مبادئ نظم المعلومات

مبادئ نظم المعلومات


مازالت الخرائط وسيلة هامة لإيصال الأفكار وتخطيط المشاريع وتنفيذها، فهي الأداة الأساسية لرسم الواقع كما نعيشه، أو كما نحب أن نعيشه. ولكن هذه الخرائط تتطلب زمناً طويلاً وجهداً شاقاً لرسمها، كما أنها ساكنة ولاتعكس التغييرات التي تطرأ من حولنا. ولذلك نلقي الضوء في هذه الدراسة على نظام المعلومات الجغرافية، وهو تقنية حاسوبية حديثة نسبياً، وأداة هامة للمهندسين ومتخذي القرار ومخططي المدن و أخصائيي البيئة والموارد الطبيعية. وونبين أنواع البيانات التي يعمل معها، والوظائف التي يقدمها، لإنشاء بيئة خرائط مبتكرة، زاخرة بالحياة.

مقدمة

يُعرّف نظام المعلومات الجغرافية (Geographic Information System: GIS) بأنه نظام حاسوبي لجمع وإدارة ومعالجة وتحليل البيانات ذات الطبيعة المكانية. ويُقصد بكلمة مكانية (spatial) أن تصف هذه البيانات معالم (features) جغرافية على سطح الأرض، سواء أ كانت هذه المعالم طبيعية كالغابات والأنهار أم اصطناعية كالمباني والطرق والجسور والسدود. يستخدم مصطلح معالم للإشارة أيضاً إلى الظواهر الطبيعية والبيئية مثل المد والجزر والتلوث وغيرها.
لكن هذا التعريف لا يعني أن نقيد استخدام نظام المعلومات الجغرافية بالمساحات الكبيرة، لأنه يمكن أن يستخدم في دراسة حيّ تكون المعالم الجغرافية فيه مؤلفة من عدد صغير من المنازل وشبكة الهاتف والكهرباء والمياه، أو في شركة واحدة تكون شبكة الحواسيب أحد المعالم فيها.


الشكل (1): يجمع نظام المعلومات الجغرافية تقنيات سابقة، ورث عنها بعض وظائفها وخصائصها.

لعلك سمعت – عزيزي القارئ - عن التطبيقات المشهورة لنظام المعلومات الجغرافية، مثل استخدامه في المواصلات لمعرفة أفضل الطرق بين موقعين في المدينة، أو استخدامه في مؤسسات الكهرباء لتوضيح مواقع مراكز التحويل وكيفية وصول الكهرباء إلى المناطق السكنية واكتشاف مصادر الأعطال بسرعة، أو استخدام الحكومات المحلية له في إدارة وتحديث حدود ملكية العقارات. لكن هذا النظام يمكن استخدامه تقريباً في أي شيء، فالتخطيط الجيد للخدمات الاجتماعية مثل الرعاية الصحية والتعليم الابتدائي يمكن إنجازه عبر نظام المعلومات الجغرافية، لما يتمتع به هذا النظام من قدرة على تحليل توزّع السكان ودراسة كيفية وصولهم إلى تلك المراكز الخدمية، وبالإضافة إلى ذلك يزداد استخدام نظام المعلومات الجغرافية باطّراد في مساعدة الأعمال التجارية على تحديد أسواقها المرتقبة والاهتمام بزبائنها.
يمكننا إذاً أن نُعرّف نظام المعلومات الجغرافية بأنه مجموعة من المبادئ والتقنيات المستخدمة لإنجاز أحد الهدفين التاليين أو كليهما:
• العثور على المواقع المناسبة لإنجاز هدف ما، اعتماداً على شروط ومعايير محددة، مثل العثور على أفضل موقع لإنشاء مطار، أو أفضل موقع لافتتاح مركز تجاري. ويمكن القيام بذلك باستخدام عدد من العمليات المنطقية.
• الاستعلام عن خصائص معالم الخريطة، مثل معرفة الكثافة السكانية لمنطقة إدارية، أو سرعة المركبة المسموح بها على طريق، أو اسم صاحب العقار. وتنجز هذه العمليات في الأغلب بالنقر على المعلم الجغرافي (المنطقة الإدراية أو الطريق أو العقار) فيقوم نظام المعلومات الجغرافية باستخراج سماته من قاعدة البيانات المرافقة ويعرضها.
تخزّن بيانات نظام المعلومات الجغرافية في أكثر من طبقة (layer) واحدة، وذلك للتغلب على المشاكل التقنية الناجمة عن معالجة كميات كبيرة من المعلومات دفعة واحدة. وتستخدم بعض البرامج مصطلح theme أي موضوع بدلاً من طبقة، ولكنها في طريقها إلى العودة إلى استخدام مصطلح طبقة. إن التغلب على مشكلة في طبقة الطرق، مثلاً، أفضل من معالجتها في كامل النظام، وتعتبر هذه السمة أساسية في نظام المعلومات الجغرافية. قياساً على ذلك يتألف مشروع نموذجي لنظام المعلومات الجغرافية لقرية من عدة طبقات، تشمل أولها طبقة حدود ملكية الأراضي الزراعية، وتُمثل هذه الطبقة بمجموعة من المضلعات المغلقة، لأن المضلعات هي الشكل الهندسي الأنسب لتمثيلها، بينما تخصّص الطبقة الثانية لبيوت القرية، والثالثة للمراكز الحكومية كالمدارس والمستشفيات وتُمثل هاتان الطبقتان بمجموعة من المضلعات أيضاً. وتتضمن الطبقة الرابعة الآبار، وتُمثل بمجموعة من النقاط. في حين تضم الطبقة الأخيرة الطرق المارة في تلك القرية وتُمثل بمجموعة من الخطوط.


الشكل (2): تتألف خريطة ضاحية سكنية في مشروع GIS من طبقة حدود العقارات (مضلعات فارغة بنية)، والمباني السكنية (مضلعات مصمتة زرق)، والمراكز الخدمية (مضلعات مصمتة حمر)، ، والطرق (خطوط زرق)، والهواتف العمومية (نقاط سود). يعرض GIS هذه الطبقات معاً ولكنه يتيح التحكم بكل طبقة على حدة.

يمتلك نظام المعلومات الجغرافية إمكانيات خاصة لربط عدة طبقات من البيانات المكانية وتحليلها وإنشاء الخرائط التي تمثل نتائج ذلك التحليل، مثل ربط طبقة الأراضي الزراعية بطبقة الطريق المقترح إنشاؤها لاكتشاف أي الأراضي الزراعية تتأثر بمرور الطريق الجديدة فيها، والمساحة المطلوب شراؤها من المالك. أو ربط طبقة الأراضي الزراعية بطبقة الآبار لمعرفة عدد الآبار في كل أرض، واستخدام نتائج هذا الربط في دراسة تهدف إلى ضبط إجراءات ترخيص حفر آبار جديدة في القرية.

البيانات المكانية والوصفية

ييتطلب فهم نظام المعلومات الجغرافية واستخدامه معرفة البيانات المكانية والبيانات الوصفية التي تؤلف قوام هذا النظام. تتضمن البيانات المكانية (Spatial Data) معلومات عن موقع وشكل المعالم الجغرافية وتخزن عادة في إحداثيات، كما يمكن أن تتضمن معلومات أخرى عن علاقات تلك المعالم بعضها ببعض، مثل علاقتي الجوار والاتصال. بينما تتضمن البيانات الوصفية وهي السمات أو الأوصاف (attributes) الخصائص المرتبطة بتلك المعالم، وتخزن في جداول منفصلة عادة. وهكذا تتألف البيانات المكانية للآبار في مثال القرية السابق من إحداثيات س و ع تمثلان موقع البئر، وتتألف البيانات الوصفية أو السمات من اسم المالك، ورقم الترخيص، وعمق البئر. ويتميز نظام المعلومات الجغرافية بقدرته على ضم البيانات المكانية والسمات معاً.




الشكل (3): تتألف البيانات المكانية لطبقة الأشجار المعمرة في محمية طبيعية من جدول يتضمن رقماً فريداً وإحداثي س وإحداثي ع. أما السمات أو البيانات الوصفية فتتألف من جدول آخر يتضمن الرقم الفريد ذاته ونوع الشجرة وعمرها وارتفاعها (انظر الجدوليين التاليين).

