Hệ thống thông tin địa lý biển vịnh bắc bộ

Theo cách định nghĩa của dự án The Geographer’s Craft khoa địa lý trường đại học TEXAS : GIS là co sở dữ liệu CSDL số chuyên dụng trong đó hệ trục toạ độ không gian là phương tiện tham c

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

PHẦN I: HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ DỮ LIỆU BẢN ĐÒ SỐ 1 Khái niệm hệ thống thông tin địa lý (GIS) 4

2 Các phép chiếu không gian của GIS 7

3 Cơ sở dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý 11

4 Các phương pháp xây dựng bản đồ số 17

5 Khả năng làm việc của GIS 22

6 Các lĩnh vực ứng dụng GIS 23

PHẦN II: KIẾN TRÚC CỦA CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG GIS 1 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu GIS 27

2 Kiến trúc của chương trình ứng dụng GIS 31

PHẦN III: GIẢI PHÁP SÓ HOÁ VÀ TÓ CHỨC DỮ LIỆU BẢN ĐÒ VỊNH BẮC Bộ (VBB) 1 Giải pháp số hoá và tố chức bản đồ số VBB 34

PHẦN IV: GIỚI THIỆU VỀ MAPINFO, MAPX VÀ TỚ CHỨC DỮ LIỆU BẢN ĐỒ 1 Giới thiệu về MAPINFO 38

2 Giới thiệu về MAPX 39

3 Cách thức tổ chức dữ liệu bản đồ của MAPINFO 43

PHẦN V: PHÂN TÍCH, THIÉT KÉ VÀ XÂY DựNG CHƯƠNG TRÌNH 1 Phân tích các yêu cầu đặt ra cho chương trình 48

2 Phâ n tích chức năng nhận tín hiệu GPS 50

3 Phâ n tích và thiết kế chương trình 60

4 Thiết kế module của chương trình 71

KẾT LUẬN 76

Ngày nay thuật ngữ Hệ thống thông tin địa lý (GIS - Geography InFormation System) không còn xa lạ với những người làm việc trong lĩnh

vực tin học vì lợi ích thực tế và những hứa hẹn của GIS trong tưong lai Côngnghệ GIS có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: giao thông vận tải, quân

sự, quản lý đô thị, quản lý hệ thống viễn thông, thuỷ lợi Một hệ thống GIShoàn chỉnh kết hợp với kĩ thuật truyền thông và điện tử, một công ty vận tảibiến có thế biết vị trí các con tàu của mình với độ chính xác cao và được cậpnhật liên tục hành trình Hệ thống G1S được trang bị những luật suy diễn đúngđắn có thể đưa ra các dự đoán về ảnh hưởng của một dự án với môi trườngtrong tương lai nếu được tiến hành và từ đó đưa ra quyết định nên hay khôngnên tiến hành dự án đó Điều quan trọng là các thao tác đó được thể hiện trênmột giao diện bản đồ thân thiện nhằm đem lại cho người sử dụng một cái nhìntrực quan nhất cho mọi câu hỏi đặt ra khi tác nghiệp

Từ các lợi ích to lớn của GIS, em đã đi vào nghiên cứu các thế mạnh,khả năng của GIS với ước muốn xây dựng một chương trình tra cứu thông tinđịa lý biến đế công việc tác nghiệp của các ngành có sử dụng bản đồ trở nênhiệu quả hơn

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong khoaCông nghệ thông tin, trường Đại học Hàng Hải đặc biệt xin trân trọng cảm ơnđến thầy giáo Phạm Quý Phương đã giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thành đềtài này Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh công tác tại ban kĩ thuậttrung tâm biên vẽ bản đồ biến đoàn 6 Hải Quân đã có những ý kiến đóng gópquý báu đế em hoàn thành đề tài với kết qủa tốt nhất

PHẦN I

HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ ỨNG DỤNG TRONG

QUẢN LÝ DỮ LIỆU BẢN ĐÒ SÓ

l Khái niên hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Có nhiều cách hiểu cũng nhu định nghĩa khác nhau về GIS, song đều

có điếm giống nhau như: bao hàm dữ liệu không gian, phân biệt giữa hệ thôngtin quản lý và GIS So với bản đồ thì GIS lưu trữ và biểu diễn dữ liệu hoàntoàn độc lập với nhau GIS cung cấp khả năng quan sát trên các góc độ khácnhau với cùng một tập dữ liệu

Theo cách định nghĩa của dự án The Geographer’s Craft khoa địa lý

trường đại học TEXAS : GIS là co sở dữ liệu (CSDL) số chuyên dụng trong

đó hệ trục toạ độ không gian là phương tiện tham chiếu chính GIS gồm cáccông cụ đế thực hiện các công việc sau :

• Nhập số liệu từ bản đồ giấy, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, số liệutống họp từ các nguồn khác

• Lưu trữ dữ liệu, khai thác, truy vấn CSDL

• Biến đối dữ liệu, phân tích, mô hình hoá bao gồm các dữ liệuthống kê và dữ liệu không gian

• Lập báo cáo gồm các bản đồ chuyên đề, bảng biểu, kế hoạch

Từ định nghĩa trên cho thấy 3 vấn đề cơ bản của GIS:

• Thứ ba : GIS không chỉ đơn thuần là hệ thống phần cứng, phần

Theo cách định nghĩa của David Cowen (Hoa kỳ) : GIS là hệ thống

phần cứng, phần mềm và các thủ tục được thiết kế đế thu thập, quản lý, xử lý,phân tích, mô hình hoá và hiến thị các dữ liệu qui chiếu không gian đế giảiquyết các vấn đề quản lý và lập kế hoạch phức tạp

Độ phức tạp của thế giới thực là không giới hạn Đe lưu trữ, quản lýcác dữ liệu về thế giới thực cần có một CSDL lớn Khi lưu trữ dữ liệu này cầngiảm số lượng dữ liệu đến mức có thế quản lý được bằng các quá trình đơngiản hoá hay trừu tượng hoá Thực chất đó là quá trình tập trung chọn lọcnhững điểm cơ bản, đặc trưng nhất của đối tượng cần lưu trữ, loại bỏ các chitiết thừa không cần thiết đồng thời hình tượng hoá đổi tượng đó

Mục tiêu của GIS là: cung cấp cấu trúc một hệ thống để quản lý cácthông tin địa lý khác nhau và phức tạp, các công cụ, các thao tác hiển thị, truyvấn, mô phỏng GIS lưu thông tin về thế giới thực thành các tầng bản đồchuyên đề (Layer) có khả năng liên kết địa lý với nhau tù' các đổi tượng cóliên quan, khi thể hiện một bản đồ chuyên đề các layer tương ứng được gọi ra

Người sử dụng

Ví dụ bản đồ một thành phố có thế được tách thành các layer đế hiểnthị và lưu trữ dữ liệu như hình trên.

