Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu gis phục vụ quản lý môi trường khu vực bể than hòn gai thành phố hạ long quảng ninh

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

PHẠM THỊ HUỆ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS
PHỤC VỤ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG KHU VỰC BỂ THAN
HÒN GAI - THÀNH PHỐ HẠ LONG - QUẢNG NINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa
Mã số: 60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Phạm Công Khải

HÀ NỘI - 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu và
kết quả trình bày trong luận văn là chính xác, trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2010
Người cam đoan

Phạm Thị Huệ


MỤC LỤC

Trang bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ và bảng biểu
MỞ ĐẦU......................................................................................................…1
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ ( GIS)....5
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống thông tin địa lý (GIS).…...5
1.2. Định nghĩa GIS.…………………………………………………………..7
1.3. Cấu trúc hệ thông tin địa lý.……………………………………………...8
1.3.1. Hệ thống phần cứng...……………………………………………..8
1.3.2. Hệ thống phần mềm.………………………………………………8
1.3.3. Cơ sở dữ liệu..……………………………………………………12
1.3.4. Đội ngũ cán bộ kỹ thuật..………………………………………...13
1.4. Các chức năng của GIS.………………………………………………...13
1.4.1. Thu thập và xử lý dữ liệu.………………………………………..13
1.4.2. Quản lý và xây dựng cơ sở dữ liệu.……………………………...13
1.4.3. Đo đạc, tính tốn và phân tích khơng gian.……………………...14
1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng GIS trong xây dựng cơ sở dữ
liệu mơi trường..……………………………………………………………..15
1.5.1. Nghiên cứu trên thế giới.……………………………………….15
1.5.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước.……………………………17
Chương 2 – CƠ SỞ DỮ LIỆU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ
GIS...………………………………………………………………………...18
2.1. Khái niệm cơ sở dữ liệu GIS.…………………………………………...18
2.1.1. Khái niệm chung.………………………………………………...18


2.1.2. Sự trừu tượng hóa dữ liệu.……………………………………….20
2.1.3. Thể hiện và lược đồ của CSDL.………………………………….21

2.1.4. Các mơ hình của CSDL..………………………………………...22
2.2. Cấu trúc dữ liệu GIS.……………………………………………………23
2.2.1. Cơ sở dữ liệu không gian.………………………………………..24
2.2.2. Cơ sở dữ liệu thuộc tính.…………………………………………32
2.2.3. Mối liên kết dữ liệu………………………………………………33
2.3. Tổ chức cơ sở dữ liệu GIS………………………………………………34
2.3.1. Khái niệm………………………………………………………...34
2.3.2. Tổ chức dữ liệu không gian……………………………………...36
2.3.3. Tổ chức dữ liệu thuộc tính……………………………………….37
2.4. Chuẩn dữ liệu GIS (Data satandards)…………………………………...38
2.5. Các phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu GIS………………………….41
2.6. Quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu GIS.…………………………………41
Chương 3 - QUÁ TRÌNH KHAI THÁC MỎ Ở BỂ THAN HỊN GAI VÀ
ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐỐI VỚI SỰ BIẾN ĐỘNG TÀI NGUYÊN MƠI
TRƯỜNG KHU VỰC……………………………………………………...44
3.1. Hiện trạng khai thác hầm lị của bể than Hòn Gai………………………44
3.2. Hiện trạng khai thác lộ thiên của bể than Hòn Gai...................................47
3.3. Sự ảnh hưởng của quá trình khai thác than đến mơi trường khu vực.......52
Chương 4 – XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS PHỤC VỤ QUẢN LÝ
MƠI TRƯỜNG BỂ THAN HỊN GAI – THÀNH PHỐ HẠ LONG,
QUẢNG NINH...............................................................................................55
4.1. Vị trí địa lý bể than Hịn Gai....................................................................55
4.2. Đặc điểm điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội bể than Hòn Gai.................55
4.2.1. Điều kiện tự nhiên..........................................................................55
4.2.2. Kinh tế xã hội bể than Hòn Gai.....................................................58


4.3. Hiện trạng mơi trường và tình hình quản lý mơi trường khu vực bể than
Hịn Gai...........................................................................................................58
4.3.1. Hiện trạng ơ nhiễm môi trường nước............................................58

