Xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình tỷ lệ 110000 của tỉnh hà giang bằng phần mềm ArcGIS

Đồ án được thể hiện trong ba chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý Chương 2: Xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình cho công nghệ GIS Chương 3: Xây dựng cơ sở dữ liệu địa hìn

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 3

1.1 SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS 3

1.2 CƠ SỞ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS 5

1.2.1 Định nghĩa GIS 5

1.2.2 Các thành phần của GIS 8

1.2.3 Các chức năng của GIS 15

1.3 CƠ SỞ DỮ LIỆU CỦA GIS 18

1.3.1 Khái niệm chung 18

1.3.2 Tổ chức cơ sở dữ liệu 20

1.3.3 Cấu trúc và mô hình dữ liệu trong GIS 21

1.4 MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH TRONG GIS 28

1.4.1 Khái niệm về mô hình số địa hình và mô hình số độ cao 28

1.4.2 Các phương pháp biểu diễn mô hình số độ cao 30

1.4.3 Nguồn dữ liệu và phương pháp lấy mẫu 32

1.4.4 Các kết quả thu được từ mô hình số độ cao 34

1.5 CÁC HỆ TỌA ĐỘ DÙNG TRONG HỆ GIS 35

1.5.1 Hệ toạ độ dùng trong tham chiếu GIS 35

1.5.2 Các dạng chuyển đổi toạ độ trong GIS 36

1.6 PHÂN TÍCH KHÔNG GIAN TRONG GIS 37

1.6.1 Phân tích không gian là gì? 37

1.6.2 Khả năng phân tích không gian của GIS 37

1.7 GIS – MỘT KHOA HỌC LIÊN NGÀNH 39

1.7.1 Mối quan hệ của GIS với các ngành khoa học khác 39

1.7.2 Một số ứng dụng của GIS 41

Chương 2: XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA HÌNH CHO CÔNG

NGHỆ GIS 44

2.1 QUY TRÌNH TỔNG QUÁT XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU 44

2.1.1 Nhập dữ liệu ( Input of Data) 44

2.1.2.Thao tác dữ liệu ( Data Manipulation) 46

2.1.3 Lưu trữ và quản lý dữ liệu (Data Management) 51

2.1.4 Phân tích dữ liệu (Data Analysis and Retrieval) 53

2.1.5 Xuất dữ liệu (Data Output) 55

2.2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ỨNG DỤNG ARCGIS 55

Chương 3: XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1:10000 TỈNH HÀ GIANG BẰNG PHẦN MỀM ARCGIS 58

3.1 KHÁI QUÁT VỀ TỈNH HÀ GIANG 58

3.1.1 Điều kiện địa lý tự nhiên 58

3.1.2 Tài nguyên thiên nhiên 60

3.1.3 Đặc điểm dân cư, kinh tế- xã hội 63

3.2 XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1:10000 TỈNH HÀ GIANG BẰNG PHẦN MỀM ARCGIS 66

3.2.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu không gian 66

3.2.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu thuộc tính 78

3.2.3 Quản lý - Lưu trữ dữ liệu 84

3.2.4 Phân tích dữ liệu 85

3.2.5 Trình bày bản đồ 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

DANH MỤC CÁC HèNH

Hình 1.3: Các thành phần thiết bị phần cứng cơ bản của GIS 9

Hình 1.4: Thành phần phần mềm cơ bản của GIS 12

Hình 1.5: Mối quan hệ giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính 20

Hình 1.6: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm (Point) 22

Hình 1.7: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng đường (Arc) 23

Hình 1.8: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon) 24

Hình 1.9: Sự biểu thị kết quả bản đồ dưới dạng Raster 25

Hình 1.10: Sự chuyển đổi dữ liệu giữa raster và vector 27

Hình 1.11: Các hệ tham chiếu GIS 35

Hình 2.1: Quy trình tổng quát xây dựng cơ sở dữ liệu 44

Bảng 2.1 Các khả năng chung của GIS trong việc thao tác dữ liệu 48

Hình 3.1: Quy trình thành lập cơ sở dữ liệu từ bản đồ giấy 67

Hình 3.2: Kết quả quá trình nhập dữ liệu 70

Hình 3.2.1: Lớp cơ sở 72

Hình 3.2.2: Lớp địa giới hành chính 73

Hình 3.2.3: Lớp địa hình 73

Hình 3.2.4: Lớp thủy hệ 74

Hình 3.2.5: Lớp giao thông 75

Hình 3.2.6: Lớp hạ tầng dân cư 76

Hình 3.6: Lớp phủ bề mặt 76

Hình 3.2.2.1: Lớp địa giới hành chính 79

Hình 3.2.2.2: Lớp địa hình 80

Hình 3.2.2.3: Lớp thủy hệ 80

Hình 3.2.2.4: Lớp giao thông 81

Hình 3.2.2.5: Lớp dân cư 81

Hình 3.2.2.6: Lớp phủ bề mặt 82

Hình 3.2.2.7: Lớp tim đường 82

Hình 3.2.2.8: Chồng xếp các lớp thông tin lại với nhau 83

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước hiện nay đòi hỏiphải tận dụng các nguồn tài nguyên sẵn có trong nước và đi đôi với sự pháttriển kinh tế là sự khai thác tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là đất đai ở cáctỉnh miền nùi và trung du với tốc độ chưa từng thấy dẫn tới những hậu quảtrầm trọng: Suy thoái các nguồn tài nguyên thiên nhiên và chất lượng môitrường Do đó, công tác theo dõi, quản lý và khai thác đất đai theo đúng mụcđích sử dụng đất, dự báo kịp thời về tình trạng suy thoái tài nguyên đất, đưa racác phương hướng và biện pháp bảo vệ đất đai ngày càng trở lên cấp bách

Để làm tốt công tác quản lý tài nguyên đất ở quy mô quốc gia và quy môcủa một tỉnh, Nhà nước cần có những cơ sở dữ liệu khoa học, quản lý cácthông tin về đất, đầy đủ, chính xác và được cập nhật thường xuyên Có nhưvậy mới nhanh chóng đưa ra các giải pháp, các quyết định hợp lý trong quátrình xây dựng chiến lược phát triển kinh tế xã hội và giám sát tài nguyên môitrường như khuyến cáo hoặc vạch ra hướng sử dụng đất đai một cách hợp lý

và giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sinh thái trong các dự

án phát triển kinh tế ở các địa phương

Hiện nay tại các tỉnh, các cơ quan nghiên cứu trung ương đã tập trungđược một khối lượng lớn thông tin, số liệu điều tra về đất đai của mỗi tỉnh, địaphương, nhưng việc tập hợp, xử lý, sử dụng và khai thác chỳng cũn nhiều khókhăn, do tình hình phân tán và thiếu hệ thống của chúng Nhu cầu có mộtphương pháp và phương tiện quản lý các loại dữ liệu, thông tin về tài nguyênthiên nhiên nói chung, về đất đai nói riêng ngày càng trở lên cấp bách Tronglĩnh vực này, công nghệ thông tin có ý nghĩa to lớn và đóng một vai trò quyếtđịnh để đáp ứng nhu cầu cấp bách này

Công nghệ thông tin ứng dụng, mà trực tiếp là công nghệ Hệ thốngthông tin địa lý GIS, là một công nghệ còn khá mới mẻ nhưng đã được ứngdụng và phát triển ở Việt Nam từ khá sớm Hiện nay, GIS đang được sử dụngnhư một hệ thống các công cụ hữu hiệu để lưu trữ, xử lý, cập nhật, quản lý và

xuất các thông tin địa lý phục vụ cho các mục đích ứng dụng cụ thể khác

nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực quản lý tài nguyên, quy hoạch lãnh thổ

Trong lĩnh vực quản lý đất đai và môi trường, GIS có ý nghĩa và tácdụng to lớn Đây là một công nghệ của hôm nay và tương lai Sử dụng GIS làmột xu hướng đang phát triển mạnh mẽ trong các ngành nghiên cứu và sử

dụng thông tin không gian Chính vì lẽ đó em đã lựa chọn để tài “Xây dựng

cơ sở dữ liệu địa hình tỷ lệ 1:10000 của tỉnh Hà Giang bằng phần mềm ArcGIS" Đồ án được thể hiện trong ba chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý

Chương 2: Xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình cho công nghệ GIS

Chương 3: Xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình tỷ lệ 1:10000 tỉnh Hà Giangbằng phần mềm ArcGIS

Mặc dù đã có nhiều cố gắng song đồ án cũng không thể tránh khỏinhững thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu củacác thầy, cô và các bạn để đồ án này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ

TIN ĐỊA LÝ GIS

Trong xã hội thông tin, thông tin địa lý giữ một vai trò rất quan trọng.Khi cung cấp bất kỳ thông tin gì hoặc sự kiện gì, nhà cung cấp thông tin cầnphải cho biết vật ấy, sự kiện ấy xảy ra ở đâu, khi nào Đú chớnh là thông tinđịa lý (geographic information)

Từ khi ra đời, với tư cách là một công nghệ, GIS (GeographicInformation System) đã và đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực GIS

đã phát triển từ những ứng dụng trờn cỏc đối tượng liên quan đến đất đai vàbiến đổi chậm như tài nguyên, môi trường đến các ứng dụng trong các lĩnhvực liên quan đến con người hoặc những đối tượng có tần số biến đổi nhanhnhư cơ sở kỹ thuật hạ tầng, kinh tế, xã hội

Với những ứng dụng ngày càng rộng rãi và phát triển mạnh mẽ trong cáclĩnh vực kinh tế, xã hội, từ năm 1992, các nhà khoa học Mỹ đó xỏc lập mộtnghành khoa học mới, khoa học thông tin địa lý – GIS (GeographicInformation Science) GIS đã từng bước hoàn thiện các mô hình biểu diễn cácđối tượng, các hoạt động, các sự kiện và các quan hệ của chúng trong thế giớithực, đồng thời nghiên cứu phát triển các thuật toán lưu trữ, xử lý dữ liệu theokhông gian và thời gian

GIS ra đời từ đầu thập niên 60 ở Canada, và suốt thời gian của hai thậpniên 60 và 70, GIS cũng chỉ được một vài cơ quan chính quyền ở khu vựcBắc Mỹ quan tâm nghiên cứu Mãi đến đầu thập niên 80, khi công nghệ sảnxuất phần cứng máy tính phát triển mạnh với tính năng cao, giá thành hạ,đồng thời với sự phát triển nhanh về lý thuyết và ứng dụng cơ sở dữ liệu

(CSDL) cùng với nhu cầu cần thiết về thông tin địa lý làm cho công nghệ GISngày càng được quan tâm hơn.

Sự phát triển của công nghệ máy tính đồng thời với những kết quả củacác thuật toán nhận dạng xử lý ảnh, và cơ sở dữ liệu đã tạo điều kiện cho côngnghệ thông tin địa lý ngày càng phát triển

Có nhiều công trình nghiên cứu cho thấy vai trò quan trọng của GIStrong việc quản lý, xử lý các vấn đề kinh tế, xã hội và môi trường Vì vậy, cácphần mềm GIS được phổ biến rất nhanh mặc dù người sử dụng vẫn còn gặpphải một số vấn đề về việc không tương thích với nhau vì chưa có một tiêuchuẩn thống nhất Và đặc biệt các chương trình giảng dạy cũng càng đượcphổ biến và chuẩn hoá

Cho đến nay, trên thế giới đã hình thành nhiều cơ quan nghiên cứu GISvới quy mô, hướng tiếp cận và mục tiêu khác nhau:

- RRL (Regional Research Laboratory) được thành lập vào tháng 2/1978

ở Anh với bốn trung tâm, được tài trợ của ESRC (Advisory Board forResearch Council) và một số trường đại học, tổ chức thương mại Từ đó, RRLphát triển thành trung tâm nghiên cứu chuyên biệt hướng vào các nội dungquản lý CSDL, phát triển phần mềm và phân tích không gian

- NCGIA (National Central for Geographic Information and Analysis)thành lập năm 1988 được Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ (US NSF) cấp kinhphí NCGIA triển khai theo năm hướng nghiên cứu: Phân tích và thống kêkhông gian; quan hệ giữa không gian và cấu trúc dữ liệu; trí tuệ nhân tạo vàcác hệ chuyên gia; hiển thị hình ảnh; những đề tài kinh tế, xã hội, văn hoá.Những đề tài của NCGIA mang nặng tính chất hàn lâm, đi sâu vào bản chất

kỹ thuật và phương pháp luận

- NEXPRI (Dutch Expertise Central for Spatial Data Analysis) đượcthành lập vào tháng 1 năm 1989 do Ủy ban khoa học quốc gia Hà Lan cấpkinh phí NEXPRI có hai trung tâm với bốn hướng nghiên cứu chính là: lýthuyết về phân tích không gian, đánh giá định lượng về đất, sự di chuyển củavật chất và ô nhiễm, phát triển các phương pháp và kỹ thuật GIS.

1.2 CƠ SỞ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS

1.2.1 Định nghĩa GIS

GIS đã bắt đầu được sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển hơn một thậpniên qua, đây là một dạng ứng dụng công nghệ tin học (InformationTechnology) nhằm mô tả thế giới thực (Real world) mà loài người đang sống,tìm hiểu, khai thác Với những tính năng ưu việt, GIS ngày nay đang đượcứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và quản lý, đặc biệt trong quản lý

và quy hoạch sử dụng - khai thác các nguồn tài nguyên một cách bền vững vàhợp lý

Sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin đã đưa tin học thâmnhập sâu vào nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống, mở ra một giai đoạn mớitrong quá trình phát triển khoa học GIS là một trong những ứng dụng rất cógiá trị của công nghệ tin học trong ngành địa lý, điều tra cơ bản, quy hoạch đôthị và cảnh báo môi trường

Vậy GIS là gì?

Khái niệm GIS được hình thành từ ba khái niệm:

• Hệ thống – Công nghệ máy tính và các hạ tầng hỗ trợ khác (System)

• Thông tin – Dữ liệu và Thông tin (Information)

• Địa lý – Thế giới thực, các thực thể không gian (Geographic )

GIS là một kỹ thuật ứng dụng hệ thống vi tính số hoá, xuất hiện trongnhững năm 1960 cho đến nay công nghệ này được biết đến như là một kỹthuật toàn cầu.

Đã có nhiều định nghĩa về GIS ra đời, dưới đõy là một số định nghĩa củamột số tác giả:

- GIS là một hệ thống tự động thu thập, lưu trữ, truy vấn, phân tích vàhiển thị dữ liệu không gian (Clarke 1995)

- GIS là một trường hợp đặc biệt của một hệ thống thông tin với CSDLgồm những đối tượng, những hoạt động hay những sự kiện phân bố trongkhông gian được biểu diễn như những điểm, đường, vùng trong hệ thống máytính Hệ thống địa lý xử lý, truy vấn dữ liệu theo điểm, đường, vùng phục vụcho những hỏi đáp đặc biệt (Dueker 1979)

- Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống bao gồm bốn khả năng xử lý

dữ liệu địa lý là: (1) nhập dữ liệu, (2) quản lý dữ liệu (bao gồm lưu trữ và truyxuất), (3) gia công và phân tích dữ liệu, (4) xuất dữ liệu (Stan Aronoff 1993)

- Công nghệ dựa trên máy tính và phương pháp để thu thập, quản lý,phân tích, mô hình và mô tả dữ liệu địa lý cho các ứng dụng khác nhau

- Một hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu chomục đích thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian cho mụcđích hỗ trợ ra quyết định và nghiên cứu

Những định nghĩa trên cho thấy rằng GIS có những khả năng của một hệthống máy tính (phần cứng, phần mềm) và các thiết bị ngoại vi dùng để nhập,lưu trữ, truy vấn, xử lý, phân tích và hiển thị hoặc xuất dữ liệu Trong đóCSDL của hệ thống chứa những dữ liệu của các đối tượng, các hoạt động kinh

tế, xã hội, nhân văn, phân bố theo không gian và những sự kiện xảy ra theotiến trình lịch sử

Có thể nói cách khác rằng, GIS là một hệ thống máy tính (phần cứng,phần mềm) và các thiết bị ngoại vi có khả năng trả lời các câu hỏi cơ bản Ai?Cái gì? Ở đâu? Khi nào? Như thế nào? Tại sao? khi được xác định trước mộthoặc một vài nội dung trong các câu hỏi đó Trong đó các câu trả lời Ai? Cáigì? Xác định các đối tượng, các hoạt động, các sự kiện cần khảo sát; Câu trảlời Ở đâu? xác định vị trí của đối tượng, hoạt động hoặc sự kiện; câu trả lờiNhư thế nào? hoặc Tại sao? Là kết quả phân tích của hệ thông tin địa lý.Một cách khái quát, có thể hiểu một hệ GIS như là một quá trình sau:

Hình 1.1: Mô hình công nghệ GIS.

- Số liệu vào: được nhập từ các nguồn khác nhau, như chuyển đổi giữacác cách biểu diễn dữ liệu, máy quét, hình ảnh từ vệ tinh, ảnh chụp…

- Quản lý số liệu: sau khi số liệu được thu thập và tổng hợp, GIS cầncung cấp các thiết bị có thể lưu và bảo trì số liệu nhằm đảm bảo: bảo mật sốliệu, tích hợp số liệu, lọc và đánh giá số liệu, khả năng duy trì GIS lưu thôngtin thế giới thực thành các tầng số liệu riêng biệt, các tầng này đặt trong cùngmột hệ trục toạ độ và chúng có khả năng liên kết với nhau

- Xử lý số liệu: với các chức năng thao tác trên số liệu được bằng cácphần mềm chuyên dụng, GIS tạo ra các sản phẩm là các loại thông tin màngười sử dụng yêu cầu Đồng thời trợ giúp cho người sử dụng lựa chọn các

Số

liệu

vào

Số liệu ra

Quản lý

số liệu

Phân tích

mô hình hóa

Xử

lý SL

loại sản phẩm tốt nhất, các quyết định tối ưu Kết quả của xử lý dữ liệu là tạo

- Dữ liệu ra: rất đa dạng, có thể là mô hình, mô hình không gian, bản đồ

số, các loại bỏo cỏo… Các phương pháp truyền thống là bảng và đồ thị có thểcung cấp bằng các bản đồ và ảnh 3 chiều

1.2.2 Các thành phần của GIS

Công nghệ GIS bao gồm 5 hợp phần cơ bản là:

• Thiết bị phần cứng (hardware)

• Phần mềm (software)

• Dữ liệu địa lý (Geographic data)

• Chuyên viên (Expertise)

• Chính sách và cách thức quản lý (Policy and management)

1.2.2.1 Thiết bị phần cứng (Hardware)

Thiết bị bao gồm máy vi tính (computer), máy vẽ (plotters), máy in(printer), bàn số hoá (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), các phương tiệnlưu trữ số liệu (Floppy diskettes, optical cartridges, C.D ROM )

Hình 1.3: Các thành phần thiết bị phần cứng cơ bản của GIS.

1.2.2.1.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU)

Bộ xử lý trung tâm hay còn gọi là CPU, là phần cứng quan trọng nhấtcủa máy vi tính CPU không những thực hành tính toán trên dữ liệu, mà cònđiều khiển sắp đặt phần cứng khác mà nó thỡ cần thiết cho việc quản lý thôngtin theo sau thông qua hệ thống Mặc dù bộ vi xử lý hiện đại rất nhỏ chỉkhoảng 5mm2 nhưng có khả năng thực hiện hàng ngàn, hoặc ngay cả hàngtriệu thông tin trong một giây

1.2.2.1.2 Bộ nhớ trong (RAM)

Tất cả máy vi tính có một bộ nhớ trong mà chức năng như là "khônggian làm việc" cho chương trình và dữ liệu Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên(RAM) này có khả năng giữ 1 giới hạn số lượng dữ liệu ở một số hạng thờigian (ví dụ, hệ điều hành MS-DOS mẫu có 640Kb ở RAM ) Điều này cónghĩa nó sẽ ít có khả năng thực hiện điều hành phức tạp trên bộ dữ liệu lớn

1.2.2.1.3 Bộ sắp xếp và lưu trữ ngoài (diskette, harddisk, CD-ROM)

Băng có từ tính được giữ không những trong cuộn băng lớn (giống trongcuộn băng máy hát đĩa) mà còn trong cuộn băng nhỏ (giống như cuốn băngđược dùng trong máy hát nhạc) Thuận lợi của dây băng có từ tính là nó cóthể lưu trữ một số lượng lớn dữ liệu (ví dụ toàn bộ Landsat MSS đòi hỏi 8MBcủa khả năng lưu trữ trên một băng)

Sự gia tăng khả năng lưu trữ thực hiện bằng các đĩa có từ tính Các đĩacứng với khả năng lưu trữ rất lớn (được sử dụng trên PCS phổ biến 700Mb),còn ở các đĩa mềm với khả năng giới hạn (khoảng 1.4Mb) Đĩa cứng thôngthường được sử dụng cho lưu trữ tạm thời mà thông qua quá trình xử lý, saukhi dữ liệu được gán trong đĩa floppy hoặc dây băng có từ tính Công nghệphát triển cũng tạo ra thêm nhiều loại thiết bị có thể lưu trữ và truyền số liệuđọc qua cổng USB của máy vi tớnh Các đĩa DVD ngày nay có thể lưu trữ dữliệu tới 50GB và rất thuận tiện để sao lưu số liệu

1.2.2.1.4 Các bộ phận dùng để nhập dữ liệu (INPUT DEVICES)

• Digitizer

Bản số hoá bản đổ bao gồm 1 bảng hoặc bàn viết, mà bản đổ được trảirộng ra, và 1 cursor có ý nghĩa của các đường thẳng và các điểm trên bản đổđược định vị Trong toàn bộ bàn số hoá (digitizer) việc tổ chức được ghi bởiphương pháp của một cột lưới tốt đã gắn vào trong bảng Dây tóc của cursorphát ra do sự đẩy của từ tính điện mà nó được tìm thấy bởi cột lưới sắt vàđược chuyển giao đến máy vi tính như một cặp tương xứng (mm trên 1 bảng

XY hệ thống tương hợp) Hầu như các cursor được vừa vặn với 4 hoặc nhiềunút cho việc chuyển các tín hiệu đặc biệt cho việc điều khiển chương trình, ví

dụ để chỉ ra điểm cuối của đường thẳng

Các bản số hoá (digitizer) hiện nay có kích thước thay đổi từ bảng nhỏ27cmx27cm đến bảng lớn 1mx1.5m

• Scanner

Máy quét scanner sẽ chuyển các thông tin trên bản đồ tương xứng 1 cách

tự động dưới dạng hệ thống raster Một cách luân phiên nhau, bản đổ có thểđược trải rộng ra trên bàn mà đầu scanning di chuyển trong 1 loạt đườngthẳng song song nhau Các đường quét (scan) phải được số hoá trước khichúng được đưa vào hệ thống cơ sở dữ liệu vector

• Các bộ phận để in ấn (OUTPUT DEVICES)

- Máy in (printer): Là bộ phận dùng để in ấn các thông tin, bản đổ, dưới

nhiều kích thước khác nhau tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng, thôngthường máy in có khổ từ A3 đến A4 Máy in có thể là máy màu hoặc trắngđen, hoặc là máy in phun mực, Laser, hoặc máy in kim

- Máy vẽ (plotter): Đối với những yêu cầu cần thiết phải in các bản đổ có

kích thước lớn, thường máy in không đáp ứng được mà ta phải dùng đến máyPlotter (máy vẽ) Máy vẽ thường có kích thước của khổ A1 hoặc A0

Hình 1.4: Thành phần phần mềm cơ bản của GIS.

