Xem mẫu
- KIỀU QUỐC LẬP (Chủ biên) - NGÔ VĂN GIỚI
GIÁO TRÌNH
HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ
NHÀ XUẤT BẢN NÔNG NGHIỆP
Hà Nội - 2018
1
- 2
- LỜI NÓI ĐẦU
Thế giới đang bước vào cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 với những đột phá chưa
từng có về công nghệ, liên quan đến kết nối Internet, điện toán đám mây, in 3D, công
nghệ cảm biến, thực tế ảo, phân tích không gian,... Cuộc cách mạng này được dự đoán
sẽ tác động mạnh mẽ đến mọi quốc gia và vùng lãnh thổ, làm thay đổi căn bản phương
thức học tập, nghiên cứu và làm việc. Trong bối cảnh đó nhân loại phải thích ứng kịp thời
với sự phát triển của khoa học công nghệ.
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) là một nhánh của
công nghệ thông tin, hình thành từ những năm 60 của thế kỷ XX và phát triển rất mạnh
trong những thập niên gần đây. GIS đã trở thành công cụ trợ giúp quyết định trong hầu
hết các hoạt động kinh tế, xã hội, an ninh, quốc phòng, đối phó với thảm họa thiên tai,
quản lý tài nguyên và giám sát môi trường. GIS đã trở thành một học phần bắt buộc
trong chương trình đào tạo bậc đại học của nhiều chuyên ngành thuộc khối ngành khoa
học Trái đất - mỏ. Để phục vụ mục đích học tập và nghiên cứu chúng tôi tiến hành biên
soạn giáo trình “Hệ thống thông tin địa lý”. Giáo trình cung cấp những kiến thức cơ bản
nhất về GIS, cơ sở dữ liệu, các chức năng của GIS, phần mềm ứng dụng và triển vọng
phát triển GIS. Giáo trình cũng giới thiệu khái quát về phần mềm MapInfo và một số bài
toán ứng dụng cụ thể, nhằm tăng cường kỹ năng thực hành và ứng dụng cho sinh viên.
Giáo trình “Hệ thống thông tin địa lý” là tài liệu học tập cho sinh viên các ngành Địa
lý Tự nhiên, Khoa học Môi trường, Quản lý Tài nguyên và Môi trường của trường Đại học
Khoa học - Đại học Thái Nguyên đồng thời cũng là tài liệu tham khảo phục vụ các chuyên
ngành liên quan như: địa chất, trắc địa - bản đồ, quản lý đất đai, quản lý đô thị, phát
triển nông thôn.
Trong quá trình biên soạn, mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn sẽ còn nhiều
sai sót và hạn chế, rất mong nhận được sự góp ý của đồng nghiệp và sinh viên. Tập thể
tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các nhà khoa học, quý đồng nghiệp và các tác giả đã góp ý
và cung cấp tài liệu tham khảo cho Giáo trình được hoàn thiện.
Trân trọng cảm ơn!
Tập thể tác giả
3
- 4
- MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 3
Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ GIS 9
1.1. Khái niệm về GIS 9
1.2. Nguồn gốc và lịch sử phát triển GIS 10
1.3. Mối quan hệ giữa GIS và các ngành khoa học khác 13
1.4. Các bộ phận cấu thành GIS 15
1.5. Các đặc điểm của GIS 17
1.6. Các lĩnh vực ứng dụng của GIS 21
Chương 2: CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS 23
2.1. Khái quát về cơ sở dữ liệu GIS 23
2.2. Cơ sở dữ liệu bản đồ 23
2.2.1. Khái niệm về bản đồ, mối quan hệ giữa bản đồ và GIS 23
2.2.2 Các tính chất của bản đồ 24
2.2.3. Các yếu tố của bản đồ 25
2.2.4. Hệ quy chiếu và hệ tọa độ dùng ở Việt Nam 26
2.3. Cấu trúc cơ sở dữ liệu GIS 27
2.3.1. Cơ sở dữ liệu không gian 27
2.3.2. Cơ sở dữ liệu thuộc tính 28
2.4. Các mô hình dữ liệu không gian 30
2.4.1. Mô hình dữ liệu vector 30
2.4.2. Mô hình dữ liệu raster 37
2.4.3. So sánh và chuyển đổi mô hình dữ liệu vector - raster 42
2.5. Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS 46
Chương 3: CÁC CHỨC NĂNG CỦA GIS 48
3.1. Chức năng nhập dữ liệu 48
5
- 3.1.1. Khái quát về chức năng nhập dữ liệu 48
3.1.2. Các phương pháp nhập dữ liệu trong GIS 49
3.1.3. Lựa chọn phương pháp nhập dữ liệu 51
3.2. Chức năng lưu trữ và quản lý dữ liệu 52
3.2.1. Khái quát về chức năng lưu trữ và quản lý dữ liệu 52
3.2.2. Các phương tiện lưu trữ và quản lý dữ liệu 53
3.2.3. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu GIS 54
3.2.4. Lưu trữ và quản lý dữ liệu không gian 55
3.2.5. Lưu trữ và quản lý dữ liệu thuộc tính 57
3.3. Chức năng phân tích dữ liệu 58
3.3.1. Khái quát về chức năng phân tích dữ liệu 58
3.3.2. Một số thuật toán trong phân tích dữ liệu GIS 59
3.3.3. Một số phương pháp phân tích dữ liệu GIS 65
3.3.4. Quy trình phân tích dữ liệu địa lý 72
3.4. Chức năng hiển thị và xuất dữ liệu 76
3.4.1. Khái quát về chức năng hiển thị và xuất dữ liệu 76
3.4.2. Hiển thị dữ liệu 76
3.4.3. Xuất dữ liệu 77
Chương 4: PHẦN MỀM ỨNG DỤNG VÀ TRIỂN VỌNG CỦA GIS 79
4.1. Các phần mềm ứng dụng của GIS 79
4.1.1. Tổng quan phần mềm GIS 79
4.1.2. Một số phần mềm GIS phổ biến 79
