Ứng dụng công nghệ gis trong công tác quản lý hệ thống thủy lợi sông nhuệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

PHÙNG ĐỨC ĐÀM

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS TRONG
CÔNG TÁC QUẢN LÝ HỆ THỐNG
THỦY LỢI SÔNG NHUỆ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

PHÙNG ĐỨC ĐÀM

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS TRONG
CÔNG TÁC QUẢN LÝ HỆ THỐNG
THỦY LỢI SÔNG NHUỆ
Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ
Mã số: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Nguyễn Quang Minh
TS. Lê Viết Sơn

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trong luận văn là trung thực, có xuất xứ rõ ràng và chưa từng
được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng 10 năm 2014
Tác giả

Phùng Đức Đàm


MỤC LỤC
Trang

Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình
LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ ............................. 4
1.1. Tổng quan về hệ thống thơng tin địa lý (HTTTĐL) ...................................... 4
1.1.1. Sự hình thành và phát triển của HTTTĐL .............................................. 4
1.1.2. Định nghĩa hệ thống thông tin địa lý (GIS) ............................................. 6
1.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý ............................................... 8

1.2.1. Phần cứng .............................................................................................. 8
1.2.2. Phần mềm ............................................................................................ 10
1.2.3. Cơ sở dữ liệu........................................................................................ 10
1.2.4. Con người ............................................................................................ 11
1.3. Dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý.......................................................... 12
1.3.1. Khái niệm về dữ liệu địa lý .................................................................. 12
1.3.2. Cách biểu diễn dữ liệu địa lý ................................................................ 12
1.3.3. Các loại thông tin trong hệ thống thông tin địa lý ................................. 20
1.4. Tổ chức hệ thống thông tin địa lý ............................................................... 21
1.4.1. Quản trị và khai thác dữ liệu ................................................................ 21
1.4.2. Định chuẩn hệ thống và hệ thống mở ................................................... 23
1.5. Các mơ hình cơ sở dữ liệu.......................................................................... 25
1.5.1. Mơ hình cơ sở dữ liệu phân cấp (HIERACHICAL) .............................. 25


1.5.2. Mơ hình cơ sở dữ liệu mạng (Network Model):.................................... 26
1.5.3. Mơ hình cơ sở dữ liệu quan hệ (Relational Model) ............................... 27
1.6. Các chức năng của hệ thống thông tin địa lý .............................................. 27
1.7. Một số ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý ........................................... 29
1.7.1. Trong nghiên cứu quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường .......... 29
1.7.2. Trong nghiên cứu điều kiện kinh tế-xã hội ........................................... 30
1.7.3. Các lĩnh vực ứng dụng của GIS trong sản xuất nông nghiệp và phát
triển nông thôn .................................................................................... 30
1.7.4. Dịch vụ tài chính .................................................................................. 31
1.7.5. Trong lĩnh vực y tế ............................................................................... 31
1.7.6. Chính quyền địa phương ...................................................................... 32
1.7.7. Trong lĩnh vực giao thông .................................................................... 32
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU QUẢN LÝ HỆ THỐNG THỦY LỢI .... 33
2.1. Những khái niệm cơ bản về hệ thống thủy lợi ............................................ 33
2.1.1. Khái niệm về hệ thống thủy lợi ............................................................ 33

2.1.2. Vai trò của thủy lợi với nền kinh tế ...................................................... 34
2.1.3. Bản đồ thủy lợi..................................................................................... 34
2.2. Cơ sở dữ liệu GIS thủy lợi ......................................................................... 35
2.2.1. Cơ sở dữ liệu........................................................................................ 35
2.2.2. Cơ sở dữ liệu GIS về thủy lợi ............................................................... 38
2.2.3. Khái quát tình hình xây dựng và quản lý cơ sở dữ liệu trên thế giới ..... 39
2.2.4. Tình hình nghiên cứu cơ sở dữ liệu địa lý và hiện trạng quản lý dữ
liệu trong ngành Thủy lợi ở Việt Nam ................................................. 40
2.2.5. Một số kết quả nghiên cứu về cơ sở dữ liệu thủy lợi ở Việt Nam.......... 42
2.3. Xây dựng CSDL thủy lợi trên phần mềm Arcgis ........................................ 43
2.3.1. Giới thiệu về phần mềm Arcgis Desktop .............................................. 43
2.3.2. Xây dựng Cơ sở dữ liệu hệ thống thủy lợi trên phần mềm ArcGis ........ 48
2.4. Quy trình công nghệ xây dựng Cơ sở dữ liệu thủy lợi ................................ 51


CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS CHO HỆ THỐNG THỦY
LỢI SÔNG NHUỆ TRÊN PHẦN MỀM ARCGIS 10.1 ......................................... 53
3.1. Nội dung và mục đích của thực nghiệm ..................................................... 53
3.1.1. Nội dung thực nghiệm .......................................................................... 53
3.1.2. Mục đích thực nghiệm.......................................................................... 53
3.2. Giới thiệu về hệ thống thủy lợi sông Nhuệ ................................................. 53
3.3. Xây dựng cơ sở dữ liệu cho hệ thống thủy lợi sơng Nhuệ........................... 54
3.3.1. Mục đích xây dựng cơ sở dữ liệu GIS .................................................. 54
3.3.2. Nguồn dữ liệu ...................................................................................... 55
3.3.3. Thiết kế mơ hình cấu trúc CSDL GIS phục vụ quản lý hệ thống Thủy Lợi ....... 55
3.3.4. Sơ đồ quy trình cơng nghệ xây dựng CSDL GIS hệ thống thủy lợi
sông Nhuệ trên phần mềm ArcGis 10.1 ............................................... 59
3.3.5. Nội dung các bước thực hiện ................................................................ 60
3.3.6. In bản đồ .............................................................................................. 64
3.3.7. Quản lý cơ sở dữ liệu cơ sở dữ liệu thủy lợi ......................................... 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ viết đầy đủ

CSDL

: Cơ sở dữ liệu

GIS

: Geographic Information System

HTTTĐL

: Hệ thống thông tin địa lý

CPU

: Central Processing Unit

VDU

: Video Display Unit

CAC

: Computer Assisted Cartography

ID

: Identifier

CSDLQH

: Cơ sở dữ liệu quy hoạch

RRL

: Regional Research Laboratory

ESRC

: Advisory Board for Reseach Council

NCGIA

: National Central for Geographic Information and Analysis

NEXPRI

: Dutch Expertise Central for Spatial Data Analysis


DANH MỤC CÁC BẢNG

TT

Tên bảng

Trang

Bảng 3.1. Lớp dữ liệu GIS thủy lợi ........................................................................ 56
Bảng 3.2: Thiết kế bảng thông tin lớp ranh giới tỉnh .............................................. 57
Bảng 3.3: Thiết kế bảng thông tin lớp ranh giới huyện .......................................... 57
Bảng 3.4: Thiết kế bảng thông tin lớp ranh giới xã ................................................ 57
Bảng 3.5: Thiết kế lớp thông tin lớp giao thông ..................................................... 57
Bảng 3.6: Thiết kế bản cơ sở dữ liệu lớp sông, suối ............................................... 57
Bảng 3.7: Thiết kế lớp thông tin cơng trình đầu mối: ............................................. 58
Bảng 3.8: Thiết kế lớp thông tin vùng tưới, tiêu..................................................... 58
Bảng 3.9: Thiết kế lớp thông tin đê điều ................................................................ 58


DANH MỤC CÁC HÌNH
TT

Tên hình

Trang

Hình 1.1. Tổng quan về HTTTĐL ........................................................................... 8
Hình 1.2. Hợp phần cơ bản cơng nghệ GIS .............................................................. 8
Hình 1.3. Hệ thống phần cứng trong HTTĐL .......................................................... 9
Hình 1.4. Quan hệ được biểu diễn thơng qua thơng tin khơng gian hoặc thuộc tính .... 11
Hình 1.5. Cấu trúc dữ liệu Raster........................................................................... 13
Hình 1.6. Minh họa cấu trúc Raster ....................................................................... 13

Hình 1.7. Minh họa cấu trúc Vector ....................................................................... 16
Hình 1.8. Sự chuyển đổi dữ liệu giữa Raster và Vector. ......................................... 17
Hình 1.9. Biến đổi Vector sang Raster ................................................................... 18
Hình 1.10. Mối quan hệ giữa thơng tin khơng gian và thơng tin thuộc tính. ........... 19
Hình 1.11. Biểu diễn bản đồ A bằng mơ hình phân cấp.[3] .................................... 26
Hình 1.12. Biểu diễn bản đồ A bằng mơ hình lưới.[9] ........................................... 26
Hình 1.13. Biểu diễn bản đồ A bằng mơ hình quan hệ).[9] .................................... 27
Hình 2.1. Mơ hình ứng dụng Arcgis Desktop ........................................................ 44
Hình 2.2: Cấu trúc cơ sở dữ liệu Geodatabase ....................................................... 50
Hình 2.3. Sơ đồ quy trình xây dựng và quản lý CSDL hệ thống thủy lợi ................ 51
Hình 3.1. Vị trí sơng Nhuệ..................................................................................... 54
Hình 3.2: Vị trí sơng Nhuệ .................................................................................... 55
Hình 3.3. Quy trình xây dựng CSDL GIS về thủy lợi ............................................ 59
Hình 3.4. Vỏ cơ sở dữ liệu chuẩn........................................................................... 60
Hình 3.5. Chỉ dẫn menu chuyển đổi khn dạng file ............................................. 60
Hình 3.6. Kết quả chuyển đổi sang shapefile ......................................................... 61
Hình 3.7 Kết quả bản đồ chuyển đổi sang Arcmap ................................................ 62
Hình 3.8. Đối tượng cơng trình đầu mối sau khi nhập thuộc tính ........................... 63
Hình 3.9. Thiết kế trang in ấn ................................................................................ 63
Hình 3.10. Thay đồi màu sắc đối tượng ................................................................. 64


Hình 3.11. Tra cứu thơng tin bằng Indentify đối tượng “congtrinhdaumoi” ........... 65
Hình 3.12. Tra cứu thơng tin bằng Indentify đối tượng “kenh” .............................. 66
Hình 3.13. Tra cứu bảng thuộc tính ....................................................................... 66
Hình 3.14. Truy vấn thơng tin bằng Select by Attributes ....................................... 67


