2.3.1 Khái niệm về GIS.
Ngày nay các quốc gia phát triển mạnh trên cơ sở các ngành khoa học phát triển mạnh mẽ, trong đĩ cĩ nền tảng của ngành cơng nghệ thơng tin. Hệ thống thơng tin địa lý (GIS) được định nghĩa tổng quát như là: “hệ thống các cơng cụ nền máy tính dùng thu thập, lưu trữ, truy cập và biến đổi phân tích và thể hiện dữ liệu liên quan đến vị trí trên bề mặt trái đất và tích hợp các thơng tin này vào quá trình lập quyết định”.
GIS hiện đang chứng tỏ là một phương tiện hữu hiệu trong nhiều ngành khoa học và kinh tế, quản lý giám sát mọi hoạt động của con người nhằm phối hợp một số lĩnh vực khác để quản lý và khai thác tài nguyên thiên nhiên, làm chủ xã hội. Các nước phát triển đã cĩ những chính sách, những dự án ứng dụng GIS trong mọi hoạt động của xã hội.
Hiện nay cĩ rất nhiều định nghĩa về GIS nhưng chúng đều cĩ điểm giống nhau như: bao hàm khái niệm dữ liệu khơng gian phân biệt giữa hệ thơng tin quản lý và GIS. Về khía cạnh bản đồ học thì GIS bao gồm tất cả các thơng tin và dữ liệu được khái quát để thể hiện thế giới thực và các hiện tượng đang diễn ra trong thế giới xung quanh ta.
Theo quan niệm của nhiều tác giả, sự ra đời của GIS thực chất là sự kế thừa các ý tưởng trong ngành địa lý bản đồ. Trong thời đại cơng nghệ thơng tin phát triển đủ mạnh GIS cĩ khả năng thực thi được hầu hết các phép phân tích bản đồ bằng các phương pháp định lượng mới mà GIS tạo ra.
Thuật ngữ GIS sử dụng rất thường xuyên trong nhiều lĩnh vực khác nhau như địa lý, kỹ thuật tin học, các hệ thống tích hợp sử dụng trong các ứng dụng mơi trường, tài nguyên, trong khoa học về xử lý dữ liệu khơng gian, …. Năm thành phần quan trọng cấu thành GIS: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, ứng dụng và con người.
Thơng tin của GIS được đặc trưng bởi ba thành phần cơ bản: dữ liệu khơng gian, dữ liệu thuộc tính và thời gian.
Là dữ liệu thể hiện vị trí của các đối tượng trên bề mặt trái đất theo một hệ tọa độ tham chiếu thống nhất. Hai mơ hình dữ liệu thường được sử dụng trong GIS để thể hiện các đối tượng là:
- Mơ hình dữ liệu vector: các đối tượng địa lý được biểu diễn dưới dạng điểm, đường, vùng và kèm theo các thuộc tính dùng mơ tả đối tượng. Tọa độ tham khảo (x, y, z) hoặc tọa độ địa lý và các phép tốn hình học về tọa độ giúp xác định tọa độ các điểm trong hệ thống. Đường được định nghĩa như là chuỗi các điểm và vùng được lưu trữ như là chuỗi các điểm với điểm đầu và điểm cuối trùng nhau. Để biểu diễn các dữ liệu vector hai loại cấu trúc dữ liệu thường được sử dụng là Spaghetti và Topology. - Mơ hình dữ liệu Raster: hệ thống dữ liệu raster thể hiện vị trí các đối tượng dưới dạng ảnh. Đĩ là một ma trận hay “các ơ vuơng” đều đặn được sắp xếp theo hàng và cột từ trái sang phải và từ trên xuống. Mỗi vị trí được xác định chỉ số hàng và cột ở ngay ơ đĩ.
b. Dữ liệu thuộc tính.
Dữ liệu thuộc tính (dữ liệu phi khơng gian) để mơ tả tính chất của đối tượng. Đối tượng địa lý cĩ thể cĩ nhiều thuộc tính tùy thuộc vào mức độ quan trọng của đối tượng. Dữ liệu thuộc tính thường được phân loại vào một trong hai nhĩm: dạng chữ hoặc dạng số.
Trong GIS dữ liệu thuộc tính thường lưu trữ trong máy tính dưới dạng bảng, tách biệt với dữ liệu khơng gian. Khi cần biểu diễn hoặc phân tích, dữ liệu khơng gian và dữ liệu thuộc tính được liên kết lại với nhau thơng qua các trường thuộc tính chung.
c. Thời gian.
Các đối tượng địa lý cĩ thể thay đổi qua nhiều mốc thời gian (các thửa đất bị chia cắt do chuyển đổi quyền sử dụng, loại đất bị thay đổi do mục đích sử dụng, các đường mới được xây dựng, sự sạt lở,…). Yếu tố thời gian trong GIS đĩng vai trị rất quan trọng để theo dõi sự biến động của đối tượng với đầy đủ ý nghĩa lịch sử của nĩ.
2.3.2 Các chức năng của GIS.
GIS gồm 4 chức năng chính: nhập dữ liệu, quản lý dữ liệu, phân tích dữ liệu và hiển thị dữ liệu.
- Nhập dữ liệu: Nhập dữ liệu bao gồm tất cả các khía cạnh chuyển đổi dữ liệu dạng bản đồ, số liệu thu thập ở thực địa, dữ liệu viễn thám thành dữ liệu dạng số tương ứng. Đây là bước căn bản để tạo cơ sở dữ liệu bản đồ cho GIS.
- Quản lý dữ liệu (lưu trữ và quản lý): Chức năng lưu trữ và quản lý dữ liệu trong GIS liên quan đến tạo lập cơ sở dữ liệu khơng gian và thuộc tính.
Dữ liệu thuộc tính thường được quản lý dưới dạng mơ hình quan hệ; trong khi đĩ dữ liệu khơng gian được quản lý dưới dạng mơ hình dữ liệu vector và raster. Hai mơ hình dữ liệu vector và raster cĩ thể chuyển đổi
qua lại với nhau tuỳ theo mục đích phân tích hay hiển thị của người sử dụng.
Quản lý dữ liệu trong GIS đĩng vai trị quan trọng trong việc truy cập cơ sở dữ liệu phục vụ việc phân tích dữ liệu thơng qua các thuật tốn đã được thiết kế để sử dụng kết quả phân tích cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong thực tế.
- Phân tích dữ liệu: Khác với các hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu thơng thường như: DBMS (Database Management system), CAD (Computer Aided Design), Corel Draw,… chức năng quan trọng của GIS là cho phép thực hiện các phân tích dữ liệu khơng gian và dữ liệu thuộc tính để trợ giúp cho quá trình lập quyết định.
Để cĩ thể thực hiện việc phân tích dữ liệu một cách hiệu quả địi hỏi dữ liệu phải được lưu trữ, tổ chức, sắp xếp hợp lý, phân tích dữ liệu cĩ thể được chia vào 4 nhĩm chính:
+ Phân tích dữ liệu khơng gian. + Phân tích dữ liệu thuộc tính.
+ Phân tích kết hợp dữ liệu khơng gian và dữ liệu thuộc tính. + Định dạng xuất.
2.3.3 Cấu trúc dữ liệu trong GIS.
Dữ liệu khơng gian trong GIS được quản lý dưới dạng mơ hình raster và vector. Ngày nay hầu hết các phần mềm GIS đều cĩ thể chuyển đổi hai dạng mơ hình dữ liệu này với nhau.
2.3.3.1 Dữ liệu raster.
Dữ liệu raster được định nghĩa bằng cách chồng lưới ơ lên các đối tượng địa lý. Giá trị của ơ là giá trị đo được hoặc ghi nhận được của đối tượng khi đối tượng lấp đầy ơ. Trường hợp đối tượng khơng chiếm đầy ơ thì giá trị ơ được ghi nhận theo các nguyên tắc sau:
- Chiếm đa số về diện tích. - Đối tượng tâm ơ.
- Đối tượng chạm ơ (cho các đối tượng dạng tuyến). - Theo trọng số (cho các đối tượng cĩ đặc tính quí hiếm). 2.3.3.2 Dữ liệu vector.
Trong mơ hình dữ liệu vector các đối tượng địa lý được biểu diễn dưới dạng điểm, đường, vùng và kèm theo thuộc tính của nĩ. Vị trí các đối tượng được lưu trữ theo một hệ tọa độ tham chiếu (X,Y). Hai loại cấu trúc dữ liệu thường được dùng cho mơ hình dữ liệu này là:
- Cấu trúc dữ liệu Spaghetti:
Mỗi đối tượng địa lý được mơ tả bằng cách sử dụng các thực thể hình học độc lập xác định bởi tọa độ và (hoặc) các phương trình thơng số. Mối quan hệ giữa các đối tượng khơng được mã hĩa. Hạn chế của cấu trúc này là khơng cĩ những thơng tin Topology về các vùng, khơng biết quan hệ giữa các thực thể địa lý, do đĩ khơng hữu hiệu đối với hầu hết các dạng
phân tích khơng gian. Tuy nhiên, cấu trúc này khá hữu hiệu để tái sản xuất bản đồ số.
