Giáo trình Hệ thống thông tin địa lý - Trần Thị Băng Tâm

Chia sẻ: Trần Văn Thắng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:140

Thêm vào BST

Báo xấu

476
lượt xem 161
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung "Giáo trình Hệ thống thông tin địa lý" được trình bày trong bảy chương và hai phụ lục. Chương một giới thiệu quá trình hình thành hệ thống thông tin địa lý, các nội dung chính, các thành phần của GIS, và các chức năng hoạt động chính của một hệ phần mềm GIS thông thường, các ứng dụng của GIS. Chương hai nói về hệ thống tham chiếu không gian trong GIS, bắt đầu bằng việc cung cấp cho người đọc các kiên thức chung về bản đồ, sau đó trình bày các hệ tọa độ phổ biến hiện nay trên thế giới và cuối cùng sử dụng những kiến thức về bản đồ về hệ tọa độ để giải thích về các hệ tham chiếu không gian đặc trưng cho hệ thống thông tin địa lý.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hệ thống thông tin địa lý - Trần Thị Băng Tâm

B GIÁO D C VÀ ðÀO T O TRƯ NG ð I H C NÔNG NGHI P HÀ N I Tr n Th Băng Tâm Giáo trình H th ng Thông tin ð a lý Hà n i, tháng 2 năm 2006 Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………………i
L i nói ñ u Trong nh ng năm g n ñây, h th ng thông tin ñ a lý (Geographical Information System g i t t là GIS), ñã tr thành m t ngành khoa h c r t ñư c quan tâm trong nhi u lĩnh v c nghiên c u và ng d ng khoa h c k thu t trên toàn c u. GIS ñã th c s tr thành m t y u t quan tr ng trong h th ng công ngh thông tin và không th thi u ñư c trong m i chương trình ñào t o ñ i h c và trên ñ i h c. Các môn h c liên quan ñ n H th ng thông tin ñ a lý ñã ñư c ñưa vào gi ng d y Trư ng ð i h c nông nghi p 1 t nhi u năm qua nhưng bài gi ng ch y u v n d a vào các tài li u b ng ti ng Anh. Th c t ñòi h i c n có m t giáo trình GIS ti ng Vi t ñ ph c v công tác d y và h c, nh t là cho ñ i tư ng sinh viên các trư ng ñ i h c nông nghi p ñư c thu n ti n hơn. Giáo trình này là m t c g ng c a các cán b gi ng d y môn h c GIS thu c b môn ð a chính ñ cung c p tài li u ti ng Vi t v GIS. Giáo trình này nh m gi i thi u nh ng ki n th c cơ b n v GIS và ch y u cho ñ i tư ng sinh viên và cán b c a các trư ng ñ i h c nông nghi p. N i dung c a giáo trình này ñư c trình bày trong b y chương và hai ph l c. Chương m t gi i thi u quá trình hình thành H th ng thông tin ñ a lý, các n i dung chính, các thành ph n c a GIS, và các ch c năng ho t ñ ng chính c a m t h ph n m m GIS thông thư ng, các ng d ng c a GIS trong các ngành kinh t khoa h c k thu t t nhiên và xã h i ñ ng th i cũng trình bày m i quan h gi a các thành ph n c a GIS ñ b n ñ c có th hi u rõ ñ nh nghĩa v GIS. Chương hai nói v h th ng tham chi u không gian trong GIS, b t d u b ng vi c cung c p cho ngư i ñ c các ki n th c chung v b n ñ , sau ñó trình bày các h t a ñ ph bi n hi n này trên th gi i và cu i cùng s d ng nh ng ki n th c v b n ñ và h t a ñ ñ gi i thích v các h tham chi u không gian ñ c trưng cho HTTðL. C u trúc d li u h th ng thông tin ñ a lý ñư c trình bày trong Chương ba b i vì hi u bi t v c u trúc lưu tr d li u c a m t HTTTðL bao gi cũng r t h u ích k c cho nh ng ngư i s d ng HTTTðL. C u trúc d li u nh hư ng ñ n c kh i lư ng b nh c n thi t và hi u su t quá trình phân tích d li u. Chương này trư c h t trình bày các khái ni m v lưu tr d li u thông tin dư i hình th c cơ s d li u, sau ñó gi i thi u các d ng lưu tr ñ c thù cho các HTTTðL cùng v i các ưu như c ñi m c a t ng d ng Chương b n gi i thi u các công ño n nh p d li u vào h th ng GIS, và ch nh lý d li u c v sai s và quy ñ i h th ng t a ñ và tham chi u. Các d ng bi u th k t qu cũng ñư c trình bày cu i chương. Chương năm chuyên v mô hình s ñ cao (Digital Elevation Model, DEM). S bi u di n b ng s ñ cao ñ a hình m t khái ni m liên quan ch t ch ñ n GIS và ñư c ng d ng r ng rãi trong ñ gi i quy t nhi u v n ñ th c ti n không ch trong gi i h n bi u di n ñ a hình. Chương này trình bày khái ni m DEM, phương pháp thành l p DEM và các ng d ng c a nó. Chương sáu là v các phương pháp phân tích d li u trong h th ng thông tin ñ a lý. S khác nhau gi a GIS và các ph n m m ñ h a là kh năng bi n ñ i các d li u không gian g c thành các câu tr l i cho các m c ñích c a ngư i s d ng, kh năng phân tích các d li u không gian và phi không gian, kh năng tái hi n chu i t cơ s d li u b ng các ch c năng b t bi n và ña bi n c a các phương pháp th ng kê s d ng các phương Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………………ii