1

LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
- Hệ thống thủy lợi sơng Nhuệ có vị trí địa lý đặc biệt quan trọng trong chiến
lược phát triển kinh tế xã hội - xã hội và an ninh quốc phòng của cả nước. Sơng
Nhuệ có vai trị quan trong trong việc cấp nước. Tuy có nhiệm vụ hết sức quan
trọng do chảy qua Hà Nội và các vùng đông dân của tỉnh Hà Tây cũ và Hà Nam
nhưng sông Nhuệ hiện đang bị ô nhiễm, bồi lắng, lấn chiếm, khô hạn và ngập lụt
hết sức nghiêm trọng.
- Công tác lưu trữ quản lý dữ liệu theo phương thức cũ trên giấy gặp khó
khăn khi cập nhật biến động. Dữ liệu nhiều, phân tán khó tổng hợp, so sánh khi có
yêu cầu gấp của cơng tác quản lý.
- Do đó để có thể quản lý và khai thác hiệu quả hệ thống thủy lợi sơng Nhuệ
thì ta phải xây dựng cơ sở dữ liệu thật đầy đủ, chi tiết và chính xác. Vì vậy ứng
dụng cơng nghệ GIS để xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ công tác quản lý và khai
thác hệ thống thủy lợi sông Nhuệ là vấn đề cần thiết. Do vậy đề tài “Ứng dụng
công nghệ GIS trong công tác quản lý hệ thống thủy lợi sông Nhuệ” được lựa
chọn là phù hợp và xuất phát từ nhu cầu thực tế.

2. Mục đích nghiên cứu đề tài
- Ứng dụng công nghệ GIS để xây dựng cơ sở dữ liệu và quản lý hệ thống
thủy lợi sông Nhuệ.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là sử dụng các tiện ích của hệ thống thơng
tin địa lý nói chung và phần mềm ArcGis nói riêng trong cơng tác quản lý hệ thống
thủy lợi.
Phạm vi nghiên cứu là thiết lập cơ sở dữ liệu trên hệ thống thông tin địa lý để
quản lý hệ thống thủy lợi.

4. Nội dung nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu cấu trúc dữ liệu hệ thống thủy lợi.
- Xây dựng và chuẩn hóa cấu trúc CSDL các đối tượng thủy lợi như: hệ
thống sông, hệ thống tưới tiêu, trạm bơm…


2
- Xây dựng mơ hình quản lý bằng cơng nghệ GIS cho hệ thống thủy lợi sông Nhuệ.

5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập thông tin và phân tích, tổng hợp phục vụ cho việc
xây dựng ứng dụng GIS trong công tác quản lý hệ thống thủy lợi.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học
- Luận văn góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu ứng dụng công nghệ mới vào
công tác quản lý thay thế cho các công nghệ cũ mang lại hiệu quả cao trong kinh tế
kỹ thuật.
* Ý nghĩa thực tiễn
- Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống đang phát triển mạnh trên thế
giới, nó được ứng dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Hiện nay ở
Việt Nam tuy còn nhiều mới mẻ nhưng để ứng dụng nó vào việc xây dựng cơ sở dữ
liệu quản lý hệ thống thủy lợi là một việc hết sức quan trọng. Công nghệ GIS sẽ
cung cấp các thông tin cần thiết cho công tác quản lý và hỗ trợ các cán bộ quản lý
trong công tác kiểm tra, kiểm sốt tình hình để có biện pháp thích hợp, kịp thời và
chính xác.

7. Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận, tài liệu tham khảo.
Mở đầu
Chương 1: Giới thiệu về hệ thống thông tin địa lý

Chương 2: Xây dựng cơ sở dự liệu quản lý hệ thống thủy lợi
Chương 3: Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS cho hệ thống thủy lợi sông Nhuệ.
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Luận văn được hoàn thành dưới sự, hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Quang
Minh - Bộ môn Trắc địa Phổ thông & Sai số - Khoa Trắc địa - Trường Đại học MỏĐịa Chất và TS. Lê Viết Sơn - Viện Quy hoạch Thủy lợi - Bộ Nông nghiệp và Phát
triển nông thôn.


3
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đối với thầy hướng dẫn, người đã chỉ bảo
giúp đỡ tôi hồn thành luận văn này. Trong q trình nghiên cứu và viết luận văn
này tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ đóng góp q báu từ các thầy, cơ trong Bộ
môn Trắc địa Phổ thông & Sai số, Khoa Trắc địa trường Đại học Mỏ-Địa chất; các
anh chị ở Viện Quy hoạch Thủy lợi - Bộ Nông nghiệp & Phát triển nông thôn và
các bạn đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn !


4

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ
1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý (HTTTĐL)
1.1.1. Sự hình thành và phát triển của HTTTĐL
Từ xa xưa, con người đã biết cách biểu diễn các thông tin địa lý bằng cách
thu nhỏ các sự vật theo một kích thước nào đó rồi vẽ lên mặt phẳng. Để đánh dấu
các đặc tính của sự vật, người ta dùng các loại kí hiệu khác nhau như độ cao được
biểu diễn bởi các đường bình độ, độ sâu của nước biển được biểu diễn theo độ đậm
nhạt của màu sắc, có những đặc tính lại được biểu diễn bởi các lời chú thích và số

hiệu đi kèm… Dần dần, bản đồ chiếm một vị trí quan trọng khơng thể thiếu được
trong đời sống của con người. Theo yêu cầu phát triển, lượng thông tin trên bản đồ
ngày càng trở nên phong phú. Khi lượng thông tin biểu diễn trên một diện tích bản
đồ ngày càng lớn, người ta bắt đầu lập các bản đồ chuyên đề. Mỗi bản đồ chuyên đề
phản ánh các đối tượng địa lý về một lĩnh vực nào đó như bản đồ qn sự, bản đồ
khí tượng thuỷ văn, bản đồ địa chính, bản đồ địa hình…
Trong những năm đầu thập kỉ 60 (1963-1964) các nhà khoa học ở Canada đã
cho ra đời hệ thông tin địa lý. Hệ thống thông tin địa lý kế thừa mọi thành tựu trong
ngành bản đồ cả về ý tưởng lẫn thành tựu của kỹ thuật bản đồ. Hệ thông tin địa lý
bắt đầu hoạt động cũng bằng việc thu thập dữ liệu theo định hướng tuỳ thuộc vào
mục tiêu đặt ra.
Bên cạnh Canada, nhiều trường đại học ở Mỹ cũng tiến hành nghiên cứu và
xây dựng Hệ thông tin địa lý. Trong các Hệ thông tin địa lý được tạo ra cũng có rất
nhiều hệ khơng tồn tại được lâu vì nó được thiết kế cồng kềnh mà giá thành lại cao.
Lúc đó người ta đặt lên hàng đầu việc khắc phục những khó khăn nảy sinh trong
q trình xử lý các số liệu đồ họa truyền thống. Họ tập trung giải quyết vấn đề đưa
bản đồ, hình dạng, hình ảnh, số liệu vào máy tính bằng phương pháp số để xử lý các
dữ liệu này. Tuy kỹ thuật số hóa đã được sử dụng từ năm 1950 nhưng điểm mới của
giai đoạn này chính là các bản đồ được số hóa có thể liên kết với nhau để tạo ra một


5
bức tranh tổng thể về tài nguyên thiên nhiên của một khu vực. Từ đó máy tính được
sử dụng và phân tích các đặc trưng của các nguồn tài nguyên đó, cung cấp các 3
thơng tin bổ ích, kịp thời cho việc quy hoạch. Việc hồn thiện một Hệ thơng tin địa
lý cịn phụ thuộc vào cơng nghệ phần cứng mà ở thời kỳ này các máy tính IBM
1401 cịn chưa đủ mạnh. Giai đoạn đầu những năm 60 của thế kỷ trước đánh dấu sự
ra đời của Hệ thông tin địa lý chủ yếu được phục vụ cho công tác điều tra quản lý
tài nguyên. Đến giữa thập kỷ 60 thì Hệ thơng tin địa lý đã phát triển, có khả năng
phục vụ cơng tác khai thác và quản lý đơ thị như DIME của cơ quan kiểm tốn Mỹ,

GRDSR của cơ quan thống kê Canada,... Năm 1968, Hội địa lý quốc tế đã quyết
định thành lập Uỷ ban thu thập và xử lý dữ liệu địa lý.
Trong những năm 70 ở Bắc Mỹ đã có sự quan tâm nhiều hơn đến việc bảo
vệ môi trường và phát triển Hệ thơng tin địa lý. Cũng trong khung cảnh đó, hàng
loạt yếu tố đã thay đổi một cách thuận lợi cho sự phát triển của Hệ thông tin địa lý,
đặc biệt là sự giảm giá thành cùng với sự tăng kích thước bộ nhớ, tăng tốc độ tính
tốn của máy tính. Chính nhờ những thuận lợi này mà Hệ thơng tin địa lý dần dần
được thương mại hóa. Đứng đầu trong lĩnh vực thương mại phải kể đến các cơ
quan, cơng ty: ESRI, GIMNS, Intergraph.... Chính ở thời kỳ này đã xảy ra “loạn
khuôn dạng dữ liệu” và vấn đề phải nghiên cứu khả năng giao diện giữa các khuôn
dạng. Năm 1977 đã có 54 Hệ thơng tin địa lý khác nhau trên thế giới. Bên cạnh Hệ
thông tin địa lý, thời kỳ này còn phát triển mạnh mẽ các kỹ thuật xử lý ảnh viễn
thám. Một hướng nghiên cứu kết hợp Hệ thông tin địa lý và viễn thám được đặt ra
và cùng bắt đầu thực hiện.
Thập kỷ 80 được đánh dấu bởi các nhu cầu sử dụng Hệ thông tin địa lý ngày
càng tăng với các quy mô khác nhau. Người ta tiếp tục giải quyết những tồn tại của
những năm trước mà nổi lên là vấn đề số hóa dữ liệu: sai số, chuyển đổi khn
dạng... Thời kỳ này có sự nhảy vọt về tốc độ tính tốn, sự mềm dẻo trong việc xử lý
dữ liệu khơng gian. Thập kỷ này được đánh dấu bởi sự nảy sinh các nhu cầu mới
trong ứng dụng Hệ thông tin địa lý như: Khảo sát thị trường, đánh giá khả thi các
phương án quy hoạch, sử dụng tối ưu các nguồn tài ngun, các bài tốn giao thơng,


