Chú giải: People: con ngƣời Data: dữ liệu Software: phần mềm Hardware: phần cứng Analysis: quy trình – kiến thức chuyên gia
Theo cách tiếp cận truyền thống, GIS là một cơng cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tƣợng thực trên Trái đất. Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thƣờng (nhƣ cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích khơng gian. Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thơng tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đốn tác động và hoạch định chiến lƣợc) [16].
GIS là hệ thống quản lý, phân tích và hiển thị tri thức địa lý, tri thức này đƣợc thể hiện qua các tập thông tin [15]:
- Các bản đồ: giao diện trực tuyến với dữ liệu địa lý để tra cứu, trình bày kết quả và sử dụng nhƣ là một nền thao tác với thế giới thực;
- Các tập thông tin địa lý: thông tin địa lý dạng file và dạng cơ sở dữ liệu gồm các yếu tố, mạng lƣới, topology, địa hình, thuộc tính;
- Các mơ hình xử lý: tập hợp các quy trình xử lý để phân tích tự động;
- Các mơ hình dữ liệu: GIS cung cấp cơng cụ mạnh hơn là một cơ sở dữ liệu thông thƣờng bao gồm quy tắc và sự toàn vẹn giống nhƣ các hệ thông tin khác. Lƣợc đồ, quy tắc và sự tồn vẹn của dữ liệu địa lý đóng vai trị rất quan trọng;
- Metadata: hay tài liệu miêu tả dữ liệu, cho phép ngƣời sử dụng tổ chức, tìm hiểu và truy nhập đƣợc tới tri thức địa lý.
Hiện nay trên thị trƣờng có rất nhiều phần mềm GIS để xây dựng, phân tích và quản lý các thơng tin nhƣ ArcGIS, MapInfo,… Trong số các phần mềm đó thì ArcGIS là phần mềm đƣợc đánh giá là mạnh và thông dụng nhất hiện nay. Đề tài sử dụng bộ phần mềm ArcGIS bởi nó có các chức năng xây dựng, phân tích, hiển thị các thơng tin một cách nhanh và chính xác. Bên cạnh đó, ArcGIS hỗ trợ đọc các định dạng dữ liệu khác nhau nhƣ: nhƣ shapefile, geodatabase, AutoCAD, Raster, Coverage,... ArcGIS cho phép phân tích, chồng xếp các lớp dữ liệu không gian, chiết xuất các thơng tin địa hình nhƣ độ dốc, hƣớng dốc,… Từ đó, ta có thể tính tốn diện tích thực của các thửa đất tại những khu vực địa hình phức tạp một cách dễ dàng.
- ArcMap để xây dựng, hiển thị, xử lý và phân tích dữ liệu và thành lập các bản đồ.
- ArcCatalog để quản lý, theo dõi các dữ liệu đã có hoặc tạo mới và mô tả các dữ liệu mới. ArcCatalog đƣợc hoạt động nhƣ một phần mềm độc lập, hay tích hợp trong ArcMap.
- ArcToolbox cung cấp các công cụ để xử lý, xuất nhập dữ liệu từ ArcGIS sang các định dạng khác nhƣ MapInfo, Microstation,… ArcToolbox cũng có một số chức năng phân tích dữ liệu. ArcToolbox khơng hoạt động nhƣ một phần mềm độc lập mà nó đƣợc tích hợp trong ArcMap hoặc ArcCatalog.
Ngoài các phần mềm nêu trên, ArcGIS cịn có phần mở rộng (Extension) nhƣ: 3D Analyst, Spatial Analyst,… trợ giúp cho việc phân tích, xử lý dữ liệu không gian hiệu quả.
2.2. Khả năng ứng dụng của GIS trong tính tốn diện tích của các đối tƣợng có bề mặt phức tạp bề mặt phức tạp
Sở dĩ GIS đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế bởi GIS tích hợp nhiều cơng cụ hữu ích đáp ứng các nhu cầu khác nhau của nhà quản lý, trong tất cả các lĩnh vực, ngành nghề của cuộc sống nhƣ mơi trƣờng, khí tƣợng thủy văn, nơng nghiệp, y tế, quản lý đất đai,…
Các khả năng cơ bản của GIS bao gồm: Nhập dữ liệu, lƣu trữ dữ liệu, xử lý dữ liệu, hiển thị dữ liệu địa lý. Có thể khái quát các chức năng đó nhƣ sau:
- Nhập và bổ sung dữ liệu: Một trong những chức năng quan trọng của GIS là nhập và bổ sung dữ liệu, đây là hai phần việc tiến hành song song với nhau không đƣợc riêng rẽ.
- Chuyển đổi dữ liệu: Chuyển đổi dữ liệu là một chức năng rất gần với việc nhập và bổ sung dữ liệu. Trong thực tế, cùng một dữ liệu nhƣng có thể tồn tại ở nhiều khn dạng khác nhau, vì vậy cần có các chuẩn dữ liệu để có thể sử dụng các dữ liệu một cách dễ dàng.
- Lƣu trữ dữ liệu: Một chức năng quan trọng của GIS là lƣu trữ và tổ chức cơ sở dữ liệu với một dung lƣợng lớn của dữ liệu khơng gian và dữ liệu thuộc tính.
Từ đó chiết xuất ra các dữ liệu trung gian phục vụ cho nghiên cứu tiếp theo hoặc các quyết định hỗ trợ cho ngƣời sử dụng.
- Hiển thị dữ liệu: Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, các kết quả đƣợc hiển thị một cách trực quan thông qua các phƣơng pháp hiển thị bản đồ đa dạng. Điều đó giúp ngƣời sử dụng dễ đọc và quản lý dữ liệu hơn.
Các thành phần của cơ sở dữ liệu GIS bao gồm [13]:
- Tập hợp các dữ liệu dạng vector (tập các điểm, đƣờng và vùng); - Tập hợp các dữ liệu dạng raster (dạng mơ hình DEM hoặc ảnh);
- Tập hợp các dữ liệu dạng mạng lƣới (ví dụ nhƣ đƣờng giao thơng, lƣới cấp thốt nƣớc, lƣới điện...);
- Tập hợp các dữ liệu địa hình 3 chiều và bề mặt khác; - Dữ liệu đo đạc;
- Dữ liệu dạng địa chỉ;
Các bảng dữ liệu là thành phần quan trọng của cơ sở dữ liệu không gian, đƣợc liên kết với các thành phần đồ họa với nhiều kiểu liên kết khác nhau.
Khi thực hiện tính tốn diện tích của các bề mặt phức tạp, GIS phát huy khả năng vƣợt trội của mình khi cho phép chuyển đổi hệ tọa độ, phép chiếu, nắn chỉnh bản đồ; chồng xếp, làm sạch, tách hoặc hợp các thông tin không gian và phi không gian; cho phép phân loại các lớp thông tin trên bản đồ. Dữ liệu thu thập để làm việc có thể tồn tại ở các định dạng khác nhau, với khả năng chuyển đổi định dạng dữ liệu một cách dễ dàng của GIS thìviệc tính tốn trở nên nhanh chóng và thuận lợi hơn.
Để tính tốn đƣợc độ dốc của địa hình từ các điểm độ cao hay đƣờng bình độ, GIS cung cấp các phƣơng pháp nội suy cho lớp dữ liệu điểm để tạo ra mơ hình số độ cao (MHSĐC) tồn tại ở dạng raster mà trong đó mỗi pixel đều chứa một giá trị độ cao. Các phƣơng pháp nội suy thƣờng đƣợc sử dụng để tạo MHSĐC bao gồm: phƣơng pháp nội suy Spline; phƣơng pháp nội suy trung bình trọng số IDW và phƣơng pháp Kriging. Với mỗi phƣơng pháp nội suy cho một kết quả khác nhau, vì vậy với ba phƣơng pháp này, ngƣời sử dụng có thể tìm ra phƣơng pháp nội suy phù hợp nhất đối với từng mục đích sử dụng của mình. Khơng những thế GIS cịn cung cấp phần mở rộng 3D Analyst cho phép xây dựng và hiển thị các bề mặt địa hình
khác nhau. Ngồi ra, sử dụng cơng cụ này ta có thể dễ dàng chuyển đổi dữ liệu độ cao sang lớp dữ liệu độ dốc, kết quả sẽ có đƣợc các giá trị độ dốc trong từng pixel. Với các giá trị độ dốc tính đƣợc, GIS cung cấp các cơng cụ thống kê cũng nhƣ tính tốn giúp chúng ta tính đƣợc diện tích của các thửa đất một cách dễ dàng.
2.3. Quy trình tính tốn diện tích thửa đất bằng GIS có tính đến các yếu tố địa hình
Trong thực tế đo đạc và thành lập bản đồ địa chính nhƣ đã nêu tại mục 1.2.3, có thể thấy diện tích đất đai tính đƣợc bằng các phần mềm hiện nay là diện tích hình chiếu của nó trên mặt phẳng bản đồ. Diện tích này sẽ chính xác khi đo đạc và tính tốn ở địa hình bằng phẳng, cịn tại các khu vực đồi núi, bề mặt địa hình gồ ghề, phức tạp thì làm thế nào để tính chính xác là một vấn đề đối với các nhà quản lý và nhà đo đạc. Để chính xác hóa trong q trình thực hiện đo vẽ và thành lập bản đồ địa chính cũng nhƣ thực hiện việc tính tốn diện tích thực của thửa đất trên bản đồ địa chính theo cơ sở toán học đã đƣợc qui định chi tiết theo Thông tƣ số 25/2014/TT-BTMT ngày 15/4/2014 của Bộ TN&MT [2], sau đây ta sẽ xét đến cơ sở tốn học trong tính tốn diện tích thơng qua các bài tốn tính tốn diện tích thửa đất có tính đến các yếu tố địa hình gồm: tam giác nằm trên mặt phẳng, tam giác nằm nghiêng, đa giác bất kỳ và một mặt cong bất kỳ tƣơng ứng với các bề mặt của thửa đất trên thực tế.
2.3.1.Các cơng thức tính tốn
a. Tính diện tích tam giác nằm trên mặt phẳng
Với bài tốn thửa đất có hình dạng đơn giản, dƣới dạng một tam giác nằm trên mặt phẳng nhƣ trên hình 2.2, diện tích của tam giác đƣợc tính theo cơng thức:
𝑠 = 1
2ℎ × 𝑏
(2.1) Trong đó: s là diện tích tam giác;
b là độ dài một cạnh bất kỳ của tam giác (thƣờng gọi là đáy); h là độ dài đƣờng cao hạ từ đỉnh đối diện xuống cạnh b.
Nhƣ vậy, với một thửa đất có dạng tam giác nằm trên mặt phẳng, ta có thể tính diện tích trực tiếp của thửa đất đó thơng qua độ dài một cạnh của thửa đất và đƣờng cao tƣơng ứng với độ dài một cạnh của thửa đất đó.