سیستم اطلاعات جغرافیایی GIS

سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) چیست؟

یک سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) یک سیستم رایانه ای برای دریافت، ذخیره سازی، بررسی و نمایش داده های مرتبط با داده های روی سطح زمین است. GIS می تواند انواع متفاوتی از داده را روی یک نقشه نمایش دهد. این ویژگی کارشناسان را قادر می سازد تا الگوها و روابط را آسان تر دیده، تجزیه و تحلیل کرده و درک کنند.

در یک مفهوم کلی این اصطلاح هر نوع سیستم اطلاعات را که اطلاعات جغرافیایی را ادغام، ذخیره سازی، ویرایش، تجزیه و تحلیل، به اشتراک گذاری و نمایش می دهد توصیف می‌کند. نرم افزارهای GIS ابزارهایی هستند که به کاربران امکان پرس و جوهای تعاملی، تجزیه و تحلیل داده های مکانی، ویرایش داده ها در نقشه و ارائه نتایج تمام این عملیات ها را می دهند.

به کمک تکنولوژی GIS کارشناسان می توانند مکان پدیده های مختلف را به منظور کشف ارتباط بین آنها مقایسه کنند. برای مثال با استفاده از GIS، یک نقشه می تواند شامل سایت های آلاینده مانند پمپ بنزین ها و سایت های حساس به آلایندگی مانند تالاب ها باشد. چنین نقشه ای به کارشناسان کمک می کند تالاب هایی را که در معرض بیشترین خطر هستند شناسایی کنند.

GIS می تواند از هر نوع اطلاعات دارای مکان استفاده کند. مکان می تواند به اشکال گوناگون بیان شود، مانند عرض و طول جغرافیایی، آدرس یا کدپستی. انواع گوناگونی از اطلاعات توسط GIS قابل مقایسه و تفکیک هستند. این سیستم می تواند داده هایی پیرامون مردم، مانند جمعیت، درآمد و یا سطح تحصیلات را در برگیرد. همچنین می تواند اطلاعاتی پیرامون زمین مانند مکان جوی ها، انواع پوشش های گیاهی، و انواع خاک را شامل شود. همچنین می تواند شامل اطلاعاتی مانند موقعیت کارخانجات، زمین های کشاورزی و مدارس یا زهکش های فاصلاب شهری، جاده ها و خطوط انتقال نیرو باشد.

GIS و داده ها

داده ها در اشکال متنوعی قابل ورود به GIS هستند. داده هایی که هم اکنون به شکل نقشه هستند می توانند در یک سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) وارد شوند که شامل اطلاعاتی نظیر موقعیت رودخانه ها و جاده ها، تپه ها و دره ها است. داده های دیجیتال یا کامپیوتری نیز می توانند وارد GIS شوند. داده های جمع آوری شده توسط ماهواره ها که کاربری زمین را نشان می دهند – موقعیت مزارع، شهرها و جنگل ها – مثالی از این نوع داده ها است. GIS همچنین می تواند داده هایی در شکل جداول (مانند جمعیت) را نیز شامل شود. فناوری GIS روی هم گذاری تمامی این انواع مختلف اطلاعات را در یک نقشه فارغ از منبع و فرمت اولیه آنها میسر می سازد.

ورود اطلاعات به GIS را Data Capture می نامند. داده هایی که هم اکنون به شکل دیجیتال موجود هستند مانند عکس های ماهواره ای و اکثر جداول، می توانند به سادگی در GIS بارگذاری شوند. نقشه ها باید اسکن شوند و یا به اطلاعات دیجیتال تبدیل شوند.

GIS باید اطلاعات نقشه ها و منابع متنوع را هم تراز کند، تا با یکدیگر منطبق شوند. یکی از دلایل ضرورت این کار این است که نقشه ها مقیاس های متفاوتی دارند. مقیاس رابطه ای است بین یک فاصله روی نقشه با فاصله حقیقی آن روی زمین. GIS اطلاعات منابع متفاوت را به گونه ای ترکیب می کند که همگی دارای یک مقیاس باشند.

