Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin được hình thành vào những năm 1960 và phát triển rất rộng rãi trong 10 năm lại đây. GIS là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích sự vật, hiện tượng thực trên trái đất. Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất từ các bản đồ. Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau [6].
Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về GIS, nhưng đều có điểm giống nhau như:
bao hàm khái niệm dữ liệu không gian, phân biệt giữa hệ thông tin quản lý và GIS.
So với bản đồ thì GIS có lợi thế là lưu trữ dữ liệu và biểu diễn chúng là hai công việc tách biệt nhau. Do vậy GIS cho khả năng quan sát từ các góc độ khác nhau trên cùng tập dữ liệu. Sau đây là một số định nghĩa GIS hay sử dụng:
• Định nghĩa của dự án The Geographer’s Craft, khoa địa lý, trường đại học Texas
GIS là CSDL số chuyên dụng trong đó hệ trục tạo độ không gian là phương tiện tham chiếu chính. GIS bao gồm các công cụ để thực hiện các công việc sau đây:
• Nhập dữ liệu từ bản đồ giấy, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, số liệu điều tra và các nguồn khác.
• Lưu trữ dữ liệu, khai thác, truy vấn CSDL.
• Biến đổi dữ liệu, phân tích, mô hình hóa, bao gồm các dữ liệu thống kê và dữ liệu không gian.
•Lập báo cáo, bao gồm các bản đồ chuyên đề, các bảng biểu, biểu đồ và kế hoạch.
Từ định nghĩa trên ta thấy rõ ba vấn đề sau của GIS. Thứ nhất, GIS có quan hệ với ứng dụng CSDL, toàn bộ thông tin trong GIS đều liên kết với tham chiếu không gian, CSDL GIS sử dụng tham chiếu không gian như phương tiện chính để lưu trữ và xâm nhập thông tin. Thứ hai, GIS là công nghệ tích hợp, hệ GIS đầy đủ có các khả năng phân tích bao gồm phân tích ảnh máy bay, ảnh vệ tinh hay tạo lập mô hình thống kê, vẽ bản đồ... Cuối cùng, GIS được không chỉ xem như tiến trình phần cứng, phần mềm rời rạc mà còn được sử dụng vào trợ giúp quyết định.
• Định nghĩa của David Cowen, Mỹ
GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục được thiết kế để thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mô hình hóa và hiển thị các dữ liệu qui chiếu không gian để giải quyết các vấn đề quản lý và lập kế hoạch phức tạp.
Độ phức tạp của thế giới thực là không giới hạn, song con người luôn mong lưu trữ, quản lý các dữ liệu về thế giới thực thế nên phải có CSDL lớn vô hạn để lưu trữ thông tin chính xác về chúng. Do vậy, để lưu trữ được dữ liệu không gian của thế giới thực và máy tính thì phải giảm số lượng dữ liệu đến mức có thể quản lý được bằng tiến trình đơn giản hóa hay trừu tượng hóa. Trừu tượng là đơn giản một cách thông minh, trừu tượng cho ta tổng quát hóa và ý tưởng hóa vấn đề đang xem xét, loại bỏ các chi tiết dư thừa mà chỉ tập trung vào các điểm chính, cơ bản. Các đặc trưng đại lý phải được biểu diễn bởi các thanh phần rời rạc hay các đối tượng để lưu vào CSDL máy tính.
Ý nghĩa chủ yếu của tin học hóa thông tin địa lý là khả năng tích hợp các kiểu và nguồn dữ liệu khác biệt. Mục tiêu của GIS là cung cấp cấu trúc một cách hệ thống để quản lý các thông tin địa lý khác nhau và phức tạp, đồng thời cung cấp các công cụ, các thao tác hiển thị, truy vấn, mô phỏng... Cái GIS cung cấp là cách thức suy nghĩ mới về không gian. Phân tích không gian không chỉ là truy cập mà còn cho phép khai thác các quan hệ và tiến trình biến đổi của chúng. GIS lưu trữ thông tin thế giới thực thành các tầng bản đồ chuyên đề mà chúng có khả năng liên kết địa lý với nhau [1].
