Giáo trình Các hệ thống thông tin số
1
TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BỘ MÔN HỆ THỐNG THÔNG TIN
-----***-----
BÀI GIẢNG
CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
TÊN HỌC PHẦN
MÃ HỌC PHẦN
: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
: 17410
TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO
: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
DÙNG CHO SV NGÀNH : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
HẢI PHÒNG - 2011
2
MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................................. 2
1. Tổng quan về hệ thông tin địa lý....................................................................................... 5
2.1. Định nghĩa GIS.......................................................................................................... 6
2.2. Cơ sỡ dữ liệu GIS ...................................................................................................... 7
3. Các lĩnh vực khoa học công nghệ liên quan tới GIS......................................................... 8
4. Các lĩnh vực ứng dụng GIS............................................................................................... 8
5. Các thành tố của hệ thống thông tin địa lý........................................................................ 9
5.1. Con ngƣời .................................................................................................................. 9
5.2. Dữ liệu ..................................................................................................................... 10
5.3. Phần mềm ................................................................................................................ 11
5.4. Phần cứng ................................................................................................................ 11
5.5. Giao diện ngƣời dùng .............................................................................................. 11
6. Chức năng của hệ thống thông tin địa lý......................................................................... 12
6.1. Thu thập dữ liệu....................................................................................................... 12
6.2. Xử lý dữ liệu thô...................................................................................................... 13
6.3. Lƣu trữ và truy cập dữ liệu...................................................................................... 13
6.4. Tìm kiếm và phân tích không gian .......................................................................... 15
6.5. Hiển thị đồ họa và tƣơng tác.................................................................................... 17
1. Hệ toạ độ địa lý ............................................................................................................... 18
2. Hệ toạ độ quy chiếu......................................................................................................... 19
3. Các phép chiếu cơ bản..................................................................................................... 19
3.2. Phép chiếu Robinson ............................................................................................... 22
1. Các khái niệm cơ sở ........................................................................................................ 23
2. Mô hình thông tin không gian......................................................................................... 23
3. Mô hình dữ liệu raster ..................................................................................................... 24
3.1. Trƣờng raster đơn giản ............................................................................................ 25
3.2. Cấu trúc dữ liệu raster ............................................................................................. 26
4. Mô hình dữ liệu vectơ ..................................................................................................... 28
4.1. Cấu trúc dữ liệu toàn đa giác .............................................................................. 28
4.2. Cấu trúc dữ liệu cung-nút ........................................................................................ 29
5. Mô hình dữ liệu lƣới tam giác không đều ....................................................................... 29
5.1. Phƣơng pháp Voronoi.............................................................................................. 29
5.2. Cấu trúc địa lý TIN.................................................................................................. 30
6. Biến đổi từ vectơ sang raster và ngƣợc lại ...................................................................... 30
6.1. Biến đổi vectơ sang raster........................................................................................ 31
6.2. Biến đổi raster sang vectơ........................................................................................ 33
1. Thu thập thông tin địa lý và các phƣơng pháp nhập dữ liệu địa lý................................. 34
1.1. Tìm kiếm bản đồ phù hợp........................................................................................ 35
1.2. Số hóa bản đồ .......................................................................................................... 35
2. Cơ sở dữ liệu thông tin địa lý.......................................................................................... 39
2.1. Tệp cơ sở dữ liệu ..................................................................................................... 39
2.2. Ứng dụng CSDL trong GIS..................................................................................... 41
MỘT SỐ ĐỀ THI MẪU...................................................................................................... 44
3
Tên học phần: Các hệ thống thông tin số
Bộ môn phụ trách giảng dạy: Hệ thống Thông tin
Mã học phần: 17410
Loại học phần: 2
Khoa phụ trách: CNTT.
Tổng số TC: 2
Tổng số tiết Lý thuyết
45 30
Thực hành/ Xemina
Tự học
Bài tập lớn
Đồ án môn học
không
15
0
không
Học phần học trƣớc: Không yêu cầu.
Học phần tiên quyết: Không yêu cầu.
Học phần song song: Không yêu cầu.
Mục tiêu của học phần:
Cung cấp kiến thức cơ bản về các hệ thống thông tin số và các hệ thống thông tin địa lý.
Nội dung chủ yếu:
Giới thiệu về các hệ thống thông tin địa lý (GIS); Các thuật ngữ địa lý; Kiến trúc và chức năng
của các hệ thống thông tin địa lý; Chuẩn bị dữ liệu không gian; Phân tích dữ liệu không gian; Biểu
diễn trực quan dữ liệu không gian.
Nội dung chi tiết:
PHÂN PHỐI SỐ TIẾT
TÊN CHƢƠNG MỤC
Chƣơng I. Giới thiệu về hệ thống thông tin địa lý (GIS)
1. Tổng quan về hệ thông tin địa lý
2. GIS là gì
TS LT TH BT KT
6
6
0
3. Các lĩnh vực khoa học công nghệ liên quan tới GIS
4. Các lĩnh vực ứng dụng GIS
5. Các thành tố của hệ thống thông tin địa lý
6. Chức năng của hệ thống thông tin địa lý
Chƣơng II. Hệ thống tham chiếu không gian
1. Hệ toạ độ địa lý
2. Hệ toạ độ quy chiếu
3. Các phép chiếu cơ bản
9
6
8
3
6
Chƣơng III. Mô hình và cấu truc dữ liệu không gian
1. Các khái niệm cơ sở
14
2. Mô hình thông tin không gian
3. Mô hình dữ liệu raster
4. Mô hình dữ liệu vectơ
5. Mô hình dữ liệu lƣới tam giác không đều
6. Biến đổi từ vectơ sang raster và ngƣợc lại
Chƣơng IV. Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS
1. Thu thập thông tin địa lý và các phƣơng pháp nhập dữ liệu địa lý
2. Cơ sở dữ liệu thông tin địa lý
16 10
6
Nhiệm vụ của sinh viên:
Tham dự các buổi học lý thuyết và thực hành, làm các bài tập đƣợc giao, làm các bài thi giữa
học phần và bài thi kết thúc học phần theo đúng quy định.
Tài liệu học tập:
1. Đặng Văn Đức, Hệ thống tin địa lý GIS, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 2001.
2. Rolf A.de By, Principles of Geographic Information Systems, 2nd edition, ITC, Enschede,
The Netherlands, 2001.
Hình thức và tiêu chuẩn đánh giá sinh viên:
- Hình thức thi: tự luận.
- Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: căn cứ vào sự tham gia học tập của sinh viên trong các buổi
học lý thuyết và thực hành, kết quả làm các bài tập đƣợc giao, kết quả của các bài thi giữa học phần
và bài thi kết thúc học phần.
Thang điểm: Thang điểm chữ A, B, C, D, F.
4
Điểm đánh giá học phần: Z = 0,3X + 0,7Y.
Bài giảng này là tài liệu chính thức và thống nhất của Bộ môn Hệ thống Thông tin, Khoa
Công nghệ Thông tin và đƣợc dùng để giảng dạy cho sinh viên.
Ngày phê duyệt:
Trƣởng Bộ môn
/
/
5
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ
1. Tổng quan về hệ thông tin địa lý
Địa lý (geography) đƣợc hình thành từ hai khái niệm: trái đất (geo-earth) và tiến trình mô tả
(graphy). Nhƣ vậy, địa lý đƣợc xem nhƣ tiến trình mô tả trái đất. Khi mô tả trái đất, các nhà địa lý
luôn đề cập đến quan hệ không gian. Chìa khóa của nghiên cứu các quan hệ không gian là bản đồ.
Theo Hiệp hội Bản đồ Quốc tế thì bản đồ là biểu diễn bằng đồ họa tập các đặc trƣng trừu tƣợng và
các quan hệ không gian trên bề mặt trái đất. Nói một cách khác bản đồ là quá trình chuyển đổi từ
thông tin bề mặt trái đất sang bản đồ giấy.
