3.2. Cơ sở công nghệ của việc xây dựng CSDL phục vụ QHSDĐ
3.2.1. Khái quát về HTTĐL
Hệ thông tin địa lý -HTTĐL (Geographic Information System- gọi tắt là GIS -tiếng Anh) là một nhánh của công nghệ thông tin, đ−ợc hình thành vào những năm 60 của thế kỷ tr−ớc và phát triển rất mạnh mẽ trong những năm gần đây. HTTĐL được định nghĩa là một hệ thống dùng để nhập, lưu trữ, tính toán, phân tích và hiển thị các dữ liệu địa lý hay dữ liệu không gian phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý các hoạt động theo lãnh thổ.
Ngày nay, HTTĐL đã trở thành công cụ trợ giúp quyết định trong hầu hết các hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. HTTĐL có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân v.v... đánh giá đ−ợc hiện trạng của các quá
trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin đ−ợc gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở tọa độ của các dữ liệu đầu vào.
b. Thành phần của HTTĐL
Một HTTĐL đầy đủ gồm 4 thành phần chính sau: - Phần cứng - PhÇn mÒm - Cơ sở dữ liệu - Cơ sở tri thức
Dữliệu Thụng tin Tri thức Quyết định
Cơsở tri thức Cơsởdữliệu
Chính sách
Phần cứng,
Phấn mềm. THỰC TIỄN
XÃ HỘI
Hình 3.1: Các thành phần của HTTĐL
b1. Hệ thống phần cứng
Bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chức năng vào, ra và xử lý thông tin của phần mềm. (nh− hình 3.2)
Bàn vẽ
Máy quét
Máy in màu
Hình 3.2: Hệ thống phần cứng trong HTTĐL
Hiển thị
Mạng
Đĩa B¨ng
tõ
Máy chủ
b2. Hệ thống phần mềm
Đi kèm với hệ thống thiết bị trong HTTĐL ở trên là một hệ mềm có tối thiểu 4 nhóm chức năng sau đây:
- Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau.
- Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tin thuộc tính.
- Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối −u và mô hình mô phỏng không gian- thời gian
- Hiển thị và trình bày thông tin d−ới các dạng khác nhau, với các biện pháp khác nhau.
Phần mềm đ−ợc phân thành ba lớp: hệ điều hành, các ch−ơng trình tiện ích đặc biệt và các chương trình ứng dụng
b3. Cơ sở dữ liệu
HTTĐL phải bao gồm một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin không gian (thông tin địa lý) và các thông tin thuộc tính liên kết chặt chẽ với nhau và
đ−ợc tổ chức theo một ý đồ chuyên ngành nhất định.
Đồng mức Hành chính
§−êng Thủy văn
Khu d©n c−
Sử dụng
đất
Bảng thuộc tính
Đường Rộng Dân cư Số Sử dụng đất Diện tích 01 24
...
1 15 ... ...
NN 150 LN 300 ...
Thông tin thuộc tính
Hình 3.3 : Cơ sở dữ liệu GIS
b4. Cơ sở tri thức (CSTT) của HTTĐL phục vụ quy hoạch sử dụng đất
Trong phạm vi của đề tài, chỉ xét đến CSTT phục vụ quy hoạch sử dụng
đất. Nội dung bao gồm:
- Các quy định, quy trình đã ban hành liên quan đến quy hoạch sử dụng đất
- Các chủ trương, định hướng phát triển kinh tế xã hội liên quan, các đề án quy hoạch liên quan đã có
- Các tổng kết, nghiên cứu về sử dụng đất liên quan (điều kiện địa lý tự nhiên,
đất đai, tập quán canh tác, các loại hình, mô hình sử dụng đất, cơ cấu cây trồng ...)
- Các mô hình cơ sở về phân tích bản đồ ( mô hình số độ cao DEM, độ dốc, hướng phơi, tạo lưu vực)
- Các mô hình phân tích chồng xếp, đánh giá thường dùng trong quy hoạch sử dụng đất
c. Cấu trúc dữ liệu HTTĐL
Dữ liệu thuéc tÝnh Vị trí địa lý
Đặc điểm không gian
Hình dạng
Dữ liệu thời gian Thông
tin
địa lý
Dữ liệu không
gian
Dữ liệu thuéc
tÝnh
§iÓm
§−êng
Vùng
Định tÝnh
Định l−ợng
Hình 3.4: Dữ liệu GIS Có hai dạng cấu trúc dữ liệu
cơ bản trong HTTĐL. Đó là dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính.
