CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ GIS VÀ QUY ĐỊNH XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU TÀI NGUYÊN ĐẤT
2.1.3. Chức năng của GIS
Một hệ thông tin địa lý phải trả lời được 5 câu hỏi: cái gì đang tồn tại tại một vị trí cụ thể?, vị trí cụ thể đó có tọa độ như thế nào?, cái gì đã thay đổi và thay đổi như thế nào?, các đối tượng có quan hệ như thế nào?, điều gì sẽ xảy ra nếu?. Để trả lời được những câu hỏi trên, hệ thông tin địa lý cần các chức năng:
- Phân tích không gian: bao gồm giải quyết các câu hỏi về thuộc tính, các câu hỏi về phân tích không gian và tạo nên tập dữ liệu mới từ dữ liệu ban đầu. Mục tiêu của việc phân tích không gian là từ việc giải quyết các câu hỏi đơn giản về các hiện tượng, các vấn đề trong không gian 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. Các phân tích cơ bản trong phân tích không gian gồm:
+ Chuyển đổi cấu trúc dữ liệu: Dữ liệu GIS là dữ liệu đa nguồn được xếp vào hai kiểu cấu trúc raster và vector GIS. Quá trình chuyển đổi từ raster sang vector GIS và ngược lại được thực hiện trong GIS. Chuyển đổi từ raster sang vector được thực hiện từ các module chuyển đổi khác nhau. Thực tế có
rất nhiều cách chuyển đổi từ raster sang vector GIS, xong cần phải ghi nhận là vector được tạo nên cần phải được xử lý soạn thảo lại trước khi đưa vào phân tích. Lý do thứ nhất là khi chuyển đổi việc nhận dạng giá trị số của các đối tượng không gian ở raster sang vector hay bị nhầm lẫn. Vì vậy cần cập nhật lại mã vùng, đường và điểm. Lý do thứ hai cần có thao tác yếu tố không gian là đường tạo thành bằng vector hoá. Các đường chuyển đổi vùng thường không mềm mại và phụ thuộc vào đầu vào là file raster có độ phân giải cao hay thấp. Quá trình làm trơn đối tượng đường được thực hiện trong cấu trúc vector GIS.
Hình 2.5.1. Chuyển từ Raster sang Vector
Hình 2.5.2. Chuyển từ vector sang Raster
Chuyển đổi cấu trúc dữ liệu từ hệ GIS này sang hệ GIS khác: Dữ liệu GIS từ hệ GIS này sang hệ GIS khác có thể nhập và xuất thẳng chạy chuyển đổi qua một kiểu dữ liệu tiêu chuẩn chung gọi là Interchange file. Các trình chuyển đổi dữ liệu trong GIS cho các dữ liệu không gian và thuộc tính bằng các trình Import, Export, hoặc các trình tương thích khác.
+ Chuyển đổi hình học: là chuyển đổi các dữ liệu không gian sao cho khớp với thế giới thực về mặt hình học. Quy trình chuyển đổi được thực hiện để nắn các ảnh máy bay hoặc dữ liệu ảnh số, ảnh vệ tinh.
Chuyển đổi được thực hiện theo các trình chuyển đổi khác nhau. Đối với ảnh máy bay áp dụng phép chuyển đổi kiểu Afine, chuyển đổi có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến tính. Trong vector GIS, việc nắn hình học của các
lớp thông tin cho khớp về mặt hình học và tọa độ của các tờ bản đồ khác nhau được thực hiện bằng phép chuyển đổi transformation.
+ Chuyển đổi giữa các hệ toạ độ: Chuyển đổi giữa các hệ toạ độ được thực hiện trong bất kỳ một phần mềm GIS nào. Việc chuyển đổi từ hệ tọa độ này sang hệ tọa độ khác sẽ dẫn đến sự thay đổi về hình học và giá trị đo độ dài là m, km, feet, miler (UTN/ Plane) sang độ, phút, giây (hệ toạ độ địa lý hoặc Cartesian đo bằng Radian. Trong ARC/INFO GIS việc chuyển đổi hệ tọa độ thực hiện bằng trình Project. Quá trình chuyển đổi cần khai báo các thông số đầu vào và đầu ra bao gồm: Thông số về hệ tọa độ, đơn vị đo, và các thông số khác. Sau khi chuyển đổi bắt buộc phải thực hiện quy trình tái tạo topology hoặc bằng clean cho vùng, build cho đối tượng vùng, đường và điểm.
+ Khớp nối các lớp thông tin: khớp nối các lớp thông tin là quá trình đưa đối tượng không gian trên các bản đồ khác nhau về cùng vị trí. Khi chồng xếp các lớp thông tin với nhau thì các đối tượng đặc trưng không biến đổi nằm trên các lớp thông tin phải trùng nhau về vị trí. Ví dụ, một cây cầu xuất hiện trên nhiều lớp thông tin phải khớp với nhau. Về mặt hình học, các lớp thông tin phải đưa về cùng một bản đồ chuẩn là bản đồ địa hình. Coi một lớp thông tin là chuẩn và các lớp thông tin khác nắn theo lớp thông tin này.
+ Khớp biên: là quá trình chỉnh các đối tượng không gian đúng vị trí khi ghép các tờ bản đồ vào nhau. Một khu vực nghiên cứu cấu thành từ nhiều tờ bản đồ, sau khi được số hoá cần được hợp nhất làm một bằng cách trình ghép bản đồ (Mapjoint). Khi ghép bản đồ, thường có sự sai lệch về hình dạng, vị trí. Quá trình sửa chữa soạn thảo lại các đối tượng không gian này là một công đoạn khá phức tạp và tốn thời gian. Có hai cách để khớp biên: Khớp biên bán tự động bằng các trình khớp biên (ví dụ edge matching trong ARC/
INFO) và khớp biên theo cách hiển thị một bản đồ làm nền và vẽ lại các đối tượng không gian giáp biên, sau đó tạo topology cho chúng.
Hình 2.6. Khớp biên giữa các đối tượng không gian
+ Chỉnh sửa đối tượng:là quá trình số hoá đường, gắn nhãn hoặc chỉnh sửa lớp thông tin chú giải trong GIS. Chỉnh sửa vector bao gồm các quá trình có các chức năng chính sau: Số hoá, copy, chỉnh sửa đường; Gắn nhãn và sửa nhãn; Thiết lập và chỉnh sửa lớp chú giải; … Quá trình chỉnh sửa sẽ giúp loại bỏ các đối tượng dạng diện thừa, đổi lại nhãn của diện hoặc đường, làm trơn đường bằng cách đặt lại khoảng cách thô của đường.
+ Giảm lược tọa độ đường: là quá trình giảm tọa độ của các điểm (vertex) trong GIS. Giảm tọa độ của đường là chức năng của GIS nên xem xét tọa độ của các điểm trên một cung (ARC) và loại bỏ những điểm có tọa độ không cần thiết. Quá trình này tiến hành cần phải hết sức thận trọng vì khi giảm các điểm sẽ làm cho đường trở nên thưa và đôi khi không còn chính xác với thực tế nữa. Quá trình này thường đồng nghĩa với việc tổng quát hoá đường. Khi chuyển từ tọa độ lớn sang tọa độ nhỏ hơn cần tiến hành tổng quát hoá đường bằng việc sử dụng chức năng này. Modul Generalize của ARC/INFO trong ARCEDIT sẽ giúp ta làm việc đó.
- Phân tích dữ liệu thuộc tính: Dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong hệ quản lý cơ sở dữ liệu. Mô hình kiểu RDBMS được sử dụng dưới dạng bảng dòng và cột. Các mô hình khác như thứ tự cấp bậc, mạng được lưu trữ theo kiểu các file dữ liệu chứa trong một thư mục làm việc nào đó trong ổ cứng của máy tính GIS cho phép chỉnh sửa, cập nhật, tính toán dữ liệu thuộc tính này.
Tình trạng lệch
a- trước khi khớp biên b- sau khi khớp biên
+ Cập nhật dữ liệu thuộc tính: là chức năng cho phép ta thay đổi dữ liệu thuộc tính. Một dữ liệu thuộc tính dạng bảng có thể thêm các số ghi hoặc loại bỏ số ghi hoặc cập nhật sửa chữa những sai sót của một trường. Trong quá trình cập nhật, chúng ta có thể copy, xoá hoặc thêm một trường nào đó. Tính toán thống kê có thể được thực hiện trong các dữ liệu thuộc tính. Các bảng dữ liệu thuộc tính khác nhau có thể được liên kết lại bằng các Modul trong GIS như Joint Item (ARC/INFO). Ngoài ra, các phép tính liên quan đến tính toán trong bảng thuộc tính như thống kê, tần suất hoặc các phép tính số học đều được thực hiện khi cập nhật thuộc tính với các trường số. Với các trường ký tự ta có thể thay đổi tùy ý.
+ Hỏi đáp thuộc tính: được tiến hành trong bảng thuộc tính. Chức năng này cho phép tìm bất kỳ một đối tượng không gian nào dựa trên thuộc tính của chúng được mô tả trong một trường bất kỳ.
- Tổ hợp phân tích không gian và thuộc tính: là chức năng kết hợp phân tích các đối tượng không gian dựa trên các thuộc tính của chúng. Kết quả đầu ra là các đối tượng không gian được chọn ra từ một vùng cho trước. Phân tích không gian không chỉ đơn thuần là chọn lọc từ một lớp thông tin mà còn thực hiện các thao tác chồng xếp các lớp thông tin, phân loại đo đạc...
+ Chức năng tìm kiếm:
+ Chức năng phân loại không gian: là gộp một số đối tượng không gian có đặc tính gần giống nhau vào một lớp lớn hơn (khái quát hoá đối tượng).
+ Chức năng đo đạc: Để tính toán những tính chất của dữ liệu hình học, chức năng đo đạc thực sự cần thiết. Đối với vùng chức năng đo đạc thực hiện các thao tác như tính chu vi, diện tích của vùng và điểm trung tâm của vùng.
Đối với đường các phép đo độ dài đường, hướng của đường. Các phép đo tiên tiến hơn là xác định hình dạng của vùng, khoảng cách rộng nhất và hẹp nhất xuyên qua vùng, chiều dài và độ cong của đường cũng được tổ hợp trong GIS.
+ Chức năng chồng xếp các lớp thông tin: là một phép toán không gian quan trọng trong GIS. Qua phép chồng xếp lớp thông tin mà tổ hợp được các chỉ tiêu trong phân tích.
Hình 2.7. Thao tác chồng xếp hai lớp thông tin raster
Trên hệ thống vector, những khu vực được thể hiện bằng các vùng và thuộc tính gắn với nó được lưu trữ trong một bảng thuộc tính. Toàn bộ các vùng có mã nhận dạng riêng biệt và nó được dùng để liên kết một bảng tính chất với các vùng đó. Bước đầu tiên của thao tác chồng ghép trong hệ thống vector là tạo ra những vùng trên lớp mới bằng việc dùng thuật toán giao cắt vùng. Khi các vùng của một lớp được đặt trên một lớp thứ hai thì sự ghép liên tiếp các vùng được tạo ra bởi sự chia nhỏ của những vùng trước bằng chính những đường bao của chúng. Quá trình này có thể đem so với việc đặt hai bản đồ xếp chồng lên nhau trên một bàn sáng và tìm tất cả các vùng nơi mà các khoanh vi khác nhau che lấp nhau để xác định chúng như là các vùng mới.
Một khi các vùng mới được tạo ra, một bảng thuộc tính mới sẽ được liên kết với lớp này. Việc tổ hợp các giá trị thuộc tính của các vùng che lấp trên bản đồ gốc làm sinh ra bảng thuộc tính mới. Quá trình này được gọi là 'clipping'.
Lớp đầu vào 1
Lớp đầu vào 2
Lớp kết quả
Hình 2.8. Thao tác chồng xếp hai lớp thông tin vector GIS
+ Phân tích lân cận: tập hợp đặc tính hình học và chuyên đề xung quanh 1 vị trí cụ thể. Chức năng lân cận yêu cầu ít nhất ba thông số cơ bản:
một hoặc nhiều vị trí bắt đầu; một định nghĩa về tính lân cận quanh một vị trí cụ thể và một quá trình sẽ được xây dựng trên những phần tử trong vùng lân cận này. Chức năng này có thể xếp vào 3 nhóm chính: tìm kiếm; chức năng địa hình và kỹ thuật nội suy.
+ Phân tích địa hình: Các đường đồng mức có thể được lưu lại dưới dạng những vùng trong một GIS nhưng chúng không thích hợp cho phân tích số hoặc mô hình hoá. Để tiến hành phân tích dữ liệu địa hình, mô hình số độ cao cần phải được thiết lập. Dữ liệu địa hình khi đưa vào phân tích có thể ở dạng mô hình số độ cao (DEM) hoặc mô hình số địa hình (DTM) hoặc mô hình mạng lưới tam giác không đều (TIN). Chức năng phân tích địa hình gồm: phân tích góc dốc, hướng sườn và lát cắt địa hình.
+ Phép nội suy: là những điểm được xác định gần nhau trong không gian thì thường có những giá trị tương tự. Phương pháp nội suy được chia thành 3 nhóm chính: nội suy cục bộ (nội suy tuyến tính, nội suy theo điểm gần nhất, trung bình trọng số hoặc rãnh trượt); nội suy toàn cầu và Kriging (phương pháp nội suy dựa trên phép phân tích bề mặt và trọng số trung bình).
Trong các phép nội suy trên thì Kriging là một phương pháp nội suy thường cho ra những kết quả tốt nhất khi tính toán nhưng cũng đòi hỏi việc xử lý mất nhiều thời gian. Chất lượng của phép nội suy phụ thuộc vào số lượng và sự phân bố của các điểm đã biết, vào độ chính xác của các giá trị dữ liệu ghi nhận và hàm toán học được chọn. Kết quả tốt nhất thu được khi hàm toán chạy theo một phương thức giống như hiện tượng. Tuỳ thuộc vào mục đích, độ gồ ghề của bề mặt địa hình, số lượng và sự phân bố của các điểm đã biết để lựa chọn phép nội suy tương ứng (Aronoff, 1989).
Ví dụ điển hình trong việc sử dụng phép nội suy là tạo đường đồng mức.
+ Phân tích nối tiếp: đòi hỏi sự nối tiếp không gian giữa các vị trí để xử lý các dữ liệu thuộc tính. Những chức năng này tích lũy các giá trị thuộc tính trên những đối tượng đi qua. Chức năng này dừng lại khi sự nối tiếp không gian bị gián đoạn hoặc thuộc tính tích luỹ không thoả mãn yêu cầu của các tiêu chuẩn đề ra (Aronoff, 1989). Ví dụ của phép phân tích này là tìm đường đi ngắn nhất giữa 2 điểm. Chức năng này bao gồm: đo sự gần kề của những đối tượng nối tiếp về mặt không gian; chức năng phân tích mạng áp dụng cho các đường cắt nhau (chức năng này mô phỏng quá trình di chuyển của đối tượng từ vị trí này đến vị trí khác); phân tích dòng (stream - thường sử dụng trong phép đo xói mòn tiềm năng); …
- Phân tích đa chỉ tiêu: phương pháp này thường được sử dụng để giải quyết các vấn đề liên quan tới môi trường. Phương pháp này cũng thường được sử dụng để hỗ trợ cho việc quy hoạch môi trường hoặc đô thị bằng việc tạo nên các bản đồ thích hợp cho các loại hình sử dụng đất khác nhau. Đặc tính làm cho phân tích đa chỉ tiêu đặc biệt là nó giúp cho người ra quyết định phân chia ra các mức độ quan trọng khác nhau cho các nhân tố khác nhau.
- Định dạng đầu ra: Đầu ra của GIS bao gồm các bản đồ chuyên đề, các báo cáo và bảng biểu đi kèm. Bản đồ có thể được thể hiện là các bản đồ in
trên giấy hoặc phim. Đầu ra cũng có thể lưu trữ bằng các film ảnh hoặc lưu trên các đĩa CD-ROM để hiển thị trên máy tính bằng các phần mềm GIS tương ứng. Để có đầu ra, ta cần phải tiến hành xử lý và thiết kế các yếu tố bản đồ, chú giải, dán nhãn, chọn các kiểu đường, các ký tự đồ hoạ và các ký hiệu bản đồ khác.
Hình 2.9. Quan hệ giữa các nhóm chức năng của GIS
Tài liệu, bản đồ giấy
Quan sát thực địa
Thu thập dữ liệu
Dữ liệu thô
Cơ sở dữ liệu Lưu trữ Truy
vấn
Hiển thị Phân
tích
Dữ liệu có cấu trúc
Xuất dữ
liệu Thiết bị ra
Ví dụ