CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu về hệ thông tin địa lý GIS 1.1 Khái niệm GIS Hệ thống thông tin địa lý thường được gọi tắt là GIS do viết tắt của chữ tiếng Anh: Geographical Information System. “Hệ thống Thông tin Địa Lý là một hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu bằng máy tính để thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian.2 Lịch sử phát triển của hệ thông tin địa lý GIS Sơ lược quá trình phá triển GIS trên thế giới: Đầu 60x: Hệ GIS đầu tiên của thế giới ra đời vào những năm 60 (1964) ở Canada với tên gọi CGIS (Canadian Geographic Information System) với mục đích điều tra và quản lý tài nguyên rộng lớn của đất nước. Song song đó các trường đại học và viện nghiên cứu của Mỹ cũng tiến hành nghiên cứu về GIS.
Đây là lần đầu tiên người ta số hoá các bản đồ, chồng ghép và dùng máy tính để đưa ra các thông tin phân tích, tổng hợp. Năm 1968: Hội Địa Lý Quốc tế thành lập "Uỷ ban thu nhận và xử lý dữ liệu Địa lý”. Ý tưởng đã hình thành và được chấp nhận nhưng còn nhiều hạn chế do công nghệ. Những năm 70x: Đứng trước sự gia tăng nhu cầu quản lý tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường nhiều hệ GIS ra đời và phát triển.
Công nghệ máy tính đạt được nhiều tiến bộ cũng thúc đẩy việc phát triển GIS. Cũng vào những năm này, các hệ xử lý ảnh viễn thám ra đời và phát triển, đẩy mạnh một hướng nghiên cứu mới kết hợp GIS với viễn thám. Bắt đầu xuất hiện các hệ GIS áp dụng với quy mô lãnh thổ nhỏ, các phần mềm GIS được thương mại hóa ESRI, GIMMS, SYNERCOM, INTERGRAPH, CALMA, COMPUTERVISION,… 10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Những năm 80: Công nghệ máy tính phát triển là tiền đề cho sự phát triển GIS. Trong thời kỳ này, người ta bắt đầu tập trung giải quyết những vấn đề kỹ thuật sâu như sai số dữ liệu, chuyển đổi format.
Hình thành các hệ GIS chuyên dụng: quản lý đất (LIS), quản lý cảng (PMIS - Port MIS), quản lý đất và nước (ILWIS) và phát sinh thêm nhiều ứng dụng thực tế (quản lý xã hội, an ninh quốc phòng…). Đây thực sự là thời kỳ bùng nổ ứng dụng GIS trên thế giới. Những năm 90x và hiện nay: Việc đa dạng hóa nhu cầu dử dụng dẫn đến việc có rất nhiều phần mềm GIS với các quy mô, đặc điểm khác nhau. Mặt khác, dữ liệu được tích luỹ khá nhiều và xuất hiện yêu cầu bức xúc của việc chuẩn hóa dữ liệu, mở rộng địa bàn trao đổi phục vụ.
Như vậy, trong vài thập kỷ vừa qua, GIS đã phát triển rất nhanh và trở thành công cụ chủ yếu để khai thác thông tin địa lý một cách hiệu quả. Bên cạnh GIS, Ngành Viễn thám (Remote Sensing-RS) và Hệ thống định vị toàn cầu (Global Position System - GPS) đã cung cấp công cụ để thu thập thông tin địa lý nhanh chóng và chính xác. Sự kết hợp của bộ ba này đã tạo ra công nghệ mới (công nghệ 3S) và đây sẽ chính là một trong những mũi nhọn phát triển khoa học kỹ thuật trong thế kỷ mới.3 Các thành phần của hệ thông tin địa lý Công nghệ GIS bao gồm 5 hợp phần cơ bản là: ¾ Thiết bị phần cứng: Máy vi tính, máy vẽ, máy in, bàn số hoá… ¾ Phần mềm: ARC/INFO, MAPINFO, ILWIS, WINGIS, SPANS… ¾ CSDL địa lý tổ chức theo chuyên ngành, mục đích nhất định ¾ Kiến thức chuyên gia, chuyên ngành ¾ Chính sách và cách thức quản lý 11 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1: Các hợp phần cơ bản của GIS 1.4 Xây dựng cơ sở dữ liệu trong GIS [2] Một cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý có thể chia ra làm 2 loại dữ liệu cơ bản: Dữ liệu không gian và phi không gian. Mỗi loại có những đặc điểm riêng và chúng khác nhau về yêu cầu lưu giữ số liệu, hiệu quả, xử lý và hiển thị.1 Cấu trúc dữ liệu trong GIS Có hai dạng cấu trúc dữ liệu cơ bản trong GIS, đó là dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính.
