Nghiên cứu và xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý phục vụ quy hoạch và phát triển rừng khu vự tỉnh quảng trị

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

NGUYỄN TIẾN HIỆP

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU
NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUY HOẠCH VÀ
PHÁT TRIỂN RỪNG KHU VỰC TỈNH QUẢNG TRỊ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2011


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

NGUYỄN TIẾN HIỆP

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU
NỀN THÔNG TIN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUY HOẠCH VÀ
PHÁT TRIỂN RỪNG KHU VỰC TỈNH QUẢNG TRỊ

Chuyên ngành:

Bản đồ, viễn thám và hệ thống thông tin địa lý

Mã số:

60.44.76

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN ĐÌNH LUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2011


DANH MỤC CÁC CHỮ, CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

BĐĐH

Bản đồ địa hình

CSDL

Cơ sở dữ liệu

CSDLĐH

Cơ sở dữ liệu địa hình

DEM

Mơ hình số độ cao

DTM

Mơ hình số địa hình

ĐTĐL

Đối tượng địa lý

GIS

Geographic Information System - Hệ thông tin địa lý

HTTTĐL

Hệ thống thông tin địa lý

HTTTĐLCSQG

Hệ thống thông tin địa lý cơ sở Quốc gia

KT-XH

Kinh tế xã hội

ISO

International Standard Organization - Tổ chức tiêu chuẩn
thế giới

VN-2000

Tên hệ tọa độ, độ cao chính thức được sử dụng thống

nhất ở Việt Nam


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Bốc hơi bình quân tháng…………………………………………. 67
Bảng 2: Số giờ nắng trạm Đông Hà……………………………………… 68


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Các lớp thơng tin của HTTTĐL……………………................... ..6
Hình 1. 2 Các thành phần của HTTTĐL. (Theo ESRI, 1998)……………..10
Hình 1. 3 Hệ thống phần cứng trong HTTTĐL………………....................10
Hình 1. 4 Cơ sở dữ liệu HTTTĐL…………………………………………11
Hình 1. 5 Minh họa cấu trúc raster…………………………………………14
Hình 1. 6 Minh họa cấu trúc Vector...…………………………………..... 15
Hình 1. 7 Sự chuyển đổi dữ liệu giữa Raster và Vector…………………... 16
Hình 1. 8 Mối quan hệ giữa thông tin không gian và thông tin thuộc tính 18
Hình 1. 9 Ngun lý khi chồng xếp các bản đồ………………………….. 19
Hình 1. 10 Việc chồng lắp các bản đồ theo phương pháp cộng………… 20
Hình 1. 11 Một thí dụ trong việc chồng lắp các bản đồ…………………... 20
Hình 1. 12 Một thí dụ trong việc phân loại lại một bản đồ………………. 21
Hình 1. 13 Biểu đồ hình và bảng của các phép tốn logic………………... 22
Hình 1. 14 Ứng dụng thuật tốn logic trong tìm kiếm khơng gian……….. 22
Hình 1. 15 Bản đồ vùng đệm với các khoảng cách khách nhau…………...23
Hình 1. 16 Phương thức và kết quả nội suy điểm………………………... 24
Hình 1. 17 Cấu trúc của bộ sản phẩm ArcGIS……………………………. 26
Hình 1. 18 Mơ tả cấu trúc geodatabase…………………………………… 29
Hình 2. 1 Quy trình xây dựng CSDl nền địa lý gắn với mơ hình số độ cao 41
Hình 2. 2 Biên tập nội dung đo vẽ…………………………………………44
Hình 2. 3 Giao diện chuyển đổi dữ liệu bằng phần mềm eKconvert……... 51

Hình 2. 4 Đối tượng tim đường bộ trong mơi trường AcrGis…………….. 52
Hình 2. 5 Đối tượng địa lý trong mơi trường AcrGis…………………….. 52
Hình 3.1 Sơ đồ quy trình thành lập CSDL nền TTĐL phục vụ quy hoạch
và phát triển rừng......................................................................................... 61
Hình 3. 2 Cấu trúc và kết quả thực hiện của các gói dữ liệu………………76
Hình 3. 3 CSDL gói cơ sở hạ tầng dân cư…………………………………76


Hình 3. 4 CSDL gói giao thơng……………………………………………77
Hình 3. 5 CSDL gói quy hoạch rừng……………………………………... 78
Hình 3. 6 CSDL gói phủ bề mặt…………………………………………... 78
Hình 3. 7 CSDL gói thủy hệ……………………………………………….79
Hình 3. 8 CSDL nền TTĐL tỉnh Quảng Trị………………………………. 80
Hình 3. 9 Bản đồ hiện trạng lớp phủ bề mặt……………………………… 81
Hình 3. 10 Bản đồ quy hoạch 3 loại rừng……………………………….... 82


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trong
luận án đều là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ các cơng trình
nào khác.

