Giáo trình Cơ sở dữ liệu và hệ thống thông tin địa lý GIS

Nội dung text: Giáo trình Cơ sở dữ liệu và hệ thống thông tin địa lý GIS

1. Giỏo trỡnh Cơ sở dữ liệu và hệ thống thụng tin địa lý GIS
2. Lời nói đầu. Tác giả chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Dự án Quản lý đô thị ở Việt Nam, tr−òng Đại học Tổng hợp Montreal - Canada, tr−ờng Đại học Kiến trúc Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để ra đời cuốn giáo trình này. Cảm ơn Giáo s− Franỗois Charbonneau, Ph. D. đã góp ý cho việc xây dựng đề c−ơng cuốn giáo trình và đã giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình biên soạn giáo trình. Cảm ơn Tiến sỹ KTS Phạm Khánh Toàn đã cùng Tác giả tìm kiếm tài liệu và góp ý kiến cho việc biên soạn. Hệ thống thông tin địa lý "Geographical Information Systems (GIS)" đang đ−ợc ứng dụng rộng rãi và đem lại hiệu quả rõ rệt vào nhiều lĩnh vực ở một số n−ớc tiên tiến. N−ớc ta, Việc xây dựng cơ sở dữ liệu, ứng dụng vào GIS ở một số ngành nh− Địa chính, Lâm nghiệp đã có những thành công, nh−ng trong lĩnh vực Quy hoạch xây dựng và Quản lý đô thị ở n−ớc ta, GIS mới chỉ b−ớc đầu đ−ợc ứng dụng, đi theo các dự án tiến hành ở một số đô thị lớn. Có thể nói ứng dụng GIS vẫn còn là vấn đề mới. Trong khuôn khổ của Dự án Quản lý đô thị Việt Nam - hợp tác giữa hai n−ớc Ca Na Đa và Việt Nam, cùng với những hoạt động khác, nhiều tài liệu giáo trình đã đ−ợc biên soạn, cuốn "Cơ sở dữ liệu và hệ thông tin địa lý GIS" là một trong những giáo trình đó. Ban Giám đốc Dự án Quản lý đô thị Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi trong quá trình biên soạn giáo trình này. Giáo s− Franỗois Charbonneau, Ph. D. tr−ờng Đại học Tổng hợp Montreal Ca Na Đa đã trực tiếp giảng dạy môn học "Cơ sở dữ liệu và hệ thông tin địa lý GIS" cho học viên Cao học Quản lý đô thị, tại tr−ờng Đại học Kiến trúc Hà Nội. Đ−ợc gặp gỡ và trao đổi trực tiếp với Giáo s−, là những điều kiện thuận lợi cho việc biên soạn giáo trình này. Với sự hỗ trợ của Dự án Quản lý đô thị Việt Nam, Chúng tôi đã có điều kiện để tiếp cận với những tài liệu mới về GIS. Một thuận lợi nữa là Dự án Giáo dục Đại học mua phần mềm ArcGIS 8.3 cho nhà tr−ờng. Đây là phần mềm GIS tiên tiến, chúng tôi có điều kiện tìm hiểu, để bổ xung cho cuốn sách này những khái niêm mới. 2
3. Mặc dù có những thuận lợi nêu trên, chúng tôi cũng gặp nhiều khó khăn phải giải quyết: Tr−ớc hết GIS là một lĩnh vực mới, đòi hỏi một kiến thức liên quan tới nhiều chuyên môn trong đó tin học giữ vai trò quan trọng. Việc ứng dụng GIS ở n−ớc ta ch−a nhiều, những tài liệu xuất bản trong n−ớc còn ít ỏi và không theo kịp với sự phát triển nhanh chóng của tin học và GIS. Về nội dung cuốn sách, khi biên soạn chúng tôi phải lựa chọn trong kiến thức mới nhất và những kiến thức phổ thông. Ví dụ "ArcGIS 8.3" là công cụ mới và mạnh nhất cho GIS đi theo nó là "Oracle 9" cho cơ sở dữ liệu, kết hợp hai phần mềm này sẽ là công cụ tốt nhất cho GIS. Nh−ng thực tế ở n−ớc ta "ArcGIS 8.3" ch−a phổ biến, vì nó khá phức tạp, lại đòi hỏi kinh phí đầu t− mua phần mềm lớn, hiện tại ít cơ quan có bộ phần mềm này. Tr−ờng Đại học Kiến trúc Hà Nội đã mạnh dạn đầu t− kinh phí để có đ−ợc phần mềm ArcGIS chạy trên mạng nội bộ, nh−ng số l−ợng máy trạm đ−ợc sử dụng phần mềm này cũng bị hạn chế. Đứng tr−ớc khó khăn này chúng tôi đã lựa chọn nội dung giáo trình cho phù hợp. Một mặt trình bày những khái niệm mới, mặt khác h−ớng dẫn thực hành ứng dụng theo điều kiện phổ biến của đa số các cơ quan hiện nay. Các thực hành có thể tiến hành tại nhà với máy tính cá nhân thông th−ờng. Cấu trúc của Giáo trình: Nội dung chính của cuốn giáo trình này gồm 5 ch−ơng: Ch−ơng I. Những khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin địa lý. Nội dung trình bày các khái niệm về bản đồ, dữ liệu địa lý, định nghĩa GIS, những ứng dụng của GIS. Ch−ơng II. Mô hình hoá trái đất. Nội dung trình bày ba ph−ơng pháp mô hình hoá trái đất, tạo dữ liệu không gian cho GIS. Ch−ơng III. Cấu trúc dữ liệu thông tin địa lý. Nội dung trình bày cấu trúc của dữ liệu thông tin địa lý theo tiến trình, cấu trúc của Hệ thông tin địa lý theo ph−ơng pháp H−ớng đối t−ợng. Ng−ời đọc sẽ tìm thấy trong ch−ơng này cấu trúc của hệ thông tin địa lý theo mô hình tiên tiến nhất, đ−ợc Viện nghiên cứu hệ thống môi tr−ờng - Hoa Kỳ (Environmental System Reseach Institute, Inc, (ESRI)) thiết lập và đang đ−ợc sử dụng. Thông qua nội dung ch−ơng này, ng−ời đọc sẽ nhanh chóng làm quen với các phần mềm GIS của ESRI. 3
4. Ch−ơng IV. Hệ quản trị dữ liệu Microsoft Access. Hệ quản trị dữ liệu Microsoft Access đ−ợc lựa chọn là hệ quản trị dữ liệu cá nhân mạnh nhất (nên hiểu từ cá nhân ở đây t−ơng tự nh− từ máy tính cá nhân). Mặc dù không quản trị cơ sở dữ liệu lớn nh− Oraccle, Microsoft Access đủ mạnh để ta xây dựng cơ sở dữ liệu vừa phải phù hớp với đại đa số các cơ quan quản lý hiện nay. Mặt khác Microsoft Access có ngay trong bộ Microsoft office. Sử dụng thành thạo Access sẽ nhanh chóng làm quen với các hệ quản trị dữ liệu khác. Nội dung của ch−ơng h−ớng dẫn ng−ời đọc từng b−ớc để có thể tự xây dựng cơ sở dữ liệu cho cơ quan mình. Các bạn có thể tam khảo ứng dụng mẫu kèm theo khi cài đặt Microsoft Access đó là Northwind và Order. Đây là 2 ứng dụng kiểu mẫu, bạn có thể học tập đ−ợc rất nhiều. Ch−ơng IV. Sử dụng phần mềm MapInfo để xây dựng GIS. Phần mềm MapInfo là một phần mềm khá phổ biến ở n−ớc ta. Nó là một phần mềm dễ sử dụng có nhiều tính năng mạnh, đ−ợc áp dụng trong GIS. Mặc dù không mạnh nh− ArcInfo, nh−ng vẫn đủ mạnh để thực hiện các GIS không lớn, đặc biệt là đã trở thành phổ biến ở Việt Nam, nên chúng tôi đã lựa chọn để đ−a vào giáo trình này. Nội dung của ch−ơng 5 h−ớng dẫn từng b−ớc tiến hành khi sử dụng phần mềm MapIfo. Ví dụ trong ch−ơng này chúng tôi lấy từ Tutorial MapInfo. Một khi đã sử dụng thành thạo MapInfo, chúng ta có thể nhanh chóng xây dựng đ−ợc GIS ứng dụng vào thực tế, đồng thời làm quen nhanh chóng với các phần mềm GIS khác. Đối t−ợng có thể tham khảo cuốn sách này: Với nội dung vừa trình bày, cuốn sách này là giáo trình cho môn học Cơ sở dữ liệu và hệ thông tin địa lý GIS trong ch−ơng trình đào tạo Cao học tại tr−ờng Đại học Kiến trúc Hà Nội: Quản lý đô thị, Quy hoạch xây dựng phát triển đô thị, Hạ tầng kỹ thuật đô thị, Bảo tồn di sản kiến trúc. Đối với sinh viên đại học các chuyên ngành nh− Quy hoạch đô thị, Hạ tầng kỹ thuật đô thị, Cấp thoát n−ớc, Môi tr−ờng đô thị, và các chuyên ngành khác có liên quan tới GIS, cuốn giáo trình này cũng là một tài liệu học tập phù hợp. Đối với các bạn đọc đang có ý định nghiên cứu để ứng dụng GIS vào công việc hàng ngày tại cơ quan, đây là tài liệu tham khảo cho các bạn. Nếu không quan tâm tới phần lý thuyết các bạn có thể thực hiện công việc của mình từ ch−ơng IV ch−ơng 5, các ch−ơng tr−ớc có thể đọc l−ớt qua. 4
5. ứng dụng GIS vào thực tiến là một vấn đề đòi hỏi nhiều công sức, đặc biệt là việc thu thập và tổ chức cơ sở dữ liệu, nh−ng nó mang lại những lợi ích to lớn. Để việc học tập có kết quả thiết thực, việc thực hành phải đ−ợc thực hiện đồng thời với việc đọc các ch−ơng IV và ch−ơng V, không đợi tới khi đọc xong cả cuốn sách. Chỉ có áp dụng thực tế chúng ta mới có thể nắm đ−ợc lý thuyết.Chúc các bạn đạt đ−ợc kết quả mong muốn. Trong quá trình biên soạn, mặc dù đã rất cố gắng, nh−ng do trình độ còn nhiều hạn chế, chắc chắn cuốn sách sẽ có nhiều sai sót, rất mong bạn đọc góp ý, để lần xuẩt bản sau hoàn chỉnh hơn. Các ý kiến góp ý xin gửi về tr−ờng Đại học Kiến trúc Hà nội, hoặc cho tác giả: Phạm Hữu Đức ĐH Kiến trúc Hà Nội. MB Phone: 0913046080. Email: vnduc2004@yahoo.com. Xin cảm ơn các bạn đã đọc và góp ý sách! Hà nội, ngày 24-4-2005. Tác giả. 5
6. Ch−ơng I. Những khái niệm cơ bản về hệ thông tin địa lý và hệ quy chiếu không gian. 1.1. Khái niệm về thông tin địa lý (Geographical Infomation). Để hiểu đ−ợc hệ thông tin địa lý, tr−ớc hết chúng ta cần nắm đ−ợc khái niệm thông tin địa lý là gì. Dữ liệu địa lý liên quan đến các đặc tr−ng “địa lý” hay “không gian”. Các đặc tr−ng này đ−ợc ánh xạ, hay liên quan đến các đối t−ợng không gian. Chúng có thể là các đối t−ợng thực thể, văn hóa hay kinh tế trong tự nhiên. Các đặc tr−ng trên bản đồ là biểu diễn ảnh của các đối t−ợng không gian trong thế giới thực. Biểu t−ợng, màu và kiểu đ−ờng đ−ợc sử dụng để thể hiện các đặc tr−ng không gian khác nhau trên bản đồ 2D. Dữ liệu địa lý là dữ liệu trong đó bao gồm các thông tin về vị trí, có thể là hình dạng và đặc tính của đối t−ợng, nh− hình dạng hình học của dãy núi, của con sông, hòn đảo, bờ biển, thành phố vv Dữ liệu địa lý tham chiếu tới vị trí của đối t−ợng trên bề mặt của trái đất, xác định bởi hệ thống toạ độ tiêu chuẩn. Có thể định nghĩa: "Thông tin địa lý là những thông tin có quan hệ tới vị trí trên bề mặt trái đất". Thông tin địa lý có ý nghĩa không gian, nó bao gồm phạm vi rộng lớn, nh− những thông tin về sự phân bố của tài nguyên thiên nhiên, nh− đất, n−ớc sinh vật, những thông tin về vị trí của cơ sở hạ tầng nh− đ−ờng xá, công trình, dịch vụ, những thông tin về hành chính, ranh giới và sở hữu. Ngay cả những dữ liệu thống kê về dân số, nhân lực, tội phạm cũng thuộc về những thông tin địa lý, nếu nó có quan hệ tới vị trí không gian của số liệu. 1.2. Khái niệm về bản đồ. Bản đồ là ph−ơng tiện chuyển tải chủ yếu những kiến thức thông tin địa lý. Bản đồ cho con ng−ời nhận biết một cách có hiệu quả những đối t−ợng không gian, sự liên hệ giữa chúng, cũng nh− ph−ơng h−ớng. 1.2.1. Bản đồ, mục đích sử dụng. Trong lịch sử, loài ng−ời đã biết sử dụng bản đồ từ lâu. Ng−ời ta tạo ra bản đồ để mô tả những thực thể trên mặt đất, liên quan tới hình dạng, vị trí của thực thể đó. Trong lịch sử Việt Nam, bản đồ cũng đã đ−ợc sử dụng từ lâu. ở Hải Phòng có một ngôi chùa đ−ợc xây dựng bên sông Cấm mang tên là chùa Vẽ. Chùa Vẽ ngày nay đã trở thành địa danh của vùng đất, ở đó xây dựng một cảng biển - Cảng Chùa Vẽ. Sự tích của chùa Vẽ liên quan tới việc Trần H−ng Đạo vẽ bản đồ, 13
7. nghiên cứu địa hình địa vật, thuỷ triều sông Bạch Đằng, chuẩn bị cho trận thuỷ chiến tiêu diệt quân Nguyên. Chuyện kể rằng: khi dừng lại bên sông Cấm để quan sát, vẽ bản đồ, Trần H−ng Đạo thấy một bà lão đang bắt còng (một loài sống ở bãi sông n−ớc mặn giống nh− con cua đồng nh−ng màu đỏ có càng to) trên bãi sông, thuỷ triều đang xuống. Hỏi chuyện bà lão bắt còng, bà đã chỉ cho T−ớng quân cách tính toán thuỷ triều, giúp cho trận thuỷ chiến sắp tới. Sau đó, những ý đồ chiến thuật, bài binh bố trận của thuỷ quân trên sông và mai phục quân ở ven sông, đ−ợc Trần H−ng Đạo cho làm những chiếc bánh đa rắc những hạt vừng trên đó thể hiện bản đồ trận đánh sắp tới. Những chiếc bánh đa này phát cho chỉ huy các cánh quân. Ngày nay, bản đồ đ−ợc in trên giấy, bản đồ số - bản đồ đ−ợc thể hiện thông qua màn hình máy tính. Bản đồ sử dụng đ−ờng nét, màu sắc, ký hiệu, chữ và số thể hiện những thông tin địa lý. Bản đồ đ−ợc tạo ra để mô tả vị trí, hình dạng, những đặc tính có thể nhận thấy phong cảnh nh−: Sông, suối, đ−ờng xá, làng mạc, rừng cây vv Những thông tin này th−ờng bao gồm những thông tin về độ cao đ−ợc thể hiện bằng các điểm chi tiết, với chữ số ghi độ cao, các đ−ờng bình độ (đ−ờng cùng độ cao hay còn đ−ợc gọi là đ−ờng đồng mức). Ngoài những bản đồ có mục đích sử dụng phổ thông, còn có những bản đồ đ−ợc sử dụng cho mục đích quân sự, một số loại bản đồ khác cung cấp những thông tin theo chủ đề, chúng đ−ợc đặt tên là bản đồ chuyên đề. Những bản đồ chuyên đề nh− bản đồ liên quan đến những đặc tính tự nhiên, nh− bản đồ địa chất; liên quan tới hoạt động của con ng−ời, nh− bản đồ số ng−ời thất nghiệp. Cũng có thể bản đồ là công cụ để quản lý, nh− bản đồ quy hoạch sử dụng đất chẳng hạn. Một bản đồ th−ờng bao gồm tập hợp các điểm, đ−ờng, vùng, nó đ−ợc xác định bởi cả thông tin về vị trí không gian đ−ợc tham chiếu bởi hệ toạ độ và về những thông tin thuộc tính - phi hình học. Theo Michael Zeiler: " Bản đồ thể hiện bằng hình vẽ những dữ liệu địa lý một cách trực quan, rõ ràng. Các hình vẽ đ−ợc bố trí theo tỷ lệ, t−ợng tr−ng và đ−ợc in nh− những bức tranh". Bản đồ là sự trừu t−ợng hoá các dữ liệu địa lý. Bản đồ chắt lọc những thông tin theo yêu cầu, mục đích sử dụng, trình bày trên giấy, trên màn hình máy tính (các bản đồ số). Bản đồ làm đơn giản hoá những vấn đề phức tạp, những cấu trúc ẩn bên trong của dữ liệu. Bản đồ mô tả các nội dung của dữ liệu bằng các nhãn: biểu thị tên, loại, kiểu và những thông tin khác. 14
