Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ ( GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMS – GIS ) 1.1 GIỚI THIỆU Hiện nay công nghệ thông tin phát triển rất mạnh mẽ, nhiều công nghệ tiên tiến trước đây chỉ có được ở các nước phát triển thì hiện nay đã có mặt ở Việt Nam. Đối với các sản phẩm công nghệ thông tin chuyên nghiệp như Hệ thống thông tin địa lý (GIS), tuy là các nhà cung cấp luôn cố gắng đưa ra những sản phẩm dễ dùng, tiện lợi nhất nhưng thực tế là vẫn có những khoảng cách giữa các nhà chuyên môn và các sản phẩm công nghệ nói trên. ở Việt Nam GIS ứng dụng chủ yếu cho lĩnh vực số hoá. Sau giai đoạn số hoá, người ta sẽ cần đến GIS ở các chức năng giải quyết các bài toán ứng dụng. GIS đưa ra cách tạo ra bản đồ, tích hợp thông tin, giải quyết các vấn đề có tính phức tạp, phát triển các giải pháp mà trước đây chưa có. Công nghệ GIS thu thập, quản lý, cập nhật và truyền dữ liệu thông tin địa lý. Các cá nhân, cơ quan, trường học, chính phủ nhận thấy GIS là một công cụ mạnh để giải quyết các công việc. Việc tạo bản đồ, phân tích thông tin thì không có gì mới nhưng GIS thực hiện các công việc này nhanh hơn, tốt hơn các phương pháp thủ công trước kia. Trước khi có công nghệ GIS chỉ có rất ít người có khả năng sử dụng được dữ liệu thông tin địa lý để hỗ trợ ra quyết định và giải quyết các vấn đề. ĐỊNH NGHĨA Hệ thống thống tin địa lý là một hệ thống gồm có phần mềm, phần cứng máy tính và cơ sở dữ liệu đủ lớn, có các chức năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, biểu diễn dữ liệu địa lý phục vụ giải quyết lớp rộng lớn các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý trên bề mặt trái đất. Hình 1.1: Hệ thống GIS Hệ thống trên cho thấy cần phải phát triển một tập các công cụ để thu thập, lưu trữ, tìm kiếm, biến đổi và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ thực hiện mục đích cụ thể. Tập các công cụ kể trên được gọi là Hệ thống thông tin địa lý. Đó là hệ thống thể hiện các đối tượng từ thế giới thực thông qua: Vị trí địa lý của đối tượng thông qua một hệ toạ độ. Các thuộc tính của chúng mà không phụ thuộc vào vị trí. Các quan hệ không gian giữa các đối tượng (quan hệ topology). 1.3 ỨNG DỤNG CỦA GIS 1.3.1 Môi trường : - Quan trắc môi trường và các hiện tượng thiên nhiên nguy hiểm, đánh giá các tác động công nghiệp và sản xuất lên môi trường, bảo đảm an toàn môi trường cho đất nước và khu vực, thẩm định môi trường. - Với những kỹ thuật tổ hợp của thành lập bản đồ, nội suy viễn thám và mô hình hoá, GIS trở nên rất hiệu quả cho những người điều tra về đất và những nhà quy hoạch môi trường. Những câu hỏi có thể được trả lời trong khi trước đây những nhà khoa học đã chủ yếu gắn liền với thành lập bản đồ đất, ngày nay nhà cố gắng miêu tả sự biến đổi không gian của đất. Với kỹ thuật GIS, thông tin có thể được cung cấp dưới những dạng khác nhau cho những người sử dụng đất từ người quy hoạch đô thị ở các nước phương Tây tới chuyên gia tài nguyên đất ở các nước đang phát triển. GIS ngày nay chắc chắn được thiết lập trên khảo sát thực tế về đất toàn cầu, nó được sử dụng chủ yếu cho sản xuất bản đồ, rút ra các bản đồ thích nghi để đáp ứng yêu cầu người sử dụng thông tin về mục đích đặc biệt và cho mô hình hoá quá trình môi trường. - Nghiên cứu môi trường. 1.3.2 Công nghiệp, Quy hoạch lãnh thổ : - Quản lý đất đai và ranh giới. - Qui hoạch đô thị. - Điều hành giao thông, truyền thông. - Quản lý mạng lưới ống nước. - Quản lý tài sản công cộng. 1.3.3 Thống kê dân số 1.3.4 Phát triễn nông thôn Sự gia tăng dân số sẽ gây ra các vấn đề nghiêm trọng trong công nghiệp, môi trường, và sức khỏe con người. Do đó để giải quyết vấn đề này thì quy hoạch nông thôn đóng một vai trò quan trọng. 1.3.5 Giáo dục 1.3.6 Nghiên cứu , dự báo 1.3.7 Thiết lập bản đồ (Tổng hợp và chuyên ngành) Thiết lập các bản đồ chuyên dụng, bản đồ khu vực và quốc gia, phục hồi bản đồ, thiết lập bản đồ tác vụ. 1.4 THÀNH PHẦN CỦA GIS Hình 1.2: Các thành phần của GIS GIS tích hợp năm thành phần chính: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người, và các phương pháp (thuật toán, mô hình, ...). 1.4.1 Phần cứng: Máy tính, hệ thống máy vẽ, thiết bị nhập thông tin địa lý v.v... 1.4.1.1 Phụ hệ nhập dữ liệu Thành phần nhập dữ liệu bao gồm tất cả các tác vụ liên quan đến chuyển đổi dữ liệu thu thập được ở khuôn dạng bản đồ có sẵn, số liệu thực địa, các bộ phận thu cảm ứng (bao gồm ảnh hàng không, ảnh vũ trụ và các cách thu thập dữ liệu gián tiếp khác) thành dạng số. Có rất nhiều công cụ máy tính khác nhau để thực hiện công việc này: Bàn phím, bàn số hoá, tệp text, máy quét ảnh, băng từ, đĩa cứng. Phụ hệ phân tích dữ liệu Phụ hệ nhập dữ liệu Phụ hệ xuất dữ liệu Hệ quản trị cơ sở dữ liệu CSDL Lớp các ứng dụng Hình 1.3 : Cấu trúc của một hệ thống GIS 1.4.1.2 Phụ hệ xuất dữ liệu Đầu ra biểu diễn kết quả tính toán đó là việc chuyển đổi dữ liệu kết quả ra cho người dùng. Dữ liệu có thể biểu diễn dưới dạng bản đồ, bảng số, hay các hình vẽ. 1.4.2 Phần mềm: Các phần mềm hỗ trợ các chức năng và công cụ để lưu trữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý. - Công cụ nhập và thao tác thông tin địa lý. - Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu. - Công cụ hỗ trợ truy vấn, phân tích, và hiển thị trực quan thông tin địa lý. - Phần mềm phải có giao diện thân thiện giao tiếp với người dùng. 1.4.3. Dữ liệu: Một trong những thành phần rất quan trọng của GIS. Dữ liệu đề cập ở đây là dữ liệu địa lý (dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian). GIS tích hợp dữ liệu không gian và các nguồn dữ liệu khác (có thể nằm trong hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu, hoặc từ các cơ quan, tổ chức nào đó). - Dữ liệu địa lý: Các công cụ của máy tính hiện tại làm việc với dữ liệu của các hiện tượng tự nhiên trên bề mặt của trái đất được biết đến với cái tên là Hệ thống thông tin không gian có thể làm việc với đủ loại thông tin như bản đồ, ảnh hàng không, ảnh viễn thám... Hệ thống thông tin là một hệ thống thu thập, lưu trữ và điều hành các thông tin dưới dạng giấy, ảnh, số về các hiện tượng tự nhiên trong thế giới thực. Quá trình thu thập dữ liệu này được tiến hành qua các giai đoạn quan sát, khái quát hoá, chuyển dạng về thống tin có thể lưu trữ trong một nơi gọi là cơ sở dữ liệu, là nơi cất giữ vật lý các thông tin và điều hành các thông tin đó. Trong cơ sở dữ liệu được cấu thành từ các thông tin. Các thông tin thường không sử dụng được trực tiếp mà phải thông qua một hệ thống các công cụ truy xuất, tái tạo lại đối tượng thế giới thực mà người dùng quan tâm. Chẳng hạn xe đạp được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu như 2 hình tròn, thể hiện cái bánh xe, các đoạn thẳng, đoạn cong biểu diễn khung, xích... Các thực thể hình học của xe đạp được xem như dữ liệu trong cơ sở dữ liệu, người dùng sẽ dùng phải tái tạo lại chiếc xe đạp thông qua các dữ liệu hình học trong cơ sở dữ liệu. Có các công cụ để trợ giúp người dùng làm việc này. Trường hợp khác ít phức tạp hơn - đó là khái niệm về kinh độ, vĩ độ địa cầu. Đó sẽ là các con số x, y biểu hiện toạ độ trong một hệ toạ độ kinh vĩ được lưu trong cơ sở dữ liệu Dữ liệu có thể là: Thực tế: như mẫu thực địa Thu thập gián tiếp: như ảnh, film, băng địa chấn... Thể hiện lại: Tranh, ảnh. Mã hoá: Bản đồ, dữ liệu số hoá, đường đẳng trị. Được tổ chức theo một cách, cấu trúc nhất định. Do vậy dữ liệu là rất đa dạng, chúng có mang tính không gian, thời gian, được gọi là dữ liệu địa lý. Định nghĩa: Dữ liệu địa lý là các dữ liệu số mô tả các đối tượng trong thế giới thực. Hình 1.4 : Một số dạng dữ liệu địa lý Dữ liệu địa lý được tổ chức thành 2 nhóm thông tin chính: - Nhóm thông tin về phân bố không gian. - Nhóm thông tin về thuộc tính của đối tượng gọi là nhóm phi không gian. + Con người : nhân tố quan trọng nhất. Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người, họ quản lý hệ thống và phát triển các dự án để ứng dụng vào các vấn đề trên thế giới. Người sử dụng GIS là các chuyên gia kỹ thuật họ sẽ thiết kế và bảo trì hệ thống. + Phương pháp : Các hoạt động của GIS thành công là nhờ vào các kế hoạch được thiết kế tốt và các qui luật thương mại. 1.5 GIS LÀM VIỆC NHƯ THẾ NÀO? GIS lưu trữ thông tin về thế giới dưới dạng các lớp chủ đề gắn với địa lý. Điều này nghe có vẻ đơn giản nhưng là một khái niệm tổng quát đã được chứng minh cho việc giải quyết các vấn đề về thế giới thực như theo dõi lộ trình phân phối hàng hóa, thu thập chi tiết các ứng dụng qui hoạch. 1.5.1. Quan hệ địa lý: Hình 1.5 :Các lớp chủ đề Thông tin địa lý chứa các tham chiếu địa lý rõ ràng, chẳng hạn kinh độ, vĩ độ, hay tọa độ lưới quốc gia, hay tham chiếu đến địa chỉ, mã vùng, tên đường... Quan hệ địa lý cho phép xác định các đặc tính, chẳng hạn về kinh doanh hay rừng, các sự kiện như động đất... 1.5.2. Mô hình vector & raster: Hệ thống thông tin làm việc trên hai loại mô hình địa lý cơ bản: mô hình vector và mô hình raster. Trong mô hình vector, thông tin về điểm, đường, vùng được mã hóa và lưu trữ dưới dạng tập các tọa độ x, y. Vị trí của điểm là một cặp tọa độ x, y – đường là một tập các tọa độ – vùng là một tập các tọa độ khép kín. 1.5.2.1 Mô hình Vector: Cực kỳ hữu ích đối với việc mô tả các đặc điểm rời rạc, nhưng kém trong việc mô tả các đặc tính liên tục như loại đất, tính giá của bệnh viện. - Ưu điểm: Biểu diễn tốt các đối tượng địa lý - dữ liệu nhỏ, gọn - các quan hệ topo được xác định bằng mạng kết nối - chính xác về hình học - khả năng sửa chữa, bổ sung, thay đổi các dữ liệu hình học cũng như thuộc tính nhanh, tiện lợi. - Nhược điểm: Cấu trúc dữ liệu phức tạp - chồng xếp bản đồ phức tạp - các bài toán mô phỏng thường khó giải vì mỗi đơn vị không gian có cấu trúc khác nhau - in ấn đắt tiền - kỹ thuật đắt tiền - các bài toán phân tích và các phép lọc là rất khó thực hiện. 1.5.2.2 Mô hình Raster: Thích hợp cho các đặc tính liên tục. - Ưu điểm: Cấu trúc rất đơn giản - dễ dàng sử dụng các phép toán chồng xếp và các phép toán xử lý ảnh viễn thám - dễ dàng thực hiện nhiều phép toán phân tích khác nhau - bài toán mô phỏng là có thể thực hiện được do đơn vị không gian là giống nhau (cell) - kỹ thuật rẻ tiền và có thể phát triển mạnh. - Nhược điểm: Dung lượng dữ liệu lớn - độ chính xác có thể giảm nếu sử dụng không hợp lý kích thước cell - bản đồ hiển thị không đẹp - các bài toán mạng rất khó thực hiện - khối lượng tính toán để biến đổi tọa độ là rất lớn. Cả hai mô hình vector và raster đều được dùng cho việc lưu trữ dữ liệu địa lý và đều có các thuận lợi và bất lợi riêng. Nhưng các hệ GIS hiện đạicó thể xử lý cả hai mô hình này. Hình 1.6: Mô hình raster, vector, và real world 1.6 GIS VÀ BẢN ĐỒ Các hệ thống bản đồ tạo nên hạt nhân của GIS. Các bản đồ điện tử là cơ sở để hình thành GIS Bản đồ thông tin địa lý được định nghĩa như cách thiết lập và sử dụng bản đồ trên cơ sở công nghệ GIS, các bản đồ số, các cơ sở tri thức địa lý (địa chất, môi trường, ...). Các khả năng của bản đồ thông tin địa lý: Tính hệ thống của việc thể hiện các hiện tượng thiên nhiên và xã hội. Tính tác vụ của bản đồ đến tận việc thiết lập bản đồ trong phạm vi thời gian thực Tính nhiều phương án khác nhau – khả năng thiết lập các bản đồ với hoạt cảnh đối lập, đánh giá chúng và lựa chọn phương án tối ưu. Tính đa dạng của các phương tiện trực giác, thiết lập các dạng mới trong việc thể hiện địa lý: các bản đồ điện tử, các mô hình ba chiều, bản đồ động, thể hiện trong nhiều môi trường khác nhau. 1.7 YÊU CẦU MÔ HÌNH DỮ LIỆU CHO CÁC HỆ THỐNG GIS Mô hình dữ liệu của GIS dựa trên cấu trúc dữ liệu không gian. Việc tổ chức dữ liệu sao cho các trình ứng dụng của GIS có thể truy vấn, sửa đổi và tìm kiếm một cách nhanh chóng dựa trên các đặc tính về toán học, điều đó có ý nghĩa tương tự với việc đánh chỉ số trong các DBMS. Sau đây là một số mô hình dữ liệu dành cho GIS : Các dữ liệu về địa lý, địa hình học và toán phải được lưu trữ riêng lẻ vì bản chất tự nhiên của chúng. Ba loại thông tin trên cần những cách tổ chức dữ liệu đặc thù. Tuy nhiên 3 loại thông tin này cũng cần liên kết, tích hợp chặt chẽ với nhau trong một hệ thống GIS. Mô hình dữ liệu phải đáp ứng tốt cho việc thực hiện các thao tác trên bản đồ, như chọn một đối tượng trong một khung chữ nhật (zoom in, zoom out), bắt đối tượng trên bản đồ hay việc thể hiện các lớp chồng nhau. Các thuộc tính về Topology phải tỏ ra có hiệu quả tốt trong vấn đề phân tích và giải quyết các bài toán trên đồ thị (bản đồ). Mô hình dữ liệu cần được lưu trữ ở dạng phù hợp để sử dụng ở nhiều cấp độ từ tổng quát đến chi tiết. Bản đồ không nên quá nhiều thông tin chi tiết sẽ làm rối khung nhìn và người dùng cảm thấy khó chịu. Cho nên chúng ta không nên vẽ những đối tượng quá nhỏ với số lượng nhiều, thay vào đó ta chỉ hiển thị chi tiết với các khung hình có độ phóng to nhất định phù hợp với kích cỡ đối tượng đó trên bản đồ thực. Ngoài ra,với việc tổ chức như thế ta còn có thể rút ngắn thời gian thực thi của chương trình và sự tiêu tốn tài nguyên. Phần 1.8 sẽ mô tả chi tiết về các thao tác trên bản đồ. Mô hình dữ liệu GIS nên được tổ chức và lưu trữ dưới dạng lớp (layer) của các đối tượng địa lý, để chúng ta có thể tắt những lớp này không cho hiển thị những thông tin mà người dùng không cần xử lý. Đó cũng là cách để tối ưu tốc độ làm việc của ứng dụng. Yêu cầu này sẽ được làm sáng tỏ trong phần 1.9. Mô hình dữ liệu GIS phải là một kho dữ liệu lớn nhưng dễ bảo trì và đạt được tính linh hoạt cao. Điều này có hai điểm thuận lợi là : - Tạo điều kiện thuận lợi cho người lập trình viên xử lý hệ thống GIS mà không cần lo lắng gì về lưu trữ những dữ liệu có liên quan khi chạy chương trình, đặc biệt là khi đọc dữ liệu lên và nạp vào các cấu trúc dữ liệu. - Có một môi trường lưu trữ tốt sẽ giúp chương trình chạy nhanh hơn, ở điểm này ta cũng thấy yêu cầu vừa nêu phù hợp với các DBMS lớn Do đó người ta thường dùng các DBMS để lưu chứa các lớp đối tượng bản đồ khi mã hoá dữ liệu và đây cũng là xu hướng hiện nay của công nghệ GIS. Các DBMS đó còn hổ trợ các vấn đề về người dùng, bảo mật và ràng buộc dữ liệu, thuận tiện trong môi trường đa người dùng vì không phải người dùng nào cũng cần và có thể truy xuất đến tất cả các lớp thông tin trên một hệ thống bản đồ số. Vấn đề này sẽ được bàn chi tiết trong phần 1.10. Mô hình dữ liệu GIS phải mang tính năng động để dể dàng thêm, xoá, thay đổi thông tin về loại của các thực thể đó. 1.8 CÁC THAO TÁC TRÊN BẢN ĐỒ SỐ Có 2 nhóm thao tác trên các hệ thống GIS. Các thao tác cơ bản trên bản đồ số. Các thao tác đặc thù riêng, yêu cầu cho các hệ thống GIS đặc thù nhằm thực hiện một số các chức năng đặc thù cho hệ thống GIS đó. Ngoài ra, ta còn có thể phân ra 3 loại chức năng cơ sở trên bản đồ số : Hiển thị bản đồ. Kích hoạt các đối tượng trên bản đồ. Thể hiện sự tính toán phân tích dựa trên dữ liệu không gian có được giữ các đối tượng địa lý, khi đó các đối tượng địa lý đóng vai trò là các toán hạng, còn các toán tử là các yêu cầu cụ thể nào đó cho từng hệ thống GIS. 1.8.1 Hiển thị bản đồ : Thao tác hiển thị bản đồ rất quan trọng, nó dùng làm hiển thị tất cả những gì trong cơ sở dữ liệu lên trên khung nhìn theo một định dạng nào đó (VPF chẳng hạn) sẽ được trình bày trong Chương II. Để thể hiện được một bản đồ theo một định dạng nào đó phải trải qua nhiều bước phức tạp. Một hệ thống GIS chứa nhiều lớp thông tin, trong quá trình hiển thị chúng ta phải quyết định những lớp nào được sử dụng. Vùng để hiển thị và độ lớn của bản đồ phải được cho phép chọn lựa bởi người sử dụng. Sau khi bản đồ được vẽ xong, người sử dụng muốn di chuyển (thấy) được những vùng kế cận trên bản đồ, thường được gọi là panning (hay chức năng Graber : kéo rê bản đồ để xem các vùng lân cận) Khi người sử dụng muốn nhìn rõ một vùng nào đó trên bản đồ, ta cần cung cấp chức năng phóng to (zoom in), trong trường hợp này không những các đối tượng trên bản đồ được phóng to, mà còn nhiều chi tiết mới được thêm vào trên bản đồ. Và dĩ nhiên, thao tác ngược lại là thu nhỏ (zoom out), khi thực hiện chức năng này các chi tiết của các đối tượng trên bản đồ sẽ bị loại bỏ (không vẽ). Các thao tác zoom in, zoom out nói trên được gọi là phép zoom luận lý (logical zoom), để thể hiện được các thao tác này ta cần sử dụng một cấu trúc cây dùng để bắt các đối tượng trong một vùng chữ nhật (thường do người sử dụng chọn bằng chuột) và vẽ chúng lại bằng kích cỡ lớn hơn, cấu trúc dữ liệu RTree thường được dùng để làm công vệc này, chi tiết về thư viện Rtree được trình bày ở phần phụ lục 1. 1.8.2 Kích hoạt các đối tượng trên bản đồ Chức năng kích hoạt các đối tượng trên bản đồ có mối quan hệ mật thiết với chức năng hiển thị bản đồ. Một mặt các đối tượng được chọn phải được chọn từ những đối tượng đã được hiển thị trên bản đồ. Mặt khác, những đối tượng được chọn phải được hiển thị lại trên màn hình. Sự truy vấn trong GIS cũng như trong các DBMS để chọn đúng các đối tượng cần kích hoạt và ngôn ngữ truy vấn. Tuy nhiên ở GIS, các điều kiện tìm kiếm thường dựa trên mối quan hệ về mặt địa hình học hay các tính toán về mặt địa lý thay vì kiểu chữ và số của SQL như trong các DBMS. Có hai loại truy vấn dữ liệu không gian cơ bản : Dựa vào các thuộc tính về mặt địa lý như toạ độ, vùng, chiều dài... Dựa vào