3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
1.2.1. Hệ thống thông tin địa lý GIS
1.2.1.1. Định nghĩa
Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems) được định nghĩa như là một hệ thống thông tin mà nó sử dụng dữ liệu đầu vào, các thao tác phân tích, cơ sở dữ liệu đầu ra liên quan về mặt địa không gian (Geographically hay Geospatial), nhằm trợ giúp việc thu nhận, lưu trữ, quản lý, xử lý, phân tích và hiển thị các thông tin không gian từ thế giới thực để giải quyết các vấn đề tổng hợp thông tin cho các mục đích của con người đặt ra, chẳng hạn như: để hỗ trợ ra các quyết định cho việc quy hoạch (planning), và quản lý (management), sử dụng đất (land use), tài nguyên thiên nhiên (natural resources), môi trường (environment), giao thông (transportation), dễ dàng trong quy hoạch phát triển đô thị và những việc lưu trữ dữ liệu hành chính (Nguyễn Kim Lợi, 2007).
GIS được định nghĩa dựa trên cơ sở tổ chức “GIS là một cái phễu chứa đựng nhiều dạng dữ liệu số có thể phục hồi và phân tích trong một hệ thống đáp ứng cho các mục đích sử dụng tiếp theo” (Davis, năm 1986). GIS là một tập hợp các nguyên lý, phương pháp, công cụ và dữ liệu quy chiếu không gian được sử dụng để thu thập, lưu
trữ chuyển đổi phân tích, xây dựng mô hình, mô phỏng và thiết lập các bản đồ về hiện tượng, sự kiện trên trái đất nhằm sản sinh ra các thông tin thiết thực hỗ trợ cho việc ra quyết định (Nguyễn Văn Lợi, 2010).
GIS được coi như là một tập hợp các nguyên lý, phương pháp, công cụ, dữ liệu không gian để thu nhận, lưu trữ, chuyển đổi, phục hồi và phân tích, xây dựng mô hình, mô phỏng và thiết lập bản đồ về các hiện tượng trên trái đất, nhằm sản sinh ra các thông tin thiết thực trong một hệ thống thông tin địa lý để đưa ra các quyết định. Bởi vậy, (Cowen, năm 1988) cho rằng:“GIS là một hệ thống hỗ trợ quyết định liên quan đến hợp nhất dữ liệu không gian trong một môi trường giải quyết các vấn đề phức tạp về thế giới thực” (Nguyễn Văn Lợi, 2010).
Hiện nay ở hầu hết các nước có trình độ phát triển cao đã có một khối lượng thông tin lớn để phục vụ cho nhu cầu sử dụng thông tin của xã hội. Ngay cả những nước đang phát triển còn thiếu hụt khá nhiều thông tin nhưng vẫn có nhiều dữ liệu và thông tin được tạo ra. Hệ thống thông tin có thể được hiểu là tập hợp các dữ liệu được khảo sát, thu thập, lưu trữ xử lý và sử dụng giúp cho việc lựa chọn để ra quyết định có lợi nhất cho con người. Nếu gọi thông tin là đầu ra thì các dữ liệu là đầu vào được thu thập bằng nhiều cách, ở nhiều mức khác nhau, ở những vị trí khác nhau trong nhiều thời điểm khác nhau vẽ lên một bức tranh tổng quát hay chi tiết sự vật hiện tượng cần nghiên cứu.
Bất kỳ một hệ thống thông tin nào cũng có các chức năng sau: chức năng nhận dữ liệu từ các nguồn dữ liệu, xử lý số liệu, trình bày dữ liệu, chức năng suy giải và phân tích thông tin để đưa ra quyết định.
1.2.1.2. Các thành phần của GIS
GIS được kết hợp bởi 5 thành phần chính: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người, chính sách và quản lý
Hình 1.1. Các thành phần của GIS
Dữ liệu
Phần cứng Phần mềm
Con người Chính sách và quản lý
+ Phần cứng
Phần cứng là hệ thống máy tính trên đó một hệ GIS hoạt động. Ngày nay, phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng.
+ Phần mềm
Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Các thành phần chính trong phần mềm GIS là:
• Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý. • Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS).
• Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý.
• Giao diện đồ họa người – máy (GUI) để truy cập các công cụ dễ dàng.
+ Dữ liệu
Có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu. Các dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc được mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại. Hệ số GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng (DBMS) để tổ chức lưu giữ và quản lý giữ liệu.
+ Con người
Công cụ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng nó trong thực tế. Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống, hoặc những người dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc.
+ Chính sách và quản lý
Đây là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS. Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin.
1.2.1.3. Chức năng của GIS
Một hệ thống GIS phải đảm bảo được 6 chức năng cơ bản sau:
+ Thu thập dữ liệu (Capture): Dữ liệu có thể lấy từ rất nhiều nguồn, có thể là bản đồ giấy, ảnh chụp, bản đồ số…
+ Truy vấn (Query): Người dùng có thể truy vấn thông tin đồ họa hiển thị trên bản đồ.
+ Phân tích (Analyze): Đây là chức năng hỗ trợ việc ra quyết định của người dùng. Xác định những tình huống có thể xảy ra khi bản đồ có sự thay đổi.
+ Hiển thị (Display): Hiển thị bản đồ.
+ Xuất dữ liệu (Output): Hỗ trợ việc kết xuất dữ liệu bản đồ dưới nhiều định dạng: giấy in, website, ảnh, file
Hình 1.2. Quan hệ giữa các nhóm chức năng của GIS
1.2.1.4. Ứng dụng của GIS
GIS có mặt hầu hết các lĩnh vực khoa học công nghệ và đời sống xã hội từ những thập kỷ 70 của thế kỷ trước.
* Trong lĩnh vực môi trường
Các ứng dụng GIS được liên tục phát triển trong lĩnh vực quản lý và bảo vệ môi trường. Xu hướng hiện nay trong quản lý môi trường là sử dụng tối đa khả năng cho phép của GIS. Sự phát triển của phần cứng làm cho máy tính có nhiều khả năng hơn, mạnh hơn và các ứng dụng GIS cũng trở nên thân thiện hơn với người sử dụng bởi các khả năng hiển thị dữ liệu ba chiều, các công cụ phân tích không gian và giao diện tuỳ biến. Nhờ khả năng xử lý các tập hợp dữ liệu lớn từ các cơ sở dữ liệu phức tạp, nên GIS thích hợp với các nhiệm vụ quản lý môi trường. Các mô hình phức tạp cũng có thể dễ dàng cập nhật thông tin nhờ sử dụng GIS. Các cơ quan chính phủ dùng GIS
Dữ liệu có cấu trúc
Tài liệu, bản đồ giấy Quan sát, điều tra thực địa Thu thập
dữ liệu Dữ liệu thô Xuất dữ liệu Hiển thị Truy vấn Phân tích Lưu trữ Thiết bị đầu ra CSDL
trong quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong các hoạt động quy hoạch, mô hình hoá và quan trắc.
* Khí tượng thuỷ văn
Trong lĩnh vực này GIS được dùng như là một hệ thống đáp ứng nhanh, phục vụ chống thiên tai như lũ quét ở vùng hạ lưu, xác định tâm bão, dự đoán các luồng chảy, xác định mức độ ngập lụt, từ đó đưa ra các biện pháp phòng chống kịp thời... vì những ứng dụng này mang tính phân tích phức tạp nên mô hình dữ liệu không gian dạng ảnh (Raster) chiếm ưu thế.
* Trong nông nghiệp
Trong nông nghiệp, sự thiệt hại về tiềm năng tài nguyên thiên nhiên do việc mở rộng diện tích trồng lúa, hoa màu và các loài cây lương thực thực phẩm 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. GIS cũng được sử dụng để chỉ ra những tuyến đường tốt nhất cho giao thông đường bộ và thuỷ lợi. Một hướng sử dụng quan trọng khác của GIS là trong phân tích thống kê những đặc điểm qua việc xác định các vùng đệm. Ví dụ, đất xung quanh một khu đồng ruộng được giới hạn có thể được nghiên cứu để quyết định cách sử dụng đất thích hợp nhất, vùng đệm xung quanh có thể được chồng lấp với hiện trạng đất có khả năng tiềm tàng lý tưởng để chọn ra cách sử dụng có hiệu quả nhất.
* Tài nguyên rừng
Ngày nay, công việc quản lý tài nguyên rừng đang là một thách thức lớn. Với GIS các nhà quản lý có thể thực hiện nhiệm vụ này dễ dàng hơn. Có thể kiểm kê trạng thái gỗ, thủy hệ, đường giao thông, đường tàu hoả và các hệ sinh thái và sử dụng những thông tin này để đánh giá về mùa vụ, chi phí vận chuyển, hoặc điều kiện sống của các động vật hoang dã đang bị đe dọa. Đánh giá các đặc điểm của một khu rừng dựa trên các điều kiện quản lý khác nhau. Trên cơ sở các dự báo này, có thể quan sát tương lai của khu rừng dưới dạng bản đồ và số liệu phân tích, từ đó vạch ra chiến lược quản lý và phát triển các nguồn tài nguyên rừng sao cho đạt được hiệu quả cao. GIS có thể được dùng như một thành phần của Hệ thống hỗ trợ quyết định trong quản lý lâm nghiệp, chẳng hạn, được dùng để mô hình hoá các thành phần không gian. Dùng mô hình GIS như một phần của Hệ thống hỗ trợ quyết định (DSS) cho phép nâng cao chất lượng quản lý tài nguyên rừng. DORIS-Systemgruppe-AMT sử dụng GIS để mô phỏng các khu rừng của Ðức bằng mô hình 3 chiều. Hiển thị dữ liệu theo không gian giúp các nhà quản lý nắm bắt cụ thể hơn về đối tượng. Bạn có thể sử dụng GIS để hiển thị và phân tích dữ liệu thuộc tính. Chẳng hạn, Chambers Group sử dụng GIS và các dữ liệu thu thập được từ hệ thống định vị toàn cầu (GPS) để dẫn ra sự phân bố và mật độ của các quần thể rùa cạn sa mạc.
* Trong lĩnh vực tài chính
Trong lĩnh vực tài chính, GIS đã từng được áp dụng cho việc xác định vị trí những chi nhánh mới của ngân hàng. Hiện nay việc sử dụng GIS đang tăng lên trong lĩnh vực này, nó là một công cụ đánh giá rủi ro và mục đích bảo hiểm, xác định với độ chính xác cao hơn những khu vực có độ rủi ro lớn nhất hay thấp nhất.
* Trong lĩnh vực Y tế
Ngoại trừ những ứng dụng đánh gía, quản lý mà GIS hay được dùng, GIS còn có thể áp dụng trong lĩnh vực y tế. Ví dụ như, nó chỉ ra được lộ trình nhanh nhất giữa vị trí hiện tại của xe cấp cứu và bệnh nhân cần cấp cứu, dựa trên cơ sở dữ liệu giao thông. GIS cũng có thể được sử dụng như là một công cụ nghiên cứu dịch bệnh để phân tích nguyên nhân bộc phát và lây lan bệnh tật trong cộng đồng.
* Trong lĩnh vực giao thông
GIS có khả năng ứng dụng đáng kể trong lĩnh vực vận tải. Việc lập kế hoạch và duy trì cơ sở hạ tầng giao thông 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 đòi hỏi sự hỗ trợ của GIS.
* Dự báo xói lở, biến đổi lòng dẫn trong sông
Công nghệ viễn thám - GIS đã được ứng dụng nhiều trong dự báo sạt lở bờ sông biển hiện nay ở Việt Nam. Như công nghệ GIS - Viễn thám được ứng dụng để đánh giá tình hình biến động lòng dẫn hạ lưu sông Thu Bồn do trường Đại học thuỷ lợi thực hiện. Thông qua phần mền xử lý ảnh và hệ thống thông tin địa lý GIS, ảnh máy bay, ảnh vệ tinh, bản đồ địa hình và các tài liệu liên quan khác được giải đoán thông tin.Bản đồ địa hình, ảnh vệ tinh chụp hiện trạng đoạn hạ lưu sông Thu Bồn ở những thời gian khác nhau 1965, 1981, 1988, 1996 được giải mã bằng các công cụ GIS và viễn thám. Dựa trên kết quả này, tình hình diễn biến lòng sông qua các giai đoạn được phân tích, so sánh.Từ đó, có thể đưa ra một số định hướng nhằm hạn chế xói lở và biến đổi lòng dẫn.
* Cảnh báo lũ
Lũ là hiện tượng thiên tai gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến rất nhiều vùng, nhiều quốc gia từ năm này đến năm khác. Lũ gây thiệt hại về người, về của cũng như suy giảm môi trường sinh thái. Lũ không thể tránh được hoàn toàn nhưng thiệt hại do lũ có thể giảm thiểu. Hầu hết trong các vùng và quốc gia có nhiều lũ xuất hiện thì công tácgiảm thiệt hại được xác định là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu. Các biện pháp thực hiện bao gồm cả biện pháp công trình và phi công trình. Cảnh báo lũ là một biện pháp phi công trình quan trọng nhằm giảm thiệt hạt về người, mùa màng và tài sản khi lũ
xuất hiện. Ứng dụng GIS trong cảnh báo lũ được thực hiện ở khắp các vùng, các quốc gia trên thế giới.
* Quản lý chính sách của chính quyền địa phương
Chính quyền địa phương là một trong những lĩnh vực ứng dụng rộng lớn nhất của GIS, bởi vì đây là một tổ chức sử dụng dữ liệu không gian nhiều nhất. Tất cả các cơ quan của chính quyền địa phương có thể có lợi từ GIS. GIS có thể được sử dụng trong việc tìm kiếm và quản lý thửa đất, thay thế cho việc hồ sơ giấy tờ hiện hành. Nhà cầm quyền địa phương cũng có thể sử dụng GIS trong việc bảo dưỡng nhà cửa và đường giao thông. GIS còn được sử dụng trong các trung tâm điều khiển và quản lý các tình huống khẩn cấp.
* Bảo tồn những loài đang bị đe doạ
Hiện nay ô nhiễm môi trường đang đe doạ sự tồn tại của nhiều loài sinh vật. GIS đã hỗ trợ tích cực trong công việc bảo tồn những loài động vật đang bị đe doạ. Các dữ liệu bao gồm thông tin về chất lượng môi trường, nhiệt độ nước, sự phân bố của các loài động vật và nguồn thức ăn.
1.2.1.5. Những hạn chế của GIS hiện nay
Hiện nay, vẫn còn nhiều hạn chế về mặt kỹ thuật và tổ chức trong việc hữu dụng hóa kỹ thuật GIS, đặc biệt là ở các nước kém và đang phát triển.
Một số hạn chế:
+ Phân tích chưa đầy đủ các vấn đề như nó đang xảy ra trong việc quản lý đất đai phức tạp và vấn đề bền vững ở cấp độ hộ gia đình, cũng như nó bao gồm trong việc tổng hợp những vấn đề liên quan đến sinh học, kinh tế xã hội và chính trị trong một thể chung toàn diện.
+ Những hạn chế trong khả năng hữu dụng của số liệu và chất lượng số liệu ở tất cả các tỉ lệ, đặc biệt là các số liệu cần phải có sự khảo sát thực tế mặt đất.
+ Thiếu sự trao đổi thường xuyên số liệu, định dạng các phần chính của hệ thống. + Những phương tiện thông tin chưa đầy đủ giữa các hệ thống máy tính, bộ phận cung cấp số liệu và người sử dụng thí dụ như các vùng có mạng lưới điện thoại, internet còn nghèo nàn, chưa thông suốt.
+ Các hệ thống đào tạo ở các trường Đại học, Cao đẳng hầu như mới chỉ dừng lại ở cấp độ lý thuyết, chưa nắm vững được kiến thức thực tế trong việc áp dụng GIS trong thực tiễn trên nhiều lĩnh vực khác nhau.