3. البيانات المتجهية

	اهداف	فهم نماذج البيانات المتجهية كما تُستخدم في نظم المعلومات الجغرافية (GIS).
	كلمات الدلالة	متجه، نقطة، خط متعدد، مضلع، رأس، الشكل الهندسي، مقياس الرسم، جودة البيانات، الترميز، مصادر البيانات

3.1. نظرة عامة

توفّر البيانات المتجهية طريقة لتمثيل المعالم الموجودة في العالم الحقيقي داخل بيئة نظم المعلومات الجغرافية. المعلم هو أي شيء تستطيع رؤيته في المشهد الطبيعي. تخيّل أنك تقف على قمة تل؛ عندما تنظر إلى الأسفل ترى المنازل والطرق والأشجار والأنهار وغيرها (انظر شكل 3.30). كل واحد من هذه الأشياء سيكون معلمًا عندما نمثّله في تطبيق نظم المعلومات الجغرافية. للمعالم المتجهية سمات، وهي معلومات نصية أو رقمية تصف المعالم.

شكل 3.30 عندما تنظر إلى مشهد طبيعي يمكنك رؤية المعالم الرئيسية، مثل الطرق والمنازل والأشجار.

يُمثَّل شكل المعلم المتجهي باستخدام الشكل الهندسي. يتكوّن الشكل الهندسي من رأس واحد أو أكثر مترابطة فيما بينها. يصف الرأس موقعًا في الفراغ باستخدام المحور X والمحور Y واختياريًا المحور Z. وكثيرًا ما يُشار إلى الأشكال الهندسية التي تحتوي رؤوسها على المحور Z بأنها 2.5D لأنها تصف الارتفاع أو العمق عند كل رأس، لا كليهما معًا.

عندما يتكوّن الشكل الهندسي للمعلم من رأس واحد فقط، يُسمّى معلمًا نقطيًا (انظر الصورة شكل 3.31). وعندما يتكوّن الشكل الهندسي من رأسين أو أكثر ولا يتطابق الرأس الأول مع الأخير، يتشكّل معلم خط متعدد (انظر الصورة شكل 3.32). وعندما توجد ثلاثة رؤوس أو أكثر ويتطابق الرأس الأخير مع الأول، يتشكّل معلم مضلع مغلق (انظر الصورة شكل 3.33).

شكل 3.31 يوصف المعلم النقطي بإحداثياته X و Y واختياريًا Z. تصف سمات النقطة هذه النقطة، مثلًا ما إذا كانت شجرة أو عمود إنارة.

شكل 3.32 الخط المتعدد سلسلة من الرؤوس المتصلة. لكل رأس إحداثيات X و Y (واختياريًا Z). وتصف السمات الخط المتعدد.

شكل 3.33 المضلع، مثل الخط المتعدد، سلسلة من الرؤوس. غير أن الرأس الأول والرأس الأخير في المضلع يكونان دائمًا في الموقع نفسه.

بالعودة إلى صورة المشهد الطبيعي التي عرضناها عليك سابقًا، يُفترض أن تتمكن الآن من رؤية الأنواع المختلفة من المعالم بالطريقة التي يمثّلها بها نظام المعلومات الجغرافية (انظر الصورة شكل 3.34).

شكل 3.34 معالم المشهد الطبيعي كما نعرضها في نظام المعلومات الجغرافية. يمكن تمثيل الأنهار (بالأزرق) والطرق (بالأخضر) كخطوط، والأشجار كنقاط (بالأحمر)، والمنازل كمضلعات (بالأبيض).

3.2. المعالم النقطية بالتفصيل

أول ما يجب أن ندركه عند الحديث عن المعالم النقطية هو أن ما نصفه بالنقطة في نظم المعلومات الجغرافية مسألة تقديرية، وكثيرًا ما يعتمد على مقياس الرسم. لنأخذ المدن مثالًا. إذا كانت لديك خريطة صغيرة المقياس (تغطي مساحة كبيرة)، فقد يكون من المنطقي تمثيل المدينة بمعلم نقطي. لكن عندما تكبّر الخريطة وتنتقل نحو مقياس أكبر، يصبح من الأنسب إظهار حدود المدينة كمضلع.

يعتمد اختيارك لاستخدام النقاط في تمثيل معلم ما في الغالب على مقياس الرسم (مدى بعدك عن المعلم)، والملاءمة (إنشاء المعالم النقطية يستغرق وقتًا وجهدًا أقل من إنشاء المعالم المضلعة)، ونوع المعلم (فبعض الأشياء، مثل أعمدة الهاتف، لا معنى لتخزينها كمضلعات).

كما نبيّن في الصورة شكل 3.31، للمعلم النقطي قيمة X و Y واختياريًا Z. تعتمد قيمتا X و Y على نظام الإحداثيات المرجعي (CRS) المستخدم. سنتناول أنظمة الإحداثيات المرجعية بمزيد من التفصيل في درس لاحق. أما الآن فلنقل ببساطة إن نظام الإحداثيات المرجعي طريقة لوصف موقع مكان معيّن على سطح الأرض بدقة. ومن أكثر الأنظمة المرجعية شيوعًا نظام خطوط الطول ودوائر العرض. تمتد خطوط الطول من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي، وتمتد دوائر العرض من الشرق إلى الغرب. يمكنك أن تصف بدقة موقعك في أي مكان على الأرض بإعطاء شخص ما خط الطول (X) ودائرة العرض (Y) لموقعك. وإذا أجريت قياسًا مماثلًا لشجرة أو عمود هاتف وعلّمته على خريطة، فستكون قد أنشأت معلمًا نقطيًا.

بما أننا نعلم أن الأرض ليست مسطحة، فغالبًا ما يكون من المفيد إضافة قيمة Z إلى المعلم النقطي. تصف هذه القيمة مدى ارتفاعك عن مستوى سطح البحر.

3.3. معالم الخطوط المتعددة بالتفصيل

بينما يتكوّن المعلم النقطي من رأس واحد، يتكوّن الخط المتعدد من رأسين أو أكثر. الخط المتعدد مسار متصل يُرسم عبر كل رأس، كما يظهر في شكل 3.32. عند وصل رأسين يتكوّن خط، وعند وصل أكثر من رأسين تتكوّن 'سلسلة من الخطوط'، أي خط متعدد.

يُستخدم الخط المتعدد لإظهار الشكل الهندسي للمعالم الخطية مثل الطرق والأنهار وخطوط الكنتور وممرات المشاة ومسارات الطيران وغيرها. وأحيانًا تكون لدينا قواعد خاصة للخطوط المتعددة إضافةً إلى شكلها الهندسي الأساسي. فمثلًا قد تتلامس خطوط الكنتور (عند جرف صخري مثلًا) لكن يجب ألا تتقاطع أبدًا. وبالمثل، يجب أن تكون الخطوط المتعددة المستخدمة لتخزين شبكة طرق متصلة عند التقاطعات. يمكنك في بعض تطبيقات نظم المعلومات الجغرافية ضبط هذه القواعد الخاصة لنوع من المعالم (مثل الطرق)، وسيضمن نظام المعلومات الجغرافية أن تلتزم هذه الخطوط المتعددة بتلك القواعد دائمًا.

إذا كانت المسافات بين رؤوس خط متعدد منحنٍ كبيرة جدًا، فقد يبدو مُزوّى أو مسنّنًا، تبعًا لمقياس الرسم الذي يُعرض به (انظر شكل 3.35). ولهذا من المهم أن تُرقمن الخطوط المتعددة (أي تُدخل إلى الحاسوب) بمسافات بين الرؤوس صغيرة بما يكفي لمقياس الرسم الذي تريد استخدام البيانات عنده.

شكل 3.35 قد تبدو الخطوط المتعددة المعروضة بمقياس رسم أصغر (1:20 000 على اليسار) ناعمة ومنحنية. أما عند التكبير إلى مقياس أكبر (1:500 على اليمين) فقد تبدو الخطوط المتعددة مُزوّاة جدًا.

