BÀI GIẢNG GIS ĐẠI CƯƠNG

Nội dung chương trìnhChương 1: Tổng quan hệ thống GIS Chương 2: Biểu diễn các đối tượng không gian Chương 3: Nhập dữ liệu GIS Chương 4: Xử lý dữ liệu trong GIS Chương 5: Xây dựng hệ thốn

GIS ĐẠI CƯƠNG

Nội dung chương trình

Chương 1: Tổng quan hệ thống GIS

Chương 2: Biểu diễn các đối tượng không gian Chương 3: Nhập dữ liệu GIS

Chương 4: Xử lý dữ liệu trong GIS

Chương 5: Xây dựng hệ thống GIS

Chương 1

TỔNG QUAN HỆ THỐNG GIS

1.2 Hệ thống thông tin địa lý là gì ?

Phân tích

Dữ liệu

INTERNET

Ra quyết định Lưu trữ

Thế giới thực Thu thập

Vòng tuần hoàn của dữ liệu trong GIS

• GIS được hình thành từ năm 1962 ở

Canada (CGIS = Canada GIS).

• GIS là công cụ cho các bài toán phân tích

về quản lý đất đai, môi trường, thổ

• GPS (Global Position System)

• LBS (Location Based Service)

• RS (Remote Sensing)

• GIS xuất hiện ở Việt Nam từ năm 1990 thông qua các dự

án hợp tác quốc tế

• Từ đó đến nay, có nhiều ngành khoa học ứng dụng GIS

vào trong các lĩnh vực môi trường, đất đai, khí tượng,

thủy văn, cấp thoát nước, điện lực,…

Một số ứng dụng đã đƣợc triển khai :

• VILIS (Phần mềm hệ thống thông tin đất đai)

Mô đun quản lý cơ sở dữ liệu đất đai

Mô đun Hỗ trợ thống kê, kiểm kê đất đai

Mô đun hỗ trợ quản lý qui hoạch đất đai

Mô đun quản lý nhà ở và in GCNQSHNƠ&QSDĐƠ;

…

Một số ứng dụng đã được triển khai:

• Phần mềm ELIS:

– Sản phẩm của Chương trình hợp tác giữa Việt

Nam và Thụy Điển (2004 – 2009) - SEMLA

– Mục tiêu của SEMLA: xây dựng một hệ thống

quản lý môi trường và tài nguyên.

Tham khảo tại website: http://www.semla.org.vn

1.4 Mô hình hệ thống thông tin địa lý

Dữ liệu

INTERNET

1.4 Mô hình hệ thống thông tin địa lý

1.5 Thành phần của hệ thống thơng tin địa lý

TỔ CHỨC

NHÂN LỰC

QUY TRÌNH DỮ LIỆU

Con người

Phần cứng

Phần mềm

Dữ liệu

Arcview GISArcGIS

MapInfo

…

Máy trạmMáy chủMạngThiết bị ngoại vi,…

Bản đồ giấy

Số liệu/tài liệuẢnh vệ tinh/viễn thám

…Những qui

Thành phần phần cứng

Server

Web Applications

Engines

App Custom Desktops

Desktops

App Desktops

Gateway

DBMS

Thành phần con người

Cơ sở dữ liệu trong hệ thống GIS

Xử lý dữ liệu Nhập dữ

liệu Xuất dữ liệu

Người dùng trong hệ thống thông tin địalý (GIS)

Người dùng ngoài hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Nhĩm 1

Nhĩm 2

Nhĩm 3

 Tổ chức

FRAMEWORK (COÂNG VIEÄC KHUNG)

1.6 Tổ chức dữ liệu không gian trong GIS

• Những lớp dữ

liệu đƣợc tổ chức theo chủ đề

1.7 Các chức năng của GIS

Thu thập

Lưu trữ

Phân tích

Hiển thị

 Cấu trúc Vector

 Cấu trúc Raster

Dòng

Hiển thị

Báo cáo

Phân biệt GIS với một số hệ thống

thông tin khác?

• GIS liên quan mật thiết với một số hệ thống thông tin

khác như: Desktop Mapping (thành lập bản đồ), CAD

(trợ giúp thiết kế nhờ mày tính), Viễn thám và GPS (hệ thống định vị toàn cầu), DBMS (Hệ quản trị cơ sở dữ liệu).

• Nhưng chỉ GIS mới có khả năng phân tích dữ liệu địa lý.

Phân biệt GIS với một số hệ thống

– Hạn chế hơn so với GIS về khả năng quản lý dữ

liệu, phân tích không gian và khả năng tuỳ biến

Phân biệt GIS với một số hệ thống

thông tin khác?

• CAD (trợ giúp thiết kế nhờ mày tính)

– Trợ giúp cho việc tạo ra các bản thiết kế xây dựng nhà và cơ sở hạ tầng

– CAD yêu cầu một số quy tắc về việc tập hợp các

thành phần và các khả năng phân tích rất giới hạn – Hệ thống CAD có thể được mở rộng để hỗ trợ bản

đồ nhưng thông thường bị giới hạn trong quản lý và phân tích các cơ sở dữ liệu địa lý lớn.

Phân biệt GIS với một số hệ thống

thông tin khác?

• Viễn thám và GPS (hệ thống định vị toàn cầu)

– Nghiên cứu bề mặt trái đất sử dụng kỹ thuật cảm

biến như quay camera từ máy bay, các trạm thu

- Quản lý giao thông

- Quản lý cấp thoát nước, điện, mạng viễn thông,…

vẫn không hiệu quả do thiếu thông

tin, tài liệu.

• Cách lưu trữ, quản lý chưa khoa

học, …

• Hướng dẫn lộ trình, tiện

ích

• Thông tin các tuyến vận

tải (xe buýt, metro,…)

Một vài ứng dụng (tt)

 GIS trong lĩnh vực quản lý môi trường và kiểm soát điều kiện tự nhiên: quản lý ô nhiểm, quản lý nguồn nước, động thực vật, khí tượng thủy văn.

Một vài ứng dụng (tt)

 GIS trong lĩnh vực quản lý hạ tầng kỹ thuật: Xây dựng, quy hoạch, giao thông, điện lực, viễn thông, cấp nước, thoát nước.

Một vài ứng dụng (tt)

 GIS trong lĩnh vực quản lý kinh tế xã hội:

dữ liệu không gian

6 thành phần: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, quy trình, con người, tổ chức

4 chức năng: thu thập, lưu trữ, phân tích, hiện thị

Bài tập chương 1

Bài 1: Khái niệm, thành phần, chức năng của GIS Bài 2: Trình bày vòng tuần hoàn của dữ liệu địa lý? Và từ đó giải thích lý do tại sao dữ liệu GIS luôn luôn phải được cập nhật Ví dụ minh họa.

Bài 3: Tìm một vài ứng dụng của GIS trong lĩnh vực quản lý tài nguyên môi trường.

Bài 4: Tìm các phần mềm GIS mã nguồn mở.

Chương 2

MÔ HÌNH VÀ CẤU TRÚC DỮ LIỆU

2.1 MƠ HÌNH DỮ LIỆU

Thế giới thực

Mô hình thế giới

Bản đồ GIS

Mô hình dữ liệu

Cơ sở dữ liệu

 Mơ hình dữ liệu thể hiện một tập hợp các quy tắc

hoặc hướng dẫn giúp chuyển đổi thế giới thực thành

các đối tượng số cĩ các đặc tính khơng gian và thuộc

tính

2.1 MÔ HÌNH DỮ LIỆU

 Mô hình dữ liệu Vector.

 Mô hình dữ liệu Raster.

 Cấu trúc vector

 Cấu trúc Raster

Dòng

• RASTER

• VECTOR

• Real World

2.2 Mô hình dữ liệu Vector

Các đối tượng không gian khi biểu diễn ở mô hình dữ liệu vector được tổ chức dưới dạng điểm (point), đường (line) và vùng (polygon) và được biểu diễn trên một hệ thống tọa độ nào đó.

- Đối tượng điểm được biểu diễn bởi một cặp tọa độ (x, y);

- Đối tượng đường được xác định bởi một chuỗi liên tiếp các điểm (vertex),

- Đoạn thẳng được nối giữa các điểm (vertex) hay còn gọi là cạnh (segment), điểm bắt đầu và điểm kết thúc của một đường gọi là các nút (node);

2.2 Mô hình dữ liệu Vector

Structure of Vector Data

• There is a relationship between vector data types Each data

type is often dependent upon one another When representing

geographic data in vector format, data is typically stored as:

• Points: points are zero dimensional objects, and represent

geographic features such as wells, sample locations, or trees.

• Lines: lines represent one dimensional objects, or linear

features, such as road and stream centerlines Lines are made

up of a series of interconnected points A line typically starts

and end with a special point called a node, and the points that

make up the rest of a line are called vertices

• Polygons/Area: polygons represent two dimensional objects

such as the boundaries of a field, or property, or the outline of

a building or lake Polygons are made up of a series of

connected lines where the starting point of a polygon is the

same as the ending point.

Point

Line

2.2 Mô hình dữ liệu Vector

Các loại cấu trúc dữ liệu vector: Spaghetti, Topology

- Cấu trúc Spaghetti ra đời trước và được sử dụng cho đến ngày nay, đượcứng dụng đầu tiên trong phần mềm SYMAP dùng lập bản đồ vào cuốinăm 1960 Mô hình này ngày nay vẫn được dùng trong một số phần mềmGIS, như MapInfo

- Cấu trúc Topology ra đời trên nền tảng của mô hình dữ liệu cung – nút(Arc - Node)

2.2 Mô hình dữ liệu Vector

Cấu trúc Spaghetti

Trong cấu trúc dữ liệu Spaghetti, đơn vị cơ sở là các cặp tọa độ trênmột không gian địa lý xác định Do đó, mỗi đối tượng điểm được xácđịnh bằng một cặp tọa độ (x, y); mỗi đối tượng đường được biểu diễnbằng một chuỗi những cặp tọa độ (xi, yi); mỗi đối tượng vùng đượcbiểu diễn bằng một chuỗi những cặp toạ độ (xj, yj) với điểm đầu vàđiểm cuối trùng nhau

2.2 Mô hình dữ liệu Vector

Điểm A (xA, yA) Điểm B (xB, yB) Cung AB (xA, yA), (xB, yB) Vùng a (xA, yA), (xa1, ya1), …, (xa5, ya5) , (xB, yB), (xA, yA)

Vùng b (xA, yA), (xb1, yb1), (xb2, yb2), (xb3, yb3) , (xB, yB),

(xA, yA)

Cấu trúc Spaghetti

2.2 Mô hình dữ liệu Vector

Cấu trúc Spaghetti

Đặc điểm:

1 Cấu trúc Spaghetti không ghi nhận đặc trưng kề nhau của hai vùng

kề nhau, nghĩa là tại hai vùng kề nhau sẽ có hai cạnh chung kềnhau, cạnh chung của hai vùng kề nhau là hai cạnh độc lập nhau (Ởthí dụ trên vùng a và vùng b có chung cạnh AB) và khi cập nhật cóthể xảy ra trường hợp cạnh chung trên cả hai vùng không được cậpnhật đồng thời;

2 Các cung có thể băng ngang nhưng không giao;

3 Không có các thông tin topology về các vùng, không cho biếtvùng

nào lân cận hoặc có chung ranh giới, không cho biết quan hệ giữa

2.2 Mô hình dữ liệu Vector

Cấu trúc Topology

Cấu trúc Topology còn được gọi là cấu trúc cung – nút (arc - node).Cấu trúc này được xây dựng trên mô hình cung – nút, trong đó cung làphần tử cơ sở Việc xác định các phần tử không gian dựa trên các địnhnghĩa sau:

- Mỗi cung được xác định bởi 2 nút, các phần tử ở giữa 2 nút là cácđiểm điều khiển (vertex), các điểm này xác định hình dạng củacung

- Các cung giao nhau tại các nút, kết thúc một cung là nút

- Vùng là tập hợp các cung khép kín, trong trường hợp vùng trongvùng thì phải có sự phân biệt giữa cung bên trong và cung bênngoài

2.2 Mô hình dữ liệu Vector

Cấu trúc Topology

Trong cấu trúc Topology, các đối tượng không gian được mô tả trongbốn bảng dữ liệu: bảng tọa độ cung, bảng topology cung, bảngtopology nút và bảng topology vùng Giữa các bảng này có quan hệ vớinhau thông qua cung Từ đây, ta có thể phân tích các quan hệ của cácđối tượng không gian trên cùng một hệ tọa độ

2.2 Mô hình dữ liệu Vector

AB A B a b AaB A B Vùng a

2.2 Mô hình dữ liệu Vector

Nút cuối (x,y)

- Các đường ranh giới thửa không được phép giao nhau, phải luôn

cắt nhau tại đầu hoặc cuối đường ( tại điểm nút NODE).

Áp dụng mô hình topology khi xây dựng CSDL không gian

- Đường ranh giới tạo thành đường bao thửa đất luôn đảm bảo tính

khép kín tuyệt đối về toạ độ

Mô hình dữ liệu Vector Topology

DỮ LIỆU KHÔNG GIAN CHUẨN

Cơ sở dữ liệu chuẩn là dữ liệu không còn lỗi như: bắt quá, bắt chưa tới, vùng chưa khép….

2.3 Mối quan hệ Topology của các đối tƣợng

Trong thực tiễn, tồn tại đa dạng các mối quan hệ topology giữa các đốitượng phân bố theo không gian Các mối quan hệ Topology sau đâythường gặp:

2.3 Mối quan hệ Topology của các đối tƣợng

2.3 Mối quan hệ Topology của các đối tƣợng

 Điểm – Điểm (Point - Point)

- “Is within”: Trong một khoảng cách nhất định

- “Is nearest to”: Gần nhất đối với một điểm nào đó

 Điểm – Đường (Point – Line)

- “On – Line”: Một điểm trên đường

- “Is nearest to”: Điểm gần nhất đối với một đường xác định nào đó

 Điểm – Vùng (Point-Area)

- “Is contained in”: Điểm trong vùng

- “On border of area”: Điểm nằm trên biên của một vùng

2.3 Mối quan hệ Topology của các đối tƣợng

- “Intersects”: Hai đường giao nhau

- “Crosses”: Hai đường băng ngang nhau nhưng không cắt

- “Flow into”: Con suối chảy vào con sông

- “Intersects”: Đường giao nhau với vùng

- “Boders”: Đường là phần của ranh của vùng

- “Is within”: Một đảo nằm trong một vùng

- “Overlaps”: Hai vùng chồng phủ lên nhau

- “Is adjacent to”: Hai đường có chung mộtphần đường ranh giới

2.4 Mô hình dữ liệu Raster

Hệ thống nền raster thể hiện, định vị trí và lưu trữ dữ liệu địa lý bằngcách sử dụng một ma trận hay một lưới"các ô" Dữ liệu raster đượcđịnh nghĩa bằng cách chồng lưới ô lên trên một đối tượng địa lý Giátrị của ô chính là giá trị đo hoặc ghi nhận được của đối tượng khi đốitượng nằm đầy trong ô Trong tường hợp đối tượng không chiếm đầy

ô, giá trị ô được gán theo các đối tượng sau:

- Chiếm đa số về diện tích

- Đối tượng tại tâm ô

- Đối tượng chạm ô (cho các đối tượng dạng tuyến)

- Theo trọng số để đảm bảo các đối tượng có đặc tính quí hiếmđựơcbiểu diễn

2.4 Mô hình dữ liệu Raster

2.4 Mô hình dữ liệu Raster

Lưới các ô thường có góc toạ độ bắt đầu tại vị trí trên – trái Độ phân giải dữliệu raster phụ thuộc vào kích thước ô Thông thường 8 bit được dùng đểbiểu diễn giá trị của ô do đó có 256 giá trị có thể có cho mỗi ô (2 – 255)

Các dạng ô lưới khác nhau có thể được dùng để biểu diển các đối tượng địalý:

- Lưới ô vuông (cạnh bằng nhau, đơn giản trong biểu diễn, các ô có thể chia lặp thành các ô có cùng hình dạng)

- Lưới chữ nhật thường gặp đối với các lưới kinh vĩ độ đã chiếu; trongtrường hợp này dữ liệu thu thập cho vùng 1°x1° sẽ có kích thước cạnh khôngbằng nhau

- Lưới hexagons (tất cả các ô có tâm điểm cách đều nhau)

2.4 Mô hình dữ liệu Raster

Lưới hexagonsLưới ô vuông

2.5 So sánh Mơ hình Vector và Raster

Raster  Cấu trúc dữ liệu đơn giản

 Thích hợp để biểu diễn dữ liệu viễn thám hoặc dữ liệu quét

 Chồng lớp được hiện dể dàng và hiệu quả

 Phương pháp phân tích không gian đơn giản

 Chiếm nhiều bộ nhớ

 Tuỳ thuộc vào kích thước ô, hình ảnh xuất có thể không đẹp

 Khó khăn trong thể hiện mối quan hệ topology

Vector  Cấu trúc dữ liệu nén, chiếm ít bộ nhớ

 Topology được duy trì, do vậy rất tiện lợi trong các bài toán phân tích không gian.

 Hình ảnh xuất giống với bản đồ vẽ tay

 Cấu trúc dữ liệu phức tạp

 Không phù hợp với dữ liệu viễn thám

 Phương pháp phân tích không gian phức tạp

 Chồng lớp tốn nhiều thời gian

2.6 Cấu trúc dữ liệu trong biểu diễn bề mặt

Trong GIS, các bề mặt liên tục chẳn hạn như bề mặt địa hình, các đại lượng quan sát khí tượng (mưa, nhiệt độ, áp xuất, …), mật độ dân số, … cần được thể hiện dưới dạng các bề mặt ba chiều Trên cơ sở các điểm mẩu đã quan sát (ngẫu nhiên hoặc hệ thống), môt mô hình bề mặt có thể xây dựng, cho phép nội suy giá trị của một điểm tại vị trí quan tâm nào đó.

Thông thường 4 loại cấu trúc điểm mẩu sau đây được mô hình thành các bề mặt DEM (Digital Elevation Model).

- Các điểm mẫu phân bố đều dưới dạng lưới làm cơ sơ cho việt xây dựng mô hình DEM dạng lưới.

- Các điểm mẩu phân bố ngẩu nhiên có thể được dùng để xây dựng mô hình DEM dạng mạng lưới tam giác không đều (Triangulated IrregularNetwork - TIN).

- Mô hình TIN được xây dựng dựa vào các đường đồng mức.

- Phẫu diện, các phẫu diễn được quan sát dọc hoặc vuông góc với một tuyến đường khảo sát Trong trường hợp tuyến đó là một đường thẳng, các điểm dạng lưới sẽ được nội

• TIN là một mô hình dữ liệu

được sử dụng để miêu tả các

đối tượng ba chiều Các điểm

miêu tả bởi các giá trị x,y,z.

Dùng các phương thức tính

toán hình học, các điểm được

kết nối vào nhau gọi là phép

đạc tam giác Các đường của

các tam giác gọi là các cùng

và miền phía trong gọi là bề

• Mô hình TIN có một vài điểm phức tạp hơn dạng Point,

Line, Polygon trong mô hình Vector, hay mô hình Raster,

nó thực sự hữu ích miêu tả độ cao

• Ví dụ thể hiện lợi ích của TIN:

– Lưới Raster có thể thể hiện toàn bộ bề mặt của miền địa lý

– Nếu chúng ta muốn hiển thị chi tiết thì ta phải chia lưới này thành các ô nhỏ hơn -> nhưng với một bề mặt tương đối bằng phẳng -> tốn bộ nhớ

– Với TIN chúng ta không phải dùng nhiều điểm trên miền bằng

phẳng, nhưng cũng có thể thêm nhiều điểm ở vùng dốc nơi chúng

ta muốn hiển thị nhiều chi tiết hơn

2.6 Cấu trúc dữ liệu TIN(Triangulated Irregular Network)

• Cấu trúc dữ liệu TIN dựa trên hai

phân tử cơ bản:

– Các điểm với giá trị x,y,z

– Các cung nối các điểm này.

• Phép đạc tam giác TIN thỏa mãn

theo tiêu chuẩn Delaunay

Tiêu chuẩn Delaunay

Vòng tròn ngoại tiếp không chứa một nút của bất kỳ phần tử

 TIN là một tập hợp các tam giác liền kề, không bị chồng nhau.

 ArcGIS hỗ trợ cả hai mô hình độ cao: TIN and lattice (lưới)

2.6 Cấu trúc dữ liệu TIN(Triangulated Irregular Network)

 Nodes: là cơ sở xây dựng các khối của TIN Các nút bắt đầu từ các điểm và các đỉnh cung chứa từ các nguồn dữ liệu nhâp vào.

 Edges: Mỗi nút được nối với nút gần nhất theo tiêu chuẩn Delaunay Mỗi cung có hai nút nhưng môt nút có thể có hai hoặc nhiều cung.

 Triangles: Mỗi bề mặt tam giác miêu tả một phần của bề mặt TIN

 Hull (bao): được hình thành bới một hoặc nhiều polygon bao gồm toàn bộ tập dữ liệu các điểm sử dụng xây dựng nên TIN Các Polygon Hull định nghĩa vùng nội suy của TIN

 Topology: là cấu trúc hình học của TIN định nghĩa mối quan hệ giữa các nút, các cung và mối quan hệ giữa các tam giác liền kề

• Trong ARC/INFO, TIN được lưu trữ trong một thư mục gồm các file Tuy nhiên, TIN không bao chứa và không kết hợp với file

thông tin (INFO) Thư mục TIN chứa 7 file bao gồm thông tin về

bề mặt TIN Các file này được mã hóa theo dạng nhị phân và

không đọc được ở chế độ hiển thị văn bản.