GIS có khả năng dùng dữ liệu không gian và phi không gian từ các nguồn khác nhau khi thực hiện phân tích không gian để trả lời các câu hỏi của người dùng như:
1. Có cái gì ở...? : nhận biết tên hay các thông tin khác của đối tượng nào đó trên bản đồ để nhận diện một hoặc nhiều đối tượng trên bản đồ số.
2. Vị trí... ở đâu? : chỉ ra một hoặc nhiều vị trí trong việc xây dựng các bài toán tìm kiếm một hoặc nhiều đối tượng trên bản đồ số theo các yêu cầu
của người dùng. Các đối tượng sau khi được tìm kiếm sẽ hiển thị lên bản đồ số một cách trực quan.
3. Cái gì thay đổi từ...? : câu hỏi liên quan trực tiếp đến các dữ liệu không gian tạm thời, ví dụ như câu hỏi liên quan tới phát triển thành phố sẽ đưa ra các vùng qui hoạch chính trên bản đồ GIS. Khả năng này của GIS chỉ có được khi kết hợp nó với một hệ chuyên gia, khi đó thông qua các dữ liệu được cung cấp và các luật suy diễn GIS sẽ đưa ra các kết quả trực quan trên bản đồ số.
4. Đường đi nào tốt nhất từ... đến...? : dựa trên cơ sở mạng lưới của đường đi cho biết đường đi nào là rẻ nhất, ngắn nhất... mở rộng ra là đường đi qua một hệ thống điểm.
5. Giữa... và... có quan hệ gì? : câu hỏi này khá phức tạp tác động trên nhiều tập dữ liệu như quan hệ giữa vị trí nhà máy và địa phương, khí hậu và vùng sản xuất...
6. Cái gì xảy ra nếu...? : câu hỏi liên quan đến các hoạt động lập kế hoạch và dự án như khi nâng cấp hệ thống giao thông thì ảnh hưởng thế nào tới mạng lưới cung cấp điện, điện thoại, nước, dân cư...
Dưới đây là một vài ứng dụng chủ yếu của GIS trong thực tế:
1. Quy hoạch đô thị và nông thôn : Hầu hết các dữ liệu quy hoạch đều liên quan mật thiết với địa lý hay vị trí không gian. Các bài toán quy hoạch thường bao gồm việc chọn địa điểm thích hợp, chọn tuyến, phân vùng phát triển, vùng cấm hay vùng cần được bảo tồn. Như vậy quá trình quy hoạch tạo ra một khung cảnh rất thuận lợi cho việc ứng dụng GIS, các nhà quy hoạch có thể sử dụng các công cụ GIS để nhập, quản lý, phân tích dữ liệu, mô hình hoá không gian, trình bày các kết quả xử lý dữ liệu dưới dạng bản đồ và báo cáo.
2. Quản lý kinh doanh : Khả năng công nghệ GIS giúp đỡ thực hiện các quyết định kinh doanh tốt hơn thông qua phân tích thị trường. Ðịa điểm kinh doanh là điểm mấu chốt, đảm bảo vị trí của công nghệ trong cộng đồng kinh doanh.
3. Quản lý hành chính và phân bố dân số : Khả năng của công nghệ hệ thông tin địa lý về mô tả đồ hoạ và phân tích số liệu dân số mở ra những cơ hội cho một sự phân tích tin cậy trong quá trình trợ giúp quyết định và tạo ra các quyết định, chính sách phù hợp.
4. Quản lý hạ tầng cơ sở : GIS là một công cụ hữu hiệu trong công tác phát triển, bảo trì và quản lý các hệ thống tiện ích như hệ thống cấp thoát nước, gas, điện và truyền thông tin.
5. Ðo đạc và biên vẽ bản đồ : Hệ thông tin địa lý là một công cụ đặc biệt phù hợp với các công việc của ngành đo đạc bản đồ. Nó giúp xây dựng các bản đồ cơ sở một cách nhanh chóng và chính xác, chuyển đổi dữ liệu bản đồ thuận tiện. Các cơ quan đo đạc bản đồ đã đi đầu trong lĩnh vực tự động hoá bản đồ.
6. Thăm dò dầu khí và khoáng sản : Các nhà địa chất, địa vật lý đã bắt đầu ứng dụng công nghệ GIS trong công tác thăm dò dầu khí và khoáng sản, cụ thể là vạch định các vùng có triển vọng và bố trí các lỗ khoan thăm dò.
7. Y tế : Các cơ quan y tế có thể sử dụng hệ thông tin địa lý để lập và phân tích các bản đồ thể hiện sự phân bố, lan truyền dịch bệnh để có các biện pháp ứng phó có kết quả.
8. Ðịa chính : Trong lĩnh vực địa chính, GIS được sử dụng để nhập, lưu trữ, cập nhật các thông tin đất đai như danh giới giữa các thửa đất, chủ sở hữu hợp pháp, loại đất, mức thuế...
9. Tài nguyên và môi trường : GIS được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực quy hoạch, quản lý tài nguyên và môi trường ở các địa phương, quốc gia, khu vực và toàn cầu. Cụ thể là quy hoạch và quản lý các tài nguyên đất, nước, sinh vật, theo dõi và đánh giá môi trường.
10.Giao thông vận tải : Công nghệ GIS cung cấp cho các công ty vận tải hàng hóa đường bộ, đường sắt, đường hàng không, đường sông và đường biển các công cụ mới để tăng năng lực cạnh tranh thị trường. Các ứng dụng giao thông vận tải của GIS bao gồm quy hoạch, quản lý đường, phân tích tai nạn giao thông và xử lý ùn tắc.
11.Quốc phòng : Các ứng dụng của GIS trong quân đội bao gồm phân tích và mô hình hoá địa hình, quy hoạch và quản lý các cơ sở quốc phòng. Quân đội dùng hệ thông tin địa lý để huấn luyện và diễn tập.
12.Giáo dục và đào tạo : GIS được sử dụng rất có hiệu quả trong công tác giáo dục và đào tạo đại học và sau đại học, các dự án nghiên cứu về các khía cạnh lý thuyết, công nghệ và ứng dụng của GIS. Ngoài ra nhờ áp dụng công nghệ GIS có thể xây dựng được các giáo cụ trực quan giúp việc học tập và nghiên cứu của sinh viên trở nên hiệu quả hơn.
1.7 Kiến trúc của chƣơng trình ứng dụng GIS
1.7.1 Hệ quản trị CSDL GIS
Hệ quản trị CSDL cung cấp các phương pháp xử lý dữ liệu trong CSDL, các xử lý đó có thể là truy nhập dữ liệu, cập nhật dữ liệu theo khuôn mẫu xác định hay thực hiện các tính toán trên các dữ liệu trong CSDL. Một hệ quản trị CSDL phải đảm bảo được tính toàn vẹn dữ liệu.
Hình 1.16 Các mức biển diễn thông tin trong CSDL
1.7.1.1. Mô hình khái niệm
Ðể xây dựng CSDL ta phải hình thành các mô hình khái niệm và mô hình ngoài. Quá trình này được gọi là mô hình hóa khái niệm, gồm việc xác định dữ liệu của các thực thể hay đối tượng để lưu trữ và các quan hệ giữa chúng để trợ giúp các tiến trình CSDL. Kỹ thuật thường dùng để xây dựng mô hình khái niệm là mô hình hóa quan hệ thực thể ER. Ðặc tính của mô hình này là tự phù hợp với chuyển đổi vào mức trừu tượng CSDL thấp hơn, trước hết là phân cấp, mạng và thực thể. ER được biểu diễn bằng sơ đồ quan hệ thực thể, trong đó các thành phần chính như thực thể, quan hệ và thuộc tính được biểu diễn bởi các hình chữ nhật, thoi và ovan, liên kết giữa chúng là các đường thẳng, ví dụ:
Thế giới thực
Mô hình ngoài (thông tin được mô tả theo cách nhìn của người dùng)
Mô hình khái niệm (thông tin lưu trữ theo quan niệm ứng dụng cụ thể)
Mô hình logic (được định nghĩa theo khái niệm CSDL logic)
Mô hình vật lý (thông tin được định nghĩa theo đơn vị lưu trữ máy tính)
Loại Tên Đƣờng giao thông Tên Dân số Tỉnh, thành phố Trực thuộc Diện tích
Hình 1.17 Sơ đồ quan hệ thực thể
1.7.1.2. Mô hình ngữ nghĩa
Cung cấp mức trừu tượng cao hơn để biểu diễn các chức năng thế giới thực của hệ quản trị CSDL. Mô hình này dùng khái niệm “ đối tượng “ thay cho khái niệm “ thực thể “ khi đề cập tới vật thể thực đã mô hình hóa. Sơ đồ mô hình ngữ nghĩa đưa ra một số phương pháp trừu tượng để phân biệt các quan hệ khác nhau, các trừu tượng này bao gồm: phân tầng, khái quát, tập hợp và kết hợp.
Phân tầng được phản ánh trong mô hình ngữ nghĩa bằng các tiến trình khái quát hóa, chúng chuyển một số kiểu đối tượng cùng chia sẻ vài đặc tính lên mức cao hơn. Tiến trình phân tầng có thể được xem như một khía cạnh của khái quát hóa. Tuy nhiên do mục đích mô hình hóa dữ liệu nên tiến trình phân tầng chỉ được áp dụng cho đối tượng mức thấp trong phân cấp. Các đối tượng mức thấp này được gọi là thẻ, tập các thẻ phân thành kiểu. Khi các kiểu được tập hợp lại để hình thành kiểu phức tạp hơn thì khái niệm khái quát hóa được dùng. Như vậy, phân tầng là bước đầu tiên sử dụng cho khái quát hóa, chúng còn được gọi là quan hệ “là_kiểu_của” hay “nó_là”.
Hình 1.18 Phân tầng
Cơ chế trừu tượng của kết hợp cho phương tiện tham chiếu nhóm các đối tượng cùng loại, cùng chia sẻ một vài thuộc tính hay điều kiện, khái niệm này sử dụng với mục đích tập hợp các tập đối tượng con để thao tác hay phân tích.
Is a
Đảo
Hình 1.19 Kết hợp
Tiến trình tổ hợp các thuộc tính hay tập các đối tượng để hình thành một thực thể hay đối tượng được gọi là tập hợp, phương pháp này khác với khái quát hóa ở chỗ các đối tượng được tập hợp có các kiểu khác nhau.
Hình 1.20 Tập hợp
1.7.1.3. Mô hình logic
Kết quả của mô hình hóa khái niệm là biểu diễn rõ ràng các thực thể và thuộc tính của chúng và toàn bộ các quan hệ giữa các thực thể để thỏa mãn nhu cầu khai thác, lưu trữ thông tin đã dự đoán trước. Mục đích của mô hình dữ liệu logic là biểu diễn các thành phần mô hình khái niệm theo quan niệm tính toán của loại CSDL cụ thể.
1.7.1.4. Mô hình quan hệ
Hệ quản trị CSDL thông dụng hiện nay là hệ quản trị CSDL quan hệ. Hệ quản trị CSDL quan hệ lưu trữ dữ liệu thành các bản ghi trong các bảng có quan hệ với nhau. Bản ghi là tập các sự kiện liên quan với nhau theo một cách nào đó hay các sự kiện được gộp thành tập. Mỗi sự kiện trong bản ghi đều có giá trị được xác định từ lĩnh vực cụ thể. Các lĩnh vực này gọi là thuộc tính. Các bản ghi có cùng kiểu hình thành bảng hay quan hệ. Mỗi hàng trong bảng là một bản ghi và mỗi cột là một thuộc tính hay trường. Vì bản ghi là tập các giá trị và quan hệ là tập các bản ghi nên quan hệ là tập của các tập. Quan hệ được biểu diễn như các bảng.
Quần Đảo Đ. Cát Bà Đ.Long Châu Bản đồ biển Đảo, Quần đảo Hệ thống phao Chỉ số độ sâu
Việc quản lý CSDL không gian nảy sinh vấn đề liên quan đến xác định bản ghi trong CSDL. Dữ liệu không gian bao gồm tập các tọa độ để hình thành đường, cung, đa giác. Trong CSDL quan hệ chuẩn thì các dữ liệu như vậy phải được ghi vào các bản ghi riêng biệt, kết quả sẽ làm tăng kích thước lưu trữ trong bộ nhớ và giảm khả năng truy cập nhanh dữ liệu. CSDL hướng đối tượng giải quyết được vấn đề này và nhiều khía cạnh khác liên quan.
1.7.1.5. CSDL hướng đối tượng
Là xu thế mới trong công nghệ phần mềm và thiết kế CSDL, thích hợp với CSDL GIS hơn các mô hình trước kia. Các mô hình trước hướng bản ghi nghĩa là dữ liệu sắp xếp theo từng bản ghi nên các đối tượng bản đồ phải lưu trữ trong vài bản ghi trong các tệp khác nhau. Mô hình CSDL hướng đối tượng có thể vượt qua khó khăn này bằng cách biểu diễn trung thực hơn thế giới thực, bao gồm các đối tượng bên trong và ngoài. Ví dụ như dữ liệu trắc địa có thể nhóm thành các tầng để biểu diễn các thực thể tương tự, phương pháp tiệm cận công nghệ này cho khả năng dữ liệu không gian được lưu trữ trong sơ đồ cấu trúc phong phú và hoàn hảo.
1.7.2 Kiến trúc của chương trình ứng dụng GIS
Trong chương trình ứng dụng GIS, CSDL là thành phần quan trọng nhất, có thể coi đây là trọng tâm của chương trình. Do đó kiến trúc của một chương trình ứng dụng GIS chính là cách thức sử dụng hệ quản trị CSDL để quản lý CSDL của chương trình. Có hai phương pháp chính sử dụng hệ quản trị CSDL trong một chương trình GIS, đó là phương pháp sử dụng một hệ quản trị CSDL duy nhất để quản lý dữ liệu đồ hoạ và dữ liệu thuộc tính. Phương pháp này có ưu điểm luôn đảm bảo tính thống nhất và tồn tại duy nhất về CSDL giữa dữ liệu đồ hoạ và dữ liệu thuộc tính nhưng kém linh hoạt. Phương pháp thứ hai là sử dụng hai hay nhiều hệ quản trị CSDL để quản lý riêng rẽ dữ liệu đồ hoạ và dữ liệu thuộc tính, phương pháp này có độ linh hoạt cao, tiết kiệm thời gian và thao tác trong quá trình xử lý dữ liệu.
Ngày nay, hầu hết các hệ thống thông tin được xây dựng xung quanh CSDL quan hệ. Tuy nhiên, GIS đòi hỏi CSDL của mình không những lưu trữ được các đối tượng mà còn có khả năng tìm kiếm trực tiếp và tính toán dữ liệu không gian. Do đó, hệ thống GIS thương mại đều xây dựng CSDL dựa trên một trong ba kiến trúc sau:
1.7.2.1. Kiến trúc đối ngẫu
GIS có hai hệ thống CSDL tách biệt, một cho dữ liệu đồ hoạ và một cho dữ liệu thuộc tính. Kiến trúc này tách thành các hệ con để lưu trữ và truy nhập dữ liệu
không gian, và thông tin thuộc tính được lưu trữ trong RDBMS. Các thành tố đồ hoạ và thuộc tính của các đối tượng được liên kết với nhau bởi chỉ danh duy nhất. Ðể truy cập đối tượng phải truy nhập cả hai hệ con sau đó tổ hợp kết quả. Lợi thế của kiến trúc này là từng phần trên cơ sở RDBMS chuẩn cho nên việc lưu trữ và truy nhập có hiệu quả cao nhưng bất lợi ở chỗ không bảo đảm tính toàn vẹn dữ liệu như trong trường hợp thực thể vẫn tồn tại trong hệ con lưu trữ không gian trong khi đã bị xóa trong RDBMS.
Hình 1.21 Kiến trúc đối ngẫu của GIS
1.7.2.2. Kiến trúc tầng
Lưu cả dữ liệu không gian trong mô hình dữ liệu quan hệ, thực thể đồ hoạ phải được tách ra làm nhiều phần để lưu vào các bảng khác nhau. Để truy cập tới dữ liệu cần thực hiện kết nối các bảng, hệ thống chạy chậm và khó sử dụng, để tránh khó khăn ta hình thành giao dịch không gian trong tầng đỉnh của CSDL quan hệ chuẩn. Tầng này có trách nhiệm thông dịch câu lệnh truy vấn đồ hoạ thành câu lệnh SQL chuẩn, kết quả sẽ cho truy nhập không gian nhanh hơn nhưng truy vấn phức tạp hơn.
Công cụ GIS Giao diện ngƣời
dùng Phần mềm quản lý dữ liệu DBMS thƣơng mại CSDL Đồ họa Tệp tọa độ Tệp tôpô CSDL Thuộc Tính Bảng thuộc tính Tệp tôpô
Hình 1.22 Kiến trúc phân tầng của GIS
1.7.2.3. Kiến trúc tích hợp
Phần mở rộng không gian được tích hợp vào DBMS, khi đó ngôn ngữ truy vấn được mở rộng bởi khả năng truy vấn các kiểu hình học và các toán tử không gian như tính toán khoảng cách, giao điểm, chu vi... Mô hình GIS kiểu này có hai giải pháp tích hợp là:
Mở rộng hệ quản trị dữ liệu thương mại chuẩn cho dữ liệu không gian.
Hệ quản trị CSDL mới theo hướng đối tượng.
Hình 1.23 Kiến trúc tích hợp của hệ GIS
Hệ thông tin địa lý
Tầng trợ giúp đối tƣợng không gian
Hệ quản trị CSDL quan hệ chuẩn
Công cụ GIS Giao diện ngƣời
dùng
Công cụ GIS Giao diện ngƣời
dùng Mở rộng DBMSthƣơng mại Mở rộng DBMS tự thiết kế CSDL thuộc tính và hình học Tệp đồ họa Tệp tôpô Bảng thuộc tính CSDL thuộc tính và hình học Tệp đồ họa Tệp tôpô Bảng thuộc tính
1.8 Kết luận
Trong phần 1, các khái niệm cơ bản nhất của hệ thống thông tin địa lý đã được trình bày, từ đó cho thấy những vấn đề cơ bản nhất trong việc xây dựng hệ