Giáo trình Công nghệ 3S: Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:114

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Công nghệ 3S: Phần 2 cung cấp cho người đọc những kiến thức như: công nghệ hệ thông tin địa lý; một số ứng dụng của công nghệ 3S. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Công nghệ 3S: Phần 2

Chương ____________________ CÔNG NGHỆ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ 3.1. TỔNG QUAN VÈ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ 3.1.1. Khái niệm vê hệ thông tin địa lý Hệ thông tin địa lý (HTTĐL) - Geographycal Information System (GIS) là hệ thống quản lý thông tin không gian địa lý được phát triển dựa trên cơ sở công nghệ máy tính và tin học với mục đích lun trữ, hợp nhất, mô hình hóa, phân tích, dự báo và trình bày được nhiều dạng dữ liệu. Hiện nay, có rất nhiều định nghĩa về hệ thông tin địa lý được sứ dụng, ví dụ: Viện nghiên cứu Hệ thống Môi trường ESRI cúa Mỹ định nghĩa “Hệ thông tin địa lý là một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích và kết xuất’'; hoặc “Hệ thông tin địa lý là một hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu bằng máv tính để thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị không gian” (National Center for Geographic Information and Analysis, 1988)... Chúng ta có thể định nghĩa Hệ thông tin địa lý l à m ộ t h ệ th ố n g th ô n g tin c ó k h á n ă n g th u th ậ p , c ậ p n h ậ t, q u á n t r ị v à p h â n tí c h , b iê u d ìề r t d ừ liệ u đ ịa l ý p h ụ c v ụ g i a i q u y ế t c á c b à i to á n ứ n g d ụ n g c ó liê n q u a n t ớ i v ị t r í đ ị a lý trên, tr o n g v à n g o à i b ề m ặ t t r á i đ ấ t hoặc được định nghĩa như là m ộ t h ệ th ố n g th ô n g tin v ớ i k h a n ă n g tr u y n h ậ p , tìm k iế m , x ư lý, p h â n tíc h v à tr u y x u ấ t d ữ liệ u đ ị a l ý n h ằ m h ỗ t r ợ c h o c ô n g tá c q u a n lý, q u y h o ạ c h v à q u a n tà i n g u y ê n th iê n n h iê n & m ô i tr ư ờ n g . Công nghệ hệ thông tin địa lý kết hợp các thao tác cơ sở dừ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và cho phép phân tích thốno 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 hệ thông tin địa lý với các hệ thống 123
thông tin khác và khiến cho nó có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiêu lĩnh vực khác nhau (quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường, phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược...). N e iỉữ i á r CỈU112 T r ir u tư ợ n g C ris th ế g iớ i th i/c P tiầ n m ề m CSDL ~J \c ô n g c ụ + T ltề g iớ i r ln r c K ết quà Hình 3.1. Mô phỏng hệ thông tin địa lý Tại sao p líả ỉ s ử dụng H ệ thông tin địa lý? Hệ thống phần mềm trong hệ thông tin địa lý có thể kết nối thông tin về vị trí địa lý của sự vật với những thông tin về bản thân sự vật. Khác với bản đồ trên giấy, hệ thông tin địa lý có thể tổ hợp nhiều lớp thông tin, mồi loại thông tin trên bản đồ có thể bố trí trên một lớp riêng (Hình 3.2), người sứ dụng có thể bật hoặc tắt các lớp thông tin theo nhu cầu của mình. Ví dụ một lớp có thể gồm các con đường trong một khu vực, lớp khác có thể chứa các hồ trên khu vực đó, lớp khác lại chứa tất cả các thành phố... Điểm mạnh của hệ thông tin địa lý so với bản đồ giấy chính là khả năng cập nhật dữ liệu nhanh và cho phép thực hiện các phép phân tích không gian và chọn những thông tin cần theo mục đích sừ dụng. Một doanh nhân lập bản đồ các khách hàng trong một thành phố sẽ cần xem những thông tin về khách hàng sống trong các khu vực dân cư, làm việc trong các công sở, trường học... nhưng với một kỳ sư cấp nước lại cần các thông tin về mạng đường ống nước trong thành phố và nhu cầu sử dụng nước... Cả hai có thể bắt đầu từ cùng một bản đồ chung, là bán đồ đường phố và vùng lân cận của thành phố nhưng thông tin mà họ bô xung thêm sẽ khác nhau. 124
Hệ thông tin địa lý có vai trò quan trọng trong quy hoạch và quản lý môi trường vì nó giúp cho những người ra quyết định có một cái nhìn bao quát những khu vực có vấn đề và có thể dùng hệ thống này để theo dõi nguồn gây ô nhiễm. Ví dụ khi người dân liên hệ với chính quyền địa phương để báo cáo về việc nước sông có mùi lạ. Chính quyền địa phương có thể sử dụng hệ thông tin địa lý để kết hợp các thông tin về các khu công nghiệp trong huyện tỉnh với thông tin về vị trí của tất cả các sông, suối trên địa bàn. Biện pháp đầu tiên có thể là xác định tất cả các khu công nghiệp nằm gần con sông đó hay những con suối chảy ra sông đó. Nếu mẫu nước được xét nghiệm và chất gây ô nhiễm được phát hiện thì chính quyền địa phương có thể sử dụng hệ thông tin địa lý để tìm tất cả các khu công nghiệp trên địa bàn có sử dụng chất gây ô nhiễm đó trong sản xuất. Hình 3.2. Các lóp thông tin trong hệ thống Với mục đích quy hoạch, có thể dùng hệ thông tin địa lý để xác định các cơ sở công nghiệp không tuân thủ tiêu chuẩn Việt Nam về nước thải. Các khu công nghiệp này sẽ là mục tiêu đầu tiên trong kế hoạch giám sát tác động môi trường sắp tới. Bằng cách đó, chính quyền địa phương có thể lập bản đồ tất cả các khu công nghiệp đã tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường và tất cả các khu công nghiệp cần có hành động đế cải thiện điều kiện môi 125
