Chương 1 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (Geographic Information System - GIS) Năm 1940 ngành đồ họa máy tính (Computer Graphics) bắt đầu hình thành và phát triển. Sự khó khăn trong việc sử dụng các thiết bị kinh điển để khảo sát những bài toán phức tạp hơn đã dẫn đến hình thành ngành bản đồ máy tính (Computer Cartographic) vào những năm 1960. Cũng thời gian này, nhiều bản đồ đơn giản được xây dựng với các thiết bị vẽ và in. Tuy nhiên, chỉ khoảng 10 năm sau, năm 1971 khi chip bộ nhớ máy tính được phổ biến, các ngành liên quan đến đồ họa trên máy tính thật sự chuyển biến và phát triển mạnh.
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là GIS) phát triển rất rộng rãi cả về mặt công nghệ cũng như ứng dụng. GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. Tại Việt Nam, mặc dù được biết đến từ khá sớm, nhưng mãi phải đến sau năm 2000, tức sau khi có được những kết quả đầu tiên về việc tổng kết chương trình GIS quốc gia ở Việt Nam, GIS mới thực sự được chú ý đến và bước đầu phát triển. GIS là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên Trái đất.
Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường và các phép phân tích thống kê, phân tích không gian, 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 hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu đầu vào. GIS cho phép gắn liền thông tin vị trí địa lý của đối tượng với nội dung thuộc tính của nó để tạo thành những bản đồ chính xác, có thể chồng ghép hoặc tách rời từng phần, dữ liệu thuộc tính của các bản đồ được lưu trữ rất mềm dẻo, dễ dàng cập nhật, tổng hợp và truy cập số liệu. 15 Hệ thống thông tin địa lý đã chứng tỏ khả năng ưu việt hơn hẳn các hệ thông tin bản đồ truyền thống nhờ vào khả năng tích hợp dữ liệu mật độ cao, cập nhật thông tin dễ dàng cũng như khả năng phân tích, tính toán của nó. Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS đã nhanh chóng trở thành một công cụ trợ giúp quyết định cho tất cả các ngành từ quy hoạch cho đến quản lý, cho tất cả các lĩnh vực.
GIS ngày nay không chỉ dừng lại ở mức công nghệ mà nó đã tiến lên nhiều nấc đến khoa học (Geographic Information Science - GISci) và dịch vụ (Geographic Information Services). CÁC THÀNH PHẦN CỦA GIS 1. Phần cứng (Hardware) Phần cứng của GIS là hệ thống máy tính trên đó phần mềm GIS hoạt động. Ngày nay, phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm tới máy tính cá nhân, và có thể làm việc trong môi trường mạng.
Phần mềm (Software) Phần mềm GIS Là tập hợp các câu lệnh nhằm điều khiển phần cứng của máy tính thực hiện cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để nhập, lưu giữ phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Phần mềm GIS có các tính năng cơ bản sau: Nhập và kiểm tra dữ liệu (Data input): Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu (Geographic database): Xuất dữ liệu (Display and reporting): Biến đổi dữ liệu (Data transformation): Tương tác với người dùng (Query input): Hiện nay có rất nhiều phần mềm máy tính chuyên biệt cho GIS, bao gồm: Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý số liệu thông tin địa lý, Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý và quản lý các thông tin địa lý. Dữ liệu địa lý (Geographic data) Dữ liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý (geo- referenced data) riêng lẻ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu (database-CSDL). Các dữ liệu này có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại.
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 hoá theo một khuôn dạng nhất định mà máy tính hiểu được. Số liệu thuộc tính (Attribute): được trình bày dưới dạng các ký tự hoặc số, hoặc ký hiệu để mô tả các thuộc tính của các thông tin thuộc về địa lý. Con người (Expertise): Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế. Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống, hoặc những người dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc.
Người dùng GIS: là những người sử dụng các phần mềm GIS để giải quyết các bài toán không gian theo mục đích của họ. Họ thường là những người được đào tạo tốt về lĩnh vực GIS hay là các chuyên gia. Người xây dựng bản đồ: sử dụng các tầng bản đồ được lấy từ nhiều nguồn khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu. Người xuất bản: sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dưới nhiều định dạng xuất khác nhau.
Người phân tích: Giải quyết các vấn đề như tìm kiếm, xác định vị trí… Người xây dựng dữ liệu: Là những người chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng các cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL… Người quản trị CSDL: Quản lý CSDL GIS và đảm bảo hệ thống vận hành tốt. Người thiết kế CSDL: Xây dựng các mô hình dữ liệu lôgic và vật lý. 17 Người phát triển: Xây dựng hoặc cải tạo các phần mềm GIS để đáp ứng các nhu cầu cụ thể. Tuy nhiên, khi công nghệ ngày càng phát triển thì vai trò tham gia trực tiếp của con người ngày càng giảm.
Chính sách và quản lý (Policy and management) Các yếu tố về kỹ thuật của một hệ thống thông tin địa lý sẽ không có hiệu quả nếu như thiếu kỹ năng sử sụng của con người. Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được điều hành bởi 1 bộ phận quản lý, bộ phận này phải tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin. Tính hiệu quả của kỹ thuật GIS trong quá trình hoạt động, được thể hiện khi công cụ này có thể hỗ trợ những người dùng, giúp họ thực hiện và đạt được những mục tiêu công việc. Ngoài ra việc phối hợp giữa các cơ quan chức năng có liên quan cũng phải được đặt ra, nhằm gia tăng hiệu quả sử dụng của GIS cũng như các nguồn số liệu hiện có.
NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA GIS Giới thiệu mô hình phân tầng của GIS. Mô hình phân lớp của GIS 18 GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực vật dưới dạng tập hợp các tầng chuyên đề có thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý. Điều này rất quan trọng và là một công cụ rất có giá trị trong việc giải quyết nhiều vấn đề thực tế, từ thiết lập tuyến đường phân phối các đối tượng quản lý (ví dụ các chuyến xe), đến lập báo cáo chi tiết cho các ứng dụng quy hoạch hay mô phỏng sự lưu thông khí quyển trên toàn cầu. Tham khảo địa lý Các thông tin địa lý chứa những thông tin tham khảo địa lý “hiện” (như kinh độ, vĩ độ, hoặc toạ độ lưới quốc gia), hoặc những thông tin tham khảo địa lý “ẩn” (như địa chỉ, mã bưu điện, tên vùng điều tra dân số).
Quá trình mã hoá địa lý tự động tạo ra các tham khảo địa lý ẩn (là những mô tả, địa chỉ). Và cho phép định vị đối tượng (như khu vực rừng hay địa điểm thương mại) và sự kiện (như động đất) trên bề mặt quả đất phục vụ cho mục đích phân tích. Mô hình vector và Raster Mô hình Raster Cấu trúc raster là kiểu cấu trúc dữ liệu mô tả không gian dưới dạng lưới các ô vuông (các pixel hay điểm ảnh). Mỗi ảnh Raster là một tập hợp các ô lưới, được phát triển cho mô phỏng các đối tượng có chuyển đổi liên tục, dùng để thể hiện chủ đề, phổ ánh sáng hoặc dữ liệu hình ảnh.
Thông thường hình ảnh raster được thu thập từ ảnh chụp máy bay hoặc các vệ tinh như vệ tinh viễn thám. Dữ liệu raster có thể dùng biểu diễn mọi thứ từ độ cao của mặt đất, loại cây cỏ cho tới ảnh vệ tinh, ảnh quét bản đồ. Mô hình 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 19 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.
Mô hình vector rất có lợi để mô tả các đối tượng riêng biệt, nhưng kém hiệu quả hơn trong mô tả các đối tượng có sự chuyển đổi liên tục. Cả mô hình vector và Raster đều được dùng để lưu dữ liệu địa lý với những ưu, nhược điểm riêng. Các hệ GIS hiện tại có khả năng quản lý cả hai mô hình này.2 là mô hình vector - Raster Hình 1. Mô hình Vector - Raster 1.
CÁC CHỨC NĂNG CỦA GIS Các hệ thống GIS thực hiện 6 chức năng sau: 1. Thu thập và nhập (capture/input) dữ liệu Nhập từ bàn phím; Quét ảnh (Scan); Số hóa (Digitizing); Dữ liệu viễn thám; Các cơ sở dữ liệu số. Nội dung của CSDL này có thể bao gồm tổ hợp dữ liệu vector hoặc/và dữ liệu raster, dữ liệu thuộc tính để nhận diện hiện tượng tham chiếu không gian. Với dữ liệu raster thì các tệp thuộc tính thông thường chứa dữ liệu liên quan đến tầng hiện tượng tự nhiên thay cho các đối tượng rời rạc.
