سرفصل های تدریس پایتون در GIS
سرفصل های تدریس پایتون در GIS
پایتون به عنوان یک زبان برنامه‌نویسی قدرتمند و همه کاره، در حوزه فناوری اطلاعات جغرافیایی (GIS) است. این زبان برنامه نویسی در بسیاری از نرم افزارهای GIS تعبیه شده است و از قابلیت های آن برای تحلیل اطلاعات مکانمند و پردازش های جغرافیایی استفاده می شود. این نوشته به منظور راهنمایی به مدرسین محترم و اساتید محترم دانشگاهی برای ارائه دوره های منسجم و جامع تدریس پایتون ارائه شده است. امیدواریم این سرفصل ها بتواند به اساتید و همکاران محترم و مدرسین گرامی در تدریس منسجم به دانشجویان و آموزش مباحث ضروری به آنها موفق عمل نماید. این سرفصل ها از مقدماتی تا پیشرفته را شامل می شود و بطور جامع تعریف شده است. لذا، اساتید و صاحبنظران می توانند متناسب با دیدگاه ها و تجربیات خود و همچنین هدف دانشجویان و کارآموزان این مباحث را مجدد تنظیم و سرفصل ها را با نیازهای دانشجویان تغییر بدهند.
خواهشمندیم هرگونه نظرات و پیشنهادات خود را در خصوص این مباحث و سرفصل ها در پایین این صفحه بنویسید.
نویسنده: دکتر محمدعلی نظام محله
آماده سازی کارها و تنظیم برنامه های کاری با پایتون برای بسیاری از متخصصین شاخه های عملی و به ویژه برای شهرسازان کاربردهای بسیار گسترده‌ای دارد. در این نوشته برخی از تجربیات نویسنده (+) در استفاده از برنامه نویسی پایتون برای مسایل شهری شهرداری ها و تحلیل های امور شهری آمده است تا دانشجویان و اساتید محترم با زمینه های کاری و کاربردهای واقعی این مهارت آشنا شوند. با استفاده از پایتون، شهرسازان می‌توانند تحلیل‌های پیچیده بر روی ابرداده‌های مکانی انجام دهند، اتوماسیون فرآیندها را ایجاد کنند و برنامه‌های کاربردی سفارشی برای حل چالش‌های شهری توسعه دهند. همه این موارد نیازمند یادگیری مهارت های ترکیبی است که در ادامه به آنها پرداخته ایم.
برخی از کاربردهای عملی پایتون GIS در امور شهری
- اتصال اطلاعات به لایه ها: یکی از مهمترین مباحث مطرح اتصال داده های اکسل بروزرسانی شده از معاونت های مختلف (معاونت اجتماعی، معاونت مالی، معاونت عمران و غیره) به لایه های قبلی است. این کار می تواند با استفاده از کد ها و با کمک اکسل های ساختاریافته آماده در کمتر از چند ثانیه بروزرسانی را انجام بدهد.
- تحلیل هندسی داده ها: استخراج معابر از شیپ فایل های عرصه و استخراج عرض معبر از لایه های پلیگونی عرصه های کاداستری یکی از مسایلی است که با پایتون می تواند انجام شود.
- ایجاد ژئودیتابیس های استاندارد: تشکیل پایگاه داده استاندارد مکانی طوری که هر بعد از شهر در دیتاست های مجزا قرار گیرد. این ژئودیتابیس ها می تواند از طریق وزارت کشور به شهرداری های تمام کشور یا شهرهای مرکز استان ها ابلاغ شود که نتیجه آن تشکیل بانک اطلاعاتی است که بتوان تحلیل های یکپارچه را با یکبار هزینه انجام داد. نتیجه این امر اجرای یک پروژه واحد برای تمام شهرداری ها است و از اجرای طرح های تکراری در کشور می کاهد. مثلا، اگر یک طرح در یک شهر پایتون بصورت کد پایتون شود می تواند همان را با استفاده از ژئودیتابیس های سایر شهرداری ها یکجا محاسبه کرد.
- ایجاد جابجایی های مکانی: براساس دستورالعمل ها و شیوه نامه های مصوب می تواند برنامه هایی تنظیم کرد که برخی کاربری ها و برخی نقاط بطور خودکار شناسایی و به نقاط مناسب جابجا شوند. کدنوسی دستورالعمل هایی که قانونمند هستند براحتی می تواند در پایتون به یک جعبه ابزار قدرتمند تبدیل شود.