Tác giả luận văn

Nguyên Tiến Hiệp


MỤC LỤC

Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Trang

MỞ ĐẦU……………………………………………………...…………... 1
CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG THƠNG TIN ĐỊA LÝ GIS……… . ……………… 4
1. 1. Tổng quan……………………………………… …………................ 4
1. 1. 1. Sự hình thành và phát triển……………………….………………. 4
1. 1. 2. Khái niệm về HTTTĐL.................................................................... 5
1. 1. 3. Định nghĩa tổng quát HTTTĐL....................................................... 8
1. 1. 4. Mối quan hệ giữa HTTTĐL với các ngành khoa học khác………. 8
1. 2. Các thành phần cơ bản của GIS……………………………………... 10
1. 3. Cấu trúc cơ sở dữ liệu trong hệ thống GIS…………………………...12
1. 3. 1. CSDL khơng gian………………………………………………….12
1. 3. 2. CSDL thuộc tính………………………………………………….. 17
1. 3. 3. Mối liên kết dữ liệu………………………………………………..18
1. 4. Các đặc điểm của hệ thống thông tin địa lý GIS………………..........19
1. 4. 1. Khả năng chồng xếp các bản đồ (Map Overlaying)……………… 19
1. 4. 2. Khả năng phân loại các thuộc tính (Reclassification) …………….20
1. 4. 3. Khả năng phân tích (spatial analysis )………………………..........21
1. 5. Chuẩn thông tin địa lý………………………………………………..25
1. 5. 1. Chuẩn thông tin bản đồ………………………………………........ 25
1. 5. 2. Chuẩn Metadata………………………………………………....... 26
1. 6. Tổng quan về ARGIS. ……………………………………………… 26
1. 6. 1. Tính năng cơ bản của ArcGIS …………………………………… 27

1. 6. 2. Định dạng dữ liệu trong ArcGIS…………………………………..28


CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CSDL NỀN THÔNG TIN
ĐỊA LÝ TỪ NỘI DUNG BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH TỶ LỆ 1: 10.000………. 31
2. 1. Khái niệm bản đồ địa hình…………………………………………... 31
2. 1. 1. Khái niệm……………………………………………………….....31
2. 1. 2. Đặc điểm………………………………………………………….. 31
2. 2. Bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 10.000……………………………………… 33
2. 2. 1. Cơ sở toán học…………………………………………………..... 33
2. 2. 2. Nội dung bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 10.000……………………….....34
2. 3. Nghiên cứu xây dựng CSDL nền thông tin địa lý từ
nội dung bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000…………………………………...36
2. 3. 1. Độ chính xác xác định đối tượng địa lý…………………………... 36
2. 3. 2. Mơ hình và cấu trúc dữ liệu………………………………………. 38
2. 4. Qui trình xây dựng CSDL nền địa lý từ nội dung bản đồ địa hình
tỷ lệ 1: 10.000 ……………………………………………………………. 41
2. 4 1. Quy trình cơng nghệ………………………………………………..41
2. 4. 2. Các chuẩn được áp dụng………………………………………….. 42
2. 4. 3. Đo vẽ bổ các đối tượng trên trạm đo vẽ ảnh số……………………43
2. 4. 4. Điều tra ngoại nghiệp……………………………………………...45
2. 4. 5. Biên tập, chuẩn hóa dữ liệu………………………………………. 49
2. 4. 6. Chuyển đổi dữ liệu………………………………………………...50
2. 4. 7. Chuyển đổi DL vào trong môi trường ArcGis và
kết nạp thơng tin thuộc tính………………………………………………. 51
2. 4. 8. Kiểm tra sản phẩm theo danh mục ĐTĐL……...………………… 52
2. 4. 9. Kết nạp thông tin METADATA……………...…………………... 54
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CSDL PHỤC VỤ QUẢN LÝ
VÀ QUY HOẠCH PHÁT TRIỂN RỪNG TỈNH QUẢNG TRỊ………... 55
3. 1. Cơ sở khoa học ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong

quản lý và quy hoạch rừng ……………………………………………….55
3. 2. Quy trình thành lập CSDL nền TTĐL phục vụ quy hoạch và
phát triển rừng..............................................................................................57
3. 2. 1. Yêu cầu cơ bản đối với CSDL nền TTĐL………………………... 57


