Giáo trình hệ thống thông tin địa lý

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM LÊ THỊ GIANG | TRẦN QUỐC VINH PHẠM QUÝ GIANG | ĐOÀN THANH THỦY Chủ biên: LÊ THỊ GIANG GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG THƠNG TIN ĐỊA LÝ NHÀ XUẤT BẢN HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP – 2021 ii LỜI NÓI ĐẦU Từ đời vào năm 60 kỷ XX, Hệ thống thông tin Địa lý (Geograpgic Information System- GIS) nhanh chóng phát triển ứng dụng thực tiễn vào q trình nghiên cứu đời sống kinh tế xã hội loài ngƣời Trong thực tế tất tổng thể tự nhiên kinh tế xã hội nhân văn có phân bố định theo không gian biến động theo thời gian Từ nhu cầu tất yếu đó, GIS trở thành công cụ hữu hiệu hỗ trợ việc định để giải tốn liên quan đến khơng gian thời gian Bên cạnh đó, GIS cịn cơng cụ thích hợp cho việc quản lý thơng tin đa ngành Hơn nữa, GIS có khả trợ giúp nhà quản lý, doanh nghiệp, cá nhân,… đánh giá trạng trình, biến động vật thông qua chức thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích tích hợp thơng tin đƣợc gắn với hình học (bản đồ) quán sở liệu đầu vào Kỹ thuật GIS ngày đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực nghiên cứu quản lý, đặc biệt quản lý quy hoạch sử dụng, khai thác nguồn tài nguyên cách bền vững hợp lý Hệ thống thông tin địa lý ứng dụng có giá trị cơng nghệ tin học lĩnh vực có liên quan đến phân tích khơng gian Trong thời kỳ hội nhập đất nƣớc với giới thời đại 4.0, việc ứng dụng công nghệ thông tin để tổ chức quản lý thông tin địa lý cách tổng thể góp phần khơng nhỏ vào việc sử dụng có hiệu nguồn tài nguyên thiên nhiên môi trƣờng đất nƣớc Hiện nay, có nhiều nghiên cứu đẩy mạnh việc ứng dụng GIS vào lĩnh vực quản lý tài nguyên thiên nhiên, môi trƣờng nhƣ lĩnh vực kinh tế - xã hội Để đáp ứng đƣợc xu thời đại đáp ứng với nhu cầu trình độ lao động tiên tiến, sinh viên phải đƣợc trang bị kiến thức ứng dụng công nghệ thông tin, đặc biệt GIS kỹ thao tác phân tích, xử lý liệu cơng cụ mà GIS cung cấp Mục đích giáo trình “Hệ thống thơng tin địa lý” nhằm trình bày tổng quan Hệ thống thông tin địa lý, phận cấu thành, chức bản, ứng dụng GIS lĩnh vực, cấu trúc liệu GIS, mơ hình số hóa độ cao (DEM) chức phân tích liệu GIS Đối tƣợng ngƣời học sinh viên bậc Đại học, ngƣời cần kiến thức tảng GIS, nhập mơn GIS Trong q trình biên soạn giáo trình, tham khảo tài liệu nƣớc nƣớc ngoài, chắt lọc kiến thức cần thiết với thời lƣợng cho phép để phù hợp cho đào tạo bậc Đại học Học viện Nông nghiệp Việt Nam, đồng thời cố gắng phản ánh số thành tựu thời gian gần việc ứng dụng GIS Giáo trình “Hệ thống thơng tin địa lý” đƣợc phân công cho tác giả chịu trách nhiệm biên soạn nhƣ sau: iii Chƣơng 1: Giới thiệu Hệ thống thông tin địa lý PGS.TS Lê Thị Giang, ThS Đoàn Thanh Thủy TS Phạm Quý Giang biên soạn Chƣơng 2: Cấu trúc liệu GIS PGS.TS Trần Quốc Vinh biên soạn Chƣơng 3: Mơ hình số độ cao ThS Đoàn Thanh Thủy biên soạn Chƣơng 4: Phân tích liệu GIS PGS.TS Lê Thị Giang TS Phạm Quý Giang biên soạn Sau chƣơng có phần câu hỏi ơn tập tập, nhằm giúp sinh viên nắm vững nội dung chƣơng tự kiểm tra trình độ qua việc làm tập Trong trình biên soạn giáo trình khó tránh khỏi đƣợc thiếu sót, nhóm tác giả mong nhận đƣợc nhiều đóng góp quý báu từ đồng nghiệp bạn đọc Ý kiến đóng góp gửi về: PGS.TS Lê Thị Giang - Bộ môn Hệ thống thông tin đất đai – Khoa Quản lý đất đai – Học viện Nông nghiệp Việt Nam (Trâu Quỳ - Gia Lâm - Hà Nội) Email: lethigiang@vnua.edu.vn Xin trân trọng cảm ơn! CHỦ BIÊN PGS.TS Lê Thị Giang iv MỤC LỤC Chƣơng GIỚI THIỆU CHUNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 ĐỊNH NGHĨA GIS 1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA GIS .7 1.4 CÁC THÀNH PHẦN CỦA GIS 10 1.4.1 Phần cứng .11 1.4.2 Phần mềm .12 1.4.3 Dữ liệu 13 1.4.4 Con ngƣời .13 1.4.5 Phƣơng pháp 15 1.5 CÁC CHỨC NĂNG CỦA GIS 16 1.5.1 Dữ liệu đầu vào 16 1.5.2 Phân tích liệu 18 1.5.3 Dữ liệu đầu .18 1.6 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA GIS TRONG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG 19 1.6.1 Ứng dụng GIS nghiên cứu tài nguyên đất 19 1.6.2 Ứng dụng GIS nghiên cứu thảm phủ bề mặt đất 20 1.6.3 Ứng dụng GIS quản lý rừng .22 1.6.4 Ứng dụng GIS nghiên cứu thủy văn 23 1.6.5 Ứng dụng GIS nghiên cứu sinh thái môi trƣờng 24 1.7 XU HƢỚNG PH T TRIỂN CỦA GIS 24 1.7.1 Sự phát triển phần mềm mã nguồn mở 25 1.7.2 WebGIS Mobile GIS .26 1.7.3 GIS dựa tảng điện toán đám mây 30 1.7.4 Trí tuệ nhân tạo GIS 33 CÂU HỎI ÔN TẬP 35 Chƣơng CẤU TRÚC DỮ LIỆU TRONG GIS 36 2.1 DẠNG DỮ LIỆU CƠ BẢN CỦA DỮ LIỆU KHÔNG GIAN 36 2.1.1 Dữ liệu dạng điểm 36 2.1.2 Dữ liệu dạng đƣờng 36 2.1.3 Đối tƣợng dạng vùng 37 2.2 TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRONG GIS 37 2.3 DỮ LIỆU VECTOR 38 2.3.1 Cấu trúc liệu 38 2.3.2 Mơ hình Spaghetti 40 2.3.3 Mơ hình Topology .41 v 2.4 DỮ LIỆU RASTER .43 2.4.1 Cấu trúc liệu 43 2.4.2 Pixel .44 2.4.3 Các phƣơng pháp nén liệu Raster 44 2.4.4 Ƣu nhƣợc điểm cấu trúc Raster 48 2.5 HỆ THỐNG THAM CHIẾU KHÔNG GIAN .48 2.5.1 Hệ tọa độ 48 2.5.2 Đơn vị đồ .51 2.5.3 Các phép chiếu đồ 51 2.5.4 Hệ quy chiếu hệ toạ độ Quốc gia VN-2000 55 2.5.5 Tỷ lệ đồ 56 2.5.6 Metadata .57 2.6 MƠ HÌNH THƠNG TIN THUỘC TÍNH 58 2.6.1 Mơ hình phân cấp (Hierachical Model) .58 2.6.2 Mơ hình mạng lƣới (Network Model) .60 2.6.3 Mơ hình quan hệ (Relational Model) 61 CÂU HỎI ÔN TẬP 62 Chƣơng MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO .64 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MƠ HÌNH SỐ ĐỘ CAO 64 3.1.1 Định nghĩa mơ hình số độ cao .65 3.1.2 Các dạng mơ hình DEM .66 3.2 PHƢƠNG PH P XÂY DỰNG DEM 68 3.2.1 Phƣơng pháp xây dựng DEM từ điểm mẫu 68 3.2.2 Phƣơng pháp số hóa đồ giấy 69 3.2.3 Phƣơng pháp xây dựng DEM từ đƣờng đồng mức 71 3.2.4 Phƣơng pháp chụp ảnh lập thể .71 3.2.5 Phƣơng pháp xây dựng DEM sử dụng công nghệ giao thoa Radar .72 3.2.6 Phƣơng pháp xây dựng DEM từ ảnh LiDAR .72 3.3 CÁC NGUỒN DỮ LIỆU DEM MIỄN PHÍ 73 3.4 CÁC SẢN PHẨM TỪ DEM .73 3.4.1 Bản đồ độ dốc 73 3.4.2 Bản đồ hƣớng dốc 75 3.4.3 Bản đồ đƣờng đồng mức 76 3.4.4 Bản đồ tơ bóng địa hình địa vật (Hillshade) .77 3.5 ỨNG DỤNG CỦA DEM 78 3.5.1 Hệ thông tin địa lý xử lý ảnh 79 3.5.2 Ứng dụng thƣơng mại 79 3.5.3 Ứng dụng công nghiệp 80 vi 3.5.4 Ứng dụng quy hoạch quản lý tài nguyên .80 3.5.5 Ứng dụng quân .80 CÂU HỎI ÔN TẬP 81 Chƣơng PHÂN TÍCH KHÔNG GIAN TRONG GIS 82 4.1 GIỚI THIỆU 82 4.2 QUY TRÌNH PHÂN TÍCH KHƠNG GIAN .83 4.3 CÁC PHÉP PHÂN TÍCH KHƠNG GIAN 85 4.3.1 Đo lƣờng 85 4.3.2 Tạo vùng đệm .86 4.3.3 Sự phân lớp 89 4.3.4 Phép tìm kiếm 90 4.3.5 Phép chồng xếp 93 4.3.6 Nội suy không gian (Spatial Interpolation) 102 4.3.7 Phân tích quan hệ khơng gian 111 4.4 MỘT SỐ BÀI TỐN ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH KHƠNG GIAN TRONG GIS 115 CÂU HỎI ÔN TẬP 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO .122 vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt API ASTER CAD CGI CGIS CSDL DD DEM DMS DSM DTM ERSDAC ESRI FOSS Geo.AI GIS ID IDW IEEE LAN LBS LiDAR NASA NGA NLP RS SAAS SAR SOAP SRTM TIN UBND USGS XML viii Viết đầy đủ/Nghĩa tiếng Việt Application Program Interface/Giao diện chƣơng trình ứng dụng Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer/ Máy đo xạ phản xạ phát xạ nhiệt không gian tiên tiến Computer Aidded Design/Thiết kế đƣợc hỗ trợ máy tính Common Gateway Interface/Giao diện cổng chung Canadian Geographic Information System/Hệ thống thông tin địa lý Canada Cơ sở liệu Decimal Degree/Độ thập phân Digital Elevation Model/Mơ hình số độ cao Degree Minute Second/Độ, Phút, Giây Digital Surface Model/Mơ hình số bề mặt Digital Terrain Model/Mơ hình số địa hình Earth Remote Sensing Data Analysis Center/Trung tâm phân tích Dữ liệu Viễn thám Trái đất Nhật Bản Earth Remote Sensing Data Analysis Center/Trung tâm phân tích Dữ liệu Viễn thám Trái đất Nhật Bản Free and Open Source Software/Phần mềm miễn phí mã nguồn mở Geospatial Artificial Intelligence/Phƣơng pháp học máy dựa liệu địa lý Global Positioning System/Hệ thống định vị toàn cầu Identification/Mã Inverse Distance Weighted/Nội suy trung bình có trọng số Institute of Electrical and Electronics Engineers/Viện kỹ nghệ điện điện tử Local Area Network/Mạng máy tính cục Location Based Service/Dịch vụ dựa vào vị trí Light Detection and Ranging/Phát đo khoảng cách ánh sáng National Aeronautics and Space Administration/Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ National Geospatial-Intelligence Agency/Trung tâm thơng tin tình báo địa lý quốc gia Mỹ Natural Language Processing/Xử lý ngôn ngữ tự nhiên Remote Sensing/Viễn thám Software as a Service/Phần mềm nhƣ dịch vụ Synthetic Aperture Radar/Radar độ tổng hợp Simple Object Extensible Protocol/Giao thức truy cập đối tƣợng đơn giản Shuttle Radar Topographic Mission/Dự án quan sát địa hình đa tàu thoi Triangular Irregular Network/Mạng lƣới tam giác không Ủy ban nhân dân United State Geological Survey/Cơ quan khảo sát địa chất Hoa Kỳ Extensible Markup Language/Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng Chƣơng GIỚI THIỆU CHUNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ Chương giới thiệu vấn đề Hệ thống thông tin địa lý (GIS), định nghĩa GIS, lịch sử phát phát triển GIS, phận cấu thành GIS, chức GIS, hệ thống tham chiếu không gian số ứng dụng GIS lĩnh vực quản lý tài nguyên môi trường Sau học xong chương này, sinh viên nắm vấn đề tảng liên quan đến GIS ứng dụng GIS lĩnh vực quản lý tài nguyên thiên nhiên môi trường 1.1 GIỚI THIỆU Tất việc, tƣợng Trái đất xảy địa điểm Mọi hoạt động ngƣời đƣợc thực bề mặt gần với bề mặt Trái đất Con ngƣời di chuyển bề mặt đất, bay tầng khí làm việc đƣờng hầm đƣợc đào dƣới lòng đất Con ngƣời đào hố, chôn đƣờng ống tuyến cáp, xây dựng khu mỏ để khai thác khoáng sản, đồng thời khoan giếng để khai thác dầu mỏ khí đốt từ lòng đất Việc theo dõi hoạt động quan trọng thông tin vị trí hoạt động yếu tố cần thiết việc giám sát chúng Hơn nữa, việc nắm bắt đƣợc thơng tin vị trí quan trọng muốn đến địa điểm cho trƣớc, để tìm kiếm thơng tin địa điểm để cảnh báo cho ngƣời dân sống khu vực lân cận Nói cách khái quát, hầu nhƣ tất định ngƣời ngày cần đến thông tin địa lý Chính vậy, vị trí địa lý đặc tính quan trọng hành động, sách, chiến lƣợc quy hoạch Những vấn đề có liên quan đến vị trí, dù thơng tin cần sử dụng để giải vấn đề giải pháp cho vấn đề đó, đƣợc gọi chung vấn đề địa lý Một vài ví dụ vấn đề địa lý đƣợc liệt kê dƣới đây: - Các nhà quản lý hệ thống chăm sóc sức khỏe giải vấn đề địa lý họ định vị trí để xây dựng trạm y tế bệnh viện mới; - Các công ty chuyển phát giải vấn đề địa lý họ định tuyến đƣờng lịch trình cho phƣơng tiện vận chuyển họ hàng ngày; - Cơ quan giao thông giải vấn đề địa lý họ chọn tuyến đƣờng lúc cần mở đƣờng cao tốc mới; - Các chuyên gia tƣ vấn giải vấn đề địa lý họ đánh giá đề xuất vị trí tốt để đặt cửa hàng bán lẻ mới; - Các công ty lâm nghiệp giải vấn đề địa lý họ định phƣơng pháp tốt để quản lý rừng: khu vực rừng bị chặt phá, vị trí nên mở đƣờng nơi nên trồng thêm mới; - Ban quản lý rừng quốc gia giải vấn đề địa lý họ quản lý, lên lịch bảo trì cải thiện giống lồi cơng viên; Kriging phƣơng pháp nội suy thƣờng cho kết tốt tính tốn nhƣng đòi hỏi việc xử lý nhiều thời gian 4.3.6.3 Ứng dụng phương pháp nội suy Chức nội suy GIS dùng để tính tốn giá trị vị trí mà khơng đo đếm trực tiếp từ giá trị vị trí đƣợc đo đếm trực tiếp Một số ví dụ ứng dụng phƣơng pháp nội suy là: - Tính tốn lƣợng mƣa, nhiệt độ thuộc tính khác vị trí mà khơng có trạm khí tƣợng thủy văn khơng có số liệu đo lƣờng đặc tính phục vụ q trình dự báo thời tiết hàng ngày - Tính tốn độ cao bề mặt Trái đất vị trí độ cao chƣa biết dựa vào điểm có độ cao - Tính tốn để vẽ đƣờng đồng mức dựa vào điểm mẫu độ cao đƣợc lấy - Tính tốn loại đất cho vùng đồ đất dựa vào vị trí số liệu mẫu đất đƣợc phân tích 4.3.7 Phân tích quan hệ khơng gian Xác định quan hệ đối tƣợng địa lý khơng gian có vai trị quan trọng việc phát triển ứng dụng GIS thực tế Ví dụ tiêu biểu phân tích quan hệ khơng gian xác định khoảng cách cần qua (phí tổn, thời gian) hệ thống giao thơng tính tốn đƣờng nƣớc chảy bề mặt địa hình 4.3.7.1 Phân tích mạng lưới (Network Analysis) Mạng tập hợp đối tƣợng dạng tuyến nối tiếp Ví dụ mạng lƣới đƣờng, sông suối, hệ thống đƣờng dây điện… Chức phân tích mạng áp dụng cho đƣờng cắt Chúng mơ q trình chuyển động nguồn từ vị trí đến vị trí khác, ví dụ chuyển động ngƣời xe cộ dọc theo đƣờng, dòng điện chạy theo đƣờng dây dẫn Để thực đƣợc phép phân tích mạng, bốn hợp phần cần thiết có là: Một tập hợp tài ngun (ví dụ hàng hóa cần đƣợc phân phối); Một tập hợp vị trí chứa tài nguyên cần tỏa (ví dụ nhà kho chứa hàng hóa); Một tập hợp điểm đích để phân phối tài nguyên (ví dụ vị trí khách hàng) khu vực để tới đƣợc với dịch vụ tối thiểu (nhƣ đồn công an gần nhất); Một tập hợp quy tắc quy định cho việc dịch chuyển (nhƣ vận tốc lớn đƣờng) Các hệ GIS thƣờng thực ba loại phân tích mạng chủ yếu: 111 - Dự báo lƣợng vận chuyển mạng: Dự báo lƣợng nƣớc trầm tích vận chuyển hệ thống sơng; - Tối ƣu đƣờng đi: Tìm đƣờng tối ƣu cho mục đích cứu hoả, vận chuyển hành khách, vận chuyển hàng hóa; - Phân phối tài nguyên: Phân chia vùng mà trạm cứu hoả phục vụ, phân chia vùng phân phối hàng hóa Việc dự đốn tải trọng mạng, tìm kiếm khoảng cách ngắn hai nhiều điểm tìm tất đối tƣợng nằm khoảng cách từ điểm đặc trƣng phép phân tích thƣờng xuyên đƣợc thực GIS Các phép phân tích phải dựa liệu có đƣợc hệ thống mạng cách đầy đủ Ví dụ việc phân tích mạng để tính tốn thời gian xe lƣu thơng từ vị trí A đến vị trí B ngồi việc dựa khoảng cách từ vị trí A đến vị trí B vận tốc tối đa xe, phải xác định đƣợc yếu tố gây hạn chế vận tốc nhƣ công việc đƣờng, cao điểm giao thông, chƣớng ngại vật, đƣờng chiều, ánh sáng giao thông, bến đỗ xe đoạn cong lớn Việc gắn thuộc tính cho yếu tố mạng có tính đến nhân tố cản trở chúng cho phép mô chuyển động có nhiều khả gắn với thực tế Hình 4.32 Tìm đường nhanh đường ngắn hai vị trí Nguồn: ESRI, 2020b 112 Hình 4.32 minh họa việc ứng dụng phân tích mạng để tìm kiếm đƣờng nhanh đƣờng ngắn hai vị trí Hình 4.33 minh họa ứng dụng phân tích mạng để tìm bệnh viện cách điểm tai nạn 15 phút lái xe phân vùng bệnh viện khoảng phút, 10 phút 15 phút Hình 4.33 Tìm kiếm phân vùng bệnh viện Nguồn: ESRI, 2020b 4.3.7.2 Chức lan truyền (Spread Function) Chức lan truyền đánh giá tƣợng việc chuyển động bƣớc xa theo tất hƣớng nhiều tiêu điểm Ở bƣớc, biến (nhƣ khoảng cách, thời gian đi, phí tổn đi…) đƣợc cộng thêm vào Mỗi vị trí qua đƣợc gắn giá trị tích lũy Quy trình ngừng tổng giá trị chạy đạt đƣợc giá trị tiêu chuẩn định trƣớc Trong chức lan truyền, (cell) nằm giáp hồn tồn theo cạnh với ô xuất phát có khoảng cách kể từ ô xuất phát Một ô nằm giáp theo đƣờng chéo với xuất phát có khoảng cách (1,414) đơn vị tỏa phía Các xa xuất phát tiếp cận theo chuyển động thẳng theo đƣờng chéo qua khác Trong trƣờng hợp có nhiều đƣờng đến ơ, khoảng cách ngắn đƣợc dùng Tệp (file) kết đƣợc biết với tên gọi bề mặt tích