CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) 1.1 Một số khái niệm cơ bản về GIS GIS - Geographic Information System hay hệ thống thông tin địa lý được hình thành từ ba khái niệm địa lý, thông tin và hệ thống. Khái niệm “địa lý” liên quan đến các đặc trưng về không gian, vị trí. Các đặc trưng này liên kết trực tiếp đến các đối tượng trong không gian. Chúng có thể là vật lý, văn hoá, kinh tế, tự nhiên.
Khái niệm “thông tin” đề cập đến phần dữ liệu được quản lý bởi GIS. Đó là các dữ liệu về thuộc tính và không gian của đối tượng. GIS có tính “hệ thống” tức là hệ thống GIS được xây dựng từ các module. Việc tạo module giúp thuận lợi trong việc quản lý và hợp nhất.1 Hệ thông tin địa lý (ESRI) [1] GIS là một hệ thống có ứng dụng rất lớn.
Từ năm 1980 đến nay đã có rất nhiều các định nghĩa được đưa ra, tuy nhiên không có định nghĩa nào khái quát đầy đủ về GIS vì phần lớn chúng đều được xây dựng trên khía cạnh ứng dụng cụ thể trong từng lĩnh vực. Có ba định nghĩa được dùng nhiều nhất: GIS là một hệ thống thông tin được thiết kế để làm việc với các dữ liệu trong một hệ toạ độ quy chiếu. GIS bao gồm một hệ cơ sở dữ liệu và các phương thức để thao tác với dữ liệu đó.GIS là một hệ thống nhằm thu thập, lưu trữ, kiểm tra, tích hợp, thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu được quy chiếu cụ thể vào trái đất. GIS là một chương trình máy tính hỗ trợ việc thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu bản đồ.2 Cấu trúc dữ liệu địa lý c 4 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 Dữ liệu không gian Dữ liệu không gian là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng bao gồm toạ độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ thể trên từng bản đồ. Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu không gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi. Hệ thông tin địa lý sử dụng hai mô hình dữ liệu cơ bản để biểu diễn các đặc trưng không gian: mô hình dữ liệu raster và mô hình dữ liệu vectơ. Mô hình không gian đặc biệt quan trọng vì cách thức biểu diễn thông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng hiển thị đồ họa của hệ thống.1 Mô hình dữ liệu raster Đây là phương pháp biểu diễn các đặc trưng địa lý bằng các điểm ảnh.
Được hình thành dựa trên cơ sở quan sát nền thế giới thực. Mô hình dữ liệu raster hay còn gọi là lưới tế bào hình thành nền cho một số hệ thông tin địa lý. Các hệ thống trên cơ sở raster hiển thị, định vị và lưu trữ dữ liệu đồ họa nhờ sử dụng các ma trận hay lưới tế bào. Độ phân giải dữ liệu raster phụ thuộc vào kích thước của tế bào hay điểm ảnh, chúng có thể khác nhau từ vài đêximet đến vài kilômet.
Trong cấu trúc dữ liệu raster, point có thể được biểu diễn bằng một cell. Line được biểu diễn bởi một tập các cell có hướng xác định, độ rộng của line bằng chiểu rộng của một cell. Polygon được biểu diễn bởi một đãy các cell nằm kề sát nhau. Tiến trình xây dựng lưới tế bào được mô tả như sau đây:[1] Giả sử phủ một lưới lên bản đồ, dữ liệu raster được lập bằng cách mã hóa mỗi tế bào bằng một giá trị dựa theo các đặc trưng trên bản đồ, độ chính xác của một đối tượng phụ thuộc vào kích thước hay độ phân giải của các tế bào lưới.2: Sự ảnh hưởng của lựa chọn kích thước tế bào Bản đồ lại được chia thành nhiều tầng, mỗi tầng bao gồm hàng triệu tế bào vì vậy cần áp dụng các thuật toán nén dữ liệu mà vẫn cho khả năng khôi phục dữ liệu ban đầu.
Hình dạng bao phủ toàn bộ bản đồ gọi là khảm, khảm có thể là hình vuông, tam giác hay lục giác tuy nhiên khi sử dụng khảm hình tam giác hoặc lục giác sẽ khó khăn trong việc phân chia tế bào thành các tế bào nhỏ hơn, cách mã hóa, lưu trữ tế bào khó khăn hơn rất nhiều. Lợi thế của hệ thống raster là mã dữ liệu đồ họa thành bản đồ trong máy tính nên các thao tác so sánh tế bào là dễ dàng song không thuận tiện cho việc biểu diễn đường, đoạn, điểm vì mỗi loại là một tập hợp các tế bào và có đoạn rộng, đoạn hẹp. Một vấn đề khó khăn nữa là xử lý tế bào trộn là tế bào có nhiều hơn một đặc trưng (như trong ví dụ trên một số ô có thể đánh một trong hai giá trị tùy theo hoạt động của chương trình hay quan niệm của người lập), vấn đề này dẫn tới khó khăn khi có nhu cầu phân tích là phủ bản đồ. Vì thế raster thích hợp hơn với hệ thống GIS hướng tài nguyên, môi trường vì hình thành trên sơ sở quan sát nền thế giới thực.
Raster có nhiều tầng bản đồ (địa hình, đất đai.) hơn so với mô hình vectơ. Cấu trúc dữ liệu raster Số lượng dữ liệu của mô hình là rất lớn do đó cần có kĩ thuật quản lý khối dữ liệu sao cho dễ quản lý và dễ xâm nhập. Các phương pháp hay dùng là phân hoạch dữ liệu và xây dựng chỉ số xâm nhập nhanh. -Phân hoạch dữ liệu: Phân hoạch CSDL không gian để quản lý khối lượng lớn thông tin bằng tập giới hạn các thao tác.
Hai chiến lược được sử dụng đó là: mỗi phân hoạch chứa số lượng thông tin xấp xỉ nhau và kích thước địa lý có thể khác c 6 nhau; phân hoạch địa lý cố định và lượng thông tin trong mỗi phân hoạch có thể khác nhau. -Xây dựng chỉ số xâm nhập nhanh (hay chỉ số không gian). Ý tưởng chính của xây dựng chỉ số không gian là sử dụng khái niệm xấp xỉ qua phân hoạch số lượng thông tin xấp xỉ. Nếu mỗi đặc trưng có thêm trường chỉ số để chỉ ra nơi chứa chúng thì việc tìm kiếm địa chỉ sẽ giới hạn trong trường này.
Tiến trình đánh số chỉ số thường sử dụng đó là phân hoạch đệ qui, kết quả là cho ta cấu trúc phân cấp gọi là cây tứ phân. Trong cây tứ phân mỗi vùng được chia thành bốn vùng và đánh chỉ số khác nhau, mỗi vùng lại chia tiếp thành bốn phần cho đến khi đạt được kích thước tế bào cần thiết tuy nhiên phân hoạch như vậy là không hợp lý và tiến trình phân hoạch chỉ cần tiến hành ở những vùng có nhiều đặc trưng hay được quan tâm tới nhiều tùy vào các chức năng của bản đồ. Cách đánh chỉ số ở đây thường áp dụng trật tự Z (sử dụng cách đánh số như nhau ở bốn góc phần tư), trật tự Pi () (sử dụng cách đánh số đối xứng ở bốn góc phần tư) như sau: Trật tự Z Trật tự Pi Hình 1.3: Trật tự không gian Ngoài ra có thể sử dụng sơ đồ R-Tree hay R+-tree. R-Tree là cây phân cấp, mỗi lá của cây là một hình chữ nhật và con trỏ, con trỏ trỏ tới đặc trưng của hình chữ nhật bao, còn hình chữ nhật xác định bởi tọa độ x,y cực đại và cực tiểu.
Tập các hình chữ nhật được đánh chỉ số là lưu trữ trong tập các thùng. Tuy nhiên R-Tree có hiện tượng hình chữ nhật trùng nhau nghĩa là hình chữ nhật cắt các thùng nhưng thùng được biểu diễn chỉ trong một hình chữ nhật, điều này được xử lý trong R+- tree bằng cách chia các hình chữ nhật dữ liệu để mỗi hình được biểu diễn trong hai vùng con.2 Mô hình dữ liệu vectơ Đây là phương pháp biểu diễn các đặc trưng địa lý bằng các phần tử đồ họa cơ bản (điểm, đường, đa giác, bề mặt ba chiều và khối trong 3D). Phương pháp vectơ hình thành dựa trên cơ sở quan sát đối tượng của thế giới thực. Dưới đây là bảng các thành phần hình học cơ sở: Kiểu thành Biểu diễn đồ họa Biểu diễn số phần sơ cấp Tọa độ (x,y) trong 2D Điểm.
+ x Tọa độ(x, y, z) trong 3D Danh sách tọa độ Đường Các hàm toán học Đường có điểm đầu và cuối Vùng trùng nhau hay tập các đường nếu vùng có lỗ hổng Ma trận điểm; tập các tam giác, Bề mặt hàm toán học, đường đồng mức Khối Tập các bề mặt Kiểu đối tượng điểm (Points) Điểm được xác định bởi cặp giá trị đơn. Các đối tượng đơn, thông tin về địa lý chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ được phản ánh là đối tượng điểm. Các đối tượng kiểu điểm có đặc điểm: * Là toạ độ đơn (x,y) * Không cần thể hiện chiều dài và diện tích c 8 Hình 1.4: Số liệu vectơ được biểu thị dưới dạng điểm (Point). Tỷ lệ trên bản đồ tỷ lệ lớn, đối tượng thể hiện dưới dạng vùng.
Tuy nhiên trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tượng này có thể thể hiện dưới dạng một điểm. Vì vậy, các đối tượng điểm và vùng có thể được dùng phản ánh lẫn nhau. Kiểu đối tượng đường (Arcs) Đường được xác định như một tập hợp đãy của các điểm. Mô tả các đối tượng địa lý dạng tuyến, có các đặc điểm sau: * Là một đãy các cặp toạ độ * Một arc bắt đầu và kết thúc bởi node * Các arc nối với nhau và cắt nhau tại node * Hình dạng của arc được định nghĩa bởi các điểm vertices * Độ dài chính xác bằng các cặp toạ độ Hình 1.5: Số liệu vectơ được biểu thị dưới dạng Arc c 9 Kiểu đối tượng vùng (Polygons) Vùng được xác định bởi ranh giới các đường thẳng.
Các đối tượng địa lý có diện tích và đóng kín bởi một đường được gọi là đối tượng vùng polygons, có các đặc điểm sau: * Polygons được mô tả bằng tập các đường (arcs) và điểm nhãn (label points) * Một hoặc nhiều arc định nghĩa đường bao của vùng * Một điểm nhãn label points nằm trong vùng để mô tả, xác định cho mỗi một vùng.