kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu mce trong gis

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG



NGUYỄN VĂN LÂM






KỸ THUẬT ĐÁNH GIÁ ĐA CHỈ TIÊU MCE
TRONG GIS



Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH














Thái Nguyên - 2014

2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


BẢN CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “Kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu MCE trong GIS” là công
trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép.
Các số liệu và kết quả trong luận văn hoàn toàn trung thực, chính xác, không
trùng lặp với bất kỳ công trình nghiên cứu nào đã được công bố trước đây.
Thái Nguyên, ngày tháng 9 năm 2014
Học viên

Nguyễn Văn Lâm

3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Lời cảm ơn!

Lời đầu tiên cho em gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Trường Đại học
Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức
quý báu trong suốt quá trình em theo học tại trường.
Đặc biệt em gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Đặng Văn Đức, trong suốt thời gian
thực hiện luận văn, mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng Thầy vẫn giành rất nhiều
thời gian, tâm huyết hướng dẫn và định hướng giúp em hoàn thành luận văn .
Tiếp nữa là tập thể lớp CK11H đã gắn bó với em trong suốt quá trình học tập
cũng như thời gian làm luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng cho em gửi lời cảm ơn tới UBND Tp. Bắc Giang, Sở tài nguyên môi
trường Tp. Bắc Giang, và bà con nhân dân xã Song Mai, Đa Mai, Tân Mỹ đã tạo điều
kiện cho em trong quá trình thu thập dữ liệu.
Trong quá trình thực hiện Luận văn mặc dù có cố gắng, song chắc chắn luận văn
của em vẫn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo vào đóng góp tận
tình của các thầy cô để luận văn của em được hoản chỉnh.

Thái Nguyên , Tháng Năm 2014
Tác Giả

Nguyễn Văn Lâm

4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


MỤC LỤC
Danh sách bảng biểu: 6
Danh sách hình ảnh: 8
MỞ ĐẦU 9
1. Đặt vấn đề 9
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10
3. Hướng nghiên cứu của đề tài 10
4. Những nội dung nghiên cứu chính 10
5. Phương pháp nghiên cứu: 11
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài 11
Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 13
1.1. Các khái niệm về GIS 13
1.2. Mô hình dữ liệu: 27
1.3. Các phép tính phân tích không gian trong hệ thống thông tin địa lý: 29
1.4. Khả năng ứng dụng của GIS: 31
Chƣơng 2: ĐÁNH GIÁ ĐA CHỈ TIÊU ỨNG DỤNG TRONG GIS 33
2.1. Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu (MCE) 33
2.2. Thuật toán xác định trọng số các chỉ tiêu AHP 39
2.3. Ứng dụng kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu trong GIS (kết hợp MCE và GIS) 47
Chương 3: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG THỰC NGHIỆM 52
3.1. Giới thiệu bài toán: 52
3.2. Công nghệ sử dụng: 53
3.3. Thu thập dữ liệu địa lý của vùng nghiên cứu 55
3.4. Xác định các tiêu chí để đánh giá 63

3.5. Kết quả xây dựng chương trình thử nghiệm 66
KẾT LUẬN 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Danh mục viết tắt

ESRI : Economic and Social Research Institute
GIS (Geographic Information Systems): Hệ thống thông tin địa lý
MIS (Management Information System): Hệ thống thông tin quản lý
GPS (Global Positioning System) : Hệ thống định vị toàn cầu
MCA (Multi-Criteria Analysis) Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu
MCE (Multiple Criteria Evaluation) Đánh giá đa chỉ tiêu
HTSDĐ: Hiện trạng sử dụng đất

6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Danh sách bảng biểu:
Bảng 2.1. Giá trị RI ứng với từng số lượng chỉ tiêu
Bảng 3.1. Kết quả phân tích môi trường nước mặt Tp. Bắc Giang năm 2010
Bảng 3.2. Kết quả phân tích hiện trạng môi trường nước ngầm Tp. Bắc Giang 2009
Bảng 3.3. Các khu di tích lịch sử, văn hóa của Tp. Bắc Giang
Bảng 3.4. Thống kê hiện trạng sử dụng đất Tp. Bắc Giang

Bảng 3.5. Các lớp dữ liệu đầu vào
Bảng 3.6. Các tiêu chí lựa chọn bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt Tp. Bắc Giang
Bảng 3.7. Ma trận mức độ ưu tiên và trọng số của 3 nhớm chỉ tiêu
Bảng 3.8. Mức độ ưu tiên và trọng số của các tiêu chí nhớm“ Môi trường”
Bảng 3.9. Mức độ ưu tiên và trọng số của các tiêu chí nhớm“ Kinh tế”
Bảng 3.10. Mức độ ưu tiên và trọng số của các tiêu chí nhớm“ Xã hội”
Bảng 3.11. Trọng số chung các chỉ tiêu
Bảng 3.12. Các chỉ tiêu được sử dụng để đánh giá sơ bộ
Bảng 3.13. So sánh các địa điểm sau khi tìm kiếm sơ bộ
Bảng 3.14. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến khu dân cư đô thị
Bảng 3.15. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến cụm dân cư nông thôn
Bảng 3.16. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến nguồn cung cấp nước ngầm
Bảng 3.17. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến nguồn nước mặt
Bảng 3.18. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến khu di tích, văn hoá
Bảng 3.19. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu thổ nhưỡng
Bảng 3.20. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến đường giao thông chính
Bảng 3.21. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến đường giao thông thường
Bảng 3.22. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu hiện trạng sử dụng đất
Bảng 3.23. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến khu công nghiệp
Bảng 3.24. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến điểm thu gom
Bảng 3.25. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu khoảng cách đến trạm cung cấp điện

