Giáo trình hệ thống thông tin địa lý

Hệ thống thông tin địa lý GIS có rất nhiều ứng dụng, nếu con người biết sử dụng và khai thác tiềm năng rộng lớn của nó thì GIS sẽ như lắp thêm đôi mắt, đôi tay, đôi cánh giúp con người nhìn thế giới trực quan hơn, chính xác hơn và nhanh chóng chinh phục được thế giới trong tiềm năng vốn có của mình. ứng dụng đầu tiên của GIS phải nói đến là bộ công cụ tốt nhất cho việc xây dựng và biên tập bản đồ số. Đó chính là ứng dụng khởi đầu cho mọi ứng dụng tiếp theo của GIS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NƠNG NGHIỆP HÀ NỘI Trần Thị Băng Tâm Giáo trình Hệ thống Thông tin ðịa lý Hà nội, tháng năm 2006 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hệ thống thơng tin ðịa lý …………………………i Lời nói đầu Trong năm gần đây, hệ thống thơng tin ñịa lý (Geographical Information System gọi tắt GIS), ñã trở thành ngành khoa học ñược quan tâm nhiều lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng khoa học kỹ thuật tồn cầu GIS thực trở thành yếu tố quan trọng hệ thống cơng nghệ thơng tin khơng thể thiếu chương trình đào tạo đại học ñại học Các môn học liên quan ñến Hệ thống thơng tin địa lý đưa vào giảng dạy Trường ðại học nông nghiệp từ nhiều năm qua giảng chủ yếu dựa vào tài liệu tiếng Anh Thực tế địi hỏi cần có giáo trình GIS tiếng Việt để phục vụ cơng tác dạy học, cho đối tượng sinh viên trường đại học nơng nghiệp thuận tiện Giáo trình cố gắng cán giảng dạy môn học GIS thuộc mơn ðịa để cung cấp tài liệu tiếng Việt GIS Giáo trình nhằm giới thiệu kiến thức GIS chủ yếu cho ñối tượng sinh viên cán trường đại học nơng nghiệp Nội dung giáo trình ñược trình bày bảy chương hai phụ lục Chương giới thiệu trình hình thành Hệ thống thơng tin địa lý, nội dung chính, thành phần GIS, chức hoạt động hệ phần mềm GIS thông thường, ứng dụng GIS ngành kinh tế khoa học kỹ thuật tự nhiên xã hội ñồng thời trình bày mối quan hệ thành phần GIS để bạn đọc hiểu rõ định nghĩa GIS Chương hai nói hệ thống tham chiếu không gian GIS, bắt dầu việc cung cấp cho người ñọc kiến thức chung ñồ, sau trình bày hệ tọa độ phổ biến giới cuối sử dụng kiến thức ñồ hệ tọa ñộ để giải thích hệ tham chiếu khơng gian ñặc trưng cho HTTðL Cấu trúc liệu hệ thống thơng tin địa lý trình bày Chương ba hiểu biết cấu trúc lưu trữ liệu HTTTðL hữu ích kể cho người sử dụng HTTTðL Cấu trúc liệu ảnh hưởng ñến khối lượng nhớ cần thiết hiệu suất q trình phân tích liệu Chương trước hết trình bày khái niệm lưu trữ liệu thơng tin hình thức sở liệu, sau giới thiệu dạng lưu trữ ñặc thù cho HTTTðL với ưu nhược ñiểm dạng Chương bốn giới thiệu cơng đoạn nhập liệu vào hệ thống GIS, chỉnh lý liệu sai số quy ñổi hệ thống tọa ñộ tham chiếu Các dạng biểu thị kết trình bày cuối chương Chương năm chun mơ hình số độ cao (Digital Elevation Model, DEM) Sự biễu diễn số ñộ cao ñịa hình khái niệm liên quan chặt chẽ ñến GIS ñược ứng dụng rộng rãi ñể giải nhiều vấn ñề thực tiễn không giới hạn biễu diễn địa hình Chương trình bày khái niệm DEM, phương pháp thành lập DEM ứng dụng Chương sáu phương pháp phân tích liệu hệ thống thơng tin ñịa lý Sự khác GIS phần mềm ñồ họa khả biến ñổi liệu không gian gốc thành câu trả lời cho mục đích người sử dụng, khả phân tích liệu khơng gian phi khơng gian, khả tái chuỗi từ sở liệu chức bất biến ña biến phương pháp thống kê sử dụng phương Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hệ thống thông tin ðịa lý …………………………ii pháp nội ngoại suy Chương trình bày khả giải vấn ñề, yêu cầu sở liệu GIS Cuối cùng, khả phân tích liệu khơng gian thuộc tính GIS giải thích, cách kết nối hai loại liệu GIS, liệu khơng gian liệu thuộc tính Chương bảy trình bày vấn ñề liên quan ñến chất lượng liệu, sai số biến ñộng liệu tự nhiên Vấn ñề bảo ñảm hạn chế ñược sai số độ tin cậy q trình thu thập, xử lý, cập nhập phân tích liệu quan trọng ngành khoa học kỹ thuật nào, kể GIS Chương trình bày vấn đề biến động sai số liệu, nguồn gốc nguyên sai số, vấn ñề truyền tải sai số GIS hậu chúng Ngồi bảy chương chính, chúng tơi thấy cần thiết phải thêm hai phần phụ lục ñể người đọc tham khảo (a) tình hình phát triển phần mềm GIS, phần mềm thị trường phần mềm miễn phí nguồn mở; (b) xu hướng phát triển GIS sở tham khảo tạp chí chuyên ngành xuất gần ñây Phụ lục giới thiệu xu hướng phát triển GIS kết hợp với Internet, GPS thiết bị Mobile kết nối không dây (wireless) với mong muốn làm cho người ñọc cảm nhận ñược phần ñang diễn giới ngành GIS Tác giả xin cảm ơn TS Nguyễn Duy Bình (Viện Khí tượng Thủy văn Mơi trường TP Hồ Chí Minh) nhiệt tình hợp tác giúp đỡ chun mơn q trình viết giáo trình Xin cảm ơn đồng nghiệp ngồi trường ðại học nơng nghiệp đọc thảo góp ý để hồn thành sách Mặc dù cố gắng nhiều trình độ có hạn nên chắn giáo trình khơng thể tránh thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp để lần xuất sau giáo trình có chất lượng cao hơn, góp phần tốt cho nhiệm vụ giảng dạy học tập môn GIS trường đại học nơng nghiệp Hà nội, tháng năm 2006 Tác giả Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hệ thống thơng tin ðịa lý …………………………iii MỤC LỤC Chương Trang Lời nói đầu ii Danh mục Bảng vii Danh mục Hình vẽ viii Chương GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ðỊA LÝ (GIS) VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG GIS TRONG CÁC NGÀNH KINH TẾ, KỸ THUẬT 1.1 Vai trị Hệ thống thơng tin địa lý 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống thơng tin địa lý 1.3 Những nội dung hệ GIS ñề cập tới 1.4 Yêu cầu ñối với hệ GIS .5 1.5 ðịnh nghĩa GIS .6 1.6 Các thành phần Hệ thống thơng tin ñịa lý 1.7 Một số ứng dụng GIS ngành khoa học kinh tế kỹ thuật 15 Câu hỏi ôn tập 20 Chương MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG THAM CHIẾU KHÔNG GIAN 21 2.1 Khái niệm ñồ 21 2.2 Các đặc tính đồ .24 2.3 Hệ thống tọa ñộ (Coordinate system) 27 2.4 Phép chiếu ñồ (Map projection) 29 2.5 Hệ qui chiếu VN-2000 .33 Câu hỏi ôn tập: 34 Chương CẤU TRÚC DỮ LIỆU GIS 36 3.1 Các khái niệm sở 36 3.2 Dữ liệu không gian 38 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hệ thống thơng tin ðịa lý …………………………iv MỤC LỤC 3.2.1Cấu trúc liệu Raster 3.2.2.Cấu trúc liệu véc tơ 38 42 3.3 Dữ liệu thuộc tính 51 Câu hỏi ôn tập 52 Chương NHẬP VÀ CHỈNH LÝ DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN ðỊA LÝ .54 4.1 Nhập liệu 54 4.2 Biên tập Chỉnh sửa liệu không gian 59 4.3 Nhập liệu thuộc tính phi khơng gian 66 4.4 Kết nối liệu khơng gian liệu thuộc tính 66 4.5 Hiển thị ñầu liệu ñịa lý 67 Câu hỏi ôn tập 67 Chương MƠ HÌNH SỐ ðỘ CAO (DEM) 68 5.1 Giới thiệu chung 68 5.2 Phưong pháp biểu thị DEM 69 5.3 Phương pháp xây dựng DEM 71 5.4 Các sản phẩm ứng dụng DEM 73 Câu hỏi ôn tập 78 Chương PHÂN TÍCH DỮ LIỆU TRONG GIS 80 6.1 Mục đích khả giải vấn ñề hệ thống GIS 80 6.2 Chức quản lý sở liệu 82 6.3 Các chức phân tích liệu khơng gian 83 Kết luận 91 Câu hỏi ôn tập 91 Chương CHẤT LƯỢNG DỮ LIỆU, SAI SỐ VÀ BIẾN ðỘNG DỮ LIỆU 94 7.1 Giới thiệu chung 94 7.2 Sai số có nguồn gốc rõ ràng 94 7.3 Sai số trình thu thập liệu 97 7.4 Sai số q trình phân tích liệu 99 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hệ thống thơng tin ðịa lý …………………………v 7.5 Kết luận 103 Câu hỏi ôn tập .103 Tài liệu tham khảo 104 Phụ lục A GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHẦN MỀM GIS 106 A.1 Hệ phần mềm thị truờng 106 A.2 Hệ phần mềm nguồn mở 108 Phụ lục B XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA GIS 110 Bảng Từ viết tắt 116 Danh mục từ vựng 118 Bảng tra thuật ngữ 125 Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hệ thống thơng tin ðịa lý …………………………vi Danh mục Bảng Bảng Trang Bảng 2.1 Một số ellipsoids sử dụng thức giớiError! Bookmark not defined Bảng 3.1 Nén theo hàng cột .41 Bảng 3.2 So sánh mơ hình liệu dạng vector raster 50 Bảng 5.1 Phương pháp biểu thị mặt cong địa hình .69 Bảng 5.2 Sản phẩm ứng dụng DEM GIS 73 Bảng 7.1 Phân loại sai số GIS theo nguồn gốc 95 Bảng A.1 Các phần mềm GIS phổ biến thị trường .107 Bảng A.2 Các dự án phần mềm nguồn mở GIS, GPS xử lý ảnh .108 Bảng A.3 Các website phần mềm nguồn mở GIS hội nghị Web 109 Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hệ thống thơng tin ðịa lý …………………………vii Danh mục Hình vẽ Hình Trang Hình 1.1 GIS thể giới thực bao gồm nhiều đặc tính địa lý ñược thể theo lớp liệu ñại diện Hình 1.2 Một đồ tập hợp nhiều lớp thơng tin chuyên ñề khác Hình 1.3 Chiết xuất thông tin từ nhiều lớp liệu Hình 1.4 Các nội dung hoạt ñộng GIS Hình 1.5 Sơ đồ khái niệm hệ thống TTðL Hinh 1.6 Phân loai Hệ thống thông tin Hình 1.7 Phân biệt hệ thống thơng tin địa lý hệ thống thơng tin đất Hình 1.8 Các thành phần phần cứng GIS Hình 1.9 Các chức thành phần hệ quản trị liệu ñịa lý Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc chức nhập liệu 10 Hình 1.11 Cấu trúc sở liệu ñịa lý 11 Hình 1.12 Chức chuyển ñổi liệu 11 Hình 1.13 