نقشه برداران دانشکده سازمان نقشه برداری کشور

وب سایت تخصصی مهندسین نقشه بردار دانشکده سازمان نقشه برداری کشور

عضو شوید

عضویت سریع

کاربرد GIS و RS در زمین شناسی

چکیده

سیستم اطلاعات جغرافیایی ( GIS) در شاخه های مختلف علوم زمین کاربرد های فراوانی دارد. طرح های GIS جهت تهیه نقشه های زمین شناسی را می توان به سه مرحله اصلی بداشت های صحرایی ،ورود ، آماده سازی لایه های اطلاعاتی و دسته بندی آنها و ترکیب وتلفیق داده ها تقسیم کرد.در نهایت با استفاده از داده های سطحی و زیر سطحی در محیط ARC gis، مقطع عرضی در مسیر های عمود بر روند ساختاری منطقه تهیه می شود. در کلیه مراحل تهیه نقشه GIS, RS به عنوان مهمترین ابزار در خدمت کارشناس می باشد.تشخیص واحد های لیتولوژیک، بارزسازی خطواره ها و شکستگیها،تعیین مرز چین خوردگی با دشت ، تغییرات در توپوگرافی شامل تشکیل گودی ها یا برجستگی های ایجاد شده توسط فعالیت های تکتونیکی، تعیین الگوی آبراهه ها، تغییر مسیر محور چین خوردگی ها و تشخیص اشکال ژئومورفولوژیکی خاص( مثل اشکال تک شیب ،کواستا، ریختار پلکانی، دره های طولی و عرضی) و… را می توان با استفاده از تصاویر ماهواره ای، DEMو DTM وHillshade و… با استفاده از تکنیک های GIS و RS قابل تشخیص می باشد.

مقدمه
به رغم کاربرد گسترده سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) در شاخه های مختلف علوم زمین در کشورهای توسعه یافته، این کاربرد در کشور ما به تازگی در حال تجربه شدن است.تجزیه و تحلیل اطلاعات زمین شناسی در یک منطقه اساس تهیه نقشه های زمین شناسی است. یک زمین شناس با مرتبط کردن داده های گوناگون زمین شناسی، به دنبال یافتن ساختارهای موجود در یک ناحیه است، از اینرو تمام داده های زمین شناسی برای این که بتوانند مفید واقع شوند باید با توجه به موقعیت جغرافیایی شان تجزیه و تحلیل شوند. یک سیستم GIS با فراهم کردن امکانات نمایش و تجزیه و تحلیل داده‌های مختلف با یکدیگر و به طور همزمان، یک زمین‌شناس را قادر به انجام کار با داده‌های زیاد به صورت بسیار سریع‌تر، دقیق‌تر می نماید. لازم به ذکر است که این کار با روشهای آنالوگی و سنتی غیرعملی می باشد. به عنوان مثال بسیاری از ساختار ها یا علائم آنها بر روی سطح زمین یافت نمی‌شوند، بلکه در لایه‌های زیرین قرار دارند یا اثر آنها در سایر عوارض قابل پیگیری است. در اینجا با علم به اینکه لایه‌های رویین آن چگونه خواهند بود و با بهره‌گیری از تکنیک‌های GIS به راحتی می‌توان به وجود این ساختار ها پی برد. بنابراین تکنولوژی GIS با جمع آوری و تلفیق اطلاعات پایگاه داده های معمولی، به وسیله تصویر سازی و استفاده از آنالیز های جغرافیایی، اطلاعاتی را برای تهیه نقشه ها فراهم می سازد. این اطلاعات به منظور واضح تر جلوه دادن رویدادها ، پیش بینی نتایج و تهیه نقشه ها به کار گرفته می شوند.

