اصول و مفاهیم پایه GIS(جی آی اس)

GIS چیست؟

 (جی آی اس) GIS سیستمی است که باعث سرعت بخشیدن به پردازش داده ها و اطلاعات جغرافیایی شده و به کمک آن می توان آنالیز، تغییر، ضبط و مشاهده اطلاعات را انجام داد.

GIS (جی آی اس) مجموعه ای از نرم افزارها و سخت افزارها، داده ها، متخصصین و مدلها جهت اخذ، ذخیره سازی، بازیابی، پردازش و نمایش داده های مرجع شده مکانی جهت تصمیم گیری برای حل یک مشکل میباشد.

استفاده از این سیستم روز به روز در حال گسترش بوده و لازم است که این فناوری درکشور ما نیز در همه زمینه های مرتبط رشد مناسب داشته باشد.

What is GIS ?

روشی برای مشاهده، جابجایی ، تجزیه و تحلیل و نمایش داده های مکانی و فضایی

(A method to visualize, manipulate, analyze, and display spatial data)

سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) یا جی آی اس یک سیستم کامپیوتر مبنا می باشد که به عنوان یک مجموعه متشکل از سخت افزار، نرم افزار، اطلاعات جغرافیایی، نیروی انسانی و مدلهای پردازش داده، به منظور تولید، ذخیره سازی، نمایش، بازاریابی، پردازش، بهنگام رسانی و… اطلاعات جغرافیایی مربوط به عوارض و پدیده های مختلف، مورد استفاده قرارمی گیرد.

به عبارت دیگر،  جی آی اس (GIS ) یک سیستم حامی تصمیم گیری است که به صورت وسیع در زمینه بهینه سازی فعالیتها و فرآیندهای مختلف، مورد استفاده قرار می گیرد.

ویژگیهای یک سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS):

GIS (جی آی اس) به سادگی یک سیستم کامپیوتری صرفاً برای تولید نقشه نیست گرچه قادر به تولید انواع نقشه ها در مقیاس های مختلف و در سیستم های تصویر متفاوت و با رنگهای متنوع می باشد.

GIS (جی آی اس) یک ابزار تحلیلی اطلاعات فضائی است. مهمترین ویژگی این سیستم اینست که امکان شناسائی روابط فضائی میان عوارض مختلف روی نقشه را فراهم می سازد.

GIS (جی آی اس)  صرفاً وسیله ای برای ذخیره و نگهداری نقشه نیست (ثبت اسناد نقشه ای)، بلکه ابزاری است که برای اهداف خاصی، اطلاعات را نیز ذخیره می سازد.

GIS (جی آی اس) اطلاعات مکان دار فضائی را با اطلاعات جغرافیائی یک پدیده خاص روی نقشه مرتبط می سازد. اطلاعات به شکل عوارض جغرافیائی در کامپیوتر ذخیره می شود.مثلاً شبکه راهها بایک سری خطوط روی نقشه مشخص می گردد که به تنهائی اطلاعات چندانی راجع به جاده ارائه نمی کند. برای دستیابی به اطلاعات مربوط به جاده ها مانند عرض جاده، نوع جاده، طول جاده، سال احداث و غیره بایستی به پایگاه اطلاعاتی مربوطه مراجعه نمود و سپس با تلفیقی از این دو نوع اطلاعات، نقشه جدیدی با اطلاعات بیشتر تولید نمود.

به عبارت ساده، یک GIS (جی آی اس) صرفاً نقشه با عکس ها را نگهداری نمی کند، بلکه یک پایگاه اطلاعاتی با توجه به کلیه اصول و معیارهای فنی و علمی آن ایجاد می نماید. مفهوم پایگاه اطلاعاتی در یک سیستم اطلاعات جغرافیایی(GIS) بسیار مهم است و آن را از یک سیستم ساده یا کامپیوتری نقشه کشی متفاوت می سازد. در (جی آی اس) GIS سیستم مدیریت اطلاعات نیز به صورت جزء پیوسته آن در آمده است.

توانایی های سیستم جغرافیایی چیست؟

هر سیستم جغرافیایی به سوالات پایه زیر باید جواب بدهد

پدیدهA در کجا قرار دارد؟

پدیده A در رابطه با مکان B در کجا قرار دارد؟

چند پدیده از نوع A در فاصلهD ازمکانB قرار دارد؟

بزرگی مکان A وB چقدر است؟

پدیدهA چه مشخصاتی دارد (اطلاعات توصیفی)؟

چه پدیده هایی با مشخصات توصیفی معین در نزدیکی پدیده A قرار دارند؟

قابلیت های GIS (سامانه اطلاعات جغرافیایی):

سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) ابزاری نیرومند و قدرتمند برای کار با داده های مکانی و توصیفی با حجم بسیار بالا می باشد.

به دلیل قابل اجراء بودن و استفاده از رایانه، عملیات های مورد هدف، دارای دقت، سرعت بالاتر و از هزینه کمتری برخوردار هستند.

امکان ورود داده ها از منابع مختلف، تصحیح، مدیریت و به روز رسانی داده ها از توانایی های این سیستم می باشد.

امکان نگهداری و بازیابی حجم عظیمی از داده ها با سرعت زیاد و هزینه کم با استفاده از قابلیت های کامپیوتری در (جی آی اس) GIS وجود دارد.

متخصصین و برنامه ریزان امکان دستیابی به اطلاعات در وسعت زیاد و تلفیق آنها با یکدیگر در حداقل زمان را دارا میباشند.

امکان انجام آنالیزهای پیچیده با مجموعه داده های مکانی (spatial) و غیر مکانی (non-spatial) بصورت توام، مهمترین قابلیت سیستم های اطلاعات جغرافیایی (جی آی اس) می باشد که آنرا از دیگر سیستم های گرافیکی کامپیوتری مجزا می کند

برخی کاربردهای GIS :

۱- تهیه نقشه های کاربری اراضی و ارزیابی مالیات

۲- مدیریت شبکه های انتقال آب و فاضلاب

۳- کاربرد در مدیریت انتظامی و پلیس

۴- تحلیل برنامه های مقابله با بلایای طبیعی و مدیریت بحران

۵- حمل و نقل و ترافیک

۶- مکان یابی محل های مناسب احداث آنتن های تلفن همراه

۷- مکان یابی مسیرهای خطوط انتقال نفت و گاز و خطوط انتقال نیرو

۸- مدل سازی خطوط انتقال برق برای حداقل سازی افت نیرو در شبکه

۹- کاربرد در حوزه های متنوع ارزیابی و مدیریت محیط زیست

۱۰- کاربرد موثر در هواشناسی و کشاورزی

۱۱- مکان یابی مراکز تجاری با حداکثر سود و ملاحظات قانونی و زیست محیطی

۱۲- کاربرد در مهندسی منابع طبیعی

۱۳- کاربرد در زمین شناسی و ژئومورفولوژی

۱۴- کاربرد در مدیریت و برنامه ریزی کلان شهری

۱۵- کاربرد در مهندسی و طراحی و علوم محیط زیست

۱۶- کاربردهای نظامی و صنعتی

محاسن و معایب GIS(سامانه اطلاعات جغرافیایی) :

محاسن:

فشرده بودن اطلاعات به لحاظ حجم

هزینه پایین در واحد کار یا سطح

قابلیت تکرار

امکانات خوبی برای تغییر و دستکاری داده ها

امکان ترکیب اطلاعات توصیفی و مکانی

امکان تجزیه و تحلیل فرضیه ها و مدل های مختلف

امکان ارائه اطلاعات توصیفی

امکان انجام پردازش های دقیق و پیچیده مورد نیاز طرح های چند منظوره

معایب:

بالا بودن سرمایه گذاری اولیه

هزینه بالای نگهداری سیستم

مشکلاتی در حفاظت داده ها

وظایف اصلی یک سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) :

یک سیستم اطلاعات جغرافیایی ( GIS)، اصولاً پنج فعالیت اصلی زیر را شامل می‌شود‌:

 ورود اطلاعات

  دستکاری و ویرایش اطلاعات

  مدیریت اطلاعات

   پرسش و پاسخ و تجربه و تحلیل اطلاعات

  نمایش اطلاعات

وظایف اصلی یک سیستم اطلاعات جغرافیایی (جی آی اس):

یک سیستم اطلاعات جغرافیایی ( GIS)، اصولاً پنج فعالیت اصلی زیر را شامل می‌شود‌:

·     ورود اطلاعات

·     دستکاری و ویرایش اطلاعات

·     مدیریت اطلاعات

·     پرسش و پاسخ و تجربه و تحلیل اطلاعات

·     نمایش اطلاعات

زیرسیستم های سیستم اطلاعات جغرافیایی GIS:

۱- زیر سیستم دریافت و وارد کردن اطلاعات(Data entry): سخت افزارها و نرم افزارهای مختلف برای وارد کردن اطلاعات از دنیای واقعی به سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) بکار میروند شامل دیجیتایزر و اسکنر

۲- زیر سیستم ذخیره سازی و سازمان دهی داده ها(Database Management System) یا (DBMS): سازمان دهی و مدیریت داده هایی که به هر طریق وارد سیستم شده اند.

۳- زیر سیستم تجزیه و تحلیل اطلاعات (Data manipulation and analysis): با توجه به هدف و تصمیم گیری برای برنامه ریزی داده های سازمان دهی شده را مورد تجزیه و تحلیل های مختلف مکانی و توصیفی قرار داده و اطلاعات جدیدی کسب و استخراج می نمائیم.

۴- زیر سیستم خروجی و ارائه نتایج(Data output): این زیر سیستم ها به ما امکان نمایش اطلاعات وارد شده و اطلاعات پردازش و کسب شده در قالب فرمتهای مختلفی می دهد همانند مانیتور، پلاتر، پرینتر و نمایش گر های رقومی

منابع تولید کننده اطلاعات مورد نیاز یک سیستم اطلاعات جغرافیایی GIS :

تصاویر ماهواره ای و تکنیکهای سنجش از دور

عکسهای هوایی و تکنیکهای فتوگرامتری

نقشه برداری کلاسیک

سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS)

اسناد، مدارک و نقشه های موجود

دستکاری اطلاعات:

استفاده از انواع داده و اطلاعات مورد نیاز یک پروژه خاص GIS (جی آی اس)، نیازمند تبدیل و دستکاری آن اطلاعات به منظور قابل استفاده نمودن آنهادر سیستم می باشد.

به عنوان مثال، اطلاعات جغرافیایی در استانداردهای مختلف وجود دارند و به منظور استفاده از آنها درGIS می بایست اطلاعات فوق قبل از یکپارچه سازی در محیط نرم افزار GIS، به یک استاندارد واحد، تبدیل شوند.

مدیریت اطلاعات:

برای پروژه های کوچک GIS (جی آی اس)، امکان ذخیره سازی و مدیریت اطلاعات جغرافیایی در قالب فایلها و اطلاعات ساده وجود دارد. ولیکن هنگامیکه حجم اطلاعات زیاد باشد و همچنین تعداد کاربران سیستم از یک تعداد محدود فراتر می‌رود، بهترین روش برای مدیریت اطلاعات، استفاده از سیستم مدیریت پایگاه داده (Database Management System) می باشد.

DBMS به منظور ذخیره سازی، سازماندهی و مدیریت اطلاعات جغرافیایی در GIS مورد استفاده  قرار می گیرد.

مدلهای پایگاه داده مختلفی از قبیل؛ سسله مراتبی، شبکه ای، رابطه ای، شئ‌گرا و …، وجود دارد که از این میان، مدلهای داده رابطه ای (Relational) و شئ گرا (Object Oriented) به صورت وسیع در نرم افزارهای GIS مورد استفاده قرار می گیرند.

کیفیت داده ها:

کیفیت تابعی است از صحت(accuracy)، دقت(precision) و نامعلومی(uncertainity).

صحت یعنی نزدیکی به واقعیت

دقت یعنی دقیق بودن از نظر مشخصه های اندازه گیری که عبارتست از توانایی کسب نتایج یکسان در اندازه گیری های مکرر و

نامفهومی یعنی نامشخص بودن داده از نظر مکانی، توصیفی و زمانی

صحت داده ها:

۱- صحت هندسی داده ها شامل:

صحت شکل هندسی، صحت موقعیت بر روی نقشه در مقایسه با موقعیت در روی زمین.

صحت مکانی داده ها بسته به روش کسب، بزرگی منطقه و نوع داده متفاوت است.

۲- صحت موضوعی داده ها برمی گردد به کیفیت موضوعی و توصیفی داده ها.

کیفیت داده ها (همسانی و کامل بودن):

همسانی و کامل بودن عبارتند از :

۱) در دسترس بودن داده مورد نیاز برای کل منطقه

۲) برخورداری از ویژگی های همسان نظیر صحت مکانی و توصیفی، سن(زمان داده)، قدرت تفکیک، مقیاس و…

کیفیت داده ها (اعتبار و تناسب):

داده های یک پایگاه داده جغرافیایی بایستی دارای اعتبار مناسب و یکسان باشند.

داده ها ازنظر منبع تامین و تعمیم میبایست مشخص گردند.

اطلاعات درباره داده ها meta data:

داده در مورد داده یا داده اضافی.

کلیه اطلاعات تشریحی در خصوص تاریخ، منبع، تصویر نقشه، مقیاس، اندازه تفکیک، صحت، فرمت، ساختار داده، نحوه دسترسی به داده را گویند.

متادیتا بعنوان مکمل اندکس داده ها.در مورد مجموعه داده های بزرگ نقش تعیین کننده دارد.

انواع داده:

داده های جدولی: آماربرداری ها، مشاهدات صحرایی، اطلاعات تاریخی، داده های هواشناسی، و غیره

داده های گرافیکی: نقشه های آنالوگ مانند نقشه های توپوگرافی و نقشه های مرز سیاسی، نقشه های موضوعی

داده های تصویری: داده های سنجش از دوری شامل اطلاعات ماهواره ها، عکس های هوایی و داده های راداری

داده هایی که در یک محیط GIS(جی آی اس) و سامانه اطلاعات جغرافیایی وارد شوند:

داده های مکانی (spatial data): داده های مکانی موقعیت جغرافیایی عوارض را نشان میدهند. به سه دسته نقطه ای (POINT)، خط (LINE یا SEGMENT) و سطح (POLYGON) تقسیم یندی میشنوند.

داده های غیر مکانی(non spatial data) یا توصیفی (attribte): که مشخصات توصیفی داده های مکانی را بیان مینمایند.

انواع داده‌های توصیفی:

توصیفی فضایی(طول، شکل، مساحت)

زمانی(سن و زمان جمع‌آوری داده‌ها)

موضوعی (ویژگی عوارض )

ساختار و نمایش داده های مکانی در (جی آی اس)GIS :

جهت نمایش داده های مکانی در GIS (جی آی اس) از دو  ساختار برداری و رستری یا شطرنجی استفاده میشود .

در ساختار برداری هر پدیده ای که در جهان طبیعی وجود داردبا مقیاسی  کوچکتر و به وسیله نقطه ، خط و پلیگون  نمایش داده میشود.

در ساختار رستری ، شکل پدیده ها و عوارض بصورت صفحات شطرنجی  در آمده و موقعیت عوارض بوسیله موقعیت سطر و ستونی که در آن قرار میگیرد، مشخص می گردد

ساختار  داده های رستری :

در فرمت برداری تصاویر بصورت سطر و ستونهایی از اعداد با یک عدد /  مقدار رقومی (DN) برای هر سلول ذخیره می گردد. واحدهای نمایش (سلولها) معمولا بصورت مربع هایی با ابعاد یکسان استفاده می شوند.

داده ها  به  دو دسته  پیوسته (مانند تصاویر) و موضوعی  (هر سلول  بیانگر  شکل خاص) قابل تقسیم می باشد.

فرمتهای غالب داده های رستری عبارتند از: TIFF ، GIF ، ERDAS.img  و …

ساختار داده های  برداری:

فرمت برداری این اجازه را به کاربر می دهد تا عوارض جغرافیایی را بصورت واقعی آن  و پیوسته ،  نه  بریده  بریده  مانند  فرمت  رستری  مشخص  نماید در این فرمت اشکال بصورت مجموعه ای از جفت مختصات  x وY ذخیره می گردند.

مدل کردن جهان واقعی در دو فرمت برداری و رستری:

داده های رستری به صورت cell grid می باشند.

اجزاء ساختار  داده های  برداری  و رستری:

داده های برداری از سه جزء اصلی زیر تشکیل می گردند :

اما اساس تشکیل داده های رستری سلولها هستند

مقایسه  داده های  برداری  و رستری:

مزایای رستری :

 ساختار  داده  ساده ای دارد.