4.2. Triển vọng phát triển của GIS 90
4.2.1. Bản đồ di động và thế giới ảo 90
4.2.2. GIS và công nghệ viễn thám 93
4.2.3. Web GIS 94
4.2.4. GIS mã nguồn mở 96
Chương 5: MỘT SỐ BÀI TOÁN ỨNG DỤNG CỦA GIS TRÊN PHẦN
MỀM MAPINFO PROFESSIONAL 98
5.1. Giới thiệu phần mềm MapInfo 98
5.1.1. Khái quát chung về phần mềm MapInfo 98
6
- 5.1.2. Tổ chức thông tin trong MapInfo 99
5.1.3. Cài đặt và khởi động MapInfo 100
5.1.4. Thanh công cụ và Menu trong MapInfo 15.0 102
5.2. Một số bài tập thực hành trên phần mềm MapInfo 115
5.2.1. Xây dựng dữ liệu bản đồ từ dữ liệu truyền thống 115
5.2.2. Xây dựng dữ liệu bản đồ từ dữ liệu số 118
5.2.3. Tạo lập, chỉnh sửa và chuyển đổi dữ liệu 121
5.2.4. Bài toán phân tích không gian GIS 126
5.2.5. Thành lập bản đồ chuyên đề 128
5.2.6. Làm việc với bảng dữ liệu thuộc tính 130
5.2.7. Trình bày và in ấn bản đồ 130
TÀI LIỆU THAM KHẢO 135
7
- 8
- Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ GIS
1.1. Khái niệm về GIS
GIS (viết tắt của cụm từ Geographic Information System) là một nhánh của công
nghệ thông tin, đã hình thành từ những năm 60 của thế kỷ XX và phát triển rất mạnh
trong những thập niên gần đây. GIS được sử dụng nhằm xử lý đồng bộ các lớp thông tin
không gian (bản đồ) gắn với các thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và
quản lý các hoạt động theo lãnh thổ.
Ngày nay ở nhiều quốc gia trên thế giới, GIS đã trở thành công cụ trợ giúp quyết
định trong hầu hết các hoạt động kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng, đối phó với thảm
họa, thiên tai, v.v... GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý,
các doanh nghiệp, các tổ chức và cá nhân trong đánh giá hiện trạng của các quá trình,
các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy
vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền bản đồ số nhất quán trên
cơ sở tọa độ của các dữ liệu bản đồ đầu vào.
Để hiểu được khái niệm về Hệ thống Thông tin Địa lý - GIS, trước hết chúng ta cần
hiểu được các cụm từ “Hệ thống”, “Hệ thống thông tin” và “Thông tin địa lý”. Theo từ
điển bách khoa toàn thư, Hệ thống (Systems) là tập hợp các phần tử có quan hệ hữu cơ
với nhau, tác động chi phối lẫn nhau theo các quy luật nhất định để trở thành một chỉnh
thể. Hệ thống thông tin (Information Systems) là một hệ thống bao gồm các yếu tố có
quan hệ với nhau cùng làm nhiệm vụ thu thập, xử lý, lưu trữ và phân phối thông
tin và dữ liệu. Thông tin địa lý (Geographical Information) là loại thông tin cho biết đặc
điểm đối tượng và vị trí của đối tượng đó.
Có nhiều định nghĩa về GIS, như:
(1) GIS là một tập hợp các phần cứng, phần mềm máy tính cùng với các thông tin
địa lý. Tập hợp này được thiết kế để thu thập, lưu trữ, cập nhật, thao tác, phân tích, thể
hiện tất cả các hình thức thông tin mang tính không gian (R. Tomlinson).
(2) GIS là một hệ thống máy tính có khả năng lưu trữ và sử dụng dữ liệu mô tả các
vị trí (nơi) trên bề mặt Trái đất - Một hệ thống được gọi là GIS nếu nó có các công cụ
hỗ trợ cho việc thao tác với dữ liệu không gian (Viện Không gian Địa cầu Trung Quốc).
(3) GIS là công cụ trên cơ sở máy tính để lập bản đồ và phân tích những hiện tượng
đang tồn tại và các sự kiện xảy ra trên Trái đất (Viện Nghiên cứu hệ thống Môi trường
Mỹ - ESRI).
(4) GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục được thiết kế nhằm thu
thập, xử lý, phân tích, mô hình hóa và hiển thị các dữ liệu quy chiếu không gian để giải
9
- quyết các vấn đề quản lý và lập kế hoạch (Trung tâm Quốc gia về phân tích thông tin
địa lý Mỹ - NCGIA).
Từ những khái niệm trên có thể thấy những điểm chung thống nhất quan niệm về
GIS: là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị
ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý phục vụ một mục đích
nghiên cứu, quản lý nhất định.
Xét dưới góc độ là công cụ, GIS dùng để thu thập, lưu trữ, biến đổi, hiển thị các
thông tin không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể.
Xét dưới góc độ là phần mềm, GIS là hệ thống các phần mềm nhằm xử lý thông tin
không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tượng. Có thể nói
các chức năng phân tích không gian đã tạo ra diện mạo riêng cho GIS.
Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một
công nghệ xử lý các dữ liệu có tọa độ để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết
định phục vụ các nhà quản lý.
Xét dưới góc độ hệ thống, GIS là hệ thống gồm các hợp phần: phần cứng, phần
mềm, cơ sở dữ liệu, phương pháp và con người.
1.2. Nguồn gốc và lịch sử phát triển GIS
GIS ra đời đánh dấu một cuộc cách mạng trong việc mô hình hoá các sự vật, hiện
tượng trên bề mặt Trái đất. GIS là một trong các công cụ quan trọng khi ra quyết định,
chúng có thể giúp ta trong bất kỳ lĩnh vực nào và càng trở nên quan trọng trong cuộc
sống hàng ngày của con người. Những tiến bộ của GIS là kết quả kết hợp của rất nhiều
công nghệ, các lĩnh vực khác nhau. Cơ sở dữ liệu (Database), thành lập bản đồ, viễn
thám (Remote sensing), toán học, lập trình, địa lý, thiết kế với sự trợ giúp của máy tính
(CAD) và khoa học máy tính là những nhân tố quan trọng trong sự phát triển của GIS.
Để nghiên cứu nguồn gốc, lịch sử hình thành và phát triển của GIS cần điểm lại các
mốc thời gian quan trọng sau:
(1) Thời kỳ trước những năm 1960: Đây có thể coi là thời kỳ sơ khai, khởi nguồn
của công nghệ GIS. Năm 1940 ngành đồ họa máy tính (Computer Graphics) bắt đầu
hình thành và phát triển. Nhiều người cho rằng, nguồn gốc GIS chính là việc tạo các bản
đồ chuyên đề bằng máy tính. Các nhà quy hoạch sử dụng phương pháp chồng xếp bản
đồ (Overlay), phương pháp này được mô tả một cách có hệ thống lần đầu tiên bởi
Jacqueline Tyrwhitt trong cuốn sổ tay quy hoạch vào năm 1950, kỹ thuật này còn được
sử dụng trong việc tìm kiếm vị trí thích hợp cho các công trình được quy hoạch.
(2) Thời kỳ 1960 - 1980: Đây là giai đoạn ra đời và xây dựng ý tưởng GIS.
Năm 1962, Roger Tomlinson khởi xướng, lên kế hoạch và chỉ đạo trực tiếp việc
phát triển của hệ thống địa lý Canada (CGIS). Đây là một thời điểm quan trọng trong
lịch sử của GIS và nhiều người cho rằng CGIS là gốc của GIS, đồng thời xem Roger
10
- Tomlinson là cha đẻ của GIS. Thuật ngữ “Geographic Information System” được Roger
Tomlinson đưa ra đầu tiên trong bài báo “A Geographic Information System for
Regional Planning” của ông năm 1968. Hệ thống CGIS được sử dụng để lưu trữ, phân
tích và thao tác trên dữ liệu được thu thập cho công tác điều tra đất (sử dụng các đặc
tính của đất, hệ thống thoát nước và khí hậu để xác định khả năng trồng các loại cây
trồng và các vùng trồng rừng). Họ nhanh chóng nhận ra rằng dữ liệu chính xác và phù
hợp là rất quan trọng để quy hoạch đất đai và ra quyết định.
Bên cạnh Canada, nhiều trường đại học ở Mỹ cũng tiến hành nghiên cứu và xây
dựng GIS. Trong các GIS được tạo ra cũng có rất nhiều hệ không tồn tại được lâu vì nó
được thiết kế cồng kềnh mà giá thành lại cao. Lúc đó người ta đặt lên hàng đầu việc
khắc phục những khó khăn nảy sinh trong quá trình xử lý các số liệu đồ họa
truyền thống lên hàng đầu. Họ tập trung giải quyết vấn đề đưa bản đồ, hình dạng, hình
ảnh, số liệu vào máy tính bằng phương pháp số để xử lý các dữ liệu này. Tuy kỹ thuật
số hóa đã được sử dụng từ năm 1950 nhưng điểm mới của giai đoạn này chính là các
bản đồ được số hóa có thể liên kết với nhau để tạo ra một bức tranh tổng thể về tài
nguyên thiên nhiên của một khu vực. Từ đó máy tính được sử dụng và phân tích các đặc
trưng của các nguồn tài nguyên đó, cung cấp các thông tin bổ ích, kịp thời cho việc quy
hoạch. Việc hoàn thiện một GIS còn phụ thuộc vào công nghệ phần cứng mà ở thời kỳ
này các máy tính IBM 1401 còn chưa đủ mạnh. Giai đoạn này đánh dấu sự ra đời của
GIS chủ yếu được phục vụ cho công tác điều tra quản lý tài nguyên.
Trong năm 1964, Howard T. Fisher lập phòng thí nghiệm đồ họa máy tính và phân
tích không gian ở Harvard, nơi mà một số khái niệm trong kiểm soát dữ liệu không gian
được phát triển. Sau đó phòng thí nghiệm đồ họa máy tính đã phân phối mã nguồn và hệ
thống phần mềm như SYMAP, GRID và ODYSSEY, đây được xem là nguồn gốc của
các sự phát triển các phần mềm thương mại ngày nay. Năm 1968, Hội địa lý quốc tế đã
quyết định thành lập Ủy ban thu thập và xử lý dữ liệu địa lý.
Trong những năm 70 ở Bắc Mỹ đã có sự quan tâm nhiều hơn đến việc bảo vệ môi
trường và phát triển GIS. Cũng trong khung cảnh đó, hàng loạt yếu tố đã thay đổi một
cách thuận lợi cho sự phát triển của GIS, đặc biệt là sự giảm giá thành cùng với sự tăng
kích thước bộ nhớ, tăng tốc độ tính toán của máy tính. Chính nhờ những thuận lợi này
mà GIS dần dần được thương mại hóa. Đứng đầu trong lĩnh vực thương mại phải kể đến
các công ty như ESRI, GIMNS, Intergraph,... Chính ở thời kỳ này đã xảy ra “loạn
khuôn dạng dữ liệu” và vấn đề phải nghiên cứu khả năng giao diện giữa các khuôn
dạng. Năm 1977 đã có 54 GIS khác nhau trên thế giới. Bên cạnh GIS, thời kỳ này còn
phát triển mạnh mẽ các kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám. Một hướng nghiên cứu kết hợp
GIS và viễn thám được đặt ra và cùng bắt đầu thực hiện.
(3) Thời kỳ 1980 - 2000: Giai đoạn phát triển phần mềm thương mại GIS.
Đầu những năm 1980, khi kích thước bộ nhớ và khả năng đồ họa của máy tính được
cải thiện đã đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống các phần mềm GIS. Đầu tiên
11
- phải kể đến M&S Computer (mà sau này trở thành Intergraph) cùng với Bentley
Systems Incorporated xây dựng nền tảng hệ thống CAD, ESRI (Environmental Systems
Research Institute), CARIS (Computer Aided Resource Information System), ERDAS
(Earth Resource Data Analysis System) nổi lên như những phần mềm thương mại GIS.
Hệ thống phần mềm này đã thành công trong việc kết hợp nhiều đặc trưng của CGIS,
kết hợp phương pháp thời kỳ đầu là tách thông tin không gian và thuộc tính với phương
pháp thời kỳ thứ hai là sắp xếp thuộc tính vào trong những cấu trúc CSDL. Cùng với đó
là sự phát triển của hai hệ thống công cộng là MOSS và GRASS GIS.
Một trong những nhà cung cấp phần mềm GIS là ESRI, hiện là công ty phần mềm
GIS lớn nhất trên thế giới. Năm 1982, ARC/INFO chạy trên máy tính mini được phát
hành và vào năm 1986, PC ARC/INFO đã được giới thiệu chạy trên các máy tính chạy
bộ vi xử lý của Intel. ESRI hiện tại là chuyên gia hàng đầu thế giới trong việc phát triển
phần mềm GIS và đã đóng một vai trò quan trọng trong lịch sử của GIS.
Ở thời điểm này, các hội nghị đầu tiên và các xuất bản về GIS đã diễn ra. Hội nghị
ESRI tổ chức đầu tiên vào năm 1981 thu hút sự tham gia của 18 thành viên. Các nhà tư
vấn về GIS đã bắt đầu xuất hiện. Thập kỷ 80 được đánh dấu bởi các nhu cầu sử dụng
GIS ngày càng tăng với các quy mô khác nhau. Người ta tiếp tục giải quyết những tồn
tại của những năm trước mà nổi lên là vấn đề số hóa dữ liệu: sai số, chuyển đổi khuôn
dạng dữ liệu,... Thời kỳ này có sự nhảy vọt về tốc độ tính toán, sự mềm dẻo trong việc
xử lý dữ liệu không gian. Thập kỷ này được đánh dấu bởi sự nảy sinh các nhu cầu mới
trong ứng dụng GIS như: khảo sát thị trường, đánh giá khả thi các phương án quy
hoạch, sử dụng tối ưu các nguồn tài nguyên, các bài toán giao thông, cấp thoát nước...
Có thể nói đây là thời kỳ bùng nổ GIS.
Những năm đầu của thập kỷ 90 được đánh dấu bằng việc nghiên cứu sự hoà nhập
giữa viễn thám và GIS. Các nước Bắc Mỹ và châu Âu gặt hái được nhiều thành công
trong lĩnh vực này. Khu vực châu Á - Thái Bình Dương cũng đã thành lập được nhiều
trung tâm nghiên cứu viễn thám và GIS. Rất nhiều hội thảo quốc tế về ứng dụng viễn
thám và GIS được tổ chức nhằm trao đổi kinh nghiệm và thảo luận về khả năng phát
triển các ứng dụng của công nghệ GIS.
(4) Thời kỳ 2000 - nay: Bước sang thế kỷ XXI, GIS thực sự trở thành một công cụ
có tầm ảnh hưởng sâu rộng, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, ngành nghề khác nhau. Sự
phát triển GIS trong giai đoạn này đánh dấu bằng sự tăng vọt về số người sử dụng, sự
phát triển mạnh mẽ về tốc độ xử lý và sự bùng nổ các phần mềm mã nguồn mở.
Đầu những năm 2000 là thời kỳ quan trọng đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ của
công nghệ thông tin, trong đó có GIS. Phần mềm GIS đã có thể xử lý cả dữ liệu vector
và raster. Có nhiều vệ tinh được phóng lên quỹ đạo, dữ liệu được thu thập từ không gian
có thể được sử dụng trong GIS. Bộ vi xử lý máy tính và Card đồ họa mạnh hơn rất
nhiều so với trước đây. Dữ liệu GIS đã trở nên phổ biến hơn. Dữ liệu TIGER, hình ảnh
vệ tinh Landsat và thậm chí cả dữ liệu LiDAR có thể tải về miễn phí. Kho trực tuyến
12
- như ArcGIS Online với khối lượng rất lớn các dữ liệu không gian. Các chức năng, các
yêu cầu mới dường như là vô tận và vượt ra ngoài khả năng của các sản phẩm phần
mềm GIS thương mại.
Cùng với sự kết hợp của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đã đem lại cho người sử
dụng nhiều công cụ hơn so với trước đây. GPS đã dẫn đường cho các sản phẩm sáng tạo
vĩ đại như hệ thống định vị xe hơi và máy bay không người lái. Cánh cửa cho GIS và
GPS phát triển đã bắt đầu mở ra. Điều này đưa chúng ta đến giai đoạn phát triển tiếp
theo trong lịch sử của GIS: sự bùng nổ phần mềm nguồn mở. Phần mềm mã nguồn mở
nổi lên với sự thay đổi lớn của người sử dụng GIS trong việc xây dựng phần mềm GIS
của riêng họ theo dạng cộng tác. Ưu điểm lớn nhất là người sử dụng được dùng miễn
phí. Phần mềm mã nguồn mở đang trở thành xu hướng chủ đạo ngày nay. Chúng ta
đang dần bước vào một kỷ nguyên của phần mềm GIS nguồn mở ví dụ như phần mềm
QGIS. Mặc dù vậy vẫn luôn có một chỗ cho các phần mềm GIS thương mại. Các công
ty phần mềm giống như ESRI cung cấp các giải pháp đến thực tế bất kỳ các bài toán về
không gian tồn tại ngày nay.
Như vậy, qua từng giai đoạn phát triển GIS đã trở thành một công cụ máy tính cần
thiết để lưu trữ và thao tác dữ liệu địa lý. Hiện nay, GIS trở thành một công nghệ mới,
chịu trách nhiệm cho các quyết định quan trọng nhất của Trái đất chúng ta đang phải đối
mặt. Các công ty, tổ chức, chính phủ áp dụng GIS bởi vì nó là một công cụ để giúp đưa
ra quyết định dựa trên tri thức.
Ở Việt Nam, từ những năm cuối thập niên 80 của thế kỷ XX, GIS bắt đầu thâm nhập
qua các dự án hợp tác quốc tế. Tuy nhiên, cho đến giữa thập niên 90, GIS mới có cơ hội
phát triển ở Việt Nam. GIS ngày càng được nhiều người biết đến như một công cụ hỗ trợ
quản lý trong các lĩnh vực như quản lý tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường, quản
lý đất đai, quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội,... Hiện nay, nhiều cơ quan Nhà nước và
doanh nghiệp đã và đang tiếp cận công nghệ GIS để giải quyết các bài toán của mình như:
quản lý môi trường, tài nguyên hoặc thực hiện các bài toán quy hoạch sử dụng đất, quản
lý và thiết kế các công trình hạ tầng kỹ thuật. Sự phát triển của GIS với nhiều ứng dụng
hữu hiệu đã thu hút sự quan tâm của nhiều người và những ứng dụng ngày càng phong
phú đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của GIS tại Việt Nam.
1.3. Mối quan hệ giữa GIS và các ngành khoa học khác
Giống như các ngành khoa học ứng dụng khác, trong quá trình phát triển của mình,
công nghệ GIS luôn liên quan mật thiết với các ngành khoa học khác như: khoa học
máy tính, địa lý học, bản đồ học, trắc địa, viễn thám, quản trị dữ liệu, toán học,...
- Khoa học máy tính: Máy tính là một trong các thành phần của công nghệ GIS, dựa
trên cơ sở nền tảng của các bộ xử lý (CPU), hệ điều hành các phần mềm GIS không
ngừng phát triển và hoàn thiện. Có thể nói sự phát triển của công nghệ máy tính sẽ
quyết định sự phát triển và phạm vi ứng dụng của công nghệ GIS.
13
- - Địa lý học: Dữ liệu GIS sử dụng là dữ liệu địa lý, tức là dữ liệu gắn với không
gian, đồng thời mang các đặc điểm thuộc tính kèm theo. Địa lý học vừa là khoa học
cung cấp dữ liệu, đồng thời là ngành ứng dụng công nghệ GIS nhiều nhất. Đặc biệt, địa
lý học hiện đại thiên về phân tích không gian đa chiều, đánh giá theo phương pháp định
lượng thì việc sử dụng công cụ GIS càng phổ biến.
Máy tính
Tin học
Toán học Địa lý học,
Bản đồ học
GIS
Khoa học Trắc địa và
khác viễn thám
Quản trị
dữ liệu
Hình 1.1: Mối quan hệ GIS với các ngành khoa học khác
- Ngành bản đồ học: Bản đồ là ngành khoa học thể hiện các đối tượng địa lý trên bề
mặt Trái đất. Dữ liệu bản đồ là một thành phần chính trong cơ sở dữ liệu của GIS. Sự phát
triển của ngành bản đồ sẽ giúp cho GIS hoàn thiện các chức năng xử lý dữ liệu không gian.
Dữ liệu bản đồ được xem như dữ liệu đầu vào và là sản phẩm đầu ra của GIS.
- Ngành trắc địa và viễn thám: Các dữ liệu trong GIS luôn gắn chặt với thế giới
thực. Cơ sở toán học đảm bảo cho sự liên kết mạng lưới tọa độ thống nhất (hệ tọa độ
quốc gia). Ngành trắc địa cung cấp các số liệu tọa độ Nhà nước chính xác và thống nhất.
Các thông tin quản lý trong GIS phần lớn là thông tin tĩnh, tức là chúng là những thông
tin về những sự vật và hiện tượng đã xảy ra ở tại một thời điểm hoặc một khoảng thời
gian nhất định nào đó. Để có thể đổi mới và cập nhật thông tin trong GIS cho phù hợp
với những biến đổi đã xảy ra ở thời điểm hiện tại cần phải có các số liệu, tư liệu mới về
chúng và nguồn thông tin mới có thể được thu nhận nhanh chóng và cập nhật cho hệ
GIS là các ảnh hàng không hoặc ảnh viễn thám.
- Ngành khoa học quản trị dữ liệu: Các dữ liệu trong GIS được tổ chức và quản lý
dựa trên nền tảng nguyên tắc của các phần mềm quản trị dữ liệu. Cơ sở dữ liệu cũng là
một thành phần cơ bản của hệ GIS. Sự phát triển và hoàn thiện của hệ thống quản trị dữ
liệu sẽ giúp cho GIS hoàn thiện chức năng quản lý cơ sở dữ liệu của mình tối ưu hơn.
- Ngành toán học: Các chức năng xử lý của GIS luôn gắn liền với các thuật toán cụ
thể trong toán học. Sự hoàn thiện trong việc giải quyết các thuật toán ứng dụng đã giúp
cho các nhà lập trình phần mềm GIS có thêm khả năng mở rộng và hoàn thiện các chức
14
- năng trong GIS, nhất là các chức năng xử lý địa lý. Toán học là một trong các nền tảng
cơ sở để phát triển và hoàn thiện các chức năng bên trong của các phần mềm GIS.
- Ngành truyền thông thông tin: Các thông tin trong GIS chỉ có thể trao đổi với
nhau thông qua các phương tiện truyền thông. Sự phát triển của ngành này sẽ cung cấp
cho GIS năng lực liên kết các mạng máy tính, tạo ra các hệ GIS đa ngành. Nếu trước
đây phần lớn GIS được sử dụng độc lập thì ngày nay hầu hết đã được kết nối thành
mạng máy tính sử dụng chung cho các cơ quan khác nhau đã làm cho các nhà quản lý
thấy rõ thêm hiệu quả đầu tư và lợi ích của công nghệ GIS.
1.4. Các bộ phận cấu thành GIS
GIS bao gồm 5 thành phần cơ bản: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, phương pháp và
con người (Hình 1.2).
Hình 1.2: Thành phần chính GIS (Nguồn ESRI)
a) Phần cứng (Hardware)
Phần cứng bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực
hiện các chức năng nhập thông tin (Input), xuất thông tin (Output) và xử lý thông tin
của phần mềm. Phần cứng của GIS bao gồm các thiết bị chủ yếu như thiết bị nhập dữ
liệu, thiết bị lưu trữ dữ liệu, thiết bị xử lý dữ liệu và thiết bị xuất dữ liệu.
Thiết bị nhập dữ liệu bao gồm bàn nhập dữ liệu vector (bàn số hóa), máy scan nhập
các dữ liệu raster và bàn phím. Ngày nay thiết bị nhập dữ liệu ngày càng được cải tiến
và hiện đại. Bàn số hóa vector được tự động hóa. Máy scan có khả năng nhập dữ liệu
raster với dung lượng lớn, độ phân giải cao, có khả năng tự động chuyển đổi khuôn
dạng dữ liệu.
15
- Thiết bị lưu trữ dữ liệu gồm có băng từ tính, thẻ nhớ, USB, đĩa quang, ổ cứng di
động. Các thiết bị lưu trữ dữ liệu ngày càng đa dạng, có khả năng lưu trữ được dung
lượng dữ liệu lớn, sử dụng được nhiều lần. Phương pháp lưu trữ dữ liệu cũng có sự thay
đổi, dần tiến tới lưu trữ trực tuyến bằng các kho dữ liệu online.
Thiết bị xử lý dữ liệu là bộ xử lý trung tâm (CPU), đây là phần cứng quan trọng
nhất của GIS. CPU bao gồm bộ vi xử lý được ví như bộ não điều khiển máy tính, đưa ra
các phép tính để tính toán và xử lý dữ liệu.
Thiết bị xuất dữ liệu chủ yếu là các dạng máy in dùng để in ấn bản đồ và các dữ liệu
thuộc tính dưới nhiều kích thước khác nhau. Ngoài ra, ở khổ in có kích thước lớn có thể
sử dụng các dạng máy vẽ (Plotter).
b) Phần mềm(Software)
Gồm các chương trình chạy trên máy tính được thiết kế cho việc điều khiển và
phân tích các dữ liệu địa lý. Hiện nay, có rất nhiều phần mềm GIS, mỗi phần mềm
đều phục vụ cho các mục đích khác nhau. Một số phần mềm GIS phổ biến như:
ArcView, ArcGIS, ArcInfo (ESRI), MapInfo, MapGIS, SuperMap, MapWindow,
Genamap, Spans, ENvi, ERDAS Imagine,...
Mỗi một phần mềm GIS đều có các chức năng như: nhập thông tin không gian
và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau; Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ
chức các thông tin không gian và thông tin thuộc tính; Phân tích biến đổi thông tin
trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối ưu và mô hình mô phỏng không
gian, thời gian; Hiển thị và trình bày thông tin dưới các dạng khác nhau, với các biện
pháp khác nhau.
Phần mềm được phân thành ba lớp: hệ điều hành, các chương trình tiện ích và
các chương trình ứng dụng. Một số phần mềm mã nguồn mở có khả năng cập nhật
và sửa đổi tùy theo mục đích của người sử dụng.
Ngoài ra, trong mỗi phần mềm GIS còn bao gồm: hệ thống số hóa cung cấp các
công cụ nhập và thao tác dữ liệu; Hệ thống phân tích địa lý cung cấp các công cụ hỗ
trợ phân tích; Hệ thống hiển thị bản đồ; Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu; Hệ thống
phân tích thống kê và Hệ thống xử lý ảnh.
c) Dữ liệu (Data)
Dữ liệu được ví như nguyên liệu để tạo ra GIS, gồm các các dữ liệu không gian,
dữ liệu thuộc tính phản ánh vị trí địa lý, thuộc tính, mối quan hệ không gian và thời
gian của các đối tượng. Dữ liệu là thành phần quan trọng nhất của GIS, nó cũng chiếm
nhiều kinh phí nhất trong hệ thống (có thể chiểm đến 70% giá trị của một dự án ứng
dụng GIS).
Dữ liệu không gian là những mô tả hình ảnh không gian (bản đồ) được số hóa theo
một khuôn dạng nhất định mà máy tính có thể hiểu được. Dữ liệu không gian có hai
dạng cấu trúc là dữ liệu Vector và dữ liệu Raster.
16
- Dữ liệu thuộc tính được trình bày dưới dạng các ký tự, số hoặc ký hiệu để mô tả các
thuộc tính của đối tượng.
Dữ liệu GIS được nhập vào từ nhiều nguồn khác nhau, từ dữ liệu có sẵn, dữ liệu
dạng số, dữ liệu bản đồ giấy, dữ liệu thu được thông qua thiết bị GPS, dữ liệu ảnh viễn
thám, dữ liệu điều tra, thống kê,...
d) Phương pháp (Methods)
Phương pháp đóng vai trò rất quan trọng, sẽ đảm bảo khả năng hoạt động của hệ
thống và quyết định sự thành công của một dự án GIS. Thành phần phương pháp bao
gồm kỹ thuật và các thao tác được sử dụng để nhập, quản lý, phân tích và thể hiện các
dữ liệu không gian và bảo đảm chất lượng của nó (số hoá, xây dựng CSDL, phân tích
không gian, xây dựng bản đồ, metadata).
e) Con người (People)
Gồm những người sử dụng, thiết kế, xây dựng, duy trì và bảo dưỡng chương trình
của GIS, cung cấp dữ liệu, giải thích và báo cáo kết quả. Thành phần con người thường
được chia làm 3 nhóm: Nhóm thu thập dữ liệu, nhóm kỹ thuật và nhóm cán bộ quản lý.
1.5. Các đặc điểm của GIS
GIS là một hệ thống thông tin. Giống như các hệ thống thông tin khác, GIS bao
gồm các hợp phần: hệ thống thiết bị phần cứng (máy tính, các thiết bị đầu vào, các thiết
bị đầu ra); hệ thống phần mềm (phần mềm hệ thống, phần mềm quản trị, phần mềm ứng
dụng); hệ thống thông tin đầu vào và hệ thống cập nhật thông tin; hệ thống cơ sở dữ
liệu; hệ thống hiển thị thông tin và giao diện với người sử dụng.
Tuy nhiên, GIS có sự khác biệt với các hệ thống thông tin khác ở chỗ chỉ có GIS mới có
khả năng phân tích các dữ liệu địa lý (dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính). Đây cũng
chính là đặc điểm nổi bật của GIS, thể hiện cụ thể ở 3 đặc điểm chính: khả năng chồng xếp
các lớp bản đồ, khả năng phân tích không gian và khả năng phân loại thuộc tính.
a) Khả năng chồng xếp bản đồ (Map Overlaying)
Chồng xếp các lớp bản đồ là một đặc tính nổi bật của GIS trong việc phân tích các
dữ liệu địa lý. Việc chồng xếp các lớp bản đồ có thể tạo thành một bản đồ mới mang các
đặc tính hoàn toàn khác với bản đồ trước đây.
Chồng xếp bản đồ cho phép ta tích hợp dữ liệu bản đồ từ hai hoặc nhiều lớp dữ liệu
khác nhau. Điều này tương tự như việc nhân hai (hoặc nhiều) ma trận để tạo ra một ma
trận mới, truy vấn các bảng cơ sở dữ liệu để tạo ra bảng mới. Dựa vào kỹ thuật chồng
xếp các bản đồ ta có các phương pháp sau: phương pháp cộng (sum), phương pháp nhân
(multiply), phương pháp trừ (substract), phương pháp chia (divide), phương pháp tính
trung bình (average), phương pháp hàm số mũ (exponent), phương pháp che (cover) và
phương pháp tổ hợp (crosstabulation).
17
- Hình 1.3: Nguyên lý chồng xếp các lớp bản đồ trong GIS
Chồng xếp các lớp bản đồ có thể chia thành ba dạng khác nhau:
- Point-in-polygon: chồng xếp một lớp dữ liệu dạng điểm (point) và một lớp dữ liệu
dạng vùng (polygon), đầu ra là lớp điểm;
- Line-in-polygon: chồng xếp một lớp dữ liệu dạng đường (line) và một lớp dữ liệu
dạng vùng (polygon), đầu ra là lớp đường;
- Polygon-in-polygon: chồng xếp hai lớp dữ liệu đều là dạng vùng (polygon), đầu ra
là lớp vùng.
Một bài toán rất điển hình cho kỹ thuật này là bài toán về kiểm tra tình hình ngập
lụt của các thửa đất trong một vùng có thiên tai. Ở đây chúng ta thấy có hai lớp: một lớp
cho biết tình trạng lũ lụt trong vùng, một lớp thuộc về đất đai. Thông thường hai lớp này
sẽ nằm trên hai bản đồ khác nhau vì mục đích sử dụng của chúng khác nhau. Khi cần
biết tình trạng ngập lụt của từng thửa đất, chúng ta tiến hành chồng xếp hai lớp bản đồ.
Lúc này thông tin về tình trạng của thửa đất sẽ được lấy từ lớp lũ lụt, chứ không được
lấy từ lớp thửa đất vì lớp thửa đất không chứa các thông tin này. Ví dụ này mô tả bài
toán thuộc loại “polyon-in-polygon”. Bài toán cho thấy hai lớp được đưa vào chồng xếp
phải có sự thống nhất với nhau, thống nhất về hệ quy chiếu, thống nhất về tỷ lệ.