تصف سمات الخط المتعدد خصائصه أو صفاته. فمثلًا قد تكون لخط متعدد يمثّل طريقًا سمات تصف ما إذا كان مرصوفًا بالحصى أو بالأسفلت، وعدد حاراته، وما إذا كان شارعًا باتجاه واحد، وغير ذلك. يمكن لنظام المعلومات الجغرافية استخدام هذه السمات لترميز معلم الخط المتعدد بلون أو نمط خط مناسب.

3.4. المعالم المضلعة بالتفصيل

المعالم المضلعة مساحات مغلقة مثل السدود والجزر وحدود الدول وغيرها. وكما في معالم الخطوط المتعددة، تُنشأ المضلعات من سلسلة من الرؤوس المتصلة بخط متصل. لكن بما أن المضلع يصف دائمًا مساحة مغلقة، يجب أن يكون الرأس الأول والرأس الأخير دائمًا في المكان نفسه! وكثيرًا ما يكون للمضلعات شكل هندسي مشترك --- أي حدود مشتركة مع مضلع مجاور. تمتلك كثير من تطبيقات نظم المعلومات الجغرافية القدرة على ضمان تطابق حدود المضلعات المتجاورة تمامًا. سنستكشف ذلك في موضوع الطوبولوجيا لاحقًا في هذا الدرس.

كما هو الحال مع النقاط والخطوط المتعددة، للمضلعات سمات تصف كل مضلع. فمثلًا قد تكون لسدٍّ سمات للعمق وجودة المياه.

3.5. البيانات المتجهية في الطبقات

بعد أن وصفنا ماهية البيانات المتجهية، لننظر في كيفية إدارتها واستخدامها في بيئة نظم المعلومات الجغرافية. تجمّع معظم تطبيقات نظم المعلومات الجغرافية المعالم المتجهية في طبقات. للمعالم في الطبقة الواحدة نوع الشكل الهندسي نفسه (فتكون كلها نقاطًا مثلًا) وأنواع السمات نفسها (مثل معلومات عن نوع الشجرة في طبقة الأشجار). فمثلًا إذا سجّلت مواقع جميع ممرات المشاة في مدرستك، فستُخزَّن عادةً معًا على القرص الصلب للحاسوب وتُعرض في نظام المعلومات الجغرافية كطبقة واحدة. وهذا مريح لأنه يتيح لك إخفاء جميع معالم تلك الطبقة أو إظهارها في تطبيق نظم المعلومات الجغرافية بنقرة فأرة واحدة.

3.6. تحرير البيانات المتجهية

يتيح لك تطبيق نظم المعلومات الجغرافية إنشاء بيانات الشكل الهندسي في طبقة ما وتعديلها --- وهي عملية تُسمّى الرقمنة --- وسنتناولها عن قرب في درس لاحق. إذا كانت الطبقة تحتوي على مضلعات (مثل سدود المزارع)، فلن يسمح لك تطبيق نظم المعلومات الجغرافية إلا بإنشاء مضلعات جديدة في تلك الطبقة. وبالمثل، إذا أردت تغيير شكل معلم ما، فلن يسمح لك التطبيق بذلك إلا إذا كان الشكل المعدَّل صحيحًا. فمثلًا لن يسمح لك بتحرير خط بحيث لا يبقى فيه سوى رأس واحد --- تذكّر من حديثنا عن الخطوط أعلاه أن كل الخطوط يجب أن تحتوي على رأسين على الأقل.

يُعدّ إنشاء البيانات المتجهية وتحريرها وظيفة مهمة في نظم المعلومات الجغرافية، إذ إنه من الطرق الرئيسية التي يمكنك بها إنشاء بياناتك الخاصة عن الأشياء التي تهمّك. لنفترض مثلًا أنك تراقب التلوث في نهر. يمكنك استخدام نظام المعلومات الجغرافية لرقمنة جميع مخارج مصارف مياه الأمطار (كمعالم نقطية). ويمكنك أيضًا رقمنة النهر نفسه (كمعلم خط متعدد). وأخيرًا يمكنك أخذ قراءات لمستويات pH على امتداد مجرى النهر ورقمنة الأماكن التي أخذت فيها هذه القراءات (كطبقة نقطية).

