2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.4.2. Cấu trúc của hệ thống thông tin ựịa lý
Hệ thống thông tin ựịa lý bao gồm các hợp phần cơ bản như sau: tài liệu không gian, người ựiều hành, phần cứng, phần mềm.
Hình 2.4: Mô hình chức năng của GIS 2.4.3. Dữ liệu không gian
Dữ liệu không gian cỏ thể ựến từ nhiều nguồn, có các nguồn tư liệu sau: số liệu tắnh toán thống kê, báo cáo, các quan trắc thực ựịa, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, bản ựồ giấy (dạng analog). Kỹ thuật hiện ựại về viễn thám và hệ thống thông tin ựịa lý có khả năng cung cấp thông tin không gian bao gồm các thuộc tắnh ựịa lý, khuôn dạng dữ liệu, tỷ lệ bản ựồ và các số liệu ựo ựạc. Việc tắch hợp các tư liệu ựịa lý từ nhiều nguồn khác nhau là ựặc ựiểm cơ bản của một phần mềm GIS.
Thông thường, tư liệu không gian ựược trình bày dưới dạng các bản ựồ giấy với các thông tin chi tiết ựược tổ chức ở một file riêng. Các tư liệu ựó không ựáp ứng ựược các nhu cầu hiện nay về tư liệu không gian là vì những lý do sau:
đòi hỏi không gian lưu trữ rất lớn, tra cứu khó khăn. để nhập và khai thác dữ liệu, nhất thiết phải liên kết ựược với các thông tin ựịa lý trên bản ựồ và các dữ liệu thuộc tắnh khác ựược lưu trữ riêng biệt và ựiều này trở nên rất khó khăn với hình thức lưu trữ dạng kho hoặc thư viện.
Các khuôn dạng lưu trữ truyền thống thường không tương thắch với các tiêu chuẩn dữ liệu hiện nay. Thay thế cho các dữ liệu dạng truyền thống, hiện nay tư liệu dạng số với một khối lượng rất lớn có thể ựược lưu trữ trong các
ựĩa CD, tương ứng với những khối lượng rất lớn của tư liệu analoge. Tư liệu số còn cho khả năng xử lý tự ựộng trên máy tắnh.
Như vậy, hệ thống thông tin ựịa lý là sự phát triển ựặc biệt ựể sử dụng công nghệ và nghệ thuật máy tắnh trong việc xử lý tư liệu không gian dạng số.
2.4.4. Người ựiều hành
Vì hệ thống thông tin ựịa lý là một hệ thống tổng hợp của nhiều công việc kỹ thuật, do ựó ựòi hỏi người ựiều hành phải ựược ựào tạo và có kinh nghiệm trong nhiều lĩnh vực. Người ựiều hành là một phần không thể thiếu ựược của Hệ thống thông tin ựịa lý. Hơn nữa sự phát triển không ngừng của các kỹ thuật phần cứng và phần mềm ựòi hỏi người ựiều hành phải luôn ựược ựào tạo. Những yêu cầu cơ bản về người ựiều hành bao gồm các vấn ựề sau:
Có kiến thức cơ bản về ựịa lý, bản ựồ, máy tắnh và công nghệ thông tin: - Việc ựào tạo cơ bản về ựịa lý cung cấp khả năng khai thác các ựặc ựiểm không gian (spatical process) và các quá trình không gian, ựồng thời phát hiện ựược mối quan hệ không gian giữa các hợp phần.
- Bản ựồ học cung cấp các hiểu biết về thiết kế bản ựồ, lập bản ựồ (vắ dụ: Lưới chiếu bản ựồ, hệ thống tọa ựộ, các mẫu ký tự trên bản ựồ và các kỹ thuật in ấn).
