2.3.1. Định nghĩa về GIS
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) là một nhánh của công nghệ thông tin, đã được hình thành từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây. Có nhiều định nghĩa về GIS, nhưng nói chung đã thống nhất quan niệm chung: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định.
Xét dưới góc độ là công cụ, GIS dung để thu thập, lưu trữ, biến đổi, hiển thị các thông tin không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể.
Xét dưới góc độ là phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể.
Xét dưới góc độ là các phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tượng. Có thể nói các chức năng phân tích không gian đã tạo ra diện mạo riêng cho GIS.
Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một công nghệ xử lý các dữ liệu có tọa độ để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết định phục vụ các nhà quản lý.
Xét dưới góc độ hệ thống, GIS là hệ thống gồm các hợp phần: Phần cứng, Phần mềm, Cơ sở dữ liệu, Phương pháp và Đội ngũ chuyên gia (Trần Thị Băng Tâm, 2006).
2.3.2. Các bộ phận cấu thành của GIS
Công nghệ GIS bao gồm 5 hợp phần cơ bản: phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu, con người, phương pháp.
Hình 2.1. Sơ đồ các thành phần cấu tạo GIS
Nguồn: Thủ thuật GIS - Phần cứng: Là thiết bị bao gồm máy vi tính (Computer), máy vẽ (plotters), máy in (printer), bàn số hóa (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), các phương tiện lưu trữ số liệu (Floppy diskettes, optical cartridges, C.D ROM v.v…).
- Phần mềm gồm có hệ điều hành và các phần mềm được cài đặt trong hệ điều hành đó. Phần mềm cung cấp các chức năng và công cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Ngoại trừ hệ điều hành, các phần mềm còn lại giúp người dùng trong các công việc của hệ thống. Các công việc này có thể là chỉnh sửa, cập nhật dữ liệu, phân tích dữ liệu để phục vụ các quyết định và nhiều công việc khác.
- Dữ liệu của hệ thống được xem là một thành phần rất quan trọng và thường được ví như là linh hồn của hệ thống. Dữ liệu được lưu trữ theo nhiều cách khác nhau, ngày nay thường được lưu trữ thành những bảng có nhiều cột và nhiều dòng, các bảng có quan hệ với nhau. Để quản lý các cơ sở dữ liệu, người ta sử dụng những phần mềm riêng, những phần mềm này được gọi là hệ quản trị cơ sở dữ liệu. Cơ sở dữ liệu cần được thường xuyên cập nhật theo thời gian. Có thể chia dữ liệu trong GIS thành hai loại:
+ Dữ liệu không gian (spatial) cho ta biết kích thước vật lý và vị trí địa lý của các đối tượng trên bề mặt trái đất.
+ Dữ liệu thuộc tính (non-spatial) là các dữ liệu ở dạng văn bản cho ta biết thêm thông tin thuộc tính của đối tượng.
- Phương pháp: là kỹ thuật, thao tác được sử dụng để nhập, quản lý, phân tích các dữ liệu không gian và đảm bảo chất lượng của nó (số hóa, xây dựng CSDL, phân tích không gian...).
- Con người: Đây là một trong những hợp phần quan trọng của công nghệ GIS, đòi hỏi những chuyên viên hướng dẫn sử dụng hệ thống để thực hiện các chức năng phân tích và xử lý các số liệu. Đòi hỏi phải thông thạo về việc lựa chọn các công cụ GIS để sử dụng, có kiến thức về các số liệu đang được sử dụng và thông hiểu các tiến trình đang và sẽ thực hiện.
Như vậy, trong 5 hợp phần của GIS, yếu tố con người đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, đây là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS (Trần Thị Băng Tâm 2006).
