Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thống thông tin địa lý GIS tỉnh phú thọ phục vụ bảo vệ môi trường và phát triển bền vững

Với sự phát triển mạnh mẽ củacông nghệ thông tin, đặc biệt trong việc thu nhận và xử lý số, việc tích hợp từ dữliệu Viễn thám Remote Sensing-RS, hệ thống định vị toàn cầu Global Possi

ĐAI HO C QUỐ C GIA HÀ NÔI

ĐAI HO

C

QUỐ C GIA HÀ NÔI

T R Ư Ờ

N

G Đ AI

H O C

KHO

A HOC

VỆ MÔI TRƯỜNG VÀ PHÁT TRIỂN

BỀN VỮNG

Chuyê

n ngành:

Khoa học môi trường

M a

s ố :

6 0 8 5 0 2

NGƯỜ I HƯỚ NG DẪ N KHOA HOC

PGS.

TS Trần Văn Thụy

H à N ội - 20 11

Chương 1 - TỔNG QUAN VẤN

ĐỀ NGHIÊNCỨU 4

1.1H

ệ thốngthôngtinđịalý(GIS),

Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thống thông tin địa lý (GIS) tỉnh Phú Thọ phục vụ bảo

vệ môi trường và phát triển bền vững

Trần Thanh Hà - Lớp Cao học Môi trường K17

4

1.1.4.5Tổ chức cơ sở dữ

liệu 15

1.1.4.6Chuẩn cơ sở dữ

liệu GIS 17

i nguyên

- mô

i trường

231.2.1Cá

c

giải phá

p côn

g ngh

ệ GIS 23

1.2.2Tíchhợp

tư

liệu

viễnthám

tron

g xây

dựn

g cơsở

dữ

liệu

GIS .24

Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thống thông tin địa lý (GIS) tỉnh Phú Thọ phục vụ bảo

vệ môi trường và phát triển bền vững

Trần Thanh Hà - Lớp Cao học Môi trường K17

5

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

dữ liệu 25

1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng GIS trong lĩnh vực tài nguyên môi trường tỉnh Phú Thọ 26

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 28

2.2 Phương pháp nghiên cứu 28

Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 33

3.1 Đánh giá khái quát đặc điểm tự nhiên, kinh tế xã hội 33

3.1.1 Vị trí địa lý 33

3.1.2 Đặc điểm tự nhiên 34

3.1.3 Kinh tế - xã hội 35

3.2 Đánh giá khái quát tài nguyên - môi trường tỉnh Phú Thọ 37

3.2.1 Tài nguyên môi trường đất 37

3.2.2 Tài nguyên môi trường nước 39

3.2.3 Tài nguyên môi trường không khí 48

3.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS phục vụ bảo vệ môi trường và phát triển bền vững 51

3.3.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý 52

3.3.2 Kết quả xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý 61

3.3.3Xây dựng cơ sở dữ liệu chuyên đề sinh thái tài nguyên môi trường 64

3.3.4 Kết quả xây dựng cơ sở dữ liệu chuyên đề sinh thái môi trường 71

3.3.5 Phát triển ứng dụng GIS trong bảo vệ môi trường và phát triển bền vững 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO… 87

PHỤ LỤC 90

HTTĐL: Hệ thông tin địa lý

KCN: khu công nghiệp

PTTNMT: Phú Thọ tài nguyên môi trường

RSH: Rác sinh hoạt

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

TNTN: Tài nguyên thiên nhiên

TNMT: Tài nguyên môi trường

DBMS (Database Management System): Hệ thống quản trị dữ liệu

ESRI (Enviromental System Reseach Institute): Viện Nghiên cứu hệ thống Môi trường

GIS (Geographic Information System): Hệ thống thông tin địa lý

GEMS (Global environmental monitoring system): Hệ thống quan trắc toàn cầu GML (Geography Markup Language): Ngôn ngữ đánh dấu địa lý mở rộng GFM (General Feature Model): Mô hình đối tượng địa lý tổng quát

UML (Unifield modeling language): Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất

XML (eXtensible Markup Language): Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng

WRI (World Resources Institute): Viện Tài nguyên Thế giới

ISO (International Organization for Standardization): Tổ chức Quốc tế về tiêu chuẩn hoá

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU, SƠ ĐỒ

Trang

Biểu đồ 3.1 Dư lượng thuốc BVTV trong đất tại huyện Cẩm Khê 37

Biểu đồ 3.2 Diễn biến ô nhiễm BOD5 nước ao, đầm, hồ……… ………… 37

Biểu đồ 3.3 Diễn biến ô nhiễm COD nước ao, đầm, hồ………… ……… 37

Biểu đồ 3.4 Diễn biến ô nhiễm TSS nước ao, đầm, hồ 40

Biểu đồ 3.5 Diễn biến ô nhiễm NH4+ nước ao, đầm, hồ 41

Biểu đồ 3.6 Diễn biến ô nhiễm TSS, COD, BOD5 trên Sông Chảy…… 46

Biểu đồ 3.7 Diễn biến ô nhiễm NH4+ trên địa bàn huyện Phù Ninh…… 47

Biểu đồ 3.8 Diễn biến ô nhiễm NH4+ trên địa bàn huyện Lâm Thao…… 47

Biểu đồ 3.9 Diễn biến ô nhiễm NH4 trên địa bàn huyện Hạ Hòa 48

Biểu đồ 3.10 Diễn biến độ cứng trong nước ngầm huyện Cẩm Khê 48

Biểu đồ 3.11 Nồng độ bụi lơ lửng trong không khí 50

Bảng 1.1 Các nguyên tắc topology……… 13

Bảng 3.1 Kết quả phân tích môi trường nước sông Hồng ……… … 42

Bảng 3.2 Kết quả phân tích môi trường nước sông Lô 43

Bảng 3.3 Kết quả phân tích môi trường nước sông Đà……… 44

Bảng 3.4 Kết quả phân tích môi trường nước sông Bứa 45

Bảng 3.5 Trữ lượng nước dưới đất trên địa bàn tỉnh Phú Thọ………… 46

Bảng 3.6 Gộp nhóm dữ liệu……….……… 54

Bảng 3.7 Chi tiết topology với từng đối tượng trong từng nhóm lớp….… 57

Bảng 3.8 Dữ liệu thuộc tính của các đối tượng nền địa lý……… 59

Sơ đồ 1.1 Tổ chức cơ sở dữ liệu – GeoDatabase 16

Sơ đồ 2.1 Qui trình xây dựng cơ sở dữ liệu GIS……… 32

Sơ đồ 3.1 Mô hình tổ chức dữ liệu trong cơ sở dữ liệu GIS tài nguyên -môi trường tỉnh Phú Thọ……… 51

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢN ĐỒ

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ tổ chức của hệ thống GIS……….……… 8

Hình 1.2 Biểu diễn thông tin dạng điểm, đường, vùng theo cấu trúcvector 11 Hình 1.3 Minh họa thông tin raster……….… 12