گاهی GIS باید داده ها را دستکاری کند چرا که نقشه های مختلف سیستم های تصویر مختلفی دارند. یک سیستم تصویر روشی است برای انتقال اطلاعات از سطح منحنی زمین به یک سطح مسطح مثل کاغذ یا نمایشگر رایانه. هیچ سیستم تصویری نمی تواند حقیقت سطح منحنی زمین را به صورت کامل و بی نقص کپی کند. سیستم های تصویر متفاوت این کار را به روش های متفاوتی انجام می دهند، اما نتیجه همه آنها مقادیری اعوجاج است. برای انتقال یک سطح ۳ بعدی منحنی شکل به سطح مسطح به ناچار نیازمند کشیدگی برخی بخش ها و فشردگی سایر بخش ها هستیم.

یک نقشه از جهان هم می تواند اندازه صحیح کشورها را نشان دهد و هم شکل صحیح آنها را، اما نمی تواند هر دو را همزمان انجام دهد. GIS داده ها را از نقشه هایی که با استفاده از سیستم های تصویر متفاوت تهیه شده اند استخراج و آنها را ترکیب می کند. بنابراین اطلاعات می تواند با استفاده از یک سیستم تصویر مشترک نمایش داده شوند.

نقشه های GIS

هنگامی که داده های مطلوب وارد یک سیستم GIS شدند، جهت تولید طیف وسیعی از نقشه های مجاز با توجه به اینکه چه لایه های داده ای را شامل می شوند می توانند با یکدیگر تلفیق شوند. برای مثال، با استفاده از فناوری GIS ، اطلاعات متنوعی از یک شهر قابل نمایش هستند. نقشه هایی که اطلاعاتی چون میانگین درآمد، فروش کتاب و الگوهای رای گیری را می توانند مرتبط سازند، قابل تولید هستند. هرلایه داده GIS می تواند به یک نقشه یکسان افزوده و یا از آن حذف شود.

سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) داده های متنوع را در لایه های مختلف نگه داری می کند و به کاربر اجازه می دهد به تناسب نیاز خود از آنها استفاده کرده و تنوع بالایی از نقشه ها را تولید کند.

نقشه های GIS می توانند جهت نمایش اطلاعاتی پیرامون تعداد و تراکم استفاده شوند. برای مثال GIS می تواند جهت نمایش تعداد دکترهای نواحی مختلف در مقایسه با جمعیت استفاده شود. همچنین می تواند نشان دهد چه چیزی در نزدیکی چه چیزی است، برای مثال برای مثال چه منازلی و یا کسب و کارهایی در نواحی مستعد سیل قرار دارند.

همچنین محققین با استفاده از فناوری GIS می توانند تغییرات را طی زمان بررسی کنند. آنها می توانند از داده های ماهواره جهت مطالعه مباحثی چون “چه مقدار از مناطق قطبی پوشیده از یخ هستند” استفاده کنند. یک اداره پلیس می تواند تغییرات داده های جرم را جهت کمک به تشخیص اینکه کجا باید نیرو اختصاص داده شود، مطالعه کند.

GIS اغلب شامل تنوع بزرگی از داده است که در صفحه نمایش یا نقشه های چاپ شده نمایش داده نمی شوند. فناوری GIS گاهی کاربران را قادر می سازد به این اطلاعات دسترسی داشته باشند. یک کاربر می تواند به یک مکان در در یک نقشه رایانه ای برای یافتن سایر اطلاعات ذخیره شده در GIS پیرامون آن موقعیت اشاره کند. برای مثال، یک کاربر ممکن است  بر روی یک مدرسه کلیک کند تا ببیند چه تعداد دانش آموز در آن مدرسه ثبت نام کرده اند، به ازای هر معلم چند دانش آموز وجود دارد و یا چه امکانات آموزشی در آن مدرسه موجود است.

سامانه های GIS اغلب برای تولید تصاویر ۳ بعدی استفاده می شوند. این امر برای مثال برای زمین شناسانی که روی گسل ها مطالعه می کنند مفید است.

فناوری GIS به روزرسانی نقشه ها را بسیار آسان می کند. داده های به روز به آسانی می توانند به یک برنامه GIS موجود اضافه شوند. سپس می شود یک نقشه یک نقشه جدید چاپ شود و یا روی نمایشگر نمایش داده شود. این امر فرایند رسم نقشه که می تواند وقت گیر و گران باشد را حذف می کند.

