TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KHOA HỌC XÃ HỘI VÀ NHÂN VĂN ================== ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ Giảng viên Th S Phan Văn Trung Năm học 2012 2013 Bình Dương, năm 2013 Chương[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KHOA HỌC XÃ HỘI VÀ NHÂN VĂN ================== ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ Giảng viên: Th.S Phan Văn Trung Năm học 2012-2013 Bình Dương, năm 2013 Chương GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (Số tiết: LT: 1; TH: 0) 1.1 Khái niệm hệ thống thông tin địa lý (GIS) Hệ thống thông tin địa lý- GIS (Geographic Information System) tổ chức tổng thể hợp phần: Phần cứng, phần mềm, tư liệu địa lý, người điều hành thiết kế hoạt động cách hiệu nhằm tiếp nhận lưu trữ, điều kiển, phân tích hiển thị tồn dạng liệu địa lý GIS có mục tiêu xử lý hệ thống liệu môi trường không gian địa lý (Viện nghiên cứu môi trờng Mỹ 1994- ESRI) GIS hệ thống dựa máy tính cung cấp bốn chức để xử lý liệu địa quy chiếu: nhập liệu, quản lý liệu (lưu trữ truy cập số liệu), vận dụng phân tích liệu, xuất liệu (Aronoff 1993) GIS tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm máy tính, liệu địa lý người thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích hiển thị tất dạng thơng tin liên quan đến vị trí địa lý (Dueker & Kjerne ESRI 1990 - 1997) GIS công nghệ đồ dùng để kết nối thông tin vị trí địa lý đối tượng với tất dạng thơng tin khác có liên quan đến tất dạng thơng tin Tóm lại, đặc trưng bật khả GIS mà hệ thống thơng tin khác khơng có khả thao tác không gian kết nối liệu 1.2 Lược sử đời phát triển hệ thông tin địa lý - Nhu cầu thông tin: ngày cần thơng tin xác kịp thời để đưa định xác - Tầm quan trọng thơng tin địa lý: đóng vai trò quan trọng tồn phát triển người - Sự bùng nổ cung cầu nửa sau kỉ XX - GIS đời năm 1967 (CGIS - Canada Geographic Information System) Từ đến có nhiều GIS khác đời * Xu phát triển chung thời đại: - Ngày dựa vào máy tính coi máy tính cơng cụ phân tích xử lý liệu - Xu đa ngành: giải vấn đề địa phương, khu vực tham gia nhiều ngành khác * Các nhân tố dẫn đến hình thành GIS năm 60: + Sự phát triển đồ học: Máy tính bắt đầu vẽ đồ chồng xếp đồ máy tính cho xác Điều dẫn đến độ xác đồ ngày cao + Sự phát triển nhanh công nghệ thông tin + Cuộc cách mạng định lượng không gian (Phân tích khơng gian) * Các giai đoạn phát triển GIS: Những năm 60: Hệ thống thông tin địa lý ứng dụng công tác quản lý tài nguyên Canađa (CGIS), bao gồm thông tin nông nghiệp, lâm nghiệp, sử dụng đất động vật hoang dã Lúc phải sử dụng dàn máy lớn, phạm vi sử dụng hạn chế, giá thành cao Những năm 70: - Phóng vệ tinh Lansat Mỹ (1972) - Sự đời ESRI - 1972, hãng phần mềm tiếng nhất, sử dụng lâu đời Mỹ (nghiên cứu hệ thống môi trường) - Sự phát triển hệ thống xử lý ảnh số • Bản chất ảnh số: ảnh số ma trận M*N, X= ∆x* M, Y = ∆y*N • Ảnh số quang học: Ảnh mảng pixel hai chiều Mỗi pixel chứa giá trị cường độ ánh sáng (từ - 255 màu) địa (số hàng số cột) • Hệ thống viễn thám thu ảnh số Những năm 80: - IBM cho đời PC (máy tính) năm 1981 Đây bước ngoặt lớn đời máy tính điện tử - Microsoft cho đời hệ điều hành MS - DOS - Pháp phóng vệ tinh SPOT (1986) - Sự phát triển phần mềm GIS chạy máy tính cá nhân vào cuối năm 80: IL - WIS