Bài giảng GIS đại cương (geographic information system)

GIS ĐẠI CƯƠNG (Geographic information system) Bài giảng: Tài liệu kham khảo Giáo trình: GIS Đại Cương (Phần lý thuyết)-Tác giả: PGS.TS. Trần Vĩnh Phước Các tài liệu kham khảo khác: GIS Một số vấn đề chọn lọc- Tác giả: PGS.TS. Trần Vĩnh Phước. GIS đại cương (Phần thực hành)- Tác giả: PGS.TS. Trần Vĩnh Phước (Chủ biên). GIS, GPS, RS TÓM TẮT NỘI DUNG Chương 1. Khái niệm GIS Chương 2. Cơ sở định vị đối tượng không gian Chương 3. Mô hình dữ liệu không gian Chương 4. Cấu trúc dữ liệu không gian Chương 5. Truy vấn dữ liệu GIS Chương 6. Thống kê và phân tích trong GIS Chương 7. Hiển thị dữ liệu GIS Chương 8. Một vài ứng dụng của GIS Chương 1. KHÁI NIỆM GIS Giới thiệu Một số khái niệm cơ bản Tiến trình phát triển của GIS Mô hình hệ thống thông tin địa lý Chức năng hệ thống thông tin địa lý GIỚI THIỆU KHÁI NIỆM GIS Thông tin đóng một vai trò then chốt trong lịch sử phát triển xã hội loại người. Thông tin địa lý, thông tin về thuộc tính và vị trí của các sự vật, sự kiện trong thế giới thực, ngày càng khẳng định tầm quan trọng trong nhiều lĩnh vực. GIỚI THIỆU KHÁI NIỆM GIS Phân tích và xử lý thông tin luôn là vấn đề quan tâm lớn của toàn xã hội. Các kết quả phân tích và xử lý thông tin là tiền đề duy nhất cho công tác ra quyết định. Thông tin nằm trong nhiều nguồn dữ liệu khác nhau. Nguồn dữ liệu có thể được thu thập và tổ chức lưu trữ theo nhiều dạng khác nhau. GIỚI THIỆU KHÁI NIỆM GIS Kết quả phân tích và xử lý thông tin phụ thuộc vào nguồn dữ liệu trong đó độ chính xác, tính đầy đủ và tính thời gian thực của dữ liệu là những yếu tố quan trong nhất. Thông tin địa lý nằm trong nguồn dữ liệu đồ sộ về thế giới thực. Trong đó, một phần thường gặp là các dữ liệu trên bản đồ. GIỚI THIỆU KHÁI NIỆM GIS Hệ thống thông tin địa lý-GIS (Geographic Information systems) ra đời cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính và bắt đầu vào những thập niên 60. GIS là một công cụ hỗ trợ công tác thu thập, tổ chức lưu trữ dữ liệu địa lý, phân tích và xử lý thông tin địa lý một cách hiệu quả và nhanh chóng. GIỚI THIỆU KHÁI NIỆM GIS Từ khi ra đời GIS đã được nhiều ngành, nhiều quốc gia quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. GIS ngày càng được phát triển mạnh mẽ với nhiều ứng dụng phong phú trong nhiều lĩnh vực khác nhau: Các ngành khoa học tự nhiên như quản lý tài nguyên, môi trường, khai thác khoáng sản, quy hoạch đô thị,... Các ngành khoa học xã hội như quản lý dân số, giới tính, quản lý giáo giục, y tế,... GIỚI THIỆU KHÁI NIỆM GIS Cùng với sự phát triển và mở rộng các ứng dụng trong GIS, khoa học GIS (Geographic Information Science) cũng đã định hướng và phát triển thành một ngành khoa học độc lập. Một kết luận cho sự phát triển của GIS trong cộng đồng: GIS là của mọi người. KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.1. Thông tin địa lý Thông tin địa lý là những thông tin về các thực thể tồn tại ở một vị trí xác định trên bề mặt Trái Đất vào một thời điểm cụ thể. Dữ liệu trong các hệ thống thông tin địa lý gồm dữ liệu thuộc tính, dữ liệu không gian và dữ liệu thời gian. KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.1. Thông tin địa lý Bản đồ chỉ là một sự biểu diễn của thông tin địa lý và bản thân nó không phải là dữ liệu Tài nguyên Ô nhiễm Dân số Đô thị hóa Môi trường Giao thông Tài nguyên thiên nhiên Năng lượng Khí hậu Kinh tế MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.1. Thông tin địa lý Các vấn đề từ thế giới thực KHÁI NIỆM GIS KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.1. Hệ thống thông tin địa lý Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống thông tin chuyên biệt được sử dụng để thao tác, tổng