تعاریف و تاریخچه GIS

مبانی ، تعاریف و تاریخچه مختصری ازGIS

GIS (1چیست؟

سیستم اطلاعات جغرافیایی (Geographic Information System) یا GIS یک سیستم کامپیوتری برای مدیریت و تجزیه و تحلیل اطلاعات مکانی بوده که قابلیت جمع آوری ، ذخیره و تحلیل و نمایش اطلاعات جغرافیایی ( مکانی را دارد . داده ها در این سیستم بر اساس موقعیتشان نشان داده می شوند.

2) تاریخچه سیستم اطلاعات جغرافیایی(GIS)

از زمان اولین تمدن ها، برای نمایش اطلاعات مربوط به سطح زمین از نقشه استفاده می شده است ناوبران، نقشه برداران زمینی و ارتش از نقشه برای نمایش موقعیت مکانی عوارض جغرافیایی مهم استفاده می کرده اند. نقشه برداری زمین و تهیه نقشه رکن مهمی در امپراطوری روم باستان بود و با سقوط امپراطوری روم، تهیه نقشه نیز در آن دوران به فراموشی سپرده شد. تا اینکه در قرن هجدهم مجدداًدولتهای اروپایی به اهمیت تهیه نقشه برای طراحی و برنامه ریزی اراضی پی بردند و مؤسسات ملی مسئول تهیه نقشه پوششی کشورها شدند. نقشه های توپوگرافی برای نمایش محدوده اراضی، واحدهای اداری و مرزهای ملی تهیه می گردیدند. از آنجا که مطالعه منابع طبیعی گسترش یافت، نقشه های موضوع(تماتیک)نیز برای نمایش اطلاعاتی از قبیل زمین شناسی، ژئومورفولوژی، خاک و پوشش گیاهی مورد استفاده قرار گرفتند. در قرن بیستم گسترش سریع علم و تکنولوژی باعث تقاضای بیشتری برای نمایش سریعتر و دقیقتر حجم های بزرگتری از اطلاعات جغرافیایی شد.امروزه توسعه تکنیک های عکسبرداری هوایی و سنجش از دور، تحولی عظیم در جمع آوری و تهیه داده های جغرافیایی بوجود آورده است که کاربردهای گسترده تری داشته و آنالیزهای پیچیده تری را می طلبد. در حال حاضر داده های جغرافیایی سریعتر از آنکه بتوانند تجزیه و تحلیل شوند، جمع آوری می گردند.تا قبل از بوجود آمدن کامپیوترها، داده های جغرافیایی به طور سنتی با استفاده از نقشه ها و به صورت نقاط، خطوط و سطوح ترسیم شده برروی کاغذ یا فیلم، نشان داده می شدند. عوارض ارائه شده در نقشه توسط سمبلها و رنگهایی که در لژاند نقشه تشریح می شدند، مشخص گردیده و گاهی نیز با نوشتار همراه بودند. بدین ترتیب نقشه و اطلاعات جانبی مربوط به آن، پایگاه داده های جغرافیایی را تشکیل می داد. نقشه های تماتیک منابع طبیعی بعنوان ابزاری برای ثبت و طبقه بندی مشاهدات مورد استفاده قرار می گرفت. آنالیزها بیشتر بصورت کیفی بوده و با بررسی های بصری بر روی نقشه انجام می شد. آنالیزهای کمی صرفاً با استفاده از خط کش جهت اندازه گیری فواصل و پلانیمتر برای اندازه گیری مساحت ها انجام می گرفت.ایده استفاده از سیستم های اطلاعات جغرافیایی و نقشه های رقومی که قابلیت هم پوشانی لایه های اطلاعاتی مختلف را داشته باشند، مدتها قبل از اختراع کامپیوتر بیان گردیده است و به اواسط قرن نوزدهم میلادی باز می گردد. ایجاد عملی سیستم GIS و کاربردی شدن این سیستم در زمینه کاربردهای جغرافیائی در دهه های ۱۹۵۰، ۱۹۶۰ و اوایل دهه ۱۹۷۰ انجام شد. اولین سیستم اطلاعات جغرافیایی نخستین بار در کانادا توسط دکتر Tomlinsonجهت استفاده از آن در زمینه مدیریت جنگلها طراحی و اجرا گردید. با عرضه نسل های جدید کامپیوتر و کاهش سریع قیمت آن روند توسعه سیستم های GIS سرعت بیشتری یافت و تا پایان آن دهه چندین سیستم GIS در آمریکا و کانادا توسعه یافت.در دهه ۱۹۷۰ سیستم های CAD به سمت GIS توسعه یافتند و سیستم های تجاری GIS به بازار ارائه گردیدند. در دهه ۱۹۸۰ مینی کامپیوترها به بازار عرضه گردیدند و توسعه سیستم های پردازش تصاویر و ارتباط آن با GIS و توسعه پایگاههای داده ها بویژه پایگاه داده شیء گرا از ویزگیهای این دهه بود. در دهه ۱۹۹۰ سیستم های اطلاعات جغرافیایی در زمینه های نظیر محاسبات موازی، مدلسازی، تلفیق سنجش از دور و GIS، پایگاه داده های بسیار بزرگ و سیستم های هوشمند و استنتاجی(Deductive) حرکت کرده و امروزه محققین به دنبال توسعه Web GIS و کاربردی کردن سیستم های خبره و با ساختار پایگاه داده استنتاجی و قیاسی.(Inductive) می باشند

