地理空間分析を行う上での必須知識＋データ加工ノウハウ / Knowledge for Geospatial Analytics

Developers.IO 2019 TOKYO における発表資料です。
地理空間分析を行う上での必須知識とデータ加工ノウハウをまとめました。

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1. 地理空間分析を行う上での必須知識 ＋データ加工ノウハウ Developers.IO 2019 TOKYO Daisuke Ootaka
2. スライドは後で入手することが出来ますので 発表中の内容をメモする必要はありません。 写真撮影をする場合は フラッシュ・シャッター音が出ないようにご配慮ください
3. ハッシュタグ Developers.IO：#cmdevio Room I：#cmdevioI
4. 大高 大輔 - DA事業本部インテグレーション部 - Software Developer - 経歴 - 地図系SIer - クラウド系SIer - クラスメソッド 4 自己紹介
5. 5 今日お伝えしたいこと 1. ジオメトリと空間関係 2. 座標系と測地系 3. 地図データと地図サービス
6. 6 今日お伝えしたいこと 1. ジオメトリと空間関係 2. 座標系と測地系 3. 地図データと地図サービス
7. 7 ジオメトリと空間関係の定義
8. 8 ジオメトリと空間関係の定義 • 標準化団体である「OGC(Open Geospatial Consortium)」が仕様規格として定義している • OpenGIS Implementation Specification for Geographic information - Simple feature access - Part 1: Common architecture https://www.opengeospatial.org/standards/sfa • ジオメトリや空間関係などについて記載
9. 9 ジオメトリの種類
10. 10 Well-Known Text (WKT) • ジオメトリをテキストで表現するための仕様 例）MULTIPOLYGON MULTIPOLYGON ( ((10 10, 10 20, 20 20, 20 15, 10 10)), ((60 60, 70 70, 80 60, 60 60 )) )
11. 11 ジオメトリ (１/６) • POINT POINT(50 50) ・単一の点
12. 12 ジオメトリ (２/６) • LINESTRING LINESTRING(10 10, 40 20, 70 80) ・単一の線
13. 13 ジオメトリ (３/６) • POLYGON POLYGON((50 10, 80 40, 40 80, 20 30, 50 10)) ・単一のポリゴン ・始点と終点は同一の点 ・複数のリングを持つ場合もある ・外部のリングは反時計回りの順 ・内部のリングは時計回りの順
14. 14 ジオメトリ (４/６) • MULTIPOINT POINT((20 20), (70 70)) ・複数の点
15. 15 ジオメトリ (５/６) • MULTILINESTRING MULTILINESTRING((20 20, 70 50), (30 80, 80 60)) ・複数の線
16. 16 ジオメトリ (６/６) • MULTIPOLYGON MULTIPOLYGON( ((40 10, 50 30, 30 60, 20 30, 40 10)), ((60 50, 90 60, 80 90, 60 50)) ) ・複数のポリゴン
17. 17 空間関係
18. 18 空間関係 • Intersects (交わる) • Contains (含む) • Crosses (横切る) • Equals (等しい) • Overlaps (重なる) • Touches (接する) • Within (含まれる) • Disjoint (交わらない)
19. 19 空間関係 • Contains ( A は B を含む )
20. 20 空間関係 • Crosses ( A は B を横切る )
21. 21 空間関係 • Equals ( A は B と等しい )
22. 22 空間関係 • Overlaps ( A は B と重なる )
23. 23 空間関係 • Touches ( A は B と接する )
24. 24 空間関係 • Within ( A は B に含まれる )
25. 25 空間関係 • Disjoint ( A は B と交わらない )
26. 26 空間関係 (DE-9IM) • The Dimensionally Extended Nine-Intersection Model (DE-9IM) • ２つのジオメトリ間の空間関係を３ｘ３の行列で表した もの Interior Boundary Exterior Interior 2 1 2 Boundary 1 0 1 Exterior 2 1 2
27. 27 空間関係 (DE-9IM) • Interior • ジオメトリの内部 • Boundary • ジオメトリの境界 • Exterior • ジオメトリの外部
28. 28 空間関係 (DE-9IM) • DE-9IMの行列の値はジオメトリの パーツ（Interior, Boundary, Exterior）間の 交わりによって形成される次元を表す -1：交わらない 0：交わりが点 1：交わりが線 2：交わりが面
29. 29 空間関係 (DE-9IM) • ２つのポリゴンが Overlap するケース Interior Boundary Exterior Interior 2 1 2 Boundary 1 0 1 Exterior 2 1 2 -1：交わらない 0：交わりが点 1：交わりが線 2：交わりが面
30. 30 空間関係 (DE-9IM) • パターンマトリクスでの表現 パターンマトリクス DE-9IM T 0 or 1 or 2 F -1 * 任意(-1 or 0 or 1 or 2) 0 0 1 1 2 2
31. 31 空間関係 (DE-9IM) • ２つのポリゴンが Overlap するケース Interior Boundary Exterior Interior T * T Boundary * * * Exterior T * * -1：交わらない 0：交わりが点 1：交わりが線 2：交わりが面 パターンマトリクス DE-9IM T 0 or 1 or 2 F -1 * 任意(-1 or 0 or 1 or 2)
32. 32 いつ使うの…？ Spatial Objects (空間情報の分析) | Alteryx Predictive Tools 道場 Advent Calendar 2018 #13 https://dev.classmethod.jp/business/business-analytics/alteryx-predictive-tools-dojo-advent-calendar-2018-13-spatial-objects/ Spatial Match Tool https://help.alteryx.com/2019.4/SpatialMatch.htm “カスタム9IM リレーション: ユーザは、カスタム 値を入力するために9IM リレーションに精通して いる必要があります。”
33. 33 まとめ 1. ジオメトリと空間関係 1. ジオメトリや空間関係の定義 • OGC, simple feature access 2. ジオメトリの種類 • POINT, LINESTRING, POLYGON, etc. 3. 空間関係 • Contains, Crosses, etc. , DE-9IM
34. 34 今日お伝えしたいこと 1. ジオメトリと空間関係 2. 座標系と測地系 3. 地図データと地図サービス
35. 35 座標系
36. 36 座標系(Geographic Coordinate System)とは 地球上のある位置を座標 で示す際の決まりのこと
37. 37 座標系の種類 • XY座標系 • 球面である地球を平面に投影し、XY座標で位置を表した もの • 緯度経度座標系 • 赤道からの角度（緯度）と、子午線からの角度（経度） で位置を表したもの
38. 38 平面直角座標系 • XY座標系の中で日本でよく使われるもの • 「平成十四年国土交通省告示第九号」で定められて いる • 平面直角座標系（平成十四年国土交通省告示第九号） https://www.gsi.go.jp/LAW/heimencho.html • 日本を19の系に分割して平面に投影している
39. 39 平面直角座標系 例）クラスメソッド 秋葉原オフィス 系：９系 9系原点： 緯度：139.5 経度：36.0 オフィスのXY座標： Ｘ, Y = -33570.982, -5301.137 わかりやすい平面直角座標系 | 国土地理院 https://www.gsi.go.jp/sokuchikijun/jpc.html 千葉県野田市の北
40. 40 平面直角座標系 右手系 左手系 Y X X Y 日本測地系は左手系 よくみるのは右手系 データ加工時には、 XYに注意！
41. 41 緯度経度座標系 次で話します。
42. 42 測地系
43. 43 測地系(Datum)とは • 緯度経度座標系において、緯度経度で座標を表す際 の基準（系） • 「準拠楕円体」と「測地座標系」が主要素 • 各地域のローカルな測地系と世界測地系がある
44. 44 準拠楕円体と測地座標系 準拠楕円体 地球の楕円体表現 測地座標系 原点：地球の重心 X軸：子午線が0度 Y軸：赤道が0度 Z軸：北極の方向 日本の測地系 | 国土地理院 https://www.gsi.go.jp/sokuchikijun/datum-main.html
45. 45 日本の測地系 利用時期 名称 準拠楕円体 座標系 ～2002年3月 日本測地系 Tokyo Datum Bessel 1841 日本独自 2002年4月 ～2011年9月 日本測地系 2000 JGD2000 GRS 1980 ITRF 1994 2011年10月～ 日本測地系 2011 JGD2011 GRS 1980 ITRF 2008(東日本、北陸) ITRF 1994(西日本、北海道)
46. 46 日本測地系 • 旧測地系とも呼ばれる明治時代に作られたもの • 座標系は日本独自 • 準拠楕円体はベッセル楕円体 データ加工時に、異な る測地系のデータと一 緒に扱いたい場合は、 変換が必要
47. 47 日本測地系2000 • GPSなどの登場により、より正確な楕円体へ • 世界測地系への移行 • 世界標準に合わせて準拠楕円体をGRS 1980に変更 • Geodetic Reference System • 測地基準系 • 「日本測地系」と比べて北西方向に約450mのずれ
48. 48 日本測地系2011 • 東日本大震災(2011年)による大きな地殻変動に対応 • 日本の経緯度原点も修正された • 東日本、北陸は座標系が他と異なる(ITRF 2008) • International Terrestrial Reference Frame • 国際地球基準座標系
49. 49 WGS84 • アメリカで利用されている世界測地系 • 準拠楕円体はWGS84でGRS1980とほぼ同じ • GPSもWGSで運用されている • Google Mapsやスマホで取得してる座標はWGS84
50. 50 いつ使うの…？ [Alteryx]ポイント作成ツールを利用して座標系変換を してみた https://dev.classmethod.jp/business/business-analytics/alteryx-tips-createpoints/ Create Point Tool https://help.alteryx.com/2019.4/CreatePoints.htm “フィールドが投影された浮動小数点数: 座標は地 理的な投影で表示されます。 既定では、WGS84 を使用します。 別の投影法を入力するか、[プロ ジェクトの編集] ダイアログをクリックして開き ます”
51. 51 まとめ 2. 座標系と測地系 1. 座標系 • XY座標系, 緯度経度座標系 2. 測地系 • 日本測地系, WGS84, etc.
52. 52 今日お伝えしたいこと 1. ジオメトリと空間関係 2. 座標系と測地系 3. 地図データと地図サービス
53. 53 地図データ
54. 54 地図データ • Shapefile • GeoJSON • TopoJSON
55. 55 Shapefile (1/2) • Esri社の提唱したベクター形式のファイルフォー マット • 仕様が公開されており広く利用されている • シェープファイルについて | ESRIジャパン https://www.esrij.com/getting-started/learn-more/shapefile/ • 複数のファイルで構成される
56. 56 Shapefile (2/2) 拡張子 概要 *.shp メイン・ファイル。図形データが格納されている。 *.shx インデックス・ファイル。図形データのインデックス 情報が格納されている。 *.dbf 属性ファイル。図形の属性データが格納されている。 *.prj 座標系情報がWKT形式で格納されている。 例） GEOGCS["GCS_JGD_2000",DATUM["D_JGD_2000 ",SPHEROID["GRS_1980",6378137.0,298.257222 101]],PRIMEM["Greenwich",0.0],UNIT["Degree",0 .0174532925199433]]
57. 57 GeoJSON (1/3) ・RFC 7946で規定されているJSONを基にした空間 データの交換形式 • The GeoJSON Format https://tools.ietf.org/html/rfc7946 • ファイルの拡張子は .geojson • Web系GISでよく利用され、GitHubには地図表示機 能がある
58. 58 GeoJSON (2/3) • GeoJSONオブジェクト • Point, MultiPoint, LineString, MultiLineString, Polygon, MultiPolygon, GeometryCollection, etc. • バウンディングボックス • 座標範囲を示す • 例）"bbox": [100.0, 0.0, 105.0, 1.0] • 座標系について • 以前は空間参照系（CRS：Coordinate Reference System）の指定が可能だったが、現在は仕様から削除さ れ、”WGS 84” に固定されている
59. 59 GeoJSON (3/3) 例）sample.geojson https://github.com/DaisukeOtaka/devio2019_tokyo_sample_files/blob/master/sample.geojson { "type": "Point", "coordinates": [139.774300, 35.681871] }
60. 60 TopoJSON (1/3) • GeoJSONの拡張形式 • The TopoJSON Format Specification https://github.com/topojson/topojson-specification • ジオメトリ(点は除く)の座標を個別に記述せず、 arcs配列に格納し境界線の共有などを行うことで軽 量化 • arcsの座標は相対座標となっており、transformプ ロパティを利用して絶対座標に変換が可能 • GitHubで地図表示が可能
61. 61 TopoJSON (2/3) 例） https://github.com/DaisukeOtaka/devio2019_tokyo_sample_files/blob/master/sample.topojson { "type": "Topology", "transform": { "scale": [0.000001, 0.000001], "translate": [139.773367, 35.681858] }, "objects": { "sample": { "type": "GeometryCollection", "geometries": [ { "type": "Point", "properties": { "type": "Point", "name": "Shiga’s Bar" }, "coordinates": [429, 379] }, { "type": "LineString", "properties": { "type": "LineString", "name": "東京日本橋タワー周辺" }, "arcs": [[0]] }, { "type": "Polygon", "properties": { "type": "Polygon", "name": "東京日本橋タワー" }, "arcs": [[1]] } ] } }, "arcs": [ [[0, 0], [1265, -518], [360, 553], [-1261, 540], [-364, -575]], [[402, -4], [863, -366], [226, 387], [-875, 349], [-214, -370]] ] }
62. 62 TopoJSON (3/3)
63. 63 地図サービス
64. 64 地図サービス • Google Maps • OpenStreetMap • Mapbox
65. 65 Google Maps • (おそらく)日本で一番メジャー • 特定地点を「右クリック > この場所について」で、 座標の表示も可能 • 座標(緯度, 経度)で検索して、地図表示も可能 • 例：35.682, 139.774 • 各種APIが利用可能 • 有料だが無料クレジット有り https://www.google.com/maps
66. 66 OpenStreetMap • 誰でも利用できるように、オープンデータの地理情 報を作成するプロジェクト • ライセンスは Open Database License(ODbL) https://www.openstreetmap.org/copyright/ • タイル利用は「タイル利用規約」を参照 • https://wiki.openstreetmap.org/wiki/JA:タイル利用規約 https://openstreetmap.jp © OpenStreetMap contributors
67. 67 Mapbox • 地図データを利用した開発プラットフォーム • 詳細なスタイルの設定や豊富なAPI • 最近ではゼンリンのデータ提供で話題になった • 利用量に応じた課金 • 無料枠もある https://www.mapbox.com/
68. 68 まとめ 3. 地図データと地図サービス 1. 地図データ • Shapefile, geojson, topojson 2. 地図サービス • Google Maps, OpenLayers, Mapbox
69. 69 今日お伝えしたかったこと 1. ジオメトリと空間関係 2. 座標系と測地系 3. 地図データと地図サービス
70. 70 参考資料 OpenGIS Implementation Specification for Geographic information - Simple feature access - Part 1: Common architecture https://www.opengeospatial.org/standards/sfa OGC Simple Featuresとは？ | 空間情報クラブ http://club.informatix.co.jp/?p=1287 ジオメトリ間の空間的関係 | FMEリファレンス http://www.pragmatica.jp/fme/references/ReferenceSpatialRelations.html 座標系とは？ | 空間情報クラブ http://club.informatix.co.jp/?p=708 GIS 基礎解説 > 座標系/空間参照 > 測地系 | ESRIジャパン https://www.esrij.com/gis-guide/coordinate-and-spatial/datum/ (C) GIS Open Educational Resources WG, CC BY-SA 4.0 https://gis-oer.github.io/gitbook/book/