CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.2 Giới thiệu hệ thống GIS đô thị
1.2.3 Các nguyên lý GIS cơ bản
37 1.2.3.1 Nguyên lý mô hình hóa đối tượng địa lý
Trong thực tế, các đối tượng địa lý được phân bố xen kẽ với nhau trên bề mặt trái đất, dưới bề mặt trái đất và trên bầu khí quyển của trái đất. Để thể hiện thực tế đó, GIS thường bóc tách thành các lớp bản đồ như Hình 1.7.
Như vậy, các đối tượng 3 chiều được mô hình hóa thành các lớp dữ liệu không gian 2 chiều với nguyên tắc là mỗi lớp dữ liệu gồm những đối tượng: (1) có cùng chức năng và (2) có mối quan hệ không gian với nhau. Ví dụ, dữ liệu đô thị có thể được tách ra thành các lớp dữ liệu như lớp sử dụng đất, lớp đường phố, lớp nhà ở, lớp ranh giới phường xã... Như vậy, thông tin về một vùng lãnh thổ, một đô thị có thể được thể hiện như 1 bộ bản đồ của các lớp nền và chuyên đề trong hệ CSDL GIS. Ở chiều ngược lại, khi cần trả lời các truy vấn phức tạp hoặc tái hiện lại thực tế thì GIS có các công cụ để so sánh, chồng xếp và kết hợp các lớp dữ liệu.
Từng đối tượng địa lý có thể được mô hình dưới dạng điểm, đường hoặc vùng.
Ví dụ, đối với các đối tượng hạ tầng đô thị, các mạng lưới cấp nước, thoát nước... là các đối tượng dạng đường (tuyến) còn các công trình đầu mối tập trung như trạm chiếu sáng, trạm bơm, hồ điều hòa, bãi rác... là các đối tượng dạng điểm hoặc vùng tùy thuộc vào mức độ chi tiết hoặc tỷ lệ bản đồ thể hiện.
Có 2 mô hình thể hiện và quản lý dữ liệu địa lý trong
GIS, đó là mô hình vector và mô hình raster (Hình 1.8).
Đối với mô hình raster: đối tượng dạng điểm được biểu diễn bằng 1 ô ảnh;
đối tượng dạng đường được biểu diễn bằng 1 dãy các ô ảnh liền nhau; và đối tượng dạng vùng được biểu diễn dưới dạng 1 nhóm các ô ảnh liền kề cùng tính chất với cùng giá trị[23].
Hình 1.7: Mô hình thể hiện các đối tượng địa lý bằng các lớp bản đồ trong GIS (Nguồn: ESRI)
38 Hình 1.8: Mô hình dữ liệu vector và raster (Nguồn: ESRI)
Đối với mô hình vector: điểm có tọa độ x,y riêng và biểu diễn cho đối tượng rất nhỏ; đường là một chuỗi các tọa độ x,y và vùng là một chuỗi khép kín (có điểm đầu và cuối trùng nhau) các tọa độ x,y bao quanh 1 diện tích[23].
Việc lựa chọn cấu trúc dữ liệu dưới dạng vector hoặc raster tuỳ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng. Đối với hệ thống vector, thì dữ liệu được lưu trữ sẽ chiếm dung lượng nhỏ hơn rất nhiều so với hệ thống raster. Ngoài ra, cũng tuỳ vào phần mềm máy tính đang sử dụng mà nó cho phép nên lưu trữ dữ liệu dưới dạng vector hay raster. Riêng đối với việc sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong GIS thì nhất thiết phải sử dụng dưới dạng raster.
Một số công cụ phân tích của GIS phụ thuộc chặt chẽ vào mô hình dữ liệu raster, do vậy nó đòi hỏi quá trình biến đổi mô hình dữ liệu vector sang dữ liệu raster, hay còn gọi là raster hoá. Ngược lại, quá trình biến đổi từ raster sang mô hình vector, hay còn gọi là vector hoá, đặc biệt cần thiết khi tự động quét ảnh hoặc chuyển bản đồ ảnh phân loại (từ dữ liệu vệ tinh...). Raster hoá là tiến trình chia đường hay vùng thành các ô vuông (pixcel). Ngược lại, vector hoá là tập hợp các pixcel để tạo thành đường hay vùng. Nếu dữ liệu raster không có cấu trúc tốt, thí dụ ảnh vệ tinh thì việc nhận dạng đối tượng sẽ rất phức tạp.
Ngoài ra, GIS còn quản lý mối quan hệ không gian giữa các đối tượng địa lý, còn gọi là mô hình topo. Một số mô hình topo đơn giản như điểm với điểm và điểm với đường chỉ cần dựa trên thông tin vị trí (tọa độ). Nhưng những mô hình topo phức tạp hơn như quan hệ đường với đường, đường với vùng, vùng với vùng, thì các hệ thống GIS hoàn chỉnh (ví dụ như ArcGIS của ESRI) sẽ quản lý một số quy định về topo dưới dạng các thông tin bổ sung. Điều này cho phép quản lý các đối tượng đường không cắt nhau (ví dụ các cầu vượt tại các điểm giao cắt của các
39 đường giao thông) trên cùng 1 lớp bản đồ hoặc xác định các vùng thửa đất không được giao nhau.
1.2.3.2 Khái niệm bản đồ và hệ quy chiếu
Con người đã xây dựng và sử dụng bản đồ hàng nghìn năm nay để mô tả, hiển thị, diễn giải thông tin địa lý. Bản đồ là công cụ thể hiện thông tin trực quan nhất và hiệu quả nhất. Người ta thể hiện thông tin địa lý (ví dụ các công trình hạ tầng đô thị) trên bản đồ bằng cách thu nhỏ kích thước sự vật theo một tỷ lệ nào đó rồi vẽ lên mặt phẳng. Để thể hiện các đối tượng có đặc tính khác nhau thì dùng các ký hiệu riêng (màu, nét vẽ, hình ảnh, chữ và số...). Trong quá trình phát triển kinh tế kỹ thuật, bản đồ luôn được cải tiến sao cho ngày càng đầy đủ thông tin, đẹp hơn và chính xác hơn. Để thể hiện một vùng đô thị có rất nhiều dạng bản đồ nền và chuyên đề như: bản đồ địa hình, bản đồ hành chính, bản đồ giao thông, bản đồ hiện trạng xây dựng, bản đồ hiện trạng cấp thoát nước, bản đồ địa chính, bản đồ nhà ở, bản đồ mạng thông tin liên lạc...
GIS kế thừa và tuân thủ chặt chẽ những nguyên tắc bản đồ để thể hiện và quản lý các đối tượng địa lý. Với cách
thể hiện các đối tượng địa lý tại đúng vị trí thực, trong mối quan hệ với các đối tượng khác trên bản đồ và bằng các bộ ký hiệu theo quy định, bản đồ GIS cho phép người dùng nhận dạng, phân biệt và rút ra được được những thông tin quan trọng cho mình.
Dưới dạng số, bản đồ GIS khác với bản vẽ ở chỗ thể hiện chính xác tỷ lệ và tọa độ thực của các đối tượng.
Như vậy, các lớp dữ liệu bản đồ mới có thể kết hợp lại với nhau thể hiện đúng thế giới thực như nó vốn có
(Hình 1.9). Bản đồ là cách thể hiện trên mặt phẳng bề mặt trái đất vốn cong theo mức độ xấp xỉ được chọn. Cách thức thông dụng nhất là thông qua các phép chiếu (phép chiếu hình nón, phép chiếu vùng cực hoặc phép chiếu hình trụ), hình thành lên các hệ tọa độ thông dụng như hệ tọa độ địa lý, UTM, Gauss, State Plane và hệ tọa độ Lambert, Sinusoidal[23]...
Hình 1.9:Các lớp dữ liệu GIS cần được đưa về cùng 1 hệ tọa độ thực
40 Tại Việt Nam, cho đến nay vẫn tồn tại nhiều loại bản đồ với các lưới chiếu khác nhau như hệ tọa độ địa lý, hệ Gauss, UTM, hệ tọa độ HN72 và hệ tọa độ VN2000 gây nhiều khó khăn trong việc sử dụng dữ liệu bản đồ từ nhiều nguồn khác nhau. Năm 2001, Tổng cục Địa chính đã quyết định áp dụng thống nhất Hệ quy chiếu và Hệ tọa độ Quốc gia VN2000 và thể chế hóa bằng thông tư số 973/2001/TT-TCĐC “Hướng dẫn áp dụng hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia VN2000”. Hệ quy chiếu và Hệ toạ độ quốc gia VN-2000 (sau đây gọi tắt là Hệ VN2000 – xem Hình 1.10) được áp dụng thống nhất để xây dựng hệ thống toạ độ các cấp hạng, hệ thống bản đồ địa hình cơ bản, hệ thống bản đồ nền, hệ thống bản đồ địa chính, hệ thống bản đồ hành chính quốc gia và các loại bản đồ chuyên đề khác.
Hình 1.10: Các thông số của Hệ tọa độ quốc gia VN2000
Cụ thể, theo quy định của Bộ Tài nguyên và Môi trường, bản đồ đô thị Việt Nam cần được đưa về quản lý thống nhất trong hệ tọa độ quốc gia VN2000 kinh
41 tuyến trục 1050 với múi chiếu 60 cho dữ liệu toàn quốc và múi chiếu 30 kinh tuyến trục địa phương (mỗi tỉnh có 1 kinh tuyến trục riêng) cho dữ liệu đô thị từng tỉnh và từng thành phố. Tham khảo thêm các tài liệu về hệ tọa độ VN2000 do Bộ TN&MT ban hành để hiểu rõ thêm về nguyên lý này.