اصولاً پنج زمینه کلی زیر به عنوان عناصرکلیدی برای توسعه GIS از دیگر مواردبصورت برجسته تری نمود پیدا می کند.

1-معماری چشم انداز 2- علوم کامپیوتری3- علوم جغرافیا 4- سنجش از دور 5- کارتوگرافی

معماران چشم انداز در سال 1960 از اولین دسته دانشمندان زیست محیطی بودند که از روش ادغام لایه های نقشه ای جهت انتخاب بهینه مناظر زیبا برای تسهیلات وپروژه های مهندسی استفاده نمودند.سیستم اطلاعات جغرافیائی کانادا (CGIS) اولین سیستم عملیاتی کامل بوده است وکانادا اولین کشوری است که از نام اقتصادی GISاستفاده نمود.در ابتدا CGIS درکانادا جهت آمایش نمود پیدا کردو در پروژه های تهیه نقشه کاربری اراضی در ارتباط با توسعه مزارع حاشیه ای فعالیت نمود ولی با گذشت زمان کاربردهای GIS فراتر رفت ودر بخشهای مختلف جایگاه خاصی به عنوان یک ابزار قدرتمند یافت0

در ایران، اولین مرکزی که به طور رسمی استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی را در کشور آغاز کرد سازمان نقشه‌برداری کشور بود که در سال ۱۳۶۹ بر اساس مصوبه مجلس شورای اسلامی، عهده‌دار طرح بکارگیری این سیستم شد.

فعالیتهای اجرایی پروژه ایجاد سیستم اطلاعات جغرافیایی در وزارت صنایع و معادن، از فروردین ۱۳۷۱ آغاز گردید و هم اکنون از این سیستم به طور گسترده در ارتباط با فعالیتهای آن استفاده می‌گردد.

3)دلا‌یل استفاده از GIS

امروزه وجود اطلا‌عات به روز‚ به منظور شناخت عوامل طبیعی و انسانی با هدف بهره‌گیری از آن در برنامه ریزی توسعه پایدار‚ امری بدیهی است. به همین دلیل استفاده از اطلا‌عات در بعد سیستمGIS می‌تواند در موارد زیر موثر باشد:

