چارچوب کلی برای حل مشکلات محیط زیست با GIS

مشکلات محیط زیستی پیچیده و متنوع هستند. اما برخی از ویژگیهای اساسی را دارند از جمله اقدامات انسانی منجر به تغییرات محیطی، نگرانی‌های جامعه در مورد این تغییرات و نیاز به ابزارهایی برای حصول و تجزیه و تحلیل اطلاعات محیط زیستی و روش‌هایی برای پیش بینی واکنش‌های محیطی به اقدامات انسان می‌باشد (آکادمی ملی علوم ۱۹۸۶). همانطور که در بالا مورد بحث قرار گرفت GIS به یک فناوری متحول کننده تبدیل شده است که امکان ادغام، مدیریت، دسترسی، به اشتراک گذاری و تجسم داده‌های محیطی از منابع متعدد را فراهم می‌کند، تجزیه و تحلیل مکانی و اکتشاف الگوها، فرایندها و روندهای محیطی را امکان پذیر می‌کند، امکان پیش بینی تغییرات محیطی یا واکنشهای محیطی را فراهم می‌آورد. به دلیل اعمال انسان، ارتباطات و تصمیم گیری را تسهیل می‌کند. GIS به عنوان یکی از روش‌های علمی برای حل مشکلات محیط زیستی و تصمیم گیری از مشاهده، سنجش و آزمایش سیستماتیک و تدوین، تست و اصلاح فرضیه‌ها با داده‌های مکانی و ابزار تجزیه و تحلیل و مدلسازی پشتیبانی می‌کند. با این حال سودمندی GIS کمتر از عملکرد خود فناوری است تا روشی که در آن کاربرد دارد. الزامات و استفاده از GIS به ماهیت خاص مشکل محیط زیستی و اهداف حل مشکل محیط زیست یا تصمیم گیری بستگی دارد. به طور کلی حل مشکلات محیط زیستی با GIS شامل شش مرحله (اغلب تکراری) است :

1. تعریف مشکل
2. ساختاربندی مشکل
3. یافتن و آماده سازی داده‌ها
4. طراحی فرآیند راه حل
5. اجرای فرایند راه حل
6. اعلام نتایج (شکل ۱-۱۳)

شکل ۱-۱۳ فرایند حل مسئله با GIS

تعریف مشکل

تعریف و درک مسئله ای که باید با بکارگیری GIS مورد مطالعه قرار گیرد گامی مهم است. درک روشن از مشکل می‌تواند منجر به موفقیت در یافتن راه حل قابل قبول یا حصول نتیجه شود. هنگامی که گروهی از افراد در حل مشکل مشارکت دارند، باید در مورد تعریف مشکل به اجماع برسند. تعریف مشکل شامل ایجاد یک بیانیه مشکل، بیان اهداف محیط زیستی و تعیین مرزهای مطالعه است. بیانیه مشکل به طور واضح و مختصر مشکل را خلاصه می‌کند. یک هدف محیط زیستی بر پایان موفقیت آمیز فرایند حل مشکل متمرکز است.

تجزیه و تحلیل محیطی با GIS همچنین نیاز به ایجاد مجموعه ای از مرزهای مکانی و زمانی دارد. مرز مکانی منطقه ای را که مطالعه باید در آن انجام شود و آن واحد منطقه ای برای تجزیه و تحلیل مورد استفاده قرار می‌گیرد (به عنوان مثال در سطح مزرعه، در سطح شهر یا شهرستان یا در سطح حوضه آبریز) تعریف می‌کند. واحدهای منطقه ای مختلف ممکن است منجر به ویژگیهای مختلف اندازه گیری شده از ویژگیهای جغرافیایی مورد نظر شود. به عنوان مثال هنگامی که چوب بر اساس جنگل مدیریت می‌شود نه به وسیله توده، عملکرد بیشتر و سازگارتر است. مرز زمانی، دوره ای را که تجزیه و تحلیل باید انجام شود و بازسازی گذشته، نگاه به زمان حال، پیش بینی آینده یا بررسی تغییرات و روندهای زمانی را تعیین می‌کند. به عنوان مثال حوضه آبریز ووری یالوکژیکی از حوضه‌های آبریز است.

دره یارا  واقع در شمال شرقی ملبورن استرالیا دارای مساحت ۳۶۲ کیلومتر مربع است. مسائل کلیدی مدیریت برای این حوضه شامل از بین رفتن پوشش گیاهی بومی، فرسایش بستر و سواحل، بدتر شدن کیفیت آب، علف‌های هرز، محدودیت ماهیان و حفظ جریان رودخانه‌ها است. خصوصا فعالیت‌های کشاورزی، سکونت‌گاه‌ها و سپتیک‌تانک‌ها در مناطق روستایی، منابع اصلی نقطه‌ای و غیرنقطه‌ای آلودگی محیط‌های آبی بوده و تأثیرات قابل‌توجهی بر کیفیت آب رودخانه‌ها و نهرها در حوضه آبریز دارند. پوشش گیاهی رودخانه ای می‌تواند به عنوان فیلتری برای به دام انداختن رسوبات، مواد مغذی و سایر آلاینده‌ها عمل نموده و انتقال آنها را در نهرها کاهش دهد. همچنین از سواحل رودخانه‌ها در برابر فرسایش سطحی توسط باران، جریان آب یا ذخایر محافظت می‌کند، به خشکی و تقویت خاک‌های ساحلی برای جلوگیری از ترک خوردگی و نشست کمک می‌کند و سطوح طبیعی شدت نور و دمای آب را برای اکوسیستم‌های سالم در جریان حفظ می‌کند. با این حال بسیاری از قسمتهای سیستم رودخانه در حوضه آبریز توسط بافرهای گیاهی طبیعی محافظت نمی‌شوند و استانداردهای کیفیت آب به این معنی است که رودخانه طبق استاندارد بهداشت رودخانه نسبتاً پایین است. شناسایی مناطق بحرانی ساحلی که مستعد تهدید آلودگی هستند، اولین گام برای پرداختن به این مسائل محیط زیستی و توسعه مدیریت منابع آب و استراتژی‌های حفاظت از تنوع زیستی برای حوضه آبریز است. شرح مشکل به شرح زیر است  و استانداردهای کیفیت آب به این معنی است که رودخانه طبق استاندارد بهداشت رودخانه نسبتاً پایین است.

بسیاری از قسمتهای سیستم رودخانه در حوضه آبریز ووری یالوک در معرض خطر آلودگی ناشی از کاربری‌های زمینی و مخازن سپتیک قرار دارند و برای کاشت یا احیای پوشش گیاهی ساحلی باید شناسایی شوند. هدف محیط زیست حفاظت و حفظ کیفیت آب و تنوع زیستی است. مرز مکانی کل حوضه آبریز و مرز زمانی زمان حال است.

در کاربردهای محیطی بیان مسئله منعکس کننده دیدگاه یا تمرکز خاصی از تحقیق است و به انجام اقدامات هدفمند در موقعیت مشکل مرتبط است. عمل هدفمند به معنای اقدام عمدی، تصمیمی یا خواسته شده توسط فرد یا گروه است. بنابراین گزارش مشکل برخی از راههای درک مشکل را توضیح می‌دهد. در بسیاری از موارد برای تعریف مشکل به روش‌های مختلف، از جمله مرور ادبیات، مصاحبه، گروههای متمرکز و آمار  نیاز به گردآوری اطلاعات است.

ساختاربندی مشکل

حل مشکل محیط زیستی با GIS تنها پس از ساختار صحیح و صریح امکان پذیر است. بسیار مهم است که با درک ساختار مشکل شروع کنیم تا عزم راسخ برای بکارگیری ابزارهای GIS و داده‌های مکانی در دسترس باشد. ساختاربندی مسئله فرآیندی است برای رسیدن به درک کافی از اجزای مشکل خاص که به انجام تحقیقات خاص اجازه می‌دهد. دو تکنیک اصلی ساختاربندی مساله وجود دارد که به طور گسترده در حل مسائل استفاده می‌شود: تجزیه و مدل سازی. رویکرد تجزیه‌ای به ساختار مسئله (اسمیت ۱۹۸۹) پیشنهاد می‌کند که مسئله پیچیده را  به چندین زیر مسئله تجزیه کرد که پیچیدگی کمتری دارند و  آنها را به طور جداگانه حل کرد (تفرقه بینداز و حکومت کن). پس از حصول نتایج هر مشکل فرعی، آنها در راه حل ادغام می‌شوند. با توجه به روشی برای تجزیه مشکلات به مجموعه‌های محدود از زیرمشکلات ساده، ساختار تجزیه ای شناسایی یک راه حل موفق را تسهیل می‌کند.

رویکرد مدلسازی ساختاربندی مشکل را بخشی یا مقدمه ای برای مدلسازی می‌داند (وولی و پید ۱۹۸۱). مدلسازی مستلزم ایجاد نمونه رسمی از مشکل و به دنبال آن ویراش و حل این نمایش و کاربرد نتایج در مسئله اصلی می‌باشد.  ساختاربندی مسئله اساساً فرایند شناسایی مجموعه ای از عناصر است که با آنها مدل مشکل ایجاد می‌شود. سپس مدلسازی شامل تعریف روابط بین عناصر است. تعریف عناصر مشکل و روابط متقابل آنها اجزای مدل را به دست می‌دهد. رویکرد مدلسازی همچنین به معنای راهبرد راه حل است. نمودارها معمولاً در بازنمایی و ساختاربندی مبتنی بر مدل مشکل استفاده می‌شوند زیرا نمایش گرافیکی مدل مشکل بصری است و برای تصمیم گیرندگان به راحتی قابل درک است. نمودار نفوذ مکانی گرافی است که از گره‌ها و قوس‌های هدایت شده بدون چرخه تشکیل شده است. گره‌های نمودار متغیرها یا عوامل محیطی مربوط به یک مشکل محیطی خاص را نشان می‌دهند و قوس‌های هدایت شده بین گره‌ها نشان دهنده تأثیرات، وابستگی‌ها یا ارتباط بین متغیرهای محیطی است. سه نوع گره وجود دارد : گره شانس، گره ارزش و گره مرز. گره ارزش نشان دهنده نتیجه مورد انتظار در حل مشکل محیط زیست است. گره‌های شانس متغیرهای محیطی را نشان می‌دهند که مستقیم یا غیرمستقیم بر نتیجه مورد انتظار تأثیر می‌گذارند و محاسبه نتیجه گره مقدار را امکان‌پذیر می‌سازند. گره‌های مرزی نشان دهنده متغیرهای محیطی هستند که با داده‌های موجود یا داده‌های قابل دستیابی مطابقت دارند.

شکل ۱-۱۴ نمودار نفوذ مکانی است که برای ساختار مشکل شناسایی مناطق بحرانی مناطق ساحلی در حوضه آبریز ووری یالوک ساخته شده است. برای تمایز بصری سه نوع گره، گره مقدار به صورت مستطیل گرد، گره‌های شانس به صورت مستطیل و گره‌های حاشیه به صورت بیضی ترسیم می‌شوند. در این مثال نتیجه مطلوب، مناطق حاشیه بحرانی شناسایی شده در حوضه آبریز است که گره ارزش است. با مقایسه بافر پوشش گیاهی ساحلی مشخص شده با عرض مطلوب با بافر گیاهی ساحلی کنونی به دست می‌آید. آن مناطق ساحلی بدون پوشش گیاهی بومی موجود یا با پوشش گیاهی بومی موجود که عرض آنها کمتر از عرض مطلوب است مناطق بحرانی هستند. عرض مطلوب بافر گیاهی ساحلی بستگی به ویژگیهای محل از جمله شیب، بافت خاک و فرسایش پذیری، منطقه زهکشی، کاربری زمین مجاور و پوشش گیاهی موجود دارد. از این رو بافر پوشش گیاهی با عرض مطلوب را می‌توان بر اساس این ویژگیهای سایت و شبکه زهکشی ترسیم کرد. بافر پوشش گیاهی ساحلی موجود بر اساس پوشش گیاهی و شبکه زهکشی موجود به دست می‌آید. شیب از داده‌های ارتفاع، بافت خاک و فرسایش پذیری از داده‌های خاک، کاربری زمین مجاور از داده‌های کاربری- پوشش، پوشش گیاهی موجود از داده‌های کاربری-پوشش و شبکه زهکشی و منطقه زهکشی از هیدرولوژی و ارتفاع حاصل می‌شوند.

نمودار نفوذ مکانی ملاحظات مسئله را کنار هم آورده و نحوه ارتباط آنها را نشان می‌دهد. می‌توان آن را به عنوان یک مدل مشکل محیطی دید که ساختار کلی و ماهیت وابستگی‌ها را در بین متغیرها به تصویر می‌کشد. نمودار نفوذ مکانی نه تنها وسیله ای بصری برای ارائه اجزای مشکل و روابط آنها به روشی قابل درک ارائه می‌دهد بلکه راهی موثر برای شناسایی جریان اطلاعات و زنجیره‌های تجزیه و تحلیل (یعنی پیوندهای بین متغیرهای محیطی) ارائه می‌دهد.

شکل ۱-۱۴ نمودار نفوذ مکانی برای شناسایی مناطق بحرانی مناطق ساحلی در حوضه آبریز ووری یالوک

ساختاربندی مشکل با نمودار نفوذ مکانی ممکن است از نتیجه مورد انتظار یا مطلوب گره ارزش شروع شود. یعنی ابتدا فرض می‌کنیم آنچه جستجو شده پیدا شده است. سپس می‌پرسیم که نتیجه مورد نظر از چه سابقه ای می‌تواند حاصل شود. اگر مقدمه پیدا شد ما می‌پرسیم که از چه سابقه ای آن مقدمه را بدست آورد. این فرآیند تا رسیدن به داده‌ها یا گره‌های مرزی تکرار می‌شود. راه حل مشکل اصلی با پیمودن این فرآیند به سمت عقب تا نتیجه مطلوب به دست می‌آید. این رویکرد به ما اجازه می‌دهد از تمایل به اجازه داده‌های موجود برای شکل گیری نتیجه نهایی جلوگیری کنیم. در دسترس بودن داده‌ها باید به عنوان اصلاح کننده فرمول مشکل تلقی شود تا محرک اولیه. کل فرایند باید تکراری باشد و به عنوان یک سفر کشف در نظر گرفته شود. در بسیاری از کاربردهای محیط زیستی حوزه دانش مورد مطالعه در واقع سیستمی است که با تعامل و بازخورد غنی بین همه متغیرهای مورد علاقه مشخص می‌شود. انتخاب گره ارزش از مشخصات واضح مشکل ناشی می‌شود. متغیرهای محیطی مداخله گر نیز بر اساس هدف تحلیل انتخاب می‌شوند.

برگرفته از کتاب کاربرد GISدر محیط زیست

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