Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Xây dựng hệ thống quản lý và cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp đồng văn sử dụng GIS

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là sử dụng công nghệ GIS để tổ chức thu thập dữ liệu cũng như chuyển tải và biểu diễn thông tin trên nền web. Các thông tin có thể nhận được kịp thời và được xử lý, đưa ra các quyết định đúng đắn, đáp ứng được yêu cầu quản lý và cảnh báo mức độ ô nhiễm, hạn chế được những thiệt hại không đáng có. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Xây dựng hệ thống quản lý và cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp đồng văn sử dụng GIS

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐINH THỊ THU HIỀN XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHU CÔNG NGHIỆP ĐỒNG VĂN SỬ DỤNG GIS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN, 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐINH THỊ THU HIỀN XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM KHU CÔNG NGHIỆP ĐỒNG VĂN SỬ DỤNG GIS Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐẶNG VĂN ĐỨC THÁI NGUYÊN, 2018
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn “Xây dựng hệ thống quản lý và cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp Đồng Văn sử dụng Gis” là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đặng Văn Đức, tham khảo các nguồn tài liệu đã được chỉ rõ trong trích dẫn và danh mục tài liệu tham khảo. Các nội dung công bố và kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào. Thái Nguyên, tháng 5 năm 2018 Đinh Thị Thu Hiền
ii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đặng Văn Đức, Thầy đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong Phòng Đào tạo, Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông, Đại học Thái Nguyên đã nhiệt tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường. Xin cảm ơn các bạn cùng lớp và đồng nghiệp nơi tôi công tác đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi đã động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. 1 LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ v PHẦN I: MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ BÀI TOÁN QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG ............................................................................................................................... 4 1.1. Các khái niệm cơ bản về GIS:...................................................................... 4 1.1.1. Một số định nghĩa về hệ thông tin địa lý .............................................. 4 1.1.2. Các thành phần của hệ thông tin địa lý ................................................. 6 1.2. Biểu diễn dữ liệu địa lý ............................................................................... 9 1.2.1. Các thành phần của dữ liệu địa lý ......................................................... 9 1.2.2. Mô hình biểu diễn dữ liệu không gian[3] ........................................... 13 1.2.3. Phân tích và xử lý dữ liệu không gian ................................................ 18 1.3. Ứng dụng GIS trong bài toán quản lý và cảnh báo ô nhiễm ...................... 24 1.3.1. Các lĩnh vực liên quan với hệ thông tin địa lý .................................... 24 1.3.2. Những bài toán của GIS ...................................................................... 25 1.3.3. Bài toán của GIS trong quản lý và cảnh báo ô nhiễm môi trường: .... 25 CHƯƠNG II PHÂN TÍCH KHÔNG GIAN HỖ TRỢ VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ................................................................................................... 27 2.1 Kỹ thuật xây dựng vùng đệm trong GIS ..................................................... 27 2.1.1 Giới thiệu về xây dựng vùng đệm trong GIS ....................................... 27 2.1.2 Vùng đệm của điểm dữ liệu ................................................................. 27 2.1.3 Vùng đệm của xâu đoạn thẳng ............................................................ 28 2.1.4 Vùng đệm của vùng xác định bởi đa giác ............................................ 32 2.2 Kỹ thuật xếp chồng bản đồ.......................................................................... 35