Tùy theo các chức năng, nhiệm vụ của mỗi hệ thống thông tin địa lý mà có nhiều định nghĩa khác nhau, tuy nhiên các khái niệm về GIS đều dựa trên 3 yếu tố quan trọng là: dữ liệu đầu vào, hệ thống vi tính số kỹ thuật cao và khả năng phân tích dữ liệu:
Định nghĩa theo chức năng: GIS là một hệ thống bao gồm các hệ con: dữ liệu vào, quản trị dữ liệu (quản lý và phân tích dữ liệu, và dữ liệu ra.
GIS là tập hợp của các thuật toán: trong một hệ thống thông tin địa lý có thể sử dụng các phương pháp tính đại số, hình học từ đơn giản đến phức tạp.
Định nghĩa theo mô hình cấu trúc dữ liệu: gồm các cấu trúc dữ liệu được sử dụng trong hệ thống khác nhau (cấu trúc raster và cấu trúc vector).
Về mặt công nghệ: GIS là công nghệ thông tin để lưu trữ, phân tích và trình bày các thông tin không gia, phi không gian. Công nghệ GIS có thể coi là một tập hợp hoàn chỉnh các phương pháp và các phương tiện nhằm lưu trữ và sử dụng các đối tượng.
GIS là hệ thống trợ giúp ra quyết định: GIS có thể được coi là hệ thống trợ giúp ra quyết định, có thể tích hợp các dữ liệu không gian và thuộc tính trong một thể thống nhất. GIS được sử dụng để cung cấp thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn cho các nhà hoạch định chính sách. Các cơ quan chính phủ sử dụng GIS trong quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong các hoạt động quy hoạch, mô hình hóa và quan trắc [15].
GIS cho phép tạo lập bản đồ, phối hợp thông tin, khái quát các viễn cảnh, giải quyết các vấn đề phức tạp và phát triển các giải pháp hiệu quả mà trước đây không thực hiện được. GIS là một công cụ được các cá nhân, tổ chức, trường học, chính phủ và các doanh nghiệp sử dụng nhằm hướng tới các phương thức mới giải quyết vấn đề. Nhờ khả năng xử lý các tập hợp dữ liệu lớn từ các cơ sở dữ liệu phức tạp nên GIS thích hợp với các nhiệm vụ quản lý tài nguyên và môi trường. Các mô hình phức tạp cũng dễ dàng cập nhật thông tin nhờ sử dụng GIS.
Lập bản đồ và phân tích địa lý không phải là kỹ thuật mới, nhưng GIS thực thi các công việc này tốt hơn và nhanh hơn các phương pháp thủ công cũ. Trước công nghệ GIS, chỉ có một số ít người có những kỹ năng cần thiết để sử dụng thông tin địa lý giúp ích cho việc giải quyết những vấn đề và đưa ra các quyết định. GIS
được sử dụng để cung cấp thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn cho các nhà hoạch định chính sách. Các cơ quan chính phủ dùng GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên, trong các hoạt động quy hoạch, mô hình hóa và quan trắc. GIS đã được công nhận là một hệ thống với nhiều lợi ích không chỉ trong công tác thu thập đo đạc địa lý mà còn trong các công tác điều tra tài nguyên thiên nhiên, phân tích hiện trạng và dự báo xu hướng diễn biến tài nguyên môi trường [20].
1.4.2 Các thành tố của hệ thống GIS
GIS có 5 thành phần cơ bản như sau:
- Phần cứng: gồm hệ thống máy tính mà các phần mềm GIS chạy trên đó.
Các máy tính cần thiết phải có bộ vi xử lý đủ mạnh để chạy phần mềm và dung lượng bộ nhớ đủ để lưu trữ thông tin, dữ liệu.
- Phần mềm: Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và công cụ cần thiết để lưu trữ, phân tích, và hiển thị dữ liệu không gian.
Hình 1.1: Phần mềm GIS
- Dữ liệu: Dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan là nền tảng của GIS. Dữ liệu này có thể được thu thập nội bộ hoặc mua từ một nhà cung cấp dữ liệu thương mại. Bản đồ số là hình thức dữ liệu đầu vào cơ bản cho GIS. Dữ liệu thuộc tính đi kèm đối tượng bản đồ cũng có thể được đính kèm với dữ liệu số. Một
Thu thập dữ liệu
Giao diện người
dùng
Phân tích không Hiển thị,
báo cáo, thống kê Chuyển
đổi dữ liệu
Quản trị CSDL địa lý
hệ thống GIS sẽ tích hợp dữ liệu không gian và các dữ liệu khác bằng cách sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu.
- Phương pháp: Một hệ thống GIS vận hành theo một kế hoạch, đó là những mô hình và cách thức hoạt động đối với mỗi nhiệm vụ. Nó bao gồm các phương pháp phân tích không gian cho một ứng dụng cụ thể.
- Con người: Người sử dụng GIS có thể là các chuyên gia kĩ thuật, đó là người thiết kế và thực hiện hệ thống GIS, hay có thể là người sử dụng GIS để hỗ trợ cho các công việc thường ngày. GIS giải quyết các vấn đề không gian theo thời gian thực.
Con người lên kế hoạch, thực hiện và vận hành GIS để đưa ra những kết luận, hỗ trợ cho việc ra quyết định [1],[20].
Ngoài ra, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin ngày nay, một thành phần không thể thiếu trong GIS chính là mạng lưới. Nếu thiếu nó, không thể có bất cứ giao tiếp hay chia sẻ thông tin số. GIS ngày càng phụ thuộc chặt chẽ vào mạng internet, Nhờ internet mà quá trình thu thập và chia sẻ một khối lượng lớn dữ liệu địa lý được tiến hành dễ dàng hơn.
1.4.3 Các phần mềm tin học chuyên ngành quản lý đất đai được sử dụng trong đề tài
*) Phần mềm MicroStation
MicroStation là một phần mềm nằm trọng bộ phần mềm Mapping Office., MicroStation có môi trường đồ họa rất mạnh cho phép xây dựng, quản lý các đối tượng đồ họa thể hiện các yếu tố bản đồ, MicroStation còn được sử dụng để là nền cho các ứng dụng khác như: Famis, Geovec, IrasB, IrasC, MSFC, MRFclean, MRFfag và eTools, eMap (tập hợp các giải pháp xử lý bản đồ địa hình, địa chính) chạy trên đó, các công cụ của MicroStation được sử dụng để số hóa các đối tượng trên nền ảnh raster, sửa chữa, biên tập dữ liệu và trình bày bản đồ.
MicroStation còn cung cấp cung cụ nhập, xuất dữ liệu đồ họa từ phần mềm khác qua các file ( .dxf ) hoặc ( .dwg ).
Đặc biệt, trong lĩnh vực biên tập và trình bày bản đồ, dựa vào các tính năng mở của MicroStation cho phép người sử dụng tự thiết kế các ký hiệu dạng điểm, dạng đường, dạng pattern và rất nhiều các phương pháp trình bày bản đồ được coi là
khó sử dụng đối với một số phần mềm khác (MapInfo, AutoCAD…) lại được giải quyết một cách dễ dàng trong MicroStation.
Ngoài ra, các file dữ liệu của các bản đồ cùng loại được tạo dựa trên nền một file chuẩn (seed file) được định nghĩa đầy đủ các thông số toán học bản đồ, hệ đơn vị đo được tính theo giá trị thật ngoài thực địa làm tăng giá trị chính xác và thống nhất giữa các file bản đồ.
*) Phần mềm ArcGIS
Phần mềm ArcGIS là dòng sản phẩm hỗ trợ trong hệ thống thông tin địa lý (GIS) của ESRI, tùy mức độ đăng ký bản quyền mà ArcGIS sẽ ở dạng ArcView, ArcEditor, ArcInfo, ArcGIS (với phiên bản mới nhất là ArcGIS 10) bao gồm những công cụ rất mạnh để quản lý, cập nhật, phân tích thông tin và xuất bản tạo nên một hệ thống thông tin địa lý (GIS) hoàn chỉnh, cho phép:
Tạo và chỉnh sửa dữ liệu tích hợp (dữ liệu không gian tích hợp với dữ liệu thuộc tính) - cho phép sử dụng nhiều loại định dạng dữ liệu khác nhau thậm chí cả những dữ liệu lấy từ Internet;
Truy vấn dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính từ nhiều nguồn và bằng nhiều cách khác nhau;
Hiển thị, truy vấn và phân tích dữ liệu không gian kết hợp với dữ liệu thuộc tính;
Thành lập bản đồ chuyên đề và các bản in có chất lượng trình bày chuyên nghiệp.