6
cấp thốt nước... Có thể nói đây là thời kỳ bùng nổ Hệ thông tin địa lý.
Những năm đầu của thập kỷ 90 được đánh dấu bằng việc nghiên cứu sự hồ
nhập giữa viễn thám và Hệ thống thơng tin địa lý. Các nước Bắc Mỹ và châu Âu gặt
hái được nhiều thành công trong lĩnh vực này. Khu vực châu Á - Thái Bình Dương
cũng đã thành lập được nhiều trung tâm nghiên cứu viễn thám và Hệ thống thông
tin địa lý. Rất nhiều hội thảo quốc tế về ứng dụng viễn thám và Hệ thống thông tin

địa lý được tổ chức nhằm trao đổi kinh nghiệm và thảo luận về khả năng phát triền
các ứng dụng của công nghệ Hệ thống thông tin địa lý.

1.1.2. Định nghĩa hệ thống thông tin địa lý (GIS)
GIS là từ viết tắt của cụm từ Geographic Information System nghĩa là hệ
thống thông tin địa lý.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một nhánh của cơng nghệ thơng tin, được
hình thành vào những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển rất mạnh mẽ trong
những năm gần đây.
Ngày nay, GIS là công cụ trợ giúp quan trọng trong nhiều hoạt động kinh tế xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. GIS có khả năng cho phép các
cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân… đánh giá được
hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các
chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thơng tin trên bản
đồ tạo ra tính nhất quán trên cơ sở tọa độ của các dữ liệu đầu vào. Với những ưu
điểm đó người ta đã đưa ra những khái niệm về hệ thống thơng tin địa lý
(HTTTĐL).
Có rất nhiều quan niệm khác nhau khi định nghĩa về HTTTĐL như sau:
- HTTTĐL là một hệ thống thông tin bao gồm một số hệ thống thơng tin con
(Subsytem) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành những thơng tin có ích
(theo định nghĩa của Calkin và Tomlisnon,1977) [2].
- HTTTĐL 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
Information and Analyis, 1988) [2].


7
- HTTTĐL là một tập hợp các 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 và kết xuất (theo định nghĩa của ESRI).
Về tổng quát, sự phát triển của công nghệ thông tin đã dẫn đến sự phát triển

song song tự động hố cơng tác thu thập, phân tích, trình bày dữ liệu trong nhiều
lĩnh vực rộng lớn như trắc địa - bản đồ, địa chất, quy hoạch phát triển, mơi trường…
Do đó có nhiều cơng việc phải xử lý các thông tin liên quan phối hợp trong nhiều
chuyên ngành khác nhau nên phải có hệ thống quản lý liên kết dữ liệu từ nhiều
nguồn vào khác nhau như bản đồ, ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, các số liệu quan
trắc, điều tra khảo sát… Hay nói cách khác là cần phải phát triển một hệ thống các
cơng cụ để thu thập, tìm kiếm, biến đổi và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế
giới thực nhằm phục vụ những mục đích cụ thể. Tập hợp các công cụ trên đã tạo lập
ra Hệ thống thông tin địa lý, đó là hệ thống thể hiện các đối tượng từ thế giới thực
thông qua các dữ liệu cơ bản:
- Vị trí của đối tượng thơng qua một hệ toạ độ
- Các thuộc tính của các đối tượng
- Quan hệ khơng gian giữa các đối tượng
Từ đó HTTTĐL đã được thống nhất quan điểm chung: Đó 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 thơng tin địa lý nhằm phục vụ cho mục đích nghiên
cứu nhất định


8

Hình 1.1. Tổng quan về HTTTĐL

1.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý
Công nghệ GIS bao gồm 5 hợp phần cơ bản là: thiết bị, phần mềm, số liệu,
chun viên chính sách và cách thức quản lý.

Hình 1.2. Hợp phần cơ bản công nghệ GIS

1.2.1. Phần cứng

Phần cứng của HTTTĐL là những thành phần bao gồm các thiết bị điện tử,
thiết bị lưu trữ thông tin, thiết bị hỗ trợ nhập thông tin đầu vào cũng như các thiết bị
hỗ trợ truy xuất thông tin đầu ra, các hệ thống máy tính cho phép người sử dụng
truy cập thơng tin từ xa.
Ngày nay, phần mềm HTTTĐL 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. Nó bao gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chức


9
năng vào ra và xử lý thông tin của phần mềm như: máy qt, máy in, bàn số hố.

