Xây dựng cơ sở dữ liệu, mô hình hoá và phân tích dữ liệu để giải quyết một số bài toán trong giao thông đô thị

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

TRẦN THỊ TRÀ GIANG

XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU, MƠ HÌNH HĨA VÀ
PHÂN TÍCH DỮ LIỆU ĐỂ GIẢI QUYẾT MỘT SỐ BÀI
TỐN TRONG GIAO THƠNG ĐƠ THỊ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013


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

TRẦN THỊ TRÀ GIANG

XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU, MƠ HÌNH HĨA VÀ
PHÂN TÍCH DỮ LIỆU ĐỂ GIẢI QUYẾT MỘT SỐ BÀI
TỐN TRONG GIAO THƠNG ĐƠ THỊ

Ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý
Mã số: 60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

TS. Trần Vân Anh

HÀ NỘI - 2013


1

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu và kết
quả trong luận văn là trung thực, chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác.
Hà Nội, ngày 14 tháng 10 năm 2013
Tác giả

Trần Thị Trà Giang


2

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
MỤC LỤC ...................................................................................................................2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ....................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................7
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................9
Chương 1: CƠ SỞ KHOA HỌC, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN
VẤN ĐỀ ....................................................................................................................12
1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý .........................................................12

1.1.1. Sự hình thành và phát triển của GIS .......................................................12
1.1.2. Định nghĩa GIS .......................................................................................13
1.1.3. Thành phần của GIS ................................................................................14
1.1.4. Chức năng của GIS .................................................................................17
1.1.5. Ứng dụng của GIS...................................................................................24
1.2. Tổng quan về cơ sở dữ liệu ............................................................................26
1.2.1. Khái niệm cơ sở dữ liệu ..........................................................................26
1.2.2. CSDL địa lý.............................................................................................27
1.2.2.1. Dữ liệu GIS và tổ chức CSDL GIS ..................................................27
1.2.2.2. Các thông tin liên quan đến CSDL GIS ...........................................29
1.2.3. Khái quát tình hình xây dựng và quản lý cơ sở dữ liệu trên thế giới ......34
1.3. Cơ sở dữ liệu giao thông ................................................................................35
1.3.1. Khái niệm ................................................................................................35
1.3.2. Đặc điểm CSDL giao thông ....................................................................36
1.3.3. Sự cần thiết phải xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông ..............................37
1.3.4. Các quy định về dữ liệu mạng lưới giao thông .......................................37
Chương 2: ỨNG DỤNG GIS XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ MƠ HÌNH
HĨA DỮ LIỆU GIAO THƠNG ...............................................................................41
2.1. Giới thiệu phần mềm ArcGIS ........................................................................41


3
2.1.1. ArcGIS Desktop ......................................................................................41
2.1.2. Một số định dạng dữ liệu GIS phổ biến ..................................................42
2.2. Yêu cầu xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông ...................................................44
2.2.1. Yêu cầu về nội dung................................................................................44
2.2.2. Phương pháp xây dựng ...........................................................................44
2.2.3. Yêu cầu về chất lượng .............................................................................45
2.3. Thiết kế cơ sở dữ liệu giao thông trong CSDL nền 1:50000 .........................46
2.4. Mơ hình hóa dữ liệu .......................................................................................52

2.4.1. Khái niệm ................................................................................................52
2.4.2. Phương pháp mơ hình hóa bản đồ...........................................................53
2.4.3. Quy trình mơ hình hóa ............................................................................54
2.5. Giới thiệu mơ hình phân tích mạng lưới giao thơng (Network Dataset) .......55
2.5.1. Khát quát về Network Dataset ................................................................55
2.5.2. Các phân tích mạng .................................................................................60
Chương 3: XÂY DỰNG DỊCH VỤ TÌM KIẾM TUYẾN ĐƯỜNG TỐI ƯU VÀ
GIẢI QUYẾT MỘT SỐ BÀI TỐN GIAO THƠNG ĐƠ THỊ - THỰC NGHIỆM
TRÊN KHU VỰC THUỘC NỘI THÀNH HÀ NỘI ................................................63
3.1. Khái quát về khu vực Hà Nội .........................................................................63
3.1.1. Đặc điểm địa lý của khu vực ...................................................................63
3.1.2. Giới thiệu chung về giao thông Hà Nội ..................................................65
3.1.3. Hiện trạng hệ thống giao thông đường bộ khu vực ................................66
3.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu giao thơng quận Ba Đình - Hà Nội trên ArcGIS .....67
3.2.1. Nguồn dữ liệu và phiên bản phần mềm sử dụng.....................................67
3.2.2. Mô tả cơ sở dữ liệu giao thông xây dựng trên phần mềm ArcGIS 10.0 .68
3.2.2.1. Thơng tin chung ...............................................................................68
3.2.2.2 Mơ hình cơ sở dữ liệu .......................................................................69
3.2.2. Quy trình kỹ thuật xây dựng lớp đường bộ .............................................74
3.3. Mơ hình hóa cơ sở dữ liệu mạng lưới giao thơng trên ArcGIS .....................82
3.3.1. Quy trình mơ hình hóa dữ liệu: ...............................................................82
3.3.2. Tạo mơ hình Network Dataset cho mạng đường bộ ...............................82


