أولًا: المقدمة

قطعت الخرائط شوطًا طويلًا منذ أن بدأ الإنسان رسمها أول مرة لإظهار مكانه؛ فقد مرت بمراحل متعددة وأساليب متنوعة لجمع المعطيات وتحديد أشكال الجبال ومواقع الأنهار والبيئة المحيطة به. وقد كان الاعتقاد السائد أن الأرض منبسطة، وأنها تنتهي بهاوية. وقد ساد العديد من الخرافات حول ماهية الأرض وشكلها وتكوينها، وبقيت مبهمة مدة طويلة من الزمن، ثم بدأت الاكتشافات المتلاحقة لتبرهن كروية الأرض. بدأ بعدها الإنسان بتقسيم الكوكب إلى خطوط طول وخطوط عرض لتبسيط دراسته لها، وراح يضع النظريات والمبرهنات عن الطبقات التي تتكون منها القشرة الأرضية ويشرح قوانين حركة القارات والهزات والبراكين.

تُصنع الخرائط الحديثة باستعمال برامج خاصة تجمع بين أنواع مختلفة من المعلومات، وهي تتيح للباحثين حلَّ العديد من المشاكل، وتعقُّب التغيرات، وصنع القرارات، ووضع الخطط للمستقبل.

ثانيًا: ما هو نظام المعلومات الجغرافية؟

نظامُ المعلومات الجغرافية هو نظامٌ متكامل من الحواسيب والبرمجيات التي تربط بين المعطيات والصور والموارد الجغرافية الأخرى. تندمج طبقات المعطيات الصريحة مكانيًّا بمعطيات جدولية (سمة) في قواعد المعطيات العلائقية، مما يتيح تحليل الأنماط والاتجاهات حسب الحاجة.

يُعدُّ نظام المعلومات الجغرافي إطارًا لجمع المعطيات وإدارتها وتحليلها، وهو متجذرٌ في علم الجغرافيا؛ يحلِّل الموقعَ المكاني وينظِّم طبقات المعلومات باستعمال الخرائط والمشاهد الثلاثية الأبعاد مستعمِلًا من أجل ذلك السواتل satellite والكَمِرات الجوية وغيرها لالتقاط الصور. يكشف GIS - بالاستفادة من هذه الإمكانات -عن رؤى أعمق للمعطيات، تساعد على اتخاذ قرارات صائبة.

ثالثًا: ما هو الفرق بين نظام تحديد المواقع العالمي ونظم المعلومات الذكية؟

يُستعمل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS: Global Positioning System) على نطاق واسع في العديد من التطبيقات المتعلقة بالمسح والملاحة، ويتكون من 28 ساتلًا تدور حول الأرض موزَّعة على ستة مدارات مختلفة، على ارتفاع 20.180 كم تقريبًا. وتميل هذه السواتل - في أثناء دورانها - 55 درجة تقريبًا عن خط الاستواء. وهذا يجعل أربعة سواتل مرئية طوال الوقت من أيِّ مكان على سطح الأرض، وهي السواتل الأربعة اللازمة لتحديد أيِّ موقع في الفضاء الثلاثي الأبعاد؛ وذلك بتحديد 4 معلمات تشمل: خط العرض، وخط الطول، والارتفاع، والتوقيت.

الشكل (1): السواتل التي تمثل منظومة GPS ودورانها حول الأرض.

 

دَخْلُ نظام المعلومات الجغرافية هو المعطيات التي تم جمعها من العديد من المصادر، والتي تحوَّل إلى معلومات اعتمادًا على العملية المعتمَدة. يوفر GIS المعلومات المتعلقة بالمعطيات الجغرافية، ويُستعمل على نطاق واسع لإعداد أنواع مختلفة من الخرائط في دراسات رسم الخرائط، وفي التطبيقات البيئية، وتطبيقات النقل؛ مثل تخطيط شبكة الطرق وما إلى ذلك.

 

الشكل (2): منظومة GIS وآلية تشكيلها.

