6. Cấu trúc luận văn
1.4. Ứng dụng viễn thám và GIS trong xây dựng cơ sở dữ liệu bản đồ
1.4.2. Khả năng ứng dụng GIS trong nghiên cứu biến đổi yếu tố địa lý
1.4.2.1. Khái quát về GIS
GIS là một tổ chức tổng thể của bốn hợp phần: phần cứng máy tính, phần mềm, tư liệu địa lý và người điều hành được thiết kế hoạt động một cách có hiệu quả nhằm tiếp nhận, lưu trữ, điều khiển, phân tích và hiển thị tồn bộ các dạng dữ liệu địa lý. GIS có mục tiêu đầu tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trường không gian địa lý.
Cấu trúc của GIS
GIS bao gồm các hợp phần cơ bản như sau: phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu bản đồ, người điều hành.
a) Phần cứng (máy tính và thiết bị ngoại vi):
Phần cứng của một GIS bao gồm các hợp phần sau: Bộ xử lý trung tấm (CPU), thiết bị nhập dữ liệu, lưu dữ liệu và thiết bị xuất dữ liệu.
b) Phần mềm
Một hệ thống phần mềm xử lý GIS yêu cầu phải có hai chức năng sau: tự động hóa bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu
Tự động hóa bản đồ: bản đồ học là môn khoa học, nghệ thuật và kỹ thuật thành lập bản đồ. Do đó, tự động hóa bản đồ là thành lập bản đồ với sự trợ giúp của máy tính. Một bản đồ là sự thể hiện bằng đồ họa của mối quan hệ khơng gian và là sự mơ hình hóa thực tế theo những tỷ lệ nhất định. Mơ hình đó u cầu biến đổi các sơ liệu ghi bản đồ thành bản đồ và gồm các công đoạn sau: lựa chọn, phân loại, làm đơn giản hóa và tạo mẫu ký tự
Quản lý dữ liệu: chức năng thứ hai của phần mềm GIS là hệ thống quản lý dữ liệu (data base management system DBMS). GIS phải có khả năng điều khiển các dạng khác nhau của dữ liệu địa lý, đồng thời có thể quản lý hiệu quả một khối lượng lớn dữ liệu với một trật tự rõ ràng. Một yếu tố rất quan trọng của phần mềm GIS là cho khả năng liên kết hệ thống giữa việc tự động hóa bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu. Các tài liệu mơ tả một vị trí bất kỳ, có thể liên hệ một cách hệ thống với vị trí khơng gian của chúng. Sự liên kết đó là một ưu thế nổi bật của việc vận hành GIS.
c) Cơ sở dữ liệu bản đồ: có thể đến từ nhiều nguồn như số liệu tính tốn thống kê, các quan trắc thực địa, ảnh viễn thám, bản đồ giấy. Thông thường, tư liệu khơng gian được trình bày dưới dạng các bản đồ với các thơng tin chi tiết được tổ chức ở một file riêng.
Cơ sở dữ liệu: . CSDL là một tập hợp các lớp thông tin (các tệp dữ liệu) ở dạng vector, rastor, bảng số liệu, văn bản với những cấu trúc chuẩn đảm bảo
CSDL có khả năng chứa một lượng lớn dữ liệu. Nó có chức năng : - CSDL có thể được nhiều người sử dụng cùng một lúc
- CSDL có nhiều kỹ thuật lưu trữ dữ liệu và cho phép sử dụng có hiệu quả nhất, tức là hỗ trợ lưu trữ tối ưu.
- CSDL cho phép đặt ra các quy tắc đối với dữ liệu được lưu trữ. Những dữ liệu này sẽ được tự động kiểm tra sau mỗi lần hiệu chỉnh dữ liệu.
- CSDL cho khả năng thực hiện từng phép tính truy vấn trong ngơn ngữ chế tác dữ liệu một cách hiệu quả nhất, tức là có khả năng truy vấn tối ưu.
CSDL có thể lưu trữ bất kỳ dữ liệu nào, và dưới dạng bảng. Mỗi bảng có hàng nghìn, đơi khi hàng trăm nghìn hàng dữ liệu.
Cơ sở dữ liệu bản đồ
Một bộ sưu tập số liệu có tổ chức các dữ liệu khơng gian và thuộc tính của các đối tượng địa lý dưới dạng bản đồ trong máy tính về một khu vực địa lý cùng với các phần mềm máy tính được dùng để thao tác và phục hồi các số liệu đó, được gọi là cơ sở dữ liệu bản đồ. Cơ sở dữ liệu bản đồ được lựa chọn và phân chia bởi người sử dụng.
Trên bản đồ số, mỗi yếu tố nội dung được thể hiện dưới dạng các ký hiệu điểm, đường và vùng. Từ ba yếu tố cơ bản đó có thể tạo nên những yếu tố phức hợp. Bản đồ số không bị hạn chế bởi không gian hai chiều, rất dễ dàng tạo khơng gian ba chiều, do vậy nó cho phép phản ánh đầy đủ loại yếu tố cơ bản thứ tư, đó là yếu tố bề mặt, trong đó có bề mặt địa hình. Mỗi yếu tố cơ bản trên bao gồm các thơng tin về vị trí và đặc điểm của mỗi đối tượng và hiện tượng cần biểu thị.