7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Bảng 3.26. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu địa chất
Bảng 3.27. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu hướng gió
Bảng 3.28. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu địa hình

Bảng 3.29. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu sự chấp thuận của cộng đồng
Bảng 3.30. Đánh giá 3 vị trí theo chỉ tiêu sự chấp thuận của chính quyền
Bảng 3.31. Kết quả điểm chung của 3 vị trí tiềm năng


8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Danh sách hình ảnh:

Hình 1.1. Hệ thống thông tin địa lý
Hình 1.2. Tầng bản đồ
Hình 1.3. Các hoạt động chính của GIS
Hình 1.4. Các thành phần của GIS
Hình 1.5. Quản lý dự án GIS
Hình 1.6. Quy trình dữ liệu
Hình 1.7. Phần mềm của GIS
Hình 1.8. Sơ đồ tổ chức một hệ “ Phần cứng”
Hình 1.9. Các nhóm chức năng trong
Hình 1.10. Mô hình dữ liệu địa lý
Hình 2.1. Sơ đồ các bước
Hình 2.2. Cây phân cấp dữ liệu trong mô hình đanh giá
Hình 2.3. Thang điểm so sánh các chỉ tiêu
Hình 2.4. Mức độ quan trọng của các chỉ tiêu và tính trọng số
Hình 2.5. Sơ đồ thuật toán AHP để định trọng số
Hình 2.6. Sơ đồ tổng quát MCE và GIS Lựa chọn khu vực tối ưu
Hình 3.1. Sơ đồ khái quát mục tiêu bài toán
Hình 3.2. Tính điểm cho chỉ tiêu "Dân cư", (các khu vực dân cư có màu xanh lá cây)

màu càng sẫm điểm càng cao.
Hình 3.3. Tính điểm cho chỉ tiêu "Nguồn nước mặt" (khu vực nguồn nước có màu xanh
dương)
Hình 3.4. Tính điểm cho chỉ tiêu "Đường giao thông chính" (đường giao thông chính
được thể hiện bằng màu hồng)
Hinh 3.5. Tính điểm cho nhóm chỉ tiêu "Trường học, bệnh viện, cơ quan, khu di tích "
(thể hiện bằng các chấm trắng)
Hình 3.6. Các khu vực tiềm năng (các khu vực có màu sẫm)

9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Ngày nay cùng với sự phát triển của nền kinh tế và sự phát triển không ngừng của
ngành công nghệ thông tin, việc ứng dụng công nghệ thông tin vào các ngành nghề
khác nhau đã trở nên phổ biến. Trong nhiều lĩnh vực của việc áp dụng công nghệ thông
tin đã đem lại hiệu quả ngoài sự mong đợi, chính vì lẽ đó việc ứng dụng công nghệ
thông tin vào việc nghiên cứu và phát triển ngành nghề đã trở thành một xu thế tất yếu.
Nó đem lại những thành tựu lớn lao trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, như: Kinh tế,
giao thông vận tải, xây dựng, địa chất, khai khoáng, quân sự, Trong quá khứ và hiện
tại việc sử dụng công nghệ thông tin và các ứng dụng của nó vào nghiên cứu đất đai,
không gian địa lý cũng đạt được những thành tựu và hiệu quả cao trong công tác quản
lý và sử dụng đất.
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information Systems – GIS) là sự kết hợp
giữa tin học và thông tin địa lý, nó được xem như là hệ thống hỗ trợ ra quyết định. Với
một hệ thống GIS hoàn chỉnh và những kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu trong GIS người

dùng sẽ có được các thông tin chi tiết, cần thiết về mức độ ảnh hưởng của môi trường
đến một vùng đất cụ thể, để từ đó chúng ta dựa vào các kết quả đánh giá mà có thể đưa
ra những quyết định lựa chọn hay không lựa chọn vùng đất đó. Với những tính năng ưu
việt của GIS nó được ứng dụng rộng rãi trong các ngành nghề khác nhau như: Giao
thông vận tải, quản lý đô thị, quân sự, thủy lợi, môi trường
Chọn vị trí chôn lấp rác thải sinh hoạt cho một Thành phố nào đó là một bài toán
phân tích không gian phức tạp nhằm mục đích quy hoạch sử dụng đất, quy hoạch đô
thị. Nó đòi hỏi phải đánh giá trên nhiều tiêu chí khác nhau, vậy làm thế nào để có thể
chọn lựa vị trí chôn lấp rác thải sinh hoạt đó phù hợp nhất, giảm thiểu tối đa các tác
động tiêu cực tới môi trường, kinh tế, xã hội? Đây chính là câu hỏi mà đề tài muốn tìm
lời giải.

