آموزش استخراج لایه های مکانی از نقشه های OSM با پایتون

این آموزش رایگان به شما یاد می‌دهد که لایه‌های مکانی یک شهر یا یک حوضه آبخیز را با چند خط کد پایتون از پایگاه داده OSM بگیرید و به شیپ‌فایل آماده تحلیل تبدیل کنید. بسیاری از پژوهشگران برای رسیدن به شبکه معابر، مرز ساختمان‌ها، کاربری اراضی یا آبراهه‌های یک منطقه، ساعت‌ها وقت صرف دانلود دستی و ویرایش فایل‌های خام می‌کنند و در پایان با داده‌ای روبه‌رو می‌شوند که سامانه مختصاتش جغرافیایی است، ستون طول و مساحت ندارد و مرز محدوده مطالعه هم روی آن اعمال نشده است. روش ارائه شده در این آموزش همین زنجیره را در یک دفترچه کد جمع می‌کند و کار را به تغییر سه سطر تنظیم کاهش می‌دهد.

ساختار آموزش بر پایه یک دفترچه ژوپیتر آماده اجرا بنا شده است. چهار عدد مختصات محدوده را وارد می‌کنید یا فایل مرز رسمی شهرستان و حوضه خود را معرفی می‌کنید، فهرست لایه‌های خواسته شده را در یک جدول ساده می‌نویسید و اجرا را می‌زنید. خروجی، یک پوشه مرتب از شیپ‌فایل‌های جدا برای هر لایه است که همگی در یک سامانه مختصات متری قرار دارند، در مرز محدوده مطالعه بریده شده‌اند و ستون طول یا مساحت آن‌ها ساخته شده است. در پایان هم یک نقشه کنترلی و یک گزارش عددی از شمار عوارض هر لایه در اختیار شما قرار می‌گیرد.

تمرکز این آموزش روی نکاتی است که در آموزش‌های رایج جای خالی آن‌ها حس می‌شود: جدا کردن هندسه درخواست از هندسه برش، تخمین خودکار سامانه مختصات متری متناسب با موقعیت محدوده، ترمیم هندسه‌های معیوب پیش از برش، و ترتیب درست پردازش برای آنکه اعداد مساحت و طول فقط محدوده مطالعه را گزارش کنند. این جزئیات همان چیزی است که کد آموزشی را به کدی قابل دفاع در مقاله و پروژه تبدیل می‌کند. کل مجموعه به شکل رایگان روی سایت آکادمی سنجش از دور در اختیار شماست.

ویژگی های محصول

مدرس: حسن مظفری
تخصص: دکتری ژئومورفولوژی، مدرس سنجش از دور و علوم مکانی
موضوع: استخراج لایه های مکانی از نقشه های OSM با پایتون
نرم افزار: پایتون در محیط ژوپیتر نوت بوک و گوگل کولب
کتابخانه ها: osmnx و geopandas و matplotlib و shapely
مخاطب: پژوهشگران و دانشجویان جغرافیا، شهرسازی، محیط زیست، عمران و مدیریت داده مکانی
نوع آموزش: ویدیویی به همراه دفترچه کد آماده اجرا
داده های تمرینی: دارد، شامل محدوده نمونه و فایل مرز
پیش نیاز: آشنایی مقدماتی با پایتون و مفهوم لایه برداری
خروجی: شیپ فایل هر لایه، نقشه کنترلی و گزارش عددی
هزینه: رایگان

معرفی مدرس

حسن مظفری
دکتری ژئومورفولوژی
مدرس دانشگاه فرهنگیان
برگزاری دوره‌های متعدد آموزش GIS و RS برای دانشجویان دانشگاه فرهنگیان
برگزاری چندین دوره ضمن خدمت در زمینه GIS و RS برای فرهنگیان
تألیف چندین مقاله علمی و پژوهشی در رابطه با ژئومورفولوژی و علوم مکانی
مدرس کارگاه‌های مختلف برای فرهنگیان
برگزاری کلاس‌های آموزشی برای شرکت‌های مختلف سنجش از دوری
فعالیت در زمینه برنامه‌نویسی در سامانه گوگل ارث انجین و R و پایتون
عضو مدرسین آکادمی سنجش از دور

عناوین آموزشی

بخش اول: نصب کتابخانه ها و قفل کردن شماره نسخه برای تکرارپذیری
بخش دوم: فراخوانی ابزارها و ساخت مسیر مستقل از سیستم عامل
بخش سوم: ساخت پوشه خروجی، روشن کردن حافظه پنهان و تنظیم سقف زمان انتظار
بخش چهارم: تعریف محدوده مطالعه با چهار عدد مختصات و روش برداشت آن از روی نقشه
بخش پنجم: کنترل سلامت مختصات و توقف اجرا پیش از تماس با شبکه
بخش ششم: ساخت محدوده کار، ترمیم هندسه مرز و تخمین سامانه مختصات متری
بخش هفتم: جدا کردن هندسه درخواست از هندسه برش و منطق ساده سازی و بافر
بخش هشتم: فهرست لایه های خواسته شده و آشنایی با واژگان تگ گذاری OSM
بخش نهم: دریافت لایه ها از سرور، مدیریت خطا و ذخیره شیپ فایل هر لایه
بخش دهم: تبدیل سطح به نقطه برای مراکز خدماتی و تفاوت آن با مرکز ثقل
بخش یازدهم: برش در مرز محدوده و ساخت ستون طول و مساحت در واحد متری
بخش دوازدهم: نقشه کنترلی، گزارش عددی و روش عیب یابی خروجی خالی

فلوچارت فرایند

چهارچوب کلی کار در این آموزش، از تعیین محدوده مطالعه تا رسیدن به شیپ فایل های آماده تحلیل، در نمودار زیر آمده است.

معرفی نرم افزار

در این آموزش از زبان پایتون در محیط ژوپیتر نوت بوک وVscode استفاده شده است و همان دفترچه بدون تغییر در گوگل کولب هم اجرا می‌شود. بنابراین اگر رایانه شما توان پردازشی بالایی ندارد، کافی است دفترچه را در مرورگر باز کنید و همان خروجی را بگیرید. سه کتابخانه اصلی کار را پیش می‌برند: کتابخانه‌ای که پرس‌وجو را برای سرور OSM می‌سازد و پاسخ خام را به جدول مکانی تبدیل می‌کند، کتابخانه‌ای که جدول مکانی و خواندن و نوشتن لایه‌های برداری را در اختیار می‌گذارد، و کتابخانه ترسیم که نقشه کنترلی را می‌سازد.

مزیت این مسیر در برابر روش دستی، تکرارپذیری آن است. کد نوشته شده برای یک شهر، با تغییر چهار عدد مختصات برای هر شهر دیگری در ایران و جهان اجرا می‌شود و همان کیفیت خروجی را تحویل می‌دهد. شماره نسخه کتابخانه اصلی در دفترچه قفل شده است تا رفتار کد در سال‌های آینده ثابت بماند و آموزش ضبط شده اعتبار خود را حفظ کند. این عادت حرفه‌ای، ارتباط روشنی با قابل دفاع بودن روش کار در داوری مقاله دارد.

همه ابزارهای به کار رفته متن باز و رایگان هستند و محدودیت مجوز تجاری برای آن‌ها وجود ندارد. خروجی کار هم در قالب شیپ فایل ذخیره می‌شود که در آرک جی آی اس، کیو جی آی اس و هر نرم‌افزار مکانی دیگری باز می‌شود.

داده ها

داده مبنای این آموزش، پایگاه داده مکانی OSM است. این پایگاه با مشارکت میلیون‌ها کاربر در سراسر جهان ساخته شده و عوارض سطح زمین را در قالب نقطه و خط و سطح به همراه توصیف‌های متنی نگهداری می‌کند. هر عارضه با مجموعه‌ای از تگ‌ها معرفی می‌شود و همین ساختار تگ‌گذاری است که امکان می‌دهد شما دقیقا همان دسته عوارضی را که لازم دارید بگیرید. به همین دلیل بخشی از آموزش به شناخت واژگان تگ‌گذاری و روش آزمودن آن‌ها اختصاص دارد.

به‌روزرسانی مشارکتی این پایگاه باعث شده در بسیاری از شهرهای ایران، شبکه معابر و مرز ساختمان‌ها وضعیت قابل قبولی داشته باشد. با این حال کامل بودن داده از منطقه‌ای به منطقه دیگر تفاوت دارد و همین موضوع در آموزش با صراحت بیان می‌شود تا خروجی خالی یک لایه را به اشتباه ایراد کد ندانید. مجوز استفاده از این داده آزاد است و کاربرد آن در پروژه‌های علمی و اجرایی با ذکر منبع پذیرفته می‌شود.

مهم ترین لایه هایی که در این آموزش دریافت می شوند در موارد زیر خلاصه می شود:

شبکه معابر و راه ها
مرز ساختمان ها
کاربری اراضی و پوشش زمین
آبراهه ها و پهنه های آبی
فضای سبز و پارک ها
مراکز خدماتی شامل بیمارستان، مدرسه و ایستگاه

کاربرد این محصول

کاربرد اصلی این آموزش، ساخت پایه داده مکانی یک منطقه در کمترین زمان است. پژوهشگری که روی تحلیل دسترسی به مراکز درمانی کار می‌کند، به شبکه معابر و موقعیت نقطه‌ای بیمارستان‌ها نیاز دارد. کارشناسی که مدل خطرپذیری سیل می‌سازد، مرز ساختمان‌ها و آبراهه‌ها را لازم دارد. دانشجویی که پایان‌نامه شهری می‌نویسد، کاربری اراضی و فضای سبز را می‌خواهد. همه این نیازها با همان یک دفترچه و تنها با تغییر یک جدول ساده برآورده می‌شود.

کاربرد دوم، تکمیل داده‌های موجود است. در مناطقی که نقشه‌های رسمی قدیمی هستند یا دسترسی به آن‌ها زمان‌بر است، این پایگاه یک منبع سریع برای پر کردن خلا داده به شمار می‌رود. خروجی متری و بریده شده در مرز محدوده مطالعه، آماده ورود به تحلیل‌های بعدی است و نیاز به پردازش دستی در نرم‌افزار مکانی را کم می‌کند.

کاربرد سوم، آموزش و تدریس است. اگر شما هم تدریس می‌کنید، این دفترچه یک نمونه تمیز از ساختار کد قابل دفاع در اختیارتان می‌گذارد: جدایی پیکربندی از منطق اجرا، بررسی ورودی پیش از تماس با شبکه، مدیریت خطا در حلقه، و پایان دادن هر خط پردازش داده با یک بازبینی تصویری و یک گزارش عددی. همین چند عادت، تفاوت میان کد یک‌بارمصرف و کدی که سال بعد هم کار می‌کند را می‌سازد.

مخاطب این محصول

مخاطب این آموزش، هر کسی است که با داده مکانی کار می‌کند و می‌خواهد از وابستگی به دانلود دستی رها شود. دانشجویان کارشناسی ارشد و دکتری جغرافیا، زمین شناسی ،شهرسازی، محیط زیست، منابع طبیعی و عمران بیشترین بهره را از آن می‌برند، چون بخش زیادی از زمان پژوهش آن‌ها صرف تهیه لایه‌های پایه می‌شود. کارشناسان شرکت‌های نقشه‌برداری و مهندسان مشاور هم می‌توانند این مسیر را به عنوان یک ابزار سریع تهیه داده در مرحله مطالعات مقدماتی به کار بگیرند.

برای شروع، آشنایی مقدماتی با پایتون کافی است. اگر تازه وارد این زبان شده‌اید، ساختار دفترچه به شکلی چیده شده که هر سلول یک وظیفه روشن داشته باشد و شما بتوانید با اجرای پیوسته سلول‌ها نتیجه هر مرحله را ببینید. کاربران باتجربه‌تر هم می‌توانند بخش‌های میانی را که به تفکیک هندسه درخواست از هندسه برش و ترتیب پردازش می‌پردازد، به عنوان یک الگوی قابل استفاده در پروژه‌های خودشان بردارند.

این آموزش به شکل رایگان روی سایت آکادمی سنجش از دور قرار گرفته است و برای دریافت آن کافی است به نشانی girs.ir مراجعه کنید. اگر پرسشی درباره اجرای دفترچه روی منطقه مطالعاتی خودتان دارید، در بخش دیدگاه‌های همان صفحه بنویسید تا پاسخ داده شود.