ارزیابی و تحلیلی بر ارتقا و کامل‌بودن داده‌های ساختمانی در اطلاعات جغرافیایی داوطلبانه (مطالعة موردی: اطلاعات ساختمانی OpenStreetMap در شهر مشهد)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مرکز مطالعات سنجش از دور و GIS، دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 گروه جغرافیا، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران. آزمایشگاه علم / سیستم اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور، مشهد، ایران

چکیده

مقدمه و هدف: افزایش فزایندة حسگر‌های دیجیتال، تلفن‌‌های هوشمند، برنامه‌های کاربردی جمع‌سپاری و رسانه‌های اجتماعی موجب افزایش سریع میزان داده‌های جغرافیایی شده ‌است. در این راستا، منبعی نوین و شایان توجه از اطلاعات جغرافیایی، به‌صورت محتوای وب، ازسوی کاربران در دسترس قرار گرفته است. این منبع اغلب با فنّاوری‌هایی با عنوان Web 2.0 پشتیبانی می‌شود. در چارچوب جغرافیای نوین، افراد داده‌های دریافتی از محیط خود را گرد‌آوری و بارگذاری می‌کنند و از این طریق، به بهبود داده‌هایی که دیگران مطرح کرده‌اند، کمک می‌کنند. این روش نوین با عناوینی همچون اطلاعات مکانی مردم‌گستر یا Volunteered Geographic Information (VGI) شناخته می‌شود. یکی از منابع VGI داده‌های وب‌سایت OpenStreetMap (OSM) است که انواع گوناگونی از داده‌های مکان‌مبنا، ازجمله ساختمان‌ها را شامل می‌شود. استفاده از داده‌های OSM مزیت‌های بسیاری دارد زیرا این داده‌ها به‌رایگان در دسترس‌اند و به‌سرعت به‌روز می‌شوند. پایگاه دادة OSM، هم ازنظر تعداد کاربران و هم ازنظر حجم داده‌های مکانی، به‌سرعت در حال توسعه است. ازاین‌رو به مجموعه‌داده‌ای جهانی، پرکاربرد و باکیفیت تبدیل شده ‌است. با وجود اینکه دسترسی به چنین داده‌هایی جالب‌توجه به نظر می‌رسد، کیفیت این داده‌ها به ارزیابی نیاز دارد؛ بنابراین تناسب آن‌ها برای اهدافی خاص باید ارزیابی شود. به‌رغم مطالعات انجام‌شده در سطح جهان و مزایای بهره‌برداری از اطلاعات مکانی مردم‌گستر در ایران، تحقیقات بسیار اندکی درزَمینة داده‌های فضایی مرتبط با ساختمان‌ها در OSM انجام شده ‌است. ازاین‌رو در پژوهش حاضر: 1) کیفیت داده‌های ساختمانی OSM ارزیابی می‌شود؛ 2) روند ارتقا و کامل‌بودن ساختمان‌ها در داده‌های OSM، طی دورة زمانی شش‌ساله‌ای (2023-2018)، بررسی می‌شود و 3) ارتباط بین کاربری اراضی و جمعیت با داده‌های ساختمانی OSM ارزیابی می‌شود.
مواد و روش‌ها: منطقة مورد مطالعه (مناطق 9 و 11 مشهد) به شبکه‌ای سلولی با اندازة 1×1 کیلومتر تقسیم شد و این مساحت، به‌منزلة واحد جغرافیایی، مبنای محاسبات قرار گرفت. برای هر واحد جغرافیایی، سه معیار (تراکم ساختمانی، کامل‌بودن و تعداد ساختمان در داده‌های OSM) در منطقة مورد مطالعه، متعلق به سال‌های 2018 تا 2023، بررسی شد. شایان ذکر است که تعداد عوارض رسمی متناظر در مجموعه‌دادة جغرافیایی داوطلبانه، به تعداد کل عوارض مجموعه‌دادة رسمی، میزان حضور داده‌های رسمی را در مجموعه‌دادة جغرافیایی داوطلبانه نشان می‌دهد. این مقدار همان میزان کامل‌بودن داده‌های داوطلبانه در قیاس با داده‌های رسمی است. در گام بعدی، رابطة بین تراکم و کامل‌بودن داده‌های ساختمانی، درمورد هر سلول شبکه، محاسبه شد و دو پارامتر جمعیت و کاربری اراضی نیز در بررسی‌ها به کار رفت.
نتایج و بحث: دادة ساختمانی OSM در مناطق 9 و 11 مشهد، از 2018 تا 2023، بیست‌برابر افزایش یافته و این افزایش، به‌ویژه درمورد مناطق شرق و شمال‌شرق، مشهود‌تر است. همچنین کاربری اراضی مسکونی، مسکونی‌ـ تجاری، تجاری و آموزشی، به‌ترتیب، بیشترین فراوانی را به خود اختصاص داده‌اند. به‌رغم همبستگی مثبت و معنادار بین داده‌های ساختمانی OSM و جمعیت هر بلوک ساختمانی، این همبستگی در بازة زمانی مورد بررسی به‌صورت نوسانی متغیر بوده ‌است. مقدار همبستگی‌ها میان شاخص تراکم و کامل‌بودن نشان می‌دهد، در مکان‌هایی که تراکم دادة ساختمانی در دادة OSM بیشتر بوده ‌است، کاربران تمایل بیشتری به ایجاد و ترسیم ساختمان جدید داشته‌اند.
نتیجه‌گیری: با توجه به مقادیر شاخص کامل‌بودن، می‌توان نتیجه گرفت که ساختمان‌های به‌ثبت‌رسیده در OSM بسیار کمتر از تعداد واقعی ساختمان‌ها در دادة رسمی است. با توجه به این تحقیق، می‌توان گفت که داده‌های OSM برای تحلیل جغرافیایی ساختمان‌ها در شهرهای بزرگ، مانند مشهد، مناسب‌اند اما، برای استفاده‌های بیشتر و دقیق‌تر، به تکمیل و بهبود این داده‌ها نیاز است. همچنین بررسی شاخص‌های تأثیرگذار می‌تواند، به‌منظور استفادة مطمئن‌تر از این داده‌ها، اطلاعات سودبخشی در اختیار کاربران قرار دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation and Analysis of the Evolution and Completeness of Building Data in Volunteered Geographic Information (Case Study: OpenStreetMap Building Information in Mashhad City)

نویسندگان [English]

  • Hadiyeh Hassannia Badrabad 1
  • Babak Mirbagheri 1
  • Masoud Minaei 2
1 Center for Remote Sensing and GIS Research, Faculty of Earth Sciences, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Dep of Geography, Geographic Information Science/System and Remote Sensing Laboratory (GISSRS: Lab), Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad , Iran
چکیده [English]

Introduction and Objectives: The advent of digital sensors, smartphones, crowdsourced applications, and vibrant social media platforms has dramatically transformed the landscape of geographic data accessibility. This transformation is even more pronounced with the emergence of user-generated content, a hallmark of Web 2.0 technologies. This participatory phenomenon is termed Volunteered Geographic Information (VGI), of which OpenStreetMap (OSM) serves as a prominent illustration. OSM offers an extensive repository of detailed and frequently updated geospatial data concerning physical infrastructures, including buildings, roads, and other vital landmarks. Though OSM provides this wealth of data free of charge and continues to expand its database, the quality of the information necessitates meticulous evaluation to determine its suitability for various practical applications. Research across the globe has underscored the efficacy of VGI; however, there remains a significant gap in studies investigating the quality of spatial information pertaining specifically to buildings within OSM, particularly in regions like Iran. This study aims to address this gap by focusing on three critical aspects: first, it will evaluate the quality of building data captured in OSM; second, it will analyze the enhancements and overall completeness of this data from the years 2018 to 2023; and third, it will explore the intricate relationship between land use patterns and population density, utilizing the building data derived from OSM. Through this comprehensive examination, the study hopes to shed light on the integrity of VGI in representing urban landscapes.
Materials and Methods: The study area, encompassing districts 9 and 11 of Mashhad, was divided into a grid of 1 x 1 km cells, serving as the foundational framework for our analysis. Within each cell, we assessed three key metrics from 2018 to 2023: building density, completeness, and the quantity of buildings documented in OpenStreetMap (OSM) data. Notably, the ratio of officially registered charges to the overall count of charges within the voluntary dataset indicates the extent to which official data is represented in the voluntary dataset. This metric reflects the completeness of the voluntary data relative to official sources. Subsequently, we analyzed the correlation between building density and data completeness for each grid cell. Additionally, demographic parameters, including population and land use, were incorporated into the evaluation process.
Results and Discussion: The construction data sourced from OpenStreetMap (OSM) across the 9th and 11th districts of Mashhad has witnessed an impressive twentyfold increase from 2018 to 2023. This extraordinary expansion is particularly evident in the eastern and northeastern sectors of the city, where development has surged. Among the various land use categories identified, residential areas, followed by residential-commercial zones, commercial spaces, and educational institutions, display the highest frequency of construction activities in that specific order. Moreover, there exists a notable and robust correlation between the OSM building data and the population residing within each building block. However, this connection has exhibited significant fluctuations throughout the analyzed period, indicating varying patterns of growth and development. Furthermore, an intriguing relationship emerges between the density index and the completeness of the data; in regions where the density of OSM building data is greater, users tend to exhibit a heightened willingness to create and delineate new buildings, reflecting an active engagement in urban development.
Conclusion: An in-depth examination of completeness index values reveals a noteworthy discrepancy in the OpenStreetMap (OSM) dataset, which significantly underrepresents the actual number of buildings when compared to official records. This research compellingly illustrates that, although OSM data can serve as a valuable resource for geographical analyses in urban environments—especially within bustling metropolises such as Mashhad—there exists a pressing necessity for enhancements and validation of the data to attain a higher level of accuracy. Moreover, a meticulous evaluation of key performance indicators can provide profound insights that not only enhance the reliability of the OSM dataset but also bolster its applications in urban planning and other related fields, thereby paving the way for more informed decision-making processes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • VGI
  • OpenStreetMap
  • Building
  • Completeness
  • Mashhad
Adabi, R., Ali Abbaspour, R.‌ & Chehreghan, A. 2022, An Assessment on Building Blocks Completion Process in the Volunteered Geographic Information (VGI) for Using in Smart Cities, Scientific- Research Quarterly of Geographical Data (SEPEHR), 30(120), PP. 27-42, https://doi.org/ 10.22131/sepehr.2022.251052.
Bakillah, M. & Liang, S., 2016‌, Open Geospatial Data, Software and Standards, 1(1), PP. 1-2. https://doi.org/10.1186/s40965-016-0004-1.
Elwood, S., Goodchild, M.F.‌ & Sui, D.Z., 2012‌, Researching Volunteered Geographic Information: Spatial Data, Geographic Research, and New Social Practice, Annals of the Association of American Geographers, 102(3), PP. 571-590, https://doi.org/10.1080/ 00045608.2011.595657.
 
