مقدمه
در سالهای اخیر، برخی متخصصان ژئودزی بر این باور بوده که ساختار این رشته – بهرغم دستآوردهای بزرگی که داشته – در نقطه بحرانی تاریخ توسعه خود قرار گرفته است. تصمیمات و جهتدهی اولویتهای پژوهشی نقش مهمی در تصویر چشمانداز آینده و فراتر از آن، موجودیت ژئودزی بهعنوان یک علم مستقل ایفا خواهد کرد.
ژئودزی علمی است که نسبت بهدیگر علوم مرتبط با آن و بهدلیل تعداد کمتر پژوهشگرانش، از مشکل “عدم شناخت” رنج میبرد. بهنحویکه در فضای علمی تا حدودی و در بین افکار عمومی کاملا ناشناخته مانده است. این واقعیت، سببساز “چالش هویت” شده است که با توجه بهمقتضیات دنیای در حال تغییر کنونی که در آن “تصویرسازی” در مراقبت از موجودیت و موفقیت یکعلم ضرورت دارد، حائز اهمیت بالاتری ست. از زمانی که ژئودزی توانست از چتر حمایتی متحد خود در حوزه مهندسی (مهندسی نقشهبرداری) استفاده کند، دغدغهها نسبت بهاینچالش کمتر شد. جاییکه مهندسی نقشهبرداری سرپناه آکادمیک امنی برای توسعه تحقیقات و آموزش ژئودزینهای جدید فراهم کرد. شاید مهمترین علت عدماطمینان امروز در ژئودزی، ریشه در مشکلاتی دارد که ناشی از تغییراتی است که در نقشهبرداری، فتوگرامتری و غیره رخ داده است.
بهدلیل پیشرفتهای تکنولوژیک، فعالیتهای نقشهبرداری سنتی پیشپاافتاده تلقی میشود و در نتیجه آنرا در برابر اینپرسش چالشی قرار داده که “درحالیکه در بسیاری از کشورها، افراد بدون تحصیلات دانشگاهی بخش وسیعی از فعالیتهای نقشهبرداری را انجام میدهند، آیا نقشهبرداری اکنون در سطح یکرشته دانشگاهی قابل تعریف است؟” البته، نقشهبرداران متوجه اینتغییرات شده بودهاند وقتی که تدریجا در نامگذاری رشته بهسمت ژئوماتیکس “Geomatics” یا ژئواینفورماتیکس “Geoinformatics” رفتند. اما، ژئودزینها با خوف و رجا بهاینتغییر عنوان و جایگاه ژئودزی در آن نگریستند. جاییکه ماهیت رشته از “مبنای هندسی” به”مبنای کیفی” منتقل خواهد شد. در اینشرایط، نگاه آنها بهدیگر گرایشها بهویژه رشتههای وابسته بهعلوم زمین متمایل گردید. گرچه از لحاظ آکادمیک در یکدستهبندی نیست، اما ژئودزی در بین شاخههای علوم زمین نیز جایگاه غیرقابل انکاری دارد.
فارغ از تحولات مذکور، نیاز بهخدمات ژئودتیک و نقش آن در فعالیتهای علمی روزافزون میباشد. مشکل اما، اینمساله است که امکان دارد اینفعالیتها بدون ارجاع بهژئودزی – بهعنوان یکعلم مستقل – انجام شود. بهسختی میتوان کلمه ژئودزی یا ژئودتیک را در انواع مراجع مربوط بهجیپیاس یافت. در حقیقت، پژوهشگرانی مشغول بهانجام امور ژئودتیک هستند که بهدلیل آموزشهای دانشگاهی سابقی که در رشتههای دیگر دیدهاند، خود را با عنوان ژئودزین معرفی نمیکنند. عملا و بهرغم کاربردهای مهم و فراوان ژئودزی، خارج از فضای آکادمیک، حفظ موجودیت بهعنوان یکرشته آکادمیک مجزا بدون داشتن یکماهیت مشترک و مشخص در بین رشتههای دانشگاهی یا در افکار عمومی امکانپذیر نخواهد بود.
ماهیت ژئودتیک
ممکن است اینسوال مطرح شود که: “محافظت از ماهیت مستقل رشته چه اهمیتی دارد؟” شاید مطلوب جامعه، بهرهمندی از خدمات ژئودتیک در یکفضای میان رشتهای و بدون ارجاع بهیکشاخه علمی مجزا و مشخص باشد. البته، بعید است که ژئودزینها – حتی درصورت عمومیتیافتگی – طرفدار چنین نگاهی باشند. اما اینمساله ما نیست. بهرغم دستآوردهایی که با پیشرفتهای فنآوری در سالهای اخیر حاصل شده است، ژئودزی از مشکلاتی استراتژیک رنج میبرد. برای روبهرویی با چالشهای آینده، مراقبت از “ماهیت ژئودتیک” رشته یک ضرورت حیاتی است. برای اینهدف، لازم است تا سخن خود را شفافتر کرد و مشخص نمود که منظور ما محافظت از چه ماهیتی است؟
دانش، یگانه است و بینهایت، اما حافظه بشری کوچک. پیشرفت بشری در گذر زمان، ابتدا منجر بهجدایی دانش از فلسفه و سپس بهتقسیمبندی دانش (فلسفه طبیعی!) بهشاخههای مختلف و مجزا گردید. بهدلیل رشد علوم، تفکیک ناگزیر بوده که منتهی بهشکلگیری گروههای مستقلی از دانشمندانی شد که هر کدام یکبخش از کل فعالیتها و مطالعات علمی را پیگیری میکرد. گرچه تفکیک علوم بهصورت دلخواه یا با برنامهریزی رخ نداده، اما شناخت و تعریف عوامل شکلدهنده یکشاخه علمی مستقل و تحدید هویتی مستقل از یکچارچوب کلی از فعالیتهای علمی امری بدیهی و پیشپاافتاده نبوده و محصول تلاش و پیشرفت در طی تاریخ بوده است. اینعوامل میتواند از جنبه درونی با تشریح نحوه تکامل و عمل یکساختار یا از جنبه بیرونی با توصیف ارتباط آن با دیگر ساختارها، فنآوریها و کاربردها تعریف شوند.
جنبه درونی
توسعه درونی ژئودزی با روشهای مورداستفاده برای دستیابی بهاینهدف مشخص میشود. از عبارت مشهور هلمرت برای تعریف هدف ژئودزی میتوان استفاده کرد: “ژئودزی علم اندازهگیری و تصویر سطح زمین است.” امروزه میتوان اینگونه تعریف را کامل کرد که: “ژئودزی علم اندازهگیری و تصویر سطح زمین است در ارتباط با یکقاب مرجع بیرونی و با لحاظ تغییرات آننسبت بهزمان.” برخلاف عصر هلمرت، امروزه سطح هندسی زمین را میتوان بهصورت موقعیت نقاط مشخص و سهبعدی در یکقاب مرجع (Reference frame) جهانی و با دقت بسیار بالاتری تعیین کرد.
چنین پیشرفتی اینسوال را در ذهن متبادر میکند که آیا ژئودزی – چنانکه در زمان هلمرت جاافتاده بوده – همان علمی است که ما با کمک موقعیتیابی هندسی و میدان ثقل تعریف میکردهایم؟ و بُعد سوم تنها با محاسبه میدان ثقل قابل تعیین است؟ واقعیت این است که در تعریف هلمرت (چنانکه غیرمستقیم در واژه “تصویر” نهفته است) “سطوح زمین” نهتنها سطح هندسی که سطح فیزیکی – که با مفهوم ژئوئید یا تلوروئید معرفی شده است – نیز موضوع ماست. در اصل، سطح هندسی مفهومی شامل مجموعهای از پدیدههای طبیعیست، که بسیاری از آنها وابسته بهمیدان ثقل و فعالیتهای بشری میباشد. اکثر اینپدیدهها شکل هندسی سطح زمین را بدون تاثیر چشمگیر بر میدان ثقل، تغییر میدهد. بههمین دلیل، شناخت هر دو سطح هندسی و فیزیکی، برای فهم کامل حرکت (Kinematics) زمین ضروری است. اختصارا، کنش میان ثقل و هندسه تا جایی مهم است که میتوان ژئودزی را بهعنوان “علم تعیین ارتفاعات بر روی زمین” معرفی کرد.
در ارتباط با روشها، لازم است بین روشهای انجام مشاهدات و روشهای پردازش آنها و همچنین مفهوم قاب مرجع که رابط بین این دو است، تفاوت قائل شد. پیشرفتهای فنآورانه منجر بهگذر از روشهای مشاهداتی سنتی (مانند زاویهیاب، گرانیسنج زمینی و غیره) بهتکنیکهای مدرن فضایی (جیپیاس، گلوناس، دوریس، PRARE، SLR، LLR، VLBI، ارتفاعسنجی ماهوارهای، اینسار، سامانههای اینرسیال و غیره) شد. همچنین، میتوان بعضی از پیشرفتهای آتی (مانند جیپیاس بدون ابهام فاز، ارتفاعسنجی و سار دوفرکانسه، ابزارهای نقشهبرداری ژئودتیک یکپارچه، گرانیسنجهای متحرک و غیره) را پیشبینی کرد. تجربه گذشته نشان میدهد که احتمال پیشرفتهای غیرمنتظره در آینده وجود دارد.
روشهای پردازش دادهها، نیروی محرک توسعه یکعلم است و مطمئنا ژئودزی در زمینه تامین زرادخانه تئوریک خود پیشرفت داشته است! یکوجه ممیزه پردازشهای ژئودتیک، تمرکز بر پروسه اندازهگیری برای مدلسازی آن بهبالاترین دقت ممکن است. ترکیب متغیرها (آشفتگیها)ی قطعی و تصادفی همواره در حال رفت و آمد در روابط مشاهدات زمینه بسیاری از مباحثات در جامعه ژئودتیک میباشد. ضرورت پالایش مدلهای فیزیکی بهکاررفته در پس مشاهدات، ناشی از دقت و تفکیکپذیری خود مشاهدات میباشد. با این نگاه، ژئودزی در زمره علوم کاربردی قرار میگیرد. پیشرفت شدید در دقت اندازهگیریها، منجر بهمعرفی پارامترهای مجهول بیشتری در مدلسازیها که منتهی بهمعرفی نظریه بینهایتبعدی معادلات مشاهدات شده که بهنوبه خود سببساز تغییر طبیعت فرامعین (overdetermined) مساله بهفرومعین (underdetermined) گردیده است. این امر ما را وارد بحث پردازش سیگنال کرده است. جاییکه ما باید تئوری خاص خود را (لحاظ سیگنالهای هارمونیک کروی در فضا) فرمولبندی کنیم.
این نوع نگاه عمومیتر، در کنار سامانههای جدید جمعآوری دادهها، میرود تا نظریه ژئودتیک را بهیک راهحل برای مسالهای تبدیل کند که هدف خود را بهیک طریقه یکپارچه از سطح جهانی تا محلی توضیح دهد. در این تلاش بزرگ، که از منظر محاسبات عددی نیز چالشبرانگیز است، اینمتدولوژی ژئودتیک است که باید تلاش کند که بهکمک مدلهای گسسته یا پیوسته )و برحسب نیاز، انتقال از یکمدل بهمدل دیگر( با یکمساله روبرو شود. در تمام این پیشرفتها که در بستر زمان صورتگرفته است، نظریه موقعیتیابی و تعیین سطح زمین و میدان گرانی هیچگاه از هم جدا نشده و همیشه از یکدیگر بهره برده و دستآورد منحصربهفرد و پویایی را بهوجود آورده است.
“قاب مرجع” چیزی بیش از یکهدف ساده در ژئودزی، اما بیشتر متعلق به قلمرو “روشها” و پلی بین “پردازش” و “مشاهدات” است. ما در هنگام نوشتن معادلات-مشاهدات، یکسیستم مختصات مشخص را برای تبدیل موقعیتها (و بردارها) بهاعداد انتخاب میکنیم. این امر بدون انتخاب یکسیستم مرجع فیزیکی (برای مثال یک سیستم اینرسیال) برای سیستم مختصات متصل بهآن – بههمراه دیگر سیستمهای مختصات بهدستآمده از آن بهوسیله یک تبدیل ریاضی صرف- امکانپذیر نیست. سیستم مرجع بدینمعنی فیزیکی است که قوانین فیزیکی که بر معادلات مشاهدات حاکم میباشد، تنها در این سیستم بدین صورت برقرارست.
لازم بهذکر است که در عصر ماهوارهها، تجربه منحصربهفرد کار با یکقاب مرجع جهانی بهواقعیت پیوسته است. بنابراین، تمام کارهای قبلی سامانههای ژئودتیک در راهاندازی شبکههای کنترل را میتوان بهصورت مجموعهای از تحقق قاب مرجع جهانی در تمام زمین تا سطح محلی دید. از نقطه نظر درونی، مساله تعیین دوران زمین متناظر با مساله تعریف قاب مرجع در زمان-مکان میباشد. این تناظر ناشی از این است که فرض دوران زمین در ژئودزی در واقع همان دوران قاب مرجع تهیه شده از ایست گاههای دائمی توزیع شده بهصورت جهانی میباشد. یکانتخاب متفاوت از اینقاب، منجر بهیک دوران متفاوت میگردد.
جنبه بیرونی
ژئودزی، بهعنوان بخشی از علم، قابل تعریف از طریق ارتباطش با دیگر شاخههای علمی و فنآوری ست. درحالیکه بررسی این ارتباطات بهما کمک میکند تا بدانیم که تمام مرزها مصنوعی است و اختصاص یکهدف معین برای یکزمینه نمیتواند معنیدار باشد، باید بهخاطر داشت که آنچه مساله تحقیق ماست، بیشتر موضوعات علائق عمومی است. از جنبه تاریخی، میتوان گفت که ژئودزی ابتدا بهعنوان شاخهای مستقل، از فیزیک جدا شده و سپس از نجوم. بنابراین، کاملا قابلفهم است که ارتباط زیادی با این دو رشته داشته باشد. مثلا در زمینه نسبیت با فیزیک و یا مکانیک سماوی با نجوم. همینطور، ارتباط ژئودزی با ریاضیات و آمار نیز مبرهن است. در مورد اینارتباط بهذکر ایننکته اکتفا میشود که ژئودزی نهتنها از بخش وسیعی از ریاضیات و آمار استفاده کرده است و میکند، بلکه در بعضی شاخههای اینعلوم مشارکت کرده است و میکند. برای مثال، حساب تنسور، آنالیز عددی، تئوری تست آماری، معکوسهای تعمیمیافته، مسائل مقدار مرزی، تئوری تقریب تصادفی، برآورد حسابی و غیره.
بازگردیم بهفضای عملی که در آن ژئودزی بهزندگی روزمره نزدیکتر است. نگاهی بیاندازیم بهعلوم زمین و مهندسی. در بحث سیستمهای مختصاتی و دوران زمین، صفحات تکتونیک و در کل دینامیک تغییرات زمین، تعیین و تفسیر گرانی بهعنوان ابزار اساسی در ساخت مدلهای زمین صلب ژئودزی با ژئوفیزیک علائق مشترک دارد. موضوع آنالیز دادههای ارتفاعسنجی برای تعیین سطح ایستا از اقیانوس مربوط بهجریانات ژئوستروفیک، تغییرات اقیانوسی، جذر و مد و سطوح ارتفاعی و تعیین توپوگرافی کف اقیانوسها جزو مطالعات و چالشهای مشترک بین ژئودزی و اقیانوسشناسی است. با مطالعات اتمسفریک، پوششهای یخی و تغییرات سطح آب، ژئودزی در مباحث مهمی از علوم هواشناسی و محیطزیستی نیز مشارکت دارد.
جدای از ارتباط با علوم زمین، ژئودزی همواره پایهای اساسی برای بسیاری از کاربردهای مهندسی بوده است. بهدلیل اهمیت و استفاده عمومی از ناوبری در جامعه، این کاربرد در نظر عامه مردم موضوعی مستقل در فضای مهندسی میباشد. اما، بهعنوان موقعیتیابی متحرک برخط، طبیعتا ناوبری بخشی از ژئودزی است. استفاده مشترک از فنآوری سامانههای جهانی موقعیتیابی و سامانههای ناوبری اینرسیال امکان تقویت و بهرهبرداری از این ارتباط سنتی را فراهم میکند.
استفاده از روشهای ژئودتیک برای مشاهده و پردازش در مقیاس محلی، از کاربردهای اولیه ژئودزی و در ارتباط با کارتوگرافی بهحساب میآمده است. در راستای این ارتباط میتوان فراتر رفت و از ردپای ژئودزی در رقومیسازی و مدیریت اطلاعات جغرافیایی، کاربرد در قلمرو نمایش سطح، مانند تولید مدلهای رقومی زمین و همینطور نمایش صورتهای کمی و کیفی از دادههای مکانی ( مثل آلودگی، بار ترافیکی، کاربری زمین و غیره) سخن گفت. در اینمیان، از کاربردهای مهندسی مخصوص ژئودزی همچو استقرار شبکههای کنترل در مقیاسها و برای مقاصد مختلف تا سطح کاربردهای صنعتی که بهطور سنتی آنرا نقشهبرداری مینامیم، نیز نباید غافل ماند
یکنکته جالب درباره فتوگرامتری و سنجش از دور ایناستکه، بهرغم فاصله ظاهری از ژئودزی که ناشی از توسعه فنآوری است، از نقطهنظر روششناختی، مسائل موردمطالعه مشابه است. درحالحاضر، تعامل میان جنبههای پیوسته-گسسته و قطعی-تصادفی در توسعه مدلسازی، چالش عمده و مشترک ژئودزی و این دو گرایش است که از اشتراکگذاری تجارب و ایدهها هرکدام میتوانند منفعت بسیاری ببرند. بههرطریق، ژئودزی پسزمینه نظری و طبیعی را برای هر نوع از مهندسی مختص برای ارزیابی، بررسی و نمایش اطلاعات مکانی که امروزه ژئوماتیک یا ژئواینفورماتیک مینامیم، فراهم میکند.
در بالا، عوامل موردعلاقه بین ژئودزی و دیگر شاخههای علمی که ژئودزی میتواند در آن مشارکت فعال داشته باشد، بررسی شد. این، بهدلیل مزیت علم بهعنوان یککل و حاصل از ژئودزی است که توان مراقبت از یک ماهیت درونی و انسجام روششناختی میباشد. بهعلت اینکه اهداف و روشها – بهعنوان پارامترهای درونی معرف ژئودزی – قادر بهتهیه تصویری مستقل از واقعیت و جدا از فرضیات دیگر شاخهها میباشد. البته، بهرهمندی از فهمی عمیقتر از مکانیسمهای مهم ژئوفیزیکی مانند دوران یا دینامیک اقیانوس، فرآیند تشکیل مدلهای مشاهداتی را تسهیل و تقویت میکند. با ایناوصاف، نکته در ایناست که ژئودزی قادر بهانجام اینمهم بدون اینهاست که یک تعامل کاملا مستقل را با دیگر علوم زمین ایجاد میکند. و همچنین، بهمثابه آزمون مستقلی برای فرضیات دیگر علوم (مثلا برای نظریه صفحات تکتونیک) میباشد. بهایندلیل، مدعی هستیم که ژئودزی مستقلا و ذاتا دارای اهمیت و کاربرد است و نباید آنرا داخل دیگر علوم زمین درنظر گرفت.
جمعبندی
در جمعبندی، تنها بر روی سهنکته مهم متمرکز میشویم:
– تمرکز بر فعالیتها و خدمات اصلی رشته امر درستی است. اینکه “ژئودزی قاب مرجع جهانی برای موقعیتیابی و تعیین میدان گرانی را تولید میکند”، عبارت مناسبی برای معرفی رشته است. اینتعریف، ژئودزی را در یکجایگاه یکتا و مرکزی نسبت بهدیگر شاخهها قرار میدهد که بهموقعیتیابی، میدان گرانی و هندسه سطح زمین مرتبطاند.
– در این بین، نباید فراموش کرد که یکی از دلایل داشتن سیستم مرجع جهانی یگانه، دقیقا بسترسازی برای خدمات گستردهایست که در سطوح محلی مورداستفاده واقع میشوند. البته، بسیاری از این فعالیتها، طبیعتی کاربردی داشته و هدف این نیست که هر کسی را که در ارائه اینخدمات فعال است را متخصص ژئودزی بنامیم. ولی خواستار آن هستیم که هر فعالیت کاربردی که دانش و موارد عملی جنبههای ژئودتیک زمین را افزایش میدهد و در پس آن یکفهم صریح از تئوری ژئودتیک وجود داشته باشد، در نگاهی کلیتر، بهعنوان عضوی از خانواده خدمات ژئودتیک محسوب شود.
– موانع و محدودیتهای خودخواسته، باعث فاصلهگرفتن بسیاری از همکاران توانمند از ژئودزی و شاخههای نزدیک بهآن شده است. چراکه آنها در زمینههایی پیشرفت کردهاند که ما آنها را مرتبط بهحوزه ژئودتیک نمیدانیم. باید بازگشت و سنگرهای تسخیرشده را بازیابی کرد. برای مثال، میتوان یکتعامل سودمند با کسانی که برای تعیین سطح زمین تلاش میکنند (فتوگرامتری، تکنیک سار و غیره) داشت. نکته مهم این موضوع ایناستکه چنین تلاشی دارای منفعت دوسویه میباشد. زیرا، بهرغم کاربردهای مختلف، در سطحی بالاتر، میتوان شاهد تبادل تئوریها و روششناسیها بود.
برای تامل بر جهتگیریهای کلی ژئودزی، ذهن بلافاصله بهسراغ بازتعریف ساختار IAG (که در اصل مسئولیت کمیته بازبینی است) میرود. بهنحویکه انجمن بتواند بهبهترین ترتیب وظایف خود را انجام دهد. در اینجا – بدون قصد طرح هرگونه توصیهای – چند پیشنهاد کلی ارائه میگردد:
– ساختار جدید با نگرش تمرکزگرایانه، باید کاملا منعطف و حامی هرگونه ابتکار عمل خودجوش باشد. و برای محققان جوان فرصت مشارکت در فعالیتهای IAG در فرآیندی مناسب و بدون موانع بروکراتیک را فراهم کند.
– اضافه براین، جایی درون ساختار IAG باید برای افرادی که مشغول فعالیتهای کاربردی در موضوعات چالشی و کسب تجربه جدید هستند، درنظر گرفته شود. ژئودزی بهعنوان یکعلم کاربردی، باید فعالیتهایی که از دانش رشته ما بهره میبرد را شامل شود. با ایننگاه، ما اعتقاد داریم که سرویسها و خدمات میتوانند در پیشرفت و توسعه رشته مفید و موثر باشند.
– پژوهشگران از علوم وابسته باید مکانی در IAG بیابند و بتوانند با ما – حتی براساس فعالیتهای موقت – همکاری داشته باشند.