Bài giảng Hệ thống thống tin địa lý: Phần I - Lê Bảo Tuấn

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:56

Thêm vào BST

Báo xấu

204
lượt xem 42
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Hệ thống thông tin địa lý: Phần I trình bày các nội dung chính: giới thiệu về GIS, thành phần và chức năng của GIS, ứng dụng của GIS, chi phí cho GIS, các mô hình dữ liệu, giới thiệu chung về dữ liệu, giới thiệu chung về bản đồ, cấu trúc dữ liệu, cấu trúc cơ sở dữ liệu, nhập dữ liệu, công nghệ thu thập dữ liệu,... Đây là tài liệu tham khảo dành cho sinh viên Môi trường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hệ thống thống tin địa lý: Phần I - Lê Bảo Tuấn

ð I H C HU TRƯ NG ð I H C KHOA H C KHOA MÔI TRƯ NG ---------- ---------- BÀI GI NG H TH NG THÔNG TIN ð A LÝ (S d ng cho sinh viên Khoa Môi trư ng) GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMS (GIS) LÊ B O TU N lebaotuan@gmail.com Khoa Môi trư ng Trư ng ð i h c Khoa h c Hu
M CL C CHƯƠNG 1: Gi i thi u v GIS 1.1. Gi i thi u 1.1.1. GIS là gì? 1.1.2. Ngu n g c và s phát tri n c a GIS 1.1.3. GIS: M t công c ph bi n 1.1.4. T i sao chúng ta c n GIS? 1.1.5. GIS trong ho t ñ ng th c t 1.1.6. Khoa h c thông tin ñ a lý 1.2. Thành ph n và ch c năng c a GIS 1.4.1. Thành ph n c a GIS 1.4.2. Ch c năng c a GIS 1.3. M t s ng d ng GIS 1.4. Chi phí cho GIS CHƯƠNG 2: Các mô hình d li u 2.1. Gi i thi u chung v d li u 2.2. Gi i thi u chung v b n ñ 2.2.1. Khái ni m b n ñ 2.2.2. Các ñ i tư ng b n ñ 2.2.3. Các h quy chi u và h t a ñ s d ng Vi t Nam 2.3. C u trúc d li u 2.3.1. C u trúc d li u vector 2.3.2. C u trúc d li u raster 2.3.3. C u trúc d li u TIN 2.4. C u trúc cơ s d li u 2.4.1. Cơ s d li u không gian 2.4.2. Cơ s d li u phi không gian 2.4.3. K t n i các ñ i tư ng và thu c tính CHƯƠNG 3: Nh p d li u 3.1. Khái quát 3.2. Các công ngh thu th p d li u 3.2.1. S hóa 3.2.2. Quét b n ñ 3.2.3. Vi n thám 3.2.4. ðo ñ c 3.2.5. H ñ nh v toàn c u (GPS) 3.2.6. Chuy n ñ i d li u 3.3. So sánh và l a ch n phương pháp nh p d li u
CHƯƠNG 4: Qu n lý d li u 4.1. Nguyên t c qu n lý d li u 4.2. Qu n lý d li u không gian 4.3. Qu n lý d li u thu c tính CHƯƠNG 5: Phân tích d li u 5.1. Gi i thi u chung 5.2. Các phép phân tích d li u cơ b n 5.2.1. L a ch n và phân lo i 5.2.2. Phân l p 5.2.3. T o vùng ñ m (buffer) 5.2.4. Ch ng ghép 5.2.5. Phân tích m ng 5.3. Quy trình phân tích ñ a lý CHƯƠNG 6: Hi n th và xu t d li u 6.1. M ñ u 6.1.1. Màn hình 6.1.2. Máy in 6.1.3. Máy v 6.2. Hi n th d li u 6.2.1. Hi n th b n ñ và b ng 6.2.2. Hi n th b n ñ vector và raster 6.3. Xu t d li u dư i d ng b n ñ 6.4. Chu n d li u và ch t lư ng d li u 6.4.1. V n ñ chu n d li u 6.4.2. Các y u t ch t lư ng d li u 6.2.3. Các ngu n sai sót 6.2.4. Ki m tra và s d ng d li u CHƯƠNG 7: Các phát tri n m i trong GIS 7.1. GPS - B n ñ di ñ ng 7.2. C i thi n công ngh vi n thám 7.3. B n ñ Internet 7.4. Th gi i o 7.5. GIS m Tài li u tham kh o
CHƯƠNG 1 Gi i thi u v GIS 1.1. Gi i thi u ð a lý luôn có vai trò quan tr ng ñ i v i con ngư i. Trong th i kỳ ñ ñá, nh ng ngư i ñi săn ñã ñoán trư c v trí c a nh ng con m i, nh ng ngư i thám hi m ñ u tiên trên th gi i cũng ñã s ng và ch t b ng chính ki n th c v ñ a lý c a h và xã h i ngày nay ñang s ng và làm vi c d a vào s hi u bi t v v n ñ ai thu c v trí nào. Trong các m u b n ñ và thông tin không gian, ñ a lý ng d ng ñã và ñang ph c v cho s khám phá, quy ho ch, h p tác cũng như xung ñ t trong su t 3000 năm qua và b n ñ là m t trong s các tài li u ñ p nh t trong n n văn minh c a chúng ta. Hình 1.1: M t b n ñ Châu M năm 1640 c a tác gi Hondius
ða s các ki n th c v ñ a lý c a chúng ta ñư c áp d ng và các công vi c hàng ngày; ví d như khi chúng ta ñ nhau v các tuy n ñư ng c a m t khu v c ñư c coi là mê cung ñư ng ph m t nơi nào ñó hay khi chúng ta tìm ki m m t tr m xăng g n nh t nào ñó. Thông tin không gian có m t s tác ñ ng m nh m hơn ñ i v i cu c s ng c a chúng ta, thư ng trong m t ph m vi nào ñó mà ta không nh n th y ñ giúp chúng ta s n xu t ra lương th c, năng lư ng, trang ph c mà chúng ta s d ng hàng ngày và k c nh ng trò gi i trí mà chúng ta t n hư ng. B i l thông tin không gian là r t quan tr ng nên chúng ta ñã và ñang phát tri n các công c ñư c g i là h th ng thông tin ñ a lý (GIS - Geographic Information Systems) ñ tr giúp ta cùng v i các ki n th c ñ a lý mà ta có ñư c. M t h th ng thông tin ñ a lý (GIS) giúp chúng ta t p h p và s d ng các d li u không gian ( ñây, c m t vi t t t GIS ñư c dùng ñ ch m t hay nhi u h th ng thông tin ñ a lý). M t s thành ph n GIS hoàn toàn thu c v m t k thu t; chúng bao g m các thi t b thu th p d li u r t hi n ñ i, các m ng lư i giao ti p ti n b và tin h c ph c t p. Các phương pháp c a GIS khác thì l i r t ñơn gi n, ch ng h n như khi m t cây bút chì và m t m u gi y ñư c s d ng ñ xác nh n ngoài th c ñ a m tb nñ . Như nhi u khía c nh c a cu c s ng trong 5 th p k tr l i ñây, cách th c chúng ta t p h p và s d ng các d li u không gian ñã và ñang ñư c thay ñ i m t cách sâu s c b i các công ngh ñi n t hi n ñ i và các ph n c ng, ph n m m GIS là k t qu t t y u quan tr ng c a s phát tri n công ngh ñó. Vi c thu và x lý các d li u không gian ñư c ñ y m nh trong vòng 3 th p k g n ñây và v n ñang ti p t c ti n tri n. Chìa khóa c a t t c các ñ nh nghĩa c a GIS là “cái gì” và “ ñâu”. GIS và phân tích không gian có liên quan ñ n v trí chính xác và tương ñ i c a các ñ c trưng cũng như các ñ c ñi m, thu c tính c a các ñ c trưng ñó. V trí c a các ñ i tư ng không gian quan tr ng như các dòng sông, su i có th ñư c ghi l i, k c các thông tin có liên quan như kích thư c, t c ñ dòng ch y, ch t lư ng nư c hay các loài các ñư c tìm th y trong sông, su i ñó. Qu th t, các thông tin thu c tính ñó thư ng ph thu c vào s s p x p m c ñ quan tr ng c a các ñ i tư ng khác nhau. GIS có kh năng h tr cho vi c phân tích và hi n th các m i quan h không gian ñó. 1.1.1. GIS là gì? M t h th ng thông tin ñ a lý là m t công c cho vi c t o ra và s d ng thông tin không gian. Tuy nhiên, hi n nay có nhi u ñ nh nghĩa, quan ni m hay cách nhìn nh n và cách hi u khác nhau v GIS do GIS là m t công ngh m i phát tri n nhanh, có ng d ng trong nhi u lĩnh v c ho t ñ ng c a con ngư i; v i m c ñích th c hành, GIS có th ñư c ñ nh nghĩa như sau: m t h th ng d a vào máy tính ñ tr giúp cho công tác thu th p, b o v , lưu tr , phân tích, xu t và phân ph i d li u và thông tin không gian.
Khi ñư c s d ng m t cách sáng su t thì GIS có th giúp cho ta s ng kh e m nh hơn, giàu có hơn và an toàn hơn. M i ngư i s d ng GIS có th quy t ñ nh ñ c tính nào là quan tr ng và cái gì là quan tr ng ñ i v i chúng. Ví d như, r ng là quan tr ng ñ i v i nhi u ngư i. Chúng b o v ngu n nư c c a chúng ta, s n lư ng g , là nơi n náu c a th gi i hoang dã và cung c p không gian ñ tái t o. T t c chúng ta ñ u có liên quan ñ n m c ñ c a vi c thu ho ch v mùa, vi c s d ng ñ t xung quanh ta, vi c x th i gây ô nhi m c a các khu công nghi p lân c n hay vi c cháy r ng x y ra ñâu và khi nào. S qu n lý r ng có hi u bi t ñòi h i ki n th c t i thi u v t t c các nhân t có liên quan và có th là c s phân b v m t không gian c a các nhân t ñó. Các vùng ñ m g n các con sông có th b o v ngu n nư c, các kho ng r ng tr ng có th ngăn ng a s lan r ng c a l a khi có cháy r ng và các tác nhân ô nhi m phát tán ngư c chi u gió có th không gây thi t h i cho các khu r ng như khi chúng phát tán theo hư ng gió. M t h th ng thông tin ñ a lý h tr t i ña trong vi c phân tích các m i quan h không gian này và s tác ñ ng qua l i gi a chúng. M t h th ng thông tin ñ a lý cũng ñ c bi t có ích cho vi c hi n th d li u không gian và báo cáo k t qu c a vi c phân tích không gian. Trong nhi u trư ng h p, GIS là cách duy nh t ñ gi i quy t các v n ñ liên quan ñ n không gian. 1.1.2. Ngu n g c và s phát tri n c a GIS GIS ñư c khai phá vào nh ng năm 1960 t m t sáng ki n b n ñ hóa công tác qu n lý r ng c a ngư i Canada. GIS ti p t c ñư c phát tri n thông qua vi c tìm ki m c a các nhà nghiên c u các trư ng ñ i h c và chính ph Canada, M và các qu c gia khác nh m m c ñích gi i thi u các y u t ñ a lý c a Trái ñ t b ng cách s d ng m t h cơ s d li u máy tính, hi n th nó trên thi t b ñ u cu i c a máy tính và v b n ñ ra gi y. H cũng ñã phát tri n các chương trình máy tính ñ tìm ki m và phân tích các d li u này m t cách nhanh chóng. ð n nh ng năm 1970, m t s h p tác ñã ñư c thi t l p ñ phát tri n và bán các h th ng máy tính s d ng cho vi c v b n ñ và phân tích. Ngày nay, hai hãng phát tri n ph n m m GIS hàng ñ u ñã tìm th y ngu n g c c a h trong nh ng ngày ñ u m i phát tri n, tuy nhiên vào th i kỳ ñó, h ñã chú tr ng và ñi sâu vào hai hư ng công ngh khác bi t nhau. T p ñoàn Intergraph c a Huntsville, Alabama ñã t p trung vào d li u ñ u vào và kh năng lưu tr có hi u qu c a d li u GIS cũng như s chu n b các b n ñ ñư c xu t ra t máy tính ñ c nh tranh v i các b n ñ truy n th ng v ch t lư ng v b n ñ . Vi n nghiên c u h th ng môi trư ng, ESRI (the Environmental Systems Research Institute) c a Redlands, California t p trung vào vi c cung c p b công c l nh máy tính ñ phân tích các d li u GIS. Qua nhi u năm, c hai công ty trên ñã không ng ng phát tri n kh năng riêng c a các h th ng c a h . Ban ñ u, ch các cơ quan chính ph , các ngành ph c v c ng ñ ng và các t p ñoàn l n m i có th có kh năng s d ng GIS b i vì chi phí cao. Trên n n t ng các máy ch và máy tính con, m t tr m nghiên c u GIS ñi n hình ñòi h i m t chi phí
hơn 100 ngàn ñôla, bao g m t t c các ph n c ng, ph n m m và công tác ñào t o. Tuy nhiên, th trư ng GIS ñư c m r ng m t cách m nh m vào ñ u nh ng năm 1980 nh vào các t p chí thương m i, các h i ngh và các s h p tác chuyên nghi p truy n bá cho toàn th gi i v các l i ích c a GIS. GIS phát tri n nhanh như n m cùng v i s xu t hi n c a máy tính cá nhân và các ph n m m GIS ñã nhanh chóng thích nghi v i bư c ngo c m i và ít ñ t ñ hơn này. Và chi phí c a các ph n m m ñã gi m trong khi s lư ng ngư i s d ng ngày càng gia tăng. M c dù v y, th i gian ñ u, GIS ñư c ít ngư i s d ng b i nó ñòi h i ph i có ph n m m GIS ñư c cài ñ t trong máy tính và ñư c ñào t o ñ s d ng nó. Tuy nhiên, hàng ch c tri u ñôla ñã ñư c ñ u tư vào xây d ng h cơ s d li u GIS t các b n ñ gi y, nh không gian và nh v tinh. Các d li u này v n chưa ñ t ñư c trên quy mô r ng l n cho ñ n khi các chuyên gia GIS quy t ñ nh v chúng ra trên gi y ñ ti n hành phân lo i chúng. ð n nh ng năm 1990, Internet ñã m cánh c a cho vi c ñưa các d li u GIS có giá tr này ñ n v i ngư i s d ng trên toàn th gi i. Ngày nay, có hàng trăm website ñăng t i d li u GIS tr c tuy n trên m ng toàn c u Internet. B t kỳ m t ai có th s d ng các trình duy t web ñ u có th truy câp và xem các d li u GIS. Và như là m t k t qu , th trư ng các s n ph m và d ch v GIS v i l i nhu n 7 t ñôla năm 1999 ñang ngày càng gia tăng v i t c ñ g n 13% m i năm. H GIS ñi n hình ñư c thi t l p trên m t s khái ni m cơ b n sau: Các ñ c ñi m c a th gi i th c trên b m t Trái ñ t ñư c mô t l i trên m t h quy chi u b n ñ và ñư c lưu l i trong máy tính. ð ng th i, máy tính cũng lưu l i lư i chi u và các thu c tính c a các ñ c ñi m b n ñ ñó ñ có th tr l i các câu h i như “chúng ñâu?” và “chúng là cái gì?”. Các ñ c ñi m b n ñ có th ñư c hi n th ho c v ra khi ta k t h p b t kỳ hai hay nhi u ñ i tư ng và h u như trên b t kỳ m t t l b n ñ . Tin h c hóa các d li u b n ñ ph i ñư c s d ng m t cách linh ho t hơn so v i các b n ñ gi y truy n th ng. GIS có kh năng phân tích các m i quan h trong không gian gi a các ñ c ñi m b n ñ . 1.1.3. GIS: M t công c ph bi n Vi c s d ng GIS ñã tr nên ph bi n và lan r ng trong vòng 2 th p k qua. GIS ñư c s d ng trong nhi u lĩnh v c khác nhau, t kh o c h c cho ñ n ñ ng v t h c và nhi u ng d ng m i c a GIS ti p t c xu t hi n. GIS là nh ng công c c n thi t trong kinh doanh, ho t ñ ng c a chính ph , giáo d c và các t ch c phi l i nhu n; và vi c s d ng GIS ñang tr nên có tính b t bu c trong nhi u trư ng h p. GIS ñư c s d ng ch ng l i t i ác, b o v các loài b nguy hi m, gi m thi u s ô nhi m, ñ i phó v i các tai bi n thiên nhiên, phân tích s lan truy n b nh d ch
AIDS và ñ c i thi n s c kh e c ng ñ ng; tóm l i, GIS là phương ti n ñ gi i quy t m t s v n ñ xã h i c p bách c a chúng ta. Trong th c t , các công c GIS giúp ti t ki m ñư c t ng s hàng t ñôla hàng năm trong vi c phân phát các d ch v và hàng hóa thương m i và c a chính ph . Hi n nay, GIS giúp cho công tác qu n lý hàng ngày các ngu n tài nguyên thiên nhiên và nhân t o, bao g m c h th ng c ng rãnh, nư c, năng lư ng và m ng lư i giao thông. GIS ñang v trí trái tim c a m t trong s các quy trình quan tr ng nh t c a n n dân ch M , ñó là quy trình xem xét l i ñ nh hư ng phát tri n ñư c y nhi m theo quy ñ nh c a hi n pháp c a Qu c h i M và t ñó liên quan ñ n vi c phân ph i nh ng ñ ng ñôla ti n thu và các ngu n l c khác c a chính ph . Hình 1.2: nh v tinh cung c p thông tin v vùng phân b r ng và ngu n nư c 1.1.4. T i sao chúng ta c n GIS? GIS là c n thi t ph n nào ñó b i vì dân s trên th gi i ñang tăng nhanh và công ngh ñang trình ñ cao trong khi các tài nguyên, ñ c bi t là không khí và ñ t ñang trong tình tr ng gi i h n do ho t ñ ng c a con ngư i. Dân s th gi i ñã tăng g p ñôi trong 50 năm qua và ñ t m c 6 t ngư i và dư ng như chúng ta s có thêm 5 t ngư i n a trong vòng 50 năm t i. 100.000 năm ñ u tiên c a s t n t i c a con ngư i ñã gây ra r t ít các tác ñ ng lên các tài nguyên c a Th gi i trong khi ch 300 năm v a qua, con ngư i ñã làm bi n ñ i thư ng xuyên ña ph n b m t c a Trái ñ t. Khí quy n và các ñ i dương ñã cho th y s suy gi m kh năng h p thu t t các khí CO2 và nitơ, hai s n ph m x th i chính c a con ngư i. Bùn ñã “bóp ngh t” nhi u con sông và có vô s các ví d khoanh vùng nơi mà ôzôn, hay các ch t th i ñ c h i khác làm t n h i s c kh e c ng ñ ng. ð n cu i th k 20, ña s các vùng ñ t thích h p ñ u có ngư i và ch m t vài ph n trăm nh di n tích ñ t b m t chưa b tr ng, chăn th , c t xén, xây d ng lên trên, hút nư c, ng p l t hay b bi n ñ i theo cách khác b i con ngư i. GIS giúp chúng ta xác ñ nh các v n ñ môi trư ng b ng cách cung c p các thông tin ch y u v nơi mà các v n ñ ñó x y ra và ai b tác ñ ng b i chúng. GIS
giúp ta xác ñ nh ngu n, v trí và quy mô c a các tác ñ ng môi trư ng có h i, và có th giúp ta ñưa ra k ho ch hành ñ ng ñ quan tr c, qu n lý và gi m thi u các thi t h i môi trư ng. Hình 1.3: nh v tinh ch p c ng ñ ng ven bi n vùng Banda Aceh, Indonesia ngày 23/06/2004 (trái) và ngày 28/12/2004 (ph i) b thi t h i n ng n sau khi x y ra sóng th n Các tác ñ ng c a con ngư i lên môi trư ng ñã t o nên áp l c v m t xã h i và ñi u ñó có vai trò thúc ñ y m nh ñ i v i vi c thông qua GIS như là m t gi i pháp. Các xung ñ t trong v n ñ s d ng tài nguyên, liên quan ñ n s ô nhi m và công tác ñ phòng ñ b o v s c kh e c ng ñ ng ñã d n ñ n yêu c u gi i quy t mang tính pháp lý và hoàn toàn ph i có s xem xét v m t ñ a lý. ð o lu t các loài b nguy hi m c a M (ESA - Endangered Species Act) năm 1973 là m t ví d v t m quan tr ng c a ñ a lý trong v n ñ qu n lý tài nguyên. ESA yêu c u s b o v th a ñáng ñ i v i các sinh v t quý hi m và ñang b ñe d a. S b o v hi u qu ñòi h i ph i b n ñ hóa các nơi có th có và phân tích các loài sinh v t và các ki u di trú. V trí c a các cá th s ng sót có liên quan ñ n v n ñ s d ng ñ t hi n nay và trong tương lai c a con ngư i ph i ñư c phân tích và ph i có các ho t ñ ng ñư c th c hi n ñ ch c ch n r ng các loài v n còn s ng sót. GIS ñã ch ng t là nh ng công c r t h u ích trong vi c th c hi n t t c các nhi m v trên. Pháp lu t cũng thúc ñ y vi c s d ng GIS trong các n l c nhi u lĩnh v c khác như các d ch v kh n c p, phòng ch ng lũ l t, theo dõi, qu n lý thiên tai, quy ho ch và phát tri n cơ s h t ng. Nhi u doanh nghi p c n GIS vì h c g ng gia tăng hi u qu trong vi c phân ph i s n ph m và d ch v c a mình. Các doanh nghi p bán l ti n hành ñ t các c a
hàng c a mình d a vào m t s y u t không gian có liên quan như: các khách hàng ti m năng phân b ñâu? Khu v c phân ph i c a các doanh nghi p ñ i th là ñâu? ðâu là các v trí ti m năng cho m t c a ti m m i? Lu ng giao thông nào g n v i các c a ti m hi n nay và vi c ñ xe và mua s m các c a hàng ñó có d dàng hay không? Vi c phân tích không gian ñư c s d ng hàng ngày ñ tr l i các câu h i ñó. GIS cũng còn ñư c s d ng trong hàng trăm ng d ng khác trong kinh doanh như ñ v ch các tuy n ñi c a phương ti n phân ph i s n ph m, hư ng d n cho vi c qu ng cáo, thi t k các tòa nhà, l p k ho ch xây d ng hay mua bán ñ t. Các t ch c c ng ñ ng cũng ñư c s h tr c a GIS b i l GIS h tr các ch c năng c a chính ph . S phát tri n ñô th gây ra s thay ñ i v c nh quan và GIS là m t công c quan tr ng cho vi c quy ho ch h p lý. Các phương ti n c a d ch v kh n c p ñư c thư ng xuyên ñi u ñ ng và vi c v ch tuy n ñư ng ñi có s tr giúp c a GIS. GIS dùng cho vi c ñáp l i các tình hu ng kh n c p ñư c phát tri n và cài ñ t r ng rãi ñ ph n ng nhanh các yêu c u kh n. Ngư i g i ñi n ñ n s máy kh n c p ñư c xác nh n t ñ ng thông qua s ñi n tho i g i ñ n. Và s ñi n tho i giúp cho vi c xác nh n ñ a ch c a tòa nhà ñang có s c cũng như xác ñ nh cá tr m c u h a, c nh sát hay c p c u g n nh t. M t b n ñ ñư ng ñi ngay l p t c ñư c thi t l p ñ cung c p ñư ng ñi t i ưu ñ n nơi c n s h tr và ñư c Hình 1.4: Máy tính b túi g i v các tr m ng c u phù h p cùng v i h là m t ví d c a thi t b ng th ng báo ñ ng t ñ ng. d ng công ngh GIS Trên ñây là m t s trư ng h p mà s h tr c a GIS là r t c n thi t ñ i v i xã h i loài ngư i hi n nay. Tuy nhiên, s phát tri n c a công ngh l i t o nên ñ ng l c thúc ñ y s phát tri n và ng d ng c a GIS. Vi c phân tích không gian tr nên có ích hơn nhi u v i máy tính t c ñ cao hơn và ñĩa c ng lưu tr l n hơn. ð ng th i vi c giá c thi t b ngày càng gi m do c nh tranh ñã giúp cho GIS ngày càng ph bi n và phát huy t t hơn s c m nh c a nó. 1.1.5. GIS trong ho t ñ ng th c t Vi c t ch c, phân tích và phân ph i, chia s d li u không gian ñư c ng d ng r ng rãi nh m m c ñích c i thi n cu c s ng. Sau ñây là m t ví d minh h a cho vi c GIS ñã ñư c s d ng như th nào. Ông Marvin Matsumota s ng sót nh vào GIS. Ông là m t v n ñ ng viên ñi b 60 tu i, bi l c trong vư n qu c gia Joshua, M r ng 300.000 ha sa m c. Trư c ñó vài năm, kho ng 6-8 ngư i ñi b cũng ñã l c trong vư n và m t tích. Vì s nguy hi m, C c vư n qu c gia M t ch c tìm ki m và gi i c u ông Marvin b ng
cách tu n tra b ng ñư ng b , s d ng ng a và các phương ti n ñi l i, và tìm ki m b ng tr c thăng. Cu c tìm ki m ñư c t ch c và hư ng d n b ng vi c s d ng GIS. Trung tâm GIS ñã t i d li u b n ñ n n và các thu c tính ñ a lý c a khu v c vào các thi t b . ð i tìm ki m mang theo các thi t b ñ nh v khi ñi sâu vào khu v c và ghi l i v trí và ti n trình tìm ki m. D li u ñư c t i v tr l i trung tâm GIS ñ c p nh t liên t c d li u. Ngư i qu n lý ti n hành ñánh giá và phân vùng ñã tìm ki m và ñưa ra các k ho ch hành ñ ng phù h p m t cách k p th i. D li u b n ñ ch rõ vùng ñã ñư c tìm ki m và cách th c tìm ki m ñư c th c hi n… Marvin ñư c tìm th y vào ngày th 5, b m t nư c nhi u và ch n thương ñ u. ð i tìm ki m ñã ñi n v trí chính xác cho tr c thăng c u h ñ ñưa Marvin ñ n b nh vi n. Các bác sĩ cho bi t n u ch m thêm 1 ngày n a thì Marvin s ch t - 1 ngày ñư c ti t ki m nh s d ng hi u qu GIS. Sau m t tu n b nh vi n và vài tháng nghĩ dư ng t i nhà, ông Marvin ñã hoàn toàn h i ph c tr l i. 1.1.6. Khoa h c thông tin ñ a lý Trong khi chúng ta ñ nh nghĩa GIS là h th ng thông tin ñ a lý (Geographic Information Systems) thì còn có m t GIS khác ñó là khoa h c thông tin ñ a lý (Geographic Information Science). Thông thư ng thì c m t GIS ñư c s d ng cho h th ng thông tin ñ a lý, tuy nhiên, ñôi lúc GIS cũng ñư c dùng ñ ch khoa h c thông tin ñ a lý (GIScience). S khác bi t là r t quan tr ng vì tương lai phát tri n c a GIS ph thu c vào quá trình trong khoa h c thông tin ñ a lý (GIScience). GIScience r ng l n hơn nhi u so v i GIS vì GIScience ñư c hình thành trên cơ s
lý thuy t mà GIS d a vào. GIScience bao g m các v n ñ liên quan c a GIS nhưng ñ ng th i cũng c ñ nh nghĩa l i các khái ni m trong ñ a lý và thông tin ñ a lý trong hoàn c nh c a th i ñ i s . GIScience có liên quan ñ n các v n ñ như chúng ta khái ni m hóa ñ a lý như th nào và chúng ta thu th p, th hi n l i, lưu tr , hình dung, phân tích, s d ng và gi i thi u các khái ni m ñ a lý như th nào. GIScience nghiên c u k không ch các câu h i k thu t cho các nhà ñ a lý ng d ng, nhà kinh doanh, nhà quy ho ch, nhân viên an toàn c ng ñ ng và các ñ i tư ng khác mà GIScience cũng có hư ng ñi vào các v n ñ cơ b n hơn như chúng ta hi u v không gian như th nào? B ng cách nào chúng ta có th gi i thi u v các khái ni m không gian m t cách t t nh t? Tâm lý con ngư i giúp ñ hay c n tr vi c tranh lu n v không gian có hi u qu như th nào? Khoa h c ñư c mô t như m t s tr giúp c a k thu t trong th gi i ng d ng. M t s suy lu n hay hơn, t t hơn, t i ưu hơn có th là cha ñ c a m t k thu t. ð nh nghĩa m t cách t m thì GIS có tính k thu t cao hơn so v i khoa h c. T khi GIS tr thành công c chúng ta s d ng ñ gi i quy t v n ñ , chúng ta s sai l m n u nghĩ r ng nó là ñi m kh i ñ u và ñi m k t thúc trong l p lu n v m t ñ a lý. Và s hi u bi t v GIScience mang tính quy t ñ nh ñ i v i s phát tri n xa hơn c a GIS và trong m t s trư ng h p s mang tính quy t ñ nh ñ i v i vi c ng d ng hi u qu GIS. 1.2. Thành ph n và ch c năng c a GIS 1.2.1. Thành ph n c a GIS M t h th ng thông tin ñ a lý bao g m ph n c ng, ph n m m, d li u, con ngư i và b quy ñ nh c p ñ t ch c. Các h p ph n này ph i ñư c h p nh t t t ñ ph c v cho vi c s d ng GIS hi u qu ; và s phát tri n và tương thích c a các h p ph n là m t quá trình l p ñi l p l i theo chi u hư ng phát tri n liên t c. Vi c l a ch n và trang b ph n c ng và ph n m m thư ng là nh ng bư c d dàng nh t và nhanh nh t trong quá trình phát tri n m t h GIS. Vi c thu th p và t ch c d li u, phát tri n nhân s và thi t l p các quy ñ nh cho v n ñ s d ng GIS thư ng khó khăn hơn và t n nhi u th i gian hơn.
ng D c li n u Ph Hình 1.6: Các thành ph n c a GIS * Ph n c ng Ph n c ng c a GIS ñư c xem là ph n c ñ nh mà b ng m t thư ng ta có th d dàng th y ñư c. Nó bao g m máy tính và các thi t b ngo i vi. Máy tính có th là máy có b t kỳ kích thư c nào và có th do nhi u hãng s n xu t v i c u hình khác nhau. Tuy nhiên, máy tính có c u hình m nh là ñi u mong mu n ñ s d ng trong GIS. Các thi t b ngo i vi bao g m bàn s hóa, máy quét, máy in và máy v . Các thi t b này cũng h t s c ña d ng v kích c , ki u dáng, t c ñ x lý và ñ phân gi i do các hãng khác nhau s n xu t. Chúng ñư c k t n i v i máy tính ñ th c hi n vi c nh p và xu t d li u.
Hình 1.7: Sơ ñ t ch c m t h “ph n c ng GIS” * Ph n m m Ph n m m GIS r t ña d ng và do nhi u hãng khác nhau s n xu t. Các ph n m m GIS có th gi ng nhau ch c năng, song khác nhau v tên g i, h ñi u hành hay môi trư ng ho t ñ ng, giao di n, khuôn d ng d li u không gian và h qu n tr cơ s d li u. Theo th i gian, ph n m m GIS phát tri n ngày càng thân thi n v i ngư i dùng, toàn di n v ch c năng và có kh năng qu n lý d li u hi u qu hơn. Tuy nhiên, s gia tăng m nh m v s lư ng ngư i bán ph n m m cũng như năng l c qu n lý c a GIS ñã Hình 1.8: Ph n m m c a GIS khi n cho s l a ch n ph n m m GIS tr thành m t quy t ñ nh không ñơn gi n. S l a ch n ñó c n ph i căn c vào m c ñích s d ng, năng l c tài chính và trình ñ cán b . V quy mô hay m c ñích s d ng, GIS có th ñư c dùng c p ñ a phương, c p qu c gia, khu v c hay toàn
c u, cho giáo d c, nghiên c u khoa h c, quy ho ch và qu n lý. Do v y, có th ch n ph n m m t ng quát hay chuyên d ng. ð t o thu n l i cho vi c k t n i, chia s d li u, nên ch n dùng các h ñã ñư c tin dùng nhi u nơi, các h m d thích ng v i nh ng thay ñ i và d xu t nh p, trao ñ i d li u v i các h khác. * Ph n d li u Ph n d li u GIS bao g m d li u không gian và phi không gian. D li u không gian là d li u v v trí c a các ñ i tư ng trên m t ñ t theo m t h quy chi u nào ñó. Nó có th ñư c bi u di n dư i d ng các ô lư i hay các c p t a ñ hay c hai, tùy thu c vào kh năng c a t ng ph n m m c th . D li u phi không gian là d li u thu c tính hay d li u mô t các ñ i tư ng ñ a lý. D li u thu c tính thư ng ñư c trình bày dư i d ng b ng. S k t n i gi a d li u không gian và phi không gian trong GIS là cơ s ñ xác ñ nh chính xác các ñ i tư ng ñ a lý và th c hi n phân tích t ng h p GIS. Vi c xây d ng m t cơ s d li u GIS là m t ñ u tư l n v th i gian, công s c và ti n b c do v y, ph n d li u GIS ph i ñư c qu n lý khai thác m t cách an toàn, ti n l i và hi u qu . V i b t kỳ m t h thông tin nào cũng ph i hi u rõ các lo i d li u khác nhau lưu tr trong chúng. D li u th ng kê g n theo các hi n tư ng t nhiên v i m c ñ chính xác khác nhau. H th ng thư c ño c a chúng bao g m các bi n tên, s th t , kho ng và t l . B ng sau ñây là ví d v các lo i bi n ñư c s d ng trong GIS. Bi n tên Th t Kho ng T l (Lo i mùa màng) (Lo i cát) (Nhi t ñ ) (Dân s ) Lúa Tinh 20oC 20.000 Ngô Trung bình 25oC 40.000 Khoai tây Thô 35oC 15.000 B ng 1.1: Ví d các ki u thu c tính khác nhau trong GIS Bi n tên: là nh ng bi n ch có tên, không theo tr t t ñ c bi t nào. Ví d như các lo i ñ t s d ng hay các lo i cây tr ng. Bi n th t là danh sách các l p r i r c nhưng có tr t t . Ví d như trình ñ h c v n ti u h c, trung h c, ñ i h c, sau ñ i h c hay thư c ño Richter c a ñ ng ñ t, thư c ño Beaufort c a s c gió. Bi n kho ng cũng có trình t t nhiên nhưng có thêm ñ c tính là kho ng cách gi a các bi n còn có ý nghĩa. Ví d như các kho ng nhi t ñ ño. Bi n t l , chúng có cùng ñ c tính như bi n kho ng nhưng chúng có giá tr 0 hay ñi m b t ñ u t nhiên. Ví d như lư ng mưa trong m i tháng, thu nh p bình quân trong m t năm.
Ngoài b n lo i bi n d li u mô t trên, các h GIS còn phân chia d li u thành hai l p khác nhau là d li u thu c tính (hay d li u phi không gian) và d li u không gian. Hai l p d li u này ñư c k t n i logic v i nhau trong GIS. M i h GIS ñ u có các công c lưu tr d li u thu c tính cùng v i d li u không gian. Vi c k t n i logic c a hai lo i thông tin này là r t quan tr ng. M i h GIS c n ph i hi u ñư c d li u trong các khuôn m u khác nhau, không ch hi u khuôn m u riêng c a h th ng. Ví d như ñư ng biên b n ñ có th trong khuôn m u t p DXF c a AutoCAD hay BNA c a AtlasGIS. Thông thư ng, GIS hi u ngay khuôn m u DXF mà không c n ñ n s a ñ i nào. Tương t , GIS ph i hi u ngay khuôn m u DBF c a các thu c tính ñư c lưu tr kèm theo. Lý tư ng thì ph n m m GIS ph i có kh năng ñ c các khuôn m u d li u raster như DEN, GIFF, TIFF, JPEG, EPS và khuôn m u vector như TIGER, HPGL, DXF, Postscript, DLG. Tuy nhiên, m t s ph n m m GIS ch có ch c năng nh p d li u ñơn gi n. V i d li u ba chi u, ph n l n các ph n m m GIS tr giúp lư i tam giác không ñ u (TIN). M t s khác tr giúp c u trúc raster trên cơ s lư i bao g m cây t phân và kh năng chuy n ñ i toàn b hay m t ph n d li u vào c u trúc này. M t vài ph n m m GIS ch tr giúp khuôn m u riêng, chúng ph thu c vào nhà s n xu t ph n m m. Nh ng năm g n ñây, các thao tác b tr c a GIS ñư c xây d ng ñ h th ng hi u ñư c d li u trong khuôn m u chu n. M t s chu n chuy n ñ i ñư c xây d ng theo m c qu c gia hay qu c t như SDTS (Spatial Data Transfer Standard) hay DIGEST. * Ph n chuyên gia Trong GIS, ph n con ngư i còn ñư c bi t ñ n dư i các tên g i khác như ph n não hay ph n s ng c a h th ng. Con ngư i tham gia vào vi c thi t l p, khai thác và b o trì h th ng m t cách gián ti p hay tr c ti p. Có hai nhóm ngư i quan tr ng tr c ti p quy t ñ nh s t n t i và phát tri n c a GIS là ngư i s d ng và ngư i qu n lý s d ng GIS. ð i ngũ nh ng ngư i s d ng GIS bao g m các thao tác viên, k thu t viên h tr k thu t và các chuyên gia v các lĩnh v c khác nhau có s d ng thông tin ñ a lý. Ngư i s d ng tr thành m t thành ph n c a GIS khi ti n hành nh ng phép phân tích ph c t p, các thao tác phân tích không gian và mô hình hóa. Công vi c này yêu c u các k năng ñ ch n l a và s d ng các công c t h p công c c a GIS và có ki n th c v các d li u ñang ñư c s d ng. Hi n t i và trong nh ng năm trư c m t, GIS v n s ph thu c vào ngư i s d ng có n m v ng ki n th c v nh ng gì h ñang làm ch không ñơn gi n ch n m t nút là ñ . Ngư i s d ng h th ng: là nh ng ngư i s d ng GIS ñ gi i quy t các v n ñ không gian. H thư ng là nh ng ngư i ñư c ñào t o t t v lĩnh v c GIS hay GIS chuyên d ng. Nhi m v ch y u c a h là s hóa b n ñ , ki m tra l i, so n th o, phân tích d li u thô và ñưa ra các gi i pháp cu i cùng ñ truy v n d li u ñ a lý. Dù ñư c ñào t o chính qui hay t i ch c thì ngư i s d ng h th ng v n
ph i ñư c thư ng xuyên ñào t o l i vì ph m m m GIS thay ñ i liên t c và do yêu c u m i c a k thu t phân tích. Thao tác viên h th ng: có trách nhi m v n hành h th ng hàng ngày ñ ngư i s d ng h th ng làm vi c hi u qu . Công vi c c a h là s a ch a khi chương trình b t t ngh n hay là công vi c tr giúp nhân viên th c hi n các phân tích có ñ ph c t p cao. ðôi khi h c còn có trách nhi m hu n luy n ngư i dùng, h cũng là ngư i có kinh nghi m như ngư i s d ng h th ng. H hi u bi t v c u hình ph n m m và ph n c ng ñ có th yêu c u nâng c p. H còn làm vi c như ngư i qu n tr h th ng, qu n tr cơ s d li u, an toàn, toàn v n cơ s d li u ñ tránh hư h ng, m t mát d li u. Nhà cung c p GIS: có trách nhi m cung c p ph n m m, c p nh t ph n m m, phương pháp nâng c p cho h th ng. ðôi khi tham gia hu n luy n ngư i dùng GIS thông qua các h p ñ ng v i qu n tr h th ng. Nhà cung c p d li u: có th là t ch c Nhà nư c hay tư nhân. Thông thư ng, các công ty tư nhân cung c p d li u s a ñ i t d li u các cơ quan Nhà nư c ñ cho phù h p v i ng d ng c th . Thư ng thì các cơ quan Nhà nư c cung c p d li u ñư c xây d ng cho chính nhu c u c a h , nhưng d li u này có th ñư c s d ng trong các t ch c, cơ quan khác. M t s d li u này ñư c bán v i giá r hay cho không ñ i v i các d án GIS phi l i nhu n. Ngư i phát tri n ng d ng: là nh ng ngư i l p trình viên ñư c ñào t o. H xây d ng các giao di n ngư i dùng, làm gi m khó khăn khi th c hi n các thao tác c th trên các h th ng GIS chuyên nghi p. Ph n l n, l p trình GIS b ng ngôn ng macro do nhà cung c p GIS xây d ng ñ ngư i phát tri n ng d ng có kh năng ghép n i v i các ngôn ng máy tính truy n th ng. Chuyên viên phân tích h th ng GIS: là nhóm ngư i chuyên nghiên c u thi t k h th ng. Ph n l n h là ñ i ngũ chuyên nghi p, có trách nhi m xác ñ nh m c tiêu c a h GIS trong cơ quan, hi u ch nh h th ng, ñ xu t ký thu t, phân tích ñúng ñ n, ñ m b o tích h p t t h th ng trong cơ quan. Thông thư ng, chuyên gia phân tích h th ng là nhân viên c a các hãng l n chuyên v cài ñ t GIS. Tóm l i, m t d án GIS ch thành công khi nó ñư c qu n lý t t và con ngư i t i m i công ño n ph i có k năng t t. Dư i ñây là m t ví d v c u trúc qu n lý d án GIS ñ c l p. Tuy nhiên, trong nhi u trư ng h p có th k t h p qu n lý d án GIS v i c u trúc qu n lý có s n trong cơ quan.
