Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ – CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN 1. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý (GIS) 1. Khái niệm Hệ thống thông tin địa lý - Geographic Information System (GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin, đã hình thành từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây.
GIS được sử dụng nhằm xử lý đồng bộ các lớp thông tin không gian (bản đồ) gắn với các thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý các hoạt động theo lãnh thổ. Ngày nay, ở nhiều quốc gia trên thế giới, GIS đã trở thành công cụ trợ giúp quyết định trong hầu hết các hoạt động kinh tế-xã hội, an ninh, quốc phòng, đối phó với thảm hoạ thiên tai v. GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân v. đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế-xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền bản đồ số nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu bản đồ đầu vào.
Có nhiều định nghĩa về GIS, nhưng nói chung đã thống nhất quan niệm chung: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý nhằm phục vụ mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định. Xét dưới góc độ là công cụ, GIS dùng để thu thập, lưu trữ, biến đổi, hiển thị các thông tin không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể. Xét dưới góc độ là phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tượng. Có thể nói các chức năng phân tích không gian đã tạo ra diện mạo riêng cho GIS.
Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một công nghệ xử lý các dữ liệu có toạ độ để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết định phục vụ các nhà quản lý. Xét dưới góc độ hệ thống, GIS là hệ thống gồm các hợp phần: Phần cứng, Phần mềm, Cơ sở dữ liệu và Cơ sở tri thức chuyên gia. -5- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÇng Biªn hµnh chÝnh TÇng Kh¸ch hµng TÇng §-êng quèc lé TÇng Nhµ ë hè Hình 1. Tầng bản đồ GIS lưu trữ thông tin thế giới thực thành các tầng (layer) bản đồ chuyên đề mà chúng có khả năng liên kết địa lý với nhau.
Giả sử ta có vùng quan sát như hình 1.1, mỗi nhóm người sử dụng sẽ quan tâm nhiều hơn đến một hay vài loại thông tin. Ví dụ, Sở giao thông công chính sẽ quan tâm nhiều đến hệ thống đường phố, sở Nhà đất quan tâm nhiều đến các khu dân cư và công sở, sở Thương mại quan tâm nhiều đến phân bố khách hàng trong vùng. Tư tưởng tách bản đồ thành tầng tuy đơn giản nhưng khá mềm dẻo và hiệu quả, chúng cho khả năng giải quyết rất nhiều vấn đề về thế giới thực, từ theo dõi điều hành xe cộ giao thông, đến các ứng dụng lập kế hoạch và mô hình hóa lưu thông. Ta có thể sử dụng tiến trình tự động , gọi là mã hóa địa lý (geocoding) để liên kết dữ liệu bên ngoài với dữ liệu bản đồ.
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[1]. Gi¸m s¸t §o ®¹c LËp b¶n ®å t1 t2 t3 M« h×nh hãa D©n c- KhÝ hËu C©y trång Thuû lîi HÖ th«ng tin ®Þa lý Hình 1.2 Các hoạt động chính của GIS -6- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý Công nghệ GIS gồm 5 hợp phần cơ bản là: - Thiết bị (Hardware) - Phần mềm (Software). - Số liệu (Geographic data) - Con người (Person) - Chính sách và cách thức quản lý (Policy and Management) CON NGƯỜI Hình 1.
Các hợp phần thiết yếu cho công nghệ GIS. Thiết bị (Hardware) Bao gồm máy vi tính (computer), máy vẽ (plotter), máy in (printer), bàn số hóa (digitizer), thiết bị quét ảnh (scaner), các phương tiện lưu trữ số liệu (Floppy diskettes,optical cartridges, CD ROM. Các thành phần thiết bị cơ bản của GIS -7- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phần mềm (Software) Phần mềm là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của máy tính thực hiện một nhiệm vụ xác định, phần mềm hệ thống thông tin địa lý có thể là một hoặc tổ hợp các phần mềm máy tính.
Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật GIS phải bao gồm các tính năng cơ bản sau: - Nhập và kiểm tra dữ liệu (Data input): bao gồm tất cả các khía cạnh về biến đổi dữ liệu đã ở dạng bản đồ, trong lĩnh vực quan sát vào một dạng số tương thích. - Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu (Storage and management database): lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu đề cập đến phương pháp kết nối thông tin vị trí (topology) và thông tin thuộc tính (attributes) của các đối tượng địa lý (điểm, đường đại diện cho các đối tượng trên bề mặt trái đất). Hai thông tin này được tổ chức và liên hệ qua các thao tác trên máy tính và sao cho chúng lĩnh hội được người sử dụng hệ thống. - Xuất dữ liệu (Display and reporting): dữ liệu đưa ra là các báo cáo kết quả quá trình phân tích tới người sử dụng, có thể bao gồm các dạng: bản đồ (MAP), bảng biểu (TABLE), biểu đồ, lưu đồ (FIGURE) được thể hiện trên máy tính, máy in, máy vẽ.
- Biến đổi dữ liệu (Data transformation): biến đổi dữ liệu gồm hai lớp điều hành nhằm mục đích khắc phục lỗi từ dữ liệu và cập nhật chúng. - Tương tác với người dùng (Query input): giao tiếp với người dùng là yếu tố quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống thông tin nào. Các giao diện người dùng ở một hệ thống thông tin được thiết kế phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng đó. Các phần mềm tiêu chuẩn và sử dụng phổ biến hiện nay trong khu vực Châu Á là: ARC/INFO, MAPINFOR, IL WIS, WINGIS, SPANS, IDRISIW,.Hiện nay có rất nhiều phần mềm máy tính chuyên biệt cho GIS, bao gồm các phần mềm sau: + Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý số liệu thông tin địa lý: ACR/INFO, SPAN, ERDAS-Imagine, IL WIS, MGE/MICROSTATION, IDRISIW.
+ Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý và quản lý các thông tin địa lý: ER- MAPPER, ATLASGIS, ARCVIEW, MAPINFO. -8- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Con người (Person) Con người bao gồm: người sử dụng hệ thống (system user), thao tác viên hệ thống (system operator), nhà cung cấp GIS (GIS supplier), nhà cung cấp dữ liệu (data supplier), người phát triển ứng dụng (application developer), chuyên viên phân tích hệ thống GIS (GIS system analysts) 1. Số liệu, dữ liệu địa lý (Geographic data) Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý riêng lẽ mà còn được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu.
Những thông tin địa lý bao gồm những dữ kiện về: vị trí địa lý, thuộc tính, mối liên hệ không gian của các thông tin và thời gian. Có 2 dạng số liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là: - Cơ sở dữ liệu bản đồ: là những mô tả hình ảnh bản đồ được số hóa theo một khuôn dạng nhất định mà máy tính hiểu được. Hệ thống thông tin địa lý dùng cơ sở dữ liệu này để xuất ra các bản đồ trên màn hình hoặc ra các thiết bị ngoại vi khác như máy in, máy vẽ. + Số liệu vector: được hiển thị dưới dạng điểm, đường và vùng, mỗi dạng có liên quan đến 1 số liệu thuộc tính được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu.
+ Số liệu raster: được thể hiện dưới dạng lưới ô vuông hay ô chữ nhật đều nhau, giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ chỉ định giá trị của thuộc tính. Số liệu của ảnh vệ tinh và số liệu của bản đồ được quét là các loại số liệu raster. - Số liệu thuộc tính: được hiển thị dưới dạng ký hiệu hoặc số để mô tả các thuộc tính của các thông tin thuộc về địa lý. Trong các dạng số liệu trên thì số liệu dạng vector là dạng thường sử dụng nhất, tuy nhiên số liệu raster rất hữu ích để mô tả các dãy số liệu có tính liên tục như: nhiệt độ, cao độ,.và thực hiện các phân tích không gian của số liệu.
Còn số liệu thuộc tính dùng để mô tả cơ sở dữ liệu. Chính sách và quản lý (Policy and management) Đây là hợp phần quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS. Hệ thống GIS cần được điều hành bởi bộ phận quản lý. Bộ phận này phải được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin.
Các chức năng của hệ thống thông tin địa lý Các chức năng của GIS được chia thành 5 loại sau: -9- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Thu thập dữ liệu - Xử lý sơ bộ dữ liệu - Lưu trữ và truy cập dữ liệu - Tìm kiếm và phân tích không gian - Hiển thị đồ họa và tương tác Sức mạnh của các chức năng của hệ thống GIS khác nhau là khác nhau. Kỹ thuật xây dựng các chức năng trên cũng khác nhau.5 mô tả quan hệ giữa các nhóm chức năng và cách biểu diễn thông tin khác nhau của GIS. Chức năng thu thập dữ liệu tạo ra dữ liệu từ các quan sát hiện tượng thế giới thực và từ các tài liệu, bản đồ giấy, đôi khi chúng có sẵn dưới dạng số. Kết quả ta có tập dữ liệu thô, có nghĩa là dữ liệu này không được phép áp dụng trực tiếp cho chức năng truy nhập và phân tích của hệ thống.
Chức năng xử lý sơ bộ dữ liệu sẽ biến đổi dữ liệu thô thành dữ liệu có cấu trúc để sử dụng trực tiếp các chức năng tìm kiếm và phân tích không gian. Kết quả tìm kiếm và phân tích được xem như diễn giải dữ liệu, đó là tổ hợp hay biến đổi đặc biệt của dữ liệu có cấu trúc. Hệ thống GIS phải có phần mềm công cụ để tổ chức và lưu trữ các loại dữ liệu khác nhau từ dữ liệu thô đến dữ liệu diễn giải.