Xây dựng hệ thống gis ứng dụng trong quy hoạch xây dựng nông thôn

1
..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG

Ngơ Thanh Khiết

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIS ỨNG DỤNG TRONG QUY
HOẠCH XÂY DỰNG NÔNG THÔN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Ngun - 2012

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG

Ngơ Thanh Khiết

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIS ỨNG DỤNG TRONG QUY
HOẠCH XÂY DỰNG NÔNG THÔN
Chuyên ngành :

KHOA HỌC MÁY TÍNH

Mã số :

60.48.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.Nguyễn Đình Hóa

Thái Ngun - 2012

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




3

MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 5
CHƢƠNG I: GIS VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU KHƠNG GIAN ...................... 8
1.1 Những khái niệm cơ bản về GIS ............................................................ 8
1.1.1 Hệ thông tin địa lý là gì .................................................................... 8
1.1.2 Tại sao phải sử dụng hệ thông tin địa lý .......................................... 8
1.1.3 Các thành phần chính trong hệ thơng tin địa lý ............................. 11
1.2 Các chức năng của hệ thống GIS .......................................................... 14
1.2.1 Thu thập dữ liệu ............................................................................. 14
1.2.2 Xử lý sơ bộ dữ liệu ......................................................................... 15
1.2.3 Lƣu trữ và truy nhập dữ liệu .......................................................... 16

1.2.4 Tìm kiếm và phân tích khơng gian ................................................ 17
1.2.5 Hiện thị đồ họa và tƣơng tác .......................................................... 17
1.3. Mơ hình dữ liệu khơng gian ................................................................ 17
1.3.1 Mơ hình dữ liệu raster và vector .................................................... 18
1.3.2 Mơ hình đối tƣợng địa lý ............................................................... 20
1.4 Ứng dụng của hệ thông tin địa lý .......................................................... 24
CHƢƠNG II: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG GIS BẰNG MAPWINDOW .. 26
2.1 Khung kiến trúc một ứng dụng MapWindow ....................................... 27
2.1.1 Không gian làm việc ...................................................................... 27
2.1.2 Các trình cắm thêm (Plug-in) ......................................................... 27
2.2 Tạo các lớp bản đồ chuyên đề ............................................................... 28
2.2.1 Biên tập, trình bày, xây dựng bản đồ chuyên đề ............................ 28
2.2.2 Tạo và chỉnh sửa lớp dữ liệu bản đồ .............................................. 30
2.2.3 Dữ liệu khơng gian ........................................................................ 43
2.3 Tính tốn định lƣợng dựa trên diện tích trong MapWindow và bài tốn
đền bù giải tỏa mặt bằng ............................................................................. 46
2.3.1 Bài toán toán đến bù trong giải tỏa mặt bằng ................................ 46
2.3.2 Các bƣớc giải bài toán .................................................................... 48
CHƢƠNG III: PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG MAPWINDOW HỖ TRỢ
BÀI TỐN QUY HOẠCH XÂY DỰNG NƠNG THƠN .......................... 53
3.1 Bài tốn quy hoạch xây dựng nơng thơn.............................................. 53
3.1.1 Đặt vấn đề ..................................................................................... 53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




4

3.1.2 Ứng dụng MapWindow hỗ trợ quy hoạch xây dựng nông thôn ... 54

3.2 Kiến trúc của hệ thống .......................................................................... 55
3.2.1 Mơ hình .......................................................................................... 55
3.2.2 Mơ tả .............................................................................................. 56
3.3 Mơ hình phân rã chức năng .................................................................. 59
3.4 Mơ hình luồng dữ liệu .......................................................................... 61
3.4.1 Mơ hình luồng dữ liệu mức vật lý: ............................................. 61
3.4.2 Sơ đồ luồng dữ liệu mức đỉnh ........................................................ 64
3.5 Mơ hình thực thể liên kết ...................................................................... 65
3.6 Đặc tả bảng dữ liệu trong mơ hình quan hệ .......................................... 66
3.7 Cài đặt thử nghiệm ............................................................................... 68
3.7.1 Cách xây dựng plug-in đề phát triển phần mềm GIS. ............. 68
3.7.2 Cài đặt các Plug-in? ..................................................................... 69
3.7.3 Xây dựng bản đồ hiện trạng ........................................................... 69
3.7.4 Xây dựng bản đồ theo quy hoạch xây dựng nông thôn ................. 70
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 76

