Dữ liệu phi không gian mô tả các thông tin về đặc tính của các hình ảnh bản đồ. Chúng được liên kết với các hình ảnh không gian thông qua các chỉ số xác định chung thường được gọi là mã địa lý (GeoCode) được lưu trữ trong cả hai bản ghi không gian và phi không gian. Số liệu phi không gian gồm các giá trị định tính, ví dụ thông tin về một hòn đảo là : tên đảo, diện tích đảo, các tài nguyên trên đảo và các đặc trưng khác… Thông tin về hệ thống phao tiêu là : dạng phao, tần số chớp sáng, ngày đưa vào sử dụng. Thông thường các thông tin phi không gian được lưu trữ độc lập với các file dữ liệu không gian và liên kết với nó qua chỉ số xác định chung.
Hệ thống GIS có thể xử lý các thông tin phi không gian riêng rẽ và tạo ra các bản đồ trên cơ sở các giá trị thuộc tính. Phần lớn các phần mềm thông tin địa lý cũng có thể hiển thị các thông tin phi không gian như các ghi chú trên bản đồ hoặc là các tham số điều khiển cho việc lựa chọn hiển thị các ký hiệu bản đồ.
1.4 Các phƣơng pháp xây dựng bản đồ số
Xây dựng CSDL GIS là khâu quan trọng nhất và khó khăn nhất trong quá trình lập một hệ thống GIS, dữ liệu thu thập phải được xử lý sơ bộ trước khi thực hiện các thao tác trên chúng.
GIS có nhiều loại dữ liệu cần phải thu thập tùy vào mục tiêu phản ánh khác nhau của hệ thống. Thời gian đầu mới xuất hiện GIS, người sử dụng thường tự phát triển khuôn mẫu riêng để lưu trữ dữ liệu, do vậy rất khó khăn khi chia sẻ và chuyển
đổi giữa các hệ GIS với nhau. Việc nhập dữ liệu vào GIS rất tốn kém thời gian, thường tiêu tốn tới 80% ngân sách của dự án. Vì vậy, việc chia sẻ dữ liệu trở nên thông thường trong GIS và đẩy nhanh quá trình chuẩn hóa dữ liệu và phát sinh khái niệm dữ liệu về dữ liệu để mô tả nguồn gốc và độ chính xác của các tầng GIS. Nếu dữ liệu có sẵn không phù hợp thì phải tự số hóa bản đồ.
Dữ liệu trong GIS gồm dữ liệu hình học và phi hình học (các thuộc tính) được thu thập:
1. Dưới dạng số như bản đồ số hóa, CSDL, bảng tính, ảnh vệ tinh... 2. Phi số hóa như bản đồ giấy, ảnh chụp, các bản vẽ...
3. Dữ liệu trắc địa
4. Tổng hợp từ các nguồn khác
Dữ liệu được thu thập qua hai phương pháp chính.
Thứ nhất là thu thập từ chính các đối tượng, phương pháp này cho độ chính xác cao nhưng tốn kém, sử dụng (i) trắc địa mặt đất: dùng để thu thập dữ liệu topo có tỷ lệ lớn như đo vẽ địa hình, đất đai. Kết quả của trắc địa là các vectơ hai hoặc ba chiều, độ chính xác trong khoảng vài xentimet đến đêximet. Phương pháp này không cần sử dụng các thiết bị quá hiện đại xong phải thực hiện một cách tỉ mỉ, thời gian thực hiện lâu và thường được sử dụng xây dựng các bản đồ số không yêu cầu độ chính xác quá cao; (ii) Phương pháp định vị bằng vệ tinh: thực hiện nhờ hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Máy thu GPS hiển thị vị trí bằng chữ và số của lưới tọa độ chọn trước. Lưới tọa độ là mẫu vuông hay chữ nhật đặt trên bản đồ. Lưới dùng để mô tả vị trí nhờ tổ hợp chữ và số. Khi sử dụng GPS thu được địa lý vectơ hai và ba chiều. Độ chính xác của GPS được nâng cao khi có hai máy cùng xác định một điểm thường nằm trong khoảng 1-2 cm đến 10-20 met. Đây là phương pháp xây dựng các bản đồ yêu cầu độ chính xác gần như tuyệt đối nhưng phải sử dụng các thiết bị hiện đại như vệ tinh viễn thám, máy định vị GPS do đó cần người thực hiện phải có trình độ cao và chi phí thực hiện tốn kém; (iii) Chụp ảnh bằng máy bay hay vệ tinh: sử dụng các thiết bị hay cảm biến để thu thập từ xa các quan hệ phổ và không gian của đối tượng quan sát. Các ảnh do vệ tinh chụp được gửi về qua sóng radio và phải được xử lý theo để thu về thông tin cần thiết. Độ chính xác phương pháp phụ thuộc vào chất lượng ảnh truyền và cách xử lý dữ liệu ảnh. Dữ liệu ảnh sẽ được đưa qua phần mềm nhận dạng từ đó sẽ đưa về dạng bản đồ đã số hoá.