10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Mục tiêu của nghiên cứu nhằm ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) và kỹ
thuật đánh giá đa chỉ tiêu trong GIS hỗ trợ xác định một vùng đất phù hợp để xây dựng
bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt cho Thành phố Bắc Giang.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Đối tượng nghiên cứu:
GIS, Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu MCE, kỹ thuật đánh giá phân cấp AHP,
đánh giá các điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội để lựa trọn vị trí xây dựng
2.2. Phạm vi nghiên cứu:
Đề tài dừng ở mức sử dụng công nghệ GIS để hỗ trợ đánh giá một khu vực như
thị xã, thành phố, quận, huyện để tìm ra vùng đất thích hợp nhất trên cơ sở các kết quả
tổng hợp của nghiên cứu đánh giá các chỉ tiêu khác nhau như điều kiện tự nhiên, kinh
tế, xã hội,….
3. Hƣớng nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý, ứng dụng thông tin địa lý trong quản lý tài
nguyên và môi trường;
- Nghiên cứu tổng quan về quy trình lựa chọn vị trí chôn lấp bãi rác thải sinh hoạt;
- Nghiên cứu quy trình ứng dụng GIS và phương pháp phân tích đa chỉ tiêu trong
việc tìm địa điểm xây dựng bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt hợp lý;
- Ứng dụng quy trình trên để xây dựng chương trình tìm địa điểm chôn lấp bãi rác
thải sinh hoạt cho Thành phố Bắc Giang.
4. Những nội dung nghiên cứu chính
Ngoài phần mở đầu nêu lý do chọn đề tài, bố cục luận văn và phần kết luận tóm
tắt các kết quả đạt được và các hướng phát triển tiếp theo, nội dung luận văn được trình
bày trong ba chương như sau:
Chương 1: Trình bày khái quát về hệ thống thông tin địa lý, bao gồm: Các khái
niệm về GIS, mô hình dữ liệu, các phép tính phân tích không gian trong hệ thống thông
tin địa lý và khả năng ứng dụng GIS.

11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Chương 2: Trình bày phương pháp đánh giá đa chỉ tiêu ứng dụng trong GIS, bao
gồm: Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu (MCE), thuật toán xác định trọng số các chỉ
tiêu AHP và ứng dụng kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu trong GIS (kết hợp MCE và GIS).
Chương 3: Trình bày xây dựng ứng dụng thử nghiệm, bao gồm: Giới thiệu bài
toán, công nghệ sử dụng, xác định các tiêu chí để đánh giá, thu thập dữ liệu địa lý của
vùng nghiên cứu và kết quả xây dựng chương trình thử nghiệm.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu:
- Phương pháp tham khảo tài liệu: Bao gồm giáo trình, sách tham khảo, báo chí,
mạng Internet, các bài viết, báo cáo trong và ngoài nước, … nhằm thu thập các dữ liệu
thứ cấp;

- Phương pháp điều tra khảo sát thực địa: Để biết được các thông tin dữ liệu khu
vực nghiên cứu;
- Phương pháp tổng hợp dữ liệu: Để đưa ra những số liệu có tính khách quan cao
phục vụ trợ giúp quyết định;
- Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu dữ liệu: Xác định mức ảnh hưởng của các
yếu tố và tổng hợp các chỉ tiêu đánh giá;
- Phương pháp phân tích không gian: Để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến việc
lựa chọn địa điểm hợp lý cho bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt.
- Phương pháp chuyên gia (tham khảo ý kiến chuyên gia): Đánh giá vai trò của
các yếu tố ảnh hưởng;
- Phương pháp thực nghiệm để kiểm chứng kết quả nghiên cứu.
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Đưa ra được quy trình sử dụng hệ thống thông tin địa lý GIS và các phương
pháp đánh giá đa chỉ tiêu vào việc đánh giá các tác động của môi trường đối với các
vùng đất khác nhau, từ đó lựa chọn các vùng đất phù hợp cho từng dự án.
- Xác lập cơ sở khoa học đề xuất phương án sử dụng GIS kết hợp với kỹ thuật
đánh giá đa chỉ tiêu MCE để giải các bài toán về giao thông vận tải, môi trường, xây
dựng… đặc biệt là bài toán về tìm vị trí chôn lấp bãi rác thải sinh hoạt cho các thành

12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


phố.
- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là đã xác lập cơ sở khoa học và đề xuất phương án
bố trí bãi chôn lấp rác thải sinh hoạt cho Thành phố Bắc Giang.

13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ
Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý (GIS- Geographic Information Systems)
được trình bày trong tài liệu[1], [8], [10], thông tin địa lý bao gồm dữ liệu về bề mặt
trái đất và các diễn giải dữ liệu để con người dễ hiểu. Nhìn chung thông tin địa lý được
thu thập từ bản đồ hay được thu thập thông qua đo đạc trực tiếp, viễn thám, điều tra,
phân tích hay mô phỏng. Thông tin địa lý bao gồm hai loại dữ liệu: không gian (spatial
data) và phi không gian (non - spatial data), hay “ở đâu?” và “cái gì?” . Hình 1.1 minh
hoạ tổng quát cho một hệ thông tin địa lý.
1.1. Các khái niệm về GIS
1.1.1. Định nghĩa GIS
Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về GIS, nhưng chúng đều có điểm giống nhau
như: bao hàm khái niệm dữ liệu không gian, phân biệt giữa hệ thống thông tin quản lý
(Management Information System – MIS) và GIS, trong đó có sự kết hợp máy tính và
công nghệ cơ sở dữ liệu (CSDL) để lập bản đồ chuyên đề, GIS có khả năng quan sát từ
các góc độ khác nhau trên cùng một tệp dữ liệu.
* Sau đây là một vài định nghĩa GIS hay được sử dụng:
Định nghĩa của dự án The Geographer’s Craft, Khoa địa lý, Trƣờng Đại
học Texas
GIS là cơ sở dữ liệu số chuyên dụng trong đó hệ trục tọa độ không gian là
phương 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.
- Lưu trữ dữ liệu, khai thác, truy vấn CSDL.
- Biến đổi dữ liệu phân tích, mô hình hóa, bao gồm cả dữ liệu thống kê và dữ
liệu không gian.
- Lập báo cáo, bao gồm bản đồ chuyên đề, các bảng biểu, biểu đồ và kế hoạch.

14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


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. Có những CSDL chứa thông tin vị trí (địa chỉ đường phố ), nhưng
CSDL GIS sử dụng tham chiếu không gian như phương tiện chính để lưu trữ và
xâm nhập thông tin. Thứ hai, GIS là công nghệ tích hợp. Hệ GIS đầy đủ có đầy đủ
khả năng phân tích, bao gồm phân tích ảnh máy bay, ảnh vệ tinh hay tạo mô hình
thống kê, vẽ bản đồ Cuối cùng GIS được xem như tiến trình không chỉ là phần
cứng, phần mềm rời rạc mà GIS còn được sử dụng vào trợ giúp quyết định. Cách
thức nhập, lưu trữ, phân tích, dữ liệu trong GIS phải phản ánh đúng cách thức
thông tin sẽ được sử dụng trong công việc lập quyết định hay nghiên cứu cụ thể.
Theo định nghĩa của Viện Nghiên cứu Hệ thống Môi trƣờng ESRI, Mỹ:
“GIS là công cụ trên cơ sở máy tính để lập bản đồ và phân tích những cái đang
tồn tại và các sự kiện xảy ra trên Trái Đất. Công nghệ GIS tích hợp các thao tác CSDL
như truy vấn và phân tích thống kê với lợi thế quan sát và phân tích thống kê bản đồ,
các khả năng này phân biệt giữa GIS với các hệ thống thông tin khác, nó có khả năng
thực hiện thao tác không gian”.
Theo định nghĩa của David Cowen, NCGIA, Mỹ:
“GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục được 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. Càng quan sát thế giới gần
hơn càng thấy được chi tiết hơn. Con người mong mỏi lưu trữ, quản lý đầy đủ các
dữ liệu về thế giới thực. Những sẽ dẫn đến phải có cơ sở dữ liệu lớn vô hạn để lưu
trữ mọi thông tin chính xác về chúng. Do vậy, để lưu trữ được dữ liệu không gian

của thế giới thực vào máy tính thì phải giảm số lượng dữ liệu đến mức có thể quản
lý được bằng tiến trình đơn giản hóa hay trừu tượng hóa. Trừu tượng là đơn giản
hóa một cách thông minh, Trừu tượng cho ta tổng quát hóa và “ý tưởng” hóa vấn
đề đang xem xét. Chúng loại bỏ đi các chi tiết dư thừa mà chỉ tập trung vào các

15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


điểm chính, cơ bản. Các đặc trưng địa lý phải được biểu diễn bởi các thành phần
rời rạc hay các đối tượng để lưu vào CSDL máy tính.
Hình 1.1. Hệ thống thông 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 riêng 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.








Hình 1.2. Tầng bản đồ
GIS lưu trữ thông tin thế giới thực bằng các tầng (layer) bản đồ chuyên đề
mà chúng có khả năng kết hợp địa lý với nhau. Giả sử ta có vùng quan sát như

hình 1.2. Mỗi nhóm người sử dụng sẽ quan tâm nhiều hơn đến một vài loại thông
tin. Tư tưởng tách bản đồ thành tầng (lớp) tuy đơn giản nhưng khá mềm dẻo và

16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


hiệu quả, chúng cho khả năng giải quyết rất nhiều vấn đề về thế giới thực, từ theo
dõi điều hành xe cộ giao thông đến các ứng dụng lập kế hoạch và mô hình hóa lưu
thông. Ta có thể sử dụng tiến trình tự động, gọi là mã hóa địa lý (geocoding) để
liên kết dữ liệu bên ngoài với dữ liệu bản đồ.
Hiểu biết của chúng ta về trái đất là giới hạn vì thiếu thông tin cũng như
thiếu tri thức. Để quan sát các vật thể quá nhỏ con người đã phát minh ra kính
hiến vi, để quan sát vật thế quá lớn như toàn bộ trái đất, con người đã phải sử
dụng các vệ tinh nhân tạo. Hệ thông tin địa lý là công cụ tích hợp dữ liệu không
gian theo tỷ lệ và thời gian khác nhau, theo các khuôn mẫu khác nhau. Người sử
dụng thông tin địa lý như các nhà khoa học, giám sát tài nguyên môi trường, lập
kế hoạch phát triển đô thị đều làm việc theo vùng hay lãnh thổ. Họ quan sát và
đo đạc các tham số môi trường. Họ xây dựng các bản đồ biểu diễn một vài đặc
tính trái đất. Họ giám sát sự thay đổi xung quanh ta theo thời gian và không gian.
Cuối cùng, họ mô hình hóa các tác động, tiến trình trong môi trường. Hiệu quả cơ
bản của các hoạt động này sẽ được nâng cao nhờ sử dụng hệ thông tin địa lý, một
hình thức của hệ thống thông tin. Hình 1.3 dưới đây thể hiện các hoạt động chính
của hệ thống thông tin địa lý.

Hình 1.3. Các hoạt động chính của GIS

17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1.1.2. Các lĩnh vực khoa học công nghệ liên quan đến GIS:
GIS được xây dựng trên các tri thức của nhiều ngành khoa học khác nhau để
tạo ra ngành khoa học mới. Trong đó:
- Ngành địa lý: là ngành liên quan mật thiết đến việc tìm hiểu thế giới và vị
trí của con người trong thế giới. Nó có truyền thống lâu đời về phân tích không
gian và nó cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian khi nghiên cứu.
- Ngành bản đồ: Thông tin địa lý là thông tin tham chiếu không gian, có
nghĩa rằng chúng liên quan đến ngành bản đồ. Ngày nay, nguồn dữ liệu đầu vào
chính cho GIS là các bản đồ. Ngành bản đồ có truyền thống lâu đời trong việc
thiết kế bản đồ, do vậy nó là khuôn mẫu quan trọng nhất của đầu ra GIS.
- Công nghệ viễn thám: Các ảnh vệ tinh và ảnh máy bay là nguồn dữ liệu
quan trọng cho hệ GIS. Viễn thám bao gồm cả kỹ thuật thu thập và xử lý dữ liệu
mọi vị trí trên địa cầu với giá rẻ. Các dữ liệu đầu ra của ảnh vệ tinh có thế được
trộn với các lớp dữ liệu của GIS.
- Ảnh máy bay: Ảnh máy bay và kỹ thuật đo chính xác của chúng là nguồn
dữ liệu chính về độ cao bề mặt trái đất được sử dụng làm đầu vào của GIS.
- Bản đồ địa hình: Cung cấp dữ liệu có chất lượng cao về vị trí ranh giới của
đất đai, nhà cửa
- Khoa đo đạc: Nguồn cung cấp các vị trí cần quản lý có độ chính xác cao
cho GIS.
- Ngành thống kê: Rất nhiều kỹ thuật thống kê được sử dụng để 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: Thiết kế trợ giúp bằng máy tính cung cấp kỹ thuật
nhập, hiển thị, biểu diễn dữ liệu. Đồ họa máy tính cung cấp công cụ để quản lý,
hiển thị các đối tượng đồ họa. Quản trị cơ sở dữ liệu đóng góp phương pháp biểu
diễn dữ liệu dưới dạng số, các thủ tục để thiết kế hệ thống, lưu trữ, xâm nhập, cập
nhật khối lượng dữ liệu lớn.

18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


- Toán học: Mộtvài ngành toán học như hình học, lý thuyết đồ thị được sử
dụng trong thiết kế hệ GIS và phân tích dữ liệu không gian.
Ngoài ra, GIS còn có quan hệ chặt chẽ với các công tác quản lý tài nguyên,
quy hoạch đô thị, quy hoạch vùng, quy hoạch môi trường
1.1.3. Các thành phần của GIS
Hệ thống GIS có 5 thành phần bao gồm: Con người, phương pháp, phần cứng tin
học, phần mềm và dữ liệu. Hình 1.4 thể hiện các thành phần của hệ thống GIS.

a. Con ngƣời: Con người là chuyên viên tin học, các chuyên gia về các lĩnh vực
khác nhau, chuyên gia GIS, thao tác viên GIS, phát triển ứng dụng GIS. Trong đó con
người sử dụng GIS bao gồm:
Ngƣời sử dụng hệ thông: Là người sử dụng GIS để giải quyết các vấn đề không
gian. Nhiệm vụ chủ yếu của họ là số hóa bản đồ, kiểm sửa lỗi, soạn thảo, phân tích các
dữ liệu thô và đưa ra các giải pháp cuối cùng để truy vấn dữ liệu thô và đưa ra các giải
pháp cuối cùng để truy vấn dữ liệu địa lý, họ thường xuyên phải đào tạo bổ sung kiến
thức mới vì phần mềm GIS thay đổi liên tục.
Hình 1.4. Các thành phần của GIS

CON NGƢỜI

DỮ LIỆU

PHƢƠNG PHÁP

PHẦN CỨNG

PHẦN MỀM


GIS


19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Thao tác viên hệ thống: Có nhiệm vụ vận hành hệ thống, đảm bảo hệ thống chạy
hàng ngày để phục vụ người sử dụng hệ thống làm việc hiệu quả, khắc phục sự cố, bảo
dưỡng, huấn luyện người dùng,…
Nhà cung cấp phần mềm GIS: Có trách nhiệm cung cấp phần mềm, cập nhật
phần mềm, phương pháp nâng cao hệ thống, đôi khi tham gia huấn luyện người dùng
GIS.
Nhà cung cấp dữ liệu: Có thể là tổ chức Nhà nước hay tư nhân, các cơ quan tư
nhân cung cấp dữ liệu sửa đổi của các cơ quan nhà nước để phù hợp với ứng dụng cụ
thể; Còn các cơ quan Nhà nước cung cấp dữ liệu được xây dựng cho chính nhu cầu của
họ, nhưng dữ liệu này có thể được sử dụng trong các cơ quan khác, tổ chức khác.
Nhà phát triển ứng dụng: Là những lập trình viên đã được qua đào tạo, họ là
người xây dựng các giao diện người dùng, làm giảm bớt độ phức tạp khi thực hiện các
thao tác cụ thể trên các hệ thống GIS chuyên nghiệp.
Chuyên viên phân tích hệ thống GIS: Là nhóm người chuyên nghiên cứu thiết
kế hệ thống. Phần lớn họ là đội ngũ chuyên nghiệp, 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.
Tóm lại, một dự án GIS thành công khi nó được quản lý tốt và con người tại mỗi
công đoạn phải có kỹ năng tốt. Hình 1.5 là một thí dụ về cấu trúc quản lý dự án GIS
độc lập. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp có thể kết hợp quản lý dự án GIS với cấu
trúc quản lý có sẵn trong cơ quan.

20

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

b. Dữ liệu
Có thể nói đây là thành phần quan trọng nhất của một hệ GIS. Với bất kỳ hệ
thông tin nào cũng phải hiểu rõ các loại dữ liệu khác nhau lưu trữ trong chúng. Dữ
liệu (các biến) thống kê gắn theo các hiện tượng tự nhiên với mức độ chính xác
khác nhau. Hệ thống thước đo của chúng bao gồm các biến tên, biến thứ tự, biến
khoảng và biến tỷ lệ.
Dữ liệu đầu vào của GIS bao gồm: Bản đồ giấy, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, hệ
thống định vị toàn cầu GPS, bản đồ số hóa, số liệu quan trắc do đo đạc ngoài trời,
những số liệu thể hiện đặc tính của hình ảnh, các thông tin về các hiện tượng xảy ra tại
các vị trí địa lý xác định.
Dữ liệu của GIS chia làm hai loại: dữ liệu không gian và phi không gian.
Dữ liệu không gian: Là biểu diễn hình học của các đối tượng địa lý liên kết với
vị trí trên thế giới thực; Những đối tượng địa lý tóm lược vào ba cách biểu diễn như:
đối tượng điểm, đường, vùng; Các đối tượng địa lý biểu diễn dựa vào toạ độ, quy luật
và các ký hiệu dùng để xác định một vị trí, hình ảnh cụ thể trên tờ bản đồ.
Dữ liệu phi không gian: Là những dữ liệu diễn tả đặc tính, số lượng của các đối
tượng địa lý; Chúng được liên kết với các dữ liệu không gian thông qua các chỉ số xác
Giám đốc
Người quản lý
Người phân tích

Không Gian
Người quản lý hệ
Thống GIS
Người lập trình
GIS
Người quản trị
CSDL

Hình 1.5. Quản lý dự án GIS


21

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


định chung, thông thường gọi là mã địa lý; Dữ liệu phi không gian còn gọi là dữ liệu
thuộc tính.
Tóm lại, dữ liệu không gian và phi không gian có mối quan hệ chặt chẽ với nhau.
Ví dụ, một con sông dữ liệu không gian là đường cong biểu thị con sông đó, dữ liệu phi
không gian là chiều dài, độ sâu, Dữ liệu GIS thường được tổ chức theo từng lớp và
theo từng chủ đề riêng biệt. Hầu hết các phần mềm GIS đều có chức năng lưu trữ dữ
liệu theo từng lớp và theo loại đối tượng: điểm, đường, vùng, tuỳ vào các phần mềm
mà có những tên gọi cho các lớp chủ đề khác nhau: Trong phần mềm Arcview gọi là
Theme, Arc/Info gọi là Coverage, Mapinfo gọi là Table. Quá trình nhập số liệu vào hệ
thống thông tin điạ lý được thể hiện ở hình 1.6 dưới đây:

Hình 1.6. Quy trình dữ liệu

Dữ liệu thực địa
Dữ liệu thuộc tính
Dữ liệu không gian
Số hóa thủ công
Số hóa thủ công
Scan
Scan & Vecto
Dữ liệu biến đổi
Lưu trữ
Sử dụng
Hiển thị và báo cáo
Bản đồ
Bảng biểu
Hình vẽ

Hệ quản trị
CSDL


22

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


c. Phần mềm
Một hệ thống GIS bao gồm nhiều môđun phần mềm, các môđun phần mền có các
chức năng: Nhập và hiển thị dữ liệu, bảo quản dữ liệu và quản lý cơ sở dữ liệu, xuất ra
và trình bày các dạng dữ liệu, chuyển đổi dữ liệu (bảo quản, sử dụng và phân tích), đối
thoại với người sử dụng. Hình 1.7 thể hiện các mô đun phần mềm của một hệ thống
GIS.










d. Phần cứng
Ngày nay, có thể tìm thấy GIS trên mọi loại hình máy tính, từ máy tính cá nhân
đến các trạm làm việc và máy tính đa người dùng. GIS đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc
biệt như bàn số hóa, máy vẽ, máy quét ảnh, máy in để vào/ra dữ liệu (hình 1.8).

Hình 1.8: Sơ đồ tổ chức một hệ “phần cứng ”


Trạm xử lý

Thiết bị in kết quả

Thiết bị số hóa

Đầu đọc đĩa mềm,
CD-Rom

Tủ đọc băng từ
Máy chủ
(CPU)

Hình 1.7. Phần mềm của GIS



Giao diện
Người dùng


Thu thập dữ
liệu


Chuyển đổi
dữ liệu


Phân tích
không gian

Hiển thị làm
báo cáo


QUẢN TRỊ CSDL
ĐỊA LÝ

23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1.1.4. Các chức năng của hệ thống thông tin địa lý
Các bộ chương trình GIS thương mại khác nhau có khả năng khác nhau, nhưng
nhìn chung chúng được chia thành 5 loại (hình 1.7):
- Thu thập dữ liệu
- Xử lý dữ liệu thô
- Lưu trữ và truy cập dữ liệu
- Tìm kiếm và phân tích không gian
- Hiển thị đồ họa và tương tác
Thu thập dữ liệu: Thu thập dữ liệu là tiến trình thu nhận dữ liệu theo khuôn mẫu
áp dụng được cho GIS. Mức độ đơn giản nhất của thu thập dữ liệu là chuyển đổi khuôn
mẫu dữ liệu có sẵn từ các nguồn bên ngoài. Các nguồn dữ liệu GIS đang được sử dụng
hiện nay bao gồm: Số hóa từ bản đồ giấy, các số liệu tọa độ thu được từ các máy đo
đạc, số liệu thống kê, ảnh vệ tinh, ảnh không gian, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), ,
Phần lớn nguồn gốc thông tin không gian là các bản đồ in hay bản đồ dưới khuôn mẫu
tương tự, ngoài ra mỗi lĩnh vực ứng dụng GIS đều thu thập dữ liệu thuộc tính, mô tả
một vấn đề nào đó; Qúa trình chuyển đổi ấy người ta gọi là số hóa, trình tự số hóa bao
gồm: mã hóa dữ liệu, kiểm chứng và sửa lỗi để có thể được dữ liệu phù hợp với GIS.

Xử lý dữ liệu thô: Là thay đổi cách biểu diễn, các bản đồ, thay đổi phân lớp và
sơ đồ mẫu, làm đơn giản hóa hay tổng quát hóa dữ liệu, biến đổi giữa hệ thống trục tọa
độ khác và biến đổi các phép chiếu bản đồ. Các thao tác kể trên được xem như tiền
thao tác cho phân tích không gian. Mức độ xử lý dữ liệu thô là khác nhau, phụ thuộc
vào mục đích của ứng dụng GIS. Hai khía cạnh chính của xử lý dữ liệu thô bao gồm:
Phát sinh dữ liệu có cấu trúc tôpô, phân tích các đặc trưng của ảnh vệ tinh thành các
hiện tượng quan tâm.
Lƣu trữ dữ liệu: Chức năng lưu trữ dữ liệu trong GIS liên quan đến tạo lập
CSDL không gian, các đối tượng không gian địa lý có thể được biểu diễn ở một trong
hai cấu trúc raster hoặc vector. Thông thường dữ liệu thuộc tính của GIS trên cơ sở đối
tượng được lưu trong bảng (tệp), chúng chứa chỉ danh duy nhất tương ứng với đối

24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


tượng không gian, kèm theo rất nhiều mục dữ liệu thuộc tính khác. Hệ GIS sẽ kết hợp
dữ liệu không gian và các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng hệ quản trị cơ
sở dữ liệu để tổ chức lưu trữ và xử lý dữ liệu.
Dữ liệu Vector: Trong mô hình vector thì các tệp thuộc tính thông thường chứa
các dữ liệu liên quan đến lớp hiện tượng tự nhiên như loại đất, thảm thực vật hay đối
tượng rời rạc; Dữ liệu vector được hiển thị dưới dạng những tọa độ định nghĩa điểm,
hay những điểm này được nối với nhau tạo thành đường thẳng, đa giác. Dữ liệu này
thường có bản thông tin kết hợp.
Dữ liệu raster: Mô hình dữ liệu ấn định vị trí của các đối tượng không gian vào
các ô lưới hình ô vuông (hoặc chữ nhật, cũng có thể hình tam giác nhưng rất ít được sử
dụng) có kích thước bằng nhau gọi là pixel; Mỗi ô có 1 giá trị ví dụ như mức độ màu.
Việc lựa chọn mô hình raster hay vectơ để tổ chức dữ liệu không gian được thực
hiện khi thu thập dữ liệu vì mỗi mô hình tương ứng với cách tiếp cận khác nhau, đến

việc lấy mẫu và mô tả thông tin. Tuy nhiên, rất nhiều CSDL của GIS cho khả năng
quản trị cả hai mô hình không gian nói trên.
Tìm kiếm : GIS cung cấp những tiện ích để tìm kiếm những đối tượng riêng biệt
dựa trên vị trí và các giá trị thuộc tính của chúng. Dựa theo cách thức truy vấn, có thể
chia truy vấn thành hai dạng:
+ Truy vấn từ đối tượng không gian, tìm ra thuộc tính của chúng.
+ Truy vấn từ thuộc tính, tìm ra vị trí của đối tượng trong không gian bằng cách
xây dựng các biểu thức dựa vào các điều kiện ràng buộc.
Phân tích dữ liệu: Là khả năng trả lời những câu hỏi về sự tác động lẫn nhau của
những mối quan hệ không gian và thuộc tính giữa nhiều tập dữ liệu. Có nhiều phương
pháp phân tích dữ liệu trong GIS, tuỳ vào từng mục tiêu và nguồn dữ liệu cụ thể mà ta
có thể chọn các phương pháp phân tích khác nhau:
+ Thao tác phân tích trên một lớp dữ liệu: là những thủ tục để truy vấn thuộc tính,
truy vấn không gian và tạo những tập dự liệu mới được thực hiện trên một lớp dữ liệu.

25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


+ Thao tác phân tích trên nhiều lớp dữ liệu: là những thao tác trên nhiều lớp dữ
liệu không gian để thực hiện các bài toán phân tích: chồng lớp, phân tích sự gần kề,
phân tích sự tương quan không gian,
+ Mô hình hóa không gian bao gồm: việc xây dựng những mô hình để giải thích
và dự đoán không gian, mô phỏng không gian.
+ Phân tích mẫu điểm là thao tác phân tích các điểm mẫu liên quan đến việc kiểm
tra, đánh giá những mô hình, phân tích sự phân bổ không gian của các điểm mẫu, phân
tích sự tương quan giữa các điểm mẫu,
+ Phân tích mạng ứng dụng vào những đối tượng dạng đường, những đối tượng
này được tổ chức trong mạng lưới liên kết.

+ Phân tích bề mặt liên quan đến sự phân bố không gian của đối tượng trên bề
mặt trong những điều kiện có cấu trúc không gian 3 chiều.
Hiển thị dữ liệu và xuất dữ liệu
GIS là công cụ hiển thị những đối tượng địa lý, sử dụng nhiều ký hiệu diễn đạt
tượng trưng. Kết quả cuối cùng được hiển thị tốt nhất là một bản đồ hoặc đồ thị. Bản
đồ là phương tiện quen thuộc để chuyển tải thông tin địa lý đến người dùng.
Ngoài ra, GIS cho ra các mô hình không gian giúp cho các nhà lãnh đạo ra quyết
định trong các lĩnh vực qui hoạch và quản lý.
Dữ liệu GIS có thể xuất ra dưới nhiều dạng khác nhau như: in trên giấy, xuất ra
thành các tập tin ảnh, đưa vào các báo cáo, chuyển vào Internet để cung cấp cho người
dùng ở xa, Hình 1.9 thể hiện các nhóm chức năng của GIS.