Lecture 4 - Georelational Vector Data Model

مقدمة
  • الجزء ده بيغطي Georelational Vector Data Model في الـ GIS.
  • أهم المحاور: نموذج البيانات الجيوم relations, تمثيل العناصر البسيطة (نقط, خطوط, مضلعات), Topology, بيانات بدون Topology (Shapefiles), ونماذج البيانات للمزايا المركبة (TIN, TIGER).

2) Georelational Data Model

  • لما بتبص على خريطة ورقية، بتشوف:
    • شكل المعالم الجغرافية (roads, rivers, cities).
    • العلاقات المكانية بينهم (مثلا: Utah محاطة بـ Idaho, Montana, Wyoming, Nevada, Oregon, Washington, و Canada) (ولايات في امريكا).
  • السؤال المهم: إزاي الكمبيوتر يشوف نفس المعالم والعلاقات دي؟
  • نموذج البيانات الـ Vector بيحل المشكلة دي في خطوتين:
    • الخطوة الأولى: بيستخدم النقاط وإحداثياتها (X, Y) عشان يمثل المعالم الجغرافية كـ نقاط (Points), خطوط (Lines), و مضلعات (Areas).
    • الخطوة التانية: بينظم البيانات الهندسية والعلاقات المكانية بتاعتها في ملفات بيانات رقمية يقدر الكمبيوتر يقرأها ويتعامل معاها.

3) Vector Data Model Evolution

Geo-relational data model: uses a split system to store spatial data and attribute data.
The object-based data model: Stores spatial data and attribute data in a single system

  • نموذج الـ Vector Data Model اتغير أكتر من أي جانب تاني في الـ GIS.
  • شركة ESRI قدمت صيغ جديدة :
    • الـ Georelational بيخزن البيانات المكانية والوصفية في ملفين منفصلين (split system).
      • زي الـCoverage
      • والـ Shapefile
    • الـ Object-oriented (زي Geodatabase): بيخزنهم في ملف واحد موحد (single system).
Feature Coverage Shapefile
Data Model Geo-relational data model Geo-relational data model
Storage Method Split system to store spatial data and attribute data Split system to store spatial data and attribute data
Topology Has topological data May have topological data
Symbol Color in ArcGIS Yellow Green
Display Speed Slow Rapid / Fast

4) Simple Features Representation

  • الـ Vector Data Model بيستخدم أشكال هندسية بسيطة لتمثيل المعالم الجغرافية:

Point

  • 0 أبعاد (No dimension / 0-cell).
  • بنعرف منه الموقع فقط (Location).
  • ممكن نسميه Node أو Vertex.
  • مثال: Wells (آبار), Lighting poles (عمود نور), Trees (أشجار).

Line

  • بعد واحد (1D / 1-cell) — بيحدد بالطول (Length).
  • عنده نقطتين نهاية (End points) ونقاط في المنتصف.
  • شكل الخط ممكن يكون منحنى ناعم (Smooth curve) عن طريق معادلات رياضية زي Splines، أو مستقيم Straight-line segments زي القنوات والشوارع.
  • ممكن نسميه Edge, Link, أو Chain.
  • مثال: Roads (طرق), Streams (أنهار),

Area (Polygon)

  • عنده بعدين (2D / 2-cell) — بيحدد بالمساحة (Area) والمحيط (Perimeter).
  • مكون من خطوط متصلة (Connected lines).
  • ممكن يكون فيه ثقوب (Holes) — زي غابة فيها أراضي خاصة جواها — عشان كده ليه حدود خارجية (External boundaries) و حدود داخلية (Internal boundaries).
  • ممكن نسميه Polygon, Face, أو Zone.
  • مثال: Timber stands (مساحات شجر), Water bodies (مساحات مائية).

5) Coverage Data Structure

  • الـ Coverage هو نموذج بيانات مبني على Topology.
  • بيدمج العلاقات المكانية في هيكل البيانات نفسه.
  • شركة ESRI قدّمته في التمانينات عشان يفصل الـ GIS عن الـ CAD (زي AutoCAD).