إلى جانب إنشاء بياناتك الخاصة، هناك كثير من البيانات المتجهية المجانية التي يمكنك الحصول عليها واستخدامها. فمثلًا يمكنك الحصول على البيانات المتجهية التي تظهر على أوراق الخرائط بمقياس 1:50 000 من Chief Directorate: Surveys and Mapping.

3.7. مقياس الرسم والبيانات المتجهية

يُعدّ مقياس رسم الخريطة مسألة مهمة يجب مراعاتها عند العمل مع البيانات المتجهية في نظم المعلومات الجغرافية. عند التقاط البيانات، فإنها تُرقمن عادةً من خرائط موجودة، أو بأخذ المعلومات من سجلات المسّاحين وأجهزة نظام تحديد المواقع العالمي. للخرائط مقاييس رسم مختلفة، لذا إذا استوردت بيانات متجهية من خريطة إلى بيئة نظم المعلومات الجغرافية (مثلًا برقمنة خرائط ورقية)، فستعاني البيانات المتجهية الرقمية من مشكلات مقياس الرسم نفسها التي في الخريطة الأصلية. يمكن رؤية هذا الأثر في الصورتين شكل 3.36 و شكل 3.37. قد تنشأ مشكلات كثيرة عن سوء اختيار مقياس رسم الخريطة. فمثلًا قد يؤدي استخدام البيانات المتجهية في الصورة شكل 3.36 لتخطيط منطقة لحماية الأراضي الرطبة إلى استبعاد أجزاء مهمة من الأراضي الرطبة من المحمية! ومن ناحية أخرى، إذا كنت تحاول إنشاء خريطة إقليمية، فقد يكون استخدام بيانات ملتقطة بمقياس 1:1000 000 مناسبًا تمامًا وسيوفّر عليك كثيرًا من الوقت والجهد في التقاط البيانات.

شكل 3.36 بيانات متجهية (خطوط حمراء) رُقمنت من خريطة صغيرة المقياس (1:1000 000).

شكل 3.37 بيانات متجهية (خطوط خضراء) رُقمنت من خريطة كبيرة المقياس (1:50 000).

3.8. الترميز

عندما تضيف طبقات متجهية إلى عرض الخريطة في تطبيق نظم المعلومات الجغرافية، فإنها تُرسم بألوان عشوائية ورموز أساسية. ومن المزايا العظيمة لاستخدام نظم المعلومات الجغرافية أنك تستطيع إنشاء خرائط مخصّصة بسهولة كبيرة. سيتيح لك برنامج نظم المعلومات الجغرافية اختيار ألوان تناسب نوع المعلم (فمثلًا يمكنك أن تطلب منه رسم طبقة متجهية للمسطحات المائية باللون الأزرق). كما سيتيح لك تعديل الرمز المستخدم. فإذا كانت لديك طبقة نقطية للأشجار، يمكنك إظهار موقع كل شجرة بصورة صغيرة لشجرة بدلًا من العلامة الدائرية الأساسية التي يستخدمها نظام المعلومات الجغرافية عند تحميل الطبقة أول مرة (انظر الصور شكل 3.38 و شكل 3.39 و شكل 3.40).

شكل 3.38 يمكنك في نظام المعلومات الجغرافية استخدام لوحة (مثل اللوحة أعلاه) لضبط طريقة رسم المعالم في طبقتك.

شكل 3.39 عند تحميل طبقة (مثل طبقة الأشجار أعلاه) أول مرة، يعطيها تطبيق نظم المعلومات الجغرافية رمزًا عامًا.

شكل 3.40 بعد إجراء التعديلات يصبح من الأسهل بكثير أن نرى أن نقاطنا تمثّل أشجارًا.

الترميز ميزة قوية تجعل الخرائط تنبض بالحياة وتجعل البيانات في نظام المعلومات الجغرافية أسهل فهمًا. وفي الموضوع التالي (البيانات الوصفية للمعالم المتجهية) سنستكشف بعمق أكبر كيف يمكن للترميز أن يساعد المستخدم على فهم البيانات المتجهية.

3.9. ماذا يمكننا أن نفعل بالبيانات المتجهية في نظم المعلومات الجغرافية؟

على أبسط مستوى، يمكننا استخدام البيانات المتجهية في تطبيق نظم المعلومات الجغرافية بالطريقة نفسها تقريبًا التي تستخدم بها خريطة طبوغرافية عادية. أما القوة الحقيقية لنظم المعلومات الجغرافية فتبدأ بالظهور عندما تبدأ بطرح أسئلة مثل 'ما المنازل الواقعة ضمن منسوب فيضان المئة عام لنهر ما؟'؛ 'ما أفضل مكان لإنشاء مستشفى بحيث يسهل وصول أكبر عدد ممكن من الناس إليه؟'؛ 'ما المتعلمون الذين يسكنون في ضاحية معيّنة؟'. نظام المعلومات الجغرافية أداة رائعة للإجابة عن هذا النوع من الأسئلة بمساعدة البيانات المتجهية. ونشير عمومًا إلى عملية الإجابة عن هذه الأسئلة باسم التحليل المكاني. وسنتناول التحليل المكاني بمزيد من التفصيل في مواضيع لاحقة من هذا الدرس.

3.10. مشكلات شائعة في البيانات المتجهية

للعمل مع البيانات المتجهية بعض المشكلات. لقد ذكرنا بالفعل المشكلات التي قد تنشأ عن البيانات المتجهية الملتقطة بمقاييس رسم مختلفة. كما تحتاج البيانات المتجهية إلى كثير من العمل والصيانة لضمان دقتها وموثوقيتها. قد تنشأ بيانات متجهية غير دقيقة عندما لا تُضبط الأجهزة المستخدمة في التقاط البيانات ضبطًا صحيحًا، أو عندما لا يتوخّى القائمون على التقاط البيانات الحذر، أو عندما لا يسمح الوقت أو المال بقدر كافٍ من التفاصيل في عملية الجمع، وغير ذلك.

إذا كانت لديك بيانات متجهية رديئة الجودة، فكثيرًا ما يمكنك اكتشاف ذلك عند عرض البيانات في نظام المعلومات الجغرافية. فمثلًا قد تظهر الشرائح الرفيعة (slivers) عندما لا تلتقي حواف مساحتين مضلعتين التقاءً صحيحًا (انظر شكل 3.41).

شكل 3.41 تظهر الشرائح الرفيعة عندما لا تتطابق رؤوس مضلعين على حدودهما المشتركة. عند مقياس رسم صغير (مثل 1 على اليسار) قد لا تتمكن من رؤية هذه الأخطاء. أما عند مقياس رسم كبير فتظهر كشرائط رفيعة بين مضلعين (2 على اليمين).

قد تحدث التجاوزات (Overshoots) عندما لا يلتقي معلم خطي مثل طريق بطريق آخر تمامًا عند تقاطع. وقد تحدث حالات القصور (Undershoots) عندما لا يلتقي معلم خطي (مثل نهر) تمامًا بمعلم آخر يُفترض أن يتصل به. يوضّح الشكل شكل 3.42 كيف تبدو حالات القصور والتجاوزات.

شكل 3.42 تحدث حالات القصور (1) عندما لا تتلامس تمامًا الخطوط المتجهية المُرقمنة التي يُفترض أن تتصل ببعضها. وتحدث التجاوزات (2) إذا انتهى خط بعد الخط الذي يُفترض أن يتصل به.

بسبب هذه الأنواع من الأخطاء، من المهم جدًا رقمنة البيانات بعناية ودقة. وفي الموضوع القادم حول الطوبولوجيا سنفحص بعض هذه الأخطاء بمزيد من التفصيل.

3.11. ماذا تعلمنا؟

لنختتم ما تناولناه في ورقة العمل هذه:

• تُستخدم البيانات المتجهية لتمثيل معالم العالم الحقيقي في نظم المعلومات الجغرافية.