 

رابعًا: بنية نظام المعلومات الجغرافية

تقسم بنية نظام المعلومات الجغرافية من وجهة نظر إدارة المعلومات إلى ثلاثة مكونات رئيسية، يسهم كلٌّ منها في وظائفه الأساسية الآتية:

• واجهة المستعمِل (user-interface): تتيح التفاعلَ واستعمالَ أدوات نظم المعلومات الجغرافية بواسطة واجهة المستعمِل البيانية (GUI: graphical user interface).
• مخدِّم التطبيق (application server): وهو مجموعة الأدوات المتاحة لمعالجة معطيات نظم المعلومات الجغرافية وتحليلها.
• قاعدة المعطيات (database): وفيها ملفات المعطيات وخدمات الوب وبرامج إدارة قواعد المعطيات. توفر هذه البنية الثلاثية المستويات لنظم GIS عددًا من التطبيقات التشغيلية المتباينة حسب موقع المكونات والخدمات المقدمة.
• سطح المكتب (desktop): وفيه جميع مكونات البرامج وتشغيلها بجهاز واحد (عادةً حاسوب سطح المكتب).
• زبون-مخدِّم (client-server): تُقسم الوظيفة بين الزبون (أي الحاسوبُ الذي يُشغِّل واجهةَ المستعمِل) وبعض الوظائف والمعطيات التي يُضيِّفها عادةً حاسوبٌ بعيد (مخدِّم).
• سطح مكتب مركزي (centralized desktop): يثبَّت تطبيق سطح مكتب GIS مع قدرة معالجة محدودة من جانب الزبون، وتُضيَّف الأدوات والمعطيات على المخدِّم الذي يكون مشتركًا مع تطبيقات الإدارات.
• المخدِّم المركزي (centralized server): ينتمي إلى هذه الفئة نظامُ المعلومات الجغرافية للمؤسسات ونظام المعلومات الجغرافية المستند إلى الوب. وتمكِّن الواجهاتُ البسيطة (مثل متصفح الوب) من التحكم في واجهة المستعمل (التي يُضيِّفها مخدِّم بعيد). أما الأدوات وقواعد المعطيات فتُضيِّفها مخدِّماتٌ مخصَّصة، وغالبًا ما تكون مرتبطة بشبكات كبيرة.

أدت التطورات في البنية التحتية لنظام المعلومات الجغرافية إلى تنويع مكونات البرامج المصمَّمة لأغراض محددة. وما تزال نظم المعلومات الجغرافية "التقليدية" لسطح المكتب تخدِّم شريحةً مهمة من مستعملي هذا النظام، أما النظم المركزية لسطح المكتب فشائعة في تطبيقات المؤسسات. ومن الملاحظ أن النظمَ المستندة إلى الوب تتزايد باطراد، نظرًا إلى سهولة النفاذ وفرص العمل المشترك الذي منحته الحوسبة السحابية المعتمدة عليه.

الشكل (3): بنية نظام المعلومات الجغرافية.

 

خامسًا: معطيات نظم المعلومات الجغرافية

يمكن تقسيم معطيات نظم المعلومات الجغرافية إلى فئتين: المعطيات الجغرافية المكانية (وهي المعطيات المشار إليها في المواقع على الأرض) ومعطيات السمات (وهي المعلومات الإضافية المرتبطة بالمعطيات المكانية أو التي يمكن ربطها بها، وتكون على شكل جدول).

يعرض الشكل (4) الآتي مثالًا على المعطيات المكانية ومعلومات السمات المرتبطة بها في نظام المعلومات الجغرافية.

 

يمكن تجميع المعطيات المشار إليها مكانيًّا في نوعين رئيسيين:

• المعطيات المتجهية )vector(.
• المعطيات التسامتية )raster(.

تَستعمل المعطيات المتجهيةُ الإحداثياتِ لتمثيل المعطيات الجغرافية المكانية. يمكن أن تكون المعطيات المتجهيةُ نقاطًا أو خطوطًا أو مضلعات. وتتكون من وحدات مكانية أساسية: النقاط هي توابع وليست أبعادًا محددة بواسطة إحداثياتها (أي الإحداثيان س ص للمواقع على سطح الأرض). تُعد نماذج المعطيات المتجهية مفيدةً في تمثيل السمات الخطية (مثل الأنهار وشبكات توزيع مرافق المياه) أو المناطق (مثل تجمعات المياه) أو المواقع (مثل محطات المراقبة).

أما المعطيات التسامتية فهي تجريد للعالم الحقيقي حيث تنظَّم المعطيات المكانية في بنية شبكة منتظمة من الخلايا المستطيلة. تمثَّل الأسطح على أنها شبكة من الوحدات المنفصلة، ويرمَّز موقع الخلايا ضمن ترتيب مصفوفة المعطيات، على عكس تخزين الموقع الواضح للمعطيات المتجهية.

لكلٍّ من المعطيات المتجهية والمعطيات التسامتية خصائصها ومزاياها وعيوبها:

• المعطيات المتجهية هي الخيار الأفضل لتمثيل الميزات المكانية (مثل التصوير العالي الدقة للمعالم الخطية، مثل الأنهار والجداول).
• يَستعمل التحليلُ الذي يتضمن الطوبولوجيا المعطياتِ المتجهيةَ (مثل تحليل القرب أو الشبكة).
• يجعل نموذجُ المعطيات المبسطُ المعطياتِ التسامتيةَ مثاليةً للتحليل الكمي والنمذجة، خاصة في حالة مجموعات كبيرة من المعطيات.
• تعد نماذج المعطيات التسامتية مناسبة تمامًا لمعطيات السطح المستمرة والمنفصلة، المشتركة مع معلومات الاستشعار من بعد.
• تتميز المعطيات التسامتية بالعمومية في المعطيات المكانية.

يمثل الشكل (5) الفرق بين المعطيات المتجهية والمعطيات التسامتية

 

سادسًا: نظام المعلومات الجغرافية في التقانات الحديثة

          1.6. نظام المعلومات الجغرافية في الساعات الذكية

مكَّن انتشار الساعات الذكية من النفاذ إلى المعلومات بواسطة الإنترنت والتواصل مع الآخرين وتتبُّع النشاط أثناء التنقل، إضافة إلى الميزات التي تمنحها قدرة GIS المدمجة، والتي تتيح النفاذ إلى المعلومات في الموقع. توفر الساعات الذكية أيضًا معلوماتٍ مكانيةً وزمنيةً وعرضًا للخرائط على الشاشة. يمكن استعمال هذه الخرائط لتحديد الطريق أو النفاذ إلى المعلومات المستندة إلى الموقع مثل تنبيهات الطقس. ولكن، تواجه الساعات الذكية العديد من القيود عندما يتعلق الأمر بتصميم تطبيقات الخرائط؛ ومنها حجم الشاشة الصغير الذي يَحدُّ من كمية المعلومات التي يمكن عرضها.

ثمة نوعان أساسيان من التطبيقات المصمَّمة للساعات الذكية والمستندة إلى نظم المعلومات الجغرافية:

• التطبيقات التي تستعمل النصوص والخرائط. يبين الشكل (6) الآتي صورًا توضيحية لهذه التطبيقات.

• التطبيقات التي تستعمل الخرائط أداةً أساسيةً لإيصال المعلومات الزمانية المكانية.

يبين الشكل (7) الآتي صورًا من هذه التطبيقات.

 

أهم التطبيقات المصمَّمة للساعة الذكية، والتي تَستعمل نظم المعلومات الجغرافية في عملها:

• تطبيق موقعي (My Location): يتيح تحديد الموقع الحالي وعنوان المكان.
• تطبيق مخطط المدينة (City mapper): يمكِّن من العثور على الطريق إلى المنزل أو العمل. يَستعمل هذا التطبيق صفحاتٍ متعددةً لعرض الطريق.
• المربعات الأربعة (Foursquare): يمكِّن من العثور على الأماكن المهمة؛ كالمطاعم والمشافي ومراكز التجميل. ويحسِّن عمليات البحث حسب المعايير المحدَّدة. تُعرَض الأماكن المحددة في قائمة ويبيَّن موقعها على الخريطة. عند الضغط على أيقونة المكان يقدم التطبيق معلومات مفصلَّة عنه.
• موقف السيارات (ParKing): يتيح رَكْنَ السيارات افتراضيًّا، وذلك بوضع رمز السيارة على الخريطة. تزوَّد المواقف العمومية بتطبيقات يَظهر عليها الأماكن المحجوزة والشاغرة.
• خريطة المواقع (Locus Map): يتيح تكبير المسار وتحريكه والتنقل فيه.

          2.6. نظم المعلومات الجغرافية في الروبوتات

يطلب المجتمع باستمرار مزيدًا من التطبيقات الروبوتية الجديدة يكون فيها أداء الروبوت أقرب ما يكون إلى أداء البشر لتوفير مزيد من الراحة والرفاهية. وعند التفكير في استعمال الروبوتات المتنقلة في البيئات البشرية المشتركة - مثل البيئات الحضرية لتنفيذ المهام التي تحتاج إلى جهد بشري أو تسبب ضررًا في صحة الأفراد كالمراقبة أو تسليم البضائع أو جمع القمامة - نلحظ الحاجة الملحة إلى هذه الروبوتات.