Vậy có thể hiểu GIS là một tập hợp có tổ chức gồm: phần cứng, phầnmềm, dữ liệu địa lý, con người được thiết kế để nắm bắt, lưu trữ, cập nhật,thao tác và hiến thị tất cả các dạng thông tin liên quan đến các vị trí địa lý

Phần cứng gồm: hệ thống máy tính, các thiết bị ngoại vi đặc biệt nhưbàn số hoá, máy vẽ, máy quét ảnh vào ra và thậm trí là cả các thiết bị côngnghệ cao phục vụ việc thu thập số liệu bản đồ như vệ tinh, máy bay viễnthám Các thiết bị này có thể được nối với nhau thông qua các thiết bị truyềntin hoặc trục tiếp với mạng cục bộ

Phần mềm gồm hệ điều hành hệ thống, phần mềm quản trị cơ sở dữliệu, phần mềm hiến thị đồ hoạ, các module chuông trình cung cấp cho người

sử dụng các công cụ quản lý và phân tích không gian dễ dàng và chính xác.Dựa trên mục tiêu xây dựng của hệ thống GIS mà lựa chọn các giải phápđồng bộ cho phần cứng và phần mềm

Dữ liệu GIS là phần quan trọng nhất trong một hệ thống GIS Đó làthông tin về các đối tượng của thế giới thực đựơc lưu trong máy tính sau khiđược trừu tượng hoá, đơn giản hoá qua các thiết bị phần cứng, phần mềm.Các thông tin này tồn tại dưới 2 dạng đó là các dữ liệu đồ hoạ (hình dạng, vịtrí tương đổi các đối tượng) và các dữ liệu thuộc tính (tính chất của các đốitượng) Dữ liệu GIS quyết định khả năng hoạt động của một hệ thống GIS vàđược xây dựng tuỳ thuộc mục đích hoạt động của hệ thống Trong quá trìnhxây dựng hệ thống thông tin địa lý GIS, việc xây dựng CSDL là vấn đề quantrọng nhất và chiếm nhiều thời gian công sức nhất.

Con người ở đây là các chuyên viên tin học, chuyên gia GIS, thao tácviên GIS, nhà cung cấp và phát triến ứng dụng GIS Nhiệm vụ của họ là xâydựng hệ thống GIS, thu thập cập nhật dữ liệu đồng thời duy trì sự hoạt độngthường xuyên của hệ thống GIS

2 Các phép chiếu không gian của GIS

2.1 Hệ thống tham chiếu không gian

Vị trí của vật thế trong không gian đều phải gắn liền với một hệ toạ độ.Trong GIS, đế biểu diễn dữ liệu không gian người ta thường dùng 2 hệ toạ độlà: hệ toạ độ địa lý và hệ toạ độ quy chiếu Hệ toạ độ địa lý là hệ toạ độ lấymặt cầu ba chiều bao quanh trái đất làm cơ sở Một điếm được xác định bằng

chiều thu được bằng cách chiếu dữ liệu bản đồ nằm trên hệ toạ độ địa lý vềmột mặt phang.

độ đó là: đường xích đạo và kinh tuyến chạy qua vùng Greenland nước Anh.Giao điếm giữa hai đường này là gốc toạ độ Hai đường này cũng đồng thờichia trái đất làm 4 phần bằng nhau: nửa Bắc và Nam nằm phía trên và dướicủa đường xích đạo; nửa Đông và Tây nằm ở phía bên phải và trái của kinhtuyến gốc

Một điểm nằm trên mặt cầu sẽ có hai giá trị toạ độ là kinh độ và vĩ độđược xác định như trong hình vẽ trên Giá trị này có thế được đo bằng độ theo

cơ số 10 hoặc theo độ, phút, giây

Miền giá trị của vĩ độ: -90° đến 90°

Miền giá trị của kinh độ: -180° đến 180°

Chỉ trên đường xích đạo thì khoảng cách một độ của vĩ tuyến mới bằngkhoảng cách một độ trên kinh tuyến Trên các vĩ tuyến khác khoảng cách nàykhác nhau rất nhiều Người ta tính rằng một độ trên kinh tuyến dài khoảng111,321 km trong khi 60° trên vĩ tuyến chỉ có độ dài 55,802 km Vì sự khácnhau này nên ta không thế đo chính xác được chiều dài và diện tích của đốitượng khi dữ liệu bản đồ được chiếu lên mặt phang

Trong hệ toạ độ địa lý có hai bề mặt hình cầu được sử dụng đó là: mặtcầu (tuyệt đối) và mặt Ellipsoid Vì bề mặt của trái đất của ta không phải làhình cầu tuyệt đối mà nó gần với hình Ellipsoid nên mặt Ellipsoid thườngđược dùng để biểu diễn Tuy nhiên đôi khi người ta cũng sử dụng mặt cầu đểcông việc tính toán dễ dàng hơn Khi tỷ lệ bản đồ rất nhỏ (nhỏ hơn1:5000.000) thì sự khác biệt giữa dữ liệu biếu diễn bằng mặt cầu và mặtEllipsoid là không thế phân biệt được bằng mắt thường Lúc này, mặt cầuđược dùng Nhưng khi tỷ lệ lớn hơn 1:1.000.000 thì người ta cần thiết phảidùng mặt Ellipsoid đế đảm bảo độ chính xác Do đó, việc lựa chọn mặt cầuhay mặt Ellipsoid phụ thuộc vào mục đích của bản đồ và độ chính xác dữ liệu.