- Nhập và kiểm tra dữ liệu (Data input): Gồm tất cả các khía cạnh về

biến đổi dữ liệu ở dạng bản đồ, trong lĩnh vực quan sát vào một dạng số tươngthích éõy là giai đoạn rất quan trọng cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý

- Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu (Geographic 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 có thể lĩnhhội được bởi người sử dụng hệ thống

- Xuất dữ liệu và trình bày kết quả (Display and reporting): Xuất dữ

liệu đưa ra là các báo cáo kết quả quá trình phân tích tới người sử dụng, có thểbao gồm các dạng: bản đồ, bảng biểu hay hình vẽ (đồ thị hoặc sơ đồ khối)được thể hiện bằng hình ảnh trên máy tính, máy in, máy vẽ hoặc được ghitrên các thiết bị từ dưới dạng số

- 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 Biến

đổi dữ liệu có thể được thực hiện trên dữ liệu không gian và thông tin thuộctính một cách tách biệt hoặc tổng hợp cả hai

- Tương tác với người sử dụng (Query input): Tương tác với người sử

dụng là yếu tố hoàn toàn thiết yếu cho sự thừa nhận và sử dụng bất cứ một hệthông tin nào Thành phần này cũng như các giao diện với người sử dụng ởmột hệ thông tin được thiết kế phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng đó

1.2.2.3 Chuyên viên (Expertise)

Đây là một trong những hợp phần quan trọng của công nghệ GIS, đòi hỏinhững chuyên viên hướng dẫn sử dụng hệ thống để thực hiện các chức năngphân tích và xử lý các số liệu Đòi hỏi phải thông thạo về việc lựa chọn cáccông cụ GIS để sử dụng, có kiến thức về các số liệu đang được sử dụng vàthông hiểu các tiến trình đang và sẽ thực hiện

1.2.2.4 Dữ liệu địa lý (Geographic data)

Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý referenced data) riêng lẻ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu(database) Những thông tin địa lý có nghĩa là sẽ bao gồm các dữ kiện về (1)

(geo-vị trí địa lý, (2) thuộc tính (attributes) của thông tin, (3) mối liên hệ khônggian (spatial relationships) của các thông tin, và (4) thời gian Có 2 dạng sốliệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là:

- Cơ sở dữ liệu bản đồ -Dữ liệu không gian

Là những mô tả hình ảnh bản đồ được số hoá theo một khuôn dạng nhấtđịnh 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 nhưmáy in, máy vẽ

Số liệu Vector: được trình bày dưới dạng điểm, đường và diện tích, mỗi

dạng có liên quan đến 1 số liệu thuộc tính được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu

Số liệu Raster: được trình bày 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 Sốliệu của ảnh Vệ tinh và số liệu bản đổ được quét (scanned map) là các loại sốliệu Raster

- Số liệu thuộc tính (Attribute)

Được trình bày dưới dạng các ký tự hoặc số, hoặc ký hiệu để mô tả cácthuộc tính của các thông tin thuộc về địa lý

Trong các số liệu trên, số liệu Vector là dạng thường sử dụng nhất Tuynhiên, số liệu Raster rất hữu ích để mô tả cỏc dãy số liệu có tính liên tục như:nhiệt độ, cao độ…và thực hiện các phân tích không gian (Spatial analyses)của số liệu Còn số liệu thuộc tính được dùng để mô tả cơ sở dữ liệu

Có nhiều cách để nhập số liệu, nhưng cách thông thường nhất hiện nay là

số hoá (digitizing) bằng bàn số hoá (digitizer), hoặc thông qua việc sử dụngmáy quét ảnh (Scanner)

1.2.2.5 Chính sách và quản lý (Policy and management)

éõy là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệthống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS

Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phảiđược bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả đểphục vụ người sử dụng thông tin

Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong 1 khung tổchức phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu trữ

và phân tích số liệu, đồng thời có khả năng phát triển được hệ thống GIS theo

nhu cầu Hệ thống GIS cần được điều hành bởi 1 bộ phận quản lý, bộ phậnnày phải được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệuquả để phục vụ người sử dụng thông tin Trong quá trình hoạt động, mục đíchchỉ có thể đạt được và tính hiệu quả của kỹ thuật GIS chỉ được minh chứngkhi công cụ này có thể hỗ trợ những người sử dụng thông tin để giúp họ thựchiện được những mục tiêu công việc Ngoài ra việc phối hợp giữa các cơ quanchức năng có liên quan cũng phải được đặt ra, nhằm gia tăng hiệu quả sửdụng của GIS cũng như các nguồn số liệu hiện có

Như vậy, trong 5 hợp phần của GIS, hợp phần chính sách và quản lýđóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, nó

có tác động đến toàn bộ các hợp phần còn lại và đồng thời là yếu tố quyếtđịnh sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS

1.2.3 Các chức năng của GIS

Một hệ thống thông tin địa lý cú cỏc chức năng cơ bản sau:

Công nghệ GIS hiện đại có thể thực hiện tự động hoàn toàn quá trình nàyvới công nghệ quét ảnh cho các đối tượng lớn; những đối tượng nhỏ hơn đòihỏi một số quá trình số hoá thủ công Ngày nay, nhiều dạng dữ liệu địa lýthực sự cú cỏc định dạng tương thích GIS Những dữ liệu này có thể thu được

từ các nhà cung cấp dữ liệu và được nhập trực tiếp vào GIS

1.2.3.3 Quản lý dữ liệu

Đối với những dự án GIS nhỏ, có thể lưu các thông tin địa lý dưới dạngcác file đơn giản Tuy nhiên, khi kích cỡ dữ liệu trở nên lớn hơn và số lượngngười dùng cũng nhiều lờn, thỡ cỏch tốt nhất là sử dụng hệ quản trị cơ sở dữliệu (DBMS) để giúp cho việc lưu giữ, tổ chức và quản lý thông tin MộtDBMS chỉ đơn giản là một phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu

Có nhiều cấu trúc DBMS khác nhau, nhưng trong GIS cấu trúc quan hệ

tỏ ra hữu hiệu nhất Trong cấu trúc quan hệ, dữ liệu được lưu trữ ở dạng cácbảng Các trường thuộc tính chung trong các bảng khác nhau được dùng để

liên kết các bảng này với nhau Do linh hoạt nên cấu trúc đơn giản này được

sử dụng và triển khai khá rộng rãi trong các ứng dụng cả trong và ngoài GIS

1.2.3.4 Hỏi đáp và phân tích dữ liệu

Một khi đó cú một hệ GIS lưu giữ các thông tin địa lý, có thể bắt đầu hỏicác câu hỏi đơn giản như:

• Ai là chủ mảnh đất ở góc phố?

• Hai vị trí cách nhau bao xa?

• Vùng đất dành cho hoạt động công nghiệp ở đâu?

Và các câu hỏi phân tích như:

• Tất cả các vị trí thích hợp cho xây dựng các toà nhà mới nằm ở đâu?

• Kiểu đất ưu thế cho rừng sồi là gì?

• Nếu xây dựng một đường quốc lộ mới ở đây, giao thông sẽ chịu ảnhhưởng như thế nào?

GIS cung cấp cả khả năng hỏi đáp đơn giản "chỉ và nhấn" và các công cụphân tích tinh vi để cung cấp kịp thời thông tin cho những người quản lý vàphân tích Các hệ GIS hiện đại có nhiều công cụ phân tích hiệu quả, trong đó

có hai công cụ quan trọng đặc biệt:

Phân tích liền kề:

• Tổng số khách hàng trong bán kính 10 km khu hàng?

• Những lô đất trong khoảng 60 m từ mặt đường?

Để trả lời những câu hỏi này, GIS sử dụng phương pháp vùng đệm đểxác định mối quan hệ liền kề giữa các đối tượng

Phân tích chồng xếp: Chồng xếp là quá trình tích hợp các lớp thông tin

khác nhau Các thao tác phân tích đòi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải

được liên kết vật lý Sự chồng xếp này, hay liên kết không gian, có thể là sựkết hợp dữ liệu về độ dốc, thảm thực vật hoặc sở hữu đất với định giá thuế.

1.2.3.5 Hiển thị

Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng được hiển thị tốtnhất dưới dạng bản đồ hoặc biểu đồ Bản đồ khá hiệu quả trong lưu giữ vàtrao đổi thông tin địa lý GIS cung cấp nhiều công cụ mới và thú vị để mởrộng tính nghệ thuật và khoa học của ngành bản đồ Bản đồ hiển thị có thểđược kết hợp với các bản báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và những dữliệu khác (đa phương tiện)

1.3 CƠ SỞ DỮ LIỆU CỦA GIS

1.3.1 Khái niệm chung

* Cơ sở dữ liệu (Database): Là một ngân hàng dữ liệu, phần lớn dữ liệu

có thể truy cập, lưu trữ và chia sẻ giữa các ứng dụng khác nhau.Dữ liệu trongGIS bao gồm dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian Mỗi loại cónhững đặc điểm riêng và chúng khác nhau về yêu cầu lưu giữ số liệu, hiệuquả, xử lý và hiển thị

- Dữ liệu không gian (dữ liệu địa lý): Là những mô tả số của hình ảnhbản đồ, chúng bao gồm toạ độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định mộthình ảnh bản đồ cụ thể trên từng bản đồ Hệ thống thông tin địa lý dựng cỏc

số liệu không gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hìnhhoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi

Dữ liệu có thể khai thác từ các tư liệu sau:

+ Ảnh hàng không - ảnh vệ tinh

+ Bản đồ trực ảnh (orthophotomap)

+ Bản đồ nền địa hình lập từ ảnh hàng không - ảnh vệ tinh

+ Bản đồ địa hình lập từ số liệu đo đạc mặt đất

+ Bản đồ địa chính

+ Bản đồ địa lý tổng hợp từ các loại bản đồ địa hình

Các loại ảnh và bản đồ nói trên đều ở dạng số và lưu lại dưới dạng vectorhoặc raster hỗn hợp raster-vector Các dữ liệu địa lý dưới dạng vector đượcphân lớp thông tin yêu cầu của việc tổ chức các thông tin Thông thườngngười ta hay phân lớp theo tính chất thông tin: lớp địa hình, lớp thuỷ văn, lớpđường giao thông, lớp dân cư, lớp thực phủ, lớp giới hành chính Trongnhiều trường hợp để quản lý sâu hơn người ta sẽ phân lớp chi tiết hơn, ví dụnhư trong lớp thuỷ văn được phân thành các lớp con: các lớp sông lớn, sôngnhỏ, lớp biển, lớp ao hồ,…

- Dữ liệu phi không gian: Là những diễn tả đặc tính, số lượng, mối quan

hệ của các hình ảnh bản đồ với vị trí địa lý của chúng Các dữ liệu phi khônggian được gọi là dữ liệu thuộc tính, chúng liên quan đến vị trí địa lý hoặc cácđối tượng không gian và liên kết chặt chẽ với chúng trong hệ thống thông tinđịa lý thông qua một cơ chế thống nhất chung Có hai loại dữ liệu thuộc tính:+ Dữ liệu thuộc tính định lượng: Mô tả các yếu tố định lượng như kíchthước, diện tích

+ Dữ liệu thuộc tính định tính: Mô tả các yếu tố định tính như phân lớp,kiểu, tên, tính chất

- Mối quan hệ giữa dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính: GIS sử dụngphương pháp chung để liên kết hai loại dữ liệu trên thông qua bộ xác định haychỉ số Index, đảm bảo cho mỗi đối tượng bản đồ đều được gắn các thông tinthuộc tính, phản ánh đúng hiện trạng và các điểm riêng biệt của đối tượng.Đồng thời qua đó người sử dụng dễ dàng tra cứu, tìm kiếm và chọn lọc cácđối tượng theo yêu cầu

Sự liên kết giữa hai loại thông tin cơ bản trong cơ sở dữ liệu GIS thểhiện theo sơ đồ sau:

Hình 1.5: Mối quan hệ giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính.

* Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS): Là hệ thống quản lý, lưu trữ, bảo

trì toàn bộ cơ sở dữ liệu Hệ quản trị cơ sở dữ liệu cũng cung cấp các công cụcho phép người dùng hỏi đáp, tra cứu và tác động vào cơ sở dữ liệu

* Topology: Là một thủ tục toán học sủ dụng để xác định mối quan hệ

giữa các đối tượng địa lý Trong bản đồ số Topology xây dựng các quan hệgiữa các đối tượng, nhận biết cỏc vựng kề cận nhau và có thể tự động nhậnbiết ra các đối tượng vùng, đường, điểm theo các đặc tính hình học của chúng

1.3.2 Tổ chức cơ sở dữ liệu

Dữ liệu được nhập vào và lưu trữ trên PC trong một không gian nhờ cácphần mềm quản lý cơ sở dữ liệu Một cơ sở dữ liệu là một tập hợp các phươngthức biểu diễn thực dưới dạng các dữ liệu có liên kết qua lại (tương hỗ) ở mứctối đa Những dữ liệu được ghi nhận theo một chuỗi với cấu trúc hợp lý sao

cho có thể truy cập và khai thác sử dụng dễ dàng, thỏa mãn các yêu cầu khicần phải cung cấp thông tin và các chỉ dẫn cho người sử dụng.

Cơ sở dữ liệu được tổ chức ở dạng thư mục, trong đó dữ liệu được ghinhận trong nhiều tệp

Phần mềm quản lý cho phép ghi nhận các tệp tin theo thứ tự hoặc theocác chỉ số trực tiếp Chúng quản lý các tệp một cách độc lập Các tệp có cấutrúc thứ bậc, dạng mạng hay dạng quan hệ

1.3.3 Cấu trúc và mô hình dữ liệu trong GIS

* Mô hình dữ liệu như là một tập hợp các qui tắc để biểu diễn sự tổ chứclogic của dữ liệu trong cơ sở dữ liệu Mô hình dữ liệu được chọn cho một đốitượng hoặc cho một ứng dụng chịu tác động bởi:

- Phần mềm của hệ thống

- Trình độ của người sử dụng

- Nguyên tắc hoạt động (tiền lệ) mang tính lịch sử

* Cấu trúc cơ sở dữ liệu: Khi nhập dữ liệu vào hệ thống GIS cú cỏc cấutrúc dữ liệu như sau:

- Cấu trúc dữ liệu theo quan niệm của người sử dụng

- Cấu trúc của các đối tượng, hiện tượng thể hiện trong một GIS

1.3.3.1 Mô hình thông tin không gian

Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS, hệ thống GIS chứa càng nhiềuthỡ chỳng càng có ý nghĩa Dữ liệu của hệ GIS được lưu trữ trong cơ sở dữliệu và chúng được thu thập thông qua các mô hình thế giới thực Dữ liệutrong hệ GIS còn được gọi là thông tin không gian Đặc trưng của thông tin

không gian là có khả năng mô tả “vật thể ở đõu” nhờ vị trí tham chiếu, đơn vị

đo và quan hệ không gian Chỳng cũn khả năng mô tả “hỡnh dạng hiệntượng” thông qua mô tả chất lượng, số lượng của hình dạng và cấu trúc Cuốicùng, đặc trưng thông tin không gian mô tả “quan hệ và tương tỏc” giữa cáchiện tượng tự nhiên Mô hình không gian đặc biệt quan trọng vì cách thứcthông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng thực hiện phân tích dữ liệu và khả nănghiển thị đồ hoạ của hệ thống

1.3.3.1.1 Mô hình dữ liệu dạng Vector

- Kiểu đối tượng điểm (Points)

Hình 1.6: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm (Point).

Điểm được xác định bởi một cặp toạ độ (x,y) trong một hệ thống tọa độnhất định Đi kèm với giá trị tọa độ X,Y của điểm cũn cú chỉ số cụ thể để mô

tả đặc tính của điểm (điểm đơn giản, điểm ký tự, điểm nút, điểm độ sõu…).Điểm không cần thể hiện chiều dài và diện tích

- Kiểu đối tượng đường (Arc)

Đường được xác định như một tập hợp dãy của các điểm, mô tả các đốitượng địa lý dạng tuyến, cú cỏc đặc điểm sau:

• Là một dãy các cặp toạ độ

• Một arc bắt đầu và kết thúc bởi node

• Các arc nối với nhau và cắt nhau tại node

• Hình dạng của arc được định nghĩa bởi các điểm vertices

• Độ dài chính xác bằng các cặp toạ độ

Hình 1.7: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng đường (Arc).

- Kiểu đối tượng vùng (Polygons)

Vùng được xác định bởi ranh giới các đường thẳng Các đối tượng địa lý

có diện tích và đóng kín bởi một đường được gọi là đối tượng vùng polygons,

cú cỏc đặc điểm sau:

• Polygons được mô tả bằng tập các đường và điểm nhãn (label points)

• Một hoặc nhiều arc định nghĩa đường bao của vùng

• Một điểm nhãn label points nằm trong vùng để mô tả, xác định cho mỗimột vùng

Hình 1.8: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon).

1.3.3.1.2 Mô hình dữ liệu dạng Raster

Mô hình dữ liệu dạng raster phản ánh toàn bộ vùng nghiên cứu dướidạng một lưới các ô vuông hay điểm ảnh (pixel) Mô hình raster có đặc điểm:

- Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới

- Mỗi một điểm ảnh (pixel) chứa một giá trị

- Một tập các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạo thành một lớp(layer)

- Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp

Mô hình dữ liệu raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng tương đối phổbiến trong các bài toán về môi trường, quản lý tài nguyên thiên nhiên, chủ yếudùng để phản ánh các đối tượng dạng vùng là ứng dụng cho các bài toán tiếnhành trờn cỏc loại đối tượng dạng vùng: phân loại; chồng xếp

Các nguồn dữ liệu xây dựng nên dữ liệu raster có thể bao gồm:

• Quét ảnh

• Ảnh máy bay, ảnh viễn thám

• Chuyển từ dữ liệu vector sang

• Lưu trữ dữ liệu dạng raster

• Nén theo hàng (Run lengh coding)

• Nén theo chia nhỏ thành từng phần (Quadtree)

• Nén theo ngữ cảnh (Fractal)

Trong một hệ thống dữ liệu cơ bản raster được lưu trữ trong cỏc ô (hìnhvuông) được sắp xếp trong một mảng hoặc cỏc dãy hàng và cột Nếu có thể,các hàng và cột nên được căn cứ vào hệ thống lưới bản đổ thích hợp

Vi c­s ­d ng­c u­trúc­d ­li u­raster­t t­nhiên­ụng cấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết ấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết ữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết ấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết đưa đến một số chi tiết đến một số chi tiếta­ n­m t­s ­chi­ti tột số chi tiết ố chi tiết ến một số chi tiết

b ­m t.­V i­lý­do­n y,­h ­th ng­raster-based­không­ấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết ày, hệ thống raster-based không được sử dụng trong các ố chi tiết đưa đến một số chi tiếtợc sử dụng trong cácc­s ­d ng­trong­cácụng cấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết

trưa đến một số chi tiếtờng hợp nơi cú cỏc chi tiết có chất lượng cao được đòi hỏi.ng­h p­n i­cú­c c­chi­ti t­có­ch t­lợc sử dụng trong các ơi cú cỏc chi tiết có chất lượng cao được đòi hỏi ỏc chi tiết có chất lượng cao được đòi hỏi ến một số chi tiết ấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết ưa đến một số chi tiếtợc sử dụng trong cácng­cao­đưa đến một số chi tiếtợc sử dụng trong các đc­ òi­h i.ỏc chi tiết có chất lượng cao được đòi hỏi

Hình 1.9: Sự biểu thị kết quả bản đồ dưới dạng Raster.

1.3.3.1.3 Ưu, nhược điểm của cấu trúc dữ liệu kiểu Vector và Raster

* Cấu trúc dữ liệu kiểu Vector

- Thực hiện các mô tả và tính toán về các quan hệ không gian hình học,

có khả năng xác lập mối quan hệ không gian giữa các sản phẩm rời rạc

- Thông tin đồ họa nhanh, đẹp

- Cấu trúc dữ liệu rất đơn giản

- Dễ dàng sử dụng cho các phép toán chồng xếp và các phép toán xử lýảnh viễn thám

- Dễ xây dựng các mô hình khai thác theo không gian

- Lưu trữ, mô tả chi tiết và dày đặc thông tin

- Công nghệ rẻ và đang được phát triển một cách rộng rãi

Nhược điểm:

- Dung lượng thông tin lớn nên khó khăn cho việc lưu trữ

- Dung lượng thông tin giảm khi kích thước pixel lớn và khi đú cỏcthông tin có thể bị sai lệch

- Bản đồ hiển thị không đẹp

- Khó khăn khi chồng xếp và phân tích các dữ liệu bản đồ có kích thướcpixel khác nhau.

- Khó khăn trong việc thiết lập hệ thống mạng liên kết ngân hàng dữ liệutheo không gian

1.3.3.1.3 Chuyển đổi cơ sở dữ liệu dạng vector và raster

Việc chọn của cấu trúc dữ liệu dưới dạng vector hoặc raster tuỳ thuộcvào yêu cầu của người sử dụng và tuỳ vào phần mềm máy tính đang sử dụng.Đối với hệ thống vector, thì dữ liệu được lưu trữ sẽ chiếm diện tích nhỏ hơnrất nhiều so với hệ thống raster, đồng thời các đường contour sẽ chính xáchơn hệ thống raster Tuy nhiên đối với việc sử dụng ảnh vệ tinh trong GIS thìnhất thiết phải sử dụng dưới dạng raster

Hình 1.10: Sự chuyển đổi dữ liệu giữa raster và vector.

Một số công cụ phân tích của GIS phụ thuộc chặt chẽ vào mô hình dữliệu raster, do vậy nó đòi hỏi quá trình biến đổi mô hình dữ liệu vector sang

dữ liệu raster, hay còn gọi là raster hoá Biến đổi từ raster sang mô hìnhvector, hay còn gọi là vector hoá, đặc biệt cần thiết khi tự động quét ảnh

Raster hoá là tiến trình chia đường hay vùng thành các ô vuông (pixcel).Ngược lại, vector hoá là tập hợp các pixel trong không gian raster để tạothành đường hay vùng trong biểu diễn vector Nếu dữ liệu raster không có cấutrúc tốt, thí dụ ảnh vệ tinh thì việc nhận dạng đối tượng sẽ rất phức tạp.

Tổng quát, tiến trình biến đổi là tiến trình xấp xỉ vì với vùng không giancho trước thì mô hình raster sẽ chỉ có khả năng địa chỉ hoá các vị trí toạ độnguyên Trong mô hình vector, độ chính xác của điểm cuối vector được giớihạn bởi mật độ hệ thống toạ độ bản đồ còn vị trí khác của đoạn thẳng đượcxác định bởi hàm toán học

1.3.3.2 Mô hình thông tin thuộc tính

Thông tin thuộc tính hay còn gọi là thông tin phi không gian là những

mô tả về đặc tính, đặc điểm và các hiện tượng xảy ra tại các vị trí địa lý xácđịnh Một trong các chức năng đặc biệt của công nghệ GIS là khả năng của nótrong việc liên kết và xử lý đồng thời giữa dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộctính Thông thường hệ thống thông tin địa lý có 4 loại thông tin thuộc tính:

- Đặc tính của đối tượng: liên kết chặt chẽ với các thông tin không gian

có thể thực hiện SQL (Structure Query Language) và phân tích

- Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý: miêu tả những thông tin, các hoạtđộng thuộc vị trí xác định

- Chỉ số địa lý: tên, địa chỉ, khối, phương hướng định vị… liên quan đếncác đối tượng địa lý

- Quan hệ giữa các đối tượng trong không gian có thể đơn giản hoặcphức tạp (sự liên kết, tương thích, mối quan hệ đồ hình giữa các đối tượng)

1.4 MÔ HÌNH SỐ ĐỊA HÌNH TRONG GIS

1.4.1 Khái niệm về mô hình số địa hình và mô hình số độ cao

Không giống như các đại lượng địa lý khác, bề mặt địa hình thườngđược coi là một bề mặt biến thiên liên tục, không thể mô hình hoá một cáchthích hợp bằng mô hình bản đồ cũ Vì vậy người ta đã nghiên cứu các phương

pháp khác để có thể biểu diễn và sử dụng hiệu quả thông tin về sự biến thiênliên tục của một thuộc tính (thường là độ cao) trên một vùng không gian.Mọi biểu diễn bằng số cho sự biến thiên liên tục của địa hình trên mộtvựng không gian gọi là một mô hình số địa hình (DTM).

Mô hình số địa hình (Digital Terrain Model) được định nghĩa là một mô

tả có tính định lượng và định tính các loại thông tin phân bố trên bề mặt tráiđất trong một tập hợp hữu hạn m chiều của miền D

Mô hình số địa hình DTM là phần cốt lõi của cơ sở dữ liệu thông tin địa

lý Nếu chỉ chú ý đến thành phần địa hình trong DTM thì sẽ có mô hình số độcao DEM (Digital Elevation Model) hoặc DHM (Digital Height Model)

Mô hình số độ cao DEM là biểu thị một tập hợp hữu hạn 3 chiều

{Vi = (Xi,Yi,Zi), i = 1,2,…,n} của miền địa hình D, trong đó là toạ

độ mặt phẳng và Zi là độ cao tương ứng với điểm (Xi,Yi) Khi vị trí điểm mặtphẳng của tập hợp trên được sắp xếp theo lưới quy chuẩn thì toạ độ mặtphẳng của chúng có thể lược bỏ Do đó mô hình số độ cao DEM sẽ đơn giảnthành một tập hợp hữu hạn 1 chiều {Zi,i = 1,2,…,n} Chính vì vậy mà trongthực tế sử dụng mô hình số độ cao DEM thường gọi là mô hình số địa hìnhDTM

Mô hình số địa hình có nhiều ưu điểm so với bản đồ truyền thống Đó là:

- DTM hoặc DEM có thể trực tiếp đưa vào mày tính phục vụ cho cácmục đích khai thác khác nhau như: công tác thiết kế tự động, thành lập bản đồ

số, lập mặt cắt và tính toán khối lượng

- DTM có thể trực tiếp trở thành một lớp thông tin trong cơ sở dữ liệuthông tin địa lý phục vụ nhiều mục đích khai thác khác nhau

- DTM rất tiện lợi cho công tác lưu trữ, bổ xung, hiệu chỉnh và phục chếcác sản phẩm, đồng thời cũng nhanh chóng thay đổi dạng sản phẩm cho cácmục đích sử dụng khác nhau.

1.4.2 Các phương pháp biểu diễn mô hình số độ cao

Sự biến thiên của độ cao bề mặt trên một miền có thể được mô hình hoátheo nhiều cách Mô hình số độ cao có thể được biểu diễn bằng các bề mặttoán học hoặc bằng hình ảnh điểm hay đường như sau:

+ Có quy tắc: Mật độ đều, mật độ biến đổi

+ Bất quy tắc: Lưới tam giác, mạng gần đúng

+ Đặc trưng giới hạn: Đỉnh, hố, đốo, biờn

1.4.2.2 Phương pháp hình ảnh

1 Mô hình đường

Mô hình này cho bởi một tập hợp các đường đồng mức mô tả các đườngcong độ cao Các mặt nghiêng là hệ quả thu được để phân tích độ dốc, cấutrúc của bản đồ ảnh chiếu thẳng hoặc sơ đồ khối

2 Mô hình điểm

- Ma trận độ cao:

Dạng chung nhất của mô hình số độ cao là ma trận độ cao hoặc lưới hìnhchữ nhật có quy tắc thu được nhờ công tác đo ảnh lập thể Ma trận độ caocũng có thể thu được nhờ phép nội suy từ tệp các điểm có quy tắc hoặc bấtquy tắc

Vỡ các ma trận có thể dễ dàng xử lý bằng máy tính, đặc biệt trong hệthống thông tin địa lý dựa trên raster, ma trận độ cao trở thành dạng phổ biếnnhất của mô hình số độ cao

Mặc dù các ma trận độ cao rất có ích cho việc tính toán cho các đườngđồng mức, góc nghiêng, hướng, vẽ bóng và tự động mô phỏng các lưu vựcsông ngòi, hệ thống lưới có quy tắc vẫn có những bất lợi sau:

+ Thừa dữ liệu ở cỏc vựng địa hình đồng nhất

+ Luôn phải thay đổi kích thước của lưới khi độ phức tạp của địa hìnhthay đổi

+ Nhấn mạnh quá mức vào các tính toán dọc theo trục của lưới như tínhtoán đường ngầm

- Lưới tam giác:

Phương pháp này tránh được sự dư thừa về số liệu trong ma trận độ cao,đồng thời có hiệu quả về việc tính toán hơn so với phương pháp chỉ dựa trêncác đường đồng mức Lưới tam giác là mô hình số địa hình sử dụng một bảngcác mặt tam giác liền nhau liên tục dựa trên sự tam giác hoỏ cỏc nỳt bất quytắc hoặc các điểm quan sát.

Khác với ma trận độ cao, lưới tam giác cho phép thu nhập các thông tinphụ trong miền địa hình phức tạp mà không cần đến các dữ liệu dư thừa thuđược từ miền địa hình đơn giản Do đó quá trình lấy dữ liệu cho lưới tam giác

có thể thực hiện việc số hoá với độ chính xác yêu cầu cho các đường gờ, dòngchảy, và các đặc trưng địa hình quan trọng khác

Mô hình này là một cấu trúc kiểu vector, tương tự như cấu trúc mạng đagiác nhưng nó không phải dự phòng cho trường hợp các đảo và hồ

Mô hình lưới tan giác coi các điểm nút của mạng là các yếu tố cơ bảntrong cơ sở dữ liệu Mối quan hệ địa hình được đưa vào trong cơ sở dữ liệubằng cách tạo ra các con trỏ từ mỗi nút đến cỏc nỳt lân cận

Cấu trúc lưới tam giác có thể được dùng để tạo ra các bản đồ độ dốc,bản đồ vờn bóng, bản đồ đường đồng mức, mặt nghiêng, mặt ngang, sơ đồkhối

1.4.3 Nguồn dữ liệu và phương pháp lấy mẫu

Để xây dựng mô hình số độ cao, trước tiên phải tiến hành thu thập các

số liệu có liên quan đến địa hình Đó là tọa độ trắc địa của các điểm cơ sở vàđiểm tham khảo Những số liệu này có thể thu nhận được bằng các phươngpháp sau đây:

1.4.3.1 Công tác đo đạc ngoài trời

Để đo toạ độ và độ cao của các điểm địa hình có thể sử dụng cỏc mỏykinh vĩ toàn đạc phổ thông hay toàn đạc điện tử Ngoài ra cũng có thể sử dụngcác thiết bị định vị vệ tinh GPS để xác định tọa độ và độ cao các điểm địahình Phương pháp này có độ chính xác cao, nhưng tốn kém và hiệu quả thấp

1.4.3.2 Số hóa bản đồ địa hình hiện có

Đây là phương pháp thu thập số liệu địa hình ít tốn kém và nhanh chóngnếu đó cú cỏc loại bản đồ có tỷ lệ tương đối lớn và mới thành lập Có thể tiếnhành số hóa theo hai phương thức sau:

- Số hóa bằng bàn số hóa: Công việc số hóa được thực hiện thủ côngbằng cách di chuột trên bàn số hóa dọc theo đường đồng mức hoặc các điểmđặc trưng địa hình, bấm ghi tọa độ mặt phẳng và đọc độ cao của điểm theokhoảng cách thời gian hoặc cự ly trên bản đồ Ưu điểm của phương pháp này

là số liệu tương đối dễ xử lý, nhưng tốc độ chậm và tốn công

- Số hóa bằng máy quét: Sử dụng máy quét bản đồ (Mapscanner) có thểnhanh chóng thu được số liệu trên bản đồ địa hình dưới dạng ảnh số chứa các

số liệu về độ xám của nội dung bản đồ Số liệu này có khối lượng rất lớn và

sử lý tương đối phức tạp Trước tiên cần sử dụng các phần mềm thích hợp đểbiến các số liệu dạng raster thành vector Trên cơ sở đó tạo thành số liệu trắcđịa của các điểm đặc trưng địa hình phục vụ cho việc xây dựng mô hình sốđịa hình

1.4.3.3 Phương pháp đo ảnh

Đây là phương pháp thường sử dụng để thu nhận tọa độ không gian củacác điểm địa hình phục vụ cho xây dựng mô hình số độ cao DEM Cácphương pháp đo ảnh thường dùng là đo vẽ lập thể trờn mỏy toàn năng, đo ảnh

giải tích trờn cỏc máy đo tọa độ lập thể hay máy đo vẽ giải tích và đo ảnh sốtrờn cỏc hệ thống đo ảnh số Các số liệu đo đạc trờn cỏc máy đo ảnh đượcchuyển trực tiếp vào máy tính để xử lý và lưu trữ.

Một số phương pháp lấy mẫu cho mô hình số độ cao là:

- Lấy mẫu chọn lọc: Các điểm lấy mẫu được chọn trước hoặc trong khitiến hành lấy mẫu

- Lấy mẫu tương hợp: Các điểm thừa được loại bỏ trong quá trình lấymẫu vỡ chỳng cú quỏ ớt thông tin phụ

- Lấy mẫu lũy tiến: Đồng thời tiến hành lấy mẫu và phân tích dữ liệu.Sau khi phân tích dữ liệu lại quyết định cách tiến hành lấy mẫu

+ Cú các cách thức lấy mẫu sau:

+ Lấy mẫu bằng tay do thao tác viên điều khiển máy đo ảnh lập thể.Cách này chậm và dễ có sai số

+ Lấy mẫu bán tự động: Hệ thống hướng dẫn cho thao tác viên thựchiện Cách này có tốc độ và độ chính xác cao

+ Lấy mẫu tự động: Tuy nhanh nhưng chưa đủ chính xác

1.4.4 Các kết quả thu được từ mô hình số độ cao

Có thể thu được nhiều kết quả khác nhau từ mô hình số độ cao tuỳ theo

mô hình này được thể hiện dưới dạng ma trận độ cao, tệp dữ liệu điểm bấtquy tắc hoặc lưới tam giác

Kết quả thu được từ mô hình số độ cao là:

- Biểu đồ khối, mặt cắt và các tầng địa hình

- Ước tính khối lượng mặt cắt bằng tích phân số trong các bài toán đào

và đắp đất

- Đường đồng mức

- Bản đồ mặt dốc, độ lồi, độ lõm và hướng.

- Bản đồ địa hình vờn bóng

- Mô tả thủy văn và lưu vực sông ngòi

1.5 CÁC HỆ TỌA ĐỘ DÙNG TRONG HỆ GIS

Các vị trí của các đối tượng trên bề mặt Trái Đất có thể được tham chiếu

từ một mặt cầu Tuy nhiên, để tạo mới một cơ sở dữ liệu địa lý và thể hiện cácsản phẩm bản đồ phản ánh đúng thực tế tồn tại của chúng đòi hỏi phải xâydựng một hệ tọa độ thống nhất gắn liền với quả đất

1.5.1 Hệ toạ độ dùng trong tham chiếu GIS

Hệ toạ độ của khung tham chiếu cần thiết cho đo vẽ bản đồ và tỡm kiếmthông tin địa lý, cho phép xác định vị trí bằng khoảng cách hay hướng từđiểm, đường hay bề mặt cố định

Dữ liệu trong GIS có thể tham chiếu theo các hệ khác nhau: Hệ toạ độphẳng, hệ toạ độ địa tâm, hệ toạ độ địa lý, hệ toạ độ tương đối và theo địa chỉ

Hình 1.11: Các hệ tham chiếu GIS.

Hệ tọa độ địa lý

địa chỉ

Hệ tọa độ tham chiếu trong GIS

Các hệ toạ độ không trực tiếp cho khoảng cách, nhưng nó được tớnhtheo bán kớnh trái đất tại vị trí trên bề mặt Do kinh độ và vĩ độ thể hiện vị trítrong không gian ba chiều, cho nên khi đo vẽ bản đồ chúng được biến đổi về

hệ toạ độ Đề Các hay cũn gọi là lưới chiếu bản đồ Ta gọi phép chiếu này làphép chiếu bản đồ

Nguyên tắc phép chiếu bản đồ là biến đổi bề mặt cong của Trái đất lênmặt phẳng, hình trụ hay hình nún rồi trải ra thảnh mặt phẳng Đường kinh, vĩtuyến vẽ lên bản đồ được gọi là lưới (Graticule) Mọi phép chiếu từ toạ độ địa

lý trên bề mặt Trái đất sang lưới chiếu bản đồ hai chiều đều sinh ra sai số.Việc lựa chọn phép chiếu phụ thuộc vảo tiêu chí đặt ra trước là biến dạng tốithiểu về góc, hình dạng hay diện tích của đối tượng Kết quả của phép chiếubản đồ dẫn tới nhiều hệ toạ độ lưới chiếu bản đồ được sử dụng đồng thời Dovậy, khi kết hợp cơ sở dữ liệu với dữ liệu bản đồ từ nhiều nguồn dữ liệu khácnhau thì phải chuyển đổi các hệ trục toạ đồ của chúng sang hệ thống nhất

1.5.2 Các dạng chuyển đổi toạ độ trong GIS

Khi hợp nhất dữ liệu lại vào một nền toán học chung thì dữ liệu mới có ýnghĩa: Tham khảo, so sánh, phân tích

Có hai dạng chuyển đổi:

- Dịch chuyển đối tượng và giữ nguyên hệ toạ độ

- Dịch chuyển hệ toạ độ và giữ nguyên đối tượng

trong hai cách này thì cách thứ hai là thuận tiện hơn cả

Có hai phương pháp chuyển đổi hệ toạ độ là: Chuyển đổi tương đương

và chuyển đổi đường cong bậc cao Trong đó:

- Chuyển đổi tương đương là các dịch chuyển song song và giữ nguyêndạng đối tượng

- Chuyển đổi đường cong bậc cao là cách chuyển dịch trong đó dạng đốitượng hoàn toàn giữ nguyên.

Các dạng chuyển đổi toạ độ được trình bày ở trên không dùng độc lậpnhau mà được dùng tổng hợp chung trong GIS, để tránh việc phải thực hiệncác chuyển đổi khác tiếp theo Các điểm chuẩn được chọn để chuyển đổi toạ

độ là những điểm cắt của con song, đường giao thông

1.6 PHÂN TÍCH KHÔNG GIAN TRONG GIS

1.6.1 Phân tích không gian là gì?

Phân tích không gian là áp dụng sự hỏi đáp về thế giới thực bao gồm vịtrí hiện tại của cỏc vựng đặc trưng, thay đổi vị trí, các phương hướng, ướctính khả năng hoặc triển vọng dung kĩ thuật (hoặc mô hình) chồng xếp và dựđoán

Phạm vi phân tích không gian từ số học đơn giản và toán tử logic tớiphân tích mô hình phức tạp

Phân tích không gian được xem là chức năng thứ sáu của hệ thống thốngtin địa lý viết tắt là HTTTĐL, nó được phát triển một cách thần kỳ dựa trên sựtiến bộ của công nghệ và nó trở nên thực sự hữu ích cho người ứng dụng.Những định nghĩa về HTTTĐL trước đây đã trở thành thực tiễn trên cơ sởứng dụng trực tiếp chức năng phân tích không gian Theo quan điểm hiện naythì chức năng đó cần thiết phải có đối với một hệ thống được gọi là HTTTĐL.Tất nhiên là các chức năng có thể khác nhau đối với từng hệ thống song đốivới một HTTTĐL sử dụng tư liệu bản đồ thì chức năng đó là bắt buộc Và vớimột hệ thống như vậy thì các mô tả bằng lời có thể tổ chức thành các tham sốriờng, cỏc mô hình giải tích, dự báo đều có thể thực hiện trong chức năng xử

lý không gian

1.6.2 Khả năng phân tích không gian của GIS