III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
4. Cơ sở khoa học công nghệ về thu thập, quản lý, chia sẻ và khai thác thông tin dữ liệu
4.8 Khả năng ứng dụng của công nghệ GIS
4.8.1 Tổng quan về công nghệ GIS
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một tổ chức tổng thể của bốn hợp phần: phần cứng máy tính, phần mềm, dữ liệu địa lý và con người điều hành được thiết kế hoạt động
một cách có hiệu quả nhằm tiếp nhận, lưu trữ, điều khiển, phân tích và hiển thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý. GIS có mục tiêu đầu tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trường không gian địa lý. (Viện nghiên cứu mơi trường Mỹ - 1994).
Một định nghĩa khác có tính chất giải thích, hỗ trợ là: “GIS là một hệ thống máy tính có chức năng lưu trữ và liên kết các dữ liệu địa lý với các đặc tính của bản đồ dạng đồ họa, từ đó cho một khả năng rộng lớn về việc xử lý thông tin, hiển thị thông tin và cho ra các sản phẩm bản đồ, các kết quả xử lý cùng các mơ hình”
Hệ thống GIS bao gồm các thành phần như sau:
- Phần cứng: bao gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi.
- Phần mềm: là bộ não của hệ thống, phần mềm GIS rất đa dạng và có thể chia làm 3 nhóm (nhóm phần mềm quản đồ họa, nhóm phần mềm quản trị bản đồ và nhóm phần mềm quản trị, phân tích khơng gian).
- Dữ liệu: bao gồm dữ liệu không gian (dữ liệu bản đồ) và dữ liệu thuộc tính (dữ liệu phi không gian). Dữ liệu khơng gian miêu tả vị trí địa lý của đối tượng trên bề mặt Trái đất. Dữ liệu thuộc tính miêu tả các thơng tin liên quan đến đối tượng, các thơng tin này có thể được định lượng hay định tính.
- Phương pháp: một phần quan trọng để đảm bảo sự hoạt động liên tục và có hiệu quả của hệ thống phục vụ cho mục đích của người sử dụng.
- Con người: Trong GIS, thành phần con người là thành phần quan trọng nhất bởi con người tham gia vào mọi hoạt động của hệ thống GIS (từ việc xây dựng cơ sở dữ liệu, việc tìm kiếm, phân tích dữ liệu …). Có 2 nhóm người quan trọng là người sử dụng và người quản lý GIS.
Hệ thống GIS cần thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Khả năng quản lý được lượng lớn thông tin không gian.
- Khả năng truy cập các thơng tin có liên quan đến sự tồn tại, vị trí cũng như tính chất của một đối tượng khơng gian.
- Tính thích ứng với các đòi hỏi khác nhau của các đối tượng khác nhau.
Các chức năng của hệ thống GIS:
- Chức năng quản lý cơ sở dữ liệu:
Có khả năng xử lý dữ liệu (data manipulation) khơng chỉ bao gồm các chức năng thông thường của một hệ thống quản lý dữ liệu (DBMS) nhằm quản lý và tìm kiếm dữ liệu có trong cơ sở dữ liệu (cho cả dữ liệu thuộc tính và dữ liệu khơng gian), mà còn cả khả năng cập nhật và chuyển đổi dữ liệu từ những dạng chuẩn khác nhau hay từ những
nguồn khác nhau, khả năng chỉnh lý dữ liệu và xóa bỏ dữ liệu khơng cịn có tác dụng. Bình thường thì dữ liệu thu thập được là từ các nguồn khác nhau và chúng không bao giờ tương thích ngay lập tức về dạng lưu trữ để có thể nhập ngay vào hệ thống GIS. Một hệ thống GIS cần phải cho phép người quản trị thực hiện được các hoạt động: (1) nhập dữ liệu từ các nguồn bên ngoài GIS, (2) dễ dàng cập nhật và sữa đổi dữ liệu, và (3) truy cập để trả lời các câu hỏi tìm kiếm (query) dữ liệu. Phần mềm chuyên dụng về hệ thống quản lý CSDL (DBMS) thường là một thành phần quan trọng của bất cứ hệ thống GIS nào và sẽ cung cấp các công cụ để thực hiện các công việc đã đề cập ở trên. Người sử dụng cũng có thể dùng phân mềm về quản lý CSDL bên ngoài hệ thống GIS. Sau đây là cụ thể các động tác với CSDL khi sử dụng phần mềm quản lý CSDL thơng dụng.
- Chức năng phân tích dữ liệu khơng gian:
Các phần mềm hệ thống CSDL và phần mềm GIS đều được trang bị cơng cụ để tiến hành phân tích CSDL nhưng phần mềm GIS khác biệt ở khả năng phân tích bản đồ (dữ liệu khơng gian). Ta sẽ dễ hình dung hơn khi tưởng tượng phân tích dữ liệu khơng gian như việc sắp đặt các lớp bản đồ GIS. Các lớp này tương tự như những bản đồ giấy có nền trong suốt mà ta có thể chồng xếp lên nhau. Thường thì một lớp bản đồ GIS chỉ chứa một loại dữ liệu (gọi là theme). Khi chưa có máy tính thì người ta phải thực hiện việc phân tích thủ cơng với các bản đồ có nền trong suốt. Nếu giải quyết một vấn đề dữ liệu có tính khơng gian, người sử dụng phải xác định hiện tượng cần nghiên cứu và trình tự tiến hành phân tích dữ liệu. Hệ thống GIS cung cấp một tập hợp các cơng cụ "tools" hay cịn gọi là các chương trình máy tính cho phép người sử dụng thực hiện một loạt các động tác xử lý đối với bản đồ số và các dữ liệu thuộc tính. Các động tác phân tích này bao gồm các tìm kiếm khơng gian, các xử lý dữ liệu và phân tích khơng gian như sẽ được trình bày tiếp theo. Các chức năng phân tích và xử lý dữ liệu thuộc tính trong GIS sử dụng các biểu thức logic cũng tương tự như các công cụ đối với cơ sở dữ liệu thông thường như đã diễn tả ở phần đầu chương. Khi phân tích dữ liệu khơng gian (bản đồ), trừ chức năng chồng ghép thì các hoạt động khác có thể được thực hiện trên một lớp dữ liệu duy nhất hay trên hai hay nhiều lớp dữ liệu.
4.8.2 Khả năng ứng dụng của công nghệ GIS
- Ứng dụng công nghệ GIS trong lĩnh vực bản đồ ở một số cơng việc sau:
+Tự động hố q trình xây dựng bản đồ
+Sản xuất những bản đồ mới qua phân tích, xử lý dữ liệu +Ứng dụng máy tính trong bản đồ
+Các đối tượng có thể thay đổi trong bản đồ số mà khơng cần vẽ lại +Tỷ lệ và phép chiếu thay đổi dễ dàng
+Sự khác biệt giữa tự động hoá bản đồ và GIS như sau:
* Tạo bản đồ địi hỏi: hiểu biết về vị trí của đối tượng, giới hạn thuộc tính
* GIS địi hỏi: hiểu biết về vị trí của đối tượng và quan hệ giữa đối tượng và thuộc tính
Ở đây là sự khác biệt giữa cơ sở dữ liệu bản đồ và cơ sở dữ liệu có tính topology. Các phép tốn phân tích bản đồ được sử dụng để phân tích dữ liệu bản đồ số. Bản đồ đóng vai trị sống cịn của sự thành cơng trong GIS.
- Ứng dụng công nghệ GIS trong trắc địa:
Trắc địa là khoa học về đo đạc và xác định vị trí của các đối tượng trên mặt trái đất. Trong thiết kế đường, mơ hình DEM được sử dụng rất nhiều: tính khối lượng, hiển thị 3 chiều.
Các phát triển mới trong công nghệ:
+Thiết bị đo đạc máy đo điện tử “total station “
+Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System)
+Liên kết trực tiếp giữa thiết bị trắc địa và cơ sở dữ liệu không gian. Đặc điểm trong lĩnh vực này:
+Tỷ lệ lớn, đo đạc với sự chính xác đến mm độ phân giải trong mơ hình DEM cao +Mơ hình dữ liệu dùng loại vector.
- Ứng dụng công nghệ GIS trong viễn thám:
Đây là lĩnh vực cung cấp dữ liệu cho GIS. Viễn thám cho phép thu thập thông tin về trái đất từ vệ tinh hay máy bay.
Hai nguyên tắc chính của viễn thám dùng với GIS:
+Chất lượng và giá trị dữ liệu được cải thiện qua độ chính xác của phép phân loại. +Để có đầy đủ thơng tin cho tạo quyết định, cần kết hợp với các lớp thông tin khác khơng gian quan sát được từ ngồi khơng gian. Ví dụ: ranh giới hành chính.
Đặc điểm ứng dụng trong lĩnh vực này:
+Tỷ lệ bao trùm nhiều tỷ lệ phụ thuộc vào độ cao bay chụp và khả năng thiết bị +Mơ hình dữ liệu thu thập chủ yếu ở dạng raster
+ Ảnh sau khi phân loại có thể chuyển sang dạng vector hoặc input vào GIS
Viễn thám giao tiếp với GIS như là một hướng đang được phát triển hiện nay. Cả hai lĩnh vực đều đang được phát triển.
Trong viễn thám, các hệ thống bao gồm các chức năng xử lý ảnh.Giao tiếp là khơng khó khăn về mặt kỹ thuật, tuy nhiên vẫn cịn có sự khơng tương thích về mơ hình dữ liệu, format chuẩn và độ phân giải khơng gian.
Nhiều phần mềm GIS có chức năng chuyển đổi dữ liệu từ các hệ thống viễn thám và hiển thị dữ liệu vector trên nền ảnh viễn thám
Bản đồ ảnh: ảnh đã được nắn chỉnh, đưa các yếu tố toán học về bản đồ lên: phép chiếu, toạ độ, điểm khống chế, khung, lưới...
- Ứng dụng công nghệ GIS trong các ngành khoa học và công tác nghiên cứu:
+Ứng dụng GIS trong nghiên cứu khoa học đang được phát triển +Trợ giúp nghiên cứu mơi trường tồn cầu- global science +Tìm kiếm các yếu tố tạo nên các dịch bệnh - Vệ sinh dịch tễ +Tìm hiểu sự thay đổi trong di cư, phân bố dân số, kinh tế xã hội
+Tìm hiểu mối quan hệ giữa phân bố lồi và mơi trường sống: sinh thái học +GIS được gọi là công nghệ được dùng trong nghiên cứu như một công cụ +Trong khoa học thống kê
Đặc điểm ứng dụng trong lĩnh vực này: +Tỷ lệ: rất lớn đến rất nhỏ
+Chức năng: chồng xếp, để kết hợp, so sánh các lớp thông tin khác nhau như: Nội suy; Hiển thị dữ liệu; Phân tích 3D, các ứng dụng phụ thuộc thời gian.
- Các ứng dụng trong tài nguyên và môi trường:
+Điều tra và quản lý tài nguyên, môi trường là một trong những ứng dụng sớm nhất của GIS
+Những ứng dụng đã được thương mại hoá từ 1980
+Những hệ thống đã được thiết lập trong các bộ ngành như: Quản lý tài nguyên, rừng, khí đốt, v..v..
+Các ứng dụng đem lại thành công nhất là:
* Rừng điều tra, hệ thống rừng, quản lý lưu vực sông phát triển hệ thống cơ sở hạ tầng trong điều kiện có rừng
* Nông nghiệp nghiên cứu sự mất mùa, điều tra khả năng đất
* Sử dụng đất - qui hoạch việc sử dụng đất, qui hoạch vùng, đánh giá các tác động * Tự nhiên hoang dã - quản lý môi trường tự nhiên, đánh giá các yếu tố tác động đến môi trường tự nhiên
Đặc điểm của các ứng dụng cho quản lý tài ngun, mơi trường:
+Có nhiều lớp thơng tin: thơng thường, địi hỏi nhiều lớp thơng tin trên một vùng diện tích - các tài nguyên và các yếu tố quản lý liên quan và đa chiều
+Trộn lẫn các mơ hình dữ liệu - Raster và vector
+Với mơ hình vector, thiên về sử dụng các đối tượng polygon để phản ánh các vùng thuần nhất
+Tỷ lệ bản đồ với nhiều tỷ lệ nhưng thông thường trên 1/10.000
+Chất lượng dữ liệu: nhiều lớp thông tin là kết quả của phép nội suy, phân loại. Chất lượng có tính biến thiên, thường khơng đánh giá được
+Chức năng:
* Phân tích bản đồ đơn giản
* Chồng xếp, tính tốn, đo đạc vùng, tạo vùng đệm, tính vùng nhìn
* Mơ hình sử dụng thêm nhiều các mơ hình ngoại lai dựa trên các biến được lưu ở các lớp thông tin khác nhau
- Ứng dụng công nghệ GIS trong nông nghiệp:
Trong nông nghiệp, sự thiệt hại về tiềm năng tài nguyên thiên nhiên do việc mở rộng diện tích trồng lúa có thể được đánh giá về mặt số lượng, việc đánh giá trên cơ sở về mặt kinh tế của nơi có sự thay đổi về mặt kỹ thuật. GIS có thể chỉ ra sự thay đổi ở mặt giới hạn về số lượng (trong việc phát triển diện tích của một vùng mới). GIS cũng được sử dụng để chỉ ra những tuyến đường tốt nhất cho giao thông đường bộ và thuỷ lợi.
Những ứng dụng đặc trưng: Giám sát thu hoạch, quản lý sử dụng đất, dự báo về hàng hoá, nghiên cứu về đất trồng, kế hoạch tưới tiêu, kiểm tra nguồn nước.
-Ứng dụng GIS trong giao thông, điện, nước, điện thoại …
GIS có khả năng ứng dụng đáng kể trong lĩnh vực vận tải. Việc lập kế hoạch và duy trì cở sở hạ tầng giao thơng rõ ràng là một ứng dụng thiết thực, nhưng giờ đây có sự quan tâm đến một lĩnh vực mới là ứng dụng định vị trong vận tải hàng hải, và hải đồ điện tử. Loại hình đặc trưng này địi hỏi sự hỗ trợ của GIS.
Những công ty trong lĩnh vực này là những người dùng GIS linh hoạt nhất, GIS được dùng để xây dựng những cơ sở dữ liệu là cái thường là nhân tố của chiến lược công nghệ thông tin của các công ty trong lĩnh vự này. Dữ liệu vecto thường được dùng trong các lĩnh vực này. những ứng dụng lớn nhất trong lĩnh vực này là Automated Mapping và Facility Management (AM-FM). AM-FM được dùng để quản lý các đặc điểm và vị trí của các cáp, valve... Những ứng dụng này đòi hỏi những bản đồ số với độ chính xác cao.
Một tổ chức dù có nhiệm vụ là lập kế hoạch và bảo dưỡng mạng lưới vận chuyền hay là cung cấp các dịch vụ về nhân lực, hỗ trợ cho các chương trình an tồn cơng cộng và hỗ trợ trong các trường hợp khẩn cấp, hoặc bảo vệ mơi trường, thì cơng nghệ GIS ln đóng vai trị cốt yếu bằng cách giúp cho việc quản lý và sử dụng thông tin địa lý một cách hiệu quả nhằm đáp ứng các yêu cầu hoạt động và mục đích chương trình của tổ chức đó.