- تهیه اطلس های شهری موضوعی: جمع آوری داده ها از ادارات، پالایش و پیش پردازش داده ها، استخراج اطلاعات و تنظیم ژئودیتابیس، تهیه گرافیک نقشه، تهیه نقشه های خروجی متناسب با موضوعات متفاوت. در تهیه اطلس ها میتوان نمودارهای گویایی از پراکنش های مختلف روی نقشه نمایش داده شود. در تولید نقشه های اطلس می توان از نمادگذاری های هنری، رنگبندی های استاندارد، شفافسازی های بصری، برچسب گذاری های گویا استفاده کرد.
- تبدیل نقشه ها برای اجرا: تبدیل لایه های مورد نیاز برای برداشت به فایل های قابل اجرا برای واحدهای عملیاتی و تیم میدانی برای برداشت
- استخراج ابرداده های مکانی: تحلیل ابرداده ها با کامپیوتری های قدرتمند می تواند برای کل شهر انجام شود. برای مثال برداشت سایه تمام کوچه های شهر، در 12 ساعت روز و برای 365 روز سال که می تواند برای هر ده متر از کوچه یا هر 100 متر از کوچه انجام شود.
- تحلیل خدمات اکوسیستمی: برای محاسبه سرانه های مصوب جهانی و ملی در سطح شهرها می تواند کدهایی را تنظیم کرد که بطور مرتب با بروزرسانی طرح های عمرانی سرانه ها را برای کل شهرهای کشور انجام داده و گزارش های دوره ای را برای مدیران رده های بالا در وزارت کشور تهیه نمایند. نتیجه این گزارش نظارت بر فعالیت های شهرداری ها و کنترل صحت گزارش های شهرداری های کشور است.
- تحلیل مدل های کسب و کار: این تحلیل ها می تواند تحلیل دقیقی از کسب و کارهای مختلف سطح شهر انجام بدهد. تحلیل کسب و کار یک مجموعه دستورات هستند که به بهترین شکل ممکن می توانند سودآوری بیزنس ها، تحلیل های مدیریت مالی از جمله محاسبه دوربازگشت سرمایه، محاسبه اهرم های مالی عملیاتی، محاسبه توزیع مشتریان و تحلیل بازاریابی را برای هر کسب و کار انجام بدهند. تحلیل این دیتاها با کدنویسی در پایتون GIS می تواند برای از طریق کد کردن کل فرایند از آغاز تا پایان برای هر کسب و کار براحتی انجام شود و برای مراجین بعدی نیاز به اجرای مجدد پروژه نباشد.
- تحلیل های مکانیابی شهری: جستجو و یافتن بهترین مکان نیازمند تحلیل معیارها و اولویت بندی این معیارها در جهت انتخاب بهترین گزینه از بین گزینه های ممکن است. در اینجا معیارهای می تواند ابعاد زندگی شهری مانند بعد اجتماعی بعد اقتصادی یا بعد محیطی باشد و گزینه ها می توانند هر یک متر مربع از زمین شهری یا هر پارسل شهری یا هر ساختمان شهری باشد.
- ایده پردازی و ارزیابی عملی بودن ایده ها: شاید بتوان این مورد را مهمترین کاربرد پایتون دانست. شما اگر برای حل یک مساله ایده ای داشته باشید در بسیاری از موارد دستورات موجود در نرم افزارها جوابگوی آزمون خطا کردن ایده شما نیستند. ایده شما به قدری جدید است که هیچ دستوری قبلا برای آن در نرم افزارهای موجود نوشته نشده است. پس ناچارید خودتان دست به کار شوید و ایده خود را با برنامه نویسی در پایتون آماده و در زمین تست کنید.