8. Mục đích của bản đồ là tạo ra cấu trúc dữ liệu, cung cấp thông tin và có thể hiện có thẩm mỹ. Bản đồ cung cấp thông tin bằng cách, tr−ớc hết là nó mô hình hoá các dữ liệu đ−ợc cung cấp. 1.2.2. Bản đồ diễn tả các thông tin nh− thế nào? Khi ta đọc một bản đồ, chúng ta thấy các yếu tố về hình dạng, những ký hiệu mô tả vị trí địa lý, những thông tin thuộc tính liên quan tới ký hiệu địa lý và mối quan hệ không gian giữa các ký hiệu địa lý. 1.2.2.1. Bản đồ biểu diễn các thông tin địa lý nh− thế nào? Những yếu tố địa lý đ−ợc mô tả trên bản đồ là những yếu tố nằm trên, hoặc nằm gần bề mặt trái đất. Nó mô tả yếu tố tự nhiên của trái đất (núi đồi, sông suối, rừng cây), và có thể là những công trình nhân tạo trên mặt đất (đ−ờng xá, cầu cống, ống dẫn, công trình nhà cửa), còn có thể là sự phân chia đất đại (các n−ớc, các khoảnh đất, lô đất, hành chính). Cách thức đơn giản nhất để biểu thị các diện tích địa lý trên bản đồ là phân chia ra các mảng, nh− là một hình ảnh, mạng l−ới, hay các bề mặt. 1.2.2.2. Trình bày theo các đối t−ợng riêng rẽ (discrete feature). Nhiều đối t−ợng địa lý (geographical feature) có dạng riêng biệt có thể mô tả bằng các điểm, đ−ờng, và hình đa giác (hình 1.1). - Điểm mô tả các đối t−ợng địa lý quá nhỏ không thể vẽ thành đ−ờng hay mặt đ−ợc, nh− cột điện, nhà. Điểm cũng còn dùng để mô tả những vị trí mà nó không có diện tích nh− đỉnh núi chẳng hạn. - Đ−ờng mô tả các đối t−ợng địa lý có bề ngang hẹp không thể mô tả thành mặt đ−ợc, nh− đ−ờng phố, suối hay lát cắt qua bề mặt nh− đ−ờng đồng mức chẳng hạn. Hình 1.1. Biểu diễn bằng điểm, đ−ờng, đa giác - Đa giác hình khép kín mô tả hình dạng vị trí của đối t−ợng địa lý có tính đồng nhất nh− quốc gia, vùng lãnh thổ, lô đất, loại đất, hay các vùng sử dụng đất. 1.2.2.3.Biểu diễn theo kiểu mạng l−ới các điểm ảnh Rasters. Nhiều thông tin địa lý về trái đất, chúng ta thu thập đ−ợc theo dạng ảnh nh− không ảnh (chụp từ máy bay), ảnh viễn thám (chụp từ vệ tinh). Những ảnh này th−ờng đ−ợc lót d−ới những bản đồ khác (hình 1.2). 15
9. Mạng l−ới (grid) các điểm ảnh biểu thị các yếu tố liên tục và đồng nhất nh− nhiệt độ, l−ợng m−a, độ cao. Hình ảnh và mạng các điểm ảnh dữ liệu đ−ợc gọi là rasters. Raster bao gồm ma trận các điểm ảnh 2 chiều (2D). Các điểm ảnh Hình 1.2. Biểu diễn bằng ảnh thể hiện các thuộc tính, đ−ợc biểu hiện bằng Rasters màu sắc, dạng quang phổ hay dạng m−a rơi (rainfall). 1.2.2.4. Biểu diễn theo các mặt. Hình dạng của bề mặt trái đất là liên tục. Một số diện mạo của bề mặt có thể vẽ nh− các hình thể nh− gò đồi, đỉnh núi, suối. Đ−ờng cùng độ cao đ−ợc thể hiện bằng các đ−ờng đồng mức Để mô tả hình dạng trái đất có thể tạo ra các mặt dùng màu sắc biến đổi theo ánh sáng Hình 1.3. Biểu diễn các mặt mặt trời chiếu rọi, độ cao, s−ờn dốc, h−ớng(hình 1.3). Thông th−ờng giá trị độ cao biểu hiện cao điểm, còn mật độ dân số thì đ−ợc biểu hiện theo kiểu đ−ợc định nghĩa tr−ớc. 1.2.2.5. Bản đồ mô tả các thuộc tính nh− thế nào? Những đối t−ợng trên bản đồ có những giá trị thuộc tính kèm theo. Những thuộc tính này đ−ợc thống kê trong bảng dữ liệu. Bảng dữ liệu này gắn kết với các đối t−ợng trên bản đồ, hoặc đ−ợc truy cập tới một cơ sơ sở dữ liệu khác. Những kiểu thuộc tính thông dụng nhất là: - Chuỗi kí tự thể hiện tên, đặc tính, chủng loại, điều kiện hoặc là kiểu của hình mẫu. - Giá trị mã (code) biểu thị kiểu của đối t−ợng, nó có thể là con số hoặc một chuỗi ký tự rút gọn. - Giá trị rời rạc biểu hiện con số, có thể nh− con số thống kê nh− là l−u l−ợng xe trên đ−ờng. - Giá trị số thực biểu thị dữ liệu tính toán, hay đo đạc liên tục nh− khoảng cách, diện tích, dòng chảy. 16
10. - Đối t−ợng đồng nhất hoá. Những đối t−ợng loại này ít khi đ−ợc sử dụng, nh−ng nó là chìa khoá để truy cập dữ liệu ở ngoài. Có những mô tả khác nhau, biểu thị thông tin trên bản đồ. Để mô tả thuộc tính, trên bản đồ ng−ời ta có thể thể hiện bằng nhiều cách khác nhau: Các ký hiệu mô tả kiểu của đối t−ợng. Các ký hiệu điểm biều thị tr−ờng học, hầm mỏ, bên cảng. Các loại nét liền hoặc nét đứt mô tả con suối. Những diện tích đ−ợc tô màu khác nhau để mô tả sự phân loại. Kích th−ớc to nhỏ khác nhau của ký hiệu vẽ trên bản đồ nhằm mô tả giá trị số khác nhau. Giá trị mã hay giá trị số đ−ợc biểu thị trên bản đồ bằng cách sử dụng màu. Để thể hiện những giá trị khác nhau, ng−ời ta hoà trộn các màu sắc tạo nên bảng màu, các ô màu thay đổi sắc độ. Các chữ có thể đ−ợc viết bên cạnh, dọc theo, hoặc bên trong hình vẽ mà nó cần mô tả. 1.2.2.6. Bản đồ mô tả các quan hệ không gian nh− thế nào? Khi xem một bản đồ chúng ta nhận thức đ−ợc không gian. Nhiều bản đồ đ−ợc làm ra để phục vụ cho mục đích nh− vị trí giao dịch, tìm đ−ờng đi ngắn nhất, vị trí các khu ở. Bản đồ th−ờng có mối quan hệ không gian: - Nối khu này với khu khác. - Khu này kề liền với khu khác. - Khu này chứa đựng khu khác. - Khu này giao với khu khác. - Khu này bên khu khác - Chênh lệch cao độ giữa khu này với khu khác. - Quan hệ vị trí giữa khu này với các khu khác. Bản đồ trong hệ thông tin địa lý GIS còn hỗ trợ giải đáp về không gian tạo ra các bảng và theo sự lựa chọn của ng−ời dùng. ArcInfo, ArcMap biểu thị các bản đồ số thích hợp với các bản đồ thông dụng đối với ng−ời quen dùng bản đồ in trên giấy. Có thể in các bản đồ số trên các máy in khổ lớn để thấy rõ các chi tiết. Có thể tạo ra những bản đồ số trên máy tính có cùng mối quan hệ địa lý, tạo ra các bản đồ chuyên đề, các bảng biểu kết quả của vấn tin, thực hiện các phân tích và sửa đổi 17
11. các đối t−ợng địa lý. Bản đồ số đ−ợc l−u nh− một file với phần mở rộng của file là .mxd (khi ta dùng ArcGIS) và đ−ợc gọi là tài liệu bản đồ, hay đơn giản là bản đồ. 1.2.3. Các bộ phận của bản đồ. Các phần mềm máy tính nh− Arcmap biểu thị bản đồ số theo dạng t−ơng tự với các bản đồ truyền thống tr−ớc đây đã quen sử dụng. Có thể tác động vào bản đồ số trên máy tính, thay đổi, hiệu chỉnh, biểu thị chủ đề, vấn tin, thực hiện các phân tích, sửa chữa các đối t−ợng. Bản đồ số đ−ợc l−u trên bộ nhớ bằng file máy tính. Một bản đồ th−ờng có các bộ phận đã trở nên quen thuộc, nh− mũi tên chỉ h−ớng Bắc, thanh tỷ lệ xích, tiêu đề, bản đồ chi tiết hoá, chú giải. Các bộ phận chính của bản đồ đ−ợc xắp xếp theo cách sau: - Bản đồ có một hay nhiều khung biểu thị dữ liệu địa lý. - Mỗi khung dữ liệu lại có một hay một vài bản chú giải. Hình 1.4: Khung dữ liệu và các bản chú giải - Trên một trang bản đồ có những thành tố khác tạo nên sự hoàn thiện của bản đồ. Trong khung dữ liệu chứa đựng dữ liệu địa lý của bản đồ. một bản đồ có thể có một hay một vài khung dữ liệu (hình 1.4). Khung dữ liệu có một hay nhiều lớp, các lớp đ−ợc xếp chồng lên nhau và trải dài trên một phạm vi nh− nhau. Trên máy tính mỗi đơn vị máy tính thể hiện một đơn vị độ dài thực (trên thực địa) có thể là m, Km vv tuỳ thuộc vào ng−ời lập bản đồ. Còn tỷ lệ của bản đồ chỉ thể hiện khi ta xếp đặt Layout, khi in ra sẽ cho ta tỷ lệ của bản đồ. Khung dữ liệu có hệ toạ độ chỉ rõ phần trái đất đ−ợc tham chiếu. Hệ toạ độ này có thể giống hoặc khác hệ toạ độ của các lớp. Khung dữ liệu đ−ợc liên kết với các chú giải, nh− tỷ lệ bản đồ chẳng hạn. Khung dữ liệu bản đồ liên kết động với các bản chú giải. Khi ph−ơng thức hình vẽ thay đổi, các chú giải đ−ợc cập nhật. Khi tỷ lệ bản Hình 1.5: Bổ xung các chi tiết đồ thay đổi, chữ tỷ lệ đ−ợc cập nhật, đồng vào bản đồ thời thanh tỷ lệ xích cũng thay đổi kích 18
12. th−ớc theo. Khi bản đồ xoay đi, mũi tên chỉ h−ớng Bắc xoay theo. Có thể bổ xung vào bản đồ các chi tiết nh− dấu hiệu, đ−ờng, đa giác, hình chữ nhật, chữ và hình ảnh (Hình 1.5). Hình ảnh có thể theo dạng metafile hay bimap. Những chi tiết bổ xung không có liên kết với khung dữ liệu. 1.2.4. Các lớp (layer) bản đồ. Lớp bản đồ là đơn vị cơ sở của việc trình bày thông tin địa lý trên bản đồ. Lớp biểu hiện một tập hợp mối quan hệ giữa các dữ liệu địa lý đ−ợc vẽ trên bản đồ. Ví dụ có các lớp bản đồ ta có thể tạo ra nh− lớp sông suối, lớp biên giới hành chính, các điểm trắc địa, lớp đ−ờng bộ vv 1.2.4.1. Lớp dữ liệu địa lý. Một lớp (layer) tham chiếu tới một tập hợp dữ liệu địa lý, nh−ng nó không chứa đựng dữ liệu địa lý. Ưu điểm của cách sử dụng lớp nh− sau: • Có thể tạo những lớp riêng biệt trên cùng một dữ liệu địa lý. Hình 1.6: Tổ hợp dữ liệu đa lý của các n−ớc, dân số, tuổi thọ, tốc độ Những dữ liệu này có thể nhìn tăng tr−ởng. thấy những đặc tính khác nhau hoặc dùng những ph−ờng thức biểu thị khác nhau • Có thể chỉnh sửa dữ liệu địa lý, cập nhật lớp bản đồ cho lần sử dụng sau. • Các lớp đ−ợc chia sẻ bằng cách tạo ra các bản sao dữ liệu địa lý. Một lớp có thể tham chiếu dữ liệu từ bất Hình 1.7: Bản đồ trình bày tuổi thọ, kỳ đâu trên mạng. chất l−ợng n−ớc, tăng dân số ở Nam Mỹ Các lớp đ−ợc l−u giữ nh− một thành phần của bản đồ hay nh− một file riêng biệt trên bộ nhớ máy tính, file có phần mở rộng .lyr. Có thể coi lớp nh− một cách nhìn dữ liệu bản đồ. Lớp cho phép ấn định cách thức vẽ bản đồ, đặt tỷ lệ bản đồ và đặt cách lựa chọn cách thể hiện bản đồ. Hình 1.8: Bản đồ thứ nhất thể hiện các n−ớc châu Âu, bản đồ thứ hai thể hiện các n−ớc sử dụng đồng tiền chung Châu Âu 19
13. Lớp cho phép ấn định kiểu vẽ bản đồ bất kỳ đối với tổ hợp dữ liệu địa lý (hình 1.6). Tuy vậy, tập hợp dữ liệu không bao gồm sự chỉ dẫn cho cách vẽ dữ liệu. Ta xác định rõ cách thức thể hiện bản đồ khi ta tạo ra lớp bản đồ. Ta có thể tạo nhiều lớp cho cùng một tập hợp dữ liệu. Mỗi một lớp mô tả đặc tính riêng biệt (hình 1.7). Một số bản đồ trình bày các tập hợp dữ liệu phụ, hoặc chi tiết hoá các đối t−ợng bản đồ đ−ợc chọn, hoặc những kết quả vấn tin, sử dụng cú pháp Stuctured Query Language (SQL) (hình 1.8). Với những lựa chọn trên bản đồ, có thể chỉ thể hiện một đối t−ợng cần quan tâm, mà không cần xoá các đối t−ợng bên cạnh của bản đồ. Có thể thể hiện bản đồ theo một tỷ lệ Hình 1.9: Bản đồ thứ nhất thể hiện lớp với các công trình bằng các biểu tuỳ ý, nh−ng tốt nhất là thể hiện theo t−ợng đ−ợc tô màu, hình thứ hai thể những tỷ lệ quy định. Có thể xác định hiện cung tập hợp đối t−ợng nh−ng tỷ lệ ng−ỡng cho lớp và thay thế lớp bằng các biểu t−ợng đánh dấu khác với tỷ lệ đ−ợc định rõ (hình 1.9). 1.2.4.2. Các kiểu của lớp. Phần trên đã trình bày, một vùng diện tích địa lý có thể trình bày trên bản đồ nh− một tập hợp đối t−ợng riêng rẽ, nh− một l−ới hay hình ảnh, nh− các bề mặt (surfaces). D−ới đây là một số kiểu có thể đ−a vào các lớp. Kiểu đối t−ợng riêng rẽ: Nhiều đối t−ợng Hình 1.10: Các đối t−ợng điểm địa lý có dạng riêng rẽ. Lớp đối t−ợng sử đ−ờng đa giác dụng ph−ơng pháp vẽ để thể hiện thông tin đ−ợc mô tả. Lớp đồ hoạ là tập hợp các đối t−ợng đồ hoạ đồng nhất các điểm, đ−ờng và các đa giác (hình 1.10). Kiểu hình ảnh Raster: Nhiều dữ liệu địa lý đ−ợc thu thập từ các ảnh vệ tinh, không ảnh hoặc l−ới điểm. Những hình ảnh này là ma 20 Hình 1.11: ảnh Raster
14. trận các điểm (matrix of cells) đ−ợc biểu diễn ở lớp ảnh (hình 2.11) Kiểu các mặt tam giác: Các mặt biểu diễn bề mặt trái đất. Các mặt này là các mặt tam giác không đều kế cận nhau, biểu diễn các giá trị cao độ Z. Các tam giác đ−ợc thể hiện ở lớp mạng tam giác không đều TIN layer (triangulated irregular network) Hình 1.12: Bản đồ các mặt tam giác 1.2.5. Dùng các biểu t−ợng để thể hiện bản đồ. Sử dụng các biểu t−ợng (symbol) và các nhãn (laybel) để thể hiện các thông tin địa lý trên bản đồ có thể thực hiện trong một số tr−ờng hợp phổ biến sau: • Những con đ−ờng có thể đ−ợc thể hiện bằng những nét vẽ với độ to nhỏ, hình thức, màu sắc khác nhau, để thể hiện những loại đ−ờng khác nhau, cũng nh− đặc tính của đ−ờng khác nhau. • Những con sông, con suối, th−ờng đ−ợc tô màu xanh n−ớc biển để biểu thị mặt n−ớc. • Các biểu t−ợng dùng để chỉ rõ những đối t−ợng đặc biệt nh− đ−ờng sắt hay sân bay. • Các đ−ờng phố có thể đ−ợc thể hiện các nhãn, chỉ rõ tên riêng của đ−ờng phố. • Các công trình kiến trúc có thể đ−ợc thêm nhãn tên, hay chức năng của công trình. Biểu t−ợng điểm: Các biểu t−ợng điểm thể hiện các điểm có kích th−ớc nhỏ trên bản đồ. Các biểu t−ợng điểm có thể là một hình vẽ đơn sắc, một Hình 1.13: Các biểu t−ợng điểm hình đơn giản nh− hình tròn, hình chữ nhật, mũi tên hay một hình ảnh nhiều màu sắc (hình 1.12). Biểu t−ợng đ−ờng: Các biểu t−ợng Hình 1.13: Các biểu t−ợng đ−ờng đ−ờng có nhiều dạng: đ−ờng nét liền đ−ợc thể hiện bằng những bề dày nét, màu sắc khác nhau; đ−ờng nét gạch; đ−ờng tạo bởi các hình xếp kế tiếp nhau, đ−ờng nhiều nét vv Hình 1.14: Các biểu t−ợng vẽ màu 21
