تحديد الموقع الجغرافي

تُعدّ الإسناد الجغرافي أو التسجيل الجغرافي نوعًا من تحويل الإحداثيات يربط صورة رقمية نقطية أو قاعدة بيانات متجهة تمثل حيزًا جغرافيًا (عادةً خريطة ممسوحة ضوئيًا أو صورة جوية ) بنظام مرجعي مكاني ، وبالتالي تحديد موقع البيانات الرقمية في العالم الحقيقي. ^{[ 1 ] [ 2 ]} وهو بذلك الشكل الجغرافي لتسجيل الصور أو تصحيحها . ويمكن أن يشير المصطلح إلى الصيغ الرياضية المستخدمة لإجراء التحويل، أو البيانات الوصفية المخزنة بجانب ملف الصورة أو داخله لتحديد التحويل، أو عملية محاذاة الصورة يدويًا أو تلقائيًا مع العالم الحقيقي لإنشاء هذه البيانات الوصفية. والنتيجة الأكثر شيوعًا هي إمكانية دمج الصورة بصريًا وتحليليًا مع بيانات جغرافية أخرى في نظم المعلومات الجغرافية وبرامج الاستشعار عن بُعد .

تتوفر عدة طرق رياضية، ولكن العملية تتضمن عادةً تحديد عينة من عدة نقاط تحكم أرضية ( GCPs ) ذات مواقع معروفة على الصورة وعلى الأرض، ثم استخدام تقنيات مطابقة المنحنيات لإنشاء صيغة بارامترية (أو بارامترية جزئية) لتحويل بقية الصورة. ^{[ 3 ]} بمجرد تخزين معلمات الصيغة، يمكن تحويل الصورة ديناميكيًا أثناء الرسم، أو إعادة أخذ عينات منها لإنشاء ملف GIS نقطي مرجعي جغرافيًا أو صورة جوية .

يُستخدم مصطلح "الإسناد الجغرافي" أيضًا للإشارة إلى أنواع أخرى من التحويلات من التعبيرات العامة للموقع الجغرافي ( الرموز الجغرافية ) إلى قياسات الإحداثيات، ^{[ 4 ]} ولكن معظم هذه الطرق الأخرى تُعرف عادةً باسم الترميز الجغرافي . ونظرًا لهذا الغموض، يُفضّل البعض استخدام مصطلح "التسجيل الجغرافي" للإشارة إلى تحويل الصورة. ^{[ 5 ] : 141-143.} يُطلق على هذه العملية أحيانًا اسم "التغطية المطاطية" ، ولكن هذا المصطلح يُستخدم عادةً للإشارة إلى عملية مشابهة جدًا تُطبّق على بيانات نظم المعلومات الجغرافية المتجهة . ^{[ 5 ] : 240.} بالمقارنة مع الإسناد الجغرافي، يُراعي التصحيح الإسقاطي تضاريس الأرض، والتشوهات البصرية للمستشعر، وأحيانًا بعض التشوهات الأخرى ^{[ 6 ]} ، ولذلك يُفضّل استخدامه في كثير من الأحيان.

• تعتبر عملية تحديد الموقع الجغرافي أمراً بالغ الأهمية لجعل الصور الجوية والفضائية ، والتي عادة ما تكون صوراً نقطية، مفيدة في رسم الخرائط لأنها توضح كيفية ارتباط البيانات الأخرى، مثل نقاط نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) المذكورة أعلاه ، بالصور.
• قد تحتوي البيانات أو الصور التي أُنتجت في وقتٍ سابق على معلومات بالغة الأهمية. وقد يكون من المرغوب فيه دمج هذه البيانات أو مقارنتها بالبيانات المتاحة حاليًا. ويمكن استخدام هذه البيانات الأخيرة لتحليل التغيرات في الخصائص قيد الدراسة على مدى فترة زمنية.
• قد تستخدم الخرائط المختلفة أنظمة إسقاط مختلفة. تحتوي أدوات الإسناد الجغرافي على طرق لدمج هذه الخرائط وتراكبها بأقل قدر من التشوه.

تُعدّ عملية تسجيل صورة في فضاء جغرافي تحويلاً أساسياً من نظام إحداثيات مُدخل (الإحداثيات الأصلية للبكسلات في الصور بناءً على رقم الصف والعمود) إلى نظام إحداثيات مُخرج، وهو نظام مرجعي مكاني يختاره المستخدم، مثل نظام الإحداثيات الجغرافية أو منطقة معينة من نظام الإحداثيات العالمي المستعرض ميركاتور . وبالتالي، فهي امتداد للمهمة التقليدية المتمثلة في مطابقة منحنى لعلاقة بين متغيرين إلى أربعة أبعاد. والهدف هو الحصول على زوج من الدوال بالشكل التالي:

${\displaystyle x_{out}=F(x_{in},y_{in})}$

${\displaystyle y_{out}=G(x_{in},y_{in})}$

بحيث يكون لكل بكسل في الصورة (${\displaystyle x_{in},y_{in}}$(حيث يمثل رقم العمود ورقم الصف على التوالي)، يمكن حساب إحداثيات العالم الحقيقي المقابلة.