iv 2.2.1 Khái quát về xếp chồng bản đồ ............................................................ 35 2.2.2 Các phương pháp xếp chồng bản đồ .................................................... 37 2.2.3 Thuật toán Bently – Ottmann ............................................................... 38 2.3 Kỹ thuật nội suy không gian ....................................................................... 43 2.3.1 Nội suy trọng số không gian (IDW) .................................................... 43 2.3.2 Kỹ thuật Kriging .................................................................................. 43 2.4 Kết luận chương .......................................................................................... 46 CHUƠNG III XÂY DỰNG CHUƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM ............................................................................................................ 47 3.1 Mô tả bài toán cảnh báo ô nhiễm tại khu công nghiệp Đồng văn bằng GIS .. 47 3.2 Mô hình hệ thống thử nghiệm ..................................................................... 47 3.3 Lựa chọn công cụ phát triển và môi trường thử nghiệm............................. 48 3.4 Đánh giá kết quả thử nghiệm ...................................................................... 49 KẾT LUẬN VÀ HUỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................... 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 60
v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Thành tố của GIS ................................................................................. 6 Hình 1.2: Mối quan hệ giữa các thành phần của GIS ........................................... 7 Hình 1. 3. Ví dụ biểu diễn vị trí nước bị ô nhiễm ............................................... 10 Hình 1.4. Ví dụ biểu diễn đường ......................................................................... 11 Hình 1.5. Ví dụ biểu diễn khu vực hành chính ................................................... 12 Hình 1.6. Biểu diễn thế giới bằng mô hình raster ............................................... 17 Hình 1.7: Xếp chồng đa giác ............................................................................... 21 Hình 1.8. Tiến trình xếp chồng đa giác ............................................................... 22 Hình 2.1. Vùng đệm của xâu đoạn thẳng ............................................................ 28 Hình 2.2. Tìm vùng đệm ..................................................................................... 29 Hình 2.3. Trường hợp góc tù ............................................................................... 30 Hình 2.4. Trường hợp góc bẹt ............................................................................. 30 Hình 2.5. Minh họa bản đồ đệm trong GIS ........................................................ 34 Hình 2.6. Nguyên lý khi xếp chồng các bản đồ ................................................ 36 Hình 2.7. Việc xếp chồng các bản đồ theo phương pháp cộng.......................... 36 Hình 2.8. Một thí dụ trong việc xếp chồng các bản đồ. ...................................... 36 Hình 2.9. Xếp chồng 2 lớp bản đồ ..................................................................... 37 Hình 2.10. Xếp chồng điểm và đa giác .............................................................. 38 Hình 2.11. Xếp chồng đoạn và đa giác .............................................................. 38 Hình 3.1: Giao diện chương trình Hmap với cửa sổ hiển thị bản đồ, các lớp bản đồ và cửa sổ chức năng phân tích nội suy IDW. ................................................. 48 Hình 3.2. Bản đồ chuyên đề nội suy chỉ tiêu Asen trong nước ngầm tại 3 điểm quan trắc sử dụng thuật toán nội suy IDW .......................................................... 49 Hình 3.3. Bản đồ chuyên đề Tổng lượng chất rắn hòa tan trong nước ngầm ..... 51 Hình 3.4. Chỉ tiêu lượng vi khuẩn trong nước ngầm .......................................... 52 Hình 3.5. Chỉ tiêu Chì (Pb) trong nước ngầm ..................................................... 53
