Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 1. Giới thiệu chung về hệ thống thông tin địa lý Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin, hình thành từ những năm 60 của thế kỷ XX. Ngày nay, GIS là một ngành công nghiệp hàng tỷ đô la với sự tham gia của hàng trăm nghìn người trên toàn thế giới.
GIS được dạy phổ biến trong các trường phổ thông, trường đại học trên toàn thế giới. Các chuyên gia của mọi lĩnh vực đều nhận thức được những ưu điểm của sự kết hợp công việc. GIS được coi là sự liên kết của một số kỹ thuật cho phép nhà địa lý tổ chức dữ liệu và áp dụng những phương pháp hỗ trợ phân tích địa lý truyền thống như phân tích chồng ghép bản đồ và mô hình hóa trên máy tính. GIS có thể thực hiện các công việc như: vẽ bản đồ, xây dựng mô hình, hỏi đáp và phân tích một lượng lớn dữ liệu.
Tất cả đều được lưu giữ trong một cơ sở dữ liệu. Sự phát triển của GIS dựa trên nền tảng của nhiều ngành khoa học khác nhau như: địa lý, bản đồ học, đo vẽ ảnh, viễn thám, khảo sát, trắc địa, xây dựng công trình, thống kê, khoa học máy tính, dân tộc học và nhiều nhánh khoa học khác của khoa học trái đất và khoa học tự nhiên. GIS có thể được xem xét như một cơ sở dữ liệu số, trong đó dữ liệu thông tin được liên kết trong một tọa độ không gian. GIS cho phép: – Nhập dữ liệu (các bản đồ, ảnh hàng không, vệ tinh và các nguồn khác); – Lưu trữ dữ liệu, truy nhập và hỏi đáp; – Chuyển đổi dữ liệu, phân tích và mô hình hóa; – Báo cáo dữ liệu (các bản đồ, báo cáo và sơ đồ).
Đối tượng chính của các ứng dụng GIS là sự chồng ghép của những lớp thông tin khác nhau thông qua việc sử dụng nhiều nguồn dữ liệu đa dạng được xây dựng trên một bản đồ cơ sở địa hình. Điều quan trọng là tất cả các lớp thông tin phải được đăng ký với cùng một hệ quy chiếu không gian phổ dụng. Với chức năng đo đạc và tổ hợp những thành phần khác nhau, GIS cho ta nhìn thấy và quản lý tất cả những gì đang diễn ra trên bề mặt trái đất. GIS cho phép tìm kiếm những loại hình không gian, xử lý và cho những mối quan hệ giữa những lớp chuyên đề khác nhau.
Một bản đồ có thể là lớp chồng xếp của nhiều bản đồ chuyên đề cùng được đăng ký vào một hệ tọa độ chung. GIS cũng cho phép tách biệt một hay nhiều lớp từ các lớp thông tin nguồn. Thông tin của những lớp cụ thể có thể được tập 15 hợp và chuyển sang lớp mới để tiếp tục phân tích về sau. Đây là quá trình thực hiện các phép tính đại số trên bản đồ.
Cùng với khoa học bản đồ, kỹ thuật GIS đã tăng cường hiệu quả và sức mạnh phân tích của việc thành lập bản đồ truyền thống. Một hệ GIS có thể được sử dụng để sản xuất những hình ảnh không phải chỉ là những bản đồ mà còn là những bản vẽ kỹ thuật và sản phẩm minh họa khác. Những hình ảnh này cho phép các nhà quan sát cảm nhận các đối tượng của họ theo cách mà chưa bao giờ nhìn thấy trong các tài liệu trước đây. Những hình ảnh này rất có ích trong việc dẫn dắt tới các khái niệm kỹ thuật của GIS dành cho những người không chuyên nghiên cứu khoa học.
Lịch sử phát triển của GIS 1. Lịch sử hình thành và phát triển của GIS trên thế giới Kỷ nguyên thông tin có thể xem như được bắt đầu với sự sử dụng của thẻ đục lỗ để lập trình văn hóa dệt tại Pháp cuối những năm 1800. Cuộc tổng điều tra dân số Mỹ năm 1890 đã sử dụng công nghệ thẻ đục lỗ và máy đọc thẻ cơ học để thống kê kết quả điều tra. Từ xa xưa, con người đã biết cách biểu diễn các thông tin địa lý bằng cách thu nhỏ các sự vật theo một kích thước nhất định sau đó vẽ lên mặt phẳng.
Năm 1936, tại hội nghị của Hiệp hội Các nhà địa lý Mỹ đã nêu ra sự cần thiết phải phát triển các tiếp cận về lượng trong giải quyết các vấn đề dựa trên bản đồ. Để đánh dấu các đặc tính của sự vật, người ta dùng các loại ký hiệu khác nhau như độ cao được biểu diễn bằng những đường bình độ, một số đối tượng được biểu thị bởi các loại màu sắc tương ứng hoặc bằng chú thích cùng các số hiệu đi kèm. Sự biểu thị kết quả thể hiện các ý tưởng đó được gọi là bản đồ. Dần dần, bản đồ chiếm một vị trí quan trọng không thể thiếu được trong đời sống của con người và có thể nói: Bản đồ là một công cụ thông tin quen thuộc đối với loài người.
Trong quá trình phát triển kinh tế kỹ thuật, bản đồ luôn được cải tiến sao cho ngày càng đầy đủ thông tin hơn, ngày càng chính xác hơn. Khi khối lượng thông tin quá lớn trên một đơn vị diện tích bản đồ thì người ta tiến đến lập bản đồ chuyên đề. Ở bản đồ chuyên đề chỉ biểu diễn những thông tin theo một chuyên đề sử dụng. Trên một đơn vị diện tích địa lý sẽ có nhiều loại bản đồ chuyên đề: bản đồ địa hình, bản đồ hành chính, bản đồ địa chất, bản đồ du lịch, bản đồ giao thông vận tải, v.
* Trước năm 1960: Khoảng tối của GIS Trong những năm 1950, do máy tính chưa phát triển nên việc tạo ra bản đồ rất đơn giản. Họ có thể xây dựng bản đồ định tuyến xe, các bản đồ quy hoạch mới và các điểm vị trí quan tâm, vẽ trên giấy. Với các bài toán phân tích không gian, một lựa chọn là lập bản đồ lưới. Bản đồ lưới được sử dụng là các lớp trong suốt được chiếu trên bảng ánh sáng để xác định khu vực chồng lên nhau.
Nhưng điều này đi kèm với thách thức: khu vực tính toán kề nhau là không thể, dữ liệu là thô và thường không chính xác, việc đo khoảng cách 16 phức tạp. Đây chính là động lực để chuyển đổi từ bản đồ giấy sang bản đồ số (bản đồ trên máy tính). * Giai đoạn 1960 – 1975: Ý tưởng tiên phong trong GIS Trong những năm 1960, Roger Tomlinson khởi xướng, lên kế hoạch và chỉ đạo trực tiếp việc phát triển của hệ thống địa lý Canada (CGIS). Đây là một thời điểm quan trọng trong lịch sử của GIS và nhiều người coi CGIS là gốc của hệ thống thông tin địa lý.
Bởi vì chỉ CGIS tiếp cận theo lớp để xử lý bản đồ. Hệ thống CGIS được sử dụng để lưu trữ, phân tích và thao tác trên dữ liệu được thu thập cho Canada land Inventory (sử dụng các đặc tính của đất, hệ thống thoát nước và khí hậu để xác định khả năng trồng các loại cây trồng và các vùng trồng rừng). Họ nhanh chóng nhận ra rằng dữ liệu chính xác và phù hợp nhất là rất quan trọng để quy hoạch đất đai và ra quyết định. Trong những năm sau, CGIS đã được chỉnh sửa và cải tiến để theo kịp với công nghệ.