Neu mặt cầu dựa trên hình tròn thì mặt Ellipsoid lại có cơ sở là hìnhEllip Hình Ellip được xác định bởi hai bán trục mà ta hay gọi là: bán trục lớn

và bán trục nhỏ Ta cho Ellip xoay quanh bán trục nhở ta sẽ thu được hìnhEllipsoid

Kích thước và hình dạng của Ellipsoid được xác định bởi bán trục lớn a

và bán trục nhỏ b, hay bởi a và hệ số dẹt f = (a - b) / a Vì hệ số/rất nhỏ nên người ta thường dùng giá trị l/f (1: bán kính xích đạo, f: bán kính cực).

2.3 Hệ toạ độ quy chiếu

Đe thuận tiện cho sử dụng người ta phải nghiên cứu cách thế hiện bềmặt trái đất lên trên mặt phang của bản đồ Do đó phải thực hiện phép chiếu

bề mặt cong của trái đất lên mặt phẳng và hệ toạ độ quy chiếu ra đời Hệ toạ

độ này luôn lấy hệ toạ độ địa lý làm cơ sở

Hệ toạ độ quy chiếu được đặc trung bởi hai trục X, Y theo phươngngang và thắng đứng Gốc toạ độ là giao điếm của hai trục này Hai trục giaonhau đồng thời chia mặt phẳng làm 4 phần tương ứng với 4 phần trong hệ toạ

độ địa lý Một điểm trên mặt được xác định được xác định bởi cặp giá trị(x,y)

Trong phần này ta sẽ tìm hiếu ba phép chiếu cơ bản và thường được sử

dụng nhất đó là phép chiếu với mặt chiếu: mặt hình nón, mặt hình trụ và mặt phang phương vị Bước đầu tiên khi tiến hành phép chiếu này là tạo ra một

hay một tập các điếm tiếp xúc Các điểm tiếp xúc này được gọi là các tiếpđiếm hay là tiếp tuyến Các điếm này có vai trò rất quan trọng, vì độ biếndạng của phép chiếu trên những điếm này bằng không Độ biến dạng sẽ tăngkhi khoảng cách giữa điếm chiếu và điểm tiếp xúc tăng

2.4.1 Mặt hình nón

Đe thực hiện phép chiếu này người ta dùng một mặt hình nón “úp” lên

bề mặt cầu Đường thẳng tiếp xúc giữa mặt nón và mặt cầu là một vĩ tuyến và

được gọi là vĩ tuyến chuẩn Các đường kinh tuyến sau khi chiếu mặt nón sẽ

thành những đường thẳng đứng, các đường vĩ tuyến sẽ tạo thành nhữngđường tròn Sau khi thực hiện phép chiếu, người ta sẽ cắt hình nón dọc theomột kinh tuyến bất kỳ, lúc này ta sẽ được kết quả của phép chiếu trên bề mặtnón Sự giao nhau giữa những đường thắng và cung tròn sẽ tạo nên một mặt

lưới Đường thẳng đối diện với đường cắt được gọi là kinh tuyến trung tâm Càng xa vĩ tuyến chuân độ biến dạng càng tăng Do đó để tăng độ chính xác

người ta cắt bỏ phần đỉnh của mặt nón hay ta không tiến hành chiếu lên vùngnày Phép chiếu này thường dùng cho việc chiếu các vùng có các vĩ tuyếntrung bình chạy qua và hướng theo chiều đông - tây

2.4.2 Mặt hình trụ

Như phép chiếu mặt nón, phép chiếu này cũng có một đường thắng tiếptuyến Khi sử dụng mặt trụ, người ta phân làm 3 loại tuỳ thuộc vào vị trítương đối của mặt trụ so với mặt cầu

Phép chiếu Mercator: Hình trụ được đặt theo phương thẳng đứng và

tiếp xúc với mặt cầu theo một vĩ tuyến, thường là đường xích đạo

Phép chiếu Transverse: Hình trụ được đặt theo phương nằm ngang,

đường thắng tiếp xúc là một kinh tuyến

Phép chiếu Oblique: Hình trụ đặt xiên và tiếp xúc với mặt cầu theo

một đường tròn có bán kính lớn nhất (bằng bán kính xính đạo)

Phép chiếu thường dùng nhất là Mercator Trong phép chiếu này, các

đường kinh tuyến sẽ được chiếu thành những đường thẳng đứng cách đềunhau, các đường vĩ tuyến sẽ trở thành những đường nằm ngang có khoảngcách không đều nhau và tăng dần về phía hai cực Do đó biến dạng sẽ tăngdần về phía hai cực Sau khi thực hiện phép chiếu, người ta sẽ cắt mặt hình trụdọc theo một kinh tuyến, trải ra trên mặt phang để thu được kết quả

2.4.3 Mặtphẳngphương vị

Là phép chiếu dữ liệu bản đồ lên một mặt phang tiếp xúc với mặt cầu.Điểm tiếp xúc này có thể nằm tại hai cực, tại đường xích đạo, hoặc tại một vịtrí bất kỳ nằm giữa Vị trí điểm tiếp xúc cho biết vị trí tương đối của mặt

phang chiếu với mặt cầu và tạo nên ba kiểu chiếu khác nhau: poỉar, equatoriaỉ và oblỉque.

Mặt phang chiếu tiếp xúc với cực của mặt cầu là kiếu chiếu đơn giảnnhất và cũng hay dùng nhất Trong phép chiếu này, các đường kinh tuyến sẽđược chiếu thành một chùm đường thẳng giao nhau ở điểm cực, vĩ tuyến làcác đường tròn có cùng tâm là cực của mặt cầu Góc giữa các đường kinhtuyến được bảo tồn

3 Co’ sở dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý GIS

Cơ sở dữ liệu (CSDL) trong GIS được hiếu là tập hợp lớn các dạng số

Điểm + x

Đường

Danh sách to ạ độ (toạ độcác điếm đầu, cuối và cácđiểm tại các vị trí cong)

cuối trùng nhau hoặc tậphợp các đường nếu có các

dữ liệu duy nhất để quản lý dữ liệu GIS đảm bảo được sự đồng bộ giữa CSDLkhông gian và phi không gian Giải pháp dùng các hệ quản trị CSDL khácnhau đế quản lý CSDL GIS tạo nên sự linh hoạt trong quá trình xử lý dữ liệu

Dữ liệu GIS (được lưu trữ trong máy tính)

3.1 Cơ sở dữ liệu không gian (cơ sở dữ liệu đồ hoạ)

Dữ liệu không gian là những mô tả dạng số của hình ảnh bản đồ, gồmtoạ độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ thểtrên tờ bản đồ Hệ thống thông tin địa lý dùng dữ liệu không gian đế tạo ramột bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết

bị ngoại vi

Bản đồ là bản vẽ thể hiện hình ảnh các đối tượng thực tế trên bề mặtquả đất qua quá trình trừu tượng hay đơn giản hoá đổi tượng đó Khi thế hiệncác đối tượng đó trên một vị trí không gian trong một hệ trục toạ độ thốngnhất GIS sử dụng hai mô hình dữ liệu không gian là: mô hình dữ liệu dạngVector và mô hình dữ liệu dạng Raster

3.1.1 Mô hình dữ liệu Vector

Biểu diễn các đặc trưng địa lý bằng các phần tử đồ hoạ cơ bản (điếm,đường, đa giác, bề mặt ba chiều và khối trong 3D) dựa trên việc quan sát đốitượng của thế gới thực

■ Mô hình hiệu quả

■ Chất lượng đồ họa hạn chế ■ Cấu trúc dữ liệu phức tạp

Điểm là thành phần sơ cấp của dữ liệu GIS trong mô hình vector, cácđiếm được nối với nhau bởi các đường đế tạo thành các thực thế khác Tuỳtheo tỷ lệ quan sát mà các thực thể được biểu diễn bằng các điểm, đường hayvùng Như vậy mô hình này sử dụng các điếm hay đoạn thẳng đế nhận biếtcác vị trí của vật thể trong thế giới thực nên phép thao tác nhiều hơn trên cácđối tượng so với mô hình Raster và việc tính toán các đặc điểm như diện tích,chu vi đặc biệt là tìm đường đi nhanh và hiệu quả hơn

Dữ liệu biếu diễn dạng Vector

3.1.2 Mô hình dữ liệu Raster

Số liệu được tạo thành từ ma trận các ô lưới với độ phân giải xác định.Mỗi ô lưới nhận một gía trị xác định tương ứng với thông tin mà nó lưu trữ.Neu độ phân giải nhỏ sẽ làm giảm độ chính xác về thông tin của các đốitượng cần lun trữ, nếu độ phân giải lớn thì cơ sở dữ liệu lưu trù’ yêu cầu cần

Dữ liệu biếu diễn dạng Raster

Biểu diễn dạng Vector, Raster

3.2 C0’ sỏ’ dữ liệu phi không gian (co’ sỏ’ dữ liệu thuộc tính)

Dữ liệu phi không gian mô tả các thông tin về đặc tính của các hình ảnhbản đồ Chúng được liên kết với các hình ảnh không gian thông qua các chỉ sốxác định chung thường được gọi là mã địa lý (GeoCode) được lưu trữ trong cảhai bản ghi không gian và phi không gian, số liệu phi không gian gồm các giátrị định tính, ví dụ thông tin về một hòn đảo là : tên đảo, diện tích đảo, các tàinguyên trên đảo và các đặc trung khác Thông tin về hệ thống phao tiêu là :dạng phao, tần số chớp sáng, ngày đưa vào sử dụng Thông thường các thôngtin phi không gian được lưu trữ độc lập với các file dữ liệu không gian và liênkết với nó qua chỉ số xác định chung

Hệ thống GIS có thế xử lý các thông tin phi không gian riêng rẽ và tạo

ra các bản đồ trên cơ sở các giá trị thuộc tính Phần lớn các phần mềm thôngtin địa lý cũng có thể hiển thị các thông tin phi không gian như các ghi chú

trên bản đồ hoặc là các tham số điều khiến cho việc lựa chọn hiển thị các kýhiệu bản đồ

4 Các phương pháp xây dụng bản đồ số

Xây dựng CSDL G1S là khâu quan trọng nhất và khó khăn nhất trongquá trình lập một hệ thống GIS, dữ liệu thu thập phải được xử lý sơ bộ trướckhi thực hiện các thao tác trên chúng

GIS có nhiều loại dữ liệu cần phải thu thập tùy vào mục tiêu phản ánhkhác nhau của hệ thống Thời gian đầu mới xuất hiện GIS, người sử dụngthường tự phát triển khuôn mẫu riêng đế lưu trữ dữ liệu, do vậy rất khó khănkhi chia sẻ và chuyến đối giữa các hệ GIS với nhau Việc nhập dữ liệu vàoGIS rất tốn kém thời gian, thường tiêu tốn tới 80% ngân sách của dự án Vìvậy, việc chia sẻ dữ liệu trở nên thông thường trong GIS và đấy nhanh quá

trình chuẩn hóa dữ liệu và phát sinh khái niệm dữ liệu về dữ liệu để mô tả

nguồn gốc và độ chính xác của các layer GIS Neu dữ liệu có sẵn không phùhợp thì phải tự sổ hóa bản đồ

Dữ liệu trong GIS gồm dữ liệu hình học và phi hình học (các thuộctính) được thu thập:

• Dưới dạng sổ như bản đồ số hóa, CSDL, bảng tính, ảnh vệ tinh

• Phi số hóa như bản đồ giấy, ảnh chụp, các bản vẽ

• Dữ liệu trắc địa

• Tổng hợp từ các nguồn khác

chính xác trong khoảng vài xentimet đến đêximet Phương pháp nàykhông cần sử dụng các thiết bị quá hiện đại xong phải thực hiện mộtcách tỉ mỉ, thời gian thực hiện lâu và thường được sử dụng xây dựngcác bản đồ số không yêu cầu độ chính xác quá cao.

• Phương pháp định vị bằng vệ tinh: thực hiện nhò' hệ thống định vị toàncầu (GPS) Máy thu GPS hiển thị vị trí bằng chữ và số của lưới tọa độchọn trước Lưới tọa độ là mẫu vuông hay chữ nhật đặt trên bản đồ.Lưới dùng đế mô tả vị trí nhờ tổ hợp chữ và số Khi sử dụng GPS thuđược địa lý vectơ hai và ba chiều Độ chính xác của GPS được nângcao khi có hai máy cùng xác định một điếm thường nằm trong khoảng1-2 xentimet đến 10-20 met Đây là phương pháp xây dựng các bản đồyêu cầu độ chính xác gần như tuyệt đối nhưng phải sử dụng các thiết bịhiện đại như vệ tinh viễn thám, máy định vị GPS do đó cần người thựchiện phải có trình độ cao và chi phí thực hiện tốn kém

• Chụp ảnh bằng máy bay hay vệ tinh: sử dụng các thiết bị hay cảm biến

để thu thập từ xa các quan hệ phổ và không gian của đối tượng quansát Các ảnh do vệ tinh chụp được gửi về qua sóng radio và phải được

xử lý theo đế thu về thông tin cần thiết Độ chính xác phương pháp phụthuộc vào chất lượng ảnh truyền và cách xử lý dữ liệu ảnh Dữ liệu ảnh

sẽ được đưa qua phần mềm nhận dạng từ đó sẽ đưa về dạng bản đồ đã

số hoá

Anh chụp thành phố từ máy bay sau đó qua chương trình nhận dạng đã xác định

được vị trì nhà và đường giao thông

Bàn số hoá gồm bàn nhỏ chứa lưới dây kim loại mịn đặt theo các trụcĐecác Con trỏ chứa cuộn dây kim loại và được nối với bàn đế ngườithao tác xác định điểm cần ghi Vị trí chính xác được xác định nhờ dấuthập phân mỏng tại đầu con chạy Trên con trỏ còn có các phím đếnhập dữ liệu hay nhập mã lệnh Công nghệ chung nhất của bàn số hóadựa trên nguyên tắc điện từ Lưới dây trong bảng nhỏ và cuộn dây củacon trỏ hoạt động như bộ thu, bộ phát hay ngược lại Nếu con trỏ là bộphát thì bộ điều khiến của bàn sẽ quét lưới dây kim loại theo chiều X và

Y đế tìm ra vị trí chữ thập mỏng đầu con trỏ

Mục tiêu chính của tiến trình chuyển đối thông tin không gian từ dạngtuyến tính sang dạng số hóa là đảm bảo quan hệ bản đồ:

■ Đảm bảo các liên kết tồn tại giữa các điếm

■ Các đường song song được bảo toàn

■ Bảo toàn các vị trí tương đổi, tuyệt đối, tính liền kề

■ Các đường gần sát không được cắt nhau

Tiến trình số hóa thường bắt đầu bằng cố định bản đồ gốc lên mặt bàn

sổ hóa Trước hết phải số hóa các điếm điều khiến hay lưới tọa độ đếđăng ký hệ thống tọa độ, sau đó mới đến các đặc trưng Một phần quantrọng của số hóa bản đồ là đảm bảo thông tin tham chiếu địa lý, biểu thịbằng lưới và các đường kinh vĩ tuyến Phần lớn bản đồ tỷ lệ trung bình

và tỷ lệ lớn (trên 1:50.000) đều chứa lưới vùng cơ sở cho phép chuyếnđổi tuyến tính từ tọa độ số hóa sang tọa độ lưới Neu bản đồ không bịbiến dạng hay không đòi hỏi độ chính xác cao thì chỉ cần ba điểm điềukhiến tọa độ không thẳng hàng, nếu cần chính xác cao thì cần nhiềuđiếm hơn (thường là 20) Bàn số hóa có hai chế độ nhập tọa độ điếm vàđường Trong chế độ điểm, bàn số hóa phát sinh tọa độ mỗi khi nhấnphím trên con chạy, chế độ này thường áp dụng đế số hóa đặc trung

điểm như độ cao, thành phố trong bản đồ tỷ lệ nhỏ và các đặc trưngđường hay đa giác như hệ thống sông ngòi, đường biên hành chính.Chế độ đường nhằm tăng tốc độ số hóa các đặc trưng đường hay đagiác vì chúng tự động ghi lại tọa độ các điểm khi thao tác viên dịchchuyển con trỏ.

• Số hóa bản đồ giấy tự động bằng máy quét, phương pháp này sử dụngmáy quét có độ phân giải cao quét các bản đồ giấy về dạng ảnh, sau đóbằng các chương trình số hoá bản đồ chúng sẽ được đưa về dạngRaster Thông qua dạng Raster các chương trình số hoá bản đồ sẽ xácđịnh các biên đổi tượng và qua đó một lần nữa biến đối chúng về dạngVector Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc hoàn toàn vào độphân giải của máy quét và độ chính xác của bản đồ giấy

Anh bản đồ VBB được quét vào máy tính

Bán đồ số VBB sau khi được số hoá bằng cách xác đinh các biên

Ví dụ khi mã hoá bản đồ VBB với tỷ lệ 1:1.000.000 bằng phương pháptrên chúng ta cũng chỉ thu được bản đồ số VBB có độ chính xác tươngđương với bản đồ giấy

• Sử dụng các CSDL số hóa có sẵn Nội dung của phương pháp này làcác bản đồ chuyên đề khi được xây dựng có thế sử dụng một hoặcnhiều layer bản đồ của các bản đồ chuyên đề khác Ví dụ xây dựng bản