1- پاسخگوئی به نیاز کاربران در کلیه زمینه ها

-2ساماندهی و افزایش بهره وری از منابع موجود

-3بهینه سازی سرمایه گذاری ها و برنامه ریزی ها

4- ابزاری مفید در جهت تصمیم گیری مدیران

5- سرعت و دقت کار

6-تعیین قابلیت‌ها ی توسعه در مناطق و مکانهای مختلف

4)قابلیتهای GIS

بطور اجمال قابلیتهای جی‌آی‌اس نسبت به سیستم‌های اطلاعاتی مشابه و روشهای دستی را می‌توان به شرح زیر بیان داشت:

▪ قابلیت جمع‌آوری، ذخیره، بازیابی و تجزیه و تحلیل اطلاعات با حجم زیاد

▪ قابلیت برقراری ارتباط بین اطلاعات جغرافیایی (نقشه) و اطلاعات غیرجغرافیایی(جداول اطلاعاتی) و ایجاد امکانات تجزیه و تحلیل اطلاعات جغرافیایی با استفاده از اطلاعات غیرجغرافیایی و بالعکس

▪ توانایی انجام طیف وسیعی از تحلیل‌ها مانند: روی هم قراردادن لایه‌های اطلاعاتی، پیداکردن اشیای مختلف با استفاده از خاصیت نزدیکی آن‌ها به یک شی‌ء خاص، شبیه‌سازی، محاسبه تعداد دفعات وقوع یک حادثه در فاصله مشخص از نقطه یا نقاط معین، و ...

▪ داشتن دقت، کارآیی، سرعت عمل زیاد و سهولت در بهنگام‌سازی داده‌ها

▪ توانایی انجام محاسبات آماری مانند محاسبه مساحت و محیط پدیده‌های مشخص شده

▪ قابلیت ردیابی و بررسی تغییر مکان‌های جغرافیایی در طول زمان

▪ قابلیت استفاده برای مکان‌یابی پروژه‌های مختلف

برای مثال دو سیستم تولید نفشه رقومی (CAD) و سیستم مدیریت پایگاه داده ثال می توان (DBMS)را با هم مقایسه نمود:

سیستمهای CAD عموماً به منظور تولید و سازماندهی اطلاعات مکانی در قالب نقشه‌های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. این سیستمها نوعاً از نظر مدیریت پایگاههای اطلاعات جغرافیایی گسترده و حجیم همچنین انجام پردازشها و تجزیه و تحلیل اطلاعات، ضعیف بوده و درخصوص مدیریت اطلاعاتی توصیفی دارای محدودیتهای می‌باشند.

سیستمهای مدیریت پایگاه داده، به صورت خاص جهت ذخیره سازی و مدیریت انواع مختلف اطلاعات از جمله اطلاعات جغرافیایی، مورد استفاده قرار می گیرند.

اامروزه DBMS ها به منظور ذخیره‌سازی و بازیابی اطلاعات، بهینه سازی و توسعه یافته‌اند و GIS نیز از این ابزار، برای اهداف ذخیره‌سازی و مدیریت اطلاعات جغرافیایی استفاده می‌کند. DBMS ها اصولاً فاقد ابزار تجزیه و تحلیل و نمایش گرافیکی اطلاعات- که در سیستمهای GIS مرسوم وجود دارد- می باشند.

GIS با فراهم کردن امکانات نمایش و تجزیه وتحلیل داده هاى مختلف با یکدیگر ، یک کاربر را قادر به انجام کار با داده هاى گوناگون بطور بسیار وسیع تر و دقیق تر مى نماید، به طریقى که با روشهاى آنالوگ وسنتى تقریباً غیر ممکن مى باشند .

5)برخی از کاربردهای GIS:

امروزه با توجه به پیشرفت علوم و سیستم های کامپیوتری فناوری GIS در زمینه های زمین شناسی، مطالعات زیست محیطی، منابع آب و آبخیزداری، کشاورزی، جنگلداری، تعلیم و تربیت، کاربردهای شهری، تجارت، صنعت، سازمانها و … کاربرد فراوانی پیدا نموده است.برخی ازاین کاربردها عبارتند از:

نقشه هاى مکان یابى (Siteselection) که انتخاب محل هاى مناسب جهت اجراى پروژه هاى مهندسى نظیر دفن مواد زائد، خط لوله، جاده ومسیر راه آهن، سدها و گسترش و توسعه ساختمان سازى میباشد.

زمین شناسی: تجزیه و تحلیل اطلاعات زمین شناسی در یک منطقه چه به منظور اکتشافات معدنی، نفت و چه سایر اهداف، اصولا یک فرایند ترکیبی از داده های مختلف می باشد. یک زمین شناس با مرتبط کردن داده های گوناگون زمین شناسی، به دنبال یافتن ساختارهای مفید زمین شناسی در یک ناحیه است، از اینرو تمام داده های زمین شناسی برای این که بتوانند مفید واقع شوند باید با توجه به موقعیت جغرافیایی شان تجزیه تحلیل شوند.

بطور کلی کاربردهایGIS در زمین شناسی را می توان به شرح زیر عنوان نمود: تهیه نقشه های پتانسیل معدنی: که هدف تلفیق اطلاعات حاصل از لایه های اطلاعاتی] زمین شناسی، ژئوشیمی،ژئوفیزیک، دورسنجی وزمین شناسی اقتصادی (پراکندگی کانسارها و اندیس های معدنی منطقه)[ در جهت تهیه نقشه ای می باشد که معرف مناطقی با بیشترین احتمال جهت کانی سازی، بر اساس مدل متالوژی منطقه است.

تهیه نقشه های حوادث و بلایای طبیعی: که به پایداری شیبها، زمین لغزه ها، منطقه بندی خسارت زمین لرزه، فورانهای آتشفشانی، خسارات ناشی از طغیان رودخانه ها و تسونا می ها، فرسایش محلی، خطرات آلودگی ناشی از فعالیت معدنی یا صنعتی و گرم شدن کره زمین و … می پردازند.

محیط زیست:بررسی میزان آلودگی آب، خاک، هوا و…. و در نهایت تهیه نقشه هایی جهت حفاظت از محیط زیست.

منابع آب و آبخیزداری: کشف منابع آبی زیر زمینی و بررسی آبهای سطحی

کشاورزی و برنامه ریزی برای کاربری اراضی:

بسیاری از سازمانهای مربوط به کشاورزی و کاربری اراضی، هم اکنون از تکنیک های GIS بهره می گیرند.به عنوان نمونه، داده های مربوط به کاربری اراضی و هواشناسی حاصل از ماهواره ها، اندازه گیری های زمینی و اطلاعات مربوط به محصول سال قبل، همه با هم برای پیش بینی میزان یک یا چند نوع محصول دریک منطقه می توانند تجزیه و تحلیل شوند.

جنگلداری و مدیریت حیات وحش:

به وسیله یک سیستم اطلاعات جغرافیایی نقشه جنگل ها می توانند دائماً وبطور پیوسته به روز شوند.همچنین GISمی تواند برای ذخیره و تجزیه و تحلیل اطلاعات جنگل از قبیل محاسبه مقدار چوب قابل برداشت از یک منطقه، بررسی چگونگی توزیع آتش سوزی در جنگل و یا ارزیابی برنامه های مختلف برداشت چوب، بکار رود، در حالی که انجام بسیاری از این تجزیه و تحلیل ها بدون بکار گیری GISامکان پذیر نمی باشند.

کاربرد های شهری:کاربرد های شهری GIS عبارتند از جمع آوری، به روز در آوردن، پردازش و توزیع داده های مربوط به زمین های شهری به طور سیستماتیک، تصمیم گیری های اقتصادی، قانونی و فعالیت های مختلف برنامه ریزی مانند توسعه شهر سازی و برنامه ریزی شهری در استانهای مختلف

تجارت: محلها و سیستم های تحویل مناسب درامورتجاری.

