برامج نظم المعلومات الجغرافية

برنامج نظم المعلومات الجغرافية (GIS) هو برنامج حاسوبي يدعم استخدام نظام المعلومات الجغرافية ، ويوفر القدرة على إنشاء البيانات الجغرافية وتخزينها وإدارتها والاستعلام عنها وتحليلها وعرضها ، أي البيانات التي تمثل الظواهر التي يُعد الموقع عاملاً مهماً فيها. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} يشمل قطاع برامج نظم المعلومات الجغرافية مجموعة واسعة من المنتجات التجارية والمفتوحة المصدر التي توفر بعضًا من هذه الإمكانيات أو جميعها ضمن بنى تقنية معلومات متنوعة . ^{[ 4 ]}

كانت أنظمة المعلومات الجغرافية الأولى، مثل نظام المعلومات الجغرافية الكندي الذي بدأ عام 1963، برامج مصممة خصيصًا لمنشأة واحدة (عادةً وكالة حكومية)، استنادًا إلى نماذج بيانات مصممة خصيصًا. ^{[ 5 ]} خلال الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي، بدأ الباحثون الأكاديميون، في خضم الثورة الكمية للجغرافيا، بكتابة برامج حاسوبية لإجراء التحليل المكاني ، لا سيما في جامعة واشنطن وجامعة ميشيغان ، ولكن هذه البرامج كانت أيضًا برامج مخصصة نادرًا ما كانت متاحة للمستخدمين المحتملين الآخرين.

لعلّ أول برنامج متعدد الأغراض يوفر نطاقًا واسعًا من وظائف نظم المعلومات الجغرافية هو برنامج Synagraphic Mapping Package (SYMAP)، الذي طوّره هوارد تي. فيشر وآخرون في مختبر هارفارد الناشئ للرسومات الحاسوبية والتحليل المكاني بدءًا من عام 1965. ورغم أنه لم يكن برنامجًا متكاملًا لنظم المعلومات الجغرافية، إلا أنه تضمن بعض وظائف رسم الخرائط والتحليل الأساسية، وكان متاحًا مجانًا للمستخدمين الآخرين. ^{[ 6 ]} وخلال سبعينيات القرن الماضي، واصل مختبر هارفارد تطوير ونشر حزم برمجية أخرى تركز على أتمتة عمليات محددة، مثل SYMVU (التصور ثلاثي الأبعاد للأسطح)، وCALFORM ( خرائط التوزيع اللوني )، وPOLYVRT ( إدارة بيانات المتجهات الطوبولوجية )، وWHIRLPOOL ( تراكب المتجهات )، وGRID وIMGRID ( إدارة بيانات الصور النقطية )، وغيرها. وفي أواخر سبعينيات القرن الماضي، جُمعت عدة وحدات من هذه الوحدات في برنامج Odyssey، أحد أوائل برامج نظم المعلومات الجغرافية التجارية المتكاملة، والذي صدر عام 1980.

خلال أواخر سبعينيات وأوائل ثمانينيات القرن العشرين، برزت نظم المعلومات الجغرافية (GIS) في العديد من الوكالات الحكومية الكبرى المسؤولة عن إدارة الأراضي والمرافق. وعلى وجه الخصوص، طورت الوكالات الفيدرالية التابعة لحكومة الولايات المتحدة برامج حاسوبية كانت بحكم تعريفها متاحة للعموم بموجب قانون حرية المعلومات ، وبالتالي تم نشرها للجمهور. ومن الأمثلة البارزة على ذلك نظام تراكب الخرائط والإحصاءات (MOSS) الذي طورته هيئة الأسماك والحياة البرية ومكتب إدارة الأراضي (BLM) بدءًا من عام 1976؛ ^{[ 7 ]} ومكتبة PROJ التي طورتها هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS)، وهي من أوائل مكتبات البرمجة المتاحة؛ ونظام GRASS GIS الذي طوره فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي بدءًا من عام 1982. ^{[ 8 ]} وقد شكلت هذه البرامج أساس مجتمع برامج نظم المعلومات الجغرافية مفتوحة المصدر.

شهدت ثمانينيات القرن العشرين أيضًا بدايات معظم برامج نظم المعلومات الجغرافية التجارية، بما في ذلك Esri ARC/INFO في عام 1982؛ ^{[ 9 ]} و Intergraph IGDS في عام 1985، ونظام عرض وتحليل الخرائط (MIDAS)، وهو أول منتج لنظم المعلومات الجغرافية لأجهزة الكمبيوتر الشخصية التي تعمل بنظام MS-DOS ، والذي أصبح فيما بعد MapInfo . ^{[ 10 ]} وقد انتشرت هذه البرامج على نطاق واسع في تسعينيات القرن العشرين مع ظهور أجهزة كمبيوتر شخصية أكثر قوة، ونظام التشغيل Microsoft Windows ، وتعداد الولايات المتحدة لعام 1990 ، الذي زاد من الوعي بأهمية البيانات الجغرافية للشركات والمستخدمين الجدد الآخرين.