بحث
مهمترین هدف GIS تلفیق داده های مکانی و ارزیابی نهایی آنها است. سیستم اطلاعات جغرافیایی امکان استفاده از روشهای مختلف ترکیب و تفسیر داده ها و به نقشه در آوردن متغیرهای جدید را فراهم می آورد که از آنها می توان در تهیه نقشه های مخاطرات، ژئومورفولوژی، پهنه بندی و پتانسیل مواد معدنی بهره جست .طرح های GIS جهت تهیه نقشه های زمین شناسی را می توان به سه مرحله اصلی تقسیم کرد.
مرحله اول: برداشت های صحرایی
مرحله دوم: ورود ، آماده سازی لایه های اطلاعاتی و دسته بندی آنها
مرحله سوم: ترکیب وتلفیق داده ها
در نهایت با استفاده از داده های سطحی و زیر سطحی، مقطع عرضی در مسیر های عمود بر روند ساختاری منطقه تهیه می شود.در مطالعت صحرایی زمین شناسان معمولا با استفاده از سیستم موقعیت یاب جهانی یا GPS موقعیت جغرافیایی عوارض و پدیده های موجود را برداشت می کنند. با استفاده از GPS می توان موقعیت عوارض را به صورت لایه های اطلاعاتی نفطه ای و خطی برداشت نمود. پس از انجام مطالعات صحرایی و برداشت داده ها با استفاده از نرم افزارهای مختلف می توان داده های رقومی GPS را مستقیماً وارد محیط نرم افزاری Arc Gis نمود و به فرمت shpتبدیل کرد. بدین ترتیب کمترین خطا را در رقومی سازی برداشت های صحرایی داریم که این امربستگی به نوع GPS استفاده شده نیز دارد.ادغام تکنولوژی های GIS, GPS و RS در ایجاد سیستم های قدرتمند، جهت تعین زمان واقعی نقشه برداری و جمع آوری داده ها سودمند می باشند.یک نمونه بارز از ادغام این سه تکنولوژی، نقشه برداری متحرک است که در آن دوربین های دیجیتالی GPS/INS، یک سیستم کامپیوتری را تشکیل میدهندکه با نقشه های الکترونیکی و وسایل ارتباطی دور برد نظیر تلفنهای همراه (که جهت پیوستن به پایگاه های داده ای GIS موجود در دفتر کار مورد استفاده قرار می گیرد)، همه دریک وسیله نقلیه نصب گردیده اند. سیستم تهیه نقشه سیار، به زمین شناسان صحرایی در یک وسیله نقلیه این امکان را می دهد، تا داده های مکانی مربوط به زمین را جهت ورود به پایگاه اطلاعاتی GIS ،را در یک زمان تقریباً حقیقی گردآوری نمایند. ناوبری دریایی و اتومبیل با استفاده از GPS همراه با نقشه چارت های الکترونیکی، یک نمونه عالی از تلفیق دو سیستم GIS و GPS را عرضه می دارد.مکان یک جسم سه بعدی بر روی سطح زمین با اصطلاحات ریاضی و بسته به روش ترسیم مورد نظر، به صورت مختصات جغرافیایی و مختصات صفحه ای، تعیین می شود. یک سیستم اطلاعات جغرافیایی(GIS)، لازم است که همه داده های مکانی را به صورت مختصات جغرافیایی (طول و عرض جغرافیایی) ذخیره و استفاده نماید. سیستم های تصویری متنوع و گوناگونی تا کنون ارائه شده است. علت این است که اصولاً چیزی به نام سیستم تصویر کامل، وجود خارجی ندارد. از این همه سیستم های تصویری نقشه که به صدها نوع می رسند، تنها قریب بیست سیستم تصویر هستند که عملاً در رقومی سازی نقشه ها و یا کلاً در کارتوگرافی مورد استفاده قرار می گیرند، که به عنوان مثال
می توان از سیستم تصویری Lambert Conformal Conic برای نقشه های کشوری و یا ایالتی و یا سیستم تصویری UTM که جهان را به ۶۰ زون تقسیم می‌کند، برای نقشه های ناحیه ای نام برد. به طور کلی بهترین سیستم تصویر برای نمایش یک کشور با یک قاره سیستمی است که کمترین تغییر شکل را نمایش دهد. در نتیجه با مقایسه نمودارهای مشابه برای چندین سیستم تصویری، می توان یکی را انتخاب نمود که از بهترین کاربرد برخوردار است.انتخاب یک سیستم تصویری مناسب با مقیاس نقشه مورد نظر،ارتباط مستقیم دارد. چرا که بعضی از سیستم های تصویری برای مقیاسهای بزرگ مناسب بوده و برخی دیگر برای مقیاسهای کوچکتر مناسب می‌باشند. بعنوان مثال برای مقیاس۱:۱۰۰۰۰۰ یا مقیاس ناحیه ای، سیستم تصویری UTM مناسب ترین سیستم تصویری است. این سیستم تصویری برای کل ایران به صورت یکپارچه مناسب نمی باشد چرا که در محیطهای GIS این زونها به جای اینکه کنار هم قرار گیرند روی هم قرار می گیرند . در نتیجه نقشه ایران را نمی توان به صورت یکپارچه مشاهده کرد .بهترین سیستم تصویری برای کل ایران سیستم تصویری Lambert Conformal Conic می باشد که نقشه های عرضی را با کمترین خطا و انحراف طراحی می کند. بر این اساس سیستم های تصویری مناسب با شکل کشورها طراحی شده است.در مرحله دوم ورود ، آماده سازی لایه های اطلاعاتی و دسته بندی آنها انجام می شود. در این مرحله یکی از مهمترین نکات، تعیین نوع لایه می باشد. داده های مکانی به روش های گوناگون سازماندهی می شوند که این امر به روش جمع آوری، نحوه ذخیره ومقدار تفسیر اضافه شده به آنها و همچنین هدف جمع آوری آنها بستگی دارد. مدل های وکتوری (برداری) و رستری، طرح های کلی شناخته شده متداول برای سازماندهی داده ها در یک سیستم اطلاعات جغرافیایی هستند. مدل وکتوری، منطقه را به نقاط، خطوط و نواحی محصور شده به وسیله خطوط تقسیم می کند، در حالی که مدل رستری سلول ها یا پیکسل ها را به عنوان واحدهای مکانی مورد استفاده قرار می دهد. تعیین دقیق نوع لایه حتما بایستی بر اساس نوع نقشه و مقیاس آن صورت بگیرد. یک روستا در نقشه شهرستان ممکن است به صورت یک پلی گون نمایش داده شود ولی در نقشه ایران به صورت یک نقطه نمایش داده خواهد شد. این موضوع شاید در نگاه اول امری بدیهی و بی ارزش تلقی شود اما شایان ذکر است که انتخاب صحیح نوع لایه در تلفیق لایه ها و انجام جستجو های پیشرفته بسیار مهم و اثر گذار است.
پایگاه داده ها(Data Base) نیز، مجموعه ای از داده های وابسته به یکدیگر و هر چیزی است که برای نگهداری و استفاده از آنها لازم است. سیستم مدیریت پایگاه داده ها(DBMS) نیزمجموعه ای از نرم افزارها برای ذخیره، ویرایش و بازگرداندن داده ها در یک پایگاه داده می باشد. در یک سیستم اطلاعات جغرافیایی، DBMS امکان دارد داخلی(استفاده از مدیریت داخلی) یا خارجی(اتصال به مدیریت خارجی) باشد. استفاده از DBMS در تهیه نقشه های زمین شناسی تاثیر به سزایی ذر کنترل داده ها، مدیریت و کاهش خطا دارد.برای استفاده از نقشه های از پیش موجود و اسناد قبلی می توانیم از زمین مرجع نمودن فایلهای رستری به روش Rectify ،نقشه های از پیش موجود را رقومی سازیم. در این مرحله نیز برای به حداقل رساندن مقدار خطا بسته به مقیاس مطالعه می توانیم از نقشه های ایندکس یا از نقشه های توپوگرافی رقومی استفاده نماییم.علاوه بر موارد فوق مطالعات RS کمک شایانی به بارزسازی واحدهای لیتولوژیک و ساختارهای خطی می کنند. انتخاب نوع ماهواره به لیتولوژی منطقه مورد مطالعه و دقت مطالعات بستگی دارد. بطور کلی مراحل تهیه نقشه واحدهای لیتولوژیک و ساختارهای خطی در RS را می توان به مراحل زیر تقسیم کرد:
تهیه تصویر ماهواره ای مناسب ( تفکیک مکانی، طیفی و باندی مناسب ) مانند Aster
تصحیحات مکانی ( دو بعد ) و تصحیحات ارتو ( سه بعد )
تصحیحات اتمسفری
استفاده از تکنیک های آماری نظیرprinciple component , minimum noise fraction , optimum index factor , …. و یا فیلترهای خطی جهت بارزسازی عوارض مختلف
استخراج اطلاعات با دو روش طبقه بندی نظارت شده و نظارت نشده
تدقیق نقشه با google earthدر حالت سه بعدی
تدقیق نقشه با نتایج حاصل از مطالعات میدانی

مهمترین رکن در تهیه لایه های اطلاعاتی ، تهیه یک بانک اطلاعاتی دقیق و کامل است. در صورت عدم وجود یک بانک اطلاعاتی کامل نقشه با یک نقاشی از لحاظ کاربرد در تلفیق داده ها دارای ارزش یکسانی می باشد. در تهیه بانک اطلاعاتی بایستی دقت نمود که ستون های اطلاعاتی بر اساس ارزش داده ها تنظیم شوند، زیرا در جستجو های پیشرفته فرمت کاراکتر های نوشته شده در ستون های اطلاعاتی بسیار مهم و اثر گذار می باشد.علاوه بر ماهیت لایه اطلاعاتی، یکی از مهمترین نکات کلیدی در مرحله تهیه لایه ها رعایت قوانین توپولوژی است. به عنوان مثال از آنجا که در مطالعات علوم زمین و خصوصاً نقشه های زمین شناسی هیچ نقطه ای در زمین وجود ندارد که دارای دو نام یا دو نوع مختلف لیتولوژی باشد، بنابراین اشتراک یا اجتماع در پلی گونها بی مفهوم است، لذا وجود فضاهای خالی یا روی هم افتادگی پلی گونها یکی از منابع مهم ایجاد خطا در این مرحله می باشد. برای جلوگیری از خطاهای توپولوژی می توان از Geodatabse یا از Topology Toolsاستفاده نمود. بطور خلاصه مرحله دوم را می توان مرحله digiting یا رقومی سازی نامید. به این مفهوم که از کلیه امکانات (نقشه های از پیش موجود ، اسناد قبلی، google earth،تصاویر ماهواره ای) برای تهیه لایه های جدید بهره می‌گیریم.در مرحله سوم ترکیب و تلفیق اطلاعات صورت می گیرد. در این مرحله دو نوع ترکیب را می توان تعریف کرد:
تجزیه ، تحلیل و ترکیب اطلاعات جهت بارز سازی عوارض خاص
ترکیب لایه های اطلاعاتی جهت تهیه لایه های اطلاعاتی جدید

در روش اول می توان با استفاده از مشاهده بصری عوارض خاصی را تشخیص داد. به عنوان مثال می توان از تصاویر Hillshade، DEM،DTM برای تشخیص خطواره ها، شکستگیها، تغییرات در توپوگرافی شامل تشکیل گودی ها یا برجستگی های ایجاد شده توسط فعالیت های تکتونیکی استفاده نمود. شکل ۱ نمونه ای از کاربرد تصاویر Hillshade را در بارزسازی خطواره ها ، تعیین الگوی آبراهه ها، تعیین مرز کوه و دشت، تغییر مسیر محور چین خوردگی ها و تشخیص اشکال ژئومورفولوژیکی خاص( مثل اشکال تک شیب ،کواستا، ریختار پلکانی، دره های طولی و عرضی) و… را نشان می دهد.تصاویر Hillshade با مقادیر مختلف Azimuth و Altitude یکی از ابزار های کارآمد در بارزسازی عوارض خاص می باشد.علاوه بر بارزسازی بصری، با استفاده از فیلتر های مختلف نظیر Laplacian یا Directional و اعمال آنها بر روی تصاویر ماهواره ای با تفکیک مکانی بسیار بالا (High Spatial Resolution ) نظیر World view2, Spot5, Ikonus می توان برای بارز سازی عوارض بصورت اتوماتیک توسط نرم افزار استفاده نمود که این امر می تواند نقش بسیار کلیدی در بارزسازی ساختارهای خطی بزرگ در منطقه ایفا کند. تشخیص تغییرات ارتفاعی در کوه و دشت، الگوی آبراهه ها، اشکال ژئومورفیکی و خطواره ها با استفاده از تصاویر Hillshade.لذا در این مرحله محقق بایستی کلیه پارامترها یا عوارض کلیدی را شناسایی کرده و با استفاده از لایه‌های رقومی مختلف و یا داده های ماهواره های نسبت به تفسیر های ناحیه ای نموده و در نهایت مناطق و یا عوارض هدف را شناسایی کند.در روش دوم می توان با استفاده از تحلیل های مکانی و تلفیق لایه ها و ایجاد مدل های تلفیق لایه ها با به کارگیری سیستم های تصمیم گیری اقدام به تهیه لایه های جدید که هدف مورد نظر را نشان می دهد،نمود. از یک یا چند روش برای ترکیب لایه های اطلاعاتی می توان استفاده می شود. انتخاب روش ترکیب و پارامترهای آن تنها توسط سیستم های اطلاعات جغرافیایی انجام پذیر نیست بلکه کارشناس یا مسئول پروژه در این مورد تصمیم گیری می نماید و این انتخاب یکی از پارامترهای مهم در تهیه نقشه های تلفیقی است. شکل ۲ نمونه های از کاربرد تلفیق اطلاعات با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی (AHP ) برای بارزسازی مناطق مستعد کارست در شهرستان ارسنجان را نشان می‌دهد.در این مثال ابتدا پارامترهای موثر و قابل دسترس در تعیین میزان پتانسیل آب زیر زیرمینی کارستی شهرستان ارسنجان واقع در شمال شرق استان فارس مشخص گردید. پارامترهای مذکور در این مطالعه شامل داده های ارتفاعی رادار ( SRTM ) ، نقشه شیب، نقشه همباران، نقشه زمین شناسی و چگالی شکستگی است. سپس با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی (AHP) و ایجاد ماتریس مقایسه زوجی ، وزن نهایی پارامترها تعیین شده است. در نهایت با تلفیق و ادغام لایه ها و اعمال وزن های نهایی پارامترها، در محیط GIS اقدام به تعیین زون بندی و پتانسیل یابی منطقه مورد مطالعه شده است. همانطور که شکل ۲ نشان می‌دهد از تلفیق لایه های مختلف در نهایت نقشه هدف تهیه می شود.علاوه بر روشهای فوق با ترکیب تصاویر ماهواره ای با قدرت تفکیک بالا و GIS ، نقشه هایی با مقیاس بزرگتر (۱۰۰۰: ۱ و ۲۴۰۰: ۱ ) را می توان تهیه نمود. سنجش از دور(Remote Sensing) یا RS، تصاویری از محیط را به صورت چند طیفی با قدرت های تفکیکی گوناگون در زمان های مختلف را فراهم می سازد که به منظور پیگیری عوراض متغیر با زمان بسیار سودمند می باشد. به عنوان مثال تغییر مسیر رودخانه که متاثر از حرکات تکتونیکی می باشد را می توان در تصاویر ماهواره ای مختلف با دوره های زمانی کوتاه مدت دنبال نمود.