15. (hình 1.13) Biểu t−ợng tô vẽ: Các biểu t−ợng tô vẽ là những diện đ−ợc tô là một hình đ−ợc tô màu đồng nhất, các nét gạch màu, các biều t−ợng tô màu, các mảng màu có độ đậm nhạt biến đổi, hoặc một hình ảnh vv (hình 1.14) 1.3. Khái niệm về hệ thông tin địa lý. 1.3.1. Khái niệm chung. Hệ thông tin địa lý tiếng Anh là Geographical Information System. Nó đ−ợc hình thành từ 3 khái niệm: địa lý (Geographical), thông tin (Information) và hệ thống (System). Khái niệm “địa lý" (Geographic) đ−ợc sử dụng vì GIS tr−ớc hết liên quan đến các đặc tr−ng “địa lý” hay “không gian”. Các đặc tr−ng này đ−ợc ánh xạ hay liên quan đến các đối t−ợng không gian. Chúng có thể là các đối t−ợng vật lý, văn hóa hay kinh tế trong tự nhiên. Các đặc tr−ng trên bản đồ là biển diễn ảnh của các đối t−ợng không gian trong thế giới thực. Biểu t−ợng, màu và kiểu đ−ờng đ−ợc sử dụng để thể hiện các đặc tr−ng không gian khác nhau trên bản đồ 2D. Khái niệm “thông tin" (Information) đ−ợc sử dụng, vì nó liên quan đến khối dữ liệu khổng lồ do GIS quản lý. Các đối t−ợng thế giới thực đều có tập riêng các dữ liệu chữ số thuộc tính hay đặc tính (còn gọi là dữ liệu phi hình học, dữ liệu thống kê) và các thông tin vị trí cần cho l−u trữ, quản lý các đặc tr−ng không gian. Khái niệm “hệ thống" (System) đề cập đến cách tiếp cận hệ thống của GIS. Môi tr−ờng hệ thống GIS đ−ợc chia nhỏ thành các môđun, để dễ hiểu, dễ quản lý, nh−ng chúng đ−ợc tích hợp thành hệ thống thống nhất, toàn vẹn. Công nghệ thông tin đã trở thành quan trọng, cần thiết cho tiệm cận này và hầu hết các hệ thống thông tin đều đ−ợc xây dựng trên cơ sở máy tính. Hệ thông tin Hệ thông tin phi hình học (Kế Hệ thông tin không toán, Quản lý Nhân sự ) gian Hệ thông tin địa lý Các hệ thông tin (GIS) không gian khác (CAD/CAM, ) Các hệ thống GIS Hệ thông tin đất đai khác (Kinh tế Xã hội, (LIS) Dân số ) Hệ thông tin địa Hệ thống thông tin quản lý đất chính sử dụng (Rừng, Lúa ) Hình 1.15. Hệ thông tin địa lý tron22g hệ thông tin nói chung
16. Hình 1.15 cho ta biết “hệ thống tin địa lý” nằm ở khoảng nào trong “hệ thông tin” nói chung. “Hệ thông tin” bao gồm hệ thông tin phi hình học ( kế toán, quản lý nhân sự ) và hệ thông tin không gian. “Hệ thông tin địa lý” là tập con của “Hệ thông tin không gian” . “Hệ thông tin địa lý” bao gồm nhiều hệ thông tin khác: Hệ thông tin đất đai ( hệ thông tin địa chính, hệ thông tin quản lý đất sử dụng: rừng, lúa ), hệ thông tin địa lý quản lý kinh tế, xã hội, dân số “Thông tin địa lý” bao gồm dữ liệu về bề mặt trái đất và các diễn giải dữ liệu, để chúng trở nên dễ hiểu. Thông tin địa lý đ−ợc thu thập qua bản đồ, qua đo đạc trực tiếp, đo đạc bằng máy bay, viễn thám, hoặc đ−ợc thu thập thông qua điều tra, phân tích hay mô phỏng. Thông tin địa lý bao gồm hai loại dữ liệu: dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính (phi không gian); trả lời các câu hỏi “có cái gì ? “ ; “ ở đâu? “. 1.3.2. Nền tảng của hệ thông tin địa lý GIS. Khái niệm cơ bản cần nắm vững tr−ớc khi đ−a ra các định nghĩa, cần xem xét các yếu tố cấu thành, cơ sở dữ liệu liên quan, phạm vi ứng dụng của hệ thông tin địa lý. Tiếp theo đó, sẽ nghiên cứu những khái niệm cơ bản của mô hình hoá dữ liệu địa lý, nghiên cứu một số ph−ơng pháp để mô hình hoá các bề mặt liên tục, các đối t−ợng riêng rẽ, và các hình ảnh. Đôi khi không phải là chỉ có một cách lựa chọn hợp lý cho mô hình dữ liệu. 1.3.2.1. Các bộ phận của hệ thông tin địa lý. Hệ thông tin địa lý GIS bao gồm 5 thành phần (hình 1.16): - Những con ng−ời đ−ợc đào tạo (People). - Dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính (Data), - Ph−ơng pháp phân tích (analysis), - Phần mềm tin học (Software) và - Phần cứng máy tính (Hardware) Tất cả đ−ợc kết hợp, tổ chức, tự Hình 1.16. Các bộ phận của hệ thông động hoá, điều hành, cung cấp tin địa lý GIS thông tin thông qua sự diễn tả 23
17. địa lý. - Con ng−ời (People) xây dựng và sử dụng GIS: Khi ta thiết lập một kiểu dữ liệu, xây dựng một phần mềm tin học, hay biên soạn một tài liệu, điều quan trọng là cần làm rõ công việc mình đang tiến hành phục vụ đối t−ợng nào. Có thể thấy những vai trò căn bản của con ng−ời trong GIS nh− sau: Sử dụng bản đồ- đó là ng−ời tiêu dùng, đầu cuối của GIS. Họ tìm trong bản đồ đ−ợc tạo ra cho nhu cầu chung hay nhu cầu riêng của họ. Tất cả các thành viên đó là ng−ời sử dụng bản đồ. Ng−ời sử dụng hệ thống (system user) là những ng−ời sử dụng GIS để giải quyết các vấn đề không gian. Nhiệm vụ chủ yếu của họ là số hóa bản đồ, kiểm tra lỗi, soạn thảo, phân tích các dữ liệu thô và đ−a ra các giải pháp cuối cùng, để truy vấn dữ liệu địa lý. Xây dựng bản đồ - sử dụng một số lớp bản đồ từ một vài nguồn khác nhau và thêm vào đó những dữ liệu cần thiết, tạo ra những bản đồ theo ý ng−ời sử dụng. Phát hành bản đồ- in bản đồ. Những ng−ời này tạo ra những bản đồ có chất l−ợng cao. Thao tác viên hệ thống (system operator) có trách nhiệm vận hành hệ thống hàng ngày, để ng−ời sử dụng hệ thống làm việc hiệu quả: sửa chữa khi ch−ơng trình bị tắc nghẽn, trợ giúp nhân viên thực hiện các phân tích có độ phức tạp cao, huấn luyện ng−ời dùng, quản trị hệ thống, quản trị CSDL, an toàn, toàn vẹn CSDL để tránh h− hỏng mất mát dữ liệu. Chuyên viên phân tích hệ thống GIS (GIS systems analysts) là nhóm ng−ời chuyên nghiên cứu thiết kế hệ thống có trách nhiệm xác định mục tiêu của hệ GIS trong cơ quan, hiệu chỉnh hệ thống, đề xuất kỹ thuật phân tích đúng đắn, đảm bảo tích hợp thắng lợi hệ thống trong cơ quan. Thông th−ờng, chuyên gia phân tích hệ thống là nhân viên của các hãng lớn chuyên về cài đặt GIS. Nhà cung cấp GIS (GIS supplier) có trách nhiệm cung cấp phần mềm, cập nhật phần mềm, ph−ơng pháp nâng cấp cho hệ thống, huấn luyện ng−ời dùng GIS thông qua các hợp đồng với quản trị hệ thống. Phân tích và giải quyết các vấn đề địa lý - nh− các vấn đề sự phát tán các chất hoá học, tìm kiếm đ−ờng đi ngắn nhất, xác định địa điểm. 24
18. Xây dựng và nhập dữ liệu địa lý - từ một vài dạng biên tập khác nhau, chuyển đổi, và truy cập. Nhà cung cấp dữ liệu (data supplier) có thể là tổ chức Nhà n−ớc hay t− nhân. Thông th−ờng các cơ quan Nhà n−ớc cung cấp dữ liệu đ−ợc xây dựng cho chính nhu cầu của họ, những dữ liệu này có thể đ−ợc sử dụng trong các cơ quan, tổ chức khác hoặc đ−ợc bán với giá rẻ hay cho không tới các dự án GIS phi lợi nhuận. Các công ty t− nhân thì th−ờng cung cấp dữ liệu sửa đổi từ dữ liệu các cơ quan Nhà n−ớc cho phù hợp với ứng dụng cụ thể. Quản trị dữ liệu - điều hành cơ sở dữ liệu của GIS, và bảo đảm cho GIS hoạt động suôn sẻ. Thiết kế cơ sở dữ liệu - xây dựng các kiểu dữ liệu logic và xây dựng cơ sở dữ liệu. Phát triển - xây dựng GIS theo ý ng−ời sử dụng phục vụ một số yêu cầu riêng và yêu cầu của ngành nghề. Ng−ời phát triển ứng dụng (application developer) là những lập trình viên đ−ợc đào tạo để xây dựng các giao diện ng−ời dùng, làm giảm khó khăn khi thực hiện các thao tác cụ thể trên các hệ thống GIS chuyên nghiệp. Phần lớn, lập trình GIS bằng ngôn ngữ macro do nhà cung cấp GIS xây dựng để ng−ời phát triển ứng dụng có khả năng ghép nối với các ngôn ngữ máy tính truyền thống. • Nguồn dữ liệu cho GIS: Một hệ thông tin địa lý GIS bất kỳ nào cũng bao gồm thành phần dữ liệu không gian. Dữ liệu không gian này có thể từ những không ảnh, ảnh vệ tinh, đ−ờng đồng mức, bản đồ số về môi tr−ờng, hay địa bạ về quyền sử dụng đất Hình 1.17. Nguồn dữ liệu của GIS GIS còn có thể ở những nơi khác nữa, nh− đ−ợc các công ty, họ giữ cơ sở dữ liệu về khách hàng của mình đi kèm với dữ liệu địa lý. Hay GIS tính toán vị trí của bất kỳ địa điểm nào trên trái đất từ địa chỉ b−u điện. • Thủ tục và phân tích(Procedures and analysis): Các chuyên gia điều hành GIS bằng các hàm, thủ tục và các quyết định. Đó là tập hợp kinh nghiệm của con ng−ời và là phần không thể thiếu đ−ợc của GIS. Một vài ví dụ về chức năng phân tích là: 25
19. - Khoa học đ−ợc ứng dụng có liên quan tới không gian, nh− thuỷ văn, khí t−ợng hay dịch tễ học. - Chất l−ợng các thủ tục bảo đảm dữ liệu là chính xác, nhất quán và đúng đắn. - Thuật toán giải quyết vấn tin trên tuyến, mạng hay mặt. - Những kiến thức áp dụng để vẽ bản đồ tạo ra những bản đồ thể hiện hoàn hảo. • Phần cứng máy tính: Máy tính với đủ loại từ loại cầm tay đến những máy chủ máy mạng. Có thể cài đặt phần mềm của GIS cho gần nh− hầu hết các loại máy tính. Với sự cải thiện của mạng máy tính băng thông rộng, một máy chủ đã có thể phục vụ cho GIS trong phạm vi doanh nghiệp. Internet kết nối các máy tính thành mạng toàn cầu, là một cách cơ bản để truy cập dữ liệu. Một h−ớng khác, đó là sự tăng nhanh việc sử dụng hệ thống định Hình 1.18. Sơ đò sử dụng phần cứng máy vị toàn cầu GPS (Global tính trong GIS Positioning System) để xác định vị trí theo thời gian thực. • Phần mềm GIS: Một hệ thống GIS bao gồm nhiều moduls phần mềm trong đó hệ quản trị CSDL địa lý là quan trọng nhất, nó thể hiện khả năng l−u trữ, quản lý dữ liệu. Các modul khác là công cụ thu thập dữ liệu, chuyển đổi dữ liệu, phân tích dữ liệu, làm báo cáo, truyền tin, giao diện ng−ời dùng. Một vài chức năng của phần mềm GIS: - Khả năng l−u trữ các dạng thức hình học trực tiếp d−ới dạng cơ sở dữ liệu cột. - Khung làm việc để định nghĩa lớp bản đồ và các ph−ơng thức thể hiện bản đồ. Những ph−ơng pháp vẽ này dựa trên giá trị thuộc tính của đối t−ợng. - Cơ sở hạ tầng để hỗ trợ việc tạo ra các bản đồ từ đơn giản đến phức tạp, làm cho công việc lập bản đồ trở nên đơn giản hơn. 26
20. - Tạo lập và l−u trữ các mối quan hệ hình học topo giữa các đối t−ợng liên kết mạng và cấu trúc hình học polygol. - Chỉ mục không gian hai chiều (2D) để thể hiện nhanh chóng các đối t−ợng địa lý. - Một tập hợp các toán tử để xác định mối quan hệ địa lý nh− gần, kề liền, chồng và so sánh không gian - Nhiều công cụ hỗ trợ vấn tin. - Hệ thống Work-Flow cho phép chỉnh sửa, biên tập các dữ liệu địa lý có đ−ợc từ nhiều nguồn và ở các phiên bản khác khau. Với những phân tích trên ta có thể đi tới định nghĩa hệ thông tin địa lý. 1.3.3. Định nghĩa hệ thông tin địa lý GIS. Hệ thống máy tính ngay từ ban đầu đã nhanh chóng đ−ợc sử dụng hữu hiệu vào các công việc liên quan tới địa lý và phân tích địa lý. Cùng với sự ứng dụng máy tính ngày càng tăng, khái niệm mới GIS phát triển từ những năm 1960. Nhiều định nghĩa GIS đã ra đời, có thể dẫn ra đây một số định nghĩa: - Burrough, 1986: GIS là những công cụ mạnh để tập hợp, l−u trữ, truy cập, khôi phục, biểu diễn dữ liệu không gian từ thế giới thực, đáp ứng những yêu cầu đặc biệt. - Lord Chorley, 1987: GIS là hệ thống thu nạp, l−u trữ, kiểm tra, tích hợp, vận dụng, phân tích và biểu diễn dữ liệu tham chiếu tới mặt đất. Những dữ liệu này thông th−ờng là cơ sở dữ liệu tham chiếu không gian dựa trên những phần mềm ứng dụng. - Michael Zeiler: Hệ thông tin địa lý GIS là sự kết hợp giữa con ng−ời thành thạo công việc, dữ liệu mô tả không gian, ph−ơng pháp phân tích, phần mềm và phần cứng máy tính - tất cả đ−ợc tổ chức quản lý và cung cấp thông tin thông qua sự trình diễn địa lý. - Franỗois Charbonneau, Ph. D: GIS là một tổng thể hài hoà của một công cụ phần cứng và ngôn ngữ sử dụng để điều khiển và quản lý từ dữ liệu cho đến phép chiếu không gian và của các dữ liệu mô tả có liên quan. - David Cowen, NCGIA, Mỹ: GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục đ−ợc 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. 27
21. Mặc dù có sự khác nhau về mặt tiếp cận, nh−ng nhìn các định nghĩa về GIS đều có có các đặc điểm giống nhau nh− sau: bao hàm khái niệm dữ liệu không gian (spatial data), phân biệt giữa hệ thông tin quản lý (Management Information System - MIS) và GIS. Về khía cạnh của bản đồ học thì GIS là kết hợp của lập bản đồ trợ giúp máy tính và công nghệ cơ sở dữ liệu. So với bản đồ thì GIS có lợi thế là l−u trữ dữ liệu và biểu diễn chúng là hai công việc tách biệt nhau, vì vậy, có nhiều cách quan sát từ các góc độ khác nhau trên cùng tập dữ liệu. 1.4. Quan hệ giữa GIS và các ngành khoa học khác. GIS là ngành khoa học đ−ợc xây dựng trên các tri thức của nhiều ngành khoa học khác nhau . Đó là các ngành: - Ngành địa lý: có truyền thống lâu đời về phân tích không gian và nó cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian, khi nghiên cứu; liên quan mật thiết đến việc hiểu thế giới và vị trí của con ng−ời trong thế giới. - Ngành bản đồ (cartography): có truyền thống lâu đời trong việc thiết kế bản đồ, do vậy nó là khuôn mẫu quan trọng nhất của đầu ra GIS. Ngày nay, bản đồ cũng là nguồn dữ liệu đầu vào chính cho GIS. - Công nghệ viễn thám (remote sensing): cho phép thu thập và xử lý dữ liệu mọi vị trí trên quả địa cầu với giá rẻ. Các dữ liệu đầu ra của hệ thống ảnh vệ tinh có thể đ−ợc trộn với các lớp dữ liệu của GIS. Các ảnh vệ tinh là nguồn dữ liệu địa lý quan trọng cho hệ GIS. - ảnh máy bay: với kỹ thuật đo chính xác, hiện nay, ảnh máy bay là nguồn dữ liệu chính về độ cao bề mặt Trái đất đ−ợc sử dụng làm đầu vào của GIS. - Bản đồ địa hình: cung cấp dữ liệu có chất l−ợng cao về vị trí của ranh giới đất đai, nhà cửa - Khoa đo đạc: là nguồn cung cấp các vị trí cần quản lý có độ chính xác cao cho GIS. - công nghệ thông tin: Thiết kế trợ giúp bằng máy tính (Computer Added Design - CAD) cung cấp kỹ thuật nhập, hiển thị, biểu diễn dữ liệu. Đồ họa máy tính(Computer Graphic) cung cấp công cụ để quản lý, hiển thị các đối t−ợng đồ họa. Quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) đóng góp ph−ơng pháp biểu diễn dữ liệu d−ới dạng số và các thủ tục để thiết kế hệ thống, l−u trữ, truy cập, cập nhật khối dữ liệu lớn. Trí tuệ nhân tạo sử dụng máy tính lựa chọn dựa trên cơ sở các dữ liệu có sẵn bằng ph−ơng pháp mô phỏng trí tuệ con ng−ời. Máy tính hoạt động nh− một chuyên gia trong việc thiết kế bản đồ, phát sinh các đặc tr−ng bản đồ. 28
