Chương II GIS VÀ THẾ GIỚI THỰC

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



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Hình 2.2: Lớp thông tin trong GIS

Mỗi lớp thông tin lại có mô hình, cấu trúc dữ liệu chi tiết hơn. Về nguyên lý, lớp thông

tin là tập hợp các dữ liệu địa lý về một khía cạnh nào đó của đối tượng địa lý thực tế. Do đó nó

sẽ mang cấu trúc chung cho loại dữ liệu đó.

Không giống như các dạng dữ liệu thông thường khác, dữ liệu địa lý phức tạp hơn, nó

bao gồm các thông tin về vị trí, các quan hệ topo và các thuộc tính phi không gian. Khía cạnh

không gian và topo của dữ liệu địa lý chính là điểm khác biệt rõ ràng nhất trong các hệ xử lý số

liệu không gian và các hệ xử lý số liệu thông dụng khác ví dụ như số liệu ngân hàng, thư viện.

Dữ liệu không gian luôn được tham chiếu đến vị trí của đối tượng trên bề mặt trái đất

bằng cách sử dụng các hệ toạ độ thông dụng mà ta đã xét tới ở những phần trước.

Mọi dữ liệu địa lý đều có thể được mô hình hoá thành ba thành phần cơ bản của quan

niệm topo - điểm, đường, vùng. Bất kỳ một đối tượng tự nhiên nào về nguyên tắc đều được biểu

diễn dưới dạng điểm, đường, vùng và các thông tin đi kèm. Các thông tin đi kèm có thể là tên

của đối tượng. Các thông tin khác đặt ở các bảng số liệu khác khi có nhu cầu tra cứu, thông qua

tên của đối tượng có thể nối trực tiếp với đối tượng đó để đem lại toàn bộ thông tin cho người sử

dụng.



107



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Bảng 2.1: Các hình thức thể hiện dữ liệu địa lý

Điểm



Đường



Vùng



Dữ liệu đặc trưng



Vị trí khảo cổ học



Đường giao thông



Vùng đất



Các đối tượng diện

tích



Tâm điểm vùng



Đưòng ranh giới

hành chính



Vùng điều tra dân

số



Topo mạng



Điểm nút (ngã ba

ngã tư)



Đường nối (phố)



Vùng (khối phố)



Ghi chép đo đạc



Các trạm khí tượng



Đường bay



Vùng diện tích lấy

mẫu



Dữ liệu địa hình bề

mặt



Các điểm độ cao



Đường bình độ



Vùng phân độ cao

tương đối



Chú thích chữ



Tên địa ranh



Tên đường,

sông,…



Tên vùng



Ký hiệu bản đồ



Ký hiệu điểm



Ký hiệu đường



Ký hiệu vùng



Mô hình dữ liệu địa lý bao gồm 4 thành phần sau (Zerger, 2000):

1.



Mã khoá,



2.



Định vị,



3.



Thành phần phi không gian,



4.



Thành phần không gian.



Mã khoá là mã số duy nhất cho thực thể, đặc trưng duy nhất cho thực thể, để phân biệt

thực thể này với thực thể khác.

Định vị xác định vị trí của thực thể trên thực tế. Thông thường người ta dùng các hệ toạ

độ để xác định toạ độ cho thực thể. Có nhiều hệ toạ độ khác nhau.

Thành phần phi không gian: là thành phần chứa đựng các số liệu về thuộc tính của thực

thể. Các thuộc tính này có thể là định lượng hoặc định tính. Thành phần phi không gian chứa

đựng các thuộc tính của đối tượng địa lý.

Bảng 2.2: Minh hoạ các đối tượng không gian và các thuộc tính đi kèm



Đối tượng

địa lý



Mã

khoá



Trường học



Tên gọi



Định vị



Thành

phần

không

gian



Thành phần phi không

gian

Định lượng



Định tính



Toạ độ một Khoảng

Số lượng học Giáo dục

điểm

cách tới sinh

một

108



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



trường

khác

Giếng nước



Số ID



Toạ độ vị trí Chiều sâu

trên mặt đất



Kích

giếng



thước Mục đích sử

dụng



Mạch nước Tên gọi

ngầm



Toạ độ trên Thể tích

mặt đất



Lưu

nước



lượng Sự thay đổi

mức nước



Mây



Toạ độ một Thể tích

điểm theo

thời gian



Dạng mây



Đường sắt

Vùng



Số hoặc Toạ độ theo Diện tích

tên gọi

đường bao



Quốc gia



2.4.



