1. 4 Đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.3. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý (gis) và Webgis
2.3.1. Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý
2.3.1.1. Khái niệm chung
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System- GIS). Nó được hình thành từ 3 khái niệm: Địa lý (Geographic), thông tin (Information) và hệ thống (System) (Phạm Hữu Đức, 2005).
Sơ đồ 2.1. Hệ thống thông tin địa lý trong hệ thống thông tin nói chung
Nguồn: Phạm Hữu Đức (2005)
2.3.1.2. Các khái niệm về hệ thống thông tin địa lý
Hệ thống máy tính ngay từ ban đầu đã nhanh chóng được sử dụng hữu hiệu vào các công việc liên quan tới địa lý và phân tích địa lý. Cùng với ứng dụng máy tính ngày càng tăng, khái niệm GIS phát triển từ những năm 1960. Nhiều định nghĩa GIS ra đời:
- Burrough (1986): “GIS là một tập hợp các công cụ cho việc thu thập, lưu trữ, thể hiện và chuyển đổi các dữ liệu mang tính chất không gian từ thế giới thực để giải quyết các bài toán ứng dụng phục vụ các mục đích cụ thể”.
Hệ thông tin
Hệ thông tin phi hình học (Kế toán, Quản lý nhân
sự...)
Hệ thông tin không gian
Hệ thông tin địa chính
Hệ thông tin đất đai (LIS) Các hệ thống GIS khác
(Kinh tế xã hội, Dân số...)
Hệ thông tin địa
lý (GIS) gian khác (CAD/CAM),... Các hệ thông tin không
Hệ thống thông tin quản lý đất sử dụng (rừng,
- Lord Chorley (1987): GIS là hệ thống thu nạp, lưu trữ, kiểm tra, tích hợp, vận dụng, phân tích và biểu diễn dữ liệu tham chiếu tới mặt đất. Những dữ liệu này thông thường là cơ sở dữ liệu tham chiếu không gian dựa trên những phần mềm ứng dụng.
- Michael Zeiler: Hệ thống thông tin địa lý GIS là sự kết hợp giữa con người thành thạo công việc, dữ liệu mô tả không gian, phương pháp phân tích, phần mềm và phần cứng máy tính - tất cả được tổ chức quản lý và cung cấp thông tin thông qua sự trình diện địa lý.
- David Cowen, NCGIA, USA: GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục được thiết kế để thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mô hình hóa và hiển thị các dữ liệu quy chiếu không gian để giải quyết các vấn đề quản lý và lập kế hoạch phức tạp (Trần Thị Băng Tâm, 2006).
2.3.2. Khái niệm về WEBGIS
Theo định nghĩa do tổ chức bản đồ thế giới (Cartophy) đưa ra thì: “WebGIS 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”.
WebGis 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 WebGIS sẽ đơn giản hơn việc sử dụng các ứng dụng GIS loại khác (Trần Nam Phong và cs., 2014).
2.3.3. Các chức năng của hệ thống thông tin địa lý
Theo Calkins and Tomlinson (1997) một hệ GIS phải đảm bảo được 6 chức
năng cơ bản sau:
- Thu thập dữ liệu: Dữ liệu có thể lấy từ nhiều nguồn, có thể là bản đồ giấy, ảnh chụp, bản đồ số… Đa số nguồn gốc thông tin không gian là các bản đồ in hay bản đồ lưới khuôn mẫu tương tự. Để các dữ liệu này được sử dụng trong GIS thì chúng cần được số hóa. Ở mức độ thủ công thì chỉ có thể số hóa các đặc trưng bản đồ và nhập thuộc tính mô tả đặc trưng đó. Còn ở mức độ tự động hóa cao hơn là số hóa bằng máy quét ảnh để phát sinh ảnh số bản đồ đầy đủ. Nói chung công việc thu thập dữ liệu hay “làm dữ liệu bản đồ” là nhiệm vụ khó khăn và là quan trọng nhất khi xây dựng các ứng dụng GIS.
- Lưu trữ dữ liệu có thể được lưu dưới dạng vector hay raster để nhận diện hiện tượng tham chiếu không gian. Thông thường dữ liệu thuộc tính của GIS trên cơ sở đối tượng được lưu trong bảng, chúng chứa khóa chính là một chỉ danh duy nhất tương ứng với đối tượng không gian, kèm theo nhiều mục tiêu dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian tương ứng. Trong bảng thuộc tính cũng có thể bao gồm cả giá trị không gian như độ dài đường, diện tích vùng mà chúng đã được dẫn xuất từ biểu diễn dữ liệu hình học.
- Truy vấn (tìm kiếm) dữ liệu: Người dùng có thể truy vấn thông tin đồ họa hiển thị trên bản đồ. Có khả năng xây dựng câu hỏi truy vấn để tìm thông tin mà giá trị của chúng bằng hoặc nằm trong khoảng xác định. Đặc tính đặc biệt theo vị trí đối với hệ tọa độ nào đó và theo các quan hệ không gian. Do nhu cầu khai thác thông tin trên cơ sở dữ liệu không gian bao gồm phương pháp chỉ số không gian đặc biệt. Câu hỏi không gian thường là tìm ra đối tượng nằm trong hay trên các biên của cửa sổ hình chữ nhật. Khai thác dữ liệu trên cơ sở vị trí hay quan hệ không gian được xem như nền tảng của thâm nhập CSDL GIS.
- Phân tích dữ liệu: Đây là chức năng hỗ trợ việc ra quyết định của người dùng. Xác định các tình huống có thể xảy ra khi bản đồ thay đổi. Phân tích dữ liệu gồm: Tạo vùng đệm, chồng xếp bản đồ, nội suy… Trong đó “Trái tim của GIS chính là chức năng chồng xếp bản đồ”, qua đó chúng ta có thể tổng hợp nhiều lớp dữ liệu khác nhau và đưa ra kết quả này trên bản đồ tổng hợp.
- Hiển thị dữ liệu: Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng được thể hiện tốt nhất dưới dạng bản đồ. Bản đồ rất hiệu quả trong việc lưu trữ, trao đổi các thông tin. Ngoài ra bản đồ còn có thể hiển thị kết hợp với các bản đồ báo cáo, hình ảnh ba chiều hay ảnh chụp…
- Xuất dữ liệu: Hỗ trợ việc xuất dữ liệu bản đồ với nhiều dạng: Giấy in, ảnh, web hay file… thuận tiện cho người sử dụng dưới nhiều hình thức sử dụng khác nhau.
2.3.4. Giới thiệu về phần mềm ArcGis
Phần mềm ArcGIS là phần mềm ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý (GIS) của Viện nghiên cứu hệ thống môi trường (ESRI). Là hệ thống GIS hàng đầu hiện nay, cung cấp một giải pháp toàn diện từ thu thập 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 thích cao đối với nhiều loại sản phẩm của nhiều hãng khác nhau.
Hình 2.4: Bộ phần mềm ứng dụng ArcGIS (nguồn ESRI)
ArcGIS là một hệ thống phần mềm cung cấp một giải pháp tổng thể về hệ thống thông tin địa lý, bao gồm nhiều modul khác nhau, đáp ứng nhu cầu cho mọi tổ chức, từ những người sử dụng đơn lẻ cho đến hệ thống có tính toàn cầu.
Phần mềm ArcGIS cung cấp nhiều chức năng để có thể:
- Xây dựng một mô hình xử lý không gian rất hữu dụng cho việc tìm ra các mối quan hệ, phân tích dữ liệu và tích hợp dữ liệu.
- Thực hiện chồng lớp các véc tơ, tính xấp xỉ và phân tích thống kê.
- Tạo ra các đặc tính cho sự kiện và chồng xếp các đặc tính của các sự kiện đó. - Chuyển đổi dữ liệu và các định dạng của dữ liệu theo rất nhiều loại định dạng.
- Xây dựng những dữ liệu phức tạp, các mô hình phân tích và các đoạn mã để tự động hóa các quá trình GIS…
Bộ phần mềm ArcGIS Desktop (sau đây gọi tắt là ArcGIS) bao gồm 3 thành phần cốt lõi sau:
- ArcMap để hiển thị, xử lý và phân tích dữ liệu và thành lập các bản đồ;
Đây là phần mềm bạn sẽ sử dụng nhiều nhất.
- ArcCatalog để quản lý, theo dõi các dữ liệu đã có hoặc tạo mới và mô tả
các dữ liệu mới. Vai trò của ArcCatalog tương tự như Windows Explorer, sự khác biệt là ArcCatalog làm việc với các nguồn dữ liệu (lớp dữ liệu, bảng dữ liệu,…) chứ không phải là với các tệp tin. ArcCatalog có thể hoạt động như một phần mềm độc lập, hay tích hợp trong ArcMap như minh họa ở hình vẽ dưới.
- ArcToolbox cung cấp các công cụ để phân tích dữ liệu, xuất - nhập và
chuyển đổi dữ liệu. ArcToolBox không hoạt động như một phần mềm độc lập mà được tích hợp trong ArcMap hoặc ArcCatalog (xem hình minh họa ở dưới).
Ngoài 3 thành phần cốt lõi nêu trên, ArcGIS còn bao gồm 2 phần mềm bổ trợ khác là:
- ArcScene: dùng để hiển thị dữ liệu dưới dạng mô hình 3D. ArcScene sẽ
được nhắc đến trong bài 12.
- ArcGlobe: dùng để hiển thị dữ liệu trong mô hình Trái đất dưới dạng quả
địa cầu. Hình thức gần giống như Google Earth.
Khả năng của ArcGIS là rất lớn vì ngoài 5 phần mềm nêu trên, ArcGIS còn có hàng nghìn ứng dụng chạy trên nó, gọi là phần mở rộng (Extension). Đáng kể nhất là Spatial Analyst (phân tích không gian) và 3D Analyst (phân tích và hiển thị dữ liệu 3D).
Phiên bản ArcGIS được sử dụng trong bài là ArcGIS 10.
2.3.5. Ứng dụng của GIS hiện nay
2.3.5.1. Trên Thế giới
Hầu hết trên thế giới đều đã áp dụng công nghệ GIS để sử dụng vào công tác điều tra, khai thác, quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường ở nhiều mức độ khác nhau.
Ở Canada, Mỹ đã đưa GIS vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như địa chất, thổ nhưỡng, quy hoạch đô thị, lâm nghiệp, thủy lợi…
Đánh giá và quy hoạch sử dụng đất ở Srilanka.
Học viện quốc tế ITC ở Hà Lan đã ứng dụng thành công trong công tác đánh giá và quy hoạch sử dụng đất đai.
Các nước Châu Á cũng đã bước đầu tiếp cận và ứng dụng công nghệ này trong công tác quản lý đất đai như Thái Lan, Indonexia (năm 1994, 1995).
Trong năm 1995 Úc đã tiến hành nghiên cứu, ứng dụng công nghệ thông tin vào các quá trình lưu trữ và quản lý đất đai.
Viện Địa lý “Agusstin Codazzi” (IGAC) của Colombia đã dùng công nghệ GIS để hiển thị và kiểm soát hiện trạng sử dụng đất hiện nay và trong tương lai của thành phố Ibague.
Trong quản lý rừng, GIS được ứng dụng để kiểm kê trạng thái rừng, mô hình hóa hệ sinh thái rừng… Sở bảo vệ môi trường Alerta, Trung tâm đào tạo môi trường Alerta (Canada) đã dùng GIS để mô hình hóa các quần hợp hệ sinh thái, các điều kiện sống… làm cơ sở cho việc dự báo. Dùng mô hình GIS cho phép nâng cao chất lượng quản lý tài nguyên rừng.
Trong quản lý tài nguyên nước, GIS được sử dụng để kiểm soát sự phục hồi mực nước ngầm, phân tích hệ thống sông ngòi, quản lý các lưu vực sông. Trường Đại học Kỹ thuật Aachen (Đức) đã sử dụng GIS để kiểm soát mực nước ngầm cho các vùng khai thác than, tạo các bản đồ mực nước ngầm, cùng với các dữ liệu khác như thổ nhưỡng, địa hình, quy mô khai thác mỏ, đồng thời kết hợp với công nghệ kỹ thuật đã cung cấp những công cụ đắc lực cho các nhà phân tích.
Công ty Quản lý chất thải và Năng lượng hạt nhân Thụy Điển và Nespak Pakistan phối hợp sử dụng GIS hỗ trợ quản lý vùng lưu vực sông Torrent ở Pakistan. GIS được sử dụng để mô hình hóa sự cân bằng nước, quá trình xói mòn và kiểm soát lũ cho khu vực.
Ngoài ra còn một số kết quả của GIS trên thế giới trong thời gian qua như: - Ứng dụng GIS trong nghiên cứu xói mòn đất ở Đài Loan;
- Ứng dụng GIS trong việc quản lý rừng, môi trường ở Trung Quốc; - Ứng dụng GIS để dự đoán, dự báo và quản lý dịch hại ở Finland;
- Ứng dụng GIS trong đánh giá môi trường sống của cá ở Thái Bình Dương; - Sử dụng GIS đánh giá quan hệ giữa sử dụng đất và chất lượng nước;
- Ứng dụng GIS để thiết lập phương án đánh giá chất lượng nước ở Nam Triều Tiên.
2.3.5.2. Ở Việt Nam
GIS vốn là chủ đề nóng trên thế giới và gần đây - là công nghệ đang rất được chú ý tại Việt Nam. GIS có rất nhiều ứng dụng trong khoa học nghiên cứu, trong phục vụ đời sống, dịch vụ công ích, quản lý đất đai, quản lý đô thị, hạ tầng kỹ thuật và nhiều lĩnh vực khác.
Những thành tựu đáng kể nhất mà GIS đem lại được cả thế giới quan tâm hiện nay là cung cấp các thông tin giúp phòng tránh thiên tai, GIS với vấn đề sức khoẻ cộng đồng. Tại Việt Nam, công nghệ GIS cũng được thí điểm khá sớm, từ cuối thập niên 80 và đến nay đã được ứng dụng trong khá nhiều ngành như quy hoạch nông nghiệp, lâm nghiệp, quản lý rừng, lưu trữ tư liệu địa chất, đo đạc bản đồ, địa chính, quản lý hạ tầng kỹ thuật đô thị... Những ứng dụng ban đầu tuy ở mức độ vi mô trong một số chuyên ngành hẹp nhưng đã mang lại những hiệu quả bước đầu.
Ngày 7/11 đến 11/11/2005 - Hội nghị Viễn thám châu Á (ACRS) lần thứ 26 đã được tổ chức trọng thể tại Hà Nội. Lần đầu tiên hội nghị ACRS được tổ chức tại Việt Nam với sự tham dự của đại biểu đến từ hơn 40 nước và các nhà khoa học Việt Nam trong lĩnh vực này. Nhằm trao đổi các thông tin mới nhất trong các lĩnh vực công nghệ viễn thám, vũ trụ, đo ảnh, đặc biệt là Hệ thống thông tin địa lý và nhiều ứng dụng khác. Tại trang thông tin địa lý Việt Nam trực tuyến http://gis.chinhphu.vn , bạn có thể xem chi tiết tất cả bản đồ địa lý trên các tỉnh
thành Việt Nam thông qua hệ thống thông tin địa lý (GIS). Tất cả các đơn vị hành chính đều được đưa chi tiết lên bản đồ thông qua tương tác từ người xem. Bạn dễ dàng tra cứu địa danh khi cần.
Hiện nay công nghệ GIS đã và đang được ứng dụng phổ biến, ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Công nghệ GIS phát triển đã tạo điều kiện cho việc xây dựng hệ thống thông tin đất đai trên cơ sở các loại bản đồ dạng số, giúp cho việc xử lý, quản lý và khai thác thông tin đất đai một cách hiệu quả, đặc biệt bản đồ địa chính được xây dựng bằng công nghệ số có độ chính xác cao, chi tiết đến từng thửa đất, đáp ứng yêu cầu về chất lượng phục vụ cho việc cấp GCNQSDĐ, là cơ sở để thực hiện việc giao đất, cho thuê đất, thực hiện các dự án đầu tư phát triển kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng, phục vụ cho công tác quy hoạch sử dụng đất, quy hoạch ngành, kiểm kê tài nguyên, kiểm soát môi trường, xây dựng phát triển... Cụ thể như:
- Dự án Ứng dụng GIS trong quản lý di sản ở Cố đô Huế của UBND Thừa Thiên - Huế là dự án thành công với số vốn đầu tư hơn 30 tỷ đồng. Dù chỉ mới triển khai được vài năm, nhưng nhờ GIS, Huế cũng đã bước được những bước đầu tiên trong việc phát huy hiệu quả của GIS trong quản lý di sản. Khách du lịch cũng đã bước đầu được cung cấp thêm công cụ tìm kiếm đường đắc lực, nhà quản lý cũng đã có được những cái nhìn tổng thể về phát triển du lịch Huế để chuẩn bị cho những chiến lược dài hơn bảo tồn và phát triển di sản cố đô.
- Ý tưởng xây dựng bản đồ dự báo ngập lụt cho Hội An do ông Lê Hữu Hùng, Phó Trưởng phòng Kinh tế Hội An đã đề xuất. Sau 3 năm thực hiện, giải pháp kỹ thuật ứng dụng công nghệ GIS (hệ thống thông tin địa lý) để xây dựng bản đồ ngập lụt đã được Hội đồng Khoa học và công nghệ thành phố xếp loại