Bài giảng bản đồ học và hệ thống thông tin địa lý (GIS) phần 2 MSc nguyễn trung hiếu

PHẦN II: HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) I TỔNG QUÁT GIS hình thành từ ngành khoa học: Địa lý, Bản đồ, Tin học Toán học Nguồn gốc GIS việc tạo đồ chuyên đề, nhà qui hoạch sử dụng phương pháp chồng lắp đồ (overlay), phương pháp mô tả cách có hệ thống lần Ô Jacqueline Tyrwhitt sổ tay quy hoạch vào năm 1950, kỹ thuật sử dụng việc tìm kiếm vị trí thích hợp cho cơng trình qui hoạch Việc sử dụng máy tính vẽ đồ bắt đầu vào cuối thập niên 50, đầu 60, từ khái niệm GIS đời đến năm 80 GIS phát huy hết khả phát triển mạnh mẽ công nghệ phần cứng Gis ? Bắt đầu từ thập niên 80, GIS trở nên phổ biến lãnh vực thương mại, khoa học quản lý, gặp nhiều cách định nghĩa GIS: - Là tập hợp phần cứng, phần mềm máy tính với thơng tin địa lý (mơ tả không gian) Tập hợp thiết kể để thu thập, lưu trữ, cập nhật, thao tác, phân tích, thể tất hình thức thơng tin mang tính khơng gian - GIS hệ thống máy tính có khả lưu trữ sử dụng liệu mơ tả vị trí (nơi) bề mặt trái đất - Một hệ thống gọi GIS có cơng cụ hỗ trợ cho việc thao tác với liệu không gian - Cơ sở liệu GIS tổng lợp có cấu trúc liệu số hóa khơng gian phi không gian đối tượng đồ, mối liên hệ đối tượng không gian tính chất vùng đối tượng - GIS từ viết tắt của: + G: Geographic - liệu khơng gian thể vị trí, hình dạng (điểm, tuyến, vùng) + I : Information - thuộc tính, khơng thể vị trí (như mơ tả văn bản, số, tên ) + S: System - Sự liên kết bên thành phần khác (phần cứng, phần mềm) Tóm lại, hệ thống thơng tin địa lý (Geographical Information System) hệ thống phần mềm máy tính sử dụng việc vẽ đồ, phân tích vật thể, tượng tồn trái đất Công nghệ GIS tổng hợp chức chung quản lý liệu hỏi đáp (query) phân tích thống kê (statistical analysis) với thể trực quan (visualization) phân tích vật thể tượng không gian (geographic analysis) đồ Sự khác biệt GIS hệ thống thông tin thông thường tính ứng dụng rộng việc giải thích tượng, dự báo qui hoạch chiến lược Ứng dụng gis Các hệ thống thơng tin địa lý có cơng cụ mạnh để tạo đồ, tổng hợp thông tin, thể kiện, giải vấn đề phức tạp, thể ý tưởng Có thể nói GIS cơng cụ cho nhiều lãnh vực, sử dụng cá nhân, tổ chức, trường học, để giải vấn đề họ Tạo đồ phân tích đồ khơng phải mới, GIS đóng vai trị nâng cao chất lượng, độ xác nhanh so với cách làm tay truyền thống Và, trước có GIS, số người có khả sử dụng thơng tin địa lý việc định giải vấn đề 21 Ngày nay, GIS công nghệ “đắt giá” (multibillion dollar industry), có hàng trăm ngàn người giới làm việc với Các nhà chuyên môn hầu hết lãnh vực nhận thấy lợi ích phương pháp suy nghĩ làm việc theo phương diện địa lý Thành phần gis Một hệ thống gọi GIS bao gồm thành phần sau: - Dữ Liệu Khơng Gian & Dữ Liệu Thuộc Tính (Spatial & Attribute Database ): DLKG: Mơ tả mặt địa hình dáng, vị trí đặc trưng bề mặt trái đất, ví dụ vị trí khu đất đồ, hình dạng bề mặt khu vực v.v DLTT: Mơ tả tính chất giá trị đặc trưng đó, ví dụ việc sử dụng đất, người sở hữu, giá trị khu đất, giá trị cao độ v.v - Thành phần Hiển Thị Bản Đồ (Cartographic Display System): Cho phép chọn