pháp n i và ngo i suy. Chương này s trình bày kh năng gi i quy t các v n ñ , và nh ng yêu c u cơ b n c a cơ s d li u trong GIS. Cu i cùng, kh năng phân tích d li u không gian và thu c tính c a GIS s ñư c gi i thích, cơ b n b ng cách k t n i hai lo i d li u trong GIS, d li u không gian và d li u thu c tính. Chương b y trình bày các v n ñ liên quan ñ n ch t lư ng d li u, sai s và bi n ñ ng d li u trong t nhiên. V n ñ làm sao b o ñ m h n ch ñư c sai s và ñ tin c y trong các quá trình thu th p, x lý, c p nh p và phân tích d li u là c c kỳ quan tr ng trong b t c ngành khoa h c k thu t nào, k c trong GIS. Chương này trình bày các v n ñ v bi n ñ ng sai s d li u, ngu n g c và nguyên do các sai s , v n ñ truy n t i sai s trong GIS và h u qu c a chúng. Ngoài b y chương chính, chúng tôi th y c n thi t ph i thêm hai ph n ph l c ñ ngư i ñ c có th tham kh o (a) v tình hình phát tri n các ph n m m GIS, c ph n m m trên th trư ng và ph n m m mi n phí ngu n m ; và (b) v xu hư ng phát tri n c a GIS trên cơ s tham kh o nh ng t p chí chuyên ngành m i xu t b n g n ñây. Ph l c này gi i thi u xu hư ng phát tri n m i c a GIS khi k t h p v i Internet, GPS và các thi t b Mobile k t n i không dây (wireless) v i mong mu n làm cho ngư i ñ c c m nh n ñư c m t ph n nh ng gì ñang di n ra trên th gi i trong ngành GIS. Tác gi xin c m ơn TS. Nguy n Duy Bình (Vi n Khí tư ng Th y văn và Môi trư ng TP H Chí Minh) ñã nhi t tình h p tác và giúp ñ v chuyên môn trong quá trình vi t giáo trình. Xin c m ơn các ñ ng nghi p trong và ngoài trư ng ð i h c nông nghi p 1 ñã ñ c b n th o và góp ý ñ hoàn thành cu n sách này M c dù ñã c g ng r t nhi u nhưng do trình ñ có h n nên ch c ch n giáo trình này không th tránh ñư c thi u sót. R t mong nh n ñư c m i ý ki n ñóng góp ñ l n xu t b n sau giáo trình s có ch t lư ng cao hơn, góp ph n t t hơn cho nhi m v gi ng d y và h c t p môn GIS các trư ng ñ i h c nông nghi p. Hà n i, tháng 2 năm 2006 Tác gi Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………………iii
M CL C Chương Trang L i nói ñ u ....................................................................................................ii Danh m c B ng........................................................................................... vii Danh m c Hình v ......................................................................................viii Chương 1 GI I THI U V H TH NG THÔNG TIN ð A LÝ (GIS) VÀ KH NĂNG NG D NG GIS TRONG CÁC NGÀNH KINH T , K THU T....................................................................... 1 1.1 Vai trò c a H th ng thông tin ñ a lý ...................................................2 1.2 L ch s phát tri n h th ng thông tin ñ a lý ..........................................4 1.3 Nh ng n i dung chính m t h GIS ñ c p t i ......................................5 1.4 Yêu c u ñ i v i m t h GIS.................................................................5 1.5 ð nh nghĩa v GIS ...............................................................................6 1.6 Các thành ph n chính c a H th ng thông tin ñ a lý.............................8 1.7 M t s ng d ng GIS trong các ngành khoa h c kinh t và k thu t ................................................................................................15 Câu h i ôn t p .........................................................................................20 Chương 2 M T S KHÁI NI M V H TH NG THAM CHI U KHÔNG GIAN ................................................................................. 21 2.1 Khái ni m v b n ñ ..........................................................................21 2.2 Các ñ c tính c a b n ñ .....................................................................24 2.3 H th ng t a ñ (Coordinate system) .................................................27 2.4 Phép chi u b n ñ (Map projection)...................................................29 2.5 H qui chi u VN-2000 .......................................................................33 Câu h i ôn t p: ........................................................................................34 Chương 3 C U TRÚC D LI U GIS ....................................................... 36 3.1 Các khái ni m cơ s ...........................................................................36 3.2 D li u không gian ............................................................................38 Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………………iv
M CL C 3.2.1C u trúc d li u Raster 38 3.2.2.C u trúc d li u véc tơ 42 3.3 D li u thu c tính.............................................................................. 51 Câu h i ôn t p ......................................................................................... 52 Chương 4 NH P VÀ CH NH LÝ D LI U TRONG H TH NG THÔNG TIN ð A LÝ .......................................................................54 4.1 Nh p d li u...................................................................................... 54 4.2 Biên t p và Ch nh s a d li u không gian ......................................... 59 4.3 Nh p d li u thu c tính phi không gian ............................................ 66 4.4 K t n i d li u không gian và d li u thu c tính .............................. 66 4.5 Hi n th ñ u ra c a d li u ñ a lý ...................................................... 