صنعت حمل و نقل، ارتباطات و …: کاربرد GISدر صنعت می تواند به عنوان نمونه،تعیین مسیر ترانزیت کالا، تعیین موقعیت مناسب برای احداث جاده ها، خطوط نیرو،سیستم های مخابراتی و…. باشد.

سازمانها: استفاده در کلیه اموراستانها به صورت محلی و استانی

سرویسهای اضطراری: مثل آتشنشانی و پلیس

نظامی:استفاده دربرنامه ریزی های نظامی

تعلیم و تربیت:(تحقیق، آموزش ابزار و نظارت)

از طرفی کاربران GIS در تمام سطوح وجود دارند، به طوری که مدیران، طراحان، برنامه‌ریزان، کارشناسان و حتی شهروندان عادی قادر خواهند بود از مزایای این سیستم بهره مند گردند.

6) فرآیند تحلیل اطلاعات در سیستم اطلاعات جغرافیایی

جی‌آی‌اس یک سیستم رایانه‌ای است که چهار قابلیت اساسی را در رابطه با داده‌های زمین مرجع فراهم می‌آورد.

1. ورودی داده‌ها

2. مدیریت داده‌ها

3. پردازش و تحلیل داده‌ها

4. خروجی داده‌ها

1-6) ورورد داده:

در حقیقت داده ها قلب GIS محسوب می شوند.هر چقدر ما داده های قویتر، به روزتر و قابل اعتمادتری داشته باشیم به همان میزان آنالیزهای تصمیم گیری و پیشبینی های ما به واقعیت نزدیکتر هستند. در این پایگاهها به پرسش هایی از قبیل چه شکلی است؟ کجاست؟ و چگونه به دیگر اشکال مرتبط می شود، پاسخ داده می شود.

قبل از آنکه اطلاعات مکانی بتوانند وارد محیط GIS شده و مورد استفاده قرار گیرند می بایست این اطلاعات به فرمت و ساختار رقومی قابل قبول سیستم GIS تعدیل شوند.

منابع تولید کننده اطلاعات مورد نیاز یک سیستم GIS عبارتند از:

1-تصاویر ماهواره ای و تکنیک های سنجش از دور

2-عکس های هوائی و تکنیک های فتوگرامتری

3-نقشه برداری کلاسیک

4-سیستم GPS

5-اسناد، مدارک و نقشه های موجود

6-مفاهیم و روش های رقومی سازی

در روش های نوین تهیه نقشه تکنیک های کامپیوتری نقش مهمی را ایفا می کنند. بسیاری از سازمانهای تهیه نقشه در راه اندازی سیستم اطلاعات جغرافیایی ، سیستم های نوین تهیه نقشه با استفاده از کامپیوتر را بکار می گیرند با بکارگیری چنین سیستم هایی، اولین و مهمترین مرحله عبارت است از تبدیل اطلاعات نقشه از حالت خطی و غیر رقومی به شکل رقومی و سازگار با کامپیوتر تکنیک تبدیل نقشه های سنتی کاغذی یا سایر مدارک گرافیکی به داده های رقومی سازگار با کامپیوتر را رقومی سازی ( DIGITIZING) می نامند.

چرا DIGITI ( رقومی کردن) می کنیم؟

تبدیل اطلاعات نقشه های موجود به شکل رقومی و سازگار منطقی تر و کم هزینه تر در صرف زمان و هزینه برای تکرار برداشت داده ها می باشد به عبارتی دیگر با رقومی سازی نقشه های موجود از انجام دوباره کاری ها و صرف هزینه های گزاف جلوگیری خواهد شد حتی اگر اطلاعات نقشه ها بهنگام نباشند تکنیک رقومی سازی بمراتب اقتصادی تر است زیرا بهنگام سازی نقشه های رقومی که در محیط کامپیوتری ذخیره شده اند نسبت به بهنگام سازی نقشه های سنتی کاغذی کار آمدتر بوده و زمان بهنگام سازی و همچنین هزینه ها را کاهش خواهد داد.

مثلا بسیاری از نقشه های خطی موجود در سیستم انگلیسی تهیه شده اند برای استفاده از این نقشه ها در سیستم متریک لازم است سیستم اندازه گیری انگلیسی به سیستم متریک تبدیل شود. در مرحله رقومی سازی این تبدیل را می توان به سادگی انجام داد.

انواع روش های رقومی سازی

بر اساس دستگاههایی که برای دیجیتایز کردن بکار می روند سه روش رقومی کردن را می توان نام برد.

1.دیجیتایز مستقیم یا رقومی سازی دستی: در این روش اپراتور با استفاده از یک CURS- Rدستی تمامی المانها و عوارض نقشه را ردیابی کرده و مختصات تمامی عوارض ثبت و ذخیره می گردد نتیجه این روش یک فایل رقومی در سیستم برداری می باشد.

2.روش دوم دیجیتایز با استفاده از اسکنر (SCANNER) می باشد.تمامی سطح نقشه نقطه به نقطه توسط SENS- Rاسکنر در راستای خطوط موازی و بصورت منظم اسکن شده و نقشه به صورت خودکار به اطلاعات رقومی تبدیل می گردد. البته باید توجه داشت که نتیجه این روش یک فایل رقومی رستری خواهد بود.

3.روش سوم دیجیتایز کردن از روی صفحه مانیتور است که خیلی شبیه به روش DIGITIZEمستقیم می‌باشد تفاوت عمده این روش با روش دیجیتایز مستقیم در این است که ابتدا نقشه توسط اسکنر، اسکن شده و پس از اسکن دیجتایز کردن عوارض از روی صفحه مانیتور آغاز می گردد.

2-6) مدیریت داده‌ها

مدیریت داده مهمترین مولفه GIS می باشد که تمام مراحل را در بر می گیرد . حفاظت داده ها ، صحت و دقت داده ها ، تفاوت صحت و دقت ، ذخیره اصولی و دسترسی اسان به داده ها ، نگهداری موثر داده ها .

به محض ورود داده در GIS ، ضرورت مدیریت آن مطرح می شود.

شکل گیری روش مدیریت داده ، به عواملی از جمله ساختار داده ، ذخیره سازی و حفاظت داده ، بازیابی و به اشتراک گذاری آن بستگی دارد.

3-6)پردازش و تحلیل داده‌ها

عملیات پردازش داده ها ، روش هایی هستند که از آن طریق می توان داده های خام را به اطلاعات قابل قبول تبدیل و با تحلیل اصولی آن ها مدل های قابل استنادی را طراحی کرد .

داده های خام ، معمولا قابل تفسیر نیست ، به عنوان مثال یک فایل اولیه توپوگرافی رقومی ، حاوی داده های ارتفاعی با صفات متعدد ، به خودی خود اطلاعات مورد نیاز را به دست نمی دهد مگر آن که برای تجزیه و تحلیل و تفسیر آن ، ساعت ها وقت صرف نمود . با استفاده از روش پردازش داده هاست که می توان لایه های شیب و جهت را از داده های اولیه مشتق نمود .

در مرحله بعدی داده ،مرحله پردازش را طی نموده است و توسط توابعی آماده برای پذیرش مدل می شوند .برای مثال تهیه لایه شیب از مدل رقومی ارتفاع

4-6)خروجی داده‌ها

جدول ، تصاویر ، نقشه های دو بعدی و سه بعدی، گزارش ، تصاویر متحرک.

خروجى داده ها روندى است که توسط آن اطلاعات حاصل از GIS به یک شکل مناسب جهت استفاده کاربر ارائه مى شود. که شامل جدول ، تصاویر ، نقشه های دو بعدی و سه بعدی، گزارش ، تصاویر متحرک و ....

و همچنین خروجی GIS می تواند ورودی سیستمهای دیگر قرار گیرد.برای مثال بانک داده جغرافیایی می تواند در نرم افزارهای مدیریتی مورد استفاده قرار گیرد.