XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖ TRỢ CẢNH BÁO SẠT LỞ CHO TỈNH QUẢNG BÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Nhiệm vụ: - Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về công nghệ thông tin địa lý GIS và quyết định GIS sẽ được xây dựng theo mô hình, lộ trình và phương thức tổ chức thực hiện như thế nào trong quá t

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN TẤN KHÔI

Đà Nẵng - Năm 2018

Tôi xin cam đoan:

Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS TS Nguyễn Tấn Khôi

Mọi tham khảo dùng trong luận văn được trích dẫn rõ ràng và trung thực về tên tác giả, tên công trình, thời gian và địa điểm công bố

Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả luận văn

Lê Hoàng

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN HỖ TRỢ CẢNH BÁO

SẠT LỞ CHO TỈNH QUẢNG BÌNH

Học viên: Lê Hoàng Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 8480101 - Khóa: 34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Quảng Bình luôn phải chịu ảnh hưởng của các loại thiên tai thường xảy ra ở Việt

Nam với tần suất cao, mức độ ác liệt hơn như bão, Áp thấp nhiệt đới, lũ lụt, lũ quét, sạt lở trong đó nhiều nhất là bão, lũ lụt, lốc xoáy, sạt lở Tỷ lệ mưa do bão và áp thấp nhiệt đới gây

ra chiếm tới 40-50% tổng lượng mưa hàng năm Thiên tai đã làm ngưng trệ các hoạt động xã hội, gây nhiều thiệt hại đến con người, tài sản của nhân dân và Nhà nước Những năm gần, đây thiên tai càng ngày càng gia tăng về số lượng và cường độ, càng ngày mức độ càng khốc

liệt và khó lường Xuất phát từ những lý do trên tôi chọn đề tài để nghiên cứu "Xây dựng hệ

thống thông tin hỗ trợ cảnh báo sạt lở cho tỉnh Quảng Bình" Nội dung nghiên cứu gồm:

(1) Giới thiệu về GIS, khái quát các nội dung liên quan, các vấn đề tồn tại Khái niệm về lũ và sạt lở các nhân tố ảnh hưởng lũ, tình hình nghiên cứu lũ trong và ngoài nước, giới thiệu một

số ứng dụng, công nghệ GIS trong đánh giá thiên tai và đáng giá thực trạng tại địa bàn tỉnh Quảng Bình (2) GIS và chồng lớp bản đồ, xây dựng bản đồ, số hoá bản đồ thiết lập các thuộc tính của các lớp bằng phần mềm QGIS, kết nối và liên kết dữ liệu bản đồ (3) Phân tích thiết

kế hướng đối tượng Trình bày các bước phân tích thiết kế hệ thống hỗ trợ hệ thống mô phỏng cảnh báo và kết quả thực nghiệm

Từ khóa: Lũ lụt, lũ quét, trượt lở, sạt lở đất

BUILDING INFORMATION SUPPORT SYSTEM WARNING

SUCCESS TO QUANG BINH PROVINCE

Abstract - Quang Binh is always affected by natural disasters that often occur in

Vietnam with high frequency, such as typhoons, tropical depression, floods, flash floods, landslides in which many especially storms, floods, cyclones, landslides Storms and tropical depression cause up to 40-50% of annual rainfall Disasters have stalled social activities, caused much damage to the people and property of the people and the State In recent years, natural disasters have increased in number and intensity Starting from the above reasons, I chose to study the topic of "Building an information system supporting landslide warnings for Quang Binh province" The research contents include: (1) Introduction to GIS, overview of related issues, existing issues The concept of floods and floods, the situation of flood research in and outside the country, introduction of some applications, GIS technology

in disaster assessment and real situation in Quang Binh province (2) GIS and map overlays, mapping, digitizing maps set up properties of layers by QGIS software, connecting and linking map data (3) Object-oriented design analysis Describe the system design analysis steps that support the system for simulating warnings and experimental results

Key words: Flood, flash flood, slipping, landslide

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Cấu trúc luận văn 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 6

1.1 GIỚI THIỆU 6

1.1.1 Các thành phần của GIS 7

1.1.2 Chức năng của GIS 9

1.1.3 Ứng dụng của hệ thông tin địa lý GIS 10

1.1.4 Mô hình dữ liệu địa lý của hệ thống GIS 12

1.2 LŨ QUÉT 15

1.2.1 Các dạng lũ quét 15

1.2.2 Đặc tính của lũ quét 15

1.2.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến lũ quét 17

1.2.4 Sự thích nghi và lợi ích của lũ quét 17

1.3 ỨNG DỤNG GIS TRONG ĐÁNH GIÁ THIÊN TAI 20

1.3.1 Công nghệ WebGIS 23

1.3.2 Kiến trúc của hệ thống WebGIS 25

1.3.3 Mô hình triển khai WebGIS 26

1.3.4 Dữ liệu WebGIS 26

1.3.5 Chuẩn dịch vụ xây dựng bản đồ WebGIS 30

1.4 PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ QGIS 35

1.4.1 Giới thiệu 35

1.4.2 Các chức năng chính của QGIS 36

1.5.2 Địa hình: 37

1.5.3 Địa mạo 43

1.5.4 Đặc điểm khi tượng thủy văn: 45

1.5.5 Nhiệt độ bình quân 47

1.6 KẾT CHƯƠNG 47

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG LỚP BẢN ĐỒ VÀ QGIS 48

2.1 CHỒNG LỚP BẢN ĐỒ 48

2.2 XÂY DỰNG BẢN ĐỒ SỐ BẰNG QGIS 49

2.2.1 Lớp bản đồ rừng có nguy cơ lũ quét và sạt lở 49

2.2.2 Lớp bản đồ sử dụng đất 49

2.2.3 Lớp bản đồ độ dốc 49

2.3 KỸ THUẬT CHỒNG LỚP BẢN ĐỒ 49

2.3.1 Thuật toán xử lý chồng lớp 49

2.3.2 Quá trình số hóa bản đồ 50

2.3.3 Các lớp dữ liệu bản đồ 52

2.3.4 Mô hình dữ liệu giữa các lớp dữ liệu bản đồ 53

2.3.5 Kết nối dữ liệu bản đồ và đưa dữ liệu lên Geoserver 54

2.4 THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG DNGIS 57

2.5 KẾT CHƯƠNG 61

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP THÔNG TIN 62 3.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG 62

