مقدمه­ای بر آمار فضایی در ArcGIS

1-1 مقدمه

آمار فضايي[1] مجموعه‌ای از روش‌های اکتشافی برای توصیف و مدل­سازی توزیع فضایی، الگوها، فرآیندها و روابط است. اگر چه آمار فضایی شبیه به آمار کلاسیک است، اما آمار فضايي روابط فضایی را نيز در محاسبات ادغام می‌کند. در آمار فضایی معمولاً انتظار می­رود بین پدیده­های مجاور رابطه نسبتاً قابل توجهی وجود داشته باشد (مارتينز^[2] و همکاران، 2016). از این­رو در آمار فضایی، نزدیک بودن^[3] پدیده­ها موضوع مهمي است. پديده­هايي که نزدیکتر هستند ارتباط بیشتری با هم دارند. این شاخه از آمار می­کوشد تا بین مقادیر مختلف یک متغیر، فاصله و جهت­گیري آن­ها ارتباط برقرار کند. این ارتباط فضایی، ساختار فضایی^[4] نام دارد. موقعیت مکانی، تأثیرپذیری مکانی و به کارگیری نقشه از موضوعات مهم در آمار فضایی محسوب می­شود (جوی­زاده و همکاران، 1396). ArcGIS Desktop داراي جعبه ابزار آمار فضايي^[5] است که در تمام سطوح تحت مجوز اين نرم­افزار قابل دسترس است. در این جعبه ابزار، ابزارهايي براي تحلیل توزیع فضایی، الگوها، خوشه­بندی و روابط موجود در مجموعه داده‌های GIS گنجانده شده است. در کتاب حاضر هر کدام از ابزارهای ارائه شده در جعبه ابزار آمار فضايي مورد بحث و بررسي قرار مي­گيرد.

در اين فصل موضوعات زير مورد بررسي قرار خواهد گرفت:

– مقدمه‌ای بر آمار فضایی؛

– معرفی نرم­افزار ArcGIS؛

– مرور اجمالی بر قابلیت­های نرم­افزاری ArcGIS؛

– مرور اجمالي جعبه ابزار آمار فضایی در ArcGIS؛

1-2 مقدمه­ای بر آمار فضایی

با چند تعریف از آمار فضایی شروع مي­کنيم. فرهنگ لغت GIS که در آدرس زير در دسترس است:

Http://gisgeography.com/GIS-Dictionary-Definition-glossary

آمار فضایی را رشته مطالعاتی مربوط به روش‌های آماری می­داند که از روابط مکاني و فضایی (براي نمونه، فاصله، ناحیه، حجم، طول، ارتفاع، جهت­گیری^[6]، مرکزگرايي^[7] و یا سایر ویژگی‌های فضایی داده‌ها) در محاسبات ریاضی استفاده مي­کند. بابلی^[8] و گاتریل^[9] (1995) طی مطالعاتی، تعاریف و اهداف علم آمار فضایی را جمع­آوری نموده و این گونه بیان می­کنند: «داده­های مشاهده شدنی، در برخی فرآیندهای عملیاتی در فضا قابل دسترس هستند، و روش­هايي به دنبال توصیف یا توضیح رفتار خودشان و یا سایر پدیده­های فضایی دیگر که با آن­ها در ارتباط هستند، می­باشند». آمار فضايي در انواع مختلف تحليل­ها از جمله تحلیل الگو^[10]، تحلیل شکل^[11]، مدل­سازی و پیش­بینی سطح^[12]، رگرسیون فضایی، مقایسه آماری مجموعه داده‌های فضایی، مدل­سازی آماري و پیش­بینی درهم کنش فضایی^[13]، مورد استفاده قرار مي­گيرد. اين شاخه از علم آمار، انواع آمار توصیفی، استنباطی، اکتشافي^[14]، زمين­آمار^[15]، و آمار اقتصادی را نيز شامل مي­شود (پیمپلر[16]، 2017).