Fan, H., Zipt, A., Fu, Q. & Neis, P., 2014, Quality Assessment for Building Footprints Data on OpenStreetMap, International Journal of Geographical Information Science, 28(4), PP. 700-719, https://doi.org/ 10.1080/ 13658816.2013.867495.
Goodchild, F.M., 2007, Citizens as Sensors: The World of Volunteered Geography, GeoJournal, 69, PP. 211-221, https://doi.org/ 10.1007/s10708-007-9111-y.
Hecht, R., Kunze, C. & Hahmann, S., 2013, Measuring Completeness of Building Footprints in OpenStreetMap over Space and Time, International Journal of Geo-Information, 2(4), PP. 1066-1091, https://doi.org/10.3390/ijgi2041066.
Herfort, B., Lautenbach, S., Porto de Albuquerque, J., Anderson, J. & Zipf, A., 2023, A Spatio-Temporal Analysis Investigating Completeness and Inequalities of Global Urban Building Data in OpenStreetMap, Nature Communications, 14(1), P. 3985, https://doi.org/10.1038/s41467-023-39698-6.
Kresse, W. & Fadaie, K., 2004, ISO Standards for Geographic Information, Springer: Berlin, https://doi.org/10.1007/978-3-662-08039-9.
Minaei, M., 2020, Evolution, Density, and Completeness of OpenStreetMap Road Networks in Developing Countries: The Case of Iran, Applied Geography, 119, P. 102246, https://doi.org/ 10.1016/j.apgeog. 2020.102246.
Mobasheri, A., 2017, A Rule-Based Spatial Reasoning Approach for OpenStreetMap Data Quality Enrichment; Case Study of Routing and Navigation, Sensors, 17(11), P. 2498, https://doi.org/10.3390/s17112498.
Sadidi, J., tamnia, F. & Rezaian, H., 2024, Assessment of Using Artificial Intelligence in Completeness of Volunteer Geographic Information. A Case Study for Open Street Map (OSM) Landuse Data, Journal of Spatial Analysis Environmental Hazards, 11(1), P. 1, https://doi.org/ 10.61186/jsaeh.11.1.3.
Sun, Y. & Du, Y., 2017, Big Data and Sustainable Cities: Applications of New and Emerging Forms of Geospatial Data in Urban Studies, Open Geospatial Data Software and Standards, 2(1), PP. 1-4, https://doi.org/10.1186/s40965-017-0037-0.
Tian, Y. & Zhou, Q.F.X., 2019, An Analysis of the Evolution, Completeness, and Spatial Patterns of OpenStreetMap Building Data in China, ISPRS International Journal of Geo-Information, 8(1), P. 35, https://doi.org/ 10.3390/ijgi8010035.
Törnros, T., Dorn, H., Hahmann, S.‌ & Zipf, A., 2015‌, Uncertainties of Completeness Measures in OpenStreetMap–A Case Study for Buildings in a Medium-Sized German City, ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2, PP. 353-357, https://doi.org/10.5194/isprsannals-II-3-W5-353-2015.
Zhang, Y., Zhou, Q., Brovelli, M.A. & Li, W., 2022, Assessing OSM Building Completeness Using Population Data, International Journal of Geographical Information Science, 36(7), PP. 1443-1466, https://doi.org/10.1080/13658816.2021.2023158.
Zhou, Q., 2018, Exploring the Relationship between Density and Completeness of Urban Building Data in OpenStreetMap for Quality Estimation, International Journal of Geographical Information Science, 32(2), PP. 257-281, https://doi.org/ 10.1080/13658816.2017.1395883.
Zhou, Q., Zhang, Y., Chang, K. & Brovelli, M.A., 2022, Assessing OSM Building Completeness for Almost 13,000 Cities Globally, International Journal of Digital Earth, 15(1), PP. 2400-2421, https://doi.org/ 10.1080/17538947.2022.2159550