Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.2. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý (GIS)
2.2.1. Lịch sử phát triển của GIS
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) hình thành và phát triển qua bốn giai đoạn bao gồm:
Giai đoạn 1: Từ những năm 1960-1970 GIS được sử dụng mang tính đơn lẻ, cá nhân, hệ thống thiếu tính linh hoạt. Có thể kể ra một số tác giả và hệ thống GIS đầu tiên trong giai đoạn này như R.Tomlinson và Canada Geographic Information System (CGIS), H.Fisher và SYMAP mapping package.
Giai đoạn 2: Từ giữa 1970 đến đầu những năm 1980 chủ yếu là sự truyền bá về GIS, ít phát kiến mới, tập trung chủ yếu ở các cơ quan nghiên cứu Nhà nước.
Giai đoạn 3: Từ 1980-1990, do sự phát triển của kinh tế thị trường, các phần mềm GIS nổi tiếng như ArcInfo ra đời năm 1982 bởi ESRI (Environmental Systems Research Institute), Mapinfo ra đời, sự phát triển của GIS được chấp nhận.
Giai đoạn 4: Từ cuối 1980 đến nay đánh dấu sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ sản xuất máy tính điện tử. Cấu hình máy vi tính ngày càng mạnh và giá thành cả phần cứng và phần mềm đều hạ. Sự tiến bộ vượt trội của bản đồ vẽ trên máy tính so với bản đồ giấy (nhanh hơn, chứa đựng nhiều thông tin hơn, dễ cập nhật, dễ lưu trữ, giá trị sử dụng cao, sai số kỹ thuật và ngẫu nhiên thấp).
Xu hướng hiện nay của GIS là phát triển một cách toàn diện hơn về các nội dung sau: Ứng dụng các mô hình không gian ngày càng nhiều; chất lượng số liệu được chú ý, cách thể hiện dữ liệu và WebGIS…
2.2.2. Định nghĩa GIS
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) là một hệ thống thông tin chuyên biệt được sử dụng để thao tác, tổng kết, truy vấn, hiệu chỉnh và hiển thị các thông tin về các đối tượng không gian được lưu trữ trên máy tính. Hệ thống thông tin địa lý sử dụng các thông tin đặc trưng về “cái gì đang ở đâu” trên bề mặt trái đất. Từ các tiếp cận khác nhau, nhiều nhà khoa học đã cho những định nghĩa GIS khác nhau:
Theo Burrough (1986): GIS là một hộp công cụ mạnh dùng để lưu trữ và truy vấn tùy ý, biến đổi và hiển thị dữ liệu không gian từ thế giới thực cho những mục tiêu đặc biệt.
Theo Clarke (1995): Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống tự động thu thập, lưu trữ, truy vấn, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian.
Theo Star and Estes (1990): GIS là một hệ thống thông tin được thiết kế để làm việc với dữ liệu có tham chiếu tọa độ địa lý. Nói cách khác, GIS là hệ thống gồm hệ cơ sở dữ liệu với những dữ liệu có tham chiếu không gian và một tập hợp những thuật toán để làm việc trên dữ liệu đó.
Theo Cục Bảo vệ môi trường: Hệ Thông tin địa lý (GIS) là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên trái đất. Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất từ các bản đồ. Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng
rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược).
Tuy nhiên các khái niệm về GIS đều dựa trên 3 yếu tố quan trọng là: Dữ liệu đầu vào, hệ thống vi tính số kỹ thuật cao và khả năng phân tích số liệu không gian.
Định nghĩa theo chức năng: GIS là một hệ thống bao gồm 4 hệ con: Dữ liệu vào, quản lý dữ liệu, phân tích dữ liệu và dữ liệu ra.
GIS là tập hợp của các thuật toán: Trong một hệ thống thông tin địa lý có thể sử dụng các phương pháp tính đại số, hình học từ đơn giản đến phức tạp, các phép đo đạc…
Định nghĩa theo mô hình cấu trúc dữ liệu: GIS gồm các cấu trúc dữ liệu được sử dụng trong các hệ thống khác nhau (cấu trúc dạng Raster và Vecter).
Về mặt công nghệ: GIS là công nghệ thông tin để lưu trữ, phân tích và trình bày các thông tin không gian và phi không gian. Công nghệ GIS có thể nói là tập hợp hoàn chỉnh các phương pháp và các phương tiện nhằm sử dụng và lưu trữ các đối tượng.
GIS là hệ thống trợ giúp và ra quyết định: GIS có thể coi là một hệ thống trợ giúp việc ra quyết định, tích hợp các số liệu không gian trong một cơ chế thống nhất.
2.2.3. Các bộ phận cấu thành GIS
Các thành phần cơ bản cấu thành GIS bao gồm: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người và phương pháp.
Hình 2.2. Các bộ phận cấu thành GIS
- Phần cứng
Phần cứng của một hệ thống GIS bao gồm máy vi tính, cấu hình và mạng công việc của máy tính, các thiết bị ngoại vi nhập xuất dữ liệu và lưu trữ dữ liệu.
Bộ phận điều khiển trung tâm (CPU) được nối với bộ phận lưu trữ (diskdrive) làm nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu và chương trình máy tính. Các thiết bị ngoại vi khác như máy in, máy vẽ (plotter), các ổ đĩa DVD, CD, modem, máy quét, máy in…
- Phần mềm
Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu trữ, 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 CSDL, công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý, giao diện đồ hoạ. Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật GIS phải bao gồm các tính năng cơ bản sau: Nhập và kiểm tra dữ liệu, lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu, xuất dữ liệu, biến đổi dữ liệu, tương tác với người dùng.
- Dữ liệu
Dữ liệu là thành phần quan trọng nhất của một hệ thống GIS. Các dữ liệu không gian (Spatial Data) và các dữ liệu phi không gian (Non Spatial Data) được tổ chức theo một mục tiêu xác định bởi một hệ quản trị cơ sở dữ liệu (Database Management System) thể hiện mối quan hệ không gian của các đối tượng.
+ Cơ sở dữ liệu không gian: là những mô tả hình ảnh bản đồ được số hóa theo một khuôn dạng nhất định mà máy tính hiểu được. Hệ thống thông tin địa lý dùng cơ sở dữ liệu này để xuất ra các bản đồ trên màn hình hoặc ra các thiết bị ngoại vi khác nhau như máy in, máy vẽ. Cơ sở dữ liệu không gian được thể hiện ở hai dạng cấu trúc là vector và raster.
Số liệu Vector: Được trình bày dưới dạng điểm, đường và vùng, mỗi dạng có liên quan đến 1 số liệu thuộc tính được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu.
Số liệu Raster: Được trình bày dưới dạng lưới ô vuông hay ô chữ nhật đều nhau, giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ chỉ định giá trị của thuộc tính. Số liệu của ảnh vệ tinh và số liệu bản đồ được quét là số liệu Raster.
+ Cơ sở dữ liệu thuộc tính: được trình bày dưới dạng ký tự hoặc số, hoặc ký hiệu để mô tả các dãy số liệu có tính liên tục như: nhiệt độ, độ cao…và thực hiện các phân tích không gian của số liệu.
- Con người
Là những người sử dụng, thiết kế, xây dựng, duy trì, bảo dưỡng chương trình của GIS, cung cấp số liệu, giải thích và báo cáo kết quả. Người dùng GIS là những người sử dụng các phần mềm GIS giải quyết các bài toán không gian theo mục đích của họ.
+ Người sử dụng hệ thống: Là những người sử dụng GIS để giải quyết các vấn đề không gian. Nhiệm vụ chủ yếu của họ là số hóa bản đồ, kiểm tra lỗi, soạn thảo, phân tích các dữ liệu thô và đưa ra các giải pháp cuối cùng để truy vấn dữ liệu địa lý. Những người này phải thường xuyên được đào tạo do GIS thay đổi liên tục và yêu cầu mới của kỹ thuật phân tích.
+ Thao tác viên hệ thống: Có trách nhiệm vận hành hệ thống hàng ngày để người sử dụng hệ thống làm việc hiệu quả. Công việc của họ là sửa chữa khi chương trình bị tắc nghẽn hay là công việc trợ giúp nhân viên thực hiện các phân tích có độ phức tạp cao. Họ còn làm việc như quản trị hệ thống, quản trị CSDL, bảo vệ an toàn cho CSDL tránh hư hỏng, mất mát dữ liệu.
+ Nhà cung cấp GIS: Cung cấp các phần mềm, cập nhật phần mềm, phương pháp nâng cấp cho hệ thống.
+ Nhà cung cấp dữ liệu: Là các cơ quan nhà nước hay tư nhân cung cấp các dữ liệu sửa đổi từ Nhà nước.
+ Người phát triển ứng dụng: Là những lập trình viên, họ xây dựng giao diện người dùng, giảm khó khăn các thao tác cụ thể trên hệ thống GIS...
+ Chuyên viên phân tích hệ thống GIS: Là nhóm người chuyên nghiên cứu thiết kế hệ thống, được đào tạo chuyên nghiệp có trách nhiệm xác định các mục tiêu của hệ GIS trong cơ quan, hiệu chỉnh hệ thống, đề xuất kỹ thuật phân tích đúng đắn...
- Phương pháp
Kỹ thuật và các thao tác được sử dụng để nhập, quản lý, phân tích và thể hiện các dữ liệu không gian và đảm bảo chất lượng của nó (số hóa, xây dựng CSDL, phân tích không gian, xây dựng bản đồ, metadata).
2.2.4. Các chức năng của GIS
Một hệ thống GIS phải đảm bảo được 6 chức năng cơ bản sau: Thu thập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, truy vấn (tìm kiếm) dữ liệu, phân tích dữ liệu, hiển thị dữ liệu và xuất dữ liệu.
- Thu thập dữ liệu (data collection): Dữ liệu mô tả các đối tượng địa lý được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu địa lý. Cơ sở dữ liệu địa lý là một thành phần có chi phí xây dựng cao và tồn tại trong một thời gian dài cùng với hệ thống, vì vậy việc thu thập dữ liệu là một vấn đề hết sức quan trọng. Làm thế nào để lấy dữ liệu chỉ tồn tại trên dạng giấy vào cơ sở dữ liệu? Dữ liệu này ở dạng số nhưng không thể sử
dụng được, vậy nó ở định dạng nào? Một hệ thống thông tin địa lý phải cung cấp các phương pháp để nhập dữ liệu địa lý (tọa độ) và dữ liệu dạng bảng (thuộc tính). Hệ thống càng có nhiều phương pháp nhập dữ liệu thì càng mềm dẻo và linh hoạt.
- Lưu trữ dữ liệu (data Storage): Có hai mô hình cơ bản được sử dụng để lưu trữ dữ liệu địa lý: vector và raster. Một hệ thống thông tin địa lý cần phải có khả năng lưu trữ cả hai định dạng dữ liệu này. Trong mô hình dữ liệu vector, đối tượng địa lý được biểu diễn tương tự như cách chúng biểu diễn trên bản đồ (bằng các đối tượng điểm, đường và vùng). Một hệ tọa độ x,y được sử dụng để xác định vị trí của các đối tượng này trong thế giới thực. Mô hình dữ liệu raster biểu diễn các đối tượng bằng cách sử dụng một lưới bao gồm nhiều ô. Mức độ chi tiết của đối tượng phụ thuộc vào kích thước của các ô trong lưới. Định dạng dữ liệu raster rất phù hợp cho các bài toán phân tích không gian cũng như việc lưu các dữ liệu dạng ảnh. Dữ liệu dạng raster không thích hợp cho các ứng dụng như quản lý thửa đất vì ranh giới của các đối tượng cần phải được phân biệt rõ ràng.
- Truy vấn dữ liệu (data query): Một hệ thống GIS phải có các công cụ để tìm ra các đối cụ thể dựa trên vị trí địa lý hoặc thuộc tính của nó. Các truy vấn, thường được tạo ra bởi các câu lệnh hoặc biểu thức logic, sẽ được sử dụng để chọn ra các đối tượng trên bản đồ và các bản ghi của chúng trong cơ sở dữ liệu. Một truy vấn của một hệ thống GIS thông thường sẽ trả lời câu hỏi: Cái gì? Ở đâu? Trong kiểu truy vấn này, người sử dụng biết đối tượng nằm ở vị trí nào và muốn biết các thuộc tính của nó. Điều này có thể được thực hiện trong hệ thống GIS bởi vì đối tượng địa lý được thể hiện trên bản đồ sẽ có liên kết với thông tin thuộc tính của nó lưu trong cơ sở dữ liệu. Một kiểu truy vấn khác của GIS là tìm các vị trí thỏa mãn một số tính chất nào đó. Trong trường hợp này, người sử dụng biết rõ các tính chất quan trọng và muốn tìm xem những đối tượng nào có thuộc tính đó.
- Phân tích dữ liệu (data analysis): Phân tích địa lý thường liên quan đến nhiều tập dữ liệu khác nhau và yêu cầu một quá trình nhiều bước để cho ra kết quả cuối cùng. Một hệ thống GIS phải có khả năng phân tích mối quan hệ không gian giữa các tập dữ liệu để trả lời câu hỏi và giải quyết vấn đề mà người sử dụng đặt ra. Ba phương pháp phân tích thông tin địa lý phổ biến là:
+ Phân tích gần kề xấp xỉ: Sử dụng thuật toán buffering để xác định mối quan hệ gần kề giữa các đối tượng.
+ Phân tích chồng xếp: Kết hợp các đối tượng của hai lớp dữ liệu để tạo ra một lớp mới, lớp kết quả này sẽ chứa đựng các thuộc tính có trong cả hai
lớp gốc. Lớp kết quả có thể được phân tích để tìm ra những đối tượng chồng phủ hoặc để tìm ra mức độ một đối tượng nằm trong một vùng hoặc nhiều vùng nào đó là bao nhiêu.
+ Phân tích mạng lưới: Để giải quyết các bài toán như mạng lưới giao thông, mạng lưới thủy văn…
- Hiển thị dữ liệu (data display): Hệ thống GIS cũng cần phải có các công cụ để hiển thị các đối tượng địa lý sử dụng nhiều ký hiệu khác nhau. Đối với nhiều loại phép toán phân tích, kết quả cuối cùng chính là bản đồ, đồ thị hoặc các báo cáo.
- Xuất dữ liệu (data export): Hiển thị kết quả là một yêu cầu bắt buộc của hệ thống GIS. Việc hiển thị được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau. Càng nhiều dạng đầu ra mà GIS có thể đưa ra thì khả năng tiếp cận thông tin và đối tượng chính xác càng cao.
2.2.5. Tình hình nghiên cứu ứng dụng GIS trên thế giới và ở Việt Nam
2.2.5.1. Trên thế giới
Theo giáo sư khoa địa lý trường Đại học tổng hợp quốc gia Lomonosov của nước Nga, Berliant A.M, chuyên gia hàng đầu thế giới về Hệ thống thông tin địa lý, GIS phát triển như một sự nối tiếp phương pháp tiếp cận tổng hợp và hệ thống trong một môi trường thông tin địa lý. Hệ thống thông tin địa lý đã trở thành một khâu đột phá trong bài toán hỗ trợ cho sự phát triển kinh tế, sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên và bảo vệ môi trường. Các công nghệ hiện đại cho phép giải quyết một cách có hiệu quả bài toán thu nhận, truyền, phân tích, trực giác hóa các dữ liệu gắn kết không gian, thiết lập các dữ liệu bản đồ. Hầu hết trên thế giới 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 nhằm phục vụ phát triển kinh tế; văn hóa; xã hội cũng như an ninh quốc phòng.
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.
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 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.
Viện phát triển tài nguyên đất Bangladesh đã ứng dụng GIS trong quản lý, phân tích thông tin tài nguyên đất từ năm 1994. Hiện nay Viện đã sản xuất được 44 loại bản đồ khác nhau liên quan đến tình trạng dinh dưỡng đất, sử dụng phân bón, nhiễm mặn, sử dụng đất.
Tại Bắc Mỹ: Mỹ là một trong những nước đi đầu về công nghệ GIS, hệ thống dữ liệu quốc gia được xây dựng rất hoàn chỉnh dựa trên hệ thống tiêu