kết, truy vấn, hiệu chỉnh và hiển thị các thông tin về các đối tượng không gian được lưu trữ trên máy tính. KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.2. Hệ thống thông tin địa lý Một số định nghĩa về GIS Xuất phát từ ứng dụng GIS là một hộp công cụ mạnh được dùng để lưu trữ và truy vấn tùy ý, biến đổi và hiển thị dữ liệu không gian từ thế giới thực cho những mục tiêu đặc biệt (Burrough, 1986). GIS là một hộp công cụ mạnh được dùng để lưu trữ và truy vấn tùy ý, biến đổi và hiển thị dữ liệu không gian từ thế giới thực cho những mục tiêu đặc biệt (Burrough, 1986). Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống sử dụng cơ sở dữ liệu để trả lời các câu hỏi về bản chất địa lý của các thực thể địa lý (Goodchild, 1985; Peuquet, 1985). KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.2. Hệ thống thông tin địa lý Một số định nghĩa về GIS Xuất phát từ các chức năng Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống chứa hàng loạt chức năng phức tạp dựa vào khả năng của máy tính và các toán tử xử lý thông tin không gian (Tomlinson and Boy, 1981; Dangemond, 1983). Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống tự động thu thập, lưu trữ, truy vấn, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian (Clarke, 1995). KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.2. Hệ thống thông tin địa lý Một số định nghĩa về GIS Xuất phát từ các chức năng Hệ thống 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 dữ liệu không gian. (NCGIA = National Center for Geographic Information and Analysis, 1988). Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống bao gồm bốn khả năng xử lý dữ liệu địa lý sau: (1) nhập dữ liệu, (2) quản lý dữ liệu ( bao gồm lưu trữ và truy xuất), (3) gia công và phân tích dữ liệu, (4) xuất dữ liệu. (Stan Aronoff, 1993). KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.2. Hệ thống thông tin địa lý Một số định nghĩa về GIS Xuất phát từ quan điểm hệ thống thông tin GIS là một hệ thống thông tin được thiết kế để làm việc với dữ liệu có tham chiếu tọa độ địa lý. Nói cách khác, GIS là hệ thống gồm hệ cơ sở dữ liệu với những dữ liệu có tham chiếu không gian và một tập những thuật toán để làm việc trên dữ liệu đó. (Star and Estes, 1990). Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống thông tin bao gồm một số phụ hệ (subsystems) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành những thông tin có ích (Calkins và Tomlinson, 1977; Marble, 1984). KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.2. Hệ thống thông tin địa lý Một số định nghĩa về GIS Xuất phát từ quan điểm hệ thống thông tin GIS là một hệ thống thông tin đặc biệt với cơ sở dữ liệu gồm những đối tượng, những hoạt động hay những sự kiện phân bố trong không gian được biểu diễn như những điểm, đường, vùng trong hệ thống máy tính. Hệ thống thông tin địa lý xử lý, truy vấn dữ liệu theo điểm, đường, vùng phục vụ cho những hỏi đáp và phân tích đặc biệt. (Dueker, 1979). KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.2. Hệ thống thông tin địa lý Kết luận chung Hệ thống thông tin địa lý có những khả năng của một hệ thống máy tính (phần cứng, phần mềm và các thiết bị ngoại vi) dùng để nhập, lưu trữ, truy vấn, xử lý, phân tích và hiển thị hoặc xuất dữ liệu. Xét trên nhiều góc độ khác nhau, GIS đã làm thay đổi sâu sắc phương thức quản trị dữ liệu và những tiếp cận phân tích dữ liệu. KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.2. Khoa học thông tin địa lý Khoa học thông tin địa lý (Geographic Information Science) ra đời từ những khái niệm của Goodchild (1992): Khoa học thông tin địa lý là một khoa học sử dụng các hệ thống thông tin địa lý như những công cụ để hiểu biết về thế giới thực bằng cách mô tả và giải thích mối quan hệ của con người với thế giới thực. Khoa học thông tin địa lý là một khoa học sử dụng và nghiên cứu các phương pháp, các công cụ để thu thập, lưu trữ, phân phối, phân tích, hiển thị và khám phá thông tin không gian. KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.2. Khoa học thông tin địa lý Khoa học thông tin địa lý hướng tới những bài toán phân tích, mô hình hóa và dự báo không gian. Khoa học thông tin địa lý là một khoa học sử dụng các hệ thống thông tin địa lý như những công cụ để hiểu biết về thế giới thực bằng cách mô tả và giải thích mối quan hệ của con người với thế giới thực. Khoa học thông tin địa lý là một khoa học sử dụng và nghiên cứu các phương pháp, các công cụ để thu thập, lưu trữ, phân phối, phân tích, hiển thị và khám phá thông tin không gian. KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.2. Khoa học thông tin địa lý Khoa học thông tin địa lý là một khoa học liên ngành của khoa học máy tính, toán học và khoa học địa lý. GIS là một ngành khoa học liên ngành đồng thời cũng là một công cụ của nhiều chuyên ngành khác nhau. KHÁI NIỆM GIS MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.2. Khoa học thông tin địa lý KHÁI NIỆM GIS TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA GIS Con người tác động vào thế giới thực: thu thập dữ liệu -> xử lý, phân tích -> Ra quyết định. Chu trình tuần hoàn dữ liệu: dữ liệu từ thế giới thực được thu thập, lưu trữ, phân tích, xử lý và ra quyết định tác động trở lại thế giới thực. Chu trình diễn ra theo chiều hướng có lợi khi có sự phân tích đúng đắn trên một nguồn dữ liệu có chất lượng cao. KHÁI NIỆM GIS TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA GIS Chất lượng dữ liệu được xét trên hai khía cạnh: độ chính xác và tính thời gian thực. Độ chính xác đối với dữ liệu địa lý bao gồm độ chính xác về không gian và độ chính xác thuộc tính. Chất lượng dữ liệu phụ thuộc vào quá trình thu thập, lưu trữ và bảo quản dữ liệu. Trong đó, công nghệ và con người là hai yếu tố quan trọng nhất. KHÁI NIỆM GIS TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA GIS Phương tiện truyền thống để hiển thị và lưu trữ dữ liệu địa lý là bản đồ. Trên bản đồ, các thực thể trong không gian thế giới thực được biểu diễn bằng đường nét, hình vẽ, chữ viết, ký hiệu, v.v..., xác lập trên hệ tọa độ Descartes hai chiều. Các phân tích đơn giản có thể thực hiện trên bản đồ như đo diện tích, đo độ dài. Cácphân tích trên vùng như chồng lớp cũng có đã thực hiện trên các bản đồ chuyên đề được in trên giấy trong suốt. KHÁI NIỆM GIS TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA GIS Chu trình tuần hoàn dữ liệu địa lý KHÁI NIỆM GIS TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA GIS Từ khi ra đời, hệ thống thông tin địa lý đã nhanh chóng chiếm ưu thế nhờ vào khả năng tích hợp thông tin mật độ cao, cập nhật thông tin dễ dàng, đặc biệt là khả năng thực hiện các phân tích, thông kê trên dữ liệu. GIS đã thâm nhập vào hầu hết các lĩnh vực, các ngành trong xã hội. KHÁI NIỆM GIS TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA GIS GIS ra đời từ những năm 60 trong các cơ quan địa chính tại Canada. Sự phát triển của công nghệ máy tính vào đầu những thập niên 80 đã tạo những tiền đề thúc đẩy GIS phát triển nhanh chóng. Sự phát triển của GIS còn gắn liền với các kết quả về các lĩnh vực xử lý ảnh, viễn thám và cơ sở dữ liệu. KHÁI NIỆM GIS TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA GIS Trên thế giới GIS nhiều viện, trường đại học, trung tâm nghiên cứu về GIS với qui mô lớn đã được hình thành: RRL (Regional Research Laboratory) thành lập vào tháng 2/1987 ở Anh bắt đầu với 4 trung tâm, tiếp theo sau đó vào năm 1988 RRL nhận được sự tài trợ của ESRC (Advisory Board for Research Council) và một số trường đại học, tổ chức thương mại. Từ đó, RRL phát triển thành trung tâm nghiên cứu chuyên biệt nhắm vào các nội dung quản lý cơ sở dữ liệu, phát triển phần mềm và phân tích không gian. KHÁI NIỆM GIS TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA GIS Trên thế giới GIS nhiều viện, trường đại học, trung tâm nghiên cứu về GIS với qui mô lớn đã được hình thành: NCGIA (National Center for Geographic Information Analysis) thành lập từ năm 1988 được Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ (US NSF) cấp kinh phí. NCGIA triển khai theo 5 hướng nghiên cứu: Phân tích và thống kê không gian; Quan hệ giữa không gian và cấu trúc dữ liệu; Trí tuệ nhân tạo và các hệ chuyên gia; Trình bày hình ảnh; Những đề tài kinh tế, xã hội, văn hóa. KHÁI NIỆM GIS TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA GIS Trên thế giới GIS nhiều viện, trường đại học, trung tâm nghiên cứu về GIS với qui mô lớn đã được hình thành: NEXPRI (Dutch Expertise Centre for Spatial Data Analysis) thành lập vào 1/1989 và được Uỷ ban khoa học quốc gia Hà Lan cấp kinh phí. NEXPRI có hai trung tâm: “Centre of Expertise” chuyên tài trợ cho những đề tài phát triển, ứng dụng GIS và phân tích không gian và trung tâm “Research Foundation” sắp xếp những nghiên cứu, huấn luyện về GIS để phối hợp với những đề tài tương tự khác ở Hà Lan. NEXPRI xác định bốn hướng nghiên cứu chính: Lý thuyết về phân tích không gian; Đánh giá định lượng về đất; Sự di chuyển của vật chất và ô nhiểm; Phát triển những phương pháp và kỹ thuật GIS. KHÁI NIỆM GIS TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA GIS Tại Việt Nam- Trung tâm Công Nghệ Thông Tin Địa Lý (Ditagis), Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM. Thành lập vào năm 1994, Trung tâm Công Nghệ Thông Tin Địa Lý (Ditagis) , Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đánh dấu sự phát triển GIS tại Việt Nam. Với chức năng chính là nghiên cứu và triển khai công nghệ thông tin và GIS vào các lĩnh vực như quy hoạch lãnh thổ, quản lý tài nguyên, môi trường,...; sản xuất các phần cứng, phần mềm liên quan; phát triển các dịch vụ khoa học và chuyển giao công nghệ như cung cấp thông tin, tư vấn trực tiếp, đào tạo nhân lực,... KHÁI NIỆM GIS TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA GIS Tại Việt Nam- Trung tâm Công Nghệ Thông Tin Địa Lý (Ditagis), Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM. Từ khi ra đời, Trung tâm đã thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu khoa học về GIS, triển khai thực hiện các dự án GIS trên hầu hết các tỉnh, thành trên cả nước. Ngoài ra, Trung tâm cũng đi đầu trong việc đào tạo và phát triển nguồn nhân lực về GIS cho xã hội. Các chương trình tào tạo từ bậc tiến sĩ đến trung cấp đã và đang được hình thành. Với những thành quả đạt được, Trung Tâm DITAGIS đã không ngừng phát triển về mọi mặt và luôn giữ vai trò là một Trung tâm đi đầu trong cả nước về lĩnh vực GIS. KHÁI NIỆM GIS MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 4.1. Các mô hình hệ thống thông tin địa lý Mô hình hệ thống 3 thành phần: phần cứng, phần mềm, con người. Mô hình hệ thống 4 thành phần: kỹ thuật (technoware) bao gồm phần cứng và phần mềm, thông tin (infoware), tổ chức (orgaware), con người (humanware). KHÁI NIỆM GIS MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 4.1. Các mô hình hệ thống thông tin địa lý Mô hình 5 thành phần: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, qui trình, con người . Mô hình 6 thành phần: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, qui trình, tổ chức, con người. KHÁI NIỆM GIS MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 4.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý Phần cứng. Phần cứng bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị thu thập, nhập, xuất, lưu trữ dữ liệu. Phần cứng hệ thống phải phù hợp với yêu cầu và mục đích sử dụng Trong quá trình xây dựng hệ thống thông tin địa lý, việc phân chia các giai đoạn là cần thiết nhằm tăng cường tính hiệu quả của quá trình khai thác hệ thống. KHÁI NIỆM GIS MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 4.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý Phần mềm. Phần mềm GIS bảo đảm đủ 4 chức năng của hệ thống thông tin địa lý là nhập, lưu trữ, phân tích và xử lý, hiển thị dữ liệu không gian, phi không gian. Phần mềm còn phải đáp ứng yêu cầu của hệ thống mở. Phần mềm của hệ thống cần được trang bị từng bước và phù hợp với chức năng, nhiệm vụ của từng vị trí trong hệ thống. Định dạng dữ liệu cũng là một vấn đề cần được quan tâm khi trang bị phần mềm GIS. KHÁI NIỆM GIS MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 4.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý Dữ liệu. Cơ sở dữ liệu GIS, bao gồm dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian, là một thành phần quan trọng trong các hệ thống thông tin địa lý. Dữ liệu GIS được thu thập, lưu trữ theo một cấu trúc chuẩn, có thể liên thông trên mạng và được bảo quản theo một chế độ nhất định. Dữ liệu GIS cần được cập nhật thường xuyên và phải được tổ chức lưu trữ theo một mô hình cơ sở dữ liệu được thiết kế phục vụ cho công tác lưu trữ, quản lý, truy vấn và hiển thị dữ liệu KHÁI NIỆM GIS MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 4.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý Dữ liệu. Dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý hành chánh nhà nước là một loại tài nguyên quốc gia, trong đó có những loại dữ liệu phổ biến, những loại dữ liệu chia sẻ có điều kiện và những loại dữ liệu không thể chia sẻ theo qui định bảo mật của nhà nước. Cơ sở dữ liệu GIS có thể được quản lý trên mạng theo mô hình tập trung hay phi tập trung. KHÁI NIỆM GIS MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 4.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý Dữ liệu. Cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý bao gồm hai phần chính là cơ sở dữ liệu nền và cơ sở dữ liệu chuyên ngành. Cơ sở dữ liệu nền bao gồm những lớp dữ liệu cần thiết cho hầu hết các hệ thống thông tin địa lý như dữ liệu về lưới tọa độ, dữ liệu về giao thông, dữ liệu về thủy văn, dữ liệu về độ cao, dữ liệu về hành chánh, dữ liệu về giải thửa, v.v... Cơ sở dữ liệu chuyên ngành bao gồm dữ liệu của các thực thể chuyên ngành như các cơ sở dữ liệu chuyên ngành về tài nguyên thiên nhiên, môi trường, sử dụng đất, cơ sở hạ tầng kỹ thuật, các chuyên ngành kinh tế xã hội. KHÁI NIỆM GIS MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 4.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý Quy trình Các qui trình xử lý tác nghiệp được nhà phân tích thiết kế hệ thống xác lập khi xây dựng hệ thống. Các quy trình tối thiểu của một hệ thống thông tin địa lý: qui trình nhập dữ liệu, qui trình lưu trữ, bảo quản dữ liệu, qui trình truy vấn dữ liệu, qui trình xuất dữ liệu và qui trình hiển thị dữ liệu. KHÁI NIỆM GIS MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 4.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý Tổ chức Tùy theo mục đích và qui mô triển khai, hệ thống thông tin địa lý được tổ chức theo một cơ chế nhất định và phát huy tính hiệu quả của hệ thống và đạt được mục tiêu. Tổ chức GIS tạo điều kiện để xây dựng một sự hợp tác trong nội bộ một chuyên ngành và giữa các chuyên ngành với nhau nhằm thiết lập sự liên thông, trao đổi dữ liệu. KHÁI NI