4.3.2. Hiện trạng tài nguyên đất, tài nguyên rừng, tài nguyên sinh vật và
hệ sinh thái.......................................................................................................60
4.3.3. Hiện trạng mơi trường khơng khí..................................................61
4.3.4. Phương hướng, giải pháp tổng thể giải quyết các vấn đề mơi
trường trong q trình khai thác than của khu vực.........................................62
4.3.5. Giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu và bảo vệ môi trường cho khu
vực khai thác than vùng Hòn Gai…................................................................70
4.4. Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS mơi trường bể than Hịn Gai.......................77
4.5. CSDL Thơng tin địa hình: CSDL_Nen…................................................77
4.6. CSDL Hiện trạng......................................................................................86
4.6.1. Cơ sở thiết kế….............................................................................86
4.6.2. Nguồn dữ liệu................................................................................87
4.6.3. Thiết kế Geodatabase.....................................................................87
4.6.4. Các ràng buộc tồn vẹn dữ liệu khơng gian (quan hệ
topology)….....................................................................................................87
4.6.5. Nhập dữ liệu thuộc tính.................................................................88
4.7. CSDL Ơ nhiễm mơi trường......................................................................91
4.7.1. Cơ sở thiết kế.................................................................................91
4.7.2. Nguồn dữ liệu................................................................................91
4.7.3. Thiết kế Geodatabase….................................................................91
4.7.4. Các ràng

buộc tồn vẹn dữ liệu khơng gian (quan hệ

Topology)........................................................................................................92
4.7.5. Nhập dữ liệu thuộc tính.................................................................92
4.8. Kết quả xây dựng CSDL khu vực Hòn Gai............................................100


4.9. Phát triển ứng dụng GIS.........................................................................101

4.9.1. Đo đạc, truy vấn và phân nhóm khơng gian…............................102
4.9.2. Chồng xếp khơng gian….............................................................104
4.9.3. Phân tích liền kề...........................................................................105
4.9.4. Phân tích khơng gian...................................................................106
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................108
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................110
PHỤ LỤC.....................................................................................................111


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
GIS

Geography Information System

CSDL

Cơ sở dữ liệu

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

BOD5

Dùng vi khuẩn để ơxy hóa các chất hữu cơ có trong
nước trong vịng 5 ngày

COD

Ơxy hóa các chất hữu cơ có trong nước bằng
phương pháp hóa học

TL

Taluy tầng khai thác

QCTCVN

Quy chuẩn tiêu chuẩn Việt Nam


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1.1. Phân tích chồng xếp dữ liệu.......................................................... 15
Hình 2.1. Cấu trúc Hệ cơ sở dữ liệu .............................................................20
Hình 2.2. Sơ đồ tổng quát hệ cơ sở dữ liệu ...................................................21
Hình 2.3. Các mơ hình dữ liệu......................................................................23
Hình 2.4. Minh họa thơng tin Raster.............................................................26
Hình 2.5. Bản đồ hiển thị thuộc tính dạng Raster .........................................27
Hình 2.6. Cấu trúc Vector dạng điểm ...........................................................28
Hình 2.7. Biểu diễn thơng tin dạng đường theo cấu trúc Vector ...................29
Hình 2.8. Sơ đồ liên kết thơng tin chung giữa hai vùng ................................30
Hình 2.9. Liên kết dữ liệu khơng gian và thuộc tính .....................................33

Hình 2.10. Cấu trúc dữ liệu GIS ...................................................................34
Hình 2.11. Dữ liệu nền của GIS....................................................................36
Hình 2.12. Tổ chức các lớp bản đồ ...............................................................37
Hình 2.13. Mơ hình dữ liệu quan hệ .............................................................38
Hình 2.14. Quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu................................................42
Hình 4.2. Cơ sở dữ liệu bể than Hịn Gai......................................................77
Hình 4.3. Cấu trúc CSDL_NEN ................................................................................. 101
Hình 4.4. Cấu trúc CSDL_HT, cấu trúc CSDL_ON .....................................101
Hình 4.5. Kết quả tìm được các điểm quan sát có nồng độ khí CO đo đợt 1 lớn
hơn 1 ............................................................................................................102
Hình 4.6. Kết quả tìm được các nhà máy có diện tích lớn hơn 200000 m2 ....103
Hình 4.7. Các điểm đo độ ồn trong khu dân cư của bể than Hịn Gai............104
Hình 4.8. Kết quả chồng xếp 2 lớp dữ liệu ...................................................105
Hình 4.9. Kết quả các vùng dân cư mà điểm ơ nhiễm chất lượng đất ảnh hưởng
trong vịng bán kính 500 m...........................................................................106
Hình 4.10. Kết quả đánh giá mức độ ảnh hưởng của độ ồn...........................107


