Một số thuật toán khái quát hóa bản đồ và ứng dụng

Định nghĩa Bản đồ địa lý là sự biểu thị thu nhỏ qui ước của bề mặt trái đất lên mặt phẳng, xây dựng trên cơ sở toán học với sự trợ giúp và sử dụng các ký hiệu qui ước để phản ánh sự phâ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐĂNG CƯỜNG

MỘT SỐ THUẬT TOÁN KHÁI QUÁT HÓA BẢN ĐỒ

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CÁM ƠN II MỤC LỤC III Danh mục các hình vẽ VI

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - GIS 2

1.1 Khái niệm chung về bản đồ 2

1.1.1 Định nghĩa 2

1.1.1.1 Bản đồ như mô hình toán học 2

1.1.1.2 Mô hình thực tiễn 3

1.1.1.3 Bản đồ như mô hình qui ước 4

1.1.2 Các tính chất của bản đồ 4

1.1.3 Các yếu tố nội dung của bản đồ 5

1.1.3.1 Thủy hệ 5

1.1.3.2 Điểm dân cư 5

1.1.3.3 Đường giao thông 6

1.1.3.4 Các đối tượng kinh tế xã hội 6

1.1.3.5 Dáng đất 6

1.1.3.6 Ranh giới hành chính - chính trị 6

1.1.3.7 Cơ sở thiên văn- trắc địa và điểm định hướng (bản đồ địa hình) 7

1.1.3.8 Ghi chú trên bản đồ 7

1.1.3.9 Lớp phủ thực vật, thổ nhưỡng 7

1.1.4 Cơ sở toán học của bản đồ địa lý 8

1.1.4.1 Tỉ lệ bản đồ (map scale) 8

1.1.4.2 Cơ sở trắc địa, thiên văn của bản đồ 9

1.1.4.3 Hệ toạ độ 9

1.1.4.4 Bố cục và khung bản đồ 10

1.1.4.5 Phân mảnh bản đồ 10

1.2 Hệ thống thông tin địa lý – GIS 12

1.2.1 Định nghĩa GIS 13

1.2.2 Các thành phần của GIS 16

1.2.2.1 Phần cứng (Hardware) 16

1.2.2.2 Phần mềm (Software) 17

1.2.2.3 Chuyên viên (Expertise) 18

1.2.2.4 Số liệu, dữ liệu địa lý(Geographic data) 18

1.2.2.5 Chính sách và quản lý(Policy and management) 19

1.2.3 Cấu trúc cơ sở dữ liệu trong GIS 19

1.2.3.1 Mô hình thông tin không gian 20

1.2.3.2 Mô hình thông tin thuộc tính 23

Chương 2 - KHÁI QUÁT HÓA BẢN ĐỒ 26

2.1 Khái niệm khái quát hóa bản đồ 26

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khái quát hóa bản đồ 28

2.3 Các hình thức khái quát hóa bản đồ 30

2.4 Khái quát hoá đối với dữ liệu vector 33

2.5 Khái quát hoá đối với dữ liệu raster 38

2.6 Phân loại các phương pháp khái quát hoá bản đồ 39

2.6.1 Phân loại theo mục đích khái quát hóa 39

2.6.2 Phân loại theo các quan điểm khái quát hóa 40

2.7 Đánh giá chất lượng khái quát hóa bản đồ 41

2.8 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 41

2.8.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng khái quát hóa tự động bản đồ ở các nước trên thế giới 41 2.8.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng khái quát hóa tự động bản đồ tại Việt Nam 43

Chương 3: MỘT SỐ THUẬT TOÁN KHÁI QUÁT HÓA BẢN ĐỒ 44

3.1 Toán tử lựa chọn đối tượng 44

3.2 Đơn giản hóa đường cong 45

3.2.1 Thuật toán Douglas- Peucker 46

3.2.2 Thuật toán sử dụng điểm độc lập 47

3.2.3 Thuật toán sử dụng khoảng cách giữa các điểm hoặc đường vuông góc 48

3.2.4 Thuật toán Reumann- Witkam 49

3.2.5 Thuật toán Zhao - Saalfeld 50

3.2.6 Thuật toán Opheim 51

3.2.7 Thuật toán Lang 52

3.2.8 Thuật toán Visvalingam – Whyatt 53

Chương 4: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG KHÁI QUÁT HÓA BẢN ĐỒ 55

4.1 Phân tích và thiết kế hệ thống 55

4.1.1 Yêu cầu phần mềm 55

4.1.2 Các chức năng của phần mềm 56

4.2 Giải pháp triển khai 56

4.2.1 Công nghệ GIS 56

4.2.2 Ngôn ngữ lập trình 57

4.2.3 Tổ chức triển khai 58

4.3 Phần mềm khái quát hóa bản đồ - MapGeneralization 67

4.3.1 Chức năng phân tích dữ liệu 68

4.3.2 Chức năng khái quá hóa điểm 69

4.3.3 Chức năng khái quát hóa đường 69

4.3.4 Chức năng khái quá hóa vùng 70

4.4 Kết quả thử nghiệm 71

KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Thuật ngữ,chữ viết tắt Giải thích

ESRI Environmental Systems Research Institute

Danh mục các hình vẽ

Hình 1-1: Biểu thị của bề mặt trái đất lên mặt phẳng(Keith Clarke, 1995) 2

Hình 1-2: Dạng Geoid và hình Elipxoid(Dorothy Freidel, 1993) 3

Hình 1-3 Mô hình các lớp dữ liệu trong GIS 8

Hình 1-4 Lớp bản đồ 14

Hình 1-5: Các hợp phần thiết yếu cho công nghệ GIS 16

Hình 1-6 : Các thành phần phần cứng cơ bản của GIS 17

Hình 1-7: Định dạng dữ liệu Vector và Raster 20

Hình 1-8: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm (point) 21

Hình 1-9: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng Arc 22

Hình 1-10: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon) 22

Hình 1-11: Mối quan hệ giữa thông tin bản đồ và thông tin thuộc tính 25

Bảng 2-1: Khái quát hóa 30

Hình 2-1: Biểu thị kết quả làm trơn 34

Hình 2-2: Biểu thị kết quả giản lược hóa 34

Hình 2-3: Biểu thị kết quả gộp vùng 35

Hình 2-4: Biểu thị kết quả gộp điểm 35

Hình 2-6: Biểu thị kết quả hợp nhất 36

Hình 2-7: Biểu thị kết quả phá đối tượng 36

Hình 2-8: Biểu thị kết quả phóng đại 37

Hình 2-9: Biểu thị kết quả dịch chuyển 37

Hình 2-10: Khái quát hóa và trật tự mô hình hóa 40

Hình 3-1: Đơn giản hóa đường nhờ giảm thiểu tọa độ 46

Hình 4-1 : Giao diện chính của phần mềm - MapGeneralization 67

Hình 4-2 : Thống kê đối tượng dạng vùng trong một phạm vi bất kỳ 68

Hình 4-3: Kết quả đơn giản hóa lớp đoạn tim đường bộ 69

Hình 4-4: Thống kê đối tượng dạng vùng theo diện tích nhỏ 70

MỞ ĐẦU

Hiện nay dự án xây dựng cơ sở dữ liệu bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000 phủ trùm cả nước và các khu vực kinh tế phát triển, đã hoàn thành ở một số tỉnh và dự kiến đến năm 2015 hoàn thành Tùy thuộc vào nhu cầu, mục đích sử dụng mà yêu cầu sử dụng các bản đồ nền, bản đồ địa hình ở các dãy tỷ lệ(mức độ chi tiết) khác nhau Cơ sở dữ liệu địa hình tỷ lệ 1:10.000 phủ trùm toàn quốc là dữ liệu cơ sở để thành lập các bản

đồ ở mức tỷ lệ nhỏ hơn (tỷ lệ: 1:25.000, tỷ lệ: 1:50.000, ) hay các dữ liệu có mức chi tiết thấp hơn

Bản đồ ở tỷ lệ lớn chứa đựng các đối tượng trong bản đồ ở tỷ lệ nhỏ hơn Một nhu cầu đặt ra là từ bản đồ tỷ lệ lớn làm thế nào để tạo ra bản đồ ở tỷ lệ nhỏ hơn Để quá trình xây dựng bản đồ tỷ lệ nhỏ từ bản đồ tỷ lệ lớn cần xây dựng các giải pháp khái quát hóa bản đồ tự động

Kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực khái quát hóa tự động đã được các cơ quan đo đạc bản đồ quốc gia một số nước xây dựng và áp dụng trong thực tế sản xuất Tại Việt Nam các công cụ khái quát hóa có sẵn trong các phần mềm thương mại thông dụng cũng được các cơ sở sản xuất và nghiên cứu quan tâm ứng dụng để giảm bớt chi phí và nâng cao chất lượng thành lập bản đồ số Các công cụ này tương đối ít, đòi hỏi sự can thiệp của kỹ thuật viên ở nhiều công đoạn

Luận văn tập trung tìm hiểu một số thuật toán khái quát hóa bản đồ và xây dựng ứng dụng Luận văn được bố cục thành 4 chương

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

Chương 2: Khái quá hóa bản đồ

Chương 3: Một số thuật toán khái quát hóa bản đồ

Chương 4: Xây dựng ứng dụng khái quát hóa bản đồ

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - GIS 1.1 Khái niệm chung về bản đồ

1.1.1 Định nghĩa

Bản đồ địa lý là sự biểu thị thu nhỏ qui ước của bề mặt trái đất lên mặt phẳng, xây dựng trên cơ sở toán học với sự trợ giúp và sử dụng các ký hiệu qui ước để phản ánh sự phân bố, trạng thái và mối quan hệ tương quan của các hiện tượng thiên nhiên

và xã hội được lựa chọn và khái quát hoá để phù hợp với mục đích sử dụng của bản đồ

và đặc trưng cho khu vực nghiên cứu[2]

Hình 1-1: Biểu thị của bề mặt trái đất lên mặt phẳng(Keith Clarke, 1995)

1.1.1.1 Bản đồ như mô hình toán học

* Geoid

Trên thực tế bề mặt tự nhiên của trái đất rất phức tạp về mặt hình học, không thể biểu thị nó theo một qui luật nhất định nào Do vậy bề mặt tự nhiên trái đất được thay thế bằng mặt Geoid Mặt Geoid là mặt nước biển trung bình yên tĩnh trải rộng xuyên qua lục địa và luôn vuông góc với các hướng dây dọi Do sự phân bố không đồng đều của các khối vật chất trong vỏ quả đất làm biến đổi hướng trọng lực, làm bề mặt Geoid

có dạng phức tạp về mặt hình học

* Bề mặt Elipxoid quay của trái đất

Người ta lấy mặt Elipxoid quay có hình dạng kích thước gần giống Geoid làm bề mặt toán học thay cho Geoid Kích thước của Elipxoid trái đất được tính theo tài liệu

đo đạc trắc địa, thiên văn và trọng lực Ngoài việc xác định kích thước của Elipxoid thay cho Geoid, cần phải đặt đúng Elipxoid ở thể trái đất gọi là định hướng Elipxoid Định hướng Elipxoid khác nhau dẫn đến sự khác nhau về toạ độ của một điểm khi tính

toạ độ từ những góc khác nhau Kích thước và định hướng elipxoid được xác định khác nhau trên thế giới gây nên sự phức tạp trong sử dụng tài liệu trắc địa - bản đồ

Hình 1-2: Dạng Geoid và hình Elipxoid(Dorothy Freidel, 1993)

Việc biểu thị lên mặt phẳng một phần nhỏ bề mặt trái đất thì độ cong trái đất có thể bỏ qua Trong trường hợp này các đường thẳng đã đo trên thực địa được thu nhỏ theo tỷ lệ qui định và biểu thị trên giấy không cần hiệu chỉnh độ cong của trái đất Những bản vẽ như thế gọi là bình đồ Trên bình đồ, tỷ lệ ở mọi nơi và mọi hướng đều như nhau Trên bản đồ biểu thị toàn bộ trái đất hoặc một diện tích lớn thì độ cong của trái đất là không thể bỏ qua

Việc chuyển từ mặt Elipxoid lên mặt phẳng được thực hiện nhờ phép chiếu bản

đồ Các phép chiếu biểu hiện quan hệ giữa toạ độ các điểm trên mặt đất và toạ độ các điểm đó trên mặt phẳng bằng các phương pháp toán học trong trường hợp này, các phần tử nội dung bản đồ giữ đúng vị trí địa lý, nhưng sẽ có sai số về hình dạng hoặc diện tích Bề mặt trái đất được biểu thị trên bản đồ với mức độ thu nhỏ khác nhau tại những phần khác nhau của nó, có nghĩa là tỷ lệ ở những điểm khác nhau trên bản đồ cũng khác nhau Có thể biểu thị mặt cầu trái đất trên mặt phẳng theo nhiều cách khác nhau Nếu dùng các phép chiếu khác nhau và tuân theo các điều kiện toán học nhất định đặt ra cho sự biểu thị đó

Ví dụ: người ta cần những phép chiếu đồng góc hoặc đồng diện tích Muốn vậy, theo những điều kiện nhất định tính toạ độ các giao điểm của kinh tuyến và vĩ tuyến Dựa theo những điểm này dựng hệ lưới kinh vĩ tuyến gọi là lưới bản đồ Lưới bản đồ dùng làm cơ sở để chuyển vẽ toàn bộ nội dung còn lại của bản đồ

- Các đối tượng kinh tế xã hội

Các yếu tố kể trên được thể hiện trên bản đồ địa lý chung và trên một số các bản

đồ chuyên đề

Bản đồ chuyên đề có các yếu tố nội dung riêng đặc trưng cho từng loại như thổ nhưỡng địa chất Trên các bản đồ chuyên đề các yếu tố địa lý chung được thể hiện với các mức độ khác nhau phụ thuộc vào giá trị của chúng trong việc nêu bật các yếu tố chính của bản đồ chuyên đề

1.1.1.3 Bản đồ như mô hình qui ước

Các yếu tố nội dung của bản đồ được thể hiện bằng những ký hiệu qui ước Các

ký hiệu thể hiện vị trí, hình dáng kích thước của đối tượng trong thực tế, ngoài ra còn thể hiện một số đặc trưng về số lượng và chất lượng

Phân ra 3 loại ký hiệu:

- Ký hiệu theo tỷ lệ - vùng

- Ký hiệu theo tỷ lệ - đường

- Ký hiệu phi tỷ lệ - điểm

Việc thể hiện kích thước và các đặc trưng khác đối tượng trên bản đồ đạt được bằng cách sử dụng màu sắc, cấu trúc của ký hiệu và các ghi chú kèm theo

Việc sử dụng hệ thống ký hiệu qui ước cho phép chúng ta:

- Biểu thị toàn bộ bề mặt trái đất hoặc những khu vực lớn trong một bản đồ giúp chúng ta nắm bắt những điểm quan trọng không thể thể hiện với tỷ lệ nhỏ Điều đó là không thể nếu sử dụng những mô hình không gian kiểu ảnh hàng không

- Thể hiện bề mặt lồi lõm của trái đất lên mặt phẳng

- Phản ánh các tính chất bên trong của sự vật, hiện tượng

- Thể hiện sự phân bố, các quan hệ của sự vật, hiện tượng một cách trực quan

- Loại bỏ những mặt ít giá trị, các chi tiết vụn vặt không đặc trưng hoặc đặc trưng cho các đối tượng riêng lẻ, mặt khác nêu bật các tính chất căn bản, các tính chất chung

Ký hiệu giữ những nét đặc trưng trên các bản đồ khác nhau về tỷ lệ và thể loại Như vậy tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng các bản đồ khác nhau

1.1.2 Các tính chất của bản đồ

Bản đồ cung cấp cho người dùng khả năng bao quát và tiếp thu nhanh chóng những yếu tố chủ yếu và quan trọng nhất của nội dung bản đồ Nó phản ánh các tri thức về các đối tượng (hiện tượng) được biểu thị bằng bản đồ, người sử dụng có thể tìm ra những qui luật của sự phân bố các đối tượng và hiện tượng

- Tính đo được

Có mối liên quan chặt chẽ với cơ sở toán học của bản đồ Căn cứ vào tỷ lệ, phép chiếu, vào thang bậc của các dấu hiệu qui ước, người sử dụng có khả năng xác định các trị số khác nhau như: toạ độ, biên độ, khoảng cách, diện tích, thể tích, góc phương hướng Chính nhờ tính chất này mà bản đồ được dùng làm cơ sở để xây dựng các mô hình toán học của các hiện tượng địa lý, giải quyết các bài toán khoa học và thực tiễn

- Tính thông tin

Khả năng lưu trữ và truyền đạt thông tin cho người sử dụng

1.1.3 Các yếu tố nội dung của bản đồ

1.1.3.1 Thủy hệ

Lớp thủy hệ bao gồm các đối tượng thuỷ văn như: biển, sông, kênh, hồ, các hồ chứa nước nhân tạo, mạch nước, mương máng, các công trình thuỷ lợi khác và giao thông thuỷ: bến cảng, cầu cống, thuỷ điện, Theo giá trị giao thông chia sông thành tàu bè đi lại được hay không, theo tính chất dòng chảy: có dòng chảy hoặc khô cạn một mùa, nguồn nước: tự nhiên nhân tạo các kiểu đường bờ Khi thể hiện thuỷ hệ người ta dùng các ký hiệu khác nhau ho phép phản ánh đầy đủ nhất các đặc tính Bằng những ký hiệu bổ sung, giải thích con số, thể hiện các đặc tính như: chiều rộng, sâu tốc độ hướng dòng chảy, chất đáy, điểm đường bờ chất lượng nước, đối với những đối tượng quan trọng ta ghi chú tên gọi địa lý của chúng Trên bản đồ sông được thể hiện bằng một hoặc hai nét phụ thuộc vào độ rộng trên thực địa mức độ quan trọng và

tỷ lệ bản đồ

1.1.3.2 Điểm dân cư

Lớp điểm dân cư là một trong nhứng lớp quan trọng nhất của bản đồ địa hình được đặc trưng bởi kiểu cư trú, dân số ý nghĩa hành chính chính trị Đặc điểm của dân

cư được biểu thị bằng độ lớn, màu sắc, kiểu dáng của ký hiệu và ghi chú tên gọi

Ví dụ: trên bản đồ địa hình tỷ lệ 1/5.000 biểu thị tất cả các công trình xây dựng theo tỷ lệ, đặc trưng của vật liệu xây dựng Trên bản đồ 25.000 đến 100.000 biểu thị các điểm dân cư tập trung bằng các ô phố và khái quát đặc trưng chất lượng Các công trình xây dựng độc lập biểu thị bằng ký hiệu phi tỷ lệ, cố gắng giữ sự phân bố

