اجزای GIS

یک دیدگاه کلی این است که GIS عمدتاً شامل سخت افزار، نرم افزار، داده ها، کاربران و رویه‌ها یا روش هاست ( داکر و کیجرن، ۱۹۸۹ و لانگ لی و همکاران، ۲۰۱۱). سخت افزار دستگاهی است که GIS روی آن کار می‌کند یا از آن استفاده می‌شود. امروزه GIS بر روی طیف وسیعی از دستگاه‌ها از سرورهای رایانه ای متمرکز تا رایانه‌های شخصی، لپ تاپ هاف تبلت ها، دستگاه‌های داخل خودرو و تلفنهای همراه اجرا می‌شود. نرم افزار مجموعه ای از برنامه‌های کامپیوتری، الگوریتم‌ها و داده‌های مرتبط است که عملیات GIS را هدایت می‌کند. هر عملیات GIS شامل داده است. عملیات GIS ممکن است یک نقشه (مجموعه داده) را به عنوان ورودی دریافت نموده و یک نقشه جدید (مجموعه داده جدید) را به عنوان خروجی تولید نماید. داده‌ها تهیه و برای حل مسائل یا اهداف تحقیقاتی خاص وارد GIS می‌شوند. افراد از GIS استفاده می‌کنند. آنها ممکن است توسعه دهندگان سیستم باشند که سیستم GIS را طراحی و توسعه می‌دهند، یا مدیران سیستم که آنرا مدیریت و نگهداری می‌کنند، یا کاربران نهایی که از آن به عنوان ابزاری برای انجام تجزیه و تحلیل مکانی و تفسیر نتایج استفاده می‌کنند. وقتی GIS در زمینه سازمانی اداره می‌شود باید روش‌هایی شامل تسهیلات نهادی، برنامه‌ها و پروتکلهای اجرایی ایجاد شوند تا اطمینان حاصل شود که سیستم GIS از فرآیندهای سازمانی به طور موثرتری پشتیبانی می‌کند و به طور مناسب در کل استراتژی و عملیات تجاری ادغام شده است. روشهای رسمی برای طراحی و پیاده سازی GIS در یک سازمان توسعه یافته است ( هارمون و آندرسون، ۲۰۰۳ و سوگارباکر، ۲۰۰۵ مراجعه نمائید). موارد از حوصله این کتاب خارج بوده و در اینجا بر اجزای عملکردی GIS تمرکز می‌کنیم. معمولا

GIS  شامل شش جزء کاربردی است :

1. ورودی داده‌های فضایی
2. ذخیره سازی و مدیریت داده‌های مکانی
3. ویرایش داده‌های مکانی
4. تجزیه و تحلیل داده‌های مکانی
5. خروجی داده‌های فضایی
6. رابط ها

مؤلفه‌ها در سه سطح سازماندهی شده‌اند : لایه رابط، ردیف ابزار و ردیف مدیریت داده (شکل ۲-۱).

شکل ۱-۲ اجزای عملکردی GIS

ورودی داده‌های مکانی

مولفه‌های ورودی داده‌های مکانی امکاناتی را برای ضبط داده‌های مکانی از نقشه‌های آنالوگ موجود، عکس‌های هوایی و تصاویر ماهواره ای و تبدیل آنها به شکل دیجیتالی یا وارد نمودن داده‌های دیجیتالی مکانی دیگر پایگاه‌های داده مکانی یا وارد کردن داده‌های مکانی اخذ شده از نظرسنجی یا نمونه برداری یا از سایر منابع داده فراهم می‌کند.

ذخیره و مدیریت داده‌های مکانی

این جزء شامل پایگاه داده مکانی یا چندین پایگاه داده مکانی است و وظیفه مدیریت داده‌های مکانی از جمله ذخیره داده‌های فضایی، بازیابی و ویرایش را برعهده دارد. پس از وارد نمودن داده‌های فضایی، آنها در پایگاه داده مکانی ذخیره و سازماندهی می‌شوند به گونه ای که به راحتی قابل دسترسی و بازیابی سریع باشند. این مولفه‌ها ابزارهای ویرایشی خاصی را برای به روز رسانی و ویرایش داده‌های مکانی ارائه می‌دهند. به عنوان مثال مواردی شامل افزودن مشاهدات تصادفی جدید از حیات وحش به پایگاه داده فضایی، حذف ایستگاه جنگلی که از نقشه جنگل پاک شده است، تغییر شکل دریاچه بر اساس بررسی‌های جدید داده‌ها یا تشخیص و تصحیح خطاهایی که در حین ثبت اطلاعات رخ داده است می‌باشند.

