TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM HỖTRỢ QUẢN LÝ VÙNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN


Lê Thanh Bình

TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM HỖ TRỢ
QUẢN LÝ VÙNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG
Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH
Mã số: 60 48 01




LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Đặng Văn Đức





Thái Nguyên - 2010
2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn “Tích hợp GIS và ảnh viễn thám hỗ
trợ quản lý vùng ven biển Hải Phòng” là công trình nghiên cứu của tôi dưới
sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Đặng Văn Đức, tham khảo các nguồn tài
liệu đã được chỉ rõ trong trích dẫn và danh mục tài liệu tham khảo. Các nội
dung công bố và kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào.

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2010


Lê Thanh Bình
3

PHỤ LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................7
1. Lý do chọn đề tài............................................................................................7
2. Mục tiêu nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài.............................................7
3. Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng ...................................................................7
4. Ý nghĩa khoa học ...........................................................................................7
5. Phương pháp nghiên cứu................................................................................7
TỔNG QUAN .........................................................................................................8
NỘI DUNG.............................................................................................................6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM....................................10
1.1. Khái quát về Hệ thông tin địa lý GIS...........................................................10
1.1.1. Khái niệm Hệ thông tin địa lý................................................................10
1.1.2. Các thành phần của Hệ thông tin địa lý .................................................13
1.1.3. Các chức năng của Hệ thống thông tin địa lý.........................................16
1.1.4. Hệ thông tin địa lý làm việc như thế nào ...............................................18
1.2. Khái quát về viễn thám................................................................................23
1.2.1. Định nghĩa ............................................................................................23

1.2.2. Phân loại viễn thám theo bước sóng ......................................................23
1.2.3. Nguyên lý cơ bản của viễn thám.............................................................24
1.2.4. Ứng dụng của viễn thám .......................................................................26
1.2.5. Phân loại viễn thám...............................................................................27
1.2.6. Vấn đề thu nhận và phân tích tư liệu viễn thám.....................................29
CHƯƠNG 2. TÍCH HỢP GIS VÀ ẢNH VIỄN THÁM TRONG QUẢN LÝ
TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN VÀ MÔI TRƯỜNG ........................................31
2.1 Thu thập ảnh viễn thám bằng TerraLook ......................................................31
2.2 Thu thập và tiền xử lý dữ liệu bản đồ véctơ..................................................32
2.3 Nắn chỉnh dữ liệu bản đồ..............................................................................39
2.4 Đơn giản hóa dữ liệu không gian..................................................................43
2.5 Chồng ghếp bản đồ.......................................................................................44
2.6 Một số thuật toán minh họa ..........................................................................49
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH BIẾN ĐỘNG...............................55

4

3.1 Giới thiệu bài toán........................................................................................54
3.2 Giới thiệu về ArcGIS....................................................................................54
3.2.1 Giới thiệu về phần mềm ArcGIS ..........................................................54
3.2.2 Giới thiệu về ArcMap...........................................................................55
3.3 Vị trí vùng nghiên cứu..................................................................................57
3.4 Khái quát biến động địa hình vùng nghiên cứu.............................................58
3.4.1 Nắn chỉnh bản đồ vector theo ảnh vệ tinh.............................................58
3.4.2 Chồng ghép bản đồ...............................................................................61
3.4.3 Tính diện tích biến động.......................................................................62
KẾT LUẬN .......................................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................64

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Mô hình một hệ thống thông tin địa lý..................................................... 9
Hình 1.2. Các tầng trong GIS................................................................................. 9
Hình 1.3. Các thành phần của GIS....................................................................... 11
Hình 1.4. Sơ đồ tổ chức hệ thống phần cứng máy tính.......................................... 12
Hình 1.5. Phần mềm GIS và các chức năng thực hiện...........................................13
Hình 1.6. Chức năng của Hệ thống thông tin địa lý ..............................................15
Hình 1.7: Các layer.............................................................................................. 16
Hình 1.8. Dữ liệu biểu diễn dạng Vector............................................................... 18
Hình 1.9. Dữ liệu biểu diễn dạng Raster............................................................... 19
Hình 1.10. Biểu diễn dạng vector, raster .............................................................. 19
Hình 1.11. Mô tả các dạng Raster, Vector và bề mặt trái đất................................ 20
Hình 1.12. Phân loại viễn thám theo bước sóng.................................................... 22
Hình 1.13. Nghiên cứu viễn thám theo đa quan niệm....................................................23
Hình 1.14. Hoạt động của hệ thống viễn thám chủ động và bị động...................... 26
Hình 1.15 Mô hình viễn thám vệ tinh địa tĩnh và viễn thám vệ tinh quỹ đạo cực ...26
Hình 2.1: Ảnh vệ tinh Landsat năm 2000 chụp dải bờ biển Hải Phòng................. 30
Hình 2.2. Ảnh vệ tinh Landsat năm 1990 chụp dải bờ biển Hải Phòng ............... 30
Hình 2.3. Phần mềm nhập bản đồ qua bàn số hóa ................................................35
Hình 2.4. Số hóa bản đồ ....................................................................................... 36
Hình 2.5. Minh họa thuật toán Douglas-Peucker..................................................36
Hình 2.6. Chồng ghép dữ liệu .............................................................................42
Hình 2.7. Chồng ghép đa giác ............................................................................44
Hình 2.8. Tiến trình phủ đa giác........................................................................... 45
Hình 2.9. Đường và đa giác lệch nhau .................................................................46
Hình 2.10. Giao của các đoạn thẳng ....................................................................48
Hình 2.11. Điểm trong đa giác ............................................................................. 49

Hình 2.12. Điểm trong đa giác ............................................................................. 49
Hình 2.13. Diện tích đa giác.................................................................................50
Hình 2.14. Giao 2 đa giác .................................................................................... 51
Hình 2.15. Xác định cạnh trong đa giác ............................................................... 52
Hình 2.16. Tách các đa giác kết quả..................................................................... 52
Hình 3.1. Giới thiệu ArcGIS.........................................................................................54
Hình 3.2. Giới thiệu ArcMAP.......................................................................................56
Hình 3.3. Các điểm khống chế được lựa chọn...................................................... 57
Hình 3.4. Lựa chọn điểm khống chế trên bản đồ vector........................................58
Hình 3.5. Lựa chọn điểm khống chế tương ứng trên ảnh VT năm 2000................. 58
Hình 3.6. Thao tác nắn chỉnh................................................................................59
Hình 3.7. Nắn chỉnh bản đồ vector theo ảnh vệ tinh năm 2000 ............................. 59
Hình 3.8. Nắn chỉnh bản đồ vector theo ảnh vệ tinh năm 1990 ............................. 60
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Mô hình dữ liệu Vectơ .......................................................................... 17
Bảng 1.2 So sánh mô hình Raster và Vector ......................................................... 19

6

7

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
- Công nghệ GIS và viễn thám đã được các nước phát triển trên thế giới
phát triển ứng dụng hiệu quả, tại Việt Nam hiện tại công nghệ này mới ở giai
đoạn khởi đầu.
- Hải Phòng là thành phố có dải bờ biển đẹp và tương đối dài. Theo thời
gian thì dải bờ biển này có sự biến động. Lựa chọn đề tài này để nắm được và
chỉ ra sự biến động đó.
2. Mục tiêu nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài

Ứng dụng GIS và viễn thám trong việc xác định biến động dải bờ biển Hải
Phòng theo thời gian.
3. Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng
- Các tài liệu, thông tin có liên quan tới GIS
- Các tài liệu, thông tin liên quan tới xử lý ảnh viễn thám và dữ liệu bản đồ
4. Ý nghĩa khoa học
Thông qua việc sử dụng công nghệ GIS và ảnh viễn thám để hỗ trợ công
tác quản lý tài nguyên thiên nhiên.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Khai thác thông tin từ nhiều nguồn, hệ thống hóa và lựa chọn các thông
tin cần thiết.
- Tìm hiểu, khảo sát thực tế hiện trạng công tác quản lý tài nguyên thiên
nhiên
- Sử dụng các công cụ thu thập và xử lý ảnh viễn thám, thu thập dữ liệu
bản đồ
- Sử dụng phương pháp chuyên gia phân tích và thiết kế hệ thống, xây
dựng kiến trúc tổng thể, xây dựng các chi tiết kỹ thuật, nghiên cứu xây dựng
mô hình.
8

TỔNG QUAN

Việt Nam có đường bờ biển dài 3200 km, với khoảng 3000 đảo và khoảng
4000 xã ven biển. Cũng giống như nhiều nước Đông Nam Á, phần lớn dân số,
công nghiệp, dịch vụ, đầu tư, những thành phố lớn đều nằm ven biển. Thành
phố Hải Phòng có dải bờ biển dài trên 125 km, thấp và khá bằng phẳng, cấu
tạo chủ yếu là cát bùn do 5 cửa sông chính đổ ra biển. Có khoảng gần 40%
dân số sống trên diện tích 780km2 thuộc các xã, quận, huyện sát biển. Khu
nội thành được đô thị hóa trên trăm năm nằm ngay cận cửa biển Nam Triệu.
Vì vậy, Hải Phòng là địa phương chịu nhiều tác động môi trường do ảnh

hưởng của nước biển dâng. Xói sạt bờ biển là hiện tượng phổ biến ở ven biển
Hải Phòng, kể cả ở bờ các đảo và nhiều đoạn nằm sâu phía trong
và nhiều đoạn bờ nằm sâu phía trong các cửa sông. Xói lở các đoạn bờ đảo
Cát Hải đã trở thành điển hình cả nước.
Đời sống của một bộ phận không nhỏ của những ngư dân sống trong vùng
ven biển vẫn còn gặp nhiều khó khăn, trình độ dân trí thấp, phương thức khai
thác tài nguyên còn lạc hậu. Đây là một nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm tài
nguyên biển, và ảnh hưởng sâu sắc đến tình hình kinh tế, chính trị, môi trường
sinh thái. Đứng trước thực tế đó, việc tìm ra sự thay đổi địa hình dải bờ biển
Hải Phòng và các nguyên nhân nhằm giúp các nhà hoạch định chính sách đưa
ra các biện pháp bảo vệ và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên biển là một
việc làm hết sức quan trọng và cần thiết.
Nghiên cứu về tài nguyên môi trường đã được thực hiện không chỉ dựa
trên các phương tiện, công nghệ truyền thống mà đã bắt đầu thực hiện bằng
các hệ thống quan sát từ xa đặt trên các vệ tinh nhân tạo hoặc các thiết bị bay
có người điều khiển. Công nghệ vũ trụ với các hệ thống thu thập thông tin đa
phổ, đa thời gian đã cho phép chúng ta thực hiện các công việc thu thập và
tổng hợp dữ liệu một cách nhanh chóng hơn, hiệu quả hơn. Việc ứng dụng các
công nghệ vũ trụ đã và đang đem lại những hiệu quả to lớn trong việc gìn giữ
và phát triển bền vững nguồn tài nguyên thiên nhiên
9

Ngày nay, qua thực tế và các công trình nghiên cứu, con người cũng đã
nhận thấy tính không ổn định của hệ thống Trái đất với các hiện tượng như lũ
lụt, hạn hán, sạt nở đất, các báo động về nguồn nước ngầm,…, do đó, để có
thể đưa ra những quyết định cũng như các kế hoạch đúng đắn trong việc sử
dụng hợp lý nguồn tài nguyên biển, thì ngoài các nghiên cứu chuyên đề khác,
chúng ta phải đánh giá được thực trạng biến đổi dải bờ biển qua các thời kỳ.
Vùng biển thành phố Hải Phòng là nơi có sự thay đổi tương đối mạnh về
địa chất, đặc biệt dải bờ biển trong những năm gần đây do sự tác động mạnh

của thiên nhiên và con người đã có sụ biến động. Hiện nay có nhiều phương
pháp cũng như cách tiếp cận khác nhau để theo dõi, nghiên cứu sự thay đổi
địa hình bờ biển. Phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS là một trong
những phương pháp hiện đại, sử dụng công cụ mạnh có khả năng giúp giải
quyết những vấn đề về không gian ở tầm vĩ mô trong một thời gian ngắn và
trên một diện tích rộng. Từ những quan điểm nêu trên thì việc nghiên cứu và
phát triển rộng phương pháp sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám và các dữ liệu địa
lý để tìm hiểu sự thay đổi hiện trạng bờ biển và xem xét các sự thay đổi đó
nhằm đưa ra những khuyến cáo phù hợp để tăng cường hơn nữa công tác
quản lý dải bờ biển.
Nghiên cứu, đánh giá sự thay đổi dải bờ biển qua các giai đoạn khác nhau
đã có nhiều tác giả đề cập trong nhiều các công trình và đề tài nghiên cứu.
Tuy nhiên việc áp dụng chúng vào những hoàn cảnh cụ thể cũng rất cần được
nghiên cứu để tìm ra cách tiếp cận hợp lý cũng như đánh giá khả năng ứng
dụng của chúng một cách đúng đắn. Từ các lý do như đã nêu, được sự đồng ý
của khoa Công nghệ thông tin tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:
“Tích hợp GIS và ảnh viễn thám hỗ trợ quản lý vùng ven biển Hải Phòng”.

10

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIS VÀ VIỄN THÁM
1.1. Khái quát về Hệ thông tin địa lý GIS
1.1.1. Khái niệm Hệ thông tin địa lý
Có nhiều cách hiểu cũng như định nghĩa khác nhau về GIS, song đều có
điểm giống nhau như: bao hàm dữ liệu không gian, phân biệt giữa hệ thông
tin quản lý và GIS. So với bản đồ thì GIS lưu trữ và biểu diễn dữ liệu hoàn
toàn độc lập với nhau. GIS cung cấp khả năng quan sát trên các góc độ khác
nhau với cùng một tập dữ liệu.
Theo cách định nghĩa của dự án The Geographer’s Craft khoa địa lý
trường đại học TEXAS : GIS là cơ sở dữ liệu (CSDL) số chuyên dụng trong

đó hệ trục toạ độ không gian là phương tiện tham chiếu chính. GIS gồm các
công cụ để thực hiện các công việc sau :
- Nhập số liệu từ bản đồ giấy, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, số liệu tổng hợp
từ các nguồn khác.
- Lưu trữ dữ liệu, khai thác, truy vấn CSDL.
- Biến đổi dữ liệu, phân tích, mô hình hoá bao gồm các dữ liệu thống kê và
dữ liệu không gian.
- Lập báo cáo gồm các bản đồ chuyên đề, bảng biểu, kế hoạch.
Từ định nghĩa trên cho thấy 3 vấn đề cơ bản 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 phép chiếu
không gian như phương tiện chính để lưu trữ và xâm nhập thông tin.
- Thứ hai: GIS là công nghệ tích hợp, một hệ thống GIS đầy đủ có khả
năng phân tích bao gồm phân tích ảnh vệ tinh, ảnh máy bay… hay tạo mô
hình thống kê, vẽ bản đồ.
- Thứ ba: GIS không chỉ đơn thuần là hệ thống phần cứng, phần mềm rời
rạc mà còn sử dụng vào hỗ trợ quyết định.
11

Theo cách định nghĩa của David Cowen (Hoa kỳ): 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 hoá 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. Để lưu trữ, quản lý các
dữ liệu về thế giới thực cần có một CSDL lớn. Khi lưu trữ dữ liệu này cần
giảm số lượng dữ liệu đến mức có thể quản lý được bằng các quá trình đơn
giản hoá hay trừu tượng hoá. Thực chất đó là quá trình tập trung chọn lọc
những điểm cơ bản, đặc trưng nhất của đối tượng cần lưu trữ, loại bỏ các chi
tiết thừa không cần thiết đồng thời hình tượng hoá đối tượng đó.

Hình 1.1. Mô hình một hệ thống thông tin địa lý
Mục tiêu của GIS là: cung cấp cấu trúc một hệ thống để quản lý các thông
tin địa lý khác nhau và phức tạp, các công cụ, các thao tác hiển thị, truy vấn,
mô phỏng…. GIS lưu thông tin về thế giới thực thành các tầng bản đồ chuyên
đề (Layer) có khả năng liên kết địa lý với nhau từ các đối tượng có liên quan,
khi thể hiện một bản đồ chuyên đề các layer tương ứng được gọi ra.




Hình 1.2. Các tầng trong GIS
Ví dụ bản đồ một thành phố có thể được tách thành các layer để hiển thị và
lưu trữ dữ liệu như hình trên.
Layer địa hình
Layer đường
Layer nhà ở
Layer CTCC
GIS
+
trừu tượng
hoá
Phần mềm
công cụ
CSDL
Người sử dụng
Thế giới thực
Kết quả

12

Hệ thống thông tin địa lý mang lại hiệu quả to lớn trong công tác lập bản
đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên trái đất. Công nghệ GIS kết
hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các
phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý và
hình ảnh được cung cấp duy nhất từ các bản đồ. Những khả năng này phân
biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng
dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác
động và hoạch định chiến lược).
Hiện nay, những thách thức chính mà chúng ta phải đối mặt - bùng nổ dân
số, ô nhiễm, phá rừng, thiên tai - chiếm một không gian địa lý quan trọng.
Khi xác định một công việc kinh doanh mới (như tìm một khu đất tốt cho
trồng chuối, hoặc tính toán lộ trình tối ưu cho một chuyến xe khẩn cấp), GIS
cho phép tạo lập bản đồ, phối hợp thông tin, khái quát các viễn cảnh, giải
quyết các vấn đề phức tạp, và phát triển các giải pháp hiệu quả mà trước đây
không thực hiện được. GIS là một công cụ được các cá nhân, tổ chức, trường
học, chính phủ và các doanh nghiệp sử dụng nhằm hướng tới các phương thức
mới giải quyết vấn đề.
Lập bản đồ và phân tích địa lý không phải là kỹ thuật mới, nhưng GIS thực
thi các công việc này tốt hơn và nhanh hơn các phương pháp thủ công cũ.
Trước công nghệ GIS, chỉ có một số ít người có những kỹ năng cần thiết để
sử dụng thông tin địa lý giúp ích cho việc giải quyết vấn đề và đưa ra các
quyết định.
Ngày nay, GIS là một ngành công nghiệp hàng tỷ đô la với sự tham gia
của hàng trăm nghìn người trên toàn thế giới. GIS được dạy trong các trường
phổ thông, trường đại học trên toàn thế giới. Các chuyên gia của mọi lĩnh vực
đều nhận thức được những ưu điểm của sự kết hợp công việc của họ và GIS.
Vậy có thể hiểu GIS là một tập hợp có tổ chức gồm: phần cứng, phần
mềm, dữ liệu địa lý, con người được thiết kế để nắm bắt, lưu trữ, cập nhật,

thao tác và hiển thị tất cả các dạng thông tin liên quan đến các vị trí địa lý.
[1]
13

1.2. Các thành phần của Hệ thông tin địa lý
GIS được kết hợp bởi năm thành phần chính: phần cứng, phần mềm, dữ
liệu, con người và phương pháp. Các hợp phần này phải được hợp nhất tốt để
phục vụ cho việc sử dụng GIS hiệu quả sự phát triển và tương thích của các
hợp phần là một quá trình lập đi, lập lại theo chiều hướng phát triển liên tục.
Việc trang bị phần cưng, phần mềm thường là những bước dễ dàng nhất và
nhanh nhất trong quá trình phát triển một hệ thống GIS. Việc thu thập và tổ
chức dữ liệu, phát triển nhân sự và thiết lập quy định cho vấn đề sử dụng GIS
thường khó khăn hơn và tốn nhiều thời gian hơn.








Hình 1.3. Các thành phần của GIS
Phần cứng
Phần cứng là hệ thống máy tính trên đó một hệ GIS hoạt động. Ngày nay,
phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ
trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng. Các thiêt
bị cơ bản gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi như: bàn số hóa, máy quét,
máy in và máy vẽ. Các thiết bị này cũng hết sức đa dạng do các hãng khác
nhau sản xuất và được kết nối với nhau thành hệ thống phần cứng.
14

Hình 1.4. Sơ đồ tổ chức hệ thống phần cứng máy tính
Phần mềm
Phần mềm GIS rất đa dạng và do nhiều hãng khác nhau sản xuất. Hệ thống
phần mềm phục vụ cho GIS bao gồm hệ điều hành hệ thống, phần mềm quản
trị cơ sở dữ liệu, phần mềm hiển thị đồ hoạ, các module chương trình cung
cấp cho người sử dụng các công cụ quản lý và phân tích không gian dễ dàng
và chính xác. Dựa trên mục tiêu xây dựng của hệ thống GIS mà lựa chọn các
giải pháp đồng bộ cho phần cứng và phần mềm.
Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu
giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Các thành phần chính trong phần
mềm GIS là:
- 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 hoạ người - máy (GUI) để truy cập các công cụ dễ dàng
15


Hình 1.5. Phần mềm GIS và các chức năng thực hiện
Dữ liệu
Dữ liệu GIS là phần quan trọng nhất trong một hệ thống GIS. Đó là thông
tin về các đối tượng của thế giới thực đựơc lưu trong máy tính sau khi được
trừu tượng hoá, đơn giản hoá qua các thiết bị phần cứng, phần mềm. Phần dữ
liệu GIS bao gồm dữ liệu không gian và phi không gian. Dữ liệu không gian
là dữ liệu về vị trí của các đối tượng trên mặt đất theo một hệ quy chiếu nào
đó. Nó có thể được biểu diễn dưới dạng các ô lưới hay các cặp tọa độ hay cả
hai, tùy thuộc vào khả năng của từng phần mềm cụ thể. Dữ liệu phi không
gian là dữ liệu thuộc tính hay dữ liệu mô tả các đối tượng địa lý. Trong đó, dữ

liệu thuộc tính thường được trình bày dưới dạng bảng. Sự kết nối giữa dữ liệu
không gian và phi không gian trong GIS là cơ sở để xác định chính xác các
đối tượng địa lý và thực hiện phân tích tổng hợp GIS. Dữ liệu GIS quyết định
khả năng hoạt động của một hệ thống GIS và được xây dựng tuỳ thuộc mục
đích hoạt động của hệ thống. Xây dựng một cơ sở dữ liệu GIS là một đầu tư
lớn về thời gian, công sức và tiền bạc do vậy, phần dữ liệu GIS phải được
quản lý khai thác một cách an toàn, tiện lợi và hiệu quả.
Con người
Con người tham gia vào việc thiết lập, khai thác và bảo trì hệ thống một
cách gián tiếp hay trực tiếp. Có hai nhóm người quan trọng trực tiếp quyết
Phần
mềm thu
thập dữ
Giao diện
người
dùng
Phân tích
không
gian
Hiển thị
báo cáo
Chuyển
đổi dữ
liệu
Hệ Quản trị
CSDL địa lý
16

định sự tồn tại và phát triển của GIS là người sử dụng và người quản lý sử
dụng GIS.

Đội ngũ những người sử dụng GIS bao gồm các thao tác viên, kỹ thuật
viên hỗ trợ kỹ thuật và các chuyên gia về các lĩnh vực khác nhau có sử dụng
thông tin địa lý. Người sử dụng trở thành một thành phần của GIS khi tiến
hành những phép phân tích phức tạp, các thao tác phân tích không gian và mô
hình hóa. Công việc này yêu cầu các kỹ năng để chọn lựa và sử dụng các
công cụ từ hộp công cụ của GIS và có kiến thức về các dữ liệu mang được sử
dụng. Hiện tại và trong những năm trước mắt, GIS vẫn sẽ phụ thuộc vào
người sử dụng có nắm vững kiến thức về những gì họ đang làm chứ không
đơn giản chỉ ấn một nút là đủ.
Tóm lại, một dự án GIS chỉ thành công khi nó được quản lý tốt và con
người tại mỗi công đoạn phải có kỹ năng tốt.
Phương pháp
Một hệ GIS thành công theo khía cạnh thiết kế và luật thương mại là được
mô phỏng và thực thi duy nhất cho mỗi tổ chức.
1.3. Các chức năng của Hệ thống thông tin địa lý
Nhập dữ liệu
Nhập dữ liệu là một chức năng của GIS qua đó dữ liệu dưới dạng tương tự
hay dạng số được biến đổi sang dạng số có thể sử dụng được bằng GIS. Việc
nhập dữ liệu được thực hiện nhờ vào các thiết bị như bàn số hóa, máy quét,
bàn phím và các chương trình hay môđun nhập và chuyển đổi dữ liệu của GIS
Quản lý dữ liệu
Việc xây dựng một cơ sở dữ liệu GIS lớn bằng các phương pháp nhập dữ
liệu khác nhau thường rất tốn kém về thời gian, công sức và tiền bạc. Số chi
phí bằng tiền cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu có thể lớn hơn hẳn chi phí phần
cứng và phần mềm GIS. Điều đó phần nào nói
lên ý nghĩa của việc quản lý
dữ liệu, một
chức năng quan trọng của tất cả các hệ thống thông tin địa lý.
17

Chức năng này bao gồm việc tổ chức lưu trữ và truy cập dữ liệu sao cho hiệu
quả nhất.
Phân tích dữ liệu
Phân tích dữ liệu là chức năng quan trọng nhất của GIS. GIS cung cấp các
công cụ cần thiết để phân tích dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính và phân
tích tổng hợp cả hai loại dữ liệu đó ở trong cơ sở dữ liệu để tạo ra thông tin
mới trợ giúp các quyết định mang tính không gian.
Xuất dữ liệu
Chức năng xuất dữ liệu hay còn gọi là chức năng báo cáo của GIS cho
phép hiển thị, trình bày các kết quả phân tích và mô hình hóa không gian bằng
GIS dưới dạng bản đồ, bảng thuộc tính hay văn bản trên nàm hình hay trên
các vật liệu truyền thống khác ở các tỷ lệ và chất lượng khác nhau tùy thuộc
vào yêu cầu của người dùng và khả năng của các thiết bị xuất dữ liệu như
màn hình, máy in và máy vẽ.
Sức mạnh của các chức năng của hệ thống GIS khác nhau là khác nhau.
Kỹ thuật xây dựng các chức năng cũng rất khác nhau. Sơ đồ sau đây mô tả
quan hệ giữa các nhóm chức
năng và cách biểu diễn thông tin khác nhau của
GIS.


Hình 1.6. Chức năng của Hệ thống thông tin địa lý

18

Chức năng thu thập dữ liệu tạo ra dữ liệu từ các quan sát hiện tượng thế
giới thực và từ các tài liệu, bản đồ giấy, đôi khi chúng có sẵn dưới dạng số.
Kết quả ta có tập dữ liệu thô, có nghĩa là dữ liệu này không được phép áp
dụng trực tiếp cho chức năng truy nhập và phân tích của hệ thống. Chức năng
xử lý sơ bộ dữ liệu sẽ biến đổi dữ liệu thô thành dữ liệu có cấu trúc để sử

dụng trực tiếp các chức năng tìm kiếm và phân tích không gian. Kết quả tìm
kiếm và phân tích được xem như diễn giải dữ liệu, đó là tổ hợp hay biến đổi
đặc biệt của dữ liệu có cấu trúc. Hệ thống thông tin địa lý phải có phần mềm
công cụ để tổ chức và lưu trữ các loại dữ liệu khác nhau, từ dữ liệu thô đến dữ
liệu diễn giải. Phần mềm công cụ này phải có các thao tác lưu trữ, truy nhập;
đồng thời có khả năng hiển thị, tương tác đồ họa với tất cả các loại dữ liệu.
1.4. Hệ thông tin địa lý làm việc như thế nào
GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên
đề có thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý. Ðiều này đơn giản nhưng
vô cùng quan trọng và là một công cụ đa năng đã được chứng minh là rất có
giá trị trong việc giải quyết nhiều vấn đề thực tế, từ thiết lập tuyến đường
phân phối của các chuyến xe, đến lập báo cáo chi tiết cho các ứng dụng quy
hoạch, hay mô phỏng sự lưu thông khí quyển toàn cầu.

Hình 1.7: Các layer
Tham khảo địa lý
Các thông tin địa lý hoặc chứa những tham khảo địa lý hiện (chẳng hạn
như kinh độ, vĩ độ hoặc toạ độ lưới quốc gia), hoặc chứa những tham khảo địa
19

lý ẩn (như địa chỉ, mã bưu điện, tên vùng điều tra dân số, bộ định danh các
khu vực rừng hoặc tên đường). Mã hoá địa lý là quá trình tự động thường
được dùng để tạo ra các tham khảo địa lý hiện (vị trí bội) từ các tham khảo
địa lý ẩn (là những mô tả, như địa chỉ). Các tham khảo địa lý cho phép định vị
đối tượng (như khu vực rừng hay địa điểm thương mại) và sự kiện (như động
đất) trên bề mặt quả đất phục vụ mục đích phân tích.
Mô hình Vector và Raster
Dữ liệu không gian là những mô tả dạng số của hình ảnh bản đồ, gồm toạ
độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ thể trên
tờ bản đồ. Hệ thống thông tin địa lý dùng dữ liệu không gian để tạo ra một

bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị
ngoại vi.
Bản đồ là bản vẽ thể hiện hình ảnh các đối tượng thực tế trên bề mặt quả
đất qua quá trình trừu tượng hay đơn giản hoá đối tượng đó. Khi thể hiện các
đối tượng đó trên một vị trí không gian trong một hệ trục toạ độ thống nhất
GIS sử dụng hai mô hình dữ liệu không gian là: mô hình dữ liệu dạng Vector
và mô hình dữ liệu dạng Raster.
Mô hình dữ liệu Vector
Biểu diễn các đặc trưng địa lý bằng các phần tử đồ hoạ cơ bản (điểm,
đường, đa giác, bề mặt ba chiều và khối trong 3D) dựa trên việc quan sát đối
tượng của thế gới thực.
Kiểu thành phần sơ cấp Biểu diễn dạng đồ hoạ Biểu diễn dạng Vector
Điểm
. + x
(x,y) trong 2D
(x, y, z) trong 3D
Đường
Danh sách toạ độ (toạ độ
các điểm đầu, cuối và các
điểm tại các vị trí cong)
hoặc hàm toán học mô tả.
20

Kiểu thành phần sơ cấp Biểu diễn dạng đồ hoạ Biểu diễn dạng Vector
Vùng
Đường có điểm đầu và
cuối trùng nhau hoặc tập
hợp các đường nếu có các
vùng lồng nhau.
Bề mặt

Ma trận tập hợp các điểm
hoặc các hàm toán học mô
tả và các đường bình độ.
Khối

Tập các bề mặt.
Bảng 1.1 Mô hình dữ liệu Vectơ
Điểm là thành phần sơ cấp của dữ liệu GIS trong mô hình vector, các điểm
được nối với nhau bởi các đường để tạo thành các thực thể khác. Tuỳ theo tỷ
lệ quan sát mà các thực thể được biểu diễn bằng các điểm, đường hay
vùng…Như vậy mô hình này sử dụng các điểm hay đoạn thẳng để nhận biết
các vị trí của vật thể trong thế giới thực nên phép thao tác nhiều hơn trên các
đối tượng so với mô hình Raster và việc tính toán các đặc điểm như diện tích,
chu vi đặc biệt là tìm đường đi nhanh và hiệu quả hơn.

Hình 1.8. Dữ liệu biểu diễn dạng Vector

21

Mô hình dữ liệu Raster
Số liệu được tạo thành từ ma trận các ô lưới với độ phân giải xác định.
Mỗi ô lưới nhận một gía trị xác định tương ứng với thông tin mà nó lưu trữ.
Nếu độ phân giải nhỏ sẽ làm giảm độ chính xác về thông tin của các đối
tượng cần lưu trữ, nếu độ phân giải lớn thì cơ sở dữ liệu lưu trữ yêu cầu cần
phải lớn.

Hình 1.9. Dữ liệu biểu diễn dạng Raster
Biểu diễn dạng Vector, Raster







Hình 1.10. Biểu diễn dạng vector, raster
Dưới đây là hình vẽ mô tả các dạng Raster, Vector và bề mặt trái đất
X2,Y2
X1,Y1
X5,Y5 X4,Y4
X3,Y3
Dạng Vector Dạng Raster
22

Hình 1.11. Mô tả các dạng Raster, Vector và bề mặt trái đất
So sánh mô hình Raster và Vector

Mô hình raster Mô hình vector
Ưu điểm
Mô hình hiệu quả
Dễ tổ hợp, nạp chồng
Hướng ảnh vệ tinh
Có khả năng mô phỏng
Dễ phân tích dữ liệu
Thuận tiện biểu diễn hiện tượng tự nhiên
Mô hình cô đọng
Có khả năng tạo lập topo lưới, tổng quát
hóa, dễ sửa đổi
Thao tác hình học dễ dàng, chính xác
Nhược điểm
Chất lượng đồ họa hạn chế
Khó mô hình hóa mạng
Biến đổi phi tuyến phức tạp
Cấu trúc dữ liệu phức tạp

Bảng 1.2 So sánh mô hình Raster và Vector
23

1.2. Khái quát về viễn thám
1.2.1. Định nghĩa
Viễn thám (Remote sensing) được hiểu là một khoa học và nghệ thuật để
thu nhận thông tin về một đối tượng, một khu vực hoặc một hiện tượng thông
qua việc phân tích tư liệu thu nhận được bằng các phương tiện. Những
phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng, khu vực hoặc

với hiện tượng được nghiên cứu. [2]
Viễn thám có thể hiểu đơn giản là thăm dò từ xa về một đối tượng hoặc
một hiện tượng mà không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc hiện
tượng đó.
Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng mọi định nghĩa
đều có nét chung, nhấn mạnh "viễn thám là khoa học thu nhận từ xa các thông
tin về các đối tượng, hiện tượng trên trái đất".
Sóng điện từ hoặc được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể thường là
nguồn tài nguyên chủ yếu trong viễn thám. Tuy nhiên những năng lượng như
từ trường, trọng trường cũng có thể được sử dụng.
Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể
được gọi là bộ cảm.
Phương tiện dùng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang. Vật mang
gồm khí cầu máy bay, vệ tinh, tầu vũ trụ.
1.2.2. Phân loại viễn thám theo bước sóng
Viễn thám có thể được phân thành 3 loại cơ bản theo bước sóng sử dụng:
- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại: nguồn năng lượng
chính sử dụng là bức xạ mặt trời. Mặt trời cung cấp một bức xạ có bước sóng
ưu thế 500 mµ. Tư liệu viễn thám thu được trong dải sóng nhìn thấy phụ
thuộc chủ yếu vào sự phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt trái đất. Vì vậy các
thông tin về vật thể có thể được xác định từ các phổ phản xạ. Tuy nhiên, radar
sử dụng tia laze là trường hợp ngoại lệ không sử dụng năng lượng mặt trời.
24

- Viễn thám hồng ngoại nhiệt: nguồn năng lượng sử dụng trong hồng ngoại
nhiệt là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra. Mỗi vật thể trong nhiệt độ
bình thường đều tự phát ra một bức xạ có đỉnh tại bước sóng 10.000mµ.
- Viễn thám siêu cao tần: trong viễn thám siêu cao tần người ta thường sử
dụng hai loại kỹ thuật chủ động và bị động. Trong viễn thám siêu cao tần bị
động thì bức xạ siêu cao tần do chính vật thể phát ra được ghi lại, trong viễn

thám siêu cao tần chủ động lại thu những bức xạ tán xạ hoặc phản xạ từ vật
thể.

Hình 1.12. Phân loại viễn thám theo bước sóng
1.2.3. Nguyên lý cơ bản của viễn thám
Viễn thám nghiên cứu đối tượng bằng giải đoán và tách lọc thông tin từ dữ
liệu ảnh chụp hàng không, hoặc bằng việc giải đoán ảnh vệ tinh dạng số.
Các dữ liệu dưới dạng ảnh chụp và ảnh số được thu nhận dựa trên việc ghi
nhận năng lượng bức xạ (không ảnh và ảnh vệ tinh) và sóng phản hồi (ảnh
25

radar) phát ra từ vật thể khi khảo sát. Năng lượng phổ dưới dạng sóng điện từ,
nằm trên các dải phổ khác nhau, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều
góc độ sẽ góp phần giải đoán đối tượng một cách chính xác hơn.

Hình 1.13. Nghiên cứu viễn thám theo đa quan niệm
Nếu biết trước phổ phát xạ, phản xạ (emited/reflected) chuẩn của vật thể
trong phòng thí nghiệm, xác định bằng các máy đo phổ, ta có thể giải đoán
vật thể bằng cách phân tích đường cong phổ thu được từ ảnh vệ tinh.
Xử lý ảnh số là kỹ nghệ làm hiển thị rõ ảnh và tách lọc thông tin từ các dữ
liệu ảnh số, dựa vào các thông tin chìa khóa về phổ bức xạ phát ra. Các phần
mềm xử lý ảnh số được phát triển, nhằm cho ra thông tin về phổ bức xạ của
các vật thể hoặc các hiện tượng xảy ra trong giới hạn diện phủ của ảnh.
Giải đoán, tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh viễn thám được thực hiện dựa
trên các cách tiếp cận khác nhau, có thể kể đến là:
- Đa phổ: Sử dụng nghiên cứu vật từ nhiều kênh phổ trong dải phổ từ nhìn
thấy đến sóng radar.
- Đa nguồn dữ liệu: Dữ liệu ảnh thu nhận từ các nguồn khác nhau ở các độ
cao khác nhau, như ảnh chụp trên mặt đất, chụp trên khinh khí cầu, chụp từ
máy bay trực thăng và phản lực đến các ảnh vệ tinh có người điều khiển hoặc

tự động.
- Đa thời gian: Dữ liệu ảnh thu nhận vào các thời gian khác nhau.
- Đa độ phân giải: Dữ liệu ảnh có độ phân giải khác nhau về không gian,
phổ và thời gian.