1.2.3.3 Nguyên lý cơ sở dữ liệu (CSDL)
Dữ liệu đô thị thường với khối lượng lớn và đa dạng, đa ngành, được thu thập từ nhiều nguồn sơ cấp như khảo sát, điều tra, đo vẽ (GPS, ảnh máy bay, vệ tính…) và nguồn thứ cấp từ các cơ quan ban ngành. Với khối lượng lớn như vậy, dữ liệu đô thị cần được xử lý sắp xếp theo cấu trúc một cách lô-gic thì mới có thể mang lại thông tin tổng hợp hoặc các thông tin chuyên đề giúp làm sáng tỏ 1 vấn đề hoặc 1 lĩnh vực đô thị đang được quan tâm. Như vậy, dữ liệu đô thị cần được lưu trữ và quản lý trong cơ sở dữ liệu (CSDL) để sau đó có thể truy vấn, tổng hợp, phân tích phục vụ công tác quy hoạch và quản lý hạ tầng đô thị.
Lợi ích của việc sử dụng CSDL trong quản lý thông tin đô thị bao gồm: (1) giảm thiểu tình trạng thông tin dư thừa và không thống nhất; (2) tăng độ linh hoạt của quy trình tra cứu, phân tích và tạo dữ liệu; (3) tăng cường khả năng phát triển ứng dụng của người sử dụng; (4) chia sẻ giá thành quá trình nhập, lưu trữ và sử dụng dữ liệu; (5) tạo điều kiện cho quá trình duy trì cập nhật CSDL; (6) duy trì độ tin cậy và thúc đẩy việc chuẩn hóa; và (7) cân bằng các yêu cầu mang tính mâu thuẫn.
GIS trước tiên phải là hệ thống thông tin quản lý và như vậy, nguyên lý CSDL rất quan trọng trong việc hiểu và sử dụng GIS đô thị. Cơ sở dữ
liệu được hình thành và phát triển từ cấu trúc đơn giản là các bảng dữ liệu đơn lẻ (ví dụ như danh mục các công trình hạ tầng, danh mục nhà ở, danh mục các quy hoạch phân khu...) phục vụ cho từng giao dịch. Khi dữ liệu trở lên đa ngành, đa lĩnh vực với nhiều bảng dữ liệu và cơ sở dữ liệu trở lên đa mục tiêu, thì các mô hình giải pháp cho mối liên kết của bảng dữ liệu được lựa chọn giữa cấu trúc dạng nhánh cây, Hình 1.11: Mô hình CSDL quan hệ đối với
các bảng dữ liệu thuộc tính trong GIS
42 dạng mạng lưới hoặc dạng quan hệ. Đối với các hệ thống GIS, mô hình cấu trúc dữ liệu dạng quan hệ (Hình 1.11) được áp dụng phổ biến. Ví dụ, dữ liệu dân cư của các phường xã trong một đô thị được liên kết với dữ liệu các chỉ số hạ tầng đô thị dựa trên trường dữ liệu chung là mã phường xã do TCTK ban hành. Điều đó cho phép các thao tác chuẩn như tìm kiếm, truy vấn và cả thay đổi cập nhật dữ liệu trên CSDL thông qua các quan hệ.
Để quản lý đồng thời dữ liệu vị trí không gian của các đối tượng địa lý và các đặc điểm thuộc tính của chúng, GIS được xây dựng trên mô hình cấu trúc CSDL quan hệ không gian (Hình 1.12). Như trình bày ở mục trên mỗi đối tượng không gian địa lý được mô hình hóa thành dạng điểm, đường hoặc vùng với vị trí và hình dạng hình học, đồng thời được quản lý trong CSDL không gian bằng một mã đối tượng duy nhất. Thuộc tính của các đối tượng đó được quản lý trong các bảng dữ liệu với các quan hệ và cũng chứa trường chung để liên kết là mã đối tượng. Dựa trên trường mã đối tượng duy nhất đó, dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính được quản lý liên kết với nhau trong một cơ sở dữ liệu quan hệ không gian.
Hình 1.12: Mô hình CSDL quan hệ không gian
Với mô hình này, người dùng có thể tìm thuộc tính đối tượng bằng cách chọn đối tượng trên bản đồ và ngược lại, có thể tìm vị trí của một đối tượng như đường phố trong một đô thị bằng cách chọn thuộc tính như tên đường phố trong bảng dữ liệu thuộc tính. Kết hợp với nguyên lý quan hệ không gian (topo), các phép truy vấn
43 không gian phức tạp có thể được thực hiện như tìm danh mục các nhà dân nằm trong vùng giải tỏa khi mở rộng một đường phố và qua các bảng thuộc tính về những ngôi nhà đó có thể tính toán chi phí đền bù cho những người dân phải tái định cư...