- Khoa học về máy tắnh và thông tin cung cấp các kiến thức cơ bản về phần cứng máy tắnh và vận hành thông thạo các chương trình liên kết phần cứng. - Có kinh nghiệm trong việc sử dụng các phần mềm GIS: việc ựào tạo các phần mềm chủ yếu thường tập trung vào việc xử lý GIS, lập trình cơ bản, quản lý cơ sở dữ liệu và một số công việc khác có liên quan ựến tắch hợp thông tin.
- Có hiểu biết nhuần nhuyễn về dữ liệu: hiểu về nguồn dữ liệu, nội dung và ựộ chắnh xác của dữ liệu, tỷ lệ bản ựồ nguyên thủy và các số liệu ựo ựạc của tập dữ liệu, cấu trúc của dữ liệu.
- Có khả năng phân tắch không gian. Yêu cầu ựược ựào tạo về các phương pháp xử lý thống kê và xử lý ựịnh tắnh trong ựịa lý, việc ựào tạo cho người xử lý có thể lựa chọn phương pháp tốt nhất ựể phân tắch và áp dụng nhằm ựưa ra kết quả tốt nhất.
Các yêu cầu trên là cần thiết ựối với người ựiều hành Hệ thống thông tin ựịa lý. Các huấn luyện chi tiết sẽ tùy thuộc nội dung và mục tiêu cũng như khả năng của máy tắnh và phần mềm ựể lực chọn những chương trình ựào tạo thắch hợp.
2.4.5. Phần cứng (máy tắnh và thiết bị ngoại vi)
Phần cứng của một hệ thống thông tin ựịa lý bao gồm các hợp phần sau: Bộ xử lý trung tâm (CPU), thiết bị nhập dữ liệu, lưu dữ liệu và thiết bị xuất dữ liệu.
Bộ xử lý trung tâm (central processing unit - CPU): hệ thống ựiều khiển, bộ nhớ, tốc ựộ xử lý là những yếu tố quan trọng nhất của CPU. Hiện nay xử lý hệ thống thông tin ựịa lý trên nền unix là hệ thống có ựủ các chức năng nhất, trong khi với máy CP thì hệ thống thông tin ựịa lý có những chức năng hạn chế hơn. Các hệ xử lý GIS trước ựây, phần lớn ựều chạy trong trạm Unix. Trạm Unix cho phép lưu trữ cơ sở dữ liệu lớn và nhiều chức năng xử lý khác nhau. Tất nhiên với sự trợ giúp của window NT thì PC cũng có thể so sánh ựược với hệ unix. Vắ dụ ựiểm hình về một hệ thống có hiệu quả là một hệ Unix nhỏ có cài ựặt phần mềm ARC/INFO ựể quản lý và vận hành Hệ thống thông tin ựịa lý. Hiện nay, các hệ thống xử lý liên tục ựược nâng cấp và khoảng cách giữa trạm Unix và PC càng hẹp dần.
Nhập, lưu dữ và xuất dữ liệu: các thiết bị ngoại vi phục vụ cho việc nhập dữ liệu là: Bàn số hoá, máy quét ựể chuyển ựổi dữ liệu analoge thành dạng số. Hoặc ựọc băng và ựĩa CD - ROM có nhiệm vụ lấy thông tin hiện có trong
băng và ựĩa. Các phương tiện thông dụng là ổ ựĩa cứng, ổ ựọc băng, ổ ựĩa quang có thể ghi và xoá dữ liệu. Thiết bị xuất dữ liệu bao gồm máy in ựen trắng và màu, báo cáo, kết quả phân tắch, máy in kim (plotter). Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ tin học và ựiện tử, ựặc biệt là khi có thiết bị mạng cho phép san sẻ các chức năng và trao ựổi giữa những người sử dụng và càng tạo ựiều kiện cho hệ thống thông tin ựịa lý phát triển.
2.4.6.Phần mềm
Một hệ thống phần mềm xử lý GIS yêu cầu phải có hai chức năng sau: tự ựộng hoá bản ựồ và quản lý cơ sở dữ liệu. Sự phát triển kỹ thuật GIS hiện ựại liên quan ựến sự phát triển của hai hợp phần này.
2.4.6.1 Tự ựộng hoá bản ựồ
Bản ựồ học là môn khoa học, nghệ thuật và kỹ thuật thành lập bản ựồ. Do ựó, tự ựộng hoá bản ựồ là thành lập bản ựồ với sự trợ giúp của máy tắnh. Một bản ựồ là sự thể hiện bằng ựồ họa của mối quan hệ không gian và các hình dạng (Pobinson và NNK, 1984) và mỗi một bản ựồ là sự mô hình hoá thực tế theo những tỷ lệ nhất ựịnh. Mô hình ựó yêu cầu biến ựổi các số liệu ghi bản ựồ thành bản ựồ và gồm các công ựoạn sau: Lựa chọn, phân loại, làm ựơn giản hóa và tạo mẫu ký tự (Den - 1990).
Máy tắnh trợ giúp cho bản ựồ học ở nhiều phương diện như sau:
- Trước hết, bản ựồ trong máy tắnh là dạng số nên dễ dàng chỉnh sửa và việc chỉnh lý ựó tốn ắt công sức hơn so với việc không có sự trợ giúp của máy tắnh. Mặc dù việc số hóa có thể dẫn ựến nhiều lỗi và làm giảm ựộ chắnh xác, song các lỗi ựó có thể sửa dễ dàng nếu phát hiện ựược. Khi ựó, bản ựồ sẽ ựược hoàn thiện và lượng thông tin sẽ ựược nâng lên. đặc biệt, việc bổ sung thông tin cho bản ựồ cũng dễ dàng thực hiện ựược.
- Thứ hai, quá trình tạo chú giải và các chỉ dẫn lên bản ựồ ựược thao tác với tốc ựộ nhanh nên giá thành thấp. Việc lựa chọn, phân loại và làm ựơn giản hóa các ựặc ựiểm bản ựồ cũng ựược thực hiện một cách khoa học. Quá trình thiết kế và khái quát hóa bản ựồ cũng ựược lập trình và tạo nên các chức năng cụ thể của phần mềm. Kết quả như mong muốn có thể ựạt ựược bởi nhiều cán bộ bản ựồ hoặc do chắnh một cán bộ bản ựồ làm trong nhiều thời gian khác nhau.
- Thứ ba, thiết kế bản ựồ có thể ựược hoàn thiện hơn qua việc thử và chỉnh sửa lỗi. Kắch thước, hình dạng hoặc vị trắ của chữ hoặc ký hiệu trên bản ựồ có thể dễ dàng ựược thay ựổi và ựưa về vị trắ chắnh xác như mong muốn.
2.4.6.2 Quản lý dữ liệu
Chức năng thứ hai của phần mềm GIS là hệ thống quản lý dữ liệu. Hệ thống thông tin ựịa lý phải có khả năng ựiều khiển các dạng khác nhau của dữ liệu ựịa lý ựồng thời có thể quản lý hiệu quả một khối lượng lớn dữ liệu với một trật tự rõ ràng. Một yếu tố rất quan trọng của phần mềm GIS là cho khả năng liên kết hệ thống giữa việc tự ựộng hóa bản ựồ và quản lý cơ sở dữ liệu. Các tài liệu mô tả cho một vị trắ bất kỳ, có thể liên hệ một cách hệ thống với vị trắ không gian của chúng. Sự liên kết ựó là một ưu thế nổi bật của việc vận hành Hệ thống thông tin ựịa lý:
- Thứ nhất: các tài liệu liệu thuộc tắnh nhất thiết phải ựược thể hiện trên những chi tiết của bản ựồ. Vắ dụ số liệu về dân số của một thành phố cũng ựược gọi ra một cách tự ựộng mà không cần phải có một sự tra cứu nào khác. đối với bản ựồ học thì công việc tra cứu thường phải làm ựộc lập, không thực hiện tự ựộng ựược. Ngoài ra việc bổ sung số liệu cũng ựòi hỏi phải ựược cập nhật thường xuyên nên chỉ hệ thống thông tin ựịa lý mới có thể ựáp ứng ựược ựầy ựủ.
- Thứ hai: sự thay ựổi về những chi tiết bản ựồ nhất thiết phải phù hợp với sự thay ựổi về tự nhiên thuộc tắnh. Vắ dụ, sự thay ựổi về diện tắch ựô thị về số liệu phải tương xứng với sự thay ựổi về ựường ranh giới thành phố. Khi thay ựổi ranh giới thì số liệu tắnh toán về diện tắch cũng tự ựộng ựược thay ựổi.
2.4.7. Các chức năng của GIS
Một phần mềm GIS các các chức năng cơ bản như sau: nhập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, ựiều khiển dữ liệu, hiển thị dữ liệu theo cơ sở ựịa lý và ựưa ra những quyết ựịnh (decision making) (Calkins và Tomlinson 1997). Có thể khái quát về các chức năng ựó như sau:
Nhập và bổ sung dữ liệu (entry and updating): Một trong những chức năng quan trọng của hệ thống thông tin ựịa lý là nhập và bổ sung dữ liệu mà công việc ựó không tiến hành riêng rẽ. Bất kỳ một hệ thống nào cũng phải cho phép nhập và bổ sung dữ liệu, nếu không có chức năng ựó thì không ựược xem là một hệ thống thông tin ựịa lý vì chức năng ựó là một yêu cầu bắt buộc phải có.
Việc nhập và bổ sung dữ liệu phải cho phép sử dụng nguồn tự liệu dưới dạng số hoặc dạng analog. Dạng tư liệu không gian như bản ựồ giấy hoặc ảnh vệ tinh, ảnh máy bay phải ựược chuyển thành dạng số và các nguồn tư liệu số khác cũng phải chuyển ựổi ựược ựể tương thắch với cơ sở dữ liệu trong hệ thống ựang sử dụng.
Chuyển ựổi dữ liệu: chuyển ựổi dữ liệu là một chức năng rất gần với việc nhập và bổ sung dữ liệu. Nhiều phần mềm thương mại cố gắng giữ ựộc quyền bằng cách hạn chế ựưa các khuôn dạng dữ liệu theo loại phổ cập. Tuy nhiên người sử dụng phải lựa chọn ựể hạn chế việc phải số hóa thêm những tài liệu hiện ựang có ở dạng số. Trong thực tế, cùng một tư liệu nhưng có thể tồn tại ở nhiều khuôn dạng khác nhau. Vì vậy, ựối với tư liệu quốc gia, không thể chỉ
lưu giữ ở một dạng thuộc tắnh riêng biệt mà cần thiết phải lưu giữ ở nhiều khuôn dạng có tắch chất phổ biến ựể sử dụng ựược trong nhiều ứng dụng khác nhau. Như vậy, một phần mềm GIS cần phải có chức năng nhập và chuyển ựổi nhiều khuôn dạng dữ liệu khác nhau.
Lưu giữ tư liệu: Một chức năng quan trọng của hệ thống thông tin ựịa lý là lưu giữ và tổ chức cơ sở dữ liệu do sự ựa dạng và với một khối lượng lớn của dữ liệu không gian: ựa dạng về thuộc tắnh, về khuôn dạng, về ựơn vị ựo, về tỷ lệ bản ựồ. Hai yêu cầu cơ bản trong việc lưu trữ dữ liệu là: thứ nhất là phải tổ chức nguồn dữ liệu sao cho ựảm bảo ựộ chắnh xác và không mất thông tin, thứ hai là các tài liệu cho cùng một khu vực song các dữ liệu lại khác nhau về tỷ lệ, về ựơn vị ựo... thì phải ựược ựịnh vị chắnh xác và chuyển ựổi một cách hệ thống ựể có thể xử lý hiệu quả.
điều khiển dữ liệu (data manipulation): Do nhiều hệ thống thông tin ựịa lý hoạt ựộng ựòi hỏi tư liệu không gian phải ựược lựa chọn với một chỉ tiêu nhất ựịnh ựược phân loại theo một phương thức riêng, tổng hợp thành những ựặc ựiểm riêng của hệ thống, do ựó hệ thống thông tin ựịa lý phải ựảm nhiệm ựược chức năng ựiều khiển thông tin không gian. Khả năng ựiều khỉển cho phép phân tắch, phân loại và tạo lập các ựặc ựiểm bản ựồ thông qua các dữ liệu thuộc tắnh và thuộc tắnh ựịa lý ựược nhập vào hệ thống. Các thuộc tắnh khác nhau có thể ựược tổng hợp, nắm bắt một cách riêng biệt và những sự khác biệt có thể ựược xác ựịnh, ựược tắnh toán và ựược can thiệp, biến ựổi.
Trình bày và hiển thị: đây cũng là một chức năng bắt buộc phải có của một Hệ thống thông tin ựịa lý. Không gian dưới dạng tài liệu nguyên thủy hay tài liệu ựược xử lý cần ựược hiển thị dưới các khuôn dạng như: chữ và số (text), dạng bảng biểu (tabular) hoặc dạng bản ựồ. Các tắnh toán chung và kết quả phân tắch ựược lưu giữ ở dạng chữ và số ựể dễ dàng in ra hoặc trao ựổi
giữa các lỗ phần mềm khác nhau. Các dữ liệu thuộc tắnh có thể ựược lưu ở dạng bảng biểu hoặc các dạng cố ựịnh khác. Bản ựồ ựược thiết kế ựể hiển thị trên màn hình hoặc lưu dưới dạng ựiểm (plot file) ựể in. Như vậy, hiển thị và in ra là những chức năng rất cần thiết của một Hệ thống thông tin ựịa lý.
Phân tắch không gian: Trước ựây, chỉ có 5 chức năng mô tả ở trên là ựược tập trung, phát triển bởi những người xây dựng Hệ thống thông tin ựịa lý. Chức năng thứ sáu là phân tắch không gian ựược phát triển một cách thần kỳ dựa vào sự tiến bộ của công nghệ và nó trở nên thực sự hữu ắch cho người ứng dụng.
2.4.8. Sử dụng GIS cho phân tắch không gian
Phân tắch không gian cho hệ thống thông tin ựịa lý Bao gồm ba hoạt ựộng chắnh: Giải quyết các câu hỏi về thuộc tắnh, các câu hỏi về phân tắch không gian và tạo nên tập dữ liệu mới từ cơ sở dữ liệu ban ựầu. Mục tiêu của việc phân tắch không gian là từ việc giải quyết các câu hỏi ựơn giản về các hiện tượng, các vấn ựề trong không gian, ựi ựến tập hợp thành các thuộc tắnh của một hay nhiều lớp và phân tắch ựược sự liên quan giữa các dữ liệu ban ựầu.
2.4.9. Một số vấn ựề cơ bản trong xử lý không gian
Xử lý thông tin trong một lớp: giải quyết các vấn ựề về thuộc tắnh các ựơn vị trong một lớp, ựo ựạc các giá trị, phân tắch sự liên quan giữa các ựơn vị trong một lớp bản ựồ. Vắ dụ xác ựịnh tên, tắnh diện tắch, chu vi của từng khoanh vi bản ựồ, xác ựịnh khoảng cách, tạo các vùng ảnh hưởng (buffer zone).
Xử lý thông tin nhiều lớp: chồng xếp hai hoặc nhiều lớp thông tin cho phép tạo ra nhiều ựơn vị bản ựồ mới trên cơ sở làm chi tiết hoá thông tin của