Những năm 90 đến nay: - Sự bùng nổ GIS phần cứng lẫn phần mềm hệ thống phần mềm GIS • Phần cứng gồm CPU, thiết bị ngoại vi: máy quét, máy in… • Phần mềm: DOS, WINDOWS: 3.0, 3.1, 95, 98, 2003, XP… • Sự phát triển Internet: thúc đẩy hình thành phát triển GIS • Ứng dụng GIS mở rộng, nhiên không đồng khu vực nước khác nhau: sớm phát triển mạnh Bắc Mỹ Tây Âu, bắt đầu thâm nhập nước phát triển Ở Việt Nam GIS bắt đầu thâm nhập từ năm 1995 Ngày nay, phần mềm GIS hướng tới đưa công nghệ GIS trở thành hệ tự động thành lập đồ xử lý liệu, hệ chuyên gia, hệ trí tuệ nhân tạo Phần cứng GIS phát triển mạnh theo giải pháp máy tính để bàn, năm gần đời vi xử lý cực mạnh, thiết bị lưu trữ liệu, hiển thị in ấn tiên tiến làm cho công nghệ GIS thay đổi chất Có thể nói suốt q trình hình thành phát triển mình, cơng nghệ GIS ln tự hoàn thiện từ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp để phù hợp với tiến khoa học kỹ thuật 1.3 Hệ thông tin địa lý việc tiếp cận hệ thống 1.3.1 Hệ thống thông tin Hiện hầu có trình độ phát triển cao có khối lượng thông tin lớn để phục vụ cho nhu cầu sử dụng thông tin xã hội Ngay nước phát triển thiếu hụt nhiều thơng tin có nhiều liệu thơng tin tạo Hệ thống thơng tin hiểu tập hợp liệu khảo sát, thu thập, lưu trữ xử lý sử dụng giúp cho việc lựa chọn để định có lợi cho người Nếu gọi thông tin đầu liệu đầu vào thu thập nhiều cách, nhiều mức khác nhau, vị trí khác nhiều thời điểm khác vẽ lên tranh tổng quát hay chi tiết vật tượng cần nghiên cứu Khi thu thập thơng tin phải biết thơng tin dùng để làm gì, độ xác thơng tin đến đâu liệu tạo có giá trị sử dụng Theo mục tiêu cụ thể địi hỏi nội dung hình thức hệ thơng tin riêng Chính lẽ mà người ta thường thiết kế hệ thống thông tin dạng chuyên đề Ví dụ: Hệ thơng tin khí hậu, hệ thông tin thảm thực vật, hệ thông tin địa chất, hệ thông tin quy hoạch, hệ thông tin quản lý đô thị Ở nước phát triển người ta lại xây dựng hệ thông tin tổng hợp, đa chức Nó đáp ứng hầu hết yêu cầu sử dụng thông tin quan khối lượng thông tin lớn liên kết nội chúng khó khăn Bất kỳ hệ thơng tin có chức sau: chức nhận liệu từ nguồn liệu, xử lý số liệu, trình bày liệu, chức suy giải phân tích thơng tin để định 1.3.2 Hệ thơng tin có toạ độ khơng gian Từ trước tới việc so sánh đối chiếu số liệu phân bố không gian đối tượng mặt đất phận quan trọng tổ chức hoạt động xã hội Các số liệu không gian đo đạc, thu thập xử lý thành đồ sản phẩm thiếu kết nghiên cứu phục vụ sản xuất nhiều ngành liên quan tới điều tra, xây dựng quản lý bảo vệ tài ngun mơi trường Q trình đo đạc, thu thập, xử lý, lưu trữ đồ để sử dụng tạo thành hệ thông tin đồ Đã từ lâu đồ công cụ thông tin quen thuộc lồi người Trong q trình phát triển kinh tế kỹ thuật, đồ cải tiến cho ngày đầy đủ thơng tin hơn, ngày xác Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, máy móc thiết bị đại đời, nhu cầu phát triển sử dụng đồ địa hình, đồ chuyên đề bề mặt trái đất gia tăng đáng kể, đồ chuyên đề cung cấp thông tin hữu ích để khai thác quản lý tài nguyên, môi trường Do việc nghiên cứu phân bố không gian bề mặt Trái đất bắt đầu hướng theo đường định lượng, lúc đầu cịn gặp nhiều khó khăn không khối lượng lớn số liệu phân tích số liệu, mà cịn thiếu công cụ quan trọng để mô tả biến thiên khơng gian mang tính chất định lượng Từ năm 1960 với có mặt máy tính xử lý số việc phân tích khơng gian làm đồ chuyên đề mang tính định lượng nảy sinh phát triển Vì nhu cầu số liệu khơng gian phân tích khơng gian khơng cịn hạn chế nhà khoa học Trái đất Tuy nhiên thời kỳ tờ đồ tạo nhiều hạn chế Càng ngày người cần nhiều thông tin thay đổi theo thời gian mặt đất, kỹ thuật truyền thống làm đồ khơng cịn thích hợp Xuất phát từ u cầu thực tiễn sản xuất tiến khoa học kỹ thuật lớp công cụ làm đồ đời hệ thống thơng tin địa lý (Geographycal Information System) Hệ thông tin địa lý thực chất hệ thông tin không gian mà Trái đất đối tượng định vị Nó hình thành từ tập hợp liệu định vị khơng gian có cấu trúc thuận tiện cung cấp thông tin tổng hợp để định Như cơng cụ bảo quản có hiệu quả, dễ truy nhập, thao tác thể liệu không gian q trình đánh giá thơng tin Do hệ thông tin theo toạ độ không gian hệ thông tin địa lý Việc thu thập số liệu cách tự động, phân tích số liệu trình bày số liệu số lãnh vực lập đồ Địa hình, đồ Địa chất, đồ lâm nghiệp, đồ đánh giá tác động môi trường, đo vẽ ảnh viễn thám lĩnh vực riêng biệt lại liên quan chặt chẽ với nhau, liên kết q trình xử lý số liệu khơng gian thành hệ thống thông tin phục vụ cho mục đích chung địa lý Vậy hệ thống thơng tin địa lý gọi hệ thống có trợ giúp máy tính điện tử bao gồm sở liệu chứa thông tin khơng gian thơng tin thuộc tính nhóm phần mềm với chức lưu trữ, thể hiện, trao đổi, xử lý với kiến thức chuyên ngành 1.4 Ưu điểm việc ứng dụng HTTĐL xây dựng đồ Hiện hầu hết lĩnh vực chuyên ngành Địa chất, Địa lý, Trắc địa đồ, Quy hoạch đô thị, Bảo vệ môi trường quan tâm tới GIS khai thác chúng với mục đích riêng biệt vì: GIS hệ thống tự động quản lý, lưu trữ, tìm kiếm liệu chuyên ngành với phát triển máy tính đặc biệt chúng có khả biến đổi liệu mà công việc thực phương pháp thơ sơ GIS có khả chuẩn hố ngân hàng liệu để đưa vào hệ thống xử lý khác phát triển khả khai thác liệu GIS có khả biến đổi liệu để đáp ứng tốn cụ thể cần giải GIS cung cấp thơng tin xác cho người sử dụng với khả dự đoán diễn biến theo thời gian Đồng thời GIS cho biến dạng thơng tin Trong cơng tác xây dựng quản lý đồ, người ta thấy GIS có số thuận tiện sau: - Tạo đồ đồ cũ nhanh rẻ - Với đồ chuyên đề mơ tả chun đề phép chồng xếp lớp thông tin cho đồ với mục đích tổng quát chứa đựng nhiều thông tin - Thuận tiện việc tạo cập nhật đồ liệu dạng số -Thuận tiện phân tích liệu mà liệu u cầu tương tác phân tích thống kê với đồ - Tối thiểu hoá việc sử dụng đồ nơi lưu trữ liệu (chỉ cần bấm chuột vào vùng làm xuất thơng tin thay cho ký hiệu mặt đồ) - Việc tra cứu thông tin đồ thực nhanh xác Chương NHỮNG YẾU TỐ CƠ BẢN CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (Số tiết: LT: 3; TH: 3) 2.1 Sơ đồ tổng quan thành phần HTTĐL Hệ thống thông tin địa lý phần mềm lại xây dựng từ nhiều thành phần khác Sơ đồ (hình 2.1) cho biết khái quát chung thành phần phần mềm chủ yếu có GIS Xin nói thêm khơng phải hệ thống có yếu tố này, thực Hệ thơng tin địa lý chắn phải chứa đựng chúng Hình 2.1: Cấu trúc MODUL phần mềm HTTĐL 2.1.1 Cơ sở liệu không gian sở liệu thuộc tính Nhìn sơ đồ thấy, phần trung tâm hệ thống sở liệu Nó hệ thống thông tin lưu trữ dạng số Vì sở liệu có mối liên quan với điểm đặc trưng bề mặt trái đất nên bao gồm hai yếu tố: - Cơ sở liệu khơng gian mang tính địa lý thể hình dạng, vị trí kích thước nét đặc trưng bề mặt trái đất - Cơ sở liệu thuộc tính khơng mang tính địa lý, thể đặc tính hay chất lượng nét đặc trưng bề mặt trái đất 2.1.2 Hệ thống thể thuật vẽ đồ Quanh sở liệu trung tâm có hàng loạt thành phần phần mềm Hệ thống cho chọn yếu tố sở liệu để vẽ hình, máy vẽ hay máy in Ở đây, hầu hết hệ thống phần mềm GIS cung cấp phần thuật vẽ đồ 2.1.3 Hệ thống quản lý sở liệu Thành phần logic GIS hệ thống quản lý sở liệu Trước đây, hệ thống quản lý dùng để cung cấp tài liệu, quản lý phân tích liệu thuộc tính Nhưng hệ thống thơng tin địa lý phải hợp quản lý liệu thuộc tính mà cịn quản lý liệu khơng gian Cơ sở liệu có khả tiếp cận với liệu thuộc tính bảng thống kê khơng gian đặc biệt chúng cung cấp cho khả phân tích liệu thuộc tính Nhiều đồ khơng có yếu tố khơng gian việc sử dụng sở liệu thật tốt 2.1.4 Hệ thống phân tích địa lý Để thoả mãn đầy đủ yêu cầu GIS hệ thống quản lý liệu thuộc tính, hệ thống phân tích địa lý cung cấp cho khả lưu trữ, phân tích liệu khơng gian kết hợp với thuộc tính kết hợp chúng dạng đồ Với hệ thống mở rộng khả tìm kiếm sở liệu dựa vào thuộc tính chúng Ở Hệ thống phân tích địa lý có tác động hai chiều với sở liệu Do mặt vừa thu thập liệu từ sở liệu để phân tích, măt khác lại lấy kết phân tích làm liệu bổ xung cho sở liệu Do hệ thống phân tích địa lý đóng vai trị quan trọng việc phát triển sở liệu 2.1.5.Hệ thống xử lý hình ảnh Hệ thống phần mềm bao gồm khả phân tích hình ảnh Phần mềm xử lý hình ảnh cho phép nắm giữ hình ảnh phán đốn từ xa ảnh hàng không, vũ trụ, vệ tinh biến chúng thành liệu đồ Hệ thống có tầm quan lớn Chúng ta coi kỹ sảo để thu thập liệu chủ yếu giới phát triển 2.2 Giới thiệu thành phần HTTĐL Theo định nghĩa, công nghệ GIS hiểu hệ thống kiến trúc từ thành phần là: Phần cứng, phần mềm, sở liệu người sử dụng Các thành phần phải cân đối, liên quan mật thiết với hệ thống hoạt động tốt 2.2.1 Phần cứng - Máy tính thiết bị ngoại vi Hình 2.2.: Sơ đồ tổ chức cấu thành hệ phần cứng HTTĐL - Máy tính xử lý trung tâm CPU với thiết bị chứa ổ đĩa đảm bảo để lưu trữ số liệu chương trình - Bàn số hố thiết bị khác dùng để chuyển hoá liệu từ đồ thành liệu dạng số lưu trữ chúng máy tính - Một máy vẽ ( Plotter ) kiểu thiết bị hiển thị khác để biểu thị kết xử lý số liệu - Một ổ băng đĩa để lưu trữ liệu chương trình lên băng từ để liên hệ với hệ thống khác - Những người điều khiển máy tính thiết bị ngoại vi thông qua thiết bị hình (DVU) phép hình ảnh hay đồ hình nhanh chóng 2.2.2 Phần mềm chức HTTĐL Phần mềm HTTĐL tập hợp câu lệnh, thị nhằm điều khiển phần cứng máy tính thực nhiệm vụ xác định Phần mềm lưu giữ máy tính chương trình nhớ hệ thống nhằm cung cấp thư mục hoạt động hệ thống sở máy tính Phần mềm chia làm hai lớp: - Lớp phần mềm mức thấp: Hệ điều hành sở - Lớp phần mềm mức cao: Các chương trình ứng dụng, dùng thực việc thành lập đồ thao tác phân tích khơng gian địa lý Vai trị đặc tính phần mềm gắn liền với kiến trúc phần cứng sử dụng máy tính tiến cơng nghệ tin học Ngày phần lớn phần mềm GIS giao diện thân thiện với người sử dụng Trong HTTĐL phần mềm có chức quản lý, lưu trữ, tìm kiếm, thể hiện, trao đổi xử lý liệu không gian liệu thuộc tính Q trình thực chúng qua bước sau: - Nhập số liệu kiểm tra số liệu