Bài giảng hệ thống thông tin địa lý GIS

Geographic Information System Viện nghiên cứu Hệ thống Môi trường của Mỹ ESRI, là cơ quan tác giả của phần mềm GIS nổi tiếng ARC/INFO: “GIS là một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, p

Hệ thống Thông tin địa lý

GIS là gì?

(Geographic Information System)

Viện nghiên cứu Hệ thống Môi trường của Mỹ

(ESRI), là cơ quan tác giả của phần mềm GIS nổi tiếng ARC/INFO: “GIS là một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm, dữ liệu địa lý và người thiết kế để thực hiện có hiệu quả việc thu

thập, lưu trữ, cập nhật, xử lý, phân tích và thể hiện các thông tin địa lý”

Hiện nay, những thách thức chính mà chúng

ta phải đối mặt - bùng nổ dân số, ô nhiễm, phá

rừng, thiên tai chiếm một không gian địa lý …

rừng, thiên tai chiếm một không gian địa lý …

quan trọng Nhu cầu thu thập, xử lý, lưu trữ và

hiển thị thông tin đòi hỏi phải có một công cụ hiện

đại GIS ra đời là nhằm đáp ứng yêu cầu đó

GIS cho phép tạo lập bản đồ, phối hợp thông

tin, khái quát các viễn cảnh, giải quyết các vấn đề phức tạp,  và phát triển các giải pháp hiệu quả

mà trước đây không thực hiện được

Ngày nay, GIS là một ngành công nghiệp hàng tỷ đô

la với sự tham gia của hàng trăm nghìn người trên

toàn thế giới

GIS được dạy trong các trường phổ thông, trường đại học trên toàn thế giới Các chuyên gia của mọi lĩnh vực đều nhận thức được những ưu điểm của sự kết hợp công việc của họ và GIS

C¸c thµnh phÇn cña GIS

Phần cứng

Bao gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi:

 Máy tính có thể là máy tính lớn, máy tính mini hay máy vi tính do các hãng khác nhau sản xuất với các cấu hình khác nhau

 Các thiết bị ngoại vi chính bao gồm: bàn số

hoá, máy quét, máy in, máy vẽ, Các thiết bị này cũng hết sức đa dạng về kích cỡ, kiểu dáng, tốc độ

Phần mềm

công nghệ GIS cung cấp các chức năng cần thiết để lưu giữ, phân tích, xử

lý và hiển thị thông tin địa lý

Các phần mềm có thể giống nhau ở chức năng, khác về tên gọi, hệ điều hành, môi trường hoạt động, giao diện, khuôn dạng dữ liệu không gian và hệ quản trị cơ sở dữ liệu

Theo thời gian, các phần mềm GIS được hoàn thiện toàn diện về chức năng, có khả năng xử lý và quản lý dữ liệu hiệu quả hơn

Một cách gần đúng, có thể chia phần mềm GIS ra làm 3 nhóm:

Nhóm phần mềm thành lập bản đồ số

(Microstation, Autocad… ) Là nhóm các phần

mềm được ứng dụng để thành lập, quản lý, cập nhật và hiện chỉnh các loại bản đồ dạng số

Nhóm phần mềm quản trị bản đồ (Mapinfor, Arc/View, MGE… ) Là những phần mềm mà

ngoài chức năng thành lập bản đồ số, nắn chỉnh hình học, chuyển đổi toạ độ chúng có khả năng quản trị các thông tin bản đồ và

thông tin thuộc tính của chúng

Nhãm phÇn mÒm qu¶n trÞ vµ ph©n tÝch kh«ng gian (Arc/Infor,

Arc/View, MGE, Softdesk ) … Lµ c¸c phÇn mÒm mµ ngoµi kh¶ n¨ng cËp nhËt vµ qu¶n lý th«ng tin chóng

cã thªm chøc n¨ng ph©n tÝch d÷ liÖu kh«ng gian.

