Xây dựng cơ sở dữ liệu, mô hình hoá và phân tích dữ liệu để giải quyết một số bài toán trong giao thông đô thị

Khoa học thông tin địa lý GIS đã từng bước hoàn thiện các mô hình biểu diễn các đối tượng, các hoạt động, các sự kiện và các quan hệ của chúng trong thế giới thực, đồng thời nghiên cứu p

-*** -

TRẦN THỊ TRÀ GIANG

XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU, MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU ĐỂ GIẢI QUYẾT MỘT SỐ BÀI

TOÁN TRONG GIAO THÔNG ĐÔ THỊ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013

-*** -

TRẦN THỊ TRÀ GIANG

XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU, MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU ĐỂ GIẢI QUYẾT MỘT SỐ BÀI

TOÁN TRONG GIAO THÔNG ĐÔ THỊ

Ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý

Mã số: 60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

TS Trần Vân Anh

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 14 tháng 10 năm 2013

Tác giả

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 9

Chương 1: CƠ SỞ KHOA HỌC, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN VẤN ĐỀ 12

1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý 12

1.1.1 Sự hình thành và phát triển của GIS 12

1.1.2 Định nghĩa GIS 13

1.1.3 Thành phần của GIS 14

1.1.4 Chức năng của GIS 17

1.1.5 Ứng dụng của GIS 24

1.2 Tổng quan về cơ sở dữ liệu 26

1.2.1 Khái niệm cơ sở dữ liệu 26

1.2.2 CSDL địa lý 27

1.2.2.1 Dữ liệu GIS và tổ chức CSDL GIS 27

1.2.2.2 Các thông tin liên quan đến CSDL GIS 29

1.2.3 Khái quát tình hình xây dựng và quản lý cơ sở dữ liệu trên thế giới 34

1.3 Cơ sở dữ liệu giao thông 35

1.3.1 Khái niệm 35

1.3.2 Đặc điểm CSDL giao thông 36

1.3.3 Sự cần thiết phải xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông 37

1.3.4 Các quy định về dữ liệu mạng lưới giao thông 37

Chương 2: ỨNG DỤNG GIS XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ MÔ HÌNH HÓA DỮ LIỆU GIAO THÔNG 41

2.1 Giới thiệu phần mềm ArcGIS 41

2.1.1 ArcGIS Desktop 41

2.1.2 Một số định dạng dữ liệu GIS phổ biến 42

2.2 Yêu cầu xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông 44

2.2.1 Yêu cầu về nội dung 44

2.2.2 Phương pháp xây dựng 44

2.2.3 Yêu cầu về chất lượng 45

2.3 Thiết kế cơ sở dữ liệu giao thông trong CSDL nền 1:50000 46

2.4 Mô hình hóa dữ liệu 52

2.4.1 Khái niệm 52

2.4.2 Phương pháp mô hình hóa bản đồ 53

2.4.3 Quy trình mô hình hóa 54

2.5 Giới thiệu mô hình phân tích mạng lưới giao thông (Network Dataset) 55

2.5.1 Khát quát về Network Dataset 55

2.5.2 Các phân tích mạng 60

Chương 3: XÂY DỰNG DỊCH VỤ TÌM KIẾM TUYẾN ĐƯỜNG TỐI ƯU VÀ GIẢI QUYẾT MỘT SỐ BÀI TOÁN GIAO THÔNG ĐÔ THỊ - THỰC NGHIỆM TRÊN KHU VỰC THUỘC NỘI THÀNH HÀ NỘI 63

3.1 Khái quát về khu vực Hà Nội 63

3.1.1 Đặc điểm địa lý của khu vực 63

3.1.2 Giới thiệu chung về giao thông Hà Nội 65

3.1.3 Hiện trạng hệ thống giao thông đường bộ khu vực 66

3.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông quận Ba Đình - Hà Nội trên ArcGIS 67

3.2.1 Nguồn dữ liệu và phiên bản phần mềm sử dụng 67

3.2.2 Mô tả cơ sở dữ liệu giao thông xây dựng trên phần mềm ArcGIS 10.0 68 3.2.2.1 Thông tin chung 68

3.2.2.2 Mô hình cơ sở dữ liệu 69

3.2.2 Quy trình kỹ thuật xây dựng lớp đường bộ 74

3.3 Mô hình hóa cơ sở dữ liệu mạng lưới giao thông trên ArcGIS 82

3.3.1 Quy trình mô hình hóa dữ liệu: 82

3.3.2 Tạo mô hình Network Dataset cho mạng đường bộ 82

3.4 Xây dựng bản đồ giao thông 94

3.5 Phân tích dữ liệu mô phỏng bài toán dịch vụ tìm đường 98

3.5.1 Bài toán 1: Tìm đường đi ngắn nhất, mất ít thời gian nhất giữa 2 địa điểm 98

3.5.2 Bài toán 2: Tìm đường đi của phương tiện với thuộc tính hạn chế về tải trọng xe và chiều cao xe 101

3.6 Nhận xét 106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

PHỤ LỤC 110

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

CSDL Cơ sở dữ liệu Cơ sở dữ liệu

NĐL Nền địa lý Nền địa lý

GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý HTTĐL Hệ thống thông tin địa lý Hệ thống thông tin địa lý GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu ESRI ESRI Environmental Systems

Research Institute

Viện nghiên cứu môi trường

DBMS Database Management Systems Hệ quản trị cơ sở dữ liệu

GTVT Giao thông vận tải Giao thông vận tải

GCS Geographic Coordinate System Hệ tọa độ địa lý

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thiết kế nội dung dữ liệu thuộc tính lớp đoạn tim

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Các thành phần của hệ GIS 14

Hình 1.2 Buffer bên trong một hình có bán kính xác định 20

Hình 1.3 Kết quả tìm kiếm theo địa chỉ 21

Hình1.4 Tìm đường đi tối ưu trong phân tích mạng 22

Hình 1.5 Ba kiểu hình học cơ bản 28

Hình 1.6 Phép chiếu phương vị 30

Hình 1.7 Lưới chiếu hình trụ triển khai thành mặt phẳng với các ô hình chữ nhật 31 Hình 1.8 Lưới chiếu hình nón triển khai thành hình nón cụt 31

Hình 1.9 Lưới kinh vĩ 32

Hình 1.10 Hệ toạ độ phẳng 33

Hình 1.11 Minh họa cơ sở dữ liệu Hà Nội 36

Hình 2.1 Cấu trúc của Geodatabase 43

Hình 2.2 Mô hình mạng lưới giao thông đa phương tiện 56

Hình 2.3 Hộp thọai thiết lập hạng phân cấp đường 60

Hình 2.4 Phân tích mạng khi sử dụng hệ thống phân cấp đường 61

Hình 2.5 Phân tích mạng với thuộc tính tham số 62

Hình 3.1 Mô hình cơ sở dữ liệu giao thông đường bộ 69

Hình 3.2 Sơ đồ quy trình kỹ thuật xây dựng dữ liệu mạng đường bộ 74

Hình 3.3 Lớp DoanTimDuongBo quận Ba Đình được chồng lên ảnh vệ tinh 76

Hình 3.4 Lớp DoanTimDuongBo quận Ba Đình được chồng lên ảnh vệ tinh và lớp Line xuất từ DGN sang 76

Hình 3.5 Dữ liệu đường bộ quận Ba Đình 78

Hình 3.6 Nhập thuộc tính đối tượng 79

Hình 3.7 Nhập thuộc tính hướng đường 80

Hình 3.8 Bảng thuộc tính lớp đường bộ 81

Hình 3.9 Thống kê lỗi không gian lớp đường bộ 82

Hình 3.10 Sơ đồ quy trình mô hình hóa dữ liệu 82

Hình 3.11 Tuyến đường ngắn nhất giữa 2 địa điểm (tuyến đường 1) 99

Hình 3.12 Lộ trình điều hướng tuyến đường 1 100

Hình 3.13 Tuyến đường khác giữa 2 địa điểm (tuyến đường 2) khi có sự cố trên tuyến đường 1 101

Hình 3.14 Lộ trình điều hướng tuyến đường 1 101

Hình 3.15 Tuyến đường tìm được dành cho xe có tải trọng ≤ 1 (tấn) 102

Hình 3.16 Tuyến đường tìm được dành cho xe chiều cao ≤ 2.5 (m) 104 Hình 3.17 Lộ trình điều hướng tuyến đường dành cho xe có chiều cao ≤ 2.5 (m) 105

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin cũng ngày càng phát triển và có rất nhiều ứng dụng rộng rãi Một trong những ứng dụng của công nghệ thông tin đó là hệ thống thông tin địa lý (GIS

- Geographic Information System) Ngày nay, GIS là một công cụ hỗ trợ mang lại

sự thành công của nhiều hoạt động kinh tế- xã hội, quốc phòng cho nhiều quốc gia trên thế giới

Với nhịp sống náo nhiệt như hiện nay, ở các trung tâm thành phố lớn vấn đề giao thông đô thị luôn là vấn đề nóng bỏng Từ việc quản lý hạ tầng cho đến các dịch vụ xuất phát từ nhu cầu của đa số cộng đồng như tìm đường đi tối ưu (Đường ngắn nhất? nhanh nhất?) để tiết kiệm thời gian và chi phí

Vì vậy, trong lĩnh vực quản lý giao thông, cùng với việc nâng cấp và xây dựng

hệ thống hạ tầng đường sá, cầu, hầm … thì việc ứng dụng hệ thống thông tin trong giao thông sẽ giúp các nhà quản lý có thể tra cứu, khai thác thông tin liên quan đồng thời đưa ra những chính sách và quyết định chính xác Từ đó các tổ chức, cá nhân

đã đưa ra yêu cầu cần phải xây dựng một dịch vụ định tuyến giúp tìm kiếm đường

đi tối ưu Dịch vụ này đã giúp cho chúng ta có những lộ trình tốt nhất khi định hướng tuyến đường đi của mình và mang lại hiệu quả kinh tế Để ứng dụng dịch vụ dẫn đường vào các bài toán tìm đường cho kết quả đạt độ chính xác cao thì việc xây dựng nguồn cơ sở dữ liệu và mô hình hóa dữ liệu là rất quan trọng Vì vậy mà công tác nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu và mô hình mạng lưới giao thông có độ tin cậy cao là rất cần thiết Dựa trên những yêu cầu trên, tôi đã lựa chọn đề tài nghiên

cứu: “Xây dựng cơ sở dữ liệu, mô hình hóa và phân tích dữ liệu để giải quyết một

số bài toán trong giao thông đô thị”

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Không gian nghiên cứu: Khu vực nội thành Hà Nội

- Phạm vi nghiên cứu: Đưa ra dịch vụ tìm kiếm, phân tích tuyến đường đi tối

ưu trong khu vực nghiên cứu

3 Mục đích của đề tài

- Xây dựng cở sở dữ liệu giao thông

- Mô hình hóa và phân tích dữ liệu

- Tạo dịch vụ bản đồ số từ cơ sở dữ liệu và mô hình xây dựng

- Giải quyết một số bài toán trong giao thông đô thị: Bài toán tìm đường đi tối

ưu

- Là tư liệu phục vụ cho các mục đích khác nhau như: Quản lý, theo dõi sự cố, tìm kiếm cứu nạn,

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý GIS

- Nghiên cứu mô hình cơ sở dữ liệu giao thông

- Phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ dẫn đường

- Giới thiệu về mô hình dữ liệu định tuyến trong ArcGIS: Mô hình Network Dataset

- Hệ thống thông tin cần thiết phục vụ dẫn đường: Xây dựng bản đồ giao thông, đưa ra mô hinh phân tích tìm kiếm tuyến đường

5 Phương pháp nghiên cứu

Ứng dụng công nghệ GIS để xây dựng CSDL giao thông, thực hiện mô hình hóa mạng lưới giao thông đương bộ phục vụ phân tích nhằm giải quyết một số bài toán trong giao thông đô thị

6 Kết quả của đề tài

- Tổng quan về cơ sở khoa học trong xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ công tác tìm kiếm tuyến đường (routing)

- Xây dựng mẫu cở sở dữ liệu giao thông theo định dạng Geodatabase của ESRI

- Mô hình hóa cơ sở dữ liệu giao thông theo mô hình Network Dataset của ESRI

- Dịch vụ bản đồ giao thông dạng số

- Thử nghiệm hệ thống cơ sở dữ liệu và mô hình đã được thành lập trên ArcGIS, đưa vào phần mềm tương tác tìm kiếm tuyến đường giao thông

7 Ý nghĩa của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Góp phần xây dựng cơ sở lý luận trong việc nghiên cứu và ứng dụng GIS trong hiện tại và tương lai

Ý nghĩa thực tiễn: Hệ thống thông tin địa lý GIS là hệ thống phát triển trên toàn thế giới và nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống Hiện nay, ở Việt Nam tuy còn nhiều mới mẻ nhưng nó đã và đang phát triển rất mạnh mẽ

Và việc xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ công tác dẫn đường là một ứng dụng rất quan trọng của hệ thống thông tin điạ lý GIS

8 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận được trình bày trong

110 trang với 33 hình và 09 bảng

Luận văn được hoàn thành với sự cố gắng nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn TS Trần Vân Anh, các thầy cô trong bộ môn Đo ảnh và Viễn thám; cùng các bạn đồng môn, đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: CƠ SỞ KHOA HỌC, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

TIẾP CẬN VẤN ĐỀ 1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý

1.1.1 Sự hình thành và phát triển của GIS

Trong xã hội thông tin, thông tin địa lý giữ một vai trò rất quan trọng Khi cung cấp bất kỳ thông tin gì hoặc sự kiện gì, nhà cung cấp thông tin cần phải cho biết vật ấy, sự kiện ấy xảy ra ở đâu, khi nào Đó chính là thông tin địa lý (Geographic Information)

Từ khi ra đời, với tư cách là một công nghệ, GIS (Geographic Information System) đã và đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực GIS đã phát triển từ những ứng dụng trên các đối tượng liên quan đến đất đai và biến đổi chậm như tài nguyên, môi trường đến các ứng dụng trong các lĩnh vực liên quan đến con người hoặc những đối tượng có tần số biến đổi nhanh như cơ sở kỹ thuật hạ tầng, kinh tế,

xã hội

Với những ứng dụng ngày càng rộng rãi và phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực kinh tế, xã hội Khoa học thông tin địa lý (GIS) đã từng bước hoàn thiện các mô hình biểu diễn các đối tượng, các hoạt động, các sự kiện và các quan hệ của chúng trong thế giới thực, đồng thời nghiên cứu phát triển các thuật toán lưu trữ, xử lý dữ liệu theo không gian và thời gian

Trong tiến trình phát triển kinh tế, xã hội, để đạt được một mục đích nào đó, con người cần phải có những quyết định chính xác và kịp thời Những quyết định đó phải được thực hiện sau khi thu thập thông tin dữ liệu từ thế giới thực và phân tích xử

lý nó theo một quan điểm nào đó Những quyết định này tác động trực tiếp hoặc gián tiếp trở lại thế giới thực theo khuynh hướng của người xử lý và ra quyết định Nếu quyết định đó mang lại hiệu quả tích cực thì được đánh giá là tốt, và ngược lại

Hệ thống thông tin địa lý ra đời từ đầu thập niên 60 ở Canada Suốt thời gian của hai thập niên 60 và 70, GIS cũng chỉ được một vài cơ quan chính quyền ở khu vực Bắc Mỹ quan tâm nghiên cứu Mãi đến đầu thập niên 80, khi phần cứng máy tính

phát triển mạnh với tính năng cao, giá rẻ, đồng thời với sự phát triển nhanh về lý thuyết và ứng dụng CSDL cùng với nhu cầu cần thiết về thông tin địa lý làm cho công nghệ GIS ngày càng được quan tâm hơn