کاربرد تلفیق اطلاعات با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی (AHP ) برای بارزسازی مناطق مستعد کارست در شهرستان ارسنجانیکی از مهمترین بخشهای یک نقشه زمین شناسی جامع، مقطع زمین شناسی است که ساختار‌های موجود در منطقه را به همراه واحد های زمین شناسی نشان می‌دهد. در روش های سنتی مقاطع بصورت دستی از روی نقشه های توپوگرافی و زمین شناسی تهیه می شد. با داشتن لایه رقومی واحد های زمین شناسی،کنتور های ارتفاعی و چاه های اکتشافی می توان این مقاطع را به صورت رقومی و اتوماتیک تهیه کرد. برای این منظور بایستی نام واحد های سنگی و مقادیر ارتفاع در بانک اطلاعاتی لایه های ورودی موجود باشد. با توجه به اینکه در برخی نواحی به داده های چاه های اکتشافی دسترسی وجود ندارد این نرم افزار می تواند پروفیل ارتفاعی با تفکیک واحد های سنگی در سطح را بصورت رقومی تهیه کند. لازم به ذکر است که لایه خروجی به صورت خطی و دارای بانک اطلاعاتی نام واحد های سنگی می باشد. شکل ۳ نمونه ای از این مقاطع را که با استفاده از Croos Section toolsدر محیط Arc map برای شکل شماره ۱تهیه شده است را نشان می دهد.با داشتن مقادیر شیب برای واحد های زمین شناسی موجود درخنمون می توان بصورت رقومی در نرم افزار اقدام به تهیه ساختارهای زیر سطحی نمود. علاوه بر Cross section tools در ارتباط با تهیه مقاطع ابزار های دیگری نیز وجود دارد اما همگی نیازمند به اطلاعات زیر سطحی به صورت لوگ می باشند. .تهیه مقطع زمین شناسی با استفاده از cross secion tools در Arc map نتیجه گیری