Hình 1.4 Liên kết dữ liệu không gian và thuộc tính 15

Hình 1.5 Tổ chức cơ sở dữ liệu Shape files 17

Hình 1.6 Ảnh Viễn thám Sport 25

Hình 3.1 Bản đồ hành chính tỉnh Phú Thọ 33

Hình 3.2 Một số hình ảnh về kinh tế - xã hội của tỉnh Phú Thọ……….… 36

Hình 3.3 Chât thải RSH vứt bừa bãi gây ô nhiễm đất……… … 37

Hình 3.4 Bao bì đựng thuốc BVTV vứt bừa bãi 38

Hình 3.5 Một số hình ảnh ô nhiễm không khí……….…… 50

Hình 3.6 BĐĐH tỉ lệ 1:10.000 sử dụng để xây dựng CSDL nền địa lý 53

Hình 3.7 Nội dung dữ liệu Thủy hệ 61

Hình 3.8 Nội dung dữ liệu Phủ bề mặt 61

Hình 3.9 Nội dung dữ liệu Giao thông 62

Hình 3.10 Nội dung dữ liệu Địa hình 62

Hình 3.11 Nội dung dữ liệu Dân cư cơ sở hạ tầng 63

Hình 3.12 Nội dung dữ liệu Biên giới địa giới 63

Hình 3.13 Nội dung dữ liệu chuyên đề tài nguyên - môi trường đất 71

Hình 3.14 Nội dung dữ liệu chuyên đề tài nguyên - môi trường nước 72

Hình 3.15 Nội dung dữ liệu chuyên đề môi trường không khí 72

Hình 3.16 Nội dung dữ liệu chuyên đề tài nguyên rừng 73

Hình 3.17 Lựa chọn hàm lượng NH4>0.1mg/l trong nước ngầm 74

Hình 3.18 Các lớp thông tin tài nguyên môi trường 75

Hình 3.19 Mô hình số độ cao địa hình 75

Hình 3.20, Hình 3.21 Các bước lập lớp thông tin chuyên đề 76

Hình 3.22, Hình 3.23 Các bước lập lớp thông tin chuyên đề 77

Hình 3.24, Hình 3.25 Các bước lập lớp thông tin chuyên đề 78

Hình 3.25 Ví dụ minh họa cho lớp chuyên đề hiện trạng ô nhiễm NH4 78

Hình 3.26 Ví dụ minh họa cho lớp phủ thực vật 79

Hình 3.27 Ví dụ minh họa cho lớp hiện trạng sử dụng đất 79

Hình 3.28 Lớp hiện trạng hàm lượng BOD môi trường nước mặt tỉnh Phú Thọ 80

Hình 3.29 Lớp hiện trạng hàm lượng COD môi trường nước mặt tỉnh Phú Thọ 81

Hình 3.30 Lớp hiện trạng sử dụng đất tỉnh Phú Thọ 2011 82

Hình 3.31 Lớp phủ thực vật tỉnh Phú Thọ 2011 83

Hình 3.32 Lớp hiện trạng ô nhiễm NH4 môi trường nước ngầm tỉnh Phú Thọ 84

MỞ ĐẦU

Ngày nay, trên thế giới cùng với sự bùng nổ về dân số, là sự phát triển côngnghiệp hóa, hiện đại hóa cũng như việc khai thác tài nguyên thiên nhiên một cáchquá mức, làm cho các nguồn tài nguyên dần dần cạn kiệt Các quá trình đó thải ramôi trường một lượng lớn chất thải các loại làm cho môi trường sống trên trái đất

bị mất cân bằng sinh thái, ô nhiễm nguồn nước, không khí, ô nhiễm đất… gây nêntình trạng lũ lụt, lở đất, hạn hán trên toàn thế giới Chính vì vậy, ô nhiễm môi trườnglà vấn đề đang được sự quan tâm của toàn nhân loại Với sự phát triển mạnh mẽ củacông nghệ thông tin, đặc biệt trong việc thu nhận và xử lý số, việc tích hợp từ dữliệu Viễn thám (Remote Sensing-RS), hệ thống định vị toàn cầu (Global PossitionSystem - GPS), hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) đãvà đang được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu tài nguyên môi trường,nghiên cứu các tai biến, thiên tai…và thu được những kết quả đáng ghi nhận

Phú Thọ là tỉnh thuộc vùng miền núi trung du Bắc Bộ, nằm trong khu vựcgiao lưu giữa vùng Đông Bắc, đồng bằng sông Hồng và vùng Tây Bắc, Phú Thọ có

vị trí địa lý mang ý nghĩa là trung tâm của tiểu vùng Tây - Đông - Bắc; cách trungtâm Hà Nội 80km, cách sân bay Nội Bài 60km, Phú Thọ nằm ở trung tâm các hệthống giao thông đường bộ, đường sắt và đường sông từ các tỉnh thuộc Tây - Đông

- Bắc đi Hà Nội, Hải Phòng và các nơi khác, là nơi trung chuyển hàng hóa thiết yếu,cầu nối giao lưu kinh tế - văn hóa - khoa học, kỹ thuật giữa các tỉnh của đồng bằngBắc Bộ với các tỉnh Trung du miền núi Bắc Bộ Ngoài ra, Phú Thọ còn có các yếu

tố khác để phát triển kinh tế - xã hội như con người, tài nguyên, các khu côngnghiệp, khu du lịch văn hoá lịch sử Đền Hùng, khu du lịch sinh thái Xuân Sơn…

Trong những năm gần đây, cùng với việc tăng thêm các cơ sở sản xuất, cáckhu tập trung dân cư phát triển ngày càng nhiều, nhu cầu tiêu dùng các sản phẩmvật chất cũng ngày càng lớn, những điều đó tạo điều kiện kích thích các ngành sảnxuất, kinh doanh và dịch vụ mở rộng và phát triển nhanh chóng, nâng cao mức sốngchung của xã hội; mặt khác cũng gây ra sự ô nhiễm, suy thoái các thành phần tàinguyên - môi trường ngày một nghiêm trọng Trong thời gian tới, mục tiêu cơ bản

về bảo vệ môi trường của Tỉnh Phú Thọ là tăng cường công tác quản lý tài nguyên

- môi trường, ngăn ngừa ô nhiễm môi trường nước, không khí, quản lý chất thải rắn cải thiện hiện trạng sử dụng đất, phục hồi và bảo tồn đa dạng sinh học, từng bướcnâng cao chất lượng môi trường ở các khu công nghiệp, đô thị và nông thôn, gópphần phát triển bền vững

Muốn có các hoạt động bảo vệ môi trường và sử dụng tài nguyên thiên nhiênhiệu quả, cần phải có một cơ sở dữ liệu đầy đủ và được xây dựng trong một hệthống thông tin hiện đại, đáp ứng được các nhu cầu diễn biến mạnh mẽ trong thờiđại hiện nay Trong những năm gần đây, GIS đã được sử dụng phổ biến ở nước ta.Với ưu điểm nổi trội về khả năng cập nhật, lưu trữ, phân tích, hiển thị và chia sẻthông tin, GIS thực sự đã trở thành công cụ hiện đại và có hiệu quả nhất hỗ trợ côngtác xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên môi trường

Với ý nghĩa khoa học và thực tiễn nêu trên, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiêncứ u khoa hoc cho luận văn thạc sỹ của mình là:

“ Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu hệ thống thông tin địa lý (GIS) tỉnh Phú Thọ phục vụ bảo vệ môi trường và phát triển bền vững”

Cơ sở dữ liệu GIS tỉnh Phú Thọ được xây dựng dựa trên nền cơ bản của bản

đồ địa hình, kết hợp xử lý tư liệu ảnh viễn thám, số liệu thống kê hiện trạng môitrường và các nguồn tài liệu có liên quan, sẽ thể hiện đầy đủ và chi tiết tất cả các dữliệu, thông tin phục vụ đắc lực cho công tác bảo vệ môi trường và sử dụng hợp lýnguồn tài nguyên hiện tại và trong tương lai, đảm bảo tính bền vững cho sự pháttriển kinh tế - xã hội của Tỉnh

Đề tà i

luân

văn nhằm đáp ứng các mục tiêu sau:

-Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý cơ bản tỉnh Phú Thọ

- Xây dựng các lớp cơ sở dữ liệu chuyên đề về sinh thái tài nguyên môitrường

-Phát triển các ứng dụng GIS bằng việc cập nhật, truy cập, và xử lý thông tinnhằm phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên môi trường của tỉnh theo hướng phát triểnbền vững.