کارشناسان حوزه های مختلف از فناوری GIS استفاده می کنند. کسب و کارهای زیادی از GIS برای تعیین مکان یک فروشگاه جدید استفاده می کنند. مسئولان شهری از GIS برای کمک به برنامه ریزی واکنش خود در مورد یک فاجعه طبیعی مانند یک زمین لرزه یا طوفان استفاده می کنند. نقشه های GIS می توانند به این مسئولان نشان دهند کدام محله ها در معرض بیشترین خطر قرار دارند، پناه گاه ها کجا مکان یابی شوند و مردم برای رسیدن به امنیت باید کدام مسیر ها را برگزینند. دانشمندان از GIS برای مقایسه رشد جمعیت نسبت به منابع مانند آب آشامیدنی، و یا برای تلاش در برآورد نیازهای آینده یک منطقه برای سرویس های عمومی مثل پارکینگ، جاده و برق استفاده می کنند. محدودیتی برای نوع اطلاعاتی که می شود توسط GIS تجزیه و تحلیل شود وجود ندارد.

تاریخچه توسعه سیستم اطلاعات جغرافیایی

نخستین کاربرد ثبت شده از اصطلاح سیستم اطلاعات جغرافیایی توسط Roger Tomlinson در سال ۱۹۶۸ در مقاله اش تحت عنوان ” A Geographic Information System for Regional Planning ” می باشد. تاملینسون همچنین به عنوان ” پدر GIS ” شناخته می شود.

پیشتر، یکی از کاربردهای تحلیل مکانی در همه گیرشناسی در سال ۱۸۳۲، ” Rapport sur la marche et les effets du choléra dans Paris et le département de la Seine ” می باشد. جغرافی دان فرانسوی Charles Picquet نقشه ۴۸ منطقه از شهر پاریس بر اساس تعداد مرگ بر اثر وبا در هر ۱۰۰۰ ساکن را ارائه کرده بود. در سال ۱۸۵۴ John Snow منشا یک شیوع وبا در لندن را توسط نمایش نقاط بر روی نقشه ای که محل زندگی قربانیان وبا را نشان می داد و مرتبط کردن گروهی که یافته بود با یک منبع آب نزدیک، مشخص کرد. این یکی از قدیمی ترین کاربردهای موفق روش شناسی جغرافیایی در همه گیر شناسی است. در حالی که عناصر پایه ای توپوگرافی و زمینه پیش از این در کارتوگرافی وجود داشت،  نقشه John Snow منحصر به فرد بود. نقشه ای که از روش های کارتوگرافی نه تنها برای برای نمایش بلکه برای تجزیه و تحلیل دسته های پدیدهای وابسته جغرافیایی استفاده می کرد.

نسخه E.G.Gilbert (1958) از نقشه ۱۸۵۵ John Snow از شیوع وبا در سوهو که نشان دهنده دسته های موارد وبا در همه گیری لندن ۱۸۵۴ می باشد.

اوایل قرن بیستم شاهد توسعه photozincography بود که امکان تفکیک نقشه ها به لایه ها را فراهم کرد، برای مثال یک لایه برای پوشش گیاهی و لایه ای دیگر برای آب ها. این ویژگی به ویژه برای چاپ کانتورها (منحنی میزان) – رسم این خطوط یک شغل بود – کاری فشرده که داشتن آنها در لایه های جداگانه به معنی توانایی کارکردن بدون لایه های دیگر که باعث سردرگمی طراحان می شد بود.این کار در ابتدا روی صفخات شیشه ای رسم می شد اما بعد فیلم های پلاستیکی معرفی شد با مزایایی از جمله : وزن کمتر، فضای نگهداری کمتر و شکنندگی کمتر. هنگامی که تمام لایه ها تکمیل می شد، لایه ها توسط یک دوربین بزرگ ادغام می شدند. هنگامی که چاپ رنگی به بازار آمد، ایده لایه ها برای چاپ لایه های جداگانه برای هر رنگ استفاده شد. هنگامی که خیلی بعدتر استفاده از لایه ها به یکی از ویژگی های اصلی عادی برای GIS امروزی تبدیل شد، روند عکسبرداری که شرح داده شد به تنهایی به عنوان یک سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) در نظر گرفته نمی شد – چرا که نقشه ها تنها تصاویری بودند بدون پایگاه داده ای برای اتصال به آنها.