đồ số khu vực sống của các loài cá trong nghành thuỷ sản, có thế dùnglayer nền đáy biến trong bản đồ số của ngành tài nguyên môi trường.Tuy nhiên phương pháp này lại không được sử dụng nhiều do việc xâydựng dữ liệu GIS trong các ngành ở Việt Nam là tự phát không theomột tiêu chuẩn cụ thể nào, do đó khi sử dụng một phần bản đồ từ cácnghành khác thì phải chỉnh sửa nhiều đế phù hợp với bản đồ chuyên đềcần xây dựng Quá trình này mất nhiều thời gian do đó thường cácngành tự số hoá bản đồ theo chuẩn của mình

5 Khả năng làm việc của GIS

GTS được xây dựng dựa trên tri thức của nhiều ngành khoa học khácnhau để tạo ra một ngành khoa học mới, trong đó:

• Ngành địa lý: liên quan nhiều tới vấn đề hiếu thế giới và vị trí của connguời trong thế giới, cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian.

• Ngành bản đồ: bản đồ chính là dữ liệu đầu vào của GIS đồng thòi cũng

là khuôn mẫu quan trọng nhất của đầu ra GIS

• Công nghệ viễn thám, ảnh máy bay: ảnh viễn thám và ảnh máy bay lànguồn dữ liệu quan trọng của GIS Bản đồ địa hình: cung cấp dữ liệu cóchất lượng cao về vị trí của ranh giới đất đai, nhà cửa

• Ngành đo đạc, thống kê: cung cấp các vị trí cần quản lý và các phươngpháp phân tích dữ liệu GIS Đặc biệt quan trọng trong việc hiếu các lỗihoặc tính không chắc chắn trong dữ liệu GIS

• Khoa học tính toán: tự động thiết kế bằng máy tính cung cấp các kỹthuật nhập, hiển thị, biểu diễn dữ liệu Đồ họa máy tính cung cấp công

cụ đế quản lý, hiển thị các đổi tượng đồ họa Quản trị cơ sở dữ liệuđóng góp phương pháp biểu diễn dữ liệu dạng số, các thủ tục thiết kế

hệ thống, lưu trữ, xâm nhập, cập nhật khối dữ liệu lớn Trí tuệ nhân tạo

sử dụng máy tính lựa chọn trên cơ sở các dữ liệu có sẵn bằng phươngpháp mô phỏng trí tuệ con người

• Toán học: các ngành như hình học, đồ thị được sử dụng trong thiết kế

và phân tích dữ liệu không gian

6 Các lĩnh vực ứng dụng GIS

GIS có khả năng dùng dữ liệu không gian và phi không gian từ cácnguồn khác nhau khi thực hiện phân tích không gian để trả lời các câu hỏi củangười dùng như:

• Vị trí ở đâu? : chỉ ra một hoặc nhiều vị trí trong việc xây dựng các bàitoán tìm kiếm một hoặc nhiều đối tuợng trên bản đồ số theo các yêucầu của người dùng Các đối tượng sau khi được tìm kiếm sẽ hiển thịlên bản đồ số một cách trực quan.

• Cái gì thay đổi từ ? : câu hỏi liên quan trực tiếp đến các dữ liệu khônggian tạm thời, ví dụ như câu hỏi liên quan tới phát triến thành phố sẽđưa ra các vùng qui hoạch chính trên bản đồ GIS Khả năng này củaGIS chỉ có được khi kết hợp nó với một hệ chuyên gia, khi đó thôngqua các dữ liệu được cung cấp và các luật suy diễn GIS sẽ đưa ra cáckết quả trực quan trên bản đồ số

• Đường đi nào tốt nhất từ đến ? : dựa trên cơ sở mạng lưới của đường

đi cho biết đường đi nào là rẻ nhất, ngắn nhất mở rộng ra là đường điqua một hệ thống điểm

• Giữa và có quan hệ gì? : câu hỏi này khá phức tạp tác động trênnhiều tập dữ liệu như quan hệ giữa vị trí nhà máy và địa phương, khíhậu và vùng sản xuất

• Cái gì xẩy ra nếu ? : câu hỏi liên quan đến các hoạt động lập kế hoạch

và dự án như khi nâng cấp hệ thống giao thông thì ảnh hưởng thế nàotới mạng lưới cung cấp điện, điện thoại, nước, dân cư

Dưới đây là một vài ứng dụng chủ yếu của GIS trong thực tế:

• Quy hoạch đô thị và nông thôn : Hầu hết các dữ liệu quy hoạch đều liênquan mật thiết với địa lý hay vị trí không gian Các bài toán quy hoạchthường bao gồm việc chọn địa điểm thích hợp, chọn tuyến, phân vùngphát triển, vùng cấm hay vùng cần được bảo tồn Như vậy quá trìnhquy hoạch tạo ra một khung cảnh rất thuận lợi cho việc ứng dụng GIS,các nhà quy hoạch có thế sử dụng các công cụ GIS đế nhập, quản lý,phân tích dữ liệu, mô hình hoá không gian, trình bày các kết quả xử lý

dữ liệu dưới dạng bản đồ và báo cáo.

• Quản lý kinh doanh : Khả năng công nghệ GIS giúp dở thực hiện cácquyết định kinh doanh tốt hơn thông qua phân tích thị trường Địa điểmkinh doanh là điếm mấu chốt, đảm bảo vị trí của công nghệ trong cộngđồng kinh doanh

• Quản lý hành chính và phân bổ dân sổ : Khả năng của công nghệ hệthông tin địa lý về mô tả đồ hoạ và phân tích số liệu dân số mở ranhững cơ hội cho một sự phân tích tin cậy trong quá trình trợ giúpquyết định và tạo ra các quyết định, chính sách phù hợp

• Quản lý hạ tầng cơ sở : GIS là một công cụ hữu hiệu trong công tácphát triển, bảo trì và quản lý các hệ thống tiện ích như hệ thống cấpthoát nước, gas, điện và truyền thông tin

• Đo đạc và biên vẽ bản đồ : Hệ thông tin địa lý là một công cụ đặc biệtphù hợp với các công việc của ngành đo đạc bản đồ Nó giúp xây dựngcác bản đồ cơ sở một cách nhanh chóng và chính xác, chuyến đối dữliệu bản đồ thuận tiện Các cơ quan đo đạc bản đồ đã đi đầu trong lĩnhvực tụ' động hoá bản đồ Cơ quan bản đồ quốc phòng, nội vụ và một số

cơ quan khác của Mỹ đã có chương trình tự động xây dựng bản đồ sốđồng loạt

• Thăm dò dầu khí và khoáng sản : Các nhà địa chất, địa vật lý đã bắt đầuứng dụng công nghệ GIS trong công tác thăm dò dầu khí và khoángsản, cụ thể là vạch định các vùng có triển vọng và bố trí các lỗ khoanthăm dò

• Y tế : Các cơ quan y tế có thể sử dụng hệ thông tin địa lý đế lập vàphân tích các bản đồ thế hiện sự phân bố, lan truyền dịch bệnh đế cócác biện pháp ứng phó có kết quả

• Địa chính : Trong lĩnh vực địa chính, GIS được sử dụng để nhập, lưu

trữ, cập nhật các thông tin đất đai như danh giới giữa các thửa đất, chủ

sở hữu hợp pháp, loại đất, mức thuế

• Tài nguyên và môi trường : GIS được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vựcquy hoạch, quản lý tài nguyên và môi trường ở các địa phương, quốcgia, khu vục và toàn cầu Cụ thế là quy hoạch và quản lý các tài nguyênđất, nước, sinh vật, theo dõi và đánh giá môi trường

• Giao thông vận tải : Công nghệ GIS cung cấp cho các công ty vận tảihàng hóa đường bộ, đường sắt, đường hàng không, đường sông vàđường biển các công cụ mới để tăng năng lực cạnh tranh thị trường.Các ứng dụng giao thông vận tải của GIS bao gồm quy hoạch, quản lýđường, phân tích tai nạn giao thông và xử lý ùn tắc

• Quốc phòng : Các ứng dụng của GIS trong quân đội bao gồm phân tích

và mô hình hoá địa hình, quy hoạch và quản lý các cơ sở quốc phòng.Quân đội dùng hệ thông tin địa lý đế huấn luyện và diễn tập

• Giáo dục và đào tạo : GIS được sử dụng rất có hiệu quả trong công tácgiáo dục và đào tạo đại học và sau đại học, các dự án nghiên cứu về cáckhía cạnh lý thuyết, công nghệ và ứng dụng của GIS Ngoài ra nhờ ápdụng công nghệ GIS có thế xây dựng được các giáo cụ trực quan giúpviệc học tập và nghiên cứu của sinh viên trở nên hiệu quả hơn

PHẦN II

1 Hệ quản trịCSDLGIS

Hệ quản trị CSDL (Database Management System- DBMS) là một hệcung cấp các phương pháp xử lý dữ liệu trong CSDL, các xử lý đó có thế làtruy nhập dữ liệu, cập nhật dữ liệu theo khuôn mẫu xác định hay thực hiện cáctính toán trên các dữ liệu trong CSDL Một hệ quản trị CSDL phải đảm bảo

được tính toàn vẹn dữ liệu

1.1 Mô hình khái niệm

Đế xây dựng CSDL ta phải hình thành các mô hình khái niệm và mô

chúng đế trợ giúp các tiến trình CSDL Kỹ thuật thường dùng để xây dựng mô

hình khái niệm là mô hình hóa quan hệ thực thế (entry relationshỉp- ER) Đặc

tính của mô hình này là tụ’ phù hợp với chuyển đổi vào mức trừu tượng CSDLthấp hơn, trước hết là phân cấp, mạng và thực thế ER được biểu diễn bằng sơ

đồ quan hệ thực thể (entry relationship diagram- ERD), trong đó các thành

phần chính như thực thể, quan hệ và thuộc tính được biểu diễn bởi các hìnhchữ nhật, thoi và ovan, liên kết giữa chúng là các đường thắng, ví dụ:

Sơ đồ quan hệ thực thể

1.2 Mô hình ngữ nghĩa

Cung cấp mức trừu tượng cao hơn đế biểu diễn các chức năng thế giớithực của hệ quản trị CSDL Mô hình này dùng khái niệm “ đối tượng “ thaycho khái niệm “ thực thể “ khi đề cập tới vật thế thực đã mô hình hóa Sơ đồ

mô hình ngữ nghĩa đưa ra một số phương pháp trừu tượng đế phân biệt cácquan hệ khác nhau, các trừu tượng này bao gồm: phân layer, khái quát, tậphợp và kết họp

Phân layer được phản ánh trong mô hình ngữ nghĩa bằng các tiến trìnhkhái quát hóa, chúng chuyến một số kiểu đối tượng cùng chia sẻ vài đặc tínhlên mức cao hơn Tiến trình phân layer có thế được xem như một khía cạnhcủa khái quát hóa Tuy nhiên do mục đích mô hình hóa dữ liệu nên tiến trìnhphân layer chỉ được áp dụng cho đối tượng mức thấp trong phân cấp Các đốitượng mức thấp này được gọi là thẻ, tập các thẻ phân thành kiểu Khi các kiểuđược tập hợp lại đê hình thành kiêu phức tạp hơn thì khái niệm khái quát hóađược dùng Như vây, phân layer là bước đầu tiên sử dụng cho khái quát hóa,chúng còn được gọi là quan hệ “là kiếu của” (a kind oí) hay “nó_là” (is_a)