Hình 1.12 Ảnh chụp thành phố từ máy bay sau đó qua chương trình nhận dạng đã xác định được vị trí nhà và đường giao thông
Hình 1.13 Ảnh chụp từ vệ tinh một góc Vịnh Bắc Bộ
Thứ hai là thu thập dữ liệu từ nguồn số hóa. Phương pháp này cho dữ liệu ít chính xác hơn, chi phí cũng thấp hơn. Sử dụng (i) phương pháp số hóa thủ công các bản đồ giấy: dùng các thiết bị ngoại vi như bàn số hoá để xây dựng bản đồ số. Nội dung phương pháp này như sau : Bàn số hoá gồm bàn nhỏ chứa lưới dây kim loại mịn đặt theo các trục Decac. Con trỏ chứa cuộn dây kim loại và được nối với bàn để người thao tác xác định điểm cần ghi. Vị trí chính xác được xác định nhờ dấu thập phân mỏng tại đầu con chạy. Trên con trỏ còn có các phím để nhập dữ liệu hay nhập mã lệnh. Công nghệ chung nhất của bàn số hóa dựa trên nguyên tắc điện từ.
Lưới dây trong bảng nhỏ và cuộn dây của con trỏ hoạt động như bộ thu, bộ phát hay ngược lại. Nếu con trỏ là bộ phát thì bộ điều khiển của bàn sẽ quét lưới dây kim loại theo chiều X và Y để tìm ra vị trí chữ thập mỏng đầu con trỏ.
Mục tiêu chính của tiến trình chuyển đổi thông tin không gian từ dạng tuyến tính sang dạng số hóa là đảm bảo quan hệ bản đồ:
1. Đảm bảo các liên kết tồn tại giữa các điểm. 2. Các đường song song được bảo toàn.
3. Bảo toàn các vị trí tương đối, tuyệt đối, tính liền kề. 4. Các đường gần sát không được cắt nhau.
Tiến trình số hóa thường bắt đầu bằng cố định bản đồ gốc lên mặt bàn số hóa. Trước hết phải số hóa các điểm điều khiển hay lưới tọa độ để đăng ký hệ thống tọa độ, sau đó mới đến các đặc trưng. Một phần quan trọng của số hóa bản đồ là đảm bảo thông tin tham chiếu địa lý, biểu thị bằng lưới và các đường kinh vĩ tuyến. Phần lớn bản đồ tỷ lệ trung bình và tỷ lệ lớn (trên 1:50.000) đều chứa lưới vùng cơ sở cho phép chuyển đổi tuyến tính từ tọa độ số hóa sang tọa độ lưới. Nếu bản đồ không bị biến dạng hay không đòi hỏi độ chính xác cao thì chỉ cần ba điểm điều khiển tọa độ không thẳng hàng, nếu cần chính xác cao thì cần nhiều điểm hơn (thường là 20). Bàn số hóa có hai chế độ nhập tọa độ điểm và đường. Trong chế độ điểm, bàn số hóa phát sinh tọa độ mỗi khi nhấn phím trên con chạy, chế độ này thường áp dụng để số hóa đặc trưng điểm như độ cao, thành phố trong bản đồ tỷ lệ nhỏ và các đặc trưng đường hay đa giác như hệ thống sông ngòi, đường biên hành chính. Chế độ đường nhằm tăng tốc độ số hóa các đặc trưng đường hay đa giác vì chúng tự động ghi lại tọa độ các điểm khi thao tác viên dịch chuyển con trỏ; (iii) Số hóa bản đồ giấy tự động bằng máy quét, phương pháp này sử dụng máy quét có độ phân giải cao quét các bản đồ giấy về dạng ảnh, sau đó bằng các chương trình số hoá bản đồ chúng sẽ được đưa về dạng Raster. Thông qua dạng Raster các chương trình số hoá bản đồ sẽ xác định các biên đối tượng và qua đó một lần nữa biến đổi chúng về dạng Vector. Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc hoàn toàn vào độ phân giải của máy quét và độ chính xác của bản đồ giấy Ví dụ khi số hoá bản đồ VBB tỷ lệ 1:1.000.000 bằng phương pháp trên chúng ta cũng chỉ thu được bản đồ số VBB có độ chính xác tương đương với bản đồ gốc;
Hình 1.14 Ảnh bản đồ VBB được quét vào máy tính