Mã



Tên gọi



Mức độ tập

trung



Toạ độ điểm Nối

2 Lưu

lượng Sự sử dụng

đầu cuối

thành phố vận chuyển

Thành phần



Toạ độ theo Các quốc GND (Tổng Có

chiến

ranh giới

gia láng sản

phẩm tranh

với

riềng

quốc nội)

quốc

gia

láng riềng

không?



Mức đo (loại dữ liệu)



Một điều quan trọng khi sử dụng GIS là chúng ta cần hiểu bản đồ không phải chỉ là một

hiển thị bởi các đối tượng hình học như là các vùng mầu, đường và điểm, mà đó là một tập hợp

các dữ liệu số có các mức đo (levels of measurement) và chính xác (accuracy) khác nhau. Có

năm loại dữ liệu, hay nói cách khác là có năm mức đo của dữ liệu như sau (Zeger, 2000):

•



Mức 1: Ghi danh



•



Mức 2: Cấp bậc



•



Mức 3: Chỉ số



•



Mức 4: Khoảng



•



Mức 5: Tỷ lệ

Sau đây là bảng ghi các đặc điểm của các loại dữ liệu:

Bảng 2.3: Đặc điểm của các loại dữ liệu

Mức đo



Định nghĩa



Ví dụ



Con số được dùng để nghi

danh



0 = Không có rừng



(Loại dữ liệu)

Ghi danh



1 = Rừng gỗ

2 = Rừng bụi



Cấp bậc



Con số được dùng để so

sánh giá trị



109



0 = Kém thích hợp

1 = Thích hợp trung bình



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



2 = Rất thích hợp

Chỉ số



Con số được dùng để chỉ sự

có/không, đúng/sai

Con số được dùng để đo sự

chênh lệch giữa các giá trị



Khoảng

Tỷ lệ



0 = Không có/sai

15 = 15oC



Hệ đo đạc có điểm mốc 0

tyệt đối



1 = Có/đúng

28 = 28oC

0 = 0 km độ cao

5 = 5 km độ cao



Mức đo còn được hiểu như sự phân loại bản đồ theo ý nghĩa của các giá con số gắn cho

các đối tượng trên bản đồ. Ta cần phải biết mức đo của bản đồ, hay nói cách khác là dử liệu của

bản đồ là ở loại nào theo bảng trên bởi vì nó quyết định các phép phân tích chồng xếp bản đồ có

thể được thực hiện ở mức nào. Mức đo càng cao thì càng có nhiều phép tính chồng xếp bản đồ

có thể được phép thực hiện.

Bảng dưới đây tổng hợp các phép phân tích dữ liệu có thể được sử dụng đối với mỗi mức

độ đo của dữ liệu, và các chức năng tương ứng trong phần mềm phổ thông ArcView. Khi thực

hiện chồng xếp bản đồ có các mức độ đo dữ liệu khác nhau, ta chỉ được sử dụng các phép phân

tích mà áp dụng được cho bản đồ có mức thấp hơn.

Bảng 2.4: Các phép phân tích áp dụng cho các mức dữ liệu

Mức đo của dữ liệu



Chức năng tương ứng trong

ArcView



Ghi danh



Phép kết hợp



Logic Boolean



Cấp bậc



Minimum, Maximum, Phép

kết hợp



Boolean, Minimize,

Maximize, Cross



Chỉ số



Boolean, Đếm (Cộng),

Nhân, Phép kết hợp



Boolean, Cross, Minimize,

Maximize, Các phép toán

(Cộng và Nhân)



Khoảng



Minimum, Maximum, Phép

kết hợp, Các phép số học



Boolean, Cross, Minimize,

Maximize, Các phép toán



Tỷ lệ

2.5.



Các phương pháp phân tích

có thể thực hiện được



Minimum, Maximum, Phép

kết hợp, Các phép số học



Boolean, Cross, Minimize,

Maximize, Các phép toán



Mô hình dữ liệu: Raster và Vector



Con người nhận thức hiện tượng thực tế qua hình dáng bên ngoài, để chuyển chúng vào máy tính

người ta cấu trúc hình dạng đó theo một trong 2 cách: Raster và Vector (Bernhardsen,1999).



110



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Hình 2.3: Mô hình Raster và mô hình Vector

2.5.1



Mô hình Raster



Trong mô hình raster, chúng ta chia thế giới thực ra làm những điểm lưới. Các điểm lưới

có thể mang một giá trị thuộc tính nào đó dựa trên một hoặc vài hệ thống mã hoá. Trường hợp

mã hoá đơn giản nhất là nhị phân (binary encoding), ví dụ như việc xuất hiện (1) hay không xuất

hiện (0) thảm thực vật; nhưng ở ví dụ khác thì hệ thống điểm nổi (floating points) sẽ được sử

dung, ví dụ như độ cao của điểm lưới so với mặt biển. Trong model này, mỗi một loại thông tin

chủ đề được lưu như một lưới (grid) riêng.

