Coğrafi Bilgi Bilimi JDF 271 İTÜ Geomatik Mühendisliği Bölümü Prof. Dr. Cengizhan İPBÜKER CBS’de veri modelleri, veri kalitesi, veri üretim yöntemleri, veri yönetimi ve veri tabanları İTÜ Geomatik Mühendisliği Bölümü JDF 271

MEKAN MODELLEME Mekan modelleme; Mekanın temel topografik elemanları bakımından modellenmesi, bir başka deyişle yapılandırılmasıdır. Gerçek dünyadaki coğrafi varlıkların, hızlı ve sağlıklı bir şekilde işlenebilmesi için, bu varlıkların matematiksel gösterimlere dönüştürülüp, bilgisayar ortamına aktarılması gerekmektedir.

MEKANSAL VERİ MODELİ Veri modellemesinin amacı; CBS biçiminde şekillendirilecek ilgili mekanın önemli yanlarını, bilgisayarda saklamaya ve bilgisayar ortamında programlarla işlenebilecek ve yönetilebilecek verilerle tanımlayabilmektir.

Bir CBS için ortaya konulacak mekansal veri modelinin özellikleri: İlgili model verinin geometrik, topolojik ve tematik özelliklerini yansıtabilmelidir. Veri modeli mümkün olduğu kadar basit, buna rağmen amacın gerektirdiği obje yapılarını ifade etmeye uygun olmalıdır. Sunduğu seçenekler kolay uygulanabilir, buna rağmen güvenilir olmalıdır. Mümkün olduğu derecede diğer disiplinlerin uğraş alanı olan mekansal çalışmalara uygulanabilir özellik taşımalıdır.

Mekansal Veri Modeli Bilgisayara aktarılması Bilgisayarda işlenmesi görüntülenmesi Mekansal Veri Modeli Vektör Veri Modeli Raster Veri Modeli

MEKANSAL MODELLEMEDE VERİ TERCİHİ Mekan modellemesi yapılırken; bilgisayar ortamına aktarılan haritaların ürün kalitesini sağlamak için doğru veri modelinin, modellenecek mekanın özelliklerine göre yapılması gerekir.

Veri Modelleri CBS’de iki farklı konumsal veri modeli mevcuttur. vektörel (vector) hücresel (raster) veri modelleridir.

Veri Modelleri a. Raster veri b. Vektör veri

Veri Modelleri Vektör veri Vektörel veri modelinde, nokta, çizgi ve kapalı alanlar (x,y,z) koordinat değerleriyle kodlanarak depolanırlar. Vektörel model mekansal objelerin kesin konumlarını tanımlamada son derece yararlı bir modeldir. NOKTA (Elektrik direkleri, vb) ÇİZGİ (Yollar, akarsular, eşyükselti eğrileri vb) POLİGON (Parsel alanı,orman alanları, farklı tipte toprak poligonları vb)

Veri Modelleri Raster (Resim) veri Raster görüntü, birbirine komşu grid yapıdaki aynı boyutlu hücrelerin bir araya gelmesiyle oluşur. Hücrelerin her biri piksel (pixel) olarak da bilinir. Fotoğraf görüntüsü özelliğine sahip raster modeller, genellikle fotoğraf ya da haritaların taranması (scanning) ile elde edilirler. Vektör ve raster veri modellerinden biri genelde CBS uygulama biçimine göre tercih edilerek kullanılır.

Vektör Veri Modeli Tercihi Vektör veri modelleri raster veri modellerinden çok daha karmaşık bir yapıya sahiptir. Çünkü raster veri modeli objeleri göstermede düzenli birimler (piksel) kullanırken, vektör veri modeli farklı birimler (nokta, çizgi, alan) kullanır. Bu nedenle sınırları, çizgisel ve noktasal objeleri vektör veri modelinde göstermek daha doğrudur. Vektör veri modeli kullanılarak, raster veri modeline göre çok daha doğru (accurate) harita çıktıları elde edilir.

Eğer çalışmada ağ analizi yapılacaksa (minimum yol mesafesi ölçülecekse ya da en uygun ulaşım güzergahı seçilecekse) vektör veri modeli kullanmak daha iyidir. Çünkü, çizgisel verileri göstermede,nesnelerin birbirine komşuluğu, yakınlığı gibi özellikleri göstermede vektör veri modeli kullanılır. Ayrıca eğer verilerin geometrik olmayan (öznitelik) verileri varsa ve bunların çalışmada kullanılması gerekiyorsa vektör veri modeli kullanılmalıdır. Çünkü raster verilerde sadece bir öznitelik veri depolanabilir ki bu da koordinat verisidir.

Raster Veri Modeli Tercihi Eğer çalışmada görsellik önemliyse raster veri modeli kullanılır, çünkü uydu görüntüleri ve hava fotoğrafları grafiksel olarak sürekli (spatially continuous) verileri göstermede vektör modelden çok daha iyidir. Çünkü konumsal değişiklikler (spatial variability) çok daha verimli olarak gösterilebilir.

Eğer çalışma çakıştırma (overlay) analizi yapmayı, yani farklı katmanları çakıştırarak çalışmayı gerektiriyorsa raster veri modeli kullanmak daha iyidir, çünkü raster'da overlay analizi yapmak daha kolaydır. Eğer 3 boyutlu bir çalışma yapılacaksa sayısal yükseklik modeli(SYM)kullanmak gerekir ki bu raster veri modelidir. SYM'lerden yalnızca TIN vektör veri modelini kullanır.

Raster-Vektör Veri Karşılaştırması Avantajlar Veri genelleştirme yapılmadan orijinal çözünürlüğünde gösterilebilir. Grafik olarak baskıya daha elverişlidir (tasarımlanma açısından). Hassas coğrafi konum bilgisi elde edilebilmektedir. Üzerinde değişiklik yapılmaya, ağ analizlerine, topolojik işlemlere uygun yapıdadır. Dezavantajlar Analiz edilmesi zordur, bu amaçla fonksiyonel veri takımlarına ihtiyaç vardır. Etkili analizler için topolojik ilişkiler düzeltilmeli, yeniden kurulmalıdır. Yükseklik verisi gibi sürekli verilerin vektör yapıda ifadesi zordur, enterpolasyona ihtiyaç vardır. Raster Veri Nicel analizlere uygundur. Tür, doku gösterimlerine uygundur. Yazıcı ve çizicilere (mürekkep püskürtmeli-lazer) uygun yapıdadır. Pikselin boyutu çözünürlüğü belirler. Veri boyutu ve ihtiyaç duyulan depolama alanı büyüktür.

Veri Toplama Yöntemleri Analog Haritadan Sayısal Haritaya Dönüştürme Sayısallaştırma Tarama Arazide Ölçme Fotogrametrik Veri Toplama Uzaktan Algılama ve Görüntü İşleme: Uzaktan Algılama, son otuz yıldır büyük bir süratle gelişen bir teknoloji olup yeryüzüyle herhangi bir fiziksel temasta bulunmadan, bir uyduya yerleştirilmiş bir algılayıcı vasıtasıyla yeryüzü kaynaklarından veri toplayan bir teknolojidir. Varolan Verinin Kullanımı: Günümüzde sayısal veri üreten ve kullanıcılara sunan bir hizmet sektörü mevcuttur. Sözkonusu veriler ücret karşılığı satılabilmekte veya internet üzerinde yayınlanabilmektedir. Arazi ölçmeleri ve uzaktan algılama ile toplanan veri, temel (absolute-base) veridir, varolan haritalardan ve kataloglardan elde edilen veri ise türetilmiş veri olarak adlandırılır.