در ادامه، برخی از سرفصل‌های مهمی که در یک دوره آموزش پایتون باید پوشش داده شوند، آورده شده است:
مفاهیم پایتون
- مقدمه‌ای بر پایتون: تاریخچه، فلسفه، کاربردها و مزایای پایتون
- نصب و راه‌اندازی محیط برنامه‌نویسی: معرفی محیط‌های توسعه یکپارچه (IDE) مانند PyCharm، Jupyter Notebook و Google Colab
- ساختار برنامه‌ها: متغیرها، انواع داده‌ها، عملگرها، عبارات شرطی، حلقه‌ها و توابع
- مدیریت داده‌ها: لیست‌ها، تاپل‌ها، دیکشنری‌ها، مجموعه‌ها و فایل‌ها
- شی‌گرایی: کلاس‌ها، اشیاء، وراثت و چندریختی
کتابخانه‌های پایتون برای GIS
- NumPy: عملیات ریاضی بر روی آرایه‌ها
- Pandas: تحلیل داده‌های ساخت‌یافته
- Matplotlib: رسم نمودارها و نقشه‌ها
- GeoPandas: تحلیل داده‌های مکانی با استفاده از ساختارهای داده‌ای Pandas
- Shapely: عملیات هندسی بر روی اشکال هندسی
- Folium: ایجاد نقشه‌های تعاملی بر روی وب
- ArcPy: تعامل با نرم‌افزار ArcGIS از طریق پایتون
کاربردهای پایتون در GIS برای شهرسازان
- آماده‌سازی داده‌ها: درک و فهمیدن داده‌های مختلف (شکل‌های هندسی، جداول، تصاویر ماهواره‌ای)، ایجاد اطلاعات مکانی، تبدیل فرمت‌ها، استخراج تمییز و یکپارچه‌سازی داده‌ها
- تحلیل مکانی: محاسبه مساحت، محیط، فاصله، تراکم، تجزیه و تحلیل شبکه‌های معابر و نقاط، تحلیل مکانی چندمعیاره
- نمایش داده‌ها: ایجاد نقشه‌های موضوعی، نقشه‌های پراکنش، درونیابی های پهنه ای، نقشه‌های شبکه‌ای، انیمیشن‌های مکانی
- مدل‌سازی مکانی: مدل‌سازی فرایندهای شهری، شبیه‌سازی سناریوهای مختلف، روندیابی، برآوردهای مکانی
- اتوماسیون فرآیندها: ایجاد اسکریپت‌ها برای انجام وظایف تکراری، ایجاد ابزارهای سفارشی در محیط ArcGIS
- توسعه برنامه‌های کاربردی وب: ساخت وب‌اپلیکیشن‌های GIS با استفاده از فریمورک‌هایی مانند Flask یا Django
- انجام پروژه‌های عملی: حل مسائل واقعی شهرسازی با استفاده از پایتون و GIS و تلفیق آنها
در تهیه این موارد سعی نمودیم از ارائه سرفصل های مفصل خودداری کنیم، چرا که هر تدریسی شرایط خاص خود را دارد و بسته به نیاز دانشجویان، سطح مهارت آنها، هدف تدریس، قشر کارآموزان، تعداد ساعات دوره ها، و همچنین زمانبدی های آموزشی می تواند متفاوت باشد.
سرفصل‌های پیشرفته (اختیاری)
- یادگیری ماشین: کاربرد الگوریتم‌های یادگیری ماشین در GIS (مثلاً پیش‌بینی تقاضای مسکن، شناسایی الگوهای مهاجرت)
- پردازش تصاویر ماهواره‌ای: تحلیل تصاویر ماهواره‌ای با استفاده از کتابخانه‌های مانند OpenCV
- داده‌کاوی مکانی: کشف دانش از ابرداده‌های مکانی (Spatial Big Data)
- وب جی‌آی‌اس: توسعه وب‌سرویس‌های مکانی با استفاده از استانداردهای OGC
نکته: این سرفصل‌ها تنها نمونه‌ای از مباحثی است که می‌تواند در یک دوره آموزش پایتون پوشش داده شود. بسته به نیازهای خاص هر گروه و سطح دانش آنها، میتوان سرفصل‌ها را تنظیم و گسترش داد.
اهمیت یادگیری پایتون برای شهرسازان:
- افزایش بهره‌وری: اتوماسیون بسیاری از فرآیندهای تکراری یکی از مهمترین خصوصیات برنامه نوسی پایتون در GIS است.
- انجام تحلیل‌های پیچیده: امکان انجام تحلیل‌های آماری و مکانی پیچیده از طریق پایتون در زمان بسیار کوتاهی انجام می شود.
- توسعه ابزارهای سفارشی: ایجاد ابزارهای مورد نیاز برای حل مسائل خاص می تواند به کارشناسان سطح عملیاتی کمک کند تا بدون نیاز به درک مسایل شهری کنترل و مدیریت بهتری از امور شهری داشته باشند. چرا که آنها بدون نیاز به حفظ کردن دستورالعمل ها و قواعد می توانند مسایل شهر را کنترل و نظارت نمایند.
- ارتباط بهتر با سایر رشته‌ها: همکاری موثر با برنامه‌نویسان، دانشمندان داده و سایر متخصصان به معنی اتصال داده های دستگاه های اجرایی و نهاد های دیگر شهر است. این موضوع به دو دلیل است یک اینکه زبان پایتون بین رشته های مختلف سازمان ها مشترک است. دوم اینکه تمام نهاد های شهری با بعد مکانی سروکار دارند.
- بروز بودن: استفاده از آخرین تکنولوژی‌ها و ابزارها در حوزه GIS می تواند موجب تسهیل کارها شده و باعث شود کارشناسان آشنا با پایتون از سایر همکاران جلوتر باشند و کارها را با کیفیت و دقت بهتری انجام بدهند.
با یادگیری پایتون، شهرسازان می‌توانند به تحلیلگران داده‌های مکانی قدرتمندی تبدیل شوند و در حل چالش‌های پیچیده شهری نقش مؤثری ایفا کنند.
