تنسيق ملف نظم المعلومات الجغرافية

تنسيق ملفات نظم المعلومات الجغرافية (GIS) أو تنسيق الملفات الجغرافية المكانية هو معيار لترميز المعلومات الجغرافية في ملف حاسوبي . وهو نوع متخصص من تنسيقات الملفات يُستخدم في نظم المعلومات الجغرافية (GIS)، وأدوات معالجة صور الاستشعار عن بُعد ، وغيرها من التطبيقات الجغرافية المكانية. منذ سبعينيات القرن الماضي، تم ابتكار عشرات التنسيقات استنادًا إلى نماذج بيانات متنوعة لأغراض مختلفة. وقد تم ابتكارها من قِبل وكالات رسم الخرائط الحكومية (مثل هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية أو الوكالة الوطنية للاستخبارات الجغرافية المكانية )، وموردي برامج نظم المعلومات الجغرافية، وهيئات وضع المعايير مثل اتحاد البيانات الجغرافية المكانية المفتوحة ، ومجتمعات المستخدمين غير الرسمية، وحتى المطورين الأفراد.

كانت أولى تطبيقات نظم المعلومات الجغرافية في ستينيات القرن الماضي، مثل نظام المعلومات الجغرافية الكندي، تعتمد على برمجيات مصممة خصيصًا، وتخزن البيانات في هياكل ملفات مصممة خصيصًا لتلبية احتياجات كل مشروع. ومع ظهور المزيد من هذه التطبيقات، أمكن مقارنتها لتحديد أفضل الممارسات والهياكل المشتركة. ^{[ 1 ]} وعندما طُوّرت برمجيات نظم المعلومات الجغرافية العامة في سبعينيات القرن الماضي وأوائل ثمانينياته، بما في ذلك برامج من مختبرات أكاديمية مثل مختبر هارفارد للرسومات الحاسوبية والتحليل المكاني ، ووكالات حكومية (مثل نظام تراكب الخرائط والإحصاءات (MOSS) الذي طورته هيئة الأسماك والحياة البرية الأمريكية ومكتب إدارة الأراضي )، وشركات برمجيات نظم المعلومات الجغرافية الجديدة مثل Esri و Intergraph ، بُني كل برنامج حول تنسيق ملفات خاص به (وغالبًا ما يكون سريًا). ^{[ 2 ]} ولأن كل تطبيق من تطبيقات نظم المعلومات الجغرافية كان معزولًا فعليًا عن غيره، لم يكن تبادل البيانات بينها أمرًا بالغ الأهمية.

بحلول أوائل التسعينيات، أدى انتشار نظم المعلومات الجغرافية عالميًا، والحاجة المتزايدة لتبادل البيانات، والتي تسارعت وتيرتها مع ظهور شبكة الإنترنت العالمية وبنى البيانات المكانية ، إلى ضرورة وجود بيانات قابلة للتشغيل البيني وتنسيقات قياسية. وكانت إحدى المحاولات المبكرة للتوحيد القياسي هي معيار نقل البيانات المكانية الأمريكي ، الذي صدر عام ١٩٩٤، والمصمم لترميز مجموعة واسعة من بيانات الحكومة الفيدرالية. ^{[ ٣ ]} ورغم أن هذا التنسيق لم يحظَ بدعم واسع النطاق، إلا أنه أدى إلى جهود توحيد قياسي أخرى، لا سيما اتحاد البيانات الجغرافية المكانية المفتوحة (OGC)، الذي طور أو اعتمد العديد من المعايير المحايدة للبائعين، والتي اعتمدت بعضها المنظمة الدولية للمعايير (ISO). ^{[ ٤ ]}

شهدت تسعينيات القرن الماضي تطورًا آخر تمثل في إتاحة صيغ الملفات الاحتكارية للجمهور من قِبل موردي برامج نظم المعلومات الجغرافية، مما مكّن برامج أخرى من استخدامها. وكان أبرز مثال على ذلك نشر صيغة Esri Shapefile ، ^{[ 5 ]} التي أصبحت بحلول أواخر التسعينيات المعيار الفعلي الأكثر شيوعًا لتبادل البيانات في قطاع المعلومات الجغرافية المكانية بأكمله. ^{[ 6 ]} وعندما لم تكن الصيغ الاحتكارية متاحة للمشاركة (على سبيل المثال، تغطية ESRI ARC/INFO)، كان مطورو البرامج غالبًا ما يقومون بهندسة عكسية لها لتمكين استيرادها وتصديرها في برامج أخرى، مما سهّل تبادل البيانات بشكل أكبر. ومن نتائج ذلك ظهور مكتبات برمجية مجانية ومفتوحة المصدر ، مثل مكتبة تجريد البيانات الجغرافية المكانية (GDAL) ، التي سهّلت بشكل كبير دمج البيانات المكانية بأي صيغة في مجموعة متنوعة من البرامج. ^{[ 7 ]}

خلال العقد الأول من الألفية الثانية، انخفضت الحاجة إلى الملفات المكانية المتخصصة إلى حد ما مع ظهور قواعد البيانات المكانية ، التي دمجت البيانات المكانية في قواعد البيانات العلائقية العامة. ومع ذلك، استمر ظهور تنسيقات ملفات جديدة، لا سيما مع انتشار خرائط الويب؛ إذ يمكن دمج تنسيقات مثل لغة ترميز Keyhole (KML) و GeoJSON بسهولة أكبر في لغات تطوير الويب مقارنةً بملفات نظم المعلومات الجغرافية التقليدية.

تم ابتكار أكثر من مئة صيغة مختلفة لتخزين البيانات المكانية، منها ما بين 20 و30 صيغة شائعة الاستخدام حاليًا لأغراض متنوعة. ويمكن تمييز هذه الصيغ بعدة طرق:

• تُطوَّر الصيغ المفتوحة بشكل جماعي من قِبَل مجتمع، وهي متاحة لأي شخص لتطبيقها والمساهمة في تحسينها، بينما تُطوَّر الصيغ الاحتكارية من قِبَل شركة برمجيات لاستخدامها فقط في برامجها الخاصة، وتُعتبر عمومًا سرًا تجاريًا (مع أنها غالبًا ما تُعاد هندستها من قِبَل آخرين). وهناك فئة ثالثة بين هاتين الفئتين، تشمل الصيغ المملوكة حصريًا لشركة أو مؤسسة واحدة، ولكنها تُنشر وتُتاح للتطبيق من قِبَل أي شخص، مثل Esri Shapefile . ^{[ 5 ]}
• بعض تنسيقات الملفات هي ملفات نصية يمكن قراءتها بواسطة البشر (مثل تلك القائمة على XML أو JSON )، وخاصة تلك المخصصة لتبادل البيانات، بينما البعض الآخر عبارة عن ملفات ثنائية ، وأكثرها شيوعًا تلك المصممة للاستخدام الأصلي في برامج نظم المعلومات الجغرافية.
• تم تصميم التنسيقات المكانية بطبيعتها خصيصًا لتخزين البيانات الجغرافية، بينما تعد التنسيقات الأخرى امتدادات مكانية للتنسيقات المصممة للاستخدام العام (مثل GeoTIFF وقواعد البيانات المكانية ).
• تتضمن العديد من تنسيقات البيانات شكلاً من أشكال ضغط البيانات ، وخاصة ملفات الصور النقطية. وبشكل عام، تُفضل طرق الضغط غير الفاقد للبيانات على الطرق الفاقد لها ، لأن قيم البيانات الأصلية يجب استرجاعها. ^{[ 8 ]}

كأي صورة رقمية، تعتمد بيانات نظم المعلومات الجغرافية النقطية على تقسيم منتظم للمساحة إلى شبكة مستطيلة من صفوف وأعمدة من الخلايا (المعروفة أيضًا بالبكسلات )، حيث تحتوي كل خلية على قيمة مُقاسة مُخزنة. ويكمن الاختلاف الرئيسي بينها وبين الصورة الفوتوغرافية في أن الشبكة مُرتبطة بالمساحة الجغرافية وليس بمجال الرؤية. وتُقاس دقة مجموعة البيانات النقطية بعرض الخلية بوحدات أرضية.

