ένα ΓΣΠ μπορεί να εισαχθεί μεγαλύτερος όγκος δεδομένων

ποικίλης προέλευσης και (β) τα ΓΣΠ υποστηρίζουν ένα μεγάλος εύρος μεθόδων για

την ανάλυση των δεδομένων αυτών.

Τα Συστήματα Αυτοματοποιημένης Χαρτογραφίας (Computer Assisted

Cartographic-CAC) έχουν επίσης πολλά κοινά στοιχεία με τα ΓΣΠ, αφού και αυτά

αναφέρονται σε γεωγραφικά δεδομένα, διαχειρίζονται τους ίδιους τύπους δεδομένων

και εκτελούν σχεδόν τις ίδιες λειτουργίες. Η βασική τους διαφορά έγγειται στο σκοπό

χρήσης του κάθε συστήματος. Η κύρια χρήση ενός Συστήματος Χαρτογραφίας είναι η

παραγωγή χαρτών, ενώ ενός ΓΣΠ η ανάλυση των δεδομένων και η λήψη αποφάσεων.

Τα Συστήματα Διαχείρισης Βάσεων Δεδομένων-Data Base Management System

(DBMS) αφορούν στην αποθήκευση και απεικόνιση δεδομένων σε ψηφιακή μορφή,

στη διαχείριση μεγάλων όγκων δεδομένων στα οποία είναι δυνατή η εύκολη

πρόσβαση και ενημέρωση και στην εξασφάλιση συνθηκών διαρκούς, ολοκληρωμένης

και ασφαλούς λειτουργίας του συστήματος.

Τα ΓΣΠ επομένως αποτελούν τη σύνθεση επιστημών που ασχολούνται με τη

συλλογή δεδομένων, την αποθήκευση, την ανάλυση και την τελική απεικόνισή τους.

1.3 Χρησιμότητα

Τα ΓΣΠ μπορούν να χρησιμεύσουν σε ποικίλες εφαρμογές διότι:

(α) Είναι δυνατή η εισαγωγή δεδομένων από διάφορες πηγές και η παράλληλη

διαχείρισή τους

-7-

(β) Η αποθήκευση των δεδομένων καθώς και η πρόσβαση σε αυτά είναι πολύ

εύκολη

(γ) Ο τρόπος αποθήκευσης των δεδομένων είναι τέτοιος ώστε να περιορίζεται η

συσσώρευση περιττής πληροφορίας

(δ) Υπάρχει η δυνατότητα εύκολης ενημέρωσης (update) των δεδομένων

(ε) Υπάρχει η δυνατότητα επεξεργασίας των δεδομένων και ανάπτυξης

μοντέλων

(στ) Αυτοματοποιημένη δημιουργία χαρτών

(ζ) Εύκολη απεικόνιση των δεδομένων καθώς και των αποτελεσμάτων της

επεξεργασίας τους με μεγάλη ποικιλία μέσων (οθόνη υπολογιστή,

εκτυπωτής, plotter κλπ)

Αυτό που πρέπει να γίνει κατανοητό είναι ότι τα δεδομένα μέσα σε ένα ΓΣΠ

αντιπροσωπεύουν ένα μοντέλο του πραγματικού κόσμου. Τα δεδομένα αυτά, όπως

αναφέρθηκε και παραπάνω, είναι εύκολο να ενημερωθούν και να αναλυθούν με

αποτέλεσμα να μπορούν να αναπτυχθούν μοντέλα και σενάρια όσον αφορά στην

εξέλιξη φαινομένων στο χώρο. Τα ΓΣΠ επομένως αποτελούν ένα χρήσιμο εργαλείο

για τη λήψη αποφάσεων, αφού μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση

πιθανών σεναρίων πριν γίνει η εφαρμογή τους στον πραγματικό κόσμο.

1.4 Επιμέρους τμήματα

Τρία είναι τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται ένα ΓΣΠ:

Ο μηχανικός εξοπλισμός (hardware)

Το λογισμικό (software)

Το πλαίσιο οργάνωσης της λειτουργίας

1.4.1 Ο μηχανικός εξοπλισμός (hardware)

Περιλαμβάνει την κεντρική μονάδα επεξεργασίας (Central Processing Unit,

CPU), που συνδέεται με (Σχήμα 1):

(α) Μονάδες αποθήκευσης δεδομένων, όπως σκληρούς δίσκους, μαγνητικές

ταινίες, CD-ROM

(β) Περιφερειακά, όπως ψηφιοποιητής (digitiser) και σαρωτής (scanner) που

χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή σε ψηφιακή μορφή δεδομένων που είναι

αποτυπωμένα σε χάρτες (αναλογική μορφή) και την εισαγωγή τους στον Η/Υ

-8-

(γ) Εκτυπωτή ή αυτόματο σχεδιαστή (plotter) για την τελική απεικόνιση των

αποτελεσμάτων

(δ) Οθόνη

Σχήμα 1. Hardware ΓΣΠ

1.4.2 Το λογισμικό (software)

Τα μέρη τα οποία συνθέτουν το λογισμικό ενός ΓΣΠ (Σχήμα 2) επιτρέπουν:

Την είσοδο και την επαλήθευση των δεδομένων

Περιλαμβάνει όλη τη διαδικασία μετατροπής των δεδομένων που

προέρχονται από χάρτες, παρατηρήσεις πεδίου, δορυφορικά δεδομένα,

αεροφωτογραφίες, σε ψηφιακή μορφή συμβατή με το σύστημα. Επίσης, την

επαλήθευση των δεδομένων και τη διόρθωση τυχόν λαθών.

Την αποθήκευση των δεδομένων και τη διαχείριση της βάσης δεδομένων

Αναφέρεται στον τρόπο με τον οποίο η θέση των αντικειμένων, η τοπο-

λογία τους και τα χαρακτηριστικά / περιγραφή τους οργανώνονται και αποθηκεύονται

στο σύστημα. Ο τρόπος αυτός προϋποθέτει την εύκολη διαχείριση της πληροφορίας

από το σύστημα και την εύκολη κατανόηση από το χρήστη. Για το σκοπό αυτό,

χρησιμοποιούνται Συστήματα Διαχείρισης Βάσης Δεδομένων (ΣΔΒΔ) τα οποία θα

αναλυθούν σε επόμενο κεφάλαιο.

-9-

Το μετασχηματισμό και την ανάλυση των δεδομένων

Περιλαμβάνει τους μετασχηματισμούς που εφαρμόζονται τόσο στα

χωρικά όσο και στα μη χωρικά / περιγραφικά δεδομένα και αφορούν για παράδειγμα

στην αλλαγή της κλίμακας, στη μετατροπή του γεωγραφικού συστήματος

συντεταγμένων κλπ.

Στο μέρος αυτό περιλαμβάνονται και όλα τα είδη ανάλυσης που μπορούν

να εφαρμοσθούν στα δεδομένα, έτσι ώστε να απαντηθούν ερωτήματα που έχουν

τεθεί από το χρήστη (χωρική ανάλυση, ανάπτυξη μοντέλων κλπ).

Την έξοδο και απεικόνιση των αποτελεσμάτων

Αφορά στον τρόπο απεικόνισης των αποτελεσμάτων, της ανάλυσης των

δεδομένων και της παρουσίασής τους στους χρήστες. Η παρουσίαση μπορεί να γίνει

με πίνακες, σχεδιαγράμματα, χάρτες κλπ.

Την αλληλεπίδραση με το χρήστη

Αποτελεί βασικό κομμάτι του όλου συστήματος. Ο χρήστης θέτει

ερωτήματα και περιμένει απαντήσεις από το ΓΣΠ, βάσει βέβαια των δεδομένων που

έχει εισαγάγει σε αυτό. Η επικοινωνία αυτή γίνεται μέσω της επιφάνειας εργασίας, η

οποία αποτελείται συνήθως από εντολές προσαρμοσμένες στα αντίστοιχα μενού. Σε

ορισμένες όμως περιπτώσεις ο χρήστης καλείται να αναπτύξει δικό του πρόγραμμα

κάνοντας συνδυασμό των ήδη υπαρχόντων εντολών.

1.4.3 Το πλαίσιο οργάνωσης της λειτουργίας

Περιλαμβάνει τον προσδιορισμό των στόχων και των ερωτημάτων από το

χρήστη, καθώς και τη διαχείριση της πληροφορίας που είναι διαθέσιμη, ώστε να

απαντηθούν τα ερωτήματα που έχουν τεθεί (Σχήμα 3). Είναι σαφές ότι υπάρχει

συνεχής αλληλεπίδραση με το χρήστη, έτσι ώστε να γίνεται επαναπροσδιορισμός των

στόχων όταν αυτό απαιτείται, βάσει των αποτελεσμάτων της ανάλυσης των

δεδομένων.

Τα ΓΣΠ μπορούν να απαντήσουν σε ποικίλα ερωτήματα και μερικά από αυτά

αναφέρονται ενδεικτικά στη συνέχεια. Στο σημείο αυτό όμως πρέπει να γίνει

κατανοητό ότι ένα ΓΣΠ είναι ένα εργαλείο το οποίο πρέπει να χρησιμοποιηθεί

κατάλληλα για να δώσει τα βέλτιστα αποτελέσματα. Είναι ένα μέσο που βοηθεί στη

λήψη αποφάσεων και για το λόγο αυτό η συμμετοχή του χρήστη είναι άμεση και

πολύ σημαντική. Δεν αρκεί, λοιπόν, μόνο μία καλή γνώση του λογισμικού, αλλά και

-10-

μία πολύ καλή γνώση του προβλήματος που έχει τεθεί και αναμένεται να λυθεί μέσω

του ΓΣΠ. Επιπλέον, απαιτείται καλή γνώση των μεθόδων ανάλυσης που θα

χρησιμοποιηθούν, έτσι ώστε να μπορεί να γίνει καλή εκτίμηση των αποτελεσμάτων

και πιθανός επαναπροσδιορισμός των στόχων.

Σχήμα 2. Λογισμικό ΓΣΠ

-11-

Σχήμα 3. Πλαίσιο οργάνωσης της λειτουργίας

Ερωτήσεις που θα μπορούσε ο χρήστης να θέσει σε ένα ΓΣΠ

Πού είναι το αντικείμενο Α ;

Πού είναι το Α σε σχέση με το Β ;

Πόσα Α υπάρχουν σε μια απόσταση δ από το Β ;

Ποιά είναι η τιμή της συνάρτησης Ζ στη θέση Χ ;

Ποιό το αποτέλεσμα της επικάλυψης του Α με το Β ;

Ποιά η βέλτιστη διαδρομή μεταξύ του Χ και του Υ ;

Ποιά αντικείμενα βρίσκονται κοντά στα αντικείμενα Α τα οποία έχουν

ορισμένα χαρακτηριστικά

Τι βρίσκεται στη θέση Χ ;

Χρησιμοποιώντας τη βάση δεδομένων σαν μοντέλο του πραγματικού κόσμου,

να αναπτυχθεί μοντέλο που να περιγράφει την εξέλιξη της διαδικασίας Δ στο

χρόνο για ένα δεδομένο σενάριο.

-12-

1.5 Πεδία εφαρμογής

Τα ΓΣΠ βρίσκουν εφαρμογή σε πολλούς και διάφορους τομείς, όπως :

Περιβάλλον

Μελέτες περιβαλλοντικών επιπτώσεων, διαχείριση παράκτιας ζώνης,

ποιότητα νερού, εκτίμηση του θαλάσσιου ευτροφισμού, ανίχνευση

περιβαλλοντικά ευαίσθητων περιοχών, χρήσεις γης, διαχείριση

οικοσυστημάτων, λεκάνες απορροής ποταμών και εκτίμηση της ποιότητας του

νερού στις εκβολές τους, πρόβλεψη πλημμυρών κλπ.

Μοντέλα πρόβλεψης φυσικών καταστροφών και σχέδια διάσωσης πληθυσμού

Τηλεπικοινωνίες, χωροθέτηση κεραιών κινητής τηλεφωνίας

Δίκτυα μεταφορών

Δημόσια Διοίκηση

Κτηματολόγιο

Επιχειρήσεις

Εκπαίδευση

Ενεργειακά δίκτυα

Δίκτυα ύδρευσης, αποχέτευσης

-13-

Κεφάλαιο 2

Δομή των δεδομένων σε ένα Γεωγραφικό Σύστημα Πληροφοριών

2.1 Γεωγραφικά δεδομένα

Τα γεωγραφικά δεδομένα είναι δεδομένα που έχουν ορισθεί χωρικά και

προσδιορίζονται βάσει:

της θέσης τους σύμφωνα με ένα γνωστό σύστημα συντεταγμένων (π.χ.

γεωγραφικό μήκος, γεωγραφικό πλάτος)

των χαρακτηριστικών τους: πρόκειται για περιγραφική μη χωρική πληροφορία

που σχετίζεται με τις ποιοτικές και ποσοτικές ιδιότητες του γεωγραφικού

χώρου (π.χ. όνομα, μέγεθος, χρώμα κλπ.)

της μεταβολής τους στο χρόνο: καταγράφεται η χρονική στιγμή συλλογής

των δεδομένων, η μεταβολή της θέσης ή των χαρακτηριστικών τους στο

χρόνο, ενώ στην περίπτωση συλλογής δεδομένων ανά τακτά χρονικά

διαστήματα, το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί ανάμεσα σε κάθε

δειγματοληψία

της σχέσης τους με άλλα αντικείμενα του χώρου, δηλαδή της τοπολογίας τους

(π.χ. θέση του αντικειμένου Α σε σχέση με το Β, απόσταση του Α από το Β

κλπ).

Η βασική λειτουργία των χωρικών δεδομένων που αποθηκεύουμε και

αναλύουμε είναι η υποδιαίρεση της επιφάνειας της γης σε μικρές οντότητες ή

αντικείμενα τα οποία στη συνέχεια είναι δυνατό να χαρακτηριστούν. Κατ´αυτόν τον

τρόπο, τα περιεχόμενα της χωρικής βάσης δεδομένων που δημιουργείται αποτελούν

ένα μοντέλο του πραγματικού κόσμου (Star and Estes, 1990).

Όλα τα γεωγραφικά δεδομένα, καθώς και τα φαινόμενα που εξελίσσονται στο

χώρο, μπορούν να απεικονισθούν με χρήση: (α) σημείων, (β) γραμμών και (γ)

πολυγώνων.

2.2 Μοντέλα χωρικών δεδομένων

Το ανθρώπινο μάτι είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στο να αναγνωρίζει το σχήμα και

τη μορφή των αντικειμένων που υπάρχουν στον πραγματικό κόσμο, όταν όμως η

σχετική πληροφορία πρόκειται να εισαχθεί στον Η/Y, απαιτείται να προσδιορισθεί ο

-14-

τρόπος με τον οποίο θα γίνει η διαχείριση, αποθήκευση και απεικόνιση των χωρικών

δεδομένων.

Υπάρχουν δύο βασικές προσεγγίσεις για την αποθήκευση και απεικόνιση της

γεωγραφικής πληροφορίας:

Το διανυσματικό μοντέλο (vector model)

Το ψηφιδωτό μοντέλο (raster model)

2.2.1 Διανυσματικό μοντέλο (vector model)

Το διανυσματικό μοντέλο έχει σαν στόχο τα αντικείμενα να απεικονίζονται με

όσο το δυνατό μεγαλύτερη ακρίβεια. Για το λόγο αυτό, ο γεωγραφικός χώρος

θεωρείται συνεχής επιτρέποντας έτσι κάθε θέση, μήκος, σχήμα ή διάσταση να ορισθεί

με ακρίβεια.

Οι βασικές λογικές μονάδες του διανυσματικού μοντέλου είναι τα σημεία, οι

γραμμές και τα πολύγωνα. Κάθε γραμμή κωδικοποιείται με τη μορφή σειράς ζευγών

συντεταγμένων (Χ,Υ) των σημείων της. ΄Ολα τα αντικείμενα απεικονίζονται

συνδέοντας σημεία με ευθείες γραμμές / τόξα (arcs). Μία κλειστή επιφάνεια με

μορφή πολυγώνου κωδικοποιείται με μια σειρά γραμμών οι οποίες αποτελούν και τα

όρια του πολυγώνου. Τέλος, η περιγραφική πληροφορία (attributes), όπως και η

τοπολογία αναφέρεται σε κάθε στοιχείο π.χ. σημείο, γραμμή, πολύγωνο. Για

παράδειγμα, η τοπολογία ενός τόξου (arc) περιλαμβάνει το σημείο / κόμβο (node)

από τον οποίο ξεκινά και αυτόν στον οποίο καταλήγει, καθώς και τα πολύγωνα που

βρίσκονται δεξιά και αριστερά του.

2.2.2 Δομή του διανυσματικού μοντέλου

Υπάρχουν διάφοροι τύποι δομής ενός διανυσματικού μοντέλου, δηλαδή τρόποι

με τους οποίους αποθηκεύεται η πληροφορία που εμπεριέχεται σε αυτό. Στη συνέχεια

θα παρουσιασθούν οι βασικότεροι από αυτούς.

(α) Μοντέλο Spaghetti

Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό κάθε οντότητα (γραμμή, σημείο, πολύγωνο)

κωδικοποιείται σαν ένα σύνολο από ζεύγη γεωγραφικών συντεταγμένων (Σχήμα 4).

-15-

Σχήμα 4. Μοντέλο Spaghetti

Στο σημείο αντιστοιχίζεται ένα ζεύγος συντεταγμένων (Χ, Υ), στη γραμμή μία

σειρά από ζεύγη συντεταγμένων ξεκινώντας από τις συντεταγμένες (Χ1, Υ1) της

αρχής της και καταλήγωντας στις συντεταγμένες (Χν, Υν) του τέλους της. Τέλος, στο

πολύγωνο αντιστοιχίζεται επίσης μία σειρά από ζεύγη συντεταγμένων ξεκινώντας από

τις συντεταγμένες (Χ1, Υ1) της αρχής της γραμμής που το περικλείει και

καταλήγοντας πάλι στο ίδιο σημείο (Χ1, Υ1).

Δεδομένου ότι η βασική αρχή του μοντέλου αυτού είναι η ένα-προς-ένα

καταγραφή των στοιχείων που απεικονίζονται στον αναλογικό χάρτη, η τοπολογία

μεταξύ των χωρικών αντικειμένων (π.χ. ποιά πολύγωνα γειτονεύουν) δεν

καταγράφεται ξεχωριστά, αλλά γίνεται κατανοητή από την αποθηκευμένη

πληροφορία. Αυτό αποτελεί ένα μειονέκτημα του μοντέλου Spaghetti, αφού πολλές

φορές αποθηκεύεται δύο ή περισσότερες φορές η ίδια πληροφορία, με αποτέλεσμα

την υπερφόρτωση του συστήματος και τη δυσκολία στην ανάλυση των δεδομένων.

Για παράδειγμα, όπως φαίνεται στο σχήμα 4, τα στοιχεία της κοινής οριακής γραμμής

των πολυγώνων 1 και 2 έχουν καταγραφεί 2 φορές: μία φορά όταν αυτή θεωρείται

μέρος της γραμμής που περικλείει το πολύγωνο 1 και μία δεύτερη όταν θεωρείται

μέρος της γραμμής που περικλείει το πολύγωνο 2.

-16-

Το μοντέλο Spaghetti χρησιμοποιείται κυρίως στα Συστήματα

Αυτοματοποιημένης Σχεδίασης, όπου η ανάλυση των δεδομένων δεν είναι ο κύριος

στόχος.

(β) Τοπολογικό μοντέλο (Arc-Node structure)

Στο μοντέλο αυτό, σε αντίθεση με το μοντέλο Spaghetti, καταγράφεται η

τοπολογία, δηλαδή οι σχέσεις μεταξύ των διαφόρων αντικειμένων που απεικονίζονται

στον αναλογικό χάρτη (Σχήμα 5). Με τον τρόπο αυτό, επιτυγχάνεται η βέλτιστη

αποθήκευση των χωρικών δεδομένων έτσι ώστε να αποφεύγεται η συσσώρευση

πλεονάζουσας πληροφορίας και να διευκολύνεται η ανάλυσή τους.

Για κάθε τόξο αποθηκεύονται σε έναν πίνακα οι συντεταγμένες του αρχικού και

του τελικού σημείου του (κόμβος-node), καθώς και των ενδιάμεσων σημείων του,

ενώ σε ένα δεύτερο πίνακα η τοπολογία του (αρχικός κόμβος, τελικός κόμβος,

πολύγωνο που βρίσκεται στα αριστερά και στα δεξιά του). Κάθε τόξο όπως και κάθε

κόμβος έχει ένα συγκεκριμένο κωδικό αριθμό ο οποίος χρησιμοποιείται για να το

προσδιορίζει.

Σε άλλον πίνακα αποθηκεύεται η τοπολογία των κόμβων (nodes). Ένας κόμβος

δεν είναι μόνο ένα απλό σημείο, αλλά μπορεί να αντιπροσωπεύει την τομή δύο ή

περισσοτέρων τόξων, με αποτέλεσμα ο κωδικός αριθμός του να αντιστοιχίζεται σε

περισσότερα από ένα τόξα (Σχήμα 5).

Όσον αφορά στα πολύγωνα, έχουν και αυτά έναν κωδικό αριθμό και από τη

μελέτη της τοπολογίας των τόξων μπορεί να προσδιορισθεί ποιά γειτονεύουν, καθώς

και το τόξο που είναι κοινό και για τα δύο (π.χ. τόξο α5 στο Σχήμα 5).

-17-

Σχήμα 5. Τοπολογικό μοντέλο

2.2.3 Ψηφιδωτό μοντέλο (raster model)

Βάσει του ψηφιδωτού μοντέλου η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε ένα σύνολο

από χωρικές μονάδες, που ονομάζονται επίσης κελιά (cells), ψηφίδες ή εικονοψηφίδες

(pixels). Το σύνολο των χωρικών αυτών μονάδων ονομάζεται ψηφιδωτό (grid) ή

κάναβος ή πίνακας (matrix / array). Κάθε κελί αποτελεί επομένως ένα μικρό κομμάτι

του χώρου και σκοπός είναι να γίνει περιγραφή της θέσης και του περιεχομένου του.

Πρέπει σε αυτό το σημείο να τονισθεί ότι σε κάθε κελί αντιστοιχεί μόνο μία τιμή, η

οποία αντιπροσωπεύει κάποια ιδιότητα του πραγματικού κόσμου (π.χ. είδος

φυτοκάλυψης, συγκέντρωση χλωροφύλλης, θερμοκρασία κλπ). Τα κελιά έχουν

συνήθως σχήμα τετραγώνου και οι διαστάσεις τους προσδιορίζονται από το χρήστη

ανάλογα με την εφαρμογή (Σχήμα 6). Υπάρχουν και ψηφιδωτά που τα κελιά τους

έχουν τριγωνική ή εξαγωνική μορφή.

Η θέση του κάθε κελιού προσδιορίζεται από τον αντίστοιχο αριθμό της

γραμμής και της στήλης του ψηφιδωτού, όπως φαίνεται στο σχήμα 6. Είναι

αυτονόητο ότι το μέγεθος του κελιού είναι άμεσα συνδεδεμένο με τον αριθμό των

γραμμών και των στηλών του ψηφιδωτού / πίνακα. Στο ψηφιδωτό μοντέλο ένα

σημείο απεικονίζεται σαν ένα κελί του ψηφιδωτού, ενώ η γραμμή και το πολύγωνο

σαν ένα σύνολο γειτονικών κελιών.

-18-

Στο σχήμα 7 δίνεται ένα παράδειγμα απεικόνισης του πραγματικού κόσμου

βάσει του ψηφιδωτού και του διανυσματικού μοντέλου. Η περιοχή Δ που βάσει του

διανυσματικού μοντέλου απεικονίζεται σαν ένα πολύγωνο, βάσει του ψηφιδωτού

μοντέλου απεικονίζεται σαν ένα σύνολο από τέσσερα γειτονικά κελιά. Επίσης, το

ποτάμι που υπάρχει στον πραγματικό κόσμο απεικονίζεται σαν μία γραμμή βάσει του

διανυσματικού μοντέλου, ενώ σαν ένα σύνολο γειτονικών κελιών βάσει του

ψηφιδωτού.

Σχήμα 6. Το ψηφιδωτό (grid)

-19-

Σχήμα 7. Απεικόνιση του πραγματικού κόσμου βάσει του ψηφιδωτού και του

διανυσματικού μοντέλου

2.2.4 Δομή του ψηφιδωτού μοντέλου

Η δομή των δεδομένων ενός ψηφιδωτού μοντέλου περιλαμβάνει τα εξής

στοιχεία:

Χαρτογραφικό μοντέλο

Τα δεδομένα μιας περιοχής μπορούν να απεικονιστούν ως χάρτες ή επίπεδα

(layers). Το χαρτογραφικό μοντέλο είναι ένα σύνολο δεδομένων που περιγράφουν

επιλεγμένα χαρακτηριστικά κάθε κελιού με τη μορφή χαρτών-χαρτογραφικών

επιπέδων, μέσα σε μια καλά ορισμένη γεωγραφικά περιοχή.

Χάρτης / Χαρτογραφικό επίπεδο (map layer)

Σύνολο δεδομένων που περιγράφουν ένα μόνο χαρακτηριστικό κάθε κελιού

μέσα σε μια καλά ορισμένη γεωγραφικά περιοχή. Σε ένα χαρτογραφικό επίπεδο

παρέχεται πληροφορία μόνο για ένα χαρακτηριστικό της περιοχής μελέτης, π.χ. είδος

εδάφους, θερμοκρασία κλπ.

-20-

Στο σχήμα 8 δίνεται ένα παράδειγμα για να γίνουν κατανοητές οι έννοιες του

χαρτογραφικού μοντέλου και του χαρτογραφικού επιπέδου. Απεικονίζονται τέσσερα

χαρτογραφικά επίπεδα που αντιστοιχούν στην τοπογραφία της περιοχής μελέτης, στο

είδος του εδάφους, στα είδη των δασών και στην ύπαρξη ή όχι κτιρίων. Το σύνολο

των τεσσάρων αυτών επιπέδων αποτελούν το χαρτογραφικό μοντέλο. Σαν

παράδειγμα, δίνεται αναλυτικά το χαρτογραφικό επίπεδο που αντιστοιχεί στο είδος

του εδάφους. Υπάρχουν τρεις κατηγορίες εδαφών οι οποίες έχουν κωδικοποιηθεί με

τους αριθμούς 1, 2, 3 και επομένως, στο αντίστοιχο ψηφιδωτό σε κάθε κελί έχει

δοθεί τιμή ανάλογα με το είδος του εδάφους που αντιπροσωπεύει.

Βασικά στοιχεία ενός χαρτογραφικού επιπέδου είναι ο προσανατολισμός του, η

ανάλυσή του και οι ζώνες που περικλείει.

Προσανατολισμός (orientation)

Η γωνία ανάμεσα στον βορρά και τη διεύθυνση που ορίζεται από τις στήλες

του ψηφιδωτού.

Ανάλυση (resolution)

Η μικρότερη γραμμική διάσταση της μικρότερης χωρικής μονάδας δηλαδή του

κελιού. Προσοχή πρέπει να δοθεί στο τι εννοούμε όταν λέμε ότι ένα ψηφιδωτό έχει

υψηλή ανάλυση.

Ψηφιδωτό υψηλής ανάλυσης είναι αυτό που έχει κελιά μικρών διαστάσεων,

έτσι ώστε ο πραγματικός κόσμος να απεικονίζεται με όσο το δυνατό μεγαλύτερη

ακρίβεια.

-21-

Σχήμα 8. Χαρτογραφικό μοντέλο και χαρτογραφικό επίπεδο

Ζώνη (zone)

Σε ένα χαρτογραφικό επίπεδο, ένα σύνολο κελιών που έχουν τα ίδια

χαρακτηριστικά αποτελεί μία ζώνη. Τα κελιά που ανήκουν στην ίδια ζώνη έχουν την

ίδια τιμή. Ο όρος κλάση χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό ενός συνόλου ζωνών

που έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά. Μία ζώνη προσδιορίζεται από τον αριθμό των

κελιών που την αποτελούν, την τιμή τους και τον κωδικό / ετικέτα της (label). Η

ετικέτα περιλαμβάνει επιπλέον πληροφορία σχετικά με τη ζώνη και μπορεί να είναι

είναι αριθμητική ή αλφαριθμητική.

Βάσει των παραπάνω, στο σχήμα 9 φαίνεται πώς δομείται ιεραρχικά το

ψηφιδωτό μοντέλο.

Σχήμα 9. Ιεραρχική δομή του ψηφιδωτού μοντέλου

-22-

2.2.5 Σύγκριση διανυσματικού - ψηφιδωτού μοντέλου

Παρά το γεγονός ότι τα δύο μοντέλα παρουσιάζουν πολλές διαφορές, είναι και

τα δύο αξιόπιστα και χρησιμοποιούνται ανάλογα με τις απαιτήσεις της κάθε

εφαρμογής. Το διανυσματικό μοντέλο χρησιμοποιείται κυρίως όταν απαιτείται ακριβής

απεικόνιση των χαρακτηριστικών του χώρου, ενώ το ψηφιδωτό μοντέλο όταν

απαιτείται η εφαρμογή μεθόδων χωρικής ανάλυσης, καθώς και ο συνδυασμός με

τηλεπισκοπικά δεδομένα, αφού και αυτά έχουν την ίδια ψηφιδωτή μορφή.

Διανυσματικό μοντέλο

Πλεονεκτήματα

1. Καλή παρουσίαση της δομής δεδομένων όπως γίνονται αντιληπτά από τον

άνθρωπο

2. Ενιαία δομή δεδομένων

3. Ακριβή γραφικά

4. Παρέχεται πλήρης περιγραφή της τοπολογίας και κατά συνέπεια, οι εφαρμογές που

απαιτούν τοπογραφική πληροφορία εφαρμόζονται με μεγαλύτερη ακρίβεια

Μειονεκτήματα

1. Σύνθετη δομή δεδομένων

2. Η υπέρθεση (overlay) χαρτών είναι δυσκολότερη

3. Η χωρική ανάλυση μέσα στα πολύγωνα είναι αδύνατη

4. Η προσομοίωση του πραγματικού χώρου με την ανάπτυξη μοντέλων είναι

δυσκολότερη αφού κάθε ενότητα έχει διαφορετική τοπολογική μορφή

5. Η τεχνολογία είναι δαπανηρή, ιδιαίτερα όσον αφορά στην αγορά του κατάλληλου

λογισμικού και του απαραίτητου μηχανικού εξοπλισμού

Ψηφιδωτό μοντέλο

Πλεονεκτήματα

1. Απλή δομή δεδομένων

2. Εύκολη υπέρθεση (overlay) και συνδυασμός με τηλεπισκοπικά δεδομένα

3. Εύκολη η εφαρμογή μεθόδων χωρικής ανάλυσης

4. Εύκολη προσομοίωση του πραγματικού χώρου

5. Φθηνή τεχνολογία

-23-

Μειονεκτήματα

1. Μεγάλος όγκος γραφικών δεδομένων

2. Η χρήση μεγάλου μεγέθους ψηφίδων με σκοπό τη μείωση του όγκου δεδομένων,

έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία μη αναγνωρίσιμων σχημάτων και την απώλεια

χωρικής πληροφορίας

3. Η τοπολογικές σχέσεις είναι δυσκολότερο να απεικονισθούν

2.2.6 Μέθοδοι μετατροπής δεδομένων από διανυσματική σε

ψηφιδωτή μορφή

Μερικές φορές η μετατροπή των δεδομένων από διανυσματική σε ψηφιδωτή

μορφή είναι αναγκαία. Μία τέτοια περίπτωση είναι όταν ο τελικός χάρτης θα πρέπει

να αποδοθεί από περιφερειακές συσκευές του Η/Y οι οποίες διαχειρίζονται δεδομένα

σε ψηφιδωτή μορφή, ενώ μία άλλη όταν απλά απαιτείται η αποθήκευση των

δεδομένων σε αυτή τη μορφή.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι μετατροπής των δεδομένων από διανυσματική σε

ψηφιδωτή μορφή, οι οποίοι παρουσιάζονται στη συνέχεια.

Μέθοδος παρουσίας/απουσίας (presence / absence)

Η τιμή που θα δοθεί σε κάθε κελί εξαρτάται από το αν η υπό εξέταση οντότητα

του πραγματικού χώρου εμπίπτει μέσα στα όρια του κελιού, απ’ όπου προέρχεται και

ο όρος παρουσία / απουσία. Βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ότι η

απόφαση είναι εύκολη, χωρίς να απαιτείται κανένα είδος επιπλέον μετρήσεων. Είναι η

καλύτερη μέθοδος για την κωδικοποίηση σημείων & γραμμών, αφού οι οντότητες

αυτές δεν καταλαμβάνουν πολύ χώρο μέσα σε ένα κελί με αποτέλεσμα η παρουσία

τους να ε’ιναι πολύ εύκολο να κωδικοποιηθεί με ένα νούμερο (Σχήμα 10α).

Κέντρο του κελιού (Centroid of cell)

Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, καταγράφεται η παρουσία ενός αντικειμένου,

μόνο εάν ένα μέρος του περνά ακριβώς από το κέντρο του κελιού. Η μέθοδος αυτή

δεν είναι αποδοτική στην περίπτωση μετατροπής γραμμών ή σημείων από

διανυσματική σε ψηφιδωτή μορφή, αφού η πιθανότητα ενός σημείου ή μιας γραμμής

να διέρχεται από το κέντρο του κελιού είναι πολύ μικρή σχετικά με την πιθανότητα

να διέρχεται από οπουδήποτε αλλού μέσα στην επιφάνεια που περικλείεται από το

κελί. Για τους παραπάνω λόγους, η χρήση της μεθόδου αυτής περιορίζεται για την

κωδικοποιήση αντικειμένων που έχουν τη μορφή πολυγώνων (Σχήμα 10β). Ένα

-24-

πρόσθετο μειονέκτημα είναι ότι απαιτούνται επιπλέον υπολογισμοί, δεδομένου ότι

πρέπει αρχικά να προσδιορισθεί το κέντρο κάθε κελιού και στη συνέχεια η θέση του

αντικειμένου σε σχέση με αυτό.

Μέθοδος κυρίαρχου τύπου (Dominant type)

Η μέθοδος αυτή είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη και γενικά θεωρείται η

καλύτερη μέθοδος μετατροπής δεδομένων που βρίσκονται σε μορφή πολυγώνων,

από διανυσματική σε ψηφιακή μορφή (Σχήμα 10γ). Σύμφωνα με αυτήν, η παρουσία

ενός αντικειμένου κωδικοποιείται εάν αυτό καταλαμβάνει περισσότερο από 50% της

επιφάνειας του κελιού. Η μέθοδος αυτή απαιτεί επιπλέον υπολογισμούς από τον Η/Υ

και δε δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα όταν μέσα στο ίδιο κελί υπάρχουν πολλά

πολύγωνα που κανένα δεν καταλαμβάνει το 50% της επιφανείας του. Στην

περίπτωση αυτή, αφού γίνουν οι κατάλληλοι υπολογισμοί, η τιμή που θα δοθεί στο

κελί είναι αυτή που αντιστοιχεί στο αντικείμενο που καταλαμβάνει το μεγαλύτερο

ποσοστό της επιφανείας του.

Επί τοις εκατό παρουσία (Percent occurence)

Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται αποκλειστικά για δεδομένα που βρίσκονται σε

μορφή πολυγώνων. Η βασική της αρχή είναι ο ακριβής προσδιορισμός του ποσοστού

της επιφάνειας του κελιού που καταλαμβάνεται από κάθε πολύγωνο. Για το σκοπό

αυτό δημιουργούνται τόσα ψηφιδωτά όσα και ο αριθμός των πολυγώνων που

βρίσκονται σε διανυσματική μορφή. Σε κάθε κελί του ψηφιδωτού το οποίο

αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο πολύγωνο, καταγράφεται το ποσοστό της

επιφάνειας του κελιού που καταλαμβάνεται από αυτό το πολύγωνο. Αν τα ποσοστά

είναι σωστά υπολογισμένα τα ψηφιδωτά θα πρέπει να είναι συμπληρωματικά. Για

παράδειγμα, ας θεωρηθεί ότι στο σχήμα 10δ το πολύγωνο Α αντιστοιχεί στη στεριά,

ενώ το Β στη θάλασσα. Θα δημιουργηθούν δύο ψηφιδωτά. Στο πρώτο (1) που

αντιστοιχεί στη θάλασσα, στα κελιά που αντιστοιχούν στη στεριά θα καταχωρηθεί το

ποσοστο 0%, ενώ σε αυτά που αντιστοιχούν στη θάλασσα το 100%. Ανάλογα, στο

ψηφιδωτό (2) που αντιστοιχεί στη στεριά, στα κελιά που αντιστοιχούν στη θάλασσα

θα καταχωρηθεί το ποσοστό 0%, ενώ σε αυτά της στεριάς το 100%. Στα κελιά που

περικλείεται και στεριά και θάλασσα θα καταχωρηθεί στο αντίστοιχο κελί κάθε

ψηφιδωτού το ποσοστό κάλυψης. Να παρατηρείσετε ότι τα ψηφιδωτά (1) και (2)

είναι συμπληρωματικά. Πλεονέκτημα της μεθόδου είναι ότι παρέχεται ακριβής

πληροφορία για κάθε κελί, υπάρχουν όμως και αρκετά μειονεκτήματα. Όσα

-25-

περισσότερα πολύγωνα βρίσκονται σε διανυσματική μορφή και πρέπει να

κωδικοποιηθούν, τόσο μεγαλύτερος γίνεται και ο αριθμός των ψηφιδωτών που θα

πρέπει να δημιουργηθούν, με αποτέλεσμα να υπάρχει πρόβλημα στην αποθήκευση

όλων αυτών των δεδομένων και στην περαιτέρω ανάλυσή τους.

Σχήμα 10. Μετατροπή δεδομένων από διανυσματική σε ψηφιδωτή μορφή

-26-

Κεφάλαιο 3

Βάσεις Δεδομένων (Data Bases)

Στο κεφάλαιο αυτό θα αναφερθούν ορισμένες βασικές έννοιες των βάσεων

δεδομένων, δεδομένου ότι ένα ΓΣΠ όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενο κεφάλαιο,

είναι ουσιαστικά μια βάση δεδομένων χωρικής αλλά και μη χωρικής / περιγραφικής

πληροφορίας. Η πληροφορία επομένως που καταχωρείται σε αυτή πρέπει να είναι

οργανωμένη με τέτοιο τρόπο, ώστε να επιτρέπεται με το μικρότερο δυνατό κόστος η

ανάκτηση των δεδομένων καθώς και η ενημέρωσή τους.

Σε κάθε βάση δεδομένων γίνονται υποθέσεις όσον αφορά στα δεδομένα που

αυτή διαχειρίζεται. Για το λόγο αυτό, δεν είναι όλοι οι τύποι των βάσεων δεδομένων

κατάλληλοι για τα ΓΣΠ, αφού οι υποθέσεις που γίνονται θα πρέπει να πληρούνται από

τα χωρικά δεδομένα που διαχειρίζεται ένα ΓΣΠ.

3.1 Ορισμός, βασικοί όροι και χαρακτηριστικά

Βάση δεδομένων ενός συστήματος πληροφοριών είναι μία κατάλληλα

συνδυασμένη συγκέντρωση ορισμένων αρχείων του συστήματος με σκοπό τη

δημιουργία ενός νέου, πιό αποτελεσματικού και λειτουργικά ολοκληρωμένου αρχείου,

χωρίς περιττές επαναλήψεις στοιχείων, με δυνατότητα εξυπηρέτησης πολλών

εφαρμογών-αναγκών και του οποίου τα στοιχεία αποθηκεύονται με τρόπο ώστε να

είναι ανεξάρτητα από τα προγράμματα που τα χρησιμοποιούν (Μανιάτης, 1996).

Οι βασικοί όροι μιας βάσης δεδομένων είναι οι εξής (Σχήμα 11):

πεδίο (field-attribute): Περιέχει μια ιδιότητα ενός αντικειμένου.

Π.χ για το αντικείμενο ´σταθμός δειγματοληψίας´ πεδία του είναι ο κωδι-

κός του, το όνομά του, το γεωγραφικό του μήκος και πλάτος, η θερμο-

κρασία που μετρήθηκε σε συγκεκριμένο βάθος σε αυτόν κλπ.

εγγραφή (record): Αποτελεί ένα σύνολο από χαρακτηριστικά / ιδιότητες

ενός αντικειμένου.

αρχείο (file): Το σύνολο των εγγραφών ενός αντικειμένου, τα πεδία των

οποίων παίρνουν διαφορετικές τιμές. Ένα σύνολο από τέτοια αρχεία

αποτελεί μία Βάση Δεδομένων.

-27-

πεδίο 1 πεδίο 2 πεδίο 3 πεδίο 4 πεδίο 5 εγγραφή 1 εγγραφή 2 εγγραφή 3

αρχείο 1

Σχήμα 11. Αρχείο, εγγραφή, πεδίο

Μία βάση δεδομένων πρέπει να έχει τα ακόλουθα βασικά χαρακτηριστικά:

(α) Ελαχιστοποίηση της πλεονάζουσας πληροφορίας

(β) Διατήρηση της ακεραιότητας και ποιότητας των δεδομένων

(γ) Ανεξαρτησία των δεδομένων από τα προγράμματα που τα

χρησιμοποιούν

(δ) Δυνατότητα εξυπηρέτησης πολλών και διαφορετικών αναγκών

(ε) Περιορισμούς ασφαλείας

Η πιό απλή βάση δεδομένων είναι η απλή λίστα. Κάθε νέο στοιχείο που

προστίθεται στη βάση δεδομένων αποθηκεύεται στο τέλος του αρχείου, το οποίο

μεγαλώνει συνεχώς σε μέγεθος. Σε ένα τέτοιο σύστημα είναι πολύ εύκολη η

εισαγωγή νέων στοιχείων, όχι όμως και η ανάκτησή τους. Για μία λίστα που περιέχει ν

στοιχεία πρέπει να γίνουν κατά μέσο όρο (ν+1)/2 αναζητήσεις, ώστε να βρεθεί το

ζητούμενο. Είναι φανερό ότι μία τέτοια βάση δεδομένων δεν είναι αποτελεσματική

στην περίπτωση που απαιτείται η αποθήκευση και η εύκολη αναζήτηση πληθώρας

δεδομένων.

3.2 Σχέσεις ανάμεσα στα στοιχεία των Βάσεων Δεδομένων

Οι σχέσεις που συνδέουν τα στοιχεία μιας Βάσης Δεδομένων διακρίνονται σε:

ένα-προς-ένα ή μονοσήμαντες (1:1)

Σε κάθε τιμή ενός στοιχείου Α αντιστοιχεί μόνο μία τιμή του στοιχείου Β,

δηλαδή το στοιχείο Α προσδιορίζει μονοσήμαντα το στοιχείο Β. Ονομάζεται και

Κωδικός σταθμού

δειγματοληψίας

Όνομα Γεωγραφικό μήκος

Γεωγραφικό πλάτος

Τ(oC)

1 Θερμή α1 β1 20.5

2 Κράτηγος α2 β2 20.5

3 Λιμάνι α3 β3 21.0

-28-

σύνδεση 1. Σαν παράδειγμα αναφέρεται η σχέση ανάμεσα στα στοιχεία ΄Κωδικός

σταθμού δειγματοληψίας΄ και ΄Όνομα΄ που δίνονται στο σχήμα 11. Σε κάθε σταθμό

δειγματοληψίας 1, 2, 3 αντιστοιχεί ένα και μόνο όνομα (Θερμή, Κράτηγος, Λιμάνι).

ένα-προς-πολλά (1:M)

Σε κάθε τιμή του στοιχείου Α αντιστοιχούν μία, καμία ή πολλές τιμές του

στοιχείου Β. Ονομάζεται και σύνδεση Μ. Σαν παράδειγμα αναφέρεται η σχέση

ανάμεσα στα στοιχεία ΄Ονομα΄ του σταθμού δειγματοληψίας και ΄Τ(oC)΄ που

δίνονται στο σχήμα 11. Σε κάθε σταθμό δειγματοληψίας (Θερμή, Κράτηγος, Λιμάνι)

αντιστοιχεί μία ή και περισσότερες τιμές της θερμοκρασίας.

3.3 Δομές των Βάσεων Δεδομένων

Για να είναι εύκολη η πρόσβαση στα στοιχεία που έχουν καταχωρηθεί σε μία

βάση δεδομένων, απαιτείται η ύπαρξη μιας δομής ή οργάνωσης των σχέσεων που

υπάρχουν ανάμεσα στα στοιχεία. Τρεις είναι οι κυριότερες δομές των βάσεων

δεδομένων οι οποίες περιγράφονται στη συνέχεια.

3.3.1 Δομή δένδρων ή Ιεραρχική δομή (Ηierarchical structure)

Όταν η σχέση ανάμεσα στα στοιχεία των βάσεων δεδομένων είναι ένα-προς-

πολλά (1:Μ), η ιεραρχική δομή παρέχει γρήγορη και εύκολη πρόσβαση στα δεδομένα.

Σύμφωνα με τη δομή αυτή, οι σχέσεις μεταξύ των στοιχείων έχουν τη μορφή ενός

δέντρου. Ένα δέντρο αποτελείται από κόμβους (nodes) που είναι τα στοιχεία της

βάσης δεδομένων, ενώ το υψηλότερο επίπεδο της ιεραρχίας ενός δέντρου είναι ένας

κόμβος που λέγεται κορυφή (root). Όλοι οι κόμβοι, εκτός από την κορυφή,

-29-

σχετίζονται με ένα μόνο κόμβο του ανώτερου επιπέδου τους ή με άλλα λόγια έχουν

σχέση ΄γονέας-παιδιά΄. Σαν παράδειγμα δίνεται στο σχήμα 12β ο τρόπος με τον

οποίο αποθηκεύονται τα δεδομένα που απεικονίζονται στο χάρτη του σχήματος 12α.

Στον χάρτη αυτόν απεικονίζονται δύο πολύγωνα (Ι και ΙΙ) τα οποία γειτονεύουν και

περικλείονται από ένα σύνολο γραμμών, ενώ η γραμμή c είναι κοινή και στα δύο

πολύγωνα. Κάθε γραμμή ορίζεται από τις συντεταγμένες της αρχής της και του

τέλους της. Σύμφωνα με την ιεραρχική δομή, ο χάρτης Μ αποτελεί το υψηλότερο

επίπεδο της ιεραρχίας του δέντρου, ενώ ακολουθούν τα πολύγωνα, οι γραμμές και τα

σημεία. Τα πλεονεκτήματα της ιεραρχικής δομής είναι ότι είναι εύκολα κατανοητή και

μπορεί εύκολα να ενημερωθεί. Μειονέκτημα αποτελεί το γεγονός ότι σε πολλές

περιπτώσεις αποθηκεύεται πλεονάζουσα πληροφορία, με αποτέλεσμα την αύξηση του

κόστους αποθήκευσης και πρόσβασης στα δεδομένα. Αυτό είναι φανερό στο

παραπάνω παράδειγμα, όπου κάθε σημείο και κατά συνέπεια και οι συντεταγμένες

του, πρέπει να καταχωρηθεί δύο φορές αφού αποτελεί το τέλος μιας γραμμής και την

αρχή της επομένης. Οι συντεταγμένες των σημείων 3 και 4 έχουν καταχωρηθεί 4

φορές, αφού αποτελούν την αρχή και το τέλος της γραμμής c η οποία είναι κοινή στα

πολύγωνα Ι και ΙΙ.

3.3.2 Δομή δικτύων ή Δικτυακή δομή (Network structure)

Αν σε μία βάση δεδομένων η σχέση μεταξύ κάποιων στοιχείων είναι τέτοια

ώστε ένα ΄παιδί΄ να έχει περισσότερους από ένα ΄γονέα΄, τότε αυτή περιγράφεται

καλύτερα με τη μορφή δικτύων. Κατ΄αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται η αποθήκευση

πλεονάζουσας πληροφορίας και η πρόσβαση στα δεδομένα είναι πιό γρήγορη. Όπως

φαίνεται στο σχήμα 12γ, όλα τα σημεία έχουν αποθηκευτεί από μία φορά καθώς και

η γραμμή c.

Σε περιπτώσεις που οι σχέσεις μεταξύ των δεδομένων είναι πολύπλοκες και

δύσκολα κατανοητές, χρησιμοποιούνται δικτυακές δομές ανάλογες του σχήματος

12δ. Το πλεονέκτημα που προσφέρει η δομή αυτή, είναι η εύκολη κατανόηση των

σχέσεων που υπάρχουν μεταξύ των δεδομένων, ενώ μειονέκτημά της αποτελεί η

επιπλέον αποθήκευση δεικτών (pointers) που προσδιορίζουν επακριβώς τις σχέσεις

μεταξύ των στοιχείων.

-30-

(α)

(β)

(γ)

(δ)

Σχήμα 12. (α) Αρχικός χάρτης, (β) ιεραρχική δομή, (γ) και (δ) δικτυακή δομή

-31-

3.3.3 Σχεσιακές Βάσεις Δεδομένων (Relational Data Bases)

Το σχεσιακό μοντέλο δεδομένων αποτελεί έναν απλό και ευέλικτο τρόπο

δόμησης μιάς πολύπλοκης βάσης δεδομένων. Βασικό πλεονέκτημα της δομής αυτής

είναι η απουσία οποιασδήποτε ιεραρχίας. Τα δεδομένα αποθηκεύονται σε απλές

εγγραφές (tuples / records) που περιέχουν ένα σύνολο από πεδία (fields / attributes)

και ομαδοποιούνται σε διδιάστατους πίνακες που ονομάζονται σχέσεις (relations).

Κάθε γραμμή ενός πίνακα / σχέσης αποτελεί μία εγγραφή, ενώ κάθε στήλη του

αποτελεί ένα πεδίο. Συνήθως, κάθε πίνακας / σχέση αποτελεί ένα ξεχωριστό αρχείο.

Οι πίνακες μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους μέσω των κοινών στηλών τους που

ονομάζονται κλειδιά (keys).

Τα δεδομένα μπορούν να ανακτηθούν από μία σχεσιακή βάση δεδομένων

μέσω μιας διαδικασίας κατά την οποία ο χρήστης προσδιορίζει τον κατάλληλο για την

αναζήτηση πίνακα / σχέση. Ο πίνακας αυτός δεν είναι απαραίτητο να υπάρχει ήδη,

μπορεί όμως να δημιουργηθεί βάσει των ήδη υπαρχόντων πινάκων με εφαρμογή

κατάλληλων υπολογισμών από το πρόγραμμα διαχείρισης της βάσης δεδομένων.

Πλεονέκτημα της δομής αυτής αποτελεί επίσης η ευελιξία της, αφού μπορούν να

γίνουν δύσκολες αναζητήσεις και να προκύψει γρήγορα το επιθυμητό αποτέλεσμα.

Τέλος, διάφορα είδη δεδομένων μπορούν να αναζητηθούν, να συνδυασθούν και να

συγκριθούν, ενώ η προσθήκη ή αφαίρεση δεδομένων είναι επίσης εύκολη, αφού

αντιστοιχεί στην απλή προσθήκη ή αφαίρεση μιας εγγραφής.

Μειονέκτημα της δομής αυτής αποτελεί το γεγονός ότι πολλές φορές απαιτείται

η διαδοχική αναζήτηση πολλών πινάκων / αρχείων για την ανεύρεση των ζητούμενων

δεδομένων. Κατά συνέπεια, στην περίπτωση πολύ μεγάλων βάσεων δεδομένων ο

χρόνος αναζήτησης είναι πολύ μεγάλος. Για το λόγο αυτό, απαιτείται κατάλληλη

σχεδίαση της δομής των σχεσιακών βάσεων δεδομένων, έτσι ώστε να

ελαχιστοποιείται ο χρόνος αναζήτησης.

Στο σχήμα 13α απεικονίζεται ο τρόπος με τον οποίο αποθηκεύονται τα

δεδομένα του χάρτη του σχήματος 12α. Είναι φανερό ότι και στην περίπτωση αυτή

παρατηρείται αποθήκευση πλεονάζουσας πληροφορίας, αφού όλα τα σημεία έχουν

αποθηκευτεί από δύο φορές καθώς και η γραμμή c. Για το λόγο αυτό,

χρησιμοποιούνται μέθοδοι κανονικοποίησης με σκοπό την απλούστευση της δομής

και την αποφυγή αποθήκευσης πλεονάζουσας πληροφορίας. Στο σχήμα 13β φαίνεται

πώς μεταβλήθηκαν οι πίνακες του σχήματος 13α μετά τη διαδικασία

κανονικοποίησης. Τα όρια των πολυγώνων ορίστηκαν από δύο μόνο γραμμές και

κατ΄αυτόν τον τρόπο απλοποιήθηκε η δομή χωρίς να χαθεί πληροφορία.

-32-

(α) (β)

Σχήμα 13. Σχεσιακή Βάση Δεδομένων: (α) απλή δομή, (β) μετά την κανονικοποίηση

3.4 Βάσεις Δεδομένων και Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών –

Υβριδικές Σχεσιακές Βάσεις Δεδομένων

Η ύπαρξη των σχεσιακών βάσεων δεδομένων επέτρεψε στους σχεδιαστές των

ΓΣΠ να διαχωρίσουν το πρόβλημα της αποθήκευσης δεδομένων σε δύο μέρη. Το

πρώτο μέρος αναφέρεται στον τρόπο με τον οποίο πρέπει να αποθηκευτεί η

γεωμετρία και η τοπολογία των χωρικών αντικειμένων (χρήση διανυσματικού ή

ψηφιδωτού μοντέλου), ενώ το δεύτερο στον τρόπο με τον οποίο θα αποθηκευτούν

τα χαρακτηριστικά / ιδιότητές τους (περιγραφική πληροφορία). Σαν αποτέλεσμα

έχουμε τη δημιουργία υβριδικών δομών, των υβριδικών σχεσιακών βάσεων

δεδομένων που αναφέρονται και ως γεωσχεσιακά μοντέλα.

Όσον αφορά στην αποθήκευση της περιγραφικής πληροφορίας των χωρικών

αντικειμένων γίνεται χρήση των σχεσιακών βάσεων δεδομένων που συναντώνται στο

εμπόριο, όπως για παράδειγμα η βάση δεδομένων INFO που χρησιμοποιείται στο

λογισμικό ArcINFO. Η πιό γνωστή υβριδική δομή είναι γνωστή ως Τοπολογικό

μοντέλο (Arc–Node) – Σχεσιακή Βάση Δεδομένων. Το τοπολογικό μοντέλο έχει ήδη

-33-

περιγραφεί στην παράγραφο 2.2.2, όπου η αποθήκευση της τοπολογίας καθώς και

των χωρικών χαρακτηριστικών των αντικειμένων γίνεται επίσης σε πίνακες που

διαχειρίζεται η βάση δεδομένων.

Τα βασικότερα πλεονεκτήματα της υβριδικής δομής είναι:

(α) Η περιγραφική πληροφορία δεν είναι απαραίτητο να αποθηκευτεί μαζί με τη

χωρική.

(β) Η περιγραφική πληροφορία μπορεί να μεταβληθεί, ενημερωθεί κλπ χωρίς να

πρέπει να μεταβληθεί και η χωρική πληροφορία.

(γ) Η αποθήκευση της περιγραφικής πληροφορίας στη σχεσιακή βάση δεδομένων

δεν εμποδίζει την αποθήκευση της χωρικής πληροφορίας σε διάφορα χαρτογραφικά

επίπεδα.

-34-

Κεφάλαιο 4

Δημιουργία της χωρικής βάσης δεδομένων ενός Γεωγραφικού Συστήματος

Πληροφοριών

4.1 Εισαγωγή δεδομένων

Η εισαγωγή δεδομένων σε ένα Γεωγραφικό Σύστημα Πληροφοριών και η

μετέπειτα απεικόνιση των αποτελεσμάτων είναι ο τρόπος με τον οποίο το ΓΣΠ

επικοινωνεί με τον πραγματικό κόσμο. Με τον όρο εισαγωγή δεδομένων εννοούμε τη

διαδικασία κωδικοποίησης των δεδομένων σε μία μορφή που μπορεί να διαβασθεί

από τον υπολογιστή και την εγγραφή τους στη βάση δεδομένων του ΓΣΠ.

4.1.1 Απεικόνιση του πραγματικού κόσμου

Τα περιεχόμενα μιας χωρικής βάσης δεδομένων αντιπροσωπεύουν μια άποψη

του πραγματικού κόσμου και κατά συνέπεια, ο χρήστης ΄βλέπει΄ τον πραγματικό

κόσμο μέσω αυτής. Επομένως, η δημιουργία μιας ακριβούς και καλά

πληροφορημένης χωρικής βάσης δεδομένων είναι βασικό στοιχείο για την καλή

λειτουργία ενός ΓΣΠ. Τα χωρικά δεδομένα είναι ουσιαστικά τα χωρικά αντικείμενα του

πραγματικού κόσμου σε ψηφιακή μορφή. Αυτό που πρέπει να γίνει κατανοητό είναι

ότι η απεικόνιση των αντικειμένων του πραγματικού κόσμου μέσα σε ένα ΓΣΠ

επιτυγχάνεται πάντα με το συνδυασμό σημείων, γραμμών ή περιοχών. Για

παράδειγμα, μία λίμνη απεικονίζεται με ένα πολύγωνο, ένα ποτάμι ή η ακτογραμμή με

μία γραμμή, μία πόλη ή ένας σταθμός δειγματοληψίας με ένα σημείο κοκ.

Σε μία χωρική βάση δεδομένων μπορεί να περικλείονται στοιχεία που δεν

υπάρχουν στην πραγματικότητα, όπως για παράδειγμα οι ισοβαθείς καμπύλες μιας

θαλάσσιας περιοχής, καθώς και αντικείμενα που δημιουργούνται για τις ανάγκες των

διαφόρων εφαρμογών, όπως για παράδειγμα τα pixels που χρησιμοποιούνται για την

απεικόνιση δεδομένων σε ψηφιδωτή μορφή.

Η περιγραφή της μεταβολής μιας παραμέτρου στο χώρο, όπως για παράδειγμα

της θερμοκρασίας στην επιφάνεια της θάλασσας ή της συγκέντρωσης φωσφορικών

και νιτρικών αλάτων σε βάθος 1 m, μπορεί να γίνει με διάφορες μεθόδους:

(α) Με τη λήψη μετρήσεων (δειγματοληψία) σε διάφορα σημεία του χώρου

(β) Με τη λήψη διατομών

(γ) Με το διαχωρισμό της επιφάνειας σε ζώνες ή patches και θεωρώντας ότι η

υπό μελέτη παράμετρος είναι σταθερή μέσα σε κάθε ζώνη

-35-

(δ) Με το σχεδιασμό καμπυλών (π.χ. ισοβαθείς, ισοθερμικές κλπ.)

Κάθε μία από τις παραπάνω μεθόδους παρουσιάζει το μειονέκτημα ότι το

τελικό αποτέλεσμα περιγράφει μόνο ένα μέρος της πραγματικής μεταβολής της

παραμέτρου στο χώρο. Με τη δειγματοληψία σε διάφορα σημεία, δεν παρέχεται

πληροφορία για τον μεταξύ των σημείων χώρο, ενώ με τη λήψη διατομών και το

σχεδιασμό καμπυλών δεν παρέχεται πληροφορία εκτός των διατομών και των

καμπυλών αντίστοιχα. Τέλος, με το διαχωρισμό της επιφάνειας σε ζώνες, η μεταβολή

της παραμέτρου εντός της ζώνης δεν είναι δυνατό να μελετηθεί, ενώ στην οριακή

περιοχή μεταξύ δύο ζωνών θεωρείται ότι τα χαρακτηριστικά της παραμέτρου

μεταβάλλονται απότομα, γεγονός που δεν συμβαίνει στην πραγματικότητα, ιδιαίτερα

στη θάλασσα όπου οι μεταβολές είναι βαθμιαίες.

4.1.2 Πηγές χωρικών δεδομένων

Τα φαινόμενα του πραγματικού κόσμου μπορούν να παρατηρηθούν με τρεις

τρόπους:

Χωρικά (spatial): Γίνεται μελέτη της μεταβολής τους από σημείο σε

σημείο

Xρονικά (temporal): Μελετάται η μεταβολή τους με το χρόνο

Θεματικά (thematic): Μελετάται η μεταβολή τους σε σχέση με άλλες

παραμέτρους. Για παράδειγμα, πώς μεταβάλλεται η συγκέντρωση της

χλωροφύλλης σε βάθος 1 m σε σχέση με τη μεταβολή της θερμοκρα-

σίας στο ίδιο βάθος

Οι πηγές των χωρικών δεδομένων μπορεί να είναι είτε πρωτογενείς είτε

δευτερογενείς.

(α) Πρωτογενείς πηγές χωρικών δεδομένων

Ο χρήστης συλλέγει άμεσα τη χωρική πληροφορία που πρόκειται να εισαγάγει

στο σύστημά του, εφαρμόζοντας ένα από τα βασικότερα είδη δειγματοληψίας που

περιγράφονται στη συνέχεια. Η πυκνότητα των δειγμάτων τόσο στο χώρο όσο και

στο χρόνο προσδιορίζει την ανάλυση των δεδομένων. Η ανάλυση αυτή προσδιορίζει

αν είναι δυνατή ή όχι η μελέτη της χωρικής μεταβολής της υπό μελέτη παραμέτρου.

Για παράδειγμα, βάσει δειγμάτων θερμοκρασίας που έχουν συλλεγεί κάθε 5 Km σε

μία θαλάσσια περιοχή, δεν είναι δυνατή η περιγραφή της μεταβολής της

θερμοκρασίας κάθε 50 m. Ανάλογα, από δεδομένα που έχουν συλλεγεί κάθε 10

-36-

ημέρες δεν προκύπτει πληροφορία για μεταβολές θερμοκρασίας που σημειώθηκαν

κάθε 5 ημέρες.

Τυχαία δειγματοληψία: Σύμφωνα με αυτήν, τόσο οποιαδήποτε θέση δειγματοληψίας

όσο και οποιαδήποτε χρονική στιγμή που θα ληφθεί το δείγμα, έχουν την ίδια

πιθανότητα να επιλεγούν (Σχήμα 14α).

Συστηματική δειγματοληψία: Σύμφωνα με αυτό το είδος δειγματοληψίας, τα δείγματα

δε συλλέγονται τυχαία, αλλά βάσει ενός ορισμένου κανόνα. Για παράδειγμα, για να

μελετηθεί η χωρική κατανομή της συγκέντρωσης χλωροφύλλης σε έναν κόλπο,

αποφασίζεται ότι θα γίνει συλλογή δειγμάτων από σημεία που συνθέτουν έναν

κάναβο διαστάσεων 1 x 1 Km (Σχήμα 14β).

Στρωματοποιημένη δειγματοληψία: Στην περίπτωση αυτή, είναι γνωστά εκ των

προτέρων κάποια χαρακτηριστικά της περιοχής μελέτης με αποτέλεσμα αυτή να

μπορεί να χωρισθεί σε επιμέρους περιοχές. Μέσα σε κάθε περιοχή, ο αριθμός καθώς

και η θέση των σταθμών δειγματοληψίας μπορεί να επιλεγεί βάσει της τυχαίας ή της

συστηματικής δειγματοληψίας. Σαν παράδειγμα, αναφέρεται η περίπτωση που

θέλουμε να μελετήσουμε την ποιότητα του νερού στη θαλάσσια ζώνη μέσα σε έναν

κόλπο καθώς και στα ανοιχτά του. Εάν γνωρίζουμε εκ των προτέρων ότι το θαλάσσιο

σύστημα είναι ιδιαίτερα βεβαρυμένο μέσα στον κόλπο λόγω ρίψης αποβλήτων,

αποφασίζουμε να γίνει συλλογή περισσότερων δειγμάτων από το θαλάσσιο χώρο του

κόλπου και τα όριά του με την ανοιχτή θάλασσα, ενώ ο αριθμός των δειγμάτων θα

μειώνεται όσο απομακρυνόμαστε από αυτόν (Σχήμα 14γ).

(α) (β) (γ)

Σχήμα 14. Μέθοδοι δειγματοληψίας: (α) τυχαία, (β) συστηματική,

(γ) στρωματοποιημένη

(β) Δευτερογενείς πηγές χωρικών δεδομένων

Ο χρήστης δε συλλέγει μόνος του την πληροφορία που θα εισαγάγει στο

σύστημά του, αλλά την αντλεί από άλλες πηγές όπως για παράδειγμα ήδη

-37-

υπάρχοντες χάρτες, πίνακες, βάσεις δεδομένων, δορυφορικές εικόνες,

αεροφωτογραφίες. Στην περίπτωση αυτή, είναι χρήσιμο να έχει επίσης στη διάθεσή

του πληροφορία σχετικά με τον τρόπο που έχουν συλλεγεί αυτά τα δεδομένα, τον

τρόπο αποθήκευσής τους, την ακρίβεια των χρησιμοποιούμενων οργάνων κλπ.

4.1.3 Κλίμακες μέτρησης χωρικών δεδομένων

Υπάρχουν διάφορες κλίμακες (scales) μέτρησης των χωρικών δεδομένων οι

οποίες χρησιμοποιούνται ανάλογα με το αντικείμενο της εκάστοτε μελέτης.

(α) Nominal

Αναφέρεται σε ονομαστικά δεδομένα. Προσδιορίζεται μόνο η ταυτότητα

(όνομα) των αντικειμένων και δεν είναι δυνατό να γίνουν συγκρίσεις μεταξύ τους.

Σαν παράδειγμα, αναφέρεται η περίπτωση στην οποία χρησιμοποιούνται νούμερα για

να προσδιορισθούν οι σταθμοί δειγματοληψίας σε μία θαλάσσια ζώνη. Εάν έχει δοθεί,

1: Θερμή, 2: Κόλπος Γέρας, 3: Κράτηγος, 4: Λιμάνι Μυτιλήνης, τα νούμερα αυτά

αντιπροσωπεύουν μόνο το όνομα του κάθε σταθμού και σε καμία περίπτωση τη

σειρά με την οποία θα ληφθούν δείγματα από αυτούς.

(β) Ordinal

Στην περίπτωση αυτή, τα νούμερα προσδιορίζουν μόνο μία σειρά.

Χρησιμοποιείται και εδώ το παράδειγμα της παραπάνω παραγράφου. Τα νούμερα

1,2,3,4 αντιπροσωπεύουν τη σειρά με την οποία θα ληφθούν δείγματα από τους

σταθμούς δειγματοληψίας. Λιμάνι Μυτιλήνης -> Κράτηγος -> Κόλπος Γέρας ->

Θερμή.

1: Θερμή 2: Κόλπος Γέρας 3: Κράτηγος 4: Λιμάνι Μυτιλήνης

4ος 3ος 2ος 1ος

(γ) Interval

Στην περίπτωση αυτή, η διαφορά (interval) ανάμεσα στα νούμερα έχει νόημα,

δεν υπάρχει άμως απόλυτο σημείο εκκίνησης των μετρήσεων. Με άλλα λόγια, έχει

νόημα η αφαίρεση μεταξύ των μετρήσεων αλλά όχι και η διαίρεση. Για παράδειγμα,

στον παρακάτω πίνακα δίνεται η ώρα που το σκάφος έφτασε σε κάθε σταθμό

δειγματοληψίας. Από αυτόν συμπεραίνουμε ότι από τόν πρώτο μέχρι το δεύτερο

σταθμό ο χρόνος που μεσολαβεί είναι 30΄, από τον δεύτερο μέχρι τον τρίτο 1 ώρα

και από τον τρίτο μέχρι τον τέταρτο 6,5 ώρες. Δεν μπορεί όμως να εξαχθεί το

-38-

συμπέρασμα ότι ο χρόνος πρόσβασης στον τέταρτο σταθμό είναι διπλάσιος απ΄ότι ο

χρόνος πρόσβασης στον πρώτο.

Σταθμός δειγματοληψίας Ώρα άφιξης

4: Λιμάνι Μυτιλήνης 08:00

3: Κράτηγος 08:30

2: Κόλπος Γέρας 09:30

1: Θερμή 16:00

(δ) Ratio

Στην κλίμακα αυτή οι μετρήσεις έχουν ένα απόλυτο μηδέν, ενώ η διαφορά

μεταξύ τους είναι σημαντική και η διαίρεση έχει νόημα. Χρησιμοποιώντας πάλι το

παραπάνω παράδειγμα και θεωρώντας ότι το σκάφος ξεκινάει στις 7:55 προκύπτει ότι

απαιτούνται 5΄για να φτάσει στον πρώτο σταθμό δειγματοληψίας, 35΄ για να φτάσει

στο δεύτερο, 1 ώρα και 35΄ στον τρίτο και 8 ώρες και 5΄ στον τέταρτο.

Συμπεραίνεται επίσης, ότι ο χρόνος πρόσβασης στο δεύτερο και στον τρίτο σταθμό

είναι 7πλάσιος (35΄/5΄) και 19πλάσιος (95΄/5΄) αντίστοιχα σε σύγκριση με το χρόνο

πρόσβασης στον πρώτο.

4.1.4 Τρόποι εισαγωγής δεδομένων σε ένα ΓΣΠ

Η εισαγωγή δεδομένων σε ένα ΓΣΠ μπορεί να γίνει με δύο τρόπους. Ο πρώτος

αναφέρεται στην εισαγωγή ήδη υπαρχόντων αρχείων δεδομένων που βρίσκονται σε

ψηφιακή μορφή, ενώ ο δεύτερος στην εισαγωγή δεδομένων από το χρήστη.

Η εισαγωγή δεδομένων που είναι ήδη σε ψηφιακή μορφή έχει το πλεονέκτημα

ότι η γεωγραφική πληροφορία είναι άμεσα διαθέσιμη. Μειονέκτημα όμως αποτελεί το

υψηλό κόστος, αφού πρέπει να γίνει αγορά των δεδομένων από ιδιωτικές εταιρίες,

δημόσιους οργανισμούς κλπ. Επίσης, πρέπει να δίνεται προσοχή στην ακρίβεια των

δεδομένων, στον τρόπο με τον οποίο συλλέχθησαν, καθώς επίσης και με ποιόν τρόπο

είναι αποθηκευμένα και αν αυτός είναι συμβατός με τη βάση δεδομένων του ΓΣΠ στο

οποίο πρόκειται να εισαχθούν.

Η εισαγωγή των χωρικών δεδομένων από το χρήστη μπορεί να γίνει με χρήση

ψηφιοποιητή ή σαρωτή, ενώ η εισαγωγή της περιγραφικής πληροφορίας (attribute

data) με το πληκτρολόγιο.

-39-

Ψηφιοποιητής (Digitizer): Αυτόνομη περιφερειακή συσκευή του Η/Υ που

χρησιμοποιείται για τη μετατροπή αναλογικών χαρτών σε ψηφιακή διανυσματική

μορφή. Αποτελείται από μία επιφάνεια ορθογωνίου σχήματος με διαστάσεις που

ποικίλουν από Α0 έως Α4. Μετράει ορθογώνιες καρτεσιανές συντεταγμένες (x, y) σε

ένα δικό του τοπικό σύστημα αναφοράς (x, y), οι οποίες μπορούν να αποθηκευθούν

και στον Η/Υ με τον οποίο είναι συνδεδεμένος. Τα βασικά βήματα που ακολουθούνται

για την ψηφιοποίηση ενός αναλογικού χάρτη περιγράφονται στη συνέχεια:

1. Ο χάρτης τοποθετείται σταθερά πάνω στην επιφάνεια του ψηφιοποιητή.

2. Γίνεται επιλογή των δεδομένων που θα ψηφιοποιηθούν.

3. Μέσω του σταυρονήματος του κινητού στελέχους που διαθέτει ο

ψηφιοποιητής γίνεται εισαγωγή στον Η/Y των συντεταγμένων (x, y) των

σημείων που σκοπεύει ο χρήστης.

Το κινητό στέλεχος του ψηφιοποιητή μπορεί να διαθέτει ποικίλες μορφές, όπως

π.χ. σταυρόνημα ή στυλό. Τα κινητά στελέχη που διαθέτουν σταυρόνημα

συνοδεύονυαι συνήθως από μία σειρά πλήκτρων με αριθμούς ή και χαρακτήρες. Τα

πλήκτρα αυτά χρησιμεύουν για να δίνονται διάφοροι κωδικοί κατά την ψηφιοποίηση.

Η ψηφιοποίηση είναι η ποιό διαδεδομένη μέθοδος για την εισαγωγή χωρικών

δεδομένων στον Η/Υ. Έχει όμως το μειονέκτημα ότι είναι πολύ χρονοβόρα και είναι

πολύ εύκολο να γίνουν λάθη, ενώ η ακρίβεια του αποτελέσματος εξαρτάται από την

ποιότητα του λογισμικού που χρησιμοποιείται και την ικανότητα του χρήστη.

Σαρωτής (scanner): Αυτόνομη περιφερειακή συσκευή του Η/Υ που χρησιμοποιείται

για τη μετατροπή αναλογικών δεδομένων σε ψηφιακή ψηφιδωτή μορφή. Πολλές

όμως φορές οι σαρωτές και ιδιαίτερα αυτοί που χρησιμοποιούνται για χαρτογραφικές

εφαρμογές συνοδεύονται από ειδικά ενσωματωμένα προγράμματα τα οποία

μετατρέπουν τα δεδομένα σε διανυσματική μορφή. Οι σαρωτές ανάλογα με το αν η

επιφάνεια σάρωσής τους είναι επίπεδη ή κυλινδρική, χωρίζονται σε επίπεδους και

κυλινδρικούς. Συνήθως απαιτείται περαιτέρω επεξεργασία της εικόνας που προκύπτει,

ενώ για συγκεκριμένες εφαρμογές απαιτείται στη συνέχεια μετατροπή της ψηφιδωτής

(raster) μορφής σε διανυσματική. Πλεονέκτημα της εισαγωγής δεδομένων μέσω

σαρωτή αποτελεί το γεγονός ότι αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα για την

παραγωγή χαρτών.

-40-

4.2 Επαλήθευση των δεδομένων και διόρθωση λαθών

Μετά την εισαγωγή των χωρικών δεδομένων και πριν γίνει η σύνδεσή τους με

την περιγραφική πληροφορία, είναι απαραίτητο να γίνει επαλήθευσή τους, ώστε να

επιβεβαιωθεί ότι:

(α) Έχει γίνει εισαγωγή όλων των γεωγραφικών δεδομένων και δεν λείπουν δεδομένα

(γ) Δεν έχουν εισαχθεί παραπάνω δεδομένα

(δ) Δεν υπάρχουν λάθη

Ιδιαίτερα όσον αφορά στην εξερεύνηση των λαθών ακολουθείται η διαδικασία

που απεικονίζεται στο σχήμα 15.

Σχήμα 15

‘Χτίσιμο’ της τοπολογίας

Εξερεύνηση των λαθών

Υπάρχουν λάθη ;;;;

Διόρθωση των λαθών

‘Ξαναχτίσιμο’ της τοπολογίας

Εισαγωγή των μη χωρικών δεδομένων (περιγραφική πληροφορία)

ΟΧΙ

ΝΑΙ

-41-

Αρχικά ‘χτίζεται’ η τοπολογία, δημιουργούνται δηλαδή οι σχέσεις που υπάρχουν

μεταξύ των γεωγραφικών δεδομένων. Στη συνέχεια, γίνεται εξερεύνηση για τυχόν

λάθη, όπως για παράδειγμα τόξα που δεν συνδέονται με άλλα τόξα, πολύγωνα που

δεν κλείνουν, πολύγωνα που δεν έχουν μόνο ένα αντιπροσωπευτικό label κλπ (Σχήμα

16).

Σχήμα 16. Πιθανά λάθη κατά την εισαγωγή γεωγραφικών δεδομένων

Στην περίπτωση που μία απλή γραμμή κλείνει δημιουργώντας ένα πολύγωνο ή

όπου δύο γραμμές / τόξα απλά τέμνονται δημιουργείται ένας κόμβος που ονομάζεται

pseudo node και συμβολίζεται ως .

Στην άκρη κάθε γραμμής / τόξου εμφανίζεται ένας κόμβος που ονομάζεται

dangling node και συμβολίζεται με ένα τετράγωνο, όπως φαίνεται στο σχήμα 16.

Όπου εμφανίζεται ένας τέτοιος κόμβος δε σημαίνει απαραίτητα ότι υπάρχει λάθος.

Στην περίπτωση που δύο γραμμές που θα έπρεπε να συνδέονται όπως φαίνεται

στο σχήμα 17(α), εμφανίζονται όπως φαίνεται στο σχήμα 17(β), έχουμε ένα

undershoot, ενώ στο σχήμα 17(γ) ένα overshoot.

(α) Επιθυμητό αποτέλεσμα (β) Undershoot (γ) Οvershoot

Σχήμα 17. Undershoot και οvershoot

-42-

4.3 Προεπεξεργασία των δεδομένων

Όταν η γεωγραφική και η περιγραφική πληροφορία επαληθευτεί και

αποθηκευτεί, η γεωγραφική βάση δεδομένων είναι πλέον έτοιμη για περαιτέρω

επεξεργασία και ανάλυση. Στάδιο προεπεξεργασίας των δεδομένων αποτελεί η

μετατροπή τους σε ένα γνωστό γεωγραφικό σύστημα συντεταγμένων, έτσι ώστε η

βάση δεδομένων να αντιπροσωπεύει πλέον ένα μοντέλο του πραγματικού κόσμου.

Για το σκοπό αυτό, γίνεται χρήση σημείων αναφοράς (tics ή control points) των

οποίων οι γεωγραφικές συντεταγμένες είναι γνωστές και τα οποία χρησιμοποιούνται

για τη μετατροπή όλων των δεδομένων σε πραγματικές συντεταγμένες.

Βασικό σημείο που πρέπει να τονισθεί εδώ είναι ότι όταν τα δεδομένα μιας

περιοχής μελέτης έχουν αποθηκευτεί σε διαφορετικά χαρτογραφικά επίπεδα, πρέπει

να γίνει μετατροπή τους σε ένα κοινό γεωγραφικό σύστημα συντεταγμένων, έτσι

ώστε να είναι εφικτή η περαιτέρω ανάλυσή τους και ο συνδυασμός αυτής της

πληροφορίας.

Στο επόμενο κεφάλαιο αναφέρονται τα πιό γνωστά και συχνά

χρησιμοποιούμενα γεωγραφικά συστήματα συντεταγμένων.

-43-

Κεφάλαιο 5

Γεωγραφικά συστήματα συντεταγμένων

5.1 Σφαιρικό σύστημα συντεταγμένων (Spherical Coordinate System)

Σύστημα αναφοράς που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της θέσης και

τη μέτρηση γεωγραφικών μεγεθών σε μία σφαιρική επιφάνεια, όπως είναι κατά

προσέγγιση η επιφάνεια της γης.

Η θέση προσδιορίζεται από το γεωγραφικό μήκος (longitude) και το

γεωγραφικό πλάτος (latitude) τα οποία δίνονται σε μοίρες (degrees) και αντιστοιχούν

σε γωνίες που μετρούνται από το κέντρο της γης. Στο βόρειο ημισφαίριο το

γεωγραφικό πλάτος παίρνει τιμές από 0 (στον ισημερινό) έως 90 μοίρες (στο βόρειο

πόλο). Αντίστοιχα στο νότιο ημισφαίριο από 0 έως –90 μοίρες. Οι τιμές του

γεωγραφικού μήκους έχουν εύρος από 0 έως 180 μοίρες στο ανατολικό ημισφαίριο

(Ευρώπη, Αφρική, Ασία) θεωρώντας σαν σημείο εκκίνησης τον μεσημβρινό του

Greenwich. Αντίστοιχα στο δυτικό ημισφαίριο oι τιμές του γεωγραφικού μήκους

έχουν εύρος από 0 έως -180 μοίρες. Οι σφαιρικές γεωγραφικές συντεταγμένες

εκφράζονται είτε σε DMS (Degrees / Minutes / Seconds) είτε σε DD (Decimal

Degrees). Για τη μετατροπή από το ένα σύστημα μονάδων στο άλλο χρησιμοποιείται

η εξής σχέση:

DD = Degrees + Minutes/60 + Seconds/3600

Σχήμα 18. Γεωγραφικό μήκος και γεωγραφικό

πλάτος

-44-

5.2 Καρτεσιανό Σύστημα Συντεταγμένων (Cartesian Coordinate System)

Επίπεδο ή δι-διάστατο σύστημα που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό

της θέσης αντικειμένων σε μία επίπεδη επιφάνεια. Η θέση προσδιορίζεται

χρησιμοποιώντας x και y συντεταγμένες από ένα συγκεκριμένο σημείο στον οριζόντιο

και κάθετο άξονα αντίστοιχα, ενώ μονάδες μέτρησης είναι συνήθως τα feet ή τα

meters. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο καρτεσιανό σύστημα είναι το UTM

(Universal Transverse Mercator), το οποίο περιγράφεται στην παράγραφο 5.4.

5.3 Γεωγραφικές προβολές (Map projections)

Δεδομένου ότι η γη έχει σχήμα ελλειψοειδούς, για να απεικονισθούν κάποια

στοιχεία που βρίσκονται στην επιφάνειά της σε ένα επίπεδο / χάρτη, απαιτείται ένας

μαθηματικός μετασχηματισμός που ονομάζεται γεωγραφική προβολή (map

projection). Υπάρχουν ποικίλοι τέτοιοι μαθηματικοί μετασχηματισμοί.

Η μετατροπή των συντεταγμένων από το σφαιρικό στο καρτεσιανό σύστημα

(Σχήμα 19), έχει σαν αποτέλεσμα να προκαλούνται παραμορφώσεις (distortions) σε

ένα ή περισσότερα από τα εξής χωρικά χαρακτηριστικά: (α) σχήμα, (β) επιφάνεια, (γ)

απόσταση, (δ) κατεύθυνση. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει γεωγραφική προβολή που να

διατηρεί σταθερά και τα τέσσερα παραπάνω χαρακτηριστικά, πρέπει να επιλέγεται η

κατάλληλη κάθε φορά, ανάλογα με εφαρμογή. Στη συνέχεια, αναφέρονται τα

κυριότερα είδη γεωγραφικών προβολών.

Προβολικό επίπεδο

Σχήμα 19

5.3.1 Προβολή σε κύλινδρο (Cylindrical)

Την προβολή αυτή, στην απλούστερή της μορφή, μπορεί κάποιος να τη

φανταστεί σαν έναν κύλινδρο ο οποίος περιβάλλει τη γη και εφάπτεται σε αυτήν στον

ισημερινό (Σχήμα 20). Εάν γίνει προβολή των παράλληλων και των μεσημβρινών

πάνω στον κύλινδρο και στη συνέχεια αυτός ΄ανοιχτεί΄ πάνω σε ένα επίπεδο, θα

προκύψει ένας κάναβος από ευθείες γραμμές που θα αντιπροσωπεύουν γεωγραφικά

-45-

πλάτη και μήκη. Σύμφωνα με την προβολή αυτή, υπάρχει μεγαλύτερη ακρίβεια στον

ισημερινό, ενώ η παραμόρφωση αυξάνεται προς τους πόλους.

Σχήμα 20. Προβολή σε κύλινδρο

Υπάρχουν διάφορες παραλλαγές της προβολής

σε κύλινδρο. Οι πιό γνωστές προβολές αυτής της

κατηγορίας είναι οι εξής: μερκατορική προβολή

(Mercator projection), MillerCylindrical, Transverse

Mercator.

5.3.2 Προβολή σε επίπεδο (Azimuthal)

Προκύπτει εάν φανταστεί κανείς ένα επίπεδο το

οποίο εφάπτεται σε μία σφαίρα (Σχήμα 21) και την

προβολή της σφαίρας πάνω στο επίπεδο αυτό. Στην

περίπτωση αυτή, υπάρχει μεγαλύτερη ακρίβεια στο

κέντρο του χάρτη, ενώ η παραμόρφωση αυξάνει προς

τα άκρα. Τυπικές προβολές αυτής της κατηγορίας είναι

η Azimuthal equidistant και η Lambert Azimuthal equal

area.

Σχήμα 21. Προβολή σε επίπεδο

5.3.3 Προβολή σε κώνο (Conical)

Στην περίπτωση αυτή, γίνεται προβολή των παραλλήλων και των μεσημβρινών

πάνω σε έναν κώνο ο οποίος εφάπτεται στη σφαίρα σε κάποιο γεωγραφικό πλάτος

μεταξύ ισημερινού και πόλου. Μεγαλύτερη ακρίβεια παρατηρείται στον παράλληλο

όπου εφάπτεται ο κώνος στη σφαίρα, ενώ η παραμόρφωση αυξάνει μακριά από

-46-

αυτόν τον παράλληλο. Είναι κατάλληλες για χαρτογράφηση περιοχών που βρίσκονται

σε μέσα γεωγραφικά πλάτη, δεν χρησιμοποιούνται όμως συχνά δεδομένου ότι

παρουσιάζουν ακρίβεια μόνο σε μία μικρή ζώνη. Ενδεικτικά αναφέρεται η Equidistant

or simple conic προβολή.

Σχήμα 22. Προβολή σε κώνο

5.4 UTM (Universal Transverse Mercator)

Σύμφωνα με το σύστημα αυτό, η γη χωρίζεται σε 60 κάθετες ζώνες από το

γεωγραφικό πλάτος των 84 μοιρών βόρεια έως το γεωγραφικό πλάτος των 80 μοιρών

νότια, που η καθεμία αντιστοιχεί σε εύρος 6 μοιρών γεωγραφικού μήκους. Στη

συνέχεια, κάθε ζώνη χωρίζεται οριζόντια ανά 8 μοίρες γεωγραφικού πλάτους, με

τελικό αποτέλεσμα όλη η γη να έχει ουσιαστικά χωρισθεί σε τμήματα. Κάθε ζώνη έχει

το δικό της κεντρικό μεσημβρινό, ενώ σαν αρχή των συντεταγμένων της ορίζεται ο

ισημερινός και ο δικός της κεντρικός μεσημβρινός. Το UTM σύστημα χρησιμοποιεί την

Transverse Mercator Projection (κυλινδρική προβολή), η οποία εφαρμόζεται σε

καθεμία από τις 60 ζώνες, έτσι ώστε να μειωθούν οι παραμορφώσεις. Το UTM

σύστημα χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές ΓΣΠ, αφού χρησιμοποιεί το μέτρο

(m) ως μονάδα μέτρησης, με αποτέλεσμα να διευκολύνεται η ακριβής μέτρηση

αποστάσεων, εμβαδών κλπ.

-47-

Κεφάλαιο 6

Ανάλυση χωρικών δεδομένων (Spatial analysis)

Το βασικό πλεονέκτημα των ΓΣΠ είναι η δυνατότηα που προσφέρουν για

ανάλυση των δεδομένων, έτσι ώστε να δωθούν απαντήσεις σε ερωτήματα που έχουν

τεθεί. Υπάρχει δυνατότητα για ανάλυση δεδομένων που είναι αποθηκευμένα τόσο σε

διανυσματική όσο και σε ψηφιδωτή μορφή.

Όσον αφορά στα δεδομένα σε διανυσματική μορφή, μπορούν να γίνουν

αναζητήσεις συγκεκριμένων περιοχών βάσει κάποιων χαρακτηριστικών τους,

δημιουργία ζωνών γύρω από σημεία, τόξα ή πολύγωνα, καθώς και υπέρθεση

(overlay) χαρτογραφικών επιπέδων.

Όσον αφορά στα δεδομένα σε ψηφιδωτή μορφή, η υπέρθεση των

χαρτογραφικών επιπέδων αποτελεί επίσης μία σημαντική μέθοδο ανάλυσης των

δεδομένων. Ιδιαίτερα στη μελέτη του θαλάσσιου περιβάλλοντος, εφαρμόζονται πολύ

συχνά μέθοδοι παρεμβολής για τη μετατροπή της σημειακής πληροφορίας που

συλλέγεται κατά τη δειγματοληψία σε συνεχή και τη δημιουργία θεματικών χαρτών οι

οποίοι απεικονίζουν τη μεταβολή των υπό μελέτη παραμέτρων στο χώρο. Πληθώρα

στατιστικών μεθόδεων, παραμετρικών και μη μπορούν επίσης να εφαρμοσθούν τόσο

στο σύνολο των δεδομένων, όσο και σε τοπικό επίπεδο.

6.1 Υπέρθεση (Overlay)

Η υπέρθεση αναφέρεται στη σύνθεση της πληροφορίας η οποία μπορεί να είναι

είτε σε ψηφιδωτή (raster) είτε σε διανυσματική (vector) μορφή. Όσον αφορά στην

πρώτη περίπτωση, για να γίνει σύνθεση της πληροφορίας που εμπεριέχεται σε

διαφορετικούς κανάβους, είναι προφανές ότι οι κάναβοι αυτοί θα πρέπει να

προέρχονται από τον ίδιο γεωγραφικό χώρο και να έχουν την ίδια χωρική ανάλυση

(μέγεθος κελιού), ώστε να έχει νόημα και η κελί προς κελί σύνθεση της πληροφορίας

που εμπεριέχουν. Ο τρόπος σύνθεσης απεικονίζεται παραστατικά στο σχήμα 23.

Σχήμα 23 . Διαδικασία σύνθεσης της

πληροφορίας που είναι αποθηκευμένη

σε ψηφιδωτή μορφή

-48-

6.2 Μέθοδοι χωρικής παρεμβολής (Spatial interpolation methods)

Ο όρος της χωρικής παρεμβολής αναφέρεται γενικά στη διαδικασία

προσδιορισμού της τιμής μιας μεταβλητής z σε κάποιο σημείο (x, y) του χώρου,

δεδομένου ότι είναι γνωστές οι τιμές της μεταβλητής αυτής σε ένα σύνολο σημείων,

που είναι συνήθως τυχαία κατανεμημένα στο χώρο. Βάσει των μεθόδων χωρικής

παρεμβολής, η αρχική αποσπασματική πληροφορία που περικλείουν τα αρχικά σημεία

για την υπό εξέταση παράμετρο, μετατρέπεται σε συνεχή πληροφορία που

αντιπροσωπεύεται από μία συνεχή επιφάνεια / κάναβο. Η χωρική διακριτική

ικανότητα του κανάβου (το μέγεθος των κελιών του) μπορεί να προσδιορισθεί πριν

την εφαρμογή της μεθόδου, ενώ στην τελική συνεχή επιφάνεια που προκύπτει, σε

κάθε κελί του κανάβου αντιστοιχεί και μία προσομοιωμένη τιμή της υπό εξέταση

παραμέτρου.

Η βασική λογική της χωρικής παρεμβολής είναι η απλή παρατήρηση ότι

συνήθως, σημεία που βρίσκονται κοντά στο χώρο είναι πιθανότερο να έχουν

παρόμοιες τιμές όσον αφορά σε μία συγκεκριμένη μεταβλητή, απ΄ ότι αυτά που είναι

απομακρυσμένα. Διάφοροι αλγόριθμοι σημειακής παρεμβολής έχουν αναπτυχθεί κατά

καιρούς. Από αυτούς κανείς δεν μπορεί να χαρακτηρισθεί σαν βέλτιστος, αφού η

μέθοδος παρεμβολής που θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται άμεσα από τη συγκεκριμένη

εφαρμογή. Πιο συγκεκριμένα, η μέθοδος παρεμβολής είναι συνάρτηση του τύπου

των δεδομένων, του βαθμού ακρίβειας που απαιτείται καθώς και των δυνατοτήτων

των υπολογιστών και υπολογιστικών προγραμμάτων που θα χρησιμοποιηθούν, αφού

πολλές μέθοδοι προϋποθέτουν χρονοβόρες και δαπανηρές διαδικασίες.

Οι μέθοδοι σημειακής παρεμβολής μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με

διάφορους τρόπους. Ένας από αυτούς τις κατηγοριοποιεί σε σφαιρικές και σε τοπικές.

Στις σφαιρικές μεθόδους, όλες οι τιμές της υπό εξέταση μεταβλητής στα αρχικά

σημεία, όπου έχουν διεξαχθεί μετρήσεις πεδίου, χρησιμοποιούνται για τον

προσδιορισμό της τιμής της μεταβλητής σε ένα νέο σημείο του χώρου, ενώ στις

τοπικές μεθόδους γίνεται χρήση μόνο εκείνων των τιμών που προέρχονται από

αρχικά σημεία που είναι γειτονικά στο νέο σημείο. Ένας άλλος διαχωρισμός των

μεθόδων παρεμβολής τις ταξινομεί σαν ακριβείας ή προσεγγιστικές ανάλογα με το αν

διατηρούνται ή όχι στην τελική επιφάνεια που προκύπτει οι τιμές της παραμέτρου

στις θέσεις των αρχικών σημείων.

-49-

6.2.1. Μέθοδος παρεμβολής Αντιστρόφου Βαρύνουσας Απόστασης

(Inverse Distance Weighted Interpolation Method)

Η μέθοδος παρεμβολής της Αντιστρόφου Βαρύνουσας Απόστασης ανήκει στην

κατηγορία των τοπικών μεθόδων παρεμβολής ακριβείας και η βασική της αρχή είναι

ότι κατά τον υπολογισμό μιας τιμής σε ένα συγκεκριμένο σημείο του χώρου, δίνεται

μεγαλύτερο βάρος στις τιμές που αντιστοιχούν στα γειτονικά του αρχικά σημεία όπου

έχουν διεξαχθεί μετρήσεις, απ' ότι στα πιο απομακρυσμένα. Η γενική σχέση στην

οποία στηρίζεται η μέθοδος είναι η ακόλουθη,

f(x,y) =w d z

w d

i ii

n

ii

n

( )

( )

1

1

όπου f(x,y) η προσομοιωμένη τιμή της υπό εξέταση παραμέτρου στο σημείο (x,y),

w(di) η συνάρτηση βάρους, zi η μετρημένη τιμή της παραμέτρου στο σημείο i, di η

απόσταση του σημείου i από το σημείο (x,y).

Η συνεχής επιφάνεια που προκύπτει από της εφαρμογή αυτής της μεθόδου

παρεμβολής εξαρτάται άμεσα από τη συνάρτηση βάρους που θα χρησιμοποιηθεί. Η

συνάρτηση βάρους μπορεί να πάρει πολλές μορφές, βασική όμως προϋπόθεση είναι

να ισχύει για d 0, w(di) . Συναρτήσεις που ικανοποιούν αυτήν την παραδοχή

είναι της μορφής d-r (r>0), exp(-ad) ή exp(-ad2) κοκ. Οι πιο συχνά

χρησιμοποιούμενες είναι οι συναρτήσεις της μορφής d-r (r>0), όπου όσο

περισσότερο αυξάνει η τιμή του r τόσο μεγαλύτερο βάρος δίνεται στα πιο κοντινά

στο σημείο που θα γίνει παρεμβολή αρχικά σημεία, με αποτέλεσμα η μέθοδος να

αποκτά περισσότερο τοπικό χαρακτήρα και κατά συνέπεια η προκύπτουσα επιφάνεια

να εμπεριέχει μεγαλύτερη λεπτομέρεια και να είναι λιγότερο εξομαλυμένη. Η πιο

συχνά χρησιμοποιούμενη συνάρτηση βάρους είναι η d-2 η οποία έχει εκτιμηθεί σαν η

πιο αποτελεσματική.

Για την τιμή οποιουδήποτε σημείου που προκύπτει από την παρεμβολή ισχύει η

σχέση min(zi) f(x,y) max(zi), δεδομένου ότι w(di)>0. Αυτό θεωρείται σαν

μειονέκτημα της μεθόδου γιατί η προκύπτουσα επιφάνεια δεν είναι δυνατό να

προβλέψει με ακρίβεια τις θέσεις και τα μεγέθη των μεγίστων και ελαχίστων τιμών,

αν αυτές δεν συμπεριλαμβάνονται στα αρχικά δείγματα. Παρόλ' αυτά, η απλότητα

της μεθόδου αυτής, η ταχύτητα στον υπολογισμό, η ευκολία στον προγραμματισμό

-50-

και τα λογικά αποτελέσματα που προκύπτουν για διάφορους τύπους δεδομένων,

έχουν οδηγήσει στην ευρεία εφαρμογή της.

6.3 Βαριογράμματα

Στην παράγραφο αυτή θα παρουσιασθούν πιο αναλυτικά τα βαριογράμματα τα οποία

αποτελούν το βασικό εργαλείο της γεω-στατιστικής ανάλυσης. Τα βαριογράμματα

παρέχουν μια μαθηματική περιγραφή της σχέσης ανάμεσα στη διακύμανση των τιμών

που μετρήθηκαν σε ζευγάρια σταθμών δειγματοληψίας και στην απόσταση που τους

χωρίζει. Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση ανισοτροπίας στα δεδομένα και τον

προσδιορισμό του βαθμού ομοιογένειας στην περιοχή μελέτης. Το βαριόγραμμα

(Σχήμα 24) εκφράζεται ως η γραφική παράσταση της ημι-διακύμανσης γ(h) με το lag

(h). Ως lag ορίζεται το εύρος των δυνατών αποστάσεων μεταξύ ζευγαριών σταθμών

δειγματοληψίας.

2ii

n

1i

)hx(Z)x(Z2n

1 = )h γ(

n: ο αριθμός των ζευγαριών σταθμών δειγματοληψίας για ένα συγκεκριμένο lag

z(xi): η μετρούμενη τιμή της παραμέτρου στο σταθμό xi

z(xi+h): η μετρούμενη τιμή της παραμέτρου στο σταθμό που αποτελεί ζευγάρι με τον

προηγούμενο

Το sill, η nugget variance και το range είναι οι πιο σημαντικές παράμετροι του

βαριογράμματος. Το sill είναι η μέγιστη τιμή της γ(h). Υποδεικνύει ότι δεν υπάρχει

πλέον χωρική εξάρτηση στα δεδομένα και αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη απόσταση

μεταξύ ζευγαριών σταθμών δειγματοληψίας που είναι το range. Η nugget variance

αντιπροσωπεὐει την τιμή της γ(h) όταν h=0. Αντιστοιχεί στην τοπική διακύμανση

που λαμβάνει χώρα σε μικρότερη κλίμακα από την ελάχιστη απόσταση μεταξύ

σταθμών δειγματοληψίας και σχετίζεται επίσης με σφάλματα μετρήσεων. Ο λόγος

‘nugget-to-sill’ είναι ένας σημαντικός δείκτης της χωρικής εξάρτησης της μεταβλητής.

Τα βαριογράμματα διακρίνονται στις εξής τρεις (3) κατηγορίες:

(α) Πανκατευθυντικά βαριογράμματα

Έχουν τη μορφή του σχήματος 24 και προκύπτουν όταν αναζητούνται ζευγάρια

σταθμών δειγματοληψίας προσανατολισμένα σε όλες τις δυνατές διευθύνσεις.

(β) Κατευθυντικά βαριογράμματα

Έχουν τη μορφή του σχήματος 24 και προκύπτουν όταν αναζητούνται ζευγάρια

σταθμών δειγματοληψίας προσανατολισμένα σε μία συγκεκριμένη διεύθυνση.

-51-

Χρησιμοποιούνται για να μελετηθεί η χωρική δομή μιας μεταβλητής προς μια

συγκεκριμένη διεύθυνση.

Σχήμα 24. Το βαριόγραμμα.

(γ) Επιφανειακά βαριογράμματα

Το επιφανειακό βαριόγραμμα έχει τη μορφή ενός κανάβου (Σχήμα 25) και

χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ανισοτροπίας στα δεδομένα και της

μεταβολής της στις διάφορες διευθύνσεις.(Michelakaki and Kitsiou, 2005).

Σχήμα 25. Επιφανειακό βαριόγραμμα.

Ο μεγάλος άξονας της έλλειψης που εμφανίζεται αντιστοιχεί στη διεύθυνση μέγιστης

ομοιογένειας της παραμέτρου (ελάχιστης ανισοτροπίας), ενώ ο μικρός άξονας στη

διεύθυνση μέγιστης ανισοτροπίας.

-52-

Βιβλιογραφία

Burrough P.A., 1996. Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment. Clarendon Press, Oxford. Burrough P.A. and McDonnell R.A., 1998. Principles of Geographical Information Systems. Spatial Information Systems and Geostatistics. Oxford University Press. Clemmer G., 2010. The GIS 20: Essential Skills. ESRI Press. Cowen J., 1988. On Defining the Geographic Information System. In Fundamentals of Geographic Information Systems: A Compendium, (W. Ripple, ed.), ASPRS/ACSM. Demers M.N., 1997. Fundamentals of Geographic Information Systems. John Wiley & Sons, Inc. Heywood Ι., Cornelius S., Carver S., 2006. An Introduction to Geographical Information Systems. Pearson. Juppenlatz M. and Tian X., 1996. Geographic Information Systems and Remote Sensing. McGraw-Hill Book Company. Κουτσόπουλος Κ., 2002. Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών και ανάλυση χώρου. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. Κουτσόπουλος Κ. και Ανδρουλακάκης Ν., 2003. Εφαρμογές Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών με χρήση του λογισμικού ArcGIS. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. Μανιάτης Γ., 1996. Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών Γης-Κτηματολογίου. Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη. Michelakaki M. and Kitsiou D., 2005. Estimation of anisotropies in chlorophyll a spatial distributions based on satellite data and variography. Global NEST Journal 7(2):204-211. Παρασχάκης Ι., Παπαδοπούλου Μ. και Πατιάς Π., 1998. Αυτοματοποιημένη Χαρτογραφία. Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη. Parker, Η.D., 1988. The Unique Qualities of a Geographic Information System: A Commentary. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, Vol. 54(11), 1547-1549. Smith T., Menon S., Star J. and Estes J., 1987. Requirements and Principles for the Implementation and Construction of Large-Scale Geographic Information Systems. International Journal of Geographic Information Systems, Vol. 1, No 1, Taylor & Francis, Ltd. Star J. and Estes J., 1990. Geographic Information Systems: An Introduction. Prentice Hall, New Jersey.

-53-

Τσουχλαράκη Α. και Αχιλλέως Γ., 2010. Μαθαίνοντας τα GIS στην πράξη. Εκδόσεις ΔΙΣΙΓΜΑ.