Sự phát triển của công nghệ máy tính đồng thời với những kết quả của các thuật toán nhận dạng xử lý ảnh và CSDL đã tạo điều kiện cho công nghệ thông tin địa lý ngày càng phát triển

Có nhiều công trình nghiên cứu cho thấy vai trò quan trọng của GIS trong việc quản lý, xử lý các vấn đề kinh tế, xã hội và môi trường,…Vì vậy, các phần mềm GIS được bán rất nhanh mặc dù người sử dụng vẫn còn gặp phải một số vấn đề về việc không tương thích với nhau vì chưa có một tiêu chuẩn thống nhất Đặc biệt các chương trình giảng dạy cũng càng được phổ biến và chuẩn hóa

1.1.2 Định nghĩa GIS

• Hệ thống – Công nghệ máy tính và các hạ tầng hỗ trợ khác

• Thông tin – Dữ liệu và thông tin

• Địa lý – Thế giới thực, các thực thể không gian

Giới thiệu một số định nghĩa về GIS của một số tác giả:

- GIS là một hệ thống tự động thu thập, lưu trữ, truy vấn, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian (Clarke 1995)

- GIS là một trường hợp đặc biệt của một hệ thống thông tin với CSDL 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 địa lý xử lý, truy vấn dữ liệu theo điểm, đường, vùng phục vụ cho những hỏi đáp đặc biệt (Dueker 1979)

- Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống bao gồm bốn khả năng xử lý dữ liệu địa

lý là: (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 (Stan Aronoff 1993)

- Công nghệ dựa trên máy tính và phương pháp để thu thập, quản lý, phân tích, mô hình hóa và mô tả dữ liệu địa lý cho các ứng dụng khác nhau

- Một hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu cho mục đích thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian để hỗ trợ ra quyết định và nghiên cứu

Những định nghĩa trên cho thấy rằng hệ thống thông tin địa lý có những khả năng của 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, CSDL của hệ thống chứa những dữ liệu của các đối tượng, các hoạt động kinh tế, xã hội, nhân văn, phân bố theo không gian và những sự kiện xảy ra theo tiến trình lịch

sử

Có thể nói cách khác rằng, hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống máy tính (phần cứng, phần mềm) và các thiết bị ngoại vi có khả năng trả lời các câu hỏi cơ bản Ai? Cái gì? Ở đâu? Khi nào? Như thế nào? Tại sao? khi được xác định trước một hoặc một vài nội dung trong các câu hỏi đó Trong đó các câu trả lời Ai? Cái gì? Xác định các đối tượng, các hoạt động, các sự kiện cần khảo sát; câu trả lời Ở đâu? xác định vị trí của đối tượng, hoạt động hoặc sự kiện; câu trả lời Như thế nào? hoặc Tại sao? là kết quả phân tích của hệ thông tin địa lý

1.1.3 Thành phần của GIS

Công nghệ GIS bao gồm 5 hợp phần cơ bản là: thiết bị (phần cứng), phần mềm, số liệu, chuyên viên, chính sách và cách thức quản lý

Hình 1.1 Các thành phần của hệ GIS

• 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

CPU: hệ thống điều khiển, bộ nhớ, tốc độ xử lý là những yếu tố quan trọng nhất của

CPU

Nhập, lưu trữ và xuất dữ liệu: các thiết bị ngoại vi phục vụ cho việc nhập dữ liệu là:

bàn số hóa, máy quét để chuyển đổi định dạng tương tự thành dạng số Các phương tiện thông dụng là ổ đĩa cứng, ổ đọc băng, ổ đĩa quang có thể ghi và xóa dữ liệu Thiết bị xuất dữ liệu bao gồm máy in đen trắng và màu, báo cáo, kết quả phân tích, máy in (plotter)

• Phần mềm

Một hệ thống phần mềm xử lý HTTĐL yêu cầu phải có hai chức năng sau: tự động hóa 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 hóa bản đồ: là thành lập bản đồ với sự trợ giúp của máy tính

Máy tính trợ giúp cho bản đồ học ở nhiều phương diện như:

Trước hết, bản đồ trong máy tính dạng số nên dễ dàng chỉnh sửa và việc chỉnh

lý đó tốn ít công sức hơn so với việc không có sự trợ giúp của máy tính Việc bổ sung thêm thông tin cho bản đồ cũng dễ dàng thực hiện được

Thứ hai, quá trình tạo chú giải và các chỉ dẫn lên bản đồ được thao tác với tốc

độ nhanh nên giá thành thấp Việc lựa chọn, phân loại và làm đơn giản hóa các đặc điểm bản đồ cũng được thực hiện một cách khoa học Quá trình thiết kế và khái quát hóa bản đồ cũng được lập trình và tạo nên các chức năng cụ thể của phần mềm Kích thước, hình dạng hoặc vị trí của chữ hoặc ký hiệu trên bản đồ có thể dễ dàng được thay đổi và đưa về vị trí chính xác như mong muốn

 Quản lý CSDL: HTTTĐL 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 GIS là cho khả năng liên kết hệ

thống giữa việc tự động hóa bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu Sự liên kết đó là một nổi bật của việc vận hành HTTTĐL

Thứ nhất: Các tài liệu thuộc tính nhất thiết phải được thể hiện trên những chi tiết của bản đồ

Thứ hai: Sự thay đổi về những chi tiết bản đồ nhất thiết phải phù hợp với sự thay đổi về tự nhiên thuộc tính Ví dụ, sự thay đổi diện tích đô thị về số liệu phải tương xứng với sự thay đổi về đường ranh giới thành phố Khi thay đổi ranh giới thì

số liệu tính toán về diện tích cũng tự động được thay đổi

• Chuyên viên

Đây là một trong những hợp phần quan trọng của công nghệ GIS, đòi hỏi những chuyên viên hướng dẫn sử dụng hệ thống để thực hiện các chức năng phân tích và xử lý các số liệu Đòi hỏi phải thông thạo việc lựa chọn các công cụ GIS để sử dụng, có kiến thức về các số liệu đang được sử dụng và thông hiểu các tiến trình đang và sẽ thực hiện

• Số liệu, dữ liệu địa lý

Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý riêng lẻ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu Những thông tin địa lý có nghĩa là sẽ bao gồm các dữ kiện về vị trí địa lý, thuộc tính của thông tin, mối liên hệ không gian của các thông tin và thời gian

Có hai số liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là:

 Cơ sở dữ liệu bản đồ: là những mô tả ảnh bản đồ được số hóa theo một khuôn

dạng nhất định mà máy tính hiểu được HTTTĐL dùng cơ sở dữ liệu này để xuất các bản đồ trên màn hình hoặc ra các thiết bị ngoại vi khác như máy in, máy vẽ

Số liệu vector: được trình bày dưới dạng điểm, đường và vùng, mỗi dạng có liên quan đến một số liệu thuộc tính được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu

Số liệu raster: được trình bày dưới dạng lưới ô vuông hay ô chữ nhật đều nhau, giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ chỉ định giá trị của thuộc tính Số liệu của ảnh

vệ tinh và số liệu bản đồ được quét là các loại số liệu raster

 Số liệu thuộc tính: được trình bày dưới dạng các ký tự hoặc số, hoặc ký hiệu để

mô tả các thuộc tính của các thông tin thuộc về địa lý

Trong các dạng số liệu trên, số liệu vector là dạng thường sử dụng nhất Tuy nhiên, số liệu Raster rất hữu ích để mô tả các dãy số liệu có tính liên tục như: nhiệt

độ, độ cao và thực hiện các phân tích không gian của số liệu Còn số liệu thuộc tính được dùng để mô tả cơ sở dữ liệu

• Chính sách và quản lý

Đây là hợp phần quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin

Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong một khu tổ chức phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu trữ và phân tích số liệu, đồng thời có khả năng phát triển được hệ thống GIS theo nhu cầu Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin Trong quá trình hoạt động, mục đích chỉ có thể đạt được và tính hiệu quả của kỹ thuật GIS chỉ được minh chứng khi công cụ này có thể hỗ trợ những người sử dụng thông tin để giúp họ thực hiện được những mục tiêu công việc Ngoài ra việc phối hợp giữa các cơ quan chức năng có liên quan cũng phải được đặt ra, nhằm gia tăng hiệu quả sử dụng của GIS cũng như các nguồn số liệu hiện có