lọc liệu hệ thống để tạo đồ mới, sau trình bày lên hình đưa máy in,máy vẽ,v.v - Thành phần Số Hóa Bản Đồ (Map Digitizing System Database): cho phép chuyển đổi đồ giấy sang dạng số - Thành phần Quản Lý Dữ Liệu (Database Management System): gồm module cho phép người dùng nhập số liệu dạng bảng tính, phân tích sử lý số liệu v.v lập bảng báo cáo kết - Thành phần Xử Lý Aính (Image Processing System): Nắn chỉnh ảnh, xóa nhiễu, lọc ảnh, giải đoán ảnh vệ tinh, ảnh máy bay - Thành phần Phân Tích Thống Kê (Statistical Analysis System): Phân tích tính tốn thống kê - Thành phần Phân Tích Dữ liệu Không Gian (Geographic Analysis System): Chồng lắp đồ, tạo vùng đệm, tìm vị trí thích nghi Hình I.1 thể thành phần hệ thống GIS: Anh viãùn thạm Hã thäng xỉ lyï anh Bang biãøu thäng kã Ban âä Hã thäng phán têch thäng kã Hã thäng sä hoa baín âä Dỉỵ Liãûu Dỉỵ Liãûu Khäng Thuäüc Gian Tênh Hã thäng phán têch DL khäng gian Hã thäng quaín lyï dỉ liãu Hã Thäng Hiãn Thë Ban Âä Ban âä 22 Bang biãøu thäng kã Hình I.1 Các thành phần GIS Về phương diện quản lý, ta có thấy GIS bao gồm: - Phần cứng: Các thiết bị điện tử GIS hoạt động, máy tính, máy in, scaner, digitizer, Phán mãm (cơ thể) - Phần mềm: Các phần mềm máy tính cho Phán cỉng phép thực việc lưu trữ, phân tích thể thơng tin địa lý (bộ óc) - Dữ liệu: phần quan trọng Các liệu địa lý, mối liên hệ chúng bảng biểu liên kết thu thập hay mua từ nhiều nguồn khác Con ngỉåi Phỉång phap Con người: Hiệu suất sử dụng GIS phụ thuộc lớn vào khả người quản lý hệ thống người lập kế hoạch phát triển việc ứng dụng GIS thc t GIS Hỗnh I.2 Quan lyù GIS cú th thiết kế sử dụng nhiều chuyên gia lãnh vực khác - Phương pháp: Sự thành công thao tác với GIS phụ thuộc nhiều vào việc hoạch định phương pháp tiến hành công việc (đề cương chi tiết cho dự án) Bàn digitizer A0 máy in A0 II CẤU TRÚC DƯ' LIỆU TRONG GIS Dữ liệu hệ thống thông tin địa lý chia thành hai dạng: - Hình ảnh (khơng gian) - Phi hình ảnh (thuộc tính) Dỉ liãu 23 Dữ liệu không gian Số liệu hình ảnh hay cịn gọi liệu khơng gian (graphic) mô tả kỹ thuật số phần tử đồ GIS sử dụng liệu hình ảnh để thể đồ hình hay giấy Trong máy tính, liệu khơng gian thường thể dạng sau: - Điểm: thể biểu tượng dạng điểm - Đường gấp khúc hay đoạn cong - Vùng hay đa giác - Các điểm ảnh Các thành phần đồ họa sở liệu GIS thương mô tả nhiều lớp (layer), lớp chứa nhóm đối tượng với vị trí chúng theo hệ tọa độ chung tất lớp Dữ liệu phi khơng gian Số liệu thuộc tính thể tính chất, số lượng, chất lượng hay mối quan hệ phần tử đồ vị trí địa lý Chúng lưu trữ dạng số hay ký tự Thông thường liệu quản lý dạng bảng (table) bao gồm cột (column) hay gọi trường (field), hàng (row) hay gọi mẩu tin (record) Để định nghĩa trường phải có tên trường (field name) kiểu liệu trường (type), kiểu liệu là: kiểu ký tự (character), kiểu số nguyên (interger), kiểu số thực (real), kiểu logic, Ví dụ: ta có bảng liệu giới sau Tãn trỉång Tãn quäc gia Tãn thu âä Máøu tin 24 Dán säú -94 TL GT DS Mẩu tin thể tổng hợp tính chất đối tượng mà miêu tả, ví dụ bảng trên, mẩu tin thể tính chất, số liệu quốc gia tên quốc gia, tên thủ đô ï, dân số, tỉ lệ gia tăng dân số, Dữ liệu sở liệu Cơ sở liệu chọn lọch liệu cần thiết (khơng có số liệu thừa: redundant data) liệu chia sẻ nhiều hệ thống ứng dụng khác CSDL xem giao diện số liệu chương trình ứng dụng Ỉïng dung Ỉïng dung Ỉïng dung Ỉïng dung Cå så dỉ liãûu Hình II.1 CSDL ứng dụng Để sở liệu (CSDL) làm việc tốt, CSDL khơng có liệu thừa Liên kết liệu CSDL CSDL bao gồm nhiều tập tin (hay bảng) liệu, tập tin liệu mô tả cho loại đối tượng liên kết với trường khóa (identifier), ví dụ: có hai bảng liệu sinh viên sau: MSSV 25412562 25412563 25412564 Họ tên Nguyễn Văn Tuấn Trần Văn Hoàng Lê Hoàng Anh MSSV 25412562 25412563 25412564 Nền móng Ngày sinh 12/8/76 4/10/76 7/04/76 Nơi sinh Cần Thơ An Giang Sóc Trăng Kết cấu bê tông thép gỗ Kiến trúc Trường khóa trường hợp trường MSSV Để biết điểm sinh viên, ta phải truy số liệu bảng để biết tên bảng để biết điểm Chương trình máy tính dựa vào trường khóa MSSV để lấy số liệu theo yêu cầu người truy cập số liệu III MƠ HÌNH DƯ' LIỆU KHƠNG GIAN Như biết, đồ hình thức quen thuộc mà thường gặp Bản đồ chúng đặt vị trí địa lý (tọa độ) chiều Các thích đồ cho biết vùng mà thể hiện, thơng tin, định thể liệu khơng gian (saptial data) trình bày nhóm điểm, đường vùng, Bản đồ thường thể dạng hai thông tin hay định nghĩa điểm, đường nghĩa mang tính phi khơng gian (non spatial) 25 - - Mỗi pixel đối tượng, có vị trí theo hàng, cột tương ứng ảnh, giá trị pixel cho biết pixel thuộc loại đối tượng nào, tính chất đối tượng lưu trữ sở liệu thuộc tính tương ứng CSDLKG Raster chứa hàng ngàn lớp DLKG (layer) 34 - Kiểu giá trị pixel layer tùy theo việc mã hóa người sử dụng, số nguyên, số thực hay ký tự alphabet Thường giá trị số nguyên thường dùng làm mã số để liên hệ với bảng DL khác hay làm giải để thể đồ - Để thể bề mặt liên tục, người ta sử dụng mơ hình raster, bề mặt liên tục thường thể bề mặt địa hình, mưa, áp suất khơng khí, nhiệt độ, mật độ dân số, Như vật CSDLKG raster thông tin tổ chức hình đây: cháút Sä liãûu vãư vë trê, code cua pixel cháút cháút n Đối với mơ hình liệu vector Để thể kiểu đối tượng (vd: đường sá, sơng ngịi, cao độ, thực vật, ) dạng số (digital) CSDLKG, ta phải lựa chọn kiểu đối tượng khơng gian thích hợp: - Dạng chiều (0D): Một đối tượng có vị trí khơng gian khơng có chiều dài Dạng điểm - Dạng chiều (1D): Một đối tượng có chiều dài kết hợp với nhiều đối tượng 0D Dạng tuyến - Dạng chiều (2D): Một đối tượng có chiều dài chiều rộng bao quanh ba đối tượng 1D Dạng diện tích-vùng - Dạng chiều (3D): Một đối tượng có chiều dài, chiều rộng chiều cao/chiều sâu bao quanh đối tượng 2D Dạng thể tích - Dạng chiều (4D): bao gồm đối tượng 3D yếu tố thời gian Đối với CSDLKG vector, người ta lưu trữ theo lớp DLKG, lớp thể loại thông tin dạng đối tượng (0D, 1D, 2D, 3D, 4D), Ví dụ CSDLKG qui hoạch nơng nghiệp, người ta có lớp DLKG đất (dạng vùng, vùng thể loại đất), lớp DLKG hệ thống kênh (dạng tuyến, thể kênh), lớp công 35 trình kênh (loại điểm, thể cống, trạm bơm, đập tràn, ), lớp DLKG trạm mưa (dạng điểm, thể trạm đo mưa), Như biết mơ hình vector, người ta dùng nhiều phương pháp để lưu trữ vị trí cùa đối tượng, cịn để liên hệ đối tượng với tính chất chúng CSDL, người ta làm sau: - Đối với dạng điểm: điểm gán mã số, mã số tương ứng với mã số ghi bảng CSDL thuộc tính thể thuộc tính điểm tương ứng - Đối với dạng tuyến: đối tượng dạng tuyến vẽ nhiều đoạn nối (link) nút (node) Tương tự đối tượng dạng điểm, đối tượng dạng tuyến gán giá trị mã số (code), code dùng để liên hệ với bảng DL thuộc tính mơ tả đối tượng Ngồi nút có thơng tin thuộc tính nút vượt, nút cắt, nút val (đường ống), nút đèn giao thơng (đường) Các link có thuộc tính hướng, kích thước (đường kính ống, chiều rộng đường), số xe, thời gian di chuyển từ đầu link đến cuối link, điện đường tải điện, đường hầm, đường vượt, - Đối với dạng vùng: thường vùng phân chia theo tính chất hay biên giới hành chính, hồ, rừng núi, khu vực điều tra dân số, biên chúng xác định thuộc tính đối tượng Mỗi vùng gán code liên hệ với bảng DL thuộc tính Như vật CSDLKG vector thông tin tổ chức hình đây: Dỉ liãûu thuäc (tênh cháút) Code cua T D lióỷu khọng gian (vở trờ, hỗnh dảng) V CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DƯ' LIỆU KHƠNG GIAN CƠ BẢN (Basic spacial operations) Thuật toán VECTOR a Phân loại (reclassify) Ghép hai hay nhiều đối tượng khơng gian có chung hay nhiều đặc trưng hay thoả điều kiện thành 1, phương pháp sử dụng việc phân loại lại đối tượng thành đối tượng tổng qt hơn, đối tượng có hình dạng tổng đối tượng cũ mang tính chất (dữ liệu thuộc tính) tất đối tượng cũ Các bước để thực toán reclassify là: - Xác định điều kiện phân loại - Phân loại đối tượng theo điều kiện phân loại Bỏ biên chung đối tượng kề thỏa điều kiện phân loại 36 - Tạo lại cấu trỳc ca i tng mi Hỗnh IV.1 Reclassify, Dissolve va Merge b Vùng đệm (Buffer) Tạo đối tượng xung quanh đối tượng cũ khoảng cách cho Phương pháp thường ứng dụng qui hoạch, xác định vùng đệm khu bảo tồn thiên nhiên, hay xác định vùng ảnh hưởng nguồn ô nhiễm tiếng ồn, Ta tạo vùng m cho i tng dng im,tuyn hay vựng Hỗnh IV.2 Buffer 37 c Chồng đồ (Overlay) Phương pháp thường dùng việc liên kết liệu khơng gian Thí dụ việc tìm kiếm giếng khoan theo phân vùng hành chánh, ta có hai lớp DLKG lớp giếng khoan (dạng điểm) lớp DLKG biên xã (dạng vùng), để xem giếng thuộc xã nào, ta chồng hai lớp lại với Ta chồng lớp liệu dạng điểm lên lớp đối tượng dạng vùng, hay lớp đối tượng dạng vùng lên lớp đối tượng dạng vùng, hay lớp đối tượng dạng tuyến lên lớp đối tượng dạng vùng 38 Thuật toán RASTER a Các phép toán đại số đồ (+ , - , *, /) Thông thường, để thiết lập đồ tổng hợp (combine map) phải thực cơng thức phương trình tốn học, ví dụ muốn lập đồ khả xói mịn đất (soil erosion potential) dựa công thức liên hệ yếu tố khả xói mịn đất với gradient độ dốc cường độ mưa Các cơng thức tốn học chứa số, công thức lượng giác, phép tính cộng, trừ, nhân, chia Tênh giạ trë cua vë trê X trãn bn âä ưtheo hm säú F: Kãút qua tải vë trê X = F(gia trë ä X låp 1, giạ trë ä X låp 2, ) Để làm rõ khái niệm ta xét ví dụ sau: muốn xây dựng đồ nhiệt độ dựa đồ địa hình có sẵn công thức liên hệ cao độ nhiệt độ vùng (công thức lập phép tốn thống kê):Y=26.985-0.0016xX Trong Y nhiệt độ điểm X cao độ điểm Trước hết ta tạo đồ đồ tạm thời cách nhân địa hình với -0.0016, sau cộng đồ tạm với 26.985 Ví dụ: 3 1 2 10 2 3 + 7 3 9 7 39 = 11 10 10 b Các phép toán luận lý đồ (bolean operation) Các phép toán luận lý thực GIS : - Phép toán AND ("và" hay "giao") - Phép toán OR ("hoặc" hay "hợp") - Phép toán NOT ("hiệu" ) - Phép toán XOR (ngược lại OR) Các phép tốn thể hình đây: A AND A OR B A AND (B OR A NOT A XOR (A AND B) OR C Trong MHDLKG Raster, phân tích số liệu nhiều lớp đồ, cách khác giá trị pixel vị trí dùng làm tham số tính tốn phép tốn áp dụng Thơng thường trước phân tích luận lý, người ta thường phân loại lại đồ raster sau, pixel thoả điều kiện gán giá trị 1, khơng thỏa gán giá trị 0 0 0 0 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 3 3 0 0 0 0 0 1 1 0 X 0 0 0 1 0 (AND) 2 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 = c Phân tích lân cận (Neighbourhood) Phép phân tích cho phép ta tính tốn giá trị pixel dựa giá trị pixel xung quanh Phép phân tích thường dùng việc làm rõ nét ảnh hay loại bỏ điểm nhiễu ảnh 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO: Some selected Papers for GIS courses, 1996, ITC, the Netherlands C.A.Blok, et.al 1993, Cartographic Visualzation for GIS Postgraduate diploma courses ITC, Hà Lan Huỳnh, L, 1998, Bản Đồ Học, NXBGD Thận, N.T & Dũng N.T, 1999, Trắc Địa Bản Đồ Kỹ Thuật Số Trong Xây Dựng, NXNBGD Mạnh P.T., Thành.P.V, 1999, Cơ Sở Hệ Thống Thông Tin Địa Lý (GIS) Quy Hoạch Quản Lý Đô Thị, NXBXD ESRI, 1995, Understanding GIS the ARC/INFO method, USA ESRI, 1995, Map Projection, USA Howe D.R 1989, Data Analysis for Data Base Design, Edward Arnold Hawryszkiewycz I.T 1994, System Analysis and Design, Prentice Hall 10 Burrough P.A 1992, Principles of GIS for land resources assessment 11 Martien Molennar 1997, Lechture notes on Object Modelling Methodology, ITC, the Netherlands 12 Tuladhar A.M 1996, Lechture note on Spatial Data Models and Structure in GIS, ITC, the Netherlands 13 Paresi, 1995, Lechture note on Structure Information Systems Development Methodologies, ITC, the Netherlands 14 Sharifi M.A 1996, Introduction to Decision Support Systems for Natural Resource Management, ITC, the Netherlands 15 Sharifi M.A 1996, Introduction to Multicriteria Evaluation Techniques, ITC, the Netherlands 16 Trung N.H 1997, Application of Object Modelling Technique on Development of GIS for Natural Resources Management, ITC, the Netherlands 17 Benwell G.L 1994, A System Development Methodology for Geomatics as Derived form Informatics, Newzealand 41 ... 1998, Bản Đồ Học, NXBGD Thận, N.T & Dũng N.T, 1999, Trắc Địa Bản Đồ Kỹ Thuật Số Trong Xây Dựng, NXNBGD Mạnh P.T., Thành.P.V, 1999, Cơ Sở Hệ Thống Thông Tin Địa Lý (GIS) Quy Hoạch Quản Lý Đô Thị,... nhiều tập tin (hay bảng) liệu, tập tin liệu mô tả cho loại đối tượng liên kết với trường khóa (identifier), ví dụ: có hai bảng liệu sinh viên sau: MSSV 25 4 125 62 254 125 63 25 4 125 64 Họ tên Nguyễn Văn... tạo đồ đồ tạm thời cách nhân địa hình với -0.0016, sau cộng đồ tạm với 26 .985 Ví dụ: 3 1 2 10 2 3 + 7 3 9 7 39 = 11 10 10 b Các phép toán luận lý đồ (bolean operation) Các phép tốn luận lý thực