Chức trình bày kết 11 Hình 1.14 Nguồn liệu vào hệ GIS 13 Hình 1.15 Quan hệ thành phần GIS 14 Hình 1.16 Sơ đồ phối hợp cơng tác quản lý cơng nghệ GIS 15 Hình 2.1 Bản đồ hệ thống truyền tải thông tin không gian 22 Hình 2.2 Sơ đồ hoạt động xử lý tạo lập ñồ số mạng 24 Hình 2.3 Khái niệm đặc tính ñịa lý ñồ 25 Hình 2.4 Ví dụ so sánh tỉ lệ ñồ khác 26 Hình 2.5 Hệ tọa ñộ ñịa lý .Error! Bookmark not defined Hình 2.6 ðường trục trái đất 29 Hình 2.7 Phép chiếu lập thể cực (azimuthal) 31 Hình 2.8 Phép chiếu hình nón (Lambert) 31 Hình 2.9 Phép chiếu hình trụ đứng (Mercator) 31 Hình 2.10 Phép chiếu hình trụ lập thể ngang (Transverse Mercator) 32 Hình 2.11 Phép chiếu UTM 33 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hệ thống thơng tin ðịa lý …………………………viii Hình 3.1 Cấu trúc dũ liệu RASTER .39 Hình 3.2 Khái niệm lớp liệu tổ chức liệu raster 40 Hình 3.3 Nén chain-code 41 Hình 3.4 Nén block-code .42 Hình 3.5 Nén tứ phân (quadtree) 43 Hình 3.6 Các liệu vector dạng ñiểm ñường vùng tọa ñộ phẳng x, y 43 Hình 3.7 Các cấu trúc vector dạng ñường 45 Hình 3.8 Cấu trúc vector dạng vùng .46 Hình 3.9 Vùng với cấu trúc topo riêng biệt 47 Hình 3.10 Vùng với cấu trúc topo mạng đầy đủ 47 Hình 3.11 Tính chất liên tục Topology 48 Hình 3.12 Tính chất tạo vùng Topology .49 Hình 3.13 Tính chất kề cận Topology 49 Hình 3.14 Mơ hình quan hệ liệu khơng gian liệu thuộc tính 52 Hình 4.1 Sơ đồ nhập liệu cho HTTT ñịa lý .55 Hình 4.2 Raster hoá liệu 57 Hình 4.3 Nhận dạng tự động đường đồ qt 59 Hình 4.4 Tìm kiếm điểm đa giác 61 Hình 4.5 Loại bỏ điểm dư thừa 62 Hình 4.6 Chuyển đổi hệ tịnh tiến hệ tọa ñộ 64 Hình 4.7 Chuyển đổi góc quay hệ tọa độ 64 Hình 4.8 Phát sửa lỗi liệu không gian dạng vectơ 65 Hình 5.1 Ví dụ mạng TIN 70 Hình 5.2 Mạnh TIN với thay đổi kích thước lưới đặc trưng .71 Hình 5.3 Ứng dụng TIN để biểu thị biến động độ cao địa hình 71 Hình 5.4 Sơ đồ Voronoi .72 Hình 5.5 Biểu đồ khối biểu thị biến động độ cao địa hình 74 Hình 5.6 Bản đồ đường đồng mức với khoảng cách ñộ cao m 75 Hình 5.7 Bản đồ địa hình Hình 5.6 sử dụng mơ hình DEM 75 Hình 5.8 Vectơ hướng dốc 76 Hình 5.9 Ứng dụng DEM để biểu thị ñịa hình 77 Hình 5.10 Hình ảnh tơ bóng đồ địa hình vùng núi đá .78 Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Giáo trình Hệ thống thơng tin ðịa lý …………………………ix ... nghiên cứu lĩnh vực quản lý sử dụng thơng tin tài ngun đất Hình 1.7 Phân biệt hệ thống thơng tin địa lý hệ thống thơng tin đất 1.6 Các thành phần Hệ thống thơng tin địa lý GIS địi hỏi cung cấp... GIS Hình 1.5 Sơ đồ khái niệm hệ thống TTðL Hinh 1.6 Phân loai Hệ thống thông tin Hình 1.7 Phân biệt hệ thống thơng tin địa lý hệ thống thơng tin đất Hình 1.8 Các thành phần... Nội – Giáo trình Hệ thống thơng tin ðịa lý …………………………x Chương Một GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ðỊA LÝ (GIS) VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG GIS TRONG CÁC NGÀNH KINH TẾ, KỸ THUẬT Chương giới thiệu trình