ظهرت عدة اتجاهات في أواخر التسعينيات أحدثت تغييرًا جذريًا في بيئة برمجيات نظم المعلومات الجغرافية (GIS) وصولًا إلى الوضع الراهن، وذلك بتجاوزها تطبيقات نظم المعلومات الجغرافية المكتبية التقليدية كاملة الميزات. فقد سهّل ظهور لغات البرمجة كائنية التوجه إصدار مكتبات المكونات وواجهات برمجة التطبيقات ، التجارية منها والمفتوحة المصدر، والتي غلّفت وظائف محددة لنظم المعلومات الجغرافية، مما أتاح للمبرمجين دمج القدرات المكانية في برامجهم. ثانيًا، أدى تطوير امتدادات مكانية لأنظمة إدارة قواعد البيانات العلائقية كائنية التوجه (المفتوحة المصدر والتجارية أيضًا) إلى خلق فرص جديدة لتخزين البيانات لنظم المعلومات الجغرافية التقليدية، كما مكّن من دمج القدرات المكانية في أنظمة معلومات المؤسسات ، بما في ذلك عمليات الأعمال مثل الموارد البشرية . ثالثًا، مع ظهور شبكة الإنترنت العالمية ، سرعان ما أصبحت خرائط الويب من أكثر تطبيقاتها شيوعًا؛ مما أدى إلى تطوير برمجيات نظم المعلومات الجغرافية القائمة على الخوادم، والتي يمكنها أداء نفس وظائف نظم المعلومات الجغرافية التقليدية، ولكن من موقع بعيد عن المستخدم الذي لا يحتاج إلا إلى تثبيت متصفح ويب. وقد اجتمعت كل هذه العوامل لتمكين الاتجاهات الناشئة في برامج نظم المعلومات الجغرافية، مثل استخدام الحوسبة السحابية ، والبرمجيات كخدمة (SAAS)، والهواتف الذكية لتوسيع نطاق توافر البيانات المكانية ومعالجتها وتصورها.

من المتوقع أن يوفر المكون البرمجي لنظام المعلومات الجغرافية التقليدي مجموعة واسعة من الوظائف لمعالجة البيانات المكانية: ^{[ 11 ] : 16}

• إدارة البيانات ، بما في ذلك إنشاء البيانات الجغرافية وتحريرها وتخزينها ، بالإضافة إلى عمليات التحويل مثل تغيير أنظمة الإحداثيات والتحويل بين نماذج الصور النقطية والمتجهة .
• يشمل التحليل المكاني مجموعة من أدوات المعالجة بدءًا من الاستعلامات الأساسية وحتى الخوارزميات المتقدمة مثل تحليل الشبكات وتراكب المتجهات.
• المخرجات ، وخاصة التصميم الخرائطي .

يشمل النظام البيئي الحديث لبرامج نظم المعلومات الجغرافية مجموعة متنوعة من المنتجات التي قد تتضمن قدراً متفاوتاً من هذه الإمكانيات، أو تجمعها في برنامج واحد، أو توزعها عبر الإنترنت . ويمكن تصنيف هذه المنتجات إلى الفئات الرئيسية التالية:

تطبيق نظم المعلومات الجغرافية لسطح المكتب

يُعدّ الشكل التقليدي لبرامج نظم المعلومات الجغرافية (GIS) نظامًا برمجيًا طُوّر في البداية لأجهزة الحاسوب المركزية والحواسيب الصغيرة، ثم لمحطات عمل يونكس ، والآن لأجهزة الحاسوب الشخصية . يوفر برنامج نظم المعلومات الجغرافية المكتبي مجموعة كاملة من الإمكانيات، على الرغم من أن بعض البرامج مُصممة كوحدات منفصلة مع إضافات يمكن شراؤها بشكل منفصل.

تطبيق نظم المعلومات الجغرافية للخادم

برنامج يعمل على خادم بعيد (عادةً بالتزامن مع خادم HTTP )، ويتولى العديد من الوظائف المذكورة أعلاه أو جميعها، ويستقبل الطلبات ويُرسل النتائج عبر شبكة الإنترنت العالمية . وبالتالي، يصل المستخدم عادةً إلى إمكانيات الخادم باستخدام متصفح ويب عادي. ركزت برامج الخوادم المبكرة تحديدًا على رسم الخرائط على الويب ، واقتصرت على مرحلة الإخراج فقط، بينما توفر أنظمة المعلومات الجغرافية (GIS) الحالية للخوادم مجموعة كاملة من الوظائف. ويُعد برنامج الخادم هذا جوهر المنصات السحابية الحديثة مثل ArcGIS Online .

مكتبة البيانات الجغرافية المكانية

مكون برمجي يوفر مجموعة محددة من الوظائف الموثقة، والتي يمكن لمطوري البرامج دمجها في برامجهم. في لغات البرمجة الحديثة الموجهة للكائنات مثل C# و JavaScript و Python ، يتم تغليف هذه المكونات عادةً كفئات ذات واجهة برمجة تطبيقات (API) موثقة .

قاعدة البيانات المكانية

إضافةٌ لبرنامج قاعدة بيانات موجود (غالباً ما يكون نظام إدارة قواعد بيانات علائقية كائنية ) تُنشئ نوع بيانات هندسية، مما يُتيح تخزين البيانات المكانية في عمود ضمن جدول، كما تُوفر وظائف جديدة للغات الاستعلام مثل SQL، والتي تتضمن العديد من وظائف إدارة وتحليل نظم المعلومات الجغرافية. وهذا يُمكّن مديري قواعد البيانات والمبرمجين من أداء وظائف نظم المعلومات الجغرافية دون الحاجة إلى برامج نظم المعلومات الجغرافية التقليدية.

يتألف قطاع البرمجيات الحالي من العديد من المنتجات المتنافسة من كل نوع من هذه الأنواع، سواءً كانت مفتوحة المصدر أو تجارية . يرد أدناه سردٌ للعديد منها؛ وللمقارنة المباشرة لخصائص بعضها، انظر قسم " مقارنة برامج نظم المعلومات الجغرافية" .

إن تطوير برامج نظم المعلومات الجغرافية مفتوحة المصدر له تاريخ طويل ^{[ 12 ]} مع ظهور أول نظام في عام 1978. وتتوفر العديد من الأنظمة التي تغطي جميع قطاعات معالجة البيانات الجغرافية المكانية.

نظم المعلومات الجغرافية المكتبية

تمت مراجعة مشاريع نظم المعلومات الجغرافية المكتبية مفتوحة المصدر التالية في Steiniger و Bocher (2008/9): ^{[ 13 ]}

• نظام GRASS GIS – إدارة البيانات الجغرافية المكانية، ومعالجة البيانات المتجهة والنقطية – تم تطويره بواسطة فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي
• gvSIG – رسم الخرائط والمعالجة الجغرافية مع إضافة عرض ثلاثي الأبعاد
• نظام المعلومات المتكاملة للأراضي والمياه ( ILWIS ) - يدمج بيانات الصور والمتجهات والبيانات الموضوعية.
• JUMP GIS / OpenJUMP ((منصة رسم الخرائط الموحدة المفتوحة المصدر بلغة جافا) – انبثقت أنظمة المعلومات الجغرافية المكتبية OpenJUMP وSkyJUMP وdeeJUMP و Kosmo جميعها من JUMP. ^{[ 13 ]}
• MapWindow GIS – تطبيق سطح مكتب مجاني مع إضافات ومكتبة للمبرمجين ^{[ 14 ]}
• QGIS (المعروف سابقًا باسم Quantum GIS) – أدوات قوية لمعالجة البيانات الجغرافية المكانية ورسم الخرائط مع دعم واسع النطاق للملحقات
• نظام SAGA GIS (نظام التحليل الجيولوجي الآلي) – أدوات لنمذجة البيئة، وتحليل التضاريس، ورسم الخرائط ثلاثية الأبعاد
• uDig – واجهة برمجة التطبيقات (API) وشفرة المصدر (Java) متاحة.

إلى جانب هذه الأدوات، توجد أدوات أخرى مفتوحة المصدر لنظم المعلومات الجغرافية:

• أدوات رسم الخرائط العامة - مجموعة من أدوات سطر الأوامر لمعالجة مجموعات البيانات الجغرافية والديكارتية وإنتاج الرسوم التوضيحية باستخدام PostScript.
• FalconView – نظام خرائط أنشأه معهد جورجيا تك للأبحاث لنظام التشغيل ويندوز . يتوفر إصدار مجاني مفتوح المصدر.
• كاليپسو – يستخدم جافا و GML3. يركز بشكل أساسي على المحاكاة العددية في إدارة المياه.
• TerraView – يتعامل مع بيانات المتجهات والبيانات النقطية المخزنة في قاعدة بيانات علائقية أو جغرافية علائقية، أي واجهة أمامية لـ TerraLib .
• Whitebox GAT – برنامج نظم المعلومات الجغرافية (GIS) متعدد المنصات، مجاني ومفتوح المصدر.

• مقارنة برامج نظم المعلومات الجغرافية
• قرص DVD مباشر لنظم المعلومات الجغرافية
• مؤسسة المصادر المفتوحة الجغرافية المكانية (OSGeo)