• يمكن أن يكون نوع الشكل الهندسي للمعلم المتجهي نقطة أو خطًا أو مضلعًا.

• لكل معلم متجهي بيانات وصفية تصفه.

• يوصف الشكل الهندسي للمعلم من خلال الرؤوس.

• تتكوّن الأشكال الهندسية النقطية من رأس واحد (X و Y واختياريًا Z).

• تتكوّن الأشكال الهندسية للخطوط المتعددة من رأسين أو أكثر تشكّل خطًا متصلًا.

• تتكوّن الأشكال الهندسية المضلعة من أربعة رؤوس على الأقل تشكّل مساحة مغلقة. ويكون الرأس الأول والرأس الأخير دائمًا في المكان نفسه.

• يعتمد اختيار نوع الشكل الهندسي على مقياس الرسم والملاءمة وما تريد فعله بالبيانات في نظام المعلومات الجغرافية.

• لا تسمح معظم تطبيقات نظم المعلومات الجغرافية بالخلط بين أكثر من نوع واحد من الأشكال الهندسية في طبقة واحدة.

• الرقمنة هي عملية إنشاء بيانات متجهية رقمية برسمها في تطبيق نظم المعلومات الجغرافية.

• قد تعاني البيانات المتجهية من مشكلات في الجودة مثل حالات القصور و التجاوزات و الشرائح الرفيعة، وعليك أن تكون على دراية بها.

• يمكن استخدام البيانات المتجهية في التحليل المكاني في تطبيق نظم المعلومات الجغرافية، مثلًا لإيجاد أقرب مستشفى إلى مدرسة.

لخّصنا مفهوم البيانات المتجهية في نظم المعلومات الجغرافية في الشكل شكل 3.43.

شكل 3.43 يوضّح هذا المخطط كيف تتعامل تطبيقات نظم المعلومات الجغرافية مع البيانات المتجهية.

3.12. الآن تحاول!

إليك بعض الأفكار التي يمكنك تجربتها مع متعلميك:

• باستخدام نسخة من خريطة طبوغرافية لمنطقتك المحلية (مثل الخريطة المعروضة في شكل 3.44)، تحقّق مما إذا كان المتعلمون يستطيعون التعرّف على أمثلة للأنواع المختلفة من البيانات المتجهية بتظليلها على الخريطة.

• فكّر في كيفية إنشاء معالم متجهية في نظام المعلومات الجغرافية لتمثيل معالم العالم الحقيقي في ساحة مدرستك. أنشئ جدولًا بمعالم مختلفة داخل مدرستك وحولها، ثم كلّف المتعلمين بتقرير ما إذا كان الأفضل تمثيلها في نظام المعلومات الجغرافية كنقطة أو خط أو مضلع. انظر جدول 3.18 للاطلاع على مثال.

شكل 3.44 هل يمكنك التعرّف على معلمين نقطيين ومعلم مضلع واحد على هذه الخريطة؟

جدول 3.18 البيانات المتجهية وأنواع الأشكال الهندسية

المعلم في العالم الحقيقي	نوع الشكل الهندسي المناسب
سارية علم المدرسة
ملعب كرة القدم
ممرات المشاة داخل المدرسة وحولها
أماكن وجود صنابير المياه
إلخ.

أنشئ جدولًا مثل جدول 3.18 (مع ترك عمود "نوع الشكل الهندسي" فارغًا) واطلب من المتعلمين تحديد أنواع الأشكال الهندسية المناسبة.

3.13. شيء لتفكر به

إذا لم يتوفر لديك حاسوب، فيمكنك استخدام خريطة طبوغرافية وأوراق شفافة لتعريف المتعلمين بالبيانات المتجهية.

3.14. قراءة متعمقة

يحتوي دليل مستخدم QGIS أيضًا على معلومات أكثر تفصيلًا حول العمل مع البيانات المتجهية في QGIS.

3.15. ماذا بعد؟

سنلقي في القسم التالي نظرة أقرب على البيانات الوصفية لنرى كيف يمكن استخدامها لوصف المعالم المتجهية.