Sayısallaştırıcı

Tarama

Jeodezi Yeryuvarının şekil, boyut, ve gravite alanı ile zamana bağlı değişimlerinin 3 boyutlu bir koordinat sisteminde tanımlanmasını amaçlayan bir bilim dalıdır. Jeodezinin bilimsel ağırlıklı faaliyetleri: • Yeryuvarı şeklinin ve çekim alanının belirlenmesi • Yerkabuğu değişimlerinin izlenerek, Jeodinamik sorunların çözümünde önemli yer tutan bilgiler üretmek Jeodezinin uygulamaya yönelik görevleri: • Yeryüzü parçalarının bir sistemde belirlenmesi ve değişik amaçlar için veri üretimi Jeodezinin konuları: • Ölçme yöntemleri ve donanımları • Teorik esas ve hesaplamalar

Fotogrametri Uzaktan algılama teknolojisinin henüz var olmadığı tarihlerde, yeryüzüne ait çeşitli bilgilerin toplanması ve haritalarının üretilmesi çalışmalarında hava fotoğrafları kullanılmıştır. Fotogrametri adı altındaki bu teknoloji ilk hava fotoğraflarının elde edilmesinden günümüze kadar gelişerek kullanılagelmiştir ve halen yoğun olarak kullanılmaktadır. Fotogrametri, görüntü algılama sistemleri yardımıyla yeryüzü ve çevresi ile ilgili güvenilir bilgilerin elde edilmesini, işlenmesini, kaydını, ölçümünü, analizini ve sunumunu içeren bir teknolojidir.

Uzaktan Algılama Yeryüzündeki doğal ya da yapay objelerin, uydulara yerleştirilen sensörler yardımı ile algılanmasıdır. Temel prensip, yeryüzündeki objelerden yansıyan elektromanyetik enerjinin, uydu sensörleri vasıtası ile algılanmasıdır. Kullanıcıların bu tür verilere ihtiyacı gittikçe artmaktadır. Bu nedenlerden dolayı, uzaktan algılama özellikle gelişmekte olan ülkeler için değerli bir veri kaynağıdır. Bu teknoloji ile geniş alanların görüntüleri elde edilebilmekte, bu sayede ekonomik yoldan güncel veriye ulaşılmaktadır.

Aynı Bölgeye Ait Farklı Bantlardaki Uydu Görüntüleri

Aynı Bölgeye Ait Farklı Bantlardaki Uydu Görüntüleri

Aynı Bölgeye Ait Farklı Bantlardaki Uydu Görüntüleri

GPS Global Positioning System (Küresel Konumlama Sistemi) düzenli olarak kodlanmış bilgi yollayan bir uydu ağıdır. Uydulardan gönderilen sinyallerin ana amacı yerdeki alıcının, sinyalin geliş süresini ölçerek, uyduya olan mesafesini hesaplamayı mümkün kılmasıdır. Uyduya olan mesafe, sinyalin geliş süresi ile hızının çarpımına eşittir. Sinyallerin kabul edilen hızı ışık hızıdır. Gelen bu sinyal, uydunun yörünge bilgileri ve saat bilgisi, genel sistem durum bilgisi ve iyonosferik gecikme bilgisini içerir. Uydu sinyalleri çok güvenilir atom saatleri kullanılarak zamanlanır. GPS sisteminin ilk kuruluş hedefi tamamen askeri amaçlar içindir. Ancak, 1980’lerde GPS sistemi sivil kullanıma da açılmıştır. Artık bir çok alanda hayati önem taşıyan bir araç olarak kullanıma girmiştir. GPS, kapalı alanlar ve su altı gibi sinyallerin alınmasının güçleştiği yerler dışında dünya üzerinde her yerde çalışabilmektedir. Uyduların Dünyadan uzaklıkları (km) 150 - 1 500 Uzaktan algılama 1 500 - 20 000 Jeodezik >36 000 Haberleşme

Varolan Verinin Kullanımı, Veri Kaynakları Sunduğu bu olanaklar ve Dünya genelindeki kaplama alanı nedeniyle Internet, Coğrafi bilgi dağıtımı için de son derece uygun bir platform oluşturmuştur. Buradan hareketle internette coğrafi veri dağıtımı için çeşitli servisler geliştirilmiştir [Pleve, 1997]. Ham Veri Sağlayıcılar: Başlıca örnekler ABD Jeolojik Ölçmeler (www.usgs.gov) ve diğer Federal Hükümet siteleridir. Kullanıcı bu sitelerin sunduğu hazır veri setlerini kendi sistemine transfer edebilir. Ancak, kullanıcı bu veri setlerini tarama/görme olanağına sahip değildir. Bu ancak, verinin sunulduğu “format” tan, kullanıcı sistem formatına dönüştürülmesi ile sağlanabilir. Bu nedenle, bu servislere olan talep oldukça teknik bir kullanıcı kesimi ile sınırlıdır. Durağan Haritalar: Web deki diğer grafikler gibi, önceden oluşturulmuş haritalardır. Basit kullanıcı etkileşimleri HTML (HyperText Markup Language) ile eklenebilir. Bir örnek, Virtual Tourist sitesidir (http://www.vtourist.com). Bu tip servisler de ancak, içerdiği bilgi ve tasarımı çok sık değişmeyen haritalar kullanan uygulamalar için uygundur. Dinamik Harita Tarayıcıları: Bu siteler ektileşimli olarak haritaları görme, büyütme/küçültme (zoom) harita üzerinde gezinme (pan) olanağı tanırlar. Popüler örnekler MapQuest gibi, cadde haritası tarayıcılarıdır. Diğer örnek ABD Sayım Bürosu’nun TIGER (Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing) servisidir (http://tiger.census.gov). Dinamik harita tarayıcıları, temel amaçları ilgili veriyi görme/ tarama olan geniş bir kullanıcı kesimine hitap etmektedir.

Varolan Verinin Kullanımı, Veri Kaynakları Meta Veri Katalogları: Kullanıcılara aradıkları diğer özellikler yanında, “veri kalitesi” açısından da değerlendirme olanağı sağlayan servislerdir. Geniş bir veri tabanı üzerinde çalışır. Bu isteler genellikle, veri “indirme” (download) ve harita tarayıcı servisler içerir. Örnek olarak, ABD Ulusal Konumsal Veri Sağlama biriminin sitesi (http://fgdclearhs.er.usgs.gov) verilebilir. Internet Harita Sunucuları (IHS): Dinamik harita tarayıcılara benzemekle birlikte çok daha geniş, CBS sorgu ve analiz olanaklarına kıyasla da oldukça sınırlı özellikler sunarlar. Harita üzerindeki büyültme/küçültme, gezinme ve detaylar hakkında daha ayrıntılı bilgi alma olanaklıdır. Ayrıca, sitenin tasarım amacı doğrultusunda sınırlı sorgulama olanakları mevcuttur. Internet harita sunucuları, son yıllarda yaygınlık kazanmış ve büyük CBS yazılım firmaları bu amaca yönelik yazılımlar geliştirmiştir.

Veri Değişim Formatı Standartları Değişim formatları kapsamında henüz ülkeler arasında verinin belirli kurallar dahilinde değişimi kuralları mevcut değildir. Geliştirilecek bir standart en azından aşağıdaki verileri kayıpsız ihraç veya ithal edebilmelidir: Koordinat sistemi verileri (geometrik, coğrafi, düzlem, dik) Obje tanımı (isim, sınıflandırma) Obje sınıflarına göre obje gruplandırması Geometrik şekillerine göre obje sınıflandırması Objelere ait öznitelik verileri Bazı ülkelerde ve NATO’da kullanılan veri değişim standartları tabloda gösterilmiştir. ABD STDS (Spatial Data Transfer Standart) İngiltere NTF (National Transfer Format) Almanya EDBS (Einheitliche Datenbank- Schnittstelle) Kanada SAIF (Spatial Archieve and Interchange Format) NATO ISO 8211 ve DIGEST (Digital Geographic Information Exchange Standart Bu tablodan da anlaşılacağı gibi şu an, daha çok ulusal bazda kullanılan değişim formatları mevcuttur.

Veri Kalitesi CBS’nin en önemli bileşeni veridir. Günümüzde sayısal veri üreten ve kullanıcılara sunan bir hizmet sektörü mevcuttur. Söz konusu veriler ücret karşılığı satılabilmekte veya internet üzerinde yayınlanabilmektedir. Ülkemizde özellikle belediyeler ve kamu kurumları bazında büyük ilgi gören CBS’ de kullanılan verinin kalitesi oldukça önemlidir. Mevcut veri kullanılacak ise CBS’ye dahil edilmesi düşünülen verinin kaliteli veri olması sistemin tamamlanmasından sonra verimli şekilde kullanılabilmesi açısından hayati önem taşımaktadır. Verinin kaliteli olup olmadığı ise veri hakkındaki veriler yani meta veriler kavramının doğmasına neden olmuştur.