Như vậy trong 5 hợp phần của GIS, hợp phần chính sách và quản lý đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, đây là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS

1.1.4 Chức năng của GIS

Một hệ thống thông tin địa lý có các chức năng cơ bản như: nhập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, điều khiển dữ liệu, hiển thị dữ liệu theo cơ sở địa lý và đưa ra những quyết định Có thể khái quát các chức năng đó như sau:

a Nhập và bổ sung dữ liệu: Một trong những chức năng quan trọng của

HTTĐL là nhập và bổ sung dữ liệu mà công việc đó không tiến hành riêng rẽ Bất kỳ một hệ thống nào cũng phải cho phép nhập và bổ sung dữ liệu, nếu không có chức năng đó thì không xem là một HTTĐL vì chức năng đó là một yêu cầu bắt buộc phải

có

b Chuyển đổi dữ liệu: Chuyển đổi dữ liệu là một chức năng rất gần với việc

nhập và bổ sung dữ liệu Nhiều phần mềm thương mại cố gắng giữ độc quyền bằng cách hạn chế đưa ra các khuôn dạng dữ liệu theo loại phổ cập Tuy nhiên người sử dụng phải lựa chọn để hạn chế việc phải số hóa thêm những tài liệu hiện đang có ở dạng số Trong thực tế, cùng một tư liệu nhưng có thể tồn tại ở nhiều khuôn dạng khác nhau Vì vậy, đối với tư liệu quốc gia không thể chỉ lưu giữ ở dạng có tính chất phổ biến để sử dụng được trong nhiều ứng dụng khác nhau

c Lưu trữ dữ liệu: Một chức năng quan trọng của HTTĐL là lưu trữ và tổ

chức cơ sở dữ liệu do sự đa dạng và với một khối lượng lớn của dữ liệu không gian:

đa dạng về thuộc tính, về khuôn dạng, về đơn vị đo, về tỷ lệ bản đồ Hai yêu cầu cơ bản trong việc lưu trữ dữ liệu là:

Thứ nhất là phải tổ chức nguồn dữ liệu sao cho đảm bảo độ chính xác và không mất thông tin

Thứ hai là các tài liệu cho cùng một khu vực song các dữ liệu lại khác nhau về

tỷ lệ, về đơn vị đo thì phải được định vị chính xác và chuyển đổi một cách hệ thống

để có thể xử lý hiệu quả

d Điều khiển dữ liệu: Do nhiều HTTĐL hoạt động đòi hỏi tư liệu không gian

phải được lựa chọn với một chỉ tiêu nhất định được phân loại theo một số phương thức riêng, tổng hợp thành những đặc điểm riêng của hệ thống Do đó HTTĐL phải đảm nhiệm được chức năng điều khiển thông tin không gian Khả năng điều khiển cho phép phân tích, phân loại và tạo lập các đặc điểm bản đồ thông qua các dữ liệu thuộc tính và thuộc tính địa lý được nhập vào hệ thống Các thuộc tính khác nhau có thể được tổng hợp, nắm bắt một cách riêng biệt và những sự khác biệt có thể được xác định, được tính toán và được can thiệp, biến đổi

e Trình bày và hiển thị: Đây cũng là một chức năng bắt buộc phải có của

một HTTĐL Không gian dưới dạng tài liệu nguyên thủy hay tài liệu được xử lý cần được hiển thị dưới dạng như: chữ và số, dạng bảng biểu hoặc dạng bản đồ Các tính toán chung và kết quả phân tích được lưu giữ ở dạng chữ và số để dễ dàng in ra hoặc trao đổi giữa các phần mềm khác nhau

f Phân tích không gian: Trước đây chỉ với 5 chức năng mô tả ở trên là được

tập trung, phát triển bởi nhưng người xây dựng HTTĐL Chức năng thứ sáu là phân tích không gian được phát triển một cách thần kỳ dựa vào sự tiến bộ của công nghệ

và nó trở nên thực sự hữu ích cho người ứng dụng Những định nghĩa về HTTĐL trước đây đã trở thành thực tiễn trên cơ sở ứng dụng trực tiếp chức năng phân tích không gian Tất cả các chức năng có thể khác nhau đối với từng hệ thống song đối với một HTTTĐL sử dụng tư liệu bản đồ thì chức năng đó là bắt buộc

Có rất nhiều các phương pháp tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian, các phương pháp khác nhau thường tạo ra các ứng dụng GIS khác nhau

Sau đây là một số phương pháp được dùng phổ biến nhất:

Buffer (Tìm kiếm dữ liệu trong vùng không gian )

Buffer hay còn gọi là truy vấn không gian trên cơ sở các quan hệ không gian giữa các đối tượng Các quan hệ này thông thường nói lên vị trí tương đối của đối tượng này với đối tượng kia Phương pháp buffer được chia làm nhiều loại (phép toán) khác nhau, nhưng cách thức xử lý thì luôn tuân theo các bước cơ bản sau đây:

- Chọn ra một hay nhiều đối tượng trên bản đồ, gọi là các đối tượng gốc

- Áp dụng một quan hệ không gian để tìm ra các đối tượng khác mà có quan hệ đặc biệt với các đối tượng gốc

- Hiển thị tập đối tượng tìm thấy cả trên dữ liệu không gian và thuộc tính

Một số phép toán buffer thông dụng:

Tìm các đối tượng nằm bên trong các đối tượng khác: Phép toán này xác định

quan hệ “bao kín” giữa các đối tượng không gian Đường thẳng bao gồm nhiều điểm, một đa giác (polygon) có thể bao gồm nhiều đường thẳng hoặc gồm các đa giác con khác

Tìm các đối tượng cắt các đối tượng khác: Phép toán này xác định các đối

tượng có giao điểm hay nằm chồng lên các đối tượng khác Hai đa giác giao nhau nếu chúng có một miền chung Hai đường thẳng cắt nhau nếu chúng có một điểm chung Một đường thẳng giao với một đa giác khi nó nằm một phần hay toàn bộ trong đa giác

Tìm các đối tượng liền kề với các đối tượng khác: Đây là kiểu tìm kiếm trong

đó các đối tượng có chung đường bao (biên) Quan hệ này chỉ áp dụng cho đường thẳng hoặc đa giác

Tìm các đối tượng nằm bên trong hoặc bên ngoài một khoảng cách xác định:

Kiểu tìm kiếm này được sử dụng trong việc xác định các đối tượng xung quanh một hay nhiều các điểm mốc Quá trình thực hiện bao gồm việc tạo ra một vùng đệm quanh các điểm mốc này và sau đó xác định các đối tượng căn cứ vào vị trí của chúng so với vùng đệm tạo ra

Hình 1.2 Buffer bên trong một hình có bán kính xác định

Geocoding (Tìm kiếm theo địa chỉ )

Một đối tượng trên bản đồ bao giờ cũng được biểu diễn bằng một kiểu dữ liệu

đồ họa Phần đồ họa này có thể thu được bằng cách số hóa hay quét ảnh bản đồ

Tuy nhiên, khi ta đã có bản đồ (bản đồ số), chúng ta cũng có thể xác định được phần đồ họa biểu diễn đối tượng hay là vị trí, hình dạng của đối tượng thông qua các dữ liệu mô tả vị trí của nó ví dụ: số nhà, tên đường, tên quận…

Geocoding (hay address matching) là một tiến trình nhằm xác định các đối tượng trên

cơ sở mô tả vị trí của chúng Đây là một kỹ thuật rất nổi tiếng, có mặt trong rất nhiều ứng dụng của GIS

Người ta gọi một geocoding service là quá trình chuyển đổi toàn bộ mô tả thuộc tính về vị trí sang mô tả không gian