1.1.3.3 Đường giao thông

Gồm đường bộ, đường sắt, đường thuỷ, đường hàng không Đặc tính của các đường giao thông được thể hiện khá đầy đủ, tỉ mỉ về khái niệm giao thông và trạng thái cấp quản lý đường Mạng lưới đường giao thông thể hiện chi tiết hay khái lược phụ thuộc vào tỷ lệ bản đồ, cần thiết phải phản ánh mật độ, hướng và vị trí của đường giao thông Đường sắt phân theo chiều rộng, số đường rầy, hiện trạng và số dạng sức kéo Trên đường sắt biểu thị nhà ga, các vật kiến trúc, thiết bị đường sắt (cầu, cống, tháp nước, trạm canh ), đường tàu điện Đường bộ phân ra theo tình trạng kỹ thuật, chiều rộng, cấp quản lý, giá trị giao thông

Để nêu bật các đặc trưng trên bản đồ sử dụng các ký hiệu với màu sắc, kiểu dáng khác nhau và các ghi chú giải thích Khi lựa chọn biểu thị đường giao thông phải xét đến ý nghĩa của đường sá, ưu tiên biểu thị những con đường đảm bảo mối quan hệ giữa các điểm dân cư và các đầu nút giao thông, các trung tâm văn hoá – kinh tế,

1.1.3.4 Các đối tượng kinh tế xã hội

Bao gồm các đối tượng văn hoá, lịch sử, sân bay, cảng , đường dây thông tin, dẫn điện, dầu, khí đốt, các đối tượng kinh tế

1.1.3.5 Dáng đất

Trên bản đồ địa lý được thể hiện bằng các đường bình đồ Một số dạng riêng biệt thể hiện bằng ký hiệu (vực, khe xói, đá tảng, đá vụn)

- Độ cao so với mặt biển của một số điểm đặc trưng

- Các đối tượng sơn băng (dãy núi, đồng bằng, thung lũng yên ngựa, địa hình caster, đường phân thuỷ, tụ thuỷ, )

Khoảng cao đều giữa các đường bình độ trên bản đồ địa hình được qui định trong các qui phạm theo tỷ lệ bản đồ và đặc điểm khu vực (đồng bằng hoặc núi)

Ví dụ: bản đồ 1/50.000 khoảng cao đều bằng 10-20 m; 1/100.000 khoảng cao đều 20-40 m Để thể hiện đầy đủ các tính chất đặc trưng của địa hình, đặc biệt là các vùng đồng bằng, người ta vẽ thêm các đường bình độ nửa khoảng cao đều và đường bình độ phụ Các đường bình độ cái được đánh số, các đường bình độ ở yên núi bổ sung vạch chỉ dốc Dáng đất (địa hình) có khi được thể hiện bằng phương pháp tô bóng địa hình, hoặc phân tầng màu theo độ cao hoặc kết hợp giữa các phương pháp

1.1.3.6 Ranh giới hành chính - chính trị

Bao gồm ranh giới quốc gia và ranh giới cấp hành chính tuỳ thuộc vào vào tỷ lệ

và mục đích sử dụng của bản đồ

1.1.3.7 Cơ sở thiên văn- trắc địa và điểm định hướng (bản đồ địa hình)

Địa vật định hướng là những đối tượng cho phép ta xác định vị trí nhanh chóng

và chính xác trên bản đồ thường được biểu tượng bằng các đối tượng phi tỷ lệ trên thực tế là những địa vật dễ nhận biết (ngã ba, ngã tư đường sá, giếng ở xa khu dân cư ) hoặc nhô cao so với mặt đất Các điểm thuộc lưới khống chế cơ sở được biểu thị với mức độ chi tiết và độ chính xác phụ thuộc vào tỷ lệ cũng như mức độ sử dụng của bản đồ

1.1.3.8 Ghi chú trên bản đồ

Ghi chú trên bản đồ là các chữ viết nhằm giải thích theo ký hiệu, các địa danh, tên các đối tượng Chúng kết hợp với ký hiệu trên bản đồ và làm phong phú nội dung của bản đồ Ghi chú bản đồ giúp chúng ta khái quát nội dung của bản đồ cũng như phân biệt các đối tượng

Phân loại ghi chú trên bản đồ:

Có nhiều loại ghi chú khác nhau

- Tên riêng của các đối tượng: tên thành phố, tên tỉnh,

Ví dụ: Đầm lầy phân ra thành đầm lầy qua được, đầm lầy không qua được và khó qua Rừng, rừng già, rừng thưa, rừng non, rừng mới trồng Các loại thực vật tự nhiên

và người trồng

Trên bản đồ chuyên đề lớp phủ thực vật và thổ nhường thường không được thể hiện hoặc thể hiện sơ lược phụ thuộc vào nội dung, tỷ lệ và mục đích sử dụng của bản

đồ

1.1.4 Cơ sở toán học của bản đồ địa lý

Bao gồm:

- Tỷ lệ

- Cơ sở trắc địa và thiên văn

- Lưới kinh - vĩ tuyến và các lưới toạ độ khác

sự biến dạng trong biểu thị các các đối tượng nên tỷ lệ bản đồ là đại lượng thay đổi từ điểm này sang điểm khác hay thậm chí trên cùng một điểm cũng thay đổi theo các hướng khác nhau Tỷ lệ chính của bản đồ (được ghi trên bản đồ) được bảo toàn ở một

Hình 1-3 Mô hình các lớp dữ liệu trong GIS

Mạng lưới sông rạch Loại đất

Cao độ

Hiện trạng

Bản đồ nền

số điểm và một số hướng tuỳ thuộc vào phép chiếu Ta hiểu tỷ lệ của bản đồ là mức độ thu nhỏ của bề mặt trái đất khi biểu diễn lên bản đồ

Tỉ lệ bản đồ nói lên mức độ chi tiết các thành phần có thể biểu hiện được trên bản

đồ và kích thước các chi tiết có thể đo đạc được tương ứng với điều kiện ngoài thực tế

Tỉ lệ bản đồ có thể được biểu hiện như là một đơn vị đo đạc và chuyển đổi, thí dụ như

ở tỉ lệ 1/25.000, 1 cm trên bản đồ tương ứng với 25.000 cm ngoài thực tế hoặc 25 m Một bản đồ có tỉ lệ là 1/10.000 sẽ bao phủ một vùng rộng lớn hơn bản đồ ở tỉ lệ 1/25.000, tuy nhiên bản đồ có tỉ lệ lớn sẽ chứa các đặc điểm chi tiết hơn bản đồ có tỉ lệ nhỏ

1.1.4.2 Cơ sở trắc địa, thiên văn của bản đồ

Được đặc trưng bởi hình Elipxoit và hệ thống toạ độ trắc địa khởi điểm đã sử dụng để thành lập bản đồ Cơ sở trắc địa - thiên văn được thể hiện bằng các điểm khống chế, các điểm khống chế là những điểm đã được cố định trên thực địa và được xác định toạ độ Những điểm khống chế này được sử dụng khi thành lập bản đồ tỷ lệ lớn để xác định đúng vị trí các yếu tố nội dung của bản đồ

Các nguồn tài liệu trắc địa - bản đồ ở Việt Nam:

- Bản đồ do Pháp thành lập trước năm 1954 chủ yếu sử dụng Elipxoid Cbamie

1880

- Bản đồ sau năm 1954 sử dụng Elipxoid Krassobsk, lưới chiếu Gauss, Kruger

- Bản đồ do người Mỹ thành lập trước năm 1975, lưới chiếu UTM, Elipxoid, Everest, 1830

Bản đồ UTM là nguồn tài liệu phong phú, đặc biệt đối với các vùng núi và cao nguyên hiểm trở Thường được thành lập bằng phương pháp chụp ảnh máy bay Việc sửa đổi, hiệu chỉnh để đưa vào sử dụng các nguồn tài liệu này đang được thực hiện

Các giao điểm của bán trục nhỏ với mặt Elipxoid trái đất được gọi là các cực Bắc

và Nam Các vòng tròn tạo ra do các mặt phẳng thẳng góc với trục nhỏ và cắt Elipxoid gọi là các vĩ tuyến Vĩ tuyến lớn nhất nằm trên mặt phẳng đi qua tâm Elipxoid gọi là đường xích đạo

Các giao tuyến của các mặt phẳng Elipxoid với các mặt phẳng đi qua trục quay (trục nhỏ) là những Elipxoid bằng nhau và còn gọi là các kinh tuyến Vi trí của các điểm trên mặt Elipxoid trái đất hoặc mặt cầu xác định bằng toạ độ địa lý là vĩ độ và kinh độ

Qua bất kỳ một điểm nào đó trên bề mặt Elipxoid kẻ một đường thẳng đứng (pháp tuyến) hướng vào trong Elipxoid khi cắt mặt phẳng xích đạo, đường pháp tuyến tạo với nó một góc đó chính là vĩ độ địa lý, được tính từ xích đạo, nhận giá trị từ 0 đến

900 lên Bắc ký hiệu là v.B hoặc N; v.N hoặc S

Góc giữa các mặt phẳng kinh tuyến đi qua một điểm cho trước và mặt phẳng của kinh tuyến gốc gọi là kinh độ địa lý Kinh độ tính từ kinh tuyến gốc (kinh tuyến Greenwich) sang đông đến 1800

là dương (k.đ.E); kinh tuyến gốc sang tây đến 1800 (k.t.W)

1.1.4.4 Bố cục và khung bản đồ

Bố cục bản đồ: là sự bố trí khu vực được thành lập bản đồ trên bản đồ, xác định khung của nó, sắp xếp những yếu tố trình bày ngoài khung và những tư liệu bổ sung Các bản đồ địa hình bao giờ cũng định hướng kinh tuyến giữa theo bắc nam Trong khung biểu thị khu vực được thành lập liên tục và không lập lại trên những mảnh phụ cận Bố trí tên bản đồ, số hiệu mảnh, tỷ lệ, các tài liệu tra cứu và giải thích dựa theo mẫu qui định

