Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu gis phục vụ quản lý tài nguyên nước khu vực hạ lưu sông mã trên địa bàn tỉnh thanh hoá

điều vẽ trực tiếp trên máy tính, điều vẽ bằng mắt trên ảnh in ra kết hợp với các tư liệu bổ sung - Các lớp thông tin được chiết tách từ ảnh vệ tinh được số hóa và chuẩn hóa, đưa vào CSDL

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA - CHẤT

-0O0 -NGUYỄN ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS PHỤC VỤ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC KHU VỰC HẠ LƯU SÔNG MÃ

TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THANH HOÁ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA - CHẤT

-0O0 -NGUYỄN ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS PHỤC VỤ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC KHU VỰC HẠ LƯU SÔNG MÃ

TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THANH HOÁ

Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa

Mã số: 60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN BÁ DŨNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là đúng sự thật và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Anh Tuấn

MỤC LỤC

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ 9

MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS 18

1.1 Giới thiệu chung về hệ thông tin địa lý (GIS) 18

1.2 Các chức năng cơ bản của GIS 21

1.3 Khái niệm về CSDL trong HTTĐL 24

1.3.1 Khái niệm cơ sở dữ liệu GIS 24

1.3.2 Ngôn ngữ xây dựng cơ sở dữ liệu GIS 25

1.3.3 Cấu trúc cơ sở dữ liệu GIS 26

1.3.4 Tổ chức cơ sở dữ liệu GIS 34

1.3.5 Chuẩn cơ sở dữ liệu GIS 36

1.4 Nghiên cứu lựa chọn giải pháp xây dựng cơ sở dữ liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên - môi trường 37

1.4.1 Tích hợp tư liệu viễn thám trong xây dựng cơ sở dữ liệu GIS 37

1.4.2 Nguyên tắc gắn kết dữ liệu không gian và thuộc tính trong phân tích dữ liệu 38

1.4.3 Qui trình xây dựng cơ sở dữ liệu GIS 38

1.5 Ứng dụng của hệ thông tin địa lý 40

CHƯƠNG 2: THỰC TRẠNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC TỈNH THANH HÓA 42

2.1 Nước mặt lục địa 43

2.1.1 Tài nguyên nước mặt lục địa: 43

2.1.2 Các nguồn gây ô nhiễm nước mặt lục địa: 43

2.2 Nước dưới đất 66

2.2.1 Tài nguyên nước dưới đất: 66

2.2.2 Hiện trạng chất lượng nước ngầm: 67

2.2.3 Nguồn gây ô nhiễm nước dưới đất: 67

2.2.4 Diễn biến ô nhiễm chất lượng nước dưới đất 69

2.3 Nước biển ven bờ 77

2.3.1 Các nguồn gây ô nhiễm nước biển ven bờ: 77

2.3.2 Diễn biến ô nhiễm: 78

2.4 Dự báo và quy hoạch phát triển liên quan đến môi trường nước 80

2.4.1 Dự báo mức độ ô nhiễm trong tương lai: 80

2.4.2 Quy hoạch quản lý môi trường nước: 88

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS PHỤC VỤ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC KHU VỰC HẠ LƯU SÔNG MÃ TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THANH HOÁ 94

3.1 Điều kiện tự nhiên 94

3.1.1 Vị trí địa lý 94

3.1.2 Đặc điểm địa hình 94

3.2 Đặc trưng khí hậu 95

3.2.1 Chế độ nhiệt 95

3.2.2 Lượng mưa 96

3.2.3 Độ ẩm 96

3.2.4 Bão, áp thấp nhiệt đới 96

3.2.5 Lũ 97

3.3 Đặc điểm kinh tế- xã hội 97

3.3.1 Tăng trưởng kinh tế 97

3.3.2 Dân số, lao động và giải quyết việc làm 98

3.3.3 Giáo dục, đào tạo và y tế 98

3.4 Nhiệm vụ của thực nghiệm 99

3.5 Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên 99

3.5.1 Tư liệu và phương pháp nghiên cứu 99

3.5.2 Xử lý dữ liệu 100

3.5.3 Xây dựng CSDL tài nguyên nước 106

3.6 Phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm 113

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

PHỤ LỤC 119

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CSDL: Cơ sở dữ liệu

CPU: (Central Processing Unit)

Bộ xử lý trung tâm

DBMS: (Database Management System)

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu

DEM: (Data Elevation Model)

Mô hình số độ cao

KT-XH: Kinh tế xã hội

GIS: (Geographic Information System)

Hệ thông tin địa lý

HQTCSDL: Hệ quản trị cơ sở dữ liệu

HTTTDL: Hệ thống thông tin địa lý

QCCP: Quy chuẩn cho phép

GeoDBMS: (Geometry Data base Management System)

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Ví dụ về các định nghĩa kiểu đối tượng trong cơ sở dữ liệu GIS 24

Bảng 1.2 Ví dụ về phân lớp đối tượng địa lý 28

Bảng 1.3 Các nguyên tắc topology 30

Bảng 2.1 Tình hình xả thải vào nguồn nước khu đô thị và khu dân cư tập trung tỉnh Thanh Hoá 44

Bảng 2.2: Trữ lượng nước dưới đất ở một số vùng trong tỉnh Thanh Hoá 66

Bảng 2.3: Tải lượng các chất ô nhiễm có trong nước thải sinh hoạt 80

Bảng 2.4: Dự báo lượng nước thải và chất lượng nước thải đô thị đến năm 2020 81

Bảng 2.5: Dự tính lượng nước thải và chất lượng nước vùng nông thôn đến năm 2020 83

Bảng 2.6: Dự báo tải lượng ô nhiễm trong nước thải công nghiệp đến năm 2020 84

Bảng 2.7: Dự báo lưu lượng và thành phần nước thải một số ngành CN 85

Bảng 2.8: Tải lượng ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi 87

Bảng 2.9: Dự báo lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm trong chăn nuôi 87

Bảng 3.1 Bảng thống kê các nhóm lớp và các lớp thông tin của CSDL 104

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Mối liên hệ các thành phần của hệ thống thông tin địa lý 19

Hình 1-2: Các thành phần phần cứng của hệ thống thông tin địa lý 20

Hình 1-3: Thành phần phần mềm cơ bản của hệ thống thông tin địa lý 21

Hình 1-4: Sự tương quan giữa GIS và các hệ thông tin khác 24

Hình 1- 5: Biểu diễn thông tin dạng điểm, đường, vùng theo cấu trúc vector 27

Hình 1- 6: Minh họa thông tin raster 28

Hình 1- 7: Liên kết dữ liệu không gian và thuộc tính 34

Hình 1-8: Tổ chức cơ sở dữ liệu Shape files 34

Hình 1- 9: Tổ chức cơ sở dữ liệu – GeoDatabase 35

Hình 3-1: Quy trình công nghệ thành lập bản đồ nền địa lý 101

Hình 3-2: Chồng ghép các lớp bản đồ địa hình tỉnh Thanh Hóa 102

Hình 3-3: Quy trình công nghệ xây dựng CSDL tài nguyên nước (GIS) 106

Hình 3-4: Cấu trúc cơ sở dữ liệu bản đồ tài nguyên nước tỉnh Thanh Hóa 108

Hình 3-5: Vị trí các điểm quan trắc 109

Hình 3-6: Nội dung dữ liệu biên giới địa giới 109

Hình 3-7: Nội dung cơ sở hạ tầng 110

Hình 3-8: Nội dung địa hình 110

Hình 3-9: Nội dung giao thông 111

Hình 3-10: Nội dung thủy hệ 111

Hình 3-11: Lớp phủ bề mặt 112

Hình 3-12: Tài nguyên nước 112

Hình 3-13: Mô hình DEM tỉnh Thanh Hóa 113

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 2.1 Diễn biến hàm lượng SS trong nước sông Mó 45

