GIS และการสำรวจจากระยะไกล

GIS ในการสำรวจจากระยะไกล

สำหรับผู้ใช้ข้อมูลสำรวจจากระยะไกล การแสดงผลการประมวลผลภาพแต่เพียงอย่างเดียวนั้นไม่เพียงพอ ตัวอย่างเช่น การตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงสิ่งปกคลุมดินในพื้นที่อย่างเดียวนั้นยังไม่พอ เพราะวัตถุประสงค์สุดท้ายก็เพื่อที่จะวิเคราะห์สาเหตุของการเปลี่ยนแปลง หรือประเมินผลการกระทบจากการเปลี่ยนแปลง ดังนั้น ผลจากการศึกษาควรนำไปซ้อนกับแผนที่เกี่ยวกับการคมนาคม และแผนที่การกำหนดเขตการใช้ดิน ดังแสดงในรูปที่ 1 

รูปที่ 1 การซ้อนข้อมูลดาวเทียมและข้อมูลแผนที่ (ข้อมูลความสูง)

การแปลสามารถกระทำได้ง่ายขึ้น โดยการซ้อนข้อมูลดาวเทียมที่ปรับแก้เชิงเรขาคณิตแล้วกับข้อมุลแผนที่

 นอกจากนี้การจำแนกประเภทภาพจากดาวเทียมจะให้ถูกต้องมากขึ้น ถ้าใช้ข้อมูลเสริมอื่น ๆ จากแผนที่มาผสมผสานเข้ากับข้อมูลภาพ เพื่อที่จะส่งเสริมให้มีการผสมผสานข้อมูลจากระยะไกล และข้อมูลทางภูมิศาสตร์ ควรจัดทำระบบสารสนเทศภูมิศาสตร์ (GIS) ซึ่งทั้งข้อมูลภาพและข้อมูลทางภูมิศาสตร์ จะถูกจัดเก็บอยู่ในลักษณะข้อมูลตัวเลข โดยสามารถเรียกสอบถามข้อมูลได้ตามเงื่อนไข หรือการซ้อนข้อมูลต่าง ๆ เข้าด้วยกัน ตลอดจนสามารถประเมินผลได้โดยใช้รูปแบบจำลอง

รูปที่ 2 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างระบบ GIS ที่ใช้เครื่องคอมพิวเตอร์ และระบบแผนที่แบบแอนะล็อก 

หน้าที่หลักที่สำคัญของ GIS 

ระบบ GIS มีลักษณะการทำงานที่สำคัญมากอยู่ 3 ลักษณะ ได้แก่

(1) เพื่อจัดเก็บ และจัดการสารสนเทศภูมิศาสตร์อย่างละเอียด และมีประสิทธิภาพ

(2) เพื่อแสดงสารสนเทศภูมิศาสตร์ ตามวัตถุประสงค์ของการใช้

(3) เพื่อปฏิบัติการเกี่ยวกับการสอบถาม วิเคราะห์ และประเมินสารสนเทศภูมิศาสตร์อย่างมีประสิทธิภาพ

ปัจจุบัน งานวิจัยและพัฒนาในหัวข้อต่าง ๆ ข้างล่าง กำลังดำเนินการอยู่ ซึ่งจะได้กล่าวถึงในหัวข้อต่อไป ยกเว้นเฉพาะหัวข้อสุดท้าย คือ การทำให้เห็นภาพ (Visualization) ซึ่งจะไม่พูดถึง

(1) รูปแบบจำลอง และโครงสร้างข้อมูลสำหรับ GIS (Model and data structure for GIS)

(2) การนำเข้าข้อมูล และการตรวจแก้ (Data input and edition)

(3) การสอบถามเชิงพื้นที่ (Spatial query)

(4) การวิเคราะห์เชิงพื้นที่ (Spatial analysis)

(5) การทำให้เห็นภาพ (Visualization)

แบบจำลอง และโครงสร้างข้อมูล

ความต้องการของแบบจำลอง และโครงสร้างข้อมูล

ในการที่จะประมวลผล และการจัดข้อมูลเชิงภูมิสาสตร์ด้วยคอมพิวเตอร์ มีความจำเป็นที่จะต้องกำหนดตำแหน่งเชิงพื้นที่ และการกระจาย ตลอดจนข้อมูลประกอบเฉพาะตัว (attribute) คุณลักษณะต่าง ๆ ที่สอดคล้องกับรูปแบบที่กำหนดขึ้นซึ่งเรียกว่า แบบจำลองตัวแทนเชิงพื้นที่ (spatial representation model) ด้วยมาตรฐานของโครงสร้างข้อมูล (data structure)