lũy (Accumulation Surface) Yếu tố chế ngự có tác dụng làm dừng làm giảm mức độ chuyển động đƣợc dễ dàng tính đến Những tƣợng làm chậm cản trở trình chuyển động đƣợc mơ hình hóa bề mặt cản kháng (ma sát) Ví dụ, bề mặt địa hình gồ ghề khó qua địa hình đẳng hƣớng hồn tồn Những hàng rào làm chậm làm ngừng chuyển động đƣợc gọi chƣớng ngại vật Một chƣớng ngại vật tuyệt đối ngăn không cho chuyển động qua, giống nhƣ hồ nƣớc vách đá qua đƣợc xe ô tô Vật chƣớng ngại phần tƣơng đối gây tắc nghẽn chuyển động, giống nhƣ xe ca chuyển động với vận tốc chạy đƣờng đồng đƣờng bình thƣờng 113 Thời gian qua đƣợc tính hệ số với giá trị độ rộng ô (1 cho bề rộng trực giao, 1,414 cho đƣờng phân giác) Thời gian cần từ ô A đến lân cận B đƣợc nhân với 0,5 chuyển động đƣợc tính từ tâm ô đến tâm ô khác Tổng thời gian cần qua từ ô khởi điểm đến vị trí lƣới tổng giá trị ô lân cận (mà đƣợc qua) thời gian cần đến từ ô lân cận đến vị trí đặt Hình 4.34 Tính khoảng cách thơng qua chức lan truyền 4.3.7.3 Chức hướng tìm hay dịng (Seek or Stream Funtion) Chức hƣớng tìm (hay chức dịng) dùng để vạch đƣờng hai điểm Đƣờng vạch từ điểm đến điểm đƣợc xác định quy luật định Các luật xác định điểm kết thúc Sự chuyển động đƣợc điểm đƣợc chọn ngừng luật bị phạm Kết vạch nhiều đƣờng nối điểm xuất phát với nhiều vị trí nơi mà chức bị dừng Hình 4.35 Sử dụng chức dòng để xác định dòng chảy dựa vào độ cao địa hình Một ứng dụng tiêu biểu chức hƣớng tìm vạch đƣờng dịng nƣớc dựa mơ hình số độ cao Trong chức luật ứng dụng chuyển động đến 114 điểm liền kề với độ cao thấp Quá trình đƣợc lặp lại điểm tới đƣợc nơi mà điểm xung quanh có độ cao cao hơn, tới đƣợc ranh giới khu vực nghiên cứu Đƣờng thu đƣợc phù hợp với dòng nƣớc chảy Nếu chức thực cho tất vị trí khu vực nghiên cứu, số thời gian qua từng vị trí đƣợc dùng để tính tiềm dịng chảy nƣớc qua đơn vị địa hình Giá trị thực phép đo tiềm xói mịn từ bề mặt chảy Các tác nhân khác nhƣ độ che phủ thực vật loại đất đƣợc tính đến phân tích Hình 4.36 Các dòng chảy vạch dựa liệu DEM Tổ hợp chức “lan truyền” chức “dịng” dùng để tìm “đƣờng ngắn nhất” (đƣờng nhanh nhất, đƣờng rẻ nhất…) liệu raster Trƣớc tiên, chức lan truyền đƣợc dùng để tạo ma trận, khoảng cách ngắn từ điểm xuất phát đƣợc để tìm đƣờng ngắn từ điểm ma trận đến điểm xuất phát, chức “dòng” đƣợc thực Luật chơi chuyển động từ vị trí hƣớng lân cận có giá trị thấp 4.4 MỘT SỐ BÀI TOÁN ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH KHƠNG GIAN TRONG GIS Phân tích khơng gian hữu ích nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhƣ quy hoạch sử dụng đất, nghiên cứu thị trƣờng, quy hoạch nơng nghiệp phân tích vị trí phù hợp cho ứng dụng Sau số ví dụ ngắn gọn để giúp ngƣời đọc hiểu đƣợc phân tích khơng gian làm a Tạo đồ bề mặt từ điểm mẫu Một nơng dân muốn giảm chi phí bón phân cho cánh đồng Đầu tiên, ơng đo chất dinh dƣỡng đất số điểm mẫu Từ lớp đồ liệu mẫu, 115 với trợ giúp chức phân tích khơng gian để tạo đồ bề mặt mức dinh dƣỡng ƣớc tính tồn trang trại Bởi ngƣời nơng dân biết mức tối ƣu, tạo đồ yêu cầu phân bón cách sử dụng chức chồng xếp số học Bên cạnh đó, sử dụng chức tạo vùng đệm 300m xung quanh dòng suối để giúp tránh làm nhiễm nguồn nƣớc Với cách làm tiết kiệm tiền có đƣợc suất trồng phù hợp cách áp dụng phân bón cách thơng minh Hình 4.37 Bản đồ nhu cầu phân bón đất, vùng đệm xung quanh hệ thống tưới từ điểm mẫu đất b Tạo đồ khoảng cách Trong ứng dụng tìm vùng dân cƣ bị ảnh hƣởng tiếng ồn khu vực sân bay Họ sử dụng chức phân tích khơng gian GIS để tạo đồ khoảng cách từ sân bay, sau chồng xếp với đồ trạng sử dụng đất Kết cho thấy khu vực bị ảnh hƣởng nhiều từ khu vực sân bay, giúp nhà quản lý có giải pháp giải vấn đề tiếng ồn cho ngƣời dân khu vực xunh quanh khu dân cƣ Hình 4.38 Bản đồ thể khoảng cách đến sân bay 116 c Xác định khu vực gần cho điểm Một doanh nghiệp sở hữu chuỗi nhà hát Mỗi ngƣời quản lý nhà hát chịu trách nhiệm phân phối tờ rơi phiếu giảm giá cho khu vực lân cận thuộc lãnh thổ khách hàng nhà hát Để xác định lãnh thổ, tạo lớp đồ Raster xung quanh rạp hát Chức phân tích không gian đo khoảng cách ô lƣới tới nhà hát, sau định nhà hát chịu trách nhiệm lãnh thổ gần Hình 4.39 Bản đồ khu vực phục vụ nhà hát d Phân bổ giá trị quanh điểm Một bác sĩ muốn lập kế hoạch cho dự án chăm sóc sức khỏe nghiên cứu tìm địa điểm thích hợp để mở phịng khám Cơ sử dụng điểm thành phố (với thuộc tính dân số) Sử dụng công cụ calculate density để tạo đồ mật độ dân số cho toàn khu vực Kết cho cô thấy nơi mật độ dân số lớn sử dụng nhƣ yếu tố đánh giá để đƣa định đặt địa điểm phịng khám đâu Hình 4.40 Hình Bản đồ mật độ dân số 117 e Tạo đồ chuyên đề Từ đồ địa hình, với chức phân tích khơng gian GIS, tạo đồ DEM, từ DEM tạo đồ đƣờng đồng mức, đồ độ dốc, đồ hƣớng dốc, đồ mô chiều độ cao bề mặt đất Các đồ giúp tìm vùng thích hợp để bố trí cấu trồng phù hợp Hình 4.41 Các đồ chuyên để từ DEM: Bản đồ đường đồng mức, đồ độ bóng, đồ tầm nhìn từ điểm Hình 4.42 Bản đồ độ dốc đồ hướng dốc tạo từ DEM f Xác định hướng dòng chảy cho lưu vực Một nhà thủy văn học muốn nghiên cứu tác động tiềm tàng cố tràn nhiễm Ơng sử dụng lƣới độ cao để tạo đồ hƣớng dòng chảy, đo hƣớng dốc xuống dốc Sau đó, ơng chọn điểm lƣới độ cao đại diện cho nguồn tràn giả định Nhà phân tích khơng gian theo dõi đƣờng xảy mà chất nhiễm theo dốc xuống Hình 4.43 Bản đồ hướng dịng chảy tạo từ DEM, từ tính điểm tràn giả thuyết (điểm chấm trắng) để dự báo khả dịng chảy chất gây nhiễm 118 g Gán lại giá trị cho đồ Một nhà khí tƣợng học mơ hình hóa hành vi bão nhiệt đới đại dƣơng Một thành phần mơ hình lƣới hiển thị hƣớng gió bão Mỗi lƣới hƣớng gió có giá trị số từ 0-360o Bằng cách thêm giá trị khơng đổi vào ơ, mô thay đổi theo hƣớng bão Cơ sử dụng lƣới hƣớng gió với lƣới khác để đƣa giả định nơi bão đến đất liền h Tạo bảng thống ê sơ đồ so sánh từ đồ Một Giám đốc bán hàng cho công ty cung cấp nhà hàng Ông định xem xét lại lãnh thổ nhân viên bán hàng để đảm bảo khối lƣợng công việc họ Trong lớp đồ Raster, đƣợc gọi số nhà hàng, giá trị ô số lƣợng nhà hàng mà chứa Ơng phủ lên chủ đề đa giác lãnh thổ bán hàng Nhà phân tích khơng gian sử Hình 4.44 Bên trên: Lớp đồ hướng gió dụng đa giác để phân chia chủ đề nguyên bản; bên dưới: thêm 90 độ cho cell lƣới thành khu vực, sau đếm số để tạo hướng gió thứ lƣợng nhà hàng khu vực Các kết đƣợc lƣu trữ bảng đƣợc xếp hạng, Giám đốc thấy có nhà hàng nằm lãnh thổ nhân viên bán hàng Một số thống kê khác, chẳng hạn nhƣ giá trị tối thiểu, tối đa trung bình, đƣợc lƣu trữ bảng Hình 4.45 Sử dụng đa giác để đếm số nhà hàng vùng 119 i Tìm hiểu khác Một nhà sinh vật học muốn đo lƣờng đa dạng đời sống thực vật khu vực Anh ta có lớp đồ Raster hiển thị nhiều loại thảm thực vật đƣợc tìm thấy khu vực nghiên cứu Sử dụng phân tích khơng gian, đếm đƣợc số lƣợng loại thực vật khác xung quanh pixel Vì pixel có pixel lân cận, pixel có nhiều giá trị khác khu vực đa dạng sinh học Chức phân tích khơng gian xem xét pixel bao quanh pixel lƣới Land Cover đếm số lƣợng giá trị khác Anh ta tạo đồ mới, giá trị pixel số loại che phủ đất lân cận khác CÂU HỎI ƠN TẬP Trình bày quy trình phân tích khơng gian? Nội suy khơng gian gì? Phân loại phƣơng pháp nội suy không gian So sánh giống khác Nội suy vùng ảnh hƣởng Thiessen, Nội suy theo hàm Spline, Nội suy Kriging, Nội suy IDW Trình bày chức phân tích quan hệ khơng gian GIS Cho đồ A (bản đồ ô nhiễm) B (bản đồ xói mịn) 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 Hãy xây dựng đồ C biết C = A + B Hãy kẻ phần vào hình vẽ theo biểu thức logic sau: (A AND B) OR C A AND (B OR C) (A OR B) NOT C 4.(A NOT B) AND C A B C Hãy kẻ phần vào hình vẽ theo biểu thức logic sau: (A or C) and (B or D) (A or C) not (B or D) (A or B) and (C or D) (A and B) and (C and D) B C A D 120 Cho đồ A (bản đồ ô nhiễm) B (bản đồ xói mịn) 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 a Xây dựng đồ khơng nhiễm, khơng xói mịn b Xây dựng đồ vừa nhiễm, vừa xói mịn Giả sử bạn có liệu đầu vào đồ dạng Raster hàm lƣợng Carbon đất (OC) Bạn sử dụng chức GIS để xây dựng đồ hàm lƣợng hữu đất (OM) biết OM = OC 1,724? A Chức tạo vùng đệm B Chức tìm kiếm C Chức phân tích mạng lƣới D Chức chồng xếp số học 10 Giả sử bạn có lớp liệu loại thực vật lớp liệu diện tích rừng bị cháy khu vực Bạn thực phƣơng pháp phân tích khơng gian GIS để tính diện tích loại thực vật bị cháy? A Tìm kiếm khơng gian B Chồng ghép đồ C Tạo vùng đệm D Phân tích mạng lƣới 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO Anuj Tawari & Kamal Jain (2017) Concepts and pplications of Web GIS (Computer Science, Technology and Applications) Nova Science Pub Inc, New York, USA Aronoff S (1989) Geographic Information System: a management perspective Ottawa, Ontario, Canada: WDL Publication Burrough P A & McDonnell R A (1998) Principles of Geographic Information Systems Oxford: Oxford Univ Press Cassettari S (1993) Introduction to intergated geo-information management London: Chapman&Hall Chang K (2018) Introduction to Geographic Information Systems (9 ed.) New York: McGraw-Hill Education Chrisman N.R (1996) Exploring geogaraphic information systems New York: Wiley Clarke K C (1995) Analytical and Computer Cartography (2nd ed.) Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall Colin Childs (2004) Interpolating Surfaces in ArcGIS Spatial Analyst ESRI Education Services, ESRI, USA Retrieved from https://www.esri.com/news/arcuser/0704/ files/interpolating.pdf on February 25, 2020 Đàm Xn Hồn (2008) Giáo trình Trắc địa ảnh viễn thám Nhà xuất Đại học Nông nghiệp, Hà Nội DeMers M.N (1997) Fundamentals of Geographic information system: New York: Wiley Deogawanka Sangeeta (2015) Learn about GIS in the Cloud Retrieved from https://www.gislounge.com/learn-about-gis-in-the-cloud/ on February 25, 2020 ESRI (2020) An overview of the Raster Interpolation toolset Retrieved from https://desktop.arcgis.com/en/arcmap/10.3/tools/3d-analyst-toolbox/an-overviewof-the-interpolation-tools.htm on February 25, 2020 ESRI, 2020b Types of network analysis layers Retrieved from https://desktop.arcgis com/en/arcmap/latest/extensions/network-analyst/types-of-network-analyses.html on February 25, 2020 Ferretti A., Monti-Guarnieri A., Prati C & Rocca F (2007) InSAR principles: Guidelines for SAR Interferometry The Netherlands: ESA Publications GIS Resources (2013) Choosing the Right Interpolation Method Retrieved from https://www.gisresources.com/choosing-the-right-interpolation-method_2/ on February 25, 2020 Group W B (2015) Digital Elevation Models Washington: International Bank for Reconstruction and Develoment Himansu Das, Rabindra K Barik, Harishchandra Dubey & Diptendu Sinha Roy (2018) Cloud Computing for Geospatial Big Data Analytics: Intelligent Edge, Fog and Mist Computing (Studies in Big Data Book 49) 1st edition Springer, Berlin, Germany 122 Jensen J.R (1996) Introductory digital image processing: a remote sensing perpective Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall José-María Montero, Gema Fernández-Avilés & Jorge Mateu (2015) Spatial and Spatio-Temporal Geostatistical Modeling and Kriging (Wiley Series in Probability and Statistics) 1st Edition Wiley Publishing Hoboken, New Jersey, United States Kumler M P (1994) An intensive comaprison of Triangulated Irregular Networks (TINs) and Digital Elevation Models (DEMs) Cartographica 3(2): 1-99 Lagacherie P & McBratney A.B (2009) Digital Soil Mapping An Introductory Perspective M.Voltz: Edited Longley P & Clarke G (1995) GIS for business and service planning Cambridge: Geoinformation International Longley P A., Goodchild M F., Maguire D J & Rhind D W (2005) Geographic information system and science John Wiley & Sons Malczewski (1999) GIS and Multicriteria Decision Analysis John Wiley & Sons Inc Martin D (1991) Geographic Information System and their socioeconomic application London: Routledge Michael P Peterson (2014) Mapping in the Cloud, 1st Edition The Guilford Press, New York, USA Mitas L & Mitasova H (1999) Spatial Interpolation In: P.Longley, M.F Goodchild, D.J Maguire, D.W.Rhind (Eds.) Geographical Information Systems: Principles, Techniques, Management and Applications, Wiley Ngọc Hiền (2020) Ứng dụng gis quản lý đất đai, tài nguyên môi trƣờng Truy cập từ https://anhvientham.com/ung-dung-gis-trong-quan-ly-dat-dai-tai-nguyen-moitruong/ ngày 25/2/2020 Nguyễn Ngọc Lan (2011) Nghiên cứu mơ hình độ cao số ứng dụng hệ thống thông tin địa lý Luận văn Thạc sĩ Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Ngọc Thạch & Dƣơng Văn Khảm (2012) Địa thông tin ứng dụng Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Pazner, Thesis M.N & Chavez R (1993) Simple computer imaging and mapping London, Ontario, Canada: Think space, Inc Peter M Atkinson & Christopher D Lloyd (2009) Geostatistics and Spatial Interpolation In: A Stewart Fotheringham & Peter A Rogerson The SAGE Handbook of Spatial Analysis SAGE Publishing, Newbury Park, California, USA Pickles J (2004) A History of Space: Cartographic Reason, World, New York: Routledge Steiniger, Moritz Neun & Alistair Edwardes (2012) Foundations of Location Based Services Cartography for Swiss Higher Education Switzerland 123 Stewart Fotheringham & Peter Rogerson (2005) Spsatial Analyst and GIS Taylor & Francis Tasha Wade & Shelly Sommer (2006) A to Z GIS ESRI Press, Redlands, California, USA Tobler W (1970) A computer movie simulating urban growth in the Detroit region Economic Geography 46(Supplement): 234-240 Tonny J Oyana & Florence Margai (2015) Spatial Analysis: Statistics, Visualization, and Computational Methods 1st Edition CRC Press, Florida, USA Trần Thị Băng Tâm (2006) Giáo trình Hệ thống thông tin địa lý Nhà xuất Nông nghiệp, Hà Nội Van Meirvenne M (2010) Syllabus of Land Information System Ghent, Belgium Victor Mesev (2007) Integration of GIS and Remote Sensing John Wiley & Sons Inc Wasser Leah & Goulden Tristan (2020) Going On The Grid - An Intro to Gridding & Spatial Interpolation Retrieved from https://www.neonscience.org/resources/ learning-hub/tutorials/spatial-interpolation-basics on February 25, 2020 Watson D F & Phillip G M (1984) Systematric Triangulations Computer Vision, Graphics and Image Processing 26(2): 217-223 Wyatt P (2000) The Interpolation Process Directions Magazine 18 124 NHÀ XUẤT BẢN HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP Trâu Quỳ - Gia Lâm - Hà Nội Điện thoại: 0243 876 0325 - 024 6261 7649 Email: nxb@vnua.edu.vn www.nxb.vnua.edu.vn THS ĐỖ LÊ ANH Chịu trách nhiệm xuất bản: Giám đốc Nhà xuất THS LƯU VĂN HUY Biên tập: THS ĐỖ LÊ ANH Thiết kế bìa THS LƯU VĂN HUY Chế vi tính ISBN: 978 - 604 - 924 - 579 - NXBHVNN - 2021 In 80 cuốn, khổ 19 × 27 cm, tại: Công ty TNHH In Ánh Dương Địa chỉ: Tổ Bình Minh, Thị trấn Trâu Quỳ, huyện Gia Lâm, TP Hà Nội Số đăng ký kế hoạch xuất bản: 432-2021/CXBIPH/25-02/ĐHNN Số định xuất bản: 26/QĐ - NXB - HVN, ngày 27/05/2021 In xong nộp lưu chiểu: II - 2021 125