Hệ thống thông tin là tập các tiền xử lý dữ liệu thô để sản sinh ra các thông tin có ích cho công
tác lập quyết định. Chúng bao gồm các thao tác dẫn chúng ta đi từ lập kế hoạch quan sát và thu thập
dữ liệu tới lƣu trữ và phân tích dữ liệu, tới sử dụng các thông tin suy diễn trong việc lập quyết đinh.
Theo quan niệm này thì bản đồ cũng là một loại hệ thông tin. Bản đồ là tập hợp các dữ liệu, các
thông tin suy diễn từ nó đƣợc sử dụng vào công việc lập quyết định. Hệ thông tin địa lý là hệ thông
tin đƣợc thiết kế để làm việc với dữ liệu quy chiếu không gian hay tọa độ địa lý. Khái niệm hệ
thông tin địa lý đƣợc hình thành từ ba khái niệm: địa lý, thông tin và hệ thống đƣợc viết tắt là GIS.
Ý nghĩa của chúng đƣợc diễn giải nhƣ sau:
Geographic Information System (Mỹ).
Geographical Information System (Anh, Úc, Canada).
Geographic Information Science (nghiên cứu lý thuyết và quan niệm của hệ thông tin địa lý
vá các công nghệ thông tin địa lý).
Geographic Information Studies (nghiên cứu về ngữ cảnh xã hội của thông tin).
Khái niệm “địa lý“ đƣợc sử dụng tại đây vì GIS trƣớc hết liên quan đến các đặc trƣng địa lý hay
không gian. Các đặc trƣng này đƣợc ánh xạ hay liên quan đến các đối tƣợng không gian. Chúng có
thể là các đối tƣợng vật lý, văn hóa hay kinh tế trong tự nhiên. Các đặc trƣng trên bản đồ là biểu
diễn ảnh của các đối tƣợng không gian trong thế giới thực. Biểu tƣợng, màu và kiểu đƣờng đƣợc sử
dụng để thể hiện các đặc trƣng không gian khác nhau trên bản đồ 2D.
Khái niệm “thông tin” đề cập đến khối dữ liệu khổng lồ do GIS quản lý. Các đối tƣợng 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 lƣu trữ, quản lý các đặc trƣng không gian.
Khái niệm “hệ thống” đề cập đến cách tiếp cận hệ thống của GIS. Mỗi trƣờng hệ thống GIS
đƣợc chia nhỏ thành các môđun để dễ hiểu, dễ quản lý nhƣng chúng đƣợc 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 đƣợc xây dựng trên cơ sở máy tính.
6
Khái niệm “công nghệ thông tin địa lý” (geographic information technology) là công nghệ thu
thập và xử lý thông tin địa lý. Chúng bao gồm ba loại cơ bản sau:
Hệ thống định vị toàn cầu (global postioning system-GPS): đo đạc vị trí trên mặt đất dựa
trên cơ sở hệ thống các vệ tinh.
Viễn thám (remote sensing): sử dụng vệ tinh để thu thập thông tin về trái đất.
Hệ thông tin địa lý (GIS).
2. GIS là gì
Thông tin địa lý bao gồm dữ liệu về bề mặt trái đất và các diễn giải dữ liệu để con ngƣời dễ
hiểu. Nhìn chung thì thông tin địa lý đƣợc thu thập từ bản đồ hay đƣợc thu thập thông qua đo đạc,
viễn thám, điều tra, phân tích hay mô phỏng. Thông tin địa lý bao hàm hai loại dữ liệu: không gian
và phi không gian.
2.1. Định nghĩa GIS
Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về GIS, nhƣng đều có điểm giống nhau nhƣ: bao hàm khái
niệm dữ liệu không gian, phân biệt giữa hệ thông tin quản lý và GIS. So với bản đồ thì GIS có lợi
thế là lƣu trữ dữ liệu và biểu diễn chúng là hai công việc tách biệt nhau. Do vậy GIS cho khả năng
quan sát từ các góc độ khác nhau trên cùng tập dữ liệu. Sau đây là một số định nghĩa GIS hay sử
dụng:
Định nghĩa của dự án The Geographer’s Craft, khoa địa lý, trƣờng đại học Texas
GIS là CSDL số chuyên dụng trong đó hệ trục tạo độ không gian là phƣơng tiện tham chiếu
chính. GIS bao gồm các công cụ để thực hiện các công việc sau đây:
Nhập dữ liệu từ bản đồ giấy, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, số liệu điều tra và các nguồn
khác.
Lƣu trữ dữ liệu, khai thác, truy vấn CSDL.
Biến đổi dữ liệu, phân tích, mô hình hóa, bao gồm các dữ liệu thống kê và dữ liệu
không gian.
Lập báo cáo, bao gồm các bản đồ chuyên đề, các bảng biểu, biểu đồ và kế hoạch.
Từ định nghĩa trên ta thấy rõ ba vấn đề sau của GIS. Thứ nhất, GIS có quan hệ với ứng dụng
CSDL, toàn bộ thông tin trong GIS đều liên kết với tham chiếu không gian, CSDL GIS sử dụng
tham chiếu không gian nhƣ phƣơng tiện chính để lƣu trữ và xâm nhập thông tin. Thứ hai, GIS là
công nghệ tích hợp, hệ GIS đầy đủ có các khả năng phân tích bao gồm phân tích ảnh máy bay, ảnh
vệ tinh hay tạo lập mô hình thống kê, vẽ bản đồ... Cuối cùng, GIS đƣợc không chỉ xem nhƣ tiến
trình phần cứng, phần mềm rời rạc mà còn đƣợc sử dụng vào trợ giúp quyết định.
Định nghĩa của David Cowen, Mỹ
7
GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục đƣợc thiết kế để thu thập, quản lý, xử lý,
phân tích, mô hình hóa và hiển thị các dữ liệu qui chiếu không gian để giải quyết các vấn đề quản lý
và lập kế hoạch phức tạp.
Độ phức tạp của thế giới thực là không giới hạn, song con ngƣời luôn mong lƣu trữ, quản lý các
dữ liệu về thế giới thực thế nên phải có CSDL lớn vô hạn để lƣu trữ thông tin chính xác về chúng.
Do vậy, để lƣu trữ đƣợc dữ liệu không gian của thế giới thực và máy tính thì phải giảm số lƣợng dữ
liệu đến mức có thể quản lý đƣợc bằng tiến trình đơn giản hóa hay trừu tƣợng hóa. Trừu tƣợng là
đơn giản một cách thông minh, trừu tƣợng cho ta tổng quát hóa và ý tƣởng hóa vấn đề đang xem
xét, loại bỏ các chi tiết dƣ thừa mà chỉ tập trung vào các điểm chính, cơ bản. Các đặc trƣng đại lý
phải đƣợc biểu diễn bởi các thanh phần rời rạc hay các đối tƣợng để lƣu vào CSDL máy tính.
Trừu tƣợng
GIS
hóa
Phần
mềm
công cụ
CSDL
+
Ngƣời sử dụng
Thế giới thực
Kết quả
Hình 1.1: Hệ thống tin địa lý
Ý nghĩa chủ yếu của tin học hóa thông tin địa lý là khả năng tích hợp các kiểu và nguồn dữ liệu
khác biệt. Mục tiêu của GIS là cung cấp cấu trúc một cách hệ thống để quản lý các thông tin địa lý
khác nhau và phức tạp, đồng thời cung cấp các công cụ, các thao tác hiển thị, truy vấn, mô phỏng...
