BAI GIẢNG GIS (Geographgic Information Systems)

Bài giảng rất chi tiết đầy đủ về sử dụng phần mền GIS (Geographgic Information Systems). Bài giảng rất hay được rất nhiều đọc giả đánh giá là bổ ích cho công việc học tập nghiên cứu, tạo ra một nhu cầu đột biến, giúp người sử dụng hiểu biết kiến thức về kỹ thuật GIS. Mặt khác để tạo điều kiện thuận lợi cho công tác quản lý, điều hành và ra quyết định, các nhà lãnh đạo đang mong muốn cần có một sự hỗ trợ về tài chính để chuyển tất cả số liệu(bản đồ giấy) sang dạng số phù hợp cho sử dụng GIS. Những người làm công tác đào tạo và sinh viên sử dụng thông tin tiếp cận công nghệ GIS để nâng cao việc phân tích theo chiều rộng và chuyên sâu

GIS trong LÂM GHIÊP

(Geographic Information System)

ViÔn th¸m

Chøc n¨ng thu nhân dữ liệu

Chøc n¨ng ph©n tÝch

Hệ thống định vị toàn cầu

Chương I

Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý

( Overview of GIS)

I Giới thiệu (Introduction)

Hệ thống thông tin địa lý (GIS: Geographgic Information Systems) đó bắt đầu được sử dụng rộng rói ở cỏc nước phỏt triển hơn 2 thập kỷ qua, đõy là một dạng ứng dụng cụng nghệ tin học nhằm mụ tả thế giới thực mà loài người đang sống-tỡm hiểu-khai thỏc Hệ thống thông tin địa lý là hệ thống dựa trên cơ sở máy tính, được sử dụng để lưu trữ sửa đổi, cập nhật và trao đổi thông tin điạ lý giữa các cơ quan và tổ chức với nhau Với những tớnh năng ưu việt, GIS ngày nay đang được ứng dụng trên tất cả mọi lĩnh vực nghiờn cứu và quản lý, đặc biệt trong lĩnh vực lõm nghiệp (lõm sinh, quản lý bảo vệ rừng) và mụi trường

Áp dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) đ= tạo ra một nhu cầu đột biến, đòi hỏi người sử dụng phải hiểu biết kiến thức về kỹ thuật GIS Mặt khác để tạo điều kiện thuận lợi cho công tác quản lý, điều hành và ra quyết định, các nhà l=nh đạo đang mong muốn cần có một sự hỗ trợ về tài chính để chuyển tất cả số liệu(bản đồ giấy) sang dạng số phù hợp cho sử dụng GIS Những người làm công tác đào tạo và sinh viên sử dụng thông tin tiếp cận công nghệ GIS để nâng cao việc phân tích theo chiều rộng và chuyên sâu Hệ thống thông tin địa lý (GIS) sẽ giúp đỡ chúng ta làm ra các loại bản đồ, hợp nhất thông tin, giải quyết các vấn đề phức tạp và đề xuất các giải pháp có hiệu quả mà chưa từng

được thấy trước đây Làm bản đồ và phân tích thông tin không phải là mới, nhưng hệ thống thông tin địa lý (GIS) thực hiện nhiệm vụ này tốt hơn và nhanh hơn phương pháp truyền thống Công nghệ GIS chỉ cần ít một số người có kỹ năng sử dụng thông tin để

đưa ra quyết định và giải quyết các vấn đề phức tạp trong thực tiễn sản xuất

II Lịch sử phát triển (A brief history of GIS)

Trên thế giới hệ thống thông tin địa lý (GIS) được phát triển từ năm 1960, ở thời kỳ này các nhà nghiên cứu và quản lý tài nguyên thiờn nhiờn trong các lĩnh vực cần có một

sự hợp nhất số liệu từ các nguồn khác nhau để phục vụ cho công tác phân tích và cung cấp thông tin cho tiến trình đưa ra quyết định quản lý và qui hoạch tài nguyên Ba nhân

tố quan trọng được tạo ra trong hệ thống thông tin kỹ thuật số ở năm 1960 là:

• Tinh chế trong kỹ thuật can vẽ bản đồ

• Phát triển nhanh chóng hệ thống kỹ thuật số trên máy vi tính

Ở Việt nam công tác điều tra, theo dõi diễn biến tài nguyên, qui hoạch và quản

lý rừng, việc ứng dụng kỹ thuật tin học nói chung và hệ thống sử lý thông tin bản đồ GIS trên máy tính nói riêng là một nhu cầu cấp bách và quan trọng hiện nay Sử dụng máy

tính để xử lý số liệu rừng được áp dụng từ những năm 1968 - 1970, song ở nước ta đến nay phần sử lý thông tin trên bản đồ chủ yếu làm theo phương pháp truyền thống (làm bằng thủ công)

Từ năm 1987 - 1991 trên cơ sở tiến bộ vượt bậc của máy tính PC (Personal Computer) đ= tiến hành thiết kế xây dựng và hoàn thiện hệ chương trình GIS trên PC để

xử lý trên máy tính các bản đồ rừng, hệ phần mền này gọi là FEWGIS ( Forest Environment Willge Geographic Information System), đến nay kỹ thuật GIS đ= được hoàn thành từng bước và mở rộng áp dụng trong xử lý bản đồ rừng

III Hệ thống thông tin địa lý là gì? (What is GIS?)

Hệ thống thông tin địa lý là một bộ cụ dựa trên cơ sở máy tính để làm ra bản đồ, phân tích các vật thể xảy ra trên bề mặt của trái đất, giúp cho việc thu nhận, lưu trữ phục hồi, chuyển đổi và biểu diễn số liệu về không gian đáp ứng cho một mục đích đặc biệt Công nghệ GIS hợp nhất các cơ ở dữ liệu chung như phân tích thống kê và phân tích địa lý để làm ra các loại bản đồ, bảng biểu, và đồ thị đáp ứng cho các mục đích khác nhau Khả năng này được phân biệt giữa hệ thống thông tin địa lý (GIS) với các hệ thống thụng tin khác và khả năng ứng dụng rộng r=i của nó trong thực tiễn sản xuất, đặc biệt là trong sản xuất Nông Lâm nghiệp

Những quan niệm khác nhau về GIS

a) GIS được định nghĩa dựa trên cơ sở hộp công cụ (toolbox-based definitions)

Ưu điểm của công nghệ GIS là hợp nhất dữ liệu từ nhiều nguồn khỏc nhau: công nghệ GIS có thể được sử dụng để phân tích ảnh viễn thỏm (không ảnh và ảnh vệ tinh) để tạo ra các mô hình thống kê hoặc làm ra bản đồ, tất cả các khả năng này được cung cấp cùng nhau trong một GIS

Một bộ công cụ đầy sức mạnh có một số những vai trò và khả năng khác nhau như lưu trữ, phục hồi, chuyển đổi và hiển thị số liệu không gian từ thế giới thực (Burrough 1986)

Một hệ thống để giữ,phục hồi, kiểm tra, thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu (Bộ môi trường Anh, 1987)

Một công nghệ thông tin để lưu trữ, phân tích và hiển thị cả số liệu không gian và thuộc tính (Parker, 1988)

b) GIS được định nghĩa là một cơ sở dữ liệu (database definitions)

Hệ thống thông tin địa lý liên quan đến việc áp dụng cơ sở dữ liệu, nhưng có một

sự khác nhau quan trọng, tất cả các thông tin ở một GIS được liên kết trong một phạm vi không gian Cơ sở dữ liệu khác có thể chứa đựng thông tin về vị trí ( như địa chỉ của một con đường, m= vùng ), nhưng một cơ sở dữ liệu GIS sử dụng phạm vi địa lý như là những phương diện khởi đầu để phục hồi và tiếp cận thông tin

Theo Smith và đồng nghiệp 1989 cho rằng: GIS là một hệ thống cơ sở dữ liệu

mà trong đú hầu hết số liệu khụng gian được lập thành bảng và một bộ thủ tục cỏc hoạt động để trả lời những cõu hỏi truy vấn về tớnh nguyờn vẹn của số liệu khụng gian trong

cơ sở dữ liệu

Đối với Stan Aronoff 1989, ụng định nghĩa GIS như là một bộ cụng cụ dựa trờn

cơ sở sử dụng mỏy tớnh để phục hồi và thao tỏc dữ liệu tham khảo địa lý

c) GIS được định nghĩa dựa trờn cơ sở tổ chức (Organazation –based definitions)

Một bộ chức năng tự động, cung cấp chuyờn nghiệp với những khả năng chuyờn sõu để phục hồi, lưu trữ, thao tỏc, hiển thị số liệu liờn quan đến vị trớ địa lý (Ozemoy, Smith và Sicherman 1981)