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




5

MỞ ĐẦU
Xây dựng nông thôn mới là xây dựng nông thơn có kết cấu hạ tầng kinh
tế xã hội từng bƣớc hiện đại cơ cấu kinh tế và các hình thức tổ chức sản xuất
hợp lý, gắn nông nghiệp với phát triển nhanh công nghiệp, dịch vụ, gắn phát
triển nông thôn với đô thị theo quy hoạch; xã hội nông thơn dân chủ, văn
minh, giàu bản sắc văn hóa dân tộc, môi trƣờng sinh thái đƣợc bảo vệ, đời

sống vật chất tinh thần của ngƣời dân ở vùng nông thôn ngày càng đƣợc nâng
cao.
Quy hoạch xây dựng nông thôn mới ở tất cả các xã trên địa bàn toàn
quốc với đầy đủ cơ sở hạ tầng theo một tiêu chí cụ thể bao gồm các hạng mục
cơng trình nhƣ: Trụ sở UBND xã, nhà văn hóa xã, nhà văn hóa thôn, khu thể
dục thể thao cấp xã, sân thể dục thể thao cấp thôn, trạm y tế, trƣờng học từ
mầm non trở nên, đƣờng trục xã, đƣờng trục thôn, đƣờng ngõ, đƣờng nội
đồng, cầu, cống; quy hoạch khu dân cƣ, xây dựng các khu công nghiệp, khu
xử lý rác thải… Xây dựng nông thôn mới cũng nhằm tiết kiệm đất đai, sử
dụng đất một cách có hiệu quả nhất.
Đề tài “ Xây dựng hệ thống GIS ứng dụng quy hoạch xây dựng nơng
thơn” nhằm giúp ngƣời làm quy hoạch có đƣợc những thông tin cần thiết để
lựa chọn phƣơng án tối ƣu trong quá trình quy hoạch. Đồng thời trả lời giúp
các nhà quy hoạch một cách trực quan các câu hỏi nhƣ:
Hạng mục cơng trình nào chƣa đạt tiêu chí theo quy định?
Khu đất nào cần phải mở rộng?
Mở rộng theo hƣớng nào thì có khả năng thực hiện đƣợc?
Diện tích cần mở rộng là bao nhiêu?
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




6

Những lơ đât nào sẽ phải giải phóng?
Diện tích giải phóng là bao nhiêu?
Đất quy hoạch mới ở đâu thì thuận tiện và chi phí thấp?
Vì vậy cần thiết phải có cơng cụ hỗ trợ cho việc quy hoạch cũng nhƣ
theo dõi trong suốt quá trình thực hiện một cách trực quan và chi tiết trên bản

đồ.
Trong thực tế đã có nhiều phần mềm GIS nhƣ Mapwindow, Arcview,
Mapinfo.. tuy nhiên đây là những phần mềm thƣơng mại nhằm đáp ứng
những công việc chung đồng thời đây không phải là những phần mềm chun
dụng những ngƣời khơng có am hiểu nhiều về GIS gặp khó khăn khi sử dụng.
Chính vì vậy em đã xây dựng hệ thống GIS với các chức năng đƣợc
xây dựng trên nền Mapwindow nhằm đáp ứng các câu hỏi trên, cụ thể là xây
dựng các công cụ hỗ trợ cho việc quy hoạch nông thôn, áp dụng tại xã Thọ
Nghiệp - huyện Xuân Trƣờng - tỉnh Nam Định.
Với những kiến thức học đƣợc và sự giúp đỡ của các thầy cơ giáo em
đã tiến hành tìm hiểu và thực hiện đề tài trên. Trong quá trình thực hiện đề tài
khơng tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đƣợc sự tham gia đóng
góp ý kiến của quý thầy cô giáo và các bạn để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Đình Hóa đã tận tình giúp
đỡ em hồn thành đề tài này.
Thái Nguyên, tháng 9 năm 2012
HỌC VIÊN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




7

Ngơ Thanh Khiết

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8

CHƢƠNG I
GIS VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU KHƠNG GIAN
1.1 Những khái niệm cơ bản về GIS
1.1.1 Hệ thông tin địa lý là gì
Hệ thơng tin địa lý “Geographical Information System (GIS)”, là một hệ
thơng tin có khả năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, biểu diễn dữ
liệu địa lý phục vụ giải quyết các bài toán ứng dụng có liên quan đến vị trí địa
lý trên bề mặt trái đất hoặc đƣợc định nghĩa nhƣ là một hệ thơng tin với khả
năng truy nhập tìm kiếm và xử lý, phân tích và truy xuất dữ liệu địa lý nhằm
hỗ trợ cho công tác quản lý quy hoạch tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng.
Công nghệ hệ thông tin địa lý kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông
thƣờng (nhƣ cấu trúc hỏi đáp) và cho phép phân tích thống kê, phân tích địa
lý, trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh đƣợc cung cấp duy nhất từ bản
đồ. Những khả năng này phân biệt của hệ thông tin địa lý với các hệ thông tin
khác và khiến cho hệ thông tin địa lý có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều
kĩnh vực khác nhau (phân tich các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định
chiến lƣợc).
1.1.2 Tại sao phải sử dụng hệ thông tin địa lý
Hệ thống phần mềm trong hệ thông tin địa lý có thể kết nối thơng tin về
vị trí địa lý của sự vật với thơng tin về bản thân sự vật. Khác với bản đồ trên
giấy, hệ thơng tinh địa lý có thể tổ hợp nhiều thơng tin, mỗi loại thơng tin trên
bản đồ có thể bố trí trên một lớp riêng, ngƣời sử dụng có thể bật hoặc tắt các
lớp thông tin theo nhu cầu của mình. Ví dụ một lớp có thể gồm tất cả các con
đƣờng trong một khu vực. Một lớp khác lại chứa tất cả các thành phố.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9