Bên cạnh Canada, nhiều trường đại học ở Mỹ cũng tiến hành nghiên cứu và xây dựng hệ thống thông tin địa lý. Trong các hệ thống thông tin địa lý được tạo ra cũng có rất nhiều hệ không tồn tại được lâu vì nó được thiết kế cồng kềnh mà giá thành lại cao. Lúc đó, người ta đặt lên hàng đầu việc khắc phục những khó khăn nảy sinh trong quá trình xử lý các số liệu đồ họa truyền thống. Họ tập trung giải quyết vấn đề đưa bản đồ, hình dạng, hình ảnh, số liệu vào máy tính bằng phương pháp số để xử lý các dữ liệu này.
Tuy kỹ thuật số hóa đã được sử dụng từ năm 1950 nhưng điểm mới của giai đoạn này chính là các bản đồ được số hóa có thể liên kết với nhau để tạo ra một bức tranh tổng thể về tài nguyên thiên nhiên của một khu vực. Từ đó, máy tính được sử dụng và phân tích các đặc trưng của các nguồn tài nguyên đó, cung cấp các thông tin bổ ích, kịp thời cho việc quy hoạch. Việc hoàn thiện một hệ thống thông tin địa lý còn phụ thuộc vào công nghệ phần cứng mà ở thời kỳ này, các máy tính IBM 1401 còn chưa đủ mạnh. Giai đoạn đầu những năm 60 của thế kỷ XX đánh dấu sự ra đời của hệ thống thông tin địa lý được phục vụ chủ yếu cho công tác điều tra quản lý tài nguyên.
Fisher lập Phòng thí nghiệm Đồ họa máy tính và Phân tích không gian ở Harvard Graduate School of Design, nơi mà một số những khái niệm trong kiểm soát dữ liệu không gian được phát triển và trong những năm 1970 đã phân phối mã nguồn và hệ thống phần mềm như SYMAP, GRID và ODYSSEY (được xem là nguồn của sự phát triển các phần mềm thương mại ngày nay). Năm 1968, Hội Địa lý học Quốc tế đã quyết định thành lập Ủy ban Thu thập và Xử lý Dữ liệu Địa lý. Trong những năm 1970, ở Bắc Mỹ đã có sự quan tâm nhiều hơn đến việc bảo vệ môi trường và phát triển hệ thống thông tin địa lý. Cũng trong khung cảnh đó, hàng loạt yếu tố đã thay đổi một cách thuận lợi cho sự phát triển của hệ thống thông tin địa lý, đặc biệt là sự giảm giá thành cùng với sự tăng kích thước bộ nhớ, tăng tốc độ tính toán của máy tính.
Chính nhờ những thuận lợi này mà hệ thống thông tin địa lý dần dần được thương mại hóa. Đứng đầu trong lĩnh vực thương mại phải kể đến các cơ quan, công ty ESRI, GIMNS, 17 Intergraph, v. Chính ở thời kỳ này đã xảy ra “loạn khuôn dạng dữ liệu” và vấn đề phải nghiên cứu khả năng giao diện giữa các khuôn dạng. Năm 1977 đã có 54 hệ thống thông tin địa lý khác nhau trên thế giới.
Bên cạnh hệ thống thông tin địa lý, thời kỳ này còn phát triển mạnh mẽ các kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám. Một hướng nghiên cứu kết hợp hệ thống thông tin địa lý và viễn thám được đặt ra và cũng bắt đầu thực hiện. * Giai đoạn 1975 – 1990: Phần mềm GIS thương mại Khi Chính phủ nhận ra những ưu điểm của bản đồ số, điều này ảnh hưởng tích cực đến công việc tại Phòng thí nghiệm Đồ họa máy tính tại Harvard. Vào những năm 1970, Phòng thí nghiệm Đồ họa máy tính Harvard đã phát triển GIS vector đầu tiên, được gọi là ODYSSEY GIS.