3.2 CÔNG CỤ VÀ MÔI TRƯỜNG LẬP TRÌNH 63

3.3 KẾT QUẢ CHƯƠNG TRÌNH 64

3.3.1 Xây dựng bản đồ số QGIS 64

3.3.2 Kết quả thực hiện chương trình 66

3.3.3 Nhận xét đánh giá kết quả 70

3.4 KẾT CHƯƠNG 71

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

CAD Computer Aided Design

CSDL Cơ Sở Dữ Liệu

CVS Concurrent Versions System

DBMS Database Management System

DMU Disaster Management Unit

ESRI Enviromental Systems Research Institute

GIS Geographic Information System

GML Geography Markup Language

GNU GNU's Not Unix

GPL General Public License

ISO International Organization for Standardization

NXB Nhà Xuất Bản

OGC Open GIS Consortium

TBNN Trung Bình Nhiều Năm

UML Unified Modeling Language

USLE Universal Soil Loss Equation

WMS Web Map Service

XML Extensible Markup Language

Bảng 1.1 Bảng mô tả cách thể hiện của Raster và Vector 13

Bảng 1.2 Thống kê diện tích phân bố các phân cấp độ cao 39

Bảng 1.3 Thống kê diện tích phân bố các phân cấp độ dốc 40

Bảng 1.4 Thống kê diện tích phân bố các phân cấp độ dốc 41

Bảng 1.5 Đặc điểm phân bố mậtTđộ phân cắt sâu 42

Bảng 1.6 Đặc điểm phân bố mật độ phân cắt ngang 43

Bảng 1.7 Đặc điểm hình thái sông ngòi tỉnh Quảng Bình 46

Bảng 1.8 Nhiệt độ bình quân trong năm tỉnh Quảng Bình 47

Bảng 2.1 Phân khoảng bản đồ kết quả 50

Bảng 2.2 Dữ liệu bản đồ ranh giới 52

Bảng 2.3 Dữ liệu bản đồ đường giao thông 53

Bảng 2.4 Dữ liệu bản đồ thủy hệ 53

Bảng 2.5 Bảng các lớp trong hệ thống 57

Bảng 2.6 Bảng thông tin tỉnh 57

Bảng 2.7 Bảng thông tin loại khí tượng thủy văn 58

Bảng 2.8 Bảng thông tin huyện 58

Bảng 2.9 Bảng thông tin xã 58

Bảng 2.10 Bảng thông tin trạm 59

Bảng 2.11 Bảng thông tin khí tượng thủy văn 59

Bảng 2.12 Bảng thông tin các loại thiên tai 60

Bảng 3.1 Kết quả liệt kê các điểm ngập lụt và sạt lở năm 2016, 2017 68

Hình 1.1 Mô hình các thành phần GIS 8

Hình 1.2 Các lớp ứng dụng của GIS trong môi trường 11

Hình 1.3 Các lớp ứng dụng của GIS trong thủy văn 11

Hình 1.4 Các lớp ứng dụng của GIS trong giao thông 12

Hình 1.5 Lũ quét tại huyện Minh Hóa 16

Hình 1.6 Trượt lở, trên tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đông 16

Hình 1.7 Các nhân tố ảnh hưởng lũ quét 17

Hình 1.8 Các nhân tố chính ảnh hưởng đến lũ 18

Hình 1.9 Lớp phủ thực vật rừng 19

Hình 1.10 Ảnh hưởng của đất đến lũ 19

Hình 1.11 Tác động của con người 20

Hình 1.12 Ứng dụng GIS trực tiếp tính toán lũ 21

Hình 1.13 Các nhóm chức năng của GIS 23

Hình 1.14 Mô hình 3 lớp trong kiến trúc WebGIS 25

Hình 1.15 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm 28

Hình 1.16 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng đường 28

Hình 1.17 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng 29

Hình 1.18 Khó khăn trong việc chia sẽ dữ liệu 30

Hình 1.19 Giải pháp của OGC 31

Hình 1.20 Sơ đồ phân bố các phân cấp độ cao địa hình 39

Hình 1.21 Sơ đồ phân bố các phân cấp độ dốc địa hình 40

Hình 1.22 Sơ đồ phân bố các hướng phơi sườn 41

Hình 1.23 Sơ đồ phân bố mật độ phân cắt sâu và cắt ngang 42

Hình 1.24 Bản đồ tỉnh Quảng Bình 47

Hình 2.1 Các lớp dữ liệu đầu vào 50

Hình 2.2 Quy trình số hóa dữ liệu bản đồ 51

Hình 2.3 Chuẩn hóa dữ liệu bản đồ bằng ArcMap 10 51

Hình 2.4 Cấu trúc dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính 52

Hình 2.7 Công bố dữ liệu bản đồ trên Geoserver 55

Hình 2.8 Sơ đồ thực thể các lớp 60

Hình 3.1 Mô hình hệ thống cảnh báo nguy cơ lũ quét 62

Hình 3.2 Giao diện chính của QGIS 65

Hình 3.3 Thanh công cụ số hóa 65

Hình 3.4 Chọn 3 điểm tọa độ cho hình ảnh cần số hóa 66

Hình 3.5 Xem thông tin trên bản đồ chính 67

Hình 3.6 Tra cứu thông tin thiên tai và các điểm sạt lở 67

Hình 3.7 Giao diện WebGIS quản lý thông tin 68

Hình 3.8 Đường HCM đoạn Khe Cát, xã Trường Sơn, H.Quảng Ninh 69

Hình 3.9 Tuyến đường sắt Bắc nam tại Ga lạc sơn-Châu Hóa-Tuyên hóa 69

Hình 3.10 Đường Hồ Chí Minh đoạn qua xã Thượng Hóa 70

Hình 3.11 Trượt lở, trên tuyến đường HCM tại xã Hoá Thanh, Tuyên Hoá 70

Hình 3.12 Đường Quốc lộ 15 71

Hình 3.13 Đường Quốc lộ 15 70

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Quảng Bình là vùng hẹp nhất của Việt Nam, Quảng Bình chịu ảnh hưởng của hầu hết các loại thiên tai thường xảy ra ở Việt Nam nhưng với tần suất cao hơn, mức độ ác liệt hơn như bão, Áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), lũ lụt, lũ quét, sạt

lở bờ sông, bờ biển, hạn hán, cát bay lấp, rét đậm, rét hại, lốc tố, xâm nhập mặn, triều cường, trong đó nhiều nhất là bão, lũ lụt, lốc xoáy, sạt lở bờ sông, bờ biển, cát bay lấp Hàng năm, thường hứng chịu những đợt mưa bão lớn Tuy nhiên do địa hình, các trận lũ thường gây hại nghiệm trọng đối với các khu vực miền núi và trung du, đặc biệt là lũ quét Nguyên nhân gây những trận lụt, lũ quét do điều kiện địa hình, phía tây là sườn tây núi Trường Sơn thường mưa rất lớn khi có bão đổ bộ vào khu vực Miền Trung Thời gian tập trung lũ ngắn, độ dốc lưu vực lớn và nhiều rừng đầu nguồn bị chặt phá không theo qui hoạch là những nguyên nhân quan trong gây ra những trận lũ và lũ quét lớn

Từ năm 1989 đến nay Quảng Bình phải gánh chịu nhiều thiệt hại về người

và tài sản do các cơn bão và lũ lụt gây ra ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển kinh tế xã hội và ổn định cuộc sống dân cư trên địa bàn toàn tỉnh Từ năm 1999 đến nay, thống kê trên toàn tỉnh về mức độ thiệt hại lớn nhất do bão lũ tại các huyện được xếp theo thứ tự như sau: Huyện Lệ thủy, Quảng Ninh, Quảng Trạch,

Bố Trạch, Tuyên Hóa, Minh Hóa, TP Đồng Hới Tuy nhiên trong vòng hai năm lại đây thì huyện chịu nhiều thiệt hại nhất là các huyện Tuyên Hóa, Minh Hóa

do bị lũ quét, xói lở bờ sông [6]

Mùa bão ở Quảng Bình diễn ra từ tháng 7 đến tháng 11, trong đó từ tháng 9-10 nhiều bão nhất Theo số liệu thống kê từ 2000 đến năm 2017 có 13 cơn bão đổ

bộ trực tiếp vào Quảng Bình, có năm không có bão, nhưng lại có năm liên tiếp 2-3 cơn bão đổ bộ trực tiếp Ảnh hưởng nặng nề nhất là bão gây ra gió xoáy giật kèm theo mưa to dài ngày (2-5 ngày) gây ra lũ lụt nghiêm trọng Tỷ lệ mưa do bão và áp thấp nhiệt đới gây ra chiếm tới 40-50% tổng lượng mưa trong các

tháng 9-11 Lượng mưa do một cơn bão gây ra trung bình khoảng 300-600 mm Ngoài ra, các đợt áp thấp nhiệt đới cũng làm ngưng trệ các hoạt động xã hội, gây nhiều thiệt hại đến con người, tài sản của nhân dân và Nhà nước Xu hướng những năm gần đây bão càng ngày càng gia tăng về số lượng và cường độ, càng ngày mức độ càng khốc liệt và khó lường

Xuất phát từ những lý do trên tôi chọn đề tài luận văn cao học:

“Xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ cảnh báo sạt lở cho tỉnh Quảng Bình”

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

2.1 Mục tiêu:

Ứng dụng công nghệ GIS xây dựng bản đồ có nguy cơ sạt lở và nguy cơ lũ, sạt lở dọc trên tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đông đi qua các huyện của tỉnh Quảng Bình để phát hiện cảnh báo những điểm vùng có nguy cơ phát sinh lũ và sạt lở

Xây dựng hệ thống hỗ trợ cảnh báo nguy cơ lũ và cảnh báo sạt lở dựa trên bản đồ kết quả đã xây dựng được

2.2 Nhiệm vụ:

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về công nghệ thông tin địa lý GIS và quyết định GIS sẽ được xây dựng theo mô hình, lộ trình và phương thức tổ chức thực hiện như thế nào trong quá trình xây dựng bản đồ;

- Tìm hiểu về cơ sở dữ liệu bản đồ, khả năng kết nối làm việc với các hệ quản trị cơ sở dữ liệu Phân tích cấu trúc các bảng biểu và các số liệu về bản đồ

số sẽ được lưu trữ;

- Thu thập số liệu khí tượng thủy văn, nghiên cứu đặc điểm tự nhiên có liên quan đến lũ và sạt lở dọc trên tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đông đi qua các huyện của tỉnh Quảng Bình để thực nghiệm

2.3 Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu

- Về ý nghĩa khoa học: Luận văn ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS)

để hỗ trợ đánh giá và cảnh báo sạt lở qua việc phân tích không gian và mối quan

hệ của các nhân tố địa hình, thủy văn, thổ nhưỡng, thực vật và đặc biệt là vấn đề cảnh báo an toàn giao thông dọc trên tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đông đi qua các huyện của tỉnh Quảng Bình

- Về ý nghĩa thực tiễn: Đánh giá mức độ thiệt hại do lũ và sạt lở gây ra đối với tài sản và tính mạng về người; về phát triển kinh tế xã hội của các vùng bị ảnh hưởng; về môi trường sinh thái và đặc biệt là vấn đề an toàn giao thông trên tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đông đi qua các huyện của tỉnh Quảng Bình,

từ đó xây dựng giải pháp cảnh báo lũ trên địa bàn, nghiên cứu làm cơ sở đề xuất một số giải pháp phòng chống, hỗ trợ cảnh báo nhằm khắc phục kịp thời

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

- Công nghệ thông tin địa lý GIS

- Các loại bản đồ số

- Dữ liệu khí tượng thủy văn

- Các loại hình thiên tai

3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Tình hình sạt lở và thủy văn ở tỉnh Quảng Bình

- Các khu vực có nguy cơ sạt lở dọc tuyến đường mòn Hồ Chí Minh nhánh đông, đi qua các huyện của tỉnh Quảng Bình

3.3 Môi trường và công cụ hỗ trợ:

- Microsoft Visual Studio.Net 2010

- Microsoft SQL Server 2008

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về công nghệ thông tin đại lý GIS

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về sạt lở và khí tượng thủy văn

- Các mô hình bản đồ số

- Các phương pháp xây dựng bản đồ số

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Phân tích, thu thập thông tin dữ liệu về khí tượng thủy văn ở các huyện có tuyến đường Hồ Chí Minh, nhánh đông đi qua tỉnh Quảng Bình

Phân tích, thu thập thông tin dữ liệu bản đồ địa lý Số hoá bản đồ: hiện nay được thực hiện là những phần mềm chuyên dụng có giá thành cao, là phần mềm đóng gói nên chỉ sử dụng mà không phát triển được Vì vậy khi lựa chọn phần mềm QGIS có nhiều chức năng xử lý như các phần mềm có bản quyền và đây là sản phẩm mã nguồn mở nên rất thuận lợi trong việc phát triển cho phù hợp với nhu cầu của người dùng

Thiết kế cơ sở dữ liệu: dữ liệu kết quả phân tích mẫu bổ sung, kết quả quan trắc môi trường hàng năm được nhập theo bảng dữ liệu

Tổng hợp dữ liệu GIS gồm có 4 bước:

Xác định các yếu tố sẽ được đưa vào phân tích

Liệt kê bản đồ cho từng yếu tố đã xác định

Chồng xếp và phân tích các bản đồ thành phần và xây dựng các bản đồ tổng hợp

Phân tích bản đồ tổng hợp để xác định khả năng sử dụng

4.3 Phân tích thiết kế hệ thống

- Phân tích thiết kế xây dựng chương trình

- Triển khai chương trình

- Thực thi bản đồ trên hệ thống cảnh báo cùng với các số liệu đã thu thập được

- Triển khai cài đặt và kiểm tra kết quả đạt được

5 Cấu trúc luận văn

Luận văn được tổ chức thành các chương với nội dung chính như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống GIS, các chức năng, thành phần, ứng dụng và mô hình địa lý của GIS Các dạng lũ quét, đặc tính, các nhân tố

và sự thích nghi của lũ quét Ứng dụng GIS trong đánh giá thiên tai và phần mềm

mã nguồn mở QGIS Đồng thời giới thiệu về vị trí địa lý ở tỉnh Quảng Bình

.Chương 2: Trình bày ứng dụng công nghệ GIS để đánh giá thiên tai, kiến trúc WebGIS để khai thác dữ liệu, kỹ thuật chồng lớp bản đồ Tìm hiểu nội dung của bài toán được đặt ra, các bước phân tích thiết kế, xây dựng các lớp dữ liệu bằng phần mềm Quantum QGIS

Chương 3: Trình bày mô hình hệ thống, công cụ và môi trường lập trình liên kết dữ liệu, xây dựng bản đồ số Kết quả xây dựng hệ thống hỗ trợ hệ thống

mô phỏng cảnh báo và kết quả thực nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Chương 1 giới thiệu tổng quan về hệ thống GIS, các chức năng, thành phần, ứng dụng và mô hình địa lý của GIS Các dạng lũ quét, đặc tính, các nhân

tố và sự thích nghi của lũ quét Ứng dụng GIS trong đánh giá thiên tai và phần mềm mã nguồn mở QGIS Đồng thời giới thiệu về vị trí địa lý ở tỉnh Quảng Bình

Có nhiều phần mềm GIS, để phù hợp với điều kiện tài chính và bản quyền, đề tài chọn phần mềm Mapinfo và Arcview là hai công cụ chính để lập bản đồ, chồng xếp và phân tích bản đồ, quản lí dữ liệu, xử lý và truy xuất thông tin

Khái niệm thông tin, tức là dữ liệu được quản lý bởi GIS Đó là các dữ liệu về thuộc tính và không gian của đối tượng GIS có tính hệ thống có nghĩa là

hệ thống GIS được tạo nên từ nhiều mô-đun Việc sử dụng các mô-đun giúp thuận lợi trong việc quản lý bởi vì GIS là một hệ thống có ứng dụng rất lớn Từ năm 1980 đến nay đa có rất nhiều các định nghĩa được nêu nhưng chưa có định nghĩa nào khái quát và đầy đủ vì ứng dụng của GIS được ứng ngày càng nhiều

trong các lĩnh vực và ứng với mỗi lĩnh vực lại có những khía cạnh, đa dạng khác nhau

Mặt khác, từ những chức năng, tính năng hiện có mà một số nhà khoa học

đã định nghĩa hệ thống GIS như sau [9]:

“Hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu trên máy tính để thu thập, lưu trữ, truy

cập, phân tích và thể hiện dữ liệu không gian Chứa hàng loạt các chức năng phức tạp dựa vào khả năng của máy tính và các toán tử xử lý thông tin không gian bao gồm bốn khả năng xử lý dữ liệu địa lý sau: (1) nhập dữ liệu, (2) quản

lý dữ liệu (bao gồm lưu trữ và truy xuất), (3) gia công và phân tích dữ liệu, (4) xuất dữ liệu Tự động thu thập, lưu trữ, truy vấn, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian”

“Hệ thống thông tin đặc biệt với cơ sở dữ liệu gồm những đối tượng,

những hoạt động hay những sự kiện phân bố trong không gian được biểu diễn như những điểm, đường, vùng trong hệ thống máy tính Hệ thống thông tin địa

lý xử lý, truy vấn dữ liệu theo điểm, đường, vùng phục vụ cho những hỏi đáp và phân tích đặc biệt, bao gồm một số phụ hệ (subsystems) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành những thông tin có ích”

Với những định nghĩa trên cho thấy hệ thống GIS là một hệ thống máy tính (phần cứng, phần mềm và các thiết bị ngoại vi) dùng để nhập, lưu trữ, truy vấn, xử lý, phân tích và hiển thị hoặc xuất dữ liệu Trong đó, cơ sở dữ liệu của

hệ thống là những dữ liệu về các đối tượng, các hoạt động, các sự kiện kinh tế,

xã hội, nhân văn phân bố theo không gian [3], [6]

1.1.1 Các thành phần của GIS

Hình 1 mô tả các thành phần của một hệ thống GIS, bao gồm 5 thành phần:

Người xây dựng bản đồ: sử dụng các lớp bản đồ được lấy từ nhiều nguồn khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu

Người xuất bản: sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dưới nhiều định dạng xuất khác nhau

Người phân tích: giải quyết các vấn đề như tìm kiếm, xác định vị trí… Người xây dựng dữ liệu: là những người chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng các cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL…

Người quản trị CSDL: quản lý CSDL GIS và đảm bảo hệ thống vận hành tốt

Người thiết kế CSDL: xây dựng các mô hình dữ liệu logic và hợp lý Người phát triển: xây dựng hoặc cải tạo các phần mềm GIS để đáp ứng các nhu cầu cụ thể

b Phần mềm: Hệ thống phần mềm GIS rất đa dạng Mỗi công ty xây

dựng GIS đều có hệ phần mềm riêng của mình Tuy nhiên, có một dạng phần mềm mà các công ty phải xây dựng là hệ quản trị CSDL địa lý Dạng phần mềm

này nhằm mục đích nâng cao khả năng cho các phần mềm CSDL thương mại trong việc: sao lưu dữ liệu, định nghĩa bảng, quản lý các giao dịch do đó ta có thể lưu các dữ liệu bản đồ địa lý dưới dạng các đối tượng hình học trực tiếp trong các cột của bảng quan hệ và nhiều công việc khác

c Dữ liệu: chia dữ liệu trong GIS thành hai loại:

Dữ liệu không gian (spatial) cho ta biết kích thước vật lý và vị trí địa lý của các đối tượng trên đề mặt trái đất

Dữ liệu thuộc tính (non-spatial) là các dữ liệu ở dạng văn bản cho ta biết thêm thông tin thuộc tính của đối tượng

d Phương pháp: Một hệ GIS được mô phỏng và thực thi duy nhất cho

mỗi tổ chức Cho nên, đối với các ứng dụng và các yêu cầu khác nhau của các tổ chức, mỗi hệ GIS sẽ được xây dựng theo những phương pháp nhất định

e Phần cứng: Bao gồm tập hợp các thiết bị máy tính điện tử như: PC,

mini Computer, MainFrame, thiết bị mạng… là các thiết bị cần thiết khi triển khai GIS trên môi trường mạng GIS cũng đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt cho việc nhập và xuất dữ liệu như: máy số hóa (digitizer), máy vẽ (plotter), máy quét (scanner)…

1.1.2 Chức năng của GIS

GIS có 5 chức năng chủ yếu:

- Thu thập dữ liệu: là công việc khó khăn và nặng nề nhất trong quá trình

xây dựng một ứng dụng GIS Các dữ liệu được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau như dữ liệu đo đạc từ thực địa, dữ liệu từ các loại bản đồ, dữ liệu thống kê…

- Thao tác dữ liệu: vì các dữ liệu được thu thập từ nhiều nguồn có định

dạng khác nhau và có những trường hợp các dạng dữ liệu đòi hỏi được chuyển dạng và thao tác theo một số cách để tương thích với hệ thống Ví dụ: các thông tin địa lý có giá trị biểu diễn khác nhau tại các tỷ lệ khác nhau (lớp dân cư trên bản đồ địa chính được thể hiện chi tiết hơn trong bản đồ địa hình) Trước khi các

thông tin này được tích hợp với nhau thì chúng phải được chuyển về cùng một

tỷ lệ (cùng mức độ chi tiết hoặc mức độ chính xác) Đây có thể chỉ là sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho yêu cầu phân tích

- Quản lý dữ liệu: là một chức năng quan trọng của tất cả các hệ thông tin

địa lý Hệ thống thông tin địa lý phải có khả năng điều khiển các dạng khác nhau của dữ liệu đồng thời quản lý hiệu quả một khối lượng lớn dữ liệu với một trật

tự rõ ràng Một yếu tố quan trọng của GIS là khả năng liên kết hệ thống giữa việc tự động hóa bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu (sự liên kết giữa dữ liệu không gian và thuộc tính của đối tượng) Các dữ liệu thông tin mô tả cho một đối tượng bất kỳ có thể liên hệ một cách hệ thống với vị trí không gian của chúng Sự liên kết đó là một ưu thế nổi bật của việc vận hành GIS

- Hỏi đáp và phân tích dữ liệu: Khi đã xây dựng được một hệ thống cơ sở

dữ liệu GIS thì người dùng có thể hỏi các câu hỏi đơn giản như:

+ Thông tin về vị trí sạt lở

+ Tìm đường đi ngắn nhất giữa hai vị trí A và B?

+ Thống kê tai biến thiên nhiên

+ Hay xác định được mật độ dân cư trong khu vực đô thị?…

GIS cung cấp khả năng hỏi đáp, tìm kiếm, truy vấn đơn giản “chỉ nhấn và nhấn” và các công cụ phân tích dữ liệu không gian mạnh mẽ để cung cấp thông tin một cách nhanh chóng, kịp thời, chính xác, hỗ trợ ra quyết định cho những nhà quản lý và quy hoạch

- Hiển thị dữ liệu: GIS cho phép hiển thị dữ liệu tốt nhất dưới dạng bản đồ

hoặc biểu đồ Ngoài ra còn có thể xuất dữ liệu thuộc tính ra các bảng excel, tạo các bản báo cáo thống kê, hay tạo mô hình 3D, và nhiều dữ liệu khác

1.1.3 Ứng dụng của hệ thông tin địa lý GIS

a) Môi trường

Ở mức đơn giản nhất là có thể dùng hệ thông tin địa lý GIS để đánh giá môi trường dựa vào vị trí và thuộc tính Ứng dụng rộng hơn là chúng ta có thể

sử dụng GIS để mô hình hóa các tiến trình xói mòn đất cũng như sự ô nhiễm môi trường dựa vào khả năng phân tích của GIS

Hình 1.2 Các lớp ứng dụng của GIS trong môi trường

b) Khí tượng thủy văn

Hệ thông tin địa lý GIS có thể nhanh chóng đáp ứng phục vụ cho các công tác dự báo thiên tai lũ lụt cũng như các công tác dự báo vị trí của bão và các dòng chảy…

Hình 1.3 Các lớp ứng dụng của GIS trong thủy văn

c) Nông nghiệp

GIS có thể phục vụ cho các công tác quản lý sử dụng đất, nghiên cứu về đất trồng, có thể kiểm tra được nguồn nước

f) Giao thông

Hệ thông tin địa lý GIS có thể được ứng dụng trong định vị trong vận tải hàng hóa, cũng như việc xác định lộ trình đường đi ngắn nhất, cũng như việc quy hoạch giao thông

Hình 1.4 Các lớp ứng dụng của GIS trong giao thông

1.1.4 Mô hình dữ liệu địa lý của hệ thống GIS

GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên

đề có thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý Là một công cụ đa năng có giá trị trong việc giải quyết nhiều vấn đề thực tế như: thiết lập tuyến đường phân phối của các chuyến xe, lập báo cáo chi tiết cho các ứng dụng quy hoạch, mô phỏng sự lưu thông khí quyển toàn cầu,…

Các thông tin địa lý hoặc chứa những tham khảo địa lý hiện (chẳng hạn như kinh độ, vĩ độ hoặc tọa độ lưới quốc gia), hoặc chứa những tham khảo địa lý

ẩn (như địa chỉ, mã bưu điện, tên vùng điều tra dân số, bộ định danh các khu vực rừng hoặc tên đường) Mã hóa địa lý là quá trình tự động thường được dùng để tạo ra các tham khảo địa lý hiện (vị trí) từ các tham khảo địa lý ẩn (là những mô

tả, như địa chỉ) Các tham khảo địa lý cho phép định vị đối tượng (như khu vực rừng hay địa điểm thương mại) và sự kiện (như động đất) trên bề mặt quả đất phục vụ mục đích phân tích

a Mô hình Vector

Hệ thống thông tin địa lý làm việc với hai dạng mô hình dữ liệu địa lý khác nhau về cơ bản là mô hình vector và mô hình raster Trong mô hình vector, thông tin về điểm, đường và vùng được mã hóa và lưu dưới dạng tập hợp các tọa

độ x,y Vị trí của đối tượng điểm, như lỗ khoan, có thể được biểu diễn bởi một tọa độ đơn x,y Đối tượng dạng đường, như đường giao thông, sông suối, có thể được lưu dưới dạng tập hợp các tọa độ điểm Đối tượng dạng vùng, như khu vực buôn bán hay vùng lưu vực sông, được lưu như một vòng khép kín của các điểm tọa độ

Bảng 1.1 Bảng mô tả cách thể hiện của Raster và Vector

Dạng thể hiện Raster Thực tế Dạng thể hiện Vector

Điểm: khách sạn

Dạng thể hiện Raster Thực tế Dạng thể hiện Vector

Đường: đường dây điện

cả hai mô hình này

Lũ bùn đá: lũ có mang nhiều bùn, đá trong dòng lũ

Lũ nghẽn dòng: Lũ mang nhiều rác, cành cây, đất đá, sỏi, các vật có được trong quá trình lũ cuốn trôi

Lũ quét do sự cố vỡ hồ chứa nước nhân tạo, hình thành một lượng nước tích do vỡ đập chắn hay các đập giữ nước, các đập băng

1.2.2 Đặc tính của lũ quét

Vì lũ quét là hiện tượng di chuyển của một khối nước khổng lồ từ cao xuống thấp với tốc độ ngày càng tăng cũng như sức tàn phá ngày càng lớn tùy thuộc vào độ dài, dốc cũng như sự "trơn láng" của quãng đường mà nó đi (những nơi như núi và đồi không có cây lũ quét sẽ xuất hiện thường xuyên do không có gì để chặn dòng nước), nó sẽ gây ra thiệt hại cực kỳ nghiêm trọng cho những nơi mà nó đi qua Với tốc độ cao và khối lượng lớn nó có thể cuốn trôi nhà cửa, cây cối gần như mọi thứ trên đường đi Hiện tượng lũ quét thường thấy ở những nơi gần nơi có độ dốc như dưới chân đồi núi, hay ở trong thung lũng

Hình 1.5 Lũ quét tại huyện Minh Hóa

Khi đường thoát nước của lũ quét bị chặn (do đê hay các công trình lớn

dù nó không bịt hết dòng chảy) nên khối lượng nước khổng lồ với tốc độ cao bị dội ngược lại thành một vòng trước khi có thể chảy tiếp cũng làm cho mực nước dâng nhanh hơn và nguy hiểm hơn

Đi cùng lũ quét có thể có nhiều trận lở đất, trượt bùn cùng những thứ mà

nó cuốn theo khiến cho lũ quét càng trở nên nguy hiểm khi mà khối lượng di chuyển không chỉ có nước

Hình 1.6 Trượt lở, trên tuyến đường Hồ Chí Minh nhánh đông

Lũ quét có thể xuất hiện trên diện rộng nhưng diện tích lũ quét càng rộng thì mức tàn phá sẽ càng kém do khối lượng nước bị phân tán ra chứ không tập trung gây thiệt hại

1.2.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến lũ quét

Lũ quét xảy ra chịu ảnh hưởng của các dạng tổ hợp, các điều kiện tự nhiên

và các hình thức hoạt động của con người trên lưu vực Đi vào bản chất, có thể phân nhân tố theo 3 nhóm tùy theo tốc độ biến đổi của chúng

Hình 1.7 Các nhân tố ảnh hưởng lũ quét

1.2.4 Sự thích nghi và lợi ích của lũ quét

Sự sống cũng thích nghi với lũ quét bằng những thực vật có khả năng nảy mầm nhanh và vòng sinh trưởng ngắn cùng với những động vật đặc biệt thích nghi với lũ quét Lũ quét còn giúp cho các thực vật phát tán hạt của mình trôi theo dòng nước với một khoảng cách rất xa

Các nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình lũ gồm: lượng mưa, địa hình, đất đai, thảm thực vật và con người, được mô tả trong hình 7

Hình 1.8 Các nhân tố chính ảnh hưởng đến lũ

a Ảnh hưởng của lượng mưa đến lũ

Lũ chủ yếu tạo nên dòng chảy của bề mặt, nhưng dòng chảy lại do các yếu

tố khí hậu quyết định đó là: Tổng lượng mưa và tính chất của mưa, thời gian và cường độ mưa Thời gian mưa càng lớn, cường độ mưa càng cao thì quá trình hình thành lũ rất nhanh và xảy ra mạnh

Cường độ mưa gây ảnh hưởng mạnh nhất đến dòng chảy Với cường độ trung bình trong khoảng thời gian dưới 1 giờ, lũ xảy ra mạnh nhất khi lớp nước đạt từ 8-10mm và đặc biệt trên đất bỏ hoang Ảnh hưởng của cường độ mưa đến

lũ càng mạnh nếu cường độ đạt cực đại xảy ra vào nửa giờ đầu của trận mưa Ngoài mưa ảnh hưởng trực tiếp đến lũ, các yếu tố khí hậu khác như gió, nhiệt độ, độ ẩm cũng có ảnh hưởng đến lũ, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng không

rõ ràng

b Ảnh hưởng của địa hình đến lũ

Địa hình cũng là nhân tố tự nhiên ảnh hưởng lớn đến lũ Nếu xét trên diện rộng, địa hình có tác dụng làm thay đổi sự phân bố nhiệt và lượng mưa rơi xuống Sự thay đổi về độ cao kéo theo sự thay đổi về nhiệt độ, mưa, ẩm Các

yếu tố địa hình như độ dốc, chiều dài sườn dốc, hình dạng (lồi, lõm, thẳng, bậc thang v.v ) mức độ chia cắt ngang của địa hình ảnh hưởng trực tiếp đến lũ

Độ dốc của sườn là yếu tố địa hình có ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình hình thành lũ Độ dốc lớn làm tăng cường độ dòng chảy và do đó đẩy nhanh quá trình hình thành lũ Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn đã đề xuất thang độ dốc trên lãnh thổ Việt Nam: 0-30, 3-80, 8-150,

15-250, trên 250, tuy chưa được hoàn thiện

nhưng đây cũng là bước thống nhất đầu tiên

để sử dụng độ dốc ở nước ta

Chiều dài sườn dốc cũng là nhân tố ảnh

hưởng đến quá trình lũ Chiều dài sườn càng

tăng, khối lượng nước càng lớn, lớp nước càng

dày, tốc độ và năng lượng dòng chảy càng lớn

thì quá trình gây lũ càng xảy ra mạnh Nếu tăng chiều dài sườn dốc lên 2 lần thì

Thực vật có khả năng bảo vệ đất chống lũ

qua việc làm giảm ảnh hưởng của hạt

mưa xuống mặt đất bởi tán lá và làm cho

nước có khả năng chảy xuống đến

50-60% theo chiều thẳng đứng của bộ rễ

Không những thế, vật rơi rụng của thực

Hình 1.9 Lớp phủ thực vật

rừng

Hình 1.10 Ảnh hưởng của đất đến

lũ

vật như cành khô, lá rụng còn tạo ra lượng mùn lớn trong đất, giữ đất tơi xốp, chống tạo dòng chảy

d Ảnh hưởng của đất đến quá trình lũ

Đất là đối tượng hình thành nên dòng chảy bề mặt, bởi vậy sự phát triển của lũ phụ thuộc vào tính chất và trạng thái của đất Những yếu tố chính của đất ảnh hưởng đến lũ là

Thành phần cơ giới

Cấu trúc đất

Độ thấm nước

Hàm lượng mùn trong đất

Những yếu tố đó ảnh hưởng đến khả năng

hình thành dòng chảy khi mưa rào

e Ảnh hưởng của con người đến lũ

Việc phá rừng đã gián tiếp đẩy mạnh quá trình lũ Những diện tích rừng mất đi làm lộ ra những khoảng trống không có thảm thực vật che phủ đất Khi mưa xuống quá trình hình thành những dòng chảy trên bề mặt Canh tác trên đất dốc không khoa học, du canh du cư cũng là nhưng tác nhân gia tăng lũ Trên độ dốc < 30º đã bắt đầu xảy ra lũ khi có mưa to Từ độ dốc 30º trở lên, tùy vào yếu

tố đất đai, thực vật, lượng mưa v.v mà quá trình hình thành lũ xảy ra mạnh hay yếu Rõ ràng biện pháp canh tác không hợp lý đã gây tác hại lớn, ảnh hưởng xấu đến quá trình lũ

1.3 ỨNG DỤNG GIS TRONG ĐÁNH GIÁ THIÊN TAI

GIS là công cụ mạnh có khả năng ứng dụng để đánh giá lũ Sử dụng trực tiếp GIS trong đánh giá, xây dựng bản đồ lũ được thực hiện qua 2 bước:

Bước 1: Xây dựng bản đồ số gồm 4 loại bản đồ: (Hình 12)

- Bản đồ thổ nhưỡng

Hình 1.11 Tác động của con người

Với việc các mô hình tính toán lũ phong phú, đa việc lựa chọn mô hình cần dựa trên yếu tố:

Tính khả thi, bao gồm cả việc khả thi về dữ liệu và phương pháp

Tính phù hợp về thông tin Các thông tin mà mô hình có thể đem lại (nghĩa là kết quả tính toán) phải đầy đủ, phù hợp với yêu cầu đặt ra Tính chính xác Mô hình được chọn phải có độ chính xác phù hợp với yêu cầu

Từ những yếu tố trên cho thấy lựa chọn mô hình thủy văn lưu vực là một trong những mô hình phù hợp để đánh giá, tính toán lũ Tính tổng hợp của mô hình thủy văn lưu vực là đề cập đến tất cả các nhân tố ảnh hưởng tới lũ một cách

Hình 1.12 Ứng dụng GIS trực tiếp tính toán lũ

riêng biệt trong mối tương quan chặt chẽ Điều này cho phép tách riêng từng yếu

tố để phân tích ảnh hưởng vai trò của chúng đến lũ và tìm ra biện pháp tác động phù hợp nhất

Với cách tiếp cận vấn đề theo từng thông số ảnh hưởng đến lũ, mô hình này

có thể được tính toán bằng GIS Trình tự các bước cơ bản được thực hiện như sau:

Bước 2: Từ các bản đồ đơn tính, ứng dụng GIS xây dựng các bản đồ hệ số

lũ của mô hình thủy văn lưu vực

Bước 3: Từ các bản đồ hệ số lũ, ứng dụng GIS xây dựng bản đồ tiềm năng

lũ và lũ hiện tại của khu vực nghiên cứu

Các bước thực hiện được mô tả như sau:

 Xây dựng các bản đồ thành phần

 Thực hiện chồng lớp bản đồ với các hệ số

 Từ bản đồ hệ số, tính toán bản đồ lũ

Phương pháp này cho độ tin cậy cao, dễ phân cấp lũ Tuy nhiên cần hiểu rõ

về GIS để thực hiện tốt các bước công việc trong khi đây là phần mềm tiên tiến với nhiều ứng dụng rất đa dạng, khó tìm hiểu, nắm bắt trong thời gian ngắn Tuy nhiên, cần đặc biệt lưu ý đối với việc ứng dụng GIS trong tính toán lũ

là số liệu đầu vào phải đồng bộ và thống nhất về khuôn mẫu, tọa độ và tiêu chuẩn Do đó, quan tâm đến việc xây dựng một cơ sở dữ liệu đủ tin cậy là yêu cầu hàng đầu trong việc ứng dụng GIS nói chung và ứng dụng GIS trong đánh giá lũ nói riêng

Hình 1.13 Các nhóm chức năng của GIS

- Quản lý dữ liệu: việc xây dựng một cơ sở dữ liệu GIS lớn bằng các phương pháp nhập liệu khác nhau thường tốn kém về thời gian, công sức và tiền bạc Số chi phí bằng tiền cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu có thể lớn hơn hẳn chi phí phần cứng và phần mềm GIS

- Phân tích dữ liệu: là chức năng quan trọng nhất của GIS, GIS cung cấp các công cụ cần thiết để phân tích dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính và phân tích tổng hợp cả hai loại dữ liệu đó ở trong cơ sở dữ liệu để tạo ra thông tin mới trợ giúp các quyết định mang tính không gian

- Xuất dữ liệu: chức năng xuất dữ liệu hay còn gọi là chức năng báo cáo của GIS cho phép hiển thị, trình bày các kết quả phân tích và mô hình hóa không gian bằng GIS dưới dạng bản đồ ở các tỷ lệ và chất lượng khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của người dùng và khả năng của thiết bị xuất dữ liệu như màn hình, máy in và máy vẽ

Sức mạnh chức năng của hệ thống GIS khác nhau Kỹ thuật xây dựng các chức năng cũng rất khác nhau Sơ đồ sau đây mô tả quan hệ giữa các nhóm chức năng và cách biểu diễn thông tin khác nhau của GIS

Chức năng thu thập dữ liệu tạo ra dữ liệu từ các quan sát hiện tượng thế giới thực và từ các tài liệu, bản đồ giấy, đôi khi chúng có sẵn dưới dạng số Chức năng xử lý sơ bộ dữ liệu sẽ biến đổi dữ liệu thô thành dữ liệu có cấu trúc

để sử dụng trực tiếp các chức năng tìm kiếm và phân tích không gian Kết quả tìm kiếm và phân tích được xem như diễn giải dữ liệu, đó là tổ hợp hay biến đổi đặc biệt của dữ liệu có cấu trúc

Sự ra đời của WebGIS đánh dấu một bước phát triển trong ngành GIS, trước đây các dữ liệu GIS có được từ nhiều nguồn và với nhiều định dạng khác nhau Người sử dụng luôn gặp phải những khó khăn trong vấn đề khai thác sử dụng đặc biệt là tính tương thích dữ liệu và giá thành các phần mềm mà trước hết là chi phí đắt đỏ của cơ sở dữ liệu, chi phí bỏ ra cho dữ liệu ban đầu có thể gấp 5 – 10 lần chi phí các phần mềm và phần cứng Mặt khác liên quan tới chi phí bản quyền và độc quyền và vấn đề cập nhật dữ liệu có chi phí cao là một rào cản lớn nhất cho sự phát triển rộng rãi của GIS

Công nghệ WebGIS ra đời đã góp phần khắc phục những trở ngại trên, WebGIS ra đời trên cơ sở chia sẻ thông tin qua hệ thống mạng internet Thay gì

dữ liệu trước đây tập trung ở một nơi và xử lý tập trung thì giải pháp dịch vụ WebGIS lại đi theo con đường phân tán, mọi yêu cầu đáp ứng được gửi đi và trả

về đều thông qua internet, điều này sẽ làm giảm đi về khoảng cách và chi phí sẽ giảm đi rõ rệt Việc tích hợp công nghệ WebGIS và Internet đã tạo ra nhiều cơ

hội mọi người đều có thể sử dụng dữ liệu và các chức năng của GIS mà không cần phải cài đặt bất cứ phần mềm chuyên dụng GIS nào

1.3.2 Kiến trúc của hệ thống WebGIS

WebGIS được xây dựng để cung cấp các dịch vụ về thông tin địa lý theo công nghệ dịch vụ web Chính gì thế nên bất cứ WebGIS nào cũng thỏa mãn kiến trúc 3 tầng thông dụng của một ứng dụng web Sau đó tùy thuộc vào công nghệ và cách thức phát triển mở rộng của các GIS khác nhau mà WebGIS sẽ trở thành n tầng khác nhau

Kiến trúc 3 tầng của một WebGIS được mô tả dưới bao gồm tầng trình bày, tầng giao dịch và tầng dữ liệu

Hình 1.14 Mô hình 3 lớp trong kiến trúc WebGIS

a Tầng trình bày: thông thường là các trình duyệt web như Internet Explorer,

Mozilla Firefox… để mở các trang web theo địa chỉ định sẳn Các ứng dụng có thể là một Website, Applet, Flash… được viết bằng các công nghệ theo chuẩn W3C, các máy trạm đôi khi cũng là một ứng dụng desktop tương tự như phần mềm MapInfo, ArcMap

b Tầng giao dịch: tích hợp một webserver nào đó thường là các webserver

như: Tomcat, Apache, Internet Information Server, nhiệm vụ chính thường là tiếp nhận các yêu cầu từ client lấy dữ liệu từ database theo yêu cầu của client, trình bày dữ liệu theo cấu hình định sẳn hoặc theo yêu cầu của client và trả về kết quả theo yêu cầu

c Tầng dữ liệu: là nơi lưu trữ các dữ liệu địa lý bao gồm dữ liệu không gian

và dữ liệu phi không gian Các dữ liệu này được quản trị bởi các hệ quản trị cơ sở dữ

liệu như: ORACLE, MSSQL SERVER, ESRI SDE, POSGRESQL hoặc là các file

dữ liệu dạng như shapfile, tab, XML, các dữ liệu này được thiết kế và cài đặt xây dựng theo từng quy trình, từng quy mô bài toán mà lựa chọn cơ sở dữ liệu phù hợp

1.3.3 Mô hình triển khai WebGIS

Trong mô hình hoạt động của WebGIS được chia làm hai phần: các hoạt động ở phía máy khách (client side) và các xử lý ở phía máy chủ (server side)

 Client side: được dùng để hiển thị kết quả đến cho người dùng, nhận các

điều khiển từ người dùng và tương tác với web server thông qua trình duyệt web, các trình duyệt web chủ yếu dùng mã HTML để định dạng, thêm vào đó một vài plug-in, ActiveX và các mã applet được nhúng vào các trình duyệt để tăng tính tương tác với người dùng

 Server side: gồm có web server, application server, data server Server

side có nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu, xử lý và tính toán trả về kết quả cho client site

- Web server được dùng để phục vụ cho các ứng dụng web, webserver sử dụng nghi thức HTTP để giao tiếp với trình duyệt web ở phía client, tất cả các yêu cầu

từ phía client với ứng dụng web đều được webserver nhận và thông dịch, sau đó gọi chức năng của ứng dụng thông qua giao tiếp mạng

- Application server: đây là các hàm chương trình gọi các hàm xử lý GIS, gởi yêu cầu lấy dữ liệu đến clearinghouse

- Data server: là phần cơ bản của hầu hết các hệ thống thông tin với nhiệm vụ quản lý và điều khiển truy cập dữ liệu

Có hai chiến thuật lựa chọn, tương ứng với hai kiểu triển khai, kiểu thứ nhất tập trung công việc chủ yếu vào phía server, kiểu kia ngược lại tập trung cho công việc phía client

1.3.4 Dữ liệu WebGIS

Một cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý có thể chia ra làm 2 loại số liệu cơ bản: số liệu không gian và phi không gian Mỗi loại có những đặc điểm riêng và chúng khác nhau về yêu cầu lưu giữ số liệu, hiệu quả, xử lý và hiển thị

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

độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ thể trên từng bản đồ Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu không gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi, … Số liệu phi không gian là những diễn tả đặc tính, số lượng, mối quan hệ của các hình ảnh bản đồ với vị trí địa lý của chúng Các số liệu phi không gian được gọi là dữ liệu thuộc tính, chúng liên quan đến vị trí địa lý hoặc các đối tượng không gian và liên kết chặt chẽ với chúng trong hệ thống thông tin địa lý thông qua một cơ chế thống nhất chung

 Mô hình dữ liệu không gian

Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS chứa càng nhiều thì chúng càng có ý nghĩa Dữ liệu của hệ GIS được lưu trữ trong CSDL và chúng được thu thập thông qua các mô hình thế giới thực Dữ liệu trong hệ GIS còn được gọi là thông tin không gian Đặc trưng thông tin không gian là có khả năng mô tả “vật thể ở đâu” nhờ vị trí tham chiếu, đơn vị đo và quan hệ không gian Chúng còn khả năng mô tả “hình dạng hiện tượng” thông qua mô tả chất lượng, số lượng của hình dạng và cấu trúc Cuối cùng, đặc trưng thông tin không gian mô tả “quan

hệ và tương tác” giữa các hiện tượng tự nhiên Mô hình không gian đặc biệt quan trọng vì cách thức thông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng thực hiện phân tích

dữ liệu và khả năng hiển thị đồ hoạ của hệ thống

- Kiểu đối tượng điểm (Points)

Điểm được xác định bởi cặp giá trị đ Các đối tượng đơn, thông tin về địa

lý chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ được phản ánh là đối tượng điểm Các đối tượng kiểu điểm có đặc điểm:

• Là toạ độ đơn (x,y)

• Không cần thể hiện chiều dài và diện tích

Hình 1.15 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm

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

- Kiểu đối tượng đường

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

• Là một dãy các cặp toạ độ

• Một đường bắt đầu và kết thúc bởi nút

• Các đường nối với nhau và cắt nhau tại nút

• Hình dạng của đường được định nghĩa bởi các đỉnh điểm

• Độ dài chính xác bằng các cặp toạ độ

Hình 1.16 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng đường

- Kiểu đối tượng vùng (Polygons)

Vùng được xác định bởi ranh giới các đường thẳng Các đối tượng địa lý

có diện tích và đóng kín bởi một đường được gọi là đối tượng vùng polygons, có các đặc điểm sau:

• Polygons được mô tả bằng tập các đường (arcs) và điểm nhãn (label points)

• Một hoặc nhiều đường định nghĩa đường bao của vùng

• Một điểm nhãn nằm trong vùng để mô tả, xác định cho mỗi một vùng

Hình 1.17 Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng

 Mô hình dữ liệu thuộc tính

Số liệu phi không gian hay còn gọi là thuộc tính là những mô tả về đặc tính, đặc điểm và các hiện tượng xảy ra tại các vị trí địa lý xác định Một trong các chức năng đặc biệt của công nghệ GIS là khả năng của nó trong việc liên kết

và xử lý đồng thời giữa dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính Thông thường hệ thống thông tin địa lý có 4 loại số liệu thuộc tính:

Đặc tính của đối tượng: liên kết chặt chẽ với các thông tin không gian

có thể thực hiện SQL (Structure Query Language) và phân tích

Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý: miêu tả những thông tin, các hoạt động thuộc vị trí xác định

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

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

1.3.5 Chuẩn dịch vụ xây dựng bản đồ WebGIS

Hình 1.18 Khó khăn trong việc chia sẽ dữ liệu

Sự phát triển mạnh mẽ của các WebGIS hiện nay thì việc phổ biến lợi ích của HTTTĐL đến rộng rãi mọi người trên thế giới và việc chia sẽ các dữ liệu không gian không còn là vấn đề khó khăn Sự ra đời của WebGIS đã khắc phục được những hạn chế mà GIS truyền thống mang lại giá thành của cơ sở dữ liệu, chuyển đổi định dạng giữa các phần mềm, giá thành của phần mềm, vấn đề bản quyền và khả năng cập nhật dữ liệu Thế nhưng càng sử dụng và khai thác WebGIS, chúng ta mới nhận thấy rằng hầu hết các WebGIS đều được xây dựng độc quyền bởi các hãng phần mềm hay các tổ chức khác nhau và dữ liệu được trình bày theo quan điểm riêng của họ

Trong hình trên ta thấy rằng người sử dụng muốn lấy thông tin từ ba server khác nhau, hay nói cách khác là để lấy thông tin họ quan tâm từ các trang web, người sử dụng phải dùng ba web client khác nhau tương ứng truy cập vào các web server đó mà thôi

Trên thực tế, chính vì không có sự đồng nhất về dữ liệu địa lý mà chúng ta

đã gặp không ít khó khăn trong vấn đề tích hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau Chẳng hạn như bản đồ đường dây điện không chồng lớp với bản đồ ống nước do Sở giao thông công chánh làm ra vì sử dụng lưới chiếu khác nhau Điều này đưa đến việc lãng phí thời gian, sức lực và đặc biệt là chi phí trong công việc chung Chính vì thế một lần nữa chi phí lại trở thành rào cản lớn nhất cho

sự phát triển rộng rải của hệ GIS và nhu cầu đi tìm sự “đồng vận hành” cho các

dữ liệu trở thành một nhu cầu cấp thiết trong sự phát triển khoa học công nghệ

Hình 1.19 Giải pháp của OGC

Thật vậy, nắm bắt được nhu cầu và lợi ích mà sự đồng vận hành đem lại, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực mã nguồn mở nói riêng và các nhà khoa học khác nói chung đã cùng nhau tìm ra giải pháp cho vấn đề này, đó là thành lập một tổ chức nghiên cứu phát triển về sự tích hợp các cơ sở dữ liệu địa lý mà không quan tâm đến dữ liệu nền được thực hiện bằng phần mềm nào

Nhờ sự xuất hiện của OGC và sự ra đời của các đặc tả của OGC, đặc biệt là đặc tả WMS đã đưa công nghệ GIS phát triển thêm một bước cao