Hình 1.3. Hệ thống phần cứng trong HTTĐL
Máy tính hoặc bộ xử lý trung tâm (CPU) được nối với các thiết bị chứa ở đĩa,
cung cấp không gian để lưu trữ số liệu và các chương trình. Máy số hóa (Digitizer)
hoặc thiết bị chuyên dụng khác có nhiệm vụ chuyển hóa các số liệu từ bản đồ và các
tư liệu thành dạng số rồi đưa vào máy tính. Máy vẽ (plotter) hoặc các kiểu thiết bị
biểu hiện khác được sử dụng để xuất dữ liệu ở dạng số trên màn hình hoặc trên nền
vật liệu in. Sự liên hệ bên trong của máy tính cũng có thể thực hiện thơng qua một
hệ thống mạng với các đường dẫn dữ liệu đặc biệt. Người sử dụng máy tính và các
thiết bị ngoại vi khác (như máy in, máy vẽ, máy số hóa và các thiết bị khác nối với
máy tính) thơng qua một thiết bị hiển thị hình ảnh (Video Display Unit - VDU) để
cho phép các sản phẩm đầu ra được hiển thị nhanh chóng.
Đối với HTTTĐL quy mơ lớn, hệ thống phần cứng có thể được trang bị với
quy mơ và cấu hình mạnh gấp nhiều lần các HTTTĐL đơn lẻ. Tồn bộ dữ liệu có
thể được lưu trữ và quản lý thơng qua máy chủ với cấu hình cao. Dữ liệu có thể
được tiếp cận từ xa thơng qua hệ thống mạng máy tính. Thiết bị đầu cuối nhằm truy
cập thơng tin có thể bao gồm các máy tính cá nhân, máy tính đầu cuối, máy in, thiết
bị cầm tay,…

10

1.2.2. Phần mềm
Đi kèm với hệ thống thiết bị trong GIS ở trên là một hệ phần mềm có tối
thiểu 4 nhóm chức năng sau đây:
- Nhập thơng tin khơng gian và thơng tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau.
- Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thơng tin khơng gian và thơng
tin thuộc tính.
- Phân tích biến đổi thơng tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài tốn
tối ưu và mơ hình mơ phỏng khơng gian- thời gian.
- Hiển thị và trình bày thông tin dưới các dạng khác nhau, với các biện pháp
khác nhau.
Phần mềm được phân thành ba lớp: hệ điều hành, các chương trình tiện ích đặc
biệt và các chương trình ứng dụng. Tùy thuộc vào quy mơ của HTTTĐL, phần mềm
HTTTĐL cũng có các loại khác nhau. Với các HTTTĐL nhỏ trên các máy cá nhân,
có thể sử dụng các phần mềm thông tin địa lý như ARCGIS desktop, Mapinfo,
v.v… Đối với các hệ thống thông tin địa lý lớn, sử dụng cho các ứng dụng với các
dung lượng dữ liệu lớn, cần sử dụng các phần mềm quản trị dữ liệu dùng cho server
như ARCGIS Server, Oracle, Microsoft SQL server,vv…

1.2.3. Cơ sở dữ liệu
Có thể nói dữ liệu là thành phần quan trọng nhất trong GIS. Việc xây dựng
một CSDL là vấn đề quan trọng nhất và tiêu tốn nhiều thời gian nhất để xây dựng
một HTTTĐL hoàn chỉnh. Tuy hệ thống phần cứng và phần mềm là rất quan trọng và
là các thành phần không thể thiếu trong HTTTĐL. Tuy nhiên chúng ta cần phải thấy
rằng một hệ thống phần cứng và phần mềm của hệ thống thơng tin địa lý chỉ chiếm
15% giá thành tồn hệ thống, bảo dưỡng hoạt động cho hệ thống chiếm 5% giá trị,
đào tạo cán bộ khoảng 10%, còn lại 70% là giá trị của dữ liệu. Vì vậy có thể gọi
CSDL là “linh hồn” của một HTTTĐL. CSDL của HTTTĐL là tập hợp dữ liệu liên

quan đến nhau được lưu trữ dưới dạng số. Phần lớn các thông tin trong CSDL của
HTTTĐL là những số liệu thay đổi theo thời gian và có những mối quan hệ phức tạp.
Chúng bao gồm những mơ tả số của các hình ảnh không gian, mối quan hệ logic giữa


11
các hình ảnh đó, những số liệu thể hiện các đặc tính của hình ảnh và các thơng tin về
các hiện tượng xảy ra tại các vị trí địa lý xác định. Nội dung thông tin của CSDL tuỳ
theo các ứng dụng khác nhau của HTTTĐL do con người quy định.
CSDL của HTTTĐL bao gồm hai nhóm là nhóm CSDL khơng gian và
CSDL thuộc tính.

Hình 1.4. Quan hệ được biểu diễn thơng qua thơng tin khơng gian
hoặc thuộc tính

1.2.4. Con người
Như chúng ta biết khơng thể có một hệ thống nào vận hành tốt mà khơng có
sự tham gia của con người. Con người được coi là bộ não của hệ thống. Con người
thiết kế, thành lập khai thác và bảo trì hệ thống.
Con người ở đây có thể là các chuyên gia về các lĩnh vực khác nhau, các
chuyên gia GIS, phát triển GIS, quản trị hệ thống, người sử dụng GIS...
Mục đích chính của những người sử dụng GIS là để giải quyết các vấn đề
không gian. Họ thường là những người được đào tạo tốt về lĩnh vực GIS. Nhiệm vụ
chủ yếu của họ là số hoá bản đồ, kiểm tra lỗi, soạn thảo, phân tích các dữ liệu thô và
đưa ra các giải pháp cuối cùng để truy vấn dữ liệu địa lý.
Thao tác viên hệ thống có trách nhiệm vận hành hệ thống hằng ngày để
người sử dụng hệ thống làm việc hiệu quả.
Nhà cung cấp GIS có trách nhiệm cung cấp phần mềm, cập nhật phần mềm,
phương pháp nâng cấp cho hệ thống.
Nhà cung cấp dữ liệu có thể là các tổ chức nhà nước hay tư nhân.