Cái GIS cung cấp là cách thức suy nghĩ mới về không gian. Phân tích không gian không chỉ là truy
cập mà còn cho phép khai thác các quan hệ và tiến trình biến đổi của chúng. GIS lƣu trữ thông tin
thế giới thực thành các tầng bản đồ chuyên đề mà chúng có khả năng liên kết địa lý với nhau.
2.2. Cơ sỡ dữ liệu GIS
CSDL GIS là một nhóm xác định các dữ liệu trong một cấu trúc của một phần mềm quản lý
CSDL, đó là tập hợp của các dữ liệu không gian và phi không gian.
-
Dữ liệu không gian: là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng bao gồm tạo độ, quy
luật và các ký hiệu dùng để sác định một hình ảnh cụ thể trên bản đồ.
Dữ liệu phi không gian (dữ liệu thuộc tính): diễn tả đặc tính, số lƣợng, mối quan hệ của
các hình ảnh bản đồ với vị trí địa lý của chúng.
-
Dữ liệu không gian
Dữ phi liệu không gian
Dạng thông tin
Điểm, đƣờng, vùng, ghi chú.
Thuộc tính, tham khảo địa lý, chỉ số địa lý, các
quan hệ không gian.
Lƣu trữ dạng
8
Tọa độ, ký hiệu, chấm điểm, quy luật hiển thị. Chữ số, ký tự...
Ví dụ tại thành phố Hải Phòng. Chúng ta có thể tách bản đồ ra thành các tầng nhƣ trong hình vẽ
dƣới đây:
Tầng biên hành chính
Tầng khách hàng
Tầng đƣờng quốc lộ
Tầng nhà ở
Hình1.2: Tầng bản đồ
3. Các lĩnh vực khoa học công nghệ liên quan tới GIS
GIS đƣợc xây dựng dựa trên các tri thức của nhiều ngành khoa học khác nhau để tạo ra một
ngành khoa học mới. Trong đó:
Ngành địa lý: là ngành liên quan mật thiết tới vấn đề hiểu thế giới và vị trí của con ngƣời
trong thế giới, cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian.
Ngành bản đồ: bản đồ chính là dữ liệu đầu vào của GIS đồng thời cũng là khuôn mẫu quan
trọng nhất của đầu ra GIS.
Công nghệ viễn thám, ảnh máy bay: ảnh viễn thám và ảnh máy bay là nguồn dữ liệu quan
trọng của GIS. Viễn thám bao gồm cả kĩ thuật thu thập và xử lý dữ liệu mọi vị trí trên địa
cầu với giá rẻ, ảnh máy bay và kỹ thuật đo chính xác của chúng là nguồn dữ liệu chính xác
về độ cao bề mặt trái đất sử dụng làm đầu vào của GIS.
Bản đồ địa hình: cung cấp dữ liệu có chất lƣợng cao về vị trí của ranh giới đất đai, nhà cửa...
Ngành đo đạc, thống kê: cung cấp các vị trí cần quản lý và các phƣơng pháp phân tích dữ
liệu GIS. Ngành thống kê đặc biệt quan trọng trong việc hiểu các lỗi hoặc tính không chắc
chắn trong dữ liệu GIS.
Khoa học tính toán: tự động thiết kế bằng máy tính cung cấp các kỹ thuật nhập, hiển thị,
biểu diễn dữ liệu. Máy tính hoạt động nhƣ một chuyên gia trong việc thiết kế bản đồ, phát
sinh các dặc trƣng bản đồ.
Toán học: các ngành nhƣ hình học, đồ thị đƣợc sử dụng trong thiết kế và phân tích dữ liệu
không gian.
4. Các lĩnh vực ứng dụng GIS
9
Công nghệ GIS ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi. GIS có khả năng sử dụng dữ liệu không
gian và phi không gian từ các nguồn khác nhau khi thực hiện phân tích không gian để trả lời các câu
hỏi của ngƣời dùng nhƣ:
Có cái gì ở...? Nhận diện: nhận biết tên hay các thông tin khác của đối tƣợng nào đó trên bản
đồ.
... ở đâu? Vị trí: chỉ ra một hoặc nhiều vị trí thỏa mãn yêu cầu ngƣời dùng.
Cái gì thay đổi từ...? Xu thế: câu hỏi liên quan trực tiếp đến các dữ liệu không gian tạm thời,
ví dụ nhƣ câu hỏi liên quan tới phát triển thành phố sẽ đƣa ra các vùng qui hoạch chính trên
bản đồ GIS.
Đƣờng đi nào tốt nhất từ... đến...? Tìm đƣờng đi tối ƣu: dựa trên cơ sở mạng lƣới của đƣờng
đi cho biết đƣờng đi nào là rẻ nhất, ngắn nhất... mở rộng ra là đƣờng đi qua một hệ thống
điểm.
Giữa... và ... có quan hệ gì? Mẫu: câu hỏi này khác phức tạp tác động trên nhiều tập dữ liệu
nhƣ quan hệ giữa vị trí nhà máy và địa phƣơng, khí hậu và vùng sản xuất...
Cái gì xẩy ra nếu...? Mô hình: đây là câu hỏi liên quan đến các hoạt động lập kế hoạch và dự
án nhƣ khi nâng cấp hệ thống giao thông tại Hải Phòng thì ảnh hƣởng thế nào tới mạng lƣới
cung cấp điện, điện thoại, nƣớc, dân cƣ...
Dƣới đây là một vài ứng dụng chủ yếu của GIS trong thực tế:
Quản lý và lập kế hoạch mạng lƣới đƣờng phố: bao gồm các chức năng tìm kiếm địa chỉ,
tìm ví trí khi biết địa chỉ đƣờng phố; điều khiển đƣờng đi, lập kế hoạch lƣu thông xe cộ;
phân tích vị trí, chọn địa điểm xây dựng các công trình công cộng; lập kế hoạch phát triển
đƣờng giao thông.
Giám sát tài nguyên thiên nhiên, môi trƣờng: bao gồm chức năng quản lý tài nguyên, phân
tích tác động môi trƣờng...
Quản lý đất đai: lập kế hoạch cùng, miền sử dụng đất; quản lý tƣới tiêu...
Quản lý và lập các dịch vụ công cộng: bao gồm các chức năng tìm địa điểm cho các công
trình ngầm; quản lý, bảo dƣỡng công trình...
Phân tích tổng điều tra dân số, lập bản đồ các dịch vụ y tế, bƣu điện và các dịch vụ công
cộng khác...
5. Các thành tố của hệ thống thông tin địa lý
Hệ thống GIS bao gồm
phần mềm và dữ liệu.
5.1. Con ngƣời
năm thành tố chính: con ngƣời, phƣơng pháp, công cụ phần cứng,
Con ngƣời ở đây là các chuyên viên tin học, chuyên gia GIS, thao tác viên GIS, phát triển ứng
dụng GIS bao gồm:
10
Ngƣời sử dụng hệ thống: là những ngƣời 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 đƣa ra các giải pháp cuối cùng để truy vấn dữ liệu địa lý. Những ngƣời này phải
thƣờng xuyên đƣợc đào tạo lại do GIS thay đổi liên tục và yêu cầu mới của kỹ thuật phân
tích.
Thao tác viên hệ thống: có trách nhiệm vận hành hệ thống hàng ngày để ngƣời sử dụng hệ
thống làm việc hiệu quả. Công việc của họ là sửa chữa khi chƣơng trình bị tắc nghẽn hay là
công việc trợ giúp nhân viên thực hiện các phân tích có độ phức tạp cao. Họ còn làm việc
nhƣ quản trị hệ thống, quản trị CSDL, an toàn, toàn vẹn CSDL tránh hƣ hỏng, mất mát dữ
liệu.
Nhà cung cấp GIS: cung cấp các phần mềm, cập nhật phần mềm, phƣơng pháp nâng cấp cho
hệ thống.