vi Hình 3.6. Chỉ tiêu Asen trong nước mặt ............................................................. 54 Hình 3.7. Chỉ tiêu vi khuẩn Coliform trong nước mặt ........................................ 55 Hình 3.8. Hàm lượng Chì (Pb) trong nước mặt .................................................. 56 Hình 3.9. Chỉ tiêu vi khuẩn Coliform trong nước thải ........................................ 57 Hình 3.10. Hàm lượng CO (Các-bon ô xít) trong không khí ............................. 58 Hình 3.11. Tổng bụi lơ lửng trong không khí ..................................................... 59
1 PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của xã hội, con người đã sử dụng nhiều công cụ để tìm hiểu, khai thác và giải đáp các thắc mắc về tự nhiên; Trong đó, kỹ thuật “Thông tin địa lý” (GIS – Geographic Information System) là kỹ thuật ưu việt được sử dụng rộng rãi từ những năm 60 trở lại đây. Kỹ thuật GIS là kỹ thuật ứng dụng hệ thống vi tính, số hóa để thu thập, phân tích, xử lý dữ liệu không gian. Từ đó, GIS đã trở thành công cụ hỗ trợ ra quyết định trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu và quản lý, đặc biệt trong quản lý, quy hoạch nguồn tài nguyên môi trường. Thông tin địa lý là thông tin về các vị trí trên bề mặt trái đất, bao gồm tri thức về cái gì đó? Ở đâu? Hoặc tri thức về cái gì ở tại vị trí biết trước? Đặc trưng của thông tin địa lý có thể rất chi tiết như: thông tin về từng ngôi nhà trong thành phố hoặc có thể rất thô như: Thời tiết, mật độ dân số quốc gia… Một vấn đề nóng bỏng, gây bức xúc trong dư luận xã hội cả nước là tình trạng ô nhiễm môi trường sinh thái do các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người gây ra. Vấn đề này ngày càng trầm trọng, đe doạ trực tiếp sự phát triển kinh tế - xã hội bền vững, sự tồn tại, phát triển của các thế hệ hiện tại và tương lai. Giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường trong thời kỳ đẩy mạnh CNH, HĐH hiện nay không chỉ là đòi hỏi cấp thiết đối với các cấp quản lí, các doanh nghiệp mà đó còn là trách nhiệm của cả hệ thống chính trị và của toàn xã hội. Việc theo dõi mức độ ô nhiễm của từng công ty trong khu công nghiệp để có những xử lý kịp thời cho các công ty phòng tránh cũng như có những giải pháp thích hợp khi mức độ ô nhiễm tăng cao gây nguy hại tới môi trường đất, nước và không khí làm ảnh hưởng đến môi trường sống của những người xung quanh. Chính thực trạng ấy đã khiến tôi mạnh dạn đưa ra ý tưởng cho đề tài nghiên cứu:” Xây dựng hệ thống quản lý và cảnh báo ô nhiễm ở các khu công nghiệp”. Để thực hiện được ý tưởng này cần đến sự trợ giúp của công nghệ thông tin, thông qua công nghệ GIS. Bên cạnh đó cần phải nghiên cứu thử nghiệm trên môi trường cụ
2 thể, ở đây chọn khu công nghiệp Đồng Văn - Hà Nam. Đề tài được thực hiện thành công sẽ trợ giúp công tác quản lý và cảnh báo kịp thời các mức độ ô nhiễm của địa phương, hạn chế đến mức thấp nhất có thể tác hại gây ô nhiễm của chúng. Sau thử nghiệm và hoàn thiện, đề tài có thể triển khai ứng dụng cho các vùng, khu công nghiệp khác. Các dữ liệu về mức độ ô nhiễm môi trường do các công ty thu thập, chúng thường gắn với phạm vi quản lý của công ty, địa phương, sở Tài nguyên môi trường và bộ Tài nguyên môi trường với dân cư và các điều kiện tự nhiên trên không gian địa bàn quản lý. Việc theo dõi các mức độ ô nhiễm môi trường đòi hỏi phải tổng hợp từ dưới lên, và cần được phân tích, đánh giá tình hình, tiến hành các dự báo để thông báo lại cho các công ty trong khu Công nghiệp Đồng Văn biết và có những giải pháp đề phòng, ngăn chặn mức độ tiến triển gây ô nhiễm kịp thời, đúng nơi, đúng đối tượng. Chính vì lý do đó, trong khuôn khổ luận văn, học viên thực hiện nghiên cứu: “Xây dựng hệ thống quản lý và cảnh báo ô nhiễm khu công nghiệp Đồng Văn sử dụng Gis” 2. Mục tiêu của đề tài Sử dụng công nghệ GIS để tổ chức thu thập dữ liệu cũng như chuyển tải và biểu diễn thông tin trên nền web. Các thông tin có thể nhận được kịp thời và được xử lý, đưa ra các quyết định đúng đắn, đáp ứng được yêu cầu quản lý và cảnh báo mức độ ô nhiễm, hạn chế được những thiệt hại không đáng có. 3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu a. Phạm vi nghiên cứu - Hoàn thiện quy trình theo dõi, tổng hợp và phân tích ô nhiễm từ cơ sở đến toàn khu vực trên cơ sở tổ chức và cách làm đã có nhưng sử dụng các công cụ và công nghệ mới để triển khai hệ thống thông tin quản lý và cảnh báo xử lý ô nhiễm trên nền web phục vụ thường xuyên cho công tác và xử lý ô nhiễm.