Bảng 4.1. Một số chỉ tiêu tổng hợp về chất lượng nước trong khu vực Hòn Gai.........59
Bảng 4.2. Giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu và bảo vệ môi trường cho khu
vực khai thác than vùng Hòn Gai .................................................................70
Bảng 4.3. Phân loại các lớp thông tin ...........................................................79
Bảng 4.4. Mối quan hệ Topology của các đối tượng trong CSDL thông tin địa
hình ..............................................................................................................80
Bảng 4.5. Mối quan hệ Topology của các đối tượng trong CSDL hiện trạng....87
Bảng 4.6. Mối quan hệ Topology của các đối tượng trong CSDL ô
nhiễm môi trường

92

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 mơi trường đang là vấn đề quan tâm của
tồn 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.
Hiện nay 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….
Bể than Hịn Gai có một vị trí đặc biệt quan trọng, là thủ phủ của tỉnh
Quảng Ninh, với diện tích đất tự nhiên là: 271,95km2 (báo cáo kiểm kê diện
đất đai năm 2009 - TP Hạ Long), nằm ở Tây Bắc vịnh Bắc Bộ, trên trục
đường quốc lộ 18A, cách 165 km về phía Tây theo quốc lộ 18A, cách trung
tâm thành phố Hải Phịng 70km về phía Tây Nam theo quốc lộ 10, cách cửa
khẩu quốc tế Móng Cái 180km theo quốc lộ 18A và cách thị xã Cẩm Phả
30km.
Để phát triển bền vững bể than Hòn Gai theo định hướng phát triển
dịch vụ du lịch và công nghiệp khai thác, đưa thành phố Hạ Long trở thành
trung tâm công nghiệp và du lịch sinh thái biển, vấn đề quản lý môi trường ở

2

bể than Hòn Gai rất cần thiết nhằm đưa thành phố Hạ Long phát triển theo
hướng bền vững nền kinh tế công nghiệp, dịch vụ du lịch đi đôi 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 thông tin với các cơ sở dữ liệu tốt ( thơng tin
chính xác, được cập nhật liên tục…). Vì vậy mà khả năng cho phép của GIS
để quản lý môi trường đang được phát triển mạnh mẽ. Đó cũng là tiền đề để
áp dụng cơng nghệ GIS cùng với công nghệ phân loại sử dụng và quản lý
trước đây sẽ khắc phục nhiều hạn chế của các phương pháp truyền thống
nhằm hình thành nên cơ sở dữ liệu phục vụ cho công tác quản lý môi trường
được tốt hơn và hiệu quả hơn.
2.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
* Đối tượng nghiên cứu.
- Đối tượng nền địa hình: gồm 7 nhóm lớp đối tượng là: cơ sở tốn học,
thực vật, dân cư, địa hình, thuỷ hệ, giao thông và ranh giới
- Các đối tượng chuyên đề về mơi trường như các nhóm lớp sau: khơng
khí, nước mặt, nước ngầm và tiếng ồn
* Phạm vi nghiên cứu.
- Phạm vi khơng gian: Tồn bộ khu vực bể than Hịn Gai, thành phố Hạ
Long, tỉnh Quảng Ninh
- Phạm vi nội dung: cơ sở dữ liệu của luận văn được xây dựng theo 4
chuẩn: chuẩn hệ quy chiếu, chuẩn tổ chức dữ liệu (geodatabase), chuẩn
topology và chuẩn dữ liệu thuộc tính.
3. Nội dung nghiên cứu:
Nội dung của luận văn tập trung vào các nội dung sau:
- Thu thập và tổng hợp tài liệu
- Giới thiệu tổng quan về GIS

- Nêu chi tiết về cơ sở dữ liệu GIS


3

- Quá trình khai thác than và ảnh hưởng của nó đối với sự biến động tài
ngun mơi trường khu vực nghiên cứu
- Xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa hình
- Xác định các chun đề mơi trường
- Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS môi trường
4. Phương pháp nghiên cứu:
Để thực hiện nhiệm vụ của đề tài đặt ra, tác giả đã sử dụng các phương
pháp sau:
- Thu thập và tổng hợp tài liệu
- Phương pháp thực địa: thu thập dữ liệu, tài liệu có liên quan đến luận
văn, lấy mẫu một số điểm ô nhiễm.
- Phương pháp GIS, phương pháp chủ yếu được sử dụng trong đề tài từ
việc xây dựng, trình bày, hỏi đáp đến xuất dữ liệu.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu:
* Ý nghĩa khoa học khoa học: khảng định tính ưu việt của hệ thống
thơng tin địa lý trong quảnlý môi trường và ứng dụng GIS trong việc xây
dựng cũng như quy trình và các phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu nền và
cơ sở dữ liệu chuyên đề. Bên cạnh đó kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần
nhận biết hiện trạng mơi trường khu vực bể than Hịn Gai nói riêng và vùng
than Quảng Ninh nói chung.
* Ý nghĩa thực tiễn: đề tài được hồn thành sẽ là một tài liệu hữu ích
cho công tác quy hoạch, quản lý môi trường khu vực bể than Hịn Gai và
thành phố Hạ Long sẽ có cơ sở đưa ra các giải pháp thực hiện điều chỉnh và
khắc phục tình trạng ơ nhiễm và suy thối tài nguyên môi trường nhằm tiến
tới sự phát triển bền vững.

