Bài giảng Cơ sở Hệ thống thông tin Địa lý

giữa kỳ; Phải cĩ bài thi cuối mơn học.  [1] Trần Trọng Đức, 2010, GIS Căn bản, Nhà xuất bản đại học quốc gia TP.HCM.  [2] Hà Quang Hải, Trần Tuấn Tú, 2007, Bản đồ học và Hệ thống Thơng tin Địa lý, NXB ĐHQG TP HCM.  [3] Nguyễn Thế Thận, 2002, Cơ sở hệ thống thơng tin địa lý, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.  [4] Trần Vĩnh Phước, 2003, GIS Đại Cương-Phần thực hành, Nhà xuất bản đại học quốc gia TP.HCM. TÀI LIỆU THAM KHẢO  Ứng dụng GIS trong quản lý tài nguyên rừng  Ứng dụng GIS trong quản lý chất thải rắn  Ứng dụng GIS trong quản lý vùng bờ  Ứng dụng GIS đánh giá ảnh hưởng của hoạt động du lịch đến mơi trường ven biển  Ứng dụng GIS trong đánh giá xĩi mịn  Ứng dụng GIS trong đánh giá ngập úng đơ thị  Ứng dụng GIS trong đánh giá thích nghi đất đai.  Ứng dụng GIS trong quản lý hạ tầng đơ thị  . 26-Sep-13 Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM NỘI DUNG Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Thơng tin địa lý? 1 Lịch sử phát triển GIS 2 Định nghĩa GIS 3 Các thành phần GIS 4 Chức năng, ứng dụng & kỹ thuật 5 Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Là thơng tin về những vị trí trên bề mặt Trái đất  Các nguồn tự nhiên:  Đất, nước, thực vật vv...  Cơ sở hạ tầng:  Đường xá, cầu cống, cơ sở hạ tầng  Vị trí kinh tế chính trị, các đường biên giới :  Đơ thị, nhà máy, trường học.  Các thống kê về:  Dân số, tội phạm Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Thơng tin địa lý là những thơng tin về các thực thể tồn tại tại một vị trí xác định trên bề mặt trái đất ở một thời điểm nào đĩ.  Thơng tin địa lý giúp chúng ta nhận biết được thuộc tính của một thực thể tồn tại ở đâu và vào lúc nào.  VD: thơng tin về siêu thị, bệnh viện, trường học, mạng tuyến xe buýt, thời tiết, vùng nơng nghiệp Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Thơng tin cĩ thể rất chi tiết, ví dụ:  Thơng tin về những vị trí ngơi nhà trong thành phố.  Thơng tin về những cây riêng biệt trong khu rừng.  Cĩ thể mang tính tổng quát (rộng), ví dụ:  Khí hậu trong vùng rộng lớn.  Mật độ dân số một quốc gia.  Thơng tin thể hiện phân giải địa lý của chúng khác nhau Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Theo (Rhind 1990)  1. Vị trí - Ở đâu ?  Thơng tin liên quan tới vị trí (Tọa độ x, y, z, v)  2. Điều kiện - Cái gì (ở vị trí đĩ)?  Thơng tin về tính chất của thực thể, hiện tượng  3. Xu hướng-Nĩ thay đổi như thế nào ?  Thơng tin về sự biến đổi thời gian – khơng gian  4. Tối ưu - vị trí tốt nhất –con đường ngắn nhất?  Thơng tin tối ưu  5. Tiêu chuẩn – mẫu – Nhận dạng nĩ là gì?  Tiêu chuẩn (mẫu) của một nhĩm thơng tin  6. Mơ hình hĩa – Nếu... ?  Thơng tin dự báo Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Việt nam ở vị trí nào ?  Vị trí màu đỏ là nước nào ?  Việt nam bên cạnh nước nào ? Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Tập hợp thơng tin địa lý được nghi thức, lưu trữ trong máy tính  Mơ tả những thực thể cĩ vị trí.  Ghi nhận những thơng tin vị trí.  Những thơng tin về đặc điểm là các thuộc tính của thực thể  Mơ hình dữ liệu  Tập hợp nguyên tắc sử dụng tổ chức dữ liệu trong CSDL Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Trả lời cho câu hỏi vị trí ?  Được thể hiện trên bản đồ và GIS dưới dạng điểm (point), đường (line) hoặc vùng (polygon).  Đối tượng mà vị trí của nĩ được xác định trên bề mặt Trái đất.  Luơn được xây dựng trên một hệ thống tọa độ.  