Điểm mạnh của hệ thông tin địa lý so với các bản đồ giấy chính là khả
năng cập nhật dữ liệu nhanh và cho phép chon những thông tin cần theo mục
đích sử dụng. Một doanh nhân lập bản đồ khách hàng trong một thành phố sẽ
cần xem những thông tin rất khác với một kĩ sƣ cấp nƣớc là ngƣời lại xem
đƣờng ống nƣớc trong thành phố. Cả 2 có thể bắt đầu từ bản đồ chung, là bản
đồ đƣờng phố và các vùng lân cận của thành phố những thông tin mà họ bổ
xung thêm sẽ khác nhau.
Về tổng quát, sự phát triển của công nghệ thông tin đã dẫn đến sự phát
triển song song tự động hoá cơng tác thu thập dữ liệu, phân tích dữ liệu, trình
bầy dữ liệu trong nhiều lĩnh vực rộng lớn nhƣ trắc địa bản đồ, địa chất, quy
hoạch phát triển, môi trƣờng. Do có nhiều cơng việc phải xử lý các thơng tin
có liên quan và phối hợp trong nhiều chun ngành khác nhau nhƣ bản đồ,
ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, các số liệu liên quan trắc, điều tra…. Hay nói
cách khác là cần phải phát triển một hệ thơng các cơng cụ để thu thập, tìm
kiếm, biến đổi, phân tích biến đổi và hiển thị các dữ liệu khơng gian từ thế
giới thực nhằm phục vụ thực hiện những mục đích cụ thể. Tập hợp các cơng
cụ trên đã tạo lập ra hệ thơng tin địa lý, đó là hệ thống thể hiện các đối tƣợng
từ thế giới thực thơng qua các dữ liệu cơ bản:
 Vị trí các đối tƣợng thông qua một hệ toạ độ
 Các thuộc tính của các đối tƣợng
 Quan hệ khơng gian giữa các đối tƣợng
Nhƣ vậy, nhờ hệ thông tin địa lý ngƣời sử dụng có thể truy vấn thơng qua
một dạng câu hỏi để hệ thống có thể trả lời đƣợc là:


Có cái gì ở vị trí này?



Mối quan hệ giữa các đối tƣợng này nhƣ thế nào?

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




10



ở đâu thoả mãn những điều kiện này?



Cái gì đã thay đổi và thay đổi nhƣ thế nào từ thời điểm này đến
thời điểm khác?



Những mẫu không gian nào tồn tại?



Nó sẽ nhƣ thế nào nếu q trình xẩy ra?

Nhƣ vậy hệ thông tin địa lý khác với hệ thống thơng tin quản lý chung
đó là nó chủ yếu mơ tả việc nghiên cứu và sự tồn tại của các thực thể không
gian và mối quan hệ giữa chúng. Thuật ngữ “Địa lý ” ở đây đồng nghĩa với
thuật ngữ “không gian”.
Cấu thành cơ bản của hệ thông tin địa lý bao gồm hệ thống xử lý hay
có thể gọi là hệ thống máy tính gồm phần cứng và phần mềm, cơ sở dữ liệu và
đội ngũ cán bộ kỹ thuật cùng ngƣời sử dụng.
Độ phức tạp của thế giới thực là khơng giới hạn. Do đó, để lƣu trữ đƣợc
dữ liệu không gian của thế giới thực vào máy tính thì phải giảm dữ liệu đến
mức có thể quản lý đƣợc bằng tiến trình trừu tƣợng hố hay đơn giản hố nhƣ
hình 1.2.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




11

Trừu tƣợng
thế giới thực
hay đơn giản
hố.

GIS
Phần mềm
cơng cụ

Người sử dụng

CSDL
ThÕ giíi thùc

Kết quả

Hình 1.2. Hệ thơng tin địa lý.

1.1.3 Các thành phần chính trong hệ thơng tin địa lý
Hệ thống GIS bao gồm năm thành phần chính: phần cứng, phần mềm,
dữ liệu, con ngƣời, phƣơng pháp.

Hình 1.3. Các thành phần chính của GIS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




12

1.1.3.1 Hệ thống phần cứng
GIS đòi hỏi thiết bị ngoại vi đặc biệt nhƣ bàn số hoá, máy vẽ để ra vào
dữ liệu. Các thiết bị này có thể nối với nhau thơng qua thiết bị truyền tin

Hình 1.4. Phần cứng của GIS

hay mạng cục bộ.
1.1.3.2 Hệ thống phần mềm
Phần mềm là các lệnh chi tiết kiểm soát sự vận hành của hệ thống máy

tính. Khơng có phần mềm thì phần cứng máy tính khơng thể thực hiện đƣợc
nhiệm vụ mà chúng ta trao cho máy tính. Có ba kiểu phần mềm chính là phần
mềm hệ thống, phần mềm ứng dụng và phần mềm ngƣời dùng cuối.
GIS bao gồm nhiều Modul phần mềm (hình 1.5). Khả năng lƣu trữ, quản
lý dữ liệu không gian bằng hệ quản trị CSDL địa lý là khía cạnh quan trong
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




13

nhất cuả GIS. Các modul khác là công cụ phân tích dữ liệu, làm báo cáo và
truyền tin.

Thu thập
dữ liệu

Chuyển
đổi dữ
liệu

Quản trị
CSDL
địa lý

Giao diện
ngƣời
dùng

Phân tích
khơng
gian

Hiển thị
làm báo
cáo

Hình 1.5. Phần mềm của GIS

1.1.3.3 Cơ sở Dữ liệu
Cơ sở dữ liệu là bộ các thông tin đƣợc lƣu dƣới dạng số theo một khn
dạng nào đó mà máy tính có thể hiểu và đọc đƣợc. Cơ sở dữ liệu trong hệ
thông tin địa lý bao gồm các dữ liệu địa lý và các dữ liệu thuộc tính (các dữ
liệu chữ - số, dữ liệu multimedia..) và mối quan hệ giữa các loại giữ liệu này.
Ngồi ra, với sự phát triển của cơng nghệ thơng tin, với nhu cầu chính xác hố
và hợp pháp hố, các thơng tin đƣa vào hệ thống, chúng ta cịn loại mạng
thơng tin “ đặc biệt” trong hệ thơng tin địa lý đó là “ siêu dữ liệu”( Metadata).
Các dữ liệu trong hệ thông tin địa lý phải luôn đƣợc cập nhật theo thêi
gian. Nhƣ vậy, dữ liệu trong hệ thống sẽ là dữ liệu đa thời gian .
Chúng ta cần phải thấy rằng trong hệ thông tin địa lý, hệ thống phần
cứng và phần mềm của hệ thống chỉ chiếm khoảng 15% giá thành toàn hệ
thống, bảo dƣỡng hoạt động cho hệ thống chiếm khoảng 5% giá trị, đào tạo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




14

cán bộ khoảng 10%, còn lại 70% là giá trị của dữ liệu. Vì vậy, có thể nói cơ
sở dữ liệu là “linh hồn ”của hệ thông tin địa lý.
1.1.3.4 Đội ngũ cán bộ kỹ thuật
Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế khi khơng có con ngƣời tham gia quản lý
hệ thống và phát triển các ứng dụng GIS trong thực tế. Ngƣời sử dụng GIS có
thể là những chuyên gia kỹ thuật, ngƣời thiết kế và duy trì hệ thống, các
chuyên gia về GIS, thao tác viên GIS, phát triển ứng dụng GIS, các nhà lãnh
đạo sử dụng hệ thống làm công cụ để hoạch định các chủ trƣơng, kế hoạch
trong quản lý và phát triển hoặc những ngƣời dụng GIS để giải quyết các vấn
đề trong công việc.
1.1.3.5 Phương pháp
Một hệ GIS thành cơng theo khía cạnh thiết kế và luật thƣơng mại là
đƣợc mô phỏng và thực thi cho mỗi tổ chức.
1.2 Các chức năng của hệ thống GIS
GIS bao gồm năm loại chức năng: Thu thập dữ liệu, Xử lý sơ bộ dữ
liệu, Lƣu trữ và truy nhập dữ liệu, Tìm kiếm và phân tích khơng gian, Hiển thị
đồ họa và tƣơng tác.
1.2.1 Thu thập dữ liệu
Chức năng thu thập dữ liệu tạo ra dữ liệu từ các quan sát hiện tƣợng thế
giới thực (Trắc địa mặt đất, định vị bằng vệ tinh, chụp ảnh bằng máy bay hay
vệ tinh) và từ các tài liệu, bản đồ giấy, hoặc có sẵn dƣới dạng số. Trƣớc khi
dữ liệu địa lý có thể đƣợc dùng cho GIS, dữ liệu này phải đƣợc chuyển sang
dạng số thích hợp. Quá trình chuyển dữ liệu từ bản đồ giấy sang các file dữ
liệu dạng số đƣợc gọi là quá trình số hóa. Cơng nghệ GIS hiện đại có thể thực
hiện tự động hồn tồn q trình này với cơng nghệ qt ảnh cho các đối
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15

tƣợng lớn; những đối tƣợng nhỏ hơn đòi hỏi một số q trình số hóa thủ cơng
(dùng bàn số hóa). Ngày nay, nhiều dạng dữ liệu địa lý thực sự có các định
dạng tƣơng thích GIS . Những dữ liệu này có thể thu đƣợc từ các nhà cung
cấp dữ liệu và đƣợc nhập trực tiếp vào GIS. Kết quả ta có tập “dữ liệu thơ”,
nghĩa là dữ liệu này không đƣợc phép áp dụng trực tiếp cho các chức năng
truy nhập và phân tích của hệ thống. Tuy nhiên, có những trƣờng hợp các
dạng dữ liệu địi hỏi đƣợc chuyển dạng và thao tác theo một số cách để có thể
tƣơng thích với một hệ thống nhất định. Ví dụ, các thơng tin địa lý có giá trị
biểu diễn khác nhau tại các tỷ lệ khác nhau (hệ thống đƣờng phố đƣợc chi tiết
hóa trong file về giao thơng, kém chi tiết hơn trong file điều tra dân số và có
mã bƣu điện trong mức vùng). Trƣớc khi các thông tin này đƣợc kết hợp với
nhau, chúng phải đƣợc chuyển về cùng một tỷ lệ (mức chính xác hoặc mức
chi tiết). Đây có thể chỉ là sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị
hoặc cố định cho u cầu phân tích. Cơng nghệ GIS cung cấp nhiều công cụ
cho các thao tác trên dữ liệu không gian và cho loại bỏ dữ liệu không cần
thiết.
Một số phƣơng pháp hay đƣợc sử dụng để thu thập dữ liệu không gian
cho hệ thống GIS bao gồm: trắc đạc mặt đất, đo đạc bằng vệ tinh, quan trắc,
viễn thám.
1.2.2 Xử lý sơ bộ dữ liệu
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 khơng gian.
Hệ thống GIS phải có phần mềm cơng cụ để tổ chức và lƣu 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 lƣu trữ, truy nhập; đồng thời có khả năng hiển thị, tƣơng
tác đồ họa với tất cả các loại dữ liệu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16

1.2.3 Lƣu trữ và truy nhập dữ liệu
Dữ liệu đƣợc lƣu trữ và quản lý thông qua một hệ quản trị cơ sở dữ liệu
(DBMS). Tuy nhiên, đa số các hệ quản trị cơ sở dữ liệu không đủ khả năng
quản lý dữ liệu không gian hoặc không thân thiện khi sử dụng. Các hệ quản trị
cơ sở dữ liệu thông thƣờng rất hiệu quả cho các truy vấn nhƣ “Liệt kê 10 sinh
viên có điểm trung bình cao nhất trong học kỳ vừa qua của trƣờng”.Tuy
nhiên, một truy vấn quan hệ đơn giản và thƣờng sử dụng là “Liệt kê tất cả các
sinh viên sống quanh khu vực trƣờng trong vòng 3km” sẽ làm hỏng cơ sở dữ
liệu. Để xử lý truy vấn này, cơ sở dữ liệu sẽ phải đƣa địa điểm của trƣờng và
địa chỉ nơi ở của sinh viên vào một hệ thống tham chiếu phù hợp, có thể là
kinh độ và vĩ độ để có thể tính và so sánh Sau đó, cơ sở dữ liệu sẽ phải duyệt
toàn bộ danh sách các sinh viên, tính khoảng các từ khu vực trƣờng tới địa chỉ
nơi ở của các sinh viên, và nếu khoảng cách này nhỏ hơn 3km, lƣu lại tên
những sinh viên đó. Cơ sở dữ liệu sẽ không thể sử dụng một chỉ số để làm
giảm việc tìm kiếm, bởi vì các chỉ số thông thƣờng không đủ khả năng lƣu trữ
theo thứ tự tọa độ nhiều chiều. Vì vậy, cần phải có cơ sở dữ liệu đƣợc thiết kế
để lƣu trữ dữ liệu khơng gian và các truy vấn khơng gian. Đó là hệ quản trị cơ
sở dữ liệu không gian (SDBMS). Ta đƣa ra định nghĩa sau:
o Một hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian là một module phần mềm
mà có thể làm việc với một hệ quản trị cơ sở dữ liệu bên dƣới, nhƣ
ORDBMS, OODBMS.
o SDBMS hỗ trợ các mơ hình dữ liệu khơng gian phức tạp, ứng với
các kiểu dữ liệu trừu tƣợng không gian (ADT), và một ngôn ngữ
truy vấn.

o SDBMS hỗ trợ chỉ số khơng gian, các thuật tốn hiệu quả cho các
tốn tử không gian, và các quy tắc miền cho việc tối ƣu truy vân.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




17

1.2.4 Tìm kiếm và phân tích khơng gian
Một số phép phân tích khơng gian tƣơng đối đơn giản, tìm kiếm trong
khoảng cận kề, tìm kiếm hiện tƣợng và thao tác phủ… Các loại truy vấn sử
dụng trong CSDL(7) không gian bao gồm: tìm kiếm đối tƣợng mà hình học
của nó chứa điểm, tìm kiếm đối tƣợng mà hình học của nó phủ lên chữ nhật,
phép nối, giao, liền kề.
1.2.5 Hiện thị đồ họa và tƣơng tác
Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng đƣợc hiện thị
tốt nhất dƣới dạng bản đồ hoặc biểu đồ. Bản đồ khá hiệu quả trong lƣu trữ và
trao đổi thông tin địa lý. Bản đồ hiện thị có thể đƣợc kết hợp với các bản báo
cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và những dữ liệu khác nhau (đa phƣơng
tiện).
1.3. Mơ hình dữ liệu khơng gian
Dữ liệu GIS đƣợc chia làm 3 dạng: dữ liệu không gian, dữ liệu phi
không gian hay dữ liệu thuộc tính và dữ liệu thời gian.

Hình 1.6. Mơ hình dữ liệu GIS

Thơng tin vị trí và những thông tin cần quan tâm, đƣợc xem chúng nhƣ là
các thuộc tính của thực thể.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




18

Mơ hình dữ liệu khơng gian nhằm trả lời cho câu hỏi về vị trí - ở đâu?
Đƣợc thể hiện trên bản đồ và hệ thống thông tin địa lý dƣới dạng điểm
(point), đƣờng (line), hoặc vùng (polygon). Dữ liệu khơng gian là dữ liệu về
đối tƣợng mà vị trí của nó đƣợc xác định trên bề mặt Trái Đất. Dữ liệu không
gian sử dụng trong hệ thống địa lý ln đƣợc xây dựng trên một hệ thống tọa
độ.
Mơ hình dữ liệu địa lý là các qui tắc đƣợc sử dụng để biến đổi đặc
trƣng địa lý của thế giới thực thành các đối tƣợng rời rạc. Mơ hình dữ liệu
đƣợc sử dụng để biểu diễn thực thể với mức độ phức tạp khác nhau. Thực thể
là nhận thức vì thế giới thực quá phức tạp, không thể chỉ ra mọi khía cạnh của
chúng. Việc lựa chọn mơ hình dữ liệu phụ thuộc vào loại ứng dụng và kết quả
mong đợi.
1.3.1 Mơ hình dữ liệu raster và vector
Hệ thơng tin địa lý sử dụng hai mơ hình dữ liệu cơ bản để biểu diễn các
đặc trƣng khơng gian: mơ hình dữ liệu raster và mơ hình dữ liệu vector. Mơ
hình dữ liệu quyết định cách thức mà dữ liệu đƣợc cấu trúc, lƣu trữ, xử lý và
phân tích trong một hệ thơng tin địa lý. Mơ hình dữ liệu raster sử dụng lƣới để
thể hiện đặc trƣng không gian. Mô hình dữ liệu vector sử dụng các điểm và
tọa độ của chúng để xây dựng các đặc trƣng không gian nhƣ điểm, đƣờng và
vùng. Các đặc trƣng dựa trên mô hình dữ liệu vector đƣợc coi nhƣ các đối
tƣợng riêng biệt trong không gian. Nhiều hệ thông tin địa lý sử dụng cả hai
mơ hình dữ liệu vector và raster.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




19

Hình 1.7 Mơ hình dữ liệu Raster và Vector

Mơ hình dữ liệu Raster
Tạo lập Raster: Đặt lƣới trên bản đồ (thí dụ bản đồ địa chất); Mã hóa
từng tế bào bởi giá trị biểu diễn từng loại đất mà nó chiếm đa phần diện tích
của tế bào.
Kết thúc: mỗi tế bào có một giá trị mã.
Thơng thƣờng giá trị mã đƣợc lƣu trên tệp theo khn dạng mã ASCII,
sau đó nhập vào GIS.
Mơ hình dữ liệu Vector
Mơ hình dữ liệu Vector dựa trên cơ sở các vector hay toạ độ của các
điểm trong một hệ trục toạ độ nào đó. Điểm là thành phần sơ cấp của dữ liệu
địa lý trong mơ hình này. Các đối tƣợng đƣợc hình thành bằng cách nối các
điểm bởi các đoạn thẳng, một vài hệ thống cho phép nối các điểm bới các
cung tròn. Vùn đƣợc xác định bởi tập các đƣờng, khái niệm đa giác đồng
nghĩa với dùng trong CSDL vector vì ta sử dụng các đoạn thẳng (hay cạnh)
nối các điểm với nhau. Nhƣ vậy, mơ hình dữ liệu vector sử dụng các đoạn
thẳng hay các điểm rời rạc để nhận biết đƣợc thế giới thực. Khác với mơ hình
Raster, mơ hình dữ liệu vector có thể cho biết “ nơi mà mọi thứ xảy ra”.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20

Mơ hình dữ liệu vector đƣợc sử dụng trong các ứng dụng giao thơng
tiện ích, thƣơng mại... cả hai mơ hình Raster và Vector đều có thể sử dụng để
quản lý tài ngun.
Mơ hình dữ liệu vector cho phép thao tác trên các đối tƣợng. Việc do
diện tích, khoảng cách của các đối tƣợng đƣợc thực hiện bằng các tính tốn
hình học từ các toạ độ của các đối tƣợng. Tính diện tích trên cơ sở đa giác
trên mặt cầu sẽ chính xác hơn việc đếm các điểm (pixel) trên bản đồ có các
phép chiếu khác nhau. Tƣơng tự với việc tính chu vi của một vùng. Một số
thao tác ở mơ hình này thực hiện nhanh nhƣ tìm đƣờng đi trong mạng lƣới
giao thông hay hệ thống thuỷ lợi...
1.3.2 Mơ hình đối tƣợng địa lý
Cấu trúc của một đối tƣợng cơ sở
Ký hiệu [] bộ, <> danh sách, {} tập.
Danh sách các điểm < p1, p2 , p3 ,...., pn >, i =1,..,n trong đó pi là đỉnh.
Mỗi cặp (pi, pi+1 ) với i< n là cạnh.
Point: [ x:real, y:real], polyline:, polyregion:
Region: { polygon }
Mơ hình dữ liệu vector định hƣớng đến các hệ thống quản trị cơ sở dữ
liệu. Chúng có ƣu việt trong việc lƣu trữ số liệu bản đồ bởi vì chúng chỉ lƣu
các đƣờng biên của các đặc trƣng, khơng cần lƣu tồn bộ vùng của chúng. Bởi
vì các thành phần đồ hoạ biểu diễn các đặc trƣng của bản đồ liên kết trực tiếp
với các thuộc tính của cơ sở dữ liệu, ngƣời dùng có thể tìm kiếm và hiển thị
các thơng tin từ cơ sở dữ liệu một cách dễ dàng.
Xƣơng sống của hệ thống thơng tin tích hợp đƣợc nghiên cứu là mơ
hình dữ liệu quan hệ địa lý. Chúng trừu tƣợng các thơng tin địa lý thành các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21

lớp độc lập, xác định trƣớc. (Hình 1.8) Mơ tả một cách trừu tƣợng các thực
thể của thế giới thực thành các điểm, đƣờng và vùng.
Thế giới thực
Bệnh viện

Sông

Trục
y

Bệnh viện

Sông

Trục x

Hình 1.8. Trừu tƣợng thực thể của thế giới thực

Thí dụ hình 1.8 ở trên, đã đơn giản hố thế giới thực để có các đặc
trƣng quản lý đƣợc bằng máy tính. Đó là sơng ngịi, đƣờng biên hành chính,
vị trí của các tiện ích nhƣ bệnh viện.. các thực thể này đƣợc trừu tƣợng thành
các lớp độc lập nhƣ lớp đƣờng giao thơng, lớp đƣờng biên hành chính, các lớp
tiện ích. Chỉ bằng toạ độ các điểm và các đoạn thẳng nối giữa chúng cũng có
thể biểu diễn đƣợc các thực thể của thế giới thực.

Trong cơ sở dữ liệu không gian, các thực thể của thế giới thực đƣợc
biểu diễn dƣới dạng số bằng một kiểu đối tƣợng khơng gian tƣơng ứng. Dựa
trên kích thƣớc khơng gian của đối tƣợng mà US National Standard for

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




22

Digital Cartographic Database (DCDSTF, 1988) đã chuẩn hoá các loại đối
tƣợng nhƣ sau:
0 – D Đối tƣợng có vị trí nhƣng khơng có độ dài (đối tƣợng điểm)
1 – D Đối tƣợng có độ dài (đƣờng) tạo từ hai hay nhiều điểm trở lên.
2 – D Đối tƣợng có độ dài và độ rộng (vùng), đƣợc bao quanh bởi ít
nhất 3 đối tƣợng đoạn thẳng.
3 – D Đối tƣợng có độ dài, độ rộng, chiều cao hay độ sâu (hình khối),
đƣợc bọc bởi it nhất 2 đối tƣợng 2 - D.
Các đối tƣợng trong cơ sở dữ liệu không gian là các biểu diễn thực thể
thế giới thực cùng với các thuộc tính liên quan. Sức mạnh của các hệ thống
GIS là ở chỗ chúng trợ giúp việc tìm kiếm các thực thể trong một ngữ cảnh
địa lý và khảo sát các quan hệ giữa chúng. Nhƣ vậy, cơ sở dữ liệu GIS không
chỉ đơn thuần là tập hợp của các đối tƣợng và các thuộc tính.
Để tạo đƣợc các thực thể đƣờng giao thông và các đơn vị hành chính từ
các đối tƣợng điểm và đƣờng. Hình 1.9 mơ tả cách xây dựng topo cho CSDL
Vector.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23

c

1

A

0

a

B

2
b

3

e
D

C
4
e

5

Arc

ID

Left
poly

Right
poly

From
Node

To
Node

1

A

0

c

a

2

A

B

b

c

3

C

A

b

a

4

0

C

d

b

5

C

B

d

e

6

B

D

e

c

7

B

0

d

c

7

6

d

Node ID

Polygon
ID

No. of
Arc

List of Arcs

A

Polygon

A

3

-1, -2, 3

6

Arc ID

B

4

2, -7, 5, 0, -6

arc digitized in direction
of arrow

C

3

-3, -5, 4

D

1

6

ID

Arc:l-u tr÷

Hình 1.9. Xây dựng topo cho CSDL Vector

Trên đây là một mô hình dữ liệu quan hệ đƣợc mơ tả, mơ hình này giúp
xây dựng các cơng cụ phân tích và quản lý mềm dẻo, thao tác các dữ liệu
trong cơ sở dữ liệu địa lý. Phƣơng pháp tiếp cận quan hệ địa lý là trừu tƣợng
hố các thơng tin địa lý thành các lớp độc lập, mỗi lớp biểu diễn một tập có
lựa chọn các đặc trƣng địa lý liên quan chặt chẽ. Với cách tiếp cận này ngƣời
sử dụng có thể tổ hợp các đặc trƣng trong mơ hình dữ liệu một cách nhanh

chóng và mềm dẻo để tạo ra các tập đặc trƣng phức tạp hơn để biểu diễn đƣợc
quan hệ phức tạp của thế giới thực.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




24

1.4 Ứng dụng của hệ thông tin địa lý
Chức năng phân tích khơng gian liên quan đến tất cả các ngành khoa
học về Trái đất sử dụng dữ liệu địa lý. Các chức năng phân tích thuộc tính cịn
liên quan đến các dữ liệu thống kê xã hội học. Chức năng liên kết khơng gian
tìm kiếm hỏi đáp và định vị liên quan đến khoa học quân sự, viễn thám hàng
hải. Muốn có một hệ thơng tin cho cơ sở dữ liệu mạnh địi hỏi phải có sự liên
kết và phát triển phần mền mạnh và nhƣ vậy GIS liên quan trực tiếp đến toán
học tin học. Vấn đề giao thông cũng đƣợc quản lý bằng GIS. Sau đây sẽ nên
sự cần thiết của hệ thơng tin địa lý, tính kinh tế và ngƣời sử dụng GIS để qua
đó có thể hiểu đƣợc GIS có thể đƣợc ứng dụng cụ thể trong ngành nào và với
mục đích gì.
Sự cần thiết của GIS đối với kinh tế - xã hội
GIS ngày càng có tầm quan trong ngành kinh tế-xã hội. Theo điều tra
của Mordic Kvanjit (1987) có khoảng 50%-70% dữ liệu dùng trong hành
chính là dữ liệu địa lý. Dữ liệu bản đồ và địa lý đƣợc sử dụng trong nhiều
ngành khác nhau và các ngành nhƣ xây dựng, hành chính, nông nghiệp, rừng,
quản lý tài nguyên, viễn thông, cung cấp điện, giao thơng... đã bỏ ra 1,5-2%
ngân sách của mình. Nếu tính theo tổng sản lƣợng tăng trƣởng quốc gia
(GNP) thì tiền phí 0,50% cho GIS trong các nƣớc cơng nghiệp và các nƣớc
phát triển 0,1%. GIS trong các nƣớc Đông âu từ 1989 đến nay đã phát triển

không ngừng và kinh phí cho GIS ngày càng tăng bởi lẽ GIS có khả năng xử
lý dữ liệu từ nhiều ngành khác nhau. Sự phát triển của một thực thể không
gian nào đó (theo quan niệm của GIS, sẽ kéo theo sự phát triển thay đổi của
thực thể không gian khác. Ví dụ sự phát triển của khu dân cƣ mới kéo theo
các vấn đề khác nhƣ hệ thống trƣờng học, cấp thốt nƣớc, giao thơng.... Tiếng
ồn giao thơng gây ơ nhiễm và tác động nên con ngƣời. GIS cho phép tính tốn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




25

và cung cấp dữ liệu cần thiết cho việc xử lý tác động trên. GIS tham gia vào
việc vận hành và bảo dƣỡng đƣờng ống và các loại cáp ngầm khác nhau. Số
lƣợng cáp và đƣờng ống ngầm theo chủng loại rất nhiều và phức tạp, rất rễ
dàng gây nhầm lẫn, chồng chéo. GIS sẽ cho phép bảo dƣỡng, vận hành thể
hiện các đối tƣợng khơng gian trên theo kích thƣớc, chủng loại và đặc biệt tọa
độ không gian của chúng ở bất kì vị trí nào. Có thể kể ra là thành phố Oslo,
Norway ( dân số 500000 ) có 5 triệu mét đƣờng ống và cáp ngầm thể hiện trên
20 loại bản đồ khác nhau với số lƣợng 4500 tờ. GIS sử dụng trong các ngành
quản lý tài nguyên và môi trƣờng. Các vấn đề môi trƣờng mang tính tồn cầu
mà GIS có thể sử dụng cho nghiên cứu:
- Sa mạc hố
- Xói mịn
- Bạc màu đất
- Mƣa axit và sự chết của cá
- Ô nhiễm nƣớc
- Chết rừng

- Bệnh liên quan đến môi trƣờng
- Hiệu ứng nhà kính và thay đổi khí hậu
GIS tham gia vµo viƯc ghi nhận điều kiện thiên
nhiên, tìm ra vùng thích hợp và tiềm năng. GIS đ-ợc
ứng dụng rất nhiều trong qui hoạch phát triển hạ
tầng cơ sở kinh tế xà hội.

S hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên