I. Tổng Quan Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS Chi Tiết Nhất
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) - Geographic Information System" là một nhánh của công nghệ thông tin, phát triển mạnh mẽ từ những năm 60 của thế kỷ trước. GIS được sử dụng để xử lý đồng bộ các lớp thông tin không gian (bản đồ) gắn với thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý. Ở nhiều quốc gia, GIS trở thành công cụ trợ giúp quyết định trong các hoạt động kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng. GIS giúp đánh giá hiện trạng của các quá trình, các thực thể thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp thông tin trên nền bản đồ số. Quan niệm chung về GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị thông tin địa lý, phục vụ mục đích nghiên cứu, quản lý.
1.1. Định Nghĩa Chi Tiết Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS
GIS được xem xét dưới nhiều góc độ khác nhau. Dưới góc độ công cụ, GIS dùng để thu thập, lưu trữ, biến đổi, hiển thị thông tin không gian. Dưới góc độ phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tượng. Chức năng phân tích không gian tạo ra diện mạo riêng cho GIS. Trong quản lý nhà nước, GIS là công nghệ xử lý dữ liệu có tọa độ để biến chúng thành thông tin trợ giúp quyết định. Xét dưới góc độ hệ thống, GIS gồm các hợp phần: Phần cứng, Phần mềm, Cơ sở dữ liệu và Cơ sở tri thức chuyên gia.
1.2. Vai Trò Của GIS Trong Quản Lý Và Quy Hoạch
GIS đóng vai trò quan trọng trong quản lý và quy hoạch. Nó cho phép liên kết dữ liệu bên ngoài với dữ liệu bản đồ thông qua mã hóa địa lý (geocoding). Ví dụ, sử dụng mã hóa địa lý để ánh xạ thông tin bán hàng bằng mã bưu điện (ZIP) hay chỉ ra địa chỉ khách hàng trên bản đồ bằng các điểm. GIS hỗ trợ các nhà quản lý và quy hoạch viên trong việc đưa ra quyết định dựa trên thông tin không gian chính xác và đầy đủ. Tiến trình tự động, gọi là mã hóa địa lý (geocoding) để liên kết dữ liệu bên ngoài với dữ liệu bản đồ.
II. Thành Phần Cốt Lõi Hệ Thống GIS Ứng Dụng Quan Trọng
Công nghệ GIS gồm 5 hợp phần cơ bản: Thiết bị (Hardware), Phần mềm (Software), Số liệu địa lý (Geographic data), Con người (Person) và Chính sách và cách thức quản lý (Policy and Management). Phần mềm GIS phải bao gồm các tính năng cơ bản như nhập và kiểm tra dữ liệu, lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu, xuất dữ liệu, biến đổi dữ liệu và tương tác với người dùng. GIS có nhiều ứng dụng quan trọng trong quản lý và lập kế hoạch mạng lưới đường phố, giám sát tài nguyên, thiên nhiên, môi trường, quản lý đất đai, quản lý các dịch vụ công cộng, phân tích tổng điều tra dân số và nhiều lĩnh vực khác.
2.1. Chi Tiết Các Thành Phần Quan Trọng Của Hệ Thống GIS
Thiết bị (Hardware) bao gồm máy vi tính, máy vẽ, máy in, bàn số hóa, thiết bị quét ảnh, các phương tiện lưu trữ số liệu. Phần mềm (Software) là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của máy tính thực hiện một nhiệm vụ xác định. Số liệu địa lý (Geographic data) bao gồm những dữ kiện về: vị trí địa lý, thuộc tính, mối liên hệ không gian của các thông tin và thời gian. Chính sách và quản lý (Policy and management) là hợp phần quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống.
2.2. Các Ứng Dụng Thực Tế Của GIS Trong Cuộc Sống
GIS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong quản lý và lập kế hoạch mạng lưới đường phố, GIS giúp tìm kiếm địa chỉ, lập kế hoạch lưu thông xe cộ, phân tích vị trí và chọn địa điểm xây dựng các công trình công cộng. Trong giám sát tài nguyên, thiên nhiên, môi trường, GIS giúp quản lý sông ngòi, các vùng lũ lụt, vùng đất nông nghiệp, phân tích tác động môi trường. Trong quản lý đất đai, GIS giúp lập kế hoạch vùng, miền sử dụng đất, quản lý nước tưới tiêu.
III. Cơ Sở Dữ Liệu Không Gian GIS Định Nghĩa Tổ Chức Dữ Liệu
Cơ sở dữ liệu không gian (CSDLKG) là tập hợp dữ liệu tham chiếu không gian, đóng vai trò như mô hình của hiện thực. Mô hình này tương tự với một số khía cạnh chọn lọc từ thế giới thực. Mô hình là mô tả đầy đủ hệ thống từ một góc nhìn cụ thể và được hình thành nhờ tiến trình trừu tượng hóa (đơn giản hóa thông minh). CSDLKG hình thành từ các mô hình mô tả trạng thái và bản chất của hiện thực.
3.1. Định Nghĩa Và Vai Trò Của CSDL Không Gian Trong GIS
CSDLKG là mô hình hiện thực theo nghĩa nó biểu diễn tập lựa chọn hay xấp xỉ các hiện tượng. Các hiện tượng lựa chọn này được xem là quan trọng, đủ để biểu diễn đặc trưng dưới dạng số cho hiện tại, quá khứ và tương lai. Spatial data management đóng vai trò then chốt để GIS hoạt động hiệu quả.
3.2. Cách Tổ Chức Dữ Liệu Trong Cơ Sở Dữ Liệu Không Gian
Dữ liệu trên đĩa được tổ chức thành trường (field), mẩu tin (record), tệp (file). Trường mô tả đặc tính hoặc thuộc tính của một quan hệ hoặc một thực thể. Mẩu tin mô tả một hàng (row) trong một bảng quan hệ, tập hợp của những trường cho những thuộc tính trong mô hình quan hệ của bảng. Những tệp là tập hợp của những mẩu tin có thể được mô tả một quan hệ, những tập hợp khác có thể là sự kết hợp của những quan hệ liên quan.
IV. Kỹ Thuật Chỉ Mục Tìm Kiếm CSDL Không Gian GIS Hiệu Quả
Để tăng tốc độ truy vấn và tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu không gian, các kỹ thuật chỉ mục và tìm kiếm đóng vai trò quan trọng. Các kỹ thuật này bao gồm cây k-d, cây tứ phân (Quadtree), cây R và các cấu trúc dữ liệu khác. Mỗi kỹ thuật có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các loại dữ liệu và truy vấn khác nhau.
4.1. Tìm Hiểu Về Cây k d k d tree Trong CSDL Không Gian
Cây k-d là một cấu trúc dữ liệu cây nhị phân được sử dụng để phân chia không gian k chiều. Nó hữu ích trong việc tìm kiếm các điểm gần nhất và các truy vấn phạm vi. Các thao tác chèn, xóa và tìm kiếm trong cây k-d được thực hiện dựa trên việc so sánh các giá trị tọa độ.
4.2. Ứng Dụng Của Cây Tứ Phân Quadtree Trong GIS
Cây tứ phân là một cấu trúc dữ liệu cây được sử dụng để phân chia không gian hai chiều thành bốn góc phần tư. Nó phù hợp với việc biểu diễn dữ liệu hình ảnh và dữ liệu bản đồ. Các thao tác chèn, xóa và truy vấn trên cây tứ phân được thực hiện bằng cách duyệt qua các nút của cây.
4.3. Khám Phá Cây R R Tree Trong Quản Lý Dữ Liệu Không Gian
Cây R là một cấu trúc dữ liệu cây được sử dụng để lưu trữ các đối tượng không gian như điểm, đường và đa giác. Nó được thiết kế để tối ưu hóa các truy vấn giao nhau và truy vấn phạm vi. Các thao tác chèn, xóa và tìm kiếm trong cây R được thực hiện bằng cách duyệt qua các nút của cây và kiểm tra sự giao nhau của các hình chữ nhật bao.
V. Quản Lý Dữ Liệu Không Gian GIS Với Mô Hình Vector Raster
GIS sử dụng hai mô hình chính để biểu diễn dữ liệu không gian: mô hình vector và mô hình raster. Mô hình vector biểu diễn các đối tượng địa lý bằng các điểm, đường và đa giác, trong khi mô hình raster biểu diễn không gian bằng một lưới các ô vuông hoặc ô chữ nhật. Việc lựa chọn mô hình phù hợp phụ thuộc vào loại dữ liệu và mục đích sử dụng.
5.1. Ưu Điểm Và Nhược Điểm Của Mô Hình Vector Trong GIS
Mô hình vector có ưu điểm là biểu diễn chính xác các đối tượng địa lý, lưu trữ ít dung lượng và dễ dàng thực hiện các phép phân tích không gian phức tạp. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là khó biểu diễn các dữ liệu liên tục và tốn kém chi phí để số hóa dữ liệu.
5.2. Ứng Dụng Của Mô Hình Raster Trong Các Hệ Thống GIS
Mô hình raster có ưu điểm là dễ dàng biểu diễn các dữ liệu liên tục như nhiệt độ, độ cao và dễ dàng thực hiện các phép phân tích hình ảnh. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là biểu diễn không chính xác các đối tượng địa lý, tốn nhiều dung lượng và khó thực hiện các phép phân tích không gian phức tạp.