2.3.3. Giới thiệu về công nghệ ArcGIS
ArcGIS là hệ thống GIS hàng đầu hiện nay, cung cấp một giải pháp toàn diện từ thu thập, nhập số liệu, chỉnh lý, phân tích và phân phối thông tin trên mạng Internet tới các cấp độ khác nhau như CSDL địa lý cá nhân hay CSDL của các doanh nghiệp. Về mặt công nghệ, hiện nay các chuyên gia GIS coi công nghệ ESRI là một giải pháp mang tính chất mở, tổng thể và hoàn chỉnh, có khả năng khai thác hết các chức năng của GIS trên các ứng dụng khác nhau như: desktop (ArcGIS Desktop), máy chủ (ArcGIS Server), các ứng dụng Web (ArcIMS, ArcGIS Online), hoặc hệ thống thiết bị di động (ArcPAD)... và có khả năng tương tích cao đối với nhiều loại sản phẩm của nhiều hãng khác nhau (Geo Việt, 2012).
Hình 2.2. Bộ phần mềm ứng dụng ArcGIS
Nguồn: ESRI ArcGIS Desktop là một sản phẩm của Viện nghiên cứu hệ thống môi trường của Mỹ (ESRI). ArcGIS là một hệ thống thông tin địa lý cho phép người sử dụng thực hiện những chức năng của GIS ở bất cứ nơi nào họ muốn: trên màn hình, máy chủ, trên web, trên các field… ArcGIS lưu trữ và quản lý dữ liệu địa lý ở nhiều khuôn dạng khác nhau. Ba mô hình dữ liệu cơ bản mà ArcGIS sử dụng là vector, raster và TIN. Ngoài ra, người dùng có thể nhập dữ liệu bảng vào GIS (Geo Việt, 2012).
ArcGIS Desktop có 3 phiên bản (License) là: ArcView, ArcEditor, ArcInfor. Tùy theo nhu cầu sử dụng của từng cơ quan, cá nhân mà chúng ta có thể lựa chọn phiên bản cho phù hợp. Tất cả các phiên bản của ArcGIS Desktop đều bao gồm các ứng dụng ArcMap, ArcCatalog và ArcToolbox (Geo Việt, 2012).
- ArcView: là một phần mềm đuợc sử dụng phổ biến nhất trên thế giới bởi vì nó cung cấp cho người dùng một cách dễ dàng nhất để sử dụng thông tin địa lý. ArcView có thể sử dụng rất nhiều định dạng dữ liệu khác nhau thậm chí có thể lấy đuợc dữ liệu từ Internet. Đây là phần mềm hệ thống thông tin địa lý với đầy đủ chức năng cho phép biểu diễn, quản lý, xây dựng và phân tích dữ liệu địa lý. ArcView có thể hiểu được bối cảnh địa lý của dữ liệu, cho phép thể hiện
các mối quan hệ và nhận dạng các mô hình theo một cách mới. Với công cụ mô hình hóa các thao tác xử lý dữ liệu, ArcView cho phép quản lý và thay đổi dây chuyền xử lý dữ liệu một cách dễ dàng.
- ArcEditor: là phần mềm GIS chạy trên Desktop dùng để chỉnh sửa và quản lý dữ liệu địa lý. ArcEditor là một phần mềm trong bộ những sản phẩm GIS, nó bao gồm các tính năng của ArcView và thêm vào đó là một số các công cụ chỉnh sửa, biên tập. ArcEditor hỗ trợ cho người biên tập cá nhân hoặc cho nhiều người cùng hợp tác biên tập. Bộ công cụ mở rộng của ArcEditor không những cho phép nhập hoặc xóa những dữ liệu đơn giản mà còn cả những thiết kế và phiên bản phức tạp.
- ArcInfo: là phần mềm GIS đầy đủ nhất, ArcInfo bao gồm tất cả các chức năng của ArcView lẫn ArcEditor, các tính năng cao cấp trong xử lý dữ liệu không gian và khả năng chuyển đổi dữ liệu. Người dùng GIS chuyên nghiệp sử dụng ArcInfo để thực hiện toàn bộ các công việc như xây dựng dữ liệu, mô hình hóa, phân tích, hiển thị bản đồ trên màn hình máy tính và xuất bản bản đồ ra các phương tiện khác nhau. ArcInfo còn cung cấp tất cả các chức năng tạo và quản lý một hệ GIS thông minh. Với chức năng này, người dùng có thể truy nhập dễ dàng thông qua giao diện đơn giản đã được mô hình một cách tùy biến và mở rộng hoặc thông qua các script và các ứng dụng khác.
Dù làm việc trong môi trường nào thì người dùng cũng đều sử dụng bộ ba ứng dụng của ArcGIS Desktop là ArcCatalog, ArcMap và ArcToolbox để làm việc. ArcCatalog là ứng dụng để quản lý dữ liệu không gian, quản lý thiết kế cơ sở dữ liệu, tạo và xem Metadata. ArcMap được sử dụng trong mọi thao tác biên tập và thành lập bản đồ, cũng như là để thực hiện các phép phân tích bản đồ. ArcToolbox dùng để chuyển đổi các dạng dữ liệu và thực hiện các phép xử lý dữ liệu về địa lý.
Kết hợp ba ứng dụng ArcMap, ArcCatalog và ArcToolbox người dùng có thể thực hiện bất kỳ nhiệm vụ GIS nào, từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm thành lập bản đồ, quản lý dữ liệu, phân tích các mối quan hệ không gian, chỉnh sửa tính năng hình dạng và các thuộc tính.
2.3.4. Ứng dụng của GIS
Hiện nay, GIS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực (Nguyễn Đức Thuận, 2013):
a. Môi trường
Theo những chuyên gia GIS kinh nghiệm nhất thì có rất nhều ứng dụng đã phát triển trong những tổ chứa quan tâm đến môi trường. Với mức đơn giản nhất thì người ta sử dụng GIS để đánh giá môi trường, ví dụ như:
- Vị trí và thuộc tính của cây rừng;
- Ứng dụng GIS với mức phức tạp hơn là dùng khả năng phân tích của GIS để mô hình hóa các tiến trình xói mòn đất sự lan truyền ô nhiễm trong môi trường khí hay nước;
- Sự phản ứng của một lưu vực sông dưới sự ảnh hưởng của một trận mưa lớn. - Quản trị rừng (thoe dõi sự thay đổi, phân loại…);
- Quản trị đường di cư và đời sống động vật hoang dã; - Quản lý và quy hoạch đồng bằng ngập lụt, lưu vực sông;
- Bảo tồn tài nguyên đất, nghiên cứu các vấn đề về đất, xây dựng bản đồ và thống kê chất lượng thổ nhưỡng;
- Phân tích biến động khí hậu, thủy văn và các tác động môi trường; - Quản trị sở hữu ruộng đất, quy hoạch và đánh giá sử dụng đất đai; - Quản lý chất lượng nước;
- Quản lý, đánh giá và theo dõi dịch bệnh.
b. Khí tượng thủy văn
Trong lĩnh vực này GIS được dùng như 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.
c. Nông nghiệp
Trong nghiên cứu sản xuất nông nghiệp và phát triển nông thôn, các lĩnh vực ứng dụng của kỹ thuật GIS rất rộng rãi. Do vậy GIS trở thành công cụ đắc dụng cho việc quản lý và tổ chức sản xuất nông nghiệp – nông thôn trên các vùng lãnh thổ. Những ứng dụng đặc trưng:
- Thổ nhưỡng: Xât dựng các bản đồ đất, bản đồ nông hóa thổ nhưỡng, bản đồ đất thích hợp…, đặc trưng hóa các lớp phủ thổ nhưỡng;
- Trồng trọt: Xác định khả năng thích nghi của các loại cây trồng, sự thay đổi của việc sử dụng đất, xây dựng các đề xuất về sử dụng đất, khả năng bền vững của sản xuất nông nghiệp cũng như Nông – Lâm kết hợp, theo dõi mạng lưới khuyến nông, khảo sát nghiên cứu dịch bệnh cây trồng (côn trùng và cỏ dại), suy đoán hay nội suy các ứng dụng kỹ thuật;
- Kinh tế nông nghiệp: Điều tra dân số/nông hộ, thống kê, khảo sát kỹ thuật canh tác, xu thế thị trường của cây trồng, nguồn nông sản hàng hóa;
- Phân tích khí hậu: Hạn hán, lũ lụt và các yếu tố thời tiết thống kê;
- Mô hình hóa nông nghiệp: Ước lượng, tiên đoán năng suất cây trồng, chăn nuôi gia súc, gia cầm thống kê, xác định vùng phân bố, khảo sát và theo dõi diễn biến, dự báo dịch bệnh.
d. Y tế
Ngoại trừ những ứng dụng đánh giá 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.
e. 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.
- GIS có thể được sử dụng trong việc tìm kiếm và quản lý thửa đất, thay thế cho hồ sơ giấy tờ hiện hành;
- Nhà cầm quyền địa phương cũng có thể sử dụng GIS trong việc bảo dưỡng nhà cửa và đừng giao thông;
- GIS còn được sử dụng trong các trung tâm điều khiển và quản lý các tình huống khẩn cấp;
- Nghiên cứu, hỗ trợ các chương trình quy hoạch phát triển:
+ Đánh giá khả năng thích nghi cây trồng, vật nuôi và động vật hoang dã; + Đinh hướng và xác định các vùng phát triển tối ưu trong sản xuất nông nghiệp;
- Nghiên cứu điều kiện kinh tế - xã hội: + Quản lý dân số;
+ Quản trị mạng lưới giao thông (thủy-bộ);
+ Quản lý mạng lưới y tế, giáo dục, quản lý đô thị và các công trình công cộng;
+ Điều tra quản lý hệ thống cơ sở hạ tầng và có hiệu quả cao trong lĩnh vực địa chính.
f. 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 đó 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.
2.3.5. Tổng quan về WebGIS
2.3.5.1. Khái niệm về Web – GIS
Web-GIS là một ứng dụng GIS chạy trên nền Web (Web-based), nó kế thừa đầy đủ các đặc tính của cả 2 nền tảng như sự tiện lợi, khả năng truy cập mọi lúc mọi nơi, giá thành thấp, dễ dàng phân phối, chia sẻ, cập nhật sản phẩm, giao diện thân thuộc với người dùng của Web lẫn khả năng tìm kiếm, phân tích, thể hiện bản đồ, trợ giúp đưa ra quyết định tốt của GIS (Trần Nam Phong và cs., 2014).
Web–GIS được xem như là một hệ thống thông tin địa lý được phân bố qua môi trường mạng máy tính để tích hợp, phân phối và truyền tải thông tin địa lý trực tuyến trên Internet. Các lợi ích của Web-GIS (Trần Nam Phong và cs., 2014):
- Có khả năng phân phối thông tin địa lý rộng rãi trên toàn cầu.
- Người dùng Intenet có thể truy cập đến các ứng dụng GIS mà không phải mua phần mềm.
- Đối với phần lớn người dùng không có kinh nghiệm về GIS thì việc sử dụng Web - GIS sẽ đơn giản hơn việc sử dụng các ứng dụng GIS loại khác. Phương thức hoạt động của Web-GIS:
- Server side: cho phép người dùng gửi yêu cầu lấy dữ liệu và phân tích trên máy chủ. Máy chủ sẽ thực hiện các yêu cầu và gửi trả dữ liệu hoặc kết quả cho người dùng.
- Client side: cho phép người dùng thực hiện vài thao tác phân tích trên dữ liệu tại chính máy người dùng.
- Server và client: kết hợp hai phương thức server side và client side để phục vụ nhu cầu của người dùng.
2.3.5.2. Tình hình ứng dụng công nghệ Web xây dựng Website cung cấp thông tin về đất đai
* Trên thế giới
Với lợi thế về của GIS là có thể thể hiện các đối tượng địa lý lên trên nền web một cách trực quan nhất, qua đó giúp người dùng dễ hình dung ra nội dung nhà cung cấp muốn truyền tải, phát huy các thế mạnh của nền tảng web là khả năng cập nhật thông tin tức thời cho toàn hệ thống, phổ biến chia sẻ thông tin đến mọi người dễ dàng. Web-GIS có thể được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác