Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý phục vụ công tác quản lý môi trường thành phố uông bí tỉnh quảng ninh

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

NGUYỄN THỊ THỦY

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU
NỀN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG
THÀNH PHỐ NG BÍ TỈNH QUẢNG NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013


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

NGUYỄN THỊ THỦY

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU
NỀN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG
THÀNH PHỐ NG BÍ TỈNH QUẢNG NINH

Chun ngành: Bản đồ viễn thám và hệ thông tin địa lý
Mã số: 60.44.0214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. NGUYỄN TRƯỜNG XUÂN

HÀ NỘI – 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các tài liệu và kết
quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nghiên cứu nào khác.

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2013
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thủy


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài:..................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu:......................................................................................2
3. Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu: ....................................................2
4. Nội dung nghiên cứu: ......................................................................................2
5. Phương pháp nghiên cứu: ................................................................................2
6. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài: ............................................................3
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ ...................................4
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thông tin địa lý ...............................4
1.2. Khái niệm về hệ thông tin địa lý GIS............................................................5
1.3. Các thành phần cơ bản của GIS............................................................... 10
1.3.1. Thiết bị (phần cứng) ...........................................................................10
1.3.2. Phần mềm ........................................................................................12

1.3.3. Số liệu, dữ liệu địa lý .......................................................................12
1.3.4. Chuyên viên.....................................................................................13
1.3.5. Chính sách và quản lý ......................................................................13
1.4 Các chức năng chính của GIS ......................................................................13
1.4.1. Thu thập dữ liệu .................................................................................13
1.4.2. Lưu trữ và truy cập dữ liệu .................................................................13
1.4.3. Tìm kiếm và phân tích dữ liệu khơng gian..........................................14
1.5. Cấu trúc CSDL trong hệ thống thông tin địa lý GIS....................................15
1.5.1. CSDL không gian ............................................................................15
1.5.2. CSDL thuộc tính.................................................................................19
1.5.3. Mối liên kết dữ liệu ............................................................................21
1.6. Xử lý thông tin bản đồ trong kỹ thuật GIS ..................................................21
1.6.1. Cấu trúc thơng tin bản đồ....................................................................21
1.6.2. Mơ hình phân lớp đối tượng ............................................................... 21
1.6.3. Chuẩn thông tin bản đồ.......................................................................23
1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng GIS trong xây dựng cơ sở dữ liệu
môi trường. .......................................................................................................24
1.7.1. Nghiên cứu trên thế giới ......................................................................24
1.7.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước......................................................26
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN ĐỊA LÝ TỪ BẢN ĐỒ ĐỊA
HÌNH TỶ LỆ 1:10.000 ........................................................................................27
2.1 Khái niệm về bản đồ địa hình dạng số: ........................................................27
2.2. Nội dung bản đồ địa hình............................................................................28
2.2.1. Cơ sở tốn học....................................................................................28
2.2.2. Các yếu tố nội dung của BĐĐH..........................................................30
2.3. Nghiên cứu xây dựng CSDL nền TTĐL từ BĐĐH tỷ lệ 1:10.000 ...........31
2.3.1. Cơ sở pháp lý của việc xây dựng CSDL nền địa lý ............................. 31
2.3.2. Chỉ tiêu kỹ thuật của CSDL nền địa lý 1:10.000 .................................32

2.3.3. Xây dựng CSDL nền thông tin địa lý từ nội dung bản đồ địa hình
tỷ lệ 1:10.000 ............................................................................................... 34
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN ĐỊA LÝ THÀNH PHỐ
NG BÍ TỈNH QUẢNG NINH ………………………………………………..52
3.1. Giới thiệu chung về thành phố ng Bí:.........................................................52
3.2. Hiện trạng và tình hình quản lý mơi trường thành phố ng Bí...................... 54
3.2.1. Hiện trạng ơ nhiễm mơi trường nói chung................................................54
3.2.2 Thực trạng ơ nhiễm mơi trường khơng khí ...............................................55
3.2.3. Tình hình quản lý mơi trường thành phố ng Bí....................................58
3.3 Xây dựng CSDL nền thông tin địa lý............................................................... 60
3.3.1. Các phần mềm sử dụng...........................................................................60
3.3.2. Xây dựng mơ hình cấu trúc nội dung dữ liệu nền địa lý ..........................61
3.3.3. Cập nhập và bổ sung thông tin cho đối tượng địa lý................................ 75
3.3.4. Chuẩn hóa dữ liệu...................................................................................76
3.3.5. Gán thơng tin thuộc tính .........................................................................77
3.3.6. Chuyển đổi đinh dạng dữ liệu sang ARCGIS ..........................................78
3.3.7. Xây dựng mơ hình số địa hình (DTM) ....................................................80
3.3.8. Xây dựng Metadata.................................................................................82
3.3.9. Đóng gói và giao nộp dữ liệu thành phẩm...............................................82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………..…………86


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
GIS

Geography Information System

CSDL

Cơ sở dữ liệu

GPS

Global Positioning System

RS

Remote Sensing

HTTĐL

Hệ thông tin địa lý

Topology

Mối quan hệ không gian giữa các đối tượng

SQL

Truy vấn cấu trúc được dùng để truy cập CSDL

HTKT

Hệ thống khai thác

TL

Taluy tầng khai thác

QCTCVN

Quy chuẩn tiêu chuẩn Việt Nam


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Xác định cấu trúc và nội dung thông tin trong xây dựng danh mục đối
tượng địa lý ..………………………………..……………………………….……38
Bảng 3.1: Danh mục các khoáng sản của thành phố ng Bí .................................53
Bảng 3.2: Các gói trong CSDL nền địa lý …………………….…………….…….62
Bảng 3.3: Các nhóm đối tượng địa lý ......................................................................76


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mơ phỏng hệ thơng tin địa lý…………………..................................……6
Hình 1.2: Thế giới thực mơ phỏng bằng các dữ liệu địa lý………………….....……8
Hình 1.3: Các thành phần cơ bản của hệ thơng tin địa lý……………….………....10
Hình 1.4: Các thành phần thiết bị cơ bản của hệ thống GIS ……………..……......10
Hình 2.1:Sơ đồ quy trình cơng nghệ xây dựng CSDL nền địa lý từ bản đồ địa hình
tỷ lệ 1:10.000……………………………………………………………….….…..35
Hình 2.2: Mơ hình đối tượng địa lý dạng tổng qt ……………...……………..…37
Hình 2.3. Thuộc tính của kiểu đối tượng địa lý....................................................... 38
Hình 3.1: Lược đồ cấu trúc gói CSDL nền địa lý ………...................................... 61
Hình 3.2: Lược đồ cấu trúc gói Cơ sở đo đạc ......................................................... 62
Hình 3.3: Lược đồ cấu trúc gói Biên giới địa giới ................................................. 63
Hình 3.4: Lược đồ các Feature thành phần trong gói Biên giới địa giới.................64
Hình 3.5: Lược đồ cấu trúc gói Địa hình ................................................................ 65
Hình 3.6: Lược đồ cấu trúc gói Thủy hệ ................................................................. 66
Hình 3.7: Lược đồ cấu trúc các thành phần trong gói Thủy hệ.................................67
Hình 3.8: Lược đồ cấu trúc gói Giao thơng............................................................. 68

Hình 3.9: Lược đồ cấu trúc các thành phần trong gói Giao thơng .......................... 71
Hình 3.10: Lược đồ cấu trúc gói Dân cư - cơ sở hạ tầng ........................................ 72
Hình 3.11: Lược đồ cấu trúc thành phần gói Dân cư cơ sở hạ tầng......................... 74
Hình 3.12: Lược đồ cấu trúc gói Phủ bề mặt ...........................................................75
Hình 3.13. Các file trong gói GiaoThong sau khi được tách lọc. .......................... 77
Hình 3.14. Gán thơng tin thuộc tính cho đối tượng bằng phần mềm eTMaGIS..... 77
Hình 3.15. Dữ liệu nền thơng tin địa lý trong ARCGIS.......................................... 78
Hình 3.16: Cấu trúc gói và bảng thơng tin thuộc tính trong gói giao thơng ……... 79
Hình 3.17: Cấu trúc gói và bảng thơng tin thuộc tính trong gói phủ bề mặt……... 79
Hình 3.18. Mơ hình dữ liệu vector ......................................................................... 80
Hình 3.19. Mơ hình dạng TIN ................................................................................ 81
Hình 3.20. Metadata ở dạng bảng .......................................................................... 82


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay trên thế giới sự bùng nổ về dân số, công nghệ hoá cũng như việc
khai thác tài nguyên thiên nhiên một cách quá mức đã thải ra môi trường một lượng
lớn chất thải làm cho môi trường sống trên trái đất đang mất cân bằng sinh thái. Do
đó vấn đề ơ nhiễm môi trường đang là vấn đề quan tâm của toàn nhân loại. Các
nguồn tài nguyên thiên nhiên đang cạn kiệt, ơ nhiễm nguồn nước, khơng khí, ơ
nhiễm đất vv… gây ra tình trạng lũ lụt, lở đất, hạn hán trên tồn thế giới. Để giải
quyết tình trạng ơ nhiễm mơi trường địi hỏi phải có sự quan tâm đúng mức của các
ngành khoa học, các nhà quản lý, các quốc gia trên thế giới.
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, đặc biệt trong lĩnh vực
thu nhận và xử lý số liệu, việc tích hợp dữ liệu viễn thám (Remote Sensing-RS), hệ
thống định vị toàn cầu (Global Possitioning System – GPS), hệ thống thông tin địa
lý (GIS) gọi tắt là 3S đã và đang được áp dụng nhiều trong các lĩnh vực như nghiên

cứu tài nguyên môi trường, nghiên cứu các tai biến, thiên tai vv….
Thành phố ng Bí nằm ở phía tây tỉnh Quảng Ninh, cách Thủ đơ Hà Nội
130 km, cách Hải Phịng gần 30 km, và cách thành phố Hạ Long 45 km. Có toạ độ
địa lý từ 20 058’ đến 2109’ vĩ độ bắc và từ 106041’ đến 106052’ kinh độ đông. Địa
giới hành chính ng Bí ở phía đơng giáp huyện Hồnh Bồ và huyện n Hưng,
phía tây giáp huyện Đơng Triều, vùng đất ở phía nam giáp huyện Thuỷ Nguyên,
phía bắc giáp huyện Sơn Động. ng Bí có vị trí đặc biệt quan trọng về quốc
phòng, an ninh, là tuyến phịng thủ phía Đơng Bắc của Việt Nam.
Để phát triển bền vững thành phố ng Bí theo định hướng phát triển dịch
vụ du lịch và công nghiệp khai thác, đưa thành phố ng Bí trở thành khu cơng
nghiệp và du lịch tâm linh lớn nhất cả nước, vấn đề quản lý mơi trường ở ng Bí
là rất cần thiết nhằm đưa thành phố ng Bí phát triển theo hướng bền vững nền
kinh tế công nghiệp, dịch vụ du lịch đi đơi với bảo vệ mơi trường. Tuy nhiên, sẽ khó
có thể thực hiện được hoặc thực hiện kém hiệu quả nếu khơng có một hệ thống
thơng tin với các cơ sở dữ liệu có chất lượng cao và phù hợp (thơng tin chính xác,


2

được cập nhật liên tục…) được quản lý trong hệ thông tin địa lý. Trong hệ thông tin
địa lý, cơ sở dữ liệu nền địa lý giữ vai trò quan trọng. Cơ sở dữ liệu địa lý nền có
độ chi tiết và độ chính xác đảm bảo để làm nền cơ sở cho các hệ thông tin địa lý
chuyên đề, phục vụ cho việc quản lý môi trường. Để nâng cao kiến thức về hệ thơng
tin địa lý nói chung, cơ sở dữ liệu nền địa lý nói riêng trong ứng dụng quản lý mơi
trường Thành phố ng Bí, tơi đã thực hiện luận văn thạc sỹ với đề tài “Nghiên
cứu xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý phục vụ công tác quản lý môi trường
Thành phố Uông Bí tỉnh Quảng Ninh”.
2. Mục đích nghiên cứu
Xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý từ bản đồ địa hình khu vực
Thành phố ng Bí, tỉnh Quảng Ninh.

3. Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu
* Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu việc xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý từ nội dung bản
đồ địa hình tỷ lệ 1 : 10.000
* Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi khơng gian: Khu vực thành phố ng Bí
Phạm vi nội dung: Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý từ
nội dung bản đồ địa hình tỷ lệ 1 : 10.000 phục vụ cơng tác quản lý môi trường .
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu chuẩn về cơ sở dữ liệu nền địa lý nền;
- Nghiên cứu phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý từ bản đồ địa
hình.
- Xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý từ bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 10.000 khu
vực thành phố ng Bí tỉnh Quảng Ninh.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích thống kê.
- Phương pháp bản đồ - GIS - Viễn thám.
- Phương pháp chuyên gia.


3

6. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu của luận văn góp phần hồn thiện quy trình xây dựng cơ
sở dữ liệu nền địa lý từ bản đồ địa hình và có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh
viên chuyên ngành..
Cơ sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ 1:10.000 khu vực thành phố ng Bí tỉnh
Quảng Ninh có thể được sử dụng cho công tác quản lý môi trường trên địa bàn
thành phố.
7. Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm phần mở đầu, 3 chương nội dung và phần kết luận, kiến nghị
được trình bày trong 85 trang với 4 bảng và 27 hình vẽ, đồ thị.
Tơi rất mong nhận được sự phê bình, đánh giá, đóng góp ý kiến, truyền đạt
kinh nghiệm từ các thầy cô giáo trong khoa Trắc địa cùng các đồng nghiệp để bản
luận văn của tơi được hồn thiện hơn.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô, những người đồng nghiệp
đi trước đã giúp đỡ và có những ý kiến quý báu cho bản luận văn của tôi. Đặc biệt,
xin được gửi lời cảm ơn đến thầy giáo PGS.TS- Nguyễn Trường Xuân đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ để tơi hồn thành tốt luận văn này.


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thơng tin địa lý
Hệ thống thông tin địa lý - GIS, viết tắt của cụm từ tiếng Anh - Geographic
Information System, ngày nay được biết đến nhiều trên thế giới như là một hệ thống
có nhiệm vụ thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị các dữ liệu địa lý. GIS đang
ngày càng đóng vai trị quan trọng trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng và kinh tế xã
hội. Vậy GIS đã được hình thành và phát triển như thế nào?
Những năm đầu của thập kỷ 60 (1963 - 1964), các nhà khoa học Canada đã
xây dựng hệ GIS đầu tiên với tên gọi "Canada Geographic Information System",
được sử dụng trong công tác quản lý tài nguyên ở Canada. Sự phát triển của hệ
thống phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ phần cứng trong khi kỹ thuật máy tính của
những năm 60 chưa đủ mạnh. Thêm vào đó các phần mềm đồ họa dùng trong xây
dựng bản đồ số còn nhiều hạn chế. Ban đầu, GIS chủ yếu dùng để phục vụ cho công
tác khai thác và quản lý đô thị.
Trong những năm của thập kỷ 70, công nghệ phần cứng máy tính phát triển,
tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của GIS (giá thành máy tính giảm, tốc độ

xử lý và dung lượng bộ nhớ tăng lên...), nhờ đó mà GIS dầnđược thương mại hóa.
Trong thời kỳ này, nhờ sự phát triển của công nghệ thông tin mà những khả năng xử
lý đồ họa trên máy tính trở thành dễ dàng và thuận tiện. Hàng loạt các chương trình
phần mềm xử lý đồ họa và các phiên bản đầu tiên của các phần mềm GIS ra đời như
phần mềm MapInfo,ARC/INFOR v.v….
Trong những năm 80, là thời kỳ bùng nổ GIS, công nghệ GIS phát triển
mạnh mẽ, trở thành một cơng nghệ có tình thương mại, được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực khoa học và hoạt động thực tiễn có sử dụng thơng tin khơng gian. Đặc biệt
ở Mỹ, Canada và Châu Âu, người ta đã xây dựng và khơng ngừng hồn thiện các
chương trình phần mềm có uy tín quốc tế như ARC/INFOR, PCI, ILWIS, SPAND,
IDRISI,...Sang đến những năm 90, con người đã đạt được những thành tựu to lớn
trong kỹ thuật viễn thám (Remote Sensing) và hệ thống định vị toàn cầu GPS


5

(Global Positioning System). Thêm vào đó, những bước tiến nhanh chóng trong kỹ
thuật chế tạo máy tính giúp con người có thể xử lý một khối lượng thơng tin khổng
lồ trong khoảng thời gian ngắn. Việc tích hợp ba cơng nghệ RS, GIS và GPS đã tạo
ra những đột phá mới trong ứng dụng, hỗ trợ cho các nhà khoa học và các nhà quản
lý trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau (qn sự, kinh tế, chính trị, văn hóa, khoa học
tự nhiên, khoa học vũ trụ, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường, dự báo các
tai biến...)
Ở Việt Nam, công nghệ GIS được đưa vào nghiên cứu và sử dụng vào
khoảng những năm 90. Từ đó trở đi, công nghệ GIS đã được nhiều cá nhân và tập
thể nghiên cứu, ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Các phần mềm GIS được
sử dụng ở nước ta rất đa dạng và chủ yếu là các phần mềm thương mại ngoại nhập
như: Arc/Info, ArcView, ArcGIS, (của ESRI); MGE, Geomedia (của Intergrph);
MapInfo (của MapInfo); GRASS (phần mềm mã nguồn mở do nhiều tổ chức phát
triển)...

Đến nay, ở nước ta, GIS đã được ứng dụng trong nhiều ngành như quy hoạch
nông lâm nghiệp, quản lý rừng, lưu trữ tư liệu địa chất, đo đạc bản đồ, địa chính,
quản lý đơ thị... Tuy nhiên, các ứng dụng có hiệu quả nhất mới giới hạn ở các lĩnh
vực lưu trữ, in ấn các tư liệu bản đồ bằng công nghệ GIS. Các ứng dụng GIS thuộc
lĩnh vực quản lý, điều hành, trợ gúp quyết định hầu như mới dừng ở mức thử
nghiệm, cịn cần thời gian và đầu tư mới có thể đưa vào ứng dụng chính thức.
Ngày nay hệ thơng tin địa lý ngày càng được ứng dụng rộng rãi và được thực
sự trở thành công cụ không thể thiếu trong lĩnh vực khoa học và đời sống của con
người.
1.2. Khái niệm về hệ thông tin địa lý
Hệ thông tin địa lý (HTTĐL) - Geographycal Information System (GIS) là
hệ thống quản lý thông tin không gian địa lý được phát triển dựa trên cơ sở cơng
nghệ máy tính và tin học với mục đích lưu trữ, hợp nhất, mơ hình hố, phân tích, dự
báo và trình bày được nhiều dạng dữ liệu.
Hiện nay, có rất nhiều định nghĩa về HTTĐL được sử dụng, ví dụ: Viện


6

nghiên cứu Hệ thống Môi trường ESRI của Mỹ định nghĩa “Hệ thơng tin địa lý là
một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và
con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển,
phân tích và kết xuất”; hoặc “Hệ thơng tin địa lý là một hệ thống quản trị cơ sở dữ
liệu bằng máy tính để thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị không gian” (National
Center for Geographic Information and Analysis, 1988); …
Chúng ta có thể định nghĩa Hệ thơng tin địa lý là một hệ thống 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 tốn ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý trên, trong và ngoài
bề mặt trái đất hoặc được định nghĩa như là một hệ thống thông tin với khả năng
truy nhập, tìm kiếm, xử lý, phân tích và truy xuất dữ liệu địa lý nhằm hỗ trợ cho

công tác quản lý, quy hoạch và quản tài nguyên thiên nhiên & mơi trường.

Hình 1.1. Mơ phỏng hệ thơng tin địa lý
Công nghệ HTTĐL kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như 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 được cung cấp duy nhất từ các bản đồ. Những khả năng này
phân biệt của HTTĐL với các hệ thống thông tin khác và khiến cho HTTĐL có
phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự


7

đoán tác động và hoạch định chiến lược).
Tại sao phải sử dụng HTTĐL? Hệ thống phần mềm trong HTTĐL có thể kết
nối thơng tin về vị trí địa lý của sự vật với những thông tin về bản thân sự vật. Khác
với bản đồ trên giấy, HTTĐL có thể tổ hợp nhiều lớp thông tin, mỗi loại thông tin
trên bản đồ có thể bố trí trên một lớp riêng (Hình 1.1), người sử dụng có thể bật
hoặc tắt các lớp thơng tin theo nhu cầu của mình. Ví dụ một lớp có thể gồm các con
đường trong một khu vực, lớp khác có thể chứa các hồ trên khu vực đó, lớp khác lại
chứa tất cả các thành phố…
Điểm mạnh của HTTĐL so với bản đồ giấy chính là khả năng cập nhật dữ
liệu nhanh và cho phép thực hiện các phép phân tích khơng gian và chọn những
thơng tin cần theo mục đích sử dụng. Một doanh nhân lập bản đồ các khách hàng
trong một thành phố sẽ cần xem những thông tin rất khác với một kĩ sư cấp nước là
người lại cần xem mạng đường ống nước trong thành phố đó. Cả hai có thể bắt đầu
từ cùng một bản đồ chung, là bản đồ đường phố và vùng lân cận của thành phố
nhưng thông tin mà họ bổ xung thêm sẽ khác nhau.
HTTĐL có vai trị quan trọng trong quy hoạch và quản lý môi trường vì nó
giúp cho những người ra quyết định có một cái nhìn bao qt những khu vực có vấn
đề và có thể dùng HTTĐL để theo dõi nguồn gây ơ nhiễm. Ví dụ khi người dân liên

hệ với chính quyền địa phương để báo cáo về việc nước sơng có mùi lạ. Chính
quyền địa phương có thể sử dụng HTTĐL để kết hợp các thông tin về các khu công
nghiệp trong huyện tỉnh với thơng tin về vị trí của tất cả các sông, suối trên địa bàn.
Biện pháp đầu tiên có thể là xác định tất cả các khu cơng nghiệp nằm gần con sơng
đó hay các những con suối chảy ra sơng đó. Nếu mẫu nước được xét nghiệm và chất
gây ơ nhiễm được phát hiện thì chính quyền địa phương có thể sử dụng HTTĐL để
tìm tất cả các khu cơng nghiệp trên địa bàn có sử dụng chất gây ơ nhiễm đó trong
sản xuất.
Với mục đích quy hoạch, có thể dùng HTTĐL để xác định các cơ sở công
nghiệp không tuân thủ tiêu chuẩn Việt Nam về nước thải. Các khu công nghiệp này
sẽ là mục tiêu đầu tiên trong kế hoạch giám sát tác động môi trường sắp tới. Bằng


8

cách đó, chính quyền địa phương có thể lập bản đồ tất cả các khu công nghiệp đã
tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường và tất cả các khu công nghiệp cần có hành động
để cải thiện điều kiện mơi trường trong khu vực. Có thể tính được khoảng cách giữa
các nhà máy từ bản đồ và nhờ đó tính được thời gian cần để khảo sát các nhà máy
đó. Chính vì những thế mạnh đó của HTTĐL, chúng ta có thể thấy tại sao sử dụng
HTTĐL lại là một lợi thế.

Hình 1.2. Thế giới thực được mơ phỏng bằng các dữ liệu địa lý
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 dữ liệu, phân tích dữ liệu, trình bày dữ liệu
trong nhiều lĩnh vực rộng lớn như trắc địa bản đồ, địa chất, quy hoặch phát triển,
mơi trường ... Do có nhiều công việc phải xử lý các thông tin liên quan và phối hợp
trong nhiều chuyên ngành khác nhau nên cần phải có hệ thống quản lý, liên kết các
dữ liệu từ nhiều nguồn vào khác nhau như bản đồ, ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, các
số liệu quan trắc, điều tra, ... Hay nói cách khác là cần phải phát triển một hệ thống

các cơng cụ để thu thập, tìm kiếm, biến đổi, phân tích và hiển thị các dữ liệu không
gian từ thế giới thực nhằm phục vụ thực hiện những mục đích cụ thể. Tập hợp các


9

công cụ trên đã tạo lập ra hệ 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 các đối tượng thơng qua một hệ toạ độ
 Các thuộc tính của các đối tượng
 Quan hệ không gian giữa các đối tượng
Như vậy, nhờ HTTĐL, người sử dụng có thể truy vấn thơng qua một số dạng
câu hỏi để hệ thống có thể trả lời được là:
+ Có cái gì tại vị trí này?
+ Mối quan hệ giữa các đối tượng như thế nào?
+ Ở đâu thoả mãn những điều kiện này?
+ Cái gì đã thay đổi và thay đổi như thế nào từ thời điểm này đến thời điểm
khác?
+ Những mẫu không gian nào tồn tại?
+ Nó sẽ như thế nào nếu quá trình diễn ra ?
+ ...
Từ đó ta thấy rằng, hệ thơng tin địa lý có các chức năng cơ bản là:
- Thu nhập và xử lý dữ liệu
- Quản lý và xây dựng cơ sở dữ liệu
- Các phân tích không gian
- Truy xuất dữ liệu dưới dạng đồ hoạ hoặc các thể loại văn bản khác
Như vậy, hệ thông tin địa lý khác với hệ thống thông tin quản lí 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 thực tế là 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 người sử dụng.
Hệ thông tin địa lý là một khoa học liên ngành, nó liên quan đến rất nhiều
chuyên ngành khoa học kỹ thuật như địa lý học, bản đồ học, viễn thám, đo ảnh, trắc


10

địa, thống kê, tin học, kỹ thuật máy tính, tốn học ...
1.3. Các thành phần cơ bản của GIS
Công nghệ GIS là một hệ thống gồm 5 thành phần cơ bản với những chức
năng rõ ràng, đó là: thiết bị, phần mềm, số liệu-dữ liệu địa lý, chuyên viên, chính
sách và quản lý.

Hình 1.3: Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin địa lý GIS
1.3.1. Thiết bị (phần cứng)

Hình 1.4: Các thành phần thiết bị cơ bản của hệ thống GIS
Thiết bị bao gồm: máy vi tính (computer), máy vẽ (plotters), máy in (printer), bàn


11

số hóa (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), các phương tiện lưu trữ số liệu
(Ploppy diskettes, Optical cartridges, CD ROM v.v…).
1.3.1.1. Bộ xử lý trung tâm
Bộ xử lý trung tâm hay còn gọi là CPU, là phần cứng quan trọng nhất của
máy vi tính. CPU khơng những thực hành tính tốn trên dữ liệu, mà cịn điều khiển,
kết nối các phần cứng khác. Mặc dù bộ vi xử lý hiện đại rất nhỏ nhưng nó có khả

năng thực hiện hàng tỉ phép tính trong một giây, giúp con người giải quyết được
những bài toán lớn và phức tạp mà sức người không thể giải quyết được .
1.3.1.2. Bộ nhớ trong
Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM) là nơi lưu trữ dữ liệu tạm thời trong
quá trình chạy chương trình hay xử lý dữ liệu. Tốc độ truy xuất dữ liệu từ RAM lớn
hơn rất nhiều lần tốc độ truy xuất từ ổ cứng hoặc các thiết bị lưu trữ khác, vì vậy nó
là yếu tố quan trọng quyết đình khả năng xử lý của hệ thống. Dữ liệu trong RAM sẽ
mất đi khi máy tính ngừng hoạt động.
1.3.1.3. Thiết bị lưu trữ ngoài
Với sự phát triển ngày càng vượt bậc của công nghệ lưu trữ, các thiết bị lưu
trữ như: giấy, băng từ, CD … dần được thay thế bằng các loại có dung lượng cao
hơn, tốc độ truy xuất nhanh, nhỏ gọn, bền hơn như: flash disk, DVD, Blueray, ổ
cứng di động.
1.3.1.4. Các thiết bị nhập dữ liệu
Digitizer: Bảng số hóa bản đồ bao gồm một bảng hoặc bàn viết, mà bản đồ
được trải rộng ra, và một con trỏ dùng để số hóa (cursor) có chức năng mơ phỏng lại
các yếu tố thể hiện trên bản đồ và lưu trữ chúng dưới dạng tập hợp vị trí các điểm
mà con trỏ đi qua.
Scanner: Máy quét làm nhiệm vụ chuyển các thơng tin hình ảnh trên bản đồ
sang dạng raster và đưa vào hệ thống lưu trữ.

Thiết bị in ấn: Máy in (plotter) là thiết bị để in các thơng tin, bản đồ, ở nhiều
kích thước khác nhau tùy theo yêu cầu của người sử dụng.


12

1.3.2. Phần mềm
Phần mềm là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của
máy tính thực hiện một nhiệm vụ xác định, phần mềm hệ thống thơng tin địa lý có

thể là một hoặc tổ hợp các phần mềm máy tính. Phần mềm được sử dụng trong kỹ
thuật GIS phải bao gồm tính năng cơ bản sau:
- Công cụ nhập và kiểm tra dữ liệu: Bao gồm tất cả các khía cạnh về chuyển
đổi dữ liệu đã ở dạng bản đồ sang một dạng số tương thích. Đây là giai đoạn rất
quan trọng cho việc xây dựng CSDL địa lý.
- Lưu trữ và quản lý dữ liệu: Lưu trữ và quản lý CSDL đề cập đến phương
pháp kết nối thơng tin vị trí và thơng tin thuộc tính của các đối tượng địa lý.
- Biến đổi dữ liệu: Biến đổi dữ liệu gồm 02 lớp điều hành nhằm mục đích
khắc phục lỗi từ dữ liệu và cập nhật chúng. Biến đổi dữ liệu có thể thực hiện trên
dữ liệu khơng gian và thơng tin thuộc tính một cách tách biệt hoặc tổng hợp cả
hai.
- Tương tác với người dùng: Giao tiếp với người dùng là yếu tố rất quan
trọng của bất kỳ hệ thống thông tin nào. Các giao diện người dùng là một hệ thống
thông tin được thiết kế phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng đó.
Các phần mềm sử dụng phổ biến hiện nay là ARCGIS, MAPINFO, IL WIS,
MICROSTATION, WINGIS, SPANS, IDRISIW…Hiện nay có rất nhiều phần mềm
máy tính chun dùng cho GIS như:
- Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý số liệu thông tin địa lý: ACR/INFO, IL
WIS, SPAN, ERDAS-Imagine,

MGE/MICROSTATION,

IDRISIW,

IDRISI,

WINGIS…
- Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý và quản lý các thông tin địa lý:
ER- MAPPER, ATLASGIS, ARCVIEW, MAPINFO…
1.3.3. Số liệu, dữ liệu địa lý

Dữ liệu thể hiện dưới dạng bản đồ ( bản đồ giấy, bản đồ số ) Dữ liệu dưới
dạng hình ảnh ( ảnh hàng khơng, ảnh vệ tinh…) Dữ liệu dưới dạng bảng ghi, báo
cáo…


13

1.3.4. Chuyên viên
Đây là thành phần rất 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 để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người
sử dụng thơng tin.
1.3.5. Chính sách và quản lý
Để hoạt động tốt, hệ thống GIS phải được đặt trong một khung 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 yêu cầu. Hệ thống
GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này cần phải được bổ
nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ
người sử dụng khai thác thơng tin, trợ giúp quyết định.
Ngồi ra, chính sách phối hợp giữa các cơ quan chức năng có liên quan cũng
phải được đưa ra nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn dữ liệu hiện có. Nó
giúp cho hệ thống luôn được cập nhập, chia sẻ, khai thác một cách hợp lý và hiệu
quả. Như vậy 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 cơng nghệ GIS.
1.4. Các chức năng chính của GIS
Hệ thơng tin địa lý có các chức năng như tổ chức, lưu trữ, phân tích, tìm
kiếm, truy vấn, hiển thị và xuất dữ liệu.
1.4.1. Thu thập dữ liệu

Thu thâp dữ liệu từ nhiều nguồn như: bản đồ giấy, bản đồ số, ảnh, tư liệu,
biểu mẫu... được chuyển đổi cho đúng khn dạng mà hệ thống có thể hiểu và xử
lý. Ngồi ra nó cịn bao gồm cơng tác nhập dữ liệu đo vẽ trực tiếp hay số hóa một tờ
bản đồ, ảnh.
1.4.2. Lưu trữ và truy cập dữ liệu
Các dữ liệu sau khi được nhập vào hệ thống GIS sẽ được lưu trữ, quản lý


14

dưới dạng vector, raster hay bảng thuộc tính. Khi người sử dụng có nhu cầu hiển
thị, khai thác thơng tin thì hệ thống GIS sẽ truy cập vào CSDL để xuất ra thơng tin
cần thiết cho người dùng.
1.4.3. Tìm kiếm và phân tích dữ liệu khơng gian
Một số phương pháp tìm kiếm, phân tích 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.
Một số phép toán buffer thơng dụng:
- Tìm các đối tượng nằm bên trong các đối tượng khác.
- Tìm các đối tượng cắt các đối tượng khác.
- Tìm các đối tượng liền kề với các đối tượng khác.
Geocoding (tìm kiếm theo địa chỉ)
Khi ta đã có bản đồ (bản đồ số), chúng ta cũng có thể xác định được phần đồ
hoạ biểu diễn đối tượng hay là vị trí, hình dạng của đối tượng thơng qua các dữ liệu
mơ 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 mơ tả vị trí của chúng. Đây là một kỹ thuật rất nổi tiếng,
Một geocoding service là q trình chuyển đổi tồn bộ mơ tả thuộc tính về vị

trí sang mơ tả khơng gian.
Networks (phân tích mạng)
Networks là kỹ thuật được ứng dụng rất rộng rãi trong giao thơng, phân phối
hàng hố và dịch vụ, vận chuyển nước hay xăng dầu trong các đường ống dài, trao
đổi thông tin qua mạng viễn thông… 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.
Overlay (phủ trùm hay chồng bản đồ)


15

Việc chồng xếp các bản đồ trong kỹ thuật GIS là một khả năng ưu việt của
GIS trong việc phân tích các số liệu thuộc về khơng gian, để có thể xây dựng thành
một bản đồ mới mang các đặc tính hồn tồn khác với bản đồ trước đây. 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.Dựa vào kỹ thuật chồng lắp các bản đồ mà
ta có các phương pháp sau:
- Phương pháp cộng (sum),
- Phương pháp nhân (multiply),
- Phương pháp trừ (substract),
- Phương pháp chia (divide),
- Phương pháp tính trung bình (average),
- Phương pháp hàm số mũ (exponent),
- Phương pháp che (cover),
- Phương pháp tổ hợp (crosstabulation),
Người ta chia overlay thành ba dạng phân tích khác nhau:
- Point-in-polygon: chồng khớp hai lớp point và polygon, đầu ra là lớp point.
- Line-in-polygon: chồng khớp hai lớp line và polygon, đầu ra là lớp line.

- Polygon-in-polygon: chồng khớp hai lớp polygon và polygon, đầu ra là lớp
polygon.
1.5. Cấu trúc cơ sở dữ liệu trong hệ thông tin địa lý
1.5.1. Cơ sở dữ liệu không gian
Dữ liệu không gian là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng bao gồm
tọa độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ thể trên
từng bản đồ. Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu khơng gian để tạo ra một
bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thơng qua thiết bị ngoại vi.
1.5.1.1. Cấu trúc dạng Vector
Tất cả các đối tượng đồ họa được quy về ba đối tượng cơ bản là: điểm,
đường và vùng.
Kiểu đối tượng điểm (Points): Điểm được xác định bởi cặp giá trị tọa độ. Các


16

đối tượng đơn, thông tin về địa lý chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ được phản ánh là đối
tượng điểm. Các đối tượng điểm có đặc điểm sau:
- Là tọa độ đơn (x,y).
- Không cần thể hiện chiều dài và diện tích.
Trên bản đồ tỷ lệ lớn, đối tượng thể hiện dưới dạng vùng. Tuy nhiên, trên
bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tượng này có thể hiện dưới dạng một điểm. Vì vậy, các đối
tượng điểm và vùng có thể được dùng phản ánh lẫn nhau.
Kiểu đối tượng đường (Arcs): Đường được xác định như một tập hợp dãy
của các điểm. Mô tả các đối tượng địa lý dạng hình tuyến, có các đặc điểm sau:
- Là một dãy các cặp tọa độ
- Một arc bắt đầu và kết thúc node
- Các arc nối với nhau và cắt nhau tại node
- Hình dạng của arc được định nghĩa bởi các điểm vertices
- Độ dài chính xác bằng các cặp tọa độ

Kiểu đối tượng vùng (Polygons): Vùng được xác định bởi ranh giới các
đường thẳng. Các đối tượng địa lý có diện tích và đóng kín bởi một đường được gọi
là đối tượng vùng polygon, có các đặc điểm sau:
- Polygon được mô tả bằng tập các đường (Arcs) và điểm nhãn (label points)
- Một hoặc nhiều arc định nghĩa đường bao của vùng
- Một điểm nhãn label points nằm trong vùng để mô tả, xác định cho mỗi
một vùng.
Như vậy, cấu trúc dữ liệu vector bao gồm cấu trúc Vector Spagety và cấu
trúc Vector Topology.
Cấu trúc Vector Spagety là cấu trúc dữ liệu vector không phản ánh quan hệ
không gian giữa các đối tượng địa lý. Nó có ưu điểm là dễ hiển thị nhưng dễ bị dư
thừa dữ liệu và khó xử lý, phân tích.
Cấu trúc Vector Topology dùng để biểu diễn quan hệ không gian giữa các
đối tượng địa lý. Có ba quan hệ khơng gian chính: Tiếp nối, tiếp giáp, bao bọc. Các
đối tượng không gian này được thể hiện thơng qua một đối tượng hình học mới là


17

cung và nút. Cung là một đường gấp khúc thể hiện bằng một dãy các cặp tọa độ liên
tiếp nhau,các cung chỉ được gặp nhau tại điểm đầu và cuối, không được phép giao
nhau, cắt nhau. Nút là điểm mà các cung gặp nhau.
1.5.1.2. Cấu trúc Raster
Cấu trúc dạng Raster mô tả một vùng bằng một mảng hai chiều (hàng, cột).
Mỗi một phần tử của mảng là một ô (pixel). Mỗi pixel thể hiện cho một vùng có
diện tích nhỏ nhất của bề mặt cần mô tả. Một pixel được xác định tọa độ x,y và một
giá trị nào đó. Đối tượng điểm thể hiện bằng một pixel. Mỗi một đường thể hiện
bằng một dãy các pixel nối nhau có cùng giá trị. Vùng là một tập hợp các ô kề nhau
có cùng giá trị. Mơ hình dữ liệu raster có các đặc điểm:
- Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới.

- Mỗi một điểm ảnh (pixel) chứa một giá trị.
- Một tập các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạo thành một lớp.
- Trong CSDL có thể có nhiều lớp.
Mơ hình dữ liệu raster là mơ hình dữ liệu GIS được dùng tương đối
phổ biến trong các bài toán về mơi trường, quản lý tài ngun thiên nhiên.
Mơ hình dữ liệu raster chủ yếu dùng để phản ánh các đối tượng dạng vùng là ứng
dụng cho các bài toán tiến hành trên các loại đối tượng dạng vùng phân loại, chồng
xếp.
Các nguồn dữ liệu xây dựng dữ liệu raster có thể bao gồm: Qt ảnh, ảnh
hàng khơng, ảnh viễn thám, chuyển từ dữ liệu vector sang, lưu trữ dữ liệu dạng
raster, nén theo hàng (Run lengh coding), nén theo chia nhỏ thành từng phần
(Quadtree), nén theo ngữ cảnh (Fractal).
Việc sử dụng cấu trúc dữ liệu raster sẽ làm mất các thơng tin chi tiết mà nó
khơng thể hiện được. Vì vậy dữ liệu raster chỉ được dùng song song với dữ liệu
vector, trợ giúp cho q trình phân tích hoặc xây dựng dữ liệu.
1.5.1.3. Chuyển đổi dữ liệu dạng vector và raster
Việc chọn của cấu trúc dữ liệu dạng vector hoặc raster tùy thuộc vào yêu cầu
của người sử dụng, đối với hệ thống vector, thì dữ liệu được lưu trữ sẽ chiếm dung