Đặc điểm quan trọng trong tổ chức dữ liệu của GIS là: Dữ liệu không gian (bản đồ) và dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong cùng một cơ sở dữ liệu (CSDL) và có quan hệ chặt chẽ với nhau.2: Cấu trúc vector và raster 12 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Các kiểu dữ liệu không gian Dữ liệu không gian có hai dạng cấu trúc, đó là dạng raster và dạng vector. • Cấu trúc raster: Có thể hiểu đơn giản là một “ảnh” chứa các thông tin về một chuyên đề mô phỏng bề mặt trái đất và các đối tượng trên đó bằng một lưới (đều hoặc không đều) gồm các hàng và cột. Những phần tử nhỏ này gọi là những pixel hay cell.
Giá trị của pixel là thuộc tính của đối tượng. Kích thước pixel càng nhỏ thì đối tượng càng được mô tả chính xác. Một mặt phẳng chứa đầy các pixel tạo thành raster. Cấu trúc này thường được áp dụng để mô tả các đối tượng, hiện tượng phân bố liên tục trong không gian, dùng để lưu giữ thông tin dạng ảnh (ảnh mặt đất, hàng không, vũ trụ.
Một số dạng mô hình biểu diễn bề mặt như DEM (Digital Elevation Model), DTM (Digital Terrain Model), TIN (Triangulated Irregular Network) trong CSDL cũng thuộc dạng raster. Ưu điểm của cấu trúc dữ liệu dạng raster là dễ thực hiện các chức năng xử lý và phân tích. Tốc độ tính toán nhanh, thực hiện các phép toán bản đồ dễ dàng. Dễ dàng liên kết với dữ liệu viễn thám.
Cấu trúc raster có nhược điểm là kém chính xác về vị trí không gian của đối tượng. Khi độ phân giải càng thấp (kích thước pixel lớn) thì sự sai lệch này càng tăng • Cấu trúc vector: Cấu trúc vector mô tả vị trí và phạm vi của các đối tượng không gian bằng tọa độ cùng các kết hợp hình học gồm nút, cạnh, mặt và quan hệ giữa chúng. Về mặt hình học, các đối tượng được phân biệt thành 3 dạng: đối tượng dạng điểm (point), đối tượng dạng đường (line) và đối tượng dạng vùng (region hay polygon). Điểm được xác định bằng một cặp tọa độ X,Y.
Đường là một chuỗi các cặp tọa độ X,Y liên tục. Vùng là khoảng không gian được giới hạn bởi một tập hợp các cặp tọa độ X,Y trong đó điểm đầu và điểm cuối trùng nhau. Với đối tượng vùng, cấu trúc vector phản ảnh đường bao. Cấu trúc vector có ưu điểm là vị trí của các đối tượng được định vị chính xác (nhất là các đối tượng điểm, đường và đường bao).
Cấu trúc này giúp cho người sử 13 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com dụng dễ dàng biên tập bản đồ, chỉnh sửa, in ấn. Tuy nhiên cấu trúc này có nhược điểm là phức tạp khi thực hiện các phép chồng xếp bản đồ. • Dữ liệu thuộc tính: Dữ liệu thuộc tính dùng để mô tả đặc điểm của đối tượng. Dữ liệu thuộc tính có thể là định tính - mô tả chất lượng hay là định lượng.
Về nguyên tắc, số lượng các thuộc tính của một đối tượng là không có giới hạn. Để quản lý dữ liệu thuộc tính của các đối tượng địa lý trong CSDL, GIS đã sử dụng phương pháp gán các giá trị thuộc tính cho các đối tượng thông qua các bảng số liệu. Mỗi bản ghi (record) đặc trưng cho một đối tượng địa lý, mỗi cột của bảng tương ứng với một kiểu thuộc tính của đối tượng đó. Các dữ liệu trong GIS thường rất lớn và lưu trữ ở các dạng file khác nhau nên tương đối phức tạp.
Do vậy để quản lý, người ta phải xây dựng các cấu trúc chặt chẽ cho các CSDL, có các cấu trúc cơ bản sau: + Cấu trúc phân nhánh + Cấu trúc mạng + Cấu trúc quan hệ 1.5 Các lĩnh vực ứng dụng của GIS Nhờ khả năng phân tích không gian, và xử lý đa dạng thông tin, kỹ thuật GIS hiện nay được xem như là “công cụ hỗ trợ quyết định” và được ứng dụng phổ biến trong nhiều lãnh vực. Dưới đây, xin nêu ra một số ứng dụng của GIS trong các lĩnh vực chính như: + Trong lãnh vực điều tra và quản lý, và khai thác tài nguyên: GIS được sử dụng như là công cụ giám sát, phân tích, tìm hiểu nguyên nhân gây ra tai biến môi trường từ đó có cơ sở dự báo tai biến, rủi ro trong tương lai… + Trong lãnh vực lâm nghiệp: GIS được sử dụng trong điều tra và quản lý tài nguyên rừng, quản lý rừng đầu nguồn, phát triển cơ sở hạ tầng, trồng rừng, tái tạo và bảo vệ rừng. 14 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com + Trong lĩnh vực nông nghiệp: Nghiên cứu điều tra đất đai, theo dõi hiện trạng sử dụng đất, đánh giá đất đai, quy hoạch và quản lý đất nông nghiệp, nghiên cứu năng suất cây trồng, nghiên cứu hệ thống canh tác… + Trong lĩnh vực nghiên cứu và bảo vệ môi trường: Bảo vệ động vật hoang dã, đánh giá tác động môi trường, quản lý tài nguyên nước mặt, nước ngầm… + Trong lĩnh vực địa chính : GIS được sử dụng như một công cụ để điều tra và xây dựng cơ sở dữ liệu về đất đai phục vụ cho mục đích quản lý. + Trong quản lý đô thị và các công trình công cộng: GIS được ứng dụng rất có hiệu quả như trong các ngành dịch vụ thông tin, giao thông công cộng, điện, nước, cung cấp khí đốt… + Trong lĩnh vực thương mại người ta cũng ứng GIS để quản lý và phân phối hàng hóa, nghiên cứu và phân vùng thị trường, mạng lưới tiếp thị….6 Tình hình ứng dụng GIS trên thế giới và ở Việt Nam 1.
Tình hình ứng dụng GIS trên thế giới Việc ứng dụng GIS phục vụ theo dõi, quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường đã được một số nước trên thế giới ứng dụng từ những năm 1970. Tuy nhiên, ở Việt Nam do thiếu kinh phí, các trang thiết bị thu phát vệ tinh nên viễn thám và GIS chỉ mới được đưa vào ứng dụng trong thập kỷ vừa qua. - Tại Mỹ, GIS đã được ứng dụng khá rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực quản lý tài nguyên và môi trường: trong đánh giá đất đai, trong quy hoạch không gian, quản lý đất đai khí tượng thủy văn, dự báo thời tiết, giám sát thay đổi môi trường [50]. - Tại Đức đã sử dụng dữ liệu độ cao của GIS kết hợp với dữ liệu vệ tinh để dự báo đặc tính vật lí của đất.