Biểu đồ 2.2 Diễn biến hàm lượng NO2- trong nước sông Mó 46

Biểu đồ 2.3 Diễn biến hàm lượng BOD5 trong nước sông Chu 46

Biểu đồ 2.4 Diễn biến hàm lượng SS trong nước sông Chu 47

Biểu đồ 2.5 Diễn biến hàm lượng NH4+ trong nước sông Chu 47

Biểu đồ 2.6 Diễn biến hàm lượng dầu mỡ trong nước sông Chu 48

Biểu đồ 2.7 Diễn biến hàm lượng BOD5 trong nước sông Cầu Chày 48

Biểu đồ 2.8 Diễn biến hàm lượng NH4+ trong nước sông Cầu Chày 49

Biểu đồ 2.9.Diễn biến hàm lượng tổng dầu, mỡ trong nước sông Cầu Chày 49

Biểu đồ 2.10 Diễn biến - Hàm lượng NH4+ trong nước sông Bưởi 50

Biểu đồ 2.11 Diễn biến hàm lượng dầu mỡ trong nước sông Bưởi 50

Biểu đồ 2.12 Diễn biến hàm lượng BOD trong nước sông Lốn 51

Biểu đồ 2.13 Diễn biến hàm lượng sắt trong nước sông Lốn 51

Biểu đồ 2.14 Diễn biến hàm lượng dầu mỡ trong nước sông Lốn 52

Biểu đồ 2.15 Diễn biến hàm lượng Amoni trong nước sông Lạch Trường 52

Biểu đồ 2.16 Diễn biến hàm lượng dầu,mỡ trong nước sông Lạch Trường 53

Biểu đồ 2.17 Diễn biến hàm lượng BOD5 trong nước sông Yên 54

Biểu đồ 2.18 Diễn biến hàm lượng Fe trong nước sông Yên 54

Biểu đồ 2.19 Diễn biến hàm lượng Amoni trong nước sông Yên 55

Biểu đồ 2.20 Diễn biến hàm lượng NO2- trong nước sông Yên 55

Biểu đồ 2.21 Diễn biến hàm lượng dầu, mỡ trong nước sông Yên 56

Biểu đồ 2.22 Diễn biến hàm lượng BOD5 trong nước các sông thuộc hệ thống sông Yên 56

Biểu đồ 2.23 Diễn biến hàm lượng Fe trong nước các sông thuộc hệ thống sông Yên 57 Biểu đồ 2.24 Diễn biến hàm lượng NO2- trong nước các sông thuộc hệ thống

sông Yên 57

Biểu đồ 2.25 Diễn biến nồng độ dầu, mỡ trong nước Trên các sông thuộc hệ thống sông Yên 58

Biểu đồ 2.26 Diễn biến hàm lượng NH4+ trong nước hệ thống sông Hoạt 59

Biểu đồ 2.27 Diễn biến hàm lượng Fe trong nước hệ thống sông Hoạt 59

Biểu đồ 2.28 Diễn biến hàm lượng dầu, mỡ trong nước hệ thống sông Hoạt 60

Biểu đồ 2.29 Diễn biến lần lượt hàm lượng Amoni; NO2- ; dầu, mỡ trong nước sông Bạng 61

Biểu đồ 2.30 Diễn biến hàm lượng Fe trong nước hệ thống sông Nhà Lê 61

Biểu đồ 2.31 Diễn biến hàm lượng NO2- trong nước hệ thống sông Nhà Lê 62

Biểu đồ2.32 Diễn biến hàm lượng SS trong nước hệ thống sông Nhà Lê 62

Biểu đồ 2.33 Diễn biến hàm lượng dầu, mỡ trong nước hệ thống sông Nhà Lê 63 Biểu đồ 2.34 Diễn biến hàm lượng Amoni trong nước hồ 64

Biểu đồ 2.35 Diễn biến hàm lượng tổng dầu, mỡ trong nước hồ 64

Biểu đồ 2.36 Diễn biến hàm lượng NO2- trong nước hồ 65

Biểu đồ 2.37 Diễn biến hàm lượng Fe trong nước dưới đất tại khu vực công nghiệp, làng nghề 70

Biểu đồ 2.38 Diễn biến hàm lượng độ cứng trong nước dưới đất tại 71

Biểu đồ2.39 Diễn biến hàm lượng chất rắn tổng số trong nước dưới đất tại khu vực công nghiệp, làng nghề 71

Biểu đồ 2.40 Diễn biến hàm lượng amoni số trong nước dưới đất tại khu vực công nghiệp, làng nghề 72

Biểu đồ 2.41 Diễn biến hàm lượng Mn trong nước dưới đất tại khu vực công nghiệp, làng nghề 72

Biểu đồ 2.42 Diễn biến hàm lượng NH4+ trong nước dưới đất tại khu vực khai thác khóang sản 73

Biểu đồ 2.43 Diễn biến hàm lượng Mn trong nước dưới đất tại khu vực khai thác khoáng sản 74 Biểu đồ 2.44 Diễn biến hàm lượng Fe trong nước dưới đất tại khu vực khai

thác khoáng sản 74 Biểu đồ2.45 Diễn biến hàm lượng chất rắn tổng số trong nước dưới đất khu

vực ven biển 75 Biểu đồ 2.46 Diễn biến hàm lượng Amoni trong nước dưới đất khu vực

ven biển 76 Biểu đồ 2.47 Diễn biến hàm lượng Mn trong nước dưới đất khu vực ven biển 76 Biểu đồ 2.48 Diễn biến hàm lượng Mn trong nước biển ven bờ 79 Biểu đồ 2.49 Diễn biến hàm lượng Fe trong nước biển ven bờ 79 Biểu đồ 2.50 Diễn biến hàm lượng dầu mỡ trong nước biển ven bờ 80

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, những áp lực từ các hoạt động kinh tế - xã hội tỉnh Thanh Hoá đến môi trường, trong đó có tài nguyên rừng, tài nguyên đất, tài nguyên nước ngày càng lớn Đặc biệt là làm suy thoái nguồn tài nguyên nước, gây ảnh hưởng không nhỏ đến cuộc sống người dân và các hệ sinh thái tự nhiên, cũng như tác động đến năng suất, chất lượng của các sản phẩm ngành Nông nghiệp - Lâm nghiệp - Thủy sản

Chiếm phần lớn diện tích hệ thống sông ngòi trên lãnh thổ tỉnh Thanh Hóa, Sông Mã đóng vai trò quan trọng trong quy trình cung cấp, cân bằng nước và điều tiết hệ thống thủy văn toàn vùng Hiện nay, trên khu vực hạ lưu sông Mã hiện hữu tất cả các hiện tượng về ô nhiễm, suy thoái và tai biến môi trường Việc nghiên cứu quản lý, khai thác theo lưu vực là phương thức quản lý hiệu quả nhất nhằm giải quyết những vấn đề về môi trường nước và các mối liên quan giữa các phần: thượng lưu, trung lưu và hạ lưu của một dòng sông theo hướng phát triển bền vững chung cho cả lưu vực Tại nghị định số 120/2008/ NĐ - CP ngày 01 tháng 12 năm 2008 của Chính Phủ về quản lý lưu vực sông nhấn mạnh rằng, tài nguyên nước trong lưu vực sông phải được quản lý thống nhất, không chia cắt giữa các lớp hành chính, giữa thượng nguồn và hạ nguồn Việc khai thác, sử dụng tài nguyên nước, xả nước thải trên lưu vực sông phải thực hiện nghĩa vụ tài chính theo quy định của pháp luật Kết hợp chặt chẽ giữa khai thác, sử dụng, phát triển tài nguyên nước với việc bảo vệ môi trường, khai thác các nguồn tài nguyên thiên nhiên khác trong lưu vực Vì vậy, việc thiết lập một hệ thống thông tin dữ liệu là cần thiết hỗ trợ công tác quản lý môi trường của lưu vực sông Mã trong giai đoạn hiện nay Cơ sở dữ liệu GIS là hệ cơ sở

dữ liệu hiện đại, cho phép cập nhật, lưu trữ, quản lý, phân tích và chia sẻ thông tin, chắc chắn sẽ là công cụ kỹ thuật tin cậy phục vụ hiệu quả công tác quản lý môi

trường nói chung và của lưu vực sông Mã nói riêng Do đó, đề tài : “Nghiên cứu

xây dựng cơ sở dữ liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên nước khu vực hạ lưu

sông Mã trên địa bàn tỉnh Thanh Hoá” được thực hiện với mục tiêu xây dựng cơ

sở dữ liệu tài nguyên nước trên khu vực Hạ lưu sông Mã phục vụ cho công tác quản

lý, khai thác tài nguyên và môi trường nước theo lưu vực, trên cơ sở đó đề xuất các giải pháp quản lý, khai thác tài nguyên môi trường theo lưu vực dựa trên công nghệ thích hợp, đảm bảo sự phát triển bền vững cả hiện tại và trong tương lai

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

* Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu chuẩn cơ sở dữ liệu GIS, nghiên cứu tính năng, tác dụng của các

hệ thống GIS trong xây dựng và quản lý cơ sở dữ liệu, nghiên cứu hiện trạng tài nguyên nước khu vực hạ lưu lưu vực sông Mã, xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ quản

lý tài nguyên nước khu vực hạ lưu sông Mã trên địa bàn tỉnh Thanh Hoá

*Nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu chuẩn cở sở dữ liệu GIS

- Thu thập cơ sở dữ liệu về tài nguyên, môi trường nước khu vực hạ lưu sông

mã tỉnh Thanh Hóa

- Xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa hình phục vụ xây dựng cơ sở dữ liệu;

- Nghiên cứu quy trình công nghệ thành lập CSDL GIS

Thành lập CSDL GIS tài nguyên nước trên khu vực hạ lưu sông mã thuộc tỉnh Thanh Hóa phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường

3 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vị nghiên cứu của đề tài trên khu vực hạ lưu sông Mã thuộc tỉnh

Thanh Hóa

4 Nội dung nghiên cứu

- Thu thập và tổng hợp tài liệu có liên quan đến đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Tổng quan về tình hình tài nguyên nước tỉnh Thanh Hoá

- Xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý tỉnh Thanh Hoá

- Xác định các chuyên đề về tài nguyên nước

- Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên nước tỉnh Thanh Hoá

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tổng hợp kế thừa

- Thu thập tài liệu đã có liên quan tới các phương pháp và nội dung của luận văn

- Phân tích, lựa chọn các phương pháp nghiên cứu phù hợp

- Phân tích, tổng hợp các kết quả nghiên cứu, các tư liệu liên quan đến nội dung của luận văn

Phương pháp sử dụng công nghệ viễn thám

Công nghệ giải đoán ảnh, xử lý ảnh số, chiết tách các lớp thông tin, cung cấp

dữ liệu đầu vào cho luận văn như: mạng lưới thủy văn, hiện trạng lớp phủ bề mặt, thành lập bản đồ địa hình

Phương pháp hiện chỉnh dữ liệu địa hình

Từ các tư liệu bản đồ đã có trong quá trình thu thập, hiện chỉnh lại nội dung thông tin nền địa lý theo dấu hiệu ảnh mới nhất để đưa ra được bản đồ nền địa lý phục vụ cho luận văn

Phương pháp tích hợp thông tin xây dựng cơ sở dữ liệu GIS

Sử dụng GIS như một công cụ để: Xây dựng cơ sở dữ liệu, quản lý thông tin hiện trạng, phân tích thông tin và đề xuất giải pháp, đánh giá tình hình quản lý tài nguyên nước

Phương pháp kết hợp ứng dụng tư liệu viễn thám và GIS

- Các phương pháp giải đoán và chiết tách thông tin từ ảnh vệ tinh bao gồm phương pháp phân loại tự động, bán tự động (có giám định), giải đoán bằng mắt và

điều vẽ trực tiếp trên máy tính, điều vẽ bằng mắt trên ảnh in ra kết hợp với các tư liệu bổ sung

- Các lớp thông tin được chiết tách từ ảnh vệ tinh được số hóa và chuẩn hóa, đưa vào CSDL chuyên đề

- Sử dụng các công cụ GIS để chồng ghép các lớp thông tin lên bản đồ nền, thành lập bản đồ địa lý tài nguyên nước

Phương pháp phân tích thống kê

- Các số liệu thống kê thu thập được từ các cơ quan lưu trữ đầu ngành qua quá trình xử lý, phân tích sẽ bổ sung thêm nội dung cho bản đồ hiện trạng và là cơ

sở để đánh giá các thông tin thu được từ bản đồ mới thành lập

- Các số liệu thống kê thu được từ phân tích các thông tin là cơ sở để đánh

giá và quy hoạch

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Về mặt khoa học, đề tài giúp học viên nắm chắc kiến thức cơ bản về quản lý tài nguyên nước, về GIS, các ứng dụng của công nghệ GIS phục vụ xây dựng cơ sở

dữ liệu nền địa lý, cũng như cơ sở dữ liệu chuyên đề tài nguyên nước nhằm phục vụ hiệu quả công tác quản lý của ngành Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu của đề tài phục vụ tốt cho đánh giá hiện trạng tài nguyên nước, phục vụ công tác quản lý, xử dụng hiệu quả tài nguyên nước khu vực hạ lưu sông Mã tỉnh Thanh Hóa đảm bảo phát triển kinh tế xã hội bền vững

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn bao gồm phần Mở đầu, 3 chương, phần kết luận được trình bày trong 119 trang với 22 hình vẽ, 50 biểu đồ và 13 bảng

Luận văn đã được hoàn thành dưới sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Bá Dũng (Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội) Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn, người đã tận tình chỉ bảo

và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy trong bộ môn Trắc địa Mỏ - Công trình, các đồng nghiệp nơi tôi công tác, gia đình và bạn bè, những người đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi hết mình trong quá trình nghiên cứu và viết luận văn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Bá Dũng, thầy là người đã đưa ra định hướng và tận tình hướng dẫn về mặt khoa học cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Xin chân thành cảm ơn các thầy GS.TS Võ Chí Mỹ, PGS.TS Nguyễn Xuân Thụy, TS Vương Trọng Kha, TS Phạm Công Khải cùng các thầy, cô giáo Bộ môn Trắc địa Mỏ, khoa Trắc địa đã chỉ dẫn, đóng góp nhiều ý kiến bổ ích trong quá trình hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Tổ chức Cán

bộ, phòng Đại học và Sau Đại học trường Đại học Mỏ - Địa Chất đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành khóa học Cao học tại trường

Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đến các cán bộ Chi cục bảo vệ Môi trường thuộc Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Thanh Hoá đã hỗ trợ và cung cấp dữ liệu cho luận văn

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè đã thường xuyên động viên, giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS

1.1 Giới thiệu chung về hệ thông tin địa lý (GIS)

Khái niệm

Hệ thống thông tin địa lý là tập hợp một bộ các công cụ mạnh trợ giúp cho việc thu thập, lưu trữ, truy cập, biến đổi và hiển thị các thông tin không gian từ thế giới thực cho tập hợp mục đích nào đó

- GIS thực sự là công cụ rất mạnh có thể lưu trữ tất cả các thông tin về mọi đối tượng nghiên cứu để tạo nên các lớp thông tin khác nhau Thông tin GIS được chia ra theo hai kiểu thông tin chính là không gian và phi không gian Chúng được lưu trữ trong một tổ chức cơ sở dữ liệu hợp lý và hoàn hảo, cho phép chúng ta truy nhập và cập nhật thông tin thường xuyên dễ dàng, nhanh chóng GIS sẽ cho phép chúng ta triết lọc ra các thông tin thích hợp, đồng thời cho phép chúng ta phân tích thông tin không gian và thuộc tính với một tổ hợp thông tin đa nguồn

- Việc định nghĩa GIS không dễ dàng bởi lẽ có thể có nhiều quan điểm phân loại đôí tượng và chủ đề Sự khó khăn khi định nghĩa GIS còn do tính đa ngành và

đa phương pháp được dùng trong GIS Nội dung đánh giá về chức năng quan trọng trong hợp phần của GIS cũng khác nhau Có quan điểm cho rằng phần mềm và phần cứng là trọng tâm của GIS Người khác lại cho rằng chìa khóa của vấn đề là xử lý thông tin và ứng dụng

Một số định nghĩa GIS của các tác giả khác nhau:

Theo Burrough (1986) thì GIS là “tập hợp các công cụ để thu nhập, lưu trữ, tra cứu chuyển đổi và biểu thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực Do quan niệm GIS là một hệ thu nhận lưu trữ kiểm tra, vận hành phân tích và biểu thị dữ liệu được tham chiếu với hiện thực của Trái Đất”

Parker (1988) định nghĩa GIS như một “kỹ nghệ thông tin nhằm lưu trữ, phân tích và biểu thị dữ liệu không gian và phi không gian’’

Aronoff (1989) xem GIS theo quan điểm “bất kỳ một phương thức trên sách tra khảo hoặc máy tính dùng để lưu trữ thao tác các dữ liệu tham chiếu địa lý’’

Như vậy là dù định nghĩa GIS bằng cách này hay cách khác, các tác giả đều

có một điểm chung là GIS liên quan đến một hệ thông tin các dữ liệu địa lý có sự

tham gia của máy tính GIS hiện thực không gian được thể hiện như một loạt các nét địa lý định nghĩa tương ứng với hai hợp phần dữ liệu

Cấu trúc của GIS

Hệ thống thông tin địa lý bao gồm các thành phần cơ bản sau:

- Các thiết bị phần cứng: Bao gồm máy tính hoặc mạng máy tính và các thiết

bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chức năng nhập, xuất, lưu và xử lý số liệu

- Các phần mềm: Bao gồm phần mềm hệ thống, phần mềm quản trị, phần mềm ứng dụng

- Cơ sở dữ liệu: Bao gồm các loại dữ liệu chứa các thông tin không gian (thông tin địa lý) và các thông tin phi không gian (thông tin thuộc tính) được tổ chức theo một ý đồ chuyên ngành nhất định

- Phương pháp: là các quy trình, cơ sở khoa học của việc thực hiện các thao tác xử lý cũng như các quy định về trao đổi, kết nối của các thành phần trong hệ thống

- Đội ngũ các cán bộ: là các chuyên gia sử dụng và khai thác hệ thống

Hình 1-1: Mối liên hệ các thành phần của hệ thống thông tin địa lý

Phần cứng

Phần cứng tổng quát của hệ thống thông tin địa lý gồm những thiết bị được thể hiện theo sơ đồ sau:

Hình 1-2: Các thành phần phần cứng của hệ thống thông tin địa lý

Máy tính hoặc bộ xử lý trung tâm (CPU) được kết nối với đơn vị lưu trữ gồm

ổ đĩa, băng từ để lưu trữ dữ liệu và chương trình Bàn số hoá (digitizer) hoặc các thiết bị tương tự khác có nhiệm vụ chuyển đổi dữ liệu trong bản đồ thành dạng số

và gửi vào máy tính Máy vẽ hoặc các thiết bị hiển thị khác dùng để hiển thị các kết quả xử lý dữ liệu Băng từ còn sử dụng để truyền thông với các hệ thống khác Việc kết nối truyền thông các máy tính được thực hiện thông qua hệ thống mạng với các đường dữ liệu đặc biệt hoặc đường điện thoại qua modem Thiết bị hình là thiết bị giao tiếp hiển thị như màn hình, thông qua đó người sử dụng điều khiển máy tính

Phần mềm

Một khối phần mềm của hệ thống thông tin địa lý gồm có nhiều modul nhưng phải đảm bảo thực hiện được các chức năng sau:

- Nhập và kiểm tra dữ liệu

- Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu

- Xuất dữ liệu

- Chuyển đổi dữ liệu

- Tương tác với người sử dụng

Các thành phần phần mềm cơ bản của hệ thống thông tin địa lý được thể hiện qua sơ đồ sau:

Bộ phận số hoá

Bộ xử lý trung tâm

Ổ băng từ Máy vẽ

Ổ đĩa

Bộ phận hiện hình

Hình 1-3: Thành phần phần mềm cơ bản của hệ thống thông tin địa lý

1.2 Các chức năng cơ bản của GIS

Nhập dữ liệu

Trước khi dữ liệu địa lý có thể dùng cho GIS, dữ liệu này phải được chuyển sang dạng số thích hợp, biên tập và chỉnh sửa cho phù hợp với mục đích sử dụng Quá trình chuyển dữ liệu từ bản đồ giấy sang các file dữ liệu dạng số gọi là quá trình số hóa Công nghệ GIS hiện đại có thể tự động một phần quá trình này với công nghệ quét ảnh cho các đối tượng lớn, những đối tượng nhỏ hơn đòi hỏi một số quá trình số hóa thủ công (dùng bàn số hóa)

Chuyển đổi dữ liệu

Có những trường hợp dữ liệu đòi hỏi được chuyển dạng (format) và thao tác theo một số cách để có thể tương thích với hệ thống nhất định Trước khi các thông tin này được liên kết với nhau, chúng phải được chuyển về cùng một tỷ lệ (mức chính xác hoặc mức chi tiết) Đây có thể chỉ là sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho yêu cầu phân tích Và GIS cung cấp các công cụ cho việc thực hiện mục đích này

Thao tác dữ liệu

Công nghệ GIS cung cấp nhiều công cụ cho các thao tác trên dữ liệu không gian và cho loại bỏ dữ liệu không cần thiết Các chức năng phục vụ cho mục đích sửa chữa, biên tập là các công cụ tùy chọn như: bổ sung, sao chép, xóa, dịch chuyển

dữ liệu Bên cạnh đó còn có các công cụ xây dựng các cấu trúc topology và biên tập dữ liệu thuộc tính

Quản lý dữ liệu

Đối với những mô hình GIS nhỏ có thể lưu các dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính dưới dạng các file đơn giản Tuy nhiên, khi kích thước dữ liệu trở nên lớn hơn và cấu trúc phức tạp hơn thì cách tốt nhất là sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian (GeoDBMS) để giúp cho việc lưu trữ, tổ chức và quản lý thông tin Một GeoDBMS chỉ đơn giản là một phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu

Trong nhiều cấu trúc GeoDBMS khác nhau, cấu trúc quan hệ trong GIS tỏ ra hữu hiệu nhất Trong cấu trúc quan hệ, dữ liệu được lưu trữ ở dạng bảng Các trường thuộc tính chung trong các bảng khác nhau được dùng để liên kết các bảng này với nhau Do linh hoạt nên cấu trúc đơn giản này được sử dụng và triển khai khá rộng rãi trong các ứng dụng cả trong và ngoài GIS

Hỏi đáp và phân tích không gian

Một khi đã có hệ GIS lưu giữ các thông tin địa lý, có thể bắt đầu hỏi các câu hỏi thuộc tính và không gian đơn giản như:

- Đất trên đồi núi là đất gì?

- Tổng diện tích đất nông nghiệp là bao nhiêu?

Và các câu hỏi phân tích như:

- Tất cả các vị trí thích hợp cho xây dựng các tòa nhà mới nằm ở đâu?

- Kiểu đất ưu thế cho trồng rừng gì?

GIS cung cấp cả khả năng hỏi đáp từ đơn giản như “chỉ và nhấn” đến các công cụ phân tích tinh vi để cung cấp kịp thời thông tin cho những người quản lý và phân tích Các hệ GIS hiện đại có nhiều công cụ phân tích hiệu quả, trong đó có công cụ đặc biệt để chồng xếp dữ liệu địa lý

Chồng xếp là quá trình tích hợp các thông tin khác nhau Thao tác phân tích thông tin đòi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải được liên kết vật lý Sự chồng xếp này hay liên kết không gian có thể là sự kết hợp dữ liệu về thổ nhưỡng, độ cao, độ dốc, hiện trạng lớp phủ mặt đất Để rút ra thông tin này, thao tác tính toán số học và các phép logic được vận dụng trên các lớp thông tin khác nhau được nhập vào

Chồng xếp các dữ liệu khác nhau này được thực hiện theo một quá trình bậc thang Lớp dữ liệu cần biết thông tin của lớp dữ liệu khác sẽ được thực hiện thông qua phép phân tích bảng chéo (Crossing) Phép toán được thiết lập trên mỗi giá trị của lớp dữ liệu thứ nhất và giá trị tương ứng của lớp dữ liệu thứ hai Việc tiến hành phép Crossing lớp dữ liệu cần biết thông tin khác với từng lớp dữ liệu cần lấy thông tin Cuối cùng ta được thông tin tổng hợp liên quan đến dữ liệu ban đầu Do vậy,

phép phân tích quan hệ không gian này giúp làm rõ mối quan hệ giữa các đối tượng cần nghiên cứu với các đối tượng khác

Chồng xếp được tiến hành trên cả lớp dữ liệu vector và raster Chồng xếp trên dữ liệu raster tiến hành đơn giản hơn song dung lượng lưu trữ của nó lại lớn hơn dữ liệu vector rất nhiều Do vậy, việc xử lý mất nhiều thời gian hơn Còn dữ liệu vector, quá trình chồng xếp mất ít thời gian hơn và chiếm dung lượng nhỏ hơn, song độ chính xác của nó lại kém hơn so với chồng xếp dữ liệu raster Do đó, tùy theo mục đích sử dụng và yêu cầu độ chính xác của sản phẩm đầu ra mà ta lựa chọn loại chồng xếp trên dạng dữ liệu nào

Hiển thị

Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng là hiển thị tốt nhất dưới dạng bản đồ số hoặc biểu đồ Bản đồ khá hiệu quả trong lưu trữ và trao đổi thông tin địa lý GIS cung cấp nhiều công cụ mới và thú vị để mở rộng tính năng nghệ thuật và tính khoa học của ngành bản đồ Bản đồ, sơ đồ hiển thị có thể được kết hợp với các bản báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và các dữ liệu khác (đa phương tiện)

Mối liên hệ của GIS với các hệ thông tin khác

GIS có mối liên hệ chặt chẽ với các hệ xử lý thông tin và đồ họa sau:

- Hệ thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD (Computer-Aided Design),

- Hệ vẽ bản đồ bằng máy tính,

- Hệ quản lý cơ sở dữ liệu DBMS

- Ngành khoa học viễn thám

Hình 1-4: Sự tương quan giữa GIS và các hệ thông tin khác

1.3 Khái niệm về CSDL trong HTTĐL

1.3.1 Khái niệm cơ sở dữ liệu GIS

Các tập dữ liệu chứa thông tin có liên quan đến một cơ quan, một tổ chức, một chuyên ngành khoa học tự nhiên hoặc xã hội được lưu trữ trong máy tính theo một qui định nào đó theo mục đích sử dụng được gọi là cơ sở dữ liệu (viết tắt CSDL, tiếng Anh là Database)

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

dữ liệu (HQTCSDL - Database management system) Theo nghĩa này HQTCSDL

có nhiệm vụ rất quan trọng như là một bộ diễn dịch (interpreter) với ngôn ngữ bậc cao nhằm giúp người sử dụng có thể dùng được hệ thống mà ít nhiều không cần quan tâm đến thuật toán chi tiết hoặc biểu diễn dữ liệu trong máy Mục đích chính của một hệ quản trị cơ sở dữ liệu là cung cấp một cách lưu trữ và truy lục thông tin trong cơ sở dữ liệu sao cho vừa thuận tiện vừa hiệu quả

Bảng 1.1 Ví dụ về các định nghĩa kiểu đối tượng trong cơ sở dữ liệu GIS [12]

Tên Đường biên giới quốc gia trên đất liền

Mô tả

Đường ranh giới phía ngoài lãnh hải của đất liền, lãnh hải của đảo, lãnh hải của các quần đảo Việt Nam, được xác định và đánh dấu bằng các toạ độ trên hải đồ theo quy định của pháp luật Việt Nam và Điều ước quốc tế mà Việt Nam ký kết hoặc gia nhập Tên các thuộc tính Hiện trạng pháp lý, quốc gia liền kề, chiều dài

Tên Loại ranh giới sử dụng đất

Mô tả Loại ranh giới sử dụng đất theo mục đích sử dụng

Kiểu dữ liệu Integer

Danh sách giá trị

1 Quốc phòng Đường ranh giới khu vực dành cho quốc phòng, an ninh

2 Lâm trường Đường ranh giới khu vực lâm

trường

3 Nông trường Đường ranh giới khu vực nông trường

4 Ranh giới khác Đường ranh giới khu vực sử dụng đất vào các mục đích khác

Dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý là những dữ liệu luôn thay đổi và phức hệ Chúng bao gồm những mô tả số của hình ảnh bản đồ, mối quan hệ logic giữa các hình ảnh đó, những dữ liệu thể hiện các đặc tính của hình ảnh và các hiện tượng xảy ra tại các vị trí địa lý xác định Nội dung của cơ sở dữ liệu được xác định bởi các ứng dụng khác nhau của hệ thống thông tin địa lý trong một hoàn cảnh cụ thể

1.3.2 Ngôn ngữ xây dựng cơ sở dữ liệu GIS

Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất UML (Unified Modeling Language - UML) là một ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất có phần chính bao gồm những ký hiệu hình học, được các phương pháp hướng đối tượng sử dụng để thể hiện và miêu

tả các thiết kế của một hệ thống UML là ngôn ngữ để đặc tả, trực quan hóa, xây dựng và làm sưu liệu cho nhiều khía cạnh khác nhau của một hệ thống

Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng XML (eXtensible Markup Language) là ngôn ngữ xây dựng cấu trúc tài liệu văn bản Siêu dữ liệu được trao đổi thông qua định dạng XML

Ngôn ngữ đánh dấu địa lý mở rộng GML (Geopraphy Markup Language) là một tập hợp các lược đồ XML để mô hình hóa, lưu trữ và trao đổi thông tin địa lý

Lược đồ ứng dụng UML được chuyển tương ứng thành khai báo kiểu đối tượng địa

lý trong lược đồ GML [14]

Lược đồ GML cơ sở là lược đồ XML bao gồm một tập hữu hạn các thành phần từ GML Lược đồ ứng dụng GML là lược đồ XML được lập theo các nguyên tắc của GML cho một lược đồ ứng dụng cụ thể

UML có thể được sử dụng làm công cụ giao tiếp giữa người dùng, nhà phân tích, nhà thiết kế và nhà phát triển phần mềm

UML được xây dựng với chủ đích chính là:

+ Mô hình hóa các hệ thống sử dụng các khái niệm hướng đối tượng

+ Thiết lập một kết nối từ nhận thức của con người đến các sự kiện cần mô hình hóa

+ Giải quyết vấn đề về mức độ kế thừa trong các hệ thống phức tạp, có nhiều ràng buộc khác nhau

+ Tạo một ngôn ngữ mô hình hóa có thể được sử dụng bởi người và máy

1.3.3 Cấu trúc cơ sở dữ liệu GIS

Cơ sở dữ liệu GIS gồm hai phần cơ bản là dữ liệu không gian (dữ liệu bản đồ) và dữ liệu thuộc tính (dữ liệu phi không gian) Mỗi một loại dữ liệu có đặc trưng riêng và chúng khác nhau về yêu cầu lưu trữ, xử lý và hiển thị [11]

Dữ liệu không gian

Khái niệm: Là dữ liệu có chứa trong nó những thông tin về định vị của đối

tượng Nó là những dữ liệu phản ánh, thể hiện những đối tượng có kích thước vật lí nhất định Thực chất 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 hình ảnh cụ thể của bản đồ trong một khuôn dạng hiểu được của máy tính Hệ thống thông tin địa lý dùng các dữ 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 vị Có 6 loại thông tin bản đồ dùng để thể hiện hình ảnh bản

đồ và ghi chú của nó trong hệ thống thông tin địa lý như sau:

- Ðiểm ảnh (Pixel)

Dữ liệu không gian có hai mô hình lưu trữ là Vector và Raster

Dữ liệu dạng Vector là các điểm tọa độ (X,Y) hoặc là các quy luật tính toán toạ độ và nối chúng thành các đối tượng trong một hệ thống tọa độ nhất định

Các kiểu đối tượng địa lý dạng vectơ:

Kiểu điểm: 1 toạ độ (x,y) trong 2D hoặc 1 toạ độ (x,y,z) trong 3D, 0 chiều Kiểu đường: danh sách các tọa độ x1y1,x2y2, …, xnyn hoặc là một hàm toán học, 1 chiều, tính được chiều dài

Kiểu vùng: tập các đường khép kín, 2 chiều, tính được chu vi và diện tích

Kiểu bề mặt: chuỗi tọa độ xyz, hàm toán học, 3 chiều, tính được diện tích bề mặt, thể tích

Hình 1- 5: Biểu diễn thông tin dạng điểm, đường, vùng theo cấu trúc vector

Dữ liệu Raster (ảnh đối tượng) là dữ liệu được tạo thành bởi các ô lưới có độ phân giải xác định Loại dữ liệu này chỉ dùng cho mục đích diễn tả và minh hoạ chi tiết bằng hình ảnh thêm cho các đối tượng quản lý của hệ thống Một diện tích địa

lý được chia thành các hàng-cột, tạo nên các điểm ảnh (pixel) Độ lớn nhỏ của các hàng/cột (hay điểm ảnh) tạo nên độ phân giải của dữ liệu Ví dụ: điểm ảnh có kích thước 10 x 10 m Vị trí điểm ảnh được xác định bởi số hàng/số cột Dữ liệu dạng raster có thể là dữ liệu thô (ảnh vệ tinh, file ảnh scan của bản đồ, file chụp của máy ảnh số, …) hoặc là dữ liệu không gian của một số phần mềm GIS

Cột

Hàng

Hình 1- 6: Minh họa thông tin raster

Lớp đối tượng (layer): Thành phần dữ liệu đồ thị của hệ thống thông tin địa

lý hay còn gọi là cơ sở dữ liệu bản đồ được quản lí ở dạng các lớp đối tượng Mỗi một lớp chứa các hình ảnh bản đồ liên quan đến một chức năng, một ứng dụng cụ thể Lớp đối tượng là tập hợp các hình ảnh thuần nhất dùng để phục vụ cho một ứng dụng cụ thể và vị trí của nó so với các lớp khác trong một hệ thống cơ sở dữ liệu được xác định thông qua một hệ toạ độ chung Việc phân tách các lớp thông tin được dựa trên cơ sở của mối liên quan logic và mô tả họa đồ của tập hợp các hình ảnh bản đồ phục vụ cho mục đích quản lí cụ thể

Bảng 1.2 Ví dụ về phân lớp đối tượng địa lý

quy định cho khâu

trung gian)

9

TextNode: Danh từ chung - tên riêng (mới) điểm dân cư - cùng mã định danh (nếu có tên nhắc lại)

Vnarial (181/32 /32)

13 Text: TênCT kiến trúc đặc

Mỗi lớp dữ liệu có thể có chỉ một hay nhiều kiểu đối tượng địa lý (điểm, đường, vùng) Trên một lớp dữ liệu, tại một vị trí không thể có cùng lúc hai giá trị riêng biệt

Ví dụ: trên lớp dữ liệu về loại đất, tại một vị trí nào đó không thể vừa là loại đất A vừa là loại đất B

Cách tổ chức dữ liệu thành các lớp chuyên đề cho phép thể hiện thế giới thực phức tạp một cách đơn giản nhằm giúp hiểu biết các quan hệ trong thiên nhiên

Cách thức lưu trữ - Quan hệ không gian topology

Topology là mối quan hệ logic giữa vị trí của các đối tượng; là một lãnh vực toán học Cấu trúc dữ liệu thuộc topology có lợi vì chúng cung cấp một cách tự động hóa để xử lý việc số hóa, xử lý lỗi; giảm dung lượng lưu trữ dữ liệu cho các vùng vì các ranh giới giữa những vùng nằm kề nhau được lưu trữ chỉ một lần; và cho phép chúng ta cấu trúc dữ liệu dựa trên các nguyên lý về tính kề cận (adjacency) và kết nối (connectivity) để xác định các quan hệ không gian Phần lớn cấu trúc dữ liệu mang tính topology là mô hình dữ liệu vectơ kiểu cung/nút (arc/node)

Bảng 1.3 Các nguyên tắc topology

Must Not Overlap

Một vùng không được chồng đè lên một vùng khác trong cùng một Layer

Một đường không được chồng đè lên một đường khác trong cùng một Layer

Must Not Self-Overlap

Một đường không được cắt hoặc chồng đè lên chính nó

Must Not Overlap With

Một vùng của layer này không được chồng đè nên một vùng của layer khác

Point must be covered by line

Một điểm của một layer phải nằm trên một đường của layer khác

Must be covered by boundary of

Một đường của layer này phải trùng khớp với biên giới của một vùng của một layer khác

Must be covered by feature class of

Một đường của layer này phải trùng với một đường của layer khác

Must be covered by feature class of

Một vùng của layer này phải được phủ bởi một vùng của layer khác

Cung: là 1 chuỗi các đoạn thẳng nối giữa các nút, có nút đầu và nút cuối Nút: là nơi hai cung gặp nhau

Điểm: là các nút độc lập

Vùng: là chuỗi khép kín các cung

Quan hệ không gian của các đối tượng trong các phần mềm GIS được xây dựng theo khuôn dạng thích hợp Thường được lập thành 3 bảng (table) có quan hệ, tương ứng với 3 kiểu đối tượng: điểm, đường và vùng do phần mềm tạo ra sau khi kiểm tra lỗi số hóa (ví dụ: ArcInfo, AutoCAD Maps 3D,…)

Dữ liệu thuộc tính

Khái niệm: Là những mô tả về đặc tính, đặc điểm và các hiện tượng xảy ra

tại vị trí địa lý xác định mà chúng khó hoặc không thể biểu thị trên bản đồ được Cũng như các hệ thống thông tin địa lý khác, hệ thống này có 4 loại dữ liệu thuộc tính:

- Ðặc tính của đối tượng: liên kết chặt chẽ với các thông tin đồ thị, các dữ liệu này được xử lí theo ngôn ngữ hỏi đáp cấu trúc (SQL) và phân tích Chúng được liên kết với các hình ảnh đồ thị thông qua các chỉ số xác định chung, thông thường gọi là mã địa lý và được lưu trữ trong cả hai mảng đồ thị và phi đồ thị Hệ thống thông tin địa lý còn có thể xử lí các thông tin thuộc tính riêng rẽ và tạo ra các bản đồ chuyên đề trên cơ sở các giá trị thuộc tính Các thông tin thuộc tính này cũng có thể

được hiển thị như là các ghi chú trên bản đồ hoặc là các tham số điều khiển cho việc lựa chọn hiển thị các thuộc tính đó như là các ký hiệu bản đồ

- Dữ liệu tham khảo địa lý: Mô tả các sự kiện hoặc hiện tượng xảy ra tại một

vị trí xác định Không giống các thông tin đặc tính, chúng không mô tả về bản thân các hình ảnh bản đồ, thay vào đó chúng mô tả các danh mục hoặc các hoạt động như cho phép xây dựng các khu công nghiệp mới, nghiên cứu y tế, báo cáo hiểm họa môi trường, liên quan đến các vị trí địa lý xác định Các thông tin tham khảo địa lý đặc trưng được lưu trữ và quản lí trong các file độc lập và hệ thống không thể trực tiếp tổng hợp với các hình ảnh bản đồ trong cơ sở dữ liệu của hệ thống Tuy nhiên các bản ghi này chứa các yếu tố xác định vị trí của sự kiện hay hiện tượng

- Chỉ số địa lý: là các chỉ số về tên, địa chỉ, khối, phương hướng định vị, liên quan đến các đối tượng địa lý, được lưu trữ trong Hệ thông tin địa lý để chọn, liên kết và tra cứu dữ liệu trên cơ sở vị trí địa lý mà chúng đã được mô tả bằng các chỉ số địa lý xác định Một chỉ số địa lý có thể bao gồm nhiều bộ xác định cho các thực thể sử dụng từ các cơ quan khác nhau như là lập danh sách các mã địa lý mà chúng xác định mối quan hệ không gian giữa các vị trí hoặc giữa các hình ảnh hay thực thể địa lý

- Quan hệ không gian giữa các đối tượng: rất quan trọng cho các chức năng

xử lý của hệ thống thông tin địa lý Các mối quan hệ này có thể đơn giản hay phức tạp như sự liên kết, khoảng cách tương thích, mối quan hệ topo giữa các đối tượng

Cách thức tổ chức:

Có nhiều mô hình dữ liệu liên quan đến các Hệ quản trị dữ liệu (DBMS): kiểu bảng, phân cấp, mạng, quan hệ và đối tượng

- Mô hình kiểu bảng (tabular model)

Mô hình này lưu trữ dữ liệu theo dạng các file tuần tự với độ rộng dữ liệu thuộc tính cố định hay bảng tính Đây là mô hình của các GIS đầu tiên và nay đã lỗi thời (không kiểm tra được tính toàn vẹn dữ liệu, …)

Mô hình phân cấp (hierarchial model)

Dữ liệu được tổ chức theo cấu trúc cây (tree) Mỗi vị trí có nhiều thành phần con nhưng chỉ có một thành phần cấp cao hơn Không được áp dụng trong GIS

Mô hình mạng (network model)

Dữ liệu được tổ chức theo cấu trúc mạng Mỗi vị trí có thể có nhiều thành phần con và nhiều thành phần cấp cao hơn Tuy cấu trúc này có khả năng thể hiện

quan hệ của dữ liệu nhưng còn hạn chế, nên cũng không được khuyến khích sử dụng trong GIS

- Mô hình quan hệ (relational model)

Dữ liệu được tổ chức thành các bảng (table) Mỗi bảng gồm:

Các cột (column): các chỉ tiêu, tính chất

- Ví dụ: diện tích, loại đất, … (còn gọi là các trường - field)

Các hàng (row): các thực thể, đối tượng địa lý

- Ví dụ: Hồ Trị An, Điểm lấy mẫu 10, …

Các bảng liên hệ với nhau qua cột tham chiếu (key column)

Khóa chính (primary key): gồm 1 (hay nhiều) cột, giá trị của khóa chính trong 1 bảng là duy nhất

Khóa ngoại (foreign key): là 1 (hay nhiều) cột trong 1 bảng tham chiếu đến cột (hay các cột) khóa chính trong 1 bảng khác

Mô hình dữ liệu quan hệ tỏ ra thích hợp đối với dữ liệu địa lý và đang được ứng dụng rộng rãi trong việc quản trị dữ liệu GIS

Mối quan hệ giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính:

Hệ thống thông tin địa lý sử dụng phương pháp chung để liên kết hai loại dữ liệu đó thông qua bộ xác định, lưu trữ đồng thời trong các thành phần đồ thị và phi

đồ thị Các bộ xác định có thể đơn giản là một số duy nhất liên tục, ngẫu nhiên hoặc

là các chỉ báo địa lý hay dữ liệu vị trí lưu trữ Bộ xác định cho một thực thể có thể chứa tọa độ phân bố của nó, số hiệu mảnh bản đồ, mô tả khu vực đến vị trí lưu trữ của dữ liệu liên quan

Hình 1- 7: Liên kết dữ liệu không gian và thuộc tính

1.3.4 Tổ chức cơ sở dữ liệu GIS

Cơ sở dữ liệu là một gói dữ liệu được tổ chức dưới dạng các Layer Các Layer có thể được tạo ra từ nhiều khuôn dạng dữ liệu khác nhau như: Shape files, personal geodatabase, ArcInfo cover datasets, CAD drawings, SDE databases, photo, image Hiện nay, theo các chuẩn dữ liệu ISO-TC 211 và chuẩn dữ liệu của

Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, dữ liệu được tổ chức theo khuôn dạng chuẩn là GeoDatabase

GeoDatabase: là một cơ sở dữ liệu được chứa trong một file Khác với shape file, GeoDatabase cho phép lưu giữ topology của các đối tượng Cấu trúc của GeoDatabase như sau:

Hình 1-8: Tổ chức cơ sở dữ liệu - GeoDatabase

Feature dataset là tập dữ liệu đối tượng nằm ở bên trong của geodatabase cá nhân và chứa các feature class có cùng phần mở rộng và cùng hệ tọa độ

Feature class (nhóm đối tượng) là một trong các dữ liệu thường hay sử dụng nhất Mỗi feature class bao gồm tập hợp nhiều đối tượng địa lý (geographic feature)

có cùng kiểu hình học (point, line, polygon) và có cùng thuộc tính Các feature class chứa đặc trưng topology được xếp trong các feature dataset nhằm đảm bảo duy trì

hệ tọa độ chung cho dữ liệu bên trong Dưới feature class sẽ là các feature data

Feature (đối tượng địa lý) là các spatial object (đối tượng không gian), có vị trí địa lý (tọa độ xác định) và có quan hệ không gian

Attribute Table là thuộc tính của từng lớp đối tượng, được lưu giữ dưới dạng các bảng Trong đó, các thuộc tính được thể hiện trong từng cột, mỗi đối tượng địa

lý ở trong mỗi hàng

Bên cạnh đó còn có một số định dạng của dữ liệu đầu vào khá phổ biến như shape files Coverage Thực chất các định dạng này là các định dạng chuẩn của các phiên bản trước đó của ArcGIS như ArcView, ArcInfo

+ Shape files: lưu trữ cả dữ liệu không gian lẫn dữ liệu thuộc tính Tuỳ thuộc vào các loại đối tượng không gian mà nó lưu trữ, Shape files sẽ được hiển thị trong ArcCatolog bằng 1 trong 3 biểu tượng sau:

Về thực chất shape files không phải là 1 file mà là 5-6 file có tên giống nhau nhưng đuôi khác nhau 3 file quan trọng nhất của shape files là các file có đuôi:

*.shp – chứa các đối tượng không gian

+ Coverages: lưu trữ các dữ liệu không gian, thuộc tính và topology Các dữ liệu không gian được hiển thị ở dạng điểm, đường, vùng và ghi chú

1.3.5 Chuẩn cơ sở dữ liệu GIS

ISO (International Standard Organization): Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế đã đưa ra tiêu chuẩn ISO/TC211, bao gồm 32 tiêu chuẩn trong đó có các tiêu chuẩn về

hệ thông tin địa lý, một số chuẩn thường dùng như sau:

- Chuẩn định dạng dữ liệu (data format);

- Chuẩn lưới chiếu (projection);

- Chuẩn topology;

- Chuẩn phân loại dữ liệu (data classification standards);

- Chuẩn nội dung dữ liệu (data content standards);

- Chuẩn ký hiệu (data symbology standards): chuẩn ký hiệu hoặc hiển thị dữ liệu chuẩn hóa ngôn ngữ mô tả ký hiệu;

- Chuẩn trao đổi dữ liệu (data transfer standards): làm dễ dàng chuyển đổi dữ liệu giữa các hệ thống Có thể được hiểu là chuẩn khuôn dạng dữ liệu;

- Chuẩn khả dụng dữ liệu (data useability standards): bao gồm chất lượng dữ liệu, đánh giá, độ chính xác, v.v…

Theo Quyết định số 06/2007/QĐ-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường

về việc ban hành áp dụng chuẩn thông tin địa lý cơ sở quốc gia [3], trong đó có đưa

ra các qui định cụ thể về các chuẩn thông tin địa lý sau:

- Quy chuẩn mô hình cấu trúc dữ liệu địa lý;

- Quy chuẩn mô hình khái niệm không gian;

- Quy chuẩn mô hình khái niệm thời gian;

- Quy chuẩn phân loại đối tượng địa lý;

- Quy chuẩn hệ quy chiếu tọa độ;

- Quy chuẩn siêu dữ liệu địa lý;

- Quy chuẩn chất lượng dữ liệu địa lý;

- Quy chuẩn trình bày dữ liệu địa lý;

- Quy chuẩn mã hóa trong trao đổi dữ liệu địa lý

* Khái niệm chuẩn hoá:

Thông tin địa lý ngày càng chiếm vai trò quan trọng trong tất cả các hoạt động của con người trên Trái đất Thu thập và xây dựng dữ liệu địa lý luôn chiếm phần lớn thời gian cũng như chi phí cho các dự án GIS Do đó, vấn đề chuẩn hoá - như là một biện pháp thúc đẩy việc trao đổi dữ liệu đã được các tổ chức quốc tế, các quốc gia và vùng lãnh thổ phát triển từ rất lâu, trong đó tiêu biểu gồm: tổ chức

chuẩn hoá thông tin địa lý Mỹ (FGDC) xây dựng từ năm 1994, uỷ ban TC211 của ISO năm 1994,

Các tiêu chuẩn áp dụng chuẩn hoá dữ liệu địa lý dựa vào tiêu chuẩn ISO

19100 [3]

Chuẩn hoá cơ sở dữ liệu đối tượng địa lý: cơ sở dữ liệu đối tượng địa lý khi đưa vào sử dụng phải được chuẩn hoá dữ liệu, bảo đảm tính thống nhất của dữ liệu khi chia sẻ cho nhiều đối tượng sử dụng hoặc hiện chỉnh từ nhiều nguồn khác nhau Việc chuẩn hoá dữ liệu phải đáp ứng được các nhu cầu:

Xác định chuẩn thống nhất cho từng gói dữ liệu;

Xác định quy trình thống nhất để chuyển các dữ liệu cũ về dạng chuẩn đã xác định;

Xác định quy trình thống nhất về thu thập dữ liệu để có được các dữ liệu chuẩn

* Nội dung chuẩn hoá:

- Chuẩn hoá thiết bị tin học (hệ điều hành, mạng, thiết bị phần cứng; chuẩn phần mềm ứng dụng, bảng mã ký tự và tổ chức dữ liệu);

- Chuẩn hoá hệ quy chiếu, toạ độ, địa giới, địa danh;

- Chuẩn hoá hệ thống bản đồ địa hình; Chuẩn hoá dữ liệu bản đồ địa hình; Chuẩn hoá dữ liệu bản đồ sử dụng đất;

- Chuẩn hoá Metadata (siêu dữ liệu)

1.4 Nghiên cứu lựa chọn giải pháp xây dựng cơ sở dữ liệu GIS phục vụ quản lý tài nguyên - môi trường

Bảo vệ tài nguyên - môi trường không chỉ là vấn đề cấp thiết với mỗi Quốc gia mà nó đòi hỏi sự nỗ lực của cả cộng đồng Quốc tế bằng những giải pháp mang tính khu vực và toàn cầu Trong những năm qua, công nghệ Hệ thống thông tin địa

lý (GIS) đã được áp dụng rộng rãi trong các cơ quan nghiên cứu và quản lý tài nguyên - môi trường ở nước ta Mặc dù vậy, việc trao đổi dữ liệu GIS giữa các cơ quan vẫn khó khăn vì chưa có một cấu trúc cơ sở dữ liệu GIS thống nhất cho cả nước [4]

1.4.1 Tích hợp tư liệu viễn thám trong xây dựng cơ sở dữ liệu GIS

Khi nói về tích hợp công nghệ Viễn thám và GIS (Integration of Remote Sensing and Geographic Information System), người ta dùng viễn thám như một phương tiện cung cấp thông tin, sử dụng ảnh viễn thám mới nhất để cập nhật các

đối tượng địa lý mới xuất hiện, sau đó chồng nội dung chuyên đề lên nền bản đồ như một cơ sở để định vị và định lượng Các thông tin về biến động của đối tượng

tự nhiên và môi trường được ghi nhận lại theo thời gian và không gian một cách liên tục và đầy đủ Sau đó, thông tin được sắp đặt lại theo yêu cầu, đưa vào cơ sở dữ liệu GIS và xử lý tiếp Khi công việc cụ thể được tiến hành cho lãnh thổ lớn, các thông tin viễn thám ở dạng raster chiếm nhiều bộ nhớ gây ảnh hưởng cho tiến hành đánh giá và làm các bài toán địa lý tiếp theo Yêu cầu vector hóa được đặt ra, có thể bằng máy theo chương trình lập sẵn hoặc khoanh trực tiếp trên màn hình Nhiều khi công nghệ giải đoán bằng mắt được ứng dụng phổ cập và các thông tin thu nhận được số hóa lại để nhập vào HTTĐL, đó là phương pháp được ứng dụng khá nhiều trong thực tế các đơn vị sản xuất hiện nay

1.4.2 Nguyên tắc gắn kết dữ liệu không gian và thuộc tính trong phân tích dữ liệu

Nguyên tắc bao gồm 2 điểm cơ bản sau:

Mô hình không gian đồng nhất:

Thống nhất về lưới chiếu bản đồ

+ Thống nhất về hệ toạ độ và độ cao Quốc gia

+ Khử sai số từ số liệu đầu vào

+ Dạng dữ liệu cần có sự tương đương: điểm, đường hoặc diện dùng cho cùng một mô hình phân tích

+ Tính chặt chẽ trong topology dữ liệu hiển thị

+ Tính thống nhất của format dữ liệu hiển thị

Mô hình dữ liệu thuộc tính thống nhất:

+ Dạng dữ liệu thuộc tính dùng cho mô hình phân tích cần thống nhất: dạng

số, dạng kí tự, dạng ngày tháng hoặc dạng memo

+ Số lượng trường dữ liệu thuộc tính cần tương đương

+ Độ dài trường dữ liệu được xác định

+ Mối liên kết giữa các trường dữ liệu rõ ràng

1.4.3 Qui trình xây dựng cơ sở dữ liệu GIS

1 Qui trình chung:

- Mục đích, đối tượng, phạm vi: Qui trình xây dựng một hệ cơ sở dữ liệu

được bắt đầu bằng việc xác định rõ mục đích, phạm vi và qui mô sử dụng hệ cơ sở

dữ liệu đó

- Yêu cầu cho dữ liệu: Khi mục đích, mục tiêu được xác định rõ, người lập

cơ sở dữ liệu đề ra yêu cầu đối với các dữ liệu cần thu thập Đó là các yêu cầu về nội dung dữ liệu, chất lượng, cách thức tổ chức và hình thức khai thác dữ liệu ra sao

- Lập thiết kế kỹ thuật: Xuất phát từ các yêu cầu trên, tiến hành lập kế hoạch

thực hiện, bao gồm xác định nhiệm vụ thực hiện, nguồn dữ liệu thu thập và phân công thực hiện nhiệm vụ

- Thu thập dữ liệu: Dữ liệu đồ họa như bản đồ địa hình, địa chính, các kết

quả đo đạc, v.v… có thể ở dạng số hoặc bản đồ giấy Với bản đồ giấy phải tiến hành quét và số hóa Quá trình số hóa các đối tượng nhận một số hiệu riêng (ID) và được phân chia về từng lớp Việc gán cho các đối tượng mã nhận dạng tạo thuận lợi cho quá trình liên kết dữ liệu thuộc tính Các dữ liệu gồm nhiều loại và ở nhiều khuôn dạng khác nhau, việc khảo sát hiện trạng dữ liệu sẽ là bước quan trọng để có cái nhìn chi tiết về các dữ liệu thu thập Đó là quá trình các chuyên gia, nhà phân tích làm sáng tỏ và đưa ra đề nghị về việc sử dụng dữ liệu hay không

- Khảo sát hiện trạng dữ liệu: Khảo sát dữ liệu đồ họa được thực hiện trên

phần mềm Microstation, AutoCad, Softdesk, v.v… Kiểm tra các lỗi đồ hoạ, sau khi

đã đưa các tài liệu bản đồ vào máy tính ở dạng số (dạng vectơ) các dữ liệu này phải được kiểm tra và sửa lỗi nếu có Đối với các thông tin thuộc tính (các dữ liệu thống kê) cũng cần được xem xét kỹ về tính chính xác, loại thông tin, nguồn gốc và mức

độ chi tiết của thông tin Thiết kế mô hình dữ liệu theo các chuẩn thông tin (Chuẩn ISO - TC211 và theo chuẩn của Bộ Tài Nguyên và Môi Trường)

- Nhập dữ liệu vào ArcGIS: Dữ liệu sau khi được khảo sát, gộp nhóm, được

nhập vào GeoDatabase đã thiết kế, thông qua công cụ ArcCatalog của phần mềm ArcGIS Topology thể hiện mối quan hệ không gian giữa các đối tượng địa lý trong GIS (dữ liệu dạng vector) Đối với dữ liệu không gian, cần thực hiện kiểm tra và sửa lỗi Topology trên ArcGIS nhằm đảm bảo sự ràng buộc toàn vẹn mối quan hệ không gian giữa các đối tượng Các nguyên tắc topology đối với từng đối tượng là khác nhau Việc lựa chọn các nguyên tắc này cho từng đối tượng phụ thuộc vào tính chất của từng loại đối tượng

- Nhập thuộc tính cho các đối tượng: Nhập dữ liệu thuộc tính cho các đối

tượng tức là liên kết giữa các lớp dữ liệu không gian và phi không gian Liên kết bằng công cụ nhập dữ liệu hay vào giá trị thuộc tính cho các yếu tố không gian, thực hiện bằng các lệnh của mô hình quản lý dữ liệu cụ thể và bằng bàn phím Đây

là cách làm khá thủ công, người dùng phải chọn từng yếu tố đồ hoạ và lần lượt gán cho chúng các thuộc tính

Liên kết bằng chỉ số nhận dạng hay số hiệu của đối tượng Khi nhập dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính riêng biệt, việc liên kết dựa trên chỉ số nhận dạng của đối tượng (ID) mà ta đã gán cho đối tượng bản đồ

Các biểu bảng và số liệu thuộc tính của đối tượng cũng cần phải có cùng chỉ

số hay số hiệu của đối tượng đó và dùng chính số hiệu này để liên kết đối tượng với thuộc tính của chúng

- Lưu trữ, lập bản đồ chuyên đề: Trước khi lưu trữ và sử dụng, phải kiểm tra

sự kết hợp giữa hai dạng dữ liệu trên và sự liên kết giữa chúng Để sửa các lỗi dữ liệu thuộc tính cần chồng ghép các bản đồ chuyên đề với các bản đồ nền để phát hiện những vô lý về mặt logic nếu có Công tác kiểm tra được thực hiện hết sức cẩn thận sao cho các đối tượng đồ hoạ được gắn đúng với các giá trị thuộc tính của chúng

2 Yêu cầu dữ liệu phục vụ quản lý tài nguyên - môi trường:

- Cơ sở dữ liệu không gian và thuộc tính phù hợp, nhất quán có khả năng quản lý hiệu quả tài nguyên - môi trường

- Yêu cầu thể hiện các đối tượng:

 Tuân theo khung pháp lý tiêu chuẩn kỹ thuật

 Chuẩn thông tin địa lý

- Đáp ứng các yêu cầu của việc thiết kế cơ sở dữ liệu như: sự phân cấp, tính linh hoạt, khả năng mở rộng, phù hợp công nghệ, tính chia sẻ của dữ liệu

1.5 Ứng dụng của hệ thông tin địa lý

Hệ thông tin địa lý tìm thấy vị trí đúng của mình trong đại đa số các ngành khoa học, bởi nó có chức năng bản đồ Các chức năng phân tích không gian đều liên quan đến tất cả các ngành khoa học về Trái đất sử dụng dữ liệu địa lý Các chức năng phân tích thuộc tính liên quan đến các dữ liệu thống kê xã hội học Chức năng liên kết không gian tìm kiếm hỏi đáp và định vị liên quan đến khoa học quân sự, viễn thám, hàng hải Muốn có một hệ thông tin cho cơ sở dữ liệu mạnh đòi hỏi phải

có sự liên kết và phát triển phần mềm mạnh và như vậy GIS liên quan trực tiếp đến toán học tin học Vấn đề giao thông cũng được quản lý bằng GIS Sau đây sẽ nêu sự cần thiết của hệ thông tin địa lý, tính kinh tế và người sử dụng GIS để qua đó có thể hiểu được GIS có thể được ứng dụng cụ thể trong ngành nào và với mục đích gì