سامانه اطلاعات جغرافیایی یا جی‌آی‌‌اس، یک سامانۀ اطلاعاتی «معمولاً کمپیوتری» است که به تولید، پردازش، تحلیل، و مدیریت اطلاعات جغرافیایی می‌پردازد. به عبارت دیگر “GIS” یک سامانه کمپیوتری برای مدیریت و واکاوی اطلاعات جغرافیایی بوده که توانایی گردآوری، ذخیره، واکاوی و نمایش اطلاعات جغرافیایی را دارد. هدف نهایی یک سامانه اطلاعات جغرافیایی، پشتی‌بانی برای تصمیم‌گیری‌های پایه‌گذاری‌شده بر پایۀ داده‌های جغرافیایی می‌باشد و عمل‌کرد اساسی آن به‌دست آوردن اطلاعاتی است که از ترکیب لایه‌های متفاوت داده‌ها با روش‌های مختلف و با دیدگاه‌های گوناگون به‌دست می‌آیند.

دقیق‌ترین تعریف برای جی‌آی‌اس، مربوط به مؤسسه تحقیقات سیستم‌های محیطی در ردلند کالیفرنیا است که یکی از فروشنده‌گان اصلی این سیستم‌ها در جهان است: «سامانه‌های اطلاعات جغرافیایی، مجموعه‌ای از سخت‌افزار، نرم‌افزار، داده‌های جغرافیایی و منابع انسانی است که به‌منظور کسب، ذخیره، به‌روزرسانی، به‌کارگیری، تحلیل و نمایش کلیه اشکال اطلاعات مرجع جغرافیایی طراحی می‌شود».

این سامانه را می‌توان به یک پازل شبیه دانست که با کنار هم قرار دادن اجزای آن معنی و مفهومی پیدا می‌کند. مکان بیمارستان‌ها، پمپ بنزین‌ها، سینماها و… تکه‌های این پازل‌اند که با کنار هم قرار دادن آن‌ها نقشه‌ای کامل و با معنی از یک منطقۀ جغرافیایی به‌دست می‌آید. به زبان ساده هرگونه توضیحات مربوط به هر چیزی که در هر مکان متغیر یا ثابت جغرافیایی، در یک سامانۀ اطلاعاتی یا پایگاهی موجود است را GIS یا استفاده از GIS گویند. کافی است یک هماهنگی بین طول، عرض و ارتفاع به‌دست آمده از GPS، نقشه‌ها و اطلاعات دقیق و کامل سیستم جی.آی.اس به‌وجود آوریم.

ویژه‌گی‌های سامانه اطلاعات جغرافیایی

این سامانه، علاوه بر اطلاعات توصیفی، امکان ورود اطلاعات پیکسلی یا برداری را از منابع مختلفی از قبیل نقشه، تصاویر هوایی و ماهواره‌ای، GPS، تجهیزات نقشه‌برداری و غیره دارد. این سامانه امکان انجام تحلیل، پردازش و پرسش و پاسخ‌های مکانی مورد نیاز کاربر را دارد. این سامانه امکان ارایۀ نتایج در قالب نقشه، گزارش، جدول و نمودار را دارد. در طراحی و تولید این سامانه‌ها از مجموعه فناوری‌های مهندسی نرم‌افزار، مهندسی اطلاعات (مدل داده) و مهندسی GIS برای نیل به خصوصیات فوق استفاده می‌شود.

داده‌های جغرافیایی

اطلاعات جغرافیایی یا داده‌های جغرافیایی، در واقع، نوعی از داده‌های جغرافیاییهستند که نقشه‌ها و تصاویر ماهواره‌ای را می‌شود از جمله نمونه‌های نوعی آن‌ها ذکر کرد که به دو دسته تقسیم می‌شوند.

داده‌های پیکسلی

رستر، شامل مجموعه‌ای از نقاط یا سلول‌ها است که عوارض زمین را در یک شبکۀ منظم می‌پوشاند و به کمک شماره‌های ردیف و ستون آن‌ها، آدرس‌دهی می‌شوند. کوچک‌ترین عنصر تشکیل‌دهندۀ رستر، پیکسل یا سلول نامیده می‌شود که ارزش هر یک از آن‌ها، نمایان‌گر اطلاعات طیفی یا توصیفی عارضۀ زمینی است. داده‌های حاصل از اسکن کردن و تصاویر ماهواره‌ای دارای ساختار رستری می‌باشند. نمونه‌ای از داده‌های رستری شامل: تصاویر ماهواره‌ای، عکس‌های هوایی، اطلاعات ارتفاعی سطح زمین و انواع نقشه‌های کارتوگرافی می‌باشند.