Quá trình chồng xếp thường được tiến hành qua 2 bước: Bước 1- Xác định tọa độ
các giao điểm và tiến hành chồng xếp hai lớp bản đồ tại giao điểm này; Bước 2 - Kết
hợp dữ liệu không gian và thuộc tính của hai lớp bản đồ.
b) Khả năng phân tích không gian (Spatial Analysis)
Phân tích không gian là đặc điểm, đồng thời cũng là chức năng rất quan trọng của
GIS. Đặc điểm này tạo nên sức mạnh thực sự của GIS so với các hệ thống thông tin
khác. Phân tích dữ liệu không gian giúp tìm ra những đối tượng đồ họa theo các điều
kiện đặt ra hay hỗ trợ việc ra quyết định của người dùng.
18
- Khả năng phân tích không gian GIS bao gồm 4 chức năng cơ bản: tìm kiếm không
gian, nội suy không gian, phân tích vùng đệm và tính diện tích.
(1) Tìm kiếm không gian (Searching)
Là khả năng phân tích các dữ liệu địa lý của GIS giúp người sử dụng tìm kiếm các
phương án không gian theo yêu cầu nhất định. Ví dụ: Tìm đường đi trên xe taxi, tìm
khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm A và B, tìm đặc tính của một khu đất, theo dõi
hướng bay của các loài chim di cư,...
Một đối tượng trên bản đồ bao giờ cũng được biểu diễn bằng một kiểu dữ liệu đồ
họa. Phần đồ họa này có thể thu được bằng cách số hoá hay quét ảnh bản đồ. Dữ liệu
không gian trong GIS cho phép chúng ta xác định được vị trí, hình dạng của đối tượng
thông qua các dữ liệu mô tả vị trí của đối tượng. Muốn tìm kiếm đối tượng nào đó ta cần
xác định địa chỉ của đối tượng cần tìm kiếm. GIS có khả năng phân tích, tham chiếu các
thông tin không gian để đưa ra kết quả cần tìm kiếm.
Nếu dữ liệu được mã hoá trong hệ vector sử dụng cấu trúc lớp hoặc lớp phủ, thì dữ
liệu được nhóm lại với nhau sao cho có thể tìm kiếm các lớp thông tin một cách dễ
dàng. Trong GIS thường hay sử dụng các phép logic để tìm kiếm. Các thủ tục tìm kiếm
dữ liệu sử dụng các thuật toán logic Boole để thao tác trên các thuộc tính và đặc tính
không gian. Đại số Boole sử dụng các toán tử And, Or, Not tùy từng điều kiện cụ thể
cho giá trị đúng, sai.
Một ví dụ cho việc tìm kiếm không gian GIS: Khi có 2 bản đồ A và B như hình
dưới với thuật toán “and” và điều kiện “Tìm những nơi có đất phù sa trồng ngô” ta tìm
kiếm được những đối tượng không gian như bản đồ C.
Bản đồ A
Lúa
Ngô
Hoa màu
Bản đồ B
Đất phù sa
Đất phèn
Bản đồ C
Đất phù sa
trồng ngô
Đất phèn
trồng hoa màu
Hình 1.4: Ví dụ về việc tìm kiếm không gian trong GIS
19
- (2) Nội suy không gian (Spatial Interpolation)
Trên thực tế khi phân tích các đối tượng không gian chúng ta thường gặp tình
huống thông tin phân tích bị thiếu (số lượng điểm lấy mẫu ít, thiếu dữ liệu không gian
cho các điểm, vùng,...). Trong trường hợp này cần phải sử dụng đến phép nội suy không
gian. Nghĩa là phải giải đoán giá trị hay tập giá trị mới, phần này mô tả nội suy hướng
điểm, có nghĩa một hay nhiều điểm trong không gian được sử dụng để phát sinh giá trị
mới cho vị trí khác nơi không đo trực tiếp được dữ liệu. Các dữ liệu nội suy có mối
quan hệ không gian với nhau, tức là các điểm gần nhau thì “giống” nhau nhiều hơn so
với những điểm ở xa.
Phương pháp nội suy không gian GIS hiện nay được sử dụng khá rộng rãi trong các
bài toán phân tích không gian. Chẳng hạn như trong các trung tâm dự báo về thời tiết
(các bản đồ dự báo xây dựng từ các trạm thuỷ văn, xây dựng các bản đồ mưa, nhiệt),
trong lĩnh vực tài nguyên môi trường (xây dựng các bản đồ vùng ô nhiễm, bản đồ phân
loại đất, bản đồ độ chua,...). Hình 1.5 là một ví dụ về nội suy không gian: Từ các điểm
khảo sát mực nước ngầm ở khu vực đồng bằng Tây Bắc của Trung Quốc, ứng dụng mô
hình nội suy thống kê bằng phần mềm ArcGis để xây dựng bản đồ phân cấp mực nước
ngầm, qua đó xây dựng được các vùng phân bố của mực nước ngầm phục vụ cho công
tác xây dựng, dự báo sử dụng tài nguyên nước.
Hình 1.5: Ví dụ về việc nội suy không gian trong GIS (Nguồn Yong Xiao, 2013)
Có nhiều phương pháp nội suy không gian, tiêu biểu như: Phương pháp Inverse
Distance Weighting (IDW), phương pháp nội suy Spline, phương pháp nội suy Kriging,
phương pháp nội suy bằng mô hình TIN.
(3) Phân tích vùng đệm (Buffer zone)
Nếu đường biên bên trong thì gọi là lõi còn nếu bên ngoài đường biên thì gọi là đệm
(buffer). Vùng đệm sử dụng nhiều thao tác phân tích và mô hình hoá không gian GIS. Phân
20
nguon tai.lieu . vn