3 - Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu dạng GIS từ cơ sở đến toàn vùng phục vụ việc thu thập và xử lý thông tin đáp ứng yêu cầu của bài toán đặt ra - Tổ chức website phục vụ việc thu thập và chuyển tải thông tin của hệ thống được xây dựng. b. Phương pháp nghiên cứu - Các phương pháp phân tích, tổng hợp và dự báo theo yêu cầu. - Tổ chức cơ sở dữ liệu phân tán dạng GIS, tổng hợp và phân tich dữ liệu, tiến hành dự báo theo các phương pháp khoa học khác nhau, chuyển tải các thông tin trên nền web dưới cả dạng văn bản và dạng bản đồ 4. Bố cục luận văn - Phần I: Mở đầu - Phần II: Nội dung + Chương I: Tổng quan về GIS và bài toán quản lý môi trường + Chương II: Phân tích không gian hỗ trợ quản lý và cảnh báo ô nhiễm môi trường + Chương III: Xây dựng chương trình thử nghiệm cảnh báo ô nhiễm - Phần III: Kết luận và hướng phát triển
4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ BÀI TOÁN QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG 1.1. Các khái niệm cơ bản về GIS: Khái niệm Địa lý (Geography) đề cập lĩnh vực nghiên cứu mô tả Trái đất (Geo-Earth). Ngày nay, khái niệm này và khái niệm Không gian (Space) được sử dụng thay thế nhau trong một số trường hợp. Tuy nhiên, về mặt bản chất thì Địa lý là tập các mô tả về không gian (hai chiều), khí quyển (ba chiều), … của Trái đất. Còn Không gian cho phép mô tả bất kỳ cấu trúc đa chiều nào, không quan tâm đến vị trí địa lý của nó. Như vậy có thể coi Địa lý như là một phần cấu trúc nhỏ trong tập cấu trúc Không gian. Khi mô tả Trái đất, các nhà địa lý luôn đề cập đến quan hệ không gian (spatial relationship) của các đối tượng trong thế giới thực. Mối quan hệ này được thể hiện thông qua các bản đồ (map) trong đó biểu diễn đồ họa của tập các đặc trưng trừu tượng và quan hệ không gian tương ứng trên bề mặt trái đất, ví dụ: bản đồ dân số biểu diễn dân số tại từng vùng địa lý. Dữ liệu bản đồ còn là loại dữ liệu có thể được số hóa. Để lưu trữ và phân tích các số liệu thu thập được, cần có sự trợ giúp của hệ thông tin địa lý (Geographic Information System-GIS). 1.1.1. Một số định nghĩa về hệ thông tin địa lý Có nhiều cách diễn giải khác nhau cho từ viết tắt GIS, tuy nhiên các cách diễn giải đó đều mô tả việc nghiên cứu các thông tin địa lý và các khía cạnh khác liên quan. GIS cũng giống như các hệ thống thông tin khác, có khả năng nhập, tìm kiếm và quản lý các dữ liệu lưu trữ, để từ đó đưa ra các thông tin cần thiết cho người sử dụng. Ngoài ra, GIS còn cho phép lập bản đồ với sự trợ giúp của máy tính, giúp cho việc biểu diễn dữ liệu bản đồ tốt hơn so với cách truyền thống. Dưới đây là một số định nghĩa GIS hay dùng:
5 • Định nghĩa của dự án The Geographer's Craft, Khoa Địa lý, Trường Đại học Texas GIS là cơ sở dữ liệu số chuyên dụng trong đó hệ trục tọa độ không gian là phương tiện tham chiếu chính. GIS bao gồm các công cụ để thực hiện những công việc sau: - Nhập dữ liệu từ bản đồ giấy, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, số liệu điều tra và các nguồn khác. - Lưu trữ dữ liệu, khai thác, truy vấn cơ sở dữ liệu. - Biến đổi dữ liệu, phân tích, mô hình hóa, bao gồm cả dữ liệu thống kê và dữ liệu không gian. - Lập báo cáo, bao gồm bản đồ chuyên đề, bảng biểu, biểu đồ và kế hoạch. Từ định nghĩa trên, ta thấy: Thứ nhất, GIS có quan hệ với ứng dụng cơ sở dữ liệu. Thông tin trong GIS đều liên kết với tham chiếu không gian và GIS sử dụng tham chiếu không gian như phương tiện chính để lưu trữ và truy nhập thông tin. Thứ hai, GIS là công nghệ tích hợp, cung cấp các khả năng phân tích như phân tích ảnh máy bay, ảnh vệ tinh hay tạo lập mô hình thống kê, vẽ bản đồ... Cuối cùng, GIS có thể được xem như một hệ thống cho phép trợ giúp quyết định. Cách thức nhập, lưu trữ, phân tích dữ liệu trong GIS phải phản ánh đúng cách thức thông tin sẽ được sử dụng trong công việc lập quyết định hay nghiên cứu cụ thể. • Định nghĩa của David Cowen, NCGIA, Mỹ GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục được thiết kế để thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mô hình hóa và hiển thị các dữ liệu qui chiếu không gian để giải quyết các vấn đề quản lý và lập kế hoạch phức tạp. Một cách đơn giản, có thể hiểu GIS như một sự kết hợp giữa bản đồ (map) và cơ sở dữ liệu (database). GIS = Bản đồ + Cơ sở dữ liệu Bản đồ trong GIS là một công cụ hữu ích cho phép chỉ ra vị trí của từng địa điểm. Với sự kết hợp giữa bản đồ và cơ sở dữ liệu, người dùng có thể xem thông
6 tin chi tiết về từng đối tượng/thành phần tương ứng với địa điểm trên bản đồ thông qua các dữ liệu đã được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu. Ví dụ, khi xem bản đồ về các thành phố, người dùng có thể chọn một thành phố để xem thông tin về thành phố đó như diện tích, số dân, thu nhập bình quân, số quận/huyện của thành phố, … 1.1.2. Các thành phần của hệ thông tin địa lý Một hệ thông tin địa lý thường bao gồm 5 thành phần: Hình 1. 1. Thành tố của GIS - Con người; - Dữ liệu; - Phần cứng; - Phần mềm; - Phương pháp phân tích dữ liệu. Các thành phần này kết hợp với nhau nhằm tự động quản lý và phân phối thông tin thông qua biểu diễn địa lý.
7 Hình 1.2: Mối quan hệ giữa các thành phần của GIS  Con người Con người là thành phần quan trọng nhất, là nhân tố thưc hiện các thao tác điều hành sự hoạt động của hệ thống GIS. Con người tham gia vào hệ thông tin địa lý với một hoặc nhiều vai trò sau: - Người xây dựng bản đồ: sử dụng các lớp bản đồ được lấy từ nhiều nguồn khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu. - Người thiết kế CSDL: xây dựng các mô hình dữ liệu lôgic và vật lý. - Người phát triển: xây dựng hoặc cải tạo các phần mềm GIS để đáp ứng các nhu cầu cụ thể. - Người dùng GIS là những người sử dụng các phần mềm GIS để giải quyết các bài toán không gian theo mục đích của họ. Họ thường là những người được đào tạo tốt về lĩnh vực GIS hay là các chuyên gia.  Dữ liệu Một hệ thống thông tin không thể thiếu dữ liệu, dữ liệu là nguồn đầu vào, là nguyên liệu để hệ thống thực hiện phân tích, xử lý và cho ra kết quả phục vụ nhu cầu khai thác thông tin của người dùng. Một cách tổng quát, người ta chia dữ liệu trong GIS thành 2 loại: - Dữ liệu không gian (spatial) cho ta biết kích thước vật lý, hình dạng và vị trí địa lý của các đối tượng trên bề mặt trái đất.
