a) Khái niệm
Hệ thống thông tin địa lý là tập hợp một bộ các công cụ mạnh trợ giúp cho việc thu thập, lưu trữ, truy cập, biến đổi và hiển thị các thông tin không gian từ thế giới thực cho tập hợp mục đích nào đó.
GIS thực sự là công cụ rất mạnh có thể lưu trữ tất cả các thông tin về mọi đối tượng nghiên cứu để tạo nên các lớp thông tin khác nhau. Thông tin GIS được chia ra theo hai kiểu thông tin chính là không gian và phi không
gian. Chúng được lưu trữ trong một tổ chức cơ sở dữ liệu hợp lý và hoàn hảo nhất cho phép chúng ta truy nhập và cập nhật thông tin thường xuyên dễ dàng, nhanh chóng. GIS sẽ cho phép chúng ta chiết lọc ra các thông tin thích hợp, xử lý chế biến chúng, đồng thời cho phép chúng ta phân tích thông tin không gian và thuộc tính với một tổ hợp thông tin đa nguồn v.v.. như [3].
Việc định nghĩa GIS không dễ dàng bởi lẽ có thể có nhiều cách để định nghĩa phân loại đối tượng và chủ đề. Sự khó khăn khi định nghĩa GIS còn do tính đa ngành, và nhiều phương pháp được dùng trong GIS. Nội dung đánh giá về chức năng quan trọng trong hợp phần của GIS cũng khác nhau. Có quan điểm cho rằng phần mềm và phần cứng là trọng tâm của GIS. Người khác lại cho rằng chìa khóa của vấn đề là xử lý thông tin và ứng dụng.
Một số định nghĩa GIS của các tác giả khác nhau:
Theo Burrough (1986) thì GIS là “tập hợp các công cụ để thu nhập, lưu trữ, tra cứu chuyển đổi và biểu thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực. Do quan niệm GIS là một hệ thu nhận lưu trữ kiểm tra, vận hành phân tích và biểu thị dữ liệu được tham chiếu với hiện thực của Trái Đất”.
Parker (1988) định nghĩa GIS như một “kỹ nghệ thông tin nhằm lưu trữ, phân tích và biểu thị dữ liệu không gian và phi không gian’’.
Aronoff (1989) xem GIS theo quan điểm “bất kỳ một phương thức trên sách tra khảo hoặc máy tính dùng để lưu trữ thao tác các dữ liệu tham chiếu địa lý’’. Như vậy là dù định nghĩa GIS bằng cách này hay cách khác đều có một nét chung liên quan đến một hệ thông tin các dữ liệu địa lý có sự tham gia của máy tính. Trong GIS hiện thực không gian được thể hiện như một loạt các nét địa lý định nghĩa tương ứng với hai hợp phần dữ liệu.
b) Cấu trúc của GIS
- Hệ thống thiết bị phần cứng: Bao gồm máy tính hoặc hệ mạng máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chức năng vào, ra và xử lý số liệu;
- Hệ thống phần mềm: Bao gồm phần mềm hệ thống, phần mềm quản trị, phần mềm ứng dụng;
- Hệ thống cơ sở dữ liệu: Bao gồm các loại dữ liệu cần thiết chứa các thông tin không gian (thông tin địa lý) và các thông tin phi không gian (thông tin thuộc tính) được tổ chức theo một ý đồ chuyên ngành nhất định.
Đội ngũ các cán bộ kỹ thuật xây dựng và khai thác hệ thống.
Hình 2.7: Mối liên hệ các thành phần của hệ thống thông tin địa lý. Phần cứng
Phần cứng tổng quát của hệ thống thông tin địa lý gồm những thiết bị được thể hiện theo sơ đồ sau:
Bộ phận số hoá Máy vẽ Bộ xử lý trung tâm Bộ phận hiện hình Ổ đĩa Ổ băng từ
Hình 2.8: Các thành phần phần cứng của hệ thống thông tin địa lý.
Máy tính hoặc bộ xử lý trung tâm (CPU) được kết nối với đơn vị lưu trữ gồm ổ đĩa, băng từ để lưu trữ dữ liệu và chương trình. Bàn số hoá (digitizer) hoặc các thiết bị tương tự khác có nhiệm vụ chuyển đổi dữ liệu trong bản đồ thành dạng số và gửi vào máy tính. Máy vẽ hoặc các thiết bị hiển thị khác dùng để hiển thị các kết quả xử lý dữ liệu. Băng từ còn sử dụng để truyền thông với các hệ thống khác. Việc kết nối truyền thông các máy tính được thực hiện thông qua hệ thống mạng với các đường dữ liệu đặc biệt hoặc đường điện thoại qua module. Thiết bị hình là thiết bị giao tiếp hiển thị như màn hình, thông qua đó người sử dụng điều khiển máy tính.