Các phần mềm GIS rất đa dạng có nhiều tính năng khác nhau Các modul phần mềm phải thực hiện được các nhiệm vụ:

Nhập và kiểm tra dữ liệu Phân tích và biến đổi dữ liệu Lưu trữ và quản trị dữ liệu

Hỏi đáp về dữ liệu và tương tác với người

sử dụng

Xuất và in ấn dữ liệu

gian với các nguồn dữ liệu khác, có thể sử dụng DBMS để tổ chức lưu giữ và quản lý dữ liệu.

Dữ liệu GIS

Bao gồm dữ liệu không gian và phi không gian

Dữ liệu không gian là dữ liệu về vị trí của các đối tư ợng trên mặt đất theo một hệ qui chiếu nào đó

Dữ liệu phi không gian là dữ liệu thuộc tính hay dữ

liệu mô tả các đối tượng địa lý

Sự kết nối giữa dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian trong GIS là cơ sở để xác định chính xác các đối tư ợng địa lý và thực hiện phân tích tổng hợp GIS

Người sử dụng GIS là:

+ những chuyên gia kỹ thuật,

+ người thiết kế và duy trì hệ thống,

+ những người dùng GIS để giải quyết các vấn

đề trong công việc

GIS Làm việc như thế nào?

GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên đề có thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý Điều này đơn giản nhưng vô

cùng quan trọng và là một công cụ đa năng đã được chứng minh là rất có giá trị trong việc giải quyết

nhiều vấn đề thực tế, từ thiết lập tuyến đường phân phối của các chuyến xe, đến lập báo cáo chi tiết

cho các ứng dụng quy hoạch, hay mô phỏng sự lưu thông khí quyển toàn cầu

bảng số liệu) sang dạng số thích hợp để tạo một cơ

sở dữ liệu làm nguồn thông tin cơ bản cho GIS

 Quản lý dữ liệu với các chức năng: lưu trữ, hiển thị, cập nhật và truy xuất dữ liệu (chức năng của một hệ quản trị CSDL)

thông tin địa lý thực thụ)

 Xuất dữ liệu theo các dạng sử dụng thông thường như bản đồ, biểu đồ, bảng biểu, các dạng lưu trữ mới như đĩa mềm, đĩa quang, đĩa CD, ổ cứng

cho sự phát triển của mô hình hoá dữ liệu

Trong lĩnh vực tổ chức dữ liệu các yếu tố địa

lý-môi trường thì mô hình chồng xếp được coi

là thông dụng nhất Các đối tượng tự nhiên

đuợc thể hiện như một tập hợp các lớp thông tin riêng rẽ, tách biệt

Các thông tin sẽ được tổ chức theo các lớp (layer) dư

ới dạng bản đồ chuyên đề Như vậy, lớp thông tin là các dữ liệu địa lý về một đối tượng địa lý cần phải thể hiện, lưu trữ và quản lý.

Đối tượng địa lý có thể là: sông ngòi, sự phân bố

khoáng sản, địa hình, địa mạo, hiện trạng sử sụng đất, các đứt gẫy kiến tạo, mật độ dân cư v.v…

Tùy vào mục đích sử dụng, yêu cầu quản lý, các lớp thông tin sẽ được tổng hợp, chọn lọc, khái quát và tổ chức hợp lý để sự thể hiện của các lớp đạt hiệu quả cao nhất.