کلیه اطلاعات جغرافیایی دارای نوعی خطا هستند. در تمامی مراحل، از جمع آوری داده ها تا کاربرد آنها و حتی بهره گیری از نتایج یک آنالیز روی آنها، خطاهای مخصوص به خود را دارند. نکته مهم این است که هدف از بررسی خطاها، حذف این خطاها نبوده بلکه چگونگی کنترل آنها می باشد، زیرا در مواردی به دست آوردن پایین ترین سطح خطا، با صرفه ترین راه نیست . سطح خطاهای موجود در یک سیستم اطلاعات جغرافیایی (Gis) بایدطوری هدایت شوند که اطلاعات حاصل از سیستم را از اعتبار ساقط نکنند. در تهیه نقشه های زمین شناسی با استفاده از نقشه های توپوگرافی رقومی و GPS های مناسب و همچنین ساخت DBMS و به کارگیری سیستم مختصات متریک می توان مقدار خطا را در مرحله ورود اطلاعات به مقدار زیادی سرشکن کنیم. لازم به ذکر است که در صورت استفاده از عکسهای هوایی و تهیه نقشه مبنا از روی انها حتما بایستی نقشه اولیه توسط روش Rectify با بهره گیری از نقشه های ایندکس یا از نقشه های توپوگرافی رقومی زمین مرجع گردد.در مجموع در صورت استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور در تهیه نقشه های زمین شناسی می توان موارد زیر را به عنوان مزیت های روش کار ذکر نمود.
کیفیت بالای تحلیل داده ها وامکان تجزیه و تحلیل آنها با روش های پیشرفته.
مدیریت و تغییرسریع حجم عظیمی از داده ها در زمینه های مختلف و استفاده از داده ها در نقشه هایی با مقیاس بزرگتر یا کوچکتر.
به کار گیری روشهای جدیدتر برای تهیه لایه های مختلف و امکان به روز کردن آنها با توجه به بستر رقومی لایه ها.
امکان انطباق لایه های مختلف .
ارائه اطلاعات توصیفی با حجم بالا در جداول اطلاعاتی.
کاهش زمان، هزینه و تجهیزات .
تولید اطلاعات.
ارتباط با علوم مختلف و استفاده وسیع لایه های اطلاعاتی در سایر علوم.
اداره و سازماندهی وسیعی از داده های زمین مرجع.
امکان به روز رسانی سریع و جمع آوری اطلاعات پراکنده.
قابلیت بازبینی روشها.
مدل سازی، فرضیه و آزمایش و پیشگویی.
امکان ارائه اطلاعات به صورتWeb gis.
استفاده از لایه های اطلاعاتی در مدیریت بحران.