67 Câu h i ôn t p ......................................................................................... 67 Chương 5 MÔ HÌNH S ð CAO (DEM)..................................................68 5.1 Gi i thi u chung................................................................................ 68 5.2 Phưong pháp bi u th DEM ............................................................... 69 5.3 Phương pháp xây d ng DEM ............................................................ 71 5.4 Các s n ph m ng d ng DEM ........................................................... 73 Câu h i ôn t p ......................................................................................... 78 Chương 6 PHÂN TÍCH D LI U TRONG GIS........................................80 6.1 M c ñích và kh năng gi i quy t v n ñ c a các h th ng GIS .......... 80 6.2 Ch c năng qu n lý cơ s d li u........................................................ 82 6.3 Các ch c năng phân tích d li u không gian...................................... 83 K t lu n .................................................................................................. 91 Câu h i ôn t p ......................................................................................... 91 Chương 7 CH T LƯ NG D LI U, SAI S VÀ BI N ð NG D LI U..................................................................................................94 7.1 Gi i thi u chung................................................................................ 94 7.2 Sai s có ngu n g c rõ ràng............................................................... 94 7.3 Sai s trong quá trình thu th p d li u ............................................... 97 7.4 Sai s trong quá trình phân tích d li u.............................................. 99 Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………………v
7.5 K t lu n ...........................................................................................103 Câu h i ôn t p .......................................................................................103 Tài li u tham kh o..................................................................................... 104 Ph l c A GI I THI U M T S PH N M M GIS ................................ 106 A.1 H ph n m m trên th tru ng...........................................................106 A.2 H ph n m m ngu n m .................................................................108 Ph l c B XU HƯ NG PHÁT TRI N C A GIS ..................................... 110 B ng T vi t t t......................................................................................... 116 Danh m c t v ng ..................................................................................... 118 B ng tra thu t ng ..................................................................................... 125 Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………………vi
Danh m c B ng B ng Trang B ng 2.1 M t s ellipsoids ñư c s d ng chính th c trên th gi iError! Bookmark not defined B ng 3.1 Nén theo hàng c t .......................................................................41 B ng 3.2 So sánh mô hình d li u d ng vector và raster..............................50 B ng 5.1 Phương pháp bi u th m t cong ñ a hình.......................................69 B ng 5.2 S n ph m ng d ng DEM trong GIS............................................73 B ng 7.1 Phân lo i sai s trong GIS theo ngu n g c ...................................95 B ng A.1 Các ph n m m GIS ph bi n trên th trư ng...............................107 B ng A.2 Các d án ph n m m ngu n m GIS, GPS và x lý nh .............108 B ng A.3 Các website v ph n m m ngu n m GIS và v h i ngh Web ...109 Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………………vii
Danh m c Hình v Hình Trang Hình 1.1 GIS là s th hi n c a th gi i th c bao g m nhi u ñ c tính ñ a lý ñư c th hi n theo các l p d li u ñ i di n ................................ 2 Hình 1.2 M t b n ñ có th là t p h p c a nhi u l p thông tin chuyên ñ khác nhau ....................................................................................... 3 Hình 1.3 Chi t xu t thông tin t nhi u l p d li u ......................................... 3 Hình 1.4 Các n i dung ho t ñ ng c a m t GIS .............................................. 5 Hình 1.5 Sơ ñ khái ni m v m t h th ng TTðL ......................................... 6 Hinh 1.6 Phân loai các H th ng thông tin..................................................... 7 Hình 1.7 Phân bi t h th ng thông tin ñ a lý và h th ng thông tin ñ t........... 8 Hình 1.8 Các thành ph n ph n c ng c a GIS................................................. 9 Hình 1.9 Các ch c năng thành ph n chính c a m t h qu n tr d li u ñ a lý ................................................................................................... 9 Hình 1.10 Sơ ñ c u trúc c a ch c năng nh p d li u................................. 10 Hình 1.11 C u trúc c a m t cơ s d li u ñ a lý .......................................... 11 Hình 1.12 Ch c năng chuy n ñ i d li u ..................................................... 11 Hình 1.13 Ch c năng trình bày k t qu ........................................................ 11 Hình 1.14 Ngu n d li u vào c a m t h GIS 13 Hình 1.15 Quan h gi a các thành ph n c a GIS ......................................... 14 Hình 1.16 Sơ ñ ph i h p gi a công tác qu n lý và công ngh GIS............. 15 Hình 2.1 B n ñ là m t h th ng truy n t i các thông tin không gian .......... 22 Hình 2.2 Sơ ñ ho t ñ ng x lý và t o l p b n ñ s trên m ng................... 24 Hình 2.3 Khái ni m các ñ c tính ñ a lý trên b n ñ ...................................... 25 Hình 2.4 Ví d so sánh gi a t l b n ñ khác nhau ..................................... 26 Hình 2.5 H t a ñ ñ a lý...............................Error! Bookmark not defined. Hình 2.6 ðư ng tr c trái ñ t........................................................................ 29 Hình 2.7 Phép chi u l p th c c (azimuthal)................................................ 31 Hình 2.8 Phép chi u hình nón (Lambert) ..................................................... 31 Hình 2.9 Phép chi u hình tr ñ ng (Mercator)............................................. 31 Hình 2.10 Phép chi u hình tr và l p th ngang (Transverse Mercator) ....... 32 Hình 2.11 Phép chi u UTM......................................................................... 33 Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………………viii
Hình 3.1 C u trúc dũ li u RASTER .............................................................39 Hình 3.2 Khái ni m v các l p d li u và t ch c d li u raster ..................40 Hình 3.3 Nén chain-code..............................................................................41 Hình 3.4 Nén block-code .............................................................................42 Hình 3.5 Nén cây t phân (quadtree)............................................................43 Hình 3.6 Các d li u vector d ng ñi m ñư ng vùng trong t a ñ ph ng x, y.....................................................................................................43 Hình 3.7 Các c u trúc vector d ng ñư ng.....................................................45 Hình 3.8 C u trúc vector d ng vùng .............................................................46 Hình 3.9 Vùng v i c u trúc topo riêng bi t...................................................47 Hình 3.10 Vùng v i c u trúc topo m ng ñ y ñ ...........................................47 Hình 3.11 Tính ch t liên t c c a Topology...................................................48 Hình 3.12 Tính ch t t o vùng c a Topology.................................................49 Hình 3.13 Tính ch t k c n c a Topology ...................................................49 Hình 3.14 Mô hình quan h gi a d li u không gian và d li u thu c tính ....................................................................................................52 Hình 4.1 Sơ ñ nh p d li u cho m t HTTT ñ a lý.......................................55 Hình 4.2 Raster hoá d li u..........................................................................57 Hình 4.3 Nh n d ng t ñ ng ñư ng trên b n ñ quét ...................................59 Hình 4.4 Tìm ki m ñi m trong ña giác .........................................................61 Hình 4.5 Lo i b ñi m dư th a.....................................................................62 Hình 4.6 Chuy n ñ i h t nh ti n h t a ñ ...................................................64 Hình 4.7 Chuy n ñ i góc quay h t a ñ ......................................................64 Hình 4.8 Phát hi n và s a l i d li u không gian d ng vectơ........................65 Hình 5.1 Ví d m ng TIN ............................................................................70 Hình 5.2 M nh TIN v i s thay ñ i kích thư c lư i ñ c trưng .....................71 Hình 5.3 ng d ng TIN ñ bi u th s bi n ñ ng ñ cao ñ a hình ................71 Hình 5.4 Sơ ñ Voronoi ...............................................................................72 Hình 5.5 Bi u ñ kh i bi u th s bi n ñ ng c a ñ cao ñ a hình .................74 Hình 5.6 B n ñ ñư ng ñ ng m c v i kho ng cách ñ cao 5 m ...................75 Hình 5.7 B n ñ ñ a hình Hình 5.6 nhưng s d ng mô hình DEM ............75 Hình 5.8 Vectơ hư ng d c ...........................................................................76 Hình 5.9 ng d ng DEM ñ bi u th ñ a hình ..............................................77 Hình 5.10 Hình nh tô bóng c a b n ñ ñ a hình vùng núi ñá.......................78 Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………………ix
Hình 6.1 Sơ ñ phân tích d li u trong h th ng GIS.................................. 80 Hình 6.2 Thay ñ i h t a ñ và phép chi u .................................................. 84 Hình 6.3 Truy c p phân lo i và ño ñ c......................................................... 86 Hình 6.4 Thao tác ñào và ñ p ...................................................................... 87 Hinh 6.5 Sơ ñ Venn .................................................................................. 88 Hình 6.6 Ch ng ghép b n ñ ....................................................................... 88 Hình 6.7 T o vùng ñ m và ch c năng dùng lư i.......................................... 89 Hình 6.8 Phép tính ñ i s trên b n ñ . ........................................................ 90 Hình 6.9 Ch ng x p ñ i s hai l p d li u không gian................................. 90 Hình B.1 Sơ ñ làng Çatalhöyük (năm 6500 trư c CN)............................. 110 Hình B.2 Màn hình m ñ u c a Google Earth ........................................... 113 Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………………x
Chương M t GI I THI U V H TH NG THÔNG TIN ð A LÝ (GIS) VÀ KH NĂNG NG D NG GIS TRONG CÁC NGÀNH KINH T , K THU T Chương này gi i thi u quá trình hình thành H th ng thông tin ñ a lý (HTTTðL hay GIS), các n i dung chính, các thành ph n c a GIS, và các ch c năng ho t ñ ng chính c a m t h ph n m m GIS thông thư ng, ñ ng th i cũng trình bày m i quan h gi a các thành ph n c a GIS ñ b n ñ c có th hi u rõ ñ nh nghĩa v GIS. Các ng d ng c a GIS trong các ngành kinh t khoa h c k thu t t nhiên và xã h i ñư c trình bày trong chương này cho th y GIS có th là m t công c h u hi u trong công tác qu n lý các ngu n tài nguyên thiên nhiên và nâng cao nh n th c c a con ngư i v b o v môi trư ng. Trong nh ng n m g n ñây, h th ng thông tin ñ a lý (Geographycal Information System g i t t là GIS), ñã tr thành m t ngành khoa h c r t ñư c quan tâm trong nhi u lĩnh v c nghiên c u và ng d ng trên toàn c u. GIS ñã tr thành m t y u t quan tr ng trong h th ng công ngh thông tin và như v y ñã tr nên không th thi u trong quá trình h tr ra m i quy t ñ nh quan tr ng c a loài ngư i. Nh ng ngư i ra quy t ñ nh m i t ng l p (chính tr , t ch c tư nhân, kinh t k thu t và công nghi p) ñã nh n th c ñư c rõ ràng v t m quan tr ng c a m i quan h gi a s li u v v trí ñ a lý và các thông tin khác, và h ñang s d ng GIS trong m i quá trình ra quy t ñ nh c a mình. Th gi i c a chúng ta ñang không ng ng bi n chuy n, theo ñà nh ng quá trình t nhiên và b nh hư ng sâu s c do nh ng ho t ñ ng c a con ngư i. Trái ñ t ngày càng có m t ñ dân s cao hơn và các ñô th ngày càng l n hơn. Hi n nay công ngh khoa h c k thu t có nh hư ng l n ñ i v i cu c s ng m nh m hơn b t c th i ñ i nào trong l ch s , và quá trình chuyên môn hóa cũng di n ra v i t c ñ ngày càng m nh m . Giao lưu gi a nh ng ngư i trên th gi i ñã và ñang tr nên thư ng xuyên hơn và m i cá nhân cũng có ñi u ki n ñón nh n ñ các lo i thông tin. Nói m t cách khác ñó là quá trình toàn c u hóa và theo nhi u nhà nghiên c u thi các nguy cơ ñ i v i cu c s ng c a loài ngư i cũng tr nên khó có th xác ñ nh ñư c hơn. Ho t ñ ng c a con ngư i ñã nh hư ng ñáng k ñ n môi trư ng trái ñ t, ñ n ña d ng sinh h c c a th gi i, và ñ n tài nguyên thiên nhiên có th là ngu n s ng c a các th h tương lai. Các b ng ch ng v nh ng nguy cơ k trên chúng ta có th nhìn th y kh p m i nơi trên th gi i. Các thành ph ñang tr nên to l n hơn, tiêu th ngày càng nhi u tài nguyên hơn và các công trình ñang tràn ra các vùng trư c ñây còn là nguyên d ng c a t nhiên. Các nghiên c u v khí tư ng ñã ch ng minh trái ñ t chúng ta ñang nóng d n lên và s là nguyên nhân c a nhi u hi n tư ng t nhiên không th lư ng trư c ñ oc. Các dòng ñ i dương và khí h u có th s thay ñ i. Sinh v t s ng trong các ñ i dương không nh ng ph i ch u tác ñ ng c a nhi t ñ không khí tăng lên mà còn b các ngu n ô nhi m c a con ngư i làm cho ñiêu ñ ng. M c khác, m c nư c bi n có th s dâng cao, không nh ng làm bi n ñ ng môi trư ng vùng ven bi n mà có th làm bi n m t các c ng ñ ng dân cư các vùng ñó. ðây ch là nh ng ví d rõ ràng v tác ñ ng c a con ngư i hi n nay nhưng cũng ñ ñ ta th y nguy cơ phía trư c có th to l n ñ n ch ng nào. Loài ngư i b t bu c ph i t mình rút ra nh ng bài h c và ph i ph i h c th t nhanh ñ qu n lý phát tri n b n v ng, b o ñ m cho s t n t i lâu dài c a chính con ngư i. Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý ………………………1
H th ng thông tin ñ a lý (GIS) ñã tr thành m t khung công c t ng h p r t hi u qu nh m qu n lý các ho t ñ ng c c a con ngư i và thiên nhiên b i vì nó giúp ta t ng h p và phân tích m i d li u ph c t p, và ñưa ra k t qu ñ t t c m i ngư i, t các nhà khoa h c, nghiên c u, nhà v ch ñ nh k ho ch và công chúng, ñ u có th c m nh n ñư c. Chúng ta ñang bư c vào m t th i kỳ ng d ng c a công ngh GIS có th t ch c và t ng h p t t hơn các d li u khoa h c, ñánh giá và ñ nh hư ng các bi n ñ ng theo th i gian và không gian, xây d ng các mô hình, phương pháp s h c và h th ng nh m tìm ra các m i quan h , các bi n pháp qu n lý trong vi c s d ng và b o v các ngu n tài nguyên thiên nhiên g n v i s phát tri n kinh t - xã h i trên toàn c u. V i s phát tri n c a công ngh GIS, các nhà làm chính sách, các nhà khoa h c t nhiên và xã h i, các t ch c kinh t doanh nghi p tư nhân và Nhà nư c, ñ u có th s d ng GIS như m t công c k thu t ñ gi i quy t các v n ñ c p thi t c a th i ñ i như tình tr ng tri t phá r ng, s xu ng c p c a môi trư ng, v n ñ ñô th hoá, d báo v nh ng bi n ñ ng c a khí h u. GIS cung c p cho con ngư i nh ng công c m nh nh t ñ có th xây d ng, t ch c, x lý và qu n lý các d li u cung c p các thông tin tr giúp cho các chuyên gia v GIS và các nhà qu n lý trong vi c ra các quy t ñ nh ñúng ñ n, các gi i pháp h u hi u cho các v n ñ trên.. 1.1 Vai trò c a H th ng thông tin ñ a lý Trong vài th p k g n ñây, ñ a lý h c ñã có nhi u phát ki n v v n d ng nh ng k thu t thông tin, trong ñó bao g m nh ng phưong pháp m i v mô hình toán h c và mô hình th ng kê ñ ng th i cũng gi i thi u nh ng ngu n thông tin m i như d li u vi n thám. Hình 1.1 GIS là s th hi n c a th gi i th c bao g m nhi u ñ c tính ñ a lý ñư c th hi n theo các l p d li u ñ i di n Trong khung c nh c a nh ng phát ki n này, h th ng thông tin ñ a lý (HTTðL) ñã ñóng m t vai trò quan tr ng như là m t k thu t t h p. HTTðLñư c coi là s liên k t c a m t s các k thu t khác nhau vào thành m t t ng th hài hòa. HTTðL là k thu t m nh m cho phép nhà ñ a lý t h p d li u c a h và áp d ng nh ng phương pháp h tr phân tích ñ a lý truy n th ng như phân tích ch ng ghép b n ñ và mô hình hoá, trên máy tính. V i HTTðL nhi u ñi u có th th c hi n ñư c như là v b n ñ , xây d ng mô Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………2
hình, h i ñáp và phân tích m t lư ng l n d li u. T t c ñ u ñư c lưu gi trong m t cơ s d li u. S phát tri n c a HTTðL d a trên n n t ng c a nhi u ngành khoa h c khác nhau như: ñ a lý, b n ñ h c, ño v nh, vi n thám, kh o sát, tr c ñ a, xây d ng công trình, th ng kê, khoa h c máy tính, dân t c h c và nhi u nhánh khác c a khoa h c trái ñ t và khoa h c t nhiên. HTTðL có th ñư c xem xét như m t cơ s d li u s trong ñó d li u thông tin ñư c liên k t trong m t h to ñ không gian. HTTTðL cho phép: 1. Nh p d li u (các b n ñ , nh hàng không, v tinh, và các ngu n khác); 2. Lưu tr d li u, truy nh p và h i ñáp; 3. Chuy n ñ i d li u, phân tích và mô hình hoá; 4. Báo cáo d li u (các b n ñ , báo cáo và sơ ñ ). ð i tư ng chính c a các ng d ng HTTðL là s ch ng ghép c a nh ng l p thông tin khác nhau thông qua vi c s d ng nhi u ngu n d li u ña d ng ñư c xây d ng trên m t b n ñ cơ s ñ a hình. ði u quan tr ng là t t c các l p thông tin ph i ñư c ñăng ký v i cùng m t h quy chi u không gian ph d ng. V i ch c năng ño ñ c và t h p nh ng thành ph n khác nhau, HTTTðL cho ta nhìn th y và qu n lý t t c nh ng gì ñang di n ra trên b m t Trái ñ t (Hình 1.1). HTTðL cho phép tìm ki m nh ng lo i hình không gian, x lý và cho nh ng m i quan h gi a nh ng l p chuyên ñ khác nhau. M t b n ñ có th là l p ch ng x p c a nhi u b n ñ chuyên ñ cùng ñư c ñăng ký vào m t h t a ñ chung (Hình 1.2) HTTðL cũng cho phép tách bi t m t hay nhi u l p t các l p thông tin ngu n. Thông tin c a nh ng l p c th có th ñư c t p h p và chuy n sang l p m i ñ ti p t c phân tích v sau. ðây là quá trình th c hi n các phép tính ñ i s trên b n ñ (hình 1.3). Cùng v i khoa h c b n ñ , k thu t HTTðL ñã tăng cư ng hi u qu và s c m nh phân tích c a vi c thành l p b n ñ truy n th ng. M t h HTTðL có th ñư c s d ng ñ s n xu t nh ng hình nh không ph i ch là nh ng b n ñ mà còn là nh ng b n v k thu t và s n ph m hình h a khác. Nh ng hình nh này cho phép nh ng nhà quan sát c m nh n các ñ i tư ng c a h theo cách mà chưa bao gi nhìn th y trong các tài li u trư c ñây. Nh ng hình nh này r t có ích trong vi c d n d t t i các khái ni m k thu t c a HTTðL dành cho nh ng ngư i không chuyên nghiên c u khoa h c. Hình 1.2 M t b n ñ có th là t p h p c a Hình 1.3 Chi t xu t thông tin t nhi u l p d li u nhi u l p thông tin chuyên ñ khác nhau Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý ………………………… 3
1.2 L ch s phát tri n h th ng thông tin ñ a lý 1. Giai ño n 1: T 1960s - 1970s GIS ñư c s d ng mang tính ñơn l , cá nhân, h th ng thi u tính linh ho t. Có th k ra m t s tác gi và h GIS ñ u tiên trong giai ño n này như R. Tomlinson & Canada Geographic Information System (CGIS), H. Fisher & SYMAP mapping package 2 .Giai ño n 2: t gi a 1970s ñ n ñ u nh ng năm 1980s Ch y u là s truy n bá v GIS, ít phát ki n m i, t p trung ch y u các cơ quan nghiên c u Nhà nư c 3. Giai ñ an 3 : T 1980 -1990 Do s phát tri n c a kinh t th trư ng, các ph n m m GIS n i ti ng như ArcInfo in 1982 by ESRI (Environmental Systems Research Institute) Mapinfo ra ñ i s phát triên c a GIS ñư c ch p nh n 4. Giai ño n 4: T cu i 1980s ñ n nay ñánh d u s ti n b vư t b c c a công ngh s n xu t máy tính ñi n t . C u hình máy vi tính ngày càng m nh và giá thành c a c ph n c ng và ph n m m ñ u h . S ti n b vư t tr i c a b n ñ v trên máy tính so v i b n ñ gi y(nhanh hơn, ñ p hơn, ch a nhi u thông tin hơn,d c p nh t, lưu tr ti n l i, giá tr s d ng cao, sai s k thu t và ng u nhiên th p 5. Xu hư ng hi n nay c a GIS (xem ph l c B): Trong tương lai GIS s ñư c phát tri n m t cách toàn di n hơn v các n i dung sau: • Thay ñ i c ng ñ ng s d ng GIS t cơ quan chính ph sang thành ph n kinh doanh (mang tính th trư ng) • Các ph n c ng và ph n m m GIS xu t hi n ngày càng nhi u v i giá thành ngày càng h , dung lư ng l n, c u hình cao, tính ñ c l p c a h th ng cao hơn • M i quan h d li u ñu c tăng cư ng v m t b n quy n d li u, S h u và phân ph i d li u (Data copyrights, ownerships, and privacy) • Ch t lư ng s li u ñư c chú ý ( Census data, demographic data ) • ng d ng các mô hình không gian ngày càng nhi u • S tích h p c a các sách lư c phát tri n và các k thu t ngo i vi • Cách th hi n d li u (Data visualization) và Web GIS • Môi trư ng máy tính (Computer environment) – Windows vs. UNIX – PCs vs. Workstation Tương lai không xa, khi mà giá thành và t c ñ ñư ng truy n internet, k c m ng không dây, ñư c c i ti n vư t b c thì kh năng ng d ng GIS trên cơ s web s có th l i bùng n . Các công ngh Mobile như WiFi, và 2.5 và 3G cellular, s ñem l i kh năng m i cho GIS. Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………4
1.3 Nh ng n i dung chính m t h GIS ñ c p t i GIS cho bi t m t v t th A ñâu? (tên vùng, mã vùng, ñi m quan tr c theo h to ñ ñã bi t). Hình 1.4 Các n i dung ho t ñ ng c a m t GIS GIS nêu và gi i quy t nh ng ñi u ki n tho mãn v i v trí c a m t v t th . V t th A có quan h th nào v i v t th B, có bao nhiêu ki u A trong m t kho ng cách hay m t di n tích, m t ph m vi không gian ñã cho trư c; Tính toán kho ng cách ng n nh t gi a 2 v t th , chi phí có hi u qu nh t ho c phát hi n nh ng c n tr t ñi m X ñ n ñi m Y nào ñó; Mô t s k t h p gi a các v t th và các thu c tính c a chúng. GIS s d ng cơ s d li u s ñ l p mô hình mô t nh ng bi n ñ i c a th gi i th c trong ph m vi m t vùng hay nhi u vùng theo m t k ch b n trong m t quá trình hoàn c nh c th v i s bi n ñ i c a th i gian. GIS ñưa ra nh ng kh năng l a ch n d a trên các k t qu ñã ñư c phân tích chính xác giúp cho nh ng nhà làm chính sách nh ng nhà ñ u tư có th ra ñư c các quy t ñ nh có hi u qu trong lĩnh v c ho t ñông c a mình. GIS có kh năng ñ xu t các mô hình ho t ñ ng m t khi các v n ñ trên ñã ñư c th c hi n. Nh ng n i dung k t qu mà HTTTðL hi n ñ i ñưa ra không có gì khác v i nh ng k t qu c a nh ng phương pháp phân tích truy n th ng, tuy nhiên nó ñã ch ng t là m t công c h u hi u giúp cho các nhà khoa h c chuyên môn gi i quy t ñư c các v n ñ m t cách chính xác và nhanh chóng. 1.4 Yêu c u ñ i v i m t h GIS M t h GIS ho t ñ ng có hi u qu ph i th c hi n ñư c các yêu c u sau: Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý ………………………… 5
− X lí d dàng nhanh chóng v i s lư ng d li u ñ a lí l n; − Có kh năng tách ch n chi ti t d li u theo mi n, vùng ho c theo chuyên ñ ; − Có kh năng tìm ki m theo các tính ch t ñ c trưng ñ c bi t c a m t hay nhi u ñ i tư ng ñ a lý; − Có kh năng phân tích các d li u không gian, liên k t các dũ li u không gian và thu c tính; − Có kh năng c p nh t d li u nhanh chóng v i chi phí th p; − Có kh năng mô hình hoá d li u và ñ ra các phương án ch n l a; − Có kh năng trao ñ i d li u v i các h th ng thông tin khác, có kh năng ñ phát tri n ti p v i các ch c năng ti n ích khác; − Có kh năng k t xu t d li u ra v i các hình th c khác nhau. 1.5 ð nh nghĩa v GIS Tùy theo các ch c năng, nhi m v c a m i h thông tin ñ a lý mà có nhi u ñ nh nghĩa khác nhau, tuy nhiên các khái ni m v GIS ñ u d a trên 3 y u t quan tr ng là:d li u ñ u vào, h th ng vi tính s k thu t cao và kh năng phân tích s li u không gian ð nh nghĩa theo ch c năng: GIS là m t h th ng bao g m 4 h con: d li u vào, qu n tr d li u (qu n lý và phân tích d li u) và d li u ra. GIS là t p h p c a các thu t toán: Trong m t h thông tin ñ a lý có th s d ng các phương pháp tính ñ i s , hình h c t ñơn gi n ñ n ph c t p. Các phép ño ñ c có th th c hi n v i các phép tính ñơn gi n như tính di n tich, ño chi u dài, tính sai s trung bình ñ n các phép toán gi i tích cao c p trong quá trình x lý phân tích s li u. ð nh nghĩa theo mô hình c u trúc d li u: g m các c u trúc d li u ñư c s d ng trong các h th ng khác nhau (c u trúc d ng Raster và vector). V m t công ngh : GIS là công ngh thông tin ñ lưu tr , phân tích và trình bày các thông tin không gian và phi không gian. Công ngh GIS có th coi là m t t p h p hoàn ch nh các phương pháp và các phương ti n nh m s d ng và lưu tr các ñ i tư ng. GIS là h th ng tr giúp ra quy t ñ nh: GIS có th coi là m t h th ng tr giúp vi c ra quy t ñ nh, có th tích h p các s li u không gian trong m t cơ ch th ng nh t. GIS ñư c s d ng ñ cung c p thông tin nhanh hơn và hi u qu hơn cho các nhà ho ch ñ nh chính sách. Các cơ quan chính ph dùng GIS trong qu n lý các ngu n tài nguyên thiên nhiên, trong các ho t ñ ng quy ho ch, mô hình hoá và quan tr c. Hình 1.5 Sơ ñ khái ni m v m t h th ng TTðL Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………6
ð nh nghĩa t ng quát theo BURROUGHT, 1986 "GIS như là m t t p h p các công c cho vi c thu nh p, lưu tr , th hi n và chuy n ñ i các d li u mang tính ch t không gian t th gi i th c ñ gi i quy t các bài toán ng d ng ph c v các m c ñích c th " (Hình 1.5). GIS ñư c coi là m t công c ñ t ng h p các d li u không gian ñã thu nh n theo các t l , kho ng th i gian khác nhau và trong các khuôn d ng dũ li u khác nhau. Hinh 1.6 Phân loai các H th ng thông tin Trong hình 1.6, h thông thông tin không gian CAD ph n l n ch chú ý ñ n vi c trình bày và hi n th các d li u hình h a ít quan tâm ñ n tính ch t thu c tính c a các d li u.Các tính ch t thu c tính có th ho c không c n thi t ph i có trong quá trình phân tích d li u. M t CAD có th là m t thành ph n quan tr ng c a GIS nhưng b n thân m t ph n m m ñ h a không th gi i quy t ñu c t t c nh ng yêu c u và k t qu trông ñ i như ñ i v i m t h th ng GIS. Vì v y m t ph n m m ñ h a ch có th là m t n n t ng t t ñ phát tri n GIS. H th ng TTðL có nhi u ñi m chung v i CAD, có th dùng ñ thi t k , v nhi u v t th , ñ i tư ng k thu t trong m t ph m vi r ng. C GIS và CAD ñ u c n thi t kh năng th hi n các th c th liên quan trong m t h th ng quan tr c, th hi n các thu c tính phi không gian và các m i quan h không gian. Kh i lư ng l n và s khác bi t c a các d li u ñ u vào và các nét ñ c trưng riêng bi t c a các phép phân tích d li u c a h GIS là s khác bi t v i h CAD. ði u này có th làm cho m t ph n m m c a CAD tr thành không thích h p v i m t GIS và ngư c l i. M t GIS không ch ñơn thu n là m t h th ng máy tính chuyên làm b n ñ m c dù nó có th t o ra b n ñ v i các t l khác nhau, trong các h qui chi u khác nhau và v i h th ng ký hi u khác nhau. GIS là công c ñ phân tích d li u.Ưu ñi m l n c a GIS là giúp chúng ta xác ñ nh ñư c các m i quan h không gian gi a các ñ i tư ng ñ a lý. GIS không coi lưu tr m t b n ñ hoàn ch nh ho c lưu tr nh hay khung nhìn ñ c bi t là chính mà ch y u GIS lưu tr các s li u giúp chúng ta có th t o ra các khung nhìn và v chúng theo m c ñích mong mu n. B i v y c n ph i phân bi t GIS là m t h th ng thông tin không gian ñ c bi t (Hình 1.7). H th ng thông tin ñ t (LIS) th c ch t là m t Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý ………………………… 7
GIS ho t ñ ng t m vi mô nghiên c u các lĩnh v c qu n lý và s d ng các thông tin tài nguyên ñ t. Hình 1.7 Phân bi t h th ng thông tin ñ a lý và h th ng thông tin ñ t 1.6 Các thành ph n chính c a H th ng thông tin ñ a lý GIS ñòi h i s cung c p m t t p h p các công c và phương pháp ñ ngư i s d ng có th t ch c thao tác và bi u di n d li u ñ a lý cho lĩnh v c áp d ng riêng c a mình. K thu t là ph n c ng và ph n m m c a công ngh . Công ngh bao g m cơ s khoa h c và k thu t ñ th hi n các ngu n d li u khác nhau. Vì v y các thành ph n cơ b n ñ t o nên m t h GIS bao g m các thi t b tin h c (ph n c ng c a h th ng), chương trình qu n tr d li u (ph n m m c a h th ng), ngu n nhân l c s d ng h th ng, ngu n d li u và phương pháp s d ng h th ng. 1.6.1 Ph n c ng (hardware) Các thành ph n c ng thông thư ng c a m t H th ng thông tin ñ a lý thông thư ng ñư c th hi n trong Hình 1.8. Ph n c ng c a m t h GIS g m máy vi tính, c u hình và m ng công vi c c a máy tính, các thi t b ngo i vi nh p xu t d li u và lưu tr d li u. Các máy tính có th làm vi c ñ c l p ho c có th ñư c ñ t vào m t m ng liên k t. Các thi t b nh p d li u như bàn s hóa ho c máy quét dùng ñ ch n l c các ñ c tính ñ a lý t m t b n ñ hay nh ngu n vào h th ng máy tính dư i d ng dũ li u s vectơ hay ma tr n d ng lư i B ph n ñi u khi n trung tâm (CPU) ñư c n i v i b ph n lưu tr (diskdrive) làm nhi m v lưu tr d li u và chương trình máy tính. Các thi t b ngo i vi khác như máy in, máy v (plotter) thư ng ñư c dùng ñ trình bày, hi n th và in các d li u k t qu ñã ñư c x lý. Các ñĩa DVD, CD, modem ñư c s d ng ñ ng th i trong vi c lưu tr các d li u ñ u vào và ra c a h th ng hay ñóng vai trò chuy n d li u gi a các h th ng thông tin v i nhau. Ngư i s d ng có th th hi n d li u như b n ñ trên màn hình t máy tính và các thi t b ngo i vi như máy quét, máy in. Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý …………………8
Hình 1.8 Các thành ph n ph n c ng c a GIS 1.6.2 Ph n m m (software) M t h GIS thư ng có chương trình máy tính có kh năng lưu tr và qu n tr các d li u ñ a lý g m năm ph h k thu t (subsystem) ch y u sau: − Nh p d li u; − Lưu tr d li u và qu n lý d li u; − Chuy n ñ i d li u; − Hi n th d li u và báo cáo k t qu . − Giao di n v i ngư i dùng. Hình 1.9 Các ch c năng thành ph n chính c a m t h qu n tr d li u ñ a lý Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Giáo trình H th ng thông tin ð a lý ………………………… 9