استفادت الروبوتات في عملها من بنية المخدِّم والزبون؛ إذ إنَّ المخدِّمَ يحتوي على خريطة تستند إلى نظم المعلومات الجغرافية GIS للمنطقة حيث يعمل الروبوت، ويمكن للروبوت الاتصال بالمعطيات العامة لإعادة جزء من الخريطة (أو كلها) اللازم لأداء مهامه. لذلك، نظرًا إلى المساحة الكبيرة التي ينبغي أن يغطيها فريق الروبوتات، استُحدِث بروتوكول اتصال بين مخدِّم GIS والروبوت اللذين يَستعملان قواعد معطيات من النمط DBMS وSQL.

تتضمن آلية عمل المنظومة التالية حاسوبًا مركزيًّا مزوَّدًا بمخدِّم GIS، وتزوَّد الروبوتات بنقطة اتصال لاسلكي. عندما يشغَّل الروبوت، يتصل بالمخدِّم ويطلب جزءًا من خريطة نظم المعلومات الجغرافية GISmap العامة. يحدِّد المستعمِلُ على مخدِّم GIS هدفًا ما، ويحدث الاتصال بمخدِّم GIS بغية تحديث موضع الروبوت في المخدِّم وتزويده بخريطة مناسبة لمواصلة مساره، اعتمادًا على موقعه، فيبدأ الروبوت بالركض إليه. وهكذا يكون الحجر الأساس لبناء الروبوتات ومحاكاتها لحركة الإنسان بالمشي والحركة في المساحات الجغرافية.

           3.6. نظم المعلومات الجغرافية في المسح الأثري

يبدأ البحث الأثري بمسحٍ ميداني منهجي لجرد السمات والتحف الثقافية المرئية على سطح الأرض لموقعٍ أو منطقة معيَّنة. ثم تُستعمل قوائم الجرد هذه جزئيًّا للحصول على نظرة عامة للأبعاد المكانية والزمانية الشاملة للموقع بناءً على أنواع القطع الأثرية الموجودة ولاتخاذ قرارات بشأن المناطق داخل الموقع التي ستعطى الأولوية عند إجراء الحفريات الأرضية التقليدية. طوِّر نهجٌ فعَّال لدمج تقنية GPS في نظام المعلومات الجغرافية GIS عند إجراء مسح ميداني أثري. يمكِّن هذا النهج من جمعِ معلومات دقيقة وموثوقة تتعلق بظروف الأرض الأثرية، مثل كثافات القطع الأثرية السطحية، وهياكل ما قبل التاريخ تحت السطحية، والميزات الطبيعية التي يمكن دمجها باستعمال نظم المعلومات الجغرافية لتحديد أولويات الحفر والتخطيط.

أدَّى دمج نظام المعلومات الجغرافية GIS في الأجهزة المستعملة ميدانيًّا إلى إمكان تحميل وتنزيل الإحداثيات من جهاز GPS، وتصدير المعطيات الأولية إلى قاعدة المعطيات الجغرافية، وتوفير وظائف لمزامنة الصور الرقمية مع نقاط مسار GPS لإنشاء الارتباطات الساخنة.

إن استعمال حلِّ GIS الفعال من حيث خفض التكلفة، وتسهيل الاستعمال، وقدرات التكامل لتقنية قاعدة المعطيات الجغرافية مكَّنَ من التطوير السريع لحلٍّ جغرافيٍّ مكاني شامل لتلبية احتياجات المسح الميداني الأثري، والتغلب على القيود المالية والزمنية للمشروع دون المساس بالسلامة العلمية لأهداف البحث الشاملة.

سابعًا: الخاتمة

إن تطبيق نظم المعلومات الجغرافية سوف يُحدث نقلةً حقيقيةً في العديد من المجالات؛ إذ إنه يتيح ربط كمية غير محدودة من المعطيات في مكان واحد، بواسطة خريطة، مما يعطي قدرة استثنائية في تتبع التغييرات في المعلومات وتطبيقها في الوقت الفعلي على شاشة الأجهزة والتقنيات. وكل ذلك بهدف خدمة الأبحاث العلمية والتعليمية.

ثامنًا: المراجع

• http://isepei.org/technologies/gis
• https://www.rfwireless-world.com/Tutorials/GPS-basics-tutorial.html

• GIS Map Based Mobile Robot Navigation in Urban Environments
• A Cost-Effective Approach to GPS/GIS Integration for Archaeological Surveying By Brian Tomaszewski, Ph.D. Candidate, Department of Geography, the Pennsylvania State University
• The use of maps on smartwatches, MAIRA UTEBALIYEVA , September, 2019, Efficient Multisensor Localization for the Internet of Things, Robert E. Roth