22. - Toán học: hình học, lý thuyết đồ thị đ−ợc sử dụng trong thiết kế hệ GIS và phân tích dữ liệu không gian. - Ngành thống kê: đ−ợc sử dụng để phân tích dữ liệu GIS, đặc biệt trong việc hiểu các lỗi hoặc tính không chắc chắn trong dữ liệu GIS. - Quy hoạch đô thị: lĩnh vực luôn liên quan tới bản đồ nh− bản đồ sử dụng đất, bản đồ chuyên đề, bản đồ hạ tầng và các loại bản đồ khác. Với hai loại bản đồ bản đồ hiện trạng và quy hoạch t−ơng lai, sử dụng GIS để phân tích tiến trình phát triển của quy hoạch. Việc sử dụng GIS trong quy hoạch làm cho công việc tiến hành sẽ nhanh hơn, và dễ dàng trong phân tích lịch sử hình thành và phát triển của đô thị và định h−ớng phát triển trong t−ơng lai. - Quy hoạch vùng: Quy hoạch vùng cũng nh− quy hoạch tổng thể liên quan tới một phạm vi lãnh thổ rộng lớn. Bản đồ đóng một vai trò quan trọng và nó giúp cho ng−ời quy hoạch phân tích đ−a ra ph−ơng án. Sử dụng GIS sẽ vô cùng có ích, trong phân tích và thiết kế thể hiện đồ án, vì một trong những khái niệm của GIS là tổ chức các lớp bản đồ. Các lớp bản đồ đó có thể là diện tích phát triển, điều kiện hiện trạng, chất l−ợng sống tại địa ph−ơng, chiều h−ớng tăng tr−ởng số dân, sự sử dụng nguồn nhân lực và tài nguyên vv Còn một vấn đề nữa là sự phong phú về cơ sở dữ liệu, sự phong phú về thông tin, với độ chính xác trong quy hoạch cần tới. - Quy hoạch môi tr−ờng: Với sinh thái học, điều kiện tự nhiên, quan hệ giữa con ng−ời và môi tr−ờng tự nhiên, công nghiệp nhà máy bao quanh tác động tới điều kiện tự nhiên v−ợt khỏi tầm kiểm soát của con ng−ời, sự sử dụng quá mức nguồn tài nguyên, ô nhiễm bầu khí quyển, ô nhiễm nguồn n−ớc, ô nhiễm đại d−ơng, và nhiều vấn đề khác nữa. Việc sử dụng GIS sẽ rất có ích khi phân tích, quản lý, vận dụng, quy hoạch và ngăn chặn sự huỷ hoại môi tr−ờng. - Quản lý tài nguyên: Trong lĩnh vực quản lý tài nguyên, những dữ liệu không gian có các chiều vật lý và vị trí trên mặt đất kết hợp với các yếu tố cảnh quan đ−ợc biểu thị nh− những đối t−ợng trên bản đồ. Quan hệ địa lý giữa những đối t−ợng hình học bản đồ và sự diễn tả nó là chìa khoá sử dụng công nghệ GIS. 1.5. Những ứng dụng của GIS. Hệ thông tin địa lý GIS đang đ−ợc ứng dụng rộng rãi và đem lại hiệu quả rõ rệt vào nhiều lĩnh vực. Để hiểu rõ hơn về GIS, sẽ có ích khi xem xét một số ứng dụng của GIS: 29
23. - Nông nghiệp: Với hình ảnh thu đ−ợc từ vệ tinh, việc sử dụng đất kết hợp với hình ảnh mô tả El Nino đã đem lại hiệu quả trong nông nghiệp của Brazil. GPS (Global Positioning System) Hệ thống định vị toàn cầu đang đ−ợc áp dụng theo thời gian thực. Thiết bị nhỏ, nhẹ, kèm theo phần mềm GPS đ−ợc đem áp dụng cho việc rải hoá chất phục vụ nông nghiệp. Châu thổ San Joaquin - California, GIS đ−ợc dùng để mô hình hoá nguồn ô nhiễm. Bản đồ cung cấp hình ảnh vùng đất bị nhiễm mặn, đ−ợc tạo ra nhờ công nghệ GIS. - Địa lý th−ơng mại: Một công ty đã dùng GIS để đánh giá thời gian đi lại của nhân viên tới nơi làm việc để xác định vị trí cơ quan mới thuận tiện cho công việc. Một công ty nhỏ ở Quebec đang bị sức ép cạnh tranh, đã dùng GIS để xác định địa chỉ các cụm khách hàng của mình, sau đó gửi th− tới họ, xúc tiến mối quan hệ, nên đã giữ đ−ợc khách hàng. Một công ty ở San Francisco đã dùng GIS để xác định các vị trí đặt cửa hàng với mục tiêu có nhiều khách hàng, có hiệu quả kinh tế, thuận lợi về giao thông. - Quân sự tình báo: Lực l−ợng không quan Hoa Kỳ đã sử dụng GIS để quản lý, cập nhật và xem xét hàng triệu bảng ghi thời tiết, khí hậu. Lực l−ợng vũ trang Thuỵ Điển đã sử dụng rộng rãi GIS để tạo ra những mô phỏng cho huấn luyện quân sự cũng nh− dân sự. Quân đội Canada đã tuỳ biến phần mềm GIS cho phù hợp với hệ thống chỉ huy của đất n−ớc. - Sinh thái và bảo tồn: Colombia xây dựng cơ sở dữ liệu, để −u tiên dành đất cho v−ờn Quốc gia. Kenya GIS đã phát hiện ra các động vật ở hoang mạc phân tán trong mùa ẩm −ớt và tập trung vào khu vực trũng vào mùa khô. Sự hiểu biết về vùng di c− đã giúp cho việc quản lý nguồn n−ớc, dẫn n−ớc cho đời sống hoang dã và các vật nuôi. GIS đ−ợc áp dụng ở đảo Santa Catalina - California để đánh giá chi phí sinh thái và lợi ích của các con đ−ờng. Đánh giá hai mặt của vấn đề xây dựng đ−ờng: có điều kiện lui tới quản lý hệ sinh thái, nh−ng đồng thời làm chia cắt cảnh quan. 30
24. - Cấp điện và khí đốt: Beirut phân tích dòng năng l−ợng để giảm bớt tổn thất và tăng mức điện áp. GIS mô hình hoá các ph−ơng thức cấp điện khác nhau tìm ra ph−ơng án tối −u. New Mexico đã sử dụng GIS để quản lý xây dựng, vận hành và bảo d−ỡng 2.500 dặm chuyển tải năng l−ợng điện. Mục đích quan trọng hàng đầu là ngăn chặn những việc làm huỷ hoại môi tr−ờng. Hãng Năng l−ợng Đan Mạch đã xây dựng cơ sở dữ liệu về sử dụng năng l−ợng của từng công trình trên lãnh thổ. Thông tin đó đ−ợc dùng cho quy hoạch năng l−ợng và thiết kế hệ thống phân phối năng l−ợng. - Cứu hộ và an toàn công cộng: Năm 1997, phi thuyền Cassini đ−ợc phóng lên thăm dò Sao Thổ, GIS đ−ợc sử dụng để đánh giá các nguy cơ tai nạn có thể xảy ra trên tàu do polutolium gây ra. Cơ quan Khảo sát động đất Quốc gia của Italia xây dựng hệ thống thông tin thống nhất. Hệ thống này tạo ra các bản báo cáo theo thời gian thực và các bản đồ hoạt động địa chấn. - Quản lý môi tr−ờng: Hàn Quốc, phân vùng các v−ờn quốc gia khi phân tích vị trí xây dựng các v−ờn quốc gia đã sử dụng đặc tính tiêu chuẩn về cao độ, độ dốc, điều kiện trạng thái tự nhiên của các vùng, đã phát hiện ra rằng một số công viên đã đ−ợc đặt ở nơi không thích hợp. Một đập chắn n−ớc rộng lớn đ−ợc xây dựng ở Thổ Nhĩ Kỳ, GIS đã đ−ợc sử dụng để đánh giá đầy đủ những ảnh h−ởng của nó tới t−ới tiêu, thuỷ điện, sức khoẻ, khai thác mỏ, giáo dục, du lịch, viễn thông. Bavaria, mô hình cân bằng sinh thái kết hợp với phần mềm GIS cung cấp công cụ cho quản lý môi tr−ờng. Những thông tin đó đ−ợc quảng bá trên mạng internet. - Hệ thống Chính quyềnLiên bang: Chính quyền Thung lũng Tennessee đã xây dựng hệ thông tin đất đai để hỗ trợ quản lý đất đai, tự nhiên, tài nguyên trồng trọt, quy hoạch sử dụng đất và kết hợp với luật và chính sách. Cơ quan Quản lý khí quyển và đại d−ơng Quốc gia Hoa Kỳ đã xây dựng công cụ để tập hợp Metadata nh− toạ độ biên giới, phép chiếu bản đồ, và thông tin thuộc tính. - Nghề rừng: Việc xây dựng và sử dụng những con đ−ờng ở thung lũng trong rừng có thể làm tăng thêm đáng kể những chất lắng đọng. Một 31
25. công ty khai thác rừng đã xây dựng đ−ờng kiểu trầm tích để thiết lập kế hoạch duy tu. Cơ quan Dịch vụ nghề cá và động vật hoang Hoa Kỳ dã đã thiết lập một h−ớng dẫn cho việc quản lý rừng nơi có chim gõ kiến mào đỏ - một loài đang có nguy cơ tuyệt chủng. GIS đã đ−ợc sử dụng để tính toán diện tích vùng sinh tồn của chúng. - Chăm sóc y tế: Chính quyền Canifornia biên tập địa chỉ ng−ời điều trị ngoại trú ở nông thôn và dân tộc ít ng−ời để chăm sóc sức khoẻ. GIS đ−ợc sử dụng để biểu thị những yếu tố địa lý, kinh tế, xã hội, nhân khẩu, và sử dụng những dữ liệu đó để chăm sóc y tế. Những nhà nghiên cứu ở tr−ờng Đại học Tổng hợp sử dụng GIS để phân tích những bệnh đặc biệt, hiếm thấy đã tính tán đ−ợc sự ảnh h−ớng của các yếu tố môi tr−ờng tới căn bệnh. Cororado, tỷ lệ phần trăm trẻ em sơ sinh nhẹ cân v−ợt quá tỷ lệ của toàn quốc. GIS đã đ−ợc dùng để kiểm tra các yếu tố nh− tuổi, chủng tộc, giáo dục, sự phát triển và đ−a vào ch−ơng trình sức khoẻ cộng đồng. - Giáo dục: Một tổ chức giáo dục đã sử dụng GIS để trợ giúp sinh viên phát hiện những vấn đề thuộc về địa lý, nuôi d−ỡng −ớc muốn nghiên, phân tích và thẩm định những nghiên cứu của mình. Tr−ờng đại học đã đ−a GIS vào ch−ơng trình giảng dạy, nhằm giúp sinh viên một "ý thức không gian" bằng cách trình bày cho họ hiểu hành động của cá nhân họ phải hoà đồng với khung cảnh chung của thế giới. - Địa chất và khai thác mỏ: GIS đ−ợc sử dụng ở Tây Virginia để điều khiển mỏ acid, quản lý việc thoát n−ớc m−a. Công ty Dịch vụ mỏ đã sử dụng GIS để tạo cơ sở dữ liệu phục vụ tìm địa điểm chôn lấp chất thải phóng xạ, ch−ơng trình thăm dò mỏ, quản lý sử dụng n−ớc ngầm. - Hải d−ơng, bờ biển, tài nguyên biển: Cơ quan Hải d−ơng Hoa Kỳ đã sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám nhiệt độ biển để nghiên cứu mặt biển và xoáy đại d−ơng. ở Washington, GIS đ−ợc sử dụng để lập bản đồ dòng chảy ven bờ biển, tính toán sự thay đổi các điểm mũi đất và nguy cơ xói bờ biển. - Bất động sản: Một tổ chức xây dựng nhà ở cho các gia đình thu nhập 32
26. thấp đã sử dụng GIS phân tích yêu cầu quy hoạch mặt bằng, đã bảo tồn đ−ợc đa số các cây cối hiện có. Một công ty kinh doanh bất động sản sử dụng GIS để lựa chọn khu đất xây dựng đáp ứng nhu cầu đa dạng của ng−ời sử dụng. Các yếu tố đ−ợc cân nhắc là sự tiếp cận, điểm nhìn, vùng c− trú và quá trình đ−ợc cấp phép. - Viễn thám và không ảnh: Công ty không ảnh kỹ thuật số đã sử dụng không ảnh tham chiếu địa hình, tạo ra dữ liệu không gian thời gian thực. Những hình ảnh này đ−ợc gửi về trạm mặt đất hợp nhất, tái định dạng và triết xuất tự động ra các đối t−ợng địa lý. - Nhà n−ớc, chính quyền địa ph−ơng: ở Qatar, ng−ời ta đ−a camera vào trong đ−ờng ống của mạng l−ới thoát n−ớc để thu đ−ợc những dữ liệu ảnh về tình trạng của đ−ờng ống. Những hình ảnh này đ−ợc kết hợp với các dữ liệu địa lý khác, cho thông tin để vận hành và bảo d−ỡng hệ thống. ở Denver, sân bay quốc gia nằm ở vùng nông thôn. GIS đ−ợc áp dụng để xây dựng viễn cảnh phát triển trong thời gian 5 năm, 10 năm, 15 năm tới. Ukraine, những thay đổi về chính trị kéo theo các làn sóng chuyển đổi sử dụng đất. Sự thiếu những ghi chép chính xác đã cản trở công việc tạo ra các bản đồ trắc địa, vì vậy một hệ thống đăng ký đất mới đã đ−ợc phát triển, dựa trên ảnh vệ tinh có độ phân giải cao và đổi mới các phần mềm ứng dụng. - Viễn thông: Colombia mạng l−ới cáp quang đ−ợc chụp và biểu diễn từng bộ phận của mạng l−ới trên dữ liệu GIS. Indonesia, GIS đ−ợc dùng để quản lý hệ thống radio và điện thoại, bằng ph−ơng pháp nghiên cứu vị trí trạm, nhân khẩu trong vùng, phạm vi c− trú của ng−ời sử dụng và sự bảo d−ỡng thiết bị. Ngành viễn thông sử dụng dữ liệu sử dụng đất, phủ sóng, dự đoán sự suy giảm tín hiệu để phát triển mạng vô tuyến viễn thông. - Giao thông vận tải: Hàn quốc, GIS đ−ợc dùng để điều khiển giao thông nhằm làm giảm bớt l−u l−ợng ở nút cổ chai các đ−ờng cao tốc - Cung cấp n−ớc và bảo vệ nguồn n−ớc: Dân số tăng và sự mở rộng sản xuất nông nghiệp ở Ai cập đặt ra một yêu cầu quản lý nguồn n−ớc. Chính phủ đã xây dựng một hệ thống nhằm quản lý sông Nil, các 33
27. sông ngòi, kênh m−ơng, đ−ờng ống, trạm bơm. Florida, máy điện toán đ−ợc áp dụng tính toán làm giảm sự ngập úng và đảm bảo vệ sinh môi tr−ờng. Khi trận m−a lớn tới, hình ảnh vệ tinh sẽ đ−ợc dùng để đánh giá l−ợng m−a, trợ giúp cho việc vận hành các trạm bơm thoát n−ớc. Canada, những ô nhiễm do giao thông thuỷ đ−ợc mô phỏng những ảnh h−ởng của các nguồn gây ô nhiễm đa dạng d−ới những điều kiện khác nhau. Tóm tắt những ứng dụng của GIS: Những ứng dụng kể trên cho thấy những ứng dụng rất đa dạng của GIS. Nó luôn luôn làm cho ta ngạc nhiên về phạm vi ứng dụng rộng rãi của công nghệ GIS. Đặc tr−ng chung của những ứng dụng kể trên là: - Thông th−ờng, GIS hoà nhập với các ứng dụng khác để trình diễn những phân tích địa lý và khoa học. Điều quan trọng là dữ liệu đ−ợc cấu trúc và l−u giữ theo cách sao cho có thể cung cấp đ−ợc cho ng−ời truy cập. - Dữ liệu mở rộng đ−ợc xây dựng theo cách dễ dàng hoà nhập dữ liệu địa lý với các dữ liệu khác, nh− dữ liệu thời gian thực, hình ảnh, cơ sở dữ liệu hợp thành. - Ngoài khả năng in ấn bản đồ trình diễn những thông tin địa lý truyền thống, còn có bản đồ trên mạng internet sống động, mạnh mẽ, trợ giúp việc ra quyết định. Sự phối hợp nhiều dữ liệu phức tạp, trợ giúp cho sự phân tích và vấn tin. - Sự lựa chọn cấu trúc dữ liệu cần thiết là điều mong muốn của ng−ời sử dụng. Những ứng dụng nêu trên minh hoạ rõ nhiều áp dụng của việc mô hình hoá trái đất nh− bề mặt liên tục, l−ới raster, hay một tập hợp của các đối t−ợng riêng lẻ theo cấu trúc vector. 34
28. Ch−ơng II. Mô hình hoá trái đất. 2.1. Ba ph−ơng pháp mô tả trái đất. Những áp dụng của hệ thông tin địa lý GIS đã đ−ợc trình bày ở ch−ơng I cho ta thấy những mẫu ứng dụng đều nhằm nắm bắt thiên nhiên, xây dựng môi tr−ờng, dự đoán những thay đổi trên thế giới dựa trên thời tiết, những hoạt động của con ng−ời hay những sự kiện địa chất. Trong mỗi ứng dụng chúng ta đều nhận thấy: quyết định đ−ợc xây dựng quan hệ tới sự sử dụng tập hợp dữ liệu tự nhiên, để phục vụ cho kiểu dữ liệu logic. Dữ liệu biểu diễn mô hình: Với GIS, ta có ba ph−ơng pháp cơ bản để tạo dữ liệu mô hình hoá trái đất: - Mô hình vector: Tập hợp các đối t−ợng riêng lẻ (discrete) đ−ợc dịnh dạng kiểu Vector. - Mô hình l−ới (grid): Tập hợp các ô (cells) với dữ liệu kiểu quang phổ hay thuộc tính. - Mô hình các tam giác không đều (TIN): Tập hợp các điểm tam giác (triangulated point) mô hình hoá bề mặt trái đất. Mô hình hoá bằng các dữ liệu vector. Mô hình vector (hình 2.1) biểu diễn các đối t−ơng nh− điểm (point), đ−ờng (line), và đa giác (polygon). Mô hình vector áp dụng tốt nhất cho việc mô tả các đối t−ợng riêng rẽ, đ−ợc xác định hình dạng đ−ờng biên. Những đối t−ợng này có hình dạng vị trí chính xác, thuộc tính, nguồn gốc (metadata), ứng xử (behavious). Hình 2.1. Mô hình Vector Mô hình hoá bằng dữ liệu raster. Dữ liệu raster biểu diễn hình ảnh (hình 2.2), hay dữ liệu liên tục. Mỗi ô hay phần tử ảnh trên raster mang một giá trị đo đạc. ảnh vệ tinh hay không ảnh là nguồn dữ liệu raster thông dụng nhất, ngoài ra dữ liệu raster còn có thể là những ảnh chụp thông th−ờng các đối t−ợng nh− những công trình chẳng hạn. 35
29. Tập hợp dữ liệu raster có khả năng v−ợt trội trong việc l−u trữ và làm việc với loại dữ liệu liên tục, nh− độ cao, mặt n−ớc, nguồn ô nhiễm vùng ảnh h−ởng của tiếng ồn. Hình 2.2. Mô hình raster Mô hình hoá bằng dữ liệu tam giác TIN (triangulated irregular networks - Tins). Mô hình TIN có ích và sử dụng có hiệu quả để biểu diễn một phần bề mặt của trái đất (hình 2.3) TINs hỗ trợ quan sát theo phối cảnh. Có thể phủ lên trên mô hình TIN một hình ảnh để tạo ra hình ảnh thực, biểu diễn khu đất. Mô hình TIN đặc biệt có hiệu quả trong việc mô hình hoá các đ−ờng phân thuỷ, tụ thuỷ, hiển Hình 2.3. Mô hình tam giác thị bề mặt, các đ−ờng chiếu sáng, độ dốc, h−ớng, bãi sông và thể tích. Mô hình TIN có thể mô hình hoá điểm, đ−ờng và đa giác. Ph−ơng pháp tam giác đ−ợc tạo thành từ vô số các điểm có toạ độ x,y,z. Các đ−ờng gián đoạn biểu diễn các con suối, diềm sông suối và vô số các đôi t−ợng dạng tuyến, không thể kể hết. Những mặt biểu diễn đa giác, với cùng một độ cao nh− hồ, đầm hay biên giới. Bản đồ đ−ờng đồng mức có thể tạo ra từ mô hình TIN, sử dụng tuyến nội suy, hay thuật toán làm trơn các đa tuyến. 2.2. Mô hình hoá bề mặt. GIS có thể tạo mô hình bề mặt bằng ba ph−ơng pháp, đó là mặt raster, đ−ờng đồng m−c và mạng l−ới tam giác không đều TIN. Mỗi ph−ơng pháp có điểm mạnh riêng, nh−ng mô hình TIN có khả năng rất mạnh trong việc phân tích, đồng thời mô hình raster cũng là công cụ phân tích rất đ−ợc −a chuộng. 36
30. 2.2.1. Bề mặt raster. Một số dữ liệu trái đất có dạng l−ới ô vuông đều nhau với giá trị độ cạo. Ví dụ nh− kiểu dữ liệu mô hình số độ cao Hình 2.4. Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model - DEM) theo (DEM) tiêu chuẩn của trắc địa Hoa Kỳ (hình 2.4). Tập hợp dữ liêu raster biểu diễn cao độ, đặt ở những khoảng cách đều nhau. Mỗi ô trên raster liên kết với một giá trị độ cao. Từ tập hợp dữ liệu raster độ cao, bất kỳ cao độ điểm nào trên bề mặt, cũng có thể tính toán và có thể tạo ra các đ−ờng đồng mức. Ưu điểm của dữ liệu raster là: - Khái niệm mô hình theo dữ liệu raster đơn giản. Dữ liệu l−u trữ gọn gàng. - Các thuật toán ứng dụng vào mô hình raster rõ ràng. - Dữ liệu độ cao t−ơng đối phong phú và chi phí không cao. Nh−ợc điểm của dữ liệu raster là: - L−ới không linh hoạt không phù hợp với sự biến đổi của địa hình. - Các đối t−ợng dạng tuyến không đ−ợc biểu diễn tốt cho nhiều ứng dụng. 2.2.2. Đ−ờng đồng mức. Đ−ờng đồng mức có thể đ−ợc dùng để biểu diễn các bề mặt. Đ−ờng đồng mức là đ−ờng chạy theo giá trị độ cao nh− nhau. Đ−ờng đồng mức là nguồn dữ liệu thông tin mặt đất, dễ truy cập đối với đa số ng−ời sử dụng bản đồ. Đ−ờng đồng mức dễ hiểu đối với mọi ng−ời. Đ−ờng đồng mức khép kín là một cách biểu hiện trực quan cho ng−ời dùng bản đồ biết đ−ợc độ dốc của vị trí bất kỳ Hình 2.5. Đ−ờng đồng mức trên khu đất. Góc gãy nhọn của đ−ờng đồng mức cho ta biết đó là điểm khởi nguồn của con suối hay mũi đất. Có thể biết đ−ợc thế nằm của khu đất khi xem đ−ờng đồng mức. Tuy có những −u điểm nh− trên, nh−ng đ−ờng đồng mức cũng có những nh−ợc điểm. Đ−ờng đồng mức th−ờng hạn chế việc tạo mô hình hoá bề mặt bằng máy tính. Tập hợp các điểm trên đ−ờng đồng mức không thể tạo ra một cách thuận tiện tập hợp dữ liệu của bề mặt. Khó chuyển đổi dữ liệu từ dạng đ−ờng đồng mức 37
31. sang mô hình raster hay mô hình TINs. Sự chuyển đổi thành đ−ờng đồng mức luôn là ph−ơng sách cuối cùng để xây dựng mô hình bề mặt. 2.2.3. Mạng l−ới tam giác không đều TIN. Mạng l−ới tam giác không đều (TIN) là có hiệu quả và chính xác để mô hình hoá bề mặt liên tục. 1' Tập hợp các điểm có toạ độ x,y,z thông qua thiết bị photogrammetric, tập hợp dữ liệu GPS, hoặc bằng những ph−ơng tiện khác. Các đ−ờng đứt nét thể hiện sự thay đổi của mặt, còn phạm vi không nối các tam giác thể hiện các đối t−ợng nh− hồ Hình 2.6. Mô hình TIN đ−ợc xây n−ớc. dựng theo cách này 2' Từ tập hợp các điểm, phần mềm GIS tạo ra mạng l−ới tối −u các tam giác, các tam giác này mang tên "Tam giác Delaunay". Trong mô hình TIN các tam giác đ−ợc tạo ra sao cho càng gần gũi với tam giác đều càng nhiều càng tốt. 3' Mỗi một tam giác tạo ra một mặt phẳng dốc nghiêng. Từ mô hình TIN, có thể tính toán đ−ợc cao độ cho bất kỳ một điểm nào, tr−ớc hết dựa vào toạ độ X, Y sau đó nội suy ra cao độ Hình 2.7. Tam giác có toạ độ đỉnh Z. 3D trong mô hình TIN Mô hình TIN ứng dụng có hiệu quả vì mật độ điểm ở khu vực trên bề mặt tỷ lệ với sự biến đổi của mặt đất. Khu vực đồng ruộng phẳng thì sẽ có mật độ điểm thấp hơn, còn khu vực núi đòi hỏi phải có mật độ điểm cao hơn, đặc biệt ở nơi bề mặt thay đổi đột ngột. 2.2.3.1. Các bộ phận của mô hình TIN: Mô hình TIN có thể biểu diễn các điểm, các đ−ờng, các đa giác. Mỗi điểm trong một khối các điểm đều mang theo cặp toạ độ 3 giá trị X,Y,Z. Những điểm này đ−ợc tập hợp bởi các thiết bị photogrammetric, công nghệ viễn Hình 2.8. Mô hình TIN với các thám, hoặc chuyển đổi dữ liệu khác sang. đỉnh, đ−ờng gẫy, lỗ thủng 38
32. Những đ−ờng gián đoạn biểu thị bề mặt thay đổi đột ngột, không liên tục. Ví dụ, những tr−ờng hợp dùng đ−ờng nét đứt để mô tả con suối, đ−ờng phân thuỷ, mép của công trình xây dựng, hoặc những vùng đã có sự thay đổi bể mặt đào đắp bằng máy móc. Vùng bị loại trừ (lỗ thủng) biểu thị khu vực có độ cao bằng nhau, thông th−ờng nhất là các hồ ao. Phần phía trong của biên công trình cũng không đ−ợc đ−a vào, điều này quan trọng khi ta tính khối l−ợng công tác đất. 2.2.3.2. Biểu diễn bề mặt bằng mô hình TIN: Có một vài ph−ơng pháp để hiển thị bề mặt đ−ợc biểu diễn bằng mô hình TIN. Có thể vẽ mô hình TIN trên bản đồ phẳng (không gian 2 chiều) với màu sắc để biểu diễn độ cao, độ dốc và các diện mạo bề mặt. Với phần mềm nh− Arcinfo có thể biểu diễn phối cảnh của một bề mặt với hình phủ, đ−ờng đồng mức, l−ới hay những đối t−ợng khác nữa. 2.2.3.3. Phân tích bằng mô hình TIN: Với mô hình TIN ta có thể có thể thực hiện đ−ợc nhiều công việc phân tích bề mặt. Một số phân tích nh−: - Tính toán cao độ, độ dốc, diện mạo (h−ớng dốc) cho bất kỳ điểm nào trên bề mặt. - Phát sinh đ−ờng đồng mức bằng các đ−ờng gẫy khúc, hoặc đ−ờng trơn nội suy tam giác đạc. - Xác định mức độ, phạm vi, cao độ của bề mặt. - Tổng hợp thống kê cho bề mặt nh− thể tích đất theo một mặt phẳng, độ dốc trung bình, diện tích, chu vi khu đất. - Tạo mặt cắt dọc biểu thị dọc theo một tuyến trên bề mặt. - Thực hiện việc tính toán thể tích đất cho công trình đ−ờng, để có thể tính toán cân bằng khối l−ợng đào đất ở khu này đắp vào khu kia. - Phân tích diện tích của bề mặt nhìn thấy từ một điểm. 2.3. Mô hình hoá bằng hình ảnh hay dữ liệu tiêu biểu. Dữ liệu ảnh đ−ợc thu thập từ ảnh vệ tinh, hoặc không ảnh. ảnh vệ tinh là ph−ơng pháp thu thập dữ liệu một vùng rộng lớn với giá thành ít tốn kém nhất, vì vậy nó là một bộ phận quan trọng trong nhiều hệ thông tin địa lý. Tập hợp dữ liệu Raster. 39
33. Dữ liệu raster có thể đ−ợc dùng để lót ở d−ới cùng của bản đồ, để làm nguồn cho việc chchuyển đổi dữ liệu, tạo mô hình l−ới bề mặt, hoặc mô hình hoá tạo hàm xấp xỉ cho những điểm phân tán. Phần mềm GIS có thể nhanh chóng phủ chồng tập hợp dữ liệu raster. Tập hợp dữ liệu raster l−u giữ ma trận các ô (cell) với giá trị tiêu biểu cho mỗi cell (hình 2.9). Mỗi cell có cùng chiều rộng và chiều cao. Toạ độ địa lý ở góc phía bên trái trên cùng của l−ới, cùng với kích th−ớc của cell và số hàng số cột của l−ới, xác định duy nhất Hình 2.9. Mô hình l−ới với các cell không gian trải ra của tập hợp dữ liệu mang thuộc tính raster. Các giá trị của tập hợp dữ liệu raster có thể là số nguyên (integer) hay số có phần lẻ (floating number). Một vài kiểu của giá trịcủa các cell raster có thể nh− sau: - ánh sáng t−ơng phản đậm nhạt trong ảnh. - ánh sáng có c−ờng độ ở một vùng riêng của quang phổ trong ảnh vệ tinh. - Thuộc tính nh− sử dụng đất hay kiểu đối t−ợng, nh− nhà hay đ−ờng phố. - Giá trị Z, nh− cao độ hoặc sự tập trung. Bảng giá trị thuộc tính (a value attribute table - VAT) có thể tuỳ chọn liên kết với tập hợp dữ liệu raster. Bảng thuộc tính l−u giữ giá trị phân loại. Có thể thêm vào bảng nhiều cột. Tập dữ liệu raster có một hay một vài băng (band) dữ liệu (hình 2.10). Mỗi band trong Hình 2.10. Cácbăng (band) của tập tập dữ liệu raster có một l−ới phủ xác định, dữ liệu raster nh−ng biểu thị những giá trị thuộc tính khác nhau. Thông th−ờng, dùng nhiều band dữ liệu trong tr−ờng hợp biểu diễn dữ liệu đa quang phổ, thu đ−ợc qua ảnh vệ tinh. Tập dữ liệu raster nh− là thuộc tính đối t−ợng. Không phải tất cả các tập dữ liệu thuộc tính đều có tham chiếu địa lý. Một hình ảnh có thể đ−ợc dùng nh− một thuộc tính cho đối t−ợng. 40
34. Nếu ta xây dựng một GIS về mua bán nhà, ta có thể muốn đ−a lên mạng internet hình ảnh phối cảnh của ngôi nhà nhìn từ một điểm nhìn nào đó và đ−a ra bản đồ với biểu t−ợng cho mỗi mỗi ngôi nhà cần bán. Ng−ời mua có thể nhấp chuột vào biểu t−ợng để xem hình ảnh đầy đủ của ngôi nhà, các yếu tố khác của nhà, giá cả của ngôi nhà. Hình 2.11. Hình ảnh của ngôi nhà cần bán Những ví dụ khác cho việc dùng hình ảnh nh− thuộc tính đối t−ợng là: - Tài liệu đ−ợc đ−ợc quét bằng máy scanner nh− giấy phép hay những văn bản chứng từ. - Các forms tr−ờng dữ liệu liên kết với vị trí địa lý. - Các phác hoạ thiết kế, sơ đồ, mặt bằng nhà sơ phác vv Biểu diễn điểm, đ−ờng và đa giác. Một điểm trong tập dữ liệu raster có thể đ−ợc biểu diễn bằng 1 cell hay một vài cell liên tục nằm cạnh nhau. Đ−ờng có thể đ−ợc biểu thị bằng một loạt các cells có bề rộng là 1 hoặc một vài cells. Đa giác có thể đ−ợc mô tả bằng Hình 2.12. Điểm, đ−ờng, đa một mảng các cells. Mặc dù ta có thể nhìn thấy giác phân biệt đ−ợc điểm, đ−ờng, đa giác theo dạng dữ liệu raster, nh−ng tốt hơn nếu ta chuyển đổi từ dạng raster sang dạng vector nếu ta muốn t−ơng tác tới đối t−ợng. Chuyển đổi tập dữ liệu raster. Hình 2.13. Chuyển đổi dữ liệu ảnh thành các đối t−ợng Tập dữ liệu raster có chể đ−ợc tạo ra một cách dễ dàng, song các đối t−ợng cần mô tả, nhiều khi sẽ có lợi hơn khi dữ liệu raster chuyển đổi sang dạng dữ liệu khác, dạng vector. Ví dụ nh− chuyển đổi ảnh của các công trình thành các tập dữ liệu đối t−ợng là các ngôi nhà d−ới dạng các đa giác (hình 2.13). Độ phân giải 41
35. của các ảnh trong tập dữ liệu raster ảnh h−ởng lớn tới độ chính xác của dữ liệu chuyển đổi dạng vector. Phép phân tích raster. Phần mềm GIS cho tập dữ liệu raster là những công cụ thao tác mạnh mẽ. Sau đây là một số công việc triển khai: • Chuyển đổi không gian: Tập dữ liệu raster có thể chuyển chỗ, uốn cong, kéo trẹo cho vừa khít vớivị trí không gian chính xác. Nó còn có thể Hình 2.14. Chuyển đổi không gian chiếu lên hệ toạ độ. Kéo hình ảnh raster dãn nh− một tấm cao su (ruber sheeting) cho vừa với khu vực đ−ợc vector xác định. Biến đổi đa giác áp dụng ph−ơng trình chung cho khít với l−ới Hình 2.15. Sử dụng đất vector đ−ợc xác định bởi ng−ời sử dụng. • Trùng khớp không gian: Mô hình hoá đặc tính của khu đất, nh− là đấnh giá sự phù Hình 2.16. Tối −u hoá vị trí xây dựng đ−ờng hợp một kiểu phát triển nào đó cho khu đất nh− tối −u hoá vị trí của con đ−ờng mới, hoặc −ớc toán giá thành sử dụng đất, hoặc tính toán khối l−ợng công tác đất. • Quan hệ không gian: Mô hình hoá khoảng Hình 2.17. Quan hệ không gian cách tới điểm đặc biệt đ−ợc lựa chọn. Khoảng cách này đ−ợc đo đạc theo đ−ờng thẳng trong hình học O-cơlit, hoặc thời gian hành trình. • Phân tích bề mặt: Tìm kiếm những đặc tr−ng của bề mặt, nh− độ cao, tiếng ồn, hay sự tập Hình 2.18. Phân tích bề mặt trung ô nhiễm. Có thể tính toán độ dốc và h−ớng dốc củabề mặt hoặc xác định mức độ tiếng ồn ở vùng lân cận sân bay. 42
36. • Sự phát tán: Mô hình hoá sự di chuyển của một số nhân tố đặc biệt nh− sự lan rộng của lửa hay dự đoán sự lan rộng của dầu tràn. H ình 2.19. Sự phát tán • Chi phí nhỏ nhất: Có thể tính toán đ−ợc đ−ờng đi ngắn nhất dựa theo một tiêu chí định tr−ớc. 2.4. Mô hình hoá các đối t−ợng riêng rẽ. Các đối t−ợng địa lý nằm trên hoặc bên cạnh bề mặt trái đất. Các đối t−ợng địa lý riêng rẽ th−ờng thấy trong tự nhiên nh− sông ngòi, thực vật, trong xấy dựng nh− con đ−ờng, đ−ờng ống, công trình nhà cửa, còn có thể là sự phân chia đất đai nh− quốc gia, thửa đất, phân chia hành chính chính trị. Bản đồ mô hình hoá các đối t−ợng địa lý bằng điểm, đ−ờng, đa giác. - Điểm biểu diễn các đối t−ợng quá nhỏ không thể mô tả bằng đ−ờng hay một diện tích. - Đ−ờng biểu diễn các đối t−ợng địa lý quá hẹp không thể mô tả bằng một diện tích đ−ợc - Đa giác biểu diễn các đối t−ợng địa lý liên tục khá lớn. Một cặp toạ độ X,Y hệ toạ độ Decac tham chiếu tới vị trí trên thế giới. 2.4.1. Tập dữ liệu đối t−ợng. Trong tập hợp dữ liệu đối t−ợng, mỗi vị tí đ−ợc ghi với toạ độ X,Y. Điểm đ−ợc ghi với một cặp toạ độ X, Y. Đ−ờng đ−ợc ghi bằng một loạt điểm Hình 2.20. Toạ độ của điểm, đ−ờng, đa theo thứ tự. Đa giác đ−ợc ghi bằng giác một loạt các toạ độ X,Y dọc theo đ−ờng bao đóng kín khu vực. • Những đối t−ợng điểm: Điểm biểu diễn các đối t−ợng địa lý không có diện tích, không có chiều dài, hoặc những đối t−ợng quá nhỏ khi đ−ợc thể hiện trên bản đồ có tỷ lệ t−ơng ứng. 43
37. • Những đối t−ợng đ−ờng: Đ−ờng biểu diễn những đối t−ợng có chiều dài nh−ng không có diện tích, hoặc những đối t−ợng quá hẹp khi đ−ợng thể hiện trên tỷ lệ bản đồ t−ơng Hình 2.21. Các đối t−ợng điểm ứng. • Những đối t−ợng đa giác: Đa giác dùng để biểu diễn những diện tích nh− quốc gia, vùng đất dân số, khu đất để bán, thổ Hình 2.22. Các đối t−ợng đ−ờng nh−ỡng, thửa đất, vùng sử dụng đất. Những đa giác cận kề một diện tích chỉ rõ đặc tính sử dụng của khu đất bao quanh. • Bản đồ chuyển tải các thông tin tới ng−ời sử dụng. Hình 2.23. Các đối t−ợng đa giác Bản đồ chứa đựng những thông tin về các đối t−ợng địa lý bằng cách sử dụng các biểu t−ợng và nhãn. Sau đây là một số cách thông th−ờng bản đồ biểu thị những thông tin thuộc tính của các đối t−ợng địa lý: - Đ−ờng đ−ợc vẽ với nhiều nét to nhỏ, kiểu nét, màu sắc khác nhau để biểu diễn những cấp đ−ờng hoặc đặc tính khác nhau của đ−ờng. - Suối và các mặt n−ớc th−ờng đ−ợc vẽ bằng màu xanh n−ớc biển để chỉ thị đó là n−ớc. - Những biểu t−ợng đặc biệt mô tả các đối t−ợng nh− đ−ờng sắt sân bay. - Các đ−ờng phố đ−ợc làm nhãn với tên đ−ờng. - Những công trình xây dựng đ−ợc làm nhãn với tên và chức năng của công trình. 2.4.2. Đối t−ợng, mạng, và hình học. Các đối t−ợng có thể có ba vai trò cơ bản trong mối quan hệ với nhau đó là đối t−ợng đơn giản, đối t−ợng trong mạng, các đối t−ợng có quan hệ hình học với nhau. • Những đối t−ợng đơn giản. 44
38. Những đối t−ợng đơn giản là những đối t−ợng không cần xác định mối quan hệ với các đối t−ợng khác hoặc có quan hệ hình học với đối t−ợng kề bên. Hình 2.24. Các đối t−ợng đơn giản • Những đối t−ợng mạng. Các đối t−ợng có thể đ−ợc nối với nhau trong một mạng. Một mạng bao gồm có cạnh các cạnh Hình 2.25. Các đối t−ợng mạng đ−ợc bắt đầu và kết thúc bởi các điểm. Một điểm có thể đ−ợc nối với nhiều cạnh. Tập hợp của các cạnh và điểm đ−ợc gọi là mạng hình học. • Chia sẻ cạnh trong quan hệ hình học. Hình 2.26. Quan hệ hình học của các đối Các đối yếu tố hình học của cácc đối t−ợng t−ợng có thể sửa chữa đ−ợc. Với các phần mềm nh− Armap editor, có thể xác định rõ tập hợp đối t−ợng và tạo ra các đối t−ợng hình học 2 chiều (phẳng). Đó là tập các đối t−ợng cơ bản: nút, cạnh và mặt. Khi ta sửa chữa (edit) một nút nối tiếp giữa các nút nh− băng cao su dãn ra hoặc co lại. Khi ta edit một cạnh, ta thay đổi hình dạng của hai nặt cùng một lúc. 2.4.3. Các đối t−ợng và bản đồ. Các hình mẫu (feature) là các đối t−ợng trên bản đồ. Bản đồ có tỷ lệ nên ta có thể xác định đ−ợc kích th−ớc của các đối t−ợng: Hình 2.27. Công trình trên bản đồ điểm, đ−ờng, đa giác. Các công trình có thể đ−ợc vẽ nh− các đa giác trong tr−ờng hợp tỷ lệ lớn, hay chỉ là các điểm khi tỷ lệ nhỏ (hình 2.27). Chỗ đứng của các cây trên bản đồ có thể thể hiện riên từng cây một khi tỷ lệ bản đồ lớn, Hình 2.28. Cây trên bản đồ hay một polygon cho cả một vùng có trồng cây dày đặc khi tỷ lệ nhỏ(hình 2.28) 45
39. Một hệ thống suối có thể đ−ợc vẽ theo dạng rất nhiều điểm và các nhánh suối nhỏ khi bản đồ tỷ lệ lớn, hay đ−ợc vẽ là một đ−ờng và bỏ bớt đi các nhánh suối nhỏ (hình 2.29). Hình 2.29. Thể hiện suối trên bản đồ Nếu ta thay đổi kích th−ớc của đối t−ợng ở những tỷ lệ khác nhau, cần phải thiết lập cơ sở dữ liệu liên quan tới các lớp đối t−ợng khác nhau. Trong tr−ờng hợp đó, những cây đ−ợc liên kết với vị trí của khu rừng. Khi ta vẽ bản đồ, tỷ lệ xác định tập Hình 2.30. Cơ sở dữ liệu liên quan. hợp đối t−ợng đ−ợc vẽ 2.5. So sánh 3 ph−ơng pháp biểu diễn không gian. Tóm tắt lại, có 3 ph−ơng pháp cơ bản để biểu diễn không gian: vector, raster, tam giác. Mỗi ph−ơng pháp biểu diễn thích hợp với một lớp đặc tính của sự phân tích địa lý và kết xuất bản đồ. Những dữ liệu không gian này không phải là đ−ợc sử dụng đơn lẻ, cơ sở dữ liệu địa lý của bạn có thể bao gồm tất cả 3 loại dữ liệu cho việc sử dụng bản đồ một cách có hiệu quả. Một bản đồ có thể sử dụng một hay tất cả ba loại dữ liệu không gian để biểu thị. Thông th−ờng, dữ liệu raster là lớp đ−ợc lót xuống d−ới làm nền cho dữ liệu vector. Lớp dữ liệu raster cho ta hình ảnh thực trong phạm vi của lớp dữ liệu vector, trên đó ta có thể hoàn thiện những công việc kỹ thuật hay phân tích. Dữ liệu tam giác đôi khi cũng đ−ợc dùng nh− một lớp nền cho lớp dữ liệu vector cho ta thấy hình ảnh diện mạo của bề mặt trái đất. 46
40. So sánh 3 ph−ơng pháp biểu diễn không gian. Dữ liệu vector Dữ liệu Raster Dữ liệu tam giác TIN Hình 2 trang 58 Hình 3 trang 58 Modeling our World Modeling our World Dữ liệu vector nhằm mô hình Dữ liệu raster nhằm mô hình Tam giác TIN có hiệu quả Mục hoá các đối t−ợng địa lý riêng hoá các yếu tố địa lý liên tục khi biểu diễn bề mặt, có tiêu rẽ có hình dạng chính xác và và các hình ảnh trên mặt đất. thể biểu thị độ cao và ứng có biên giới. những tính chất khác nữa dụng ví dụ nh− sự tập trung. Chyển đổi từ không ảnh Chụp ảnh từ vệ tinh và từ Biên dịch từ dữ liệu không Tập hợp từ dữ liệu GPS. máy bay. ảnh. Số hoá từ bản đồ vẽ tay. Chuyển đổi từ dữ liệu TIN. Thu thập từ dữ liệu GPS. Vẽ trên bản đồ raster. Raster hoá từ dữ liệu vector Nhập các điểm với độ cao. Nguồn Vector hoá từ dữ liệu raster. Scan (quét ảnh) bản vẽ, từ Chuyển đổi từ đ−ờng đồng dữ liệu Vẽ đ−ờng đồng mức từ bản vẽ ảnh chụp. mức của dữ liệu vector. TIN. Biến đổi từ dữ liệu trắc địa. Nhập từ bản vẽ CAD Điểm đ−ợc l−u giữ với toạ độ Từ gốc toạ độ ở góc trái d−ới Mỗi nút của mạng TIN có L−u X,Y. Đ−ờng đ−ợc l−u nh− cùng của raster theo chiều giá trị toạ độ X,Y. giữ tuyến nối tiếp các điểm có toạ rộng và chiều cao, các điểm không độ X,Y. Đa giác đ−ợc l−u nh− ảnh (cell) đ−ợc xác định gian một đ−ờng khép kín. theo cị trí hàng và cột. Điểm biểu diễn các đối t−ợng Đối t−ợng điểm đ−ợc biểu Các giá trị Z của các điểm Mô tả nhỏ. Đ−ờng biểu diễn các đối diễn bằng một cell. Đ−ờng xác định hình dạng của đối t−ợng có chiều dài nh−ng bề đ−ợc biểu diễn bằng một mặt. Các đ−ờng gián đoạn t−ợng rộng hẹp. Đa giác biểu diễn loạt các điểm kề liền có biểu thị sự thay đổi trên bề các đối t−ợng trải rộng. cùng giá trị. Đa giác biểu thị mặt ví dự nh− suối, vv bằng một vùng các cell có cùng giá trị. Đ−ờng l−u giữ vệt liên kết các Những cell bên cạnh nhanh Mỗi tam giác đ−ợc liên kểt Liên nút. Đa giác l−u gữ các đa giác chóng đ−ợc định vị bằng với những tam giác khác kết hai bên của đ−ờng. l−ợng tăng giảm giá trị hàng bên cạnh nó. topo và cột. Che phủ bản đồ hình học Sự trùng hợp không gian. Độ cao, độ dốc, h−ớng. (topological map overlay). Sự cận kề. Đ−ờng đồng mức lấy ra từ Phân Vùng đệm (buuffer) và sự cận Phân tích bề mặt. bề mặt. tích kề. Sự phát tán. Mặt cắt dọc theo đ−ờng địa lý Đa giác mờ chồng và che phủ. đ−ờng đi ngắn nhất. Phân tích hiển thị những Vấn tin không gian và logic. yếu tố không nhìn thấy Địa chỉ mã hoá địa lý. đ−ợc. Phân tích mạng. Dữ liệu vector là cách tốt nhất Dữ liệu raster là tốt nhất khi Dữ liệu tam giác TIN là tốt Kết để vẽ hình dạng chính xác các thể hiện hình ảnh và các đối nhất cho việc biểu thị xuất đối t−ợng địa lý. Nh−ng không t−ợng với thuộc tính biến đổi phong phú bề mặt. Có thể bản đồ thích hợp khi thể hiện các yếu dần dần. Nó th−ờng không dùng màu sắc để biểu thị tố liên tục hay các đối t−ợng thích hợp với việc vẽ các đối cao độ, độ dốc, h−ớng, có biên giới không rõ ràng. t−ợng điểm và đ−ờng. phối cảnh 3 chiều. 47
41. 2.5.1. Lựa chọn dữ liệu biểu diễn không gian. Có nhiều tiêu chí để lựa chọn ph−ơng pháp biểu diễn không gian. Thông th−ờng sự lựa chọn là rõ ràng xuất phát từ dữ liệu có thể đ−ợc cung cấp và nhiệm vụ phân tích cần phải thực hiện. Nh−ng đôi khi nó lại không rõ ràng là loại dữ liệu nào cho ta biểu diễn tốt nhất. Bề mặt là một ví dụ rõ nhất: Có 2 ph−ơng pháp mạnh để biểu diễn bề mặt đó là dữ liệu raster và và dữ liệu TIN. Sự lựa chọn đòi hỏi nhiều công việc. D−ới đây là một vài vấn đề quan tâm khi lựa chọn dữ liệu biểu diễn. • Mục tiêu là đối t−ợng hay vị trí? Nếu ta mô hình hoá đối t−ợng riêng biệt với thuộc tính và quan hệ, dữ liệu vector biểu diễn tốt hơn cả. Nếu ta mô hình hoá đối t−ợng liên tục hay một hiện t−ợng, mô tả một đăc điểm bàng thuộc tính tại một vị trí, ta nên chọn lựa giữa raster và tam giác. Dữ liệu raster mô hình hoá một diện tích với dữ liệu thuộc tính đồng nhất bằng l−ới đều. Dữ liệu tam giác mô hình hoá diện tích với các điển và giá trị khác nhau với mật độ thay đổi. • Dữ liệu nào là có sẵn đ−ợc cung cấp dễ dàng? Đa số các tr−ờng hợp sự ảnh h−ởng đến sự lựa chọn dữ liệu biểu diễn là dữ liệu nào đã đ−ợc cung cấp. B−ớc đầu tiên của việc thiết kế GIS là ta phải khảo sát toàn bộ dữ liệu địa lý đã đ−ợc cung cấp. Khi tìm thấy dữ liệu phù hợp nhất, ta sẽ nhận định xem dữ liệu có thoả mãn hay cần tạo ra dữ liệu mới bằng các ph−ơng tiện nh− ảnh hàng không, dữ liệu thu thập GPS, hay số hoá bản đồ. Đôi khi ta phải lựa chọn chuyển đổi dữ liệu hiện có thành dạng khác. Ví dụ: nguồn dữ liệu tốt nhất cho việc nghiên cứu chuyển tải điện có thể quét ảnh bản đồ theo dạng raster. Để hoàn thiện sự phân tích cung cấp điện cũng nh− nghiên cứu môi tr−ờng, ta cần phải chuyển đổi dữ liệu raster sang dữ liệu vector. Ta phải cân nhắc chi phí và chất l−ợng đầu ra của sự chuyển đổi raster-to-vector, bằng những ph−ơng tiện khác thu thập dữ liệu. • Độ chính xác về vị trí của đối t−ợng đòi hỏi ra sao? Nếu cần xác định vị trí của đối t−ợng với độ chính xác cao, ta nên chọn dữ liệu vector để biểu diễn. Sự nhận biết và lựa chọn đối t−ợng sẽ dễ dàng khi ta sử dụng dữ liệu vector, toạ độ của đối t−ợng sẽ đ−ợc l−u giữ. Xác định vị trí của đối t−ợng ở dữ liệu raster có hạn chế bởi kích th−ớc của mỗi cell. Dữ liệu tam giác, chỉ có vị trí của điểm và đ−ờng gián đoạn là xác định đ−ợc 48
42. chính xác. Vị trí của đối t−ợng trong dữ liệu raster và tam giác nói chung là không rõ ràng. • Loại của đối t−ợng đòi hỏi mô hình hoá? Nếu ta mô hình hoá những đối t−ợng rộng với giá trị thay đổi theo thời gian, hoặc đối t−ợng đó có biên giới không rõ ràng, dữ liệu raster biểu diễn th−ờng là tốt nhất. Ví dụ nh− ta mô hình hoá cháy rừng theo thời gian, hoặc sự phát tán ô nhiễm trong n−ớc ngầm. Nếu ta mô hình hoá các đối t−ợng có đặc tính hình dạng của mặt trái đất nh− đỉnh núi, sống của dãy núi, con suối dữ liệu tam giác biểu diễn tốt nhất. Một số đối t−ợng tự nhiên đ−ợc biểu diễn tốt nhất bằng dữ liệu vector. Ví dụ nh− biểu diễn hệ thống sông ngòi. Nếu ta biểu diễn những dòng sông là lớp nền bản đồ, hoặc biểu diễn dòng giao thông của các con tàu trên sông nh− là một phần của sự phân tích giao thông thuỷ, ta nên chọn dữ liệu vector để thực hiện mục đích này. Nếu ta mô hình hoá những đối t−ợng nhân tạo trên mặt đất, dữ liệu vector th−ờng biểu diễn tốt hơn cả. Những công trình nhân tạo có hình dạng xác định rõ ràng bằng các đ−ờng thẳng hoặc đ−ờng cong, đồng thời công trình nhân tạo th−ờng đ−ợc xác định vị trí bằng trắc địa với độ cao chính xác. • Loại hình học liên kết đòi hỏi phải có? Một số đối t−ợng không có dạng hình học nhất định và đ−ợc đặt một cách tự do trên một vùng địa lý. Ví dụ, một diện tích xác định nới c− trú của một loài động vật hoang dã không xác định, chồng lên vùng c− trú của loài động vật khác và nó không có mối quan hệ hình học với các đối t−ợng khác. Cũng nh− trên, nhiều đối t−ợng nguyên thuỷ đ−ợc l−u giữ trong GIS phục vụ cho mục đích làm lớp nền trên bản đồ, nó th−ờng không cần l−u giữ định dạng hình học. Nếu một con đ−ờng đ−ợc sử dụng làm lớp nền trong GIS nó chỉ là một đối t−ợng đơn giản. Nếu con đ−ờng là tuyến cho sự phân tích hệ thống giao thông, nó cần là một đối t−ợng hình học xác định. Một GIS có thể có mạng (networks) và hình học (topologies), nó thu đ−ợc thông qua dữ liệu vector. Mạng biểu diễn mạng l−ới đ−ờng, sông, những dịch vụ công cộng. Hình học biểu diễn những tập hợp của diện tích ở đó mỗi điểm trên một diện tích đ−ợc bao phủ một cách chính xác bằng một đa giác. • Loại phân tích đòi hỏi tiến hành? 49
43. Nếu ta phân tích một bề mặt, dữ liệu tam giác hỗ trợ phạm vi rộng lớn những nhiệm vụ đòi hỏi. Tuy vậy, dữ liệu raster cũng biểu diễn một số nhiệm vụ mô hình hoá bề mặt. Dữ liệu tam giác hỗ trợ việc tính toán khối l−ợng công tác đất giữa 2 diện tích đào và đắp đất, cho biết khu vực nhìn thấy đ−ợc từ một điểm trên bề mặt, xác định cao độ, độ dốc, h−ớng dốc tại bất kỳ điểm nào trên bề mặt, tạo ra mặt cắt dọc địa hình theo một tuyến xác định đ−ợc sử dụng trong thiết kế đ−ờng. Nếu phân tích sự phát tán của một đối t−ợng theo thời gian nh− khói bụi ô nhiễm ta nên chọn dữ liệu raster. Dữ liệu raster còn hỗ trợ xác định khoảng cạn kề của đối t−ợng, đ−ờng đi ngắn nhất. Sự che phủ nhanh của dữ liệu raster phù hợp với sự phân tích. Nếu nh− cần xác định vị trí tối −u để dặt cơ sở dịch vụ, cửa hàng, nghiên cứu dòng chảy trên mạng l−ới, điều hành sổ sách địa bạ, liên quan tới địa chỉ b−u điện trên bản đồ, hoặc vấn tin trên bản đồ, bạn nên chọn dữ liệu vector. Dữ liệu vector cho phép phân tích những yếu tố dựa trên quan hệ không gian của các đối t−ợng nh− là sự lân cận, kế tiếp, và những quan hệ hình học nh− ng−ợc dòng, nối tiếp. • Dạng bản đồ nào cần in ra? Dạng và chất l−ợng biểu diễn của bản đồ cần phải xuất là yếu tố xác định loại dữ liệu nào cần thiết cho công việc. Dữ liệu raster và dữ liệu tam giác tạo ra các bản đồ có những vùng có những dữ liệu thuộc tính khác nhau. Dữ liệu vector tạo ra các bản đồ có những đối t−ợng chi tiết chính xác. Bản đồ sẽ gợi ý cho ta sử dụng đối t−ợng điểm, đ−ờng, hay đa giác để thể hiện đối t−ợng đ−ợc thực hiện bởi dữ liệu raster là tốt nhất. Ví dụ nh−, tỷ lệ bản đồ sẽ gợi ý cho ta thể hiện công trình bằng điểm hay đa giác, con sông đ−ợc thể hiện bằng đ−ờng hay đa giác. 2.5.2. Kết luận. Có 3 dạng dữ liệu raster, vector, tam giác, dùng để mô hình hoá trái đất. Trong 3 dạng dữ liệu trên, dữ liệu dạng raster và vector là dạng chủ yếu, tất cả các phần mềm GIS đều sử dụng để thực hiện công việc mô hình hoá. Phần mềm Arinfo cho ta khả năng mạnh mẽ để thực hiện các công việc của mình, tuy nhiên sự sử dụng sẽ phức tạp hơn, nó thích hợp cho một cơ sở dữ liệu lớn với số ng−ời dùng (user) đông đảo. Arcinfo sử dụng cả 3 loại dữ liệu raster, vector, tam giác để mô hình hoá trái đất. 50
44. Phần mềm Mapinfo gọn nhẹ hơn sử dụng t−ơng đối đơn giản và thông dụng, nó thích hợp với cơ sở dữ liệu nhỏ gọn. Mapinfo sử dụng hai loại dữ liệu là raster và vector. Để nhanh chóng tiếp cận GIS vào công việc, giáo trình này sẽ dùng phần mềm mapinfo để thực hiện các ví dụ. Để thuận lợi cho việc ứng dụng, chúng ta cũng nên bắt đầu công việc của mình với mapinfo. Chúng ta sẽ nhanh chóng nắm đ−ợc những nội dung cơ bản của GIS và vận dụng ngay đ−ợc vào công việc của mình. 51
45. iCh−ơng III. cấu trúc dữ liệu thông tin địa lý. Dữ liệu địa lý gồm có dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính. Mỗi phần mềm GIS có cách tổ chức xắp xếp dữ liệu riêng của mình. Khi sử dụng phần mềm nào để thực hiện công việc, ta phải tìm hiểu cách tổ chức dữ liệu do phần mềm đó tạo ra trong máy tính nh− thế nào để tiện sử dụng. Cuốn sách này trình bày vấn đề chung nhất trong việc tổ chức dữ liệu thông tin địa lý và sau đó điểm qua cách tổ chức của ArcInfo và MapInfo. 3.1. Cấu trúc chung của cơ sở dữ liệu thông tin địa lý. 3.1.1. Các kiểu cơ sở dữ liệu kinh điển. Cơ sở dữ liệu có thể xem nh− tập hợp các thông tin đ−ợc nhóm vào các files. Để có thể truy cậo dữ liệu trong một hay nhiều files một các dẽ dàng Tuỳ theo cách thức các files đ−ợc tổ chức nh− thế nào để phân loại cấu trúc dữ liệu. Có 3 kiểu cấu trúc chính: Cấu trúc tầng bậc, cấu trúc mạng, cấu trúc quan hệ. - Cấu trúc tầng bậc: Khi dữ liệu có mối quan hệ kiểu cha con hoặc một hay nhiều mối quan hệ đ−ợc thiết lập giữa các files, ví dụ một loại đất trong gia đình các loại đất, một diểm trong một vùng. Cấu trúc tầng bậc cho phép truy cập vào dữ liệu một cách nhanh chóng và thuận tiện. Hệ thống tầng bậc của tổ chức dữ liệu là hệ thống đ−ợc sử dụng nhiều. Những dữ liệu ở mức thấp hơn thừa h−ởng tất cả các thuộc tính của dữ liệu cấp cao hơn. Chẳng hạn nh− điểm thuộc về các cung, thuộc về các đa giác. hệ thống tầng bậc có −u điểm dễ hiểu dễ cập nhật, dễ phát triển. Dữ liệu đ−ợc truy cập chèn thêm các thộc tính dễ dàng, nh−ng nh−ợc điểm của hệ thống này là khó khăn trong việc liên kết các thuộc tính. Một nh−ợc điểm nữa của hệ thống cấu trúc dữ liệu tầng bậc là có một số l−ợng lớn chỉ mục files phải quản lý, và một số giá trị thuộc tính có thể phải nhắc đi nhắc lại nhiều lần, làm cho dữ liệu bị r−ờm rà, điều đó làm cho tăng phí tổn bộ nhớ. - Cấu trúc kiểu mạng: Trong hệ thống tầng bậc, đi qua cơ sở dữ liệu bị hạn chế bởi các đ−ờng đi lên đi xuống. Trong nhiều tr−ờng hợp, đòi hỏi sự liên kết lại. Đặc biệt trong cấu trúc dữ liệu của các đối t−ợng hình học, ở đó các cạnh, các bộ phận hình học trong bản đồ cần phải liên kết với nhau. Thực tế thì dữ liệu về toạ độ của các điểm có thể 52
46. đ−ợc viết ở những phần khác nhau của cơ sở dữ liệu. Hệ thống mạng làm thoả mãn các yêu cầu liên kết đó. Trong hình 3.1 là hình ảnh của một bản đồ đơn giản gồm có 2 đa giác. Hình 3.1 (a) là cho thấy bản đồ theo hình ảnh xuất hiện trong bộ não của con ng−ời: đó là 2 đa giác đ−ợc xác định bởi một tập hợp các đ−ờng một trong các đ−ờng ấy đ−ợc dùng chung cho cả hai đa giác. Còn các đ−ờng lại đ−ợc định nghĩa bởi các cặp điểm có toạ độ, mỗi cặp điểm toạ độ lại đ−ợc dùng cho hai đ−ờng. Rõ ràng là cấu trúc dữ liệu kiểu tầng bậc cho bản đồ đó sẽ dẫn tới kết Hình 3.1. Cấu trúc dữ liệu quan hệ cho đa quả là biểu diễn vụng về và rất giác đơn giản, (a) Bản đồ M, (b) 2 đa giác thừa d− (hình 3.1 (b,e)). Mỗi cặp thành phần, (c) Network liên kết các đa giác toạ độ phải đ−ợc nhắc lại hai lần đ−ờng và điểm, (d) cấu trúc mạng vòng chỉ và toạ độ điểm 3, 4 phải nhắc điểm của M, (e) cấu trúc dữ liệu tầng bậc của M lại4 lần bởi vì cạnh c bị nhắc lại 2 lần. Cấu trúc tầng bậc không những lãng phí không gian, do r−ờm rà, mà còn nếu khi thao tác làm cho 2 đa giác I và II cùng tên, không dễ dàng loại bỏ việc biểu diễn cạnh c khi nó trở nên không cần thiết nữa. Những vấn đề vừa nêu sẽ tránh đ−ợc bằng cách liên kết theo cấu trúc mạng đ−ợc thể hiện ở hình 3.1 (c), ở đó mỗi cạnh và mỗi điểm chỉ xuất hiện một lần duy nhất. Với cấu trúc mạng huỷ bỏ việc in cạnh c khi 2 đa giác đ−ợc mạng cùng tên, dễ dàng tạo ra bản đồ mới. Khi thể hiện những đối t−ợng hình học, ng−ời ta rất hay sử dụng mạng vòng cấu trúc chỉ điểm. Mạng vòng cấu trúc chỉ điểm hình 3.1 (d) là ph−ơng pháp rât có ích đối với cấu trúc hình học. Hệ thống mạng cũng rất có lợi đối với liên hệ hoặc liên kết, nó tránh đ−ợc sự trùng lặp và dễ dàng cho việc cung cấp dữ liệu. Nh−ợc điểm của cấu trúc mạng là cơ sở dữ liệu bị mở rộng do sự tăng lên của các chỉ điểm , trong hệ thống phức tạp trở thành bộ phận lớn trong cơ sở dữ liệu. 53
47. Những chỉ điểm này phải sửa chữa, cập nhật mỗi khi thay đổi, điều đó có thể làm cho trở nên chi phí của cơ sở dữ liệu lớn đáng kể. - Cấu trúc dữ liệu quan hệ: Cấu trúc kiểu quan hệ là cách tổ chức l−u giữ dữ liệu đơn giản nhất, không có chỉ điểm cũng không có tầng bậc. Thay vào đó, dữ liệu đ−ợc cất giữ trong các bảng ghi đơn giản đ−ợc hiểu là các tuples. Các bảng này chứa đựng tập hợp có trật tự các giá trị thuộc tính, chúng đ−ợc nhóm lại với nhau trong những bảng hai chiều, đ−ợc coi là những quan hệ. Mỗi một bảng th−ờng hay quan hệ th−ờng là một file riêng biệt. Hình 3.2 biểu thị mối quan hệ trong bản đồ M gồm hai đa giác I và II Dữ liệu đ−ợc rút ra từ cơ sở dữ liệu quan hệ thông qua thủ tục, ở đó ng−ời sử dụng có thể định rõ mối quan hệ thích hợp cho vấn tin (query) của mình. Quan hệ đó không nhất thiết đã đ−ợc biểu diễn trong file hiện có mà ch−ơng trình điều khiển sử dụng ph−ơng pháp quan hệ đại số xây dựng những bảng mới. Cơ sở dữ liệu quan hệ có một −u điểm rất lớn, cấu trúc của nó rất linh hoạt và nó thoả mãn đ−ợc yêu cầu của mọi vấn tin, có thể lập công thức sử dụng quy tắc logic và phép toán toán học. Nó cho phép nhiều loại dữ liệu khác nhau có thể tìm kiếm, kết hợp và so sánh. Việc ghép thêm hoặc loại bỏ dữ liệu thực hiện dẽ dàng do chỉ là thêm vào hay loại bỏ đi Hình 3.2. Cấu trúc dữ liệu quan hệ cho bản các tuples. Nh−ợc điểm của cơ sở đồ M dữ liệu quan hệ là nhiều thao tác tìm kiếm trên file để tìm đ−ợc dữ liệu cần thiết thoả mãn mối quan hệ, điều đó chiếm thời gian đáng kể khi cơ sở dữ liệu lớn, ngay cả đối với máy tính mạnh. Do vậy, những hệ thống cơ sở dữ liệu quan hệ th−ơng mại phải đ−ợc thiết kế một cách khôn khéo để hỗ trợ khả năng tìm kiếm với tốc độ hợp lý, chính vì vậy mà nó th−ờng đắt tiền. 54
48. 3.1.2. Cách tiếp cận lớp (layer) của biểu diễn dữ liệu không gian. Trong rất nhiều cơ sở dữ liệu địa lý, thế giới thực đ−ợc mô hình hoá theo dạng của các layer riêng biệt, mỗi layer biểu diên một chủ đề riêng biệt (Ví dụ nh− layer sông, suói, layer đất, layer thực vật, layer công trình). Khái niệm layer đ−ợc áp dụng rộng rãi trong việc xây dựng bản đồ và là chỗ dựavững chắc cho cấu trúc cơ sở dữ liệu quan hệ. Layer đ−ợc nhiều công nghệ phần mềm GIS lựa chọn, trong đó nổi tiếng nhất là Viện nghiên cứu hệ thống môi tr−ờng (Environmental System Reseach Institute, Inc, (ESRI)). 3.1.3. Cách tiếp cận h−óng đối t−ợng. Thế gới thực đ−ợc mô hình hoá nh− một tập hợp của các đối t−ợng đ−ợc nhóm lại với nhau trong các lớp (classes) và có các loại khác nhau của các mối quan hệ giữa chúng. Cần phải phân biết lớp (layer) với thuật ngữ lớp (class). Tổ chức cơ sở dữ liệu hoà trộn các nguyên tắc của cả mô hình tầng bậc và mô hình mạng. Mọi đối t−ợngtrong cùng một class chia sẻ một tập hợp các thuộc tính, đó là đặc tính và phwơng thức. Điều đó có thể nói hoạt động đ−ợc áp dụng cho các đối t−ợng và nó là đặc tính của class. Thuộc tính bao phủ một phạm vi rộng lớn, bao gồm không những định l−ợng thông th−ờng thuộc tính định l−ợng (quantitative attributes), mà còn chữ, đồ thị, hình ảnh, âm thanh (text, chars, image, sounds) Các lớp thừa h−ởng thuộc tính và ph−ơng thức (method) của lớp cao hơn. Ví dụ nh− một lớp mang tên "Building" sẽ thừa h−ởng từ lớp "Polygon" những thuộc tính (bề mặt (surface), chu vi (perimer)), thừa h−ởng ph−ơng thức (kiểm tra đ−ờng chu vi có khep kín , tính toán diện tích của chúng). Mô hình này đ−ợc phát triển đầu tiên để trợ giúp thu dữ liệu trong quá trình trắc quang và nó đ−ợc một số công ty phần mềm lựa chọn, nổi tiếng nhất là Wild (nay đ−ợc Prime phát triển). Mô hình h−ớng đối t−ợng là lý thuyết có thể điều khiển đ−ợc các đối t−ợng phức tạp hơn mô hình quan hệ thực hiện và nó đáp ứng yêu cầu thực hiện trí tuệ nhân tạo. Tuy vậy nó còn cứng nhắc và ít linh hoạt so với mô hình quan hệ), khả năng phân tích còn nghèo, nó làm cho việc nhiệm vụ quản trị dữ liệu khó khăn. 3.2. Tiến trình của các kiểu dữ liệu địa lý. Mô hình dữ liệu địa lý là một kiểu trừu t−ợng hoá thế giới thực, nó sử dụng một tập hợp dữ liệu của đối t−ợng, hỗ trợ trình bày bản đồ, vấn tin, chỉnh sửa và phân tích. Trong các phần mềm GIS, ArcInfo 8 đ−a ra mô hình dữ liệu h−ớng đối t−ợng mới. Nó có khả năng biểu diễn những luật lệ của tự nhiên và mối quan hệ giữa các đối t−ợng địa lý. Để hiểu đ−ợc tác động của mô hình mới này, ta nhìn lại 3 thế hệ của mô hình dữ liệu địa lý. 55