Hãy xét một lớp thông tin có cấu trúc raster. Trên hình vẽ 2.4 là một thể hiện bản đồ đất.

mỗi vùng được đánh dấu bằng các ô theo các giá trị khác nhau. Ta có được một lưới các ô có giá

trị khác nhau. Nếu gắn nước giá trị = 1, rừng = 2, đất nông nghiệp = 3 ta sẽ có một mảng số liệu

từ các giá trị 1,2,3:



Hình 2.4: Biểu diễn raster dữ liệu theo lưới điểm



111



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Hai cấu trúc lưu trữ raster cơ bản là cấu trúc lưu mã chi tiết (exhaustive enumeration) và

cấu trúc lưu mã chạy dài (run-length encoding). Đối với cấu trúc lưu mã chi tiết, mỗi một điểm

lưới được gắn với 1 giá trị duy nhất, vì vậy ở đây dữ liệu không được nén gọn. Còn cấu trúc lưu

mã chạy dài có ý nghĩa như là một kỹ thuật nén dữ liệu nếu raster chứa các nhóm điểm lưới có

cùng một giá trị. Khi đó thay vì phải lưu trữ riêng cho từng điểm lưới, cấu trúc này lưu trữ theo

từng thành phần có một giá trị duy nhất và số lượng điểm lưới chứa đựng giá trị đó. Nếu tất cả

các điểm lưới đều có các giá trị khác nhau thì cấu trúc này làm tăng gấp đôi bộ nhớ, tuy nhiên

nếu có 2 hoặc hơn số điểm lưới trùng giá trị thì cấu trúc này làm giảm bộ nhớ. Nếu càng có

nhiều điểm lưới liên tục có giá trị giống nhau thì mức độ nén càng đạt được cao. Cấu trúc này

đặc biệt thích hợp cho việc mã hoá ảnh đơn sắc hoặc ảnh nhị phân (Zerger, 2000).



Hình 2.5: Cấu trúc Raster – Lưu mã chi tiết (Exhaustive representation)



Hình 2.6: Cấu trúc Raster – Lưu mã chạy dài ( Run-length encoding)

2.5.2. Mô hình Vector

Trong mô hình Vector, dữ liệu được thể hiện bởi các đường hoặc cung định vị bởi các

điểm đầu và cuối và giao nhau tại các điểm nút (node). Vị trí của các điểm nút này và mối quan

hệ topo được lưu trữ một cách rõ ràng. Các đối tượng được xác định bởi ranh giới của chúng và

các đường cong được thể hiện như là một chuỗi các cung nối nhau. Trong vector GIS các đối

tượng địa lý được thể hiện một cách rõ ràng và kèm theo chúng là các thuộc tính chủ đề.

Có những phương pháp khác nhau để tổ chức cơ sở dữ liệu 2 mặt này (mặt không gian và

mặt thuộc tính chủ đề). Thông thường, hệ thống vector bao gồm 2 thành phần: thành phần quản



112



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



lý dữ liệu không gian và thành phần quản lý dữ liệu chuyên đề. Hệ thống này được gọi là hệ

thống tổ chức hybrid.



Hình 3.7: Mô hình Vector

Trong mô hình vector, dữ liệu địa lý được thể hiện dưới dạng các toạ độ. Các đơn vị cơ

bản của thông tin không gian là điểm, đường (cung) và vùng. Mỗi một đơn vị này được cấu

thành bởi một chuỗi một hoặc nhiều điểm có toạ độ, ví dụ như đường là một tập hợp các điểm có

liên quan đến nhau, còn vùng là tập hợp các đường có liên quan đến nhau.

Toạ độ là cặp số thể hiện khoảng cách nằm ngang theo dọc theo trục trực giao, hoặc là bộ

ba số thể hiện các khoảng cách nằm ngang và thẳng đứng. Toạ độ thường thể hiện vị trí của bề

mặt trái đất tương đối với các vị trí khác.

Điểm dùng để khái quát cho một đối tượng bởi toạ độ x/y của chúng. Điểm dùng để thể

hiện cho đối tượng quá nhỏ không đủ để có thể hiện bằng đường hoặc vùng (ví dụ như vị trí của

công trình trên một bản đồ tỷ lệ nhỏ).

Đường là tập hợp các toạ độ thể hiện hình dạng đối tượng địa lý mà quá hẹp để có thể

được hiển thị như là một vùng tại mức tỷ lệ cho trước (ví dụ như đường đồng mức, tâm điểm

đường giao thông, sông rạch,v.v…), hoặc là các đối tượng đường không gắn liền với diện tích

(ví dụ như ranh giới vùng hành chính). Khái niệm đường và cung (arc) trong GIS là một.

