قابلیت داده‌های معابر OSM جهت تحلیل‌های شبکه در محیط GIS و مقایسه آن با نقشه‌های آنلاین
چکیده
يكي از مهم‌ترین كاربردهاي GIS مدل‌سازی شبکه معابر شهری مي¬باشد. در این پژوهش قابلیت داده‌های OSM جهت ایجاد شبکه هوشمند معابر شهری تبریز در محیط GIS مورد سنجش قرار گرفت و جهت ارزیابی، نتایج تحلیل‌های شبکه در محیط GIS با نقشه‌های آنلاین و هوشمند google map و here map مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج نشان داد که داده‌های OSM قابلیت بالایی جهت ساخت شبکه‌های هوشمند محلی در محیط GIS دارا می‌باشند. تحلیل‌های شبکه معابر داده‌های OSM در محیط GIS قابلیت بالایی این شبکه‌ها محلی را نسبت به شبکه‌های آنلاین نشان داد. در صورت استفاده از داده‌های مثل ترافیک به صورت زمانمند در شبکه‌های ایجاد شده در محیط GIS، قابلیت این شبکه‌ها چندین برابر می‌شود. شبکه‌های طراحی شده در محیط GIS به دلیل در دسترس بودن، قابلیت ویرایش، مشخص کردن محدودیت‌ها و خیلی قابلیت‌های دیگر نسبت به نقشه‌های آنلاین برتری دارند؛ تکمیل این شبکه‌های محلی هم از نظر عارضه و هم از نظر پایگاه داده می‌تواند در امر برنامه‌ریزی شهری، ترافیک، حمل و نقل، مدیریت بحران کارآمد و راهگشا باشد و تصمیم‌گیری را برای مدیران ارگان‌های و سازمان‌های دولتی و خصوصی، سریع، به موقع، و آسان بکند.
کلمات کلیدی: تحلیل‌های شبکه – نقشه‌های آنلاین – GIS – OSM

Capability of OSM data to network analysis in GIS and comparison with online maps

Urban street network modeling is one of the most important applications of GIS. In the present study, the ability of OSM data was evaluated to create urban streets smart network of Tabriz in GIS environment and to evaluate the results of network analysis in GIS environment was compared with smart online map google map and here map. The results showed that OSM data have high capability to build local smart network in GIS environment. Street network analysis of OSM data in GIS showed high capabilities of local network to online network. By using data such as traffic as well as temporal in the networks created in the GIS environment, the ability of these networks become several times. Networks designed in a GIS environment are superior to online maps because of availability, the ability to edit, specify gender restrictions, and many other features. The completion of these local networks both in terms of complications and the database can be efficient and useful in urban planning, traffic, transportation, crisis management. And fast, timely and easy to do decision-making for managers of public and private agencies and organizations.

Keywords: network analysis – online maps – GIS- OSM

مقدمه

سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی و تحلیل‌های شبکه هر دو با استفاده از روش‌های علمی پیشرفته در سال‌های اخیر توسعه پیدا کرده‌اند. یک سیستم اطلاعات جغرافیایی GIS یک نرم‌افزار کامپیوتری دیجیتال است که برای ثبت، ذخیره‌سازی، ویرایش، تجزیه‌وتحلیل و نمایش اطلاعات جغرافیایی طراحی شده است. وابسته بودن داده‌های جغرافیایی به مکان ماهیت این داده‌ها را از سایر داده‌ها جدا می‌کند. در نتیجه توانایی ساخت انواع نقشه‌ها، توانایی تحلیل‌های مکانی – فضایی و اندازه‌گیری فاصله‌ها بر روی مکان از مزایای سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی می‌باشد (Longley et al., 2001). قابلیت تحلیل‌های شبکه در GIS و استفاده از تکنولوژی‌های روز یکی از نقاط قوت این سیستم می‌باشد؛ که می­تواند بسیاری از مشکلات حمل نقل را حل کند. شبکه‌های حمل نقل به دلیل پیچیدگی و نیاز به الگوریتم‌های پیشرفته جهت تحلیل، باعث شده است که قابلیت‌های تحلیل شبکه[۱] سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی توسعه یافته و تصمیم‌گیری‌ها را سریع، آسان و راحت بکند (Fischer, 2006). مدل داده‌های شبکه‌ای در زمینه حمل نقل به تحلیل‌های شبکه‌ای پیشرفته‌ای نیاز دارند. اغلب نرم‌افزارهای تجاری GIS در دو دهه گذشته این قابلیت را در خود توسعه داده‌اند (Goodchild, 1998).

یافتن کوتاه‌ترین مسیر بر روی شبکه با در نظر گرفتن زمان، مسیریابی وسایل نقلیه، محاسبه فاصله و زمان‌بر روی شبکه، تعیین حوزه نفوذ بر روی شبکه، ایجاد نقشه‌های منطقه بندی خدمات‌رسانی و یافتن نزدیک‌ترین مرکز از قابلیت‌های ابزارهای تحلیل شبکه در GIS است که در مدیریت و برنامه‌ریزی شهری کارکردهای بسیار حساسی دارد. سلمانی (۱۳۹۵)[۲] در پایان‌نامه کارشناسی ارشد خود به بررسی قابلیت داده‌های شبکه معابر OSM[3] جهت ساخت و طراحی شبکه هوشمند معابر شهری در محیط GIS پرداخته و به این نتیجه می­رسد با توجه به این که داده‌های OSM در کشور ایران که به نوعی با کمبود و یا عدم دسترسی به داده‌های مکانی با دقت متوسط به بالا روبه‌رو است قابلیت خوبی جهت ساخت شبکه برای تحلیل‌های شبکه در محیط GIS دارد. در این پژوهش با طراحی یک پایگاه داده هوشمند برای شبکه معابر OSM در محیط GIS قابلیت این داده‌ها جهت تحلیل‌های شبکه مورد بررسی قرار گرفت سپس برای صحت سنجی و ارزیابی شبکه ایجاد شده نتایج آن با نقشه‌های آنلاین google map و here map مورد مقایسه قرار گرفت.

مواد و روش

منطقه مورد مطالعه

شهر تبریز به‌عنوان مرکز استان آذربایجان شرقی، با وسعتی در حدود ۱۴۰ کیلومترمربع در ۴۶ درجه و ۱۵ دقیقه طول شرقی از نصف‌النهار گرینویچ و ۳۸ درجه و ۸ دقیقه عرض شمالی از مدار مبدأ واقع‌شده است. ارتفاع میانگین شهر از سطح دریا حدود ۱۴۰۰ متر است. شهر تبریز از سمت جنوب به ارتفاعات سهند، از شمال به کوه عون بن علی، از شرق به زمین‌های کشاورزي شهر باسمنج و از غرب به دشت تبریز و زمین‌های پست و شوره‌زار حاشیه‌ی دریاچه‌ ارومیه محدود می‌گردد (سلمانی، ۱۳۹۵). شکل ۲ شبکه معابر شهر تبریز را که از سرور OSM دریافت شده است را نشان می‌دهد.

نقشه شهری باز

 نقشه شهری باز پروژه‌ای مشارکتی برای ایجاد یک نقشه قابل ‌ویرایش رایگان از جهان است. این پروژه، سال ۲۰۰۴ در لندن، توسط استیو کاست کلید خورد. هدف پروژه جمع‌آوری پایگاه داده‌ای رایگان از اطلاعات جغرافیایی در سراسر دنیا بود. حجم زیادی از داده‌های جغرافیایی مانند جاده‌ها، ساختمان‌ها و اماکن دیدنی می‌توانند به این بانک اطلاعاتی اضافه شوند (سلمانی، ۱۳۹۵). نقشه‌ها با استفاده از داده‌های حاصل از دستگاه‌های قابل‌حمل جی‌پی‌اس، عکس­های هوایی، تصاویر ماهواره‌ای سرور bing و منابع رایگان دیگر و یا به‌سادگی از دانش محلی ترسیم می‌شوند. شکل ۲ استفاده سرور OSM از تصاویر ماهواره‌ای با تفکیک بالا (سرور bing) برای ویرایش داده‌ها را نشان می‌دهد.

شکل ۲: استفاده از تصاویر ماهواره‌ای با قدرت تفکیک بالا برای ویرایش داده‌های OSM

 درواقع OSM یک پروژه شناخته‌شده درزمینه مشارکت داوطلبانه اطلاعات جغرافیایی است (Elwood,2008:174&Goodchild,2007:28). توسعه موفق داده‌های OSM توسط کاربران در سال‌های اخیر باعث افزایش استفاده از این داده‌ها در زمینه­های تحقیقاتی و همچنین باعث پیشرفت بسیاری از برنامه‌های کاربردی مسیریابی، مدل‌های سه‌بعدی شهری و خدمات مبتنی بر مکان شده است (Fritz, et al,2009:346;Mooney&Corcoran,2010:167). کمبود و عدم دسترسی به داده در بحث مربوط به شبکه معابر شهری یکی از مشکلات مهم در

تحلیل‌های شبکه در GIS می‌باشد. داده‌ها و شبکه معابر در سرور OSM به دلیل بروز رسانی توسط کاربران محلی و بومی آشنا به منطقه و همچنین استفاده این سرور از تصاویر ماهواره­ای سرور Bing به‌عنوان نقشه پایه دقت مکانی این داده‌ها را در حد مطلوبی بالابرده است (Nelson et al, 2006:244). در جداول توصیفی این داده‌ها علاوه بر نوع خیابان­ها جهت حرکت، سرعت حرکت، زیرگذرها و روگذرها هم مشخص‌شده است. استفاده از این داده­ها در کشور ایران که به‌نوعی با کمبود و یا عدم دسترسی به داده‌های مکانی دارد، می‌تواند کمک شایانی در دسترسی به داده‌های مورد نیاز باشد. تحقیق حاضر با هدف بهره‌گیری از این داده‌ها ارزیابی کارایی این داده‌ها در محیط GIS و مقایسه آن با داده‌های آنلاین Google map و Here Maps مد نظر قرار داده است. در این پژوهش برای آماده‌سازی داده‌های خام، اصلاح و حذف خطاها، جهت تحلیل‌های شبکه در GIS ابتدا داده‌های موردنظر از سرور OSM دریافت شد و در مرحله بعدی داده‌های موردنظر ازنظر خطا­های توپولوژیکی و غیر توپولوژیکی ویرایش و اصلاح گردید.

نقشه‌های Google map

Google map یک فناوری مبتنی بر وب است که توانایی نمایش و حتی ویرایش نقشه‌های خود را از سراسر دنیا دارد. این سرور قابلیت نمایش تصاویر ماهواره­ای، کاربری‌های شهری، شبکه معابر شهرها، دادهای آنلاین ترافیک معابر شهری، تحلیل‌های شبکه جهت یافتن مسیر و … از سراسر شهرهای دنیا را به صورت آنلاین دارد. نقشه‌های گوگل نقش حیاتی در جهان نقشه‌برداری مبتنی بر وب ایجاد کرده و باعث به وجود آمدن صدها برنامه کاربردی مبتنی بر نقشه‌ها شده است و همچنین به راحتی از طرق مرورگرهای مختلف قابل دسترسی است (pegg, 2007; Purvis et al, 2006). در زمینه حمل نقل نیز نقشه‌های گوگل به طور فزاینده‌ای استفاده می‌شود. گوگل در ۲۸ فوریه ۲۰۰۷ با معرفی یک برنامه کاربردی بحث ترافیک شهری را به صورت زنده وارد نقشه‌های خود کرد و اجازه داد کاربران از سراسر دنیا وضعیت ترافیک را در شبکه معابر شهرها مشاهده کنند (Malykhina, 2008). در این پژوهش از ابزار تحلیل شبکه google map جهت مسیریابی و مقایسه آن با شبکه ایجاد شده با داده‌های OSM استفاده شده است. شکل ۳ نقشه گوگل از شهر تبریز را نشان می‌دهد که همزمان به صورت آنلاین ترافیک را در معابر سطح شهر نشان می‌دهد.

شکل ۳: نقشه گوگل و مشاهده آنلاین ترافیک (تبریز)

نقشه‌های here map

یک شرکت وابسته به سه شرکت خودروسازی آلمانی Audi, BMW, Daimler است که قبلاً وابسته به شرکت NOKIA بوده است. Here Map با ارائه نقشه‌های چندبعدی و داده‌های نقشه‌برداری، تصاویر ماهواره‌ای به‌روز، فناوری و خدمات مربوط به ناوبری صنعت خودرو بر روی نقشه و توسعه آن بر روی وب و برنامه‌های کاربردی فعالیت می‌کند (company.here.com). این سرور همانند google map پوشش سراسری ندارد و در ایران فقط نقشه شهرهای بزرگ به صورت کامل در دسترس می­باشد. Here map همانند گوگل مپ توانایی تحلیل شبکه و مسیریابی را دارا می‌باشد که در این پژوهش نتایج آن را با شبکه ساخته شده از داده‌های معابر OSM در محیط GIS مورد مقایسه قرار گرفته است. شکل ۴ نقشه Here map را از سطح تبریز نشان می‌دهد.

شکل ۴: نقشه here map از تبریز

تعریف و ساخت پایگاه داده هوشمند

در این پژوهش با توجه به میزان دسترسی به داده‌ها، پایگاه داده شبکه معابر شهری تبریز ایجاد شد. این مرحله وقت‌گیرترین و حساس‌ترین مرحله در طراحی شبکه هوشمند معابر شهری جهت تحلیل‌های شبکه در GIS می‌باشد که در قالب ژئودیتابیس طراحی‌شده است. شبکه راه‌ها به صورت کلی شامل لبه‌ها، گره­ها و گردش‌ها می‌باشد. لبه‌ها یا اتصالات، عوارض خطی مرتبط به هم را نمایش می­دهند که مجاری حمل نقل و ارتباطات به شمار می­آیند. گره­های شبکه، نقاط انتهایی و تقاطع­های اتصالات شبکه می­باشند. عناصر گردشی اطلاعات حرکتی بین دو یا تعداد بیشتری از لبه­ ها را ثبت می‌کنند. به عنوان مثال وقتی دو خیابان در نقطه­ای به هم می­رسند آن نقطه به عنوان گره و خیابان‌ها به عنوان لبه در سیستم شناخته شده و محدودیت گردش به چپ از یکه لبه مخصوص به لبه دیگر را با گردش نشان می­دهند (عمی ازغدی و همکاران، ۹:۱۳۸۹). برای ساخت پایگاه داده شبکه معابر در این پژوهش بعد از رفع خطاهای توپولوژیکی فیلدهای مربوط به سرعت حرکت در معابر، جهت حرکت، درجه معبر، طول معبر، زمان، تقاطع‌های غیر هم‌سطح و گردش­ها تعریف شده است.

مدل داده‌های شبکه

قلب هر GIS مدل داده‌های آن است. یک مدل داده نمایشی از شرایط دنیای واقعی برای سازمان‌دهی داده‌ها در یک پایگاه داده می‌باشد. مدل داده‌ها معمولاً از سه قسمت تشکیل شده است. قسمت اول همان اشیاء داده‌ها که به صورت بلوک‌های ساختمانی اصلی برای پایگاه داده است. قسمت دوم مجموعه‌ای از قوانین حاکم بر یکپارچه گیری این داده‌ها می‌باشد و در نهایت مؤلفه سوم شامل اپراتورهای که می‌تواند در پایگاه داده وجود داشته باشند، است (Miller and Shaw, 2001). مدل داده‌های شبکه­ای مدل مفهومی برای یک شبکه در GIS است. ساختار رابطه‌ای برای نشان دادن مدل شبکه در یک ارتباط بین گره ای است. شکل ۱ ساختار رابطه‌ای یک شبکه را به صورت گرافیکی نشان می‌دهد همچنین جدول ۱ رابطه اشیا و گره‌ها را در پایگاه داده یک شبکه برای شکل ۱ نشان می‌دهد.

شکل ۵: نحوه ارتباط در شبکه (Fischer, 2006)

جدول ۱: رابطه اشیا و گره‌ها را در پایگاه داده (Fischer, 2006)

Arc Links Node Number To Node From Node Name ID
a ۱ ۲ ۱ a ۰
a, b, e ۲ ۳ ۲ b ۱
b, c, f ۳ ۴ ۳ c ۲
c, e, d ۴ ۴ ۲ e ۳
d ۵ ۵ ۴ d ۴
f ۶ ۶ ۳ f ۵

شکل ۵ مفهوم ساده از دو نوع از اشیاء واقع در مکان دلخواه بر روی شبکه را نشان می‌دهد. این موجودیت، نقاط شبکه نامیده می‌شود و در آن بخش‌های مختلف هر شبکه ویژگی خود را در جدول مربوط «پایگاه داده» جدول ۱ نشان می‌دهد.

تحلیل شبکه

در تحلیل‌های مبتنی بر شبکه معابر و خیابان‌های شهری نقش حیاتی و بنیادی در جابه‌جای درون شهری ایفا می‌نمایند به صورت عوارض خطی به کار برده می‌شوند و به همین دلیل نتایج حاصل از این نوع تحلیل از درجه اطمینان بسیار بالایی نسبت به تحلیل‌های فضایی که فقط به صورت فضایی به تعیین بزرگ‌ترین مسیر بین دو نقطه می‌پردازند، برخوردار هستند (زارعی،۱۳۸۹:۳۰)[۱]. مهم‌ترین قابلیت‌های تحلیل‌های شبکه در محیط GIS به شرح زیر می‌باشد:

تعیین بهترین مسیر[۲] پیدا کردن نزدیک‌ترین ایستگاه خدماتی[۳] محدوده سرویس خدماتی[۴] (خلیلی و همکاران، ۱۳۹۱). در این پژوهش جهت محلی کردن شبکه با داده‌های OSM، وضعیت این داده جهت ایجاد شبکه مورد تحلیل قرار گرفت و نتایج آن با تحلیل‌های آنلاین شبکه نقشه‌های google map و here map مورد مقایسه قرار گرفت. بر همین اساس حدود ۵۰ تحلیل شبکه جهت یافتن بهترین مسیر در هر سه نقشه انجام شد. چند نمونه از این تحلیل‌های شبکه در GIS و تحلیل همان مسیرها در نقشه‌های آنلاین google map و here map اشاره شده است.

[۱] زارعي، ياسر (۱۳۸۹)، تحليلـي بـر توزيـع فضـايي و مكانيابي خدمات شهري شهر نورآباد با استفاده از GIS، پاياننامـة كارشناسـي ارشـد، اسـتاد راهنمـا: محمـدي، جمـال، اسـتاد مشـاور: ضـرابي، اصـغر، دانشـگاه اصـفهان، گـروه جغرافيـا و برنامـهريـزي شهري.

[۲] Find Best Route

[۳] Closet Facility

[۴] Service Areas

شکل ۶ نتایج تحلیل‌های شبکه در google map، here map و GIS در مسیر ترمینال به آبرسان نشان می‌دهد که سرورهای آنلاین google map و here map بر خلاف شبکه‌های محلی GIS زمان رسیدن به نقطه هدف را از یک مکان خاص بیشتر محاسبه می‌کنند؛ همچنین مسیر بهینه توصیه‌شده توسط این سرورها مشابه بوده و فقط زمان رسیدن به آن‌ها متفاوت می­باشد لازم به ذکر است که این سرورهای آنلاین از داده‌های ترافیک نیز بهره می‌برند و این قابلیت در شبکه محلی ساخته شده در این پژوهش به دلیل نبود داده‌های ترافیک به صورت زمانمند وجود ندارد. همچنین نتایج تحلیل شبکه در GIS نشان می‌دهد مسیر بهینه دسترسی با کمی تفاوت با سرورهای آنلاین می‌باشد و زمان دسترسی نیز کمتر از این سرورها بدست آمده است. جدول ۲ نتایج تحلیل‌های شبکه در مسیر بین ترمینال تا آبرسان را نشان می‌دهد.

جدول ۲: نتایج تحلیل‌های شبکه در مسیر بین ترمینال تا آبرسان

ردیف نوع شبکه مسافت (کیلومتر) زمان (دقیق)
۱ Google map ۴/۶ ۱۲
۲ Here map ۴/۶ ۸
۳ GIS ۷/۵ ۷

همچنین شکل ۷ نتایج تحلیل شبکه در مسیر بین فلکه دانشگاه تا دانشگاه آزاد تبریز را نشان می‌دهد. در این تحلیل نیز زمان رسیدن به مقصد توسط سرورهای آنلاین بیشتر از تحلیل‌های شبکه در محیط GIS بدست آمده است. با این حال مسیر بهینه توصیه شده توسط این سه شبکه مشابه بوده و فقط کمی تفاوت جزئی وجود دارد.

جدول ۳ نتایج این تحلیل‌ها را برای مسیر بین فلکه دانشگاه تا دانشگاه آزاد تبریز نشان می‌دهد. این نتایج نیز بیشتر بودن زمان بدست آمده جهت طی مسیر بهینه توسط سرورهای آنلاین را نشان می‌دهد.

جدول ۳: نتایج تحلیل‌های شبکه در مسیر بین فلکه دانشگاه تا دانشگاه آزاد تبریز

ردیف نوع شبکه مسافت (کیلومتر) زمان (دقیق)
۱ Google map ۸/۸ ۱۴
۲ Here map ۳/۹ ۱۳
۳ GIS ۲/۸ ۱۰

نتایج و بحث

نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که با توجه به این‌که در کشور ایران به‌نوعی با کمبود و یا عدم دسترسی به داده‌های مکانی با دقت متوسط به بالا روبه‌رو هست استفاده از داده‌های OSM برای کارهای تحقیقاتی و حتی کاربردی در سازمان‌ها مقرون‌به‌صرفه می‌باشد؛ و این‌که داده‌های OSM به دلیل بروز رسانی به‌وسیله افراد بومی و استفاده از نقشه‌های پایه مثل تصاویر ماهواره‌ای با قدرت تفکیک بالا دقت قابل قبولی را برای ساخت شبکه هوشمند جهت تحلیل‌های شبکه در محیط GIS دارا می‌باشد؛ همچنین نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که داده‌های مکانی OSM قابلیت خوبی برای ساخت شبکه هوشمند معابری شهری جهت تحلیل شبکه دارد. با این وجود، این داده نیاز به حجم وسیعی از عملیات آماده‌سازی و ویرایش و تشکیل پایگاه داده دارند و این قسمت یکی از وقت­گیرترین مراحل پردازش این داده‌ها می‌باشد. البته بایستی به این مهم اذعان نمود که چنین حجم آماده‌سازی که به دلیل ارزش بالای این شبکه برای سازمان‌ها و ارگان‌ها قابل توجیه می‌باشد؛ نتایج تحلیل‌های شبکه در GIS و مقایسه آن با نتایج تحلیل شبکه در سرورهای آنلاین google map و here map نشان می‌دهد که اکثر مسیرهای بهینه توصیه شده این سه شبکه تقریباً مشابه بوده و فقط زمان رسیدن به مقصد متفاوت می‌باشد؛ به طوری که در اکثر موارد زمان رسیدن به مقصد با google map بیشتر از here map و GIS بدست می‌آید؛ همچنین زمان رسیدن به مقصد در GIS کمتر از شبکه‌های دیگر بدست می‌آید که گاهی (بسته به زمان انجام تحلیل‌های شبکه در سرورهای آنلاین) این مقدار حتی به نصف زمان بدست آمده در google map می­باشد. با این که زمان بدست آمده در سرور here map در اکثر مواقع کمتر از google map در یک مسیر مشابه بدست می­آید ولی با این حال به زمان بدست آمده در google map نزدیک‌تر می‌باشد تا زمان بدست آماده در GIS؛ به هر حال به دلیل نبود داده‌های ترافیک به صورت زمانمند در اکثر تحلیل‌ها شبکه در GIS و مقایسه آن‌ها با تحلیل­های google map و here map مدت زمان رسیدن به مقصد کمتر بدست آمده است.

شبکه‌های طراحی شده در محیط GIS به دلیل در دسترس بودن، قابلیت ویرایش، مشخص کردن محدودیت‌ها و خیلی قابلیت‌های دیگر نسبت به نقشه‌های آنلاین برتری دارد؛ تکمیل این شبکه‌های محلی هم از نظر عارضه و هم از نظر پایگاه داده می‌تواند در امر برنامه‌ریزی شهری، ترافیک، مدیریت بحران کارآمد و راهگشا باشد و تصمیم‌گیری را برای مدیران ارگان‌های و سازمان‌های دولتی و خصوصی، سریع، به موقع، وآسان بکند.

دانلود این مقاله

مطالب مرتبط