Nhà cung cấp dữ liệu: là các cơ quan nhà nƣớc hay tƣ nhân cung cấp các dữ liệu sửa đổi từ
nhà nƣớc.
Ngƣời phát triển ứng dụng: là những lập trình viên, họ xây dựng giao diện ngƣời dùng, giảm
khó khăn các thao tác cụ thể trên hệ thống GIS...
Chuyên viên phân tích hệ thống GIS: là nhóm ngƣời chuyên nghiên cứu thiết kế hệ thống,
đƣợc đào tạo chuyên nghiệp có trách nhiệm xác định các mục tiêu của hệ GIS trong cơ
quan, hiệu chỉnh hệ thống, đề xuất kỹ thuật phân tích đúng đắn...
5.2. Dữ liệu
Dữ liệu thống kê gắn theo các hiện tƣợng tự nhiên với những mức độ chính xác khác nhau. Hệ
thống thƣớc đo của chúng bao gồm các biến tên, số thứ tự, khoảng và tỉ lệ. Trong đó:
Biến tên: những biến chỉ có tên, không theo một trật tự nào cả, ví dụ nhƣ các loại đất (công
viên, vùng dân cƣ, đất công nghiệp...) , loại cây trồng (ngô, khoai, sắn)...
Biến thứ tự là danh sách các lớp rời rạc nhƣng có trật tự nhƣ trình độ học vấn (tiểu học,
trung học, đại học, sau đại học), độ lớn (nhỏ, trung bình, lớn)... các giá trị ở đây chỉ là phản
ánh một cách tƣơng đối không chính xác số lƣợng vì vậy không thể thực hiện các phép tính
toán đƣợc.
Biến khoảng cũng có trình tự tự nhiên nhƣng khoảng cách của chúng có ý nghĩa nhƣ nhiệt
độ, diện tích.
Biến tỷ lệ có cùng đạc tính nhƣ biến khoảng nhƣng chúng có giá trị 0 tự nhiên hay điểm bắt
đầu nhƣ lƣợng mƣa, dân số.
Ngoài bốn loại dữ liệu trên GIS còn phân chia dữ liệu thành hai lớp khác nhau là không gian và
phi không gian.Ví dụ nhƣ nhà hát lớn Hải Phòng, giá trị cặp kinh độ, vĩ độ là dữ liệu không gian
11
dạng đơn giản nhất và các thông tin khác nhƣ khối lƣợng khí lƣu thông, kết cấu thép... là dữ liệu
thuộc tính hay phi không gian. Mỗi hệ GIS đều có kết nối giữa hai loại dữ liệu này.
Hệ GIS cần phải hiểu đƣợc dữ liệu trong các khuôn mẫu khác nhau không chỉ riêng khuôn dữ
liệu triêng của hệ thống. Ví dụ nhƣ đƣờng biên bản đồ có thể trong khuôn mẫu tệp DXF của
AutoCad hay BNA của AtlasGis. Thông thƣờng, GIS hiểu ngay khuôn mẫu DXF mà không cần sửa
đổi đồng thời GIS phải hiểu ngay khuôn mẫu DBF của các thuộc tính đƣợc lƣu trữ kèm theo. Phần
mềm GIS lý tƣởng đọc đƣợc các dữ liệu raster (DEN, GIFF, TIFF, JPEG, EPS) và khuôn mẫu vectơ
(TIGER, HPGL, DXF, DLG, Postscript) một số phần mềm GIS chỉ có chức năng nhập dữ liệu vào
các cấu trúc dữ liệu đơn giản nhƣ cấu trúc thực thể, cấu trúc tô pô. Với dữ liệu ba chiều, phần lớn
phần mềm GIS trợ giúp lƣới tam giác không đều (TIN), một số khác trợ giúp cấu trúc raster trên cơ
sở lƣới bao vây và cây tứ phân, số còn lại xây dựng một khuôn mẫu riêng cho mình tùy vào nhà sản
xuất phầm mềm nhƣng thƣờng là theo khuôn mẫu chuẩn quốc gia, quốc tế nhƣ SDTS (Spatial Data
Transfer Santard) hay DIGEST.
5.3. Phần mềm
Một hệ thống GIS bao gồm nhiều môdun phần mềm. Khả năng lƣu trữ, quản lý dữ liệu không
gian bằng hệ quản trị CSDL địa lý là khía cạnh quan trọng nhất của GIS. Một phần mềm xử lý GIS
tốt phải cung cấp cho ngƣời sử dụng các công cụ quản lý, phân tích không gian dễ dàng, chính xác.
Thu thập
dữ liệu
Giao
diện
ngƣời
Quản trị
CSDL địa lý
Phân tích
không
gian
Chuyển
đổi dữ
liệu
Hiển thị,
báo cáo,
thống kê
Hình 1.3: Phần mềm GIS
5.4. Phần cứng
GIS đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt nhƣ bàn số hóa, máy vẽ, máy quét ảnh vào/ra. Các
thiết bị có thể đƣợc nối với nhau thông quan thiết bị truyền tin hay mạng cục bộ.
5.5. Giao diện ngƣời dùng
Giao diện đồ họa cho phép ngƣời dùng dễ dàng thực hiện các theo tác địa lý và các thao tác
khác nhƣ truy nhập CSDL, làm báo cáo...
12
6. Chức năng của hệ thống thông tin địa lý
Các chức năng của GIS có thể chia làm năm loại nhƣ sau:
Thu thập dữ liệu.
Xử lý sơ bộ dữ liệu.
Lƣu trữ và tuy nhập dữ liệu.
Tìm kiếm và phân tích không gian
Hiển thị đồ họa và tƣơng tác.
Sức mạnh của hệ thống GIS khác nhau là khác nhau, kỹ thuật xây dựng các chức năng trên
cũng rất khác nhau. Hình 1.4 mô tả quan hệ giữa các nhóm chức năng và cách biểu diễn thông tin
khác nhau của GIS.
Hiện tƣợng
quan sát
Tài liệu, bản
đồ giấy
Thu thập
dữ liệu
Thiết bị
hiển thị
Dữ liệu thô
CSDL
Lƣu trữ và
khai thác
Xử lý sơ bộ
dữ liệu thô
Hiển thị và
tƣơng tác
Dữ liệu có
cấu trúc
Tìm kiếm và
phân tích
Hình 1.4: Các nhóm chức năng của GIS
6.1. Thu thập dữ liệu
Thu thập dữ liệu là quá trình thu nhận dữ liệu theo khuôn mẫu áp dụng đƣợc cho GIS. Mức độ
đơn giản nhất của thu thập dữ liệu là chuyển đổi khuôn mẫu dữ liệu có sẵn từ bên ngoài. Tong
trƣờng hợp này GIS phải có môdun chƣơng trình hiểu đƣợc các khuôn mẫu dữ liệu chuẩn nhƣ
DLG, DXF hay các dữ liệu đầu ra của GIS nhƣ Mapinfor, Arc Info, MapObject... GIS còn phải có
13
khả năng nhập các ảnh bản đồ trong khuôn mẫu GIFF, JPEG... Trên thực tế nhiều kĩ thuật trắc
đặc đƣợc áp dụng để thu thập dữ liệu nhƣ qua vệ tinh, máy bay, số hóa những bản đồ giấy...
Phần lớn dữ liệu không gian là các bản đồ giấy, GIS phải số hóa chúng mới sử dụng đƣợc, trình
tự số hóa bao gồm:
Mã hóa dữ liệu: là tiến trình gắn thuộc tính của đặc trƣng vào toàn bộ đối tƣợng hình học
trên bản đồ, chúng có thể là điểm, đƣờng, vùng... công việc này thƣờng đƣợc thực hiên qua
nhập bàn phím.
Kiểm chứng và sửa lỗi là so sánh hình vẽ từ dữ liệu số hóa với tài liệu nguồn. Phải đảm bảo
mọi đặc trƣng trên bản đồ đƣợc số hóa với độ chính xác cần thiết.
Nhìn chung công việc thu thập dữ liệu là nhiệm vụ khó khăn và nặng nề nhất trong quá tình
xay dựng một ứng dụng GIS.
6.2. Xử lý dữ liệu thô
Hai khía cạnh chính của xử lý dữ liệu thô bao gồm:
Phát sinh dữ liệu có cấu trúc tôpô.
Với dữ liệu ảnh vệ tinh thì phải phân lớp các đặc trƣng trong ảnh thành các hiện tƣợng quan
tâm.
Mô hình quan niệm của thông tin không gian bao gồm mô hình hƣớng đối tƣợng, mạng và bề
mặt. Quá trình phân tích trên cơ sở khác nhau đòi hỏi dữ liệu phải đƣợc biểu diễn và tổ chức cho
phù hợp. Điều này đòi hỏi không chỉ chức năng tọa lập mô hình dữ liệu vectơ có cấu trúc tôpô và
mô hình dữ liệu raster, mà còn có khả năng thay đổi cách biểu diễn, thay đổi phân lớp và sơ đồ
mẫu, làm đơn giản háo hay tổng quát hóa dữ liệu, biến đổi giữa hệ thống trục tọa độ khác nhau và
biến đổi các phép chiếu bản đồ.
Một số công cụ phân tích của GIS phụ thuộc chặt chẽ vào mô hình dữ liệu raster, do vậy nó đòi
hỏi quá trình biến đồi mô hình dữ liệu vectơ sang raster, hay raster hóa. Biến đổi từ raster sang mô
hình vectơ, hay vectơ hóa, đặc biệt cần thiết khi tự động quét ảnh. Raster hóa là tiến trình chia
đƣờng hay cùng thành các tế bào. Ngƣợc lại, vectơ hóa là tập hợp các tế bào (pixel) lại thành đƣờng
hay vùng. Khi so sánh dữ liệu từ các nguồn khác nhau, vấn đề chung nảy sinh là sử dụng hai hay
nhiều phân lớp hay sơ đồ mã hóa cho cùng hiện tƣợng. Để nhận ra các khía cạnh khác nhau của
hiện tƣợng với dữ liệu có mức độ chi tiết khác nhau, cần phải có tiến trình xấp xỉ hóa hay đơn giản
hóa để biến đổi về cùng một sơ đồ. Một vấn đề nữa nảy sinh khi tích hợp dữ liệu bản đồ là hệ thống
tọa độ của chúng đƣợc đo vẽ trên cơ sở nhiều phép chiếu bản đồ khác nhau. Các dữ liệu không thể
tích hợp trên cùng bản đồ nếu không biến đổi chúng về cùng hệ trục tọa độ nên phải đƣa chúng
cùng về một hệ tạo độ địa lý.
6.3. Lƣu trữ và truy cập dữ liệu
14
Chức năng lƣu trữ dữ liệu trong GIS liên quan đến tạo lập CSDL không gian. Nội dung của
CSDL này có thể tổ hợp dữ liệu vectơ và/hoặc, dữ liệu raster, dữ liệu thuộc tính để nhận danh hiện
tƣợng tham chiếu không gian. Thông thƣờng dữ liệu thuộc tính của GIS trên cơ sở đối tƣợng đƣợc
lƣu trong bảng, chúng chửa chỉ danh duy nhất, tƣơng ứng với đối tƣợng không gian, kèm theo rất
nhiều mục dữ liệu thuộc tính khác nhau. Chỉ danh đối tƣợng không gian duy nhất đƣợc dùng để liên
kết giữa dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian tƣơng ứng. Đôi khi mục dữ liệu trong bảng thuộc
tính bao gồm cả giá trị không gian nhƣ độ dài đƣờng, diện tích vùng mà chúng đã đƣợc dẫn xuất từ
biểu diễn dữ liệu hình học. Ví dụ dƣới đây là về dữ liệu đất:
s1
ID
P1
P2
P3
...
Số hiệu
123
Chủ đất
Thành
Đạt
Thời gian
1982
1988
1953
...
s7
P1
P2
P3
s2
s5
s3
523
s8
642
Nghĩa
...
s4
...
P4
P5
dữ
liệu phi không gian
ID
P1
P2
P3
...
Đoạn thẳng
S1s2, s2s5
ID
Tọa độ đoạn thẳng
(x1,y1) (x2, y2); (x2,y2) (x5, y5)
....
P1
P2
P3
...
S1s2, s2s4, s4s3,s3s7
S3s7,s3s8
...
....
...
dữ liệu hình học (không gian)
Hình 1.5: Liên kết dữ liệu không gian và phi không gian
Trong mô hình dữ liệu raster thì các tệp thuộc tính thông thƣờng chứa dữ liệu liên quan tới hiện
tƣợng tự nhiên thay cho đối tƣợng rời rạc. Việc lựa chọn mô hình raster hay vectơ để tổ chức dữ
liệu không gian đƣợc thực hiện khi thu thập dữ liệu vì mỗi mô hình tƣơng ứng với cách tiếp cận, mô
tả thông tin khác nhau. Tuy nhiên rất nhiều CSDL của GIS cho khả năng quản trị cả hai mô hình
không gian nói trên, khi xây đựng CSDL không gian thì cần thiết phải liên kết bảng dữ liệu liên
quan đến hiện tƣợng tự nhiên tƣơng ứng.
Công nghệ CSDL truyền thống không thích hợp để quản lý dữ liệu địa lý. Một số hệ thống GIS
xây dựng CSDL dựa trên tổ hợp các mô hình:
Mô hình quan hệ quản lý thuộc tính phi hình học.
Lƣợc đồ chuyên dụng, phi quan hệ để lƣu trữ, xử lý dữ liệu không gian.
Một số khác lợi dụng các phƣợng tiện của lƣợc đồ lƣu trữ CSDL quan hệ để quản lý cả hai lại
dữ liệu: hình học và phi hình học song tƣơng đối khó khăn, phức tạp.
15
Phƣơng tiện truy nhập trong CSDL GIS cần bao gồm cả phƣơng tiện có sẵn của CSDL quan
hệ chuẩn để truy vấn tới một thuộc tính của đối tƣợng nào đó, thông tin của đối tƣợng trong khoảng
nào đó... Đặc biệt trong CSDL GIS là khả năng xác định dữ liệu theo vị trí và theo các quan niệm
không gian, đây là nền tảng quá trình xâm nhập CSDl của hệ GIS.
6.4. Tìm kiếm và phân tích không gian
Đây là chức năng đóng vai trò rất quan trọng trong GIS. Nó tạo nên sức mạnh thực sự của GIS
so với các phƣơng pháp khác. Tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian giúp tìm ra những đối
tƣợng đồ hoạ theo các điều kiện đặt ra hay hỗ trợ việc ra quyết định của ngƣời dùng GIS. Có rất
nhiều các phƣơng pháp tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian, các phƣơng pháp khác nhau
thƣờng tạo ra các ứng dụng GIS khác nhau. Sau đây là một số phƣơng pháp đƣợc dùng phổ biến
nhất:
Tìm kiếm dữ liệu trong vùng không gian (Buffer)
Buffer đƣợc sử dụng trong việc xác định các đối tƣợng xung quanh một hay nhiều các điểm
mốc. Quá trình thực hiện bao gồm việc tạo ra một vùng đệm quanh các điểm mốc đó và sau đó xác
định các đối tƣợng căn cứ vào vị trí của chúng so với vùng đệm này. Một bài toán rất điển hình cho
phƣơng pháp Buffer này là bài toán về “Nhà máy hoá chất và các bệnh viện”. Mục đích của bài toán
là xác định các vị trí thuận tiện nhất trên bản đồ cho việc di dời các bệnh viện trong trƣờng hợp nhà
máy hoá chất gặp sự cố. Các nhà máy hoá chất và bệnh viện đƣợc biểu diễn trên bản đồ bằng các
đối tƣợng điểm. Mỗi nhà máy bao gồm các thông tin chi tiết về loại hoá chất sản xuất và mức độ
phát tán chất độc ra môi trƣờng trong các điều kiện thời tiết khác nhau. Khi có sự cố, vùng nguy
hiểm cần di dời sẽ đƣợc thể hiện trên bản đồ. Từ đó, chúng ta có thể biết đƣợc nên chuyển bệnh
viện đến vùng nào là an toàn và thuận tiện nhất.
