Chương I Giới thiệu chung về hệ thống thông tin địa lý

Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Việc cập nhật thông tin trong bản đồ rất khó khăn và mất nhiều thời gian

Khó khăn trong việc thực hiện các phân tích số, lượng

Khu vực quan tâm luôn luôn nằm tại vị trí giao nhau của 4 tấm bản đồ (vấn đề này được

biết đến như là ‘luật Murphy’)

Không có khả năng thay đổi cách hiển thị các đối tượng, đặc điểm đã được vẽ

Sản xuất bản đồ theo nhu cầu riêng vô cùng tốn kém

Các nhà nghiên cứu và quản lý tài nguyên dần dần nhận thấy cần thiết phải cải thiện phương

pháp xử lý các thông tin địa lý và điều này đã dẫn tới sự ra đời của GIS.

1.3 Khái niệm hệ thống thông tin địa lý

Hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographical Information System) có thể được định

nghĩa như là “một hệ thống các phần cứng, phần mềm và các quá trình để lưu trữ, quản lý, thao

tác, phân tích, mô hình hoá, thể hiện và hiển thị các dữ liệu địa lý nhằm mục đích giải quyết các

bài toán phức tạp liên quan đến quy hoạch và quản lý tài nguyên" (Longley et.al, 2001). Với

GIS, các yếu tố của Trái đất không chỉ được thể hiện dưới dạng hình ảnh như bản đồ giấy thông

thường, mà khi được đưa vào máy tính, thông tin này có thể được thể hiện một cách sống động

và linh hoạt hơn nhiều. Các thông tin không gian (spatial information) có thể được thể hiện như

bản đồ giấy với sông ngòi, đường giao thông, thảm thực vật, các đường ranh giới,… với đầy đủ

chú dẫn, tiêu đề, ngoài ra cũng có thể được diễn đạt bằng tập hợp các bảng thống kê, đồ thị, biểu

đồ.

Một đặc điểm quan trọng nhất của GIS là dữ liệu không gian (spatial data) được lưu giữ

dưới dạng một cấu trúc nhất định được gọi là cơ sở dữ liệu không gian. Cấu trúc dữ liệu sẽ quyết

định cách thức lưu trữ, truy cập và thao tác xử lý thông tin.

1.4 Các lĩnh vực ứng dụng của GIS

Trong xã hội hiện đại, GIS được coi như là công cụ vô giá trong quá trình quản lý, hoạch

định và ra quyết định. Chu trình sử dụng GIS cho việc hoạch định và ra quyết định có thể tóm tắt

trong sơ đồ sau đây:



97



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Hình 1.1: Chu trình sử dụng GIS

Các lĩnh vực ứng dụng GIS rất đa dạng, sau đây là một số trường hợp minh hoạ mà GIS

có thể được sử dụng như là một công cụ hữu hiệu:

b)

Nhà quy hoạch đô thị quan tâm đến sự phát triển mở rộng đô thị ra các vùng ngoại ô, và

xem xét đến việc phát triển dân số cơ học tại các vùng đó cũng như lý do tại sao đô thị cần phát

triển ở vùng này chứ không phải ở vùng khác;

c)

Nhà sinh vật học nghiên cứu tác động của tập quán đốt rừng làm nương đến khả năng

sinh tồn lâu dài của những loài động vật lưỡng cư tại các vùng rừng núi;

d)

Nhà phân tích thiên tai xác định những vùng có nguy cơ ngập lụt cao gắn liền với hiện

tượng gió mùa hàng năm qua việc xem xét các tính chất mưa và địa hình của khu vực;

e)

Nhà địa chất xác định những khu vực tối ưu cho việc xây dựng công trình tại vùng đất có

chấn động thường xuyên bằng cách phân tích các tính chất kiến tạo đá;

f)

Nhà kỹ sư mỏ quan tâm đến khả năng khai thác mỏ quặng trong tương lai có tính toán

đến các yếu tố như mức độ dàn trải, độ sâu và chất lượng vỉa, v.v…

g)

Công ty viễn thông muốn xác định vị trí tối ưu để xây dựng trạm rơle có tính đến các yếu

tố chi phí như giá đất, mức độ bằng phẳng của địa hình, v.v…

h)

Nhà lâm nghiệp muốn tối ưu hoá việc sản xuất lâm sản bằng cách sử dụng số liệu về đất,

sự phân bố loài cây hiện tại kết hợp với các yêu cầu quản lý như yêu cầu về bảo tồn đa dạng sinh

học, v.v…

Tóm lại, các lĩnh vực ứng dụng chính của GIS có thể tóm tắt bao gồm (Hunter, 2001):

Quy hoạch đô thị và lãnh thổ

Quản lý đất đai

98



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Giao thông

Quản lý hệ thống kết cấu hạ tầng kỹ thuật (cung cấp nước, thoát nước, cung cấp

điện, bưu chính,…)

Kinh doanh (ngân hàng, bảo hiểm, phân phối bán lẻ, marketing)

Giáo dục, Đối phó các tình huống khẩn cấp

Mỏ, Y tế

Nông, lâm nghiệp

Đánh giá và theo rõi môi trường

Một cách tổng quát, chúng ta có thể thấy rằng GIS thực hiện 3 nhiệm vụ chính:

Nghiên cứu những đối tượng (objects) cụ thể hoặc nghiên cứu tập hợp của những

đối tượng và hiện tượng (set of objects and phenomena).

Nghiên cứu các đối tượng theo thời gian.

Nghiên cứu các đối tượng trong bối cảnh không gian (spatial context) của chúng.

1.5 Các sản phẩm GIS thương mại

Các sản phẩm tin học trong lĩnh vực này có thể được chia thành 5 lớp:

1.

mini



Lớp các sản phẩm phần mềm GIS dành cho các máy tính lớn mainfraim, workstation,



2.



Lớp các sản phẩm phần mềm GIS dành cho các máy tính PC



3.



Lớp các sản phẩm phần mềm GIS dành cho các bản đồ chuyên đề, bản đồ thống kê



4.



Lớp các sản phẩm phần mềm GIS dành cho các ứng dụng địa hình



5.

Lớp các sản phẩm phần mềm GIS khác nhau dành cho số hoá bản đồ, xử lý ảnh viễn

thám hoặc các sản phẩm CAD/CAM.

Các phần mềm kể trên có lịch sử phát triển thông qua các giai đoạn với sản phẩm sau

(Burrough & McDonnell, 1998):

Các sản phẩm phần mềm cho các bản đồ số: Đối tượng của các phần mềm này là số hoá

bản đồ, dùng để quản lý các bản đồ số, sửa chữa, cập nhật các thông tin trên bản đồ, xuất bản

bản đồ (MicroStation, AutoCAD).

Các sản phẩm quản trị bản đồ: Các sản phẩm này cũng có các chức năng cập nhật thông

tin bản đồ, ngoài ra thêm chức năng quản trị các thông tin bản đồ và thông tin thuộc tính của bản

đồ. Chúng có khả năng liên kết dữ liệu bản đồ với các dữ liệu phi không gian. Các chức năng

chủ yếu là thiết lập bản đồ thống kê theo các thuộc tính, hiển thị và in ấn (MapInfo, Arc/View).

Các sản phẩm phần mềm quản trị và phân tích không gian: Các sản phẩm này là mức

phát triển cao hơn, ngoài các chức năng quản trị, cập nhật thông tin, kết nối dữ liệu thuộc tính,

các phần mềm này còn có thêm các chức năng phân tích dữ liệu không gian. Các phép toán

không gian cơ bản đã trở thành mặc nhiên trong hệ. Với các chức năng phân tích này đã hoàn

thiện không gian dữ liệu hình học trong CSDL (Arc/Info, MGE, Span, Span/GIS, PCI).

99



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



1.6 Cấu trúc một hệ thống thông tin địa lý

Một hệ thống thông tin địa lý gồm hai thành phần cơ bản là: phần cứng và tập hợp các

modul phần mềm. Một yếu tố không kém phần quan trọng nữa là và bối cảnh tổ chức bao gồm

cả người sử dụng hệ thống. Tất cả các thành phần này cần được kết hợp một cách cân đối để hệ

thống có thể hoạt động một cách hiệu quả (Burrough & McDonnell, 1998).

1.6.1. Phần cứng:

Các cấu thành cơ bản phần cứng của một hệ thống GIS được mô tả ở hình vẽ 1.2. Máy tính có ổ

cứng để lưu trữ dữ liệu và phần mềm, ngoài ra còn có thể lưu trữ thông qua mạng hoặc ổ đĩa CDROM hoặc các thiết bị ngoại vi khác. Bàn số hoá hoặc máy quét được dùng để chuyển đổi bản

đồ giấy và tài liệu sang dạng số để có thể sử dụng được bởi các chương trình phần mềm máy

tính. Máy in khổ lớn, máy in hoặc bất cứ phương tiện hiển thị nào khác được sử dụng để hiển thị

kết quả xử lý thông tin. Máy tính có thể nối với nhau, chia sẻ tài nguyên và lập thành mạng

thông qua cáp hay đường điện thoại với modem. Người dùng phải kiểm soát máy tính và các

thiết bị ngoại vi (là từ chung cho các thiết bị in, hiển thị, và các thiết bị khác nối với máy tính).



Bàn số hoá



Mạng

Ổ CD-ROM

Máy tính



Máy in khổ

lớn



Máy in



Hình 1.2: Các thành phần của phần cứng trong hệ thống thông tin địa lý

1.6.2. Phần mềm:

Phần mềm GIS có thể được chia ra thành năm nhóm chức năng như sau:

Nhóm nhập dữ liệu

Nhóm lưu tữ và quản trị dữ liệu

Nhóm đầu ra và hiển thị dữ liệu

Nhóm biến đổi dữ liệu

Nhóm giao diện với người sử dụng



100



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Nhóm nhập

dữ liệu



Giao diện với

người sử dụng



Cơ sở DLĐL



Hiển thị và ra

báo cáo



Chuyển đổi

dữ liệu



Hình 1.3: Các cấu thành phần mềm cơ bản của một hệ thống GIS

Nhóm nhập dữ liệu bao trùm tất cả các khía cạnh liên quan đến thu thập dữ liệu từ bản đồ có

sẵn, khảo sát thực địa, và thông tin viễn thám (bao gồm cả ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, và các

thiết bị thu khác) và chuyển đổi chúng sang dạng số tiêu chuẩn. Có nhiều công cụ để thực hiện

việc này bao gồm màn hình giao diện trực tíêp và con chuột, bàn số hoá, chương trình Word và

Excell, máy quét, các ổ đọc dữ liệu dạng từ như CD-ROM,v.v…

Bản đồ giấy



Bàn phím



Bàn số hoá



Ảnh hàng

không



Đầu thu cảm

ứng



Máy in plotter



Khảo sát thực địa



Máy scanner



Băng từ, ổ

quang



NHẬP DỮ LIỆU



Hình 1.4: Quy trình nhập dữ liệu của hệ thống GIS

Lưu trữ và quản trị dữ liệu liên quan tới cách thức quản lý dữ liệu về liên kết (topo) dữ

liệu vị trí (điểm, đường, vùng biểu diễn đối tượng địa lý trên bề mặt quả đất). Các phần mềm

thương mại: MicroStation, AutoCAD, MGE.

Hệ quản trị CSDL của GIS bao gồm các thành phần cơ bản được thể hiện như hình 1.5

sau:



101



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Tra cứu



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Thu nạp dữ liệu

CƠ SỞ

DỮ LIỆU

Thao tác, biến

đổi dữ liệu

Hiển thị kết

quả, báo cáo



Hình 1.5: Các thành phần của hệ quản trị cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý

Chương trình máy tính dùng để tổ chức dữ liệu được gọi là hệ quản trị CSDL.

Các modul chương trình bao gồm:

•



Nhập, kiểm tra và sửa chữa dữ liệu



•



Lưu trữ dữ liệu và điều hành dữ liệu



•



Thành lập dữ liệu đầu ra và biểu diễn dữ liệu



•



Đối thoại với người dùng



Một số các phần mềm quản trị CSDL phi không gian hiện đang lưu hành trên thị trường:

ORACLE, SYSBASE, SQL Server và các phần mềm CAD: MicroStation, AutoCAD, một số

phần mềm quản trị cả hai kiểu dữ liệu: Arc/Info, MGE, Geo/SQL, Spans, MicroStation

Geographic.

Nhóm đầu ra và hiển thị dữ liệu bao gồm các thành phần được thể hiện như hình 1.6.



102



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Hình1.6 : Các thành phần của nhóm

đầu ra và hiển thị thông tin



Đầu ra và biểu diễn kết quả tính toán chính là con đường biến đổi dữ liệu kết quả ra cho người

dùng. Dữ liệu có thể biểu diễn dưới dạng bản đồ, bảng số, hay các hình vẽ.

Biến đổi dữ liệu hàm chứa hai dạng: a) biến đổi nhằm mục đích loại từ các lỗi dữ liệu

hoặc cập nhật chúng cho phù hợp với các tập thông tin khác; b) một loạt các phương pháp phân

tích không gian áp dụng lên các dữ liệu để trả lời các câu hỏi đặt ra trong GIS.



BIẾN ĐỔI DỮ LIỆU



Quản lý và

Cập nhật



Sử dụng và phân

tích



Hình 1.7: Biến đổi dữ liệu

Biến đổi dữ liệu có thể được áp dụng cho các khía cạnh không gian, quan hệ topo, và phi

không gian của dữ liệu, một cách riêng biệt hoặc kết hợp. Nhiều phép biến đổi, ví dụ như biến

đổi liên quan đến thay đổi tỷ lệ, thay đổi hệ chiếu, truy cập lôgích, tính toán diện tích, chu vi là

những biến đổi có tính chất phổ biến cho bất kỳ một hệ GIS nào. Các biến đổi khác có thể mang

tính ứng dụng đặc thù mà việc đưa vào hệ thống GIS là tuỳ thuộc vào yêu cầu của người sử

dụng.

Hầu hết các hệ thống GIS đều có một loạt các giao diện với người sử dụng. Giao diện

đơn giản nhất là các lệnh menu mà có thể chọn dễ dàng bằng cách chỏ và nhắp chuột. Cách thay

thế là gõ lệnh đơn giản thông qua bộ chuyển đổi ngôn ngữ lệnh CLI. Tất nhiên là không phải tất

cả các phép xử lý đều có thể được thực hiện thông qua lệnh menu cơ bản, vì vậy người sử dụng

có thể phải viết chương trình riêng cho mình để giải quyết bài toán riêng biệt nào đó. Một số hệ



103



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



thống GIS có ngôn ngữ Macro - là ngôn ngữ lập trình đơn giản hoá và chính thức mà có thể sử

dụng để liên kết tất cả các ứng dụng cơ bản với nhau.



Câu hỏi chương I.

1.



Khái liệm hệ thông tin địa lý.



2.



Các lĩnh vực ứng dụng của hệthông tin địa lý.



3.



Trình bày cấu trúc của một hệ thống thông tin địa lý.



104



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Chương II GIS VÀ THẾ GIỚI THỰC

2.1.



Bốn lĩnh vực hiện diện của GIS (4 M)



Nói một cách tổng quát, các nhà khoa học môi trường, các nhà quản lý tài nguyên, hoặc

nói chung là những người sử dụng các thông tin địa lý thường làm việc trong một hoặc nhiều

lĩnh vực sau đây (Hunter, 2001):

Quan sát và đo đạc (Measuring) các thông số môi trường

Xây dựng các bản đồ (Mapping) diễn tả các đặc tính nào đó của trái đất

Theo dõi (Monitoring) các diễn biến môi trường theo không gian và thời gian

Mô hình hoá (Modelling) các quá trình, diễn biến xảy ra trong môi trường.

Các hoạt động trên có thể được tăng cường qua việc sử dụng các công nghệ thông tin, mà

đặc biệt là GIS.

Mô hình hoá

Đo đạc



Bản đồ



Theo dõi

T1

T2

T3



HỆ THỐNG GIS

Hình 2.1: Bốn lĩnh vực hiện diện của GIS

2.2.