داده‌های برداری

چنان‌چه بر روی فضای دو بعدی کار می‌کنیم، داده‌های برداری از ترکیب اشکال پایۀ هندسی نظیر نقطه‌ها، پاره‌خط‌ها، مثلث‌ها، و سایر چندضلعی‌ها، شکل می‌گیرد. برای فضاهای سه بعدی همین کار به وسیله استوانه‌ها، کرات، مکعب‌گونه‌ها و سایر اجسام چندوجهی صورت می‌پذیرد. در مدل برداری، اشیاء یا عوارض در جهان واقعی به وسیلۀ عناصر هندسی نمایش داده می‌شوند. بدین معنا که موقعیت هر شئ یا پدیده به وسیلۀ مختصات آن و توسط نقاط (چاه، نقاط شهری و روستایی)، خطوط (جاده، رودخانه، خطوط ریلی) و سطوح (دریاچه، منطقه‌بندی) مشخص می‌شود. در این مدل، موقعیت هر نقطه به‌طور دقیق با یک جفت مختصات در یک سیستم مختصات معین ارایه می‌شود.

کاربردهای مهم

از سامانه‌های اطلاعات جغرافیایی در مطالعات محیطی، برنامه‌ریزی شهری و شهرداری، خدمات ایمنی شهری، مدیریت حمل و نقل و ترافیک شهری، تهیه نقشه‌های پایه، مدیریت کاربری اراضی، خدمات بانکی، خدمات پستی، مطالعات جمعیتی و مدیریت تأسیسات شهری مثل برق، آب، گاز و کاربردهای مشابه استفاده می‌شود. کمتر بانک اطلاعاتی را می‌توان نام برد که حداقل بخشی از اطلاعات آن به گونه‌ای به مکان وابسته نباشد.

علوم زمین

یکی از مهم‌ترین مسایل کاربردی سامانۀ اطلاعات جغرافیایی در علوم زمین، انجام هم‌پوشانی‌ها در راستای تعیین پهنه‌بندی‌ها است. هدف از این پهنه‌بندی، تعیین مناطق با خطر رانش زمین می‌باشد. برای رسیدن به این هدف، ابتدا باید عوامل مؤثر در رانش را شناسایی کرد، از جمله این عوامل می‌توان به تراکم پوشش گیاهی، جنس زمین، شیب توپوگرافی، شیب لایه‌های زمین و شدت بارنده‌گی اشاره کرد.

پس از شناسایی عوامل، باید نقشه‌های مورد نیاز تهیه گردد و سپس با هم‌پوشانی این لایه‌ها در نرم‌افزارهای سامانۀ اطلاعات جغرافیایی (ساج) می‌توان به نقشه‌ای رسید که در آن منطقۀ مورد مطالعۀ خود به پهنه‌های ریز تقسیم شده و از طرفی در بانک اطلاعاتی مشخصات هر پهنه؛ یعنی اجداد سازندۀ آن پهنه از نظر عوامل مختلف مشخص می‌باشد. حال باید در بانک اطلاعاتی به هر عامل وزن مربوط را داده و سپس در بانک اطلاعاتی با جمع و ضرب کردن عوامل، به اعدد نهایی رسید. در مرحلۀ بعد باید تعیین نمود که چه عددی نشان‌دهندۀ پهنه‌های پرخطر می‌باشد. پس از کلاسه‌بندی نقشه، اینک وظیفه تیم زمین‌شناس است که با بازدید میدانی به بررسی مناطق پرداخته و در صورت لزوم با اصلاح وزن‌ها و ضرایب؛ به نقشۀ نهایی دست یابند.

صنعت برق

در صنعت برق از سامانه‌های اطلاعات جغرافیایی برای تهیۀ پایگاه اطلاعات مکانی و توصیفی استفاده می‌شود. با استفاده از آن می‌توان فاصلۀ عوارض مختلف را از یکدیگر اندازه‌گیری کرد و با ایجاد پرسمان (Query) در لایه‌های مختلف اطلاعات یا بین چند لایه با استفاده از توابع منطقی به اطلاعات مورد نظر دست یافت. تهیۀ نقشه‌های محدودیت برای عوارض مختلفی همچون پست‌ها، نیروگاه‌ها و…، امکان ترسیم مناطق حایل و حریم عوارض مطابق استانداردها، مسیریابی بهینۀ خطوط انتقال، مکان‌یابی محل مناسب برای احداث تأسیسات جدید مانند پست‌ها و نیروگاه‌ها، مدیریت اتفاقات شبکۀ انتقال نیرو، مدیریت بحران و ریسک شبکه، برآورد بار، مشاهدۀ پراکنش جغرافیایی بار، انجام ارزیابی‌های محیطی پیرامون نیروگاه‌ها، بررسی روند تغییرات کاربری اراضی و پیش‌بینی تغییرات و ارزیابی امکانات و محدودیت‌های توسعۀ واحدها و ظرفیت نیروگاه‌ها در آینده، از کاربردهای این سامانه‌ها در صنعت برق است.

ساختار داده‌ها در سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی

داده‌های جغرافیایی از پیچیده‌گی خاصی برخوردار هستند؛ زیرا این دادها باید اطلاعاتی در باره موقعیت مکانی، ارتباط توپولوژیک احتمالی و ویژه‌گی‌های ثبت‌شدۀ موضوعات باشند. جنبه‌های توپولوژیک و مکانی سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی در طراحی و نقشه‌کشی، وجه تمایز این سیستم‌ها با سیستم‌های جدید اطلاعاتی که در بانک‌داری، رزرو بلیط و …استفاده می‌شوند هستند.

داده‌های جغرافیایی با تکیه بر سیستم مختصات استاندارد به مکان‌های از سطح زمین مربوط هستند. چنان‌چه موضوع مورد مطالعه درسطح محدود باشد سیستم مختصات محلی است. اما اگر موضوع مورد مطالعه در سطح شبکۀ ملی یا بین‌المللی به صورت شبکۀ تصویری باشد از سیستم مختصات شبکۀ جهانی مرکاتورکه مورد قبول همه‌گان است استفاده می‌شود.

در سیستم اطلاعات جغرافیایی، اطلاعات غیر مکانی باید به‌صورت کُد در نظر گرفته شوند تا بتوان از آن‌ها در تجزیه و تحلیل داده‌ها استفاده نمود. داده‌های جغرافیایی روی وسایط مقناطیسی نوشته با روش آدرس‌دهی خاصی ذخیره می‌شوند. خصیصۀ ضروری هر سیستم ذخیرۀ داده‌ها در این است که قادر باشد دست‌رسی به داده‌ها و ارجاع متقابل داده‌ها را به‌سرعت فراهم سازد.

برنامه‌های کامپیوتری که ورودی، خروجی، ذخیره و بازیافت داده‌ها را از یک پایگاه داده‌های رقمی کنترل می‌کنند را سیستم‌های مؤثر مدیریت پایگاه‌های اطلاعاتی می‌گویند. این سیستم ذخیره، سرمایه‌گذاری بسیار برای نیروی انسانی و نیز هزینه‌های زیاد را برای تهیۀ سیستم‌های مؤثر مدیریت پایگاه‌های اطلاعاتی توجیه می‌کند.

کاربرد ساختار شبکۀ داده‌ها

در ساختار شبکه‌ای، هر نقطه به منزلۀ یک سلول و هر خط به منزلۀ رشته‌ای از سلول‌ها و یک سطح مجموعه‌ای از سلول‌های به هم پیوسته است. کاربرد ساختار شبکه‌ای در کمپیوتر خصوصاً با استفاده از زبان‌های برنامه‌نویسی بسیار آسان است، چون به‌راحتی ذخیره، دست‌کاری، اصلاح و نمایش داده می‌شود.

یکی از مزیت‌های مدل داده‌های رستری آن است که هر سلول می‌تواند به سلول‌های کوچک‌تری با همان شکل و جهت تقسیم شود. مطلوب‌ترین شیوۀ تقسیم سلول‌ها مدل درخت چهارگانه است. در این کُدبندی؛ ناحیه بر اساس اصل تقسیم مکرر سلول‌ها در تصویر رستری به قطعات چهارقسمتی تقسیم می‌شود. این تقسیم، تا جایی ادامه می‌یابد که هر سلول با وجود یا عدم وجود عارضۀ مکانی رده‌بندی می‌شود.

در کُدبندی درخت چهارگانه به‌جای تقسیم یک ناحیه به سلول‌هایی با اندازه یک‌سان، تقسیمات ریزتری در نواحی با جزئیات بیش‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد. درخت چهارگانه دارای نمایش‌های با قدرت تفکیک متغیر می‌باشد که در آن‌ها جزئیات ریز فقط وقتی نمایش داده می‌شود که به فضای ذخیرۀ بیش‌تری برای قسمت‌های دیگر که فاقد جزئیات هستند نیاز نباشد. بنابراین، ضریب تفکیک بالا برای نواحی با تغییرپذیری فضایی زیاد با چندین عارضۀ نسبتاً کوچک، به‌کار می‌رود و ضریب تفکیک کم برای کُدگذاری نواحی بزرگ همه‌گان استفاده می‌شود.

تمام GIS دارای برنامه‌های پیچیده‌ای هستند که می‌توانند عملیات گوناگونی را انجام دهند. برای کاربر مشکل است که برای وارد کردن داده‌ها یک سیستم پیچیده را اجر کند. در نتیجه در سیستم‌های جدید که طراحی مناسبی دارند یکی دو راه سنتی و محاوره‌ای برای وارد کردن فرامین وجود دارد. که عبارتند از سیستم اطلاعات جغرافیایی که برای طرح‌های کوتاه‌مدت به‌کار می‌رود. لازم نیست داده‌های جمع‌آوری شده، تجزیه و تحلیل آن‌ها به همان اندازه یک سیستم اطلاعات جغرافیایی باشد که برای طرح‌های بلندمدت به‌کار می‌رود. اگر سیستم اطلاعات جغرافیایی برای استفادۀ بلندمدت پیش‌بینی می‌شود باید داده‌های زیادی را به‌راحتی نگهداری کند و به‌کار گیرد.

مشکل مهم در ایجاد یک سیستم اطلاعات جغرافیایی با کارآیی طولانی، کهنه و قدیمی‌شدن سخت افزار و نرم افزار آن است. هر سیستم اطلاعات جغرافیایی دارای ساختار داده‌های مخصوص خود است که با نرم افزار کنترل می‌شود که اگر نرم افزار عوض شود ساختار داده نیز باید عوض شود.

سیستم اطلاعات جغرافیایی دارای دو جهت پیش‌رفت کرده‌اند برداری (نقطه، خط و سطح) و شبکه‌ای (سلولی).

راه سوم استفاده از توابع ریاضی جهت تشریح تغییرات فضایی است. آیا لازم است هنگام استفاده از یک سیستم اطلاعات جغرافیایی برداشت برداری یا شبکه‌ای داشته باشیم یا نه؟ با توجه به پیش‌رفت فعلی برنامه‌نویسی و نیز توانایی‌های سخت افزار و امکانات ذخیره‌سازی، این دو حالت باید در هر سیستم اطلاعات جغرافیایی به‌صورت مکمل یکدیگر وجود داشته باشد؛ اما تکیه بر بسته‌گی به کاربرد سیستم اطلاعات جغرافیایی دارد.

تجهیزات عمدۀ سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS)را نباید بدون توجه به تأثیر متقابل آن بر سایر اجزای سازمان تهیه کرد. تنها صرف خرید یک کامپیوتر، رقم‌گر، مانیتور و تعدادی نرم افزار و قرار دادن آن در گوشه‌ای؛ نمی‌توان توقع نتیجۀ آنی از آن داشت. بل‌که پای‌بندشدن جدی به سیستم، تأثیر مهمی بر کل سازمان خواهد داشت. تهیۀ ابزار  GISبه معنای خذف دستی بعضی کارهای سنتی است (مانند رنگ‌آمیزی نقشه).

تاریخچه

برای اولین‌بار در اواسط دهه ۱۹۶۰ در امریکا کار بر روی اولین سامانۀ اطلاعات جغرافیایی آغاز شد. در این سامانه از عکس‌های هوایی، اطلاعات کشاورزی، جنگل‌داری، خاک، زمین‌شناسی و نقشه‌های مربوط استفاده شد. اولین جی‌آی‌اس در سطح ملی، جی‌آی‌اس ملی کشور کاناداست که در اواخر دهۀ ۱۹۶۰ به وجود آمد و تاکنون مورد استفاده‌است. در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ میلادی پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای در فناوری جی‌آی‌اس به وجود آمد، به‌طوری که عبارت «سیستم اطلاعات جغرافیایی» در مورد مجموعه ابزارهایی برای تحلیل و نمایش نقشه‌ها و ادغام فنون و شیوه‌های آماری و نقشه‌ای و کاربرد فراگیرتر آن، به‌ویژه برای تحلیل تأثیرات وخط مشی‌های دولتی به کارگرفته شد. در حالی‌که سابقه فناوری جی‌آی‌اس درکشورهای غربی ازجمله کانادا وامریکا به بیش از ۴۰ سال می‌رسد، فناوری جی‌آی‌اس در اغلب کشورهای جهان سوم بسیار جوان است.

در حال حاضر از این سیستم‌ها بسته به نیازهای هر منطقه یا کشور در بخش‌های مختلف (مانند مطالعات زیست‌محیطی، برنامه‌ریزی شهری و شهرداری، خدمات ایمنی شهری، مدیریت حمل و نقل و ترافیک شهری، تهیۀ نقشه‌های پایه، مدیریت کاربری اراضی، خدمات بانکی، خدمات پستی، مطالعات جمعیتی و مدیریت تأسیسات شهری مثل برق، آب، گاز، و..) استفاده می‌شود و با گذشت زمان و توسعه سیستم‌ها، کاربرد جی‌آی‌اس به کلیه بخش‌های مرتبط با زمین گسترش یافته است.

عناصراصلی تشکیل دهنده سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی

جی‌آی‌اس بر روی هرمی با چهار طبقه زیربنایی ساخته شده است:

سخت‌افزار

با توجه به مرحله‌ای که مطالعات در آن قرار دارد، کاربران می‌توانند از سخت‌افزارهای موجود در دسته‌بندی زیر استفاده نمایند:

٭ سخت‌افزارهای مرتبط با ورود اطلاعات (صفحه کلید، رقومی‌کننده، اسکنر، و …)،

٭ سخت افزارهای مرتبط با مدیریت اطلاعات (سخت‌افزارهای جانبی کمپیوتر‌ها مانند ماوس، و …)،

٭ سخت‌افزارهای مرتبط با خروج نتایج (چاپ‌گرها، رسام‌ها، و …).

نرم افزار

برای راه اندازی جی‌آی‌اس، برنامه رایانه‌ای لازم است. از معروف‌ترین آن‌ها می‌توان به “آرک اینفو”، “آرک ویو”، “اسپانز”و “مپ اینفو” اشاره نمود که دارای توابع عملیاتی متعدد در جهت تجزیه و تحلیل مسایل و محاسبات آماری هستند و عمدتاً توسط شرکت‌های بزرگ رایانه‌ای تولید می‌گردند.

هر یک از این نرم‌افزارها برای مطالعات خاصی برنامه‌ریزی شده و دارای محدودیت‌ها و محاسن خاص خود می‌باشند. در این پژوهش از دو نمونه از نرم‌افزارهای رایج این سیستم (یعنی “آرک اینفو” و “آرک ویو” استفاده شده است.

اطاعات

بدون اطلاعات نه هدفی وجود دارد و نه پیش‌نهادی. تمرکز توجه روی اطلاعات است. در واقع اکثر فعالیت‌ها برای اطلاعات انجام می‌شود؛ زیرا اطلاعات قلب جی‌آی‌اس را تشکیل می‌دهد. کیفیت اطلاعات یکی از مهم‌ترین موضوعات قابل توجه و اساسی می‌باشد. کیفیت اطلاعات در ارتباط مستقیم با دقت، صراحت، مبانی علمی، ترکیب اطلاعات، و تحلیل و مدل‌سازی است.

سازمان و نیروی انسانی

این مورد، مهم‌ترین بخش تشکیل‌دهندۀ جی‌آی‌اس می‌باشدۀ زیرا سازمان و نیروی انسانی است که عملیات جی‌آی‌اس را کنترل می‌کند. سخت‌افزارها و نرم‌افزارهای بسیار قوی جی‌آی‌اس بدون پشتی‌باتی کادر متبحر، به کارآیی مناسب نخواهند رسید. برای اجرای موفق سیستم، سازماندهی نیروهای متخصص و کارآمد که در جهت اجرا، بهینه نمودن و نهایتاً راهبری سیستم‌ها نقش‌های گوناگونی را ایفا می‌نمایند، الزامی است.

فرایند تحلیل اطلاعات در سیستم اطلاعات جغرافیایی

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

۱- ورودی داده‌ها، ۲- مدیریت داده‌ها، ۳- پردازش و تحلیل داده‌ها، ۴- خروجی داده‌ها.

امروزه داشتن اطلاعات دقیق و مؤثر در مورد مکان‌ها نقش مهمی در مدیریت مؤثر داده‌ها ایفا می‌کند و سازمان‌های مختلف خصوصی و دولتی برای اینکه بتوانند این داده‌ها را به طور مؤثر پردازش و مدیریت کنند داشتن اطلاعات دقیق و صحیح در این زمینه‌ها بسیار مؤثر است.

امروزه با توجه به پیشرفت علوم و سیستم‌های کامپیوتری فناوری GIS در زمینه‌های 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. در واقع می‌توان گفت GIS تحولی چشم‌گیر در بسیاری از رشته‌های کاربردی پدید آورده است زیرا پردازش و تجزیه و تحلیل لایه‌های مجزایی از داده‌های فضایی را امکان پذیر می‌کند و ابزارهایی برای تجزیه و تحلیل و مدل‌سازی روابط متقابل میان لایه‌ها را فراهم می‌آورد.

پژوهش و تلخیص: مبارکشاه شهرام