3. 2. 2. Vai trị của chuẩn thơng tin địa lý đối với cấp tỉnh………………..58
3. 2. 3. Sơ đồ quy trình thành lập CSDL nền TTĐL phục vụ quy hoạch
và phát triển rừng......................................................................................... 61
3. 3. Xây dựng CSDL nền TTĐL phục vụ quy hoạch và phát triển rừng
tỉnh Quảng Trị............................................................................................. 62
3. 3. 1. Đặc điểm địa lý tự nhiên…………………………………………. 62
3. 3. 2. Đặc điểm kinh tế xã hội…………………………………………... 71
3. 3. 3. Kết quả CSDL phục vụ quản lý và quy hoạch rừng tỉnh
Quảng Trị…………………………………………………………………. 76
3. 3. 4. Cơ sở dữ liệu nền địa lý tỉnh Quảng Trị………………………….. 80
3. 3. 5 Các bản đồ chuyên đề về tài nguyên rừng………………………… 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………. 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………... 85
PHỤ MỤC………………………………………………………………... 87


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Các hệ sinh thái, trong đó có hệ sinh thái rừng đóng vai trị vơ cùng quan trọng
trong đời sống xã hội. Xét về lợi ích kinh tế, rừng tạo ra giá trị sử dụng hiện vật và
giá trị sử dụng trừu tượng.
Giá trị sử dụng hiện vật (còn gọi là giá trị sử dụng trực tiếp) của rừng là sản

xuất, cung cấp gỗ và các loại lâm sản khác. Giá trị sử dụng trừu tượng (còn gọi là
giá trị sử dụng gián tiếp) là những giá trị do rừng tạo ra tồn tại và phát triển cùng
với sự tồn tại và phát triển rừng.
Các giá trị này cung ứng tự nhiên cho nhiều người, thậm chí là cả xã hội cùng
hưởng lợi, đó là điều tiết, bảo vệ nguồn nước, bảo vệ đất, hạn chế xói mịn, hấp thụ
các bon, hạn chế lũ lụt, lũ quét, ngăn chặn sạt lở đất, chống cát bay, chống sa mạc
hóa đất đai, bảo tồn đa dạng sinh học, cảnh quan vẻ đẹp thiên nhiên...
Việc hưởng lợi các giá trị sử dụng của rừng, đặc biệt là hưởng lợi các giá trị sử
dụng trừu tượng của rừng như là của trời cho, cứ mặc nhiên hưởng lợi, khơng cần
phải tính tốn, bảo vệ. Trong khi đó việc bảo vệ và phát triển rừng chỉ được thực
hiện bởi những người lao động sản xuất lâm nghiệp (các chủ rừng) trực tiếp đầu tư
vốn, lao động để trồng rừng, bảo vệ rừng... tạo ra các giá trị các giá trị sử dụng, các
giá trị này được cung ứng cho mọi thành viên trong xã hội thụ hưởng, thì các chủ
rừng phải được chi trả hoàn lại phần vốn, lao động mà họ đã đầu tư cho rừng. Nhằm
nâng cao nhận thức xã hội về giá trị của rừng và xác định rõ lợi ích, quyền hạn và
nghĩa vụ của các đối tượng được chi trả và phải chi trả dịch vụ mơi trường rừng,
thực hiện xã hội hố nghề rừng, từng bước tạo lập cơ sở kinh tế bền vững cho sự
nghiệp bảo vệ và phát triển rừng, bảo vệ môi trường và các hệ sinh thái, nâng cao
chất lượng cung cấp các dịch vụ, đặc biệt là bảo đảm nguồn nước cho sản xuất điện,
nước sinh hoạt và phục vụ sản xuất các hoạt động kinh doanh du lịch, hấp thụ các
bon từ các cơ sở công nghiệp...,


2

Một cơ sở dữ liệu đầy đủ được xây dựng trong hệ thống thơng tin hiện đại với
các mơ hình dữ liệu chồng xếp (ovelay) hoặc mơ hình số độ cao (DEM) cho ta
thơng tin chính xác về địa hình và nhờ đó giúp cho việc quản lý mơi trường đất
rừng, giám sát và quy hoạch phát triển rừng sẽ có hiệu quả hơn.
Trong những năm gần đây, GIS được coi là hệ thống thông tin hiện đại, được

ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và kinh tế-xã hội. Việc xây dựng cơ sở dữ
liệu GIS với các thông tin địa hình đầy đủ sẽ góp phần quan trọng trong công tác
quy hoạch và quản lý rừng khu vực tỉnh Quảng Trị.
Đề tài “Nghiên cứu và xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý phục vụ
quy hoạch và phát triển rừng khu vực tỉnh Quảng Trị" là xuất phát từ yêu cầu
thực tiễn và cấp bách hiện nay.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Thơng qua kết quả nghiên cứu để minh chứng tính đúng đắn của cơ sở khoa
học và phương pháp luận xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình làm CSDL nền trong hệ
thống GIS.
Kết quả nghiên cứu của đề tài là sản phẩm minh chứng tính hiệu quả của việc
ứng dụng CSDL GIS phục vụ quy hoạch bảo vệ và phát triển mơi trường đất rừng
của tỉnh Quảng Trị nói riêng và cả nước nói chung.
3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
- Đối tượng nghiên cứu là xây dựng cơ sở dữ liệu nền thông tin địa lý phục vụ
quy hoạch và phát triển rừng từ nội dung bản đồ địa hình 1/10.000
- Phạm vi nghiên cứu khu vực tỉnh Quảng Trị.
4. Nội dung và các vấn đề cần giải quyết
- Thu thập, đánh giá và phân loại các loại tài liệu, dữ liệu bản đồ, các số liệu
thống kê về rừng.
- Nghiên cứu cơ sở lý luận tổng quan về GIS.
- Nghiên cứu cơ sở lý luận chuẩn CSDL.
- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm GIS trong quy hoạch quản lý và phát triển
đất rừng.


3

5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập đánh giá tổng hợp tài liệu.

- Phương pháp phân tích, tìm kiếm cập nhật thông tin trên mạng internet
- Phương pháp thực nghiệm để minh chứng tính khả thi nội dung nghiên cứu
của đề tài
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiện của đề tài
- Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể áp dụng vào thực tiễn sản xuất, kịp
thời phục vụ công tác xây dựng và khai thác CSDL nền thông tin địa lý phục vụ cho
công tác quy hoạch quản lý và phát triển rừng.
7. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn gồm 3 chương được trình
bày trong 85 trang với 33 hình và 2 bảng.

Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các
thầy cơ, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè. Đó là nguồn động viên giúp tơi hồn
thành luận văn này, tơi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó.
Có được kết quả này, trước hết tác giả bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu
sắc tới TS. Trần Đình Luật người đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên
cứu và hồn thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Cơng ty Tài nguyên Môi trường biển, Tổng Công ty
Tài nguyên và Môi trường Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ về
nhiều mặt để tác giả hoàn thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Mỏ Địa chất, Phòng sau
đại học và đặc biệt Khoa Trắc địa trường Đại học Mỏ Địa chất đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học, các đồng
nghiệp và bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn.


4

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS
1. 1. Tổng quan
1. 1. 1. Sự hình thành và phát triển
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 biễu 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 quân sự, bản đồ khí
tượng thuỷ văn, bản đồ địa chính, bản đồ địa hình…
Đối với việc xây dựng CSDL địa hình, cơng nghệ HTTTĐL có ý nghĩa và tác
dụng to lớn. Nó cho phép nghiên cứu xây dựng CSDL thông tin không gian và
thuộc tính của các đối tượng địa hình.
Hệ thống thơng tin địa lý - HTTTĐL (Geographic Information System - gọi tắt
là GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin, được hình thành vào những năm 60
của thế kỷ trước và phát triển rất mạnh mẽ trong những năm gần đây. GIS được sử
dụng nhằm xử lý đồng bộ các lớp thông tin không gian (bản đồ) gắn với các thơng
tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý các hoạt động theo lãnh
thổ nói chung và ngành Tài ngun Mơi trường nói riêng.
Ngày nay, GIS đã trở thành công cụ trợ giúp quyết định trong hầu hết các hoạt
động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. GIS có khả năng
trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân
v.v... 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