نظرًا لأن الشبكة تمثل عينة من مساحة متصلة، تُستخدم بيانات الصور النقطية بشكل شائع لتمثيل الحقول الجغرافية ، حيث تتغير خاصية ما بشكل متصل أو منفصل عبر المكان. تشمل الأمثلة الشائعة صور الاستشعار عن بُعد ، والتضاريس/الارتفاع ، والكثافة السكانية ، والطقس والمناخ ، وخصائص التربة ، وغيرها الكثير. يمكن أن تكون بيانات الصور النقطية صورًا تحتوي كل بكسل (أو خلية) فيها على قيمة لونية. قد تكون القيمة المسجلة لكل خلية من أي مستوى قياس ، بما في ذلك قيمة نوعية منفصلة، ​​مثل نوع استخدام الأرض، أو قيمة كمية متصلة، مثل درجة الحرارة، أو قيمة فارغة في حالة عدم توفر بيانات. بينما تخزن خلية الصورة النقطية قيمة واحدة، يمكن توسيعها باستخدام نطاقات الصور النقطية لتمثيل ألوان RGB (الأحمر والأخضر والأزرق)، أو خرائط الألوان (وهي عبارة عن ربط بين رمز موضوعي وقيمة RGB)، أو جدول سمات موسع يحتوي على صف واحد لكل قيمة خلية فريدة. يمكن أيضًا استخدامها لتمثيل المعالم الجغرافية المنفصلة ، ​​ولكن عادةً فقط في الظروف الطارئة.

تُخزَّن البيانات النقطية بصيغ متنوعة؛ بدءًا من بنية الملفات القياسية مثل TIFF وJPEG، وصولًا إلى بيانات الكائنات الثنائية الكبيرة (BLOB) المخزنة مباشرةً في نظام إدارة قواعد البيانات العلائقية (RDBMS)، على غرار فئات المعالم المتجهة الأخرى. يتيح تخزين البيانات في قواعد البيانات، عند فهرسته بشكل صحيح، استرجاعًا أسرع للبيانات النقطية، ولكنه قد يتطلب تخزين ملايين السجلات ذات الأحجام الكبيرة.

تُخزّن مجموعة بيانات المتجهات (وتُسمى أحيانًا مجموعة بيانات الميزات ) معلوماتٍ حول كائناتٍ منفصلة، ​​باستخدام ترميز نموذج البيانات المنطقية المتجهة لتمثيل موقع أو هندسة كل كائن، وترميز لخصائصه الأخرى يعتمد عادةً على تقنية قواعد البيانات العلائقية . في العادة، تجمع مجموعة البيانات الواحدة معلوماتٍ حول مجموعة من الكائنات المترابطة أو المتشابهة، مثل جميع الطرق في مدينةٍ ما.

يستخدم نموذج بيانات المتجهات الهندسة الإحداثية لتمثيل كل شكل كواحد من عدة أشكال هندسية أولية ، وأكثرها شيوعًا النقاط (إحداثية واحدة ذات بُعد صفري )، والخطوط (قائمة مرتبة أحادية البعد من الإحداثيات المتصلة بخطوط مستقيمة)، والمضلعات (خط حدودي مغلق ذاتيًا يحيط بمنطقة ثنائية الأبعاد). وقد طُوّرت العديد من هياكل البيانات لترميز هذه الأشكال الأولية كبيانات رقمية، ولكن معظم تنسيقات ملفات المتجهات الحديثة تعتمد على مواصفات الميزات البسيطة الصادرة عن اتحاد البيانات الجغرافية المكانية المفتوحة (OGC) ، وغالبًا ما تتضمن مباشرةً ترميزاتها النصية المعروفة (WKT) أو الثنائية المعروفة (WKB).

بالإضافة إلى هندسة كل كائن، يجب أن تكون مجموعة بيانات المتجهات قادرة على تخزين سماته . على سبيل المثال، قد تحتوي قاعدة بيانات تصف البحيرات على عمق كل بحيرة، وجودة مياهها، ومستوى التلوث فيها. منذ سبعينيات القرن الماضي، اعتمدت جميع تنسيقات ملفات المتجهات تقريبًا نموذج قاعدة البيانات العلائقية ، إما من حيث المبدأ أو من خلال دمج برامج إدارة قواعد البيانات العلائقية مباشرةً . وبالتالي، تُخزَّن مجموعة البيانات بأكملها في جدول ، حيث يمثل كل صف كائنًا واحدًا يحتوي على أعمدة لكل سمة. ^{[ 12 ] : 256}

تم استخدام استراتيجيتين لدمج الهندسة والخصائص في بنية تنسيق ملف متجه واحد: ^{[ 13 ]}

• يخزن تنسيق البيانات الجغرافية العلائقية البيانات في ملفين منفصلين، حيث ترتبط هندسة وخصائص كل عنصر بترتيب الملفات أو مفتاح أساسي . كان هذا التنسيق شائعًا في الفترة من سبعينيات القرن الماضي وحتى أوائل التسعينيات، لأن مطوري برامج نظم المعلومات الجغرافية اضطروا إلى ابتكار هياكل بيانات هندسية خاصة بهم، مع دمج تنسيقات ملفات قواعد البيانات العلائقية الموجودة للخصائص. على سبيل المثال، يتضمن تنسيق Esri Shapefile ملف .dbf من برنامج dBase لنظام التشغيل DOS .
• يخزن النموذج القائم على الكائنات البيانات في بنية واحدة، مستندة بشكل مباشر أو غير مباشر إلى الكائنات في لغات البرمجة كائنية التوجه . وهذا هو أساس معظم تنسيقات الملفات الحديثة، بما في ذلك قواعد البيانات المكانية التي تتضمن عمودًا للهندسة إلى جانب السمات الأخرى في جدول علائقي واحد. أما التنسيقات الأخرى، مثل GeoJSON ، فتستخدم بنى مختلفة للهندسة والسمات، ولكنها تجمعها لكل كائن في الملف نفسه.

غالبًا ما تُشكّل الطوبولوجيا الجغرافية المكانية جزءًا هامًا من بيانات المتجهات، إذ تُمثّل العلاقات المكانية الكامنة (وخاصةً التجاور) بين الكائنات. وقد تمّت إدارة الطوبولوجيا في تنسيقات ملفات المتجهات بأربع طرق. في بنية البيانات الطوبولوجية ، ولا سيما في POLYVRT من جامعة هارفارد وخليفتها ARC/INFO ، تُعدّ الروابط الطوبولوجية بين النقاط والخطوط والمضلعات جزءًا لا يتجزأ من ترميز هذه الخصائص. ^{[ 8 ] : 46-49.} في المقابل، لا تتضمن البيانات غير الطوبولوجية أو بيانات "السباغيتي" (مثل ملف Esri Shapefile ومعظم قواعد البيانات المكانية ) أي معلومات طوبولوجية، حيث يكون كل شكل هندسي مستقلًا تمامًا عن غيره. تُكمّل مجموعة بيانات الطوبولوجيا (التي تُستخدم غالبًا في تحليل الشبكات ) بيانات "السباغيتي" بملف منفصل يُرمّز الروابط الطوبولوجية. ^{[ 12 ] : 218} قاعدة قواعد الطوبولوجيا هي قائمة بقواعد الطوبولوجيا المطلوبة المستخدمة لفرض السلامة المكانية في بيانات السباغيتي، مثل "يجب ألا تتداخل مضلعات المقاطعة" و"يجب أن تشترك مضلعات الولاية في الحدود مع مضلعات المقاطعة". ^{[ 13 ]}

تمثل مجموعات بيانات المتجهات عادةً معالم جغرافية منفصلة ، ​​مثل المباني والأشجار والمقاطعات. ومع ذلك، يمكن استخدامها أيضًا لتمثيل الحقول الجغرافية من خلال تخزين المواقع التي تم فيها أخذ عينات من الحقل المتصل مكانيًا. تُستخدم نقاط العينة (مثل محطات الأرصاد الجوية وشبكات الاستشعار )، وخطوط الكنتور ، والشبكات المثلثية غير المنتظمة (TIN) لتمثيل الارتفاع أو القيم الأخرى التي تتغير باستمرار عبر المكان. تسجل شبكات TIN القيم عند مواقع النقاط، والتي يتم توصيلها بخطوط لتشكيل شبكة غير منتظمة من المثلثات. يمثل وجه المثلثات سطح التضاريس.

هناك بعض المزايا والعيوب المهمة لاستخدام نموذج بيانات نقطي أو متجهي لتمثيل الواقع:

• تسجل مجموعات البيانات النقطية قيمة لجميع النقاط في المنطقة المغطاة، مما قد يتطلب مساحة تخزين أكبر من تمثيل البيانات بتنسيق متجه يمكنه تخزين البيانات فقط عند الحاجة.
• تُعد بيانات الصور النقطية أقل تكلفة حسابية في العرض من الرسومات المتجهة
• يُعد دمج القيم وكتابة الصيغ المخصصة لدمج القيم من طبقات مختلفة أسهل بكثير باستخدام بيانات الصور النقطية.
• توجد مشاكل في الشفافية والتشويه عند تراكب أجزاء متعددة من الصور النقطية.
• تتيح البيانات المتجهة تنفيذ عمليات التراكب بسلاسة وسهولة بصرية، خاصة فيما يتعلق بالرسومات والمعلومات القائمة على الشكل مثل الخرائط والمسارات والخطوط المخصصة، والتي يصعب تنفيذها باستخدام البيانات النقطية.
• يمكن عرض البيانات المتجهة كرسومات متجهة تستخدم على الخرائط التقليدية، بينما ستظهر البيانات النقطية كصورة قد يكون لها مظهر مربع لحدود الكائنات (اعتمادًا على دقة ملف الصورة النقطية).
• يمكن أن تكون بيانات المتجهات أسهل في التسجيل والتحجيم وإعادة الإسقاط، مما قد يبسط عملية دمج طبقات المتجهات من مصادر مختلفة.
• تُعد بيانات المتجهات أكثر توافقًا مع بيئات قواعد البيانات العلائقية، حيث يمكن أن تكون جزءًا من جدول علائقي كعمود عادي ومعالجتها باستخدام العديد من عوامل التشغيل.
• عادة ما تكون أحجام ملفات المتجهات أصغر من بيانات الصور النقطية، والتي يمكن أن تكون أكبر بعشرات أو مئات أو أكثر من بيانات المتجهات (اعتمادًا على الدقة).
• تُعد بيانات المتجهات أسهل في التحديث والصيانة، بينما يجب إعادة إنتاج صورة نقطية بالكامل. (مثال: إضافة طريق جديد).
• تتيح البيانات المتجهة إمكانيات تحليلية أوسع بكثير، لا سيما بالنسبة للشبكات مثل الطرق والطاقة والسكك الحديدية والاتصالات، وما إلى ذلك (أمثلة: أفضل مسار، أكبر ميناء، المطارات المتصلة بطرق سريعة ذات مسارين). أما البيانات النقطية فلا تتضمن جميع خصائص المعالم التي تعرضها.

تستطيع قواعد البيانات العلائقية الحديثة تخزين مجموعة متنوعة من البيانات المعقدة باستخدام نوع بيانات الكائنات الثنائية الكبيرة ، بما في ذلك شبكات الصور النقطية والهندسة المتجهة. وهذا يُمكّن بعض أنظمة قواعد البيانات المكانية من تخزين بيانات كلا النموذجين في قاعدة البيانات نفسها.

• قاعدة بيانات الملفات الجغرافية Esri - تنسيق خاص لتخزين بيانات "الميزات" (المتجهة) والبيانات النقطية محليًا ^{[ 14 ]}
• Esri Enterprise Geodatabase - نموذج خاص لتخزين بنية قاعدة البيانات الجغرافية في مجموعة متنوعة من أنظمة إدارة قواعد البيانات العلائقية التجارية والمفتوحة المصدر ^{[ 14 ]}
• GeoPackage (GPKG) - تنسيق مفتوح قائم على المعايير يعتمد على تنسيق قاعدة بيانات SQLite لكل من البيانات المتجهة والبيانات النقطية، وقد تم اعتماده من قبل اتحاد Open Geospatial Consortium ^{[ 15 ]}

• المرجع الجيوديسي
• GDAL/OGR ، مكتبة لقراءة وكتابة العديد من التنسيقات
• محرك معالجة الميزات (FME)، وهو برنامج تجاري لتحويل البيانات بين عدد كبير من التنسيقات