Phần mềm
Một khối phần mềm của hệ thống thông tin địa lý gồm có 5 module cơ bản. Các module này phải đảm bảo các chức năng sau:
Nhập và kiểm tra dữ liệu;
Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu; Xuất dữ liệu;
Chuyển đổi dữ liệu;
Tương tác với người sử dụng.
Các thành phần phần mềm cơ bản của hệ thống thông tin địa lý được thể hiện qua sơ đồ sau:
Tương tác với người sử dụng Xuất dữ liệu Nhập và kiểm tra dữ liệu Lưu trữ và bảo quản dữ liệu Chuyển đổi dữ liệu
Hình 2.9: Thành phần phần mềm cơ bản của hệ thống thông tin địa lý 2.2.2. Các chức năng cơ bản của GIS
a) Nhập dữ liệu
Trước khi dữ liệu địa lý có thể dùng cho GIS, dữ liệu này phải được chuyển sang dạng số thích hợp, biên tập và chỉnh sửa cho phù hợp với mục đích sử dụng. Quá trình chuyển dữ liệu từ bản đồ giấy sang các file dữ liệu dạng số gọi là quá trình số hóa. Công nghệ GIS hiện đại có thể tự động một phần quá trình này với công nghệ quét ảnh cho các đối tượng lớn, những đối tượng nhỏ hơn đòi hỏi một số quá trình số hóa thủ công (dùng bàn số hóa).
b) Chuyển đổi dữ liệu
Có những trường hợp dữ liệu đòi hỏi được chuyển dạng (format) và thao tác theo một số cách để có thể tương thích với hệ thống nhất định. Trước khi các thông tin này được liên kết với nhau, chúng phải được chuyển về cùng một tỷ lệ (mức chính xác hoặc mức chi tiết). Đây có thể chỉ là sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho yêu cầu phân tích. Và GIS cung cấp các công cụ cho việc thực hiện mục đích này.
c) Thao tác dữ liệu
Công nghệ GIS cung cấp nhiều công cụ cho các thao tác trên dữ liệu không gian và cho loại bỏ dữ liệu không cần thiết. Các chức năng phục vụ cho mục đích sửa chữa, biên tập là các công cụ tùy chọn như: bổ sung, sao chép, xóa, dịch chuyển...dữ liệu. Bên cạnh đó còn có các công cụ xây dựng các cấu trúc topology và biên tập dữ liệu thuộc tính cho nó.
d) Quản lý dữ liệu
Đối với những mô hình GIS nhỏ có thể lưu các dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính dưới dạng các file đơn giản. Tuy nhiên, khi kích thước dữ liệu trở nên lớn hơn và cấu trúc phức tạp hơn thì cách tốt nhất là sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian (GeoDBMS) để giúp cho việc lưu trữ, tổ chức và quản lý thông tin. Một GeoDBMS chỉ đơn giản là một phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu.
Trong nhiều cấu trúc GeoDBMS khác nhau, cấu trúc quan hệ trong GIS tỏ ra hữu hiệu nhất. Trong cấu trúc quan hệ, dữ liệu được lưu trữ ở dạng bảng. Các trường thuộc tính chung trong các bảng khác nhau được dùng để liên kết các bảng này với nhau. Do linh hoạt nên cấu trúc đơn giản này được sử dụng và triển khai khá rộng rãi trong các ứng dụng cả trong và ngoài GIS.
e) Hỏi đáp và phân tích không gian
Một khi đã có hệ GIS lưu giữ các thông tin địa lý, có thể bắt đầu hỏi các câu hỏi thuộc tính và không gian đơn giản như:
- Đất trên đồi núi là đất gì?
- Tổng diện tích đất nông nghiệp là bao nhiêu? Và các câu hỏi phân tích như:
- Tất cả các vị trí thích hợp cho xây dựng các tòa nhà mới nằm ở đâu? - Kiểu đất ưu thế cho trồng rừng gì?
GIS cung cấp cả khả năng hỏi đáp từ đơn giản như “chỉ và nhấn” đến các công cụ phân tích tinh vi để cung cấp kịp thời thông tin cho những người quản lý và phân tích. Các hệ GIS hiện đại có nhiều công cụ phân tích hiệu quả, trong đó có công cụ đặc biệt để chồng xếp dữ liệu địa lý.
Chồng xếp là quá trình tích hợp các thông tin khác nhau. Thao tác phân tích thông tin đòi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải được liên kết vật lý. Sự chồng xếp này hay liên kết không gian có thể là sự kết hợp dữ liệu về thổ nhưỡng, độ cao, độ dốc, hiện trạng lớp phủ mặt đất. Để rút ra thông tin này,
thao tác tính toán số học và các phép logic được vận dụng trên các lớp thông tin khác nhau được nhập vào.
Chồng xếp các dữ liệu khác nhau này được thực hiện theo một quá trình bậc thang. Lớp dữ liệu cần biết thông tin của lớp dữ liệu khác sẽ được thực hiện thông qua phép phân tích bảng chéo (Crossing). Phép toán được thiết lập trên mỗi giá trị của lớp dữ liệu thứ nhất và giá trị tương ứng của lớp dữ liệu thứ hai. Việc tiến hành phép Crossing lớp dữ liệu cần biết thông tin khác với từng lớp dữ liệu cần lấy thông tin. Cuối cùng ta được thông tin tổng hợp liên quan đến dữ liệu ban đầu. Do vậy, phép phân tích quan hệ không gian này giúp làm rõ mối quan hệ giữa các đối tượng cần nghiên cứu với các đối tượng khác.
Chồng xếp được tiến hành trên cả lớp dữ liệu vector và raster. Chồng xếp trên dữ liệu raster tiến hành đơn giản hơn song dung lượng lưu trữ của nó lại lớn hơn dữ liệu vector rất nhiều. Do vậy, việc xử lý mất nhiều thời gian hơn. Còn dữ liệu vector, quá trình chồng xếp mất ít thời gian hơn và chiếm dung lượng nhỏ hơn, song độ chính xác của nó lại kém hơn so với chồng xếp dữ liệu raster. Do đó, tùy theo mục đích sử dụng và yêu cầu độ chính xác của sản phẩm đầu ra mà ta lựa chọn loại chồng xếp trên dạng dữ liệu nào.
f) Hiển thị
Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng là hiển thị tốt nhất dưới dạng bản đồ số hoặc biểu đồ. Bản đồ khá hiệu quả trong lưu trữ và trao đổi thông tin địa lý. GIS cung cấp nhiều công cụ mới và thú vị để mở rộng tính năng nghệ thuật và tính khoa học của ngành bản đồ. Bản đồ, sơ đồ hiển thị có thể được kết hợp với các bản báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và các dữ liệu khác (đa phương tiện).
g) Mối liên hệ của GIS với các hệ thông tin khác
GIS có mối liên hệ chặt chẽ với các hệ xử lý thông tin và đồ họa sau:
- Hệ vẽ bản đồ bằng máy tính;
- Hệ quản lý cơ sở dữ liệu GEODBMS; - Ngành khoa học viễn thám.
Hình 2.10: Sự tương quan giữa GIS và các hệ thông tin khác 2.2.3. Ứng dụng của hệ thông tin địa lý (GIS)
Hệ thông tin địa lý tìm thấy vị trí đúng của mình trong đại đa số các ngành khoa học, bởi nó có chức năng bản đồ. Chức năng phân tích không gian đều liên quan đến tất cả các ngành khoa học về Trái đất sử dụng dữ liệu địa lý. Các chức năng phân tích thuộc tính liên quan đến các dữ liệu thống kê xã hội học. Chức năng liên kết không gian tìm kiếm hỏi đáp và định vị liên quan đến khoa học quân sự, viễn thám, hàng hải. Muốn có một hệ thông tin cho cơ sở dữ liệu mạnh đòi hỏi phải có sự liên kết và phát triển phần mềm mạnh và như vậy GIS liên quan trực tiếp đến toán học tin học. Vấn đề giao thông cũng được quản lý bằng GIS. Sau đây sẽ nêu sự cần thiết của hệ thông tin địa lý, tính kinh tế và người sử dụng GIS để qua đó có thể hiểu được GIS có thể được ứng dụng cụ thể trong ngành nào và với mục đích gì.
GIS tham gia vào việc ghi nhận điều kiện thiên nhiên, tìm ra vùng thích hợp và tiềm năng. GIS được ứng dụng trong quy hoạch và phát triển. Vấn đề
quy hoạch và phát triển một khu dân cư mới đòi hỏi về dữ liệu GIS, đặc biệt là các dữ liệu về địa hình. Các dữ liệu cơ sở hạ tầng với sự trợ giúp của máy tính mà GIS đóng vai trò quan trọng trong việc tổ hợp, thiết kế và tính toán phương án tối ưu. Trong nhiều vấn đề như: lắp đặt đường dây, đường ống và cáp ngầm GIS sẽ là công cụ hữu hiệu. GIS giúp cho quy hoạch và quản lý giao thông. GIS tính toán để tìm ra giải pháp tối ưu để từ một vị trí cho trước sẽ đi bằng đường nào kinh tế nhất, nhanh nhất đến bất kì địa điểm nào. Các dữ liệu GIS được dùng trong quân sự để như địa hình số. Dữ liệu này phục vụ hướng dẫn hàng không, mô phỏng đường bay. Trong các công việc đó dữ liệu GIS như ảnh vệ tinh hoặc hệ định vị toàn cầu GPS được sử dụng.
GIS là một hệ thông tin đa lĩnh vực. Bản thân GIS được hình thành trên nền tảng của các ngành toán học (đặc biệt là toán tin) và địa lý (khoa học, bản đồ) để gắn các đối tượng không gian của thế giới thực, cùng các hiện tượng xẩy ra tại một vị trí không gian trong một thời điểm (thời gian) nhất định. Như vậy, GIS không phải theo nguồn gốc hình thành chỉ để phục vụ trực tiếp hai ngành toán tin và địa lý mà GIS được ứng dụng và là công cụ hữu hiệu được sử dụng trong nhiều ngành nghiên cứu-ứng dụng khác nhau. Bản thân chữ địa lý (geographic) ở đây cần phải được hiểu nghĩa sâu và rộng là đối tượng không gian trên Trái Đất, được định vị bằng vị trí địa lý của chúng theo một hệ tọa độ quy chiếu dùng cho Trái Đất. GIS từ bản thân định nghĩa của nó là gắn liền với các thực thể không gian được tham chiếu (referenced) với hệ toạ độ dùng cho Trái Đất (hệ toạ độ địa lý, UTM hoặc Gauss..). Toán trong GIS đã được ứng dụng rộng vì chính GIS được viết trên ngôn ngữ và các thuật toán không gian logic. Trong GIS, các phép phân tích về không gian và các chức năng phân tích logic (Boolean ) thống kê, nội suy và mô hình không gian được phát huy triệt để. Bản thân thực thể bề mặt Trái Đất đã được GIS mô phỏng bằng các chức năng phân tích không gian như hướng dốc, góc dốc. GIS cho phép thể hiện đối tượng không gian mà nó nghiên cứu trên một mô
hình không gian ba chiều với sự kết hợp hài hòa giữa số liệu số độ cao của địa hình (DEM) và các ảnh vệ tinh phân giải cao làm nền. Như vậy, GIS, trước hết cho ta dữ liệu số về hiện trạng thế giới thực trên Trái Đất. GIS đối với các lĩnh vực khác sẽ tùy theo mục đích sử dụng và kinh nghiệm về GIS của người sử dụng mà có thể áp dụng GIS trong từng ngành riêng biệt.
2.3. Nắn chỉnh hình học ảnh vệ tinh
Một tấm ảnh vệ tinh dạng nguyên gốc chưa xử lý không thể chập khít lên một tờ bản đồ hoặc một ảnh khác vì chúng có đặc tính hình học khác nhau.
Tuy nhiên, hoàn toàn có thể thay đổi đặc tính hình học của một tấm ảnh hay nói cách khác là có thể thay đổi hệ toạ độ quy chiếu của tấm ảnh đó để có thể chập khít nó lên một tờ bản đồ hoặc một tấm ảnh khác. Động tác này gọi là nắn chỉnh hình học.
Nắn chỉnh hình học được sử dụng trong các trường hợp sau: - Sử dụng ảnh để suy giải các thông tin rồi đưa chúng lên bản đồ;
- Phân tích ảnh đa thời gian, cần phải chồng ghép các ảnh chụp các thời kỳ của cùng một khu vực với nhau.
2.3.1. Nguyên lý chung
Như chúng ta đã biết, ảnh số có thể được xem như là mảng giá trị độ xám được lưu trữ trong máy tính, vì vậy việc nắn chỉnh ảnh số là sự thay đổi