8 - Dữ liệu thuộc tính (non-spatial) là các dữ liệu ở dạng văn bản, cung cấp thêm thông tin mô tả về đối tượng dữ liệu không gian.  Phần cứng Phần cứng GIS giúp xây dựng, lưu trữ dữ liệu địa lý, kết nối các thiết bị khai thác và sử dụng hệ thống và trình bày thông tin địa lý. Phần cứng GIS có thể là các máy tính điện tử: PC, mini Computer, Smart Phone … là các thiết bị mạng cần thiết khi triển khai GIS trên môi trường mạng. GIS cũng đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt cho việc nhập và xuất dữ liệu như: máy số hoá (digitizer), máy vẽ (plotter), máy quét (scanner)…  Phần mềm Phần mềm giúp kết nối các thành tố của một hệ thông tin địa lý với nhau, đồng thời mang lại thông tin từ dữ liệu địa lý thông qua các chức năng phân tích và xử lý dữ liệu. Hệ thống phần mềm GIS rất đa dạng. Mỗi công ty xây dựng GIS đều có hệ phần mềm riêng của mình. Tuy nhiên, có một dạng phần mềm mà các công ty phải xây dựng là hệ quản trị CSDL địa lý. Dạng phần mềm này nhằm mục đích nâng cao khả năng cho các phần mềm CSDL thương mại trong việc: sao lưu dữ liệu, định nghĩa bảng, quản lý các giao dịch do đó ta có thể lưu các dữ liệu đồ địa lý dưới dạng các đối tượng hình học trực tiếp trong các cột của bảng quan hệ và nhiều công việc khác.  Các phép phân tích dữ liệu Mục đích chung của mọi hệ thông tin là khai thác, phân tích, xử lý dữ liệu để đưa ra các thông tin phục vụ nhu cầu của con người. Các chức năng phân tích, xử lý và trình bày dữ liệu của một hệ thông tin địa lý tối thiểu phải gồm: - Capture: thu thập dữ liệu. Dữ liệu có thể lấy từ rất nhiều nguồn, có thể là bản đồ giấy, ảnh chụp, bản đồ số… - Store: lưu trữ. Dữ liệu có thể được lưu dưới dạng vector hay raster (sẽ đề cập ở mục sau).
9 - Query: truy vấn (tìm kiếm). Người dùng có thể truy vấn thông tin đồ họa hiển thị trên bản đồ. - Analyze: phân tích. Đây là chức năng hỗ trợ việc ra quyết định của người dùng. - Display: hiển thị. Hiển thị dữ liệu địa lý và kết quả phân tích dưới những cách thức hiểu được đối với người dùng. - Output: xuất dữ liệu. Hỗ trợ việc kết xuất dữ liệu bản đồ dưới nhiều định dạng: giấy in, Web, ảnh, file… 1.2. Biểu diễn dữ liệu địa lý 1.2.1. Các thành phần của dữ liệu địa lý Trong GIS, dữ liệu được chia làm hai loại: thành phần không gian và thành phần phi không gian (thuộc tính). Hai loại thành phần dữ liệu này được kết hợp thông qua một chỉ số chung để mô tả một đối tượng thực. Sự kết hợp này thể hiện đặc trưng không gian của đối tượng, nó cho phép: - Mô tả “vị trí, hình dạng”: vị trí tham chiếu, đơn vị đo, dạng hình học của thực thể địa lý. - Mô tả “quan hệ và tương tác” giữa các thực thể địa lý: những thửa đất nào liền kề với khu công nghiệp ? - Mô tả “thông tin” của các đối tượng địa lý: ai là chủ sở hữu của thửa đất này, thuộc quản lý của địa phương nào?...  Thành phần không gian Thành phần dữ liệu không gian hay thường được gọi là dữ liệu hình học hay dữ liệu bản đồ trong GIS, là dữ liệu về đối tượng mà vị trí của nó được xác định trên bề mặt trái đất. Dữ liệu không gian sử dụng trong hệ thống địa lý luôn được xây dựng trên một hệ thống tọa độ, bao gồm tọa độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ thể trên mỗi bản đồ. Hệ thống GIS dùng thành phần dữ liệu không gian để tạo ra bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi. Mỗi hệ thống
10 GIS có thể dùng các mô hình khác nhau để mô hình hóa thế giới thực sao cho giảm thiểu sự phức tạp của không gian nhưng không mất đi các dữ liệu cần thiết để mô tả chính xác các đối tượng trong không gian. Hệ thống GIS 2D dùng 3 kiểu dữ liệu cơ sở sau để mô tả hay thể hiện các đối tượng trên bản đồ vector, đó là: - Ðiểm (Point): Điểm được xác định bởi cặp giá trị tọa độ (x, y). Các đối tượng đơn với thông tin về địa lý chỉ bao gồm vị trí thường được mô tả bằng đối tượng điểm. Các đối tượng biểu diễn bằng kiểu điểm thường mang đặc tính chỉ có tọa độ đơn (x, y) và không cần thể hiện chiều dài và diện tích. Ví dụ, trên bản đồ, các vị trí của bệnh viện, các cây xăng, các điểm kinh tế- xã hội khác… có thể được biểu diễn bởi các điểm. Hình 3 là ví dụ về vị trí nước bị ô nhiễm. Mỗi vị trí được biểu diễn bởi 1 điểm gồm cặp tọa độ (x, y) và tương ứng với mỗi vị trí đó có thuộc tính độ sâu và tổng số nước bị nhiễm bẩn. Các vị trí này được biểu diễn trên bản đồ và lưu trữ trong các bảng dữ liệu. Hình 1. 3. Ví dụ biểu diễn vị trí nước bị ô nhiễm - Ðường – Cung (Line - Arc): Đường được xác định bởi dãy các điểm hoặc bởi 2 điểm đầu và điểm cuối. Đường dùng để mô tả các đối tượng địa lý dạng tuyến như đường giao thông, sông ngòi, tuyến cấp điện, cấp nước…
11 Các đối tượng được biểu diễn bằng kiểu đường thường mang đặc điểm là có dãy các cặp tọa độ, các đường bắt đầu và kết thúc hoặc cắt nhau bởi điểm. Ví dụ, bản đồ hệ thống đường bộ, sông, đường biên giới hành chính, … thường được biểu diễn bởi đường và trên đường có các điểm (vertex) để xác định vị trí và hình dáng của đường đó. Hình 1.4. Ví dụ biểu diễn đường - Vùng (Polygon): Vùng được xác định bởi ranh giới của nó là đường gấp khúc, có điểm đầu trùng với điểm cuối. Các đối tượng địa lý có diện tích và được bao quanh bởi đường thường được biểu diễn bởi vùng. Các đối tượng biểu diễn bởi vùng có đặc điểm là được mô tả bằng tập các đường bao quanh vùng và điểm nhãn (label point) thuộc vùng để mô tả, xác định cho mỗi vùng. Ví dụ, các khu vực hành chính, hình dạng các công viên, … được mô tả bởi kiểu dữ liệu vùng. Hình 1.5 mô tả ví dụ cách lưu trữ một đối tượng vùng.
12 Hình 1.5. Ví dụ biểu diễn khu vực hành chính Một đối tượng có thể biểu diễn bởi các kiểu khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ của bản đồ đó. Ví dụ, đối tượng công viên có thể được biểu diễn bởi điểm trong bản đồ có tỷ lệ nhỏ, và bởi vùng trong bản đồ có tỷ lệ lớn.  Thành phần phi không gian Thành phần dữ liệu phi không gian hay còn gọi là dữ liệu thuộc tính, là những diễn tả đặc tính, số lượng, mối quan hệ của các hình ảnh bản đồ với vị trí địa lý của chúng thông qua một cơ chế thống nhất. Hệ thống GIS có cơ chế liên kết dữ liệu không gian và phi không gian của cùng một đối tượng với nhau. Có thể nói, một trong những chức năng đặc biệt của công nghệ GIS chính là khả năng liên kết và xử lý đồng thời dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính. Dữ liệu thuộc tính trong hệ thống GIS bất kỳ thường phân thành 4 loại sau: - Bộ xác định: có thể là một số duy nhất, liên tục, ngẫu nhiên hoặc chỉ báo địa lý, số liệu xác định vị trí lưu trữ chung. Bộ xác định cho một thực thể chứa tọa độ phân bố của nó, số hiệu mảnh bản đồ, mô tả khu vực hay con trỏ đến vị trí lưu trữ của số liệu liên quan. Bộ xác định thường lưu trữ với các bản ghi tọa độ hay mô tả khác của hình ảnh không gian và các bản ghi số liệu thuộc tính liên quan. - Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý: miêu tả thông tin danh mục, các hoạt động liên quan đến các vị trí địa lý xác định (ví dụ như: cho phép xây dựng, báo cáo tai nạn, nghiên cứu y tế,…) Thông tin này được lưu trữ và quản lý trong các