Veri Kalitesi Meta veriler sayesinde verinin; hangi tarihte, kim tarafından, hangi yöntem ile, hangi geometrik doğrulukta vb. üretildiği bilgisine sahip olunabilmektedir. Böylece sistemimize aktaracağımız verinin güncel, tutarlı, bizim sistemimizin çözünürlüğünü ölçütünde geometrik doğruluğunu karşılayabilecek düzeyde olup olmadığı anlaşılarak gereksiz yere kaynak ve zaman israfı önlenmiş olur. Varolan verinin kullanılması konusunda göz önünde bulundurulması gereken bir diğer unsur da veri değişimi için formatlardır.

Meta Veri Veri hakkındaki veriler meta veri olarak isimlendirilmiştir. Geometrik olmayan verinin özel bir türüdür ve toplanma oranı gittikçe artmaktadır. Günümüzde, alan, uzunluklar, tabakanın kapsamı, objelerin sayıları gibi bazı meta veriler CBS yazılımı tarafından otomatik olarak türetilebilmekte, diğerleri ise ayrıca toplanmaktadır.(Longley ve diğ, 2000). Verinin kaliteli sayılması meta verinin varlığı ile mümkündür. Meta Verinin Yararları Meta verinin yararları şöyle sıralanabilir: Mekansal veri üreticileri, verilerinin karakterlerini belirleyecek edecek bir araca sahip olmaktadırlar. Mekansal verilerin organizasyonu ve yönetiminde kolaylık sağlanacaktır. Kullanıcılar mekansal veriler hakkında çok yönlü bilgi sahibi olacaklarından mekansal verilerden daha verimli yararlanacaklardır. Gereksinim duyulan mekansal veriler daha kolay bulunacak ve dolayısıyla mekansal verilere ulaşım zamanı önemli derecede kolaylaşacaktır.

STANDART GEREKSİNİMİ Aralarında koordinasyon olmaksızın bazı kamu ve özel sektör kurumlarının, aynı bölgeye ait olmak üzere kazandıkları verilerin (geometrik ve semantik doğruluk, güncellik, tutarlılık vb. açılardan) homojen olduğunu söylemek mümkün değildir.

İdeal sistem için; Geometrik veriler belirlenecek kalite kriterleri korunarak yetkili tek bir kurum tarafından kazanılmalı ve sürekli güncel tutulmalıdır. İleriki aşamalarda aynı verilerin farklı kurumlar tarafından yönetilmesi engellenmelidir. Tüm bilginin tek bir jeodezik referans sistemi olmalı ve tanımlanmış temel topografik objeleri içermelidir. Sürekli güncel tutulan mekansal verilerin merkezi kurumlar ve yerel yönetimler arasında değişimi güvence altına alınmalıdır.

VERİ TABANI YAPILARI Kullanıcıların ihtiyaç duyduğu bilgilere kolayca erişebilmeleri için tasarlanmış ve birbiri ile ilişkilendirilmiş verilerden oluşan kümeye veri tabanı denir. Veri tabanında sadece veriler değil aynı zamanda veriler arasındaki ilişkiler de saklanır. Günümüzde genel olarak kullanılmakta olan veri tabanı modelleri: Hiyerarşik veri tabanı modeli Ağ veri tabanı modeli İlişkisel veri tabanı modeli Nesneye dayalı veri tabanı modeli olarak dört farklı kategoride incelenebilir.

Veri tabanı Arayüz üzerinde veri tabanına erişmemizi ve üzerinde değişiklikler yapmamızı sağlayan menü nesneleri

Veri Tabanı Yönetim Sistemleri Veri tabanı yönetim sistemi veriye ulaşımı ve depolamayı etkin, hızlı ve verimli biçimde düzenleyen bir yazılımdır (Date, 1995).

Haritanın Biçimsel Bakımdan Elemanları 1.Pafta resim alanı: İlgili bölgenin kartografik gösteriminin yapıldığı ve çerçevenin iç çizgileri ile sınırlanan alandır. 2.Pafta çerçevesi: Pafta resim alanı ile pafta kenar boşluğunu ayıran Tek ya da bir kaç çizgiden oluşan dar şerit alan. 3.Pafta kenar boşluğu: Çerçevenin dış çizgisi ile kağıt kenarı arasında kalan kesimdir.

Biçimsel Bakımdan Pafta Elemanları Esas Harita Ek Harita Biçimsel Bakımdan Pafta Elemanları Boş alan Çerçeve Pafta resim alanı Pafta çerçeve iç çizgisi Kağıt sınırı Fazla çizim

Pafta Elemanları (içerik bakımından) 1.Haritanın konusu: Pafta resim alanı içinde kartografik gösterime konu olan mekansal referanslı içeriktir. 2.Pafta koordinat ağı: Coğrafi ya da jeodezik koordinat sisteminin haritadaki gösterimidir. 3.Pafta kenar bilgileri: Pafta kenar boşluğu kesiminde yer alan tüm bilgilerdir (ölçek, işaretler tablosu, pafta koordinat bilgileri vb.)

İçerik Bakımından Pafta Elemanları 3- Pafta kenar bilgileri 2- Pafta ağı İçerik Bakımından Pafta Elemanları 1- Pafta içeriği Planimetrik durum, Engebe gösterimi, Yazılar.

İşaretler Tablosu İşaretler tablosunun amacı, haritayı kullanıcı için daha anlaşılır hale getirmektir. Burada kartografik gösterimde kullanılan biçimlerin ve renklerin metinsel açıklaması yapılır.

Kaynaklar; Bailay, T. (1992) Statistical Spatial Analysis and Geographical Information Systems, EGIS ’ 92 Conference Proceedings, Sayfa 186- 203. Bank, E., ve Taştan, H. (1994) Coğrafi Bilgi Sistemlerinde Analiz Türleri, Kullanım Amaçları ve Uygulama Alanları, Harita Dergisi, Sayı 112, Sayfa 1-29, Ankara. Bilgi, S.; İTÜ Kampüsü Temel Topografik Obje Modelinin Oluşturulması ve İlişkisel Sorgulamalarının Yapılandırılması, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Mayıs 2003. Boğaziçi Üniversitesi KRDAE Jeodezi Anabilim Dalı ,Coğrafi Bilgi Sistemi notları, İstanbul Clarke, K. C., Getting Started with Geographic Information Systems, Prentice Hall Series in Geographic Information Science, 1997- 1999-2001. Date, C.J., 1995. An Introduction to Database Systems Addison-Wesly, USA Fisher, M., Nijkamp, P. (1992) GIS and Spatial Modelling, EGIS ’92 Conference Proceedings, p. 214-225. Longley, A., Goodchild M., F., Maguire D., J., Rhind D., W., 2002. Geographic Information Systems and Science, John Wiley&Sons, Ltd., England Maraş, H.H., (1993) Sayısal Arazi Modeli Ürünleri, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi, Konya. Taştan, H. ve E. Bank, 1994, Coğrafi Bilgi Sistemlerinde Konuma Bağlı Analizler, 1.Ulusal Coğrafi Bilgi Sistemleri Sempozyumu Bildiriler Kitabı, s : 33-52, 1994, KTÜ, Trabzon. Uçar D., Computer Aided Cartography Ders Notları, İTÜ Geomatik Müh. Bölümü, 2007 Uluğtekin N., Geographic Information Systems lecture notes, ITU, Dept. of Geomatics, 2010. Yanalak, M., İpbüker, C. ; Hesaplamalı Geometri, Harita Dergisi, Sayı:129, s.51-63, Ocak 2003 Yomralıoğlu T., Coğrafi Bilgi Sistemleri Cilt 1, 2005, Trabzon.

İlginiz için teşekkür ederim. Prof. Dr. Cengizhan İPBÜKER, Ar. Gör. Serdar BİLGİ İTÜ Geomatik Mühendisliği Bölümü buker@itu.edu.tr, bilgis@itu.edu.tr