Tìm kiếm theo địa chỉ (Geocoding)
Một đối tƣợng trên bản đồ bao giờ cũng đƣợc biểu diễn bằng một kiểu dữ liệu đồ hoạ. Phần đồ
hoạ này có thể thu đƣợc bằng cách số hoá hay quét ảnh bản đồ. Tuy nhiên, khi ta đã có bản đồ (bản
đồ số), chúng ta cũng có thể xác định đƣợc phần đồ hoạ biểu diễn đối tƣợng hay là vị trí, hình dạng
của đối tƣợng thông qua các dữ liệu mô tả vị trí của nó ví dụ: số nhà, tên đƣờng, tên quận…
Geocoding (hay address matching) là một tiến trình nhằm xác định các đối tƣợng trên cơ sở mô
tả vị trí của chúng. Đây là một kỹ thuật rất nổi tiếng, có mặt trong rất nhiều ứng dung của GIS.
Ngƣời ta gọi một geocoding service là quá trình chuyển đổi toàn bộ mô tả thuộc tính về vị trí sang
mô tả không gian. Để tìm đƣợc vị trí thông qua địa chỉ, geocoding service phải tham chiếu đến ít
nhất một nguồn dữ liệu bao gồm cả thông tin về địa chỉ (thuộc tính) và thông tin không gian (vị trí,
hình dạng). Dữ liệu này đƣợc gọi là dữ liệu tham chiếu. Các geocoding service có thể thao tác trên
nhiều kiểu dữ liệu tham chiếu khác nhau.
Sau khi đã geocoding dữ liệu tham chiếu (tức là ánh xạ mô tả thuộc tính vào mô tả không gian)
ta có thể nhập địa chỉ của đối tƣợng cần tìm. Quy trình xử lý trải qua các bƣớc sau:
16
Chuẩn hoá giá trị địa chỉ vừa nhập vào bằng cách tách nó thành các thành phần địa chỉ
nhỏ.
Geocoding service sau đó sẽ tìm trong nguồn dữ liệu tham chiếu để xác định các đối
tƣợng có các thành phần địa chỉ tƣơng ứng với dữ liệu nhập vào.
Tập kết quả trả về sẽ đƣợc gán các trọng số (điểm) để tìm ra kết quả gần đúng nhất.
Geocoding service sẽ đánh dấu đối tƣợng vừa đƣợc tìm thấy trên bản đồ bằng một đối
tƣợng đồ hoạ.
Phân tích mạng (Networks)
Networks là kỹ thuật đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong giao thông, phân phối hàng hoá và dịch
vụ, vận chuyển nƣớc hay xăng dầu trong các đƣờng ống dài… Trong GIS, networks đƣợc mô hình
dƣới dạng các đồ thị một chiều hay mạng hình học. Mạng hình học này bao gồm các đối tƣợng đang
đƣợc hiển thị trên bản đồ, mỗi đối tƣợng đóng vai trò là cạnh hoặc nút trong mạng.
Trong GIS để thiết lập nên mối quan hệ giữa nút - cạnh và cạnh - cạnh ta cần tạo các tôpô cho
cơ sở dữ liệu. Tôpô đƣợc hiểu là mối quan giữa các đối tƣợng trong bảng dữ liệu. Quan hệ tôpô
giữa các đối tƣợng gần giống quan hệ relationship giữa các bảng. Chúng ta có hai kiểu luật liên kết
là nút - cạnh và cạnh - cạnh. Nút - cạnh là luật liên kết đƣợc thiết lập giữa một nút của đối tƣợng A
với một cạnh của đối tƣợng B. Cạnh - cạnh là luật liên kết giữa một cạnh của đối tƣợng A và một
cạnh của đối tƣợng B qua một tập các nút. Khi đã tạo tôpô và xác lập luật liên kết, một mạng lôgic
đã đƣợc hình thành. Lúc này ta có thể áp dụng các thuật toán về mạng để giải quyết các bài toán đặt
ra.
Phủ chùm hay chồng bản đồ (Overlay)
Overlay là quá trình chồng khít hai lớp dữ liệu bản đồ với nhau để tạo ra một lớp bản đồ mới.
Đây là kỹ thuật khó nhất và cũng là mạnh nhất của GIS. Overlay cho phép ta tích hợp dữ liệu bản
đồ từ hai nguồn dữ liệu khác nhau. Điều này tƣơng tự nhƣ việc nhân hai ma trận để tạo ra một ma
trận mới, truy vấn hai bảng cơ sở dữ liệu để tạo ra bảng mới, với overlay là gộp hai lớp trên bản đồ
để tạo ra bản đồ mới. Overlay thực hiện điều này bằng cách kết hợp thông tin một lớp này với một
lớp khác để lấy ra dữ liệu thuộc tính từ một trong hai lớp. Ngƣời ta chia overlay thành ba dạng phân
tích khác nhau:
Point-in-polygon: chồng khít hai lớp point và polygon, đầu ra là lớp point
Line-in-polygon: chồng khít hai lớp line và polygon, đầu ra là lớp line.
Polygon-in-polygon: chồng khít hai lớp polygon và polygon, đầu ra là lớp polygon.
Hai lớp đƣa vào overlay phải có sự thống nhất với nhau. Thống nhất về hệ quy chiếu, thống nhất
về tỷ lệ, có đƣợc điều kiện này ta mới tiến hành overlay đƣợc. Quá trình overlay thƣờng đƣợc tiến
hành qua 2 bƣớc: Xác định tọa độ các giao điểm và tiến hành chồng khít hai lớp bản đồ tại giao
điểm này và kết hợp dữ liệu không gian, thuộc tính của hai lớp bản đồ. Các phép toán overlay bao
gồm: phép hợp (Union), phép giao (Intersect) và phép đồng nhất (Identity).
17
Phân tích biên (Boundary)
Phân tích đƣờng biên của các đối tƣợng nhƣ giao điểm, đôi khi việc xác định giao điểm giúp
cho việc sửa lỗi song xác định giao điểm giữa các biên là khá khó khăn.
Tìm kiếm trong khoảng cận kề (Proximity): có 3 phƣơng pháp.
Phƣơng pháp thứ nhất đƣợc xem nhƣ mở rộng của tìm kiếm dữ liệu trong vùng, trong đó vùng
tìm kiếm đƣợc xác định bởi xấp xỉ tới hiện tƣợng có sẵn. Việc tìm kiếm này đƣợc thực hiện trong
vùng tạo bởi mở rộng đối tƣợng cho trƣớc theo một khoảng cách cho trƣớc. Trong GIS vùng này
đƣợc gọi là vùng đệm, nó đƣợc xây dựng xung quanh đối tƣợng điểm, đối tƣợng đƣờng hay đối
tƣợng vùng.
Phƣơng pháp thứ hai của tìm kiếm cận kề là tìm ra các vùng nối trực tiếp với đối tƣợng xác
định trƣớc, chẳng hạn nhƣ tìm các mảnh đất liền kề với mảnh đất sẽ xây dựng nhà máy.