6. Dữ liệu, trang thiết bị và phần mềm:
Luận văn nghiên cứu sử dụng những tư liệu sau:


4

- Bản đồ quy hoạch phát triển than vùng Hòn Gai đến năm 2015 có xét
triển vọng đến năm 2025.
- Tài liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế – xã hội, dữ liệu thống kê về
dân số diện tích.
- Bản đồ số và các lớp chuyên đề môi trường
- Một số đề tài đã nghiên cứu liên quan
- Máy tính, phần mềm GIS: Mapinfo, ArcGIS
7. Bố cục của đề tài:
· Mở đầu
· Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý GIS
· Chương 2: Cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý GIS
· Chương 3: Q trình khai thác mỏ ở bể than Hịn Gai và ảnh
hưởng của nó đối với sự biến động tài nguyên môi trường khu
vực
· Chương 4: Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS môi trường phục vụ
quản lý môi trường bể than Hòn Gai – thành phố Hạ Long –
Quảng Ninh.
· Kết luận và kiến nghị
· Phụ lục


5

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ ( GIS)
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống thông tin địa lý (GIS)
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, cơng 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 dần
được 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 không


6

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
(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. Xu hướng tích hợp RS và
GIS, tích hợp RS, GIS và GPS đã xuất hiện. Việc tích hợp ba cơng nghệ này
đã hỗ trợ cho các nhà khoa học và các nhà quản lý trong rất nhiều lĩnh vực
khác nhau (quân 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 khá
sớm, vào khoảng những năm 90. Từ đó trở đi, cơng 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 khá 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, còn cần thời gian và đầu tư mới có thể đưa
vào ứng dụng chính thức.


7

Ngày nay hệ thống thông tin địa lý - GIS 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. Định nghĩa GIS
Ngày nay, sự phát triển của công nghệ thông tin đã dần dẫn đến sự phát
triển song song tự động hóa cơng tác thu nhập dữ liệu, phân tích dữ liệu trong
nhiều lĩnh vực rộng lớn như trắc địa bản đồ, chất địa, quy hoạch phát triển,
mơi trường...Do có nhiều cơng việc phải sử 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, 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 thực
hiện những mục đích cụ thể. Tập hợp các công cụ trên đã tạo lập ra hệ 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 các đối tượng thơng qua một hệ tọa độ
· Các thuộc tính của các đối tượng
· Quan hệ không gian giữa các đối tượng
Từ đó hệ thơng tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là
GIS) có thể được định nghĩa như sau: Đó là một hệ thống thơng tin có khả
năng thu thập, cập nhật, quản lý và phân tích, biểu diễn dữ liệu địa lý phục vụ
giải quyết các bài tốn ứng dụng có liên quan đến vị trí địa lý trên 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 lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường.


8

1.3. Cấu trúc hệ thông tin địa lý.

Như đã đề cập ở trên, cấu thành cơ bản của hệ thống thơng tin địa lý
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.
1.3.1. Hệ thống phần cứng.
Về cơ bản hệ thống thiết bị phần cứng của hệ thống thơng tin địa lý
bao gồm các phần chính là bộ xử lý trung tâm (CPU), các thiết bị đầu vào như
bàn số hóa, máy quét, các thiết bị thu nhận thông tin điện tử…Các thiết bị lưu
trữ, hiển thị như thiết bị ghi ngồi, màn hình, máy vẽ…
Máy tính hoặc bộ xử lý trung tâm (CPU) được nối với thiết bị chứa ổ
đĩa, cung cấp không gian để lưu trữ số liệu và các chương trình. Bàn số hóa
(digitizer) hoặc thiết bị chuyên dụng khác có nhiệm vụ chuyển hóa các số liệu
từ bản đồ giấy và các tư liệu thành dạng số rồi đưa vào máy tính. Máy vẽ
(Plotter) hoặc các kiểu thiết bị biểu hiện khác được sử dụng để xuất dữ liệu ở
dạng số trên màn hình hoặc trên nền vật liệu in. Sự liên hệ bên trong của máy
tính cũng có thể thực hiện thông qua một hệ thống mạng với các đường dẫn
dữ liệu đặc biệt. Người sử dụng máy tính và các thiết bị ngoại vi khác (như
máy in, máy vẽ, máy số hóa các thiết bị khác nối với máy tính ) thơng qua
một thiết bị hiển thị hình ảnh ( Video Display Unit - VDU) để cho phép các
sản phẩn đầu ra được hiển thị nhanh chóng.
1.3.2. Hệ thống phần mềm.
Gồm phần mềm hệ thống, phần mềm quản trị, phần mềm ứng dụng.
Các phần mềm trong lĩnh vực thông tin địa lý cần phải có khả năng sau:
- Có khả năng thu nhập dữ liệu khơng gian và thuộc tính từ các nguồn
dữ liệu khác nhau như từ bản đồ, các thông tin viễn thám…và liên kết.


9

- Có khả năng lưu trữ, hiệu chỉnh, đồng bộ các nhóm dữ liệu khơng
gian nhanh chóng để phục vụ các phân tích tiếp theo và cịn cho phép đổi mới

nhanh và chính xác các dữ liệu khơng gian.
- Đảm bảo các khả năng phân tích ở trạng thái khác nhau, có khả năng
thay đổi về cấu trúc dữ liệu phục vụ người dùng, các nguyên tắc để kết nạp
các sản phẩm, các biện pháp đánh giá chất lượng sản phẩm và nguyên tắc xử
lý chuẩn các thông tin theo khơng gian - thời gian cũng như các kiểu mẫu
thích hợp khác
- Các dữ liệu cần có khả năng hiển thị tồn bộ hoặc từng phần theo
thơng tin gốc, các dữ liệu đã có qua xử lý cần được thể hiện tốt bằng các bảng
biểu hay các loại bản đồ.
* Nhập dữ liệu
Bao gồm mọi khía cạnh của việc biến đổi các số liệu thu nhập được
dưới dạng các bản đồ, số lượng đo đạc ngoại nghiệp, ảnh hàng không, ảnh vệ
tinh và các thiết bị ghi thành một hình thức số tương thích.
Một tập hợp lớn các cơng cụ máy tính cho mục đích này bao gồm đầu
tương tác hoặc thiết bị hiện hình khả biến, máy số hóa, các danh mục, số liệu
trong các tệp văn bản, các loại máy quét (có thể được đặt trên vệ tinh hoặc
máy bay) để ghi chụp hoặc để chuyển đổi các bản đồ và các hình ảnh chụp
ảnh sang dạng khác máy tính có thể đọc được cùng với các thiết bị cần thiết
cho việc ghi các số liệu đã viết trên băng từ hay đĩa từ. Việc nhập dữ liệu
và kiểm tra dữ liệu cần thiết cho xây dựng các cơ sở dữ liệu địa lý. Việc
kiểm tra thông tin dữ liệu đầu vào có yêu cầu sau:
- Tất cả các thơng tin đầu vào phải đảm bảo tính chính xác duy nhất và
khơng có lỗi khi mơ tả thuộc tính.


10

- Kiểm tra các lỗi về sai lệch vị trí, tỷ lệ độ méo hình…tính khơng đầy
đủ của các thơng tin dữ liệu không gian bằng cách vẽ ra với tỷ lệ và so sánh
các thông tin gốc.

Kiểm tra các thơng tin sai sót đối với các thơng tin khơng gian bằng
cách in và kiểm tra so với thông tin đã có.
* Lưu trữ và quản lý dữ liệu
Các chương trình phần mềm được sử dụng để thể hiện nhiệm vụ tổ chức
cơ sở dữ liệu và có thể xem đây là hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu. Các chương
trình này sẽ lưu trữ và quản lý dữ liệu theo cách thức chuẩn mẫu riêng hợp lý
để đáp ứng mọi nhu cầu cần thiết của hệ thống sao cho hiệu quả cao nhất.
* Xuất dữ liệu và trình bày
Sau các quá trình xử lý số liệu, kết quả thu được sẽ thể hiện qua nhiều
phương thức khác nhau và kết quả phân tích sẽ được báo cáo cho người sử
dụng theo nhiều dạng.
Các số liệu có thể hiển thị dưới dạng bản đồ, các bảng biểu hay hình vẽ
(đồ thị hoặc sơ đồ khối) theo nhiều phương thức. Số liệu sẽ chuyển dạng hình
ảnh ln thay đổi theo thời gian trên một ống tia âm cực (Cathore Ray Tube CRT ) thông qua một đầu ra để vẽ trên máy in hay máy vẽ.
Ngồi ra, các thơng tin đầu ra đồng thời phải đáp ứng các yêu cầu đảm
bảo cho q trình chuyển đổi thơng tin giữa các hệ thống máy tính và chúng
sẽ được chuyển đổi nhờ các công cụ trung gian như băng từ, đĩa từ, các loại
mạng thơng tin khác.
*Xử lý và phân tích dữ liệu
Việc xử lý và phân tích dữ liệu bao gồm 2 loại hoạt động là:
+ Những biến đổi cần thiết để xác định các sai số (sai số số liệu, sai số
trong q trình số hóa hay nhập dữ liệu thuộc tính v.v…) hoặc đưa chúng vào
số liệu mới hoặc so sánh chúng với các số liệu khác.