5

thơng tin được gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở toạ độ của
các dữ liệu đầu vào.
1. 1. 2. Khái niệm về HTTTĐL
Có nhiều quan niệm khác nhau khi định nghĩa HTTTĐL:
- Theo Calkin và Tomlinson, 1977 thì HTTTĐL là: " một hệ thống thơng tin
bao gồm một số hệ con (subsystem) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành
những thông tin có ích"
- Theo Burrough (1986) thì HTTTĐL là: tập hợp các công cụ để thu nhập, lưu
trữ, tra cứu chuyển đổi và biểu thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực (David J.
và nnk, 1991).
- DoE (1987) quan niệm HTTTĐL là: một hệ thu nhận lưu trữ kiểm tra, vận
hành phân tích và biểu thị dữ liệu được tham chiến với hiện thực của Trái Đất.
- Smith và những người khác (1987) xem HTTTĐL như hệ cơ sở dữ liệu mà
phần lớn dữ liệu được định mã khơng gian, trên đó là sự tổ hợp các q trình vận
hành nhằm trả lời thực thể khơng gian trong cơ sở dữ liệu.
- Parker (1988) định nghĩa HTTTĐL như một kỹ nghệ thơng tin nhằm lưu trữ,
phân tích và hiển thị dữ liệu không gian và phi không gian.
- Aronoff (1989) xem HTTTĐL theo quan điểm bất kỳ một phương thức trên
sách tra khảo hoặc máy tính dùng để lưu trữ thao tác các dữ liệu tham chiếu địa lý.
"Hệ thông 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 khơng gian" ( theo định nghĩa của National
Center for Geographic Information and Analysis, 1988).
- Theo định nghĩa của ESRI (Environmental System Research Institute) thì 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.
Cho đến nay, đã thống nhất quan niệm chung là : HTTTĐL là một hệ thống kết
hợp giữa con người và hệ thống máy tính, phần mềm cùng các thiết bị ngoại vi để lưu

trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thơng tin địa lý để phục vụ một mục đích nhất định.


6

Thực tế trong những năm gần đây HTTTĐL đã phát triển rất mạnh mẽ về lý
thuyết, kỹ nghệ và tổ chức. HTTTĐL đã được dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau
một cách tổ hợp như địa lý, địa chất, nông nghiệp, đô thị, giao thông, ngân hàng,
nghiên cứu thực vật, địa chính, kinh tế, tốn học, giải đốn ảnh, mơi trường vv.. ứng
dụng HTTTĐL cho phép nghiên cứu bất kỳ thực thể không gian nào trên Trái Đất dù
thực thể đó về mặt khơng gian chỉ là một đối tượng điểm rất nhỏ. Thông tin về thực
thể không gian hết sức đa dạng và mức độ đa dạng của thực thể sẽ tùy thuộc theo mục
đích nghiên cứu về chính đối tượng khơng gian đó. Một đặc điểm chung của
HTTTĐL là khi nghiên cứu bất kỳ một đối tượng không gian nào thì việc định vị
chúng trên một hệ trục tọa độ dùng cho Trái Đất luôn được quan tâm trước hết, vì vậy
chúng có ý nghĩa về vị trí địa lý trong một khơng gian chung. Thơng tin có tọa độ về
một thực thể khơng gian có thể gọi là thông tin địa lý. Thực thể không gian trong khái
niệm của HTTTĐL cịn gọi là đối tượng khơng gian. Ngồi tọa độ của chúng, người
ta thể hiện đặc tính của chúng bằng kích thước (diện tích, chu vi, độ dài...) hoặc bằng
loại, hạng. Các lớp thông tin về các đối tượng khơng gian trên thế giới thực có thể
được minh họa trên (hình 1.1)