ویرایش داده‌های مکانی

جزء ویرایش شده داده‌های مکانی ابزارهایی را برای تغییر و تبدیل داده‌های مکانی فراهم می‌کند که به عنوان مثال شامل تبدیل سیستم مختصات مورد استفاده برای ثبت مکانها در یک مجموعه داده فضایی، ادغام صفحات نقشه مجاور به یک نقشه واحد، زیر مجموعه داده‌های مکانی و غیره می‌باشند. فصول ۲ و ۳ بحث‌های مفصلی در مورد ورودی داده‌های فضایی، مدیریت داده‌های مکانی و عملکردهای ویرایش ارائه می‌دهند.

تجزیه و تحلیل داده‌های مکانی

این جزء GIS قابلیت تجزیه و تحلیل ارائه می‌دهد. این جزء شامل مجموعه ای از ابزارها یا عملکردهای تجزیه و تحلیل داده‌های مکانی است که به کاربران امکان می‌دهد الگوها، تداعی‌ها و تعاملات پدیده‌های محیطی و همچنین شواهدی از تغییرات آنها در طول زمان و مکان را کشف کنند. این ابزارها همچنین می‌توانند برای برآورد پارامترها و تعیین محدودیت برای مدلهای مختلف محیطی بکار گرفته شوند. توابع معمول تجزیه و تحلیل داده‌های مکانی در GIS شامل سوالات مکانی، اندازه گیری هندسی، اندازه گیری بافر و مجاورت، تجزیه و تحلیل پوشش، تجزیه و تحلیل سطح، تجزیه و تحلیل شبکه، تجزیه و تحلیل تصویر و آمار مکانی است.

توابع سوالات مکانی برای بازیابی یا استخراج داده‌ها از پایگاه داده مکانی بر اساس موقعیت‌ها ، روابط مکانی (به عنوان مثال مجاورت، اتصال، پیوستگی، جهت و مهار) یا ویژگیهای غیر مکانی استفاده می‌شود. آنها برای بررسی داده‌ها و نتایج و تهیه نقشه‌های موضوعی برای نمایش توزیع یا الگوی ویژگیهای جغرافیایی خاص مفید هستند. به عنوان مثال می‌توان از توابع سوالات مکانی برای یافتن همه ساختمانها در دشت سیل ۱۰۰ ساله یا جستجوی همه مخازن سپتیک در فاصله ۵۰ متری رودخانه‌ها استفاده نمود. توابع اندازه گیری هندسی، خواص هندسی موارد جغرافیایی مانند طول، محیط، مساحت، شکل، جهت، مرکز و فاصله را محاسبه می‌کنند. اینها به ویژه برای محاسبه معیارها و شاخص‌های مد نظر مانند اندازه تکه، فاصله نزدیکترین همسایه، شاخص شکل، فشردگی شکل و تکه تکه شدن منظره و برای توصیف ساختارهای آن و فرآیندهای مختلف اکولوژیکی در سطح منظره یا اکوسیستم مفید هستند.

شکل ۱-۳ اندازه گیری بافر و اطراف : (الف) ۵۰ متر بافر در اطراف

نهرها و (ب) مجاورت با نهرها

توابع اندازه‌گیری بافر و مجاورت برای ترسیم مناطق فیزیکی با فاصله معین در اطراف ویژگی‌هایی که بافر نامیده می‌شوند و محاسبه فاصله از یک ویژگی یا ویژگی‌ها در تمام نقاط اطراف استفاده می‌شوند. به عنوان مثال می‌توان از تابع بافر برای ایجاد ۵۰ متر بافر در اطراف نهرها و تعیین مناطق حائل تحت عنوان مناطق حفاظت از پوشش گیاهی ساحلی استفاده کنیم (شکل ۳a-1) یا از تابع اندازه گیری مجاورت برای محاسبه فاصله از هر مکان تا نهرها و تهیه نقشه مجاورت استفاده نمود (شکل ۳b-1).

توابع تجزیه و تحلیل همپوشانی به کاربران اجازه می‌دهد تا نقشه‌های متعددی از موضوعات مختلف را بر اساس جغرافیای مشترک خود روی هم بچینند تا تناسب بین این موضوعات را بررسی کرده، ارتباطات مکانی بین آنها را شناسایی کرده یا مدلسازی محیطی را با استفاده از تمها به عنوان پارامترهای ورودی انجام دهند. به عنوان مثال ممکن است نقشه پوشش زمین را بر روی نقشه خاک از طریق عملیات همپوشانی قرار داد تا نوع پوشش زمین را با انواع خاک (شکل ۴-۱)، مشاهده تصادفی گونه‌های گیاهی کمیاب را با تعدادی از عوامل محیطی از طریق تجزیه و تحلیل پوشش برای ایجاد ارتباط مکانی بین وقوع گونه‌های گیاهی و هر یک از عوامل محیطی، استفاده از مدل فرسایش خاک در خاک، پوشش گیاهی و شیب از طریق عملیات پوشش برای استخراج نقشه و پتانسیل فرسایش خاک مطابقت داد. بنابراین عملیات همپوشانی می‌توانند با الگوهایی برای مدلسازی پیچیده محیطی استفاده شوند. علاوه بر این تحلیل همپوشانی می‌تواند برای ترکیب یک سری زمانی از نقشه‌های موضوعی برای شناسایی و اندازه‌گیری تغییرات زمانی در پدیده‌ها مانند تغییرات کاربری زمین در طول زمان استفاده شود.

توابع تجزیه و تحلیل سطح برای برآورد، توصیف و تجزیه و تحلیل متغیرهای محیطی که ارزش آنها به طور مداوم در سراسر فضای جغرافیایی تغییر می‌کند مانند دمای اتمسفر، آلاینده‌های هوا، رطوبت خاک و زمین مورد استفاده قرار می‌گیرند. این گروه از توابع عملکردهایی را برای استخراج ویژگی‌های سطحی مانند شیب، ابعاد و انحناء ها، حجم محاسباتی، تکمیل کردن برش، مشخصات و قابلیت مشاهده را فراهم می‌کنند. آنها ابزارهای اساسی برای مدلسازی زمین، جو و هیدرولوژیکی هستند. شکل ۱-۵ نمونه ای از سطح زمین و شیب سطح و نقشه مناظر را ارائه می‌دهد.

توابع تجزیه و تحلیل شبکه برای تجزیه و تحلیل حمل و نقل کالاها، خدمات، انرژی، اطلاعات و بسیاری از مواد دیگر یا حتی افراد در سراسر شبکه‌هایی مانند لوله‌های تامین آب، شبکه‌های جریان و خیابان استفاده می‌شوند. آنها می‌توانند برای مسیریابی بهینه که زمان سفر، فاصله، هزینه یا سایر توابع هدف را به حداقل می‌رساند بکار روند (به عنوان مثال یافتن مسیر مطلوب توزیع منابع آب و تعیین سریعترین مسیر برای انتقال خدمات اضطراری) و همچنین برای ارزیابی دسترسی به برخی منابع در یک شبکه یا تعیین اینکه کدام تأسیسات مثل تأسیسات ذخیره آب در شبکه آبرسانی بر اساس آنها کار می‌کنند و تعامل بالقوه با نقاط تقاضای آب، مانند مصرف کنندگان آب (مثلا خانه‌های شخصی، موسسات صنعتی یا تجاری) و سایر نقاط مصرف آب (مانند شیر آتش نشانی) بکار روند. شکل ۱-۶ دو نمونه از تحلیل شبکه را نشان می‌دهد.

شکل ۱-۴ آنالیز پوشش : شناسایی انواع خاک تحت انواع پوشش زمین

شکل ۱-۵ تجزیه و تحلیل سطح : (الف) سطح زمین، (ب) شیب و (ج) مناظر.