پیشرفت سخت افزار رایانه که توسط تحقیقات سلاح های هسته ای سرعت گرفت، منجر به توسعه همه منظوره نرم افزارهای نقشه برداری رایانه ای در اوایل دهه ۱۹۶۰ شد.

سال ۱۹۶۰ شاهد توسعه اولین سیستم اطلاعات جغرافیایی عملیاتی واقعی در شهر اتاوا ایالت اونتاریو در کانادا توسط دپارتمان فدرال جنگلداری و توسعه روستایی بود. که توسط دکتر Roger Tomlinson توسعه یافت و سیستم اطلاعات جغرافیایی کانادا – Canada Geographic Information System (CGIS) – نام گرفت و جهت ذخیره سازی، تجزیه و تحلیل و تغییر داده های جمع اوری شده برای فهرست زمین های کانادا – Canada Land Inventory – استفاده می شد. تلاشی جهت تعیین قابلیت اراضی برای روستاهای کانادا با نقشه برداری اطلاعاتی پیرامون خاک ها، کشاورزی، تفریحات، حیات وحش، پرندگان آبزی، جنگلداری و کاربری اراضی در مقیاس ۱:۵۰,۰۰۰٫ یک فاکتور طبقه بندی رتبه ای هم افزوده شد تا تجزیه و تحلیل را ممکن سازد.

CGIS پیشرفتی بیش از نرم افزارهای “نقشه برداری رایانه ای” بود چرا که قابلیت هایی نظیر روی هم گذاری لایه ها، اندازه گیری، اسکن کردن و دیجیتایز کردن (فرایندی جهت انتقال عوارض روی نقشه به رایانه) را فراهم می کرد.  این سیستم از یک سیستم مختصات ملی پشتیبانی می کرد و صفات و داده های مکانی را در فایل های جداگانه نگهداری می کرد.

در نتیجه این فعالیت ها – به طور مشخص برای استفاده از روی هم گذاری لایه ها جهت ارتقای تجزیه و تحلیل مکانی داده های جغرافیایی همگرا – تاملینسون به عنوان “پدر جی آی اس” شناخته شد.

CGIS تا دهه ۱۹۹۰ به طول انجامید و یک پایگاه داده منابع زمین بزرگ را در کانادا ایجاد کرد. این سیستم به عنوان یک سیستم مبتنی بر پردازنده مرکزی جهت پشتیبانی از مدیریت و برنامه ریزی منابع ایالتی و فدرال توسعه یافت. این سیستم توانایی تجزیه و تحلیل دیتاست های پیچیده قاره ای را داشت. CGIS هرگز به صورت تجاری مورد بهره برداری قرار نگرفت.

در سال ۱۹۶۴ Howard T. Fisher آزمایشگاه گرافیک کامپیوتری و تجزیه و تحلیل فضایی را در دانشگاه طراحی هاروارد تاسیس کرد. جایی که تعداد زیادی از مفاهیم تئوری مهم در مدیریت داده های فضایی توسعه یافت و در دهه ۱۹۷۰ کدهای نرم افزاری و سیستم های بدوی از جمله SYMAP ، GRID ، ODYSSEY را منتشر کرد که به عنوان منبع برای توسعه های تجاری بعدی – جهت استفاده دانشگاه ها، مراکز تحقیقاتی و تجاری در سطح جهانی – مورد استفاده قرار گرفت.

در اواخر دهه ۱۹۷۰ دو سیستم GIS مالکیت عمومی (MOSS و GRASS GIS) در حال توسعه بودند، و در اوایل دهه ۱۹۸۰ M&S Computing (بعدها Intergraph) در کنار Bentley Systems Incorporated برای پلتفرم CAD ، Environmental Systems Research Institute (ESRI) ، CARIS (Computer Aided Resource Information System) ، MapInfo Corporation و ERDAS (Earth Resource Data Analysis System) به عنوان فروشندگان تجاری نرم افزار GIS ظهور کردند که توانستند با موفقیت بسیاری از امکانات CGIS را ادغام کرده و رویکرد نسل اول مبنی بر جدایی اطلاعات فضایی و صفات را با رویکرد نسل دوم مبنی بر سازماندهی داده های صفات در ساختار پایگاه داده ترکیب کنند.

در سال ۱۹۸۶ ، Mapping Display and Analysis System (MIDAS) ،اولین نرم افزار دسکتاپ GIS  برای سیستم عامل DOS منتشر شد. نام این نرم افزار در سال ۱۹۹۰ زمانی که برای سیستم عامل ویندوز بازنویسی شد به MapInfo for Windows تغییر کرد.

در پایان صده بیستم رشد سریع در سیستم های مختلف بر روی پلتفرم های نسبتا اندک تلفیق و استاندارد سازی شد و کاربران شروع به کاوش جهت مشاهده داده هایGIS  بر روی اینترنت کردند که نیازمند استانداردهای انتقال و فرمت داده بود. اخیرا تعداد رو به رشدی از پکیج های کد باز و آزاد GIS قابل اجرا بر روی طیفی از سیستم های عامل و قابل سفارشی سازی جهت اجرای وظایف مشخص وجود دارند. داده های مکانی و نرم افزارهای نقشه برداری که به طور فزاینده تولید می شوند بر روی شبکه جهانی وب قابل دسترس هستند.

تکنیک ها و فناوری GIS

فناوری های نوین GIS از اطلاعات دیجیتال استفاده می کند که بدین منظور، از روش های متنوعی جهت تهیه داده های رقومی استفاده می شود. رایج ترین روش تهیه داده رقومی، دیجیتایز کردن است، که طی آن یک نسخه چاپی از یک نقشه، با استفاده از یک نرم افزار CAD  و قابلیت های زمین مرجع سازی به یک رسانه دیجیتال منتقل می شود.

با توجه به دسترسی گسترده به تصویربرداری هوایی تصحیح شده (توسط ماهواره، هواپیما، هلی‌کایت و پهپاد) رقومی سازی heads-up در حال تبدیل به روش غالب استخراج داده های جغرافیایی می باشد. رقومی سازی heads-up شامل ترسیم مستقیم داده جغرافیایی بر روی عکس هوایی به جای روش سنتی ترسیم بر روی صفحه دیجیتایزر (رقومی سازی heads-down) می باشد.

مرتبط کردن اطلاعات از منابع متفاوت

سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) از موقعیت مکانی فضا-زمانی به عنوان متغیر شاخص کلیدی برای تمام اطلاعات دیگر استفاده می کند. همانطور که یک پایگاه داده رابطه ای شامل متن یا اعداد می تواند جداول متفاوت بسیاری را با استفاده از متغیر شاخص کلیدی مشترک ارتباط دهد، GIS می تواند اطلاعات غیرمتبط را با استفاده از موقعیت مکانی به عنوان متغیر شاخص کلیدی مرتبط سازد.

هر متغیری که بتواند به صورت مکانی، و همچنین به طور فزاینده زمانی، مکان یابی شود توسط GIS قابل ارجاع است. مکان ها و یا پهنه ها در زمان-مکان زمین ممکن است به صورت تاریخ/زمان وقوع و مختصات x، y و z که به ترتیب بیانگر عرض جغرافیایی، طول جغرافیایی و ارتفاع هستند، ثبت شوند. این مختصات GIS ممکن است نماینده سایر سیستم های اندازه گیری مرجع زمانی-مکانی باشند (مثل : دروازه ورودی، اندازه گیری عمق دریا، منشا/واحد ترسیم POS و CAD). واحدهای اعمال شده به داده های زمانی-مکانی ثبت شده می تواند بسیار متنوع باشد (حتی زمانی که داده های کاملا مشابه استفاده شوند)، اما تمام ارجاعات مکان ها و پهنه های مکانی-زمانی مبتنی بر زمین باید، در حالت ایده آل، با دیگری و درنهایت با یک مکان یا پهنه فیزیکی حقیقی در زمان-فضا مرتبط باشد.

در ارتباط با اطلاعات دقیق مکانی، تنوعی باورنکردنی از داده های گذشته و یا آینده از جهان واقعی یا تصویر شده می تواند تجزیه و تحلیل، تفسیر یا نشان داده شود. این مشخصه کلیدی GIS در حال گشایش دریچه ای جدید بر روی تحقیقات علمی در رفتارها و و الگوهای جهان واقعی است که در گذشته به صورت سیستماتیک قابل ارتباط نبود.

منبع :

National Geographic

Wikipedia