Vùng được dùng để thể hiện đối tượng có diện tích. Vùng được xác định bởi các đường

tạo thành đường bao của nó và một điểm bên trong để làm nhiệm vụ nhận dạng. Vùng thường đi

kèm với thuộc tính mô tả đối tượng địa lý mà nó thể hiện.



Điểm



Đường



Hinh 2.8: Minh hoạ đối tượng địa lý trong GIS



113



Vùng



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Có vài mô hình lưu trữ và quản lý thông tin vector. Mỗi một mô hình đều có các ưu điểm

và nhược điểm riêng. Các mô hình lưu trữ điển hình gồm (Burrough & McDonnell, 1998):

a)



Cấu trúc liệt kê toạ độ 'spaghetti'



b)



Cấu trúc từ điển vertex



c)



Cấu trúc mã hoá đôi độc lập bản đồ DIME



d)



Cấu trúc cung/nút ARC/NODE



Hình 2.9: Cấu trúc liệt kê toạ độ

a) Cấu trúc liệt kê toạ độ 'spaghetti':

•



Đơn giản



•



Dễ quản lý



•



Không chứa đựng được quan hệ topo



•



Nhiều trùng lặp, vì vậy chiếm nhiều bộ nhớ



•



Thường dùng trong CAC (bản đồ học vi tính)



114



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Bộ môn tính toán thuỷ văn



Hình 2.10: Cấu truc từ điển vertex

b) Cấu trúc từ điển vertex (Vertex dictionary):

•



tránh được trùng lắp, nhưng vẫn không có quan hệ topo



Hình 2.11: Cấu trúc mã hoá đôi

c) Cấu trúc mã hoá đôi độc lập bản đồ (Dual Independent Map Encoding- DIME):



115



Kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý



Hình 2.12:

(ARC/NODE)

.



Cấu



trúc



Bộ môn tính toán thuỷ văn



cung/nút



d) Cấu trúc cung/nút (ARC/NODE)



Cấu trúc cung/nút (Arc/Node) lần đầu tiên được phát triển đề dùng trong tổng điều tra dân số

Hoa Kỳ năm 1980 dưới dạng khởi điểm là cấu trúc mã hoá đôi độc lập bản đồ DIME. Trong cấu

trúc này cung (acr) là đơn vị cơ bản nhất trên bản đồ. Hình dạng và chiều dài của cung được xác

định bởi vị trí của các nút (node) và điểm rẽ (vertice).

Điểm nút khác biệt với điểm rẽ ở chỗ điểm nút là một đối tượng chứa quan hệ topo còn

điểm rẽ chỉ là một đối tượng điểm đơn giản xác định bởi toạ đô x/y mà không chứa đựng mối

quan hệ topo nào.

Hướng của cung được ghi rõ ràng theo thứ tự của những điểm nút đầu và cuối. Với

hướng xác định thì hai bên (phải, trái) cũng được xác định.

Tệp thông tin lưu trữ tất cả các thông tin cần thiết về cung, bao gồm:

1.



Mã khoá cung



2.



Mã khoá điểm nút đầu



3.



Mã khoá điểm nút cuối



4.



Mã khóa vùng ở phía bên phải của cung



5.



Mã khoá vùng ở phía bên trái của cung



6.



Toạ độ X/Y của điểm nút đầu, điểm nút cuối



7.



Toạ độ X/Y của tất cả các điểm rẽ



Điểm nút chứa đựng thông tin topo quan trọng vì nó là điểm giao nhau của các đối tượng

đường. Trong cấu trúc dữ liệu Arc/Node thì đối tượng điểm cũng có thể được coi như một đường

với điểm nút đầu và cuối có cùng một toạ độ X/Y.

Quan hệ topo có ý nghĩ quan trọng sau đây (Demers,1997):

a)

Cho phép thực hiện các phép phân tích mà đòi hỏi thông tin về sự kết nối giữa các phần

tử đường;

b)

Cho phép thực hiện các quá trình cần sử dụng dữ liệu về tính thứ tự của các đối tượng

đường;

c)



Cho phép xác định tính chất của các đơn vị vùng kề sát;



d)



Cho phép tự động hoá một số quá trình phát hiện lỗi;



e)



Làm thuận tiện hơn các phép tìm kiếm trong các bài toán vùng lân cận (neighbourhood);



f)



Làm thuận tiện hơn việc truy cập các phần tử thuộc tính gắn liền với dữ liệu;

116