Để tìm được vị trí thông qua địa chỉ, geocoding service phải tham chiếu đến ít nhất một nguồn dữ liệu bao gồm cả thông tin về địa chỉ (thuộc tính) và thông tin không gian (vị trí, hình dạng) Dữ liệu này được gọi là dữ liệu tham chiếu Các geocoding service có thể thao tác trên nhiều kiểu dữ liệu tham chiếu khác nhau Sau khi đã geocoding dữ liệu tham chiếu (tức là ánh xạ mô tả thuộc tính vào mô tả không gian) Ta có thể nhập địa chỉ của đối tượng cần tìm Quy trình xử lý trải qua các bước sau:

- Chuẩn hóa giá trị địa chỉ vừa nhập vào bằng cách tách nó thành các thành phần địa chỉ nhỏ

- Geocoding service sau đó sẽ tìm trong nguồn dữ liệu tham chiếu để xác định các đối tượng có các thành phần địa chỉ tương ứng với dữ liệu nhập vào Mỗi kiểu geocoding service sẽ quy định các định dạng của các thành phần địa chỉ này

- Tập kết quả trả về sẽ được gán các trọng số (điểm) để tìm ra kết quả gần đúng nhất

- Geocoding service sẽ đánh dấu đối tượng vừa được tìm thấy trên bản đồ bằng một đối tượng đồ họa

Hình 1.3 Kết quả tìm kiếm theo địa chỉ

Network (Phân tích mạng )

Networks là kỹ thuật được ứng dụng rất rộng rãi trong giao thông, phân phối hàng hóa và dịch vụ, vận chuyển nước hay xăng dầu trong các đường ống dài, trao đổi thông tin qua mạng viễn thông… Trong GIS, networks được mô hình dưới dạng các đồ thị một chiều hay mạng hình học Mạng hình học này bao gồm các đối tượng đang được hiển thị trên bản đồ, mỗi đối tượng đóng vai trò là cạnh hoặc nút trong mạng

Trong GIS để thiết lập nên mối quan hệ giữa nút - cạnh và cạnh - cạnh ta cần

tạo các topology cho cơ sở dữ liệu Topology được hiểu là mối quan giữa các đối tượng trong bảng dữ liệu Quan hệ topology giữa các đối tượng gần giống quan hệ giữa các bảng (relationship)

Chúng ta có hai kiểu liên kết là nút - cạnh và cạnh - cạnh Nút - cạnh là luật liên kết được thiết lập giữa một nút của đối tượng kiểu A với một cạnh của đối tượng kiểu B Cạnh - cạnh là luật liên kết giữa một cạnh của đối tượng kiểu A và một cạnh của đối tượng kiểu B qua một tập các nút

Khi đã tạo topology và xác lập luật liên kết, một mạng lôgic đã được hình thành Lúc này ta có thể áp dụng các thuật toán về mạng để giải quyết các bài toán đặt ra

Hình1.4 Tìm đường đi tối ưu trong phân tích mạng

- Point - in - lygon: chồng khít hai lớp point và polygon, đầu ra là lớp point

- Line - in - polygon: chồng khít hai lớp line và polygon, đầu ra là lớp line

- Polygon - in - polygon: chồng khít hai lớp polygon và polygon, đầu ra là lớp polygon

Một bài toán rất điển hình cho kỹ thuật này là bài toán về kiểm tra tình hình ngập lụt của các thửa đất trong một vùng có thiên tai Ở đây chúng ta thấy có hai lớp: một lớp cho biết tình trạng lũ lụt trong vùng, một lớp thuộc về đất đai Thông thường hai lớp này sẽ nằm trên hai bản đồ khác nhau vì mục đích sử dụng của chúng khác nhau Khi cần biết tình trạng ngập lụt của từng thửa đất, người ta tiến hành chồng khít hai lớp bản đồ Lúc này thông tin về tình trạng của thửa đất sẽ được lấy từ lớp lũ lụt chứ không phải lấy từ lớp thửa đất vì lớp thửa đất không chứa các thông tin này

Ví dụ này mô tả bài toán thuộc loại “polyon - in - polygon”

Qua bài toán chúng ta có thể thấy một điều rằng hai lớp mà ta đưa vào overlay phải có sự thống nhất với nhau Thống nhất về hệ quy chiếu, thống nhất về tỷ lệ, có được điều kiện này ta mới tiến hành overlay được Quá trình overlay thường được tiến hành qua 2 bước:

- Xác định tọa độ các giao điểm và tiến hành chồng kít hai lớp bản đồ tại giao điểm này

- Kết hợp dữ liệu không gian và thuộc tính của hai lớp bản đồ

Các phép toán overlay bao gồm: phép hợp (Union), phép giao (Intersect) và phép đồng nhất (Identity)

Proximity (Tìm kiếm trong khoảng cận kề)

Proximity là phép tìm kiếm trên cơ sở đo khoảng cách quanh hoặc giữa các đối tượng Khoảng cách này được tính theo khoảng cách Euclidean Có 3 phương pháp phân tích proximity:

Phương pháp thứ nhất là tìm kiếm nội dung trong vùng, trong đó vùng tìm kiếm được xác định bởi xấp xỉ tới hiện tượng có sẵn, đó chính là phương pháp buffer Việc tìm kiếm này được thực hiện trong vùng tạo bởi mở rộng đối tượng cho trước theo một khoảng cách cho trước Trong GIS vùng này được gọi là vùng đệm, nó được xây dựng xung quanh đối tượng điểm, đối tượng đường hay đối tượng vùng

Trong các hệ thống trên cơ sở raster thì việc tạo lập vùng đệm được thực hiện nhờ chức năng spread

Phương pháp thứ hai của tìm kiếm cận kề là tìm ra các vùng nối trực tiếp với đối tượng xác định trước, chẳng hạn như tìm các mảnh đất liền kề với mảnh đất sẽ xây dựng nhà máy

Phương pháp thứ ba của tìm kiếm cận kề xảy ra khi cần phải tìm kiếm những vùng gần nhất tới tập các vị trí mẫu phân tán không đều Các mẫu thường là các điểm Tìm kiếm này thực hiện bằng cách tạo lập đa giác Thiessen, nó xác định các vùng xung quanh mỗi điểm mà gần điểm này hơn mọi điểm khác Sơ đồ đa giácm Thiessen còn được gọi là sơ đồ Voronoi Chúng được sử dụng để lập ra bản đồ sử dụng từ các mẫu đất cách biệt

1.1.5 Ứng dụng của GIS

Kỹ thuật "Thông tin Địa lý" (Geograpgic Information System) đã bắt đầu được sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển hơn một thập niên qua, đây là một dạng ứng dụng công nghệ tin học (Information Technology) nhằm mô tả thế giới thực (Real world) mà loài người đang sống - tìm hiểu - khai thác Với những tính năng ưu việt, kỹ thuật GIS ngày nay đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và quản lý, đặc biệt trong quản lý và quy họach sử dụng - khai thác các nguồn tài nguyên một cách bền vững và hợp lý

Sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin đã đưa tin học thâm nhập sâu vào nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống, mở ra một giai đoạn mới trong quá trình phát triển khoa học Hệ thống thông tin địa lý là một trong những ứng dụng rất

có giá trị của công nghệ tin học trong ngành địa lý, điều tra cơ bản, quy họach đô thị

và cảnh báo môi trường

Kỹ thuật GIS đã được bắt đầu sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển hơn một thập niên qua, với những tính năng ưu việt, kỹ thuật GIS ngày nay đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và quản lý

Hệ thống thông tin địa lý là một kỹ thuật ứng dụng hệ thống vi tính số hóa, xuất hiện trong những năm 1960 cho đến nay công nghệ này được biết đến như là một kỹ thuật toàn cầu

Trong sự phát triển của đất nước ta hiện nay, việc tổ chức quản lý thông tin địa lý một cách tổng thể có thể đóng góp không nhỏ vào việc sử dụng có hiệu quả hơn nguồn tài nguyên của đất nước

