Phân 2 Tổng quan tài liệu
2.3. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý
Một hệ thống thông tin địa lý (GIS) cho phép hiển thị các thông tin cơ sở dữ liệu trên một bản đồ trực quan. GIS không chứa bất kỳ bản đồ hoặc đồ họa, nó tạo ra các bản đồ và hình ảnh từ những thông tin có trong cơ sở dữ liệu. GIS không phải là một chương trình lập bản đồ, nó là một kết hợp phức tạp của quản lý cơ sở dữ liệu, công nghệ hiển thị, và các công cụ phân tích có thể được dùng để tạo ra các bản đồ. Tất cả các thông tin trong GIS là một tham chiếu đến một địa điểm. GIS có thể chứa những hình ảnh của nhiếp ảnh trên không, bức ảnh của nhà cửa, và sàn nhà kế hoạch của các tòa nhà, số tiền lớn các văn bản và thông tin thuộc tính, nhưng nó là tất cả các ràng buộc vào cơ sở dữ liệu theo vị trí của nó trên bề mặt trái đất.
2.3.1. Định nghĩa
Cùng với sự hình thành và phát triển của hệ thống thông tin địa lý (GIS - Geographic Imfromation System) có nhiều định nghĩa được đưa ra. Tiêu biểu như một số định nghĩa sau:
- Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một tập hợp có tổ chức, có phần cứng, có phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích và hiển thị tất cả các dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý. (Viện nghiên cứu môi trường Mỹ - Environmental System Research Institute (ESRI), 1994).
- GIS là một hệ thống thông tin đặc biệt với cơ sở dữ liệu gồm những đối tượng, những hoạt động hay những sự kiện phân bố trong không gian được biểu diễn như những điểm, đường, vùng trong hệ thống máy tính. Hệ thống thông tin địa lý xử lý, truy vấn dữ liệu theo điểm, đường, vùng phục vụ cho những hỏi đáp và phân tích đặc biệt. (Dueker, 1979).
- GIS là một hộp công cụ mạnh được 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. (Burrough, 1986).
- Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống bao gồm bốn khả năng xử lý dữ liệu địa lý sau: (1) nhập dữ liệu, (2) quản lý dữ liệu (bao gồm lưu trữ và truy xuất), (3) gia công và phân tích dữ liệu, (4) xuất dữ liệu. (Stan Aronoff, 1993).
2.3.2. Các bộ phận cấu thành của GIS
Công nghệ GIS bao gồm 5 hợp phần cơ bản là: Thiết bị (hardware); Phần mềm (software); Số liệu (Geographic data); Chuyên viên (Expertise); Chính sách và cách thức quản lý (Policy and management).
- Thiết bị (Hardware): Thiết bị bao gồm máy vi tính (computer), máy vẽ (plotters), máy in (printer), bàn số hoá (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), các phương tiện lưu trữ số liệu (Floppy diskettes, optical cartridges, C.D ROM v.v...).
- Phần mềm (Software): Là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của máy tính thực hiện một nhiệm vụ xác định, phần mềm hệ thống thông tin địa lý có thể là một hoặc tổ hợp các phần mềm máy tính. Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật GIS phải bao gồm các tính năng cơ bản sau: Nhập và kiểm tra dữ liệu (Data input); Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu (Geographic database); Xuất dữ liệu (Display and reporting); Biến đổi dữ liệu (Data transformation); Tương tác với người dùng (Query input).
Các phần mềm tiêu chuẩn và sử dụng phổ biến hiện nay trong khu vực Châu Á là ARC/INFO, MAPINFO, ILWIS, WINGIS, SPANS, IDRISIW,...
- Chuyên viên (Expertise): 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.
- Số liệu, dữ liệu địa lý (Geographic data): Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý (geo-referenced data) riêng lẻ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu (database). Những thông tin địa lý có nghĩa là sẽ bao gồm các dữ kiện về vị trí địa lý, thuộc tính (attributes) của thông tin, mối liên hệ không gian (spatial relationships) của các thông tin, và thời gian.
- Chính sách và quản lý (Policy and management): Ðây 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 có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin.
Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong một khung tổ chức phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu trữ và
phân tích số liệu, đồng thời có khả năng phát triển được hệ thống GIS theo nhu cầu. Như vậy, trong 5 hợp phần của GIS, hợp phần chính sách và quản lý 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.
Hình 2.2. Các bộ phận cấu thành của GIS
Nguồn:https://voer.edu.vn/m/cac-thanh-phan-cua-he-thong-thong-tin-dia-ly/09a33c67 2.3.3. Các chức năng của hệ thống thông tin địa lý
Một phần mềm HTTTĐL có các chức năng cơ bản như sau: nhập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, điều khiển dữ liệu, hiển thị dữ liệu theo cơ sở địa lý và đưa ra những quyết định (decision making). (Calkins and Tomlinson, 1997).
Có thể khái quát về các chức năng đó như sau:
- Nhập và bổ sung dữ liệu (entry and updating): Một trong những chức năng quan trọng của HTTTĐL là nhập và bổ sung dữ liệu mà công việc đó không tiến hành riêng rẽ. Bất kỳ một hệ thống nào cũng phải cho phép nhập và bổ sung dữ liệu, nếu không có chức năng đó thì không được xem là một HTTTĐL vì chức năng đó là một yêu cầu bắt buộc phải có.
- Việc nhập và bổ sung dữ liệu phải cho phép sử dụng nguồn tự liệu dưới dạng số hoặc dạng analog. Dạng tư liệu không gian như bản đồ giây hoặc ảnh vệ tinh, ảnh máy bay phải được chuyển thành dạng số và các nguồn tư liệu số khác cũng phải chuyển đổi được để tương thích với cơ sở dữ liệu trong hệ thống đang sử dụng.
- Chuyển đổi dữ liệu: chuyển đổi dữ liệu là một chức năng rất gần với việc nhập và bổ sung dữ liệu. Nhiều phần mềm thương mại cố gắng giữ độc quyền bằng cách hạn chế đưa các khuôn dạng dữ liệu theo loại phổ cập. Tuy nhiên
người sử dụng phải lựa chọn để hạn chế việc phải số hóa thêm những tài liệu hiện đang có ở dạng số. Trong thực tế, cùng một tư liệu nhưng có thể tồn tại ở nhiều khuôn dạng khác nhau. Vì vậy, đối với tư liệu quốc gia, không thể chỉ lưu giữ ở một dạng thuộc tính riêng biệt mà cần thiết phải lưu giữ ở nhiều khuôn dạng có tích chất phổ biến để sử dụng được trong nhiều ứng dụng khác nhau. Như vậy, một phần mềm HTTTĐL cần phải có chức năng nhập và chuyển đổi nhiều khuôn dạng dữ liệu khác nhau.
- Lưu trữ dữ liệu: Một chức năng quan trọng của HTTTĐL là lưu giữ và tổ chức cơ sở dữ liệu do sự đa dạng và với một khối lượng lớn của dữ liệu không gian: đa dạng về thuộc tính, về khuôn dạng, về đơn vị đo, về tỷ lệ bản đồ. Hai yêu cầu cơ bản trong việc lưu trữ dữ liệu là: thứ nhất là phải tổ chức nguồn dữ liệu sao cho đảm bảo độ chính xác và không mất thông tin, thứ hai là các tài liệu cho cùng một khu vực song các dữ liệu lại khác nhau về tỷ lệ, về đơn vị đo... thì phải được định vị chính xác và chuyển đổi một cách hệ thống để có thể xử lý hiệu quả.
- Điều khiển dữ liệu (data manipulation): Do nhiều HTTTĐL hoạt động đòi hỏi tư liệu không gian phải được lựa chọn với một chỉ tiêu nhất định được phân loại theo một phương thức riêng, tổng hợp thành những đặc điểm riêng của hệ thống, do đó HTTTĐL phải đảm nhiệm được chức năng điều khiển thông tin không gian. Khả năng điều khiển cho phép phân tích, phân loại và tạo lập các đặc điểm bản đồ thông qua các dữ liệu thuộc tính và thuộc tính địa lý được nhập vào hệ thống. Các thuộc tính khác nhau có thể được tổng hợp, nắm bắt một cách riêng biệt và những sự khác biệt có thể được xác định, được tính toán và được can thiệp, biến đổi.
- Trình bày và hiển thị: Đây cũng là một chức năng bắt buộc phải có của một HTTTĐL không gian dưới dạng tài liệu nguyên thủy hay tài liệu được xử lý cần được hiển thị dưới các khuôn dạng như: chữ và số (text), dạng bảng biểu (tabular) hoặc dạng bản đồ. Các tính toán chung và kết quả phân tích được lưu giữ ở dạng chữ và số để dễ dàng in ra hoặc trao đổi giữa các lỗ phần mềm khác nhau. Các dữ liệu thuộc tính có thể được lưu ở dạng bảng biểu hoặc các dạng cố định khác. Bản đồ được thiết kế để hiển thị trên màn hình hoặc lưu dưới dạng điểm (plot file) để in. Như vậy, hiển thị và in ra là những chức năng rất cần thiết của một HTTTĐL.
- Phân tích không gian: Trước đây, chỉ có 5 chức năng mô tả ở trên là được tập trung, phát triển bởi những người xây dựng HTTTĐL. Chức năng thứ sáu là
phân tích không gian được phát triển một cách thần kỳ dựa vào sự tiến bộ của công nghệ và nó trở nên thực sự hữu ích cho người ứng dụng. Những định nghĩa về HTTTĐL trước đây đã trở thành thực tiễn trên cơ sở ứng dụng trực tiếp chức năng phân tích không gian. Theo quan điểm hiện nay thì chức năng đó cần thiết phải có đối với một hệ thống được gọi là HTTTĐL. Tất nhiên các chức năng có thể khác nhau đối với từng hệ thống song đối với một một HTTTĐL sử dụng tư liệu bản đồ thì chức năng đó là bắt buộc. Với một hệ thống như vậy thì các mô tả bằng lời có thể tổ chức thành các tham số riêng, các mô hình giải thích, dự báo đều có thể thực hiện trong chức năng xử lý không gian. (Nguyễn Viết Quân, 2013).
2.3.4. Giới thiệu về phần mềm ArcGIS
ArcGIS là dòng sản phẩm hỗ trợ trong hệ thống thông tin địa lý của ESRI; là một hệ thống tích hợp phần mềm GIS để xây dựng một GIS hoàn chỉnh. ArcGIS cung cấp một khuôn khổ khả năng mở rộng để thực hiện hệ thống thông tin địa lý GIS cho người dùng đơn hoặc nhiều người sử dụng máy tính để bàn, trên máy chủ để sử dụng trong doanh nghiệp và trên web.
ArcGIS cho phép xử lý hệ thống và xử lý dữ liệu vector, raster; cho phép phân tích xử lý các mô hình không gian để tính toán các thông số địa hình, tính toán các yếu tố trắc lượng hình thái (độ dốc, hướng dốc, chiều dài sườn, mật độ sông suối…); cho phép xử lý không gian tích hợp để giải các bài toán theo các mô hình của Địa lý, Địa chất, Môi trường, Khí tượng thuỷ văn; Cho phép tạo và hiển thị mô hình số địa hình (3D) nhanh, chính xác với đồ họa chuẩn và đẹp; Dữ liệu của Arcgis cho phép giao diện với nhiều phần mềm khác như: Arcview, Mapinfo, Microstation, Autocad, Ilwis, Envi, Idrisi; Có khả năng tạo bảng chú giải chuẩn, các dạng ký tự, các dạng text, tạo bản đồ in đáp ứng mọi tiêu chuẩn về bản đồ.
Hình 2.3. Phần mềm ArcGIS
Nguồn: ESRI ArcGIS Destop là một bộ phần mềm ứng dụng gồm: ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox, ModelBuilder, ArcScene và ArcGlobe. Khi sử dụng các ứng dụng này đồng thời, người sử dụng có thể thực hiện được các bài toán ứng dụng GIS bất kỳ, từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm cả thành lập bản đồ, phân tích địa lý, chỉnh sửa và biên tập dữ liệu, quản lý dữ liệu, hiển thị và xử lý dữ liệu. ArcGIS Desktop (với phiên bản mới nhất là ArcGIS 10.3) bao gồm những công cụ rất mạnh để quản lý, cập nhật, phân tích thông tin và xuất bản tạo nên một hệ thống thông tin địa lý (GIS) hoàn chỉnh. Phần mềm Arcgis Desktop bao gồm 3 ứng dụng chính:
- ArcMap cho phép bạn làm việc với tất cả các dữ liệu địa lý trên bản đồ, với bất kể là định dạng hay vị trí của dữ liệu nằm bên dưới.
- ArcCatalog and ArcToolbox - được thiết kế để làm việc trong ArcMap. ArcCatalog để quản lý, theo dõi các dữ liệu đã có hoặc tạo mới và mô tả các dữ liệu mới.
- ArcToolbox cung cấp các công cụ để xử lý, xuất - nhập dữ liệu từ ArcView sang các định dạng khác như MapInfo, MicroStation, AutoCAD.
2.3.4.1. Ứng dụng GIS trên Thế giới
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.
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.
Trong quy hoạch phát triển đô thị, GIS được áp dụng thành công trong quy hoạch lãnh thổ quốc gia, quy hoạch vùng và quy hoạch đô thị do có nền tảng dữ liệu Quốc gia phong phú, nền chuẩn Quốc gia – địa hình, địa chính, bản đồ không ảnh, số liệu thống kê và nhiều chuyên ngành khác. Tại Hàn Quốc, GIS đã được áp dụng vào hầu hết mọi lĩnh vực trên cả nước. Hàn Quốc đã triển khai xây dựng hệ thống GIS quốc gia chia thành 03 giai đoạn: 1995 – 2000, 2001 – 2005 và 2006 – 2010 với tổng mức đầu khoảng 2 tỷ USD nhằm tập trung vào các mục tiêu: xây dựng nền tảng cơ sở (bản đồ địa hình toàn quốc, địa chính, dữ liệu phi không gian…); xây dựng hạ tầng dữ liệu không gian (khung dữ liệu quốc gia, ngân hàng dữ liệu, phát triển công nghệ GIS, xây dựng tiêu chuẩn quốc gia, đào tạo chuyển giao công nghệ…); xây dựng hệ thống ứng dụng đa ngành (hệ thống quản lý thông tin đất đai, hệ thống quản lý thông tin quy hoạch, hệ thống quản lý thông tin kiến trúc…); đang phát triển hệ thống nâng cao (thành phố thông minh, tối ưu hóa ứng dụng nâng cao, hệ thỗng hỗ trợ quyết sách quy hoạch…).
Việc cung cấp các thông tin quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên, giúp phòng tránh thiên tai, vấn đề sức khoẻ cộng đồng là những thành tựu đáng kể nhất mà GIS đem lại được cả thế giới quan tâm hiện nay, cụ thể như:
- 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… Công nghệ GIS và
Viễn thám đã giúp người Mỹ chủ động phòng chống và đối phó khá hiệu quả với cơn bão thế kỷ Katrina.
- Đánh giá và quy hoạch sử dụng đất ở Srilanka.
- Viện phát triển tài nguyên đất Băngladesh 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.
- 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.
- Học viện quốc tế ITC ở Hà Lan đã ứng dụng thành công trong công tác