Theo Davis,1986: GIS là một cái phễu chứa đựng nhiều dạng số liệu kỹ thuật số

mà có thể phục hồi và phân tích trong một hệ thống đáp ứng cho các mục đích sử dụng tiếp theo

GIS được coi như là một ma trận về chức năng, số liệu được nhập, lưu trữ, phục hồi và phân tích trong một hệ thống thông tin địa lý phục vụ nhiệm vụ đưa ra quyết định hoặc cho một nghiên cứu cụ thể Bởi vậy Cowen (1988) đó cho rằng GIS là một hệ thống

hỗ trợ quyết định liờn quan đến hợp nhất số liệu khụng gian trong một mụi trường giải quyết cỏc vấn đề phức tạp về thế giới thực

IV Thành phần của một hệ thống thông tin địa lý (Components of A GIS)

Theo Span Davis (1996): Một GIS bao gồm có 4 thành phần: Phần cứng, phần mền,

số liệu, và con người Nhưng theo ESRI, 1997: Một GIS gồm có 5 thành phần, ngoài 4 thành phần trờn cũn cú thờm thành phần phương phỏp Thực tế đ= chứng minh rằng con người đ= sử dụng hệ thống thông tin điạ lý bằng nhiều các phương thức khác nhau

Hỡnh 1.1a: Thành phần chính của một GIS ( nguồn Span Davis, 1996)

Hỡnh 1.1b: Thành phần chính của một GIS ( nguồn ESRI, 1997)

Thực hiện các hoạt động của một GIS và có những chức năng chính như sau:

♦ Thiết bị nhập số liệu: Bàn nhập số liệu vector ( degitizing table), máy scan nhập số liệu raster, và bàn phím

♦ Thiết bị lưu trữ số liệu: Đĩa cứng, CD Rom, và đĩa mền

b) Hệ thống phõn tớch địa lý cung cấp các công cụ hỗ trợ phân tích, đưa ra các câu hỏi và hình dung về địa lý Thụng qua hệ thống phõn tớch địa lý, chỳng ta cú thể mở rộng khả năng truy vấn và tỡm kiếm vấn dữ liệu bao gồm cả khả năng phõn tớch dữ liệu dựa vào vị trớ khụng gian Hoạt động phan tớch dữ liệu được thực hiện thụng qua chồng lớp bản đồ "overlay"

c) Hệ thống hiển thị bản đồ: Hệ thống này cho phộp hiện thị bản đồ trờn màn hỡnh mỏy tớnh GIS cung cấp cỏc loại bản đồ với chất lượng cao, cho phộp hiển thị nhiều lớp dữ liệu phức tạp, trỡnh bày và hiển thị cỏc thành phần bản đồ linh động như chỳ thớch, thước tỷ lệ, bản đồ nhiều màu sắc và những ký hiệụ và tương tỏc cao trờn màn hỡnh

d) Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu: Hệ thống QLCSDL cho phộp nhập, quản lý và phõn tớch dữ liệu thuộc tớnh cũng như cỏc dữ liệu khụng gian Hệ thống này quản lý cỏc

dữ liệu thuộc tớnh như cỏc thụng tin dạng bảng, thống kờ Nhưng quan trọng nhất là cung cấp khả năng phõn tớch dữ liệu thuộc tớnh

e)Hệ thống phõn tớch thống kờ: Hệ thống này cung cấp cả một số thủ tục chuyờn húa để phõn tớch thống kờ cỏc dữ liệu khụng gian cũng như cỏc thủ tục phõn tớch thống kờ truyền thống

f) Hệ thống xử lý ảnh: Một số phần mềm GIS cũn cú khả năng phõn tớch ảnh viễn thỏm và cung cấp cỏc phõn tớch thống kờ chuyờn húa, vớ dụ phần mềm Arview cú thờm phần mềm mở rộng xử lý ảnh: ArcView Image Analyst Phần mềm mở rộng này cho phộp thu nhận ảnh viễn thỏm dạng thụ và chuyển sang dạng dữ liệu bản đồ giải đoỏn (ảnh Quịckbird, Landsat, ALOS SPOT) theo cỏc thủ tục phõn loại khỏc nhau

Chức năng chớnh của phần mềm

-Cung cấp cụng cụ hập và thao tỏc với thụng tin địa lý

-Cung cấp hệ thống lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu

-Cung cấp cụng cụ cho phộp truy vấn, phõn tớch, hiện thị và chuyển đổi dạng dữ liệu

-Cung cấp giao diện đồ họa cho người sử dụng dễ dàng truy xuất và hiển thị dữ liệu

Các phần mềm ứng dụng trong GIS:

Cỏc phần mềm GIS cú ưu việt trong phõn tớch khụng gian và thuộc tớnh và mụ hỡnh húa địa hỡnh Cỏc phần mềm này được gọi là cỏc chương trỡnh của hệ thống thụng tin địa lý, gồm cú phần mềm:

- ARC/info (ESRI)

- ArcView (ESRI)

- Genamap(Genasys)

- SPANS (Tydac technologies )

Cỏc chương trỡnh bản đồ mỏy tớnh cung cấp nhiều chức năng để hiển thị và làm bản đồ để thỏa món nhu cầu người sử dụng, nhưng bị giới hạn khả năng cỏc phõn tớch dữ liệu khụng gian và thuộc tớnh Cỏc phần mềm này gọi là cỏc chương trỡnh làm bản đồ bằng mỏy tớnh, đại diện là phần mềm:

- MapInfo ( mapInfo corporation)

Phần mềm cụng cộng là những chương trỡnh GIS phỏt triển bởi cỏc trường đại học và chớnh phủ hoặc Người sử dụng cú thể download miễn phớ gồm cỏc phần mềm như:

- IDRIDI (clark University)

- GRASS (U.S.Army-Cerl)

Mỗi một phần mền có những đặc tính ưu việt riêng biệt và có một mối liên hệ với nhau và đáp ứng cho từng lĩnh vực khác nhau Vì vậy trước khi ứng dụng cần phải lựa chọn phần mền cho phù hợp

3 Dữ liệu (data)

Số liệu là thành phần quan trọng nhất của một GIS, số liệu địa lý và số liệu bảng biểu liên quan có thể được thu thập từ những cơ quan/ người cung cấp Một GIS sẽ hợp nhất số liệu không gian với các nguồn số liệu khác

Có hai dạng thông tin: Số liệu vị trớ : Phân bố về điểm, đường và diện tích và số liệu thuộc tính: đặc điểm của điểm, đường và diện tích GIS có thể lưu trữ số liệu ở dạng cấu trúc Raster và Vector

Dữ liệu nhập vào GIS từ nhiều các nguồn khác nhau: từ số liệu đ= có sẵn chuyển

đổi thành dạng số (Vớ dụ : Từ bản đồ thành quả gốc nhập vào máy vi tính thông qua bàn

số húa( digitizing table ) hoặc từ dữ liệu dạng số ( Vd: từ ảnh viễn thám, từ số liệu thu

được thông qua thiết bị GPS) Lựa chọn số liệu tuỳ thuộc vào các yếu tố như: Số liệu có sẵn, gía trị của nó, độ chính xác mong muốn, và tỷ lệ/ độ phân giải của nó cho một lĩnh vực áp dụng cụ thể Các phương pháp nhập/thu nhận dữ liệu vào GIS bao gồm:

• Nhập số liệu bằng bàn phím

• Từ phím của bàn số húa digitizer

• Từ đo đạc

• Từ ảnh viễn thám: ảnh vệ tinh và khụng ảnh ( ảnh số: digital image)

Từ điều tra trực tiếp trên hiện trường

• Từ hệ thống định vị toàn cầu ( GPS : Global Positioning System)

Hỡnh 1.2 : Phương pháp nhập số liệu vào GIS

Khả năng của GIS tuỳ thuộc vào số lượng và chất lượng của dữ liệu sử dụng Dữ liệu là một trong những phần đắt nhất của một GIS ( có thể chiếm từ 60 đến 70 % tổng toàn bộ giá trị)

4 Con người (people)

Hệ thống thông tin địa lý cần những người có kỹ năng để điều khiển và quản lý hệ thống, yêu cầu những người này phải hiểu biết về nguyên lý, khái niệm và các lĩnh vực

áp dụng của GIS, và được coi như là một phần quan trọng nhất của cơ sở hạ tầng GIS Con người có thể giải quyết các nhiệm vụ khác nhau như: Nhập số liệu, quản lý cơ sở dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích số liệu, và tạo ra sản phẩm Theo ông Titan và Juppenlatz đ= phân loại ra các loại nguồn nhân lực như sau:

- Các thành viên thu thập số liệu: Bao gồm, người thu thập số liệu, và chụp ảnh

- Các thành viên kỹ thuật: Bao gồm những người phân tích dữ liệu: Phõn tớch thụng tin

để giải quyết cỏc vấn đề, làm thỏa món những yờu cầu thụng tin của người sử dụng Người điều hành hệ thống để duy trỡ hệ thống GIS hoạt động Lập trỡnh viờn chương trình: Chuyển đổi những ứng dụng của người phõn tớch thành chương trỡnh và người quản lý dữ liệu: Xây dựng cơ sở dữ liệu

- Cán bộ quản lý: Nhà quản lý chịu trách nhiệm điều hành, theo dừi thực hiện và quản

lý chất lượng dự ỏn GIS

Cơ sở dữ liệu kỹ thuật số

Chương II Bản đồ và hệ thống thông tin địa lý

(Map and Geographic Information Systems)

2.1 Giới thiệu ( Introduction)

Bản đồ là một công cụ không thể thiếu được trong các tài liệu phân tích, đánh giá

và xây dựng kế hoạch phát triển kinh tế x= hội nói chung và kế hoạch phát triển ngành nông Lâm nghiệp nói riêng Bản đồ cho ta thấy toàn cảnh thu nhỏ của đơn vị sản xuất/

đơn vị hành chính giúp cho chúng ta nhìn lại tình hình, hiện trạng sản xuất Nông lâm nghịêp một cách toàn diện và tổng quát từ đó gợi ý cho các ông chủ rừng/ người chủ sở hữu nảy sinh ra những ý tưởng mới cho kế hoạch phát triển trong tương lai Trước khi chưa cú hệ thụng thụng tin địa lý, dữ liệu thường được lưu trữ ở dứơi dạng bản đồ giấy, tuy nhiờn bản đồ giấy đó bộc lộ một số những nhược điểm sau:

Xõy dựng bản đồ rất tốn kộm và mất nhiều thời gian

Khụng thể cập nhật thụng tin theo từng thời kỳ

Hiển thị lượng thụng tin trờn bản đồ rất hạn hạn chế, rất khú hiển thị nhiều thụng tin bởi vỡ nếu đưa nhiều thụng tin vào thỡ rất khú sử dụng

Bản đồ giấy chỉ cung cấp cỏc dữ liệu định tớnh mà khụng thể phõn tớch định lượng

Khú phõn tớch nhiều lớp dữ liệu khụng gian từ cỏc lớp bản đồ khỏc nhau như độ dốc, hướng phơi, độ cao, thảm thực vật che phủ và thổ nhưỡng…

Hiện nay, nhu cầu cỏc tài liệu sử dụng nhanh, đũi hỏi cung cấp thụng tin chớnh xỏc và thường xuyờn cập nhật cho cỏc mục đớch đặc biệt Do vậy, bản đồ truyền thống (giấy) khụng cũn thuận tiện nữa

Vào những năm 1960, một số nhà địa lý đó cú ý tưởng mụ hỡnh húa khụng gian lưu trữ dự liệu trờn mỏy tớnh, đú là một bản đồ đơn giản cú thể mó húa, thuận tiện cho cụng việc sửa chữa khi cần thiết, cú thể hiển thị bản đồ trờn màn hỡnh và in ra giấy Lỳc đầu, bản đồ điện toỏn thể hiện cỏc đối tượng điểm, và cỏc đường thẳng ở dưới dạng dữ liệu vector và chữ (text) Về sau do sự đỏi hỏi đũi hỏi thu thập và phõn tớch một khối lượng lớn thụng tin khụng phải bản đồ, vớ dụ ứng dụng trong ngành địa chớnh để quản lý

và lưu trữ thụng tin về quyền sở hữu đất… Vào lỳc này thuật ngữ Bản đồ mỏy tớnh được thay thế bởi thuật ngữ GIS

Bản đồ là nguồn số liệu cung cấp cho GIS

Truyền thống về ngành làm bản đồ là rất quan trọng cho GIS

Thực chất về hệ thống tin điạ lý(GIS) là phân tích thông tin trên bản đồ và khắc phục những giới hạn trong phân tích thông tin/ số liệu theo phương pháp truyền thống ( thủ công)

Một trong những chủ đề mà được thảo luận trong chương này là ngành làm bản đồ

và mối quan hệ của nó với GIS: Hệ thông tin địa lý (GIS) và ngành làm bản đồ, đặc biệt

là làm bản đồ tự động bằng mày vi tính khác nhau như thế nào?

2.2 Khái niệm về bản đồ ( denifition of map)

Bản đồ là toàn cảnh thu nhỏ một cách toàn diện và tổng quát của đơn vị sản xuất/đơn vị hành chính, chuẩn hoá về tỷ lệ trên một mặt phẳng trong một mối quan hệ với bề mặt của trái đất

Thông tin địa lý thể hiện trên một bản đồ tuỳ thuộc vào:

2.4 Phân loại bản đồ (Categories of map)

Phân loại theo tỷ lệ: Phõn ra làm tỷ lệ lớn, trung bỡnh và tỷ lệ nhỏ Sự phõn loại này cú tớnh chất tương đối, khụng cố định, phụ thuộc vào nhúm nội dung Đối với bản

đồ địa lý chung phõn ra:

+ Bản đồ đất, địa chất, khí hậu, kinh tế x= hội

2.5 Giá trị của bản đồ (Values of map)

- Ghi và lưu trữ các thông tin địa lý

- Truyền thông về các thông tin số liệu

- Biểu diễn số liệu: biết được danh giới, diện tích và thuộc tính của nó

- Phục vụ cho công tác điều tra và phân tích

Ví dụ về sử dụng bản đồ trong công tác điều tra và phân tích:

- Đo đếm về sự thay đổi sử dụng đất ( động thái về hiện trạng sử dụng đất): So sánh 2 bản đồ trên cùng một khu vực ở 2 thời điểm khác nhau thông qua giấy bóng kính và

đo đếm sự thay đổi bằng thước đo hoặc bằng lưới ô vuông, cách làm này rất mất nhiều thời gian và rất phức tạp trong trường hợp chúng ta chồng bản đồ ở nhiều thời

điểm và nhiều nguồn số liệu khác nhau

2.6 Thủ tục thiết kế bản đồ ( map design procedure)

Mục đích thiết kế của bản đồ cơ bản và bản đồ chuyên đề là hoàn toàn khác nhau

Bước 3: Thiết kế khuôn mẫu của bản đồ

Bước 4: Chuẩn bị số liệu/ các nội dung biễu diễn trên bản đồ

- Thông tin phù hợp với tên của bản đồ

- Chọn màu sắc phải phù hợp với qui định

- Giá thấp và sản phẩm tạo ra nhanh hơn

- Đầu ra mền dẻo hơn - dễ dàng thay đổi phép chiếu và tỷ lệ bản đồ

- Dữ liệu dưới dạng số dễ dàng sử dụng cho các mục đích khác nhau

Tiến trình làm bản đồ bằng công nghệ GIS: Hợp nhất số liệu thu thập, biên soạn (trình bày bản đồ), lưu trữ, xử lý và biểu diễn số liệu không gian ( xem sơ đồ 4)

Hỡnh 2.1: Tiến trình làm bản đồ bằng công nghệ GIS (nguồn Robinson,1995)

2.8 So sánh GIS với bản đồ ( GIS compared to maps)

Mặc dù tất cả các thông tin chứa đựng trong một bản đồ, nhưng khi sử dụng một bản đồ chúng ta thấy rất khó khăn/ hoặc mất rất nhiều thời gian để trả lời các câu hỏi hoặc các vấn đề mà người sử dụng quan tâm, ví dụ: diện tích của khu rừng này là bao nhiêu ha? Hoặc diện tích của cái hồ này là bao nhiêu ha?