آمار فضایی در رشته‌های زیست محیطی از جمله کشاورزی، زمین شناسی، علوم خاک، هیدرولوژی، محیط زیست، اقیانوس­شناسی، جنگلداری، هواشناسی و … کاربرد دارد. بسیاری از رشته‌های اجتماعی و اقتصادی، از جمله اپیدمیولوژی^[17]، تحلیل جرم و جنایت، املاک، برنامه­ریزی و مانند آن نیز از تحلیل­هاي آمار فضایی استفاده مي­کنند. این گونه تحلیل­ها می­تواند عرصه­های وسیعی در زمینه تحقیقاتی و پژوهشی بر روی دانشجویان، پژوهشگران، برنامه­ریزان و تحلیل­گران بگشاید. پیشرفت­های ایجاد شده در زمینه جمع­آوری و پردازش داده­های فضایی امکان کاربرد آمار فضایی را بیش از پیش گسترش داده است (عسگری، 1390).

از مهمترین اهداف آمار فضایی در تحقیقات مختلف می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تشخیص رفتار مکانی پنهان پدیده­های طبیعی و انسانی؛
• شناسایی الگو­های فضایی و روند­های آن؛
• تحلیل نحوه توزیع پدیده­ها در محیط مکانی – فضایی؛
• تصمیم­سازی و تصمیم­گیری بهتر؛
• ارزیابی پدیده­ها در سطح اطمینان بالاتر؛
• پیش­بینی مقادیر در مناطقی که مشاهدات پدید نیامده­اند؛
• موقعیت­های فضایی را می­توان به طور مستقیم در ارزیابی آن با ویژگی­های دیگر ادغام کرد.

1-3 معرفی نرم­افزار ArcGIS

در عرصه پیشرفتهای تکنولوژی، طی سال­های اخیر، تعداد قابل توجهی نرم­افزار که هر کدام برخی از تحلیل­های آمار فضایی را انجام می­دهند به بازار عرضه شده­اند. نرم­افزار ArcGIS که توسط «موسسه تحقیقات سیستم­های محیطی»[18] تهیه و به بازار ارایه شده است از جمله نرم­افزارهای سیستم­های اطلاعات جغرافیایی است که در حال حاضر بیشترین کاربر را در سطح جهان دارد.

سیستم­های اطلاعات جغرافیایی بنا بر تعریف سیستم­هایی هستند که امکان سازماندهی، تولید، تکثیر، تحلیل و نمایش داده­های فضایی را فراهم آورده و امکان شناسایی روندها، روابط و الگوهای موجود بین داده­ها را به دست می­دهند.

از ابتدای پیدایش نرم­افزارهای سیستم­های اطلاعات جغرافیایی به تدریج ابزارهای تحلیلی آن نیز تکمیل و توسعه داده شده­اند و در شکل­هاي مختلف مانند تحلیل­های شبکه[19]، تحلیل­های فضايي[20]، تحلیل­های سه­بعدی[21]، تحلیل­های زمين­آماری[22]، و ابزارهای تحلیلی مخصوص فعالیت­های مختلف مانند امور تجاری[23]، تدارکات[24]، تخصیص منابع و مانند آن­ها ارائه گردیده­اند. برای مدت­ها عدم امکان انجام تحلیل­های آمار فضایی در نرم­افزارهای رایج سیستم­های اطلاعات جغرافیایی نوعی کاستي محسوب می­گردید و این باعث شده بود که نرم­افزارهای ویژه­ای مانند SpaceStat و GeoDat برای انجام تحلیل­های آمار فضایی به وجود آیند. اگر چه این نرم­افزارها کاستي­هاي موجود را تا حدی پوشش می­دادند ولی به دلیل آن که هیچ کدام از آن­ها نرم­افزارهای سیستم­های اطلاعات جغرافیایی محسوب نمی­شوند کاربران در نهایت مجبور بودند که داده­های خود را از نرم­افزارهای سیستم­های اطلاعات جغرافیایی به این نرم­افزارها منتقل کرده و تحلیل­های مورد نظر را انجام و سپس نتایج را به نرم­افزار سیستم­های اطلاعات جغرافیایی منتقل کنند. از سال 2004 موسسه ESRI اقدام به افزودن مجموعه ابزارهای تحلیلی جدیدی به نرم­افزار ArcGIS کرد که تحت عنوان ابزارهای آمار فضایی شناخته می­شوند (عسگری، 1390).

1-4 قابلیت­های نرم­افزار ArcGIS

ArcGIS نرم­افزاری است که امکان ایجاد یک سیستم کامل اطلاعات جغرافيايي را فراهم می­نماید. این نرم­افزار ابزارهای لازم برای جستجو، تحلیل داده­ها و نمایش نتایج را با کیفیت مناسب در اختیار کاربران قرار می­دهد. چون سیستم­های اطلاعات جغرافیایی قابلیت­های متفاوتی دارند، کاربران آن­ها نیز انتظارات متفاوتی از آن­ها دارند. برخی از قابلیت­های نرم­افزار ArcGIS را می­توان به­صورت زیر خلاصه نمود:

– قابلیت استفاده برای مکان­یابی پروژه­های مختلف؛

– قابلیت ردیابی و بررسی تغییرات مکان­های جغرافیایی در طول زمان؛

– توانایی انجام محاسبات آماری مانند محاسبه مساحت و محیط پدیده­های مشخص شده؛

– داشتن دقت، کارآیی، سرعت عمل زیاد و سهولت در به­هنگام­سازی داده­ها؛

– توانایی انجام طیف وسیعی از تحلیل­ها؛

– قابلیت برقراری ارتباط بین اطلاعات جغرافیایی که از طریق نقشه به دست آمده­اند و اطلاعاتی که از طریق جداول به دست می­آیند؛

– قابلیت جمع­آوری، ذخیره، بازیابی و تحلیل اطلاعات با حجم زیاد؛

– محیط کاری و گرافیکی آسان؛

– توانایی بررسی همزمان داده­های مکانی و غیر مکانی؛

– تبدیل و انتقال داده­ها به فرمت­های مختلف؛

– تهیه گزارش به اشکال مختلف؛ و

– کلی­نمایی، کوچک­نمایی و بزرگ نمایی و حرکت در نقشه.

1-5 مرور اجمالی بر جعبه ابزار آمار فضایی در ArcGIS

ابزارهای آمار فضایی شامل مجموعه­ای از تکنیک­ها و روش­ها برای توصیف و مدل­سازی داده­های فضایی می­باشند. در برخی از موارد این ابزارها همان کارهایی را انجام می­دهند که ما می­توانیم با ملاحظه نقشه­ها و با استفاده از چشم و ذهن خود نیز انجام دهیم ولی در مواردی که حجم داده­ها زیاد است و توزیع و یا پراکندگی آن­ها در فضا پیچیده­تر است استفاده از آماره­های فضایی می­تواند به افزایش دقت نتایج و مشاهدات کمک زیادی نماید.

جعبه ابزار آمار فضايي در تمامي سطوح تحت مجوز ArcGIS Desktop ازجمله سطح پايه^[25]، استاندارد و پیشرفته، در دسترس است. اين جعبه ابزار شامل تعدادی ابزار به شرح زیر است:

– دسته ابزار سنجش توزیع جغرافیایی[26]

– دسته ابزار تجزیه و تحلیل الگو[27]

– دسته ابزار تهيه نقشه خوشه­ها[28]

– دسته ابزار مدلسازی روابط فضایی[29]

1-5-1 دسته ابزار سنجش توزیع جغرافیایی

سنجش توصیفی داده­های فضایی، در ارزیابی مفاهیم بنیادین جغرافیایی مانند سطوح دسترسی و پراکندگی حائز اهمیت می­باشد (جوی­زاده و همکاران، 1396). دسته ابزار سنجش توزيع جغرافيايي در جعبه ابزار آمار فضايي شامل مجموعه‌ ابزارهایی است که آمار توصیفی جغرافیایی را بررسي مي­کنند. از جمله اين ابزارها عبارتند از: عارضه مرکزی^[30]، توزیع جهت­دار^[31]، ميانگين جهت­دار خطی^[32]، مرکز ميانگين^[33]، مرکز میانه^[34] و فاصله استاندارد^[35]. این مجموعه ابزار روي هم رفته اکتشاف آماری پایه را انجام مي­دهند. آمار توصیفی پایه، نقطه شروع و آغازين تحلیل­هاي آماري مي­باشد.       شکل 1-1 خروجی ابزار توزیع جهت­دار را در تحلیل داده‌های جرم و جنایت نشان می‌دهد.

ابزارهای عارضه مرکزي، مرکز میانگین و مرکز میانه قابليت­هاي مشابهي دارند. خروجي همه اين ابزارها يک کلاس عارضه^[36] است که فقط يک عارضه دارد و بيانگر مرکزگرايي مجموعه داده جغرافیایی است. ابزار میانگین جهت­دار خطی، میانگین جهت^[37]، طول و مرکز جغرافیایی مجموعه خطوط را مشخص می‌کند. خروجی این ابزار یک کلاس عارضه حاوي یک عارضه خطی است. ابزارهاي فاصله استاندارد و توزیع جهت­دار به دلیل اندازه­گیری درجه‌ تمرکز يا پراکنش عوارض حول مرکز هندسي، با يکديگر مشابه هستند؛ اما ابزار توزیع جهت­دار، که با عنوان «بيضي انحراف استاندارد^[38]» نيز معرفي مي­شود قادر به اندازه­گیری جهت­گیری مجموعه داده‌ها نيز مي­باشد.

شکل (1-1): خروجي ابزار توزيع جهت­دار

1-5-2 دسته ابزار تحلیل الگوها

شناخت الگوها و کشف روندهای موجود در داده­های فضایی اهمیت زیادی در آمار فضایی دارد (توني^[39]، 2016)؛ چرا که پیش از هرگونه تحلیل و تهیه نقشه بايستي این پیش­داوری صورت گیرد که داده­ها چگونه در فضا توزیع شده­اند و توزیع آن­ها در فضا از چه الگو و قاعده­ای پیروی می­کند (ایلان^[40] و همکاران، 1971).

دسته ابزار تحلیل الگوها در جعبه ابزار آمار فضايي شامل مجموعه‌ ابزارهایی است که به ارزیابی عارضه­ها یا مقادير مربوط به عوارض با الگوي فضايي خوشه­اي، پراکنده یا تصادفی کمک می­کند. این ابزارها یک نتیجه منحصر به فرد برای مجموعه داده‌های مورد نظر ایجاد می‌کنند. نتیجه کار به صورت نقشه نیست بلکه همان­طور که در شکل 1-2 زير مي­بينيد به صورت خروجی آماري است.

[1] Spatial Statistics

[2] Martinez

[3] Proximity

[4] Spatial Structure

[5] Spatial Statistics Toolbox

[6] Orientation

[7] Centrality

[8] Bailey

[9] Gatrell

[10] Pattern analysis

[11] Shape Analysis

[12] Surface Prediction

[13] Spatial interaction

[14] Exploratory

[15] Geostatististics

[16] Pimpler

[17] علم مطالعه امراض مسري

[18] Environmental Systems Research Institute

[19] Network Analyst

[20] Spatial Analyst

[21] 3D Analyst

[22] Geostatistical

[23] Business Analyst

[24] ArcLogistic

[25] Basic

[26] Measuring Geographic Distribution

[27] Analyzing Pattern

[28] Mapping Clusters

[29] Modeling Spatial Relationships

[30] Central Feature

[31] Directional Distribution

[32] Linear Directional Mean

[33] Mean Center

[34] Median Center

[35] Standard Distance

[36] Feature Class

[37] Mean Direction

[38] Standard Deviational Ellipse

[39] Tonny

[40] Iilan