4
3.4. Xây dựng bản đồ giao thơng ..........................................................................94
3.5. Phân tích dữ liệu mơ phỏng bài tốn dịch vụ tìm đường ...............................98
3.5.1. Bài tốn 1: Tìm đường đi ngắn nhất, mất ít thời gian nhất giữa 2 địa
điểm. ..................................................................................................................98
3.5.2. Bài toán 2: Tìm đường đi của phương tiện với thuộc tính hạn chế về tải

trọng xe và chiều cao xe. .................................................................................101
3.6. Nhận xét .......................................................................................................106
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................107
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................109
PHỤ LỤC ................................................................................................................110


5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Diễn giải

Tiếng việt

CSDL

Cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu

NĐL

Nền địa lý

Nền địa lý

GIS

Geographic Information System

Hệ thống thông tin địa lý

HTTĐL

Hệ thống thông tin địa lý

Hệ thống thông tin địa lý

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

ESRI

ESRI Environmental Systems

Viện nghiên cứu môi trường

Research Institute
DBMS

Database Management Systems

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu

GTVT

Giao thông vận tải

Giao thông vận tải

GCS

Geographic Coordinate System

Hệ tọa độ địa lý


6

DANH MỤC CÁC BẢNG

Tên bảng
Bảng 2.1

Nội dung
Thiết kế nội dung dữ liệu thuộc tính lớp đoạn tim

Trang
46

đường bộ trong CSDL NĐL 1: 50000.
Bảng 2.2

Thiết kế nội dung dữ liệu thuộc tính lớp đoạn đường

49

sắt trong CSDL NĐL 1: 50000.
Bảng 2.3

Thiết kế nội dung dữ liệu thuộc tính lớp cầu giao

50

thơng trong CSDL NĐL 1: 50000.
Bảng 2.4

Thiết kế nội dung dữ liệu thuộc tính lớp hầm giao

51

thơng trong CSDL NĐL 1: 50000.
Bảng 3.1

Thông tin chung của CSDL giao thông.

68

Bảng 3.2

Thiết kế nội dung dữ liệu thuộc tính lớp đường bộ

69

trong CSDL giao thông.
Bảng 3.3

Bảng mô tả Domain hướng đường.

79

Bảng 3.4

Bảng ánh xạ thuộc tính 2 trường Direct và Oneway.

80


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Các thành phần của hệ GIS .......................................................................14
Hình 1.2. Buffer bên trong một hình có bán kính xác định. .....................................20
Hình 1.3. Kết quả tìm kiếm theo địa chỉ. ..................................................................21
Hình1.4. Tìm đường đi tối ưu trong phân tích mạng. ...............................................22
Hình 1.5. Ba kiểu hình học cơ bản............................................................................28
Hình 1.6. Phép chiếu phương vị ................................................................................30
Hình 1.7. Lưới chiếu hình trụ triển khai thành mặt phẳng với các ơ hình chữ nhật .31
Hình 1.8. Lưới chiếu hình nón triển khai thành hình nón cụt. ..................................31
Hình 1.9. Lưới kinh vĩ ...............................................................................................32
Hình 1.10. Hệ toạ độ phẳng ......................................................................................33
Hình 1.11. Minh họa cơ sở dữ liệu Hà Nội ...............................................................36
Hình 2.1. Cấu trúc của Geodatabase. ........................................................................43

Hình 2.2. Mơ hình mạng lưới giao thơng đa phương tiện. .......................................56
Hình 2.3. Hộp thọai thiết lập hạng phân cấp đường .................................................60
Hình 2.4. Phân tích mạng khi sử dụng hệ thống phân cấp đường ............................61
Hình 2.5. Phân tích mạng với thuộc tính tham số. ....................................................62
Hình 3.1. Mơ hình cơ sở dữ liệu giao thơng đường bộ. ............................................69
Hình 3.2. Sơ đồ quy trình kỹ thuật xây dựng dữ liệu mạng đường bộ. ....................74
Hình 3.3. Lớp DoanTimDuongBo quận Ba Đình được chồng lên ảnh vệ tinh. .......76
Hình 3.4. Lớp DoanTimDuongBo quận Ba Đình được chồng lên ảnh vệ tinh và lớp
Line xuất từ DGN sang. ............................................................................................76
Hình 3.5. Dữ liệu đường bộ quận Ba Đình. ..............................................................78
Hình 3.6. Nhập thuộc tính đối tượng ........................................................................79
Hình 3.7. Nhập thuộc tính hướng đường ..................................................................80
Hình 3.8. Bảng thuộc tính lớp đường bộ. ..................................................................81
Hình 3.9. Thống kê lỗi khơng gian lớp đường bộ. ....................................................82
Hình 3.10. Sơ đồ quy trình mơ hình hóa dữ liệu.......................................................82


8
Hình 3.11. Tuyến đường ngắn nhất giữa 2 địa điểm (tuyến đường 1).....................99
Hình 3.12. Lộ trình điều hướng tuyến đường 1. .....................................................100
Hình 3.13. Tuyến đường khác giữa 2 địa điểm (tuyến đường 2) khi có sự cố trên
tuyến đường 1. .........................................................................................................101
Hình 3.14. Lộ trình điều hướng tuyến đường 1. .....................................................101
Hình 3.15. Tuyến đường tìm được dành cho xe có tải trọng ≤ 1 (tấn) ...................102
Hình 3.16. Tuyến đường tìm được dành cho xe chiều cao ≤ 2.5 (m) .....................104
Hình 3.17. Lộ trình điều hướng tuyến đường dành cho xe có chiều cao ≤ 2.5 (m) 105