แบบจำลอง และโครงสร้างข้อมูล

ข้อมูลเชิงภูมิศาสตร์ สามารถแทนได้ด้วยข้อมูลเชิงเรขาคณิต (geometric information) เช่น ตำแหน่งรูปร่างและการกระจาย และข้อมูลประกอบเฉพาะตัว (attribute information) เช่น คุณลักษณะ และลักษณะทางธรรมชาติ ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 ข้อมูลประกอบเฉพาะตัว

- ตัวแทนของสารสนเทศภูมิศาสตร์และสารสนเทศเชิงเรขาคณิต -

รูปแบบของเวกเตอร์ และราสเตอร์ เป็นแบบจำลองตัวแทนหลัก สำหรับข้อมูลหรือสารสนเทศเชิงเรขาคณิต

(1) รูปแบบเวกเตอร์ และโครงสร้างข้อมูลเวกเตอร์ วัตถุส่วนใหญ่บนแผนที่ สามารถแทนได้ด้วยจุด (point หรือ node) เส้นขอบ (edge หรือ arc) และพื้นที่ หรือรูปหลายเหลี่ยม (area หรือ polygon) รูปแบบเวกเตอร์ (vector form) จะกำหนดโดยปัจจัยทางเรขาคณิตที่กล่าวข้างต้น จากนั้นจึงกำหนดข้อมูลประกอบเฉพาะตัวให้แก่จุด เส้นขอบและพื้นที่ดังกล่าว โครงสร้างข้อมูลสำหรับรูปแบบเวกเตอร์ได้รับการกำหนด ดังนี้ จุด เป็นตัวแทนของจุดพิกัดภูมิศาสตร์ เส้นขอบ เป็นตัวแทนของชุดของเส้นส่วนย่อย ๆ ประกอบด้วย จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด รูปหลายเหลี่ยม (polygon) หมายถึง เส้นขอบที่ต่อเนื่องของขอบเขตใด ๆ ความสัมพันธ์ระหว่างจุดเส้นขอบ และพื้นที่ เรียกว่า ความสัมพันธ์โทโปโลยี หรือความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ระหว่างกัน (topological relationship) การเปลี่ยนแปลงของจุด เส้น หรือพื้นที่จะมีอิทธิพลต่อปัจจัยอื่น ๆ ภายใต้ความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ระหว่างกัน ดังนั้น โครงสร้างข้อมูลจึงควรที่จะกำหนดความสัมพันธ์ที่ครบถ้วน ดังแสดงตัวอย่างในรูปที่ 4

รูปที่ 4 โครงสร้างข้อมูลพื้นฐานของข้อมูลเวกเตอร์

- ตัวแทนของความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ระหว่างกัน -

(2) รูปแบบราสเตอร์ และโครงสร้างข้อมูลราสเตอร์ในรูปแบบราสเตอร์ (raster form) ปริภูมิสถานะของวัตถุจะแบ่งเป็นกลุ่มของกริด (บางครั้งเรียกว่า จุดภาพ) ที่มีช่วงสม่ำเสมอพร้อมการกำหนดข้อมูลประกอบเฉพาะตัว โดยพื้นฐานแล้วรูปแบบราสเตอร์ จะเหมือนกับรูปแบบของข้อมูลที่สำรวจระยะไกล โดยที่กริดเหล่านี้สร้างขึ้นด้วยระยะสม่ำเสมอ จึงมีพิกัดที่สัมพันธ์กับหมายเลขจุดภาพและหมายเลขบรรทัดซึ่งมักจะแสดงในรูปของเมทริกซ์ ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 โครงสร้างข้อมูลพื้นฐานของข้อมูลราสเตอร์

บทบาทของการนำเข้าข้อมูล และการตรวจแก้

การนำเข้าข้อมูลในระบบ GIS นั้น จะมีมูลค่าของค่าใช้จ่ายประมาณร้อยละ 80 ของทั้งระบบ ดังนั้น การนำเข้าข้อมูลและการตรวจแก้จึงเป็นวิธีการที่สำคัญมากที่สุดในกระบวนการของ GIS

การนำเข้าข้อมูลเบื้องต้น

ข้อมูลเชิงเรขาคณิต และข้อมูลประกอบเฉพาะตัวจะถูกนำเข้าโดยวิธีการ ดังนี้

(1) การนำเข้าโดยตรง โดยการสำรวจที่ดิน (land surveying) หรือการสำรวจจากระยะไกล ข้อมูลเวกเตอร์ (vector data) สามารถตรวจวัดได้ด้วยเครื่องมือสำรวจ เช่น สถานีรวม หรือเครื่องวาดภาพโฟโตแกรม เป็นต้น ข้อมูลราสเตอร์ (raster data) บางครั้งได้มาจากข้อมูลที่สำรวจจากระยะไกล