Phƣơng pháp thứ ba của tìm kiếm cận kề xảy ra khi cần phải tìm kiếm những vùng gần nhất tới
tập các vị trí mẫu phân tán không đều. Các mẫu thƣờng là các điểm. Tìm kiếm này thực hiện bằng
cách tạo lập đa giác Thiessen, nó xác định các vùng xung quanh mỗi điểm mà gần điểm này hơn
mọi điểm khác. Sơ đồ đa giác Thiessen còn đƣợc gọi là sơ đồ Voronoi, chúng đƣợc sử dụng để lập
ra bản đồ sử dụng từ các mẫu đất cách biệt.
6.5. Hiển thị đồ họa và tƣơng tác
Tầm quan trọng bản chất không gian của thông tin địa lý là đặc tả truy vấn và báo cáo kết quả
là nhờ sử dụng bản đồ. Do vậy các chức năng lập bản đồ thƣờng thấy ở trong GIS. Các chức năng
này đƣợc thể hiện bằng thực đơn nhƣ trong các trình vẽ bản đồ không phải là GIS thực thụ, để xác
định màu, kiểu, mẫu của điểm, đƣờng, vùng. Chúng có khả năng trang trí bản đồ bằng xâu kí tự,
chú giải với các thuộc tính khác nhau nhƣ loại, cỡ phông, hƣớng vẽ. Nhiều hệ GIS còn có khả năng
biến đổi và vẽ theo các phép chiếu bản đồ khác nhau. Gần đây, biểu đồ diện tích đƣợc quan tâm
nhiều đến để hiển thị dữ liệu. Trong đó, kích thƣớc đặc trƣng bản đồ đƣợc biến đổi tƣơng ứng với
các biến thuộc tính nhƣ mật độ dân số hay thu nhập. Kỹ thuật hiển thị khác giúp hiểu dễ dàng một
số loại dữ liệu bằng thay đổi độ đâm nhạt hay sắc tố màu thay vì mô tả chính xác các đƣờng biên.
Biểu diễn thay đổi thời gian trên bản đồ cũng là nhu cầu thực tế, đôi khi chúng đƣợc đánh dấu trên
cùng một bản đồ trong các thời điểm khác nhau và liên kết chúng bằng mũi tên. Các hệ GIS mới
thƣờng cố gắng xây dựng cơ chế phát sinh bản đồ hoạt ảnh, trong đó bản đồ tự thực hiện thay đổi
sau khoảng thời gian ngắn. Một khả năng khác của GIS là khả năng hiển thị bản đồ 3D từ các điểm
quan sát khác nhau, hiển thị 3D cho khả năng hiểu biết về bản chất của hiện tƣợng khi nghiên cứu
thay đổi bề mặt địa hình.
Câu hỏi ôn tập.
1. Định nghĩa GIS. Các thành phần của GIS.
2. Nêu các chức năng của GIS.
18
CHƢƠNG 2
HỆ THỐNG THAM CHIẾU KHÔNG GIAN
Hình 2.1. Tọa độ cầu
Vị trí của vật thể trong không gian đều phải gắn liền với
một hệ toạ độ. Trong GIS, để biểu diễn dữ liệu không gian
ngƣời ta thƣờng dùng 2 hệ toạ độ là: hệ toạ độ địa lý và hệ toạ
độ quy chiếu. Hệ toạ độ địa lý là hệ toạ độ lấy mặt cầu ba chiều
bao quanh trái đất làm cơ sở. Một điểm đƣợc xác định bằng
kinh độ và vĩ độ của nó trên mặt cầu. Hệ toạ độ quy chiếu là hệ
toạ độ hai chiều thu đƣợc bằng cách chiếu dữ liệu bản đồ nằm
trên hệ toạ độ địa lý về một mặt phẳng.
1. Hệ toạ độ địa lý
Hệ tọa độ địa lý sử dụng bề mặt hình cầu để xác định vị trí của một điểm trên trái đất. Đơn vị
đo của hệ là độ.
Vì đây là hệ tọa độ gắn liền với trục trái đất nên để xác định vị trí của đối tƣợng ngƣời ta chia
bề mặt trái đất thành các đƣờng kinh tuyến và vĩ tuyến. Kinh tuyến là các đƣờng cong cách đều
nhau chạy qua hai điểm cực Bắc và Nam, vĩ tuyến là các đƣờng tròn song song có tâm nằm trên trục
của trái đất. Giao điểm giữa kinh tuyến và vĩ tuyến tạo thành các ô lƣới. Trong số các kinh tuyến và
vĩ tuyến có hai đƣờng quan trọng nhất đƣợc lấy làm gốc toạ độ đó là: đƣờng xích đạo và kinh tuyến
chạy qua vùng Greenland nƣớc Anh. Giao điểm giữa hai đƣờng này là gốc toạ độ. Hai đƣờng này
cũng đồng thời chia trái đất làm 4 phần bằng nhau: nửa Bắc và Nam nằm phía trên và dƣới của
đƣờng xích đạo; nửa Đông và Tây nằm ở phía bên phải và trái của kinh tuyến gốc.
Một điểm nằm trên mặt cầu sẽ có hai giá trị toạ độ là kinh độ và vĩ độ đƣợc xác định nhƣ trong
hình vẽ trên. Giá trị này có thể đƣợc đo bằng độ theo cơ số 10 hoặc theo độ, phút, giây.
Miền giá trị của vĩ độ: -900 900
Miền giá trị của kinh độ: -1800 1800
Chỉ trên đƣờng xích đạo thì khoảng cách một độ của vĩ tuyến mới bằng khoảng cách một độ
trên kinh tuyến. Trên các vĩ tuyến khác khoảng cách này khác nhau rất nhiều. Ngƣời ta tính rằng
một độ trên kinh tuyến dài khoảng 111,321 km trong khi 600 trên vĩ tuyến chỉ có độ dài 55,802 km.
Chính vì sự khác nhau này nên ta không thể đo chính xác đƣợc chiều dài và diện tích của đối tƣợng
khi dữ liệu bản đồ đƣợc chiếu lên mặt phẳng.
Trong hệ toạ độ địa lý có hai bề mặt hình cầu đƣợc sử dụng đó là: mặt cầu (tuyệt đối) và mặt
Ellipsoid. Vì bề mặt của trái đất của ta không phải là hình cầu tuyệt đối mà nó gần với hình
Ellipsoid nên mặt Ellipsoid thƣờng đƣợc dùng để biểu diễn. Tuy nhiên đôi khi ngƣời ta cũng sử
dụng mặt cầu để công việc tính toán dễ dàng hơn. Khi tỷ lệ bản đồ rất nhỏ (nhỏ hơn 1:5000.000), ở
tỷ lệ này sự khác biệt giữa dữ liệu biểu diễn bằng mặt cầu và mặt Ellipsoid là không thể phân biệt
19
đƣợc bằng mắt thƣờng. Lúc này, mặt cầu đƣợc dùng. Nhƣng khi tỷ lệ lớn hơn 1:1.000.000 thì
ngƣời ta cần thiết phải dùng mặt Ellipsoid để đảm bảo độ chính xác. Do đó, việc lựa chọn mặt cầu
hay mặt Ellipsoid phụ thuộc vào mục đích của bản đồ và độ chính xác dữ liệu.
Nếu mặt cầu dựa trên hình tròn thì mặt Ellipsoid lại có cơ sở là hình Ellip. Hình Ellip đƣợc xác
định bởi hai bán trục mà ta hay gọi là: bán trục lớn và bán trục nhỏ. Ta cho Ellip xoay quanh bán
trục nhỏ ta sẽ thu đƣợc hình Ellipsoid.