11

+ Xây dựng các phương pháp phân tích có thể áp dụng đối với dữ liệu
trong trật tự thực hiện các câu trả lời và các câu hỏi đưa ra đối với hệ thống.
Các phép biến đổi có thể thực hiện đối với các dữ liệu không gian và dữ

liệu thuộc tính ở dạng riêng lẻ hoặc thành các tổ hợp. Việc sử dụng tối ưu
phương pháp biến đổi và sử dụng chúng trong điều kiện thuận lợi và đúng đắn
có thể được phối hợp để thực hiện một thể lọai nào đó của mơ hình địa lý mơ
hình khơng gian. Việc kết nối dữ liệu cũng có thể coi như quá trình biến đổi
dữ liệu.
Kết nối dữ liệu là quá trình rất quan trọng bởi vì khi giải quyết một vấn
đề nào đó trong hệ thống thì cần phải kết hợp nhiều loại thông tin khác nhau
với nhiều dạng kết hợp chuẩn trong một môi trường hợp nhất định để từ đó có
được cách nhìn riêng biệt hay tổng thể. Người thiết kế hệ thống làm việc với
hệ thống thông tin địa lý sẽ phải chờ đợi mọi kết quả có được từ các phép biến
đổi dữ liệu thơng qua việc sử dụng và phân tích dữ liệu thật hiệu quả. Quá
trình này dẫn đến việc sử dụng và đặt ra một số lượng các câu hỏi phân tích
cần được trả lời bằng cách sử dụng các mơ hình tổ hợp đặt một số lượng hầu
như không hạn chế các câu hỏi phân tích cần được trả lời bằng cách sử dụng
các mơ hình tổ hợp tìm kiếm dữ liệu và các cách lựa chọn phép biến đổi. Các
câu hỏi phân tích mà hệ thơng tin địa lý có thể được trả lời theo hai cách:
* Qua định nghĩa thơng thường.
* Qua khả năng thực hiện của các tốn tử khơng gian và liên kết dữ liệu.
Có một số dạng câu hỏi chính mà hệ thơng tin địa lý thơng dụng 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 thỏa mãn những điều kiện này?


12

+ Cái gì đã thay đổi và thay đổi như thế nào từ thời điểm này đến thời điểm
khác?
+ Những mẫu khơng gian nào tồn tại?

+ Nó sẽ như thế nào nếu quá trình diễn ra?
* Tương tác với người sử dụng
Đó là yếu tố thiết yếu cho sự thừa nhận và sử dụng bất cứ hệ thống thông
tin nào. Trước đây, một số phần mềm đồ họa hoặc hệ thống thông tin địa lý được
đặt trong môi trường điều hành DOS như AutoCad, arc/Info,…nên giao tiếp giữa
thao tác viên và hệ thống bị hạn chế, không linh hoạt.
Ngày nay, tất cả các phần mềm của hệ thống điều được đặt trong mơi
trường windown với các thanh cơng cụ có đầy đủ các biểu tượng kích hoạt
nên giao tiếp giữa thao tác viên và hệ thống rất linh hoạt, hiệu quả. Với sự
phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin học, khả năng giao tiếp giữa
người và máy càng ngày càng hoàn hảo.
1.3.3. Cơ sở dữ liệu
Cơ sở dữ liệu GIS gồm các loại dữ liệu cần thiết phục vụ cho mục đích
sử dụng. Tuy nhiên chúng ta cần phải thấy rằng một hệ thống phần cứng và
phần mềm của hệ thống thông tin địa lý chỉ chiếm khoảng 15% giá thành toàn
hệ thống, bảo dưỡng hoạt động cho hệ thống chiếm khoảng 5% giá trị, đào tạo
cán bộ khoảng 10%, còn lại 70% là giá trị của dữ liệu. Vì vậy, có thể nói cơ
sở dữ liệu là "linh hồn" của hệ thống thông tin địa lý. Cơ sở dữ liệu là bộ các
thông tin được lưu dưới dạng số theo một khn dạng nào đó mà máy tính có
thể hiểu và đọc được. Cơ sở dữ liệu bao gồm các dữ liệu địa lý và các dữ liệu
thuộc tính (các dữ liệu chữ - số, dữ liệu multimedia v.v…) và mối quan hệ
giữa hai loại dữ liệu này.
Tuy nhiên, các dữ liệu này phải có đủ độ tin cậy và phải luôn được cập
nhật. Như vậy, dữ liệu trong hệ thống sẽ là dữ liệu đa thời gian.


13

1.3.4. Đội ngũ cán bộ kỹ thuật
Như chúng ta đã biết, đối với một tổ chức không phải chỉ đơn giản mua

hệ thống phần cứng và một vài phần mềm nào đó là đủ, nó địi hỏi phải có đội
ngũ cán bộ kỹ thuật là những người trực tiếp thiết kế, xây dựng và vận hành
hệ thống thông tin địa lý.
1.4. Các chức năng của GIS
Hệ thống thông tin địa lý có các chức năng cơ bản sau:
1.4.1. Thu thập và xử lý dữ liệu
Dữ liệu địa lý dùng được cho GIS phải được chuyển về dạng số thích
hợp. Có những trường hợp các dạng dữ liệu đòi hỏi được chuyển dạng và thao
tác theo một số cách để có thể tương thích với một hệ thống nhất định. Ví dụ,
các thơng tin địa lý có giá trị biểu diễn khác nhau tại các tỷ lệ khác nhau (hệ
thống đường phố được chi tiết hóa trong file về giao thơng, kém chi tiết hơn
trong file điều tra dân số và có mã bưu điện trong mức vùng). Trước khi các
thơng tin này được kết hợp với nhau, chúng phải được chuyển về cùng một tỷ
lệ (mức chính xác hoặc mức chi tiết). Đây có thể chỉ là sự chuyển dạng tạm
thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho u cầu phân tích. Cơng nghệ
GIS cung cấp nhiều cơng cụ cho các thao tác trên dữ liệu không gian và cho
loại bỏ dữ liệu không cần thiết.
1.4.2. Quản lý và xây dựng cơ sở dữ liệu
Đối với những dự án GIS nhỏ, có thể lưu các thơng tin địa lý dưới dạng
các file đơn giản. Tuy nhiên, khi kích cỡ dữ liệu trở nên lớn hơn và số lượng
người dùng cũng nhiều lên, thì cách tốt nhất là sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ
liệu để giúp cho việc lưu giữ, tổ chức và quản lý thông tin. Một hệ quản trị cơ
sở dữ liệu chỉ đơn giản là một phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu.
Có nhiều cấu trúc hệ quản trị cơ sở dữ liệu khác nhau, nhưng trong GIS
cấu trúc quan hệ tỏ ra hữu hiệu nhất. Trong cấu trúc quan hệ, dữ liệu được lưu


14

trữ ở dạng các bảng. Các trường thuộc tính chung trong các bảng khác nhau

được dùng để liên kết các bảng này với nhau. Do linh hoạt nên cấu trúc đơn
giản này được sử dụng và triển khai khá rộng rãi trong các ứng dụng cả trong
và ngoài GIS.
1.4.3. Đo đạc, tính tốn và phân tích khơng gian
GIS có khả năng cung cấp kịp thời thông tin cho những người quản lý
và phân tích. Các hệ GIS ngày nay có nhiều cơng cụ tính tốn, phân tích hiệu
quả, trong đó có hai cơng cụ quan trọng đặc biệt: Phân tích liền kề và Phân
tích chồng xếp.
* Phân tích liền kề
· Các khu dân cư nằm cách các điểm ô nhiễm 500m?
· Những bãi thải đất đá cách vỉa than đang khai thác khoảng
10km?
Để trả lời những câu hỏi trên, GIS sử dụng phương pháp vùng đệm để
xác định mối quan hệ liền kề giữa các đối tượng.
Vùng đệm (buffer zone): như ta đã biết mỗi đường biên bên trong thì
gọi là lõi cịn nếu bên ngồi đường biên thì gọi là đệm. Vùng đệm sử dụng
nhiều thao tác phân tích và mơ hình hố khơng gian.
* Phân tích chồng xếp:
Chồng xếp là q trình hợp các lớp thơng tin khác nhau. Các thao tác
phân tích địi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải được liên kết vật lý. Sự
chồng xếp này, hay liên kết khơng gian, có thể là sự kết hợp dữ liệu về đất, độ
dốc, thảm thực vật hoặc sở hữu đất với định giá thuế.


15

Hình 1.1. Phân tích chồng xếp dữ liệu
Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng được hiển thị
tốt nhất dưới dạng bản đồ hoặc biểu đồ. Bản đồ khá hiệu quả trong lưu giữ và
trao đổi thông tin địa lý. GIS cung cấp nhiều công cụ mới và thú vị để mở

rộng tính nghệ thuật và khoa học của ngành bản đồ. Bản đồ hiển thị có thể
được kết hợp với các bản báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và những dữ
liệu khác (đa phương tiện).
1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng GIS trong xây dựng cơ sở
dữ liệu môi trường.
1.5.1. Nghiên cứu trên thế giới
Các ứng dụng GIS được liên tục phát triển trong lĩnh vực quản lý và
bảo vệ mơi trường. Từ chương trình kiểm kê nguồn tài ngun thiên nhiên
của Canada trong những năm 1930, đến các chương trình GIS cấp bang của
Mỹ bắt đầu vào cuối những năm 1970, đến mơ hình hóa quản lý các sự cố
môi trường hiện đang được phát triển, công nghệ GIS đã cung cấp các
phương tiện để quản lý và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến mơi trường
ngày càng hữu hiệu hơn. Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế có ISO/TC211 - tiêu
chuẩn về các thông tin địa lý, dự án "Hệ thống thông tin và quan trắc môi
trường tiểu vùng Mêkông mở rộng" (SEMIS) đã đưa ra cấu trúc chuẩn
HTTĐL cho các nước thuộc Tiểu vùng Mêkông mở rộng. Một số nước như
Mỹ, Canada, Thái Lan, đã thiết kế các chuẩn dữ liệu HTTĐL về mơi trường
cho riêng mình.


16

Dự án Lưu vực sông Santa Ana ở Califorlia đã sử dụng GIS làm công
cụ quản lý và giám sát mực nước, chất lượng nước, và các nguồn lợi từ vùng
lưu vực nhờ công cụ quản lý cơ sở dữ liệu và tạo bản đồ của GIS. Nhờ đó
việc quản lý một lượng dữ liệu đồ sộ trở nên hiệu quả hơn nhiều so với sử
dụng một hệ thống phi GIS.
World Resources Institute đã sử dụng dữ liệu và phần mềm GIS từ năm
1994 để biên dịch các thông tin về sự thay đổi mơi trường có tính tồn cầu, dự
báo tác động của những xu hướng biến động nguy hiểm (mất rừng, ơ nhiễm

đại dương, xói mịn ven bờ), từ đó vạch ra những chiến lược sử dụng bền
vững các nguồn tài nguyên, nhằm thiết lập mối cân bằng ổn định của mơi
trường trên tồn cầu.
Sử dụng khả năng phân tích của GIS, bạn có thể quản lý được mối quan
hệ giữa các nhân tố môi trường tự nhiên cũng như xã hội. Từ những phân tích
này, các chiến lược quy hoạch cho từng đối tượng và cho tổng thể chung được
xây dựng. Chẳng hạn, GIS được sử dụng để xây dựng mơ hình kiểm sốt
động vật hoang dã Califorlia trong cơ cấu kế hoạch chung của thành phố.
Sở Đo đạc Địa chất bang Georgia (GGS) đã dùng GIS để quản lý cơ sở
dữ liệu về 118 bãi chôn lấp chất thải rắn cho phép. Các thông tin trong cơ sở
dữ liệu bao gồm tên bãi chôn lấp, vị trí, kinh độ, vĩ độ, đường vào bãi chơn
lấp, dung tích bãi, vùng châu thổ sơng chính và mã đơn vị thủy văn của vùng
châu thổ này.
Cục quản lý đất đai Mỹ sử dụng GIS để quản lý các hệ sinh thái vùng
châu thổ sống Columbia: đánh giá tác động môi trường, phát triển quy hoạch
chiến lược, xây dựng bản đồ mơ tả tồn bộ hệ thống.
Có thể sử dụng GIS để đánh giá nhu cầu hiện tại và tương lai trong vấn đề
nước và thoát nước. Black & Veatch dùng GIS để quản lý hệ thống cống rãnh
của thành phố Garland. GIS tính tốn dịng chảy kết hợp dữ liệu sử dụng đất,