Trong quá trình thưc

chính là:

hiênluân văn , chúng tôi đã hoàn thành các nội dung

cứu

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

- Cơ sở khoa học và phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu GIS

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

- Đánh giá khái quát tài nguyên - môi trường tỉnh Phú Thọ

- Xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý tỉnh Phú Thọ

- Xác định các chuyên đề về sinh thái tài nguyên - môi trường

- Xây dựng cơ sở dữ liệu chuyên đề sinh thái tài nguyên môi trường

Các tư liệu và thiết bị được sử dụng bao gồm:

- Bản đồ địa hình tỉ lệ 1:10.000 tỉnh Phú Thọ

- Ảnh viễn thám SPOT độ phân giải 5m và 2,5m toàn sắc và 10m đa phổ để cập nhậtcác đối tượng địa lý mới xuất hiện (nguồn Trung tâm Viễm Thám Quốc gia, nămchụp 2008)

- Tài liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội, dữ liệu hiện trạng môi trường tỉnhPhú Thọ

- Một số đề tài đã nghiên cứu có liên quan

Hy voṇ g những kết quả nghiên cứ u của đề tài không những đáp ứ ng các yêucầu của luân văn

thac sỹ mà còn góp phầ n xây

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hệ thống thông tin địa lý (GIS), những ứng dụng trong khoa học và thực tiễn 1.1.1 Khái niệm về GIS và lịch sử phát triển

Theo ESRI (Enviromental System Reseach Institute - Viện Nghiên cứu hệthống Môi trường): Hệ thống thông tin địa lí (Geographic Information System -GIS) "Là một hệ thống bao gồm phần cứng, phần mềm, dữ liệu và con người nhằmthu thập, lưu trữ, cập nhật, xử lí, phân tích và hiển thị các thông tin địa lí trên bềmặt trái đất "

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một công cụ máy tính để thu thập, lưu trữvà phân tích các sự vật, hiện tượng trên trái đất Công nghệ GIS kết hợp các thao tác

cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê,phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất

từ các bản đồ Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khácvà khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phântích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược)

Ở mỗi khía cạnh khác nhau GIS được nhìn nhận một cách khác nhau:

- Cơ sở dữ liệu địa lý (Geodatabase): GIS là một cơ sở dữ liệu không gian chuyển tảithông tin địa lý theo quan điểm gốc của mô hình dữ liệu GIS (yếu tố, topology,mạng lưới, raster, )

- Hình tượng hoá (Geovisualization): GIS là tập các bản đồ thông minh thể hiện cácyếu tố và quan hệ giữa các yếu tố trên mặt đất Dựa trên thông tin địa lý có thể tạonhiều loại bản đồ và sử dụng chúng như là một cửa sổ vào trong cơ sở dữ liệu để hỗtrợ tra cứu, phân tích và biên tập thông tin

- Xử lý (Geoprocessing): GIS là các công cụ xử lý thông tin cho phép tạo ra cácthông tin mới từ thông tin đã có Các chức năng xử lý thông tin địa lý lấy thông tin

từ các tập dữ liệu đã có, áp dụng các chức năng phân tích và ghi kết quả vào một tậpmới

Những năm đầu của thập kỷ 60 (1963-1964), các nhà khoa học Canada đãxây dựng hệ GIS đầu tiên với tên gọi “Canada Geographic Information System”,được sử dụng trong công tác quản lý tài nguyên ở Canada Ban đầu, GIS chủ yếudùng để phục vụ công tác điều tra và quản lý tài nguyên Đến giữa thập kỷ 60, GIS

đã phát triển để phục vụ cho công tác khai thác và quản lý đô thị

Trong những năm của thập kỷ 70, công nghệ phần cứng máy tính phát triển,tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của GIS (giá thành máy tính giảm, tốc độ

xử lý và dung lượng bộ nhớ tăng lên…) Nhờ đó mà GIS dần được thương mại hóa.Trong thời kỳ này, nhờ sự phát triển của công nghệ thông tin mà những khả năng xử

lý đồ họa trên máy tính trở thành dễ dàng và thuận tiện Hàng loạt các chương trìnhphần mềm xử lý đồ họa và các phiên bản đầu tiên của các phần mềm GIS ra đời nhưphần mềm ARC/INFOR

Trong những năm 80, là thời kỳ bùng nổ GIS, công nghệ GIS phát triểnmạnh mẽ, trở thành một công nghệ có tính thương mại, được ứng dụng trong nhiềulĩnh vực khoa học và hoạt động thực tiễn có sử dụng thông tin không gian Đặc biệt

ở Mỹ, Canada và châu Âu, người ta đã xây dựng và không ngừng hoàn thiện cácchương trình phần mềm có uy tín quốc tế như ARC/INFOR, PCI, ILWIS, SPAN,IDRISI,…

Sang đến những năm 90, con người đã đạt được những thành tựu to lớn trong

kỹ thuật viễn thám (Remote Sensing) và hệ thống định vị toàn cầu GPS (GlobalPositioning System) Xu hướng tích hợp RS và GIS, tích hợp RS, GIS và GPS đãxuất hiện Việc tích hợp ba công nghệ này đã hỗ trợ cho các nhà khoa học và cácnhà quản lý trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau (quân sự, kinh tế, chính trị, văn hóa,khoa học tự nhiên, khoa học vũ trụ, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường,

dự báo các tai biến…)[13]

Ở Việt Nam, công nghệ GIS được đưa vào nghiên cứu và sử dụng khá sớm,vào khoảng những năm 90 Từ đó trở đi, công nghệ GIS đã được nhiều cá nhân vàtập thể nghiên cứu, ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau Các phần mềm GISđược sử dụng ở nước ta rất đa dạng và chủ yếu là các phần mềm thương mại ngoại

nhập như: Arc/Info, ArView, ArcGIS (của ESRI), MGE, Geomedia (củaIntergraph), Mapinfo (của Mapinfo); GRASS (phần mềm mã nguồn mở do nhiều tổchức phát triển)…

Đến nay, ở nước ta, GIS đã được ứng dụng trong khá nhiều ngành như quyhoạch nông lâm nghiệp, quản lý rừng, lưu trữ tư liệu địa chất, đo đạc bản đồ, địachính, quản lý đô thị… Tuy nhiên, các ứng dụng có hiệu quả nhất mới giới hạn ởcác lĩnh vực lưu trữ, in ấn các tư liệu bản đồ bằng công nghệ GIS Các ứng dụngGIS thuộc lĩnh vực quản lý, điều hành, trợ giúp quyết định hầu như mới dừng ởmức thử nghiệm, còn cần thời gian và đầu tư mới có thể đưa vào ứng dụng chínhthức

1.1.2 Cấu trúc của Hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Phần cứng (Hardware)

Phần cứng của hệ thống GIS bao gồm các loại máy tính và các thiết bị ngoại

vi để nhập dữ liệu, in ấn và truy xuất kết quả Máy tính có thể được nối mạng cục bộhoặc internet để chia sẻ thông tin Trong số các thiết bị ngoại vi, bên cạnh máy in,máy vẽ, v.v…, trong trường hợp cần phải chuyển đổi thông tin từ ảnh tương tự, bản

đồ sang dạng số cần có cả máy quét

Phần mềm (Software)

Công cụ quan trọng trong công nghệ GIS là các phần mềm tin học Mỗi loạiphần mềm có những chức năng và công dụng riêng Một cách gần đúng, có thể chiaphần mềm GIS ra làm 3 nhóm:

Nhóm phần mềm đồ hoạ (Microstation, Autocad, v.v…) Là nhóm các phầnmềm được ứng dụng để biên tập, quản lý, cập nhật và hiện chỉnh các loại bản đồ dạngsố

Nhóm phần mềm quản trị bản đồ (Mapinfor, Arc/View, MGE, v.v…) Lànhững phần mềm mà ngoài chức năng đồ hoạ, thành lập bản đồ số, nắn chỉnh hìnhhọc, chuyển đổi toạ độ chúng có khả năng kết nối các thông tin bản đồ (thông tinkhông gian) với thông tin thuộc tính (thông tin phi không gian) và quản lý chúng

Nhóm phần mềm quản trị và phân tích không gian (Arc/Infor, Arc/View,Softdesk, Arc/ViewGIS, v.v…) Là các phần mềm mà ngoài khả năng cập nhật vàquản lý thông tin chúng có thêm chức năng phân tích dữ liệu không gian.

Các phần mềm GIS rất đa dạng có nhiều tính năng khác nhau Các modulphần mềm phải thực hiện được các nhiệm vụ, bao gồm: Nhập và kiểm tra dữ liệu,phân tích và biến đổi dữ liệu, lưu trữ và quản trị dữ liệu, hỏi đáp về dữ liệu và tươngtác với người sử dụng, xuất và in ấn dữ liệu

Các phần mềm ngày càng được hoàn thiện, phát triển với các chức năng đadạng hơn, thân thiện với người dùng hơn và khả năng quản lý dữ liệu hiệu quả hơn

Dữ liệu (Data)

Dữ liệu là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống GIS Dữ liệu được phânthành 2 loại: Dữ liệu không gian (spatial data) và dữ liệu phi không gian (non-spatial data) Dữ liệu không gian là thông tin về vị trí của các đối tượng trong thếgiới thực trên mặt đất theo một hệ quy chiếu nhất định (toạ độ) Dữ liệu phi khônggian là dữ liệu thuộc tính (attribute) hoặc dữ liệu mô tả các đối tượng địa lý, dữ liệunày có thể là đinh lượng hoặc định tính Sự kết nối giữa dữ liệu không gian và phikhông gian là cơ sở để xác định chính xác các thông tin của đối tượng địa lý và thựchiện phép phân tích tổng hợp trong hệ thống GIS

Con người (People)

Không thể có một hệ thống nào vận hành tốt mà không có sự tham gia củacon người Con người được coi là bộ não của hệ thống Con người thiết kế, thànhlập, khai thác và bảo trì hệ thống

Bốn thành phần nêu trên tạo thành một hệ thống thống nhất hoàn chỉnh.Người ta ví rằng: Thiết bị (phần cứng, phần mềm), quy trình xử lý và con người làcông cụ điều khiển và vận hành hệ thống, cơ sở dữ liệu là nguyên liệu tạo ra các sảnphẩm của hệ

Phần mềm Phương pháp

Phần cứng

Dữ liệu Chuyên gia

Kết quả

Hình 1.1 Sơ đồ tổ chức của hệ thống GIS

1.1.3 Các chức năng của GIS

Hệ thống GIS thực hiện các chức năng cơ bản sau đây:

Bao gồm mọi khía cạnh của việc biến đổi các số liệu thu nhập được dướidạng các bản đồ, số liệu đo đạc ngoại nghiệp, ảnh hàng không, ảnh vệ tinh và cácthiết bị ghi thành một hình thức số tương thích

Việc nhập dữ liệu và kiểm tra dữ liệu cần thiết cho xây dựng một cơ sở dữliệu địa lý Việc kiểm tra thông tin dữ liệu đầu vào có yêu cầu sau:

- Tất cả các thông tin đầu vào phải đảm bảo tính chính xác duy nhất và không có lỗikhi mô tả thuộc tính

- Kiểm tra các lỗi về sai lệch vị trí, tỷ lệ, độ méo hình, v,v tính không đầy đủ củacác thông tin dữ liệu không gian bằng cách vẽ ra với cùng tỷ lệ và so sánh với cácthông tin gốc

- Kiểm tra các thông tin sai sót đối với các thông tin không gian bằng cách in ra vàkiểm tra so với thông tin đã có

• Lưu trữ và quản lý dữ liệu

Các chương trình phần mềm được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ tổ chức cơ

sở dữ liệu và có thể xem đây là hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu Các chương trìnhnày sẽ lưu trữ và quản lý dữ liệu theo cách thức chuẩn mẫu riêng hợp lý để đáp ứngmọi nhu cầu cần thiết của hệ thống sao cho có hiệu quả cao nhất

Sau các quá trình xử lý số liệu, kết quả thu được sẽ thể hiện theo nhiềuphương thức khác nhau và các kết quả phân tích sẽ được báo cáo cho người sử dụngtheo nhiều dạng

Các số liệu có thể biểu thị dạng bản đồ, các bảng biểu hay hình vẽ (đồ thịhoặc sơ đồ khối) theo nhiều phương thức Số liệu sẽ được chuyển từ dạng hình ảnhluôn thay đổi theo thời gian trên một ống tia âm cực (Cathode Ray Tube - CRT)thông qua một đầu ra để vẽ trên máy in hay máy vẽ

Ngoài ra, các thông tin đầu ra đồng thời phải đáp ứng các yêu cầu đảm bảocho quá trình chuyển đổi thông tin giữa các hệ thống máy tính và chúng sẽ đượcchuyển đổi nhờ các công cụ trung gian như băng từ, đĩa từ, các loại mạng thông tinkhác

Bao gồm hai loại hoạt động là:

+ Những biến đổi cần thiết để khử các sai số (các sai sót từ các số liệu, sai sóttrong khâu số hoá hay nhập dữ liệu thuộc tính, v.v ) hoặc đưa chúng vào số liệumới hoặc so sánh chúng với các bộ số liệu khác

+ Xây dựng các phương pháp phân tích có thể áp dụng đối với dữ liệu trongtrật tự thực hiện các câu trả lời với các câu hỏi đưa ra đối với hệ thống

Các phép biến đổi có thể thực hiện đối với các dữ liệu không gian và dữ liệuthuộc tính của các dữ liệu hoặc ở dạng riêng lẻ hoặc thành các tổ hợp Việc kết nối

dữ liệu cũng có thể coi như quá trình biến đổi dữ liệu

Kết nối dữ liệu là quá trình rất quan trọng bởi vì khi giải quyết một vấn đềnào đó trong hệ thống thì cần phải kết hợp nhiều loại thông tin khác nhau với

nhiều dạng kết hợp chuẩn trong một môi trường hợp nhất để từ đó có được cáchnhìn riêng biệt hay tổng thể Quá trình này dẫn đến việc người sử dụng sẽ muốn đặtmột số lượng hầu như không hạn chế các câu hỏi phân tích và các câu hỏi này cầnđược trả lời bằng cách sử dụng các mô hình tổ hợp tìm kiếm dữ liệu và các cách lựachọn phép biến đổi.

Có một số dạng câu hỏi chính mà hệ thông tin địa lý thông dụng có thể trả lờiđược là: Có cái gì tại vị trí này? Mối quan hệ giữa các đối tượng như thế nào?Ở đâuthoả mãn những điều kiện này? Cái gì đã thay đổi và thay đổi như thế nào từ thờiđiểm này đến thời điểm khác? Những mẫu không gian nào tồn tại?

Nó sẽ như thế nào nếu quá trình diễn ra ?

dụng

Trước đây, một số phần mềm đồ họa hoặc của hệ thống thông tin địa lý đượcđặt trong môi trường điều hành DOS như AutoCad, Arc/Info, v.v nên giao diệngiữa thao tác viên và hệ thống bị hạn chế, không linh hoạt

Ngày nay, tất cả các phần mềm của hệ thống đều được đặt trong môi trườngWindown với các thanh công cụ có đầy đủ các biểu tượng kích hoạt nên giao diệngiữa thao tác viên và hệ thống rất linh hoạt, hiệu quả Với sự phát triển mạnh mẽcủa công nghệ tin học, khả năng giao diện giữa người và máy càng ngày càng hoànhảo

1.1.4 Cơ sở dữ liệu GIS

1.1.4.1 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 theomột qui định nào đó theo mục đích sử dụng được gọi là cơ sở dữ liệu (viết tắtCSDL, 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 bậccao 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 chínhcủa một hệ quản trị cơ sở dữ liệu là cung cấp một cách lưu trữ và truy lục thông tintrong cơ sở dữ liệu sao cho vừa thuận tiện vừa hiệu quả.

1.1.4.2 Cấu trúc cơ sở dữ liệu GIS.

Cơ sở dữ liệu GIS gồm hai phần cơ bản là dữ liệu không gian (dữ liệu bảnđồ) và dữ liệu thuộc tính (dữ liệu phi không gian) Mỗi một loại dữ liệu có đặctrưng riêng và chúng khác nhau về yêu cầu lưu trữ, xử lý và hiển thị [7]

Dữ liệu không gian

Khái niệm: Là dữ liệu có chứa trong nó những thông tin về định vị của đốitượng Nó là những dữ liệu phản ánh, thể hiện những đối tượng có kích thước vật línhất định Thực chất là những mô tả số của hình ảnh bản đồ Chúng bao gồm toạđộ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định hình ảnh cụ thể của bản đồ trong mộtkhuôn dạng hiểu được của máy tính Hệ thống thông tin địa lý dùng các dữ liệukhông gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấythông 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 lí như sau: Ðiểm (Point), Ðường(Line), Vùng (Polygon), Ô lưới (Grid cell), Ký hiệu (Sympol), 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:

Hình 1.2 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 độphân giải xác định Loại dữ liệu này chỉ dùng cho mục đích diễn tả và minh hoạ chitiết bằng hình ảnh thêm cho các đối tượng quản lý của hệ thống.

Hình 1.3 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 Mỗimột lớp chứa các hình ảnh bản đồ liên quan đến một chức năng, một ứng dụng cụthể

Cách thức tổ chức:

Để tiện phân tích và tổng hợp, dữ liệu không gian thường được tổ chức thànhcác lớp (layer/theme); cũng thường được gọi là các lớp dữ liệu chuyên đề (thematiclayer) Mỗi lớp dữ liệu thường biểu diễn một tính chất liên quan đến vị trí trên mặtđất

Cách tổ chức dữ liệu thành các lớp chuyên đề cho phép thể hiện thế giới thựcphức 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 Cấu trúc dữ liệuthuộc 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 nhữngvùng nằm kề nhau được lưu trữ chỉ một lần; và cho phép chúng ta cấu trúc dữ liệudựa 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 1.1 Các nguyên tắc topology Must Not Overlap

Một vùng không được chồng đè lên một vùng khác

trong cùng một Layer

Môṭ đường không đươc̣ chồng đè lên môṭ đường khác

trong cùng môṭ Layer

Must Not Self-Overlap

Môṭ đường không đươc̣ cắt hoăc̣ 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

1.1.4.3 Cơ sở dữ liệu thuộc tính

Cơ sở dữ liệu thuộc tính (hay còn gọi là dữ liệu phi không gian) là cơ sở dữliệu phản ánh tính chất của các đối tượng khác nhau Ví dụ, các thông tin về chủđất, chất lượng đất, thể loại đất, v.v là những dữ liệu thuộc tính

Dữ liệu thuộc tính bao gồm dữ liệu thuộc tính định tính và dữ liệu thuộc tínhđịnh lượng và thường được cấu trúc theo dạng bảng gồm các hàng, cột Mỗi hàngbao gồm nhiều loại thông tin về một đối tượng nào đó như tên, diện tích, v.v Mỗiloại thông tin khác nhau này gọi là một trường, mỗi trường được sắp xếp tương ứngvới một cột Việc sắp xếp dữ liệu phi không gian thành bảng gồm các hàng các cộtnhư trên rất thuận lợi cho quá trình tìm kiếm, cập nhật, sắp xếp dữ liệu phi khônggian

Ngoài những đặc điểm như đã nêu trên, dữ liệu phi không gian có thể baogồm các hình thức trình bày chuẩn của mỗi yếu tố (màu sắc, lực nét, kiểu đường,v.v ) nhằm giúp cho các quá trình sử dụng các kí hiệu và dụng cụ vẽ được thuậntiện Điều này đặc biệt có lợi để biểu thị dữ liệu đồ hoạ có hiệu quả và nhanh chóng

Dữ liệu thuộc tính có thể được vào trực tiếp từ các bảng dữ liệu, các tệp vănbản hoặc thu nhận từ các phần mềm khác nhau

1.1.4.4 Mối liên kết dữ liệu

Cùng với dữ liệu không gian, các dữ liệu thuộc tính của cùng yếu tố cũngđược lưu trữ và đều được liên kết với dữ liệu không gian của chính đối tượng đó

Mối liên kết dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian có thể được thực hiệnbằng cách đặt dữ liệu thuộc tính vào đúng vị trí của dữ liệu không gian Cách thứhai để thực hiện mối liên kết này là sắp xếp các dữ liệu không gian và dữ liệu thuộctính theo cùng một trình tự, sau đó gán mã duy nhất cho cả hai loại dữ liệu

1 2 ID Thuộc Thuộc … Thuộc

Hình 1.4 Liên kết dữ liệu không gian và thuộc tính

Mối liên kết dữ liệu phản ánh mối quan hệ mật thiết giữa hai loại thông tin.Mối liên kết đảm bảo cho mỗi đối tượng bản đồ đều được gắn liền với các thông tinthuộc tính, phản ánh đúng hiện trạng và các điểm riêng biệt của đối tượng Đồngthời qua đó người sử dụng dễ dàng tra cứu, tìm kiếm và chọn lọc các đối tượng theoyêu cầu thông qua bộ xác định hay chỉ số Index

Sự liên kết giữa các thành phần dữ liệu không gian và thuộc tính được thể

hiện theo hình 1.4

1.1.4.5Tổ chức cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu là một gói dữ liệu được tổ chức dưới dạng các Layer CácLayer 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 củaBộ Tài Nguyên và Môi Trường, dữ liệu được tổ chức theo khuôn dạng chuẩn làGeoDatabase

GeoDatabase: là một cơ sở dữ liệu được chứa trong một file có đuôi là

*.mdb Khác với shape file, GeoDatabase cho phép lưu giữ topology của các đốitượng Cấu trúc của GeoDatabase như sau:

Sơ đồ 1 Tổ chức cơ sở dữ liệu - GeoDatabase

Feature dataset là tập dữ liệu đối tượng nằm ở bên trong của geodatabase cánhân 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 dụngnhất 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 classchứa 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 vịtrí 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 dạngcác 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 nhưshape files Coverage Thực chất các định dạng này là các định dạng chuẩn của cácphiên 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 thịtrong 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

+ 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

1.1.4.6Chuẩn cơ sở dữ liệu GIS.

ISO (International Standard Organization): Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế đãđưa 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 dữliệu (data classification standards); Chuẩn nội dung dữ liệu (data content standards);Chuẩn ký hiệu (data symbology standards): chuẩn ký hiệu hoặc hiển thị dữ liệuchuẩn 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 khuôndạng dữ liệu; Chuẩn khả dụng dữ liệu (data useability standards): bao gồm chấtlượng 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 [2], 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 kháiniệm 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 lƣợng dữ liệu địa lý; Quy chuẩn trình bày dữ liệu địa lý; Quy chuẩn mã hóa trong trao đổi dữ liệu địa lý.

* Chuẩn hoá Cơ sở dữ liệu:

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

19100 [2]

Chuẩn hoá cơ sở dữ liệu đối tƣợng địa lý: Cơ sở dữ liệu đối tƣợng địa lý khiđƣa vào sử dụng phải đƣợc chuẩn hoá dữ liệu, bảo đảm tính thống nhất của dữ liệukhi chia sẻ cho nhiều đối tƣợng sử dụng hoặc hiện chỉnh từ nhiều nguồn khác nhau.Việc chuẩn hoá dữ liệu phải đáp ứng đƣợc 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 đãxác định

Xác định quy trình thống nhất về thu thập dữ liệu để có đƣợc các dữ liệuchuẩn

* Nội dung chuẩn hoá:

- Chuẩn hoá thiết bị tin học (hệ điều hành, mạng, thiết bị phần cứng; chuẩnphần 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

Một số ứng dụng cụ thể là: Thành phố Brno, Cộng hoà Czech, đã sử dụng cơ

sở dữ liệu GIS để phát triển qui hoạch tổng thể của thành phố và hiển thị thông tintheo cơ sở dữ liệu GIS địa chính của thành phố Mlada, cộng hoà Czech cũng sửdụng cơ sở dữ liệu GIS để hỗ trợ kế hoạch quy hoạch lại một khu sân bãi quân sự,đánh giá và mô phỏng loại tài nguyên đất, đất nông nghiệp, đất tự nhiên

Sở Phát triển Nhà và Đô thị Adelaide, Australia sử dụng cơ sở dữ liệu GIS đểphân tích xu hướng xây dựng của thành phố, từ đó chỉ ra sự mở rộng của thành phốvà ảnh hưởng của nó đối với cơ sở hạ tầng;

Các dự án phát triển dọc theo biên giới Mexico và Mỹ được hỗ trợ bởi cácthông tin của cơ sở dữ liệu GIS, như dự án để kiểm kê, lập bản đồ các nguồn tàinguyên, chế độ thuỷ văn, tác động của con người, cơ sở hạ tầng dọc theo biên giới[13]

Trường Đại học Kỹ thuật Aachen, Đức đã xây dựng cơ sở dữ liệu GIS đểkiểm soát mực nước ngầm cho các vùng khai thác than, tạo các bản đồ mực nướcngầm, kết hợp với các dữ liệu khác như thổ nhưỡng, địa hình, quy mô khai thác mỏ,công nghệ kỹ thuật được sử dụng, cung cấp công cụ đắc lực cho các nhà phân tích.Chính vì vậy, đánh giá sự phục hồi mực nước ngầm là rất khó khăn, nhưng với cơ

sở dữ liệu GIS, công việc này trở nên dễ dàng hơn

Umlandverband Frankfurt, Đức, đã dùng GIS để xây dựng các lớp bản đồcho mỗi tính toán về sự phục hồi mực nước ngầm, những lớp này sau đó được kếthợp lại để tạo nên một bản đồ cuối cùng biểu diễn sự phục hồi của mỗi vùng [13]

Viện Địa chất ở Zagreb, Croatia, đã sử dụng cơ sở dữ liệu GIS để phân tích

hệ thống sông cũng như toàn bộ vùng lưu vực sông Drava [13]

Công ty Quản lý Chất thải và Năng lượng Hạt nhân Thuỵ Điển và Nespak,Pakistan phối hợp sử dụng cơ sở dữ liệu GIS hỗ trợ quản lý vùng lưu vực sôngTorrent ở Pakistan GIS cũng được sử dụng để mô hình hoá sự cân bằng nước, quátrình xói mòn, và kiểm soát lũ cho khu vực; Hammon, Jensen, Wallen & Associatesdùng cơ sở dữ liệu GIS để kiểm soát vùng lưu vực sông Santa Lucia Preserve Môhình không gian ba chiều được xây dựng nhờ công nghệ GIS, đã giúp các nhà

nghiên cứu tiếp cận chính xác về địa hình và thổ nhưỡng của khu vực, từ đó xâydựng những quy luật diễn biến quan trọng cho toàn bộ vùng lưu vực sông [13].

Tại Mỹ, cơ sở dữ liệu GIS được dùng để quản lý sự phân bố của các nguồnnước, nhờ đó các nhà khoa học có thể dễ dàng xác định vị trí các nguồn nước nàytrong toàn bộ hệ thống;

Tổ chức Bảo tồn quốc tế và Chính phủ Malagasy đã sử dụng GIS để kiểmsoát sự phân bố của các loài thực vật ở Madagascar Bản đồ này biểu diễn các loàithực vật của miền nam Madagascar bằng các màu khác nhau và biểu diễn các khubảo tồn bằng nền chéo Với những thông tin này, có thể dễ dàng xác định các vùngcần được bảo vệ hoặc các vùng hiện được bảo vệ có khả năng bị xâm hại [13]

Cơ sở dữ liệu GIS gồm 250 lớp thông tin bao phủ toàn bộ vùng châu thổsông Columbia đã được xây dựng với mục đích cung cấp cho các nhà quản lý tàinguyên - môi trường; Các chuyên gia ở Corvallis, Oregon đã sử dụng dữ liệu GIS

để phát triển chiến lược bảo tồn loài cá hồi Coho, một loài cá hồi màu hồng bạc sắp

bị tuyệt chủng được tìm thấy chủ yếu ở vùng cửa sông của Oregon và Washington

Chevron, một tập đoàn dầu lửa quốc tế, đã sử dụng phần mềm ArcView GIS

để định vị dầu mỏ trong vùng châu thổ Niger Các nhà khoa học của Chervon đãnhập các ảnh vệ tinh và dữ liệu quan trắc không gian vào hệ thống ArcView GIS đểtạo bản đồ cơ sở của vùng Họ kiểm tra và hiệu đính các vị trí của các đối tượng cốđịnh như các giếng dầu và đường giao thông so với số liệu nhận được từ hệ thốngđịnh vị toàn cầu (GPS) Những dữ liệu khác, chẳng hạn như vị trí vùng đất ngậpnước, những loài bị đe doạ, dân cư, đều được thêm vào các bản đồ số Tất cả những

dữ liệu GIS này cùng với các số liệu thăm dò đã giúp xác định vị trí thích hợp nhất

để tạo một giếng khoan, đồng thời hỗ trợ tích cực cho các nhà quản lý tài nguyên

Năm 1994, Viện Tài nguyên quốc tế (World Resources Institute, WRI) và Hệthống quan trắc toàn cầu (Global environmental monitoring system, GEMS) đã sửdụng dữ liệu và các phần mềm GIS để truy cập các thông tin về sự thay đổi môitrường có tính toàn cầu, dự báo tác động của những xu hướng biến động nguy hiểm(hiệu ứng nhà kính, suy thoái tầng ôzôn, suy thoái tài nguyên rừng, tài nguyên đất, ô

nhiễm biển và đại dương, xói mòn ven bờ…), từ đó vạch ra những giải pháp mangtính chiến lược sử dụng bền vững các nguồn tài nguyên, nhằm thiết lập mối cânbằng ổn định bảo vệ môi trường trên toàn cầu [13].