Người phát triển ứng dụng là những lập trình viên dược đào tạo. Họ làm
giảm khó khăn khi thực hiện thao tác cụ thể trên hệ thống GIS chuyên nghiệp.
Chuyên viên phân tích hệ thống GIS là nhóm người chuyên nghiên cứu thiết


12
kế hệ thống.
Tóm lại, một dự án GIS thành cơng khi nó được quản lý tốt và con người tại
mỗi cơng đoạn phải có kỹ năng tốt.

1.3. Dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý
1.3.1. Khái niệm về dữ liệu địa lý
Dữ liệu địa lý nhằm phản ảnh thế giới thực, cần trả lời được các câu hỏi:
- Cái gì? (dữ liệu thuộc tính).
- Ở đâu? (dữ liệu khơng gian).
- Khi nào? (thời gian).
- Tương tác với các đối tượng khác ra sao? (quan hệ).
Một đối tượng của dữ liệu địa lý được coi là đã xác định khi có thơng tin về
các lĩnh vực trên.

1.3.2. Cách biểu diễn dữ liệu địa lý
Cấu trúc dữ liệu hệ thống GIS bao gồm hai cơ sở dữ liệu thành phần chính
là: cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở dữ liệu thuộc tính.
a. Dữ liệu khơng gian
Đây là dữ liệu bao gồm các thơng tin về đặc tính hình học của của những
đối tượng có trên bề mặt hoặc ở trong vỏ trái đất như hình dạng, kích thước, vị trí…
Từ góc độ cơng nghệ thơng tin địa lý, đó chính là những yếu tố khơng gian địa lý
được phản ánh trên bản đồ bằng những kiểu cấu trúc dữ liệu nhất định. Dữ liệu
khơng gian có ba dạng cấu trúc cơ bản là điểm, đường, vùng. Đối tượng điểm mốc
trắc địa, điểm giếng khoan… là những dữ liệu dạng điểm. Sông, đường giao thông,

đường bờ thửa, đường địa giới… là những dữ liệu dạng đường. Hồ nước, ranh giới
thảm thực vật, thửa đất, địa bàn một xã… là dữ liệu dạng vùng.
Sở dĩ các đối tượng trên bản đồ có thể chia thành ba dạng trên là vì máy tính
hiểu được định nghĩa điểm, đường và vùng. Mặt khác các yếu tố trên thường được
gắn với lời chú giải hoặc kí hiệu nhất định.
Dữ liệu khơng gian có thể mô tả theo hai kiểu cấu trúc dạng raster hoặc
vector.


13
Cấu trúc dữ liệu Raster.
Trong cấu trúc dữ liệu Raster, thực thể không gian được biểu diễn thông qua
các ô (cell) hay ô ảnh (pixel) của một lưới các ô. Có nhiều dạng ơ lưới có thể được
sử dụng như: lưới lục giác, lưới tam giác, lưới ô vuông... trong đó lưới ơ vng là
thơng dụng nhất. Trong máy tính, lưới các ô này được lưu trữ dưới dạng ma trận
trong đó mỗi ơ là giao điểm của một hàng và một cột trong ma trận.

Hình 1.5. Cấu trúc dữ liệu Raster
Trong cấu trúc dữ liệu Raster các yếu tố điểm, đường, vùng được xác định
như sau:
+ Yếu tố điểm: Điểm được xác định tương ứng với một pixel độc lập
+ Yếu tố đường: Đường được coi là các pixel liên tiếp nhau có cùng giá trị.
+ Yếu tố vùng: Vùng được xác định bởi một tập hợp các pixel có cùng giá trị
liên tục nhau theo các hướng.
Ta thấy biểu diễn hai chiều của dữ liệu địa lý theo cấu trúc Raster là không
liên tục nhưng được định lượng hóa để có thể đánh giá được độ dài, diện tích. Dễ
thấy khơng gian càng được chia nhỏ thành nhiều pixel thì tính tốn càng chính xác.
Biểu diễn Raster được xây dựng trên cơ sở hình học Owcơlit. Mỗi một pixell tương
ứng với một diện tích vng trên thực tế. Độ lớn cạnh của ơ vng này cịn được
gọi là độ phân giải của dữ liệu.