(2) การแปลงเป็นตัวเลขจากแผนที่ที่มีอยู่ (ดูรูปที่ 6) แผนที่ที่มีอยู่สามารถแปลงเป็นตัวเลขโดยใช้เครื่องวาดภาพ (scanner) หรือโดยอุปกรณ์แปลงเป็นตัวเลข (digitizer) ข้อมูลราสเตอร์สามารถได้จากเครื่องวาดภาพ ขณะที่ข้อมูลเวกเตอร์วัดได้จากอุปกรณ์แปลงเป็นตัวเลข ในระบบ GIS ข้อมูลราสเตอร์และเวกเตอร์มักจะได้รับการแปลงเป็นข้อมูลเวกเตอร์ได้ตามลำดับ ซึ่งเรียกว่า การแปลงผันราสเตอร์/เวกเตอร์ (raster / vector conversion) และการแปลงผันเวกเตอร์ / ราสเตอร์ (vector / raster conversion)

รูปที่ 6 กระบวนการนำเข้าข้อมูล และปรับปรุงข้อมูลเชิงภูมิศาสตร์

การตรวจแก้

การตรวจแก้เป็นสิ่งที่จำเป็นเพื่อที่จะแก้ไข เสริมและเพิ่มเติมข้อมูลที่นำเข้าเบื้องต้นโดยการสื่อสารแบบเชิงโต้ตอบบนจอแสดงผลด้วยวิธีการ ดังนี้

(1) การนำเข้าโดยคน หรือแบบเชิงโต้ตอบ สำหรับข้อมูลประกอบเฉพาะตัวที่ซับซ้อนซึ่งไม่สามารถนำเข้าโดยการแปลงเป็นตัวเลขในขั้นตอนนำเข้าเบื้องต้นได้

(2) การแก้ไขข้อผิดพลาดของข้อมูลที่นำเข้าหรือเพื่อเสริมด้วยข้อมูลอื่น ๆ

ปัญหาในการนำเข้าข้อมูลและการตรวจแก้

มีปัญหา 2 ปัญหาหลัก คือ 

(1) การดำเนินงานโดยคนเป็นการยากที่จะนำเข้าข้อมูลและตรวจแก้โดยอัตโนมัติ เนื่องมาจากข้อมูลรบกวน (noise) อื่น ๆ ที่ไม่สามารถขจัดออกได้ และความไม่สมบูรณ์ของแผนที่ต้นฉบับ ซึ่งมีปริมาณงานที่ต้องอาศัยคนค่อนข้างมาก จึงขาดประสิทธิภาพทั้งด้านเวลาและค่าใช้จ่าย

(2) ความไม่น่าเชื่อถือของข้อมูลที่นำเข้าโดยที่การนำเข้ามักจะมีข้อผิดพลาดมากมาย ความคลาดเคลื่อน และการเหลื่อม เนื่องจากการนำเข้าโดยคน จึงควรที่จะต้องใช้ความพยายามให้มากขึ้น เพื่อให้ได้ข้อมูลที่มีคุณภาพและความน่าเชื่อถือสูง

การสอบถามเชิงพื้นที่

ประเภทของการสอบถามเชิงพื้นที่

การสอบถามเชิงพื้นที่ เป็นการค้นหาข้อมูลตามเงื่อนไขที่ผู้ใช้กำหนด ซึ่งมี 2 แบบ
ด้วยกัน คือ

(1) การสอบถามข้อมูลประกอบเฉพาะตัว (Query of attribute data) เป็นการค้นหาการกระจายของข้อมูลเชิงพื้นที่ หรือพื้นที่ของข้อมูลประกอบเฉพาะตัวที่ต้องการทราบ

(2) การสอบถามข้อมูลเชิงเรขาคณิต (Query of geometric data) โดยการกำหนดเงื่อนไขทางเรขาคณิต เช่น ตำแหน่ง รูปร่างหรือจุดตัด ข้อมูลทั้งหมดที่เป็นไปตามเงื่อนไขดังกล่าวจะถูกค้นหา ในกรณีของข้อมูลแบบเวกเตอร์, แบบชนิดการสอบถามข้อมูลเชิงเรขาคณิต มักได้แก่ การค้นหาพื้นที่ที่รวมเอาจุดที่กำหนด และการค้นหาข้อมูลประกอบเฉพาะตัวและข้อมูลเชิงเรขาคณิตใด ๆ จะทำได้ง่ายกว่าโดยอาศัยการกำหนดกริด 

รูปที่ 7 แสดงตัวอย่างการสอบถามข้อมูลประกอบเฉพาะตัว ในรูปแบบของราสเตอร์ โดยแสดงพื้นที่ที่ประกอบด้วยความชันมากกว่า 30 องศา

รูปที่ 8 แสดงตัวอย่างการสอบถามข้อมูลเชิงเรขาคณิต ซึ่งเป็นการค้นหาพื้นที่ที่มีจุดที่กำหนดให้ โดยใช้เคอร์เซอร์ (cursor)

โครงสร้างข้อมูลสำหรับการสอบถามที่รวดเร็ว

โครงสร้างรูปต้นไม้ (tree structure) และโครงสร้างบล็อก (block structure) เป็นแบบชนิดโครงสร้างข้อมูลที่จะประหยัดเวลาในการสอบถาม รูปที่ 9 แสดงโครงสร้างบล็อกสำหรับแก้ไขปัญหาการค้นหาจุดในรูปหลายเหลี่ยม ซึ่งจะตรวจหารูปหลายเหลี่ยมเฉพาะในบล็อกที่กำหนดให้แทนที่จะค้นหาบล็อกทั้งหมด

โครงสร้างรูปควอดทรี (Quadtree structure) เป็นโครงสร้างที่นอกจากจะช่วยให้มี ความรวดเร็วในการสอมถามแล้ว ยังช่วยในการลดข้อมูลอีกด้วย

รูปที่ 9 ตัวอย่างของโครงสร้างข้อมูลสำหรับการสอบถามเชิงเรขาคณิตที่รวดเร็วขึ้น (โครงสร้างบล็อก)

การวิเคราะห์เชิงพื้นที่

หลักการของการวิเคราะห์เชิงพื้นที่

การวิเคราะห์เชิงพื้นที่ คือ วิธีการเพื่อผลิตสารสนเทศภูมิศาสตร์เพิ่มเติม โดยใช้ข้อมูลที่มีอยู่หรือเพื่อเน้นโครงสร้างพื้นที่ หรือความสัมพันธ์ระหว่างสารสนเทศภูมิศาสตร์ซึ่งมีอยู่หลายเทคนิค

การผลิตสารสนเทศภูมิศาสตร์เพิ่มเติม

มีอยู่ 3 วิธี ที่มักจะใช้ในระบบ GIS คือ

(1) เทคนิคการซ้อนทับ (Overlay) (รูปที่ 10)

ข้อมูลเชิงภูมิศาสตร์ประกอบไปด้วยชั้นข้อมูลต่าง ๆ หลายชั้นที่ซ้อนกันอยู่ด้วยปฏิบัติการทางตรรกะ รวมทั้งการบวก หรือคูณ พื้นที่เสี่ยงภัยต่อการชะล้างของดิน สามารถประมาณได้จากการซ้อนทับของแผนที่ป่าถูกทำลาย และแผนที่ความลาดชันในบริเวณที่เป็นภูเขา

รูปที่ 10 หลักการในการซ้อนทับ

(2) เทคนิคการกันพื้นที่ (Buffering) (รูป 11)

การกันพื้นที่ คือ การหาพื้นที่ภายในระยะห่างที่แน่นอนจากจุด หรือเส้นที่กำหนดให้ เช่น พื้นที่ที่มีมลภาวะทางเสียงสามารถสกัดได้จากการกันพื้นที่ภายในระยะห่าง 30 เมตร จากถนนสายหลัก

รูปที่ 11 หลักการของการกันพื้นที่

(3) การแบ่งพื้นที่แบบโวโลนอย (Volonoi tessellation)1พื้นที่ที่แบ่งเป็นกลุ่มของ “พื้นที่อิทธิพล” ซึ่งหาได้จากพื้นที่ที่ตัดกันระหว่างการกระจายของจุดเชิงพื้นที่ ตัวอย่างเช่น เขตโรงเรียนสามารถกำหนดโดยการแบ่งพื้นที่แบบโวโลนอย ระหว่างโรงเรียนที่ตั้งอยู่ในตำแหน่งต่าง ๆ กัน

การวิเคราะห์ทางสถิติสำหรับโครงสร้างเชิงพื้นที่

อัตสหสัมพันธ์เชิงพื้นที่ (Spatial auto-correlation) เป็นวิธีการทางสถิติวิธีการหนึ่งในการหาโครงสร้างเชิงพื้นที่ของสารสนเทศภูมิศาสตร์ อัตสหสัมพันธ์เชิงพื้นที่ คือ องค์ประกอบสหสัมพันธ์ระหว่าง 2 เหตุการณ์ ที่อยู่ตำแหน่งที่แตกต่างกัน ในกรณีที่มีอัตสหสัมพันธ์เชิงพื้นที่สูง จะสามารถทำการประมาณค่าในช่วงพื้นที่สำหรับตัวอย่างที่มีความหนาแน่นต่ำได้อย่างมีแม่นสูงด้วย

