- Phân loại có kiểm định:
3.1. Khái niệm và chức năng của GIS 1 Khái niệm về GIS
3.1.1. Khái niệm về GIS
Trước khi tìm hiểu khái niệm hệ thống thông tin địa lý (GIS, Geographical Information System), ta cần phân biệt một số khái niệm về dữ liệu, thông tin và dữ liệu địa lý. Dữ liệu là sự hiểu biết hay kiến thức của con người về sự vật, hiện tượng và thế giới hay gọi chung là đối tượng nghiên cứu. Dữ liệu thường được hiển thị bằng số liệu, hình ảnh, mô tả,…về đối tượng nghiên cứu và các thuộc tính của đối tượng. Các số liệu, hình ảnh, mô tả chưa qua quá trình xử lý và kiểm chứng thì gọi là dữ liệu. Nếu các dạng dữ liệu này đã qua quá trình xử lý và sắp xếp để cung cấp cho người sử dụng và người ra quyết định thì gọi là thông tin.
Dữ liệu ảnh LANDSAT Bản đồ hiện trạng sử dụng đất
Dữ liệu địa lý (spatial data hay geospatial data) là dữ liệu mô tả về vị trí của các đối tượng địa lý và các thuộc tính khác của các đối tượng địa lý. Các đối tượng địa lý là các đối tượng tự nhiên như thửa đất, sông, ngòi, ao hồ; hay các đối tượng địa lý nhân tạo như đường giao thông, các công trình hạ tầng kinh tế-xã hội. Như vậy, khái niệm dữ liệu địa lý có thể coi như khái niệm hẹp hơn khái niệm dữ liệu nói chung. Tức là, dữ liệu địa lý chủ yếu đề cập về một lớp đối tượng địa lý. Thuật ngữ dữ liệu và thông tin đôi khi được sử dụng cùng nghĩa. Tuy nhiên, ta có thể phân biệt khái niệm dữ liệu và thông tin theo mức độ xử lý dữ liệu khác nhau. Ví dụ, ảnh vệ tinh LANDSAT chưa qua xử lý và giải đoán thì có thể gọi là dữ liệu. Ngược lại, ảnh vệ tinh LANDSAT được xử lý và giải đoán để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất thì gọi là thông tin. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất này cho phép người dân, doanh nghiệp và các cơ quan quản lý nhà nước về đất đai sử dụng cho mục đích theo dõi biến động đất đai hay thống kê sử dụng đất qua các năm.
Dữ liệu địa lý có thể tổ chức dưới dạng ma trận cấu trúc dữ liệu (structural data matrix). Ma trận cấu trúc dữ liệu là phương pháp mô tả dữ liệu địa lý nói riêng và các dữ liệu khác nói chung đang được sử dụng trong các phần mềm GIS và các phần mềm cơ sở dữ liệu khác. Ma trận có cấu tạo gồm các hàng và cột. Hàng mô tả các phần tử của một tập đối tượng địa lý cụ thể. Cột mô tả các thuộc tính hay tính chất của đối tượng địa lý đó. Ma trận cấu trúc dữ liệu địa lý có thể biểu diễn theo Bảng 1.1 dưới đây. Trong đó, E1, E2…Em gọi là các phần tử của đối tượng địa lý E (Entity). A1, A2, A3…An (Attribute) gọi là các thuộc tính hay tính chất của đối tượng E. Đối tượng địa lý rất đa dạng và mỗi ứng dụng ta cần xây dựng một danh mục các đối tượng địa lý cụ thể. Tất cả các đối tượng địa lý đều có cùng kiểu ma trận cấu trúc dữ liệu. Lưu ý rằng các phần tử của đối tượng địa lý trong GIS chính là các đơn vị bản đồ. Ví dụ, các thửa đất trong bản đồ địa chính là các phần tử của tập đối tượng thửa đất. Ngoài ra, mỗi tính chất (Ai) của E cũng có thể được thể hiện dưới dạng bản đồ riêng. Như vậy, ma trận cấu trúc thực chất là một tập hợp nhiều bản đồ và làm thành một cơ sở dữ liệu địa lý (spatial database).
GIS là hệ thống chuyên làm việc với dữ liệu địa lý. Cho đến nay, nhiều định nghĩa về GIS theo cấu trúc và chức năng của GIS đã và đang được sử dụng. Tuy nhiên, cách định nghĩa theo chức năng đang được sử dụng phổ biến hơn. Theo chức năng, GIS là một
không gian. Thực chất, GIS chính là một chương trình máy tính hỗ trợ việc thu thập, lưu
trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu bản đồ. Điểm khác biệt cơ bản của GIS với các hệ thống thông tin khác là GIS được thiết kế để làm việc với các dữ liệu trong một hệ toạ độ quy chiếu. Điểm giống với các hệ thống thông tin khác là GIS cũng bao gồm một hệ cơ sở dữ liệu và các phương pháp để thao tác với dữ liệu đó.
Khái niệm trên cho thấy rằng GIS đóng vai trò như một công cụ hỗ trợ cho nghiên cứu và phân tích các hiện tượng tự nhiên hoặc các vấn đề kinh tế - xã hội thông qua hỗ trợ nhập dữ liệu, phân tích dữ liệu và trình bày dữ liệu về các hiện tượng hay vấn đề nghiên cứu. Ví dụ, trong ngành quản lý đất đai, rất nhiều vấn đề nghiên cứu được thực hiện dưới sự hỗ trợ của GIS như đánh giá đất, định giá đất, quy hoạch sử dụng đất, nghiên cứu chuyển đổi đất, thống kê đất đai, nghiên cứu về xói mòn đất, đánh giá tác động môi trường.
Trong việc sử dụng GIS, ta cần phân biệt các giai đoạn thu thập dữ liệu, nhập dữ liệu, phân tích dữ liệu và trình bày dữ liệu.
Với giai đoạn quan trắc và thu thập dữ liệu, GIS hầu như chưa đóng vai trò gì. Tất cả các dữ liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu phải được quan trắc và thu thập bằng các phương tiện hay công cụ nhất định. Ví dụ, nghiên cứu về biến động sử dụng đất trên phạm vi lãnh thổ rộng lớn, các hệ thống vệ tinh như LANDSAT được thiết kế để quan trắc và thu thập dữ liệu về phân bố lớp phủ thực vật trên bề mặt Trái đất ở các thời kỳ khác nhau. Hoặc, ở phạm vi hẹp như vùng đô thị, ta có thể tiến hành đo đạc để vẽ chính xác hiện trạng sử dụng đất ở các thời điểm khác nhau.
Với giai đoạn nhập dữ liệu và biên tập dữ liệu, GIS đóng vai trò quan trọng. Các dữ liệu quan trắc bao gồm cả dữ liệu sơ cấp và thứ cấp được nhập vào hệ thống GIS. Các ảnh vệ tinh viễn thám và các dữ liệu phù trợ khác sẽ được nhập vào hệ thống để tiến hành xử lý, giải đoán nhằm tạo ra thông tin theo mục đích nhất định.
Giai đoạn phân tích dữ liệu là giai đoạn trung gian. Các thuật toán khác nhau được áp dụng để xử lý dữ liệu và tạo ra kết quả dạng bản đồ, bảng, đồ thị theo mục đích của người sử dụng. Ví dụ, dữ liệu ảnh vệ tinh được giải đoán để phát hiện phân bổ của các loại hình sử dụng chính ở một vùng lãnh thổ. Các bản đồ sử dụng đất sử dụng như dữ liệu đầu vào cho mô hình tính toán xói mòn đất.
Giai đoạn trình bày dữ liệu là sự hiển thị kết quả phân tích về hiện tượng nghiên cứu bằng các loại bản đồ sản phẩm hay biểu đồ. Ví dụ, các bản đồ sử dụng đất ở các giai đoạn khác nhau được trình bày và bản đồ biến động đất đai giữa các thời kỳ cũng được tạo ra.
Điều cần lưu ý là các giai đoạn làm việc với dữ liệu địa lý có thể lặp lại nhiều lần. Ví dụ, qua quá trình phân tích và trình bày kết quả, ta có thể hình dung các dữ liệu cần bổ sung để nghiên cứu về các vấn đề có liên quan.
Hệ thống thông tin địa lý là một trong những công cụ hữu hiệu nhất để hiển thị và phân tích dữ liệu địa lý hay còn gọi là dữ liệu không gian. GIS đang được công nhận là một trong những hệ thống thông tin mạnh nhất bởi vì GIS có khả năng tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau như dữ liệu về thửa đất, sử dụng đất, địa hình, thực vật, khí hậu, dữ liệu về kinh tế-xã hội của sử dụng đất. Hệ thống GIS có khả năng tạo ra môi trường cho sự hợp tác liên ngành trong việc thu thập, xây dựng cơ sở dữ liệu, truy vấn và phân tích dữ liệu. Hơn nữa, GIS là công cụ được nhiều người quan tâm bởi vì khả năng kết hợp hệ thống hiển thị dữ liệu không gian, khung phân tích và mô hình hóa không gian rất hiệu
quả. GIS được hình thành và phát triển dựa trên sự kế thừa hệ thống tri thức của nhiều ngành khoa học khác nhau, đặc biệt là khoa học địa lý, khoa học thông tin và khoa học hệ thống. Khoa học địa lý nghiên cứu các sự vật, hiện tượng liên quan đến các đặc trưng về vị trí của các đối tượng hay hiện tượng nghiên cứu. Khoa học địa lý cung cấp hệ thống khái niệm cơ bản cho hệ thống thông tin địa lý như khái niệm về đối tượng địa lý và quy luật phân bố không gian của các đối tượng địa lý hay các sự vật hiện tượng địa lý. Khoa học thông tin tạo nền tảng để hình thành các khái niệm cơ bản của cơ sở dữ liệu GIS từ hệ thống các đối tượng địa lý hay hiện tượng địa lý. Khoa học hệ thống cung cấp khung lý thuyết cho xây dựng các phụ hệ của hệ thống thông tin địa lý như hệ thống phần cứng, thiết kế cấu trúc cơ sở dữ liệu địa lý.
GIS sử dụng mô hình dữ liệu không gian để mô tả và hiển thị các đối tượng trên bề mặt Trái đất theo các lớp dữ liệu (bản đồ chuyên đề). Thông tin địa lý có thể hiểu như một tập các lớp dữ liệu hay bản đồ chuyên đề. Các bản đồ được hiển thị dựa theo mô hình cấu trúc dữ liệu Vector, dữ liệu Raster. Cấu trúc dữ liệu Vector hiển thị dữ liệu địa lý cho các nhóm đối tượng dạng đường, điểm và vùng. Cấu trúc dữ liệu Raster hiển thị dữ liệu về các đối tượng địa lý theo ma trận vuông. Mỗi hệ thống GIS bao gồm tập các bản đồ chuyên đề. Tập bản đồ chuyên đề này thể hiện các đối tượng và mối quan hệ của các đối tượng trên bề mặt Trái đất. Những bản đồ này được xây dựng như cơ sở dữ liệu để có thể truy vấn, phân tích, biên tập thông tin không gian. Ngoài ra, GIS cung cấp tập các công cụ phân tích và chuyển đổi dữ liệu để thực hiện phân tích và xử lý dữ liệu.
GIS được xây dựng dựa trên hệ thống tri thức của nhiều ngành khoa học khác nhau như địa lý, bản đồ học, viễn thám, thống kê và toán học. Ngành khoa học địa lý liên quan mật thiết đến việc biểu diễn thế giới và vị trí của đối tượng trong thế giới. Đặc biệt, ngành địa lý cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian hữu ích cho các hệ GIS. Bản đồ học là ngành có truyền thống lâu đời trong việc thiết kế bản đồ, do vậy nó cũng là khuôn mẫu quan trọng của hệ GIS. Viễn thám là ngành khoa học chuyên nghiên cứu phương pháp thu thập thông tin về tài nguyên Trái đất từ trên không. Tư liệu ảnh vệ tinh là nguồn dữ liệu thiết yếu cho các hệ GIS. Viễn thám bao gồm cả kỹ thuật thu thập và xử lý dữ liệu ở mọi vị trí trên bề mặt Trái đất. Các dữ liệu đầu ra của hệ thống ảnh vệ tinh có thể được sử dụng kết hợp với các dữ liệu khác trong cùng hệ GIS. Khoa học tính toán cung cấp những kỹ thuật hay thuật toán cho truy vấn và phân tích dữ liệu. Ngành đồ hoạ máy tính cung cấp công cụ để thể hiện, quản lý các đối tượng đồ hoạ. Các hệ quản trị cơ sở dữ liệu cho phép thiết kế, xây dựng hệ thống, lưu trữ, truy vấn dữ liệu không gian và thuộc tính. Toán học bao gồm các ngành hình học, lý thuyết đồ thị được sử dụng trong thiết kế hệ GIS và phân tích dữ liệu không gian.