Hình 1.6. Minh họa cấu trúc Raster


14
Ưu điểm:
- Cấu trúc dữ liệu đơn giản, đồng nhất có thể thu thập tự động với tốc độ nhanh.
- Lưu trữ, mô tả chi tiết và dày đặc thông tin.
- Chương trình xử lý số liệu tương đối ngắn gọn, đơn giản.
- Dễ dàng chồng xếp, thu nạp thông tin giữa các bản đồ, thông tin viễn thám.
- Dễ dàng thực hiện bài tốn mơ phỏng.
Nhược điểm:
- Dung lượng thơng tin rất lớn.
- Bản đồ có hình ảnh thơ, đơn điệu.
- Không thể xác định các đối tượng riêng lẻ, khó suy giải tính tốn, độ chính
xác thấp, khó khăn khi chồng xếp các dữ liệu bản đồ có kích thước pixel khác nhau.
- Khi kích thước pixel lớn sẽ làm giảm dung lượng thông tin, làm cho thông
tin dễ bị sai lệch.
- Khối lượng tính tốn để biến đổi toạ độ là rất lớn.
Cấu trúc dữ liệu vector.
Mô hình dữ liệu kiểu Vector là mơ hình thể hiện các đối tượng địa lý giống
như các bản đồ truyền thống. Các dữ liệu đồ hoạ được thể hiện giống với hình dạng
thực tế của nó, bằng các yếu tố hình học đơn giản là điểm, đường, vùng và các mối
quan hệ không gian hay sự kết nối của các đối tượng khơng gian(topology) như
khoảng cách, tính liên thơng, tính kề nhau,.... Cấu trúc dữ liệu vector thể hiện chính
xác vị trí khơng gian, khoảng cách và kích thước của các đối tượng trong thế giới
thực lên bản đồ số bằng giá trị liên tục của các cặp toạ độ và xác định chính xác mối
quan hệ khơng gian của các đối tượng. Bên cạnh giả thiết về sự chính xác thể hiện
tọa độ thì cấu trúc vector sử dụng các cơng thức quan hệ chính xác nên có thể lưu
trữ dữ liệu phức tạp mà vẫn hiệu quả về mặt bộ nhớ.

Cấu trúc vector coi vật thể tự nhiên là tập hợp các yếu tố không gian cơ sở
(điểm, đường và vùng) và tổ hợp giữa các yếu tố này. Các yếu tố này được thành
lập trên cơ sở các cặp tọa độ của các điểm trong một hệ tọa độ nhất định.


15
Yếu tố điểm trong cấu trúc dữ liệu vector được mô tả bởi cặp toạ độ (x,y)
trong một hệ toạ độ nhất định. Đi kèm theo giá trị (x, y) của điểm cịn có chỉ số cụ
thể để mơ tả đặc tính của điểm.
Yếu tố đường: Được dùng để biểu diễn tất cả các thực thể có dạng tuyến
được tạo nên từ hai hoặc hơn hai cặp toạ độ (X, Y). Trong cấu trúc dữ liệu vector
đường được mô tả như là tập hợp các cung. Với một đường thẳng ta chỉ cần lưu giữ
tọa độ của hai điểm đầu và cuối. Với một cung (arc) là tập hợp của n cặp toạ độ biểu
thị một đường cong phức tạp và liên tục. Do đó số lượng điểm lưu trữ sẽ rất lớn do
mỗi cung là tập hợp của các đoạn thẳng nhỏ nối giữa các điểm kề nhau đã được
chọn. Vì vậy người ta có thể giảm đáng kể bộ nhớ lưu trữ nếu có thể biểu diễn các
đường cong bằng phương trình tốn học vì khi đó chỉ cần lưu trữ các thơng số của
phương trình thay vì lưu trữ giá trị của tất cả các cặp tọa độ.
Yếu tố vùng: đây là tập hợp vô số điểm, được giới hạn bởi một đường khép
kín. Số liệu định vị của yếu tố vùng được xác định bởi đường bao của chúng. Như
vậy cũng gần giống với yếu tố đường, nhưng có thể nhận biết rõ ràng nếu chỉ ra số
liệu định vị kèm theo kiểu kiểu yếu tố được biểu thị (điểm, đường, vùng).
Nói chung, khơng có sự khác biệt giữa việc lưu trữ số liệu định vị của yếu tố
đường và số liệu định vị của yếu tố vùng vì cả hai đều lưu trữ dưới dạng tập hợp các
điểm của một đường. Nhưng có thể nhận biết rõ ràng nếu ta chỉ ra số liệu định vị
kèm theo yếu tố được hiển thị (điểm, đường, vùng). Đường bao của một vùng khép
kín (điểm đầu và điểm cuối trùng nhau). Ngược lại, một đường khép kín khơng phải
trong trường hợp nào cũng phản ánh một vùng (ví dụ đường bình độ là một đường
khép kín nhưng khơng là yếu tố vùng).
Trong thực tế, các yếu tố vùng nằm kề nhau. Để giảm việc lãng phí bộ nhớ

do lưu giữ các cạnh chung hai lần người ta tiến hành lưu trữ mỗi cạnh một lần.
Đồng thời cung cấp cho từng vùng những thơng tin thuộc tính về cạnh của nó.
Trường hợp các điểm chung thì cũng lưu trữ toạ độ mỗi điểm một lần và
cung cấp cho đường những thơng tin thuộc tính về các điểm thuộc đường. Sự tiết
kiệm bộ nhớ này chỉ thực sự có giá trị khi số lượng cạnh chung khá lớn.