  • ESRI — Environmental Systems Research Institute

image

مسألة الـ Coverage Topology (إزاي الكمبيوتر بيقرأ الخريطة؟)

  • مفاتيح الرسمة الأساسية:
    • النقط (Nodes): الأرقام (11, 12, 13, 14, 15) بتمثل نقطة بداية أو نهاية أي خط.
    • الخطوط (Arcs): الأرقام العادية (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) بتمثل الخطوط (اتجاه السهم مهم جدا).
    • المضلعات (Polygons): الأرقام المايلة (101, 102, 103, 104) بتمثل المساحات المقفوله.
    • الفراغ الخارجي: رقم (100) بيمثل أي مساحة بره حدود الخريطة (Universe Polygon).
مهم تعرف اسامي الجداول

1. جدول الاتصال (Arc-node List) ⟵ بيفهم الـ Connectivity

  • الجدول ده بيسجل كل خط (Arc) بيبدأ منين وبينتهي فين.
    • ا F-node (From): نقطة البداية (عند ديل السهم).
    • ا T-node (To): نقطة النهاية (عند رأس السهم).

2. جدول التجاور (Left-Right list) ⟵ بيفهم الـ Contiguity

  • الجدول ده بيعرف الكمبيوتر مين المضلعات المتجاورة من غير ما يبص على الرسمة.
    • بص على Arc 6: السهم ماشي ناحية الشمال. وإنت ماشي معاه، المضلع اللي على يمينك هو 101 (R-poly)، والمضلع اللي على شمالك هو 103 (L-poly).
    • بص على Arc 1: السهم طالع لفوق ويمين. شمالك الفراغ الخارجي 100 (L-poly)، ويمينك المضلع 101 (R-poly).

3. جدول تكوين المساحة (Poly-Arcs List) ⟵ بيفهم الـ Area Definition

  • الجدول ده بيحدد إيه هي الخطوط (الحدود) اللي بتتقاطع عشان تقفل وتكون مضلع معين.
  • مثال: مضلع 101 حدوده هي الخطوط رقم 1, 4, 6.
  • رقم 0: بص على مضلع 102، مكتوب قدامه 4, 2, 5, 0, 7.
    • ليه حطينا صفر؟ الصفر 0 بيُستخدم كـ "فاصل" عشان يقول للكمبيوتر إن المضلع ده جواه فراغ أو "مساحه مقفوله" (اللي هو مضلع 104).
    • يعني الخطوط 4, 2, 5 دي الحدود الخارجية لمضلع 102، والخط 7 هو الحد الداخلي ( الـ hole اللي جواه).

4. جدول الإحداثيات (ARC-Coordinate list) ⟵ بيفهم الـ Geometry

  • الجدول ده ملوش علاقة بالـ Topology، ده إحداثيات (X, Y) من على الشبكة عشان ترسم شكل النقط والخطوط.
  • مثال:
    • خط Arc 1: بيبدأ من النقطة (1,3)، وبيطلع لفوق ينكسر عند النقطة (1,9)، وبعدين يكمل لحد النقطة (4,9).
    • خط Arc 6: خط مستقيم بيبدأ من (5,3) وينتهي عند (1,3).

6) Topology

definition

الـ Topology (علم التوبولوجيا) هو علم العلاقات المكانية بين المعالم — بيشرح إزاي المعالم مترابطة مع بعض من غير ما يتأثر بالتشويهات زي الثني أو التمدد (Invariant under bending/stretching).

  • في الـ GIS بنستخدم Digraphs (رسوم بيانية موجهة) — فيها نقاط وخطوط ليها اتجاه:
    • الخطوط الي ليها اتجاه بتتسمى Arcs.
    • النقاط اللي الخطوط بتتقابل عندها بتتسمى Nodes.

موديل الـ Coverage و الـ Topology

  • الـ Coverage بيدعم 3 علاقات أساسية:
definition

ا Connectivity: الخطوط (Arcs) بتتصل ببعض عند النقاط (Nodes).
ا Area Definition: كل مضلع بيتحدد بسلسلة خطوط متصلة.
ا Contiguity: كل خط ليه اتجاه وحد أيسر ويمين (Left/Right Polygons).

Adjacency و Incidence

  • لو خط بيربط بين نقطتين، النقطتين بيقولوا عليهم متجاورين (Adjacent) للخط و محددين (Incident) عليه.
  • العلاقات دي بتتمثل في جداول (Matrices).
image

1. ا Incidence Matrix ⟵ علاقة "النقطة" بـ "الخط"

  • المصفوفة دي بتوصف كل نقطة (Node) إيه الخطوط (Arcs) اللي طالعة منها أو داخلة فيها.

  • شكل الجدول: الصفوف (Rows) هي النقاط 11, 12...، والأعمدة (Cols) هي الخطوط 1, 2...

  • مفتاح الحل:

    • 1 = الخط طالع من النقطة (F-node).
    • -1 = الخط داخل في النقطة (T-node).
    • 0 = مفيش أي اتصال بين النقطة والخط ده.
    • 2 = الخط بيلف ويرجع لنفس النقطة (Self-loop).

  • أمثلة من الرسمة عشان تتأكد:

    • بص على النقطة (11):
      • الخط 1 داخل فيها ⟵ نكتب -1.
      • الخط 2 طالع منها ⟵ نكتب 1.
      • الخط 4 طالع منها ⟵ نكتب 1.
      • باقي الخطوط ملمستهاش ⟵ نكتب 0. (لو بصيت في الصف بتاع 11 في الجدول هتلاقيه مطابق).
    • رقم 2: بص على النقطة (15). الخط 7 طالع منها ولافف وراجع يصب فيها تاني (عامل زي الدايرة المغلقة). عشان كده بنكتب في الجدول قدام خط 7 رقم 2.

2. ا Adjacency Matrix ⟵ علاقة "النقطة" بـ "النقطة"

  • المصفوفة دي بتعرفنا هل في طريق (خط) مباشر بيوصل من نقطة لنقطة تانية ولا لأ؟

  • شكل الجدول: الصفوف والأعمدة هما الاتنين بيمثلوا النقاط (Nodes).

  • مفتاح الحل:

    • 1 = أيوة، فيه سهم طالع من نقطة الصف رايح مباشر لنقطة العمود.
    • 0 = لأ، مفيش سهم مباشر في الاتجاه ده.

  • أمثلة من الرسمة عشان تتأكد:

    • من النقطة (11): السهم طالع من 11 رايح مباشر لـ 12 ورايح لـ 14. يبقى هنيجي في صف رقم 11، ونحط وحايد 1 تحت عمود 12 وعمود 14. والباقي أصفار.

  • تأثير الاتجاه (مهم جداً): * هل ينفع أروح من 11 لـ 12؟ أيوة السهم معايا (الجدول فيه 1) طب هل ينفع العكس ؟ لا.

8) Non-topological Vector Data (Shapefile)

  • صيغة الـ Shapefile هي الصيغة القياسية للبيانات بدون Topology.
definition

الـ Shapefile هو صيغة بيانات Vector غير Topology — بيخزن Geometry في ملفين:

  • ا .shp: بيخزن شكل المعلم (Feature Geometry).
  • ا .shx: بيخزين الفهرس المكاني (Spatial Index).

9) Topology Rules في Geodatabase

  • الـ Geodatabase بي implement الـ Topology عن طريق قواعد (Rules).

أهم القواعد:

  • Line: Must not have dangles
    • ممنوع تسيب طرف "طاير في الهوا"
image
  • Line: Must not overlap
    • ممنوع ترسم خطين فوق بعض بالظبط في نفس المكان
image
  • Polygon: Must not overlap
    • يعني ممنوع مضلعين (زي قطعتين أرض أو محافظتين) يدخلوا في مساحة بعض او يبقوا فوق بعض
image
  • Point: Must be properly inside Polygons
    • يعني النقطة لازم تترسم جوه حدود المضلع بتاعها ومتطلعش بره
image

10) Data Models for Composite Features

definition

Composite Features refer to those spatial features that are better represented as composites of points, lines, and polygons.

  • دي المعالم الجغرافية اللي تمثيلها الاحسن يكون كـ مجموعة من النقاط والخطوط والمضلعات مع بعض.

  • نموذج الـ Coverage بيدعم مزايا مركبة زي:

    • TIN (Triangulated Irregular Networks)
    • Regions
    • Routes

TIN - Triangulated Irregular Network

definition

الـ TIN هو نموذج بيانات رقمي بيستخدم في الـ GIS لتمثيل الأسطح غير المنتظمة زي التضاريس — بديل لخطوط التضاريس (Contour lines).

  • مدخلات الـ TIN: نقاط (X, Y, Z) وخطوط ومضلعات.
  • الـ TIN بتمثّل الأرض بـ مثلثات غير متراكبة — كل مثلث بيفترض ميل ثابت (Constant gradient).
  • المناطق المنحدرة: مثلثات أكبر وأقل. المناطق عالية التباين: مثلثات أصغر وأكتر كثافة.
  • الأشكال الهندسية في الـ TIN: مثلثات (Faces), نقاط (Nodes), خطوط (Edges).
image

1. جدول النقاط والارتفاعات (Node Table)

  • الجدول ده بيعرفنا مكان كل نقطة على الخريطة (X, Y)، والأهم بقى: ارتفاعها عن سطح البحر (Z).
    • ا Nodes: أرقام النقاط (11, 12, 13, 14, 15).
    • ا (X, Y): الإحداثيات العادية من على الشبكة.
    • ا Z: ده الارتفاع (Elevation). ده في الـ TIN اللي بيعمل البعد التالت.

2. جدول المثلثات والجيران (Triangle Table) ⟵ (ده جدول الـ Topology)

  • الجدول ده بيعرفنا كل مثلث متكون من أنهي نقاط، ومين المثلثات الجيران اللي لازقة فيه.
    • ا Triangle: رقم المثلث (101, 102, 103).
    • ا Node list: إيه هي الـ 3 نقاط (رؤوس المثلث) اللي قفلوه؟
    • ا Neighbors: مين المثلثات الجيران اللي مشتركة معاه في الحيطان (الأضلاع)؟ (لو الضلع ده بيبص على الشارع بره الخريطة ومفيش جار، بنحط شرطة --).

11) TIGER

definition

الـ TIGER — Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing — هو قاعدة بيانات من مكتب التعداد الأمريكي (US Census Bureau) بتشمل العلاقات المكانية بين النقاط والخطوط والمناطق.

  • الـ TIGER فيها:

    • حدود قانونية وإحصائية — مقاطعات (Counties), أحياء التعداد (Census tracts), مجموعات الكتل (Block groups).
    • طرق، سكك حديدية، أنهار، مياه، خطوط طاقة، أنابيب.
    • نطاقات عناوين على كل جانب من شارع.

  • في قاعدة بيانات الـ TIGER:

    • النقاط بتتسمى 0-cells.
    • الخطوط بتتسمى 1-cells — كل واحدة موجهة من نقطة البداية لنقطة النهاية وليها يمين وشمال واضح.
    • المناطق بتتسمى 2-cells.
مثال من الكتاب — Figure 4.6 — نطاقات العناوين
  • كل شارع ليه اتجاه ونطاقات عناوين على اليمين والشمال.
  • مثال: شارع عليه اليمين 600-700 والشمال 601-701.
  • الـ ZIP codes بتتحدد بناءً على الاتجاه.

12) Geocoding

definition

الـ Geocoding هو عملية تحويل وصف مكان لـ إحداثيات جغرافية.

  • ممكن تعمل Geocoding عن طريق إدخال وصف مكان واحد كل مرة أو إدخال جدول كامل من الأماكن.
  • الناتج: معلومات جغرافية (Geographic Features) ببيانات وصفية تقدر تستخدمها في الرسم أو التحليل المكاني.

15) Final Quick Revision

ملخص
  • بيانات الـ GIS ليها نوعين: بيانات هندسية (Geometry) و بيانات وصفية (Attributes).
  • الـ Vector Data Model بيستخدم Point, Line, و Area لتمثيل المعالم الجغرافية.
  • الـ Georelational Data Model بيخزن البيانات المكانية والوصفية في نظامين منفصلين.
  • الـ Coverage هو صيغة Topology-based، أما الـ Shapefile فهو صيغة Non-topological.
  • الـ Geodatabase هو نموذج Object-oriented بيخزن البيانات في ملف واحد.
  • الـ Topology بتساعد في ضمان جودة البيانات وتحسين التحليل الجغرافي.
  • الـ TIN بيستخدم لتمثيل الأسطح غير المنتظمة زي التضاريس.
  • الـ Geocoding هو عملية تحويل وصف مكان لـ إحداثيات جغرافية.