Cust oms Build ings Stree ts

Real ity

M« h×nh vector

M« h×nh raster

Cấu trúc vector thể hiện toàn bộ thông tin thông qua các phần tử cơ bản là điểm, đường, vùng, và quan hệ giữa các đối tượng với nhau

Trong mô hình vector

 Thông tin về điểm, đường và vùng được mã hoá

và lưu dưới dạng tập hợp các toạ độ x,y

 Vị trí của đối tượng điểm, như lỗ khoan, có thể được biểu diễn bởi một toạ độ đơn x,y

 Đối tượng dạng đường, như đường giao thông, sông suối, có thể được lưu dưới dạng tập hợp

các toạ độ điểm

 Đối tượng dạng vùng, như khu vực buôn bán

hay vùng lưu vực sông, được lưu như một vòng khép kín của các điểm toạ độ

ưu nhược điểm

Mô hình vector rất hữu ích đối với việc mô tả các đối tư

ợng riêng biệt, nhưng kém hiệu quả hơn trong miêu tả các

đối tượng có sự chuyển đổi liên tục như kiểu đất hoặc chi phí ước tính cho các bệnh viện

Mô hình raster được phát triển cho mô phỏng các đối tư ợng liên tục như vậy Cả mô hình vector và raster đều được dùng để lưu trữ dữ liệu địa lý với nhưng ưu điểm, nhược

điểm riêng Các hệ GIS hiện đại có khả năng quản lý cả hai mô hình này

và suy thoái các thành phần môi trường, xu hướng diễn biến, và dự báo về các sự cố môi trường để đư

a ra các giải pháp bảo vệ môi trường và các hướng

ưu tiên trong quản lý môi trường.

+ Bản đồ về các sự cố môi trường+ Bản đồ về chất lượng môi trường tổng hợp

+ Bản đồ về dự báo và qui hoạch môi trường

Các dữ liệu về môi trường được thu thập chủ yếu

từ hệ thống quan trắc môi trường Quốc gia, của Tỉnh,

của các cơ quan có chức năng quản lý và kiểm soát môi trường, các sở Tài nguyên và Môi trường.

Dữ liệu ban đầu là số liệu đo đạc, quan trắc về nồng

độ các chất, thành phần không khí, số liệu phân tích xử

lý các mẫu nước, mẫu đất…

Các báo cáo về hiện trạng môi trường của tỉnh, quốc gia hàng năm

Các thông tin về các sự cố môi trường như: lũ, lụt, bão, trượt lở đất,…

Các bản đồ của các Sở, Ban, Ngành đã thực hiện trong quá trình theo dõi và quản lý môi trường.

b) Phân tích và tổ chức các tài liệu, dữ liệu

Các tài liệu này sẽ được phân tích và xử lý theo

chuyên đề và nhóm thành hai nội dung chính

Thông tin địa lý bản đồ (thông tin không gian)

Thông tin thuộc tính mô tả đặc trưng của các

Dữ liệu thuộc tính: gồm các tài liệu thống kê, các

số liệu quan trắc, các văn bản, bài viết,

Thiết kế các bản đồ

b) Thiết kế bản đồ chuyên đề

Xác định nội dung của từng bản đồ chuyên

đề, phương pháp thể hiện, các dữ liệu cần quản lý

Xây dựng các bản đồ tác giả từ các số liệu

và bản đồ thu thập được

thể hiểu được và có thể thao tác được bằng các công cụ của GIS Với hai dạng thông tin trên

cũng có các phương pháp nhập dữ liệu khác

nhau Tuy nhiên qui trình chung để nhập dữ liệu vào GIS gồm các bước sau:

Thành lập bản đồ trong các phần mềm GIS

Nhập Dữ liệu không gian, hay dữ liệu miêu tả về

vị trí, hình dạng trong không gian của đổi tượng, cụ

thể là các yếu tố bản đồ Chúng bao gồm toạ độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định hình ảnh cụ thể của bản đồ trong một khuôn dạng hiểu được của máy tính.

Từ các bản đồ quét ở dạng rastơ, sau khi nắn

chỉnh về hệ toạ độ cần quản lý người nghiên cứu sẽ

số hoá trực tiếp trên màn hình bằng các công cụ vẽ

và biên tập bằng các phần mềm ứng dụng

Mỗi phương pháp nhập dữ liệu trên đều có những mặt mạnh và hạn chế Việc áp dụng phương pháp nào phụ thuộc vào nguồn thiết bị, chất lượng tài liệu gốc và kinh nghiệm, khả năng của người thao tác

nghiên cứu

b) Kết nối các dữ liệu không gian và thuộc tính.

Có thể liên kết trực tiếp khi số hoá theo lớp, theo

đối tượng Mỗi một đối tượng khi số hoá đã được nhận một

số hiệu riêng (index) và xếp vào từng lớp dữ liệu riêng.

Liên kết bằng công cụ nhập dữ liệu hay vào giá trị thuộc tính cho các yếu tố không gian, thực hiện bằng các lệnh của mô hình quản lý dữ liệu cụ thể và bằng bàn phím

Đây là cách làm khá thủ công, người dùng phải chọn từng yếu tố đồ hoạ và lần lượt gán cho chúng các thuộc tính.

Liên kết bằng chỉ số nhận dạng hay số hiệu của đối tượng Khi nhập dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính riêng biệt, việc liên kết dựa trên chỉ số nhận dạng của đối tượng (ID) mà ta đã gán cho đối tượng bản đồ

Các biểu bảng và số liệu thuộc tính của đối tượng cũng cần phải có cùng chỉ số hay số hiệu của đối tượng

đó và dùng chính số hiệu này để liên kết đối tượng với

Tuy nhiên để lưu trữ và sử dụng phải kiểm tra sự kết hợp giữa hai dạng dữ liệu trên và sự liên kết giữa

chúng Để sửa các lỗi dữ liệu thuộc tính cần chồng ghép các bản đồ chuyên đề với các bản đồ nền để phát hiện

những vô lý về mặt logic nếu có Công tác kiểm tra được thực hiện hết sức cẩn thận sao cho các đôi tượng đồ hoạ

được gắn đúng với các giá trị thuộc tính của chúng

KiÓm tra, l­u tr÷ d÷ liÖu vµ in Ên.

Sử dụng các bản đồ

Từ các bản đồ hiện trạng môi trường thành phần

(môi trường đất, môi trường nước, môi trường không khí, môi trường sinh học) xây dựng các bản

đồ chất lượng môi trường tổng hợp theo các mức

độ ô nhiễm: ô nhiễm nặng, ô nhiễm nhẹ, không ô nhiễm, để quản lý tình hình môi trường, đưa ra các giải pháp quản lý môi trường.

Dựa vào các bản đồ sự cố môi trường, diễn biến môi trường qua các năm đưa ra các giải pháp phòng tránh, khắc phục hậu quả hoặc đưa ra các phương pháp xử lý thích hợp như: di dân phòng tránh trượt lở

đất, xây dựng kênh mương thoát nước thải,

di dời các nhà máy xí nghiệp gây ô nhiễm

ra khỏi các vùng dân cư,

GIS với các công cụ chồng ghép bản đồ và xử

lý không gian cho phép biểu diễn sự thay đổi các thành phần môi trường, có thể đưa ra nhiều phư

ơng án thành lập bản đồ Cập nhật, truy nhập và chỉnh sửa thông tin một cách nhanh chóng

- Các báo cáo KH,

số liệu thống kê, tài liệu nghiên cứu Thiết kế các bản đồ (bản đồ nền và

bản đồ chuyên đề)

Nhập dữ liệu không gian vào GIS

Nhập dữ liệu thuộc tính, liên kết dữ liệu

Biên tập, kiểm tra, sửa lỗi

đồ hoạ, lỗi thuộc tính

Các nhiệm vụ của GIS

Mục đích chung của các Hệ Thông tin địa lý là thực hiện các nhiệm vụ sau:

dữ liệu dạng số được gọi là quá trình số hoá.

Công nghệ GIS hiện đại có thể thực hiện tự động

hoàn toàn quá trình này với công nghệ quét ảnh cho các đối tượng lớn; những đối tượng nhỏ hơn đòi hỏi một số quá trình số hoá thủ công (dùng bàn số hoá) Ngày nay, nhiều dạng dữ liệu địa lý thực sự có các

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

thống đường phố được chi tiết hoá trong file về giao thông, kém chi tiết hơn trong file điều tra dân số và có mã bưu

điện trong mức vùng) Trước khi các thông tin này được kết hợp với nhau, chúng phải được chuyển về cùng một tỷ lệ (mức chính xác hoặc mức chi tiết) Đây có thể chỉ là sự

chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho yêu cầu phân tích Công nghệ GIS cung cấp nhiều

công cụ cho các thao tác trên dữ liệu không gian và cho

Quản lý dữ liệu

Đối với những dự án GIS nhỏ, có thể lưu các

thông tin địa lý dưới dạng các file đơn giản Tuy nhiên, khi kích cỡ dữ liệu trở nên lớn hơn và số lượng người dùng cũng nhiều lên, thì cách tốt nhất là sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu

(DBMS) để giúp cho việc lưu giữ, tổ chức và

quản lý thông tin Một DBMS chỉ đơn giản là

một phần mền 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  các bảng 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.

GIS cung cấp kịp thời thông tin cho những người quản lý và phân 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 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 sự kết hợp dữ liệu về đất, độ

dốc, thảm thực vật hoặc sở hữu đất với định giá thuế

đồ hoặc biểu đồ Bản đồ khá hiệu quả trong lư

u giữ và trao đổi thông tin địa lý GIS cung cấp nhiều công cụ mới và thú vị để mở rộng tính

nghệ thuật và khoa học của ngành bản đồ

Bản đồ hiển thị có thể được kết hợp với các

bản báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và những dữ liệu khác (đa phương tiện).

Dữ liệu cho GIS

Những dữ liệu bản đồ nào là cần thiết?

Nhìn chung có một số loại dữ liệu bản đồ

phổ biến sau: 

phố, đường quốc lộ; đường ranh giới hành chính, ranh giới vùng dân cư; sông, hồ; mốc biên giới; tên địa danh và bản đồ raster.

Bản đồ và dữ liệu

Bao gồm dữ liệu liên quan đến dân số/

nhân khẩu, người tiêu thụ, dịch vụ thương mại, bảo hiểm sức khoẻ, bất động sản,

truyền thông, quảng cáo, cơ sở kinh doanh, vận tải, tình trạng tội phạm. 

Bản đồ và dữ liệu môi trường

Bao gồm các dữ liệu liên quan đến môi trư ờng, thời tiết, sự cố môi trường, ảnh vệ tinh,

địa hình và các nguồn tài nguyên thiên

nhiên. 

Bản đồ tham khảo chung

Bản đồ thế giới và quốc gia; các dữ liệu làm nền cho các cơ sở dữ liệu riêng.

phân biệt GIS với các công nghệ

desktop mapping, trợ giúp thiết kế nhờ máy tính (computer-aided design - CAD), viễn thám

(remote sensing), hệ quản trị cơ sở dữ liệu

(DBMS), và hệ thống định vị toàn cầu (global

positioning systems - GPS)

tích không gian và khả năng tuỳ biến Các hệ thống Desktop mapping hoạt động trên các máy tính để bàn như PC, Macintosh, và các máy trạm UNIX nhỏ.

Hệ thống CAD trợ giúp cho việc tạo ra các bản thiết kế xây dựng nhà và cơ sở hạ tầng Tính

năng này đòi hỏi các thành phần của những đặc trưng cố định được tập hợp để tạo nên toàn bộ cấu trúc CAD yêu cầu một số quy tắc về việc tập hợp các thành phần và các khả năng phân tích rất giới hạn Hệ thống CAD có thể được mở rộng để hỗ trợ bản đồ nhưng thông thường bị

giới hạn trong quản lý và phân tích các cơ sở dữ