ArcGIS là một bộ phần mềm ứng dụng gồm: ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox, ModelBuilder, ArcScene và ArcGlobe. Khi sử dụng các ứng dụng này đồng thời, người sử dụng có thể thực hiện được các bài toán ứng dụng GIS bất kỳ, từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm cả thành lập bản đồ, phân tích địa lý, chỉnh sửa và biên tập dữ liệu, quản lý dữ liệu, hiển thị và xử lý dữ liệu. Phần mềm ArcGIS Desktop được cung cấp cho người dùng ở 1 trong 3 cấp bậc với mức độ chuyên sâu khác nhau là ArcView, ArcEditor, ArcInfo:
ArcView: Cung cấp đầy đủ chức năng cho phép biểu diễn, quản lý, xây dựng và phân tích dữ liệu địa lý, các công cụ phân tích không gian cùng với việc biên tập và phân tích thông tin từ các lớp bản đồ khác nhau đồng thời thể hiện các mối quan hệ và nhận dạng các mô hình. Với ArcView, cho phép:
- Ra các quyết định chuẩn xác hơn dựa trên các dữ liệu địa lý;
- Xem và phân tích các dữ liệu không gian bằng nhiều phương pháp;
- Xây dựng đơn giản và dễ dàng các dữ liệu địa lý;
- Tạo ra các bản đồ có chất lượng cao;
- Quản lý tất cả các file, CSDL và các nguồn dữ liệu;
- Tùy biến giao diện người dùng theo yêu cầu.
ArcEditor: Là bộ sản phẩm có nhiều chức năng hơn, dùng để chỉnh sửa và quản lý dữ liệu địa lý, ArcEditor bao gồm các tính năng của ArcView và thêm vào đó là một số các công cụ chỉnh sửa, biên tập. Với ArcEditor, cho phép:
- Dùng các công cụ CAD để tạo và chỉnh sửa các đặc tính GIS;
- Tạo ra các CSDL địa lý thông minh;
- Tạo quy trình công việc một cách chuyên nghiệp cho 1 nhóm và cho phép nhiều người biên tập;
- Xây dựng và giữ được tính toàn vẹn của không gian bao gồm các quan hệ hình học topo giữa các đặc tính địa lý;
- Quản lý và mở rộng mạng lưới hình học;
- Làm tăng năng suất biên tập;
- Quản lý môi trường thiết kế đa người dùng với versioning;
- Duy trì tính toàn vẹn giữa các lớp chủ đề và thúc đẩy tư duy logic của người dùng;
- Cho phép chỉnh sửa dữ liệu độc lập (khi tạm ngừng kết nối với CSDL).
ArcInfo: Là bộ sản phẩm ArcGIS đầy đủ nhất, ArcInfo bao gồm tất cả các chức năng của ArcView lẫn ArcEditor. Cung cấp các chức năng tạo và quản lý một hệ GIS, xử lý dữ liệu không gian và khả năng chuyển đổi dữ liệu, xây dựng dữ liệu, mô hình hóa, phân tích, hiển thị bản đồ trên màn hình máy tính và xuất bản bản đồ ra các phương tiện khác nhau. Với ArcInfo, cho phép:
- Xây dựng một mô hình xử lý không gian rất hữu dụng cho việc tìm ra các mối quan hệ, phân tích dữ liệu và tích hợp dữ liệu;
- Thực hiện chồng lớp các lớp vector, nội suy và phân tích thống kê;
- Tạo ra các đặc tính cho sự kiện và chồng xếp các đặc tính của các sự kiện đó;
- Chuyển đổi dữ liệu và các định dạng của dữ liệu theo rất nhiều loại định dạng;
- Xây dựng những bộ dữ liệu phức tạp, các mô hình phân tích và các đoạn mã để tự động hóa các quá trình GIS;
- Sử dụng các phương pháp trình diễn, thiết kế, in ấn và quản lý bản đồ để xuất bản bản đồ.