Hình 1.9: Sơ ñ qu n lý d án GIS 1.2.2. Ch c năng c a GIS V i thành ph n như trên, GIS có th và ph i ñ m ñương các ch c năng ch y u sau: Nh p d li u Nh p d li u là m t ch c năng c a GIS qua ñó d li u dư i d ng tương t hay d ng s ñư c bi n ñ i sang d ng s có th s d ng ñư c b ng GIS. Vi c nh p d li u ñư c th c hi n nh vào các thi t b như bàn s hóa, máy quét, bàn phím và các chương trình hay môñun nh p và chuy n ñ i d li u c a GIS. Qu n lý d li u Vi c xây d ng m t cơ s d li u GIS l n b ng các phương pháp nh p d li u khác nhau thư ng r t t n kém v th i gian, công s c và ti n b c. S chi phí b ng ti n cho vi c xây d ng cơ s d li u có th l n hơn h n chi phí ph n c ng và ph n m m GIS. ði u ñó ph n nào nói lên ý nghĩa c a vi c qu n lý d li u, m t ch c năng quan tr ng c a t t c các h th ng thông tin ñ a lý. Ch c năng này bao g m vi c t ch c lưu tr và truy c p d li u sao cho hi u qu nh t. Phân tích d li u Phân tích d li u là ch c năng quan tr ng nh t c a GIS. GIS cung c p các công c c n thi t ñ phân tích d li u không gian, d li u thu c tính và phân tích t ng h p c hai lo i d li u ñó trong cơ s d li u ñ t o ra thông tin m i tr giúp các quy t ñ nh mang tính không gian. Xu t d li u Ch c năng xu t d li u hay còn g i là ch c năng báo cáo c a GIS cho phép hi n th , trình bày các k t qu phân tích và mô hình hóa không gian b ng GIS dư i
d ng b n ñ , b ng thu c tính hay văn b n trên nàm hình hay trên các v t li u truy n th ng khác các t l và ch t lư ng khác nhau tùy thu c vào yêu c u c a ngư i dùng và kh năng c a các thi t b xu t d li u như màn hình, máy in và máy v . S c m nh c a các ch c năng c a h th ng GIS khác nhau là khác nhau. K thu t xây d ng các ch c năng cũng r t khác nhau. Sơ ñ sau ñây mô t quan h gi a các nhóm ch c năng và cách bi u di n thông tin khác nhau c a GIS. Hình 1.10: Các nhóm ch c năng trong GIS Ch c năng thu th p d li u t o ra d li u t các quan sát hi n tư ng th gi i th c và t các tài li u, b n ñ gi y, ñôi khi chúng có s n dư i d ng s . K t qu ta có t p d li u thô, có nghĩa là d li u này không ñư c phép áp d ng tr c ti p cho ch c năng truy nh p và phân tích c a h th ng. Ch c năng x lý sơ b d li u s bi n ñ i d li u thô thành d li u có c u trúc ñ s d ng tr c ti p các ch c năng tìm ki m và phân tích không gian. K t qu tìm ki m và phân tích ñư c xem như di n gi i d li u, ñó là t h p hay bi n ñ i ñ c bi t c a d li u có c u trúc. H th ng thông tin ñ a lý ph i có ph n m m công c ñ t ch c và lưu tr các lo i d li u khác nhau, t d li u thô ñ n d li u di n gi i. Ph n m m công c này ph i có các thao tác lưu tr , truy nh p; ñ ng th i có kh năng hi n th , tương tác ñ h a v i t t c các lo i d li u.
1.3. M t s ng d ng GIS K t khi ra ñ i cho ñ n nay, GIS ñã ñư c ng d ng nhi u nơi trên th gi i, trong nhi u lĩnh v c và các quy mô khác nhau. Các ng d ng ñ u tiên c a GIS các nư c trên th gi i không gi ng nhau. Châu Âu, xu hư ng ch y u là ng d ng GIS vào vi c xây d ng các h th ng qu n lý ñ t ñai và cơ s d li u cho môi trư ng. Canada, nơi ch ng ki n s ra ñ i c a GIS c p qu c gia ñ u tiên trên th gi i, m t ng d ng trong lâm nghi p quan tr ng c a GIS là xây d ng k ho ch khai thác g , xác ñ nh các con ñư ng ñ ñi khai thác g và báo cáo k t qu cho chính ph ñ a phương. M , GIS ñư c ng d ng trong r t nhi u lĩnh v c. M t d án ñang ñư c ñ c p ñ n v vi c s d ng công ngh GIS là TIGER (Topographically Integrated Geographical Referencing) do cơ quan ñi u tra dân s và s ñ a ch t M tri n khai. D án này ñư c thi t k ñ t o thu n l i cho cu c ñi u tra dân s năm 1990 và ñã ñư c phát tri n ñ xây d ng ñư c mô hình máy tính hóa cho m ng lư i giao thông M v i tr giá kho ng 170 tri u ñôla. Trung Qu c và Nh t B n, GIS ñư c ng d ng ch y u vào vi c xây d ng mô hình và qu n lý các thay ñ i c a môi trư ng do m c ñ nghiêm tr ng c a thiên tai. các nư c ñó, các lĩnh v c ng d ng c a GIS h t s c ña d ng và ngày càng gia tăng cùng v i s phát tri n c a công ngh và s xu t hi n các v n ñ m i các quy mô khác nhau. GIS ñã ñư c áp d ng vào l p b n ñ các vùng sinh thái nông nghi p, l p b n ñ thích h p ñ t ñai, d báo s n lư ng, quy ho ch và qu n lý s d ng ñ t. Trong lâm nghi p, GIS ñã ñư c s d ng ñ nh p, lưu tr , qu n lý và phân tích các b n ñ r ng ñ ph c v vi c khai thác, b o v và phát tri n r ng. Trong lĩnh v c kh o c h c, các k thu t GIS ñư c s d ng ñ phân tích các ñ a ñi m ñã bi t và d báo v trí các ñi m kh o c chưa ñư c phát hi n. V i kh năng liên k t các l p d li u khác nhau, GIS ñư c s d ng có hi u qu trong vi c tìm ki m khoáng s n trên cơ s t ng h p các d li u vi n thám, ñ a v t lý, ñ a hóa và ñ a ch t. các ñô th , GIS ñã ñư c s d ng ñ tr giúp các quy t ñ nh pháp lý, hành chính, kinh t cũng như các ho t ñ ng quy ho ch khác. Bên c nh các ng d ng quy mô ñ a phương, qu c gia, GIS cũng ñã ñư c ng d ng quy mô liên qu c gia và toàn c u. M t ví d ñi n hình là h ARC/INFO c a ESRI ñã ñư c ch n dùng trong chương trình CORINE (Coordinated Information on the European Environment) do C ng ñ ng Châu Âu