الرقم س ع
12 347 194
13 567 334
14 516 226
15 657 255
16 430 257
17 606 153
18 319 373
الرقم النوع العمر
(سنة) الارتفاع
(م)
12 أرز 110 67
13 صنوبر 135 80
14 أرز 120 72
15 أرز 120 70
16 تنّوب 80 65
17 تنّوب 75 60
18 صنوبر 125 73



تمثَّل البياناتُ المكانية في نظام المعلومات الجغرافية عادة في هيئتين، أولاهما البيانات المتّجهة (vector data) وهي أشكال معرّفة هندسياً، وتتألف من النقاط والخطوط والمضلعات، وثانيتهما البيانات المتسامتة أو النقطية (raster data)، وهي الصور الجوية وصور الأقمار الاصطناعية، ويطلق عليها أيضاً بيانات الشبكة (grid data) لأنها مؤلفة من شبكة من الخلايا. ويمتلك كل نموذج من هذين النموذجين نقاط قوة ونقاط ضعف، ولذلك يجب اختيار أحد هذين النموذجين حسب طبيعة المشروع والبيانات المتوفرة، مع العلم بأن الصور كثيراً ما تستخدم كخلفية للبيانات المتجهة، ولا تكون في هذه الحالة جزءاً مهماً من بيانات مشروع نظام المعلومات الجغرافية.



الشكل (4): يمكن تمثيل المنطقة (في الأسفل) ببيانات متجهة (vector) في أربع طبقات (في الوسط)، أو ببيانات متسامتة (raster) من 400 خلية في أربعة ألوان (في الأعلى).

تكمن الفائدة الرئيسية في هيئة البيانات المتجهة في قدرتها على تمثيل المعالم الجغرافية تمثيلاً دقيقاً، وهذا يجعلها مفيدةً في مهام التحليل المكاني التي تتطلب تحديد المواقع بدقة، كما في التطبيقات الهندسية والمساحية. كما أن هذا النوع من البيانات يسمح بتعريف العلاقات المكانية بين المعالم، مثل علاقة الجوار بين عقارين وعلاقة اتصال شارع بآخر، أي إمكانية الانتقال من هذا الشارع إلى ذاك. ويعرف ذلك باسم الطوبولوجيا (topology)، وهي مهمة جداً في تحليل الشبكة مثل إيجاد أفضل الطرق بين موقعين في شبكة طرق معقدة.



الشكل (5): تعرّف طوبولوجيّة الطريق في البيانات المتجهة نقطة بدايته ونهايته، ما يسمح لنظام المعلومات الجغرافية بفهم معنى "على يمين ويسار الطريق".

أما البيانات المتسامتة أو الصور فلا يمكنها تمثيل العلاقات الطوبولوجية بين المعالم الجغرافية، لأنها تتألف من شبكة من خلايا الصور أو البكسلات المنفصلة. ولكنها في المقابل مناسبة لتمثيل التدرّج أو التغيير المستمر في ظاهرة، مثل خريطة نوع التربة في الأراضي الزراعية، بينما تكون حدود التربة منفصلة عند تمثيلها في هيئة بيانات متجهة، لأن حدود المضلعات تكون واضحة وحادة. وتعتمد دقة هذا النوع من البيانات على حجم الخلية، وهو مساحة المنطقة من سطح الأرض الذي تمثله تلك الخلية، وكلما مثلت الخلية مساحة أصغر، كلما كان وضوح البيانات المتسامتة عالياً. ويمكن استخدام الصور الجوية وصور الأقمار الاصطناعية مباشرة في برمجيات نظام المعلومات الجغرافية القادرة على التعامل مع البيانات المتسامتة. ولكن كلما زاد وضوح الصور كلما ازداد حجم الملف، وهذه إحدى المشاكل والقيود التي تحد من استخدام البيانات المتسامتة.
تعتمد مسألة اختيار هذا النوع أو ذاك من البيانات، إذاً، على طبيعة وهدف مشروع نظام المعلومات الجغرافية. ويتوقف نوع البيانات أساساً على طبيعة البيانات وحجمها وسهولة تحليلها والدقة المطلوبة. وعموماً تعتبر البيانات المتجهة اقتصادية، وتوفّر مستوى عال من الدقة، ولكن استخدامها في الحسابات الرياضية صعب نسبياً. ومن ناحية أخرى تميل بيانات الشبكة إلى استهلاك مساحات تخزين كبيرة، وتتميز بوضوح منخفض، لكنها أسهل أثناء تنفيذ الحسابات الرياضية.
لا يستطيع نظام المعلومات الجغرافية تحليل المعلومات في خريطة، إذا لم تكن هذه البيانات في هيئة رقمية يستطيع الحاسوب قراءتها، وهي البيانات المتجهة أو البيانات المتسامتة. لذلك تستخدم عدة طرق لتحويل الخرائط الورقية إلى خرائط رقمية. يُستخدم الترقيم (digitizing) لإنشاء نموذج حاسوبي للخريطة الورقية مؤلف من بيانات متجهة، وتنجز عملية الترقيم هذه بتتبّع معالم الخريطة بواسطة الفأرة أو القلم فوق سطح خاص لجمع إحداثياتها. كما يُستخدم المسح (scanning) أيضاً للحصول على بيانات متسامتة من الخريطة الورقية. يمكن استخدامها مباشرة، عندما يكون نظام المعلومات الجغرافية قادراً على تحليل البيانات المتسامتة، أو استخدامها كخلفية للمشروع إذا كان يعتمد على بيانات متجهة. يمكن أيضاً تحويل البيانات المتسامتة إلى بيانات متجهة باستخدام برامج خاصة للتحويل بين هيئتي البيانات هذه، وتسمى هذه البرامج باسم R2V اختصاراً لعبارة Raster to Vector.


الشكل (6): تحويل خريطة ورقية لمنطقة في مدينة حلب القديمة في سوريا ترقى إلى العام 1938، إلى خريطة رقمية في أوتوكاد، العام 1998، باستخدام برامج R2V.

أضاف نظام تحديد المواقع العالمي GPS إمكانية جديدة لتجميع البيانات المتجهة وهو نظام يعتمد على الأقمار الاصطناعية للحصول على إحداثيات النقطة الذي يقف المستخدم عندها بدقة قد تصل إلى أجزاء المتر، مع إمكانية تجميع البيانات الوصفية أو السمات مباشرة، وتخزينها في جداول سابقة التعريف، تنقل هذه الخرائط والجداول فيما بعد إلى الحاسوب، ويمكن تصديرها إلى معظم الهيئات الشائعة في نظام المعلومات الجغرافية.

معالجة البيانات المكانية

توفر برمجيات نظام المعلومات الجغرافية عدة وظائف تقليدية لمعالجة وتحليل البيانات المكانية، وهي استرجاع المعلومات، والقياس المكاني، والتراكب، والتوليد المكاني، وإنشاء الحريم (أو الحاجز) والممرات، وتحليل الشبكة، وإسقاط الخريطة، وتحليل نموذج التضاريس الرقمي. وسنلقي في هذه الدراسة نظرة سريعة على كل وظيفة من هذه الوظائف التي توضح أيضاً الأسباب التي جعلت من نظام المعلومات الجغرافية يزداد أهمية، يوم بعد يوم، في مساعدة صانعي القرار على اتخاذ قراراتهم بسرعة وحكمة:
• استرجاع المعلومات (information retrieval): يستطيع المستخدم الحصول على المعلومات الخاصة بمعلم من معالم الخريطة من نظام إدارة قواعد البيانات الذي يحتفظ بتلك المعلومات، وذلك بالنقر على ذلك المعلم. وما يزيد من أهمية نظام المعلومات الجغرافية قدرته على إنشاء تقارير مخصّصة بالمعلومات التي يسترجعها المستخدم.
• إنتاج الخرائط الموضوعية (thematic mapping): يستطيع نظام المعلومات الجغرافية إنتاج خرائط موضوعية للمعالم الجغرافية، ويعني ذلك إظهار السمات أو البيانات الوصفية في أسلوب رسومي، ويؤدي تغيير مظهر المعالم إلى جعل المعلومات أكثر وضوحاً، بتغيير لون المعلم أو نمط الخط المرسوم به أو ترميزه برمز خاص، أو حتى كتابة إحدى قيم البيانات الوصفية لكل معلم من المعالم على الخريطة. يمكن مثلاً استخدام دوائر أكبر لترميز المدن ذات عدد السكان الأكبر، أو استخدام خطوط عريضة لترميز الطرق ذات الكثافة المرورية العالية، أو استخدام اللون الأزرق لترميز أنابيب المياه التي مر على تركيبها أكثر من 20 عاماً.


الشكل (7): يستطيع نظام المعلومات الجغرافية استخدام سمة عدد السكان مثلاً من بين السمات لترميز الدول بالألوان المختلفة تبعاً لعدد السكان فيها، وتسمى هذه الخرائط بالخرائط الموضوعية.

• القياس المكاني (spatial measurement): يسهّل نظام المعلومات الجغرافية أداء القياسات المكانية، وقد تكون هذه القياسات بسيطة مثل قياس مسافة بين نقطتين وقياس مساحة مضلع أو طول خط، ويمكن أن تكون معقدة مثل قياس مساحة المنطقة المشتركة بين عدة مضلعات موجودة في عدة خرائط.
• التراكب (overlay): وهو إجراء هام في تحليل نظام المعلومات الجغرافية، ويتطلب تركيب طبقتين أو أكثر لإنتاج طبقة جديدة على الخريطة.
مثال على التراكب: ينمو نوع من القمح المعدّل وراثياً أفضل ما ينمو في البيئة الجافة في فصول النمو الطويلة والتربة القلوية. فإذا توفرت بيانات كافية عن طول فصل النمو ونظام الرطوبة وقلوية التربة في منطقة زراعية مترامية الأطراف فما هو أفضل مكان لزراعة ذلك النوع من القمح؟.

الجواب: يمكن معرفة أفضل مكان لزراعة ذلك النوع من القمح بتركيب عدة طبقات (خرائط) لتلك المنطقة تُظهر أولاها المخزون المائي وتبين الأخرى طول فصل النمو، بينما تتضمن الثالثة معلومات عن درجة حموضة التربة (pH). ويستطيع نظام المعلومات الجغرافية اختبار تلك الطبقات معاً لإنشاء طبقة جديدة تمثل أجزاء محددة من المنطقة الزراعية تفي بكافة شروط التربة المناسبة لنمو ذلك النوع من القمح.
• التوليد المكاني (spatial interpolation): يمكن استخدام نظام المعلومات الجغرافي لدراسة خصائص التضاريس أو الشروط البيئية من عدد محدود من القياسات الحقلية. على سبيل المثال يمكن إنشاء خريطة الهطول المطري انطلاقاً من عدد محدود من القياسات المطرية المأخوذة في مواقع مختلفة على الخريطة، كما يمكن إنشاء خريطة التضاريس انطلاقاً من عدد محدود من قياسات الارتفاع في الخريطة. ومن البدهي أن تتوقف دقة البيانات المولّدة على عدد القياسات المأخوذة.



الشكل (: يستطيع GIS إضافة طبقة منحنيات التسوية بتوليدها آلياً من سمات في طبقة نقاط أخرى باستخدام وظيفة التوليد المكاني.

• إنشاء الحريم والممرات (buffer and corridors): يستعمل الحاجز - أو الحرم و الحريم كما يطلق عليه في المصادر العربية، والكلمة الصحيحة الحريم - عندما تعتمد عملية التحليل ومعرفة المنطقة التي سيشملها حدث ما على قياس مسافة محددة انطلاقاً من نقطة أو خط أو مضلع. وهكذا يستطيع نظام المعلومات الجغرافية إنشاء دائرة تمثل منطقة التخريب الناجم عن انفجار مصنع كيميائي بمعرفة نصف قطر التخريب ورسم دائرة بحيث يكون ذلكم المصنع في مركزها.



الشكل (9): لا تسمح القوانين بافتتاح صيدلية في الموقع A لأن الصيدلية C لا تبعد عنها بالمسافة المطلوبة، ولكن الموقع B مناسب لذلك. يقوم GIS باكتشاف ذلك القرار بمفرده عبر عدة خطوات، ومن دون تدخل المستخدم.

المصدر : cadmagazine[/justify]