Nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý và ứng dụng trong quản lý rừng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHAN NHẬT BIÊN CƯƠNG

Nghiªn cøu hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý
vµ øng dông trong qu¶n lý rõng

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ: 60.48.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Huế, 2015


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Danh mục từ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục hình
MỞ ĐẦU .......................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIS ...............................................................3
1.1. Khái niệm .................................................................................................3
1.2. Các thành phần của GIS ...........................................................................4
1.3. Các chức năng của GIS ............................................................................4
1.4. Cơ sở dữ liệu của GIS ..............................................................................8
1.4.1. Dữ liệu và cơ sở dữ liệu ........................................................................8
1.4.2. Thiết kế một CSDL GIS ........................................................................8

1.4.3. Các bước phát triển CSDL GIS.............................................................9
1.4.4. Cấu trúc cơ sở dữ liệu trong GIS ..........................................................10
1.5. Các ứng dụng của GIS .............................................................................22
1.6. Kết luận ....................................................................................................24
Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THUẬT TOÁN XÂY DỰNG
BẢN ĐỒ ...................................................................................................25
2.1. Tìm hiểu về bản đồ ...................................................................................25
2.1.1. Định nghĩa .............................................................................................25
2.1.2. Các tính chất của bản đồ .......................................................................25
2.1.3. Các yếu tố nội dung của bản đồ địa lý ..................................................26
2.2. Cơ sở toán học của bản đồ .......................................................................29
2.2.1. Tỉ lệ .......................................................................................................29


2.2.2. Phép chiếu bản đồ .................................................................................30
2.3. Phương pháp thể hiện bản đồ ...................................................................36
2.3.1. Phương pháp đường đẳng trị .................................................................36
2.3.2. Phương pháp chấm điểm .......................................................................37
2.3.3. Phương pháp ký hiệu đường .................................................................37
2.3.4. Phương pháp ký hiệu đường chuyển động............................................37
2.3.5. Phương pháp biểu đồ định vị ................................................................38
2.3.6. Phương pháp ký hiệu .............................................................................38
2.3.7. Phương pháp biểu đồ .............................................................................39
2.4. Các thuật toán xếp chồng bản đồ trong GIS ............................................39
2.4.1. Các phương pháp xếp chồng bản đồ .....................................................39
2.4.2. Phép toán trong Overlay........................................................................40
2.4.3. Thuật toán Bentley – Ottmann ..............................................................40
2.4.4. Thuật toán giao của hai đa giác .............................................................40
2.5. MapInfo trong thiết lập bản đồ số ............................................................41
2.5.1. Giới thiệu về Mapinfo ...........................................................................41

2.5.2. Quy trình công nghệ sản xuất bản đồ ....................................................42
2.5.3. Tổ chức thông tin theo các tập tin .........................................................44
2.5.4. Tổ chức thông tin theo các lớp đối tượng .............................................49
2.5.5. Liên kết thông tin thuộc tính với các đối tượng bản đồ ........................51
2.5.6. Các tham số xác định hệ tọa độ trong MapInfo ....................................52
2.5.7. Các lưới chiếu cơ bản trong khu vực Việt Nam ...................................53
2.5.8. Thể hiện và chuyển đổi hệ tọa độ trong MapInfo .................................53
2.5.9. Các bước xây dựng thuộc tính ..............................................................55
2.5.10. Kết xuất bản đồ ra giấy/màn hình .......................................................55
2.6. Kết luận ....................................................................................................55


Chương 3. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS
TRONG QUẢN LÝ RỪNG....................................................................56
3.1. Thực trạng rừng tại tỉnh Phú Yên ............................................................56
3.2. Yêu cầu đặt ra ...........................................................................................58
3.3. Xây dựng hệ thống ...................................................................................59
3.3.1. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................59
3.3.2. Sơ đồ luồng dữ liệu ...............................................................................61
3.3.3. Sơ đồ chức năng của hệ thống GIS .......................................................62
3.3.4. Qui trình số hóa bản đồ .........................................................................62
3.3.5. Điều tra thực địa ....................................................................................64
3.3.6. Hiệu chỉnh dữ liệu bản đồ .....................................................................66
3.3.7. Xây dựng cơ sở dữ liệu thuộc tính ........................................................67
3.4. Các kết quả đạt được ................................................................................70
3.4.1. Xây dựng bản đồ hiện trạng rừng .........................................................70
3.4.2. Xây dựng bản đồ sử dụng đất rừng theo lô ...........................................71
3.4.3. Xây dựng bản đồ trạng thái rừng ..........................................................72
3.4.4. Xây dựng bản đồ chuyên đề ..................................................................73
3.5. Kết luận ....................................................................................................74

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................77


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

GIS

Geographical Information System

Hệ thống thông tin địa lý

2D

Two Dimension

Hai chiều
Cơ sở dữ liệu

CSDL
SQL

Structured Query Language

Ngôn ngữ truy vấn mang tính
cấu trúc

BO

Bentley – Ottmann

Thuật toán quét dòng

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng
Bảng 1

Tên bảng
Kết quả điều tra thực địa tọa độ cho các lô thôn

Trang
64

Định Phong sử dụng máy đo GPS Cs-60
Bảng 2

Bảng cấu trúc cơ sở dữ liệu thuộc tính của lớp

68

bản đồ hiện trạng rừng xã An Nghiệp, Tuy An,
Phú Yên
Bảng 3

Bảng cấu trúc cơ sở dữ liệu thuôc tính của các
lớp bản đồ sử dụng đất theo lô năm 2011 và năm
2012

69


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của GIS ...................................................... 13
Hình 1.2. Các nhóm chức năng trong GIS ...................................................... 16
Hình 1.3. Các bước phát triển CSDL GIS ...................................................... 19
Hình 1.4. Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm (Point) ...................... 21
Hình 1.5. Số liệu vector được biểu thị dưới dạng Arc .................................... 21
Hình 1.6. Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon) ................. 22
Hình 1.7. Một số kiểu hình dạng dữ liệu bản đồ ............................................ 23
Hình 1.8. Sự biểu thị kết quả bản đồ dưới dạng Raster .................................. 24
Hình 1.9. Sự chuyển đổi dữ liệu giữa raster và vector ................................... 26
Hình 1.10.Mối quan hệ giữa thông tin bản đồ và thông tin thuộc tính ........... 30
Hình 2.1. Biểu thị của bề mặt trái đất lên mặt phẳng ..................................... 34
Hình 2.2. Mô hình các lớp dữ liệu trong GIS ................................................. 38
Hình 2.3. Các dạng mặt vẽ và mặt chiếu trái đất ............................................ 41
Hình 2.4. Chia mặt cầu thành các múi chiếu 60 theo các kinh tuyến.............. 42
Hình 2.5. Cộng đồng sử dụng phần mềm GIS ................................................ 50
Hình 2.6. Sơ đồ về quy trình công nghệ sản xuất bản đồ ............................... 51
Hình 2.7. Sơ đồ quy trình sản xuất bản đồ ...................................................... 53
Hình 2.8. Bảng dhc_bh có các trường Stt, So_diem, CODE ......................... 55
Hình 2.9. Các lớp Cosmetic Layer, towers,vncity, Greycity .......................... 55
Hình 2.10.Xem và sắp xếp lại vị trí Layer ...................................................... 56
Hình 2.11. Một cửa sổ Map đang mở dưới đây chứa các lớp , nm_bh, ks_bh,

cn_bh, sc_bh, dhc_bh. Mỗi lớp này thể hiện line, symbol ........... 57
Hình 2.12. Các cột thuộc tính của các đối tượng: Điểm, vùng ....................... 57
Hình 2.13.Trang Layout: Trình bày bản đồ để kiểm tra trước khi in ............. 58
Hình 2.14.Thể hiện kiểu đối tượng thông qua layer cùng thuộc tính ............. 59
Hình 2.15. Bảng dữ liệu trường thuộc tính quan hệ cho các đối tượng .......... 61


Hình 2.16.Bảng tùy chọn đơn vị đo trên bản đồ ............................................. 63
Hình 3.1. Sơ đồ ứng dụng GIS trong quản lý đất và rừng cấp cơ sở .............. 67
Hình 3.2. Hệ thống hỗ trợ quyết định quản lý, qui hoạch
và phát triển rừng ...................................................................................... 69
Hình 3.3. Luồng dữ liệu của phân hệ GIS ...................................................... 70
Hình 3.4. Sơ đồ chức năng của hệ thống GIS ................................................. 71
Hình 3.5. Sơ đồ qui trình số hóa bản đồ ......................................................... 72
Hình 3.6. Chuyển đổi, nắn chỉnh tọa độ ......................................................... 76
Hình 3.7. Chồng ghép điểm điều tra trạng thái ngoài thực địa
với bản đồ phân loại rừng ......................................................................... 76
Hình 3.8. Bản đồ hiện trạng rừng An nghiệp – Tuy An – Phú Yên ............... 79
Hình 3.9. Tọa độ các lô đo thực địa hiển thị trên bản đồ ................................ 80
Hình 3.10. Số hóa các lô ngoài thực địa lên bản đồ ........................................ 81
Hình 3.11. Bản đồ trạng thái rừng tại An Nghiệp – Tuy An – Phú Yên ........ 82
Hình 3.12. Bản đồ chuyên đề hiện trạng tài nguyên rừng thôn Định Phong,
xã An Nghiệp, huyện Tuy An, tỉnh Phú Yên năm 2011 .......................... 82
Hình 3.13. Tìm kiếm thông tin “Chu Văn Toàn”............................................ 83


1

MỞ ĐẦU
Hệ thống thông tin địa lý GIS (viết tắc của cụm tiếng Anh Geographic

Information Systems) là một công cụ tập hợp những quy trình dựa trên máy tính
để lập bản đồ, lưu trữ và thao tác dữ liệu địa lý, phân tích các sự vật hiện tượng
thực trên trái đất, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược. Thuật ngữ này
được biết đến từ những năm 60 của thế kỷ 20 và Giáo sư Roger Tomlinson được
cả thế giới công nhận là cha đẻ của GIS.
Công nghệ GIS ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên thế giới trong nhiều
lĩnh vực khác nhau, nhất là trong lĩnh vực mà đối tượng cần quản lý mang tính
chất không gian địa lý, tức là những đối tượng đó được phân bố ở một nơi nào
đó trên bề mặt trái đất. Các đối tượng này được xác định thông qua tọa độ địa lý
của chúng trên bề mặt trái đất.
Hiện nay, do nạn chặt phá và khai thác rừng một cách bừa bãi, diện tích
rừng đã giảm một cách nghiêm trọng. Kéo theo đó là lũ lụt, hạn hán và các hiện
tượng thời tiết cực đoan. Trong giai đoạn hiện nay, việc phát triển rừng bền
vững phải gắn liền với quản lý, khai thác và bảo vệ rừng một cách hợp lý. Vì
vậy việc quản lý rừng là một yêu cầu cấp thiết và quan trong. Yêu cầu phải có
biện pháp và chính sách quản lý, sử dụng một cách hợp lý.
Quản lý và khôi phục rừng theo phương pháp truyền thống có nhiều điểm
khiếm khuyết như rất khó khăn trong việc cập nhật và tạo lớp dữ liệu mới, thiếu
thông tin, và gặp nhiều khó khăn trong việc chuyển giao dữ liệu rừng. Hệ thống
thông tin GIS cung cấp các công cụ mạnh và hữu ích trong việc quản lý rừng
giảm thiểu công sức bỏ ra, từ đó giúp cho các nhà quản lý lâm nghiệp có thể đưa
ra những quyết định phù hợp nhằm quản lý và phát triển rừng bền vững trong
tương lai.
 Việc ứng dụng công nghệ GIS tại tỉnh Phú Yên trong công tác quản
lý rừng hiện nay là lĩnh vực mới, rất cần thiết nhưng trên thực tế lại


2
rất ít công trình, đề tài nghiên cứu, ứng dụng về vấn đề này. Trên cơ
sở đó tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý và

ứng dụng trong quản lý rừng” nhằm nghiên cứu và đẩy mạnh ứng
dụng công nghệ GIS trong công tác quản lý rừng tại địa phương.
Những kết quả chính của luận văn đã được tổng hợp, trình bày trong các
chương chính sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống thông tin địa lý và cơ sở dữ liệu
của GIS: khái niệm chung, các thành phần, chức năng cũng như cấu trúc của
một hệ thông thông tin địa lý và các ứng dụng của GIS.
Chương 2 luận văn tập trung vào qui trình công nghệ để số hóa bản đồ, tổ
chức thông tin theo các tập tin, tổ chức thông tin theo các lớp đối tượng, liên kết
thông tin thuộc tính với các đối tượng bản đồ, xác định hệ qui chiếu và tọa độ,
các thuật toán xếp chồng bản đồ.
Chương 3 trình bày giải pháp công nghệ, phát triển hệ thống quản lý và
điều chế rừng được xây dựng ứng dụng trên cơ sở công nghệ GIS và mô tả ứng
dụng phục vụ trong công tác quản lý rừng tại địa phương.
Sau đây là chi tiết nội dung của từng chương.


3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ GIS
Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems) là một
hệ thống thông tin trên máy tính được sử dụng để số hóa các đối tượng địa lý
thực cũng như các sự kiện liên quan (các thuộc tính phi không gian liên kết với
không gian địa lý) tạo thành dữ liệu địa lý, từ đó cung cấp các công cụ cho phép
phân tích, đánh giá và khai thác các dữ liệu địa lý đó.
“Mọi đối tượng có mặt trên trái đất đều có thể biểu diễn trong hệ thống
thông tin địa lý”, đây là chìa khóa căn bản liên kết bất kỳ cơ sở dữ liệu nào với
hệ thống GIS. Những phần mềm GIS đầu tiên chỉ xuất hiện vào cuối những năm
1970 từ phòng thí nghiệm của Viện nghiên cứu môi trường Mỹ. Sự phát triển

của GIS đã thay đổi cách mà các nhà quy hoạch, kỹ sư, nhà quản lý... làm việc
với cơ sở dữ liệu và phân tích dữ liệu.
1.1. Khái niệm
Một hệ thống thông tin địa lý là một công cụ cho việc tạo ra và sử dụng
thông tin không gian. Tuy nhiên, hiện nay có nhiều định nghĩa, quan niệm hay
cách nhìn nhận và cách hiểu khác nhau về GIS, do GIS là một công nghệ mới
phát triển nhanh, có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực hoạt động của con người.
GIS có thể định nghĩa như sau:
“Hệ thông tin địa lý là một hệ thống thông tin bao gồm một số hệ con
(subsystem) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành những thông tin có
ích” – theo định nghĩa của Calkin và Tomlinson, 1977.
“Hệ thông tin địa lý là một hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu bằng máy tính
để thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị không gian” – theo định nghĩa của
National Center for Geographic Information and Analysis, 1988.


4
“Hệ thông tin địa lý là một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần
mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm
bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích, kết xuất” – theo định nghĩa
Environmental System Research Institute.
Cho đến nay, định nghĩa được nhiều người sử dụng nhất: hệ thống thông
tin địa lý là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các
thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục
vụ một mục đích nghiên cứu nhất định.
1.2. Các thành phần của GIS
Một hệ thống GIS gồm có 5 thành phần cơ bản sau:
1. Phần cứng.
2. Phần mềm.
3. Con người.

4. Dữ liệu.
5. Các quy trình.

Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của GIS
1.3. Các chức năng của GIS
Bất kỳ một hệ thống thông tin địa lý nào cũng phải có các chức năng cơ
bản để giải quyết hiệu quả các vấn đề trong thế giới thực. Các chức năng:
 Thu thập dữ liệu.
 Lư trữ dữ liệu.


5
 Truy vấn dữ liệu.
 Phân tích dữ liệu.
 Hiển thị dữ liệu.
 Xuất dữ liệu.
Thu thập dữ liệu
Dữ liệu mô tả các đối tượng địa lý được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu địa lý.
Cơ sở dữ liệu địa lý là một thành phần có chi phí xây dựng cao và tồn tại trong
một thời gian dài cùng với hệ thống, vì vậy việc thu thập dữ liệu là một vấn đề
hết sức quan trọng. Làm thế nào để lấy dữ liệu chỉ tồn tại trên dạng giấy vào cơ
sở dữ liệu? Dữ liệu này ở dạng số nhưng không thể sử dụng được, vậy nó ở định
dạng nào? Một hệ thống thông tin địa lý phải cung cấp các phương pháp để nhập
dữ liệu địa lý (tọa độ) và dữ liệu dạng bảng (thuộc tính). Hệ thống càng có nhiều
phương pháp nhập dữ liệu thì càng mềm dẻo và linh động.
Lưu trữ dữ liệu
Có hai mô hình cơ bản được sử dụng để lưu trữ dữ liệu địa lý: vector và
rester. Một hệ thống thông tin địa lý cần phải có khả năng lưu trữ cả hai định
dạng dữ liệu này.
Trong mô hình dữ liệu vector, đối tượng địa lý được biểu diễn tương tự

như cách chúng biểu diễn trên bản đồ (bằng các đối tượng: điểm, đường và
vùng). Một hệ thống tọa độ x, y được sử dụng để xác định vị trí các đối tượng
này trong thế giới thực.
Mô hình dữ liệu rester biểu diễn các đối tượng bằng cách sử dụng một
lưới bao gồm nhiều ô. Các giá trị của các ô sẽ mô tả vị trí của các đối tượng.
Mức độ chi tiết của đối tượng phụ thuộc vào kích thước của các ô trong lưới.
Định dạng dữ liệu rester rất phù hợp cho các bài toán phân tích không gian cũng
như việc lưu các dữ liệu dạng ảnh. Dữ liệu dạng rester không thích hợp cho các
ứng dụng như quản lý thửa đất vì ranh giới của các đối tượng cần phải được
phân biệt rõ ràng.


6
Truy vấn dữ liệu
Một hệ thống GIS phải có các công cụ để tìn các đối tượng cụ thể dựa trên
vị trí địa lý hoặc thuộc tính của nó. Các truy vấn, thường được tao ra bởi các câu
lệnh hoặc biểu thức logic, sẽ được sử dụng để chọn ra các đối tượng trên bản đồ
và các bản ghi của chúng trong cơ sở dữ liệu.
Một truy vấn của một hệ thống GIS thông thường sẽ trả lời câu hỏi: Cái
gì? Ở đâu? Trong kiểu truy vấn này, người sử dụng biết đối tượng nằm ở vị trí
nào, và muốn biết các thuộc tính của nó. Điều này có thể được thực hiện trong
hệ thống GIS bởi vì đối tượng địa lý được thể hiện trên bản đồ sẽ có liên kết với
thông tin thuộc tính của nó lưu trong cơ sở dữ liệu.
Một kiểu truy vấn khác là tìm các vị trí thỏa mãn một số tính chất nào đó.
Trong trường hợp này, người sử dụng biết rõ các tính chất quan trọng và muốn
tìm xem những đối tượng nào có thuộc tính đó.
Phân tích dữ liệu
Phân tích địa lý thường liên quan đến nhiều tập dữ liệu khác nhau và yêu
cầu một quá trình nhiều bước để cho ra kết quả cuối cùng. Một hệ thống GIS
phải có khả năng phân tích mối quan hệ không gian giữa các tập dữ liệu để trả

lời câu hỏi và giải quyết vấn đề mà người sử dụng đặt ra. Ba phương pháp phân
tích thông tin đại lý phổ biến là:
 Phân tích gần kề xấp xỉ: Sử dụng thuật toán buffering để xác định
mối quan hệ gần kề giữa các đối tượng.
 Phân tích chồng xếp: Kết hợp các đối tượng của hai lớp dữ liệu để
tạo ra một lớp mới, lớp kết quả này sẽ chứa đựng các thuộc tính có
trong cả hai lớp gốc.
 Phân tích mạng lưới: Để giải quyết các bài toán như mạng lưới giao
thông, mạng lưới thủy văn...


7
Hiển thị dữ liệu
Hệ thống GIS cũng cần phải có các công cụ để hiển thị các đối tượng địa
lý sử dụng nhiều ký hiệu khác nhau. Đối với nhiều loại phép toán phân tích, kết
quả cuối cùng chính là bản đồ, đồ thị hoặc các báo cáo.
Xuất dữ liệu
Hiển thị kết quả là một yêu cầu bắt buộc của hệ thống GIS. Viêc hiển thị
được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau. Càng nhiều dạng đầu ra mà GIS có
thể đưa ra thì khả năng tiếp cận thông tin và đối tượng chính xác càng cao.

Hình 1.2. Các nhóm chức năng trong GIS


8
1.4. Cơ sở dữ liệu của GIS
Hệ thống thông tin địa lý thuộc loại ứng dụng máy tính để xây dựng một
CSDL lớn. Không giống như các ứng dụng máy tính khác, người sử dụng có thể
dùng ngay sau khi mua phần cứng và phần mềm. Để sử dụng GIS yêu cầu một
CSDL không gian được xây dựng thích hợp với phần cứng, phần mềm và những

ứng dụng đã được phát triển, những thành phần đã thiết đặt, tích hợp và kiểm tra
trước khi có thể sử dụng CSDL GIS.
1.4.1. Dữ liệu và cơ sở dữ liệu
CSDL là sự chọn lọc các dữ liệu cần thiết nhất (không có số liệu thừa:
redundant data) và các dữ liệu này có thể chia sẻ giữa nhiều hệ thống ứng dụng
khác nhau.
CSDL bao gồm nhiều tập tin (hay bảng) dữ liệu, các tập tin này mô tả một
loại đối tượng sẽ được liên kết với nhau bởi các trường khóa.
Tổ chức CSDL GIS theo các mô hình CSDL cơ bản: Mô hình quan hệ,
mô hình mạng, mô hình phân nhánh, mô hình hướng đối tượng.
1.4.2. Thiết kế một CSDL GIS
Thiết kế một CSDL GIS bao gồm các bước:
Thiết kế khái niệm
Ở mức thiết kế này là cơ sở hình thành CSDL cần xây dựng, được xây
dựng trên cơ sở khảo sát nhu cầu, thông tin, nguồn dữ liệu. Xây dựng một sơ đồ
tổng quát cho các yêu cầu cho CSDL GIS. Mức thiết kế này không phụ thuộc
vào phần cứng hoặc phần mềm. Chỉ quan tâm đến các mục tiêu ứng dụng mà
người dùng đòi hỏi.


9
Thiết kế logic
Trong mức thiết kế này, CSDL được mô tả chi tiết, bao gồm các hạng
mục tin, các mối quan hệ dữ liệu, đặt mức độ chính xác, các thủ tục đảm bảo
toàn vẹn dữ liệu. Thiết kế logic cũng đưa ra cấu trúc của các thành phần trong
CSDL (còn gọi là cấu trúc CSDL). Mức thiết kế này là khởi điểm của các công
việc tin học. Người thiết kế phải hiểu rõ tính năng của một hệ thống phần mềm
quản trị CSDL. Trong mức này, người thiết kế đưa ra các phương án để lựa chọn
các thành phần của CSDL GIS.
Thiết kế vật lý

Mức này là sự triển khai và điều chỉnh thành quả của mức logic trên các
phần cứng và phần mềm cụ thể của GIS.
Phát triển CSDL GIS không chỉ đơn thuần mua phân cứng hay phần mềm.
Phần đòi hỏi khắc khe nhất quá trình phát triển GIS là xây dựng CSDL. Đòi hỏi
nhiều thời gian nhất, chi phí nhiều nhất, và yêu cầu nỗ lực trong lập kế hoạch và
quản lý. Mặc dù chu trình phát triển GIS hiện nay phần lớn tập trung vào xây
dựng CSDL, nhưng một số địa phương vẫn tập trung vào mua phần mềm hoặc
phần cứng. Việc lựa chọn đúng cho xây dựng CSDL đúng đắn phải dựa trên sự
hiểu biết của những đối tượng có kinh nghiệm.
1.4.3. Các bước phát triển CSDL GIS
Gồm 11 bước bắt đầu bằng việc đánh giá và kết thúc với việc sử dụng và
duy trì hệ thống GIS. Những bước này có mối liên hệ mật thiết với nhau, mỗi
bước hoàn thiện sẽ khởi đầu cho những bước tiếp theo. Trong thực tế một số
hoạt động này có khi xảy ra đồng thời.
Các bước phát triển CSDL GIS như sau:


10

Hình 1.3. Các bước phát triển CSDL GIS
1.4.4. Cấu trúc cơ sở dữ liệu trong GIS
Một cơ sở dữ liệu của GIS có thể chia ra làm hai loại số liệu cơ bản: số
liệu không gian và phi không gian. Mỗi loại có những đặc điểm riêng và chúng
khác nhau về yêu cầu lưu giữ số liệu, hiệu quả, xử lý và hiển thị.
Số liệu không gian là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng bao
gồm toạ độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ
thể trên từng bản đồ. Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu không gian để


11

tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua
thiết bị ngoại vi, ….
Số liệu phi không gian là những diễn tả đặc tính, số lượng, mối quan hệ
của các hình ảnh bản đồ với vị trí địa lý của chúng. Các số liệu phi không gian
được gọi là dữ liệu thuộc tính, chúng liên quan đến vị trí địa lý hoặc các đối
tượng không gian và liên kết chặt chẽ với chúng trong hệ thống thông tin địa lý
thông qua một cơ chế thống nhất chung.
1.4.4.1. Mô hình thông tin không gian
Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS, hệ thống GIS chứa càng nhiều thì
chúng càng có ý nghĩa. Dữ liệu của hệ GIS được lưu trữ trong CSDL và chúng
được thu thập thông qua các mô hình thế giới thực. Dữ liệu trong hệ GIS còn
được gọi là thông tin không gian. Đặc trưng thông tin không gian là có khả năng
mô tả “vật thể ở đâu” nhờ vị trí tham chiếu, đơn vị đo và quan hệ không gian.
Chúng còn khả năng mô tả “hình dạng hiện tượng” thông qua mô tả chất lượng,
số lượng của hình dạng và cấu trúc. Cuối cùng, đặc trưng thông tin không gian
mô tả “quan hệ và tương tác” giữa các hiện tượng tự nhiên. Mô hình không gian
đặc biệt quan trọng vì cách thức thông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng thực hiện
phân tích dữ liệu và khả năng hiển thị đồ hoạ của hệ thống.
Hệ thống Vector
+ Kiểu đối tượng điểm (Points)
Điểm được xác định bởi cặp giá trị. Các đối tượng đơn, thông tin về địa lý
chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ được phản ánh là đối tượng điểm. Các đối tượng kiểu
điểm có đặc điểm:
 Là toạ độ đơn (x, y)
 Không cần thể hiện chiều dài và diện tích


12

Hình 1.4. Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm (Point)

Tỷ lệ trên bản đồ tỷ lệ lớn, đối tượng thể hiện dưới dạng vùng. Tuy nhiên
trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tượng này có thể thể hiện dưới dạng một điểm. Vì vậy,
các đối tượng điểm và vùng có thể được dùng phản ánh lẫn nhau.
+ Kiểu đối tượng đường (Arcs)
Đường được xác định như một tập hợp dãy của các điểm. Mô tả các đối
tượng địa lý dạng tuyến, có các đặc điểm sau:
 Là một dãy các cặp toạ độ
 Một arc bắt đầu và kết thúc bởi node
 Các arc nối với nhau và cắt nhau tại node
 Hình dạng của arc được định nghĩa bởi các điểm vertices
 Độ dài chính xác bằng các cặp toạ độ

Hình 1.5. Số liệu vector được biểu thị dưới dạng Arc


13
+ Kiểu đối tượng vùng (Polygons)
Vùng được xác định bởi ranh giới các đường thẳng. Các đối tượng địa lý
có diện tích và đóng kín bởi một đường được gọi là đối tượng vùng polygons, có
các đặc điểm sau:
 Polygons được mô tả bằng tập các đường (arcs) và điểm nhãn (label
points)
 Một hoặc nhiều arc định nghĩa đường bao của vùng
 Một điểm nhãn label points nằm trong vùng để mô tả, xác định cho
mỗi một vùng.

Hình 1.6. Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon)


14

Hình 1.7. Một số kiểu hình dạng dữ liệu bản đồ
Hệ thống Raster
Mô hình dữ liệu dạng raster phản ánh toàn bộ vùng nghiên cứu dưới dạng
một lưới các ô vuông hay điểm ảnh (pixcel). Mô hình raster có các đặc điểm:
 Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới.
 Mỗi một điểm ảnh (pixcel) chứa một giá trị.
 Một tập các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạo thành một
lớp (layer).
 Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp.
Mô hình dữ liệu raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng tương đối phổ
biến trong các bài toán về môi trường, quản lý tài nguyên thiên nhiên.


15
Mô hình dữ liệu raster chủ yếu dùng để phản ánh các đối tượng dạng vùng
là ứng dụng cho các bài toán tiến hành trên các loại đối tượng dạng vùng: phân
loại; chồng xếp.
Các nguồn dữ liệu xây dựng nên dữ liệu raster có thể bao gồm:
 Quét ảnh
 Ảnh máy bay, ảnh viễn thám
 Chuyển từ dữ liệu vector sang
 Lưu trữ dữ liệu dạng raster.
 Nén theo hàng (Run lengh coding).
 Nén theo chia nhỏ thành từng phần (Quadtree).
 Nén theo ngữ cảnh (Fractal).
Trong một hệ thống dữ liệu cơ bản raster được lưu trữ trong các ô (thường
hình vuông) được sắp xếp trong một mảng hoặc các dãy hàng và cột. Nếu có thể,
các hàng và cột nên được căn cứ vào hệ thống lưới bản đổ thích hợp.
Việc sử dụng cấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết bị

mất. Với lý do này, hệ thống raster-based không được sử dụng trong các trường
hợp nơi có các chi tiết có chất lượng cao được đòi hỏi.

Hình 1.8. Sự biểu thị kết quả bản đồ dưới dạng Raster


16
Chuyển đổi cơ sở dữ liệu dạng vector và raster
Việc chọn của cấu trúc dử liệu dưới dạng vector hoặc raster tuỳ thuộc vào
yêu cầu của người sử dụng, đối với hệ thống vector, thì dữ liệu được lưu trữ sẽ
chiếm diện tích nhỏ hơn rất nhiều so với hệ thống raster, đồng thời các đường
contour sẽ chính xác hơn hệ thống raster. Ngoài ra cũng tuỳ vào phần mềm máy
tính đang sử dụng mà nó cho phép nên lưu trữ dữ liệu dưới dạng vector hay
raster. Tuy nhiên đối với việc sử dụng ảnh vệ tinh trong GIS thì nhất thiết phải
sử dụng dưới dạng raster.
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 đổi mô hình dữ liệu vector sang dữ liệu
raster, hay còn gọi là raster hoá. Biến đổi từ raster sang mô hình vector, hay còn
gọi là vector hoá, đặc biệt cần thiết khi tự động quét ảnh. Raster hoá là tiến trình
chia đường hay vùng thành các ô vuông (pixcel). Ngược lại, vector hoá là tập
hợp các pixcel để tạo thành đường hay vùng. Nết dữ liệu raster không có cấu
trúc tốt, thí dụ ảnh vệ tinh thì việc nhận dạng đối tượng sẽ rất phức tạp.
Nhiệm vụ biến đổi vector sang raster là tìm tập hợp các pixel trong không
gian raster trùng khớp với vị trí của điểm, đường, đường cong hay đa giác trong
biểu diễn vector. Tổng quát, tiến trình biến đổi là tiến trình xấp xỉ vì với vùng
không gian cho trước thì mô hình raster sẽ chỉ có khả năng địa chỉ hoá các vị trí
toạ độ nguyên. Trong mô hình vector, độ chính xác của điểm cuối vector được
giới hạn bởi mật độ hệ thống toạ độ bản đồ còn vị trí khác của đoạn thẳng được
xác định bởi hàm toán học.

17

Hình 1.9. Sự chuyển đổi dữ liệu giữa raster và vector
Thuận lợi và bất lợi của hệ thống dữ liệu raster và vector
+ Thuận lợi của hệ thống cơ sở dữ liệu raster
Vị trí địa lý của mỗi ô được xác định bởi vị trí của nó trong ô biểu tượng,
hình ảnh có thể được lưu trữ trong một mảng tương xứng trong máy vi tính cung
cấp đủ dữ liệu bất kỳ lúc nào. Vì vậy mỗi ô có thể nhanh chóng và dễ dàng được
định địa chỉ trong máy theo vị trí địa lý của nó.
Những vị trí kế cận được hiện diện bởi các ô kế cận, vì vậy mối liên hệ
giữa các ô có thể được phân tích một cách thuận tiện
Quá trình tính toán đơn giản hơn và dễ dàng hơn cơ sở hệ thống dữ liệu
vector.
Đơn vị bản đồ ranh giới thửa được trình bày một cách tự nhiên bởi giá trị
ô khác nhau, khi giá trị thay đổi, việc chỉ định ranh giới thay đổi.