کاربرد GIS در محیط زیست (جلد اول)

نویسنده

Zhu Xuan

 ترجمه

سعید جوی‌زاده | شهناز تیموری |  فاطمه حسین‌پور فرزانه

‌بخشی از کتاب:

مقدمه

سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی (GIS مخفف به صورت مفرد یا جمع عمل می‌کند) ابزارهای مؤثری برای گزارش‌دهی از محیط‌زیست، مدل‌سازی تعاملات زیست‌محیطی، ارزیابی اثرات زیست‌محیطی، ارزیابی اثربخشی سیاست‌ها و اقدامات زیست‌محیطی و تفکیک اطلاعات زیست‌محیطی هستند. این کتاب مفاهیم، روش‌ها، تکنیک‌ها و ابزارهای مرتبط با بکارگیری از GIS برای تجزیه و تحلیل محیط، مدلسازی و تصمیم گیری را معرفی می‌کند. این تئوری و عمل را بهم مرتبط می‌سازد، جدیدترین دانش و ابزار GIS مربوط به مطالعات محیطی را جذب می‌کند و نمونه‌های مفصلی را با کاربردهای عملی ارائه می‌نماید.

بسیاری از کتابهای درسی GIS درک نظری اطلاعات جغرافیایی و عملیاتی GIS را ارائه می‌دهند که برخی از آنها به خوبی به تحریر درآمده و جامع هستند. با این حال، آنها راهنمایی کمی در مورد چگونگی پیاده سازی ابزارها و تکنیک‌های GIS برای تسلط بر کاربردهای خود در مطالعات محیطی و درک عملی کمی از GIS ارائه می‌دهند. تعداد انگشت شماری از کتاب‌های GIS با تمرکز بر محیط زیست تا حد زیادی مطالعات موردی یا بخشهایی از تحقیقات ویرایش شده را ارائه می‌دهند که یا اصول و تکنیک‌های GIS را به اندازه کافی پوشش نمی‌دهد یا در دسترس دانش آموزان نیست. هدف این کتاب ارائه مفصل و جامع اصول و تکنیک‌های GIS و در عین حال ارائه راهنمای عملی برای اجرای این اصول و تکنیک‌ها در تحقیقات محیطی و همچنین مدیریت و برنامه ریزی از طریق تعداد زیادی نمونه دقیق، موارد کاربردی و مطالعات موردی برای کمک به خوانندگان برای درک واقعی دانش و مهارت‌ها می‌باشد. این کتاب دانش، ابزار و شیوه‌ها را به صورت منسجم، جامع، مختصر و مستقل قرار داده که نه تنها برای دانش آموزان، بلکه برای دانشمندان و پزشکان محیط زیست نیز قابل دسترسی است.

اکثر ما از طریق مثالها و تجربیات یا آزمایشهای هدایت شده واقعاً می‌آموزیم. بر این اساس کتاب رویکرد کاربردی داشته و از مثالها و روشهای عملی به عنوان ابزاری برای آزمایش سریع، تأیید و آزمایش اصول و تکنیک‌های GIS به شیوه ای آموزنده و تعاملی استفاده می‌کند. این کتاب دارای یک وب سایت همراه با سوالات خودآزمایی و اطلاعات برای کار با همه مثال‌ها و موارد کاربردی می‌باشد. این برنامه برای مقطع کارشناسی و کارشناسی ارشد در علوم محیط زیست، جغرافیا، زمین شناسی، علوم جوی، اکولوژی و علوم زیستی در نظر گرفته شده است. همچنین به عنوان کتاب مرجع برای محققان و دست اندرکاران در این زمینه‌ها که مایل به استفاده از GIS به عنوان ابزاری برای تجزیه و تحلیل محیطی، مدلسازی و تصمیم گیری هستند  استفاده می‌شود. علاوه بر این، برای مدرسانی که هدف ارائه یک دوره عملی و ساختار یافته در GIS را دارند به تحریر درآمده است.

این کتاب در 10 فصل تنظیم شده است. فصل‌های 1 الی 9 مفاهیم، اصول و تکنیک‌های اساسی در داده‌های فضایی، مدیریت داده‌های فضایی، تجزیه و تحلیل فضایی، آمار فضایی، تجزیه و تحلیل داده‌های سنجش از دور، تجزیه و تحلیل زمین، تجسم فضایی، تجزیه و تحلیل و مدلسازی تصمیمات مکانی را پوشش می‌دهد. هر یک از این فصلها شامل مثالها و مواردی است که نشان می‌دهد چگونه می‌توان اصول، تکنیک‌ها و ابزارهای GIS را با استفاده از ESRI ArcGIS (یک سیستم نرم افزاری GIS محبوب برای برنامه‌های محیطی) و سایر برنامه‌های افزودنی مکمل به ArcGIS برای رسیدگی به مسائل محیط زیستی پیاده سازی کرد. اگرچه مطالعات موردی در نه فصل اول ارائه شده است، فصل 10 شامل مجموعه ای از مطالعات موردی دقیقتر است که تحت موضوعات مدلسازی هیدرولوژیکی، تجزیه و تحلیل کاربری اراضی، مدلسازی، مدلسازی جوی، مدلسازی اکولوژیکی و ارزیابی خدمات اکوسیستم سازماندهی شده است. اگرچه این مطالعات موردی همه زمینه‌های تحقیق و عملی محیط زیستی را پوشش نمی‌دهد، اما برخی از کاربردهای محیطی معمولی GIS را با تأکید بر نحوه استفاده از GIS در تجزیه و تحلیل، مدلسازی یا راه حل نشان می‌دهد. آنها کاملا به بخشهای مربوط در متن ارجاع داده شده و مطالعات موردی اضافی را برای آن بخشها ارائه می‌دهند.

هر فصل شامل موارد کمک آموزشی زیر می‌باشد :

1. لیستی از اهداف یادگیری که در ابتدا بیان شد.
2. نقشه ها، نمودارها، جداول و عکسهای تمام رنگی.
3. بسته‌هایی که راهنمایی‌های کاربردی در زمینه نحوه استفاده یا پیاده سازی مفاهیم و تکنیک‌های GIS با دستورالعمل‌های گام به گام ارائه می‌دهند.
4. خلاصه ای در پایان شامل مفاهیم اصلی معرفی شده.
5. مجموعه ای از سوالات مرور پایان فصل که پاسخ آنها با مطالعه دقیق فصل یافت می‌شود.
6. فهرستی از مراجع شامل کلیه نشریات ذکر شده در متن که به عنوان منبع اصلی فصل و نقطه شروع برای تحقیقات بیشتر عمل می‌کند.

محتوای کتاب نسبتاً ماژولار و به اندازه کافی انعطاف پذیر است تا نیازهای دوره‌های مختلف را دربرگیرد. این نیازها با پیشینه دانش آموزان، طول دوره، موقعیت دوره در برنامه درسی و اهداف دوره تعیین می‌شود. مثلا فصل 9 "تجزیه و تحلیل تصمیم مکانی و مدلسازی " مبحث پیشرفته است که برای دانشجویان کارشناسی ارشد مناسب است و می‌تواند از دوره کارشناسی حذف شود. مطالعات موردی فصل 10  به عنوان مطالعه انتخابی برای دانش آموزان با توجه به سوابق آنها استفاده شده است.

در تحریر کتاب حاضر باید از افراد زیادی تشکر کنم. ابتدا از بسیاری از دانشجویانی که در چند سال گذشته دوره‌های GIS اینجانب را گذرانده‌اند تشکر می‌کنم. بازخورد آنها در سازماندهی ایده‌های ارائه شده در متن بسیار موثر بوده است. از صمیم قلب از کاترین یو تشکر می‌کنم که بسیاری از نمودارها، فصل‌های تصحیح شده را تهیه کرد و در طول این سالها پشتیبانی مداوم و درک مکرر ارائه نمود. از داوران ناشناس کتاب که به دقت مطالعه کرده و اثر را نقد نموده‌اند تشکر می‌کنم. ورودی آنها منجر به بهبود قابل توجهی در کیفیت خروجی نهایی شد. همچنین از اندرو مول، سارا گیلکس و اگل زیگایت، ویراستاران، بخاطر کمک، راهنمایی، تشویق و حرفه ای بودن آنها در طول این سالها تشکر می‌کنم. در نهایت و مهمتر از خانواده‌ام تشکر می‌کنم.

دانشگاه ژوان ژو موناش

ملبورن

وب سایت همراه این کتاب در آدرس زیر موجود است:

www.routledge.com/cw/zhu

منابع موجود در سایت عبارتند از :

1. فایلهای‌ اطلاعات GIS برای کارهای عملی :  بیشتر موارد کاربردی در کتاب از یک پایگاه داده GIS استفاده شده که برای یک حوزه مجازی فرضی ایجاد شده است. تمام فایلهای اطلاعات در آن به صورت GIS4EnvSci.zip فشرده شده‌اند که باید دانلود نموده و سپس تمام فایلهای اطلاعات GIS را قبل از شروع کارهای کاربردی، به عنوان راهنمای هارد دیسک خود انتخاب نمائید.
2. به‌روزرسانی‌های تغییرات ArcGIS با انتشار نسخه‌های جدید : هر نسخه جدید نرم‌افزار ArcGIS ممکن است شامل افزودن توابع جدید، گروه‌بندی، تغییر نام توابع و اصلاح رابط‌های کاربر باشد. موارد عملی با این تغییرات به روز  شده و در وب سایت قابل دسترس هستند.
3. تستهای آنلاین هر فصل
4. ارائه پاورپوینت هر فصل
5. پیوندهای مفید به سازمان‌های حرفه ای مرتبط با GIS، مجلات، ژورنالها، منابع داده و نرم افزار.

ESRI ArcGIS دسکتاپ برای انجام اکثر موارد عملی کتاب مورد نیاز است. شما باید به مجوز ArcGIS فعلی Desktop را دسترسی داشته باشید. ESRI [1] مجوز دوازده ماهه ArcGIS for Desktop را به دانشجویان کالج‌ها و دانشگاههایی که در برنامه مجوز سایت ESRI Education ثبت نام کرده‌اند ارائه می‌دهد. دانشجویان همچنین می‌توانند مجوز دوازده ماهه ArcGIS for Desktop را با قیمت 100 دلار خریداری نمایند.

فصل اول

مروری بر سیستمهای اطلاعاتی جغرافیایی

مروری بر GIS

این فصل مروری بر GIS کاربردهای محیطی ارائه می‌دهد. تاریخچه، چارچوب کلی و عملکرد GIS برای حل مشکلات محیط زیست و تصمیم گیری را معرفی می‌کند، نقش GIS در تحقیقات، مدیریت و برنامه ریزی محیطی را مورد بحث قرار می‌دهد، مقدمه کوتاهی از چندین بسته نرم افزاری GIS محبوب را ارائه داده و یک بسته راهنما را ارائه می‌دهد. از ArcGIS - نرم افزار GIS که در مثال‌های موجود در کتاب استفاده شده است.

اهداف یادگیری

پس از مطالعه این فصل شما قادر خواهید بود :

1. GIS را از سایر انواع سیستم‌های کامپیوتری متمایز نمائید.
2. مقاصدی که GIS ممکن است برای آنها قابل اجرا باشد درک نمائید.
3. در مورد نقش GIS در تحقیقات، مدیریت و برنامه ریزی محیط زیستی بحث کنید.
4. فرایند حل مشکلات محیط زیست را با GIS شرح دهید.
5. ویژگی‌های کلیدی طیف وسیعی از نرم افزارهای GIS اختصاصی و منبع در دسترس را که در حال حاضر برای مطالعات محیط زیستی موجود است تشریح کنید.
6. با محیط نرم افزاری ArcGIS آشنا شوید.

 

مقدمه ای بر GIS

هدف اساسی تحقیقات زیست محیطی درک و حل مشکلات زیست محیطی با تمرکز بر نحوه استفاده انسان از منابع طبیعی و چگونگی تغییر محیط توسط فعالیتهای انسانی است. برای مثال اکولوژیست ممکن است بخواهد پیامدهای تجزیه چشم انداز ناشی از تشدید کشاورزی و از بین رفتن زیستگاه برای حیات وحش را مطالعه کند. زیست شناس حیات وحش ممکن است بخواهد الگوهای حرکتی حیوانات مهاجر را تجزیه و تحلیل کند. جغرافی دان ممکن است به تغییرات کاربری اراضی و تاثیرات محیط زیستی آنها در یک منطقه علاقه مند باشد. اقلیم شناس ممکن است بخواهد واکنش اکوسیستم‌ها به تغییرات آب و هوایی را پیش بینی نموده تا گزینه‌هایی برای مدیریت پایدار چشم انداز ارائه دهد. زمین شناس ممکن است بخواهد حساسیت لغزش زمین را با توجه به تاریخ گذشته و شیب ارزیابی کند. بستر و سایر عوامل فیزیکی و شناسایی مناطق دارای پتانسیل رانش زمین متفاوت است. هیدرولوژیست ممکن است در مدلسازی پاسخهای هیدرولوژیکی شهرنشینی مناطقی که برهم کنشهای آبهای زیرزمینی-سطحی قابل توجهی دارند و درک هیدرولوژی شهری و مسیرهای جریان آلاینده ها، که طراحی شهری حساس به آب را آگاه می‌کند علاقه مند باشد. همه رشته‌های علوم محیط زیستی با داده‌هایی کار می‌کنند که اکثرا ماهیت زیادی ( داده‌های مربوط به مکان‌های روی سطح زمین)  دارند. چنین داده‌هایی را داده‌های مکانی می‌نامند. آنها توضیح می‌دهند که اشیا کجا هستند یا کجا بودند یا در سطح زمین خواهند بود. کادر 1-1 مثال معمولی از مدلسازی توزیع گونه‌ها با استفاده از داده‌های مکانی را نشان می‌دهد. GIS یک فناوری و مجموعه ای از ابزارها برای جمع آوری، سازماندهی، جستجو، تجزیه و تحلیل و تجسم داده‌های مکانی را ارائه می‌دهد.

GIS چیست؟

مخفف GIS مخفف سیستم اطلاعات جغرافیایی است. متفاوت از انواع دیگر سیستم‌های رایانه ای مانند صفحات گسترده، پردازشگر کلمات و سیستم‌های مدیریت پایگاه داده، GIS داده‌های مکانی را پردازش و مدیریت می‌کند. در حالی که پردازشگر کلمات و صفحات گسترده به ترتیب ابزارهای رایانه ای برای پردازش متن و اعداد هستند، GIS نقشه ها، تصاویر و سایر انواع داده‌های مکانی را با ارجاعات خاص به مکان‌های سطح زمین مدیریت می‌کند.

کادر 1-1- مدلسازی توزیع گوزن سمبار [2] در ویکتوریا، استرالیا

هدف از مدلسازی توزیع گونه‌ها این است که بفهمیم یک گونه در کجا اتفاق می‌افتد یا به احتمال زیاد رخ می‌دهد، چگونه وقوع یک گونه با محیط مرتبط است و چگونه یک گونه می‌تواند به تغییرات محیط خود واکنش نشان دهد. بر این اساس فرض است که هر گونه دارای طبقه محیطی خاص خود است، در مناطقی زندگی می‌کند که در طیف وسیعی از عوامل محیطی مانند دما، بارندگی و نوع پوشش گیاهی زندگی می‌کنند. دانشمندان محیط زیست از موسسه Arthur Rylah (ARI) برای تحقیقات محیطی در ملبورن، تحقیقات میدانی را با داده‌های بیوفیزیکی ترکیب کردند تا توزیع کنونی و بالقوه گوزن سمبار (Cervus unicolor) در ویکتوریا را تخمین بزنند. گوزن سمبار در قرن نوزدهم از سریلانکا، هند و فیلیپین به ویکتوریا معرفی شد. آنها متعاقباً محدوده جغرافیایی خود را در جنوب شرقی استرالیا گسترش داده‌اند و گسترش مداوم آنها تأثیرات منفی بر تنوع زیستی بومی و کیفیت آب دارد. درک توزیع فعلی و احتمالی گوزن سمبار به مدیران حیات وحش اجازه می‌دهد تا تلاش‌های مدیریتی خود را به طور موثرتری متمرکز کنند. تیم تحقیقاتی ARI از شمارش قرصهای مدفوع برای شاخص‌سازی فراوانی گوزن سمبار استفاده کرد. آنها ابتدا داده‌های مربوط به حضور گوزن سمبار را با شمارش تعداد قرصهای مدفوع گوزن سمبار در طول 100 برش عرضی به طور تصادفی (150 متر طول) در این زمینه بررسی کرد. داده‌های حضور در اصل نمونه ای از مکانهای حضور گوزن سمبار هستند که تعداد کل قرصهای دست نخورده شمارش شده در هر برش عرضی (که به نام شاخص قرص مدفوع یا FPI نامیده می‌شود) و مکان‌های تحمل و جغرافیایی برشهای عرضی را توصیف می‌کند. سپس متغیرهای بیوفیزیکی در اطراف هر برش عرضی شامل ارتفاع، جنبه، شیب، مجاورت با آب، نوع پوشش گیاهی، تابش خورشید و مجاورت جاده‌ها برآورد شد. همه این متغیرها از برش عرضی به برش عرضی دیگر متفاوت است، به عبارت دیگر آنها مختص مکان هستند. بر اساس وجود و داده‌های بیوفیزیکی فرضیه‌های متعددی در مورد چگونگی تأثیر متغیرهای بیوفیزیکی بر فراوانی گوزن سمبار تدوین شد. مدلهایی برای آزمایش فرضیه‌ها ساخته شده‌اند و در نهایت بهترین مدل برای پیش بینی تغییرات مکانی در فراوانی گوزن سمبار انتخاب شد. نتیجه یک مدل تناسب زیستگاه و نقشه فراوانی گوزن سامبار پیش بینی شده در FPI اندازه گیری شد. این مدل زیستگاه آشکار مکانی می‌تواند به شناسایی مکانهایی که گوزن سمبار در آن یافت می‌شود کمک کند و پیش بینی کند که چگونه ممکن است محدوده جغرافیایی آنها به دلیل تغییرات محیطی یا دلایل دیگر گسترش یابد. در این مطالعه موردی همه داده‌های حضور گوزن سمبار، داده‌های بیوفیزیکی و داده‌های پیش بینی فراوانی گوزن سمبار، داده‌های مکانی هستند. این داده‌های مکانی را می‌توان به طور موثر در GIS مدیریت کرد. سؤالات «کجا» و «چه» که در مدلسازی توزیع گونه‌ها به آن پرداخته می‌شود مانند مکان وقوع یا احتمال وقوع یک گونه، محل زیستگاه‌های سکونت یا غیرمسکونی یک گونه و عوامل بیوفیزیکی ای که با وقوع گونه مرتبط است سؤالات معمولی هستند، که GIS برای کمک به پاسخگویی طراحی شده است.

منبع :  فورسیث و همکاران (2007).

به طور کلی داده‌های مکانی مجموعه ای از مشاهدات، ویژگیها و اندازه گیری آنها را در فضای جغرافیایی در زمان خاص یا در دوره زمانی خاص توصیف می‌کنند. فضای جغرافیایی مکانی است که در آن مشاهدات مربوط به مکان‌های واقع در سطح زمین  با یک چارچوب اندازه گیری مکانی تعریف شده است و روابط مکانی آنها (مانند مجاورت، اتصال و جهت) را در دنیای واقعی ثبت می‌کند. در اینجا چارچوب اندازه گیری مکانی یک سیستم مختصات است که مختصات کروی یا پلانیمتری، ارتفاع، جهت و سایر ویژگیهای اندازه گیری فضا را به گونه ای تعریف می‌کند که شکل پیچیده زمین را در نظر می‌گیرد. مشاهدات در فضای جغرافیایی بر روی ویژگیهای توزیع شده مکانی انجام می‌شود.

مانند گیاهان، حیوانات حیات وحش، نهرها و رودخانه‌ها که اغلب به عنوان ویژگیهای جغرافیایی، اشیاء مکانی یا موجودیت‌های مکانی نیز شناخته می‌شوند (گاترل 1991؛ لانگلی و همکاران 2011). آنها به عنوان مجموعه ای از مکانها در یک فضای جغرافیایی همراه با مجموعه ای از ویژگیهای مشخص کننده آن مکان‌ها تعریف می‌شوند. به عنوان مثال رویت گوزن سمبار مشاهده ای است که ممکن است با یک جفت عرض و طول جغرافیایی (مختصات کروی در سیستم مختصات جغرافیایی تشریح شده  در فصل 2) و تعدادی از ویژگیهای متصل به مکان، از جمله انتخاب، جنبه، شیب، نوع پوشش گیاهی و تابش خورشیدی تعربف شود. نقشه وسیله ای سنتی برای نشان دادن یک فضای جغرافیایی است. بنابراین داده‌های مکانی را می‌توان به نقشه مرتبط نمود یا به شکل نقشه نشان داد (شکل 1-1). داده‌های مکانی را داده‌های ارجاع جغرافیایی، داده‌های زمین مرجع یا داده‌های مکانی نیز می‌نامند.

[1] http://www.esri.com

[2] Cervus unicolor