معرفی فرمت‌های پرکاربرد داده‌های رستری در سیستم اطلاعات مکانی(GIS)

مروری بر مفاهیم داده‌های رستری (شبکه‌ای)

   تمام اطلاعات و داده‌هایی که بصورت شبکه منظمی از عناصر(سلول) هستند و یک سطح را پوشش می‌دهند، داده‌های رستری یا شبکه‌ای هستند. در مدل رستری سطح گرافیکی نقشه متشکل از قسمت‌های ریز و منظم است که با نام‌های پیکسل، سلول یا یاخته شناخته می‌شوند که با توجه به نوع نقشه به هرکدام از آن‌ها یک ارزش داده می‌شود. به ارزش یا ارزش‌هایی که در هر سلول ذخیره می‌شود Pixel Value می‌گویند. هر پیکسل نمایانگر یک موقعیت در سطح زمین است و فرمت کلی یک رستر آرایه m*n از این پیکسل‌ها می‌باشد. داده‌های رستری از سطرها و ستون‌هایی از سلول‌ها تشکیل می‌شوند. مقادیر ذخیره‌شده در سلول‌ها می‌تواند یک مقدار گسسته همچون کاربری زمین و یا مقداری پیوسته مثل دما و یا یک مقدار تهی باشد.

دلایل استفاده از مدل رستری

   همان‌طور که گفته شد مدل رستری شامل مجموعه‌ای از سلول‌هاست که عوارض زمین را در یک شبکه منظم تحت پوشش قرار می‌دهند. در مقابل آن، مدل برداری یا Vector وجود دارد که در آن عوارض جهان واقعی توسط عناصر هندسی مثل نقطه، خط و سطح نشان داده می‌شوند و ذخیره‌ی داده در این مدل به‌صورت منظم یا نامنظم می‌باشد.

مدل برداری دارای مزیت‌هایی نسبت به مدل رستری می‌باشد نظیر فشردگی داده، پردازش توپولوژیکی، کیفیت کارتوگرافی، مدیریت داده‌های توصیفی، دقت هندسی، اندازه‌گیری فواصل و مساحت‌ها، سرعت نمایش داده، آنالیز شبکه و حجم ذخیره‌سازی داده.
اما در بسیاری از موارد مدل رستری انتخاب می‌شود که آن‌هم به‌دلیل برتری‌هایی است که نسبت به مدل برداری دارد. برخی از این برتری‌ها در ادامه مورد بررسی قرار می‌گیرند.

1- مدل داده ساده

   در مدل رستری، مدل داده ساده و گویا می‌باشد. در داده‌های رستری نمایش عوارض موجود در یک سطح نیازی به استفاده از فرمول‌های پیچیده ندارد و ذخیره‌سازی آن صرفاً با استفاده از کنار هم قرار دادن ارزش‌ پیکسل‌ها انجام می‌گردد. این در حالی است که در مدل برداری به دلیل استفاده از نقطه، خط و سطح برای نمایش عوارض، با مدلی پیچیده روبرو هستیم.

2- سهولت انجام آنالیزهای مکانی

   از منظر استفاده از فناوری‌های مدرن و انجام پردازش‌های مکانی، این مدل از داده‌های به‌صرفه و ارزان‌قیمت است. به‌طوری‌که کاربران برای کار با داده‌های رستری نیاز به مدل‌سازی‌های پیچیده ندارند و با الگوریتم‌های ساده‌ای می‌توانند آنالیزهای مکانی را انجام دهند. یک نمونه از آنالیزهای ساده‌ای که همه ما با آن سرو کار داریم برش دادن یا Clip کردن داده‌های رستری است.

3- جمع‌آوری داده

   داده‌ها به‌سادگی توسط مدل رستری جمع‌آوری می‌شوند. برای مثال تنها با گرفتن عکس‌هوایی از یک منطقه و یا تهیه یک تصویر ماهواره‌ای، داده‌های رستری در اختیار ما قرار می‌گیرد. درصورتی‌که برای تولید داده‌برداری و ترسیم آن‌ها ساعت‌ها زمان و مقدار زیادی هزینه صرف شود.

4- پردازش داده

   روابط موجود بین بخش‌های تشکیل‌دهنده داده‌های رستری (پیکسل‌ها) به‌مراتب ساده‌تر از روابط توپولوژیک موجود بین عوارض در فایل برداری می‌باشند و همین امر باعث سادگی عمل پردازش بر روی فایل‌های رستری می‌شود.

حال که در مورد مدل داده رستری آگاهی مناسبی پیدا کردید، می‌خواهیم به معرفی کاربردی‌ترین و محبوب‌ترین فرمت‌های رستر در GIS بپردازیم.

فشرده‌سازی با اتلاف(lossy) و بدون اتلاف(lossless)

   این فرمت به‌دلیل فشرده‌سازی و حجم کمی که برای ذخیره‌سازی نیاز دارد بسیار محبوب است. خوب است بدانید که به‌طورکلی الگوریتم‌های فشرده‌سازی‌ در GIS را به دو گروه؛ با اتلاف lossy و بی اتلاف lossless تقسیم می‌کنند.

   طی فرایند فشرده‌سازی با الگوریتم‌های Lossy، حجم فایل‌ها با حذف دائمی اطلاعات خاصی کاهش می‌یابد. اطلاعات زائدی که امکان دارد حتی کاربر نیز متوجه حذف آن‌ها نشود. از سوی دیگر فشرده‌سازی Lossless یا بدون اتلاف، سایز فایل موجود را کاهش می‌دهد به‌گونه‌ای که اطلاعات زائد بعد از فشرده‌سازی همچنان باقی می‌مانند.
فشرده‌سازی با اتلاف، زمانی که کاربران قصد تجزیه‌وتحلیل‌های جدید بر روی‌ داده‌های رستری را داشته باشند گزینه‌ی ایده آلی است زیرا هیچ‌یک از مقادیر اصلی در این روش تغییر نمی‌کنند. همچنین این روش برای تصاویر رستری که یک‌بار با روش با اتلاف فشرده‌شده‌اند نیز مناسب می‌باشد.

فرمت محبوب JPEG2000

   این فرمت به‌دلیل فشرده‌سازی و حجم کمی که برای ذخیره‌سازی نیاز دارد بسیار محبوب است. فرمت JPEG یک نمونه‌ از فرمت‌هایی است که با استفاده از فشرده‌سازی با اتلاف(Lossless) حجم فایل رستری را کاهش می‌دهند. نام این فرمت مخفف عبارت Joint Photographic Experts Group یا گروه مشترک کارشناسان عکاسی است. در حال حاضر نیز رایج‌ترین فرمت مورداستفاده در شبکه جهانی وب و دوربین‌های دیجیتال به حساب می‌آید.

معمولاً هنگامی‌که از فشرده‌سازی با اتلاف استفاده می‌شود، میزان فشرده‌سازی را با معکوس اعدادی بین 1 تا 100 نشان می‌دهند. بدین‌صورت که عدد کوچک‌تر به‌منزله کیفیت تصویر پایین‌تر و فشرده‌سازی بیشتر است. همچنین هرچه عدد بالاتر می‌رود کیفیت تصویر بیشتر شده و فشرده‌سازی کمتر می‌شود. پس اگر عدد 100 را انتخاب کنیم، تصویر بدون تغییر باقی خواهد ماند.

   فرمت‌های JPEG 2000 یا JP2 نیز جدیدترین نسخه از JPEG هستند، که فرایند فشرده‌سازی را نسبت به نسخه‌های پیشین با استفاده از تبدیل موجک(wavelet) اندکی بهبود بخشیده اند. در این فرمت‌ها نیز کاربران می‌توانند سطح فشرده‌سازی را از سطوح پایین تا بالا انتخاب کنند.

فرمت MrSID

   کلمه MrSID مخفف عبارت MultiResolution Seamless Image Database یا پایگاه داده تصویر یکپارچه چند رزولوشنی است. فرمت MrSID در اغلب موارد برای ذخیره‌سازی تصاویر ژئورفرنس‌شده و ارتوفتوهایی که با روش‌های سنجش از دور یا فتوگرامتری تولید شده و نیازمند فشرده‌سازی هستند، استفاده می‌شود. میزان فشرده‌سازی در این فرمت بسیار زیاد و قابل‌توجه است.
درحقیقت این فرمت مدل توسعه‌یافته‌ای از فرمت SID (پایگاه داده تصویر یکپارچه) می‌باشد که با یک فایل با پسوند SDW همراه هستند و همچنین میزان فشرده‌سازی قابل‌توجهی دارند.

   فرمت MrSID را می‌توان در نرم‌افزارهای مکانی بسیاری مورد استفاده قرار داد. شرکت‌ها و گروه‌هایی چون AutoDesk، Bentley Systems، CCARIS، ENVI، ERDAS، ESRI، Intergraph، MapInfo و QGIS از این فرمت در نرم‌افزارهای خود پشتیبانی می‌کنند. البته در برخی از این نرم‌افزارها نمی‌توان این فرمت را تولید کرد و در آن‌ها صرفاً امکان نمایش این فرمت وجود دارد.

فرمت ECW

   نام این فرمت مخفف عبارت Enhanced Compression Wavelet بوده و با استفاده از تبدیلات موجک یا همان Wavelet فشرده‌سازی تصاویر را انجام می‌دهد. این فرمت برای فشرده‌سازی تصاویر ماهواره‌ای و تصاویر دیجیتال عکسبرداری هوایی توسعه یافته است.

فرمت ECW که متعلق به Hexagon Geospatial می‌باشد (البته توسط ER Mapper توسعه داده‌شده است)، به‌عنوان یک فرمت تصویر فشرده معمول برای تصاویر ماهواره‌ای و هوایی شناخته می‌شود که هدف اصلی الگوریتم استفاده شده در آن، انجام میزان زیاد فشرده‌سازی در عین حفظ کیفیت کنتراست تصاویر است.

فرمت Tiff یا GeoTiff

   فرمت Tiff در اواسط دهه 80 میلادی برای استفاده در اسکنرهای رومیزی ابداع شد. در ابتدا به‌عنوان تنها فرمت رستری انتخاب شد که بصورت باینری داده‌ها را ذخیره می‌کرد، و آن هم به‌دلیل این بود که اسکنرهای اولیه داده‌ها را بصورت صفر و یک برداشت می‌کردند. نسخه‌های اولین این فرمت می‌توانستند داده‌های طیف خاکستری را ذخیره کنند، اما سپس توانایی ذخیره‌سازی تصاویر رنگی نیز به آن افزوده شد.
از نسخه 5 این فرمت به بعد نیز قابلیت فشرده‌سازی با الگوریتم LZW، که یک الگوریتم بدون اتلاف است، به آن افزوده شد.

   فرمت Tiff بسیار انعطاف پذیر است و حتی می‌تواند به‌عنوان یک قالب برای ذخیره‌سازی داده‌های فشرده با اتلاف و یا بدون اتلاف باشد. قابلیت‌های مختلف Tiff باعث شده است تا عمده نرم‌افزارهای مرتبط با داده‌های رستری آن را پشتیبانی کنند.

   فرمت GeoTiff از تلفیق Tiff با یک فراداده استاندارد برای ذخیره‌سازی اطلاعات مربوط به زمین‌مرجع کردن تصاویر به دست می‌آید. این اطلاعات در Header فایل Tiff ذخیره شده و سیستم‌تصویر، سیستم مختصات، بیضوی مرجع و سایر پارامترهای لازم برای جانمایی تصویر را فراهم می‌کنند.
نسخه 6 به بعد فرمت Tiff یا همان GeoTiff می‌تواند حاوی اطلاعات فراداده باشد و قاعدتاً کلیه نرم‌افزارهایی که قادر به خواندن نسخه 6 فرمت Tiff هستند، می‌توانند اطلاعات فراداده را استخراج کنند. توجه داشته باشید که ظاهر بصری فایل در یک GeoTiff تغییر نمی‌کند و نمی‌توان از روی پسوند tif انتهای یک فایل تشخیص داد که GeoTiff هست یا Tiff.

   علاوه بر اینکه می‌توان با افزودن فراداده استاندارد به Header فایل Tiff آن را به GeoTiff تبدیل کرد، افزودن یک فایل متنی با پسوند tfw در کنار فایل Tiff نیز می‌تواند اطلاعات مختصات را برای نرم‌افزارهای مختلف معرفی کند.

فرمت IMG

   فرمت IMG نیز از فرمت‌های رستری بسیار پرکاربرد می‌باشد که در ابتدا برای استفاده در نرم‌افزار ERDAS IMAGINE ساخته شد. این فرمت معمولاً برای ذخیره‌سازی تصاویر ماهواره‌ای استفاده می‌شود، زیرا قابلیت ذخیره داده‌های چند باندی تصاویر ماهواره‌ای با ترکیب‌های کاذب‌رنگی را دارا می‌باشد.

   در فرمت IMG از روش Tiling و بخش‌بندی تصویر برای نمایش سریع‌تر داده استفاده می‌شود. هر تکه یا Tile نیز می‌تواند مربعی با ابعاد حداقل 64 و حداکثر 512 پیکسل داشته باشد. استفاده از روش Pyramid نیز به‌همراه Tiling در این فرمت پشتیبانی می‌شود تا بتوان سرعت نمایش داده رستری را بهبود بخشید.

فرمت Esri grid

   از فرمت‌های پرکاربردی است که توسط نرم‌افزارهای شرکت ESRI مانند ArcGIS تولید و پشتیبانی می‌شود. معمولاً  پیش‌فرض لایه‌های رستری تولیدشده توسط این نرم‌افزارها در این فرمت می‌باشند (برای مثال در تولید یک مدل رقومی ارتفاعی زمین).

   این فرمت بسیار ساده بوده و به‌صورت یک‌سری اعداد باینری پشت‌سرهم ذخیره‌سازی می‌شود. معمولاً 6 خط ابتدایی آن محدوده مختصاتی که فایل رستر داخل آن قرار می‌گیرد نشان می‌دهد و Value پیکسل‌ها در مابقی سطرها به‌ترتیب قرار می‌گیرند.
جامعیت این فرمت مانند فرمت‌هایی چون Tiff نیست، اما می‌توان به‌راحتی و با استفاده از ابزارهای موجود در نرم‌افزار ArcGIS آن را به فرمت‌های دیگر تبدیل نمود.

فرمت Binary

   در یک رستر با فرمت باینری(Binary) آرایه‌ای از اعداد بصورت باینری ذخیره می‌شوند. این دقیقاً همان حالتی است که یک تصویر در حافظه Ram ذخیره و فراخوانی می‌شود.

   در فایل‌های binary استانداردها بسیار مهم هستند برای مثال، یک فایل BIN که توسط مجموعه کاراکتر ASCII تفسیر شده باشد، متن را نمایش می‌دهد یک برنامه سفارشی می‌تواند فایل را به‌طور متفاوتی تفسیر کند.

فرمت NetCdf

   فرمت NetCDf  یا nc یک فرمت برای ذخیره‌سازی و نگهداری داده‌های چندبعدی و متغیرهای علمی نظیر دما، رطوبت، فشار، سرعت و جهت باد و … است. این فرمت به‌دلیل قابلیت در ذخیره‌سازی کمیت‌های مختلف، در علوم بسیاری کاربرد دارد، اما استفاده از آن در علوم مکانی و سنجش از دور آن‌چنان معمول نیست.

نرم‌افزار ArcGIS نیز با امکاناتی که در اختیار کاربران قرار می‌دهد، تبدیل این فرمت به سایر فرمت‌های رستری و برداری و تولید جداول اطلاعاتی آن را ممکن ساخته است.