Thực thể khơng gian

Hình 1.1: Các lớp thông tin của HTTTĐL


7

Các thông tin này được lưu trữ trong một tổ chức CSDL hợp lý và thích hợp

nhất cho phép truy nhập và cập nhật, khai thác dữ liệu thường xuyên, dễ dàng,
nhanh chóng. HTTTĐL cho phép người sử dụng chiết lọc từ nguồn CSDL để lấy ra
các thông tin cần thiết, thích hợp, xử lý chế biến chúng, đồng thời cho phép chúng
ta phân tích thơng tin khơng gian và thuộc tính với một tổ hợp thơng tin đa nguồn.
Với vai trị quan trọng như vậy, sau khi cơng nghệ thơng tin ra đời ít lâu, các
nhà khoa học đã nghĩ đến việc số hoá bản đồ, lưu trữ và quản lý các thơng tin địa lý
bằng máy tính. HTTTĐL đầu tiên được ứng dụng trong công tác quản lý tài nguyên
ở Canada vào đầu năm 60 của thế kỷ XX, bao gồm các thông tin về nông nghiệp,
lâm nghiệp, sử dụng đất và động vật hoang dã.
Những năm 70, tiến bộ của công nghệ phần cứng cho phép giảm giá thành,
đồng thời tăng kích thước bộ nhớ và tốc độ tính tốn của máy tính. Và tới năm 1977
đã có 54 HTTTĐL khác nhau trên thế giới ra đời. Trong đó, nảy sinh vấn đề khơng
tương thích dữ liệu, và người ta đã phải tiếp tục nghiên cứu.
Những năm 80 HTTTĐL đã có bước phát triển nhảy vọt về chất, trở thành
một công cụ hữu hiệu trong công tác quản lý và trợ giúp quyết định giải các bài
toán về giao thông, cấp nước, sử dụng tài nguyên, khảo sát thị trường thông tin đất
đai trong công tác địa chính, phịng chống thiên tai…
Những năm đầu thập kỷ 90 được đánh dấu bằng việc nghiên cứu sự hoà hợp
giữa kỹ thuật viễn thám và HTTTĐL. Viễn thám là nguồn dữ liệu rất quan trọng để
cập nhật vào hệ thống. Ở nước ta, sau khoảng 30 năm, HTTTĐL mới đưa vào
nghiên cứu, sử dụng. Hiện nay, nhiều cơ quan nhà nước, các trường đại học, các
viện nghiên cứu, một số doanh nghiệp đã và đang nghiên cứu áp dụng công nghệ
này trong công tác quản lý nhà nước, điều tra quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi
trường…và xu hướng sử dụng ngày càng tăng. Các phần mềm sử dụng cũng đa
dạng và chủ yếu là ngoại nhập như Arc/Info, MapInfo, ArcView GIS, ArcGIS,
Geomedia, ILWIS…


8

1. 1. 3. Định nghĩa tổng quát HTTTĐL
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 thơng 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 một HTTTĐL có thể được định nghĩa như sau : Đó là một hệ thống bao
gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi, phần mềm và một cơ sở dữ liệu (CSDL) đủ
lớn và đội ngũ chuyên gia 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 liên quan tới vị trí
địa lý trên bề mặt trái đất.
Như vậy, HTTTĐL khác với hệ thống thơng tin quản lý chung, đó là nó chủ
yếu mô tả việc nghiên cứu và sự tồn tại của các thực thể không gian và mối quan hệ
giữa chúng. Thuật ngữ “Địa lý” ở đây đồng nghĩa với thuật ngữ khơng gian.
Về một khía cạnh khác, HTTTĐL cũng có xuất phát điểm từ một số hệ thống
thơng tin khác như hệ thống thông tin bản đồ, hệ thống thông tin tài nguyên, hệ
thống thông tin môi trường…
1. 1. 4. Mối quan hệ giữa HTTTĐL với các ngành khoa học khác
Cũng giống như các ngành khoa học ứng dụng khác, HTTTĐL luôn liên quan
mật thiết với các ngành khoa học nền tảng của mình. Một số ngành chính liên quan
đến HTTTĐL :

9

- Ngành khoa học máy tính: Máy tính là một trong các thành phần cơ bản của
HTTTĐL. Dựa trên cơ sở nền tảng của các bộ xử lý CPU và hệ điều hành, các phần
mềm của hệ thống không ngừng phát triển và hồn thiện. Có thể nói rằng cơng nghệ
máy tính sẽ quyết định sự phát triển và phạm vi ứng dụng của HTTTĐL.
- Ngành bản đồ học : Bản đồ chính là thành phần thể hiện các đối tượng địa
lý trên bề mặt trái đất. Dữ liệu bản đồ là thành phần chính trong CSDL khơng gian
của HTTTĐL. Do đó, sự phát triển của ngành bản đồ sẽ giúp HTTTĐL hoàn thiện
các chức năng xử lý dữ liệu không gian.
- Ngành trắc địa và viễn thám : Các dữ liệu trong HTTTĐL luôn gắn với thế
giới thực. Đảm bảo cơ sở tốn học cho sự liên kết đó chính là mạng
lưới toạ độ thống nhất (toạ độ quốc gia). Ngành Trắc địa cung cấp các số liệu
toạ độ nhà nước chính xác và thống nhất.
Mặt khác, CSDL khơng gian của HTTTĐL chính là các đối tượng có trên bề
mặt trái đất, được biểu diễn dưới dạng số, nên các thông tin thu được từ ảnh hàng
không, ảnh viễn thám là một nguồn thông tin chủ yếu để xây dựng CSDL không
gian cho HTTTĐL. Các thông tin không gian trong HTTTĐL phần lớn là các thông
tin tĩnh, tức chỉ mô tả về những sự vật và hiện tượng đã xảy ra tại một thời điểm nào
đó. Để có thể cập nhật, đổi mới thông tin cho HTTTĐL cần phải có các số liệu, tư
liệu mới về chúng và nguồn thơng tin mới đó chỉ có thể thu nhận nhanh chóng
thơng qua ảnh hàng khơng hoặc ảnh viễn thám.
- Ngành tốn học : Tốn học chính là một trong các nền tảng cơ sở để phát
triển và hoàn thiện các chức năng bên trong của các phần mềm HTTTĐL, giúp cho
các nhà lập trình mở rộng các chức năng xử lý của HTTTĐL.
- Ngành truyền thông, thông tin : Các thông tin trong HTTTĐL trong tương
lai muốn trao đổi được với nhau phải thông qua các phương tiện truyền thông. Sự
phát triển của ngành này sẽ cung cấp cho HTTTĐL năng lực liên kết mạng máy
tính, tạo ra các HTTTĐL đa ngành, tăng thêm hiệu quả đầu tư và lợi ích của công

nghệ HTTTĐL.


10

1. 2. Các thành phần cơ bản của GIS
Nếu xét dưới góc độ hệ thống, thì HTTTĐL có thể được hiểu như một hệ
thống gồm các hợp phần: Phần cứng, Phần mềm, Cơ sở dữ liệu, Phương thức và
Cơ sở tri thức chuyên gia (hình 1. 2)

Hình 1. 2. Các thành phần của HTTTĐL. (Theo ESRI, 1998)

*Hệ thống phần cứng
Bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các
chức năng truy nhập, truy xuất và xử lý thông tin của phần mềm (hình1.3)

Hình1.3 : Hệ thống phần cứng trong HTTTĐL
*Hệ thống phần mềm
Đi kèm với hệ thống thiết bị trong HTTTĐL ở trên là một hệ mềm có tối thiểu
4 nhóm chức năng sau đây:
- Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau.


11

- 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 CSDL nhằm giải quyết các bài tốn tối ưu
và mơ hình mơ phỏng khơng gian, thời gian.
- Hiển thị và trình bày thơng tin dưới các dạng khác nhau, với các biện pháp khác

nhau.
Phần mềm được phân thành ba thành phần: hệ điều hành, các chương trình
tiện ích đặc biệt và các chương trình ứng dụng
*Cơ sở dữ liệu
HTTTĐL phải bao gồm một CSDL chứa các thông tin không gian (thông tin
địa lý) và các thơng tin thuộc tính liên kết chặt chẽ với nhau và được tổ chức theo
một ý đồ chuyên ngành nhất định.

Hình1.4 : Cơ sở dữ liệu HTTTĐL

*Cơ sở tri thức chuyên gia
Nơi tập hợp các quan điểm, định hướng, chủ trương ứng dụng của nhà khoa
học, các kiến thức chuyên ngành và các kiến thức về công nghệ thông tin. Chính tập
hợp các tri thức chuyên gia này sẽ quyết định xem HTTTĐL sẽ được xây dựng theo
mơ hình ứng dụng nào, lộ trình và phương thức tổ chức thực hiện như thế nào. Chỉ


12

trên cơ sở đó người ta mới quyết định xem HTTTĐL định xây dựng sẽ phải đảm
đương các chức năng trợ giúp quyết định gì và cũng mới có thể có các quyết định
về nội dung, cấu trúc các hợp phần còn lại của hệ thống cũng như cơ cấu tài chính
cần đầu tư cho việc hình thành và phát triển hệ thống HTTTĐL. Với một xã hội có
sự tham gia của người dân vào quá trình quản lý thì sự đóng góp tri thức từ phía
cộng đồng đang ngày càng trở nên quan trọng và càng ngày càng có vai trị khơng
thể thiếu.
*Phương thức.
Nói một cách chính xác hơn là thể chế, chính sách và quản lý. Đây là thành
phần khá quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, là yếu tố quyết
định đến sự thành công của việc phát triển công nghệ HTTTĐL. Để hoạt động

thành công, hệ thống HTTTĐL 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 HTTTĐL theo nhu cầu.
1. 3. Cấu trúc cơ sở dữ liệu trong hệ thống GIS
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 thồi gian nhất chiếm 75% giá thành để xây
dựng một HTTTĐL hồn chỉnh. 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 mô tả số của
các hình ảnh khơng gian, mối quan hệ logic giữa 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.
Vì CSDL của hệ thống có liên quan với các điểm đặc trưng trên bề mặt trái đất
nên nó bao gồm hai nhóm CSDL khơng gian và CSDL thuộc tính (CSDL phi khơng
gian hay dữ liệu phi khơng gian).


13

1. 3. 1. CSDL không gian
Đây là CSDL 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 không 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 CSDL dạng điểm. Sông, đường giao thông,
đường bờ thửa, đường địa giới… là những CSDL dạng đường. Hồ nước, ranh giới
thảm thực vật, thửa đất, địa bàn một xã…là CSDL 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. CSDL khơng gian có thể mơ tả theo
hai kiểu cấu trúc dạng Raster hay Vector.
Cấu trúc dữ liệu Raster
Đó là cấu trúc mà dữ liệu được thể hiện thành một mảng ma trận 2 chiều
gồm các pixel (điểm ảnh) và mỗi pixel đều mang giá trị của thông số đặc trưng
cho đối tượng còn gọi là độ xám. Giá trị độ lớn của pixel còn được gọi là độ
phân giải của đối tượng, kích thước pixel càng nhỏ thì việc thể hiện đối tượng
càng chính xác. Hình dạng phổ biến của Pixel là hình vng. Pixel được xác
định bằng chỉ số hàng và cột chứa nó cùng với thuộc tính tương ứng. Như vậy,
trong cấu trúc dữ liệu Raster, yếu tố điểm được xác định như một pixel độc lập
được bao bởi các pixel có thuộc tính khác với nó. Yếu tố đường được coi là tập
hợp các pixel kế nhau theo một hướng nào đó và có cùng thuộc tính. Yếu tố vùng
được hiểu là một tập hợp pixel kế nhau cùng thuộc tính. Thơng thường, khi lưu
trữ cũng như biểu diễn thông tin theo dạng Raster người ta hay dùng thuật tốn
mã nhị phân, tức là những thơng tin biểu diễn (hiển thị trên màn hình) đều được
gắn mã 1, cịn phần trống (khơng chứa thơng tin) được gán mã 0 hoặc ngược lại
(hình 1.5).


14

Hình 1.5: Minh họa cấu trúc raster
• Ưu điểm của cấu trúc Raster:
- 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 thô, 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 thơng
tin dễ bị sai lệch
- Khối lượng tính tốn để biến đổi toạ độ là rất lớn.
Cấu trúc dữ liệu Vector
Đây là cấu trúc dữ liệu dựa trên toạ độ các điểm để biểu diễn các đối tượng
qua ba yếu tố cơ bản điểm, đường và vùng. Cấu trúc dữ liệu Vector mơ tả chính xác
vị trí và mối quan hệ không gian của các đối tượng và hiện tượng.
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: Là tập hợp các cung, mỗi cung là tập hợp các đoạn thẳng nhỏ
nối giữa các điểm kề nhau đã được chọn. Các đoạn thẳng này đủ nhỏ để đảm bảo
không lệch khỏi đoạn thực một khoảng vượt quá sai số cho phép. Yếu tố đường


15

trong máy được lưu dưới dạng tập hợp các cặp toạ độ đặc trưng cho điểm thuộc
đường đó. Với một đường thẳng, có thể lưu toạ độ điểm đầu và cuối, nhưng với một
đường cong số lượng điểm lưu trữ là rất lớn.
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 yếu tố được biểu thị (điểm, đường, vùng). Ngồi ra cũng

có khả năng ngầm hiểu ví dụ rừng là yếu tố vùng đường bình độ là yếu tố đường.
Minh họa (hình 1.6).

Hình 1.6: Minh họa cấu trúc Vector.
Ưu điểm của cấu trúc Vector:
• Ưu điểm:
- Có khả năng biểu diễn và xử lý tốt các dữ liệu không gian và thuộc tính.
- Có độ chính xác hình học cao.
- Cho phép thực hiện tốt các mơ tả và tính tốn về các quan hệ khơng gian
hình học, phân tích mạng.
- Có thể tìm kiếm, cập nhật, khái qt hố dữ liệu đồ hoạ và thuộc tính.
- Thơng tin đồ hoạ đẹp, sản phẩm in đạt chất lượng cao.
- Tốn ít bộ nhớ khi lưu trữ giữ liệu.
• Nhược điểm:
- Cấu trúc dữ liệu phức tạp.