CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG THÔNG TIN MÔI TRƯỜNG
4.1 Một số khái niệm cơ bản
4.1.1 Hệ thống, ủặc trưng và cỏc thành phần của hệ thống
Hệ thống là một tập hợp cỏc phần tử khỏc nhau, giữa chỳng cú mối liờn hệ và tỏc ủộng qua lại theo một quy luật nhất ủịnh tạo thành một chỉnh thể, cú khả năng thực hiện ủược những chức năng cụ thể nhất ủịnh.
Mục tiờu của hệ thống là lý do tồn tại của nú và là cơ sở ủể ủỏnh giỏ sự thành cụng của hệ thống. Ranh giới của hệ thống xỏc ủịnh cỏi gỡ nằm trong hệ thống và cỏi gỡ nằm ngoài hệ thống. Mụi trường là mọi tỏc ủộng vào hệ thống hoặc bị tỏc ủộng bởi hệ thống nhưng nằm
56
ngoài ranh giới của hệ thống. ðầu vào là cỏc ủối tượng vật lý và thụng tin từ mụi trường xuyờn qua ranh giới ủể vào hệ thống. ðầu ra là cỏc ủối tượng vật lý và thụng tin ủi từ hệ thống ra mụi trường. Sơ ủồ tổng quỏt của hệ thống ủược trỡnh bày trờn Hỡnh 4.1
Hỡnh 4.1. Sơ ủố tổng quỏt của hệ thống
Phần tử là chất liệu cơ bản của hệ thống; ủược ủịnh tớnh bởi cỏc bộ phận, cỏc mụ ủun ... Phần tử gõy ảnh hưởng ớt nhiều lờn sự vận hành của hệ thống dưới cỏc khớa cạnh khỏc nhau. Thuộc tớnh của cỏc phần tử là tớnh chất/ủặc trưng của phần tử. Mọi thuộc tớnh ủều là sự biểu hiện bề ngoài cho sự tồn tại của một phần tử, ủể người ta quan sỏt và biết ủược nú. Quan hệ giữa cỏc phần tử cú tầm quan trọng sống cũn và tạo ra cho hệ thống cỏc ủặc trưng và cỏc ủiều kiện vận hành.
4.1.2 Công nghệ CSDL trong nghiên cứu môi trường 4.1.2.1 Phương pháp CSDL
CSDL là nơi lưu trữ dữ liệu ủể dựng cho nhiều chương trỡnh ứng dụng trong tổ chức.
CSDL cho phộp truy xuất dữ liệu một cỏch linh ủộng theo nhu cầu của nhà quản lý cho việc ra quyết ủịnh. Vỡ lý do này cú thể coi CSDL là trỏi tim của hệ thống thụng tin. Cỏc ủặc tớnh chủ yếu của một CSDL hiện ủại là:
- Là nơi lưu trữ tổng hợp những dữ liệu dựng chung ủể phục vụ cho yờu cầu của nhiều người sử dụng và nhiều chương trình ứng dụng.
- Nú phải cú ủược một cấu trỳc cú ý nghĩa lụgic ủối với cơ quan hay cỏ nhõn người sử dụng. Vớ dụ như dữ liệu về khớ tượng (như vận tốc giú, hướng giú, cường ủộ mưa) và dữ liệu cần thiết ủể chạy mụ hỡnh lan truyền, khuếch tỏn ụ nhiễm phải cú sự liờn kết với nhau.
- Sự trùng lắp dữ liệu phải là tối thiểu; có nghĩa là nếu có thể cùng một dữ liệu sẽ không lưu trữ tại nhiều nơi trong CSDL.
57
Cỏc dữ liệu thường ủược lưu trữ trờn ủĩa, CSDL ủũi hỏi phải thiết kế cẩn thận vỡ chúng lưu thông tin có cấu trúc theo tổ chức. Một phương diện quan trọng của quản lý là sử dụng phần mềm ủể quản lý tất cả dữ liệu truy xuất tới CSDL. Phần mềm này, chớnh là hệ quản trị CSDL, sẽ giao diện với người sử dụng và các chương trình ứng dụng và chính CSDL, do ủú sẽ cho phộp kiểm soỏt tập trung ủối với dữ liệu. Những ủặc tớnh chớnh của một hệ quản trị CSDL hiện ủại là:
- Phần mềm quản lý tất cả việc ủọc và viết của người sử dụng và cỏc chương trỡnh ứng dụng lên CSDL.
- Có khả năng trình bày một phần của CSDL cho người sử dụng xem theo yêu cầu của họ.
- Chỉ trình bày cách nhìn dữ liệu logic cho người sử dụng – chi tiết của dữ liệu lưu trữ và cỏch truy xuất dữ liệu sẽ ủược dấu.
- Bảo ủảm tớnh thống nhất.
- Cho phép phân quyền mức truy xuất khác nhau cho những người sử dụng khác nhau tới CSDL.
- Cho phộp người sử dụng ủịnh nghĩa CSDL.
- Cung cấp cỏc cụng cụ khỏc nhau ủể giỏm sỏt và kiểm soỏt CSDL.
Phương phỏp CSDL cú những ủiểm lợi sau ủõy: /[2]/:
- Giảm hoặc không có sự dư thừa dữ liệu.
- Cú thể duy trỡ ủược sự nhất quỏn dữ liệu.
- Cú thể ủộc lập dữ liệu và chương trỡnh.
- Chương trình và người sử dụng chỉ nhìn thấy cách quản lý logic về dữ liệu.
- Cho phép phát triển chương trình ứng dụng khi có thể dùng chung dữ liệu.
- Tăng cường tính tiêu chuẩn - Dễ thực hiện bảo mật.
4.1.2.2 Phương pháp CSDL trong nghiên cứu môi trường
Phương phỏp CSDL ủó phỏt triển trong rất nhiều ngành khoa học và kỹ thuật trong ủú cú mụi trường. Cỏch tiếp cận theo quan ủiểm CSDL cú nhiều ưu ủiểm nổi bật, ủặc biệt trong việc thiết lập mụ hỡnh mụ phỏng cỏc quỏ trỡnh diễn ra trong mụi trường (ủất, nước và khụng khớ). Thực vậy, ngày nay cỏc mụ hỡnh ủang ủược phức tạp húa một cỏch nhanh chúng nhằm ủạt ủược ủộ chớnh xỏc và sự tổng quỏt húa hơn. Hiện nay, trờn thế giới cỏc phương phỏp ứng dụng mụ hỡnh mụ phỏng cỏc quỏ trỡnh mụi trường ủang phỏt triển mạnh mẽ. Khuynh hướng này ngày càng mạnh do khả năng tớnh toỏn của cỏc mỏy tớnh hiện ủại ngày càng nhanh. Ở ủõy một trở ngại khụng nhỏ trong việc sử dụng cỏc mụ hỡnh phức tạp vào thực tế: ủú là chỳng ủũi hỏi một số lượng lớn dữ liệu cú bản chất khỏc nhau (khớ tượng, thủy văn, ủịa hỡnh, cỏc tham số húa lý, sinh học …). Cựng với việc yờu cầu tớnh chớnh xỏc và ủầy ủủ về dữ liệu là yờu cầu sao cho thụng tin (cỏc dữ liệu cần cho mụ hỡnh) ủược tổ chức cú phương phỏp và ủiều này dẫn ủến sự cần thiết phải nghiờn cứu ứng dụng phương phỏp tiếp cận cơ sở dữ liệu trong nghiờn cứu mô phỏng môi trường.
Những nghiờn cứu cơ bản về phương phỏp CSDL trong nghiờn cứu mụi trường ủược trình bày trong nhiều công trình, Bùi Tá Long và CTV. /[2] - [9]/. Trong công trình của hai nhà khoa học người Mỹ James P. Bennett và Margaret Buchen /xem [2] và tài liệu trích dẫn trong ủú / ủó nghiờn cứu xõy dựng CSDL về ảnh hưởng của ụ nhiễm khụng khớ lờn cõy cối.