Kích thƣớc và hình dạng của Ellipsoid đƣợc xác định bởi bán trục lớn a và bán trục nhỏ b, hay bởi a
và hệ số dẹt f = (a - b) / a. Vì hệ số f rất nhỏ nên ngƣời ta thƣờng dùng giá trị 1/f (l: bán kính xích
đạo, f: bán kính cực).
2. Hệ toạ độ quy chiếu
Để thuận tiện cho sử dụng ngƣời ta phải nghiên cứu cách thể hiện bề mặt trái đất lên trên mặt
phẳng của bản đồ. Do đó phải thực hiện phép chiếu bề mặt cong của trái đất lên mặt phẳng và hệ
toạ độ quy chiếu ra đời. Hệ toạ độ này luôn lấy hệ toạ độ địa lý làm cơ sở.
Hệ toạ độ quy chiếu đƣợc đặc trƣng bởi hai trục X, Y theo phƣơng ngang và thẳng đứng. Gốc
toạ độ là giao điểm của hai trục này. Hai trục giao nhau đồng thời chia mặt phẳng làm 4 phần tƣơng
ứng với 4 phần trong hệ toạ độ địa lý. Một điểm trên mặt đƣợc xác định đƣợc xác định bởi cặp giá
trị (x, y).
Có rất nhiều phép chiếu bề mặt cong của trái đất lên mặt phẳng song về cơ bản ta có thể hiểu
nhƣ sau. Lấy một mảnh bìa cuộn xung quanh bề mặt cầu trong hệ toạ độ địa lý theo một hình trụ
đứng. Từ tâm của bề mặt cong ta vẽ các tia cắt các điểm giao giữa kinh tuyến và vĩ tuyến, đồng thời
kéo dài cắt mặt trụ. Thực chất của việc này là chiếu các ô lƣới lên bề mặt phẳng. Mở tờ bìa ra ta có
kết quả của phép chiếu. Nhìn vào tấm bìa ta nhận thấy, các ô lƣới đã thay đổi khá nhiều (biến dạng),
co lại hoặc dãn ra. Càng xa đƣờng xích đạo thì sự biến dạng càng lớn. Điều này gây nên sự thay đổi
về hình dạng, kích thƣớc, khoảng cách của dữ liệu không gian. Sau đó ngƣời ta dùng các công thức
toán học để tƣơng ứng toạ độ của bề mặt cong lên toạ độ mặt phẳng chiếu. Các phép chiếu khác
nhau gây ra các biến dạng bản đồ khác nhau nên việc sử dụng phép chiếu nào là dựa vào mục đích
của bản đồ và độ chính xác của dữ liệu.
3. Các phép chiếu cơ bản
Trong phần này ta sẽ tìm hiểu ba phép chiếu cơ bản và thƣờng đƣợc sử dụng nhất đó là phép
chiếu với mặt chiếu: mặt hình nón, mặt hình trụ và mặt phẳng phương vị. Bƣớc đầu tiên khi tiến
hành phép chiếu này là tạo ra một hay một tập các điểm tiếp xúc. Các điểm tiếp xúc này đƣợc gọi là
các tiếp điểm hay là tiếp tuyến. Các điểm này có vai trò rất quan trọng, vì độ biến dạng của phép
chiếu trên những điểm này bằng không. Độ biến dạng sẽ tăng khi khoảng cách giữa điểm chiếu và
điểm tiếp xúc tăng.
Mặt hình nón
20
Để thực hiện phép chiếu này ngƣời ta cho dùng một mặt hình nón “úp” lên bề mặt cầu.
Đƣờng thẳng tiếp xúc giữa mặt nón và mặt cầu là một vĩ tuyến và đƣợc gọi là vĩ tuyến chuẩn. Các
đƣờng kinh tuyến sau khi chiếu mặt nón sẽ thành những đƣờng thẳng đứng, các đƣờng vĩ tuyến sẽ
tạo thành những đƣờng tròn. Sau khi thực hiện phép chiếu, ngƣời ta sẽ cắt hình nón dọc theo một
kinh tuyến bất kỳ, lúc này ta sẽ đƣợc kết quả của phép chiếu trên bề mặt nón. Sự giao nhau giữa
những đƣờng thẳng và cung tròn sẽ tạo nên một mặt lƣới. Đƣờng thẳng đối diện với đƣờng cắt đƣợc
gọi là kinh tuyến trung tâm. Càng xa vĩ tuyến chuẩn độ biến dạng càng tăng. Do đó để tăng độ chính
xác ngƣời ta cắt bỏ phần đỉnh của mặt nón hay ta không tiến hành chiếu lên vùng này. Phép chiếu
này thƣờng đƣợc dùng cho việc chiếu các vùng có các vĩ tuyến trung bình chạy qua và hƣớng theo
chiều đông - tây.
Mặt hình trụ
Giống nhƣ phép chiếu mặt nón, phép chiếu này cũng có một đƣờng thẳng tiếp tuyến. Khi sử
dụng mặt trụ, ngƣời ta phân làm 3 loại tuỳ thuộc vào vị trí tƣơng đối của mặt trụ so với mặt cầu:
Hình trụ đƣợc đặt theo phƣơng thẳng đứng và tiếp xúc với mặt cầu theo một vĩ tuyến,
thƣờng là đƣờng xích đạo. Gọi là phép chiếu Mercator.
Hình trụ đƣợc đặt theo phƣơng nằm ngang, đƣờng thẳng tiếp xúc là một kinh tuyến. Gọi là
phép chiếu Transverse.
Hình trụ đặt xiên và tiếp xúc với mặt cầu theo một đƣờng tròn có bán kính lớn nhất (bằng
với bán kính đƣờng xính đạo). Gọi là phép chiếu Oblique.
Phép chiếu thƣờng đƣợc sử dụng nhất là Mercator. Trong phép chiếu này, các đƣờng kinh tuyến
sẽ đƣợc chiếu thành những đƣờng thẳng đứng cách đều nhau, các đƣờng vĩ tuyến sẽ trở thành
những đƣờng nằm ngang khoảng cách không đều nhau; tăng dần về phía hai cực. Do đó biến dạng
sẽ tăng dần về phía hai cực. Sau khi thực hiện phép chiếu, ngƣời ta sẽ cắt mặt hình trụ dọc theo một
kinh tuyến, trải ra trên mặt phẳng ta sẽ thu đƣợc kết quả.
Mặt phẳng phƣơng vị
Đây là phép chiếu dữ liệu bản đồ lên một mặt phẳng tiếp xúc với mặt cầu. Điểm tiếp xúc này có
thể là: nằm tại hai cực, tại đƣờng xích đạo, hoặc tại một vị trí bất kỳ nằm giữa. Vị trí của điểm tiếp
xúc cho ta biết vị trí tƣơng đối của mặt phẳng chiếu với mặt cầu và tạo nên ba kiểu chiếu khác nhau:
polar, equatorial và oblique.
Mặt phẳng chiếu tiếp xúc với cực của mặt cầu là kiểu chiếu đơn giản nhất và cũng hay dùng
nhất. Trong phép chiếu này, các đƣờng kinh tuyến sẽ đƣợc chiếu thành một chùm đƣờng thẳng giao
nhau ở điểm cực, vĩ tuyến là các đƣờng tròn có cùng tâm là cực của mặt cầu. Góc giữa các đƣờng
kinh tuyến đƣợc bảo tồn.
3.1. Hệ thống phép chiếu UTM (Universal Transverse Mercator)
Có nguồn gốc từ phép chiếu Mercator ngang và thƣờng đƣợc dùng để đo vẽ bản đồ có độ chính
xác cao.
Tải về để xem bản đầy đủ
49 trang
04/05/2022
6120
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Các hệ thống thông tin số", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_cac_he_thong_thong_tin_so.pdf