تتوفر أنواع عديدة من الدوال في معظم برامج نظم المعلومات الجغرافية والاستشعار عن بعد لأغراض الإسناد الجغرافي. ^{[ 7 ]} وبما أن أبسط أنواع المنحنيات ثنائية الأبعاد هو الخط المستقيم، فإن أبسط أشكال تحويل الإحداثيات هو التحويل الخطي، وأكثرها شيوعًا هو التحويل الأفيني : ^{[ 8 ] : 171}

${\displaystyle x_{out}=Ax_{in}+By_{in}+C}$

${\displaystyle y_{out}=Dx_{in}+Ey_{in}+F}$

حيث تمثل AF معاملات ثابتة تُحدد للصورة بأكملها. تسمح هذه الصيغ بتحريك الصورة ( يحدد المعاملان C وF الموقع المطلوب للزاوية العلوية اليسرى من الصورة)، وتغيير حجمها (بدون تدوير، يحدد المعاملان A وE حجم كل خلية أو الدقة المكانية )، وتدويرها . ^{[ 9 ] : 115} في الحالة الأخيرة، إذا كان حجم الخلية r في كل من الاتجاهين x وy، وكان المطلوب تدوير الصورة α درجة عكس اتجاه عقارب الساعة، فإن${\displaystyle A=E=r\cos(\alpha ),B=D=r\sin(\alpha )}$. ملف العالم الذي طورته شركة Esri هو ملف جانبي شائع الاستخدام يحدد هذه المعاملات الستة لتحديد الموقع الجغرافي للصور.

تُستخدم تحويلات كثيرات الحدود من الرتب العليا بشكل شائع أيضًا. على سبيل المثال، يكون تحويل كثير الحدود من الرتبة الثانية كما يلي:

${\displaystyle x_{out}=Ax_{in}+By_{in}+Cx_{in}^{2}+Dy_{in}^{2}+Ex_{in}y_{in}+F}$

${\displaystyle y_{out}=Gx_{in}+Hy_{in}+Ix_{in}^{2}+Jy_{in}^{2}+Kx_{in}y_{in}+L}$

تسمح الحدود من الدرجة الثانية (والحدود من الدرجة الثالثة في كثير الحدود من الدرجة الثالثة) بالتشويه المتغير للصورة، وهو أمر مفيد بشكل خاص لإزالة التشوه المتأصل في الصور الجوية.

بالإضافة إلى الصيغ البارامترية العامة، يمكن أيضاً استخدام الصيغ القطعية، التي تُحوّل أجزاءً مختلفة من الصورة بطرق مختلفة. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك تحويل الشرائح الرقيقة . ^{[ 10 ]}

من النادر جدًا أن يُحدد المستخدم معلمات التحويل مباشرةً. بدلاً من ذلك، توفر معظم برامج نظم المعلومات الجغرافية والاستشعار عن بُعد بيئة تفاعلية لمحاذاة الصورة بصريًا مع نظام الإحداثيات المستهدف. الطريقة الأكثر شيوعًا للقيام بذلك هي إنشاء سلسلة من نقاط التحكم الأرضية (GCP). ^{[ 8 ] : 170} نقطة التحكم الأرضية هي موقع يمكن تحديده على كل من الصورة والأرض، بحيث يكون له إحداثيات دقيقة في كل من نظام إحداثيات الصورة (${\displaystyle x_{in}}$= عمود البكسل،${\displaystyle y_{in}}$(صف البكسل) ونظام الإحداثيات الأرضية (${\displaystyle x_{out},y_{out}}$تُفضّل المواقع المرئية بوضوح والتي يمكن تحديدها بدقة كنقاط تحكم أرضية، مثل تقاطع الطرق أو زاوية مبنى. عند الحاجة إلى تسجيل عالي الدقة، من الشائع وضع علامات عالية التباين على الأرض عند نقاط التحكم المساحية قبل التقاط الصورة، واستخدام إحداثيات نظام تحديد المواقع العالمي (GNSS) في المخرجات. في معظم البرامج، تُدخل هذه الإحداثيات بالإشارة إلى الموقع على الصورة، ثم الإشارة إلى الموقع نفسه على خريطة أساسية متجهة أو صورة جوية مُصححة موجودة بالفعل في نظام الإحداثيات المطلوب. يمكن بعد ذلك تحريك هذه الإحداثيات وتعديلها لتحسين الدقة.

باستخدام مجموعة صغيرة من نقاط التحكم الأرضية، يمكن إدخال الإحداثيات المعروفة في المعادلات الرياضية لنوع التحويل المطلوب، والتي يمكن حلها بعد ذلك باستخدام الجبر الخطي لتحديد المعاملات واستنباط الصيغ المستخدمة للشبكة بأكملها. ^{[ 9 ] : 116} على سبيل المثال، يحتوي التحويل الخطي الأفيني المذكور أعلاه على ستة معاملات مجهولة، لذا ست معادلات بمعاملات معروفة <${\displaystyle x_{in},y_{in},x_{out},y_{out}}$يلزم اشتقاقها، الأمر الذي يتطلب ثلاث نقاط تحكم أرضية. ^{[ 8 ] : 171} تتطلب كثيرة الحدود من الدرجة الثانية ست نقاط تحكم أرضية على الأقل، وهكذا.

نادرًا ما تكون نقاط التحكم الأرضية المُدخلة دقيقة تمامًا، ونادرًا ما تُمثل التشوه في بقية الصورة تمثيلًا دقيقًا، لكن الحل الجبري، الذي يبدو مطابقًا تمامًا، يُخفي أي خطأ. لتجنب ذلك، من الشائع إنشاء عدد أكبر بكثير من الحد الأدنى المطلوب (مما يُنشئ نظامًا مُفرط التحديد )، واستخدام انحدار المربعات الصغرى لاستخلاص مجموعة من معلمات الدالة التي تُطابق النقاط بدقة. ^{[ 9 ] : 116} نادرًا ما تكون هذه مطابقة تمامًا، لذا يُمكن قياس التباين بين موقع كل نقطة تحكم أرضية والموقع المُتوقع بواسطة الدوال وتلخيصه كجذر متوسط ​​مربع الخطأ (RMSE). وبالتالي، فإن انخفاض قيمة RMSE يعني أن صيغ التحويل تُطابق نقاط التحكم الأرضية بدقة.

بمجرد تحديد معلمات الدالة، يمكن استخدام دوال التحويل لتحويل كل بكسل في الصورة إلى موقعه في العالم الحقيقي. يتوفر عادةً خياران لجعل هذا التحويل دائمًا. الخيار الأول هو حفظ المعلمات نفسها كبيانات وصفية ، إما في رأس ملف الصورة نفسه (مثل GeoTIFF )، أو في ملف جانبي مُخزّن بجانب ملف الصورة (مثل ملف إحداثيات العالم ). باستخدام هذه البيانات الوصفية، يمكن للبرنامج إجراء التحويل ديناميكيًا أثناء عرض الصورة، بحيث تبدو متوافقة مع البيانات الأخرى في نظام الإحداثيات المطلوب. أما الطريقة البديلة فهي التصحيح ، حيث تُعاد معاينة الصورة لإنشاء شبكة نقطية جديدة مرتبطة بنظام الإحداثيات. كان التصحيح هو الخيار الوحيد تقليديًا، إلى أن توفرت القدرة الحاسوبية اللازمة لإجراء الحسابات المكثفة لتحويلات الإحداثيات الديناميكية؛ وحتى الآن، يكون أداء الرسم والتحليل أفضل مع الصورة المُصحّحة.

• يتمتع برنامج Esri GIS بهذه الإمكانية منذ سنوات عديدة، بما في ذلك أداة تحديد الموقع الجغرافي في ArcGIS Pro. ^{[ 7 ]}
• يحتوي برنامج QGIS على أداة تحديد المواقع الجغرافية، والتي تم تطويرها في الأصل كإضافة ولكنها الآن مدمجة في البرنامج. ^{[ 10 ]}
• تحديد الموقع الجغرافي للصور وتصحيحها في برنامج ERDAS Imagine
• تسجيل الصور على الخرائط في برنامج ENVI
• يدعم Allmaps خوارزميات تحويل متنوعة (بما في ذلك تحويل Thin Plate Spline)، وحساب التشوهات، من خلال حزمة @allmaps/transform الخاصة به.

• هيل، ليندا ل. (2006). تحديد الموقع الجغرافي . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . ISBN 978-0262083546.

• اكتشاف مؤشرات الموقع لأسماء الأماكن من الأخبار لتحسين الإسناد الجغرافي القائم على المعاجم الجغرافية - ورقة بحثية قُدّمت في مؤتمر Geoinfo 2008
• موارد مرجعية جغرافية لعلماء الاجتماع - مواد تعليمية عبر الإنترنت من جامعة ساوثهامبتون، المملكة المتحدة