TỔNG QUAN về cơ sở dữ LIỆU GIS

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 9

1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 9

1.1 Giới thiệu 9

1.2 Thông tin địa lý 9

1.3 Hệ thống thông tin địa lý 9

1.4 Khoa học thông tin địa lý 11

1.5 Các thành phần của GIS 12

2. CHỨC NĂNG CỦA GIS 13

2.1 Thu thập dữ liệu 13

2.2 Lưu trữ dữ liệu 14

2.3 Phân tích dữ liệu 14

2.4 Hiển thị dữ liệu 15

3. ỨNG DỤNG CỦA GIS 15

4. DỮ LIỆU GIS 17

5. THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐỊA LÝ 20

5.1 Thu thập dữ liệu địa lý 20

5.2 Nhập dữ liệu từ bản đồ giấy 20

5.3 Chuyển đổi cấu trúc dữ liệu 21

5.4 Tiền xử lý dữ liệu bản đồ vector
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ
1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1 Giới thiệu
Hệ thống thông tin địa lý (GIS: Geographics Information System) bắt đàu
thâm nhập vào Việt Nam qua các dự án hợp tác quốc tế từ những năm cuối thập
niên 80 của thế kỷ XX. Tuy nhiên, cho đến giữa thập niên 90, GIS mới có cơ hội
phát triển tại Việt Nam, đây là một lĩnh vực mới.
Hiện nay nhiều cơ quan nhà nước và doanh nghiệp đã đóng ghóp và đang tiếp cận
công nghệ thông tin địa lý (công nghệ GIS) để giải quyết những bài toán như quản
lý môi trường, tài nguyên, quản lý đô thị và khu dân cư hoặc thực hiện
các bài toán thiết kế quy hoạch sử dụng đất đai, quản lý và thiết kế công trình cơ
sở hạ tầng kỹ thuật, xây dựng chiến lược về thị trường,v.v… Sự phát triển
của
công nghệ thông tin địa lý với nhiều hữu hiệu đã thu hút sự quan tâm của nhiều
người và những áp dụng ngày càng phong phú đa dạng đã tạo điều kiện thuận lợi
cho sự phát triển của khoa học thông tin địa lý (GIScience).
1.2 Thông tin địa lý
Thông tin địa lý là những thông tin về các thực thể tồn tại một vị trí xác
định trên bề mặt Trái Đất ở một thời điểm nào đó. Thông tin địa lý giúp chúng ta
nhận biết được thuộc tính của một thực thể tồn tại ở đâu và vào lúc nào.
1.3 Hệ thống thông tin địa lý
Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống tự động thu thập, lưu trữ, truy
vấn, phân tích và hiển thi dữ liệu không gian (Clarke, 1995).
Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về GIS, xuất phát từ các tiếp cận khác

nhau, các nhà khoa học đã có những định nghĩa khác nhau về GIS.
♣ Xuất phát từ những lĩnh vực khác GIS, những nhà khoa học trong các lĩnh
địa chất, môi trường, tài nguyên, v.v…sử dụng GIS như là công cụ phục vụ cho
nghiên cứu của mình đã định nghĩa GIS:
♣ GIS là một hộp công cụ mạnh được dùng để lưu trữ và truy vấn tùy
ý, biến đổi và hiển thị dữ liệu không gian từ thế giới thực cho những
mục tiêu đặc biệt (Burough, 1986).
♣ Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống có chức năng xử lý các
thông tin địa lý nhằm phục vụ cho việc quy hoạch, trợ giúp quyết
định trong một lĩnh vực chuyên môn nhất định (Pavlidis, 1982).
♣ Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống sử dụng cơ sở dữ liệu để
trả lời các câu hỏi về bản chất địa lý của các thực thể địa lý (Goodchild, 1
985).
♣ Từ những chức năng cần có của một hệ thống thông tin địa lý, một số nhà
khoa học đã định nghĩ
♣
Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống chứa hàng loạt chức năng phức tạp dựa
vào khả năng của máy tính và các toán tử xử lý thông tin không gian (Tomlinson
and Boy, 1981; Dangemond, 1983).
♣ Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống tự động thu thập và lưu
trữ, truy vấn, phân tích dữ liệu không gian (Clarke, 1995).
♣ Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu bằng
máy tính để thu thập, luu trữ, phân tích, và hiển thị dữ liệu không
gian (NCGIA = National Center for Geographic Information and
Analysis, 1988).
♣ Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống bao gồm bốn khả năng xử
lý dữ liệu địa lý sau: (1) nhập dữ liệu, (2) quản lý dữ liệu (bao gồm
lưu trữ và truy xuất), (3) gia công và phân tích dữ liệu, (4) xuất dữ
liệu (Stan Aronoff, 1993).
♣ Theo quan điểm hệ thống thông tin, một số nhà khoa học đã định nghĩa:

♣ GIS là một hệ thống thông tin được thiết kế để làm việc với dữ liệu
có tham chiếu tọa độ địa lý. Nói cách khác, GIS là hệ thống gồm hệ
cơ sở dữ liệu với những dữ liệu có không gian và một tập những
thuật toán để làm việc trên dữ liệu đó. (Star and Estes, 1990)
♣ Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống thông tin bao gồm một số
phụ hệ (subsystems) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành
những thông tin có ích (Calkín và Tomlinson, 1977).
♣ GIS là một hệ thống thông tin đặc biệt với cơ sở dữ liệu gồm những
đối tượng, những hoạt động hay nhiều sự kiện phân bố trong không
gian được biểu diễn như những điểm, vùng trong hệ thông máy tính.
Hệ thống thông tin địa lý xử lý, truy vấn dữ liệu theo điểm, vùng
phục vụ cho những hỏi đáp và phân tích đặc biệt (Dueker, 1979).
Như vây, hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống máy tính gồm phần mềm, phần
cứng và các thiết bị ngoại vi có khả năng trả lời các câu hỏi cơ bản; “Ai?”,”Cái
gì?”,”Ở đâu?”,”Khi nào?” và “Tại sao?”. Trong đó, các trả lời cho câu hỏi:
“Ai?”,”Cái gì?” xác định các đối tượng, các hoạt động, các sự kiện cần khảo sát;
câu trả lời cho câu hỏi: “Như thế nào?”,”Tại sao?” là kết quả phân tích củ
a hệ
thống thông tin địa lý.
Trong tiến trình phát triển kinh tế xã hội, để đạt được một mục đích nào đó,
con người cần phải có những quyết định hợp lý và kịp thời. Những quyết định đó
thường được thực hiện sau khi thu thập thông tin từ thế giới thực và phân tích xử
lý nó theo một quan điểm nào đó. Những quyết định này tác động trực tiếp hoặc
gián tiếp trở lại thế giới thực theo khuynh hướng của người quyết định. Nếu quyết
định ấy tạo ra những kết quả có lợi hơn cho con người thì được đánh giá là tốt.
Ngược lại, nếu quyết định tác động lên thế giới thực sinh ra nhiều hậu quả có hại
cho con người thì quyết định ấy được đánh giá là xấu.
Theo quan điểm thông tin, tiến trình nói trên thể hiện một sự tuần hoàn của
dữ liệu: Dữ liệu từ thế giới thực được thu thập, lưu trữ, phân tích và ra quyết định.
Quyết định tác động trở lại thế giới thực làm thay đổi dữ liệu của thế giới thực.

Rồi dữ liệu của thế giới thực lại được thu thập, lưu trữ, phân tích và ra quyết định,
vòng tuần hoàn lại được tiếp tục. Có như thế, quyết định mới tốt và hệ thống mới
có ý nghĩa
Hình .1.3: Vòng tuần hoàn của dữ liệu địa lý.
1.4 Khoa học thông tin địa lý
Trong tiến trình phát triển, GIS đã được nhiều nhà khoa học sử dụng như
công cụ, đồng thời nhiều nhà khoa học khác cũng dành thời gian nghiên cứu phát
triển những công cụ GIS. Thực tế đó đã hình thành nhóm những nhà khoa
học
nghiên cứu với GIS và nhóm những nhà khoa học nghiên cứ về GIS. Khoa học thô
ng tin địa lý (Geographic Information Science ) ra đời nhằm thúc đẩy và định
hướng các hoạt động về GIS với các định nghĩa sau:
♣ Khoa học thông tin địa lý là một khoa học sử dụng cá hệ thống thông tin địa lý
như những công cụ để hiểu biết về thế giới thực bằng cách mô tả và giải thich mối
quan hệ của con người với thế giới thực.
♣ Khoa học thông tin địa lý là một khoa học sử dụng và nghiên cứu các
phương pháp, các công cụ để thu thập, lưu trữ, phân tích, hiển thị và khám
phá thông tin không gian.
Khoa học thông tin địa lý phát triển trên cơ sở sự phát triển của khoa học máy
tính. Khoa học thông tin địa lý sử dụng và phát triển các mô hình toán để biểu
diễn, lưu trữ, phân tích, hiển thị dữ liệu về các đối tượng, các sự kiện, các hiện
tượng trong thế giới thực. Khoa học thông tin địa lý là một khoa học liên nghành
của khoa học máy tính, khoa học toán và khoa học địa lý
1.5 Các thành phần của GIS
Một hệ thống GIS hoàn chỉnh gồm có hệ thống máy tính (phần cứng, phầ
n
mềm, …); Cơ sở dữ liệu; Con người và phương phá
Hình .1.5a: Các thành phần của GIS
phần cứng: Hệ thống máy tính, có thể là máy chủ trung tâm hay các máy trạm
hoạt động độc lập hoặc liên kết mạnh

Hình 1.5b: Thiết bị của GIS
phần mềm: Hiện nay có rất nhiều phần mềm phổ biến đã được thương mại
hóa như: ArcGis, Arc/Info, ArcView, Mapinfo, Idrisi, ENVI, Microstation … Các
thành phần chính trong phần mềm:
♣ Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý.
♣ Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS).
♣ Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý.
♣ Giao diện đồ họa Người – Máy để truy cập các công cụ dễ dàng.
Cơ sở dữ liệu: Được coi là thành phần quan trọng của GIS. Các dữ liệu địa lý
và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc được m
ua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại. Các nguồn dữ liệu phải cung cấp được các
thông tin mà
hệ thống yêu cầu như: Tọa độ địa lý, quy mô, đặc điểm thuộc tính, các
mối quan hệ.
Con người và phương pháp: Là thành phần quan trọng của GIS. Những
người làm công tác quản lý hệ thống thông tin địa lý cần có khả năng nhận định
về tính chính xác, phạm vi suy diễn thông tin, kết nối các mảng thông tin trong hệ
thống.

2.CHỨC NĂNG CỦA GIS
Hệ thống thông tin địa lý có bốn chức năng chính: thu thập, lưu trữ, phân
tích và hiển thị dữ liệu.
2.1 Thu thập dữ liệu
Dữ liệu là thành phần quan trọng và tồn tại lâu bền trong hệ thống thông tin địa lý.
Hầu hết các phần mềm GIS đều cung cấp chức năng để nhập dữ liệu vào hệ thống
Dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý có thể được cung cấp từ bản đồ giấy, số liệu
ghi nhận trên giấy, ảnh vệ tinh hoặc ảnh máy bay, các thiết bị đo đạc kỹ thuật số,
các thi tế bị nhđị vị m tặ t,đấ các thi tế bị nhđị vị vệ tinh (GPS: Global
Position System), hệ th ngố thu th pậ dữ li uệ tự ngđộ (SCADA: Supervisory
Control And Data Acquisition),…

2.2 L uư trữ dữ li uệ
Các iđố t ngượ không gian ađị lý có thể bi uể di nễ theo mô hình vector ho cặ raster.
Mô hình vector: Mô hình dữ li uệ vector bi uể di nễ các iđố t ngượ ađị lý trên
m tắ tđấ b ngằ nh ngữ i m,đ ể ng,đườ vùng trong m tặ ph ngẳ t aọ độ Descartes. M iỗ
i mđ ể cđượ xác nhđị b iở c pặ t aọ độ (x,y), m iỗ anđọ bi uể di nễ b ngằ m t ộ
chu iỗ nh ngữ c pặ t aọ độ (x,y), m tộ vùng cđượ xác nhđị b iở m tộ ngđườ khép kín và
cđượ bi uể di nễ b ngằ m tộ chu iỗ c pặ t aọ độ (xi,yi) có t aọ độ i mđể uđầ và t aọ độ i mđ ể
cu i trùngố nhau.
Mô hình raster: Mô hình dữ li uệ nấ nhđị vị trí c aủ các iđố t ngượ không
gian vào các ô l iướ hình ô vuông ( ho cặ hình chữ nh tậ hay tam giác nh ngư r tấ ít
cđượ sử d ng)ụ có kích th cướ b ngằ nhau g iọ là pixel, cđượ xác nhđị b ngằ t aọ độ
(x,y) là số thứ tự c aủ hàng c tộ c aủ pixel. Trong c uấ trúc raster, ngđườ cđượ bi uể
di nễ b ngằ nh ngữ pixel có cùng giá trị thu cộ tính f(x,y) kề nhau, tr iả r ngộ ra theo
m tộ ph ngươ nào ó.đ Vì trong c uấ trúc raster, các pixel cđượ x pế theo hàng, c tộ
như m tộ ma tr nậ i mđể nên ngđườ ở âyđ không tr n,ơ có d ngạ zic-zac. Vùng cđượ
xác nhđị b ngằ m tộ m ngả g mồ nhi uề pixel có cùng giá trị thu cộ tính f(x,y)
kề nhau, tr iả r ngộ theo nhi uề ph ng.ươ
Dữ li uệ thu cộ tính có thể l uư trữ g nắ k tế trong m iỗ b ngả thu cộ tính c aủ iđố
t ngượ không gian ho cặ là các b ngả dữ li u hoànệ toàn cđộ l p,khi c n ậ ầ
thi tế thì b ngả dữ li uệ này cđượ k tế n iố vào b ngả thu cộ tính c aủ iđố t ngượ không
gian t oạ thành dữ li uệ ađị lý.
Dữ li uệ trong m tộ hệ th ngố thông tin ađị lý cđượ truy v nấ theo hai ph ngươ th c :ứ
♣ Truy v nấ từ iđố t ngượ không gian để tìm thu cộ tính: Trong cách truy v nấ này,
ng iườ dùng ph iả xác nhđị cđượ vị trí c aủ iđố t ngượ c nầ quan tâm, sau óđ xem
thu cộ tính c aủ chúng.
♣ Truy v nấ theo dữ li uệ thu cộ tính để tìm vị trí c aủ iđố t ngượ trong không
gian b ngằ cách xây d ngự các bi uể th cứ d aự vào các i uđ ề ki nệ ràng bu c.ộ
Trong tr ngườ h pợ này, ng iườ sử d ngụ ãđ bi tế các cđặ i mđ ể c aủ iđố t ngượ
và mu nố tìm ra vị trí c aủ iđố t ngượ ó.đ
2.3 Phân tích dữ li uệ

Phân tích dữ li uệ là khả n ngă trả l iờ nh ngữ câu h iỏ về sự tác ngđộ l nẫ nhau
c aủ nh ngữ m iố quan hệ không gian và thu cộ tính gi aữ nhi uề t pậ dữ li u.ệ Có nhi uề
ph ngươ pháp phân tích dữ li uệ trong GIS, tùy vào t ngừ m cụ tiêu và ngu nồ dữ li uệ
củ thể mà ta có thể ch nọ ph ngươ phân tích khác nhau:
♣ Thao tác phân tích trên m tộ l pớ dữ li uệ (Single Layer Operations) là nh ngữ
thu tậ toán xử lý dữ li uệ trên m tộ l pớ như thu tậ toán buffer, truy v nấ thu cộ
tính từ thu cộ tính, truy v nấ thu cộ tính từ không gian, truy v nấ không gian
từ thu cộ tính ho cặ t oạ nh ngữ t pậ dữ li uệ m iớ cđượ th cự hi nệ trên m tộ l pớ
dữ li uệ
♣ Thao tác phân tích dữ li uệ trên nhi uề l pớ dữ li uệ (Multiple Layer
Operations) là nh ngữ thao tác trên nhi uề l pớ dữ li uệ không gian để th cự
hi nệ các thu tậ toán phân tích: ch ngồ l pớ (union, intersect, indentify), phân
tích g nầ k ,ề phân tích t ngươ quan không gian,…
♣ Mô hình hóa không gian (Spatial Modeling) là xây d ngự nh ngữ mô hình để
gi iả thích và dự báo theo không gian, mô ph ngỏ không gian, thu tậ toán n iộ
suy không gian.
♣ Phân tích m uẫ i m(Pointđ ể Pattern Analysis) th cự hi nệ các thu tậ toán phân
tích số ôngđ trên nh ngữ l pớ dữ li uệ không gian i m.đ ể
♣ Phân tích m ngạ (Network Analysis) ngứ d ngụ vào nh ngữ iđố t ngượ d ngạ
ng,đườ nh ngữ iđố t ngượ này cđượ tổ ch cứ trong m ngạ l iướ liên k t.ế
♣ Phân tích bề m tặ (Surface Analysis) bao g mồ nh ngữ thu tậ toán phân tích,
c nầ nđế phân tích 3D c aủ nh ngữ bi nế phân bố không gian.
2.4 Hi nể thị dữ li uệ
Ch cứ n ngă hi nể thị trong hệ th ngố thông tin ađị lý là bi nế ngôn ngữ c aủ
máy tính thành ngôn ngữ thân thi nệ v iớ ng iườ dùng, hi nể thị nh ngữ k tế quả truy
v nấ ho cặ phân tích không gian. Dữ li uệ GIS cđượ hi nể thị lên màn hình máy tính
ho cặ trên gi yấ in để cung c pấ thông tin cho ng iườ dùng. Trong GIS ng iườ ta dùng
hình nh,ả hình v ,ẽ mô hình tr cự quan, chữ vi t,ế bi uể ,đồ b nả ,đồ b ngả th ngố kê, ký
hi u,ệ màu s c,ắ âm thanh để trình bày vị trí và thu cộ tính c aủ các iđố t ngượ và các
k tế quả phân tích.

3. NGỨ D NGỤ C AỦ GIS
GIS cđượ thi tế kế như m tộ hệ th ngố chung để qu nả lý dữ li uệ không gian,
nó có r tấ nhi uề ngứ d ngụ trong vi cệ phát tri nể ôđ thị và môi tr ngườ tự nhiên như
là: quy ho chạ ôđ th ,ị qu nả lý nhân l c,ự nông nghi p,ệ i uđ ề hành hệ th ngố công ích,
lộ trình, nhân kh u,ẩ b nả ,đồ giám sát vùng bi n,ể c uứ hoả và b nhệ t t.ậ Trong ph nầ
l nớ l nhĩ v cự này, GIS óngđ vai trò như là m tộ công cụ hỗ trợ quy tế nhđị cho vi cệ