GIS có rất nhiều đặc điểm chung với ngành làm bản đồ bàng máy vi tính, nhưng

điểm khác biệt của nó là khả năng phân tích dữ liệu không gian:

Chuẩn mực dữ liệu: Chức năng này có thể thực hiện rất tốt trong một GIS

Các công cụ phân tích dữ liệu: GIS là một công cụ đầy quyền lực cho phân tích bản đồ

Thu thập số liệu

Biên soạn Cấu trúc Cập nhật

Cơ sở dữ liệu

Sửa đổi (Thao tác dỮ liệu) Công cụ

Bản đồ

Các công cụ phân tích và hiển thị dữ liệu, bao gồm:

- Khả năng tính toán diện tích

- Khả năng phóng to , thu nhỏ và thay đổi tỷ lệ

- Khả năng hiển thị dữ liệu không gian 3 chiều

- Tiềm năng hiển thị dữ liệu độc lập về thời gian một cách sinh động

- Tiềm năng cho việc thay đổi ở các tỷ lệ khác nhau

- Khả năng thay đổi màu sắc và biểu t−ợng cho từng vật thể

2.9 Phép chiếu của bản đồ

2.9.1 Phộp chiếu bản đồ là gỡ? (What is map projection?)

Hệ qui chiếu (map projection) cú thể được định nghĩa như là sự sắp đặt một cỏch

cú hệ thống cỏc kinh tuyến và vĩ tuyến, miờu tả bề mặt cong của hỡnh cầu theo mặt phẳng

Bề mặt hỡnh cầu của trỏi đất chỉ cú thể được biểu thị đồng dạng trờn quả địa cầu (sphere), elip (ellipsoid) Để nghiờn cứu bề mặt trỏi đất một cỏch chi tiết chỳng ta bắt buộc phải sử dụng bản đồ khi xõy dựng bản đồ, vấn đề cần thiết là phải biểu thị bề mặt hỡnh cầu của trỏi đất lờn mặt phẳng Để biểu thị bề mặt Ellipsoid lờn mặt phẳng người ta

sử dụng phộp chiếu bản đồ Phộp chiếu bản đồ xỏc định sự tương ứng giữa bề mặt Elipxoid và mặt phẳng cú nghĩa là mỗi điểm trờn bề mặt Ellipsoid quay cú toạ độ ϕ, λ tương ứng với một điểm duy nhất trờn mặt phẳng với toạ độ vuụng gúc X,Y

Lưới kinh vĩ độ (hoặc cỏc đường toạ độ khỏc xõy dựng trong những phộp chiếu nhất định gọi là lưới chiếu bản đồ), lưới chiếu bản đồ đú là cơ sở toỏn học để phõn bố chớnh xỏc cỏc yếu tố nội dung bản đồ Quan hệ phụ thuộc giữa toạ độ một điểm trờn mặt đất và toạ độ vuụng gúc của điểm đú trờn bản đồ được biểu thị bằng cụng thức

x= f

1(ϕ, λ)

y = f

2 (ϕ, λ)

2.9.2 Cỏc loại phộp chiếu bản đồ cơ bản (Basis classes of map projection)

Một số phép chiếu bản đồ đ−ợc sử dụng trong cỏc phần mềm chuyờn dụng GIS

Vớ dụ trong phần mềm Arcview, cú một số các phép chiếu của thế giới như sau:

- Sinusoidal

- Phép chiếu thế giới từ không trung (Orthographic)

a) Phép chiếu hình trụ (Mercator)

Phép chiếu hình trụ (Mercator) có các đường kớnh và vĩ tuyến là các đường thẳng song song Khoảng cách giữa các đường kinh tuyến cách đều nhau, giữa các đường vĩ tuyến thì khoảng cách càng lớn khi tiến gần về các cực

Hạn chế: Các cực không được thể hiện trên lưới chiếu Mercator Lưới chiếu có thể tạo ra tất cả các đường kinh tuyến nhưng giới hạn cao hơn hoặc thấp hơn gần 800 về phía bắc và nam Phép chiếu Mercator có sai số về diện tích lớn nên không phù hợp với bản đồ địa lý chung của thế giới

Hỡnh 2.2: Phộp chiếu hỡnh trụ

b) Phép chiếu hình trụ giả (Robinson - Pseudo cylindrical)

Khoảng cách giữa các đường kinh tuyến là đều nhau và giống với các cung của ellip, độ lõm hướng về kinh tuyến trung tâm Kinh tuyến trung tâm là một đường thẳng

có chiều dài bằng 0.51 lần chiều dài của xích đạo Các đường vĩ tuyến là những đường thẳng có khoảng cách đều nhau giữa 380 bắc và nam, khoảng cách giảm dần khi nằm xa những giới hạn này Tại các cực là 0.53 lần chiều dài xích đạo Phép chiếu được dựa trên bảng toạ độ thay vì sử dụng các công thức toán học

Hạn chế: Không giữ hình dáng và cũng không giữ nguyên về diện tích Chỉ thích hợp với các bản đồ thế giới

ứng dụng:

- Được phát triển để sử dụng trong các bản đồ tổng quan về thế giới và các bản đồ chuyên đề

- Được sử dụng bởi Rand McNally từ năm 1960 và bởi hội địa lý quốc gia năm

1988 cho bản đồ tổng quan về thế giới và các bản đồ chuyên đề

Hỡnh 2.3: Phộp chiếu hỡnh trụ giả

c) Lưới chiếu hình trụ đồng diện tích (Peters - Cylindrical equal-area projection)

Đây là một phép chiếu phổ biến, phối cảnh trên một đường tiếp tuyến hình trụ tại

xích đạo

Các đường kinh tuyến cách đều nhau Nếu chọn đường vĩ tuyến chuẩn càng xa

với đường xích đạo thì sai số biến dạng chiều dài càng lớn

ứng dụng:

-Thích hợp cho những vùng gần xích đạo

-Thích hợp cho những vùng trải dài theo phía nam và phía bắc dọc theo một đường kinh

tuyến nào đấy

Hỡnh 2.4: Phộp chiếu hỡnh trụ đồng diện tớch

d) Phép chiếu hình nón (Lambert Conformal Conic)

Phép chiếu hình nón dựa trên cơ sở hai vĩ tuyến chuẩn Khoảng cách giữa các

đường của vĩ tuyến tăng lên khi nằm ngoài các vĩ tuyến chuẩn Đây là một phép chiếu hình nón thông dụng để biểu diễn các cực như một điểm đơn

Hạn chế: Gần các vĩ tuyến chuẩn sự biến dạng về diện tích rất nhỏ Tỷ lệ diện tích giảm

đi giữa các vĩ tuyến chuẩn và tăng lên khi nằm ở bên ngoài các vĩ tuyến chuẩn

Chỉ thích hợp với các vùng thuộc phạm vi phía đông- tây và vị trí các vĩ tuyến giữa bắc

và nam Tổng vĩ độ không nên vượt qua 350

ứng dụng:

Đây là lưới chiếu được sử dụng nhiều trong các bản đồ USGS sau năm 1957 Nó thay thế cho lưới chiếu Polyconic

Hình 2.5: Phép chiếu hình nón

e) Phép chiếu UTM và hệ toạ độ UTM ở Việt am

Phép chiếu UTM (Universal Transverse Mercator) là hệ thống tọa độ mặt mặt phẳng quốc tế được phát triển bởi quân đôi Mỹ Thế giới chia ra làm 60 vùng, mỗi vùng che phủ 6 độ theo kinh độ, vĩ độ từ 840 vĩ độ bắc tới 800 vĩ độ nam

Hệ thống lưới ô vuông UTM ở bản đồ tỷ lệ 1:50.000 có kích thước 1x 1 km và vùng Thừa Thiên Huế thuộc vùng 48

Hình 2.6: Hệ thống UTM (Universal Transverse Mercator)

Lưới chiếu UTM là cùng một dạng công thức lưới chiếu giữ góc Gauxơ Krugơ

quyết việc biên chế bản đồ địa hình cho phạm vi toàn cầu Nhược điểm là không thể chia múi nhỏ theo hệ phân đối múi lưới chiếu Gauxơ

Nói tóm lại khi dùng phương pháp chiếu đồ chuyển các đối tượng địa lý từ bề mặt cầu của quả đất lên mặt phẳng sẽ có những điểm, đường, diện tích, góc không có sai

số hoặc rất nhỏ, không đáng kể, nhưng cũng có chỗ bị co lại hoặc giãn ra, hình dáng chúng bị méo mó đi mà người ta thường gọi là biến dạng bản đồ Đó là sự phá vỡ các tính chất hình học - chiều dài đường thẳng, góc, hình dạng và diện tích các đối tượng trên bề mặt đất - trong biến dạng của chúng trên mặt phẳng

Phép chiếu UTM là phép chiếu hình trụ ngang đồng góc thoả mãn điều kiện: kinh tuyến giữa là đường thẳng và trục đối xứng

Nếu dùng Elipsoid có kích thước và định tâm giống nhau thì sự chuyển đổi giữa hai phép chiếu Gauss- Kriugera và UTM sẽ rất đơn giản Lưới chiếu UTM ở Việt Nam múi 60 được áp dụng thành lập bản đồ địa hình thời kỳ trước năm 1975 bằng phương pháp chụp ảnh hàng không Do sử dụng Elipsoid Everest 1830 việc chuyển đổi giữa hai phép chiếu trở nên phức tạp và làm hạn chế khái niệm sử dụng tài liệu bản đồ với toạ độ UTM

Chương III Cấu trúc dữ liệu

(Data structure)

Dữ liệu Raster được lưu trữ ở dạng một hệ thống ô vuông và dữ liệu Vector hiện diễn ở dạng đa giác mà các vật thể được xác định bằng đường bao xung quanh Nói chung dữ liệu Raster làm trên máy vi tính dễ dàng và nhanh hơn dữ liệu Vector

Ví dụ: Dữ liệu raster và vector

Hỡnh 3.1: Cấu trỳc dữ liệu Raster và Vector

3.1 Mô hình dữ liệu không gian

Có hai phương pháp đại diện cho thành phần không gian của thông tin địa lý là mô hình dữ liệu vector và mô hình dữ liệu Raster

3.1.1 Mụ hỡnh dữ liệu Rsater

Cấu trỳc dữ liệu Raster là hỡnh thức đơn giản nhất để hiện thị dữ liệu khụng gian, mụ hỡnh raster bao gồm một hệ thống ụ vuụng hoặc gọi là pixel Vị trớ của mỗi pixel được xỏc định bởi số hàng và số cột

Kớch thước của pixel càng nhỏ thỡ hỡnh dữ liệu Raster thể hiện càng sắc nột, thụng số thể hiện độ sắc nột gọi là độ tương phản Dữ liệu Raster cú kớch thước pixel nhỏ thỡ độ tương phản sẽ cao, và độ sắc nột cũng sẽ càng cao Tuy nhiờn, hai dữ liệu raster cú cựng kớch thước, nếu dữ liệu nào cú độ tương phản cao thỡ file dữ liệu lưu trữ

sẽ lớn hơn và ngược lại

Đặc điểm của mụ hỡnh:

- Chia toàn bộ diện tích thành nhiều ô vuông bằng nhau trong một chuỗi riêng biệt:

- Chuỗi qui ứớc hàng theo hàng từ đỉnh góc bên trái

- Mỗi một ô vuông/pixel (tế bào) chứa đựng một giá trị riêng

- Một lớp bao gồm một bộ các tế bào (ô vuông/pixel) và các giá trị liên quan

- Có thể có nhiều lớp trong cơ sở dữ liệu vớ dụ như lớp đất, độ cao, sủ dụng đất, che phủ đất…

3.1.2 Mụ hỡnh dữ liệu vector

Theo Stand Aronoff, trong mô hình dữ liệu Vector, các đối tượng của thế giới thực được đai diện bởi điểm và đường mà được xác định bởi đường bao của chúng: Mụ hỡnh dữ liệu vector thể hiện vị trớ chớnh xỏc của đối tượng hay hiện tượng trong khụng gian Trong mụ hỡnh dữ liệu vector, xỏc định hệ thống tọa độ cho một đối tượng là chớnh xỏc Thực tế, mức độ chớnh xỏc bị giới hạn bởi số chữ số dựng để thể hiện một giỏ trị trong mỏy tớnh, tuy nhiờn nú chớnh xỏc hơn rất nhiều so với mụ hỡnh dữ liệu raster

Trong mụ hỡnh dữ liệu vector, tựy theo cỏch lưu trữ dữ liệu, người ta chia ra thành cỏc mụ hỡnh: Mụ hỡnh dữ liệu kiểu mỡ ống, mụ hỡnh dữ liệu hỡnh học Spaghetti Data Model, Topological Model, và mụ hỡnh lưới tam giỏc khụng đều Triangulated Irregular Network (TIN) (cỏc loại mụ hỡnh này sẽ được thảo luận chi tiết trong phần GIS chuyờn sõu)

Đặc điểm của mụ hỡnh:

- Sử dụng phân đoạn đờng thẳng hoặc điểm để nhận biết vị trí

- Các vật thể riêng biệt ( các đờng bao, các con suối ) được tạo thành bởi liên kết các

đoạn thẳng)

Hỡnh 3.2 a: Mô hình dữ liệu không gian

Raster và Vector (nguồn ESRI,1996)

Hỡnh 3.2 b: Mô hình dữ liệu không gian Raster và Vector (nguồn Stan Aronoff, 1993) 3.1.3 So sỏnh mụ hỡnh dữ liệu vector và Raster ( Aronoff, 1993)

Mụ hỡnh dữ liệu Raster Mụ hỡnh dữ liệu Vector

4) Thớch hợp cho việc thao tỏc, nõng cấp,

và tăng cường chất lượng bản đồ ảnh

Ưu điểm:

1) Cấu trỳc dữ liệu nộn nhiều hơn so với

mụ hỡnh raster

2 Thể hiện tốt về liờn hệ hỡnh học do đú thớch hợp cho cỏc phõn tớch về hỡnh học như phõn tớch về mạng lưới

3 Thớch hợp cho việc số húa cỏc bản đồ được vẽ bằng tay

1) Khả năng nộn dữ liệu kộm

2) Thể hiện mối liờn hệ hỡnh học kộm

3) Hiển thị bản đồ ảnh khụng rừ nột nếu ở

mức độ tương phản thấp, nhưng chiếm

dung lượng lớn khi chọn ở độ phõn giải

cao

1) Cấu trỳc phức tạp hơn 2) Thực hiện cỏc thao tỏc chồng lớp rất phức tạp

3) Khụng thớch hợp cho việc hiển thị dữ liệu phức tạp

4 Khú nõng cao chất lượng của bản đồ

3.2 Cấu trúc dữ liệu RASTER

3.2.1 Khỏi niệm

Một hệ thống dựa trờn cơ sở dữ liệu Raster hiển thị, xỏc định vị trớ và lưu trữ dữ liệu địa

lý thụng qua việc sử dụng mụt ma trận ụ vuụng

Đối tượng điểm ( point),VD: cột cờ

- Raster tương ứng một vị trí đơn

- Không có khoảng cách

Đối tượng đường (line), ví dụ: Suối

- Raster tương ứng một số vị trí tiếp cận nhau

- Có khoảng cách

Đối tượng vựng (polygon), VD: ranh giới thảm thực vật khác nhau

- Raster tương ứng với một khối vị trí

- Có 2 khoảng cách, chiều rộng và chiều dài

Ba đối tượng trên được biểu thị RASTER qua ba sơ đồ :

Hỡnh 3.3: Ba đối tượng cơ bản của dữ liệu Raster

Dữ liệu RASTER hiển thị trên một bản đồ chuyên đề thông qua hệ thống ô vuông:

Mối liờn hệ giữa các ô vuông kề nhau dựa trên 4 hoặc 8 mối liờn hệ, điều này rất quan trọng cho phân tích dữ liệu không gian, chuyển đổi dữ liệu vector sang dữ liệu raster và nó phải đ−ợc quyết định theo đặc điểm của dữ liệu

Hỡnh 3.5: Không gian vùng lân cận trong mô hình dữ liệu raster

1 Vị trí (location):

Vị trí đ−ợc xác định qua giao đỉêm toạ độ (số hàng và cột), xác định vị trí của một

đơn vị không gian địa lý trong một raster đ−ợc thể hiện bằng một ô vuông

2 Giá trị của ô vuông ( grid/cell values)

- Mỗi một ô vuông đ−ợc ghi số liệu thuộc tính riêng biệt: Mỗi một ô chỉ coi nh− là một giá trị

- Các dạng giá trị chứa đựng trong các ô vuông ở một raster tuỳ thuộc vào hiện trạng thực tế và GIS

- Các giá trị trong một ô vuông tuỳ thuộc vào mức độ đo, có nhiều loại kiểu giá trị khác nhau: Bằng số nguyên, số thập phân hoặc bằng ký tự alphabet (xem hỡnh)

- Giá trị nguyên biểu thị tên cho bảng hoặc chú thích của bản đồ như hân loại các loại

đất đai trong bản đồ đất:

Hỡnh 3.6 : Cỏc mức độ đo cho mỗi một ụ vuụng raster qua các bản đồ chuyên đề

3 Độ phân giải ( độ rộng của ô vuông) ( resolution):

Độ phân giải được định nghĩa như là kích thước tối thiểu của một đơn vị nhỏ nhất (pixel) trong không gian địa lý

Độ phân giải dữ liệu raster phụ thuộc và kích thước của ô vuông và có thể thay

đổi từ mét sang km và ngược lại

Vớ dụ về cơ sở dữ liệu raster như sau

Mụ tả Raster:

- Độ phõn giải là 500 m

- Diện tich dữ liệu là 2,5 km x 2,5 km

- Cột được sắp xếp theo hướng Bắc-Nam Lớp 1 Hồ ( diện tớch hồ cú giỏ trị = 1 và loại khỏc cú giỏ trị = 0)

0 0 1 1 2

0 1 1 1 2

1 1 1 2 2 Hỡnh 3.7: Cỏc lớp bản đồ Raster

Chỳ ý: Độ phõn giải càng cao thỡ kớch thước của ụ vuụng càng nhỏ Độ phõn giải cao cú nghĩa là hiển thị cỏc thụng tin trờn bản đồ se chi tiết hơn, số lượng pixel sẽ lớn và dung lượng lưu trữ cũng lớn

4 Tổ chức các lớp bản đồ ( organization of map layers)

Hệ thống thông tin lưu trữ các thông tin thay đổi như dạng rừng, dạng đất, sử dụng đất, nơi ở của động vật hoặc mỗi một thông tin ở một lớp khác nhau hoặc các lớp

số liệu liên quan đến đặc điểm nổi bật trên bản đồ

Số liệu của một diện tích được hình dung như là một bộ bản đồ của các lớp Một lớp bản đồ ( bản đồ chuyên đề) là một bộ số liệu mô tả đặc điểm riêng biệt cho mỗi vị trí trong phạm vi ranh giới của nó

Một thông tin một lớp bản đồ chuyên đề

Cơ sở dữ liệu raster có thể chứa đựng hàng trăm lớp số liệu

Đặc điểm quan trọng của một lớp là độ phân giải của nó, định hướng, và vùng

5 Tạo một raster ( creation of raster)

Đặt hệ thống ô vuông qua một bản đố che phủ của cùng một loại, khi hoàn thành, kết quả cho thấy mỗi một ô sẽ có một giá trị biểu thị tương ứng

Chồng lưới ô vuông lên hệ thống thuỷ văn

Hệ thống thuỷ văn

• Có một vài phương pháp tạo ra cơ sở dữ liệu raster:

- Nhập trực tiếp vào mỗi lớp: Đơn giản nhưng mất rất nhiều thời gian

- Chuyển đổi dữ liệu : Từ vector sang raster

- Từ dữ liệu kỹ thuật số hiện có ( từ ảnh viễn thám, và từ mô hình độ cao (DEM: digital elevation model)

- Nộn theo hàng (Run lengh coding)

- Nộn theo chia nhỏ thành từng phần (Quadtree)

- Nộn theo ngữ cảnh (Fractal)

- Scan bản đồ giấy

- Lưu trữ dữ liệu dạng raster…

3.2.2 Khả năng của hệ thống thông tin địa lý raster ( raster GIS capabilities)

1)Tại sao sử dụng số liệu raster? ( why use raster?)

- Dữ liệu thường được thấy ở dạng raster: ảnh vệ tinh, không ảnh ( ảnh máy bay), hoặc scan dữ liệu

- Dữ liệu thường được chuyển đổi sang raster như là một dạng chung nhất cho sự chuyển đổi dữ liệu

- Dễ dàng hợp nhất số liệu với ảnh viễn thám, mô hình độ cao ( DEM) và số liệu dạng raster khác

- Thuật toán sử dụng trong raster đơn giản và nhanh hơn, VD: xác định vùng ảnh hưởng/vùng đệm là rất đơn giản trong raster

• Dễ dàng chuyển về cựng một độ phõn giải…

2) Chức năng của hệ thống thông tin địa lý raster (raster GIS functions)

- Nhập/ thu nhận dữ liệu

- Hoạt động trên các lớp, như chồng lớp

- Tạo dữ liệu và kết quả

3)Hiển thị cỏc lớp dữ liệu

- Hiển thị dữ liệu ở dạng đơn giản (bằng số)

- Hiển thị dữ liệu theo khung màu …

Kết quả raster:

0 = không có nước

1 = đất mặt nước

2 = đất sông suối

4) Hoạt động local ( local operation)/ hoạt động trờn cỏc lớp

- Sản xuất/tạo ra một lớp mới từ một lớp hoặc nhiều lớp

- Giá trị của mỗi pixel mới đ−ợc xác định bởi giá trị bởi giỏ trị của cùng một pixel

trên các lớp đầu vào (xem hỡnh)

- Khi tạo ra bản đồ cuối cùng: Cú pháp chung đ−ợc thực hiện nh− sau: Bản đồ thành quả = Local operation ( bản đồ 1 [ bản đồ 2, , bản đồ n])

Hỡnh 3.9: Khỏi niệm chồng lớp trong cấu trỳc dữ liệu Raster

Mã số hoá lại ( recoding)

- Gán một giá trị mới lớp đầu vào: Gắn một giá trị mới thông qua việc gắn cho các ô

vuông dựa trên giá trị cũ, nh− 0 - 50 = 1; 51 - 170 = 2 và > 170 = 3

- Thay thế các giá trị ưu tiên, như giá trị 0,1,4,6 của lớp đầu vào thành các giá trị 1,2,3, và 4 tương ứng

Chồng các lớp (overlaying layers)

- Một lớp chồng xuất hiện khi giá trị của đầu ra phụ thuộc vào 2 hay nhiều lớp đưa vào

- Hoạt động chồng lớp có thể thực hiện thông qua từng bước một như sau:

(1)Giá trị đầu ra bằng trung bình số học, trung bỡnh trọng số của giá trị đưa vào

(2) Giá trị đầu ra bằng giá trị lớn nhất hoặc nhỏ nhất giá trị đầu vào

(3) Các lớp có thể phối hợp với nhau thông qua sử dụng các phép tính số học: tổng, tỷ lệ của các lớp , ví dụ:

(4) Sử dụng điều kiện lụ gic( Logical condition) để phối hợp dữ liệu AND, OR và XOR hoặc như nếu y> 0, rồi Z = y, hoặc Z = x : Vớ dụ tỡm cỏc ụ/ pixel có giá trị > 0 và = 7

5) Phối hợp dữ liệu local (Local combination): gán một giá trị mới cho sự hợp nhất giá trị của đầu vào, VD:

Hoạt động mở rộng các vùng lân cận ( operation on extended neighborhoods)

- Khoảng cỏch: Tính toán khoảng cách từ một ô vuông

+Kỹ thuật xác định vùng ảnh hưởng được đề cập trong phần “ chức năng phân tích GIS”

Hoạt động trên các vùng (operation on zones)

Chức năng khác ( other utility fuctions)

- Mô tả nội dung của các lớp:

+ Một lớp: cho biết các giá trị thống kê chung: giá trị lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình

+ Nhiều lớp: So sánh 2 bản đồ thống kê của cùng một địa điểm

- Liệt kê các lớp, copy và thay đổi tên các lớp

- Xuất và nhập cỏc lớp: Các lớp dữ liệu chuyển sang sử dụng các ứng dụng khác và ngược lại

- Nhận biết độ phân giải, thay đổi màu

3.3 Cấu trúc dữ liệu vector (vector data structure)

3.3.1 Cấu trỳc đối tượng điểm (Point)

Điểm được xỏc định bởi cặp giỏ trị tọa độ Cỏc đối tượng đơn, thụng tin về địa lý chỉ gồm cơ sở vị trớ sẽ được phản ỏnh là đối tượng điểm

Vùng ảnh hưởng

+1

a) Vị trí không gian của đối tượng điểm b) Dữ liệu thuộc tính của điểm (tọa độ)

Hình 3.10: Dữ liệu Vector hiển thị cho đối tượng Đối tượng kiểu điểm có đặc điểm:

- Là toạ độ đơn (X,Y)

- Không thể hiện chiều dài và diện tích

- Có một điểm nhãn ID duy nhất xác định cho mỗi một điểm

- Liên kết với dữ liệu thuộc tính (dữ liệu phi không gian)

3.3.2 Cấu trúc đối tượng đường (line)

Đường được xác định như một tập hợp dãy của các điểm Mô tả các đối tượng địa lý dạng tuyến, ví dụ như đường, suối…,

Dữ liệu về ví trí không gian của đường Dữ liệu về thuộc tính của đường Hình 3.11: Dữ liệu Raster hiện thị dưới dạng đối tượng đường

Đường có các đặc điểm sau:

- Đường là một dãy các cặp toạ độ ( X1Y1), (X2Y2)…

- Một đường bắt đầu và kết thúc bởi đốt ( node), có thể sử dụng ở các dạng tên khác như cung (arc), mắt xích (chain) hoặc dây (string)

- Các đường nối với nhau và cắt nhau tại đốt

- Hình dạng của đường được định nghĩa bởi các điểm vertices

- Độ dài chính xác của đường bằng tổng chiều dài của các đọa thẳng hay các cặp toạ

độ

- Có một điểm nhãn ID duy nhất xác định cho mỗi một đường

- Liên kết với dữ liệu thuộc tính (dữ liệu phi không gian)

3.3.3 Cấu trúc đối tượng vùng (polygoon)

Đối tượng vùng như hồ, mảnh đất/lô đất, có thể được lưu trữ như là một vòng các tọa độ khép kín Vùng được xác định bởi ranh giới các đường thẳng khép kín bởi các đoạn thẳng và có diện tích được gọi là đối tượng vùng

Có nhiều cách trình bày với đối tượng vùng trong cơ sở dữ liệu Vector Cách đơn giản nhất là liệt kê một cặp tọa độ bắt đầu và kết thúc tại cùng một vị trí

Hình 3.12: Dữ liệu Raster hiện thị dưới dạng đối tượng vùng (polygoon)

Đối tượng vùng có các đặc điểm sau:

- Đường được mô tả bằng tập các đoạn đường

- Một hoặc nhiều đường định nghĩa đường bao của vùng

- Có một điểm nhãn ID duy nhất xác định cho mỗi một vùng

- Liên kết với dữ liệu thuộc tính (dữ liệu phi không gian)

Y(Hướng Bắc)

X (Hướng Đông)

3.3.4 Khả năng của hệ thống thông tin địa lý Vector (Vector GIS capabilities)

- Chức năng của hệ thống thông tin địa lý vector không giống như hệ thống thông tin

địa lý Rastor:

+ Giải quyết các vấn đề liên quan đến một vật thể tốt hơn

+ Đo diện tích của một vật thể được tính toán từ các toạ độ của điểm, thay thế cho các ô vuông

- Một vài các hoạt động nhanh hơn: Tìm hướng đi của mạng lưới đường

Chức năng chung của hệ thống thông tin địa lý vector (common vetor GIS functions)

(1) Hiển thị và truy vấn dữ liệu đơn giản (Simple display and query)

+Sử dụng điểm và đường để hiển thị vị trí của tất cả các vật thể lưu trữ

+ Cỏc dạng tồn tại và thuộc tính v có thể được hiển thị thông qua sự thay đổi màu sắc, mẫu đường và các ký hiệu điểm

+ Có thể hiển thị một phần dữ liệu

+ Tìm kiếm các vật thể/ đối tượng khụn gian

(2) Chức năng thao tỏc (Manipulation function): Phõn loại lại, chập và hợp nhất dữ liệu dựa trờn cơ sở cỏc thuộc tớnh

Chương IV cơ sở dữ liệu

(Database)

4.1 Giới thiệu( introduction)

Cơ sở dữ liệu là nền tảng cho hệ thống thông tin địa lý, một sự hiểu biết về công nghệ GIS không thể đạt được nếu không hiểu biết kiến thức về cơ sở dữ liệu Cơ sở dữ liệu là sự chọn lọc cỏc dữ liệu cần thiết nhất và cỏc dữ liệu này cú thể chia sẻ giữa nhiều

hệ thống ứng dụng khỏc nhau Cơ sở dữ liệu cú thể được xem như là giao diện giữa số liệu và cỏc chương trỡnh ứng dụng

Hệ thống thông tin địa lý được giải quyết trong cơ sở dữ liệu, cơ sở dữ liệu sẽ có một sự đòi hỏi chức năng đặc biệt cũng như có những đặc tính chung cho bất kỳ cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn nào

Dữ liệu nờu trờn được lưu trong mỏy theo một qui định nào đú và được gọi là cơ

sở dữ liệu Phần chương trỡnh để cú thể xử lý, thay đổi dữ liệu này là hệ quản trị cơ sở

dữ liệu Bởi vậy một số tác giả định nghĩa GIS như là một cơ sơ dữ liệu

Hỡnh 4.1: Thành phần của một cơ sở dữ liệu

4.2 Khái niệm ( database definition)

Hệ thống cơ sở dữ liệu là một hệ thống giữ và ghi dựa trên một máy tính, mục đích chung là để ghi và duy trì thông tin

Thông tin liên quan có thể là bất kỳ mọi thứ có ý nghĩa cho việc tổ chức hệ thống hoặc có thể là rất cần thiết cho tiến trình đưa ra quyết định giải quyết trong công tác quản lý tổ chức

Một hệ thống cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn chứa đựng các nguyên tố chính sau:

(a) Ngôn ngữ định nghĩa dữ liệu

(b) Từ điển dữ liệu

(c) Bộ phận chuẩn hoá nhập dữ liệu

(d) Bộ phận chuẩn hoá cập nhật số liệu

(e) Bộ phận báo cáo

Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu

Vị trớ

Thuộc tớnh Liờn kết

Cơ sở dữ liệu địa lý

(f) Ngụn ngữ truy vấn dữ liệu

Một CSDL cú hai thuộc tớnh: Hợp nhất và chia sẻ dữ liệu

- Hợp nhất số liệu: Cơ sở dữ liệu cú thể hợp nhất cỏc file khỏc nhau, và sự dư thừa

về thụng sẽ được loại bỏ

- Chia sẻ số liệu: Cơ sở dữ liệu cú thể được chia sẻ trong số những người sử dụng (

cựng một lỳc cho phộp một số người sử dụng tiếp cận được cơ sở dữ liệu)

Hỡnh 4.2 : Chia sẻ các file trong số các ứng dụng trong môi trừờng xử lý file

4.3 Thành phần của hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu ( components of a database

management system)

Một hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu chứa đựng các thành phần sau:

- Dạng dữ liệu: số nguyên, số thập phân, theo ký tự alphabê, ngày, và hình ảnh

- Hoạt động tiêu chuẩn: Xoá, biên soạn và ghi

- Ngôn ngữ định nghĩa dữ liệu: Ngôn ngữ được sử dụng để mô tả các nội dung của cơ

sở dữ liệu

- Ngôn ngữ truy vấn và thao tỏc: Ngôn ngữ sử dụng, dạng đòi hỏi cho đầu vào, biên

soạn, phân tích, đầu ra và đổi dạng dữ liệu

- Các công cụ chương trình: Cơ sở dữ liệu tiếp cận trực tiếp từ các chương trình ứng dụng

- Cấu trúc file: Cấu trúc bên trong để tổ chức dữ liệu

4.4 Mụ hỡnh tổ chức số liệu trong cơ sở dữ liệu

Cú ba mụ hỡnh dữ liệu được sử dụng để tổ chức cơ sở dữ liệu: 1) mụ hỡnh phõn

cấp, 2) mụ hỡnh lưới và 3) mụ hỡnh quan hệ

1) Mụ hỡnh dữ liệu phõn cấp (HIERACHICAL data model)

Cho một bản đồ đơn giản A gồm 2 polygoon (ở dạng 2 đa giỏc) được xỏc định

bởi tập hợp cỏc đường thẳng trong cú được một đường chung của 2 polygoon Mỗi

đường thẳng được xác định bởi tập các đường thẳng trong đó có một đường chung của hai đa giác Mỗi đường thẳng được xác định bởi các cặp toạ độ (xem hình)

Hình 4.4: Mô hình phân cấp cho bản đồ A

Mô hình này rất phù hợp với những hình thức tổ chức phân cấp trong xã hội, ví dụ trong các trường Đai học…

Hình 4.5: Tổ chức cơ sở dữ liệu trong trường Đại học

Trong mô hình phân cấp dữ liệu được tổ chức trong cấu trúc một cây:

-“Cha – con”, từ một tới nhiều mối quan hệ

- Gốc đến đỉnh của phân cấp: Cha ở mức cao nhất và con ở mức thấp nhất

- Cơ sở dữ liệu được giữ trong các dạng record khác nhau ( thuộc tính và quan hệ phân cấp giữa các dạng)

- Dễ dàng tiếp cận dữ liệu qua mỗi thuộc tính, nhưng khó khăn cho các thuộc tính khác

- Cấu trúc hình cây không mền dẻo

2) Mô hình dữ liệu lưới ( network data model)

Mô hình lưới khắc phục cấu trúc không mền dẻ của mô hình phân cấp như sử dụng từ nhiều tới nhiều mối quan hệ (hình) Đây là một mô hình phức tạp, cũng giống như mô hình phân cấp nó không được ứng dụng rộng rãi trong GIS

Hình 4.6: Mô hình lưới cho bản đồ A

Hình 4.7: Mô hình lưới biểu diễn mối quan hệ

Mô hình số liệu phân cấp và mô hình lưới khá bất tiện cho lưu trữ và thao tác và

xử lý số liệu bởi vì có sự dư thừa dữ liệu

3) Mô hình dữ liệu quan hệ (Relational Data Model)

Ở ví dụ trên, cấu trúc các quan hệ là một bảng 2 chiều độc lập, mỗi một quan hệ thể hiện một bảng, trong đó mỗi cột (field) là một thuộc tính, mỗi hàng (record) là một đối tượng và quan hệ

Hình 4.8: Mô hình dữ liệu quan hệ cho bản đồ A

Cơ sở dữ liệu dựa trên nhiều file cho các đối tượng (records), có cấu trúc thuộc tính không giống nhau, được liên kết bởi một thuộc tính chủ chốt chung và một ma trận bảng được sử dụng để lưu trữ thông tin

Cấu trúc quan hệ cho phép:

-Chia sẻ các trường (fields), chắp các bảng và chúng có mối liên kết chung

-Tiếp cận mền dẻo các mối liên kết giữa các đối tượng

-Cấu trúc quan hệ rất phù hợp cho cấu trúc số liệu vì số liệu quan hệ có tính độc lập rất cao, lại dễ dàng sử dụng Điều quan trọng hơn cả, mô hình quan hệ được hình thức hoá toán học tốt, gần gủi với mô nghệ thuật làm mô hình phức tạp về mối quan hệ không gian do đó nó được nghiên cứu, phát triển và cho được nhiều kết quả lý thuyết cũng như ứng dụng trong thực tiễn

-Cấu trúc đơn giản, mền dẻo trong xử lý

và dễ dàng cho người sử dụng -Thao tác với dữ liệu là dễ dàng -Dữ liệu có tính độc lập cao

Khó khăn -Cấu trúc không mền dẻo

File lưu trữ số liệu lớn -Hiện thị quan hệ các thuộc tính

-Chiểm nhiều không gian

-File lưu trữ số liệu vẫn còn lớn

-Mỗi quan hệ giữa các bảng phức tạp

4.5 Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu (database Management System: DBMS)

Hệ quản lý cơ sở dữ liệu là hệ thống quản lý, lưu trữ, bảo trì toàn bộ cơ sở dữ liệu

và phối hợp các mô hình CSDL Hệ quản lý cơ sở dữ liệu cũng cung cấp các công cụ cho phép người dùng tra cứu, hỏi đáp, và thao tác vào cơ sở dữ liệu Cơ sở dữ liệu cho một hệ thống GIS bao gồm 2 cơ sở dữ liệu chính :1) Cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở

dữ liệu phi không gian

Về hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu thuộc tính (phi không gian), chúng ta đã được tháo luận trong phần “Cơ sở dữ liệu“, còn hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu không gian bao gồm các hệ thống con như 1) Hệ thống nhập bản đồ; 2) Hệ thống hiển thị bản đồ; 3)

Hệ thống tra cứu, hỏi đáp; 4) Hệ thống phân tích không gian; 5) Hệ thống phân tích thống kê và 6) Hệ thống tạo sản ph m (đầu ra)

4.5.2 Hệ thống hiển thị bản đồ

Hệ thống cung cấp cỏc khả năng hiển thị bản đồ trờn màn hỡnh và cú khả năng cung cấp cỏch nhỡn 3 chiều (3D) cho người sử dụng xem Bản đồ sẽ được thể hiện sinh động, trực quan hơn

4.5.3 Tra cứu, hỏi đỏp cơ sở dữ liệu

Hệ thống cho phộp tra cứu trờn cả hai dữ liệu: dữ liệu khụng gian và dữ liệu thuộc tớnh Hệ thống cung cấp cỏc cụng cụ cho người sử dụng tra cứu, hỏi đỏp, lấy cỏc thụng tin cần thiết trong cơ sở dữ liệu ra

4.5.4 Hệ thống xử lý, phõn tớch khụng gian

Hệ thống cung cấp cỏc cụng cụ cho phộp người dựng xử lý, phõn tớch dạng dữ liệu khụng gian Từ đú, cỏc thụng tin mới được tạo ra từ cỏc lớp thụng tin ba đầu, thụng tin được phõn tớch thụng qua mụ hỡnh khụng gian và đõy là hệ thống thể hiện rừ nhất sức mạnh của GIS

Chức năng Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu (DBMS)

- Cho phộp lưu trữ, phục hồi và tuyển chọn số liệu dựa trờn một hoặc nhiều thuộc tớnh hoặc nhiều mối quan hệ

- Chu n húa tiếp cận số liệu, tỏch rời số liệu, phục hồi và lưu trữ từ sử dụng số liệu trong cỏc chương trỡnh ứng dụng để giữ vững tớnh độc lập trong cỏc chương trỡnh

- Cung cấp một giao diện giữa CSDL và chương trỡnh ứng dụng

- Cho phộp nhiều người sử dụng tiếp cận số liệu cựng một lỳc

- Bảo vệ CSDL

4.6 Thủ tục thiết kế cơ sở dữ liệu ( database design procedure)

Thủ tục thiết kế cơ sở dữ liệu có thể được chia ra làm 6 bước:

Bước 1: Đánh giá nhu cầu người sử dụng, bước này đòi hỏi phải phỏng vấn người sử dụng để quyết định mục dích và các hoạt động của tổ chức

• Lấy thông tin trên tất cả các thành phần của hệ thống thông tin GIS, bao gồm:

• Đào tạo người sử dụng và giúp đỡ họ sử dụng

Bước 2: Đánh giá và phân tích số liệu, bước này bao gồm chọn hệ thống toạ độ và phép chiếu bản đồ cho cơ sở dữ liệu cũng như phân loại và ưu tiên nguồn số liệu

Bước 3: Thiết kế lô gíc : bước này quyết định nội dung và tổ chức số liệu như thế nào trong cơ sở dữ liệu

Bước 4: Thiết cơ cơ học: Để cơ sở dữ liệu hoạt động, bước này thiết kế khung công việc dựa trên ý tưởng của người sử dụng để làm cho nó thích hợp với cấu trúc số liệu và cú pháp GIS, bước này quyết định cấu trúc số liệu cơ học trong cơ sở dữ liệu

Bước 5: Thực hiện cơ sở dữ liệu, bước này giải quyết công tác chuẩn bị số liệu cho việc

tự động hoá và thiết lập các thủ tục tự động hoá, mục đích là để thấy nếu cấu trúc thiết kế

có thể được thực hiện

Bước 6: Xây dựng dự án thí điểm, bước này là để đánh giá thiết kế bằng thực hiên một phần cơ sở dữ liệu thông qua lĩnh vực nghiên cứu

Chương V Chức năng hệ thống thông tin địa lý

(GIS Functionally)

5.1 Nhập/thu nhận dữ liệu và đầu ra số liệu (data input and output)

Chức năng đưa số liệu và cơ sở dữ liệu và tạo ra sản phẩm được coi như là một phương tiện mà GIS giao lưu giữa các cơ sở sản xuất với nhau:

- Nhập dữ liệu là hoạt động m= số hoá số liệu và đưa dữ liệu vào cơ sở dữ liệu (các công cụ chuyển đổi số liệu không gian thành số liệu dạng số)

- Đầu ra dữ liệu là sản phẩm cuối cùng của phân tích và sửa đổi dữliệu

Số liệu đưa vào một GIS giải quyết khâu m= số hoá cả về dữ liệu thuộc tính và số liệu vị trí: Số liệu vị trí được m= số hoá theo toạ độ trên một hệ thống toạ độ :

- Nguồn bản đồ có thể khác nhau về phép chiếu toạ độ và tỷ lệ

- Dữ liệu chuyển đổi có lẽ nên được đưa tất cả ở một dạng hệ thống toạ độ chung

- Dữ liệu thuộc tính thường được phục và lưu trữ trong các bảng biểu

Nguốn dữ liệu (data source): Dữ liệu được sử dụng trong một GIS có nguồn gốc từ bản đồ thành quả gốc, điều tra trên hiện trường, ảnh viễn thám, dữ liệu kỹ thuât số đ= có sẵn, và từ GPS Bản chất của số liệu được phân chia làm 2 loại: dữ liệu về môi trường và dữ liệu kinh tế x= hội và có thể nói số liệu bản đồ là nguồn dữ liệu quan trọng nhất cho

hệ thống thông tin địa lý:

• Bản đồ cơ bản ( base map): thể hiện các thông tin về cơ sở hạ tầng như mạng lưới

đường, hệ thống sông suối, ao hồ và tên một số các công trình phúc lợi

• Bản đồ và số liệu kinh doanh (business maps and data): Bao gồm các số liệu liên quan các sản phẩm tiêu dùng, dịch vụ tài chính, chăm sóc sức khoẻ, phương tiện truyền thông và vận chuyển

• Bản đồ và dữ liệu môi trường ( environmental maps and data): bao gồm các dữ liệu

có liên quan tới môi trường như thời tiết, rủi ro môi trường, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay (không ảnh) và nguồn dữ liệu thu thập trên thực địa

• Bản đồ tham khảo chung (general reference maps): Bản đồ và số liệu quốc gia và thế giới có thể là cơ sở cho cơ sở dữ liệu

5.1.1 Nhập/ Thu nhận dữ liệu (data input)

Nhập dữ liệu có thể được mô tả trong 3 điểm nổi bật sau:

• Đưa dữ liệu không gian vào cơ sở dữ liệu bằng bàn số hóa Digitizing table hoặc scan

• Đưa dữ liệu phi không gian (thuộc tính) thông qua bàn phím máy vi tính hoặc dạng cơ sở dữ liệu khác

• Liên kết giữa số liệu không gian và dữ liệu thuộc tính

1) Bàn số hóa (digitizing table)

Bàn số húa là một dụng cụ thông dụng nhất để lấy thông tin từ các bản đồ và không ảnh: Bản đồ, hoặc các tài liệu khác được đặt trên bề mặt nằm ngang của bàn digitizing