เทคนิคแบบผสม

รูปที่ 12 แสดงตัวอย่างของเทคนิคแบบผสม โดยใช้ข้อมูลที่สำรวจจากระยะไกล การกันพื้นที่ และการซ้อนทับ ในตัวอย่างนี้เป็นการจัดทำตารางแสดงอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดินที่สัมพันธ์กับความสามารถในการเข้าถึงสถานีรถไฟ และการแบ่งเขตการใช้ที่ดิน

รูปที่ 12 ตัวอย่างของกระบวนการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดิน

การใช้ข้อมูลที่สำรวจจากระยะไกลใน GIS

ข้อมูลจากระยะไกลหลังจากการปรับแก้เชิงเรขาคณิตแล้ว สามารถที่จะนำมาซ้อนทับข้อมูลเชิงภูมิศาสตร์อื่น ๆ ใสรูปแบบราสเตอร์ ในระบบ GIS มีการใช้ข้อมูลจากระยะไกล 2 ลักษณะ คือ ในลักษณะข้อมูลที่จำแนกประเภทแล้ว และข้อมูลภาพ

การใช้ข้อมูลที่จำแนกประเภทแล้ว

แผนที่สิ่งปกคลุมดิน หรือแผนที่พืชพรรณที่จำแนกจากข้อมูลจากระยะไกล สามารถนำมาซ้อนทับข้อมูลภูมิศาสตร์อื่น ๆ ซึ่งทำให้สามารถวิเคราะห์เพื่อเฝ้าตรวจ (monitoring) ด้านสิ่งแวดล้อม และติดตามการเปลี่ยนแปลงได้

รูปที่ 13 แสดงการศึกษาตัวอย่าง ซึ่งข้อมูลทางสถิติที่มีรายละเอียดเชิงพื้นที่ต่ำ ได้ถูกนำมาจัดใหม่ด้วยรายละเอียดข้อมูลเชิงพื้นที่สูง โดยข้อเท็จจริงที่ว่า ข้อมูลจากระยะไกลให้รายละเอียดที่สูงกว่าข้อมูลทางสถิติ

รูปที่ 13 การประมาณการกระจายเชิงพื้นที่ของประชากร โดยใช้ข้อมูล LANDSAT TM

การใช้ข้อมูลภาพ

การจำแนกประเภทหรือวิเคราะห์จากระยะไกล จะมีความแม่นมากขึ้นถ้าทำการจำแนกหรือวิเคราะห์ร่วมกับข้อมูลเชิงภูมิศาสตร์อื่น ๆ รูปที่ 14 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างผลการจำแนก 2 ลักษณะ คือ การจำแนกที่ไม่ใช้ข้อมูลแผนที่ กับใช้ข้อมูลแผนที่ ถ้ามีข้อมูลเกี่ยวกับความสูง และความชันอยู่ในลักษณะข้อมูลแผนที่ เราสามารถที่จะทำการตรวจสอบพื้นที่เช่นนาข้าวได้ โดยกำหนดตำแหน่งให้อยู่เฉพาะบริเวณที่ราบและลุ่ม ป่าบกและป่าชายเลน ก็สามารถจำแนกได้โดยให้ความผิดพลาดน้อย ถ้าใช้แผนที่ร่วมกับข้อมูลจากระยะไกล 

ข้อมูลภาพบางครั้งใช้เป็นแผนที่ภาพได้ด้วย โดยการนำขอบเขตการปกครอง ถนน ทางรถไฟ ฯลฯ มาซ้อนทับแผนที่ภาพดังกล่าวนำมาใช้การได้ดีสำหรับการแปลด้วยสายตา 

ถ้านำแบบจำลองความสูงเชิงตัวเลข (DEM) มาใช้ร่วมกับข้อมูลจากระยะไกล การแก้ไขเงาของพื้นที่ภูเขาสามารถทำได้โดยการหารด้วย cos q (โดย q คือ มุมระหว่างแสงอาทิตย์ และเส้นตั้งฉากกับพื้นผิวลาดชัน)

รูปที่ 14 การจำแนกประเภทการใช้ที่ดิน โดยใช้ข้อมูลแผนที่ช่วยเสริม

จาก คำบรรยายเรื่องการสำรวจจากระยะไกล (Remote Sensing Note)

สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