49. 3.2.1. Mô hình dữ liệu CAD (The CAD Data Model). Hệ thống vẽ bản đồ dạng vector sớm nhất bằng máy tính bằng các đ−ờng biểu diễn trên ống tia điện tử của màn hình máy tính và bản đồ raster. Vào những năm 60 và 70 của thế kỷ XX, với phần cứng máy tính và phần mềm xây dựng bản đồ tinh xảo đã cho những bản đồ với mức độ trung thực cao. Kỷ nguyên đó, bản đồ th−ờng đ−ợc tạo ra bởi phần mềm đa năng của CAD (computer-aid design). Mô hình dữ liệu CAD l−u dữ liệu địa lý trong file dạng nhị phân bằng cách biều diễn điểm , đ−ờng và diện tích. Một l−ợng thông tin ít ỏi về thuộc tính đ−ợc giữ trong những files này; Các lớp (layer) bản đồ và nhãn chú giải là biểu diễn ban đầu của thuộc tính. 3.2.2. Mô hình dữ liệu kết hợp (The Coverage Data Model). Năm 1981 ESRI giới thiệu phần mềm GIS th−ơng phẩm đầu tiên của họ - ArcInfo, đó là công cụ thứ hai tạo ra mô hình dữ liệu địa lý. Mô hình dữ liệu kết hợp còn đ−ợc coi là mô hình dữ liệu quan hệ. Mô hình này có 2 khía cạnh căn bản: Hình 3.3. Mô hình dữ liệu kết hợp • Dữ liệu không gian đ−ợc kết hợp với dữ liệu thuộc tính. Dữ liệu không gian đ−ợc cất trong file nhị phân chỉ mục, nó là cách tối −u để trình diễn và truy cập dữ liệu. Dữ liệu thuộc tính đ−ợc cất trong các bảng với số hàng t−ơng ứng với số đối t−ợng trên bảng nhị phân và nối bởi căn c−ớc chung. • Quan hệ hình học giữa các đối t−ợng vector đ−ợc l−u giữ. Điều đó có nghĩa là hồ sơ dữ liệu không gian của đ−ờng bao gồm thông tin về các nút xác định nên đ−ờng đó, đ−ờng đ−ợc nối từ các nút đó. Hồ sơ còn bao gồm thông tin về những đa giác nào ở bên phải và bên trái. Ưu điểm của mô hình dữ liệu kết hợp. Ng−ời sử dụng có thể tuỳ biến đ−ợc bảng đối t−ợng không những về tr−ờng mà cả cơ sở dữ liệu liên kết có thể đặt cho bảng dữ liệu bên ngoài. Bởi vì hạn chế của phần cứng máy tính và phần mềm tin học hiện tại, không thể thực hiện cất dữ liệu không gian trực tiếp trong cơ sở dữ liệu quan hệ. Hơn nữa, mô hình dữ liệu kết hợp kết hợp dữ liệu không gian trong những files liệt kê nhị phân với dữ liệu thuộc tính trong các bảng. Mặc dù có sự khác biệt giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính, sự kết hợp của hai loại dữ liệu này đã mang lại cho mô hình dữ liệu kết hợp trở thành mô 56
50. hình dữ liệu có −u thế trongGIS. Điều đó giải thích lý do mô hình dữ liệu kết hợp tạo ra tính năng cao cho GIS, l−u giữ dữ liệu hình học một cách dễ dàng, nâng cao khả năng phân tích địa lý, tăng c−ờng độ chính xác của dữ liệu. Hạn chế của mô hình dữ liệu kết hợp. Tuy nhiên mô hình dữ liệu kết hợp có một điều bất cập cơ bản đó là các đối t−ợng đ−ợc kết hợp trong những tập hợp đồng nhất của điểm, đ−ờng và đa giác với cùng loài ứng xử (behavior). Thực tế, cũng là đ−ờng (line) biểu diễn một con đ−ờng sẽ phải có ứng xử khác line biểu diễn một con suối. ứng xử theo loài đ−ợc hỗ trợ bởi mô hình dữ liệu kết hợp bắt buộc tuân theo tính bảo toàn hình học của tập dữ liệu. Ví dụ nếu ta thêm một đ−ờng (line) cắt qua một đa giác (polygon), nó tự động chia thành 2 polygons. Tuy nhiên mong muốn cần hỗ trợ ứng xử đặc biệt đối với s−ối, đ−ờng và những đối t−ợng của thế giới thực. Ví dụ khi dòng suối chảy từ trên đồi xuống, hay khi 2 con suối hợp thành 1, dòng chảy của con suối hợp lại là sự hợp dòng của 2 dòng chảy. Ví dụ khác là khi 2 con đ−ờng cắt nhau, dòng giao thông nơi giao cắt phải là nối với nhau trừ khi giao v−ợt hoặc giao chui. Tuỳ biến đối t−ợng trong mô hình kết hợp. Với mô hình dữ liệu kết hợp, phần mềm ArcInfo có một số thành công đ−ợc ghi nhận trong việc thêm dạng ứng xử cho đối t−ợng thông qua vĩ mã (marco code) đ−ợc viết trong ARC Marco Language (AML TM). Nhiều thành công, tỷ lệ lớn (large-scale), đặc tính công nghiệp (industry-specific) cũng đ−ợc thiết lập. Tuy nhiên, ứng dụng trở nên phức tạp hơn, nó trở nên hiển nhiên rằng một cách tốt hơn kết hợp ứng xử với đối t−ợng cần phải có. Vấn đề là việc phát triển có nhiệm vụ giữ mã ứng dụng đồng bộ với lớp đối t−ợng (feature class) là nhiệm vụ không dễ dàng. Thời điểm cho ra đời một mô hình dữ liệu địa lý mới với hạ tầng kết hợp chặt chẽ ứng xử với đối t−ợng. 3.2.3. Mô hình dữ liệu cơ sở dữ liệu địa lý (The Geodatabase Data Model). ArcInfo 8 đ−a vào mô hình dữ liệu mới - mô hình dữ liệu h−ớng đối t−ợng và đặt tên là: Mô hình dữ liệu cơ sở dữ liệu địa lý (The Geodatabase Data Model). Yêu cầu định rõ của mô hình này là cho phép ng−ời sử dụng tạo ra những đối t−ợng (features) trong tập hợp dữ liệu GIS, kết hợp mau lẹ với ứng xử tự nhiên, và cho phép mọi loại quan hệ có thể đ−ợc kết hợp với đối t−ợng. Mô hình dữ liệu cơ sở dữ liệu địa lý mang mô hình dữ liệu vật thể gắn bó với mô hình dữ liệu logic. Dữ liệu đối t−ợng trong cơ sở dữ liệu địa lý hầu nh− là giống 57
51. nh− những đối t−ợng ta xác định trong mô hình dữ liệu logic, nh− chủ sở hữu, công trình, thửa đất và đ−ờng xá. Hơn thế nữa, mô hình dữ liệu cơ sở dữ liệu địa lý cho phép ta thực hiện phần lớn ứng xử theo ý muốn, không cần phải viết bất kỳ một mã (code) nào. Phần lớn những ứng xử đ−ợc thực hiện thông qua domain (Lĩnh vực), validation rule (luật lệ hợp lý) và những chức năng khác của cơ cấu (fraimework) đ−ợc cung cấp trong ArcInfo. Việc viết mã phần mềm chỉ cần thiết đối với các ứng xử đặc biệt của đối t−ợng. 3.2.4. Kịch bản của những ảnh h−ởng lẫn nhau của đối t−ợng (Scenario of Object interactions). Để hiểu đ−ợc ý nghĩa vì sao mô hình dữ liệu h−ớng đối t−ợng lại quan trọng, hãy theo rõi kịch bản sau đây minh hoạ những nhiệm vụ chung ta phải thực hiện với đối t−ợng. Từ những kịch bản này, ta có thể chọn lọc ra những lợi ích của mô hình dữ liệu h−ớng đối t−ợng và sau đó xem xét một vài đặc tính đặc biệt của mô hình dữ liệu cơ sở dữ liệu địa lý. Thêm và chỉnh sửa đối t−ợng. Khi ta thêm vào cơ sở dữ liệu GIS một đối t−ợng địa lý, ta muốn chắc chắn rằng đối t−ợng đ−ợc đặt đúng theo luật lệ nh− sau: • Những giá trị ta đã ấn định cho thuộc tính phải rơi vào những giá trị cho phép. Một thửa đất chỉ có thể có những mục đích sử dụng xác định nh− đất ở, nông nghiệp hay công nghiệp (hình 3.4). • Đối t−ợng có thể đ−ơc đặt kề sát ngay Hình 3.4. Mục đích sử dụng đất bên hay nối tiếp với đối t−ợng khác, chỉ khi nào những sự ràng buộc đ−ợc đặt ra. Đặt quán r−ợu gần tr−ờng học không đ−ợc luật pháp cho phép. Đ−ờng phố không đ−ợc nối trực tiếp vào đ−ờng cao tốc mầ không có đ−ờng chuyển tiếp Hình 3.5. Luật lệ ràng buộc (hình 3.5). • Tập hợp của một số đối t−ợng tuân theo sự xếp đặt tự nhiên của chúng. Con suối luôn luôn chảy từ trên cao xuống. Dòng chảy của đoạn hợp dòng phải bằng tổng của dòng chảy các đoạn phía trên (hình Hình 3.6. Sự xếp đặt tự nhiên 3.6). 58
52. • Hình dạng hình học của các đối t−ợng tuân theo sự xếp đặt logic. Tiếp tuyến và đ−ờng cong nằm của đ−ờng phải tiếp xúc với nhau. Góc của các công trình Hình 3.7. Sự xếp đặt hợp logic kiến trúc th−ờng là góc vuông (hình 3.7). Mối quan hệ giữa các đối t−ợng. Mọi đối t−ợng trên thế giới bị ràng buộc trong mối quan hệ với các đối t−ợng khác. Trong GIS các mối quan hệ đó có thể coi nh− thuộc 3 loại chính: quan hệ hình học topo, quan hệ không gian, quan hệ thông th−ờng. Sau đây là một số ví dụ của mỗi dạng quan hệ đó: • Khi ta sử chữa (edit) các đối t−ợng trên hệ thống sử dụng điện, ta muốn tin chắc rằng điểm kết thúc của tuyến thứ nhất và tuyến thứ 2 nối với nhau chính xác, và nh− vậy ta có có thể thực hiện dựa theo phân tích Hình 3.8. Quan hệ hình học mạng l−ới điện. Tập hợp của quan hệ hình học topo đ−ợc xác định cho ta khi ta nạp hoặc chỉnh sửa đối t−ợng. • Khi ta làm việc với bản đồ có các công trình, khối nhà, khu tr−ờng học, ta có thể muốn xác định khối nào chứa công trình, một tập hợp của các công trình chứa bên trong khu tr−ờng học và khối nào không Hình 3.9. Quan hệ không gian chứa công trình. Chức năng cơ bản của GIS là xác định liệu có đối t−ợng nào chứa bên trong, đụng chạm, nằm ngoài, hoặc chồng lên đối t−ợng khác. Quan hệ không gian đ−a ra kết luận về hình học của các đối t−ợng. • Một số đối t−ợng có mối quan hệ không đ−ợc thể hiện trên bản đồ. Thửa đất có mối quan hệ với chủ sở hữu, mà chủ sở hữu lại không là một đối t−ợng trên bản đồ. Thông th−ờng, mối quan hệ nối thửa đất với Hình 3.10. Quan hệ thông th−ờng chủ sở hữu. Một số đối t−ợng trên bản đồ có mối quan hệ, nh−ng mối quan hệ không gian không rõ ràng. Đồng hồ đo điện sử dụng (công tơ điện) thông th−ờng có mối liên hệ với trạm biến áp điện, nh−ng nó không đụng chạm tới trạm biến áp. Công tơ 59
53. điện và trạm biến áp không có mối liên hệ xác thực về mặt không gian, nh−ng mối quan hệ thông th−ờng gắn bó hai đối t−ợng với nhau. Trình bày trên bản đồ. Phần lớn thời gian, ta vẽ các đối t−ợng trên bản đồ với các biểu t−ợng, nh−ng đôi khi ta muốn kiểm tra xem các đối t−ợng đ−ợc vẽ nh− thế nào. D−ới đây là một số ứng xử (behaviors) đặc biệt của hình vẽ: • Khi trình bày một đ−ờng đồng mức, ta muốn chú giải độ cao dọc theo đ−ờng với độ chênh cao giữa các đ−ờng xác định và số chú giải không che khuất các Hình 3.11. Đ−ờng đồng mức đối t−ợng khác. • Khi vẽ những con đ−ờng trên bản đồ chi tiết, ta muốn đ−ờng đ−ợc vẽ ra có biên luôn song song khi tới các nút giao thông (hình 3.12). Hình 3.12. Đ−ờng song song • Khi một số dây điện khác nhau đ−ợc căng trên cùng một cột điện, ta muốn mô tả chúng đ−ợc căng song song với nhau với một khoảng dãn cách nhất định (hình 3.13) Hình 3.13. Các đ−ờng dây điện Phân tích sự ảnh h−ởng lẫn nhau. Bản đồ động gây hứng thú cho ng−ời sử dụng giao tiếp với đối t−ợng, tìm thuộc tính và các mối quan hệ, và thực Hình 3.14. Kích hoạt form thuộc tính hiện phân tích. Sau đây là một vài ví dụ về những nhiệm vụ phân tích ta có thể muốn thực hiện trên việc lựa chọn đối t−ợng: • Giao tiếp với đối t−ợng trên bản đồ làm kích hoạt form để vấn tin và Hình 3.15. Lựa chọn một phần của mạng l−ới điện update thuộc tính của nó (hình 3.14). 60
54. • Lựa chọn một phần của mạng l−ới điện ở đó đang có kế hoạch duy tu, tìm kiếm những hộ dùng điện nối với phần mạng l−ới này và tạo danh sách hòm th− thông báo tới khách hàng sử dụng điện (hình 3,15). 3.2.5. ích lợi của mô hình dữ liệu cơ sở dữ liệu địa lý. Xuyên suốt mô hình dữ liệu này là sự ích lợi của việc áp dụng mô hình dữ liệu h−ớng đối t−ợng. Mô hình dữ liệu h−ớng đối t−ợng cho phép ta mô tả đặc điểm đối t−ợng một cách tự nhiên hơn, tính chất, kiểu của đối t−ợng, bằng cách xác định hình học, không gian, và các quan hệ chung, và bằng cách nắm bắt quan hệ t−ơng tác của đối t−ợng này với các đối t−ợng khác. Một số lợi ích của mô hình dữ liệu cơ sở dữ liệu địa lý nh− sau: • Thống nhất hoá kho chứa dữ liệu: Mọi dữ liệu địa lý có thể cất giữ tập trung dữ liệu trong một cơ sở dữ liệu. • Dữ liệu đ−ợc tiếp nhận và sửa chữa chính xác hơn: Có ít lỗi vì đa số các lỗi đã đ−ợc phòng ngừa tr−ớc, nhờ có luật lệ cách ứng xử của đối t−ợng. Đối với nhiều ng−ời, đây là lý do hấp dẫn ng−ời ta lựa chọn mô hình dữ liệu này. • Ng−ời sử dụng làm việc với dữ liệu đối t−ợng trực giác: Đ−ợc thiết kế đúng, cơ sở dữ liệu bao gồm dữ liệu đối t−ợng t−ơng thích với mô hình dữ liệu của ng−ời sử dụng. Thay vì phải làm việc với điểm, đ−ờng, và diện tích, ng−ời ta sẽ làm việc với các đối t−ợng nh− trạm biến áp, con đ−ờng, và hồ n−ớc. • Đối t−ợng có phạm vi phong phú hơn: Với liên kết hình học, biểu diễn không gian, và mối quan hệ tổng thể, ta không những xác định đ−ợc tính chất mà còn xác định đ−ợc các tình huống quan hệ đối với các đối t−ợng khác. Điều đó cho phép ta chỉ rõ điều gì xảy ra với đối t−ợng khi đối t−ợng có quan hệ di chuyển, thay đổi, hoặc bị xoá đi. Các tình huống này cũng cho phép ta xác định vị trí và kiểm tra đối t−ợng trong mối quan hệ với các đối t−ợng khác. • Tạo ra đ−ợc các bản đồ tốt hơn: Nhiều kiểm tra xem đối t−ợng đã đ−ợc vẽ nh− thế nào, và ta có thể thêm vào những ứng xử cho đối t−ợng những ứng xử thông minh. Có thể sử dụng những ph−ơng pháp giả định trực tiếp trên bản đồ ArcInfo, ArcMap. Coó thể chuyển hoá ph−ơng pháp vẽbằng cách viết mã phần mềm. • Biểu diễn động các đối t−ợng trên bản đồ: Khi ta làm việc với các đối t−ợng trên MapInfo, chúng có thể tuân theo sự thay đổi của các đối t−ợng bên cạnh. Ta cũng có thể liên kết những vấn tin hay công cụ phân tích với đối t−ợng. 61