- Cấu trúc dữ liệu Topology. Cấu trúc dữ liệu Topology được sử dụng rộng rãi nhất nhằm giải quyết các vấn đề liên quan tới các mối quan hệ khơng gian của các đối tượng địa lý.
Cấu trúc này gồm 3 thành phần Topology. Các mối quan hệ của các đối tượng địa lý dựa trên 3 thành phần này.
∗ Arc – note topology.
+ Xác định mối quan hệ giữa các điểm bằng cách xác định những điểm nào thuộc về một đường.
+ Xác định mối quan hệ giữa các đường (arcs hoặc lines) bằng cách xác định những đường nào nối với nhau để tạo thành mạng các tuyến đường.
∗ Polygon – arc topology:
Xác định polygon bằng cách xác định những arc nào tạo thành ranh giới polygons.
∗ Left – right topology.
Xác định mối quan hệ giữa các polygon bằng cách định nghĩa From – node tới To – node lúc đó left polygon và right – polygon được xác định.
Trong đó:
- Arc: chuỗi các điểm bắt đầu và kết thúc tại node. - Node:
+ Điểm giao nhau của hai hoặc nhiều arc. + Điểm kết thúc của một arc.
+ Điểm riêng biệt.
- Polygon: chuỗi khép kín các arc thể hiện ranh giới các vùng. 2.3.4 Khả năng phân tích thơng tin trong GIS.
Một trong những ưu điểm nổi bật của các hệ thống GIS là khả năng phân tích và tích hợp dữ liệu của nĩ để giúp đưa ra những quyết định đúng đắn. GIS vừa cĩ thể phân tích dữ liệu khơng gian vừa phân tích dữ liệu thuộc tính.
Phép phân tích dữ liệu khơng gian trong GIS sử dụng các thuật tốn để chuyển đổi định dạng dữ liệu, các phép chuyển đổi hình học dùng để gán tọa độ mặt đất vào lớp dữ liệu trong GIS. GIS cịn cho phép ta chuyển đổi giữa các phép chiếu để lựa chọn phép chiếu thích hợp cho bản đồ chuyên đề.
Trong trường hợp do nhiều nguyên nhân khác nhau các lớp bản đồ cĩ các vị trí địa vật khơng trùng khớp với nhau khi chồng lên nhau hay trong cơng tác tiếp biên bản đồ các địa vật cũng khơng thật sự trùng khít với nhau thì trong GIS các chức năng khớp đối tượng và ghép biên sẽ làm thỏa mãn các yêu cầu đặt ra.
Ngồi ra, phép phân tích dữ liệu thuộc tính cũng dùng những thuật tốn để truy cập, kiểm tra liên kết dữ liệu thơng qua các trường thuộc tính chung.
Tùy theo mỗi phần mềm mà các thuật tốn dùng cho chức năng truy vấn thuộc tính khác nhau từ đơn giản đến phức tạp.
Sức mạnh của GIS là khả năng phân tích tích hợp dữ liệu khơng gian và dữ liệu thuộc tính cùng nhau. Trên cơ sở đặc tính này phép phân tích GIS cĩ thể thực hiện các chức năng chồng lớp, tìm kiếm lân cận, liên kết và rút số liệu phân loại – đo lường. Chức năng chồng lớp các lớp thơng tin khác nhau giúp các nhà phân tích đánh giá định lượng tương quan giữa các yếu tố tham gia. Nhiều hơn nữa, các chức năng liên kết, định dạng cĩ trong hầu hết các phần mềm GIS đã cho phép GIS sử dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật giúp các nhà quản lý trong suốt quá trình phân tích để ra quyết định.
Tĩm lại, GIS ngày nay cho phép chúng ta giải quyết nhiều bài tốn lớn về mơi trường, tự nhiên, kinh tế và xã hội. GIS cĩ khả năng quản lý, phân tích cơ sở dữ liệu với khối lượng lớn mà những phương pháp thủ cơng truyền thống bằng tư duy kiến thức của con người đơn thuần khơng thể nào giải quyết nổi.