توابع تجزیه و تحلیل تصویر برای استخراج اطلاعات بیوفیزیکی از تصاویر سنجش از راه دور از جمله عکس‌های هوایی و تصاویر ماهواره ای که از منابع اولیه داده‌ها برای مطالعات محیط زیستی هستند، استفاده می‌گردد. سه گروه از توابع تجزیه و تحلیل تصویر در دسترس هستند. عملکردهای پیش پردازش تصویر با هدف تصحیح تصاویر مخدوش یا تخریب شده برای ایجاد نمایش دقیقتر از صحنه‌های اصلی انجام می‌شود. آنها اغلب قبل از تجزیه و تحلیل تصویر اصلی و استخراج اطلاعات مورد نیاز هستند. توابع افزایش تصویر برای بهبود ظاهر یک تصویر به منظور کمک به تفسیر و تجزیه و تحلیل بصری استفاده می‌شود. آنها شامل تکنیک‌هایی برای افزایش تمایزهای بصری بین ویژگیهای یک تصویر هستند بنابراین مقدار اطلاعات قابل تفسیر بصری را از تصویر افزایش می‌دهند (شکل ۱-۷).

آمار مکانی ابزارهایی برای اندازه گیری توزیع‌ها و روابط فضایی، شناسایی الگوهای مکانی و تشخیص خوشه‌های مکانی ارائه می‌دهد. آنها برای تجزیه و تحلیل تغییرات در مقدار متوسطی از ​​یک رویداد یا یک فرایند در فضا و کشف همبستگی یا وابستگی مکانی در رویداد یا فرایند بکار می‌روند به عنوان مثال می‌توان از آمار مکانی برای پاسخ به سوالات زیر استفاده کرد : آیا موارد سرطان تمایل شگفت انگیزی برای تجمیع با هم نشان می‌دهند؟ آیا میزان بروز سرطان از نظر مکانی متفاوت است؟ آیا میزان بروز سرطان در نزدیکی یک مکان خاص افزایش می‌یابد؟ آیا نرخ بروز سرطان از نظر مکانی با غلظت آلاینده‌های موجود در هوا مرتبط است؟ همه این سوالات را می‌توان به عنوان فرضیه‌هایی برای آزمایش با استفاده از آمار مکانی بیان کرد.

توابع تجزیه و تحلیل داده‌های مکانی ذکر شده در بالا می‌تواند به عنوان ساختار سازه مدل برای ساخت مدلهای محیطی استفاده شود. به عنوان مثال در مثال شرح داده شده در کادر ۱-۱ یک مدل پیش بینی برای پیش بینی فراوانی گوزن سمبار توسعه داده شد که به صورت زیر بیان می‌شود :

شکل ۱-۶ تجزیه و تحلیل شبکه : (الف) مسیریابی یافتن مسیر بهینه و (ب) تخصیص ناحیه، یافتن نزدیکترین پیوندهای شبکه به یک مرکز

شکل ۱-۷ طبقه بندی تصویر : (الف) تصویر ماهواره ای لندست و (ب) نقشه پوشش زمین برگرفته از (الف). منبع تصویر: سازمان زمین شناسی ایالات متحده

جایی که Y تعداد قرصهای مدفوع گوزن سمبار پیش بینی شده است (فورسیث و همکاران ۲۰۰۷). این مدل را می‌توان با استفاده از توابع سنجش نزدیکی و تحلیل سطح به عنوان اجزای سازنده ساخت و از طریق جبر نقشه پیاده سازی نمود. جبر نقشه یک ابزار منحصر به فرد و قدرتمند GIS برای استفاده از نقشه‌ها به عنوان متغیر و عملیات جبری (مثلا جمع، تفریق، توان، ورود، رادیکال و کسینوس) برای تشکیل معادلات ریاضی مشابه جبر معمولی است. این ابزار اصلی مدلسازی محیط در GIS را ارائه می‌دهد. ما در مورد تجزیه و تحلیل داده‌های مکانی و مدلسازی به تفصیل در آن بحث خواهیم کرد ( فصل ۴ ،۵ ،۶ ،۷ و_bookmark985 9).

برگرفته از کتاب کاربرد GISدر محیط زیست

ترجمه:سعید جوی زاده،شهناز تیموری،فاطمه حسین پور فرزانه