Lecture 1 - GIS Fundamentals

مقدمة
  • الجزء ده بيغطي أساسيات GIS - Geographic Information Systems.
  • هنتكلم عن إيه هو الـ GIS فعلا، مكوناته، و إزاي بيشتغل من Input لـ Output.
  • هندخل على Location Apps و التاريخ (John Snow 1854)، و نشوف الفرق بين System و Science و Studies و Service و Survey.
  • أهم المحاور: Location Apps, تاريخ الـ GIS, تعريفه, مكوناته, وظائفه, وتطبيقاته.

1) Location Apps and Live Location Services

  • الـ Location Apps و Live Location Services من أشهر التطبيقات اليومية لفكرة الـ GIS.
  • أي تطبيق بيستخدم مكانك الحالي أو بيعرض خريطة أو طريق أو موقع شخص تاني بيبقى داخل في نفس الفكرة العامة بتاعة الـ GIS.
  • يعني لما تستخدم:
    • خريطة عشان تعرف مكانك او Live Location عشان تبعت موقعك لحد.
    • خدمة تعرض أماكن أو بيانات على الخريطة.
  • كل ده مبني على نفس المبدأ: فيه مكان + فيه معلومة مرتبطة بالمكان.
الـ GPS مش هو GIS
  • الـ GPS بيحدد مكانك.
  • الـ GIS هو النظام الأكبر اللي بياخد المكان ده ويحطه مع Maps, Databases, Layers, Analysis, و Output.
  • يعني GPS يعتبر input داخل GIS، مش بديل عنه.

2) GIS History

A) John Snow and the 1854 Cholera Outbreak

note

John Snow analyzed a cholera outbreak in Soho, London in 1854. At this time people believed that cholera was spread in the air. Dr. Snow was skeptical of this hypothesis.

  • من أهم الأمثلة التاريخية في GIS قصة John Snow في لندن سنة 1854.
  • كان فيه وباء Cholera في منطقة Soho, London.
  • وقتها الناس كانوا فاكرين إن الكوليرا بتنتشر عن طريق الهواء, بس John Snow مكانش مقتنع بالفرضية دي.

B) John Snow عمل إيه بالظبط؟

  • ا John Snow بدأ يجمع أماكن الحالات على خريطة.
  • كل ما يعرف حالة، يحدد مكانها، وبعدين يقارن أماكن الحالات بمصادر المياه الموجودة في المنطقة.
  • الفكرة هنا شبه استخدام layers يدوي:
    • طبقة فيها أماكن المرضى أو حالات الكوليرا.
    • طبقة فيها مصادر المياه أو الآبار.
    • وبعدين يقارن الطبقات ببعض عشان يطلع pattern.
  • وصل لاستنتاج إن الحالات مرتبطة بمصدر مياه معين، يعني المشكلة مش في الهواء زي ما الناس كانت فاكرة، لكن في المياه.
  • ده مرتبط بفكرة Geostatistics أو الإحصاء المكاني: يعني نستخدم الإحصاء بس مع المكان، ونشوف عدد الحالات في كل منطقة وعلاقتها بمصدر معين.

Tip

قصة John Snow مهمة عشان بتوري إن الـ GIS فكرته أقدم من البرامج الحديثة. زمان كان التحليل يدوي على خريطة، دلوقتي نفس الفكرة بتتعمل ببرامج وdatabases وlayers ( ومهمه عشان الدكتور جابها في الميد).

4) The W-W-W of GIS

definition

GIS answers the queries of: What, Where and Why. What is attribute, Where is location, and Why is analytical why.

  • الـ GIS بيجاوب على أسئلة أساسية:
    • What?
    • Where?
    • Why?

A) What

  • الـ What معناها إيه الحاجة أو الـ attribute اللي بنتكلم عنها؟
  • يعني المعلومة نفسها المرتبطة بالمكان.
  • مثال:
    • اسم الدولة.
    • عدد السكان.

B) Where

  • الـ Where معناها الحاجة دي موجودة فين؟
  • ودي نقطة أساسية (Space is essential to Geography).
  • الجغرافيا أصلا معتمدة على المكان، فالسؤال المكاني هو قلب الـ GIS.

C) Why

  • ا Why معناها ليه النمط ده موجود؟ أو إيه التحليل اللي يفسر اللي شايفينه؟
  • هنا الـ GIS يدخل في التحليل مش العرض بس.
  • يعني مش بس نعرف إن الحوادث بتحصل في منطقة معينة، لكن نحاول نفهم:
    • ليه بتحصل هناك؟
    • في أوقات معينة؟
    • هل فيه نمط مكاني أو زمني؟
بصمجيات
  • ا What = الـ attribute أو المعلومة.
  • ا Where = الـ location أو المكان.
  • ا Why = الـ analysis او التحليل وفهم السبب.
الفرق عن Database عادية
  • الـ Database العادية ممكن تجاوبك على What: اسم، عنوان، رقم، قيمة، صفة.
  • الـ GIS بيضيف عليها Where: الحاجة دي موجودة فين؟
  • وبعد كده يدخل في Why: ليه النمط ده ظاهر هنا؟ وإيه العلاقة بين المكان والبيانات؟

5) What is GIS?

definition

GIS is a means of storing, retrieving, sorting, and comparing spatial data to support some analytic process.

GIS = Information System + Geographic Position.

  • الـ GIS هو نظام معلومات، بس الفرق إنه بيشتغل على بيانات مرتبطة بالمكان.

  • يعني عندك جزئين أساسيين:

    • ا Information System: تخزين، استرجاع، ترتيب، مقارنة، إدارة بيانات.
    • ا Geographic Position: مكان أو إحداثيات أو موقع على الأرض.

  • لما الاتنين يتجمعوا، نقدر نعمل نظام يفهم البيانات مكانيًا.

  • يعني مش بس نخزن إن فيه مدرسة، لكن نخزن مكانها، ونقارنها بمكان السكان والطرق والخدمات.

  • الـ GIS مش خريطة لوحدها ومش database لوحدها.

  • هو integration بين:

    • ا Map / Graphic Representation
    • ا Database / Attribute Data

  • يعني عندك رسمة أو خريطة، وعندك جدول بيانات، والاتنين مربوطين ببعض.

6) Official GIS Definition

definition

GIS is a collection of computer hardware, software, and geographic data for capturing, managing, analyzing, and displaying all forms of geographically referenced information.

Environmental Systems Research Institute (ESRI), 2007 (جت في الميد)

  • التعريف ده مهم لأنه بيجمع كل أجزاء الـ GIS في جملة واحدة.

  • الـ GIS عبارة عن مجموعة من:

    • ا Hardware
    • ا Software
    • ا Geographic Data

  • وبيستخدمهم عشان يعمل أربع وظائف رئيسية:

    • ا Capturing: التقاط أو إدخال البيانات.
    • ا Managing: إدارة البيانات.
    • ا Analyzing: تحليل البيانات.
    • ا Displaying: عرض البيانات.

  • وكل ده على معلومات Geographically referenced، يعني معلومات ليها علاقة بمكان على الأرض.

يعني إيه Geographically Referenced Information؟

  • كلمة Geographically referenced مهمة في التعريف.
  • معناها إن المعلومات الجغرافية لازم يكون لها مرجع مكاني موحد.
  • لو جهات مختلفة رسمت طبقات مختلفة من غير مرجع واحد، الطبقات هتتركب غلط.
  • عشان كده لازم يبقى فيه reference موحد للطبقات، بحيث كل layer تركب صح فوق التانية.

7) GIS Systems, Science, Studies, Service, Survey

  • حرف S في GIS ممكن يشير لأكتر من معنى حسب السياق:
    • System
    • Science
    • Studies
    • Service
    • Survey

A) GISystem - Geographic Information System

definition

Geographic Information System: a collection of computer hardware, software, and geographic data for capturing, managing, analyzing, and displaying all forms of geographically referenced information.

Technology for the acquisition and management of spatial information

  • ده المعنى الأشهر، وهو محور المادة.
  • بيركز على النظام العملي اللي بنستخدمه عشان ندخل ونخزن ونحلل ونعرض البيانات الجغرافية.

B) GIScience - Geographic Information Science

definition

Geographic Information Science: comprehending the underlying conceptual issues of representing data and processes in space-time.

  • ا GIScience ده العلم اللي ورا الـ GIS مهتم بالـ theory and concepts.
  • بيهتم بأسئلة زي:
    • إيه النظريات والمفاهيم اللي ورا التكنولوجيا؟
    • الخوارزميات نطورها ازاي عشان النتائج تبقى أحسن؟

الـ GISystems يجاوب على what و where، أما GIScience مهتم بـ how والتطوير.

C) GIStudies - Geographic Information Studies

definition

Geographic Information Studies: understanding the social, legal and ethical issues associated with the application of GISy and GISc.

  • ده جانب اجتماعي وقانوني وأخلاقي.
  • يعني استخدام الـ GIS مش تقني بس، فيه أسئلة مهمة:
    • الخصوصية.
    • القوانين المرتبطة بالمعلومات الجغرافية.
    • الآثار الاجتماعية لاستخدام البيانات المكانية.

D) GIService - Geographic Information Service

definition

Geographic Information Service: functionality provided by a software entity through its interfaces defined as named sets of operations, and provisions of information generated from geospatial data.

  • ده بيركز على الخدمات اللي بتتعامل مع المعلومات الجغرافية.
  • زي تصميم وتطوير نظم GIS، أو تقديم خرائط وخدمات جغرافية للمستخدمين.
  • مثال عملي: خدمة تحديد Location داخل تطبيقات زي WhatsApp أو أي تطبيق موبايل. لما حد يبعتلك Location، ده service مبنية على Geographic Information.
  • تطور الخدمات المكانية مرتبط بـ distributed object technology والإنترنت.

E) GISurvey

definition

Geographic Information Survey: collecting spatial data from the field using measurement tools and field work.

  • الـ Survey يعني جمع وقياس بيانات مكانية من الواقع.
  • طرق التجميع الأساسية:
    • عمل Field Survey يدوي في أماكن معينة.
    • استخدام Aerial Survey (صور جوية من طيران فوق مناطق معينة).
    • استخدام GPS لتسجيل مواقع دقيقة.
بصمجيات
  • ا System = النظام اللي بنستخدمه.
  • ا Science = العلم والنظريات اللي وراه.
  • ا Studies = الآثار الاجتماعية والقانونية والأخلاقية.
  • ا Service = خدمات مبنية على المعلومات الجغرافية.
  • ا Survey = جمع وقياس بيانات مكانية.

8) GIS Components

definition

GIS is an organized collection of hardware, network, software, data, people, and procedures.

  • مكونات الـ GIS الأساسية:
    • Hardware
    • Network
    • Software
    • Data
    • People
    • Procedures

A) Hardware

definition

Hardware: the devices that the user interacts directly with to carry out GIS operations.

  • يعني الأجهزة الملموسة اللي بنستخدمها في شغل الـ GIS.
  • أمثلة:
    • ا Computer
    • ا Scanner
    • ا Digitizer
    • ا Plotter

B) Software

definition

Software provides the functions that the user needs to store, analyze and display geographical information.

  • البرامج هي اللي بتدينا أدوات التخزين والتحليل والعرض.
  • مثال: برامج GIS و ArcGIS.

C) Data

definition

Data is the most important component of GIS.

  • البيانات هي قلب الـ GIS.
  • مثال:
    • ا Vector Data
    • ا Raster Data
    • ا Attribute Data

D) People

definition

People are the most active component dealing with the design, programming and management of GIS.

  • الناس هما اللي بيصمموا النظام ويديروه ويحللوا البيانات.
  • من غير مستخدم فاهم، النظام مش هيطلع قرارات مفيدة.

GIS Users Categories

  • مجال الـ GIS فيه مجموعات مختلفة من المستخدمين، كل مجموعة ليها خلفية مختلفة وأولويات مختلفة:

  • ا 1. Mature Technologies

    • دول اللي بيشتغلوا مع الـ GIS وبيساهموا في إنتاج البيانات.
    • زي: Surveyors, Engineers, Cartographers, Scientists using Remote Sensing.

  • ا 2. Management and Decision-Making

    • دول اللي بيستخدموا الـ GIS في اتخاذ القرارات.
    • زي: Resource Managers, Urban Planners, Municipal Officials, Facilities Managers, Marketing and Retail Planning, Vehicle Routing and Scheduling.

  • ا 3. Science and Research

    • دول اللي بيدرسوا الـ GIS ويبحثوا فيه.
    • زي: Universities, Government Labs.

E) Procedures

definition

Procedures are related to the management aspects of GIS.

  • خطوات وقواعد العمل.
  • يعني البيانات تدخل ازاي، تتحلل ازاي، تتراجع ازاي، وتطلع التقارير ازاي.

F) Network

definition

Network allows rapid communication and sharing digital information.

  • الشبكة بتسمح بمشاركة البيانات والخدمات الجغرافية بسرعة.
  • عشان نعمل تحليل كامل، محتاجين نجمع الطبقات دي من جهات مختلفة.
  • وده مهم في WebGIS و Online GIS.
  • بدون Network، كل جهة هتشتغل لوحدها وهنخسر القيمة الحقيقية للـ GIS.
بصمجيات

مكونات الـ GIS هما 6 (غلطت فيها في الميد والله)

A) Scanner

definition

Scanner is used to convert the analog paper map to computer readable form automatically.

  • الـ Scanner بيحول الخريطة الورقية لصورة رقمية يقدر الكمبيوتر يقراها.
  • يعني بياخد حاجة analog ويطلعها في شكل رقمي.
  • مثال: خريطة أثرية قديمة أو خريطة ورقية عادية.

B) Digitizer

definition

Digitizer is used to transform information from analog format (paper map) to digital format so it can be stored and displayed with a computer.

  • الـ Digitizer بيحول معلومات من خريطة ورقية لشكل رقمي.
  • الهدف إن البيانات تتخزن وتتعرض على الكمبيوتر.
  • مثال:
    • عندك خريطة أثرية لطريق قديم أو خريطة لمنطقة محددة. عايز تحطها في GIS.
    • الخطوة الأولى: تمسحها بالـ Scanner أو تستخدم Digitizer عشان تحولها لشكل رقمي.
    • بعد كده تقدر تشتغل عليها في الـ GIS وتضيفها كـ Layer.
معلومه علي السريع كده
  • الـ Scanner والـ Digitizer الاتنين ممكن يستخدموا عشان يحولوا الخرايط لبيانات رقمية , بس الـ Scanner الناتج بيكون صورة Raster والـ Digitizer الناتج بيكون بيانات Vector

C) CAD - Computer Aided Design

definition

CAD provides techniques for data input, displaying, and representing data particularly in 3 dimensions.

  • الـ CAD بيساعد في إدخال وعرض وتمثيل البيانات، خصوصا في 3D.
  • هو مش GIS كامل، بس مرتبط بتمثيل وتصميم البيانات.

D) GPS - Global Position System

definition

GPS is a set of hardware and software designed to determine accurate locations on the earth using signals received from satellites.

  • الـ GPS بيحدد مواقع دقيقة على الأرض باستخدام إشارات من الأقمار الصناعية.
  • مهم جدا كمدخل من مداخل البيانات المكانية.

11) SDE and IMS

A) SDE - Spatial Data Engine

definition

SDE helps manage spatial data to provide quicker retrieval of that data from database engines such as Oracle, SQL Server and Informix.

  • الـ SDE معناها Spatial Data Engine.

  • وظيفتها إدارة البيانات المكانية وتسهيل استرجاعها بسرعة من قواعد البيانات.

  • اتطورت لمجتمعين:

    • ا GIS Community
    • ا DBMS Community

  • الهدف إن قواعد البيانات العادية تقدر تدعم Spatial Technology.

  • يقدر يتعامل مع بيانات جاية من مصادر مختلفة:

    • يعني لو عندك data في Excel أو في SQL Server أو في Access، الـ GIS يقدر يستقبلها ويعالجها.

B) IMS - Internet Map Server

definition

IMS provides maps through the Internet usually as images.

  • ا IMS معناها Internet Map Server.

  • بيوفر خرائط عن طريق الإنترنت، غالبا في شكل صور.

  • بيخلي ناس مش لازم تكون فاهمة GIS تقدر تشوف وتتفاعل مع الخرائط.

  • مرتبط بـ:

    • ا WebGIS
    • ا Online GIS

  • الـ Internet Map Services

    • خرائط مرفوعة على الإنترنت ومتاحة لكل المستخدمين.
    • الناس تقدر تشوف الأماكن، وتضيف أماكن جديدة، وتحط صور وأسماء على الخريطة.
بصمجيات
  • ا SDE = إدارة واسترجاع أسرع للـ spatial data من databases.
  • ا IMS = عرض خرائط على الإنترنت للمستخدمين (Online).
  • الـ GIS بيتعامل مع منظومة software وأدوات مرتبطة، مش برنامج واحد بس.
  • أمثلة:
    • ا ArcGIS في إدارة وعرض وتحليل البيانات المكانية والجداول الوصفية.
    • ا QGIS بديل مشهور في برامج الـ GIS.
    • ا CAD أداة مرتبطة بإدخال وعرض وتمثيل البيانات.
    • ا SDE لإدارة spatial data داخل database engines.
    • ا IMS لتقديم الخرائط عبر الإنترنت.

13) Basic Structure of a GIS

  • البنية الأساسية للـ GIS ممكن تتلخص بالشكل ده:
Data Input -> Geographic Database -> Transformation and Analysis -> Output Display

A) Data Input

  • أمثلة إدخال البيانات:
    • ا Satellite Imagery
    • ا Air Photos
    • ا Digitize
    • ا Scan
    • ا Digital Elevation Model
    • ا GPS
    • ا Tiger/Line
  • يعني مصادر البيانات ممكن تكون صور أقمار صناعية، صور جوية، خرائط ممسوحة، بيانات GPS، أو نماذج ارتفاعات.

B) Geographic Database

  • بعد الإدخال، البيانات بتتخزن في Geographic Database.
  • الفرق هنا عن database عادية إن البيانات مش attributes بس، دي كمان مرتبطة بمكان.

C) Transformation and Analysis

  • بعد التخزين، النظام يعمل تحويلات وتحليلات.
  • التحليل ممكن يجاوب أسئلة زي:
    • فين المشكلة؟
    • إيه اللي تغير؟

D) Output

  • مخرجات الـ GIS ممكن تكون:
    • Maps
    • Charts
    • Reports

14) GIS Applied: Two Big Questions

A) Where is what?

definition

Where is what? means obtaining information from a location.

  • يعني تبدأ من مكان وتسأل: إيه الموجود هنا؟
  • مثال: تضغط على قطعة أرض على الخريطة وتعرف المالك، العنوان، المساحة، نوع الاستخدام، والتقييم.

B) What is where?

definition

What is where? means querying information to find location.

  • يعني تبدأ بمعلومة وتدور على مكانها.

  • مثال: عايز تعرف فين كل الأراضي الصناعية، أو فين المناطق ذات كثافة عالية.

  • ا Where is what? = عندي location وعايز أعرف بياناته.

  • ا What is where? = عندي attribute وعايز أعرف مكانه.

16) Final Quick Revision

ملخص
  • ا GIS = Information System (نظام معلومات) + Geographic Position (مكان جغرافي).
  • ا الفرق الأساسي: الـ GPS بيحدد المكان، والـ Database بتخزن بيانات عادية، الـ GIS بياخد الاتنين ويضيف عليهم Spatial Analysis.
  • ا قصة John Snow (1854): أول إثبات إن الـ GIS فكرة قبل ما يكون برنامج. استخدم خريطة وطبقات (Layers) لربط حالات الكوليرا بمصادر المياه (Geostatistics).
  • ا الـ W-W-W: الـ GIS بيجاوب على: What (المعلومة/Attribute)، Where (المكان/Location)، والأهم Why (التحليل المكاني/Analysis).
  • ا مكونات الـ GIS هما 6: Hardware, Software, Network, Data, People, Procedures. (الـ Data هي الأهم، والـ Network أساسي لربط البيانات بين الجهات المختلفة).
  • ا الـ S فيGIS :
    • ا System: النظام والبرامج اللي بنشتغل عليها.
    • ا Science: العلم والنظريات والخوارزميات.
    • ا Studies: القضايا الاجتماعية والقانونية (زي الخصوصية).
    • ا Service: الخدمات والتطبيقات (زي شير اللوكيشن).
    • ا Survey: تجميع وقياس البيانات من الواقع.
  • ا إدخال البيانات: الـ Scanner بيحول الخريطة لصورة (Raster)، والـ Digitizer بيحولها لبيانات متجهة (Vector).
  • ا مصطلحات قواعد البيانات:
    • ا SDE (Spatial Data Engine): بيسرع استرجاع البيانات المكانية من قواعد البيانات (زي SQL).
    • ا IMS (Internet Map Server): بيعرض الخرايط للمستخدمين على الإنترنت (Online GIS).
  • ا من تطبيقات الـ GIS: حساب الكثافة (Densities)، تحديد المسارات (Routing)، رصد التغيرات مع الزمن (Change Detection)، والـ Geocoding (تحويل العنوان العادي لإحداثيات).