trường trong khu vực. Có thể tính được khoảng cách giữa các nhà máy từ bản đồ và nhờ đó tính được thời gian cần để khảo sát các nhà máy đó. Chính vì những thế mạnh đó, chúng ta có thể thấy tại sao sử dụng hệ thông tin địa lý lại là một lợi thế. về tổng quát, sự phát triển của công nghệ thông tin đã dẫn đến sự phát triển song song tự động hóa công tác thu thập dữ liệu, phân tích dữ liệu, trình bày dữ liệu trong nhiều lĩnh vực như trắc địa bản đồ, địa chất, quy hoạch phát triển, môi trường... Do có nhiều công việc phải xử lý các thông tin liên quan và phối hợp trong nhiều chuyên ngành khác nhau nên cần phải có hệ thống quản lý, liên kết các dữ liệu từ nhiều nguồn vào khác nhau như bản đồ, ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, các số liệu quan trắc, điều tra,... Hay nói cách khác là cần phải phát triển một hệ thống các công cụ để thu thập, tìm kiếm, biến đổi, phân tích và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ thực hiện những mục đích cụ thể. Tập hợp các công cụ trên đã tạo lập ra hệ thông tin địa lý, đó là hệ thống thể hiện các đối tượng từ thế giới thực thông qua các dữ liệu cơ bản: - Vị trí của các đối tượng thông qua một hệ tọa độ; - Các thuộc tính của các đối tượng; - Quan hệ không gian giữa các đối tượng. Như vậy, nhờ hệ thông tin địa lý, người sử dụng có thể truy vấn thông qua một số dạng câu hỏi để hệ thống có thể trà lời được là: + Có cái gì tại vị trí này? + Mối quan hệ giữa các.đối tượng như thế nào? + Ở đâu thỏa mãn những điều kiện này? + Cái gì đã thay đổi và thay đổi như thế nào từ thời điếm này đến thời điểm khác? + Những mẫu không gian nào tồn tại? + N ó sẽ như thế nào nếu quá trình diễn ra? + ... Từ đó ta thấy rằng, hệ thông tin địa lý có các chức năng cơ ban được mô phỏng theo hình 3.3. 126
Thu thập và mã hóa dự liệu Thao tác xử lý dữ liệu Phân tích không gian Sắp xếp dữ liệu Quản lý CSDL Hiện thị dữ liệu Hình 3.3. Chức năng của hệ thông tin địa lý Theo Meaden và Kapetsky (1991) các chức năng của hệ thông tin địa lý có thể chia thành 6 nhóm và một điều dễ nhận ra là các chức năng của nó chủ yếu tập chung vào vấn đề dữ liệu của hệ thống, cụ thể: * Thu thập và mã hóa: Là quá trình thực hiện tiếp nhập các dữ liệu đầu vào và chuyển các dữ liệu này theo khuôn mẫu áp dụng được cho hệ thông tin địa lý. * Thao tác xử lý: Nhằm mục đích đưa các dữ liệu dưới dạng các tập tin sao cho máy tính có thể dễ dàng sử dụng. * Sắp xếp dữ liệu: Là cách lựa chọn các thông tin dựa trên một tiêu chuẩn hoặc chủ đề nào đó. * Biểu diễn: Là thực hiện việc biếu diễn các dữ liệu bằng các biểu đồ, bản đồ, các bảng biểu của một đối tượng địa lý. * Quản lý cơ sở dữ liệu: Là việc sắp xếp quản lý các dữ liệu phức tạp sao cho việc truy cập, kết nối dễ dàng, lưu trữ và bảo quản dữ liệu bảo đảm cho hệ thống luôn hoạt động. * Phân tích không gian: Phân tích không gian là quá trình thực hiện một trong các loạt thao tác như truy vấn tọa độ địa lý, truy vấn dừ liệu đặc tính (truy vấn phi không gian) hay thao tác dừ liệu mới từ dừ liệu ban đầu 127
(chồng xếp bản đồ, cắt theo vùng, tách lọc thông tin,...). Quá trình này thực hiện hai mối quan hệ: - Mối quan hệ giữa dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian. - Mối quan hệ không gian giữa các đối tượng địa lý. Kết quả phân tích không gian có thể được thể hiện thông qua các bản đồ, đồ thị, các báo cáo... hoặc tất cả sản phẩm. Như vậy, hệ thông tin địa lý khác với các hệ thống thông tin khác, đó là nó chủ yếu mô tả việc nghiên cứu và sự tồn tại của các thực thể không gian và mối quan hệ giữa chúng. Thuật ngữ "Địa lý" ở đây thực tế là đồng nghĩa với thuật ngữ “không gian”. Cấu thành cơ bản của hệ thông tin địa lý bao gồm hệ thống xừ lý hay có thể gọi là hệ thống máy tính gồm phần cứng và phần mềm, cơ sở dữ liệu, đội ngũ cán bộ kỹ thuật và phương thức tổ chức. Hệ thông tin địa lý là một khoa học liên ngành, nó liên quan đến rất nhiều chuyên ngành thuộc Khoa học trái đất như Địa lý học, Kỹ thuật Trắc địa-Bản đồ, Đo ảnh và Viễn thám, Kỳ thuật Địa chất,...; Toán học, Công nghệ thông tin, kinh tế - xã hội... Công nghệ hệ thông tin địa lý ứng dụng trong Khoa học Trái đất sẽ mang lại cho chúng ta nhiều lợi ích như: - Cho khả năng tích hợp nhiều dạng dữ liệu với nhiều nguồn khác nhau. - Sử dụng tra cứu, cập nhật thông tin và phân tích không gian rất hữu hiệu, giảm chi phí trong công tác quản lý. - Việc phân tích không gian trong hệ thống sẽ làm thay đổi cách nhìn nhận thế giới và cách hành xử của chúng ta với ngôi nhà chung là trái đất. - Tăng cường khả năng phối họp giữa các cơ quan trong nhiều lĩnh vực và trợ giúp nhiều thông tin dẫn đến các quyết định đúng đắn. 3.1.1.2. K h ái niệm về chuẩn d ữ liệu Hệ thống thông tin càng phát huy tác dụng rộng rãi nếu dừ liệu trong hệ thống được định chuẩn. Điều kiện này giúp cho thông tin được trao đổi rộng rãi hơn, người sử dụng thông tin nhiều hơn, hệ thống cập nhật thông tin 128
đa dạng hơn, hiệu quả là tránh được lãng phí trong quá trình phát triển. Muốn vậy các ngành cần thống nhất một chuẩn chung về cơ sở dừ liệu của hệ thông tin địa lý mang tính Quốc gia. vấn đề đưa ra các quy định về chuẩn hóa dữ liệu là công việc cần thiết phải làm đối với cơ quan chủ quản ờ nước ta là Bộ Tài nguyên và Môi trường. Chuẩn hóa dữ liệu là hệ thống các tiêu chuẩn về cách thức mô tả và lưu trữ thông tin trong hệ thống cơ sở dữ liệu, khuôn dạng lưu trữ và trao đổi dữ liệu, nội dung và mối quan hệ của các đối tượng địa lý được mô tả trong hệ thống... Chuẩn dữ liệu còn quy định các tiêu chuẩn, nội dung các thông tin về siêu dữ liệu (Metadata). Chuẩn dữ liệu có thể do các tổ chức quốc tế hoặc quốc gia xây dựng và ban hành áp dụng thống nhất. Nhiều quốc gia trên thế giới như Hoa Kỳ, Nhật bản, Nga, Trung Quốc... đã xây dựng hệ thống chuẩn quốc gia về cơ sở dữ liệu thông tin địa lý. Trước đây, chúng ta chưa xây dựng chuẩn Quốc gia về cơ sở dữ liệu địa lý. Do nhu cầu sử dụng, một số dự án xây dựng hệ thông tin địa lý của các bộ, ngành và địa phương tự xây dựng một số quy định tạm thời về chuẩn dữ liệu để sử dụng. Để nghiên cứu và hiểu được nội dung của các chuẩn Quốc tế ISO/TC211 và OPENGIS áp dụng vào Việt Nam, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã phê duyệt dự án chuẩn hóa hệ thống thông tin quốc gia. Năm 2008, Bộ tài nguyên và Môi trường đã ban hành chuẩn cơ sở dữ liệu nền địa lý quốc gia.Trong đó, các chuẩn ISO - 19.100 trong Bảng 3.1 được áp dụng trong xây dựng các Quy chuẩn thông tin địa lý cơ sở Quốc gia. Có nhiều ý kiến cho rằng tài liệu “Chuẩn thông tin địa lý cơ sở quốc gia” áp dụng “nguyên” tài liệu chuẩn của nước ngoài vào Việt Nam. Điều này là hoàn toàn không đúng. Chuẩn ISO/ OPENGIS chỉ đưa ra quy tắc chung và các phương pháp để xây dựng chuẩn thông tin địa lý cho từng quốc gia. Mục đích là để nhiều quốc gia hay khu vực trên thế giới có tiếng nói chung khi nghiên cứu các vấn đề về trái đất có liên quan đến thông tin địa lý. 129
Bảng 3.1. Quy chuẩn thông tin địa lý cơ sở Quốc gia No Chuẩn TTĐLCSQG Bộ Tiêu chuẩn ISO-19100 Chuẩn ngôn ngữ mô hình hóa sử ISO/TS 19103 Geographie Information - 1 dụng trong thông tin địa lý Conceptual Schema Language ISO/DIS 19107 Geographic Information 2 Chuẩn lược đồ dữ liệu không gian - Spatial schema ISO/DIS 19108 Geographic Information 3 Chuẩn lược đồ dữ liệu thời gian - Temporal schema Chuẩn quy tắc xây dựng lược đồ ISO/DIS 19109 Geographic Information 4 ứng dụng - Rules for Application Schema ISO/FDIS 19110 Geographic Chuẩn phương pháp xây dựng 5 Information - Methodology for Feature danh mục đối tượng địa lý Cataloguing Chuẩn nguyên tắc đánh giá chất ISO/FDIS 19113 Geographic 6 lượng dữ liệu địa lý Information - Quality principles Chuẩn quy trình đánh giá chất ISO 19114 Geographic Information - 7 lượng dữ liệu địa lý Quality evaluation procedures ISO 19115 Geographic Information - 8 Chuẩn siêu dữ liệu Metadata ISO 19117 Geographic Information - 9 Chuẩn trình bày dữ liệu địa lý Portrayal ISO 19111 Geographic Inform ation- 10 Chuẩn hệ quy chiếu tọa độ Spatial Referencing by Coordinates ISO 19101 Geographic Information - 11 Chuẩn mã hóa dữ liệu Endcoding ISO 19136 Geographic Information - 12 Chuần trao đổi dữ liệu Geography Mark-up Language Việc áp dụng chuẩn ISO trong xây dựng chuẩn thông tin địa lý ờ Việt Nam thực chất mới chỉ bắt đầu ở Bộ Tài nguyên và M ôi trường, nhằm đưa ra cấu trúc chung về sản phẩm dữ liệu địa lý để khắc phục tình trạng chồng chéo về đầu tư kinh phí cho việc xây dựng dữ liệu phục vụ công tác điều tra cơ bản. Việc hình thành các lớp thông tin hầu hết dựa vào nội dung bản đô hiện hành, áp dụng các nguyên tắc khái quát hóa, phương pháp phân loại đôi tượng địa lý, phương pháp lập danh mục đối tượng để xây dựng danh mục đổi tượng địa lý cơ sở Quốc gia. Nhưng chuẩn dừ liệu địa lý 130
không chi có danh mục đối tượng mà các đối tượng còn bị chi phối bởi 12 nội dung ở bảng 3.1, đặc biệt là quan hệ không gian giữa các đối tượng, chất 1 lượng dữ liệu. Chính những chi phối này dẫn đến cấu trúc danh mục đối ' tượng địa lý có một số điểm về phân loại và thuộc tính khác với nội dung ỉ , bản đô địa hình hiện hành. Bên cạnh việc vận dụng các quy chuẩn quốc tế ISO/TC211, chuẩn thông tin địa lý cơ sở quốc gia còn được xây dựng trên quan điểm kế thừa : các văn bản kỹ thuật đo đạc bản đồ hiện hành. Trong quá trình thực hiện, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã giao cho Cục Đo đạc và Bản đồ Việt Nam tiếp tục nghiên cứu chuẩn thông tin địa lý Quốc gia sao cho phù hợp với Việt Nam và có khả năng trao đổi dừ liệu quốc tế. Ngày 19/3/2012, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ban hành Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia số QCVN 42:2012/BTNM T kèm theo thông tư số 02/2012/TT-BTNMT về chuẩn thông tin địa lý cơ sở quốc gia (National technical regulation on Standard o f basic geographic information). Chuẩn thông tin địa lý cơ sở Quốc gia là quy chuẩn để xây dựng các Quy định kỹ thuật dữ liệu địa lý (tài liệu chính được sử dụng trực tiếp trong thi công xây dựng các dự án). Nội dung tài liệu chuẩn cơ sở Quốc gia có sử dụng rất nhiều khái niệm, thuật ngữ chuyên môn, cụ thể: ký hiệu và thuật ngữ sử dụng trong các lược đồ khái niệm; mô hình cấu trúc dữ liệu địa lý; Mô hình khái niệm dữ liệu không gian; mô hình khái niệm dữ liệu thời gian; Phương pháp lập danh mục đối tượng địa lý; danh mục đối tượng địa lý cơ sở Quốc gia; hệ quy chiếu tọa độ; nội dung siêu dữ liệu địa lý cơ sở; chất lượng dữ liệu địa lý; trình bày dừ liệu địa lý; lược đồ GML cơ sở; quy tắc xây dựng lược đồ ứng dụng GML; quy tắc chuyển đổi lược đồ ứng dụng ƯML sang lược đồ ứng dụng GML và một số địa chỉ website hữu ích. 3.1.1.3. X u th ể p h á t triển h ệ thông tin địa lý Hệ thông tin địa lý ngày càng khẳng định được sức mạnh của mình trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, nhưng dường như nó vẫn chưa đến được với mọi người. Lý do rất dễ nhận ra là một hệ thống ứng dụng hệ thông tin địa lý hầu hết chạy trên máy tính đơn được cài đặt các module xử 131
lý hệ thông tin địa lý. Đây chính là lý do cản ừở khả năng ứng dụng rộng rãi của hệ thống. Ví dụ, khi một khách hàng muốn tìm đến một doanh nghiệp nào đó mà muốn sử dụng ứng dụng hệ thông tin địa lý thì hoặc là thượng đế này phải mang theo một Pocket PC cài ứng dụng tìm kiếm các doanh nghiệp, hoặc là anh ta phải chịu khó trở về nhà hoặc đến cơ quan để tìm đến đúng máy tính đó được cài đặt ứng dụng này để tìm kiếm thông tin. Qua đó ta có thể nhận thấy, với các ứng dụng hệ thông tin địa lý mang tính cộng đồng hoặc khi cần có thể sử dụng w h e r e v e r , tức là bất cứ nơi đâu, thì mô hình ứng dụng chạy trên máy đơn là không đáp ứng được. Internet ra đời vào thập niên 90 của thế kỷ XX đã rút ngắn khoảng cách giữa mọi người, cho phép bạn có thể “ngồi nhà, nhìn ra toàn thế giới”. Mô hình ứng dụng hệ thông tin địa lý chạy trên nền Internet cho phép mọi người dùng bất kỳ công cụ nào, chỉ cần có thể truy cập Internet là chắc chắn họ sẽ tìm kiếm được thông tin mình cần. Xu thế phát triển hệ thông tin địa lý hiện nay là: Truyền thông đa phương tiện, Googe Erth, WebGis, Mobile G is ,... WebGIS là hệ thông tin địa lý phân tán trên mạng máy tính để tích hợp, trao đổi các thông tin địa lý trên World Wide Web. Trong cách thực hiện nhiệm vụ phân tích của hệ thông tin địa lý, dịch vụ này gần giống như kiến trúc Client - Server của Web. Xử lý thông tin địa lý được chia ra thành các nhiệm vụ ở phía Server và phía Client. Điều này cho phép người dùng có thể truy xuất, thao tác và nhận kết quả từ việc khai thác dữ liệu hệ thống từ trình duyệt web của họ mà không phải trả tiền cho phần mềm ứng dụng. Ngoài ra, với sự phát triển của công nghệ điện thọai di động thông minh, hệ thống Mobile GIS là phần mở rộng của hệ thông tin địa lý. Hệ thống này giúp các ứng dụng của hệ thông tin địa lý hoạt độne ngoài thực địa thay vì hoạt động trong phòng. Mobile GIS kết hợp với hệ thống định vị toàn cầu GPS sẽ cho phép người sử dụng ở ngoài thực địa thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý. 132
3.1.2. Sự hình thành và phát triển hệ thông tin địa lý Hệ thống thông tin bản đồ đã ra đời cách đây rất lâu. Từ xa xưa, con người đã biết cách biểu diễn các thông tin địa lý bằng cách thu nhỏ các sự vật theo một kích thước nào đó, rồi vẽ lên mặt phang. Để đánh dấu các đặc tính của sự vật, người ta dùng các loại ký hiệu khác nhau như độ cao được biểu diễn bởi các đường bình độ, độ sâu của nước biển được biểu diễn bởi màu sắc, có những đặc tính lại được biểu diễn bởi các lời chú thích và số hiệu đi kèm... Dần dần, bản đồ chiếm một vị trí quan trọng, không thể thiếu được trong đời sống của con người, chiếm lĩnh trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong quân sự, kinh tế, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường... Nhờ có bản đồ, nhiều ngành khoa học kỹ thuật đã phát triển rất mạnh, đồng thời với sự phát triển đó cũng thúc đẩy kỹ thuật bản đồ ngày càng trở nên hoàn thiện hơn. Theo yêu cầu phát triển, lượng thông tin trên bản đồ ngày càng trở nên phong phú. Khi lượng thông tin biểu diễn trên một diện tích bản đồ trở nên quá lớn, người ta bắt đầu lập các bản đồ chuyên đề. Mồi bản đồ chuyên đề phản ánh các đối tượng địa lý về một lĩnh vực nào đó như bản đồ quân sự đánh dấu các điểm đóng quân, hướng hành quân...; bản đồ khí tượng thủy văn biểu diễn lượng mưa, hướng gió, nhiệt độ trung bình của vùng...; bản đồ địa chất và khoáng sản biếu diễn các thành tạo địa chất, sự phân bố khoáng sản trên nền các cấu trúc địa chất đó... Thậm chí ngay trong mồi chuyên ngành cũng có rất nhiều loại bản đồ khác nhau, ví dụ như trong lĩnh vực Trắc địa - Bản đồ có các loại bản đồ địa hình, bản đồ địa chính, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ quy hoạch sử dụng đất... hoặc trong lĩnh vực địa chất có các loại bản đồ.như bản đồ địa chất và khoáng sản, bản đồ địa chất thủy văn - địa chất công trình, bản đồ địa mạo, bản đồ kiến tạo... Với vai trò quan trọng như vậy, nên sau khi công nghệ thông tin ra đời ít lâu, các nhà khoa học đã nghĩ đến việc số hóa bản đồ, lưu trữ và quản lý các thông tin địa lý bàng máy tính. Vào đầu những năm sáu mươi của thế kỷ hai mươi, các nhà khoa học Canada đã cho ra đời hệ thông tin địa lý (Geographycal Infomation System - GIS). Tại Mỹ, nhiều trường đại học cùng bắt đầu tiến hành nghiên cứu và xây dựng hệ thống thông tin địa lý. 133
Tuy vậy, sự phát triên của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ phần cứng mà các máy tính của những năm sáu mươi còn chưa đủ mạnh. Ban đầu hệ thống thông tin địa lý chủ yếu dùng để phục vụ cho công tác điều tra và quản lý tài nguyên thiên nhiên, về sau nó được áp dụng trong lĩnh vực quàn lý đô thị, và vào năm 1968 Hội Địa lý Quốc tế đã quyết định thành lập ủy ban Thu thập và Xử lý Dữ liệu Địa lý. Những năm 1970, đã diễn ra hàng loạt thay đổi thuận lợi cho sự phát triển của hệ thống thông tin địa lý, đặc biệt là những tiến bộ của công nghệ phần cứng cho phép giảm giá thành, đồng thời tăng kích thước bộ nhớ .và tốc độ tính toán của máy tính. Chính vì vậy, hệ thống thông tin địa lý đâ nhanh chóng được thương mại hóa, xuất hiện hàng loạt các công ty lớn chuyên phát triển hệ thống như ESRI, Intergraph, GIMNS... Và tới năm 1977 đã có 54 hệ thống thông tin địa lý khác nhau trên thế giới ra đời. Sụ xuất hiện quá nhiều hệ thống này đã làm phát sinh vấn đề không tương thích về khuôn dạng dữ liệu và người ta phải nghiên cứu khả năng giao diện giữa các khuôn dạng dữ liệu trong các hệ thống thông tin địa lý. Thập kỷ 80, đánh dấu sự bùng nổ của hệ thống thông tin địa lý. Hàng loạt nhu cầu ứng dụng mới nảy sinh như các bài toán về giao thông, cấp nước, quản lý và sử dụng tối ưu tài nguyên thiên nhiên, khảo sát thị trường, thông tin đất đai trong địa chính, quản lý mạng cáp trong bưu điện, phòng chống thiên t a i,... Những năm đầu thập kỷ 90 được đánh dấu bằng việc nghiên cứu sự hoà nhập giữa kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin địa lý. Từ góc độ hệ thống thông tin địa lý, kỹ thuật viễn thám ngày càng trở nên vô cùng quan trọng vì nó là nguồn dữ liệu rất quan trọng để cập nhật vào hệ thống, vì thế khả năng phát triển và ứng dụng của hệ thống sẽ phụ thuộc vào kỹ thuật viễn thám. Ngược lại, từ góc độ kỹ thuật viễn thám, hệ thống thông tin địa lý có thể tạo ra khả năng phát triển họp lý các hệ thống xử lý ảnh hiện có và nhờ đó mở ra một viễn cảnh mới đối với việc phát triển và ứng dụng có hiệu quả kỹ thuật viễn thám. Trên thế giới, ngoài việc tích họp hai kỹ thuật trên, người ta đã tiến hành tích họp cùng với công nghệ định vị toàn cầu và đã thu nhận được hiệu quả cao về kinh tế - xã hội và sẽ đem lại nhiều hứa hẹn hơn nữa trong tương lai. Các nước Tây Âu và Bắc Mỹ đã đi đầu và gặt hái được rất nhiều thàrứ 134
công trong lĩnh vực này. Khu vực châu Á Thái Bình Dương cũng thành lập nhiều trung tâm nghiên cứu viễn thám. Ở nước ta, sau khoảng 30 năm, công nghệ hệ thông tin địa lý mới đưa vậo nghiên cứu sử dụng. Hiện nay, nhiều cơ quan nhà nước, các trường đại học, các viện nghiên cứu và các doanh nghiệp đã và đang nghiên cứu áp dụng công nghệ này trong công tác quản lý nhà nước; điều tra và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường;... và xu hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ này ngày càng tăng. Các phần mềm sử dụng ở nước ta rất đa dạng và chủ yếu là phần mềm thương mại nhập ngoại như Arc/Info, Arc/View, Arc/GIS (của ESRI), MGE, Geomedia Pro (của Intergraph), Map/Info (của Mapinfo), IDRSI (của Đại học Clark), GRASS (của Trung tâm thông tin GRASS), SIS - hệ thống thông tin không gian (của Cadcorp), ILWIS... Ngoài ra còn có một số phần mềm khác như WINGIS do công ty DOLSOF, Atlat Server do VIDAGIS của Việt Nam phát triển. 3.2. CÁC THÀNH PHÀN TRONG HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ Hệ thông tin địa lý là một hệ thống bao gồm năm thành phần cơ bản là hệ thống phần cứng, hệ thống phần mềm, cơ sở dữ liệu, tri thức con người và phương thức tổ chức thực hiện, hệ thống này được được mô phỏng ở hình 3.4. GIS 135
3.2.1. Hệ thống phần cứng về cơ bản hệ thống phần cứng của một hệ thông tin địa lý gồm các phần chính là bộ xử lý trung tâm (CPU), các thiết bị đầu vào như bàn số hóa, máy quét, các thiết bị thu nhận thông tin điện từ... và các thiết bị lưu trữ, hiển thị như thiết bị ghi ngoài, màn hình, máy vẽ... (hình 3.5). Máy tính hoặc bộ xử lý trung tâm (CPU) được nối với thiết bị chứa ổ đĩa, cung cấp không gian để lưu trữ số liệu và các chương trình. Máy số hóa (digitizer) hoặc thiết bị chuyên dụng khác có nhiệm vụ chuyển hóa các số liệu từ bản đồ và các tư liệu thành dạng số rồi đưa vào máy tính. Máy vẽ (Plotter) hoặc các kiểu thiết bị biểu hiện khác được sử dụng để xuất dữ liệu ở dạng số trên màn hình hoặc trên nền vật liệu in. Sự liên hệ bên trong của máy tính cũng có thể thực hiện thông qua một hệ thống mạng với các đường dẫn dữ liệu đặc biệt. Người sử dụng máy tính và các thiết bị ngoại vi khác (như máy in, máy vẽ, máy số hóa và các thiết bị khác nối với máy tính) thông qua một thiết bị hiển thị hình ảnh (Video Display Unit - VDƯ) để cho phép các sản phẩm đầu ra được hiển thị nhanh chóng. Hình 3.5. Hệ thống phần cứng Nói riêng về máy tính, cho đến nay đã có bốn giai đoạn chính, hay thế hệ máy tính, trong quá trình phát triển của phần cứng máy tính, mồi thế hệ đều được phân biệt bởi một công nghệ khác nhau cho các thành phần thực hiện công việc xử lý của máy tính. Mỗi thế hệ đều mở rộng đáng kể năng lực xừ lý của máy tính và khả năng ghi nhớ trong khi đồng thời lại giảm giá thành. Nhừne thay đổi thế hệ này trong phần cứng máy tính đã đi kèm với những thay đổi thế hệ phần mềm làm cho máy tính ngày một mạnh hơn, không đắt và dễ dùng. 136
3.2.1.1. Các th ế h ệ m áy tính Thế hệ thứ nhất: Đèn điện tử (1946 - 1956). Thế hệ máy tính thứ nhất dựa vào các rơle điện từ và đèn điện tử để lưu trữ và xử lý thông tin. Các đèn này tiêu thụ rất nhiều năng lượng, đời sống lại ngắn và sinh ra rất nhiều nhiệt. Máy tính nhỏ nhất thế hệ này cũng có khoảng 5.000 đền điện tử, sử dụng 650 KW /giờ và chiếm một diện tích khoảng 200 m2. Với kích thước khổng lồ, máy tính thế hệ thứ nhất có bộ nhớ và khả năng xử lý rất hạn chế, bộ nhớ chính tối đa là 2.000 byte (2 kilobyte), với tốc độ 10.000 lệnh trong 1 giây. Trống từ được dùng làm bộ nhớ trong và bìa đục lỗ được dùng làm bộ nhớ ngoài. Các máy tính thuộc thế hệ này hầu như không xử lý được thông tin văn bản, chúng chỉ dùng cho một số phép xử lý và tính toán kỹ thuật.. Thế hệ thứ hai: Transistor (1957 - 1963). Trong thế hệ thứ hai, bóng bán dẫn transistor đã thay thế cho đèn điện tử làm thiết bị ghi nhớ và xử lý thông tin. Transistor ổn định và tin cậy hơn nhiều so với đèn điện tử, chúng sinh ra ít nhiệt hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Tuy nhiên, từng transistor phải được chế tạo riêng biệt và được nối dây trong bo mạch in. Bộ nhớ lõi từ là công nghệ bộ nhớ chính cho thời kỳ này. Nó bao gồm các xuyến từ nhỏ (cỡ 1 mm đường kính), có thế được phân cực theo một hay hai hướng để biểu diễn cho một bit dữ liệu. Dây nối được xâu qua các lõi này cho cả việc đọc và ghi dữ liệu. Hệ thống này phải được lắp ráp thủ công và do đó rất đắt. Máy tính thế hệ thứ hai này có tới 32 KB bộ nhớ RAM và tốc độ đạt tính có thể đạt tới 300.000 lệnh một giây. Năng lực xử lý và bộ nhớ được nâng cao của các máy tính thế hệ thứ hai làm cho chúng được sử dụng rộng rãi hơn trong công tác khoa học và cho các nhiệm vụ kinh doanh như tự động tính lương làm hóa đơn. Thế hệ thứ ba: Mạch tích họp IC (1964 - 1979). Máy tính thế hệ thứ ba dựa trên các mạch tích hợp IC (Intergrated Circuit), được làm ra bằng cách in hàng trăm và sau đó hàng nghìn transistor tí hon lên một tấm silic nhỏ gọi là chip. Mạch IC có thời gian phản ứng khoảng một phần triệu triệu giây (Picô giây). Những thiết bị này được gọi là 137
thiết bị bán dẫn. Bộ nhớ máy tính đã mở rộng tới 2 megabyte và tốc độ tăng tới 5 MIPS. Việc tăng năng lực xử lý cho phép phát triển những phần mềm đặc biệt gọi là hệ điều hành vốn tự động cai quản các chương trình và việc truyền thông giữa CPU, máy in và các thiết bị khác. Công nghệ máy tính thế hệ thử ba đã đưa vào các phần mềm có thể cho phép người không được huấn luyện nhiều về kỹ thuật cũng có thể dùng được máy, làm cho máy tính mở rộng vai trò của chúng trong kinh doanh. Thế hệ thứ tư: Mạch tích họp cỡ lớn và rất lớn ( 1980 cho đến nay). Thể hệ thứ 4 trải rộng từ năm 1980 đến nay. Máy tính ừong thời kỳ này sử dụng mạch tích hợp cỡ lớn LSIC (Large Scale Intergrated Circuit) và những mạch rất lớn VLSIC (Very Large Scale Intergrated Circuit), được đóng gói với cỡ từ 200.000 đến trên 300.000 transistor trên một chip LSIC và tới hàng triệu transistor trên một chip VLSIC. Kích thước của máy tính có thời chiếm cả một phòng lớn,nhưng bây giờ nằm trên một chiếc bàn nhỏ. Bộ nhớ trong của máy tính tăng trên một gigabyte trong những máy tính thương mại lớn; tốc độ xử lý đã vượt quá 200 MIPS (triệu phép tính trên giây). Trong thế hệ may tính này, các máy tính siêu hạng có thể đạt tới hàng tỷ MIPS. Công nghệ VLSIC đã hướng tới việc giảm thiểu kích cỡ xuống micro- sự phát triển nhanh chóng của máy tính nhỏ, nhanh và rẻ đến mức chúng đà trở thành phổ biến ở đâu cũng có. Chẳng hạn, nhiều tính năng "thông minh" đã được đưa vào ô tô, máy nghe stereo, đồ chơi, đồng hồ, máy ảnh và các thiết bị khác làm cho dễ dùng hơn, đều dựa trên các bộ vi xừ lý. Máy tính thế hệ năm (máy tính tưomg lai) Các máy tính thế hệ trước đó là máy tính qui ước dựa trên nguyên lý kiến trúc Von Neumann, xử lý thông tin một cách tuần tự, mồi lúc một lệnh. Trong tương lai, nhiều máy tính sẽ dùng cách xử lý song song và xừ lý song song cực lớn để trộn lẫn tiếng nói, hình ảnh và dữ liệu từ các nguồn khác nhau bằng việc dùng trí tuệ nhân tạo và các mô hình toán học phức tạp. Máy tính xử lý song song cực lớn có các mạng khổng lồ các chip xử lý đan dệt với nhau theo cách linh hoạt và phức tạp. Đối lập với xử lý song song, nơi mà một số nhỏ các chip chuyên dụng mạnh nhưng đẳt được nối với nhau, các máy song song cực lớn móc xích hàng trăm hay thậm chí hàng 138
nghìn chip thường dùng, không đắt để tấn công vào những vấn đề tính toán lớn, đạt tới tốc độ siêu máy tính. 3.2.1.2. Các loại m áy tính Máy tính có thể được phân loại theo các tiêu chí khác nhau như phân loại theo thông tin biểu diễn trong máy tính (máy tính tương tự - Analog Computer, máy tính số - Digital Computer); phân loại theo khả năng thực hiện các bài toán (máy tính chuyên dụng - Specialized Computer, máy tính vạn năng - Computer); phân loại theo tốc độ tính toán, ta có máy tính điện tử siêu hạng, máy tính điện tử cỡ lớn, máy tính điện tử cỡ vừa và nhỏ, máy vi tính. Máy vi tính (Micro Computer) hay còn gọi là máy tính cá nhân (Personal Computer) có nhiều kích cỡ khác nhau như máy Destop, máy Portable, máy latop, máy Notebook và máy Palmtop. Thuật ngữ máy vi tính đôi khi được sử dụng đồng nghĩa với máy tính cá nhân, vì vi tính ban đầu được dự định làm công cụ cá nhân, một người dùng. Tuy nhiên, nhờ công nghệ mạng, máy vi tính đã trở thành mạnh đến mức chúng không còn bị giới hạn vào các hệ thông tin cá nhân nữa. Máy vi tính và thể vận hành hoặc như máy riêng lẻ cá nhân với năng lực xử lý biệt lập hoặc như một phần của mạng của thiết bị thông minh quy mô công ty hay phòng ban. Chúng có thế được kết nối với các máy vi tính khác, các thiết bị viễn thông, trạm làm việc hay máy tính lớn. Máy tính điện tử cở vừa và nhỏ (Mini Computer) là máy tính hạng trung có kích cỡ bàn làm việc, thường dụng cho các trường đại học, xí nghiệp hay phòng thí nghiệm nghiên cứu. Đại diện cho nhóm này là máy tính DEC. Vax 7000 Model 600. Trạm làm việc (Work Station) có thể xếp vào loại máy tính loại vừa hoặc nhỏ. Nó có đặc điểm là khả năng xứ lý đồ họa và thực hiện các phép tính toán học mạnh hơn máy vi tính và có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp trong cùng thời gian. Trạm làm việc được dùng cho công việc khoa học, kỹ nghệ và thiết kế đòi hỏi khả năng tính toán và đồ họa mạnh. Máy tính điện tử cõ’ lớn (Mainframe Computer) là loại máy tính được sử dụng cho các ứng dụng thương mại, khoa học, quân sự..., trong đó 139
máy tính phải thao tác và xử lý với khối lượng dữ liệu rất lớn hoặc nhiêu tiến trình phức tạp. Ví dụ như máy IBM Enterprise System 9000. Siêu máy tính (Super Computer) là máy siêu manh và phức tạp thường được dùng cho các nhiệm vụ đòi hỏi các tính toán cực nhanh chóng và phức tạp với hàng trăm nghìn dữ kiện biến đổi. Chúng được dùng trong nghiên cứu khoa học, dự báo thời tiết và trong quân sự. Hiện nay chúng còn được dùng trong kinh doanh. Trước đây, siêu máy tính nhanh nhất thế giới hiện nay là chiếc American Blue Gene/L đặt tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, Califorlia, Mỹ do hãng IBM phát triển. Máy này có khả năng thực hiện 136,8 nghìn tỉ phép tính trong một giây. Mới đây, các nhà khoa học Mỹ tại Viện thí nghiệm quốc gia Los Alamos và tập đoàn IBM vừa cho ra đời chiếc siêu máy tính nhanh nhất thế giới, máy có trị giá 100 triệu USD có tốc độ tính 1 triệu tỷ phép tính trong 01 giây, nhanh gấp 03 lần các siêu máy tính đứng sau nó trên thế giới. Siêu máy tính này có tên Roadrunner. Ta có thể làm phép tính so sánh khả năng siêu tốc của nó, đó là nếu cả 06 tỷ người trên thế giới sử dụng một máy tính cầm tay và bấm liên tục trong 24 giờ thì sẽ mất 46 năm để thực hiện các phép tính mà Roadrunner thực hiện trong 01 ngày. Máy tính này được chế tạo với mục đích hỗ trợ các công việc đặc biệt như mô phỏng vụ nổ hạt nhân, động đất, sóng thần,... Nhật đang có dự kiến sản xuất một siêu máy tính có khả năng thực hiện 10 triệu tỉ phép tính trong một giây với giá thành khoảng gần 900 triệu USD. 3.2.2. Hệ thống phần mềm 3.2.2.1. K h ái niệm chung về phần m ềm Phần mềm là các lệnh chi tiết kiểm soát sự vận hành của hệ thống máy tính. Không có phần mềm thì phần cứng máy tính không thể thực hiện được nhiệm vụ mà chúng ta trao cho máy tính. Các chức năng của phần mềm: - Quản lý tài nguyên máy tính của tổ chức. - Cung cấp công cụ cho ta tận dụn2 ưu thế của những tài nguyên này 140
- Hành động như một trung gian giữa tổ chức và thông tin được lưu giữ. C hương trình phần mềm là một chuỗi các câu lệnh cho máy tính. Việc xử lý viết ra hay mã hóa chương trình được gọi là lập trình, và người chuyên môn làm việc này được gọi là người lập trình. Có ba kiểu phần mềm chính là phần mềm hệ thống, phần mềm ứng dụng và phần mềm người dùng cuối. Mỗi kiểu phần mềm thực hiện một chức năng khác nhau. Phần mềm hệ thống (System Software) là tập các chương trình tổng quát quản lý tài nguyên của máy tính, như đơn vị xử lý trung tâm, các móc nối truyền thông, và các thiết bị ngoại vi. Người lập trình viết phần mềm hệ thống được gọi là người lập trình hệ thống. Phần mềm hệ thống có thể chia thành 4 loại sau: * Hệ điều hành (Operating System) * Chương trình tiện ích (Utilities) * Chương trình điều khiển thiết bị (Device Drivers) * Trình dịch (Compiler) Phần mềm ứng dụng (Application Software) mô tả cho chương trình được viết cho người dùng để áp dụng máy tính vào một nhiệm vụ đặc biệt. Phần mềm để xử lý dữ liệu đồ họa hay quản lý ngân hàng... là phần mềm ứng dụng. Người lập trình viết ra phần mềm ứng dụng được gọi là người lập trình ứng dụng. Phần mềm ứng dụng có thể chia thành bốn loại sau: - Phần mềm năng suất, ví dụ như phần mềm soạn thảo văn bản, bảng tính điện tử, các hệ quản trị cơ sở dữ liệu, phần mềm nhận và gửi thư điện tử, phần mềm đồ h ọ a ... - Phần mềm kinh doanh, ví dụ như phần mềm kế toán, phần mềm quản lý vật tư, ... - Phần mềm giải trí, ví dụ như phần mềm trò chơ i... 141
- Phần mềm giáo dục và tham khảo, ví dụ như phần mềm bách khoa toàn thư, phần mềm tò điển, phần mềm mô phỏng... Phần mềm người dùng cuối (hay ngôn ngữ thứ tư) mới xuất hiện vào giữa những năm 1980. N ó bao gồm các dụng cụ phần mềm cho phép người dùng cuối trực tiếp phát triển một số ứng dụng mà không cần tới người lập trình chuyên nghiệp. Một số phần mềm người dùng cuối được dùng để nâng cao hiệu suất của người lập trình chuyên nghiệp. Ba kiểu phần mềm này có quan hệ lẫn nhau và có thể được coi như một tập các hộp lồng nhau, mồi hộp trong đó phải tương tác chặt chẽ với các hộp khác bao quanh nó. Phần mềm hệ thống bao quanh và kiểm soát việc truy nhập vào phần cứng. Phần mềm ứng dụng phải làm việc qua phần mềm hệ thống để vận hành. Cuối cùng, phần mềm người dùng cuối thường phải làm việc qua phần mềm ứng dụng và chung cuộc qua phần mềm hệ thống. 3.2.2.2. H ệ điều hành Hệ điều hành là một bộ chương trình giúp người sử dụng khai thác thuận tiện các tài nguyên của máy tính, tạo môi trường để người sử dụng giao tiếp với máy tính như ghi thông tin vào đĩa từ, tìm kiếm, đọc thông tin đã ghi, thực hiện các chương trình, đưa thông tin ra màn hình, máy in... hay nói cách khác hệ điều hành quán xuyến toàn bộ các hoạt động của máy tính Giổng như bất kì phần mềm nào khác, phần mềm máy tính dựa trên hệ điều hành và phần cứng máy tính riêng. Gói phần mềm được viết cho hệ điều hành máy tính này không thể chạy trên hệ khác. Bản thân hệ điều hành máy tính cũng có những tính năng phân biệt như liệu chúng có hồ trợ cho đa nhiệm hay công việc đồ họa hay không, vốn xác định ra kiểu ứng dụng mà chúng thích hợp. Hệ điều hành DOS do hãng sản xuất máy tính Si-Tom (Seatle Computer Produccts) đưa ra vào năm 1980, sau đó được hãng M icrosoft mua lại. cải tiến và trang bị cho các máy vi tính IBM PC với tên gọi MS DOS phiên bàn 1.0. Từ đó đến nay M S-DOS đã được cải tiến và hoàn thiện liên tục. 142