Hình 1.15 Bản đồ số VBB sau khi được số hoá bằng cách xác định các biên
(iii)Sử dụng các CSDL số hóa có sẵn. Nội dung của phương pháp này là các bản đồ chuyên đề khi được xây dựng có thể sử dụng một hoặc nhiều tầng bản đồ của các bản đồ chuyên đề khác. Ví dụ xây dựng bản đồ số khu vực sống của các loài cá trong ngành thuỷ sản, có thể dùng tầng nền đáy biển trong bản đồ số của ngành tài nguyên môi trường. Tuy nhiên phương pháp này lại không được sử dụng nhiều do việc xây dựng dữ liệu GIS trong các ngành ở Việt Nam là tự phát không theo một tiêu chuẩn cụ thể nào, do đó khi sử dụng một phần bản đồ từ các ngành khác thì phải chỉnh sửa nhiều để phù hợp với bản đồ chuyên đề cần xây dựng. Quá
trình này mất nhiều thời gian do đó thường các ngành tự số hoá bản đồ theo chuẩn của mình.
1.5 Khả năng làm việc của GIS
GIS được xây dựng dựa trên tri thức của nhiều ngành khoa học khác nhau để tạo ra một ngành khoa học mới, trong đó:
1. Ngành địa lý: liên quan nhiều tới vấn đề hiểu thế giới và vị trí của con người trong thế giới, cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian.
2. Ngành bản đồ: bản đồ chính là dữ liệu đầu vào của GIS đồng thời cũng là khuôn mẫu quan trọng nhất của đầu ra GIS.
3. Công nghệ viễn thám, ảnh máy bay: ảnh viễn thám và ảnh máy bay là nguồn dữ liệu quan trọng của GIS. Bản đồ địa hình: cung cấp dữ liệu có chất lượng cao về vị trí của ranh giới đất đai, nhà cửa...
4. Ngành đo đạc, thống kê: cung cấp các vị trí cần quản lý và các phương pháp phân tích dữ liệu GIS. Đặc biệt quan trọng trong việc hiểu các lỗi hoặc tính không chắc chắn trong dữ liệu GIS.
5. Khoa học tính toán: tự động thiết kế bằng máy tính cung cấp các kỹ thuật nhập, hiển thị, biểu diễn dữ liệu. Đồ họa máy tính cung cấp công cụ để quản lý, hiển thị các đối tượng đồ họa. Quản trị cơ sở dữ liệu đóng góp phương pháp biểu diễn dữ liệu dạng số, các thủ tục thiết kế hệ thống, lưu trữ, truy cập, cập nhật khối dữ liệu lớn. Trí tuệ nhân tạo sử dụng máy tính lựa chọn trên cơ sở các dữ liệu có sẵn bằng phương pháp mô phỏng trí tuệ con người.
6. Toán học: các ngành như hình học, đồ thị được sử dụng trong thiết kế và phân tích dữ liệu không gian.
1.6 Các lĩnh vực ứng dụng GIS
GIS có khả năng dùng dữ liệu không gian và phi không gian từ các nguồn khác nhau khi thực hiện phân tích không gian để trả lời các câu hỏi của người dùng như:
1. Có cái gì ở...? : nhận biết tên hay các thông tin khác của đối tượng nào đó trên bản đồ để nhận diện một hoặc nhiều đối tượng trên bản đồ số.
2. Vị trí... ở đâu? : chỉ ra một hoặc nhiều vị trí trong việc xây dựng các bài toán tìm kiếm một hoặc nhiều đối tượng trên bản đồ số theo các yêu cầu
của người dùng. Các đối tượng sau khi được tìm kiếm sẽ hiển thị lên bản đồ số một cách trực quan.
3. Cái gì thay đổi từ...? : câu hỏi liên quan trực tiếp đến các dữ liệu không gian tạm thời, ví dụ như câu hỏi liên quan tới phát triển thành phố sẽ đưa ra các vùng qui hoạch chính trên bản đồ GIS. Khả năng này của GIS chỉ có được khi kết hợp nó với một hệ chuyên gia, khi đó thông qua các dữ liệu được cung cấp và các luật suy diễn GIS sẽ đưa ra các kết quả trực quan trên bản đồ số.
4. Đường đi nào tốt nhất từ... đến...? : dựa trên cơ sở mạng lưới của đường đi cho biết đường đi nào là rẻ nhất, ngắn nhất... mở rộng ra là đường đi qua một hệ thống điểm.
5. Giữa... và... có quan hệ gì? : câu hỏi này khá phức tạp tác động trên nhiều tập dữ liệu như quan hệ giữa vị trí nhà máy và địa phương, khí hậu và vùng sản xuất...
6. Cái gì xảy ra nếu...? : câu hỏi liên quan đến các hoạt động lập kế hoạch và dự án như khi nâng cấp hệ thống giao thông thì ảnh hưởng thế nào tới mạng lưới cung cấp điện, điện thoại, nước, dân cư...
Dưới đây là một vài ứng dụng chủ yếu của GIS trong thực tế:
1. Quy hoạch đô thị và nông thôn : Hầu hết các dữ liệu quy hoạch đều liên quan mật thiết với địa lý hay vị trí không gian. Các bài toán quy hoạch thường bao gồm việc chọn địa điểm thích hợp, chọn tuyến, phân vùng phát triển, vùng cấm hay vùng cần được bảo tồn. Như vậy quá trình quy hoạch tạo ra một khung cảnh rất thuận lợi cho việc ứng dụng GIS, các nhà quy hoạch có thể sử dụng các công cụ GIS để nhập, quản lý, phân tích dữ liệu, mô hình hoá không gian, trình bày các kết quả xử lý dữ liệu dưới dạng bản đồ và báo cáo.
2. Quản lý kinh doanh : Khả năng công nghệ GIS giúp đỡ thực hiện các quyết định kinh doanh tốt hơn thông qua phân tích thị trường. Ðịa điểm kinh doanh là điểm mấu chốt, đảm bảo vị trí của công nghệ trong cộng đồng kinh doanh.
3. Quản lý hành chính và phân bố dân số : Khả năng của công nghệ hệ thông tin địa lý về mô tả đồ hoạ và phân tích số liệu dân số mở ra những cơ hội cho một sự phân tích tin cậy trong quá trình trợ giúp quyết định và tạo ra các quyết định, chính sách phù hợp.
4. Quản lý hạ tầng cơ sở : GIS là một công cụ hữu hiệu trong công tác phát triển, bảo trì và quản lý các hệ thống tiện ích như hệ thống cấp thoát nước, gas, điện và truyền thông tin.
5. Ðo đạc và biên vẽ bản đồ : Hệ thông tin địa lý là một công cụ đặc biệt phù hợp với các công việc của ngành đo đạc bản đồ. Nó giúp xây dựng các bản đồ cơ sở một cách nhanh chóng và chính xác, chuyển đổi dữ liệu bản đồ thuận tiện. Các cơ quan đo đạc bản đồ đã đi đầu trong lĩnh vực tự động hoá bản đồ.
6. Thăm dò dầu khí và khoáng sản : Các nhà địa chất, địa vật lý đã bắt đầu ứng dụng công nghệ GIS trong công tác thăm dò dầu khí và khoáng sản, cụ thể là vạch định các vùng có triển vọng và bố trí các lỗ khoan thăm dò.
7. Y tế : Các cơ quan y tế có thể sử dụng hệ thông tin địa lý để lập và phân tích các bản đồ thể hiện sự phân bố, lan truyền dịch bệnh để có các biện pháp ứng phó có kết quả.
8. Ðịa chính : Trong lĩnh vực địa chính, GIS được sử dụng để nhập, lưu trữ, cập nhật các thông tin đất đai như danh giới giữa các thửa đất, chủ sở hữu hợp pháp, loại đất, mức thuế...
9. Tài nguyên và môi trường : GIS được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực quy hoạch, quản lý tài nguyên và môi trường ở các địa phương, quốc gia, khu vực và toàn cầu. Cụ thể là quy hoạch và quản lý các tài nguyên đất, nước, sinh vật, theo dõi và đánh giá môi trường.
10.Giao thông vận tải : Công nghệ GIS cung cấp cho các công ty vận tải hàng hóa đường bộ, đường sắt, đường hàng không, đường sông và đường biển các công cụ mới để tăng năng lực cạnh tranh thị trường. Các ứng dụng giao thông vận tải của GIS bao gồm quy hoạch, quản lý đường, phân tích tai nạn giao thông và xử lý ùn tắc.
11.Quốc phòng : Các ứng dụng của GIS trong quân đội bao gồm phân tích