Cơ quan kiểm soát sự cố địa chấn của Portland, bang Oregon, Mỹ đã sử dụng

cơ sở dữ liệu GIS để trợ giúp dự báo thời gian và địa điểm có thể xẩy ra các sự cốnhư động đất, núi lửa và chuẩn bị đối phó với chúng; Cơ quan bảo vệ môi trường

Mỹ (EPA) đã sử dụng phần mềm ARC/INFO để xây dựng cơ sở dữ liệu GIS nghiêncứu những ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đối với sự phát triển của cây con vàhậu quả lâu dài của khói đối với rừng; Kiểm soát ô nhiễm không khí từ khói bằngcách: miền đông nước Mỹ được phân thành các vùng khác nhau và ARC/INFOđược dùng để tạo thành 1 lưới ô bao phủ toàn bộ vùng này, mỗi ô có diện tích 20

km2 Các dữ liệu về chất lượng không khí được thu thập từ các dạng quan trắc vùngvà được lưu vào cơ sở dữ liệu Dựa vào các cơ sở dữ liệu này, với công cụ GIS, cácnhà khoa học có thể tạo ra các bản đồ về phân tán NOx, mây, nhiệt độ hàng ngày,hướng gió, độ cao và khoảng cách khói từ nguồn sát thải [13]

Ngoài ra, sử dụng GIS các dữ liệu còn được phân tích kết hợp với điều kiệnđịa hình và khí hậu của từng vùng; Mô hình chất lượng nước được Đơn vị nghiêncứu Nông nghiệp vùng châu thổ phát triển phục vụ công tác quan trắc, dự báo vàquản lý chất lượng nước tổng thể cho một số thành phố ở Nam Phi [13]

Viện địa lý "Agustin Codazzi" (IGAC) của Colombia đã dùng công nghệ GIS

để hiện thị và kiểm soát hiện trạng sử dụng đất hiện nay và trong tương lai củathành phố Ibague; Sở bảo vệ môi trường Alberta, trung tâm Đào tạo môi trườngAlberta (Canada) đã dùng GIS để mô hình hoá các quần hợp hệ sinh thái, các điềukiện sống làm cơ sở cho phép nâng cao chất lượng quản lý tài nguyên rừng

DORIS - Systemgruppe - ATM sử dụng GIS để mô phỏng các khu rừng củaĐức bằng mô hình 3 chiều, hiển thị dữ liệu theo không gian giúp các nhà quản lýnắm bắt được cụ thể hơn về đối tượng

Tại Mỹ, công nghệ GIS đã được ứng dụng trong dự báo thời tiết (nó đã mô tảđược bản chất, dự báo đường đi, phạm vi ảnh hưởng suốt hành trình của cơn bãoKatrina) giúp khá nhiều trong việc giải quyết hậu quả sau cơn bão…

1.1.5.2 Ở Việt Nam

Việc ứng dụng cơ sở dữ liệu GIS ở Việt Nam cũng được thí điểm khá sớm vàđến nay đã được ứng dụng trong nhiều ngành như quy hoạch nông lâm nghiệp, quản

lý rừng, lưu trữ tư liệu địa chất, đo đạc bản đồ, địa chính, quản lý đô thị…

Nhận ra tầm quan trọng của việc ứng dụng cơ sở dữ liệu GIS trong công tácquản lý tài nguyên - môi trường, Cục Môi trường, được sự trợ giúp kỹ thuật của Dự

án "Tăng cường năng lực cho cơ quan quản lý môi trường Việt Nam - SEMA", đãtiến hành xây dựng cấu trúc cơ sở dữ liệu GIS Quốc gia về tài nguyên - môi trường

Một số thành tựu đáng kể về ứng dụng cơ sở dữ liệu GIS thời gian gần đây ởViệt Nam là: Xây dựng bản đồ và xác định vùng thích nghi cây trồng cho dự án quihoạch vùng nguyên liệu nhà máy giấy Tân Mai - Đồng Nai; Xác định cấp xung yếuphòng hộ rừng đầu nguồn và xây dựng bản đồ phân cấp phòng hộ phục vụ chươngtrình 327 cho các tỉnh Ninh Thuận, Bình Phước, Kiên Giang, Bà Rịa - Vũng Tàu;Đánh giá diễn biến tài nguyên rừng cây họ dầu ở miền Đông Nam Bộ, Đánh giámức độ ảnh hưởng của bão Linda đối với năng lực phòng hộ của thảm thực vật rừngquốc gia Côn Đảo; Qui hoạch lâm phần ổn định cho 3 loại rừng phòng hộ, đặcdụng, sản xuất của chương trình 327; Đánh giá diễn biến tài nguyên rừng ngập mặnNam Đồng Bằng sông Cửu Long; Phân viện Điều tra Quy hoạch rừng (đề tài dothạc sỹ Ngô An và các cộng sự thực hiện) đã nghiên cứu, đề xuất hướng ứng dụng

cơ sở dữ liệu GIS để điều tra, quản lý, quy hoạch rừng; Xây dựng cơ sở dữ liệu GISnền địa lý khu vực Đồng Bằng sông Cửu Long phục vụ phòng chống lũ lụt, thiên taitrên toàn bộ khu vực là một dự án lớn vừa hoàn thành, đã đáp ứng được yêu cầu cấpbách của phát triển kinh tế - xã hội, [13]

Theo đánh giá của các nhà khoa học thì xây dựng cơ sở dữ liệu GIS là côngnghệ mới, những nghiên cứu về ứng dụng cơ sở dữ liệu GIS tại Việt Nam mới chỉbắt đầu, nhân lực yếu và thiếu, phần lớn các cơ sở đang ở giai đoạn tạo lập cơ sở dữ

liệu, phần mềm sử dụng không đồng nhất, mã hoá thông tin không giống nhau, cơ

sở dữ liệu các vùng, các ngành không giao tiếp được với nhau hoặc trùng lặp, .Tuy nhiên, vị trí của GIS đã được khẳng định là một trong những mũi nhọn rất hiệuquả và nhu cầu ứng dụng GIS đang bùng nổ trong mọi lĩnh vực Một trong nhữngnơi có đào tạo sử dụng công nghệ GIS tại Việt Nam là công ty VidaGIS, nhiều cơquan ban ngành, địa phương có nghiên cứu và ứng dụng GIS như trường Đại họcKHTN TPHCM, Bộ tài nguyên môi trường … Chắc chắn không lâu nữa, GIS trởthành một phần không thể thiếu cho nhu cầu sử dụng của mỗi người dân Việt Namchúng ta

1.2 Nghiên cứu lựa chọn giải pháp xây dựng cơ sở dữ liệu GIS phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên - môi trường

Bảo vệ tài nguyên - môi trường không chỉ là vấn đề cấp thiết với mỗi Quốcgia mà nó đòi hỏi sự nỗ lực của cả cộng đồng Quốc tế bằng những giải pháp mangtính 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 tàinguyên - môi trường ở nước ta Mặc dù vậy, việc trao đổi dữ liệu GIS giữa các cơquan vẫn khó khăn vì chưa có một cấu trúc cơ sở dữ liệu GIS thống nhất cho cảnước

1.2.1 Các giải pháp công nghệ GIS.

Việc bảo vệ tài nguyên môi trường phục vụ cho sự phát triển bền vững đòihỏi tổng hợp, phân tích một lượng thông tin lớn, đa dạng và toàn diện Nếu khôngkhai thác, phát triển và sử dụng công nghệ mới, thì tổng hợp và phân tích số liệugặp rất nhiều khó khăn, thậm chí có những bài toán thực tế không thể giải đượcbằng phương pháp truyền thống Vì vậy, GIS phải giải quyết các nhiệm vụ cụ thểsau:

- Truy nhập và lưu trữ thông tin từ nhiều nguồn, nhiều dạng, nhiều kích cỡ, tỷ lệ, thời gian khác nhau vào một cơ sở toán học

- Thực hiện sắp xếp lại hàng loạt thông tin trong một cơ sở toán học thống nhất nhằmphục vụ cho công tác tìm kiếm, phân tích

- Phân tích đánh giá tổng hợp thông tin theo các mô hình cụ thể, các bài toán địa lí được đặt ra cho mục đích qui hoạch.