Đặc điểm quan trọng trong tổ chức dữ liệu của HTTĐL là: dữ liệu không gian (bản đồ) và dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong cùng một CSDL, trong cùng một hệ tọa
độ và có quan hệ chặt chẽ với nhau c1. Dữ liệu không gian
Dữ liệu không gian là dữ liệu có liên quan đến sự phân bố của các đối tượng địa lý. Thông thường đó là những dữ liệu địa lý gắn liền với mặt đất.
Dữ liệu không gian có hai dạng cấu trúc. Đó là dạng raster và dạng vector (xem h×nh 3.7).
Hình 3.5: Cấu trúc vector và raster
- CÊu tróc raster:
Chia bề mặt không gian theo lớp thành những phần tử nhỏ bằng một l−ới điều hòa
gồm các hàng và cột, tính theo thứ tự bắt đầu từ đỉnh phía trái. Những phần tử nhỏ này gọi là những những pixel hay cell. Mỗi pixel mang một giá trị đơn.
Một mặt phẳng chứa đầy các pixel tạo thành raster. Cấu trúc này th−ờng đ−ợc
áp dụng để mô tả các đối t−ợng, hiện t−ợng phân bố liên tục trong không gian, dùng để lưu giữ thông tin dạng ảnh (ảnh mặt đất, hàng không, vũ trụ...), một số dạng mô hình biểu diễn bề mặt nh− DEM (Digital Elevation Model), DTM (Digital Terrain Model) , TIN (Triangulated Irregular Network) trong CSDL
Ưu điểm của cấu trúc dữ liệu dạng raster là dễ thực hiện các chức năng xử lý và phân tích. Tốc độ tính toán nhanh, thực hiện các phép toán bản đồ dễ dàng. Dễ dàng liên kết với dữ liệu viễn thám. Cấu trúc raster có nh−ợc điểm là kém chính xác về vị trí không gian của đối t−ợng. Khi độ phân giải càng nhỏ (kích th−ớc pixel lớn) thì sự sai lệch này càng tăng
- CÊu tróc vector:
Cấu trúc vector mô tả vị trí và phạm vi của các đối t−ợng không gian bằng tọa độ cùng các kết hợp hình học gồm nút, cạnh, mặt và quan hệ giữa chúng. Về mặt hình học, các đối t−ợng đ−ợc phân biệt thành 3 dạng: đối t−ợng dạng điểm, đối tượng dạng đường và đối tượng dạng vùng. Điểm được xác
định bằng một cặp tọa độ X,Y. Đường là một chuỗi các cặp tọa độ X,Y liên tục. Vùng là khoảng không gian đ−ợc giới hạn bởi một tập hợp các cặp tọa độ X,Y trong đó điểm đầu và điểm cuối trùng nhau.
Cấu trúc vector không lấp đầy bề mặt, mà chỉ lấp ở những nơi có đối tượng phân bố. Cấu trúc này thường dùng với những đối tượng phân bố không liên tục, nhất là thể loại bản đồ đường nét, bản đồ địa hình.
Cấu trúc vector có −u điểm là vị trí của các đối t−ợng đ−ợc định vị chính xác, cấu trúc này giúp cho ng−ời sử dụng dễ dàng biên tập, chỉnh sửa.
Tuy nhiên cấu trúc này có nh−ợc điểm là khó và phức tạp khi thực hiện các phép xử lý và phân tích. Ngoài ra, khi nhận các dữ liệu viến thám hay ảnh quét, phải tiến hành biến đổi dữ liệu khá phức tạp
Có thể chuyển đổi dữ liệu từ cấu trúc raster sang vector và ng−ợc lại thông qua các chức năng của các phần mềm HTTĐL
c2. Dữ liệu thuộc tính
Dữ liệu thuộc tính dùng để mô tả đặc điểm của đối t−ợng. Dữ liệu thuộc tính có thể là định tính - mô tả chất l−ợng (qualitative) hay là định l−ợng (quantative). Về nguyên tắc, số l−ợng các thuộc tính của một đối t−ợng là không có giới hạn. Để quản lý dữ liệu thuộc tính của các đối t−ợng địa lý trong CSDL, HTTĐL đã sử dụng phương pháp gán các giá trị thuộc tính cho các đối t−ợng thông qua các biểu đồ, các bảng số liệu. Mỗi bảng ghi (record)
đặc trưng cho một đối tượng địa lý, mỗi cột của bảng tương ứng với một kiểu thuộc tính của đối t−ợng đó.
Các dữ liệu trong HTTĐL thường rất lớn và lưu trữ ở các dạng file khác nhau nên tương đối phức tạp. Do vậy để quản lý, người ta phải xây dựng các cấu trúc chặt chẽ cho các CSDL.
d. Các chức năng cơ bản của HTTĐL
Một HTTĐL đầy đủ có những có những chức năng cơ bản sau:
d1. Nhập và biến đổi dữ liệu địa lý
Đây là quá trình biến đổi dạng dữ liệu từ dạng bản đồ giấy, từ tài liệu, văn bản khác nhau thành dạng số để có thể sử dụng đ−ợc trong HTTĐL.
Với dữ liệu văn bản, tài liệu và những thông tin thuộc tính thì nhập qua bàn phím hoặc qua các ch−ơng trình xử lý và quản trị số liệu. Còn với dữ liệu không gian (bản đồ) thì đ−ợc số hóa bằng bàn vẽ (Digitizer), hoặc quét vào máy (Scanner) rồi số hóa tự động hoặc bán tự động.
Ngoài ra còn có thể nhập từ nguồn dữ liệu HTTĐL đã có và từ nguồn
ảnh viễn thám ...
Sau khi nhập số liệu và bản đồ vào máy tính, khâu tiền xử lý cho phép hoàn thiện dữ liệu-bản đồ trên máy với các nội dung nh−:
- Gắn thuộc tính cho các đối t−ợng bản đồ: thực chất đây là liên kết các dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính. Có thể gán thuộc tính cho đối t−ợng bằng tay (chọn từng đối tượng và gán thuộc tính) hoặc có thể dùng chương trình (yêu cầu các bảng số liệu và đối tượng bản đồ tương ứng phải có một chỉ số chung để liên kết)
- X©y dùng cÊu tróc topo
- Biên tập các lớp thông tin và trình bầy bản đồ - Chuyển đổi hệ chiếu
- Chuyển đổi khuôn dạng, cấu trúc dữ liệu bản đồ...
d2. Quản lý dữ liệu
Trong HTTĐL, dữ liệu đ−ợc sắp xếp theo các lớp (layer), theo chủ đề, theo không gian (khu vực), theo thời gian (năm tháng) và theo tầng cao và
được lưu trữ ở các thư mục một cách hệ thống.
Chức năng quản lý dữ liệu của HTTĐL đ−ợc thể hiện quan các nội dung sau:
- Lưu trữ dữ liệu trong CSDL - Khôi phục dữ liệu từ CSDL
- Tổ chức dữ liệu theo những dạng cấu trúc dữ liệu thích hợp
- Thực hiện các chức năng lưu trữ và khôi phục trong các thiết bị lưu trữ
- Truy nhập và cập nhật dữ liệu. HTTĐL có thể tìm kiếm đối t−ợng thỏa mãn những điều kiện cho tr−ớc một cách dễ dàng và chính xác. Có thể chọn lọc đối tượng theo một tiêu chuẩn cho trước để từ đó có thể thực hiện tổng quát hóa tự động.
d3. Xử lý và phân tích dữ liệu
HTTĐL cho phép xử lý trên máy tính hàng loạt các phép phân tích bản
đồ và số liệu một cách nhanh chóng chính xác, phục vụ các yêu cầu xây dựng bản đồ và phân tích quy hoạch lãnh thổ. HTTĐL có thể thực hiện các phép
biến đổi bản đồ cơ bản (xem phần phụ lục), chồng xếp bản đồ, xử lý dữ liệu không gian theo các mô hình. Những kỹ thuật phân tích xử lý chính bao gồm:
- Các phép đo đếm diện tích, chiều dài; thống kê diện tích tự động theo các loại biểu thiết kế.
- Các phân tích theo vùng lựa chọn, thống kê vùng biên theo các mục tiêu nh−: phạm vi thu hút của mạng đ−ờng vận chuyển, vùng nguyên liệu cho các nhà máy (buffering), phân loại, phân lớp mới cho các bản đồ vùng.
- Các phép nội suy tạo đường đẳng trị, phân tích địa hình (độ dốc, h−ớng dốc, phân tích hệ thuỷ), mô phỏng không gian, mô tả theo h−ớng nhìn.
- Chồng xếp bản đồ theo các tiêu chuẩn hoặc mô hình tính toán để tạo ra các bản đồ chuyên đề mới. Đ−a ra các mô hình dữ liệu và thực hiện các bài toán ra quyết định, các bài toán quy hoạch, phân vùng, dự báo khuynh hướng phát triển.
d4. Xuất và trình bày dữ liệu
Đ−a ra các báo cáo kết quả của quá trình phân tích, tổng hợp dữ liệu tới người sử dụng. Dữ liệu đua ra có thể dưới dạng bản đồ, bảng, biểu đồ, hình vẽ thể hiện bằng hình ảnh trên màn hình, máy in, máy vẽ hoặc đ−ợc ghi trên các thiết bị từ d−ới dạng số.