Lecture 2 - GIS Data Models

مقدمة
  • الجزء ده بيغطي مفاهيم GIS الأساسية ونماذج البيانات.
  • أهم المحاور: المفاهيم الأساسية للـ GIS, طبقات Vector, نماذج البيانات Vector و Raster, العلاقة بين Geometry و Topology و Attributes, وفرق Database عن Spatial Database.
  • في آخر الملخص فيه مراجعة بتجمع تعريفات مهمة زي GISy, GIScience, GPS, SDE, IMS.

1) GIS Main Concepts

Concept #1: Features Have Attributes

definition

Features have attributes associated with them.

  • دي أول فكرة أساسية في الـ GIS.
  • الـ Feature هو عنصر على الخريطة.
  • والـ Attributes هي البيانات المرتبطة بالعنصر ده.

Example: Trees

  • لو بنرسم أماكن الأشجار:
    • مكان كل شجرة بيتسجل على الخريطة ( يعني الشجره نفسها Feature).
    • وكل شجرة ليها attributes زي النوع، العمر، الحالة، الارتفاع.

image

  • في مثال الأشجار، بنرسم موقع كل شجرة ونحدد أي attributes تخص أي شجرة.
  • وده هو أساس الـ GIS.
بصمجيات

الـ Feature = الحاجة نفسها على الخريطة.
الـ Spatial Data = مكان الحاجة دي علي الخريطه
الـ Attribute = بيانات الحاجة دي.

Concept #2: Information Is Separated Into Layers

definition

Information is separated into layers.

  • الفكرة التانية إن المعلومات بتتقسم لطبقات.
  • كل طبقة تمثل نوع معين من البيانات.
  • مثال:
    • ا طبقة انهار
    • ا طبقة طرق
    • ا طبقة مباني

  • كل طبقة ممكن تتحط فوق التانية عشان نطلع صورة وتحليل كامل.
  • الطبقة الأساسية غالبا بتبقى تحت، وباقي الطبقات فوقها.

الرسم بيأثر في الـ Database والعكس

  • العلاقة بين الـ map والـ database علاقة تفاعلية.
  • لو اخترت feature من الـ map، الـ record المقابل ليه يتحدد في جدول البيانات.
  • ولو اخترت record من الجدول، الـ feature المقابل ليه يتحدد على الخريطة.
  • كمان التعديل على الـ Features الي في الماب او تقسيمها ممكن يغير الـ database.

2) Vector Layers: Points, Lines, Polygons

  • ا Vector layers بتمثل الـ features بطرق مختلفة
    • ا Points
    • ا Lines
    • ا Polygons

A) Points

definition

A point is good for representing information in which it is necessary to show where a feature is.

  • الـ Point يمثل حاجة مكانها مهم، لكن حجمها أو مساحتها مش هي المهمة في الخريطة.
  • أمثلة:
    • شجرة.
    • عمود نور.
    • موقع حادثه.

B) Lines

definition

A line is suitable to represent many real world features, such as rivers in a river layer.

  • الـ Line يمثل حاجة ممتدة في مسار.
  • أمثلة:
    • نهر.
    • طريق.
    • سكة حديد.

C) Polygons

definition

Polygon is a solid multi-sided shape.

  • الـ Polygon يمثل مساحة مقفولة.
  • يعني شكل ليه حدود ومساحة.
  • أمثلة:
    • دولة.
    • بحيرة.
    • قطعة أرض.
    • منطقة إدارية.

ملخص
Geometry بيستخدم لإيه؟ Example
Point مكان واحد Capital, tree, accident
Line مسار أو امتداد River, road, cable
Polygon مساحة مقفولة Country, lake, land parcel

3) GIS Data Models

definition

GIS Data Models are methods of representing geographic space.

  • الـ Data Model هو الطريقة اللي بتمثل بيها البيانات الجغرافية جوه الـ GIS.
  • فيه نوعين أساسيين من GIS Data Models لتمثيل الـ geographic space:
    • ا Vector
    • ا Raster
Note

A database structure need seldom be made to suit a data model. But a well prepared data model is vital for a successful GIS analysis.

  • مش لازم نعيد تصميم قاعدة البيانات كلها عشان تناسب Data Model معين، لكن لازم نفكر كويس في الـ Data Model نفسه لأن نجاح تحليل الـ GIS بيعتمد عليه بشكل كبير.

4) Vector Data Model - VDM

definition

Vector Data Model uses points and their x-, y-coordinates to represent spatial features: points, lines, and areas.

  • الـ Vector بيمثل الواقع باستخدام إحداثيات.
  • يعني كل feature بيتوصف بنقط وإحداثيات x, y.

A) Vector Spatial Encoding

Point

  • الـ Point عبارة عن node واحدة.
  • ملوش area.
  • بيتحدد بإحداثيات:
(x, y)

Line / Arc

  • الـ Line أو Arc عبارة عن اتصال بين nodes أو vertices.
  • بيبدأ من نقطة وينتهي عند نقطة.
  • بيتحدد بسلسلة إحداثيات:
(x1, y1), (x2, y2), ..., (xN, yN)

Area / Polygon

  • الـ Polygon عبارة عن سلسلة arcs بتقفل حوالين label point.
  • لازم يكون فيه closure point عشان الشكل يبقى مقفول.

B) Feature Geometry

  • الـ Vector Representation مناسب لما عندك features منفصلة وواضحة الحدود.
  • مثال: طريق، حدود دولة، قطعة أرض.

5) Raster Data Model - RDM

definition

Raster Data Model uses a grid with cells to represent spatial features.

  • الـ Raster بيمثل المكان كـ شبكة (Grid).

A) Raster Spatial Encoding

  • كل cell في الشبكة ليها value.
  • الـ raster يقدر يمثل:
    • ا Point: قيمة في cell واحدة.
    • ا Line: سلسلة cells متصلة تمثل طول.
    • ا Area: مجموعة cells متصلة تمثل شكل ومساحة.

B) Spatial Relationships in Raster

note

Because the raster data model is a regular grid, spatial relationships are implicit. Therefore, explicitly storing spatial relationships is not required as it is for the vector data model.

  • عشان الـ Raster عبارة عن شبكة منتظمة من الـ Cells، فموقع كل Cell بالنسبة للخلايا المجاورة معروف تلقائيًا من مكانها داخل الشبكة.
  • عشان كده الـ GIS يقدر يفهم علاقات الجوار بسهولة من ترتيب الـ Cells نفسه، من غير ما يخزن العلاقات دي بشكل صريح زي الـ Vector.

C) Satellite Imagery as Raster

  • صور الـ satellite من الأشكال الشائعة للـ Raster.
  • كل صورة satellite ليها Bands كتير (ممكن 5 أو 7 أو أكتر).
  • كل band بيمثل Layer .
  • مثال: Red Band, Green Band, Near Infrared Band.

D) Digital Elevation Model (DEM)

definition

DEM is a raster dataset where each cell represents elevation above sea level.

  • الـ DEM ده Raster كل cell فيه بيمثل الارتفاع عن سطح البحر.
  • بيستخدم في:
    • تحليل المنحدرات.
    • تحديد مسارات الصرف.
    • دراسة التضاريس.

6) GIS Data Storage

definition

Data is stored in four basic methods: points, lines, areas, and a grid (or raster).

A) How Each Type is Stored

1.points

  • بيتخزن على هيئة إحداثيات (X,Y) مع بيانات وصفية (Attributes).
  • مثال: نقطة في bird data بتمثل كل الطيور المسجلة في مكان معين و تاريخ معين.

2. Lines / Arcs

  • بيتكون من مجموعة نقاط متوصلة ببعض.
  • كل Line بيبقى ليه Attributes مرتبطة بيه.
  • بتتخزن كـ نقطتين و arc بيربطهم مع attributes في table.
  • مثال: زي نهر, طريق.

3. Areas / Polygons

  • بيستخدم لتمثيل الحاجات اللي ليها مساحة وحدود.
  • بيتكون من نقط (Points) , وخطوط (Arcs or lines) بتوصل النقط دي ببعض في شكل مغلق.
  • زي Lines و Areas، الـ table بتخزن الـ points و lines مع الـ attributes.
  • مثال:بحيره, قطعة ارض, حي سكني.

4. Grid / Raster

  • الـGrid عبارة عن سلسلة square cells ليها value مرتبطة بكل cell.
  • الـ grids بتستخدم لتمثيل مناطق واسعة وبتستخدم قيم مختلفة لتمثيل حاجات مختلفة.
  • مثال: درجة الحرارة, الارتفاعات, الأمطار, صور الأقمار الصناعية.
Temperature in Raster
  • في الـ Raster كل Cell بتخزن رقم بيمثل قيمة الظاهرة في المكان ده.
  • مثال:
    • درجة حرارة منطقة في البحر = 18.0°C
    • تتخزن داخل الـ Cell كقيمة 180
  • يعني الرقم المخزن مش شرط يكون درجة الحرارة نفسها، لكنه ترميز (Encoded Value) بيمثلها عشان يسهل تخزين البيانات ومعالجتها داخل الكمبيوتر.

Vector Line vs Raster Line

  • الـ Vector-based line: بتتخزن كـ flat file فيه coordinate pairs.
  • الـ Raster-based line: بتتخزن كـ binary grid (0s و 1s) — كل cell فيها line بتبقي 1.

7) Vector vs Raster

Aspect Vector Raster
Representation Points, lines, polygons Grid cells
Storage Compact data structure, little storage Greater storage needed
Topology More easily maintained Topology difficult
Appearance Arcs more aesthetically pleasing Grids not very aesthetic
Complexity Data structure more complex Data structure more simple
Geographic specificity Better geographic specificity Limited by resolution
Best for Discrete features Continuous features

  • الـ Vector أحسن للحاجات المنفصلة والواضحة زي الطرق والحدود وقطع الأراضي.
  • الـ Raster أحسن للحاجات المستمرة زي الارتفاعات والحرارة والكثافة والصور.

8) Geometry, Topology, and Attributes

Geometry: coordinates and form of the objects
Topology: expresses explicitly the spatial relationships between features
Attributes: properties and values.

Example: Country Map of South America

ا Term في المثال
Geometry إحداثيات حدود الدول
Topology الدول اللي علي حدود بعض والعلاقة بينهم
Attributes أسماء الدول، السكان، إلخ
  • الـGeometry بتقول الشكل والإحداثيات.
  • الـTopology بيوضح العلاقات المكانية بين الـ features، مين جنب مين، ومين بيحد مين.
  • الـAttributes بتقول معلومات وخصائص العنصر وقيمه.

9) Attribute Data

definition

Attribute data is the "I" in GIS.

  • حرف I في GIS هو Information، وده غالبا بيظهر في صورة Attribute Data.
  • الـ GIS غالبا بيتقسم لمكونين:
    • ا Coordinate information: بتوصف حاجات مكانية geometry أو spatial information.
    • ا Attribute information: بتوصف properties غير مكانية مرتبطة بالعنصر.
  • الـ attribute data غالبا بتتعرض في شكل جداول، عشان كده بنسميها Tabular Data.

Attribute Tables in ArcGIS

  • في ArcGIS، الـ attribute table بيبقى فيه:
    • ا Records: الصفوف، كل صف يمثل feature.
    • ا Fields / Attributes: الأعمدة، كل عمود يمثل خاصية.

10) Spatial Data

Spatial Data

definition

Spatial data describes the absolute and relative location (geometrical data) of geographic features.

  • الـ Spatial Data يعني بيانات بتوصف مكان features.
  • ممكن تكون:
    • ا Discrete: حاجات منفصلة زي buildings أو roads أو trees.
    • ا Continuous: حاجات ممتدة ومستمرة زي elevation أو temperature.

11) Final Quick Revision

ملخص
  • القاعدة الأساسية للـ GIS: أي عنصر على الخريطة (Feature) ليه مكان (Spatial Data) وليه معلومات وصفية (Attributes) متخزنة في جدول. العلاقة بينهم تفاعلية (اللي بتختاره هنا، بينور هناك).
  • قاعدة الطبقات (Layers): كل طبقة لازم يكون فيها نوع هندسي (Geometry) واحد بس. (مينفعش تحط نقط وخطوط في نفس الطبقة).
  • نماذج البيانات (Data Models):
    • الـ Vector: بيعتمد على الإحداثيات (X,Y) وممتاز للحاجات "المنفصلة" والواضحة زي: النقط (أشجار)، الخطوط (طرق)، والمضلعات (مباني/دول). حجم بياناته أصغر وشكله أحسن.
    • الـ Raster: بيعتمد على شبكة مربعات (Grid Cells)، كل مربع جواه "قيمة". ممتاز للحاجات "المتصلة" والممتدة زي: الحرارة، التلوث، أو الارتفاعات (DEM). بيحتاج مساحة تخزين أكبر.
  • الفرق بين الـ Geometry و Topology و Attributes:
    • ا Geometry: ده "الشكل" و"الإحداثيات" بتاعت العنصر.
    • ا Attributes: دي "البيانات" والمعلومات الوصفية للعنصر.
    • ا Topology: دي "العلاقات المكانية" (مين جنب مين؟ مين بيقطع مين؟). ودي اللي بتصلح أخطاء الرسم، بس بتخلي البيانات أبطأ شوية في العرض.
  • بيانات خاصة:
    • ا DEM (Digital Elevation Model): ده ملف Raster، كل Cell فيه بتمثل "الارتفاع عن سطح البحر"، وبيستخدم لدراسة التضاريس والمنحدرات.
    • صور الأقمار الصناعية: بتعتبر Raster، وبتتكون من عدة طبقات (Bands) كل طبقة بتلقط طول موجي معين (زي الأحمر، والأخضر، والأشعة تحت الحمراء).>