58
Trong cụng trỡnh này, cỏc tỏc giả ủó xõy dựng CSDL tập hợp gần 10000 bài bỏo khoa học từ gần 4000 tạp chí khoa học trên thế giới về ảnh hưởng của ô nhiễm không khí lên cây cối.
4.1.3 Về vai trũ của cụng nghệ hệ thống thụng tin ủịa lý (GIS) trong nghiờn cứu mụi trường Thế kỷ XX là thế kỷ của những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực tin học, ủiện tử và nghiờn cứu vũ trụ. Những tiến bộ ủú ủó thỳc ủẩy sự phỏt triển của nhiều ngành khoa học, trong ủú cú ủịa lý và bản ủồ học.
Vào thế kỷ XX, khi mà việc nghiờn cứu ủịa lớ phỏt triển mạnh theo xu hướng ủịnh lượng, ủó nảy sinh những vấn ủề về dữ liệu khụng gian. Nghiờn cứu chuyờn ủề ủũi hỏi quỏ trỡnh ủiều tra, khảo sỏt, ủo ủạc thực ủịa ở những mức ủộ khỏc nhau, nhưng núi chung thường rất tỉ mỉ, ủể xỏc ủịnh cỏc ủặc ủiểm ủịnh tớnh và ủịnh lượng của cỏc thực thể ủịa lớ khụng chỉ ở một thời ủiểm, mà cũn trong những chu kỡ thời gian khỏc nhau. Những phương phỏp truyền thống trong quỏ trỡnh thu thập thụng tin khụng ủỏp ứng nổi cỏc nhu cầu về ủịa lớ. Ngày nay, các phương pháp và công nghệ tiên tiến trong thu thập và xử lí thông tin không gian như:
cụng nghệ ủịnh vị toàn cầu (GPS – Global Positioning System), trắc ủịa ảnh, viễn thỏm (bao gồm cả thụng tin mặt ủất và thụng tin khớ quyển),… ủó cho phộp trong một thời gian ngắn thu thập về một khối lượng thụng tin rất lớn … Mỏy tớnh ủiện tử là tiền ủề ủể phỏt triển cụng nghệ tự ủộng hoỏ thành lập bản ủồ. Sự tham gia của mỏy tớnh ủó cho ra ủời những mụ hỡnh bản ủồ mới cú nhiều ưu việt hơn: bản ủồ số, cơ sở dữ liệu bản ủồ, hệ thống thụng tin ủịa lớ.
Trong ủó ủưa ra những ủiểm mạnh của bản ủồ ủiện toỏn so với phương phỏp truyền thống, thể hiện ở các khía cạnh sau:
- Lập ra những bản ủồ cú chất lượng cao cả về nội dung và phương phỏp thể hiện, chất lượng ủồ hoạ, màu sắc.
- Rỳt ngắn thời gian làm bản ủồ ở mọi cụng ủoạn: biờn tập – thiết kế, biờn vẽ, in bản ủồ.
- Thụng tin bản ủồ chứa trong mỏy tớnh ủiện tử luụn luụn ủược cập nhật, hiệu chỉnh, chế biến, xử lớ linh hoạt, cho phộp bất cứ lỳc nào cũng cú thể lập ra những sản phẩm bản ủồ theo ý muốn và có tính thời sự cao.
- Tạo ra một số dạng sản phẩm bản ủồ mới: bản ủồ số, cơ sở dữ liệu bản ủồ lưu trữ trong ủĩa cứng hay ủĩa CD.
- Cho phép ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học khác, nhất là các phương pháp mô hình hoỏ toỏn học nhằm phõn tớch, chế biến dữ liệu bản ủồ và bổ sung thụng tin phi bản ủồ ủể tạo ra cỏc sản phẩm mới: bản ủồ chủ ủề mới, bản thiết kế, quy hoạch, thống kờ, dự bỏo, cỏc quyết ủịnh…
- Xõy dựng cỏc cơ sở dữ liệu bản ủồ (thay thế cỏc xờri bản ủồ) với nội dung thụng tin khụng hạn chế, sử dụng cho chuyờn ngành hoặc ủa ngành, ủa mục ủớch, khụng bị hạn chế khắt khe về không gian, tỉ lệ, kích thước….
- Cú cỏc quy tắc bảo mật dữ liệu và cung cấp cho người sử dụng với những mức ủộ khỏc nhau.
- Tạo ủiều kiện cho cỏc quỏ trỡnh tiếp theo: sử dụng bản ủồ, tự ủộng hoỏ chế bản và in bản ủồ.
Sự hỡnh thành hệ thống thụng tin ủịa lý như một hướng khoa học của ngành bản ủồ học diễn ra cỏch ủõy khụng lõu. Theo ý kiến khỏ thống nhất của cỏc chuyờn gia, năm 1964, ở Canaủa ra ủời hệ thống CGIS (Canadian Geographic Information System), ủược coi là hệ thống thụng tin ủịa lớ ủầu tiờn trờn thế giới. ðến năm 1990 ủó cú khoảng 4000 hệ thống GIS.
GIS phỏt triển mạnh và cú ủịnh hướng rừ rệt kể từ ủầu thập kỉ 90 trở lại ủõy và rất hoàn chỉnh
59
vào năm 2000. đã có nhiều ựịnh nghĩa về GIS xuất phát từ những quan ựiểm khác nhau, nhưng ủịnh nghĩa cú lẽ hợp lý nhất ESRI: ”GIS là một tập hợp cú tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm mỏy tớnh, dữ liệu ủịa lớ và con người, ủược thiết kế nhằm mục ủớch nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, ủiều khiển, phõn tớch và kết xuất tất cả những dạng thụng tin liờn quan ủến vị trớ ủịa lớ” .
Theo giỏo sư khoa ủịa lý trường ðại học tổng hợp quốc gia Lụmụnụxốp của nước Nga Berliant A.M, chuyờn gia hàng ủầu về hệ thống thụng tin ủịa lý (GIS), GIS phỏt triển như một sự tiếp nối trực tiếp phương pháp tiếp cận tổng hợp và hệ thống trong một môi trường thông tin ủịa lý. GIS ủược ủặc trưng bởi mức ủộ tự ủộng húa cao, dựa trờn nền tảng cỏc dữ liệu bản ủồ ủó ủược số húa và dựa trờn cơ sở tri thức, phương phỏp tiếp cận hệ thống trong biểu diễn và phõn tớch cỏc hệ thống ủịa vật lý. Dạng bản ủồ ủặc biệt này ủặc trưng bởi tớnh tỏc vụ, ủối thoại và sử dụng cỏc phương tiện mới trong xõy dựng, thiết kế bản ủồ. ðặc tớnh ủầu tiờn của GIS là tớnh ủa phương ỏn cho phộp ủỏnh giỏ nhiều khớa cạnh khỏc nhau của tỡnh huống va cỏc giải phỏp ủa dạng. ðặc tớnh tiếp theo của GIS là tớnh ủa mụi trường (multimedia) nhờ ủú cú thể kết hợp cỏc biểu diễn văn bản, õm thanh và cỏc ký hiệu. Nhưng cú lẽ ủặc ủiểm lớn nhất của cỏc cụng nghệ mới là chỳng ủưa chỳng ta tới nhiều dạng biểu diễn mới: bản ủồ ủiện tử, cỏc mụ hỡnh mỏy tớnh 3 chiều và mụ hỡnh ủộng dạng phim,…
Hệ thống thụng tin ủịa lý hiện nay cú sự liờn hệ chặt chẽ với viễn thỏm và cỏc phương pháp mô phỏng toán học, các hệ thống vệ tinh. Như giáo sư Berlant A.M. nhận xét một trong những hướng chuyờn sõu của hướng hệ thống thụng tin ủịa lý là thiết lập bản ủồ một cỏch nhanh chúng, nghĩa là gắn với bài toỏn mụ phỏng húa bản ủồ trong chế ủộ thời gian thực hoặc gần với thời gian thực với mục tiờu nhanh chúng nhận ủược kết quả nhằm thụng bỏo cho người sử dụng và nhanh chúng can thiệp vào quỏ trỡnh ủang diễn ra. Giỏo sư Berliant A.M.
hiểu thời gian thực ở ủõy là tốc ủộ ủảm bảo xử lý thụng tin nhanh chúng ủối với những thụng tin thu nhận ủược, nghĩa là phải nhanh chúng thể hiện bằng bản ủồ ủể ủỏnh giỏ, quản lý, kiểm soỏt cỏc quỏ trỡnh và cỏc hiện tượng (cũng ủang thay ủổi với tốc ủộ nhanh).
Tầm quan trọng của cụng nghệ GIS ủược khẳng ủịnh trong phỏt biểu của tổng thống Mỹ Bill Clinton “Hệ thống thụng tin ủịa lý ủó trở thành khõu ủột phỏ trong bài toỏn hỗ trợ cho sự phát triển kinh tế, sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên và bảo vệ môi trường. Các công nghệ hiện ủại cho phộp giải quyết một cỏch cú hiệu quả bài toỏn thu nhận, truyền, phõn tớch, trực giỏc húa cỏc dữ liệu gắn kết với khụng gian, thiết lập cỏc dữ liệu bản ủồ” (trớch ủoạn trong công lệnh năm 1994 “Về việc xây dựng cơ sở hạ tầng quốc gia các dữ liệu gắn kết với không gian”).
4.1.4 Công nghệ mạng và công dụng của nó
Vào những năm 80 của thế kỷ trước khi các máy PC mới xuất hiện, các chương trình phần mềm chỉ ủược phỏt triển cho một người sử dụng ủơn lẻ. Khi ủú việc kết nối mỏy PC hầu như khụng ủem lại những lợi ớch rừ rệt và cụng nghệ lỳc bấy giờ chưa thể thực hiện ủược ủiều ủú. Khi cỏc mỏy tớnh trở nờn phổ biến trong ủời sống con người, và khi cỏc chuyờn gia bắt ủầu ủưa ra những phần mềm phức tạp ủược thiết kế cho nhiều người sử dụng, nhiều tổ chức nhanh chóng nhận thấy tầm quan trọng của việc kết nối các máy PC. Việc truyền thông dữ liệu, tức việc truyền tải thụng tin bằng phương thức ủiện tử giữa cỏc mỏy tớnh, ủó trở thành một tõm ủiểm chỳ ý của ngành cụng nghiệp mỏy tớnh. Sự phỏt triển nhanh chúng của Internet cũng thỳc ủẩy sự phổ biến của truyền thụng dữ liệu.
Các mạng có thể bao gồm tất cả các máy tính và các thiết bị trong một phòng ban, một tũa nhà, hoặc nhiều tũa nhà trải rộng trờn một khu ủịa lý rộng. Qua việc gắn kết nhiều mạng
60
riêng lẻ thành một mạng quy mô lớn duy nhất (như Internet), mọi người trên khắp thế giới có thể chia sẻ các thông tin như họ chỉ cách nhau một căn phòng.
Một mạng là một cỏch nối kết cỏc mỏy tớnh sao cho chỳng cú thể liờn lạc, trao ủổi thông tin, và chia sẻ (dùng chung) các tài nguyên theo thời gian thực. Các mạng cho phép nhiều người sử dụng truy xuất các dữ liệu và chương trình dùng chung một cách tức thời. Khả năng này cho phép những người sử dụng riêng lẻ không cần phải lưu giữ những bản sao riêng biệt của các dữ liệu và các chương trình trên các máy tính của riêng họ. Những lợi ích quan trọng nhất của mạng là :
- Truy xuất ủồng thời tới cỏc chương trỡnh và dữ liệu trọng yếu;
- Chia sẻ các thiết bị ngoại vi, chẳng hạn như các máy in và máy quét hình;
- Cải thiện tính hiệu quả của việc truyền thông cá nhân;
- Tiến trình sao lưu dự phòng dễ dàng hơn.