9

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công
nghệ thông tin cũng ngày càng phát triển và có rất nhiều ứng dụng rộng rãi. Một
trong những ứng dụng của cơng nghệ thơng tin đó là hệ thống thông tin địa lý (GIS
- Geographic Information System). Ngày nay, GIS là một công cụ hỗ trợ mang lại
sự thành công của nhiều hoạt động kinh tế- xã hội, quốc phòng cho nhiều quốc gia
trên thế giới.
Với nhịp sống náo nhiệt như hiện nay, ở các trung tâm thành phố lớn vấn đề
giao thông đô thị luôn là vấn đề nóng bỏng. Từ việc quản lý hạ tầng cho đến các
dịch vụ xuất phát từ nhu cầu của đa số cộng đồng như tìm đường đi tối ưu (Đường
ngắn nhất? nhanh nhất?) để tiết kiệm thời gian và chi phí.
Vì vậy, trong lĩnh vực quản lý giao thơng, cùng với việc nâng cấp và xây dựng
hệ thống hạ tầng đường sá, cầu, hầm … thì việc ứng dụng hệ thống thông tin trong
giao thông sẽ giúp các nhà quản lý có thể tra cứu, khai thác thơng tin liên quan đồng
thời đưa ra những chính sách và quyết định chính xác. Từ đó các tổ chức, cá nhân
đã đưa ra yêu cầu cần phải xây dựng một dịch vụ định tuyến giúp tìm kiếm đường
đi tối ưu. Dịch vụ này đã giúp cho chúng ta có những lộ trình tốt nhất khi định
hướng tuyến đường đi của mình và mang lại hiệu quả kinh tế. Để ứng dụng dịch vụ
dẫn đường vào các bài tốn tìm đường cho kết quả đạt độ chính xác cao thì việc xây
dựng nguồn cơ sở dữ liệu và mơ hình hóa dữ liệu là rất quan trọng. Vì vậy mà cơng
tác nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu và mơ hình mạng lưới giao thơng có độ tin
cậy cao là rất cần thiết. Dựa trên những yêu cầu trên, tôi đã lựa chọn đề tài nghiên
cứu: “Xây dựng cơ sở dữ liệu, mơ hình hóa và phân tích dữ liệu để giải quyết một
số bài tốn trong giao thơng đơ thị”.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Không gian nghiên cứu: Khu vực nội thành Hà Nội
- Phạm vi nghiên cứu: Đưa ra dịch vụ tìm kiếm, phân tích tuyến đường đi tối
ưu trong khu vực nghiên cứu.

10
3. Mục đích của đề tài
- Xây dựng cở sở dữ liệu giao thơng.
- Mơ hình hóa và phân tích dữ liệu.
- Tạo dịch vụ bản đồ số từ cơ sở dữ liệu và mơ hình xây dựng.
- Giải quyết một số bài tốn trong giao thơng đơ thị: Bài tốn tìm đường đi tối
ưu.
- Là tư liệu phục vụ cho các mục đích khác nhau như: Quản lý, theo dõi sự cố,
tìm kiếm cứu nạn,...
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý GIS
- Nghiên cứu mơ hình cơ sở dữ liệu giao thơng.
- Phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ dẫn đường.
- Giới thiệu về mơ hình dữ liệu định tuyến trong ArcGIS: Mơ hình Network
Dataset.
- Hệ thống thơng tin cần thiết phục vụ dẫn đường: Xây dựng bản đồ giao
thơng, đưa ra mơ hinh phân tích tìm kiếm tuyến đường.
5. Phương pháp nghiên cứu
Ứng dụng công nghệ GIS để xây dựng CSDL giao thơng, thực hiện mơ hình
hóa mạng lưới giao thơng đương bộ phục vụ phân tích nhằm giải quyết một số bài
tốn trong giao thơng đơ thị.
6. Kết quả của đề tài
- Tổng quan về cơ sở khoa học trong xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ cơng tác tìm
kiếm tuyến đường (routing).
- Xây dựng mẫu cở sở dữ liệu giao thông theo định dạng Geodatabase của ESRI.
- Mơ hình hóa cơ sở dữ liệu giao thơng theo mơ hình Network Dataset của ESRI.
- Dịch vụ bản đồ giao thông dạng số.
- Thử nghiệm hệ thống cơ sở dữ liệu và mơ hình đã được thành lập trên ArcGIS, đưa
vào phần mềm tương tác tìm kiếm tuyến đường giao thông.

11
7. Ý nghĩa của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Góp phần xây dựng cơ sở lý luận trong việc nghiên cứu và
ứng dụng GIS trong hiện tại và tương lai.
Ý nghĩa thực tiễn: Hệ thống thông tin địa lý GIS là hệ thống phát triển trên
tồn thế giới và nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Hiện
nay, ở Việt Nam tuy còn nhiều mới mẻ nhưng nó đã và đang phát triển rất mạnh mẽ.
Và việc xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ công tác dẫn đường là một ứng dụng rất
quan trọng của hệ thống thông tin điạ lý GIS.
8. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận được trình bày trong
110 trang với 33 hình và 09 bảng.
Luận văn được hồn thành với sự cố gắng nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ
tận tình của giáo viên hướng dẫn TS. Trần Vân Anh, các thầy cô trong bộ môn Đo
ảnh và Viễn thám; cùng các bạn đồng môn, đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!


12

Chương 1: CƠ SỞ KHOA HỌC, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
TIẾP CẬN VẤN ĐỀ
1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý
1.1.1. Sự hình thành và phát triển của GIS
Trong xã hội thông tin, thông tin địa lý giữ một vai trò rất quan trọng. Khi
cung cấp bất kỳ thơng tin gì hoặc sự kiện gì, nhà cung cấp thông tin cần phải cho biết
vật ấy, sự kiện ấy xảy ra ở đâu, khi nào. Đó chính là thơng tin địa lý (Geographic
Information).

Từ khi ra đời, với tư cách là một công nghệ, GIS (Geographic Information
System) đã và đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. GIS đã phát triển từ
những ứng dụng trên các đối tượng liên quan đến đất đai và biến đổi chậm như tài
nguyên, môi trường đến các ứng dụng trong các lĩnh vực liên quan đến con người
hoặc những đối tượng có tần số biến đổi nhanh như cơ sở kỹ thuật hạ tầng, kinh tế,
xã hội.
Với những ứng dụng ngày càng rộng rãi và phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh
vực kinh tế, xã hội. Khoa học thông tin địa lý (GIS) đã từng bước hồn thiện các mơ
hình biểu diễn các đối tượng, các hoạt động, các sự kiện và các quan hệ của chúng
trong thế giới thực, đồng thời nghiên cứu phát triển các thuật toán lưu trữ, xử lý dữ
liệu theo khơng gian và thời gian.
Trong tiến trình phát triển kinh tế, xã hội, để đạt được một mục đích nào đó,
con người cần phải có những quyết định chính xác và kịp thời. Những quyết định đó
phải được thực hiện sau khi thu thập thông tin dữ liệu từ thế giới thực và phân tích xử
lý nó theo một quan điểm nào đó. Những quyết định này tác động trực tiếp hoặc gián
tiếp trở lại thế giới thực theo khuynh hướng của người xử lý và ra quyết định. Nếu
quyết định đó mang lại hiệu quả tích cực thì được đánh giá là tốt, và ngược lại.
Hệ thống thông tin địa lý ra đời từ đầu thập niên 60 ở Canada. Suốt thời gian
của hai thập niên 60 và 70, GIS cũng chỉ được một vài cơ quan chính quyền ở khu
vực Bắc Mỹ quan tâm nghiên cứu. Mãi đến đầu thập niên 80, khi phần cứng máy tính


13
phát triển mạnh với tính năng cao, giá rẻ, đồng thời với sự phát triển nhanh về lý
thuyết và ứng dụng CSDL cùng với nhu cầu cần thiết về thông tin địa lý làm cho
công nghệ GIS ngày càng được quan tâm hơn.
Sự phát triển của cơng nghệ máy tính đồng thời với những kết quả của các
thuật toán nhận dạng xử lý ảnh và CSDL đã tạo điều kiện cho cơng nghệ thơng tin
địa lý ngày càng phát triển.
Có nhiều cơng trình nghiên cứu cho thấy vai trị quan trọng của GIS trong việc

quản lý, xử lý các vấn đề kinh tế, xã hội và mơi trường,…Vì vậy, các phần mềm GIS
được bán rất nhanh mặc dù người sử dụng vẫn còn gặp phải một số vấn đề về việc
khơng tương thích với nhau vì chưa có một tiêu chuẩn thống nhất. Đặc biệt các
chương trình giảng dạy cũng càng được phổ biến và chuẩn hóa.
1.1.2. Định nghĩa GIS
• Hệ thống – Cơng nghệ máy tính và các hạ tầng hỗ trợ khác.
• Thơng tin – Dữ liệu và thơng tin.
• Địa lý – Thế giới thực, các thực thể không gian.
Giới thiệu một số định nghĩa về GIS của một số tác giả:
- GIS là một hệ thống tự động thu thập, lưu trữ, truy vấn, phân tích và hiển thị dữ liệu
không gian (Clarke 1995).
- GIS là một trường hợp đặc biệt của một hệ thống thông tin với CSDL gồm những
đối tượng, những hoạt động hay những sự kiện phân bố trong không gian được biểu
diễn như những điểm, đường, vùng trong hệ thống máy tính. Hệ thống địa lý xử lý,
truy vấn dữ liệu theo điểm, đường, vùng phục vụ cho những hỏi đáp đặc biệt (Dueker
1979).
- Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống bao gồm bốn khả năng xử lý dữ liệu địa
lý là: (1) nhập dữ liệu, (2) quản lý dữ liệu (bao gồm lưu trữ và truy xuất), (3) gia
cơng và phân tích dữ liệu, (4) xuất dữ liệu (Stan Aronoff 1993).
- Cơng nghệ dựa trên máy tính và phương pháp để thu thập, quản lý, phân tích, mơ
hình hóa và mơ tả dữ liệu địa lý cho các ứng dụng khác nhau.


14
- Một hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu cho mục đích
thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian để hỗ trợ ra quyết định và
nghiên cứu.
Những định nghĩa trên cho thấy rằng hệ thống thông tin địa lý có những khả
năng của một hệ thống máy tính (phần cứng, phần mềm) và các thiết bị ngoại vi dùng
để nhập lưu trữ, truy vấn, xử lý, phân tích và hiển thị hoặc xuất dữ liệu. Trong đó,

CSDL của hệ thống chứa những dữ liệu của các đối tượng, các hoạt động kinh tế, xã
hội, nhân văn, phân bố theo không gian và những sự kiện xảy ra theo tiến trình lịch
sử.
Có thể nói cách khác rằng, hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống máy tính
(phần cứng, phần mềm) và các thiết bị ngoại vi có khả năng trả lời các câu hỏi cơ bản
Ai? Cái gì? Ở đâu? Khi nào? Như thế nào? Tại sao? khi được xác định trước một
hoặc một vài nội dung trong các câu hỏi đó. Trong đó các câu trả lời Ai? Cái gì? Xác
định các đối tượng, các hoạt động, các sự kiện cần khảo sát; câu trả lời Ở đâu? xác
định vị trí của đối tượng, hoạt động hoặc sự kiện; câu trả lời Như thế nào? hoặc Tại
sao? là kết quả phân tích của hệ thông tin địa lý.
1.1.3. Thành phần của GIS
Công nghệ GIS bao gồm 5 hợp phần cơ bản là: thiết bị (phần cứng), phần
mềm, số liệu, chuyên viên, chính sách và cách thức quản lý.

Hình 1.1. Các thành phần của hệ GIS


15
• Phần cứng ( máy tính và thiết bị ngoại vi)
Phần cứng của một HTTĐL bao gồm các hợp phần sau: Bộ xử lý trung tâm
(CPU), thiết bị nhập dữ liệu, lưu dữ liệu và thiết bị xuất dữ liệu.
CPU: hệ thống điều khiển, bộ nhớ, tốc độ xử lý là những yếu tố quan trọng nhất của
CPU.
Nhập, lưu trữ và xuất dữ liệu: các thiết bị ngoại vi phục vụ cho việc nhập dữ liệu là:
bàn số hóa, máy quét để chuyển đổi định dạng tương tự thành dạng số. Các phương
tiện thông dụng là ổ đĩa cứng, ổ đọc băng, ổ đĩa quang có thể ghi và xóa dữ liệu.
Thiết bị xuất dữ liệu bao gồm máy in đen trắng và màu, báo cáo, kết quả phân tích,
máy in (plotter).
• Phần mềm
Một hệ thống phần mềm xử lý HTTĐL yêu cầu phải có hai chức năng sau: tự

động hóa bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu. Sự phát triển kỹ thuật HTTĐL hiện đại
liên quan đến sự phát triển của hai hợp phần này.
 Tự động hóa bản đồ: là thành lập bản đồ với sự trợ giúp của máy tính.
Máy tính trợ giúp cho bản đồ học ở nhiều phương diện như:
Trước hết, bản đồ trong máy tính dạng số nên dễ dàng chỉnh sửa và việc chỉnh
lý đó tốn ít cơng sức hơn so với việc khơng có sự trợ giúp của máy tính. Việc bổ sung
thêm thông tin cho bản đồ cũng dễ dàng thực hiện được.
Thứ hai, quá trình tạo chú giải và các chỉ dẫn lên bản đồ được thao tác với tốc
độ nhanh nên giá thành thấp. Việc lựa chọn, phân loại và làm đơn giản hóa các đặc
điểm bản đồ cũng được thực hiện một cách khoa học. Quá trình thiết kế và khái qt
hóa bản đồ cũng được lập trình và tạo nên các chức năng cụ thể của phần mềm. Kích
thước, hình dạng hoặc vị trí của chữ hoặc ký hiệu trên bản đồ có thể dễ dàng được
thay đổi và đưa về vị trí chính xác như mong muốn.
 Quản lý CSDL: HTTTĐL phải có khả năng điều khiển các dạng khác nhau của dữ
liệu địa lý đồng thời có thể quản lý hiệu quả một khối lượng lớn dữ liệu với một trật
tự rõ ràng. Một yếu tố rất quan trọng của phần mềm GIS là cho khả năng liên kết hệ


16
thống giữa việc tự động hóa bản đồ và quản lý cơ sở dữ liệu. Sự liên kết đó là một
nổi bật của việc vận hành HTTTĐL.
Thứ nhất: Các tài liệu thuộc tính nhất thiết phải được thể hiện trên những chi
tiết của bản đồ.
Thứ hai: Sự thay đổi về những chi tiết bản đồ nhất thiết phải phù hợp với sự
thay đổi về tự nhiên thuộc tính. Ví dụ, sự thay đổi diện tích đơ thị về số liệu phải
tương xứng với sự thay đổi về đường ranh giới thành phố. Khi thay đổi ranh giới thì
số liệu tính tốn về diện tích cũng tự động được thay đổi.
• Chuyên viên
Đây là một trong những hợp phần quan trọng của cơng nghệ GIS, địi hỏi
những chun viên hướng dẫn sử dụng hệ thống để thực hiện các chức năng phân

tích và xử lý các số liệu. Địi hỏi phải thông thạo việc lựa chọn các công cụ GIS để sử
dụng, có kiến thức về các số liệu đang được sử dụng và thơng hiểu các tiến trình
đang và sẽ thực hiện.
• Số liệu, dữ liệu địa lý
Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý riêng lẻ mà còn
phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu. Những thơng tin địa lý có nghĩa là sẽ bao
gồm các dữ kiện về vị trí địa lý, thuộc tính của thơng tin, mối liên hệ khơng gian của
các thơng tin và thời gian.
Có hai số liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là:
 Cơ sở dữ liệu bản đồ: là những mô tả ảnh bản đồ được số hóa theo một khn
dạng nhất định mà máy tính hiểu được. HTTTĐL dùng cơ sở dữ liệu này để xuất các
bản đồ trên màn hình hoặc ra các thiết bị ngoại vi khác như máy in, máy vẽ.
Số liệu vector: được trình bày dưới dạng điểm, đường và vùng, mỗi dạng có
liên quan đến một số liệu thuộc tính được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu.
Số liệu raster: được trình bày dưới dạng lưới ơ vuông hay ô chữ nhật đều
nhau, giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ chỉ định giá trị của thuộc tính. Số liệu của ảnh
vệ tinh và số liệu bản đồ được quét là các loại số liệu raster.


17
 Số liệu thuộc tính: được trình bày dưới dạng các ký tự hoặc số, hoặc ký hiệu để
mô tả các thuộc tính của các thơng tin thuộc về địa lý.
Trong các dạng số liệu trên, số liệu vector là dạng thường sử dụng nhất. Tuy
nhiên, số liệu Raster rất hữu ích để mơ tả các dãy số liệu có tính liên tục như: nhiệt
độ, độ cao và thực hiện các phân tích khơng gian của số liệu. Cịn số liệu thuộc tính
được dùng để mơ tả cơ sở dữ liệu.
• Chính sách và quản lý
Đây là hợp phần quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, là
yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS. Hệ thống GIS
cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm tổ

chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông
tin.
Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong một khu tổ chức
phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu trữ và phân tích số
liệu, đồng thời có khả năng phát triển được hệ thống GIS theo nhu cầu. Hệ thống GIS
cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm để tổ
chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông
tin. Trong quá trình hoạt động, mục đích chỉ có thể đạt được và tính hiệu quả của kỹ
thuật GIS chỉ được minh chứng khi cơng cụ này có thể hỗ trợ những người sử dụng
thông tin để giúp họ thực hiện được những mục tiêu cơng việc. Ngồi ra việc phối
hợp giữa các cơ quan chức năng có liên quan cũng phải được đặt ra, nhằm gia tăng
hiệu quả sử dụng của GIS cũng như các nguồn số liệu hiện có.
Như vậy trong 5 hợp phần của GIS, hợp phần chính sách và quản lý đóng vai
trị rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, đây là yếu tố quyết
định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS.
1.1.4. Chức năng của GIS
Một hệ thống thông tin địa lý có các chức năng cơ bản như: nhập dữ liệu, lưu
trữ dữ liệu, điều khiển dữ liệu, hiển thị dữ liệu theo cơ sở địa lý và đưa ra những
quyết định. Có thể khái quát các chức năng đó như sau:


18
a. Nhập và bổ sung dữ liệu: Một trong những chức năng quan trọng của
HTTĐL là nhập và bổ sung dữ liệu mà cơng việc đó khơng tiến hành riêng rẽ. Bất kỳ
một hệ thống nào cũng phải cho phép nhập và bổ sung dữ liệu, nếu khơng có chức
năng đó thì khơng xem là một HTTĐL vì chức năng đó là một yêu cầu bắt buộc phải
có.
b. Chuyển đổi dữ liệu: Chuyển đổi dữ liệu là một chức năng rất gần với việc
nhập và bổ sung dữ liệu. Nhiều phần mềm thương mại cố gắng giữ độc quyền bằng
cách hạn chế đưa ra các khuôn dạng dữ liệu theo loại phổ cập. Tuy nhiên người sử

dụng phải lựa chọn để hạn chế việc phải số hóa thêm những tài liệu hiện đang có ở
dạng số. Trong thực tế, cùng một tư liệu nhưng có thể tồn tại ở nhiều khn dạng
khác nhau. Vì vậy, đối với tư liệu quốc gia khơng thể chỉ lưu giữ ở dạng có tính chất
phổ biến để sử dụng được trong nhiều ứng dụng khác nhau.
c. Lưu trữ dữ liệu: Một chức năng quan trọng của HTTĐL là lưu trữ và tổ
chức cơ sở dữ liệu do sự đa dạng và với một khối lượng lớn của dữ liệu không gian:
đa dạng về thuộc tính, về khn dạng, về đơn vị đo, về tỷ lệ bản đồ. Hai yêu cầu cơ
bản trong việc lưu trữ dữ liệu là:
Thứ nhất là phải tổ chức nguồn dữ liệu sao cho đảm bảo độ chính xác và
khơng mất thông tin.
Thứ hai là các tài liệu cho cùng một khu vực song các dữ liệu lại khác nhau về
tỷ lệ, về đơn vị đo thì phải được định vị chính xác và chuyển đổi một cách hệ thống
để có thể xử lý hiệu quả.
d. Điều khiển dữ liệu: Do nhiều HTTĐL hoạt động địi hỏi tư liệu khơng gian
phải được lựa chọn với một chỉ tiêu nhất định được phân loại theo một số phương
thức riêng, tổng hợp thành những đặc điểm riêng của hệ thống. Do đó HTTĐL phải
đảm nhiệm được chức năng điều khiển thông tin khơng gian. Khả năng điều khiển
cho phép phân tích, phân loại và tạo lập các đặc điểm bản đồ thông qua các dữ liệu
thuộc tính và thuộc tính địa lý được nhập vào hệ thống. Các thuộc tính khác nhau có
thể được tổng hợp, nắm bắt một cách riêng biệt và những sự khác biệt có thể được
xác định, được tính tốn và được can thiệp, biến đổi.


19
e. Trình bày và hiển thị: Đây cũng là một chức năng bắt buộc phải có của
một HTTĐL. Khơng gian dưới dạng tài liệu nguyên thủy hay tài liệu được xử lý cần
được hiển thị dưới dạng như: chữ và số, dạng bảng biểu hoặc dạng bản đồ. Các tính
tốn chung và kết quả phân tích được lưu giữ ở dạng chữ và số để dễ dàng in ra hoặc
trao đổi giữa các phần mềm khác nhau.
f. Phân tích khơng gian: Trước đây chỉ với 5 chức năng mô tả ở trên là được

tập trung, phát triển bởi nhưng người xây dựng HTTĐL. Chức năng thứ sáu là phân
tích khơng gian được phát triển một cách thần kỳ dựa vào sự tiến bộ của cơng nghệ
và nó trở nên thực sự hữu ích cho người ứng dụng. Những định nghĩa về HTTĐL
trước đây đã trở thành thực tiễn trên cơ sở ứng dụng trực tiếp chức năng phân tích
khơng gian. Tất cả các chức năng có thể khác nhau đối với từng hệ thống song đối
với một HTTTĐL sử dụng tư liệu bản đồ thì chức năng đó là bắt buộc.
Có rất nhiều các phương pháp tìm kiếm và phân tích dữ liệu khơng gian, các
phương pháp khác nhau thường tạo ra các ứng dụng GIS khác nhau.
Sau đây là một số phương pháp được dùng phổ biến nhất:
Buffer (Tìm kiếm dữ liệu trong vùng khơng gian )
Buffer hay cịn gọi là truy vấn không gian trên cơ sở các quan hệ không gian
giữa các đối tượng. Các quan hệ này thơng thường nói lên vị trí tương đối của đối
tượng này với đối tượng kia. Phương pháp buffer được chia làm nhiều loại (phép
toán) khác nhau, nhưng cách thức xử lý thì ln tn theo các bước cơ bản sau đây:
- Chọn ra một hay nhiều đối tượng trên bản đồ, gọi là các đối tượng gốc.
- Áp dụng một quan hệ khơng gian để tìm ra các đối tượng khác mà có quan hệ đặc
biệt với các đối tượng gốc.
- Hiển thị tập đối tượng tìm thấy cả trên dữ liệu khơng gian và thuộc tính
Một số phép tốn buffer thơng dụng:
Tìm các đối tượng nằm bên trong các đối tượng khác: Phép toán này xác định
quan hệ “bao kín” giữa các đối tượng khơng gian. Đường thẳng bao gồm nhiều điểm,
một đa giác (polygon) có thể bao gồm nhiều đường thẳng hoặc gồm các đa giác con
khác.


20
Tìm các đối tượng cắt các đối tượng khác: Phép tốn này xác định các đối
tượng có giao điểm hay nằm chồng lên các đối tượng khác. Hai đa giác giao nhau
nếu chúng có một miền chung. Hai đường thẳng cắt nhau nếu chúng có một điểm
chung. Một đường thẳng giao với một đa giác khi nó nằm một phần hay tồn bộ

trong đa giác.
Tìm các đối tượng liền kề với các đối tượng khác: Đây là kiểu tìm kiếm trong
đó các đối tượng có chung đường bao (biên). Quan hệ này chỉ áp dụng cho đường
thẳng hoặc đa giác.
Tìm các đối tượng nằm bên trong hoặc bên ngoài một khoảng cách xác định:
Kiểu tìm kiếm này được sử dụng trong việc xác định các đối tượng xung quanh một
hay nhiều các điểm mốc. Quá trình thực hiện bao gồm việc tạo ra một vùng đệm
quanh các điểm mốc này và sau đó xác định các đối tượng căn cứ vào vị trí của
chúng so với vùng đệm tạo ra.

Hình 1.2. Buffer bên trong một hình có bán kính xác định.
Geocoding (Tìm kiếm theo địa chỉ )
Một đối tượng trên bản đồ bao giờ cũng được biểu diễn bằng một kiểu dữ liệu
đồ họa. Phần đồ họa này có thể thu được bằng cách số hóa hay quét ảnh bản đồ.
Tuy nhiên, khi ta đã có bản đồ (bản đồ số), chúng ta cũng có thể xác định
được phần đồ họa biểu diễn đối tượng hay là vị trí, hình dạng của đối tượng thông
qua các dữ liệu mô tả vị trí của nó ví dụ: số nhà, tên đường, tên quận…
Geocoding (hay address matching) là một tiến trình nhằm xác định các đối tượng trên
cơ sở mô tả vị trí của chúng. Đây là một kỹ thuật rất nổi tiếng, có mặt trong rất nhiều
ứng dụng của GIS.
Người ta gọi một geocoding service là q trình chuyển đổi tồn bộ mơ tả
thuộc tính về vị trí sang mơ tả không gian.


21
Để tìm được vị trí thơng qua địa chỉ, geocoding service phải tham chiếu đến ít
nhất một nguồn dữ liệu bao gồm cả thơng tin về địa chỉ (thuộc tính) và thơng tin
khơng gian (vị trí, hình dạng). Dữ liệu này được gọi là dữ liệu tham chiếu. Các
geocoding service có thể thao tác trên nhiều kiểu dữ liệu tham chiếu khác nhau. Sau
khi đã geocoding dữ liệu tham chiếu (tức là ánh xạ mơ tả thuộc tính vào mơ tả khơng

gian). Ta có thể nhập địa chỉ của đối tượng cần tìm. Quy trình xử lý trải qua các bước
sau:
- Chuẩn hóa giá trị địa chỉ vừa nhập vào bằng cách tách nó thành các thành phần địa
chỉ nhỏ.
- Geocoding service sau đó sẽ tìm trong nguồn dữ liệu tham chiếu để xác định các
đối tượng có các thành phần địa chỉ tương ứng với dữ liệu nhập vào. Mỗi kiểu
geocoding service sẽ quy định các định dạng của các thành phần địa chỉ này.
- Tập kết quả trả về sẽ được gán các trọng số (điểm) để tìm ra kết quả gần đúng nhất.
- Geocoding service sẽ đánh dấu đối tượng vừa được tìm thấy trên bản đồ bằng một
đối tượng đồ họa.

Hình 1.3. Kết quả tìm kiếm theo địa chỉ.
Network (Phân tích mạng )
Networks là kỹ thuật được ứng dụng rất rộng rãi trong giao thông, phân phối
hàng hóa và dịch vụ, vận chuyển nước hay xăng dầu trong các đường ống dài, trao
đổi thông tin qua mạng viễn thơng… Trong GIS, networks được mơ hình dưới dạng
các đồ thị một chiều hay mạng hình học. Mạng hình học này bao gồm các đối tượng
đang được hiển thị trên bản đồ, mỗi đối tượng đóng vai trị là cạnh hoặc nút trong
mạng.
Trong GIS để thiết lập nên mối quan hệ giữa nút - cạnh và cạnh - cạnh ta cần


22
tạo các topology cho cơ sở dữ liệu. Topology được hiểu là mối quan giữa các đối
tượng trong bảng dữ liệu. Quan hệ topology giữa các đối tượng gần giống quan hệ
giữa các bảng (relationship).
Chúng ta có hai kiểu liên kết là nút - cạnh và cạnh - cạnh. Nút - cạnh là luật
liên kết được thiết lập giữa một nút của đối tượng kiểu A với một cạnh của đối tượng
kiểu B. Cạnh - cạnh là luật liên kết giữa một cạnh của đối tượng kiểu A và một cạnh
của đối tượng kiểu B qua một tập các nút.

Khi đã tạo topology và xác lập luật liên kết, một mạng lơgic đã được hình
thành. Lúc này ta có thể áp dụng các thuật toán về mạng để giải quyết các bài toán
đặt ra.
20
15

25

15
15
12

A

10

9

15

10

4

B
4

15

9

6

2

22
4

10

2

18

A

12

6

4

20

a. Theo khoảng cách ngắn nhất

2

2

B

5

4
2

5

8

8

3

b. Theo thời gian đi ngắn nhất

Hình1.4. Tìm đường đi tối ưu trong phân tích mạng.
Overlay (Phủ trùm hay chồng xếp bản đồ )
Đây là kỹ thuật khó nhất và cũng là mạnh nhất của GIS. Overlay cho phép ta
tích hợp dữ liệu bản đồ từ hai nguồn dữ liệu khác nhau. Người ta định nghĩa:
“Overlay là q trình chồng khít hai lớp dữ liệu bản đồ với nhau để tạo ra một lớp
bản đồ mới”. Điều này tương tự như việc nhân hai ma trận để tạo ra một ma trận mới,
truy vấn hai bảng cơ sở dữ liệu để tạo ra bảng mới, với overlay là gộp hai lớp trên
bản đồ để tạo ra bản đồ mới. Overlay thực hiện điều này bằng cách kết hợp thông tin
một lớp này với một lớp khác để lấy ra dữ liệu thuộc tính từ một trong hai lớp.
Người ta chia overlay thành ba dạng phân tích khác nhau:
- Point - in - lygon: chồng khít hai lớp point và polygon, đầu ra là lớp point.

23
- Line - in - polygon: chồng khít hai lớp line và polygon, đầu ra là lớp line.
- Polygon - in - polygon: chồng khít hai lớp polygon và polygon, đầu ra là lớp
polygon.
Một bài tốn rất điển hình cho kỹ thuật này là bài tốn về kiểm tra tình hình
ngập lụt của các thửa đất trong một vùng có thiên tai. Ở đây chúng ta thấy có hai lớp:
một lớp cho biết tình trạng lũ lụt trong vùng, một lớp thuộc về đất đai. Thông thường
hai lớp này sẽ nằm trên hai bản đồ khác nhau vì mục đích sử dụng của chúng khác
nhau. Khi cần biết tình trạng ngập lụt của từng thửa đất, người ta tiến hành chồng
khít hai lớp bản đồ. Lúc này thơng tin về tình trạng của thửa đất sẽ được lấy từ lớp lũ
lụt chứ khơng phải lấy từ lớp thửa đất vì lớp thửa đất khơng chứa các thơng tin này.
Ví dụ này mơ tả bài tốn thuộc loại “polyon - in - polygon”.
Qua bài tốn chúng ta có thể thấy một điều rằng hai lớp mà ta đưa vào overlay
phải có sự thống nhất với nhau. Thống nhất về hệ quy chiếu, thống nhất về tỷ lệ, có
được điều kiện này ta mới tiến hành overlay được. Quá trình overlay thường được
tiến hành qua 2 bước:
- Xác định tọa độ các giao điểm và tiến hành chồng kít hai lớp bản đồ tại giao điểm
này
- Kết hợp dữ liệu không gian và thuộc tính của hai lớp bản đồ.
Các phép tốn overlay bao gồm: phép hợp (Union), phép giao (Intersect) và phép
đồng nhất (Identity).
Proximity (Tìm kiếm trong khoảng cận kề).
Proximity là phép tìm kiếm trên cơ sở đo khoảng cách quanh hoặc giữa các
đối tượng. Khoảng cách này được tính theo khoảng cách Euclidean. Có 3 phương
pháp phân tích proximity:
Phương pháp thứ nhất là tìm kiếm nội dung trong vùng, trong đó vùng tìm
kiếm được xác định bởi xấp xỉ tới hiện tượng có sẵn, đó chính là phương pháp buffer.
Việc tìm kiếm này được thực hiện trong vùng tạo bởi mở rộng đối tượng cho trước
theo một khoảng cách cho trước. Trong GIS vùng này được gọi là vùng đệm, nó
được xây dựng xung quanh đối tượng điểm, đối tượng đường hay đối tượng vùng.