Hệ thống thông tin địa lý

Tóm tắt quá trình phát triển của kỷ nguyên thông tin & Hệ Thông tin Địa lý – GIS  ? Ba yếu tố quan trọng dẫn tới sự hình thành công nghệ bản đồ kỹ thuật số và bản đồ học vi tính trong

Bài 1: Giới thiệu

Hệ Thông tin Địa lý - GIS

TR ƯỜ NG cao ĐẲng TNMT

1 Tóm tắt quá trình phát triển của kỷ nguyên

thông tin & Hệ Thông tin Địa lý – GIS

 􀂆 Kỷ nguyên thông tin có thể xem như được bắt đầu với

sự sử dụng của thẻ đục lỗ để lập trình văn hoa dệt tại

Pháp cuối những năm 1800.

 􀂆 Cuộc tổng điều tra dân số Mỹ năm 1890 đã sử dụng công nghệ thẻ đục lỗ và máy đọc thẻ cơ học để thống kê kết quả điều tra.

 􀂆 Năm 1936 tại hội nghị của hiệp hội các nhà địa lý Mỹ

đã nêu ra sự cần thiết phải phát triển các tiếp cận về

lượng trong giải quyết các vần đề dựa trên bản đồ

1 Tóm tắt quá trình phát triển của kỷ nguyên

thông tin & Hệ Thông tin Địa lý – GIS

 􀂆 Ba yếu tố quan trọng dẫn tới sự hình thành công nghệ bản đồ kỹ thuật số và bản đồ học vi tính trong những năm 1960 là:

1 Sự hoàn thiện các kỹ thuật ngành bản đồ

2 Sự phát triển nhanh chóng trong công nghệ vi tính kỹ thuật số

3 Sự phát triển nhanh kỹ thuật xử lý không gian

 􀂆 Vào những năm 1960, Bộ Y tế và Bộ Lâm nghiệp Hoa Kỳ đã phát triển các kỹ thuật máy tính để nghiên cứu chất lượng nước và các vấn đề thuỷ văn

 􀂆 Cục Thống kê Mỹ cũng đã đi tiên phong trong lĩnh vực sử dụng máy tính trong phân tích số liệu Năm 1969, Ian McHarg đã viết

cuốn Thiết kế với Tự nhiên (Design with Nature) nêu ra phương

pháp chập các lớp bản đồ khi giải quyết bài toán lựa chọn địa điểm (site selection) và phân tích phù hợp (suitability analysis)

Nhiềuphần mềm máy tính ứng dụng trong quy hoạch đô thị đã ra đờirên khắp thế giới vào cuối những năm 1960

1 Tóm tắt quá trình phát triển của kỷ nguyên

thông tin & Hệ Thông tin Địa lý – GIS

 􀂆 GIS đầu tiên được coi là GIS Canada (Canada Geographical

Information System – CGIS) hình thành vào năm 1964 trong các

chương trình phục hồi đất nông nghiệp Hệ thống này phân tích dữ liệu đất đai Canada để xác định khu vực đất thứ yếu gây ra các vấn

đề môi trường CGIS này dẫn đến sự phát triển máy scanner điện tử đầu tiên trên thế giới dùng để chuyển đổi bản đồ giấy thành dạng

dữ liệu số Vì vậy, GIS đầu tiên trên thế giới được gắn liền với các nghiên cứu về môi trường

 􀂆 Các hệ thống GIS đầu tiên khác là Hệ thống thông tin tài nguyên

và sử dụng đất New York, hệ thống thông tin quản lý đất đai

Minnesota

 􀂆 Đến cuối những năm 1970 Viện nghiên cứu các hệ thống môi

trường (ESRI) ra đời ở Canifornia và đã phát hành sản phẩm

Arc/Info – đây có thể coi là sản phẩm thương mại trọn gói của GIS đầu tiên trên thế giới

1 Không có khả năng thay đổi tỷ lệ bản đồ (vì tỷ lệ này là cố định khi bản

đồ được in ra),

2 Không có khả năng hiển thị lớp thông tin chuyên đề (layer) riêng mà

người sử dụng quan tâm,

3 Khó khăn trong việc chuyển đổi từ hệ toạ độ này sang hệ toạ độ khác,

4 Việc cập nhật thông tin vào trong bản đồ rất khó khăn và mất nhiều thời gian,

5 Khó khăn trong việc thực hiện các phân tích về số, về lượng,

6 Khu vực quan tâm luôn luôn nằm tại vị trí giao nhau của 4 tấm bản đồ (vấn đề này được biết đến như là ‘luật Murphy’),

7 Không có khả năng thay đổi cách hiển thị các đối tượng, các đặc điểm đã được vẽ,

8 Sản xuất bản đồ theo nhu cầu riêng vô cùng tốn kém.

􀂆 Các nhà nghiên cứu và quản lý tài nguyên dần dần đã nhận ra rằng cần thiết phải cải thiện phương pháp xử lý các thông tin địa lý, điều này đã dẫn tới sự

ra đời của GIS.

3 Các khái niệm cơ sở

 Một vài định nghĩa cơ sở

 Địa lý (geo – Trái đất, graphy – mô tả): tiến trình mô tả Trái đất

 Thông tin địa lý:

 Là thông tin về các vị trí trên bề mặt Trái đất

 Tri thức về cái gì đó ở đâu (where something is)

 Tri thức về cái gì (what) ở tại vị trí biết trước

 Chúng có thể rất chi tiết: thông tin về từng ngôi nhà trong thành phố, từng cây trong rừng cây.

 Chúng có thể rất thô: thời tiết của vùng rộng lớn, mật độ dân số của quốc gia.

 Các đặc trưng khác của thông tin địa lý bao gồm:

 Thông thường là tương đối tĩnh (các đặc trưng tự nhiên, đặc trưng do loài người tạo không thay đổi nhanh); chỉ có thông tin tĩnh mới có thể thể hiện trên tờ bản đồ giấy

 Thông tin có khối lượng rất lớn (một vệ tinh gửi thông tin tới terabyte –

10 byte/ngày, dung lượng thông tin về mạng lưới đường phố của US

3 Cỏc khỏi niệm cơ sở

 Cụng nghệ thụng tin địa lý (Geographic Information Technologies)

 Là cụng nghệ về thu thập, xử lý và chia sẻ thụng tin địa lý

 Cú 3 loại chớnh: GPS, Viễn thỏm và GIS

 GPS – Global Positioning System (tương tự GLONASS của Nga)

 Là hệ thống vệ tinh bay quanh Trỏi đất gửi về cỏc tớn hiệu chớnh xỏc

 Cỏc thiết bị điện tử đặc biệt trờn mặt đất thu nhận tớn hiệu này, cho lại vị trớ trờn bề mặt trỏi đất (trong hệ thống kinh/vĩ độ hay hệ thống tọa độ chuẩn

khỏc)

 Viễn thỏm (Remote sensing)

 Sử dụng vệ tinh Trỏi đất để thu thập thụng tin về bề mặt và khớ quyển

 Cỏc tớn hiệu vệ tinh được cỏc trạm vệ tinh thu trờn mặt đất và chuyển sang ảnh số

 GIS - Geographic Information System

 Hệ thông tin địa lý (HTTĐL)- Geographical information system ( GIS)

là một tổ chức tổng thể của bốn hợp phần: phần cứng máy tính, phần mềm, tư liệu địa lý và người điều hành được thiết kế hoạt động một cách

có hiệu quả nhằm tiếp nhận, lưu trữ, điều khiển, phân tích và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý HTTĐL có mục tiêu đầu tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trường không gian địa lý (Viện nghiên cứu môi trường Mỹ - 1994)

3 Các khái niệm cơ sở

 GIS là gì?

 GIS là viết tắt từ “Geographic Information System”

 Hệ thống là nhóm các thực thể liên kết và các hoạt động để giải quyết vấn đề

 xe ôtô là hệ thống trong đó các phụ kiện cùng hoạt động để vận tải

 Hệ thống thông tin là tập các tiến trình hoạt động trên dữ liệu thô để sản sinh thông tin hỗ trợ lập quyết định

 hệ thống thông tin có nhiều hoạt động từ quan sát, đo đạc, mô tả, diễn giải, dự báo và lập quyết định.

 có nhóm các chức năng: chế tác, truy vấn, sửa đổi, hiển thị.

 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) sử dụng các dữ liệu tham chiếu địa lý,

dữ liệu phi không gian và các thao tác hỗ trợ phân tích không gian

 mục tiêu chung của GIS: lập quyết định, quản lý đất đai, tài nguyên, giao thông, thương mại, đại dương hay bất kỳ thực thể phân bổ không gian nào

 kết nối giữa các phần tử trong hệ thống là địa lý, thí dụ, vị trí, xấp xỉ, phân

bố không gian

4 Cấu trỳc một hệ thống thụng tin địa lý

 HTTĐL bao gồm các hợp phần cơ bản như sau: tài liệu không gian, người

điều hành, phần cứng, phần mềm

Phần mềm

công

cụ

Phần mềm

công cụ

CSDL

Kết quả

tượng húa hay đơn giản húa

(Esri)

4 Cấu trỳc một hệ thống thụng tin địa lý

 Dữ liệu không gian:

- Dữ liệu không gian có thể đến từ nhiều nguồn, có các nguồn tư liệu sau: số liệu tính toán thống kê, báo cáo, các quan trắc thực địa, ảnh vệ tinh, ảnh

máy bay, bản đồ giấy (dạng analog) Kỹ thuật hiện đại về viễn thám và

HTTĐL có khả năng cung cấp thông tin không gian bao gồm các thuộc tính

địa lý, khuôn dạng dữ liệu, tỷ lệ bản đồ và các số liệu đo đạc Việc tích hợp các tư liệu địa lý từ nhiều nguồn khác nhau là đặc điểm cơ bản của một phần mềm HTTĐL

- Thông thường, tư liệu không gian được trình bày dưới dạng các bản đồ giấy với các thông tin chi tiết được tổ chức ở một file riêng Các tư liệu đó không

đáp ứng được các nhu cầu hiện nay về tư liệu không gian là vì những lý do sau:

+ Đòi hỏi không gian lưu trữ rất lớn, tra cứu khó khăn + Các khuôn dạng lưu trữ truyền thống thường không tương thích với các tiêu chuẩn dữ liệu hiện nay

* Như vậy, HTTĐL là sự phát triển đặc biệt để sử dụng công nghệ và nghệ

thuật máy tính trong việc xử lý tư liệu không gian dạng số

4 Cấu trúc một hệ thống thông tin địa lý



¶nh Spot 5 khu vùc C¸t H¶i-C¸t Bµ 10/2001

¶nh vÖ tinh LANDSAT khu vùc Quy Nh¬n

4 Cấu trỳc một hệ thống thụng tin địa lý

 Người điều hành

Vì HTTĐL là một hệ thống tổng hợp của nhiều công việc kỹ thuật, do đó

đòi hỏi người điều hành phải được đào tạo và có kinh nghiệm trong nhiều lĩnh vực Người điều hành là một phần không thể thiếu được của HTTĐL

 Những yêu cầu cơ bản về người điều hành bao gồm các vấn đề sau:

- Bản đồ học cung cấp các hiểu biết về thiết kế bản đồ, lập bản đồ (ví dụ: Lưới chiếu bản đồ, hệ thống tọa độ, các mẫu ký tự trên bản đồ và các kỹ thuật in ấn).

- Khoa học về máy tính và thông tin cung cấp các kiến thức cơ bản về phần cứng máy tính và vận hành thông thạo các chương trình liên kết phần cứng.

- Có kinh nghiệm trong việc sử dụng các phần mềm HTTĐL:

- Có hiểu biết nhuần nhuyễn về dữ liệu: hiểu về nguồn dữ liệu, nội dung và độ chính xác của dữ liệu,

- Có khả năng phân tích không gian Yêu cầu được đào tạo về các phương pháp xử

lý thống kê và xử lý định tính trong địa lý, việc đào tạo cho người xử lý có thể lựa chọn phương pháp tốt nhất để phân tích và áp dụng nhằm đưa ra kết quả tốt nhất.

4 Cấu trỳc một hệ thống thụng tin địa lý

 Phần cứng (máy tính và thiết bị ngoại vi)

 Phần cứng của một HTTĐL bao gồm các hợp phần sau: Bộ xử lý trung tâm (CPU), thiết bị nhập dữ liệu, lưu dữ liệu và thiết bị xuất dữ liệu

 Bộ xử lý trung tâm (central processing unit - CPU): hệ thống điều khiển, bộ nhớ, tốc độ xử lý là những yếu tố quan trọng nhất của CPU

 Nhập, lưu dữ và xuất dữ liệu: các thiết bị ngoại vi phục vụ cho việc nhập dữ liệu là: Bàn số hoá, máy quét để chuyển đổi dữ liệu analoge thành dạng số Hoặc đọc băng và đĩa CD - ROM có nhiệm vụ lấy thông tin hiện có trong băng và đĩa Thiết bị xuất dữ liệu bao gồm máy in đen trắng và màu, báo cáo, kết quả phân tích, máy in kim (plotter)

4 Cấu trúc một hệ thống thông tin địa lý

 PhÇn cøng (m¸y tÝnh vµ thiÕt bÞ ngo¹i vi)

IBM PC

Trạm làm việc Bàn số

hóa

Máy tính lớn

Modem

4 Cấu trỳc một hệ thống thụng tin địa lý

 Phần mềm

 Một hệ thống phần mềm xử lý HTTĐL yêu cầu phải có hai chức năng sau:

tự động hoá bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu Sự phát triển kỹ thuật HTTĐL hiện đại liên quan đến sự phát triển của hai hợp phần này

- Tự động hoá bản đồ: bản đồ học là môn khoa học, nghệ thuật và kỹ thuật thành lập bản đồ Do đó, tự động hoá bản đồ là thành lập bản đồ với sự trợ giúp của máy tính Một bản đồ là sự thể hiện bằng đồ họa của mối quan hệ không gian và các hình dạng (Pobinson và NNK, 1984) và mỗi một bản đồ

là sự mô hình hoá thực tế theo những tỷ lệ nhất định

- Quản lý dữ liệu: chức năng thứ hai của phần mềm HTTĐL là hệ thống quản

lý dữ liệu (data base management system DBMS) Hệ thống TTĐL phải có khả năng điều khiển các dạng khác nhau của dữ liệu địa lý đồng thời có thể quản lý hiệu quả một khối lượng lớn dữ liệu với một trật tự rõ ràng Một yếu

tố rất quan trọng của phần mềm HTTĐL là cho khả năng liên kết hệ thống giữa việc tự động hóa bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu

Mở rộng



Nhận biết GIS như thế nào?

 Cần phân biệt 2 ý nghĩa của câu hỏi “đó có phải là GIS?”

 GIS là ứng dụng, bao gồm phần cứng, phần mềm, dữ liệu, phương pháp và con người để giải quyết vấn đề  Ứng dụng GIS

 GIS là loại phần mềm do các nhà tin học phát triển, tương tự Word, Excel.

 GIS là ứng dụng

 Phần cứng GIS tương tự bất kỳ máy tính nào và bổ sung một các thiết bị khác như máy in, máy vẽ khổ rộng, thiết bị nhập liệu như bàn số hóa, máy quét

 Loại thông tin nào là quan trọng sẽ được GIS lưu trữ

 thông tin về what is where: nội dung bản đồ và ảnh chụp

 dữ liệu được GIS lưu trữ trong máy tính bao gồm cả bản đồ và ảnh.

 GIS bao gồm các công cụ thao tác trên dữ liệu địa lý

 Các chức năng hiển thị, sửa đổi, đo khoảng cách, diện tích

 Các chức năng phức tạp hơn: thống kê không gian, quản lý các công trình công cộng,

hỗ trợ lập quyết định, lập kế hoạch, dự báo tương lai.

 GIS là phần mềm

 Thực hiện các chức năng trên bằng thành phần của phần mềm máy tính -> GIS

là phần mềm máy tính

 Chúng được các hãng phần mềm cung cấp với giá từ 50 – 50000 USD.

 Các hãng chuyên về GIS, các hãng phần mềm khác có cung cấp phần mềm GIS

Sử dụng GIS để làm gì?

 Các công ty công trình công cộng

 các công ty điện thoại, điện lực, nước, truyền hình cáp

 mỗi công ty có hàng trăm ngàn khách hàng: mỗi khách hàng nối vào mạng, có hàng trăm km đường dây dẫn hay đường ống dưới mặt đất

 mỗi công ty nhận hàng trăm cuộc gọi bảo trì mỗi ngày, do vậy họ cần

 theo dõi mọi hoạt động, quản lý các thông tin về what is where , cập nhật

dữ liệu, giao nhiệm vụ cho nhân viên, cung cấp thông tin cho các công ty khác.

 Giao thông vận tải

 các cơ quan quản lý giao thông vận tại cần:

 quản lý hệ thống tín hiệu giao thông; trạng thái mặt đường cao tốc; phân tích dữ liệu về các tai nạn đường bộ, đường sắt

 lái xe của trường học cần kế hoạch đưa đón học sinh

 người bán hàng cần hệ thống tìm đường, định vị trong xe ôtô

 hãng chuyển phát nhanh (FedEx) cần theo dõi hành trình hàng hóa các nghiên cứu tập trung vào: quản lý đường đi và lập lịch bằng GIS

Sử dụng GIS để làm gì?

 sử dụng bản đồ chi tiết và ảnh vệ tinh để lập kế hoạch mùa màng

 lập kế hoạch sử dụng hiệu quả thuốc trừ sâu, phân bón

 phân tích sản lượng thu hoạch.

 các kỹ thuật này được gọi là “nông nghiệp chính xác”

 lập kế hoạch vị trí đường đi, phương pháp khai thác và vận chuyển gỗ

để tuân thủ các qui định về môi trường

 quản lý các khía cạnh khác: trồng rừng

Các câu hỏi mà GIS có thể trả lời

 GIS đầy đủ có thể trả lời 5 câu hỏi sau cho các ứng dụng khác nhau.

 location

mã bưu điện hay tọa độ địa lý (kinh/vĩ độ)

 condition

tích 2000m 2 và xa đường quốc lộ 100m và loại đất phù hợp cho xây dựng nhà)

 trends

 patterns

nguyên nhân chính của cái chết của người dân gần nhà máy nguyên tử?)

 modeling

chất độc thải vào nguồn nước Để trả lời câu hỏi này đòi hỏi các thông tin địa

lý và các thông tin khác

GI-System, -Science, -Study

 Hành động “doing GIS” là gì?

 là sử dụng các công cụ của hệ thông tin địa lý để giải quyết những vấn

đề đã nói trên đây.

 Dự án GIS có các giai đoạn:  xác định vấn đề;  tìm kiếm dữ liệu;  xây dựng CSDL;  thực hiện phân tích;  diễn giải và biểu diễn kết quả.

 Từ khía cạnh này: GIS= Geographic Information System

 hay có nghĩa là phát triển công cụ

 bổ sung vào công nghệ thông tin địa lý đang có hay xây dựng công cụ mới.

 hay là nghiên cứu về lý thuyết và quan niệm của công nghệ thông tin địa lý

 do vậy, GIS = Geographic Information Science

 hay là nghiên cứu về khía cạnh xã hội của thông tin địa lý

 do vậy, GIS = Geographic Information Study

 kinh tế của thông tin địa lý

 ngữ cảnh hợp qui luật

 các nhiệm vụ riêng, bảo đảm

Khoa học thông tin địa lý

 Là khoa học hỗ trợ cho công nghệ

 xem xét các câu hỏi cơ bản do sử dụng hệ thống và công nghệ đưa ra

 Là đa lĩnh vực

 nhiều lĩnh vực đóng góp vào các nhiệm vụ này

 Công nghệ thông tin địa lý truyền thống: bản đồ học (cartography), viễn thám (remote sensing), đo đạc (geodesy), quan trắc (photogrammetry)

 Công nghệ thông tin số truyền thống: khoa học máy tính (CSDL, xử lý ảnh, nhận dạng mẫu, đồ họa máy tính )

 địa tin học: ‘geomatics’ (Canada, châu Âu) và ‘geoinfomatics’ (Mỹ) có cùng ý nghĩa

 khái niệm ‘spatial’ hay ‘geographic’

 ‘geographic’ liên quan đến Trái đất: bề mặt hai chiều; khí quyển, đại dương, lớp dưới bề mặt 3D

 ‘spatial’ đề cập đến bất kỳ cấu trúc đa chiều nào: ảnh y tế về cơ thể người; bản vẽ thiết kế cơ khí; vẽ kiến trúc ngôi nhà

 ‘geographic’ là tập con của ‘spatial’: thường được sử dụng thay cho nhau khi nghiên cứu về GIS