Khung bản đồ: là một đường giới hạn lãnh thổ được thể hiện Bản đồ có 2

khung, khung trong và khung ngoài Người ta vẽ khung ngoài có tính chất trang trí, giữa khung trong và khung ngoài là trị số các đường kinh vĩ tuyến, địa danh các đường phụ cận, nút giao thông gần nhất

Đối với các bản đồ chuyên đề, trong khung bản đồ có thể bố trí bản chú thích, tài liệu tra cứu, đồ thị, bản đồ phụ Tên bản đồ, tỷ lệ cũng có thể đặt ở trong khung

1.1.4.5 Phân mảnh bản đồ

Phụ thuộc vào tỷ lệ và lãnh thổ mà bản đồ có thể nằm trên 1 hoặc nhiều mảnh Bản đồ địa hình chính là loại bản đồ nhiều mảnh có cách phân mảnh và đánh số được qui định chặt chẽ, có thể phân mảnh bản đồ theo lưới kinh vĩ tuyến hoặc theo km, hoặc theo khung bản đồ có kích thước đặt sẵn,

Hệ thống đánh số bản đồ nhiều mảnh giúp ta dễ dàng và nhanh chóng tìm thấy

Sự phân mảnh và đánh số các bản đồ địa hình Việt Nam

- Bản đồ 1:1.000.000 có khung hình thang 40 theo vĩ độ 60 theo kinh độ đƣợc đánh số bằng tên đai và tên múi theo cách đánh số của bản đồ quốc tế 1:1000T, các đai

40 theo vĩ tuyến đƣợc đánh số từ xích đạo lần lƣợt từ A đến V Các múi 60 theo vĩ tuyến đƣợc đánh số từ kinh tuyến 1800 ngƣợc chiều kim đồng hồ từ 1 đến 60 Ví dụ: F-

48, F- 49

- Bản đồ 1: 1.000.000 là cơ sở để phân mảnh và đánh số các bản đồ tỷ lệ lớn hơn

- Mảnh bản đồ 1: 1.000.000 chia làm 4 mảnh bản đồ tỷ lệ 1: 500.000, đánh số A,B,C,D Số liệu của mảnh 1: 500.000 là số hiệu 1: 1T+ số hiệu mảnh hình thang: F-

48 - A,F- 48-B

- Mảnh bản đồ 1: 1.000.000 chia ra làm 36 mảnh bản đồ 1: 200.000 đƣợc đánh số hiệu bằng chữ số La Mã Ví dụ: F-48-XI

- Mảnh bản đồ 1: 1.000.000 chia ra làm 144 mảnh bản đồ 1: 100.000 đánh số bằng chữ Ả Rập F - 48- 143

- Mảnh bản đồ 1: 100.000 hạn chế bởi hình thang 20x30 là cơ sở để phân mảnh

và đánh số các tỷ lệ lớn hơn

- Mảnh bản đồ 1: 100.000 chia ra làm 4 mảnh 1:50.000 đánh số A, B, C, D; 143-A

F-48 Mảnh 50.000 chia ra làm 4 mảnh 1: 25.000; đánh số a,b,c,d; FF-48 48F-48 143F-48 AF-48 b

- Mảnh 25.000 chia ra 4 mảnh 1: 10.000 đánh số 1 đến 4 Ví dụ: F-48-143-A-b-1

- Mảnh 1:100.000 chia ra làm 384 mảnh 1: 5.000 đánh số từ 1 đến 324 Ví dụ: 48-143-(322)

F Mảnh 1:5000 chia ra làm 6 mảnh 1: 2000 đánh số từ a đến f

1.2 Hệ thống thông tin địa lý – GIS

Hệ thống thông tin là tập các tiến trình xử lý dữ liệu thô để sản sinh ra các thông tin có ích cho công tác lập quyết định Chúng bao gồm tập các thao tác dẫn chúng ta đi

từ lập kế hoạch quan sát và thu thập dữ liệu tới lưu trữ và phân tích dữ liệu, tới sử dụng các thông tin suy diễn trong công việc lập quyết định[2] Theo quan niệm này thì bản đồ cũng là một loại hệ thông tin Bản đồ là tập hợp các dữ liệu, các thông tin suy diễn từ nó được sử dụng vào công việc lập quyết định Để hiệu quả, việc biểu diễn thông tin bản đồ phải rõ ràng, không nhập nhằng và quen với người dùng Hệ thông tin địa lý là hệ thông tin được thiết kế để làm việc với dữ liệu quy chiếu không gian hay tọa độ địa lý Khái niệm hệ thông tin địa lý được hình thành từ ba khái niệm địa lý, thông tin và hệ thống và được viết tắt là GIS ý nghĩa của chúng được diễn giải như sau đây:

• Geographic Information Systems (Mỹ)

• Geographical Information Systems (Anh, Ôxtrâylia, Canada)

• Geographic Information Science (nghiên cứu lý thuyết và quan niệm của hệ thông tin địa lý và các công nghệ thông tin địa lý)

• Geographic Information Studies (nghiên cứu về ngữ cảnh xã hội của thông tin địa lý như ngữ cảnh pháp lý, khía cạnh kinh tế)

Khái niệm “địa lý" (geographic) được sử dụng tại đây vì GIS trước hết liên quan đến các đặc trưng “địa lý” hay “không gian” Các đặc trưng này được ánh xạ hay liên quan đến các đối tượng không gian Chúng có thể là các đối tượng vật lý, văn hóa hay kinh tế trong tự nhiên Các đặc trưng trên bản đồ là biển diễn ảnh của các đối tượng không gian trong thế giới thực Biểu tượng, màu và kiểu đường được sử dụng để thể hiện các đặc trưng không gian khác nhau trên bản đồ 2D Khái niệm "geographic" đề cập đến bề mặt hai chiều, khí quyển ba chiều của Trái đất Còn khái niệm "spatial"

đề cập đến bất kỳ cấu trúc đa chiều nào, thí dụ ảnh y học tham chiếu đến cơ thể con người Do vậy, "geographic" là tập con của "spatial" Nhưng trong thực tế thì hai khái niệm này hay được sử dụng thay nhau

Khái niệm “thông tin" (information) đề cập đến khối dữ liệu khổng lồ do GIS quản lý Các đối tượng thế giới thực đều có tập riêng các dữ liệu chữ-số thuộc tính hay đặc tính (còn gọi là dữ liệu phi hình học, dữ liệu thống kê) và các thông tin vị trí cần cho lưu trữ, quản lý các đặc trưng không gian

Khái niệm “hệ thống" (system) đề cập đến cách tiếp cận hệ thống của GIS Môi trường hệ thống GIS được chia nhỏ thành các môđun để dễ hiểu, dễ quản lý nhưng chúng được tích hợp thành hệ thống thống nhất, toàn vẹn Công nghệ thông tin đã trở

thành quan trọng, cần thiết cho tiệm cận này và hầu hết các hệ thống thông tin đều được xây dựng trên cơ sở máy tính

Khái niệm "công nghệ thông tin địa lý" (geographic information technology) là các công nghệ thu thập và xử lý thông tin địa lý Chúng bao gồm ba loại cơ bản sau đây:

• Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS): đo đạc vị trí trên mặt đất trên cơ sở hệ thống các vệ tinh

• Viễn thám (remote sensing): sử dụng vệ tinh để thu thập thông tin về Trái đất

• Hệ thông tin địa lý (GIS)

1.2.1 Định nghĩa GIS

Hệ thống thông tin địa lý(Geographic Information System - gọi tắt là GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin được hình thành vào những năm 1960 và phát triển rất rộng rãi trong 10 năm lại đây 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 GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân 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 tọa độ của các dữ liệu đầu vào

Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về GIS, nhưng chúng đều có điểm giống nhau như: bao hàm khái niệm dữ liệu không gian, phân biệt giữa hệ thông tin quản lý (Management Information System - MIS) và GIS Về khía cạnh của bản đồ học thì GIS là kết hợp của lập bản đồ với trợ giúp của máy tính và công nghệ cơ sở dữ liệu (CSDL) So với bản đồ thì GIS có lợi thế là lưu trữ dữ liệu và biểu diễn chúng là hai công việc tách biệt nhau Do vậy GIS cho khả năng quan sát từ các góc độ khác nhau trên cùng tập dữ liệu Sau đây là một vài định nghĩa GIS hay được sử dụng[1]:

Định nghĩa của Viện Nghiên cứu Hệ thống Môi trường ESRI, Mỹ

GIS là công cụ trên cơ sở máy tính để lập bản đồ và phân tích những cái đang tồn tại và các sự kiện xảy ra trên Trái đất Công nghệ GIS tích hợp các thao tác CSDL như truy vấn và phân tích thống kê với lợi thế quan sát và phân tích thống kê bản đồ Các khả năng này sẽ phân biệt GIS với các hệ thông tin khác Có rất nhiều chương trình máy tính sử dụng dữ liệu không gian như AutoCAD và các chương trình thống kê, nhưng chúng không phải là GIS vì chúng không có khả năng thực hiện các thao tác không gian[1]

Định nghĩa của David Cowen, NCGIA, Mỹ

GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục được thiết kế để thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mô hình hóa và hiển thị các dữ liệu qui chiếu không gian để giải quyết các vấn đề quản lý và lập kế hoạch phức tạp