Các khái niệm địa lý cơ bản dùng trong GIS

Có bảy khái niệm địa lý cơ bản trong GIS (Hunter, 2001) gồm:



Đối tượng không gian (spatial objects) được định giới bởi vùng địa lý và có thể có một

loạt các thuộc tính gắn liền

Điểm (point) là một đối tượng không gian không có diện tích (vd như điểm được quan sát

là có các loài động vật quý hiếm, có thuộc tính như là vị trí (toạ độ x, y), loài, ngày được phát

hiện, ai phát hiện)



105



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Đường (line) cũng là một đối tượng không gian được tạo thành bởi một chuỗi các điểm

liên kết với nhau (vd đường giao thông với các thuộc tính như tập hợp các toạ độ (x,y), cấp mặt

đường, chiều rộng, số làn xe,…). Đường có chiều dài, nhưng không có chiều rộng và diện tích.

Điểm nút (node) là một loại điểm đặt biệt thể hiện điểm đầu hoặc cuối của đường hoặc là

điểm gặp nhau của hai hoặc nhiều đường (vd như ngã ba đường giao thông).

Điểm chuyển hướng (vertex) là một loại điểm đặc biệt thể hiện vị trí mà tại đó đường đổi

hướng, nhưng chưa phải là điểm đầu cuối hoặc giao nhau.

Vùng (polygon) là một diện tích khép kín. Có thể là vùng đơn (ví dụ vùng một loại rừng)

vùng phức nếu có chứa vùng con bên trong (ví dụ vùng một loại rừng nhưng có chứa hồ nước

bên trong).

Điểm lưới (grid cell) là một vùng dạng ô vuông hoặc chữ nhật (thường dùng trong raster

GIS).

2.3.



Mô hình hoá thế giới hiện thực với GIS



Có thể nói trung tâm của bất kỳ hệ thống GIS nào cũng là mô hình dữ liệu. Mô hình dữ

liệu có thể hiểu như là một tập hợp cấu trúc để mô tả và thể hiện các đối tượng và các quá trình

trong một môi trường số (digital environment) của máy tính. Người sử dụng GIS giao diện với

GIS để thực hiện các nhiệm vụ như xây dựng bản đồ, truy cập dữ liệu, phân tích phù hợp sử

dụng đất,v.v… Bởi vì các dạng bài toán phải được thực hiện chịu ảnh hưởng rất nhiều vào cách

thức mà thế giới hiện thực được mô hình hoá, cho nên việc lựa chọn dạng mô hình dữ liệu phù

hợp có ý nghĩa vô cùng quan trong xác định sự thành công của một dự án GIS. Người sử dụng

cần phải nhận thức được về tính chất các mô hình khác nhau vì nó ảnh hưởng đến hiệu quả của

việc xử lý dữ liệu (Laurini & Thompson, 1992)

Khi mô hình hoá thế giới hiện thực để thể hiện trong GIS, để thuận tiện ta thường gộp

các đối tượng hình học cùng loại vào với nhau (ví dụ như tất cả các đối tượng địa điểm khách

hàng sử dụng một lại hình dịch vụ nào đó; hoặc như hệ thống sông ngòi ở dạng đường có thể tập

hợp lưu trữ cùng nhau). Tập hợp các đối tượng này có cùng một hình thức thể hiện và mang một

nội dung thông tin được sử dụng rất rộng rãi trong GIS và được gọi là một lớp. Việc tập hợp theo

lớp như vậy làm cho việc lưu trữ và truy cập dữ liệu hiệu quả hơn. Ngoài ra nó cũng giúp cho

việc cập nhật, đính chính dữ liệu cũng như xây dựng các mối quan hệ giữa các đối tượng dễ dàng

hơn nhiều (ví dụ như việc bổ sung, thêm bớt các khu vực hành chính, các đường giao

thông,v.v… vào cơ sở dữ liệu đã có sẵn). Tóm lại mỗi một loại thông tin không gian hoặc chủ

đề khác nhau có cùng một cách thể hiện hình học như nhau (ví dụ như điểm, đường hoặc vùng)

được biết đến như là một lớp thông tin (layer).



106