- Tổng hợp toàn bộ các dữ liệu dẫn xuất, các thử nghiệm thống kê để đưa ra kết quả bài toán

- Trình bày kết quả dưới dạng dễ dàng tiếp cận và sử dụng

Trong những năm đầu thập kỷ 90, người ta sử dụng AUTOCAD cùng vớiDBMS (Database Management System - Hệ thống quản trị dữ liệu) để giải quyếtnhững bài toán đánh giá có tính chất địa phương Khi qui mô bài toán ngày cànglớn, có thể phát triển thêm chức năng cho phần mềm bổ trợ hoặc khai thác sử dụngnhững phần mềm chuyên dụng cho qui hoạch vĩ mô (ví dụ ARC/INFO) Sự đa dạngcủa các bài toán địa lí và các phần mềm của GIS đòi hỏi tính linh hoạt trong ứngdụng, phù hợp với các yêu cầu thực tế

Gần đây, các quan điểm của hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu DBMS (DatabaseManagement System) càng thấm sâu trong tư tưởng thiết kế và sử dụng phần mềmGIS bởi tính linh hoạt của các mô hình trong Hệ quản trị dữ liệu phù hợp với dữliệu đa dạng về các đối tượng trong không gian

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

Hiên nay, viễn thám đươc sử duṇ g 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 địnhlượng Các thông tin về biến động của đối tượng tự nhiên và môi trường được ghinhận lại theo thời gian và không gian một cách liên tục và đầy đủ Sau đó, thông tinđược sắp đặt lại theo yêu cầu, đưa vào cơ sở dữ liệu GIS và xử lý tiếp Khi côngviệc cụ thể được tiến hành cho lãnh thổ lớn, các thông tin viễn thám ở dạng rasterchiếm nhiều bộ nhớ gây ảnh hưởng cho tiến hành đánh giá và làm các bài toán địa lítiếp theo Yêu cầu vector hóa được đặt ra, có thể bằng máy theo chương trình lậpsẵn hoặc khoanh trực tiếp trên màn hình Nhiều khi công nghệ giải đoán bằng mắtđược 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.

Hình 1.7 : Ảnh viễn thám SPOT

nguồn: Trung tâm Viễm Thám Quốc gia, năm chụp 2008

Ảnh viễn thám SPOT để cập nhật các đối tượng địa lý mới xuất hiện trong quá trình điều tra thực địa

Sử dụng Bản đồ địa hình dạng số kết hợp với tư liệu ảnh Viễn Thám giải đoán ảnh, sau đó điều tra thực địa, những đối tượng còn thiếu bổ sung tiếp trên bản đồ

1.2.3 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, hệ toạ độ và độ cao Quốc gia, 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:

Thống nhất về dạng số, dạng kí tự, dạng ngày tháng, trường dữ liệu, độ dài trường

dữ liệu, mối liên kết giữa các trường dữ liệu

1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng GIS trong lĩnh vực tài nguyên môi trường tỉnh Phú Thọ

Hiện nay việc ứng dụng hệ thông tin địa lý GIS ở Phú Thọ vẫn còn khá mới

mẻ, nguyên nhân có nhiều nhưng chủ yếu vẫn còn thiếu nguồn nhân lực trong lĩnh

vực công nghệ thông tin Hiên nay, tỉnh đang có kế hoạch đào tạo nguồn nhân lực

có đủ trình độ trong các

lin

h vưcGIS

Có thể ghi nhận một số dự án đã được triển khai như:

- Nghiên cứu phát triển ứng dụng một số phần mền MicroStation, Famis và Vilistrong việc lập bản đồ số địa chính và quản lý hệ thống thông tin đất đai trên địa bàntỉnh Phú Thọ

- Điều tra cơ bản về tài nguyên môi trường, phòng ngừa và hạn chế tác động xấu đốivới môi trường như: Lưới quan trắc môi trường tỉnh Phú thọ; các vùng ô nhiễmmôi trường nhạy cảm trên địa bàn tỉnh; đánh giá đa dạng sinh học vùng đất ngậpnước khu vực Đầm Ao Châu để có cơ sở dữ liệu về môi trường

- Xác định hệ thống mạng lưới điểm quan trắc và thực hiện quan trắc, lấy mẫu, phântích, cảnh báo ô nhiễm môi trường hàng năm trên địa bàn tỉnh Phú Thọ từ năm 2006đến năm 2010

- Xây dựng mô hình xử lý Asen trong nước sinh hoạt ở Bạch Hạc Việt Trì

- Nghiên cứu giải pháp chống sạt lở hệ thống đường giao thông khu vực Vườn Quốcgia Xuân Sơn

- Nghiên cứu khoanh vùng dự báo nứt sụt đất ở huyện Thanh Ba, tỉnh Phú

thọ

- Đề xuất các giải pháp phòng tránh và quy hoạch phục vụ phát triển bền

- Dự án quan trắc động thái nước dưới đất vùng đồng bằng phía Nam huyện

trơ ̣ giúp của các phần mềm chuyên nghiêp ở cać mứ c đô ̣ khać nhau

Hiện nay tỉnh Phú Thọ đã đo đạc địa chính và đang tiến hànhlập quy hoạch chi tiết đến 3 cấp tỉnh, huyện xã Tỉnh đã chỉ đạo các

xã phối hợp với đơn vị tư vấn lập quy hoạch chi tiết khu dân cư,vùng sản xuất gắn hệ thống giao thông, thủy lợi nội đồng, khu trungtâm xã, khu vực làng nghề thủ công…Sau khi có quy hoạch, các xãtiếp tục xây dựng nông thôn mới theo quy hoạch Trên cơ sở quyhoạch chi tiết vùng sản xuất, mỗi xã sẽ tiến hành dồn điền đổi thửa,

bố trí các vùng sản xuất nông nghiệp hàng hóa, phù hợp với điềukiện thổ nhưỡng

Tất cả các dự án nêu trên , tuy đaṭ đươc những kêt́ quả nhât́ điṇ h

nhưng vânthiếu tính hê ̣thống , tính gắn kết chặt chẽ trong một tổng thể và do đó còn gặp khó

khăn trong công tác quản lý lan h thổ và xử duṇ g hơp lý tài nguyên

Để thực hiện tốt những kế hoạch của tỉnh, cần có một hệthống cở sở dữ liệu đầy đủ, phục vụ cho nhiều mục tiêu , góp phầnvào việc lập quy hoach, cảnh báo ô nhiêm môi trường, bảo vệ môi

và

phát

triển

bền

vững.Đo

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm các diện tích tự nhiên trong ranh giớihành chính tỉnh Phú thọ Các

Hòa, Thanh Ba, Phù Ninh, Yên Lập, Cẩm Khê, Tam Nông, Lâm Thao, Thanh Sơn, Thanh Thủy, Tân Sơn

Đối tượng nghiên cứu gồm các yếu tố môi trường tự nhiên và kinh tế xã hội ,từ đó xây dưng c ác lớp thông tin cơ ban̉ như : mô hình số độ cao, hệ thống giaothông, hệ thống thủy văn, dân cư cơ sở hạ tầng, biên giới tỉnh, huyện, xã, và các lớpphủ thực vật Từ những dữ liệu cơ sở trên, xử lý số

thông tin chuyên đề về tài nguyên môi trường như: Chuyên đề về môi trường nước, môi trường đất, môi trường không khí, tài nguyên rừng

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện các nôi

• Phương pháp điều tra- khảo sát thực địa:

Tỉnh Phú Thọ là khu vực miền núi trung du bắc bộ, địa hình khá đa dạng,chủ yếu là đồi đất, địa hình chia cắt, khu vực phía tây và phía bắc của tỉnh chủ yếulà vùng núi trung bình, khu vực phía nam và tây nam có nhiều dãy núi cao, còn lạiphía đông và đông nam là đồng bằng, do địa hình rất đa dạng và phong phú, hội tụđầy đủ các dạng địa hình: Núi, đồi bát úp, đồi thoải lượn sóng, thung lũng và cáccánh đồng phù sa ven sông nên việc điều tra thực địa cũng gặp nhiều khó khăn.Chúng tôi đã

xem là phương pháp

cơ bản và đầu tiên

• Phương pháp GIS: