MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội, con người đã sử dụng nhiều công cụ để tìm hiểu, khai thác và giải đáp các thắc mắc về tự nhiên; trong đó, kỹ thuật “Thông tin địa lý” (GIS – Geographic Information System) là kỹ thuật ưu việt được sử dụng rộng rãi từ những năm 60 trở lại đây. Kỹ thuật GIS là kỹ thuật ứng dụng hệ thống vi tính, số hóa để thu thập, phân tích, xử lý dữ liệu không gian. Từ đó, GIS đã trở thành công cụ hỗ trợ ra quyết định trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu và quản lý, đặc biệt trong quản lý, quy hoạch nguồn tài nguyên môi trường. Thông tin địa lý là thông tin về các vị trí trên bề mặt trái đất, bao gồm tri thức về cái gì đó? Ở đâu? Hoặc tri thức về cái gì ở tại vị trí biết trước? Đặc trưng của thông tin địa lý có thể rất chi tiết như: thông tin về từng ngôi nhà trong thành phố hoặc có thể rất thô như: thời tiết, mật độ dân số quốc gia… Một trong những đặc trưng riêng biệt của dữ liệu địa lý trong GIS là: “không rõ ràng – mờ”.
Đặc trưng này hình thành trong quá trình thu thập dữ liệu từ thế giới thực như: thông tin tương ứng về đối tượng không đầy đủ, thu thập dữ liệu của đối tượng bất ổn, quá trình tập hợp thuộc tính dữ liệu xảy ra sai sót, hoặc việc sử dụng các diễn tả định tính trong biểu diễn mối quan hệ giữa thuộc tính với nhau. Phương pháp truyền thống trong thu thập, lưu trữ dữ liệu địa lý là sử dụng bản đồ giấy, mô tả, dùng cơ sở dữ liệu quan hệ,… Tuy nhiên, để giải quyết vấn đề không rõ ràng, dữ liệu mờ ở trên GIS cần có sự mở rộng về mô hình dữ liệu, tích hợp các lập luận, phép toán có sử dụng logic mờ trong biểu diễn và phân tích dữ liệu không gian. GIS có nhiều chức năng thực hiện phân tích dữ liệu không gian, trong đó hai thao tác cực kỳ quan trọng là xếp chồng bản đồ (overlay) và xây dựng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 vùng đệm (buffering). Trong đó, vùng đệm là một vùng bao phủ bởi một khoảng cách nhất định từ một đối tượng điểm, đường hoặc vùng.
Xây dựng vùng đệm là một phép chọn lọc đối tượng hay vùng địa lý trong không gian được sử dụng phổ biến trong GIS. Các thuật toán xây dựng vùng đệm sử dụng logic mờ là cơ sở lý thuyết để hỗ trợ các lập luận trên tập dữ liệu mờ trong GIS. Chính vì lý do đó, trong khuôn khổ luận văn, học viên thực hiện nghiên cứu: “Xây dựng vùng đệm trong hệ thống thông tin địa lý sử dụng logic mờ” LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ LOGIC MỜ 1. Tổng quan về Hệ thông tin địa lý Thông tin địa lý là tập các thông tin về lĩnh vực mô tả trái đất, bao gồm các mô tả về cấu trúc không gian (hai chiều), khí quyển (ba chiều), vị trí, tọa độ,… của các đối tượng trong thế giới thực.
Để lưu trữ các dữ liệu này, người ta sử dụng bản đồ. Bản đồ là thể hiện của quan hệ không gian (spatial relationship) giữa các đối tượng; là biểu diễn đồ họa tập các đặc trưng trừu tượng và quan hệ không gian tương ứng trên bề mặt trái đất như: bản đồ mật độ phát triển kinh tế tại từng vùng địa lý, bản đồ phân loại chất đất,… Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, hiện nay, dữ liệu bản đồ được lưu trữ dưới dạng số hóa. Mọi dữ liệu được thu thập và lưu trữ, phân tích nhờ sự giúp đỡ của Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System – GIS). Các khái niệm cơ bản 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 (lớp bản đồ) gắn với các thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý các hoạt động theo lãnh thổ. Định nghĩa Hệ thống thông tin địa lý (GIS) Sự đa dạng trong các lĩnh vực sử dụng, các phương pháp và khái niệm áp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 dụng trong GIS đã dẫn đến có nhiều định nghĩa khác nhau về GIS: GIS là một hệ thống thông tin để mã hóa, lưu trữ, biến đổi, phân tích và hiển thị thông tin địa lý (http://www.org) Như vậy, xét về góc độ là công cụ hoặc ứng dụng thì GIS là công cụ hỗ trợ ra quyết định, giúp người sử dụng thực hiện các mục đích cụ thể. GIS là hệ thống gồm đầu vào, bộ nhớ, bộ xử lý và đầu ra của thông tin địa lý (NCGIA Core Curriculum in Geographic Information Science) Xét dưới góc độ là hệ thống, GIS là hệ gồm các thành phần: phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu và cơ sở tri thức chuyên gia. GIS là hệ thống phần mềm máy tính, phần cứng, dữ liệu nhằm thao tác, phân tích thông tin không gian (http://www.com) Xét dưới góc độ là phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập mối quan hệ không gian giữa các đối tượng.
Có thể nói, chức năng phân tích không gian đã tạo ra diện mạo riêng cho GIS. Tuy có rất nhiều định nghĩa về GIS như trên, nhưng nói chung đã thống nhất quan niệm: 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, hỗ trợ ra quyết định phục vụ mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định. Kiến trúc hệ thống thông tin địa lý GIS Đối tượng nghiên cứu của GIS là các hiện tượng địa lý: là các thực thể trong thế giới thực với 3 thuộc tính: đặt tên/mô tả được, tham chiếu địa lý được & được gán cho thời gian/ khoảng thời gian mà nó tồn tại. Với giả thiết các hiện tượng này xảy ra trong không gian Euclid 2-D hoặc 3-D, sau khi dữ liệu được thu thập, người ta sử dụng các phương pháp khái quát hóa (generalization) để loại bỏ các chi tiết không cần thiết.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Hệ thống thông tin địa lý Kết quả thu được sau quá trình phân tích nhờ hệ GIS chính là bản đồ, lưu đồ, biểu 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.2 Tầng (layer) bản đồ Tầng bản đồ là tập dữ liệu mô tả cùng một tính chất của các vị trí trong vùng địa lý. Chỉ một loại thông tin xuất hiện tại mỗi vị trí trong một tầng bản đồ. Bao nhiêu loại thông tin cần bấy nhiêu tầng bản đồ.2, mỗi tầng sẽ tương ứng có bản đồ chuyên về loại thông tin đó: bản đồ lớp đất sử dụng, bản đồ hành chính,… LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Tư tưởng tách bản đồ thành tầng tuy đơn giản nhưng khá mềm dẻo và hiệu quả, chúng có khả năng giải quyết rất nhiều vấn đề về thế giới thực: theo dõi điều hành xe cộ giao thông, các ứng dụng lập kế hoạch và mô hình hoá lưu thông. Mô hình dữ liệu không gian Dữ liệu GIS rất phong phú về chủng loại.
Một dữ liệu địa lý bao gồm 2 thành phần: thuộc tính và hình học. Dữ liệu hình học: các thông tin không gian, vị trí địa lý được trình bày dưới dạng vector (điểm, đường, vùng) hoặc dạng raster (lưới). Thí dụ: Đường biên hành chính tỉnh và vị trí địa lý hình thành nên vùng xác định tỉnh đó. Dữ liệu thuộc tính: các dữ liệu thống kê, dữ liệu phi không gian dùng để mô tả đặc điểm của đối tượng địa lý được trình bày dưới dạng các ký tự hoặc số hoặc các ký hiệu.
Ví dụ: Dân số của một tỉnh hay lượng mưa trong năm của vùng… Hai thành phần dữ liệu trên được lưu trữ riêng trong cơ sở dữ liệu nhưng kết nối logic với nhau bởi các khóa trong GIS. Mô hình dữ liệu Vector Ðiểm (Point) Điểm được định nghĩa bởi bộ 2, tọa độ (x,y) trong 2D hay bộ ba, tọa độ (x,y,z) trong 3D. Điểm được sử dụng để biểu diễn các đối tượng không có hình dạng và kích thước. Ngoài tham chiếu địa lý, các dữ liệu kèm theo được lưu trữ với điểm là các thuộc tính.
Ví dụ: Các tiện ích công cộng như ATM, bệnh viện, nhà hàng, bãi đỗ xe…Việc lựa chọn dữ liệu dạng điểm để biểu diễn đối tượng phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và tỷ lệ bản đồ. Ví dụ: Bệnh viện có thể là đối tượng điểm hoặc đối tượng 2D. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Chỉ số điểm Hình 1.3 Ví dụ biểu diễn vị trí máy ATM Ðƣờng – Cung (Line - Arc) Dữ liệu dạng đường (line) biểu diễn các đối tượng 1D như đường quốc lộ, tàu hỏa, sông ngòi, đường điện. Việc lựa chọn dữ liệu dạng đường để biểu diễn đối tượng phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và tỷ lệ bản đồ.
Ví dụ, đường phố có thể là đối tượng 2D hoặc 1D. Để biểu diễn một tuyến liên tục với dạng bất kỳ là khó khăn. GIS lựa chọn các điểm (nút) để lưu trữ và xấp xỉ đối tượng đường. Line được định nghĩa bởi tọa độ hai đầu mút (node) và 0 hay nhiều nút bên trong (vertex).
Line trong GIS còn được gọi là polyline, arc hay edge.4 Line trong GIS GIS lưu trữ các nút để hình thành Line theo các cách sau: Nối các nút bằng đoạn thẳng (segment) để hình thành đường gấp khúc (polyline). Biểu diễn đường cong bằng hàm tham số nối các nút. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Điểm (Vertex) Chỉ số đường Hình 1.5 Ví dụ số liệu vecto biểu diễn dưới dạng cung Vùng (Polygon) Vùng được xác định bởi ranh giới các đường, có điểm đầu trùng với điểm cuối. Các đối tượng địa lý có diện tích và được bao quanh bởi đường thường được biểu diễn bởi vùng.
Mỗi đặc trưng vùng được biểu diễn bởi cấu trúc cung/nút (là đường bao của vùng) để xác định đa giác. Các đặc trưng vùng cùng loại được lưu trữ trong cùng layer (được biểu diễn bởi các đa giác không xếp chồng lên nhau) Hình 1.6 Ví dụ số liệu vecto được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.