– Ứng dụng trong kinh doanh: Các chức năng của GIS giúp cho việc thực

hiện các quyết định kinh doanh tốt hơn thông qua phân tích địa điểm và sự thay đổi dân số trong khu vực, đó là điểm mấu chốt đảm bảo vị trí của công nghệ trong cộng đồng kinh doanh

– Quản lý hành chính và phân bố dân số: Khả năng của hệ thống thông tin

địa lý về mô tả hình vẽ và phân tích số liệu dân số mở ra những cơ hội cho một sự phân tích tin cậy trong quá trình trợ giúp quyết định và tạo ra các quyết định chính sách được lòng dân

– Bản đồ và cơ sở dữ liệu xuất bản: Thành lập các loại bản đồ như bản đồ

địa hình, mô hình, độ cao, bản đồ độ dốc, bản đồ chuyên đề Truy cập các số liệu bản

đồ, hiển thị, liên kết và tổng hợp các CSDL, mô hình hóa

– Quản lý Nhà nước về phòng cháy và điều hành cứu hỏa: Với CSDL

được tích hợp, xử lý thông tin và khả năng phân tích, GIS dễ dàng để trả lời các câu hỏi như ở đâu dễ xảy ra cháy nổ? Hệ thống phân bố lực lượng cứu hỏa? Khi xảy ra hỏa họan, đi đường nào gần nhất và nhanh nhất? Nguồn nước hoặc vật liệu chữa cháy gần nhất? Tất cả những đáp án đó phục vụ cho cơ quan quản lý điều hành đưa ra các phương án, kế họach phòng cháy hiệu quả hơn Đặc biệt khi xảy ra hỏa họan, GIS giúp ban chỉ huy, điều hành cứu hỏa nhanh chóng đưa ra các phương án tối ưu nhất

– Quản lý các nguồn tài nguyên tăng cường: Sự gia tăng nhu cầu về quản lý

môi trường dễ nhạy cảm như nước, không khí, đất đai, rừng và động vật hoang dã đã

thúc đẩy các cơ quan môi trường của nhà nước sử dụng công nghệ GIS như là một phương sách thực tế quản lý các số liệu tài nguyên theo yêu cầu

– Khí tượng thuỷ văn: Trong lĩnh vực này GIS được dùng như là một hệ

thống đáp ứng nhanh, phục vụ chống thiên tai như lũ quét ở vùng hạ lưu, xác định tâm bão, dự đoán các luồng chảy, xác định mức độ ngập lụt, từ đó đưa ra các biện pháp phòng chống kịp thời

– Giao thông vận tải: GIS có khả năng ứng dụng đáng kể trong lĩnh vực vận

tải Việc lập kế họach và duy trì cơ sở hạ tầng giao thông rõ ràng là một ứng dụng thiết thực, nhưng giờ đây có sự quan tâm đến một lĩnh vực mới là ứng dụng định vị trong vận tải hàng hải và hải đồ điện tử Loại hình đặc trưng này đòi hỏi sự hỗ trợ của GIS

– Quy họach đô thị và vùng: Khả năng cung cấp cho các nhà quy họach

nhanh chóng truy cập và tập hợp dữ liệu trong công nghệ hệ thống thông tin địa lý

phục vụ cho các phương án quy họach

1.2 Tổng quan về cơ sở dữ liệu

1.2.1 Khái niệm cơ sở dữ liệu

CSDL là hệ thống các thông tin có cấu trúc, chúng được sắp xếp có tổ chức mang tính khoa học cao có mối quan hệ qua lại với nhau Ngày nay, CSDL thường được lưu trữ trên các thiết bị công nghệ như ổ nhớ, băng đĩa từ… nhằm phục vụ yêu cầu khai thác thông tin đồng thời của nhiều người hay nhiều chương trình ứng dụng với nhiều mục đích khác nhau

Với đặc điểm là hệ thống thông tin có cấu trúc, được sắp xếp có khoa học do đó CSDL luôn thể hiện các ưu điểm sau:

– Giảm sự trùng lặp hoặc dư thừa thông tin xuống mức thấp nhất và do đó bảo đảm được tính nhất quán và toàn vẹn dữ liệu

– Đảm bảo dữ liệu có thể truy xuất theo nhiều cách khác nhau

– Khả năng chia sẻ thông tin cho nhiều người sử dụng

dữ liệu địa lý không chỉ có mỗi một loại dữ liệu bản đồ số Đây là điều mà chúng ta cần phân biệt rõ

Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS, 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

Thông tin về hình học (không gian): là thông tin mô tả vị trí của đối tượng địa

lý thông qua tọa độ trong một hệ quy chiếu nhất định Các đối tượng địa lý được mô hình hóa thành các kiểu đối tượng hình học cơ bản như điểm, đường và vùng Một điểm được mô tả bởi một cặp toạ độ x, y Đường được mô tả bằng một chuỗi các điểm Vùng là một đường khép kín

Hình 1.5 Ba kiểu hình học cơ bản

Thông tin về thời gian: là thông tin mô tả các tính chất thời gian của đối tượng

địa lý Chẳng hạn như đối tượng tồn tại từ khi nào, đối tượng có những thể hiện đặc biệt gì trong một khoảng thời gian nhất định

Thông tin thuộc tính chủ đề: là tất cả các thuộc tính phi không gian, thời gian

của đối tượng địa lý Các thông tin này mô tả một số các đặc tính cụ thể của đối tượng theo một chủ đề nhất định

Thông tin quan hệ: là quan hệ giữa các đối tượng địa lý với nhau, bao gồm các

quan hệ về không gian, cũng như thời gian

Các thao tác: là các hành vi của đối tượng địa lý tại một số điều kiện nhất

định

2 Tổ chức CSDL GIS

Cơ sở dữ liệu trong GIS gồm có hai thành phần cơ bản là cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở dữ liệu phi không gian (CSDL thuộc tính)

a Cơ sở dữ liệu không gian

Trong cơ sở dữ liệu không gian người ta sử dụng hai mô hình cấu trúc dữ liệu là: cấu trúc dữ liệu Vector và cấu trúc dữ liệu Raster

- Cấu trúc dữ liệu Vector: Thực thể không gian được biểu diễn dưới các dạng

cơ bản là điểm, đường và vùng mà ở đó điểm (point) chỉ có một nút (node) được mô hình hóa bằng một vị trí tọa độ (x,y); Đường sẽ được coi như một arc và được định nghĩa như một tập các đỉnh với node đầu và node cuối; Vùng (Polygons) 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 ArcGIS sử dụng 3 mô hình vector để biểu diễn dữ liệu đặc trưng là: Coverages, Shapefiles, và GeoDatabases

- Cấu trúc dữ liệu Raster: Thực thể không gian được biểu diễn như một bề mặt được chia thành những ô lưới bằng nhau (các phần tử ảnh – Pixels) Mỗi ô ảnh chứa một giá trị có thể biểu diễn cho một giá trị đo được Trong cấu trúc này, điểm được xác định bởi một pixel, đường được xác định bởi một chuỗi các ô có cùng thuộc tính

kề nhau có hướng nào đó, còn vùng được xác định bởi một số các pixel cùng thuộc tính phủ trên một diện tích nào đó Dữ liệu raster gồm các loại ảnh (ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, ảnh quét dùng để số hóa, làm nền) và grid (dùng để phân tích và lập mô hình)

b Cơ sở dữ liệu thuộc tính

Cơ sở dữ liệu thuộc tính lưu trữ các số liệu mô tả các đặc trưng, tính chất của đối tượng nghiên cứu Các thông tin này có thể là định tính hay định lượng Chúng được lưu trữ trong máy tính như là tập hợp các con số hay ký tự; ở dạng văn bản hay bảng biểu Thông thường, dữ liệu thuộc tính là các thông tin chi tiết cho đối tượng hoặc các số liệu thống kê cho đối tượng Các dữ liệu thuộc tính chủ yếu được

tổ chức thành các bảng dữ liệu, gồm có các cột dữ liệu (trường dữ liệu): mỗi cột diễn đạt một trong nhiều thuộc tính của đối tượng; và các hàng tương ứng với một bản ghi: gồm toàn bộ nội dung thuộc tính của một đối tượng quản lý

1.2.2.2 Các thông tin liên quan đến CSDL GIS

số và máy tính), độ chính xác của bản đồ nguồn, thiết kế của cơ sở dữ liệu, độ phân giải của phần mềm

2 Lưới chiếu

Các phân tích không gian yêu cầu có sự chuyển đổi các đặc điểm trên bề mặt cầu của trái đất thành hệ thống tọa độ hai chiều Phép chiếu bản đồ cung cấp khả năng chuyển tư liệu vị trí từ mặt cầu sang bề mặt phát triển (Developed Surface) và

bề mặt phát triển đó có thể được trình bày thành một bề mặt phẳng hoàn toàn Mặc

dù nếu mặt cầu được chia thành rất nhiều mẩu nhỏ thì nhiệm vụ của bản đồ học là chuyển đổi một hệ thống tài liệu vị trí từ mặt cầu sang bề mặt phát triển

Rất nhiều lưới bản đồ có khẳ năng đó, nhưng tất cả đều bị sai lệch ở một trong các yếu tố: hình dạng, diện tích, khoảng cách và hướng Một lưới chiếu bản đồ tối ưu đối với một phép chiếu nào đó thì phụ thuộc vào việc có độ chính xác cần thiết và kích thước của vùng nghiên cứu Mỗi lưới chiếu có một quá trình chuyển đổi riêng và

có những đặc điểm riêng Các phương pháp chiếu cơ bản là chiếu theo phương vị, chiếu hình trụ, chiếu hình nón và chiếu hình trụ giả

a Lưới chiếu phương vị: Có đặc điểm là sử dụng một nguồn sáng từ trung tâm hình

cầu chiếu vào các đường kinh vĩ tuyến thì hình chiếu của kinh vĩ tuyến lên mặt phẳng nằm ngang vuông góc sẽ là lưới chiếu phương vị thông thường, hình chiếu đó là những vòng tròn đồng tâm và các đường và các đường kính giao nhau

tại tâm, nguồn sáng có thể là khác nhau tạo nên các lưới khác nhau và nếu khoảng cách nguồn sáng là xa vô cực thì lưới chiếu Bắc bán cầu và Nam bán cầu lên bề mặt tiếp tuyến là trùng nhau, khi đó gọi là “Lưới chiếu phương vị tập thể”

Hình 1.6 Phép chiếu phương vị

b Hệ chiếu hình trụ: Là lưới chiếu để chuyển các đường kinh vĩ tuyến từ mặt cầu

lên bề mặt một hình trụ đứng, hình trụ này phủ lên hình cầu với vùng tròn tiếp tuyến hoặc cắt qua hình cầu bởi những vòng trong đồng tâm Khi phát triển bề mặt hình trụ này thành mặt phẳng thì tạo nên một hệ tọa độ có 2 kích thước, khi đó bề mặt hình trụ chuyển thành hình chữ nhật

Hình 1.7 Lưới chiếu hình trụ triển khai thành mặt phẳng với các ô hình chữ nhật

c Hệ chiếu hình nón: Là hệ chiếu che phủ lên hình cầu hoặc cắt qua nó bởi một

hình tháp nón chuyển thành dạng hình nón cụt

Hình 1.8 Lưới chiếu hình nón triển khai thành hình nón cụt

Hệ lưới chiếu UTM (Universal Transerse Mecator) của Mỹ là sử dụng hệ lưới chiếu hình trụ ngang Ngoài ra còn một hệ lưới chiếu khác gọi là hệ lưới chiếu giả hình trụ, nó không thực sự lưới chiếu hình lăng trụ nhưng có cơ sở toán học tương tự như hệ chiếu hình lăng trụ

Tóm lại: Các hệ chiếu bản đồ có 3 thuộc tính không gian cơ bản: bằng nhau về diện tích vùng chiếu, sự nhất quán về lưới chiếu và các thuộc tính khác như góc, hình dạng và mối quan hệ của các yếu tố là ổn định

Diện tích và quan hệ góc là những thuộc tính rất quan trọng của bản đồ Song một lưới chiếu thì không đảm bảo được cả hai tính chất đó Nghĩa là một hình chiếu

có cùng diện tích thì luôn có quan hệ không gian khác nhau về góc giữa cá đối tượng

và ngược lại nếu quan hệ về góc giống nhau thì diện tích lại khác nhau

3 Hệ tọa độ

Có hai kiểu hệ tọa độ: hệ tọa độ địa lý và hệ tọa độ quy chiếu Hệ tọa độ địa lý

sử dụng giá trị kinh độ và vĩ độ trên mô hình bề mặt trái đất Hệ tọa độ quy chiếu sử dụng phương pháp toán học để chuyển đổi các giá trị kinh độ, vĩ độ của bề mặt ba chiều trên trái đất về mặt phẳng hai chiều

a Hệ tọa độ địa lý

Hệ toạ độ địa lý (Geographic Coordinate System – GCS) sử dụng bề mặt cầu

ba chiều để định nghĩa một vị trí trên trái đất Một GCS thường có một gốc toạ độ (datum), datum chỉ là một phần của GCS Một GCS bao gồm một đơn vị đo góc, kinh tuyến trục và một datum

Một điểm được tham chiếu bởi các giá trị kinh độ và vĩ độ Kinh độ và vĩ độ là góc được đo bởi tâm trái đất tới một điểm trên bề mặt trái đất Các góc này thường được đo theo đơn vị độ (hoặc grads)

Trong hệ này, các đường nằm ngang hoặc Đông – Tây có vĩ độ bằng nhau Các đường thẳng đứng hoặc Bắc – Nam có vĩ độ bằng nhau Các đường này bao quanh trái đất thành một mang lưới gọi là lưới địa lý (lưới kinh vĩ)

Hình 1.9 Lưới kinh vĩ

Đường vĩ độ ở chính giữa hai cực được gọi là xích đạo Đường này định nghĩa tất cả các điểm có vĩ độ bằng 0 Đường thẳng có kinh độ bằng 0 gọi là kinh tuyến trục Hầu hết các GCS, nhận kinh tuyến trục là đường thẳng đi qua Greenwich Anh quốc Ngoài ra một số GCS khác nhận kinh tuyến trục đi qua Bern, Bogota và Paris Gốc của lưới kinh vĩ là (0,0) được định nghĩa bởi giao điểm của xích đạo và kinh tuyến trục

Kinh độ và vĩ độ được tính theo đơn vị độ và phần lẻ của nó Ví dụ: độ (degree), phút (minute), giây (second) – DMS Giá trị của vĩ độ được tính từ 00 tại xích đạo, -900 về cực Nam, 900 về cực Bắc Giá trị của kinh độ được tính từ 00 ở kinh tuyến trục, -1800 về phía Tây, và 1800 về phía Đông

b Hệ tọa độ quy chiếu

Hệ tọa độ quy chiếu được định nghĩa trên một bề mặt phẳng hai chiều Không giống với GCS, một hệ toạ độ quy chiếu có các đơn vị đo chiều dài, góc, diện tích trên một bề mặt hai chiều Hệ toạ độ quy chiếu luôn có cơ sở trên hệ toạ độ địa lý (GCS)

Trong hệ tọa độ quy chiếu, một vị trí được xác định bởi cặp giá trị x, y trong một lưới, với gốc là tâm của lưới Mỗi một vị trí có hai giá trị tham chiếu đến một vị trí trung tâm Một theo chiều nằm ngang và một theo chiều thẳng đứng Hai giá trị đó được gọi là tọa độ x và toạ độ y Như vậy gốc tọa độ sẽ có giá trị x = 0 và y = 0

Hình 1.10 Hệ toạ độ phẳng Bởi vì trái đất của chúng ta là hình cầu hoặc gần như hình cầu và bản đồ là phẳng, do đó lấy thông tin từ một mặt cong chuyển sang mặt phẳng đòi hỏi phải có một phương pháp toán học và được gọi là “phép chiếu bản đồ”, hoặc đơn giản là

“phép chiếu”

Quá trình xử lý này có thể gây ra sự biến dạng của một hoặc một số thuộc tính không gian sau đây:

 Khoảng cách (Distance)

 Diện tích (Area)

 Hình dạng (Shape)

 Phương hướng (Direction)

Không có một phép chiếu nào có thể loại bỏ toàn bộ các sự biến dạng các thuộc tính không gian trên Tất cả các bản đồ đều biến dạng một vài độ Nhưng trong quá trình phát triển của khoa học con người có khá nhiều cách tiếp cận vấn đề này từ nhiều quan điểm khác nhau và từ đó cũng đưa ra một loạt các phép chiếu khác nhau

Vì vậy người làm bản đồ có thể lựa chọn phép chiếu nào gây ra sự biến dạng không gian là ít nhất để dùng cho từng mục đích thành lập bản đồ khác nhau

1.2.3 Khái quát tình hình xây dựng và quản lý cơ sở dữ liệu trên thế giới

Trong tiến trình phát triển kinh tế xã hội, để đạt được một mục đích nào đó, con người cần phải có những quyết định chính xác và kịp thời Những quyết định đó thường được thực hiện sau khi thu thập thông tin,dữ liệu của thế giới thực và phân tích xử lý nó theo một quan điểm nào đó Những quyết định này tác động trực tiếp hoặc gián tiếp trở lại thế giới thực theo khuynh hướng của người xử lý và ra quyết định Nếu quyết định ấy tác động đến thế giới thực tạo ra nhiều kết quả có lợi hơn cho con người thì quyết định ấy được đánh giá là tốt Ngược lại, nếu quyết định tác động lên thế giới thực sinh ra nhiều hậu quả có hại cho con người hơn thì quyết định

ấy được đánh giá là xấu

Theo quan điểm thông tin, tiến trình nói trên thể hiện một sự tuần hoàn của dữ liệu: dữ liệu từ thế giới thực được thu thập, lưu trữ, phân tích, xử lý và ra quyết định Trên luồng dữ liệu ấy, kết quả của bước sau phụ thuộc vào kết quả của bước trước: quyết định phụ thuộc vào kết quả phân tích và quan điểm của người ra quyết định, kết quả phân tích phụ thuộc vào chất lượng dữ liệu và khả năng của người phân tích Chất lượng dữ liệu được đề cập ở đây bao gồm độ chính xác, tính thời gian của dữ

liệu Chất lượng dữ liệu phụ thuộc vào thiết bị, công nghệ, khả năng và tinh thần trách nhiệm của người thu thập dữ liệu, phụ thuộc vào công nghệ, khả năng của thiết

bị lưu trữ bảo quản dữ liệu

Cho đến nay, phương tiện truyền thống để hiển thị và lưu trữ dữ liệu địa lý là bản đồ Trên bản đồ, các thực thể trong không gian thế giới thực được biểu diễn bằng đường nét, hình vẽ, chữ viết, ký hiệu, v.v ., vị trí địa lý của các đối tượng được xác định trong một hệ thống tọa độ Descartes hai chiều Với những bản đồ giấy truyền thống, các phép phân tích định lượng đơn giản như đo chiều dài, diện tích có thể được thực hiện bằng những dụng cụ đơn giản như thước đo hoặc planimeter Các bài toán phân tích vùng cũng có thể thực hiện bằng cách chồng ghép các bản đồ chuyên

đề được vẽ lên giấy trong suốt hoặc giấy mờ

Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin, đặc biệt là từ khi xuất hiện ngành đồ họa vi tính cũng như sự gia tăng vượt bậc những khả năng phần cứng,

hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã ra đời và phát triển nhanh chóng cả về mặt công nghệ cũng như ứng dụng Hệ thống thông tin địa lý đã chứng tỏ khả năng ưu việt hơn hẳn các hệ thông tin bản đồ truyền thống nhờ vào khả năng tích hợp thông tin mật độ cao, cập nhật thông tin dễ dàng cũng như khả năng phân tích, tính toán của nó Do

đó, hệ thống thông tin địa lý đã nhanh chóng trở thành một công cụ trợ giúp quyết định cho tất cả các ngành từ qui họach đến quản lý, tất cả các lĩnh vực từ tài nguyên thiên nhiên, môi trường, đất đai, hạ tầng kỹ thuật đến xã hội nhân văn

1.3 Cơ sở dữ liệu giao thông

Hạ tầng giao thông đường bộ là những công trình phục vụ cho việc đi lại của

người dân trên bộ, cũng như phục vụ cho việc giao lưu kinh tế Có 2 loại hạ tầng giao thông đường bộ:

+ Hạ tầng giao thông tĩnh: bến xe, nhà chờ xe bus, bãi đậu xe…

+ Hạ tầng giao thông động: cầu, cầu vượt, nút giao thông

Đường giao thông là công trình hạ tầng kỹ thuật có chức năng liên kết về mặt giao thông giữa các địa điểm với nhau, phục vụ cho việc đi lại, vận chuyển, là huyết mạch của ngành kinh tế

1.3.2 Đặc điểm CSDL giao thông

Ngày nay, các hoạt động kinh tế đang đối diện với một số lượng rất lớn các thông tin, dữ liệu, do vậy việc xây dựng một công cụ có thể dễ dàng phân tích, tổng hợp các số liệu liên quan để đưa ra những thông tin bổ ích và có ý nghĩa là rất cần thiết, rất cấp bách và vô cùng quan trọng Để có được các thông tin và sử dụng chúng một cách hiệu quả thì việc xây dựng một cơ sở dữ liệu thống nhất tiện lợi cho việc truy cập, phân tích các số liệu thô nhanh nhất, và chính xác là rất cần thiết

Hình 1.11 Minh họa cơ sở dữ liệu Hà Nội

1.3.3 Sự cần thiết phải xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông

Xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông nhằm đáp ứng yêu cầu tra cứu, tổng hợp thông tin phục vụ quản lý nhà nước trên một hệ thống thông tin thống nhất, tập trung

CSDL phải đảm bảo được các yêu cầu sau:

- Giúp cho quản lý cơ sở dữ liệu giao thông thống nhất và tập trung

- Đáp ứng yêu cầu cập nhật thông tin dữ liệu của các chuyên viên tại các phòng ban của Sở giao thông và quản lý đô thị

- Giúp lãnh đạo Sở, lãnh đạo các phòng ban khai thác thông tin phục vụ tra cứu, thống kê tổng hợp, điều hành và đưa ra các quyết định chính xác

- Được thiết kế mềm dẻo, tính bảo mật hệ thống cao

1.3.4 Các quy định về dữ liệu mạng lưới giao thông

Các trường hợp đặc biệt sau khi thu nhận dữ liệu thì người sản xuất phải tuân thủ:

Hình minh họa bên cạnh thì đường A không bị phân đoạn tại chỗ giao với đường B

mà tại vị trí đó sẽ có 1 đỉnh của đường A Một nút được tạo ở vị trí giao là của đường B

Giao tại ngã ba:

- Tim đường nhánh phải mở rộng đến vị trí giao với tim đường chính

- Trong trường hợp cùng cấp thì tất cả tim đường phải mở rộng

Một nút được tạo ở vị trí giao là của đường A,

B, C

vào đến vị trí trung tâm ngã ba

Cả hai đường khi qua ngã tư đều không đổi thuộc tính, cho nên không phân đoạn tại vị trí giao nhau Tại vị trí giao nhau không phải tạo đỉnh cho hai đối tượng Giao nhau tại ngã tư

không có đường vòng xuyến:

- Đoạn tim đường bộ không bị phân đoạn nếu như không thay đổi thuộc tính

Có một trong số các đối tượng thay đổi thuộc tính qua ngã tư: Đối tượng nào thay đổi thuộc tính thì bị phân đoạn tại vị trí giao nhau Một nút được sinh ra tại vị trí đó cho các đối tượng thay đổi thuộc tính Như hình vẽ

là nút của đường A và

C