Hệ thống thông tin địa lý biển Vịnh Bắc Bộ

Ket quả của mô hình hóa khái niệm là biếu diễn rõ ràng các thực thế vàthuộc tính của chúng và toàn bộ các quan hệ giữa các thực thể để thỏa mãnnhu cầu khai thác, lưu trữ thông tin đã dự đoán trước Mục đích của mô hình

dữ liệu lôgic là biểu diễn các thành phần mô hình khái niệm theo quan niệmtính toán của loại CSDL cụ thể

là một thuộc tính hay trường Vì bản ghi là tập các giá trị và quan hệ là tậpcác bản ghi nên quan hệ là tập của các tập Quan hệ được biếu diễn như cácbảng

Việc quản lý CSDL không gian nảy sinh vấn đề liên quan đến xác địnhbản ghi trong CSDL Dữ liệu không gian bao gồm tập các tọa độ đế hìnhthành đường, cung, đa giác Trong CSDL quan hệ chuấn thì các dữ liệu nhưvậy phải được ghi vào các bản ghi riêng biệt, kết quả sẽ làm tăng kích thướclưu trữ trong bộ nhớ và giảm khả năng xâm nhập nhanh dữ liệu CSDL hướngđối tượng giải quyết được vấn đề này và nhiều khía cạnh khác liên quan

1.5 CSDL hướng đổi tượng

Là xu thế mới trong công nghệ phần mềm và thiết kế CSDL, thích hợpvới CSDL GIS hơn các mô hình trước kia Các mô hình trước hướng bản ghinghĩa là dữ liệu sắp xếp theo tòng bản ghi nên các đối tượng bản đồ phải lưutrữ trong vài bản ghi trong các tệp khác nhau Mô hình CSDL hướng đốitượng có thế vượt qua khó khăn này bằng cách biếu diễn trung thực hơn thế

giới thực, bao gồm các đối tượng bên trong và ngoài Ví dụ như dữ liệu trắcđịa có thế nhóm thành các layer đế biếu diễn các thực thế tưong tự, phưongpháp tiệm cận công nghệ này cho khả năng dữ liệu không gian được lưu trữtrong sơ đồ cấu trúc phong phú và hoàn hảo.

2 Kiến trúc của chưomg trình ứng dụng GIS

Trong chương trình ứng dụng GIS, CSDL là thành phần quan trọngnhất, có thể coi đây là trọng tâm của chương trình Do đó kiến trúc của mộtchương trình ứng dụng GIS chính là cách thức sử dụng hệ quản trị CSDL đếquản lý CSDL của chương trình Có 2 phương pháp chính sử dụng hệ quản trịCSDL trong một chương trình GIS, đó là phương pháp sử dụng một hệ quảntrị CSDL duy nhất đế quản lý dữ liệu đồ hoạ và dữ liệu thuộc tính Phươngpháp này có ưu điểm luôn đảm bảo tính thống nhất và tồn tại duy nhất vềCSDL giữa dữ liệu đồ hoạ và dữ liệu thuộc tính nhưng kém linh hoạt Phươngpháp thứ 2 là sử dụng hai hay nhiều hệ quản trị CSDL đế quản lý riêng rẽ dữliệu đồ hoạ và dữ liệu thuộc tính, phương pháp này có độ linh hoạt cao, tiếtkiệm thời gian và thao tác trong quá trình xử lý dữ liệu

Ngày nay, hầu hết các hệ thống thông tin được xây dựng xung quanhCSDL quan hệ Tuy nhiên, GIS đòi hỏi CSDL của mình không những lưu trữđược các đối tượng mà còn có khả năng tìm kiếm trực tiếp và tính toán dữliệu không gian Do đó, hệ thống GIS thương mại đều xây dựng CSDL dựatrên một trong ba kiến trúc sau:

• Kiến trúc đối ngẫu

GIS có hai hệ thống CSDL tách biệt, một cho dữ liệu đồ hoạ và mộtcho dữ liệu thuộc tính Kiến trúc này tách thành các hệ con đế lưu trữ và truynhập dữ liệu không gian, và thông tin thuộc tính được lưu trữ trong RDBMS.Các thành tố đồ hoạ và thuộc tính của các đối tượng được liên kết với nhaubởi chỉ danh duy nhất Đe xâm nhập đối tượng phải truy nhập cả hai hệ consau đó tổ hợp kết quả Lợi thế của kiến trúc này là từng phần trên cơ sởRDBMS chuẩn cho nên việc lưu trữ và truy nhập có hiệu quả cao nhưng bất

lợi ở chỗ không bảo đảm tính toàn vẹn dữ liệu như trong trường hợp thực thể

Kiến trúc đối ngẫu của GIS

• Kiến trúc tầng

Lưu cả dữ liệu không gian trong mô hình dữ liệu quan hệ, thực thế đồ

ho ạ phải được tách ra làm nhiều phần đế lưu vào các bảng khác nhau Đe truycập tới dữ liệu cần thực hiện kết nổi các bảng, hệ thống chạy chậm và khó sửdụng, đế tránh khó khăn ta hình thành giao dịch không gian trong tầng đỉnhcủa CSDL quan hệ chuẩn Tầng này có trách nhiệm thông dịch câu lệnh truyvấn đồ hoạ thành câu lệnh SQL chuẩn, kết quả sẽ cho truy nhập không giannhanh hơn nhưng truy vấn phức tạp hơn

Kiến trúc phân tầng của GIS

• Kiến trúc tích họp

Phần mở rộng không gian được tích hợp vào DBMS, khi đó ngôn ngữtruy vấn được mở rộng bởi khả năng truy vấn các kiếu hình học và các toán tủ'không gian như tính toán khoảng cách, giao điếm, chu vi Mô hình GIS kiếunày có hai giải pháp tích họp là:

■ Mở rộng hệ quản trị dữ liệu thương mại chuấn cho dữ liệu không gian

Công cụ GIS

Giao diện người

dùng

Mở rộng DBMS thương mại

CSDL thuộc tính và

hình học

Công cụ GIS Giao diện người dùng

Mở rộng DBMS tự thiết kế

CSDL thuộc tính và hình học Tệp đồ họa

Tệp tôpô Bảng thuộc tính

Tệp đồ họa Tệp tôpô Bảng thuộc tính