Đặc điểm CSDL bản đồ:
- CSDL bản đồ phản ánh thông tin địa lý, tn theo cơ sở tốn học, có khái
qt hố, sử dụng ký hiệu bản đồ, mọi thông tin của CSDL bản đồ được ghi ở dạng số.
- Thông tin của CSDL bản đồ được cấu trúc theo kiểu raster hoặc vector, có kèm theo topology, tổ chức thành các file bản đồ riêng rẽ, hoặc liên kết thư mục trong các cơ sở dữ liệu (CSDL) bản đồ hoặc hệ thông tin địa lý (GIS), được lưu trong hệ thống máy tính hoặc thiết bị ghi thơng tin có khả năng đọc bằng máy tính.
- CSDL bản đồ có thể được chuyển đổi và hiển thị thành hình ảnh bản đồ dạng tương đồng trên các phương tiện khác nhau, như trên giấy, trên màn hình, qua mạng…: khi in ra giấy (hoặc các vật liệu phẳng), ta được bản đồ truyền thống; khi hiện trên màn hình, thì gọi là Bản đồ điện tử.
Các đối tượng địa lý được thể hiện trong CSDL bản đồ dựa trên cơ sở mơ hình hố tốn học trong không gian 2 hoặc 3 chiều. Thế giới thực được thu nhỏ, toàn bộ các đối tượng trên mặt đất được chia thành: các chuyên đề, nhóm lớp đối tượng, lớp đối tượng, đối tượng. Tổng hợp các chuyên đề, nhóm, lớp, đối tượng lại được nội dung CSDL bản đồ.
- CSDL bản đồ cho khả năng giao diện trực tiếp, thuận lợi và linh hoạt giữa người dùng với thông tin bản đồ;
- Có khả năng chứa đựng thơng tin rất phong phú và chi tiết nhưng không hề ảnh hưởng đến sự hiện thị và các PP sử dụng BĐ, do đặc điểm tổ chức theo các lớp thông tin, và do khả năng của thiết bị tin học ngày càng tinh xảo.
- Có tính chuẩn hố cao về: dữ liệu, tổ chức dữ liệu, thể hiện dữ liệu.
- Tính linh hoạt của CSDL bản đồ rất cao thể hiện ở khả năng có thể biến đổi tỉ lệ và lưới chiếu một cách dễ dàng bởi thực chất của CSDL bản đồ là tập hợp có tổ chức các dữ liệu trong một hệ quy chiếu, chồng xếp hoặc tách lớp thông tin theo ý muốn, làm cơ sở để biên tập và tạo ra bản đồ số khác và in ra bản đồ mới, có khả năng liên kết sử dụng trong mạng máy tính, dễ dàng cập nhật, chỉnh sửa, hoặc có thể thay đổi về thiết kế, trình bày, ký hiệu; do đó thơng tin của bản đồ luôn luôn mới, hoặc theo ý muốn của người quản lý, người sử dụng; trong khi đó các thơng tin cũ vẫn được bảo lưu.
+ Cho phép tự động hố quy trình cơng nghệ thành lập CSDL bản đồ từ khi nhập số liệu đến khi in ra bản đồ màu hoặc bản thanh vẽ trên máy vẽ tự động, và tiếp nối với dây chuyền tự động hoá chế - in bản đồ.
+ Có quy tắc bảo vệ dữ liệu để tránh bị mất dữ liệu do sự cố kỹ thuật, hoặc bị sửa chữa thông tin gốc.
+ Khâu nhập số liệu và biên vẽ ban đầu có nhiều khó khăn, phức tạp, nhưng khâu sử dụng về sau lại có nhiều thuận lợi và mang lại hiệu quả cao về cả thời gian lẫn chi phí.
+ Được bảo mật theo các mức độ khác nhau.
d) Người điều hành: vì GIS là một hệ thống tổng hợp của nhiều cơng việc kỹ
thuật, do đó địi hỏi người điều hành phải được đào tạo và có kinh nghiệm trong nhiều lĩnh vực. Người điều hành là một phần không thể thiếu được của GIS. Hơn nữa, sự phát triển không ngừng của các kỹ thuật phần cứng và phần mềm đòi hỏi người điều hành phải luôn được đào tạo
1.4.2.2. Các chức năng của phần mềm GIS
Một phần mềm GIS có các chức năng cơ bản như sau:
Nhập và bổ sung dữ liệu: Việc nhập và bổ sung dữ liệu phải cho phép sử
dụng dữ liệu dưới dạng số hoặc dạng analoge.
Chuyển đổi dữ liệu: Trong thực tế, cùng một tư liệu nhưng có thể tồn tại ở
nhiều khn dạng khác nhau. Như vậy, một phần mềm GIS cần phải có chức năng nhập và chuyển đổi nhiều khn dạng dữ liệu khác nhau.
Lưu trữ dữ liệu: Một chức năng quan trọng của GIS là lưu trữ và tổ chức cơ
sở dữ liệu do sự đa dạng và một khối lượng lớn của dữ liệu không gian: đa dạng về thuộc tính, về khn dạng, về đơn vị đo, về tỷ lệ bản đồ. Hai yêu cầu cơ bản trong việc lưu trữ dữ liệu là: phải tổ chức nguồn dữ liệu sao cho đảm bảo độ chính xác và không mất thông tin; các dữ liệu cho cùng một khu vực, song 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: 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 tốn và được can thiệp, biến đổi.
Trình bày và hiển thị: Khơng 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 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 một trong những chức năng cần thiết của một GIS.
Phân tích khơng gian: Chức năng này được phát triển dựa vào sự tiến bộ của
cơng nghệ và nó trở lên thực sự hữu ích cho người sử dụng.
1.4.2.3. Sử dụng GIS cho phân tích khơng gian
hỏi về thuộc tính, các câu hỏi về phân tích khơng gian và tạo nên tập dữ liệu mới từ cơ sở dữ liệu ban đầu. Mục tiêu của việc phân tích khơng gian là từ việc giải quyết các câu hỏi đơn giản về các hiện tượng, các vấn đề trong không gian, đi đến tập hợp thành các thuộc tính của một hay nhiều lớp và phân tích được sự liên quan giữa các dữ liệu ban đầu.
Một số vấn đề cơ bản trong xử lý không gian được cụ thể hóa như sau:
Xử lý thơng tin trong một lớp: giải quyết các vấn đề về thuộc tính các đơn vị trong một lớp, đo đạc các giá trị, phân tích sự liên quan giữa các đơn vị trong một lớp bản đồ. Ví dụ xác định tên, tính diện tích, chu vi của từng khoanh vi bản đồ, xác định khoảng cách, tạo các vùng ảnh hưởng (buffer zone).
Xử lý thông tin nhiều lớp: chồng xếp hai hoặc nhiều lớp thông tin cho phép tạo ra nhiều đơn vị bản đồ mới trên cơ sở làm chi tiết hóa thơng tin của từng phần trong một đơn vị bản đồ.
Xử lý không gian: có thể có nhiều lớp thông tin mà xử lý khơng gian cần phải tính tốn được mối liên hệ giữa chúng.
1.4.2.4. Tổ chức dữ liệu không gian của GIS
Trong một GIS điển hình, các đối tượng khơng gian được liên kết để nghiên cứu các hiện tượng nhất thiết phải được trình bày dưới dạng bản đồ với mục đích thiết lập được mối liên quan khơng gian giữa chúng. Cả vị trí và thuộc tính được xử lý thơng qua một loạt các chương trình trong GIS. Yêu cầu đầu tiên để việc tạo lập dữ liệu một cách có hiệu quả là các đối tượng được thể hiện ở ba yếu tố cơ bản là: điểm (point), đường (line), vùng (area hay polygon).
a. Điểm: là đối tượng có kích thước bằng 0 về mặt hình học. Do đó các đối
tượng điểm chỉ dùng để xác định vị trí. Điểm khơng có ý nghĩa trong việc đo về kích thước. Mặc dù trên bản đồ, các điểm được biểu thị bằng kích thước khác nhau nhưng diện tích của các điểm là khơng có ý nghĩa thực tế.
b. Đường: là các yếu tố có một kích thước và thể hiện cả vị trí và hướng. Độ
dài là dấu hiệu đo đạc về kích thước của đối tượng đường. Mặc dù các yếu tố đường thường có khơng gian hai kích thước trên bản đồ nhưng độ rộng của đường là
khơng được xem xét đến trong tính tốn bản đồ.
c. Vùng: là đối tượng không gian được giới hạn bởi các đường khép kín. Vị
trí của một bề mặt được xác định bởi trọng tâm, các điểm giới hạn vùng hay tọa độ xác định. Vùng bên trong là phần không bao gồm đường biên, cịn polygon là diện tích có vùng bên trong, một đường viền bên ngồi, khơng có điểm giao cắt ở bên trong và khơng có khoanh vi nào khác ở phía trong.
1.4.2.5. Các yếu tố cơ bản của thông tin không gian
Việc phân tích trật tự và tổ hợp khơng gian u cầu phải có ba thuộc tính cơ bản sau: vị trí (location), dữ liệu thuộc tính (attribute data) và tính chất hình học (topology).
Vị trí: là tính chất quan trọng mà mỗi đối tượng khơng gian phải có. Vị tí được xác định bởi tọa độ X và Y trên mặt phẳng ngang (caitesian).
Dữ liệu thuộc tính: Cung cấp nhiều thơng tin quan trọng về tính chất của đối tượng được nghiên cứu.
Dữ liệu hình học: được định nghĩa là mối quan hệ không gian giữa các yếu tố bản đồ. Trong trường hợp các polygon, có những polygon lại nằm trong ranh giới của một polygon khác. Với các yếu tố đường có, những đường tạo nên bởi hai đoạn thẳng (segment) nối với nhau trực tiếp hoặc gián tiếp qua một đoạn thẳng thứ ba, hoặc hai đoạn thẳng hồn tồn khơng nối với nhau. Với các điểm, các điểm có thể ở cách nhau những khoảng cách khác nhau.