Độ phức tạp của thế giới thực là không giới hạn Càng quan sát thế giới gần hơn càng thấy được chi tiết hơn Con người mong mỏi lưu trữ, quản lý đầy đủ các dữ liệu

về thế giới thực Nhưng sẽ dẫn đến phải có cơ sở dữ liệu lớn vô hạn để lưu trữ mọi thông tin chính xác về chúng Do vậy, để lưu trữ được dữ liệu không gian của thế giới thực vào máy tính thì phải giảm số lượng dữ liệu đến mức có thể quản lý được bằng tiến trình đơn giản hóa hay trừu tượng hóa Trừu tượng là đơn giản hóa một cách thông minh Trừu tượng cho ta tổng quát hóa và "ý tưởng" hóa vấn đề đang xem xét Chúng loại bỏ đi các chi tiết dư thừa mà chỉ tập trung vào các điểm chính, cơ bản Các đặc trưng địa lý phải được biểu diễn bởi các thành phần rời rạc hay các đối tượng để lưu vào CSDL máy tính

Ý nghĩa chủ yếu của tin học hóa thông tin địa lý là khả năng tích hợp các kiểu và nguồn dữ liệu khác biệt Mục tiêu của GIS là cung cấp cấu trúc một cách hệ thống để quản lý các thông tin địa lý khác nhau và phức tạp, đồng thời cung cấp các công cụ, các thao tác hiển thị, truy vấn, mô phỏng Cái GIS cung cấp là cách thức suy nghĩ mới về không gian Phân tích không gian không chỉ là truy cập mà còn cho phép khai thác các quan hệ và tiến trình biến đổi của chúng

Hình 1-4 Lớp bản đồ

Tầng nhà ở Tầng đường quốc lộ Tầng khách hàng

Tầng biên Hành chính

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 trên hình 1-

4 Mỗi nhóm người sử dụng sẽ quan tâm nhiều hơn đến một hay vài loại thông tin Thí

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 Công thương quan tâm nhiều đến phân bổ 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 Thí 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

Hiểu biết của chúng ta về Trái đất là giới hạn vì thiếu thông tin cũng như thiếu tri thức Để quan sát vật thể quá nhỏ con người đã phát minh ra kính hiển vi, để quan sát vật thể quá lớn như toàn bộ Trái đất, con người đã phải sử dụng vệ tinh nhân tạo Hệ thông tin địa lý là công cụ tích hợp dữ liệu không gian theo tỷ lệ và thời gian khác nhau, theo các khuôn mẫu khác nhau Người sử dụng thông tin địa lý như các nhà khoa học, giám sát tài nguyên môi trường, lập kế hoạch phát triển đô thị đều làm việc theo vùng hay lãnh thổ Họ quan sát và đo đạc các tham số môi trường Họ xây dựng các bản đồ biểu diễn một vài đặc tính Trái đất Họ giám sát sự thay đổi xung quanh ta theo thời gian và không gian Cuối cùng, họ mô hình hóa các tác động, tiến trình trong môi trường Hiệu quả cơ bản của các hoạt động này sẽ được nâng cao nhờ

sử dụng hệ thông tin địa lý, một hình thức của hệ thống thông tin

1.2.2 Các thành phần của GIS

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

- Phần cứng (hardware)

- Phần mềm (software)

- Số liệu (Geographic data)

- Chuyên viên (Expertise)

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

Một cách chi tiết có thể giải thích bao gồm các hợp phần như sau:

1.2.2.1 Phần cứng (Hardware)

Phần cứng là hệ thống máy tính trên đó một hệ GIS hoạt động Ngày nay, phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng

Là các máy tính điện tử: PC, mini Computer, MainFrame … là các thiết bị mạng cần thiết khi triển khai GIS trên môi trường mạng GIS cũng đòi hỏi các thiết bị ngoại

vi đặc biệt cho việc nhập và xuất dữ liệu như: máy số hoá (digitizer), máy vẽ (plotter), máy quét (scanner)…

Hình 1-5: Các hợp phần thiết yếu cho công nghệ GIS

GIS

Hình 1-6 : Các thành phần phần cứng cơ bản của GIS

1.2.2.2 Phần mềm (Software)

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 Ðây 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 lĩnh hội được bởi 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 Biến đổi dữ liệu có thể được thực hiện trên dữ liệu không gian và thông tin thuộc tính một cách tách biệt hoặc tổng hợp cả hai

- 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 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 hỏi những chuyên viên hướng dẫn sử dụng hệ thống để thực hiện các chức năng phân tích và xử

lý các số liệu Đòi hỏi phải thông thạo về việc lựa chọn các công cụ GIS để sử dụng,

có kiến thức về các số liệu đang được sử dụng và thông hiểu các tiến trình đang và sẽ thực hiện

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

1.2.2.4 Số liệu, dữ liệu địa lý(Geographic data)

Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý (geo-referenced data) riêng lẽ 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 vị trí địa lý, thuộc tính (attributes) của thông tin, mối liên hệ không gian(spatial relationships) 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 hoá 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 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 Số liệu của ảnh vệ tinh

và số liệu bản đổ được quét (scanned map) là các loại số liệu Raster

- 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

Trong các dạng số liệu trên, số liệu 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 (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 dụng máy quét ảnh (Scanner)

1.2.2.5 Chính sách và quản lý(Policy and management)

Ðây là hợp phần rất 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 một 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

Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong 1 khung tổ chức 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 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 Trong quá trình hoạt động, mục đích chỉ có thể đạt được và tính hiệu quả của kỹ thuật GIS chỉ được minh chứng khi công cụ này có thể hỗ trợ những người sử dụng thông tin để giúp họ thực hiện 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

Như vậy, trong 5 hợp phần của GIS, hợp phần chính sách và quản lý đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, đây là yếu tố quyết định

sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS Trong phối hợp và vận hành các hợp phần của hệ thống GIS nhằm đưa vào hoạt động có hiệu quả kỹ thuật GIS, 2 yếu tố huấn luyện và chính sách - quản lý là cơ sở của thành công Việc huấn luyện các phương pháp sử dụng hệ thống GIS sẽ cho phép kết hợp các hợp phần: Thiết bị, Phần mềm, Chuyên viên và Số liệu với nhau để đưa vào vận hành Tuy nhiên, yếu tố chính sách và quản lý sẽ có tác động đến toàn bộ các hợp phần nói trên, đồng thời quyết định đến sự thành công của hoạt động GIS

1.2.3 Cấu trúc cơ sở dữ liệu trong GIS

Một cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý có thể chia ra làm 2 loại số liệu

cơ bản: số liệu không gian và phi không gian Mỗi loại có những đặc điểm riêng và chúng khác nhau về yêu cầu lưu giữ số liệu, hiệu quả, xử lý và hiển thị

Số liệu không gian là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng bao gồm toạ

độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ thể trên từng bản

đồ Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu không gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi, …

Số 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 số liệu phi không gian được gọi là dữ liệu thuộc tính, chúng liên quan đến vị trí địa lý hoặc các đối tượng không gian và liên kết chặt chẽ với chúng trong hệ thống thông tin địa lý thông qua một cơ chế thống nhất chung

1.2.3.1 Mô hình thông tin không gian

Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS, hệ thống GIS chứa càng nhiều thì chúng càng có ý nghĩa Dữ liệu của hệ GIS được lưu trữ trong CSDL và chúng được thu thập thông qua các mô hình thế giới thực Dữ liệu trong hệ GIS còn được gọi là thông tin không gian Đặc trưng thông tin không gian là có khả năng mô tả “vật thể ở đâu” nhờ

vị trí tham chiếu, đơn vị đo và quan hệ không gian Chúng còn khả năng mô tả “hình dạng hiện tượng” thông qua mô tả chất lượng, số lượng của hình dạng và cấu trúc Cuối cùng, đặc trưng thông tin không gian mô tả “quan hệ và tương tác” giữa các hiện tượng tự nhiên Mô hình không gian đặc biệt quan trọng vì cách thức thông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng thực hiện phân tích dữ liệu và khả năng hiển thị đồ hoạ của hệ thống

Hình 1-7: Định dạng dữ liệu Vector và Raster

 Hệ thống Vector

- Kiểu đối tượng điểm (Points)

Điểm được xác định bởi cặp giá trị(x,y) Các đối tượng đơn, thông tin về địa lý chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ được phản ánh là đối tượng điểm Các đối tượng kiểu điểm có đặc điểm:

hiện chiều dài và diện tích

Tỷ lệ trên bản đồ tỷ lệ lớn, đối tượng thể hiện dưới dạng vùng Tuy nhiên trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tượng này có thể thể hiện dưới dạng một điểm Vì vậy, các đối tượng điểm và vùng có thể được dùng phản ánh lẫn nhau

- Kiểu đối tượng đường (Arcs)

Đường được xác định như một tập hợp dãy của các điểm Mô tả các đối tượng địa lý dạng tuyến, có các đặc điểm sau:

và cắt nhau tại node

Hình 1-8: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm (point)

- 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, có các đặc điểm sau:

Polygons được mô tả bằng tập các đường (arcs) 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 mỗi một vùng

Hình 1-9: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng Arc

Hình 1-10: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon)

 Hệ thống Raster

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

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

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 phổ biến trong các bài toán về môi trường, quản lý tài nguyên thiên nhiên

Mô hình dữ liệu raster chủ yếu dùng để phản ánh các đối tượng dạng vùng là ứng dụng cho các bài toán tiến hành trên các 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 các ô (thường hình vuông) được sắp xếp trong một mảng hoặc các dãy hàng và cột Nếu có thể, các hàng

và cột nên được căn cứ vào hệ thống lưới bản đổ thích hợp

Việc sử dụng cấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết bị mất Với

lý do này, hệ thống raster-based không được sử dụng trong các trường hợp nơi có các chi tiết có chất lượng cao được đòi hỏi

1.2.3.2 Mô hình thông tin thuộc tính

Số liệu phi không gian hay còn gọi là thuộc tính là những mô tả về đặc tính, đặc điểm và các hiện tượng xảy ra tại các vị trí địa lý xác định Một trong các chức năng đặc biệt của công nghệ GIS là khả năng của nó trong việc liên kết và xử lý đồng thời giữa dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính Thông thường hệ thống thông tin địa lý có 4 loại số liệu 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 hoạt động thuộc vị trí xác định

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

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

Để mô tả một cách đầy đủ các đối tượng địa lý, trong bản đồ số chỉ dùng thêm các loại đối tượng khác: điểm điều khiển, toạ độ giới hạn và các thông tin mang tính chất mô tả (annotation)

Các thông tin mô tả có các đặc điểm:

Có thể nằm tại một vị trí xác định trên bản đồ

Có thể chạy dọc theo arc

Có thể có các kích thước, màu sắc, các kiểu chữ khác nhau

Nhiều mức của thông tin mô tả có thể được tạo ra với ứng dụng khác nhau

Có thể tạo thông tin cơ sở dữ liệu lưu trữ thuộc tính

Có thể tạo độc lập với các đối tượng địa lý ïcó trong bản đồ

Không có liên kết với các đối tượng điểm, đường, vùng và dữ liệu thuộc tính của chúng

Bản chất một số thông tin dữ liệu thuộc tính như sau:

- Số liệu tham khảo địa lý: mô tả các sự kiện hoặc hiện tượng xảy ra tại một vị trí xác định Không giống các thông tin thuộc tính khác, chúng không mô tả về bản thân các hình ảnh bản đồ Thay vào đó chúng mô tả các danh mục hoặc các hoạt động như cho phép xây dựng, báo cáo tai nạn, nghiên cứu y tế, … liên quan đến các vị trí địa lý xác định Các thông tin tham khảo địa lý đặc trưng được lưu trữ và quản lý trong các file độc lập và hệ thống không thể trực tiếp tổng hợp chúng với các hình ảnh bản

đồ trong cơ sở dữ liệu của hệ thống Tuy nhiên các bản ghi này chứa các yếu tố xác định vị trí của sự kiện hay hiện tượng

- Chỉ số địa lý: được lưu trong hệ thống thông tin địa lý để chọn, liên kết và tra cứu số liệu trên cơ sở vị trí địa lý mà chúng đã được mô tả bằng các chỉ số địa lý xác định Một chỉ số có thể bao gồm nhiều bộ xác định cho các thực thể địa lý sử dụng từ các cơ quan khác nhau như là lập danh sách các mã địa lý mà chúng xác định mối quan hệ không gian giữa các vị trí hoặc giữa các hình ảnh hay thực thể địa lý Ví dụ: chỉ số địa lý về đường phố và địa chỉ địa lý liên quan đến phố đó

- Mối quan hệ không gian: của các thực thể tại vị trí địa lý cụ thể rất quan trọng cho các chức năng xử lý của hệ thống thông tin địa lý Các mối quan hệ không gian có

nếu là số nhà bên lẻ hoặc nếu là bên chẵn thì cả hai đều phải là các số chẵn kề nhau Quan hệ Topology cũng là một quan hệ không gian Các quan hệ không gian có thể được mã hoá như các thông tin thuộc tính hoặc ứng dụng thông qua giá trị toạ độ của các thực thể

- Mối quan hệ giữa dữ liệu không gian và phi không gian: thể hiện phương pháp chung để liên kết hai loại dữ liệu đó thông qua bộ xác định, lưu trữ đồng thời trong các thành phần không gian và phi không gian Các bộ xác định có thể đơn giản là một số duy nhất liên tục, ngẫu nhiên hoặc các chỉ báo địa lý hay số liệu xác định vị trí lưu trữ chung Bộ xác định cho một thực thể có thể chứa toạ độ phân bố của nó, số hiệu mảnh bản đồ, mô tả khu vực hoặc con trỏ đến vị trí lưu trữ của số liệu liên quan Bộ xác định được lưu trữ cùng với các bản ghi toạ độ hoặc mô tả số khác của các hình ảnh không gian và cùng với các bản ghi số liệu thuộc tính liên quan

Sự liên kết giữa hai loại thông tin cơ bản trong cơ sở dữ liệu GIS thể hiện theo

sơ đồ sau:

Hình 1-11: Mối quan hệ giữa thông tin bản đồ và thông tin thuộc tính

Chương 2 - KHÁI QUÁT HÓA BẢN ĐỒ

2.1 Khái niệm khái quát hóa bản đồ

Thuật ngữ “khái quát hóa” (generalization) được sử dụng trong nhiều ngành khoa học và cuộc sống hàng ngày Trong khoa học, nó thường có nghĩa là rút ra một nguyên tắc chung từ những sự kiện cụ thể, và nguyên tắc này là một lập luận khoa học trong việc nghiên cứu các vấn đề ứng dụng chung Trong khoa học máy tính nó thường đề cập đến quá trình mô hình ngữ nghĩa của khái niệm nhóm có liên quan đến các kiểu thực thể, hoặc các lớp, lên mức cao hơn, các kiểu trừu tượng hơn, như là thành phần của một lược đồ phân loại kế thừa

Khái quát hoá bản đồ là phương pháp đặc biệt để lựa chọn và khái quát các yếu tố nội dung bản đồ, làm sáng tỏ và biểu thị lên bản đồ các đặc điểm đặc trưng, những nét

cơ bản, điển hình của đối tượng, hiện tượng và mối tương tác giữa chúng với nhau, làm nổi bật các qui luật tự nhiên và kinh tế xã hội Bản đồ phải phản ánh được đặc trưng cơ bản của hình dáng, số lượng, chất lượng và mối quan hệ tương hỗ của các yếu

tố nội dung - phản ánh được các yếu tố địa lí tự nhiên và kinh tế xã hội của khu vực thành lập bản đồ Khái quát hoá bản đồ giải quyết mâu thuẫn giữa tính vô hạn và phức tạp của các đối tượng nghiên cứu với tính có hạn và đơn giản của các phương pháp biểu thị bản đồ

Thuật ngữ “khái quát hóa” (generalization) - bắt nguồn từ tiếng latin generalis có nghĩa là cái chung, cái chủ yếu Nhiều khái niệm, định nghĩa khác nhau về khái quát hóa bản đồ đã được các nhà bản đồ đưa ra trong các công trình nghiên cứu Có thể kể đến[5]:

- Sukhốp (1970): Khái quát hoá bản đồ là sự biểu hiện, sự chọn lọc, sự khái quát các đối tượng, các hiện tượng và liên kết chúng khi biên vẽ bản đồ

- Dvorak (1964): Khái quát hóa bản đồ là quá trình giải quyết việc lựa chọn những đối tượng chính trong thế giới thực dựa trên cơ sở khoa học và phản ánh chúng trên lên bản đồ với những nét đặc trưng

- Weibel anh Dutton (1999): Khái quát hoá bản đồ có nhiệm vụ giảm bớt sự phức tạp trên một bản đồ trong quá trình thu nhỏ tỷ lệ bản đồ, làm nổi bật các yếu tố cần thiết trong khi loại trừ các yếu tố không quan trọng, duy trì mối quan hệ hợp lý và rõ ràng giữa các đối tượng bản đồ và bảo toàn tính thẩm mỹ cao

- Xalisép (1971): Khái quát hoá bản đồ là chọn cái chính, cái cơ bản và khái quát

nó theo hướng đề ra và để biểu thị lên bản đồ phần nào đó của thực tế những nét tiêu biểu, cơ bản, đặc trưng tương ứng với mục đích, đề tài và tỷ lệ bản đồ

- Musti và nnk (2000): Quá trình khái quát hoá đi từ việc mô tả chi tiết một đối tượng địa lý, xem xét tới mỗi phần của đối tượng, tới việc mô tả đối tượng một cách trừu tượng hơn và chỉ giữ lại các đặc tính của đối tượng cần thiết cho người sử dụng bản đồ

Hiệp hội bản đồ thế giới (ICA, 1973) đưa ra khái niệm khái quát hoá bản đồ là chọn lựa và đơn giản hoá sự thể hiện các chi tiết để phù hợp với tỷ lệ và/hoặc mục đích của bản đồ

Như vậy, Khái quát hoá bản đồ là sự lựa chọn và khái quát các đối tượng được thể hiện trên bản đồ phù hợp với mục đích sử dụng, nội dung, tỷ lệ bản đồ và đặc điểm lãnh thổ được thể hiện trên bản đồ Bản chất của khái quát hoá là thể hiện trên bản đồ các đặc điểm cơ bản, các tính chất đặc trưng của các đối tượng, hiện tượng và quan hệ Khái quát hoá được thực hiện thông qua khái quát hoá các đặc trưng chất lượng,

số lượng của các đối tượng, hiện tượng, biến đổi các khái niệm riêng thành khái niệm chung, lược bỏ các chi tiết thứ yếu để phản ánh các đặc điểm cơ bản

Khái quát hoá bản đồ không chỉ đơn thuần là lược bỏ những thông tin không cần thiết mà còn là sự tổng hợp tạo ra các thông tin mới đặc trưng cho đối tượng Mức độ khái quát hoá càng cao thì càng làm nổi bật những đặc điểm quan trọng của đối tượng, chỉ rõ các qui luật phân bố, phát triển và mối quan hệ tương tác giữa các sự vật, hiện tượng Chất lượng khái quát hoá bản đồ phụ thuộc vào trình độ hiểu biết, kinh nghiệm của người thành lập về các đối tượng và hiện tượng thể hiện trên bản đồ

Hiện nay công nghệ số đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều công đoạn thành lập và hiệu chỉnh bản đồ, song nhiều hãng thành lập bản đồ quốc gia vẫn đang thực hiện khái quát hóa bằng các phương pháp thủ công, hoặc với sự hỗ trợ của các công cụ trong một vài công đoạn Đó là vì kiến thức tổng hợp và kinh nghiệm của các nhà bản

đồ chưa thể định nghĩa cho máy tính Trong tương lai gần, quá trình khái quát hoá tự động sẽ được sử dụng trong phạm vi rộng hơn, nhờ khả năng xử lý nhanh của máy tính, nhờ tính năng của phần mềm tốt hơn và cải thiện khả năng hoạt động của hệ thống

Xuất phát từ định nghĩa của ICA về khái quát hóa bản đồ, McMaster và Shea (1992) đưa ra một định nghĩa tổng quát hơn về khái quát hóa bản đồ trong ngữ cảnh công nghệ số : Khái quát hóa tự động có thể định nghĩa như quá trình dẫn xuất dữ liệu (deriving) từ các nguồn dữ liệu, các tệp dữ liệu bản đồ được biểu tượng hóa hoặc số hóa, thông qua các biến đổi không gian và thuộc tính

Để phân biệt mức độ tự động trong khái quát hóa các nhà bản đồ đưa ra thuật ngữ Khái quát hóa hoàn toàn tự động (On -the-fly, Real - time) và Khái quát hóa trên màn hình (On-screen) hoặc tương tác (interactive) Các vấn đề của khái quát hóa hoàn toàn

tự động hiện chưa được giải quyết trọn vẹn Các phần mềm thương mại thường cung cấp các giải pháp khái quát hóa On screen đòi hỏi các mức độ can thiệp khác nhau của

kỹ thuật viên trong quá trình khái quát hóa

Từ những dẫn luận trên có thể đưa ra khái niệm về khái quát hóa bản đồ như sau:

Khái quát hóa bản đồ là quá trình chọn lọc, biến đổi và thể hiện bằng ngôn ngữ bản đồ các tập dữ liệu địa lý dẫn xuất từ cơ sở dữ liệu chi tiết phù hợp với mục đích sử dụng

Việc khái quát hóa bản đồ được thực hiện từ CSDL gốc thành các CSDL dẫn xuất và tiếp tục thực hiện khái quát hóa để đạt được CSDL theo tỷ lệ mong muốn Khái quát hóa thường được gắn với một việc giảm tỷ lệ biểu diễn dữ liệu, một ví dụ điển hình là việc thu được một bản đồ địa hình ở tỷ lệ 1:25.000 từ một bản đồ ban đầu

ở tỷ lệ 1:10.000 Khái quát hóa bản đồ không có nghĩa chỉ là sự đơn giản hóa và giảm

tỷ lệ Mà ngược lại, nó là kết quả của một quá trình rút gọn có hiểu biết và nhấn mạnh các điều chính yếu trong khi bỏ qua những điều không quan trọng, giữ lại tính logic và những mối quan hệ không nhầm lẫn giữa các đối tượng trong bản đồ, giữ lại tính rõ ràng của hình ảnh bản đồ, và tính chính xác nhiều nhất có thể

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khái quát hóa bản đồ

Quá trình khái quát hóa bản đồ chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, bao gồm mục đích sử dụng, nội dung, tỷ lệ bản đồ và đặc điểm đối tượng được thể hiện trên bản đồ Ngoài ra còn có thể kể đến ảnh hưởng của số lượng, chất lượng tư liệu dùng để thành lập bản đồ, phương pháp trình bày bản đồ, cũng như kỹ thuật và công nghệ thành lập bản đồ

Ảnh hưởng của mục đích sử dụng thể hiện trước hết ở sự lựa chọn các đối tượng, hiện tượng thể hiện trên bản đồ Những bản đồ cùng đề tài, tỷ lệ nhưng có mục đích sử dụng khác nhau thì mức độ chi tiết và phương pháp biểu thị các yếu tố nội dung cũng khác nhau Ví dụ trên bản đồ giáo khoa các yếu tố nội dung được giản lược, các ký hiệu có kích thước lớn hơn so với các bản đồ tra cứu cùng chủ đề Tương tự, bản đồ địa hình và bản đồ hành chính có mục đích sử dụng khác nhau Do đó trong khi bản đồ địa hình biểu hiện chi tiết các yếu tố cơ bản của hệ thuỷ văn, dáng đất, thực vật, vùng dân cư, đường giao thông, ranh giới hành chính, thì bản đồ hành chính chỉ biểu thị tỉ

mỉ yếu tố ranh giới hành chính và vùng dân cư, còn yếu tố hệ thuỷ văn và giao thông chỉ biểu thị khái lược, còn dáng đất, thực vật không biểu thị

Tỷ lệ bản đồ quyết định mức độ chi tiết của nội dung bản đồ và là yếu tố ảnh hưởng đến khái quát hoá được nhận biết rõ nhất Những bản đồ có cùng đề tài, cùng

mục đích sử dụng nhưng có tỷ lệ khác nhau thì mức độ khái quát hoá cũng khác nhau Bản đồ tỷ lệ càng lớn thì nội dung càng chi tiết, ngược lại tỷ lệ càng nhỏ thì nội dung càng khái lược Đây là điều không thể tránh khỏi vì từ tỷ lệ lớn sang tỷ lệ nhỏ diện tích vùng lãnh thổ trên bản đồ bị thu hẹp theo mức độ chuyển đổi tỷ lệ Do đó tỷ lệ bản đồ càng nhỏ càng phải loại bỏ nhiều chi tiết Ngoài ra tỷ lệ càng nhỏ thì phạm vi bao quát không gian của bản đồ càng lớn dẫn đến ý nghĩa của đối tượng trên bản đồ cũng thay đổi

Đề tài bản đồ xác định phạm vi các yếu tố nội dung cần thể hiện, xác định những yếu tố nào cần được thể hiện chi tiết, những yếu tố nào chỉ thể hiện sơ lược Chẳng hạn, trên bản đồ địa lý chung và bản đồ địa lý tự nhiên cùng tỷ lệ đều có thể hiện các điểm dân cư, nhưng nếu như trong trường hợp đầu các điểm dân cư là một trong các yếu tố nội dung thì trên bản đồ địa lý tự nhiên chúng chỉ có ý nghĩa định hướng, vì vậy

mà sẽ phải được lựa chọn và khái quát hóa với mức độ khác

Trong quá trình khái quát hoá bản đồ cần xét đến các đặc điểm địa lý lãnh thổ và đối tượng lập bản đồ Từng đối tượng được xem xét trong quan hệ với các đối tượng khác Chẳng hạn một nguồn nước, giếng nước ở vùng sa mạc có ý nghĩa rất lớn nên bắt buộc phải thể hiện trên bản đồ địa hình, nhưng ở vùng đồng bằng hay vùng ven biển có thể bỏ qua không thể hiện Sự lựa chọn khoảng cao đều đường bình độ cho bản

đồ địa hình các địa hình khác nhau cũng là một ví dụ

Số lượng, chất lượng tư liệu bản đồ ảnh hưởng đến quá trình khái quát hoá và chất lượng bản đồ Nếu tư liệu bản đồ về đặc điểm nào đó của đối tượng bản đồ không đầy đủ hoặc không đồng nhất thì không nên thể hiện đặc điểm đó của đối tượng trên bản đồ vì có thể sẽ khiến cho người đọc nhận thức không chính xác Chẳng hạn, với các điểm dân cư, nếu thông tin về số dân không đầy đủ hoặc đồng nhất thì không thể hiện thông tin về số dân trên bản đồ hoặc khái lược theo tiêu chí khác

Phương pháp biểu thị nội dung bản đồ được lựa chọn có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình và chất lượng khái quát hoá Màu sắc, kích thước, sự phân bố các ghi chú và ký hiệu cần phải được xem xét khi xác định các tiêu chí lựa chọn và khái lược các đối tượng bản đồ Chẳng hạn, trên bản đồ địa hình, dải rừng hẹp có thể thể hiện bằng phưong pháp ký hiệu tuyến tính hoặc phương pháp khoanh vùng với mức độ luợc

bỏ và khái quát hoá hình học khác nhau

Kích thước kí hiệu liên quan tới khả năng biểu thị nội dung bản đồ nên nó cũng ảnh hưởng tới khái quát hoá, sở dĩ như vậy là do kích thước càng lớn thì nội dung biểu thị càng ít và ngược lại Kích thước kí hiệu phụ thuộc vào lực phân giải của mắt người, khả năng vẽ và in bản đồ Công nghệ in bản đồ hiện nay có thể đạt được lực nét nhỏ nhất từ 0,06 - 0,08 mm Các qui định về khái quát hóa được xây dựng dựa trên kích

thước tối thiểu của các kí hiệu bản đồ như lực nét tối thiểu 0,1 mm, khoảng cách tối thiểu giữa hai nét 0,2 mm, diện tích tô màu tối thiểu - 1 mm2

2.3 Các hình thức khái quát hóa bản đồ

Theo McMaster và Shea (1992) thì khung làm việc của khái quát hóa được thể

hiện như trong bảng 2.1 Chúng bao gồm ba vùng thao tác mô tả tại sao cần khái quát hóa, khi nào phải khái quát hóa và khái quát hóa bằng cách nào[1]

Tiến trình khái quát hóa thường được chia nhỏ thành các tiến trình con Các tiến trình con đôi khi được gọi là toán tử, thao tác Người lập bản đồ quen sử dụng các khái niệm truyền thống là "chọn lựa", "đơn giản hóa", "tổ hợp" hay "thay thế" để mô tả các khía cạnh của khái quát hóa

Tại sao cần khái quát

Đơn giản hóa Làm trơn Kết hợp (aggregation) Pha trộn (amalgamation) Trộn

Collaspe Lọc Phóng to (exaggeration) Nâng cấp

Dịch chuyển Mục đích bản đồ và ý đồ

người dùng

Phù hợp với tỷ lệ bản đồ

Bảo toàn tính rõ ràng

Đo mật độ

Đo phân phối

Đo độ dài và đo góc

Đo hình dạng

Đo khoảng cách

Phân lớp Biểu tượng hóa

Hiệu quả về chi phí

Giảm thiểu tối đa dữ liệu

Tối ưu vùng nhớ lưu trữ

Chọn toán tử khái quát hóa Chọn thuật toán

Chọn tham số

Bảng 2-1: Khái quát hóa

Có thể phân chia các hình thức khái quát hóa bản đồ như sau:

- Chọn lọc

Các đối tượng biểu thị là hạn chế nội dung bản đồ phù hợp với mục đích, đề tài,

tỷ lệ và đặc điểm địa lý lãnh thổ lập bản đồ Lựa chọn thông thường được tiến hành theo trình tự từ các đối tượng chính yếu đến các đối tượng ít quan trọng hơn Những đối tượng có kích thước nhỏ nhưng có ý nghĩa quan trọng về phương diện nào đó vẫn phải thể hiện Chẳng hạn hầu hết các đối tượng có giá trị định hướng đều được thể hiện trên bản đồ địa hình bằng các ký hiệu phi tỷ lệ

Khi thành lập bản đồ có thể xác định tiêu chuẩn hoặc chỉ tiêu lựa chọn Tiêu chuẩn lựa chọn là giá trị giới hạn qui định kích thước hoặc ý nghĩa đối tượng cần thể hiện trên bản đồ khi khái quát hoá Ví dụ, trên bản đồ địa hình qui định thể hiện tất cả các hồ, ao có kích thước từ 4 mm2

trở lên, các đường địa giới hành chính từ cấp huyện trở lên Chỉ tiêu lựa chọn là chỉ số qui định mức độ lựa chọn Các chỉ tiêu lựa chọn được xây dựng nhằm điều hoà tải trọng bản đồ Ví dụ đối với bản đồ địa hình qui định khi chuyển từ tỷ lệ 1: 50.000 sang tỷ lệ 1: 100.000 giữ lại và thể hiện 1/3 số điểm dân

cư đối với vùng dân cư đông đúc, giữ lại 1/2 đối với vùng dân cư mật độ trung bình và thể hiện toàn bộ đối với vùng dân cư thưa thớt Hoặc qui định thể hiện không quá 10 điểm dân cư trên diện tích 1 dm2 Khi xây dựng chỉ tiêu lựa chọn và vận dụng cần chú

ý đến tương quan mật độ trong các khu vực khác nhau dẫn đến việc người sử dụng có thể có nhận thức không chính xác

- Khái quát hình dạng đối tượng (khái quát hoá hình học)

Là lược bỏ các chi tiết nhỏ, không quan trọng và nhấn mạnh các chi tiết đặc trưng của đối tượng Khái quát hình dạng đối tượng thường tuân thủ các tiêu chuẩn kích thước Những chi tiết nhỏ hơn tiêu chuẩn qui định nhưng lại có ý nghĩa về phương diện nào đó nhất định phải thể hiện và phóng to Chẳng hạn, khi biểu thị bờ biển phân cắt mạnh, cần loại bỏ các vũng, vịnh nhỏ, các mũi đất hẹp, phóng đại để biểu thị các

chi tiết đặc trưng Khi biên vẽ bản đồ người ta thường tiến hành liên kết, gộp các đối tượng nhỏ cùng loại vào một đường viền chung

Ví dụ khi thể hiện các vùng thực vật nằm sát nhau và có kích thước nhỏ hơn tiêu chuẩn có thể gộp vào thành một vùng lớn Trong quá trình khái quát hoá cần chú ý đến quan hệ giữa hình dạng đối tượng với các đối tượng khác, ý nghĩa của đối tượng Chẳng hạn, khi biểu thị nhóm đảo hoặc quần đảo, các đảo lớn và quan trọng có thể phóng to, các đảo nhỏ có thể lược bỏ không thể hiện nhưng nên tránh việc gộp các đảo nhỏ có thể gây nhận thức không đúng về đối tượng

- Khái quát các đặc trưng số lượng

Thể hiện ở việc chuyển thang liên tục sang thang phân cấp và tăng khoảng cách giữa các bậc thang Ví dụ khi thu nhỏ tỷ lệ bản đồ địa hình, khoảng cao đều giữa các đường bình độ cũng tăng lên, một số đặc trưng tiểu địa hình sẽ không được thể hiện Đối với bản đồ sử dụng phương pháp chấm điểm có thể thay đổi giá trị trọng số

- Khái quát các đặc trưng chất lượng

Là giảm bớt sự khác biệt về chất theo phương diện nào đó Để khái quát hoá, người ta có thể nhóm các đối tượng bằng các khái niệm chung Ví dụ trên bản đồ đất nông nghiệp tỷ lệ lớn, các loại đất được thể hiện chi tiết : đất trồng lúa một vụ, lúa hai

vụ, đất trồng ngô, đất trồng rau Trên bản đồ tỷ lệ nhỏ các loại đất nói trên được thể hiện bằng ký hiệu chung là đất trồng cây lương thực Một phương cách khái quát hoá các đặc trưng chất lượng khác là lược bỏ không thể hiện các nhóm đối tượng không quan trọng

- Khái quát hóa khái niệm

Thay thế các đối tượng hoặc khái niệm đơn giản bằng các ký hiệu tập hợp hoặc bằng các khái niệm chung Ví dụ khi không thể phân định ranh giới giữa rừng cây lá rộng và cây lá kim người ta thay bằng ký hiệu rừng hỗn hợp, cụm cây hỗn hợp Hoặc, nếu trên bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000 các điểm dân cư được thể hiện chi tiết bằng các đường viền khối nhà và nhà độc lập, thì trên bản đồ tỷ lệ 1: 50.000 chúng được thể hiện bằng đường viền các khu phố Trên bản đồ tỷ lệ nhỏ các điểm dân cư được thể hiện bằng ký hiệu phi tỷ lệ (thường là vòng tròn)

2.4 Khái quát hoá đối với dữ liệu vector

Shea và McMaster (1989) đã tổng kết 12 nhóm hoạt động khái quát hoá cơ bản mang ý nghĩa miêu tả tính chất của khái quát hoá tự động Nghiên cứu này đã có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của các phần mềm khái quát hoá trong suốt những năm

90 Các thuật ngữ dùng để chỉ các thao tác khái quát hoá được sử dụng trong các phần mềm thương mại có thể khác nhau, nhưng chúng đều có thể được liệt vào một trong các hình thức khái quát hoá do Shea và McMaster đưa ra, bao gồm 10 hoạt động biến đổi thông tin không gian và 2 hoạt động biến đổi thông tin thuộc tính[8]

- Làm trơn (Smoothing)

Là quá trình thực hiện di chuyển lại vị trí hoặc thay đổi cặp toạ độ để làm bằng phẳng, làm mịn những đường gấp khúc mà vẫn giữ được hầu hết các hướng quan trọng của đường Các thao tác này đưa ra một đối tượng đường dạng số với chất lượng thẩm

mỹ tốt Việc làm trơn đường đi cùng với yêu cầu tăng thêm số lượng các điểm toạ độ

và tăng dung lượng dữ liệu Hầu hết các thuật toán làm trơn đường thường sử dụng là các phương pháp dựa trên sự dịch chuyển trung bình, phép toán xấp xỉ

Biến đổi không gian

Biến đổi thuộc tính

Enhancement

- Giản lược hoá (Simplification)

Khi các cơ sở dữ liệu bản đồ ở tỷ lệ cơ bản được sử dụng để sản xuất các bản đồ

có các tỷ lệ nhỏ hơn, các hoạt động giản lược hoá được sử dụng để làm giảm dung lượng dữ liệu Quá trình đơn giản hoá cũng làm tăng khả năng hình dung các đặc điểm của các đối tượng không gian Các hoạt động đơn giản hoá chọn lựa các đặc điểm, miêu tả hình dạng, giữ lại các điểm đặc trưng loại bỏ điểm thừa, điểm không cần thiết, dựa trên các tiêu chuẩn hình học như khoảng cách giữa các điểm hoặc là khoảng cách

từ tâm đường, các đặc trưng của đường được hiển thị Kết quả các hoạt động giản lược hoá làm giảm bớt số lượng các điểm nhận được từ nguồn dữ liệu ban đầu mà không thay đổi các giá trị toạ độ x, y của chúng

Đường gốc Đường giản lược

Hình 2-2: Biểu thị kết quả giản lược hóa

Đường gốc Đường làm trơn

Hình 2-1: Biểu thị kết quả làm trơn