عملیات همپوشانی به آسانی و به شکل مؤثر  اجرا میشود.

 اکثرداده ها بخصوص تصاویر  ماهواره ای  از  نوع  رستری   می باشند .

مزایای برداری :

 ساختار داده آن از مدل رستری جمع و جورتر است

مدل برداری برای پشتیبانی گرافیکهاییکه  به   نقشه   دستی   نزدیک   هستند مناسب تر میباشد.

توصیفات متعددی به آن قابل اتصال است

معایب رستری :

در  تفکیک  پذیری های  بالا نیاز  به حجم زیادی دارند.

فقط یک داده توصیفی را میتوان  به آن اتصال داد.

نمایش  ارتباطهای  توپولوژی  در   این  مدل  مشکل  است.

معایب  برداری :

ساختار  داده  مدل  برداری  از مدل رسـتری  به مراتب پیچیده تر است .

اجرای عملیات  همپوشانی  مشکل  می باشد

نـمایش  و  ارائـه  تغیـیر پذیری  فضـایی بـطور  مـؤثـر صورت  نمی گیرد.

نمونه هایی ازلایه های موضوعی جنگل:

نقطه ای:

روستاها، محل چشمه ها، گاوسراها، محل دپوی چوب، کمپ های سیار، ساختمان های نگهبانی، ایستگاههای هواشناسی، معادن، مناطق ارتفاعی

خطی:

مرز پارسلها، مرز سری، مرز حوزه، خطوط انتقال برق، مخابرات، جاده های اصلی، جاده های جنگلی، مسیرهای چوب کشی، گسل های زمین شناسی، رودخانه ها ، نهرها و مسیرهای زهکشی، منحنی میزان های ارتفاعی

پلیگونی:

واحدهای اصلی پوشش گیاهی، تیپ های جنگلی، جوامع گیاهی، محدوده های حفاظتی، سطوح قابل بهره برداری، واحدهای زمین شناسی، خاکشناسی، مناطق لغزشی، سطوح جنگلکاری، سطوح بهره برداری شده، دریاچه ها و آبگیرها……

تقسیم بندی پدیده ها از نظر ساختار پیشنهادی:

برای پدیده های نقطه ای ساختار وکتوری بهتر از ساختار رستری است.

برای پدیده های خطی ساختار وکتوری بهتر از ساختار رستری است.

برای پدیده های پلی گونی که دارای سطح میباشد ساختار وکتوری و رستری هر دو مناسب می باشد ولی به دلیل دقت مکانی ساختار وکتوری بهتر است.

برای پدیده های شبکه ای ساختار وکتوری بهتر از ساختار رستری است.

برای پدیده هایی که پیوسته دارای ارزش های متفاوتی هستند ساختار رستری بهتر از ساختار وکتوری می باشد همانند تصاویر ماهواره ای جنگل

سیستم تصویر :

از آنجایی که یک فضای کروی به راحتی قابل استفاده در نقشه خوانی نمی باشد یعنی براحتی نمی توان تمامی یک سطح کره را در یک دید رؤیت کرد و همچنین به علت مشکل بودن اندازه گیری ها روی کره، احتیاج است که فضای سه بعدی را به یک فضای دو بعدی تبدیل نماییم.

برای تبدیل یک شیء سه بعدی به یک تصویر دو بعدی به نام نقشه باید مراحلی را طی کنیم. سیستم تصویر نقشه، ما را برای تبدیل یک فضای سه بعدی به یک تصویر دو بعدی کمک می کند.

تعاریف مختلفی در این رابطه به عنوان سیستم تصویر نقشه ارائه شده است مثل:

سیستم تصویر عبارت است از انتقال شبکه مدارها و نصف النهارات روی فضای کروی زمین بر روی سطح هموار کاغذ.

سیستم تصویر عبارت است از به تصویر درآوردن مدارات و نصف النهارات یک سطح منحنی و کروی بر روی یک سطح مسطح. بر این اساس سیستم های تصویر مختلفی وجود دارد.

انواع سیستم تصویر :

۱) سیستم تصویر استوانه ای             Cylinderical
2) سیستم تصویر مخروطی           Conical
3) سیستم تصویر مسطحاتی                          Azimuthal