Trả lời - nĩ là cái gì?  Đặc điểm, tính chất của đối tượng - chiều dài, rộng của con đường, độ cao của cây rừng vv  Liên kết với dữ liệu khơng gian trong CSDL. Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Nĩ tồn tại khi nào?  Thời điểm tồn tại hay xuất hiện của đối tượng.  Các thơng tin khơng gian và thơng tin thuộc tính cĩ thể biến đổi khơng phụ thuộc vào nhau tương đối theo thời gian. Ví dụ:  Thuộc tính cĩ thể thay đổi theo thời gian mà vẫn giữ nguyên tọa độ của mình.  Tọa độ cĩ thể thay đổi mà vẫn giữ nguyên thuộc tính của chúng.  Việc hiểu rõ tính chất này của mối quan hệ các thơng tin cho phép dễ dàng phân tích các hiện tượng động lực trong khơng gian địa lý. Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Sinh viên tự đọc-trang 122- “Bản đồ học & Hệ thống thơng tin địa lý” Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Tĩm tắt quá trình phát triển của GIS - Đầu thập niên 60: hệ thống thơng tin địa lý ra đời và được sử dụng trong các cơ quan địa chính của Canada. - Hai thập niên 60-70: GIS chỉ được một vài cơ quan chính quyền khu vực Bắc Mỹ quan tâm nghiên cứu - Đầu thập niên 80: GIS ngày càng được quan tâm và phát triển mạnh trên cơ sở:  Sự phát triển mạnh của phần cứng máy tính với những tính năng cao, giá thành rẻ  Kết quả của các thuật tốn nhận dạng, xử lý ảnh  Sự phát triển nhanh về lý thuyết và ứng dụng cơ sở dữ liệu  Nhu cầu cần thiết về thơng tin. - Cuối thế kỷ 20, trên thế giới hình thành nhiều cơ quan nghiên cứu GIS với quy mơ lớn. 26-Sep-13  Con người muốn mơ hình Thế giới  Bản đồBản đồ máy tínhGIS Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  The common ground between information processing and the many fields using spatial analysis techniques. (Tomlinson, 1972)  A powerful set of tools for collecting, storing, retrieving, transforming, and displaying spatial data from the real world. (Burroughs, 1986)  A computerised database management system for the capture, storage, retrieval, analysis and display of spatial (locationally defined) data. (NCGIA, 1987)  A decision support system involving the integration of spatially referenced data in a problem solving environment. (Cowen, 1988) Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Theo quan điểm ứng dụng GIS: GIS là một hộp cơng cụ mạnh được dùng để thu thập, lưu trữ, truy vấn, phân tích và hiển thị dữ liệu khơng gian từ thế giới thực cho những mục tiêu đặc biệt.  Theo quan điểm những chức năng của một hệ GIS: GIS là một hệ thống gồm 4 khả năng xử lý dữ liệu sau: thu thập, lưu trữ và truy vấn, phân tích và hiển thị dữ liệu.  Theo quan điểm hệ thống thơng tin: GIS là một hệ thống máy tính gồm phần cứng, phần mềm và các thiết bị ngoại vi dùng để thu thập, lưu trữ, truy vấn, phân tích và hiển thị dữ liệu. Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Ủy ban tọa độ quốc gia liên ngành về bản đồ số của Mỹ, 1988 định nghĩa:  Hệ thống thơng tin địa lý là tập hợp Phần cứng, phần mềm và các thủ tục  để lưu trữ, quản lý, điều khiển, phân tích, mơ hình hĩa và hiển thị dữ liệu địa lý  nhằm Giải quyết các vấn đề quản lý và qui hoạch phức tạp. Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Vị trí khơng gian – Vị trí địa lý  Thơng tin – Phân tích dữ liệu trực quan  Hệ thống – Liên kết phần mềm, phần cứng, dữ liệu  Phân tích – Tạo ra những thơng tin mới là sức mạnh của HTTTĐL Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Hợp nhất và miêu tả nhiều loại dữ liệu  Thực hiện mơ phỏng, mơ hình  Vấn đáp, chất vấn  Phân tích dữ liệu  Tạo ra những sản phẩm dẫn xuất  HTTTĐL là cơng cụ phân tích Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Hệ thống định vị tồn cầu (GPS – Global Positioning System)  Bản đồ tĩnh (A static map – paper or digital)  Những bản đồ thường là “sản phẩm” của HTTTĐL  Phương pháp trực quan trong phân tích  Các gĩi phần mềm (A software package) Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Phần cứng.  Phần mềm.  Dữ liệu.  Con người.  Phương pháp. Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Các thiết bị sử dụng trong các thao tác HTTTĐL.  Máy tính  Máy in  Màn hình  Thiết bị nhập dữ liệu  Hệ thống lưu trữ Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Bàn số hĩa: Đã từng là một trong những thiết bị thơng dụng để nhập dữ liệu đưa vào GIS. Bản đồ giấy được đặt cố định lên trên mặt bàn số hĩa. Một thiết bị đặc biệt, gọi là cursor hoặc puck, được sử dụng để vẽ theo các đường trên bản đồ giấy. Phía dưới mặt bàn số hĩa là một lưới dây điện cho phép ghi nhận vị trí x, y của curror. Bàn số hĩa cĩ kích thước thay đổi từ A4 đến A0 và cĩ độ chính xác đến ± 0,006mm. Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Máy quét: Sử dụng thiết bị cảm ứng ánh sáng – CCD để phát hiện sự khác biệt mức độ từ các phần tử trên ảnh hoặc bản đồ giấy. Cĩ 2 loại máy quét  Máy quét nền phẳng: là loại máy đơn giản và thơng dụng nhất. Bản đồ hoặc ảnh cần quét được đặt trên một nền thủy tinh phẳng, cứng, thiết bị cảm ứng ánh sáng sẽ di chuyển phía trên bề mặt ảnh để ghi nhận mức độ sáng của các phần tử ảnh.  Máy quét trống xoay: bản đồ hoặc ảnh được đặt lên trên 1 trục hoặc trống xoay. Bản đồ được số hĩa dựa trên sự xoay trịn của trống và sự dịch chuyển của bộ cảm ứng điện từ. Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Cung cấp những chức năng và những cơng cụ cần thiết để nhập, lưu trữ, phân tích và hiển thị thơng tin địa lý :  Nhập và thao tác với thơng tin địa lý  Giao tiếp lưu trữ và quản trị cơ sở dữ liệu.  Cho phép phân tích, thể hiện, chuyển đổi dữ liệu.  Cho phép giao tiếp đồ họa với người sử dụng  Phục vụ truy xuất, trình bày dữ liệu. Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Một thành phần quan trọng GIS.  GIS tích hợp dữ liệu trong GIS nhằm tổ chức và duy trì dữ liệu khơng gian và thuộc tính.  Cơ sở phân tích.  Người sử dụng cần những kiến thức sâu sắc về dữ liệu sử dụng. Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Dữ liệu thuộc tính Dữ liệu khơng gian Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Dữ liệu thuộc tính  Trường thuộc tính (Field)  Đối tượng thuộc tính (Record) Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Dữ liệu khơng gian  Điểm  Đường  Vùng Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Dữ liệu khơng gian  Điểm  Đường  Vùng Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Dữ liệu khơng gian  Điểm  Đường  Vùng Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Dữ liệu trong GIS được thu thập, lưu trữ, tổ chức theo một cấu trúc chuẩn tạo thành cơ sở dữ liệu. CSDL gồm 2 phần chính - CSDL nền, gồm bao gồm những lớp dữ liệu cần thiết cho hầu hết các hệ thống thơng tin địa lý như lưới tọa độ, giao thơng, thủy văn, độ cao, hành chánh - CSDL chuyên ngành, gồm các lớp dữ liệu được sử dụng cho từng chuyên ngành như TNTN, mơi trường, địa chính  Quản lý và phát triển hệ thống GIS phục vụ yêu cầu thực tế.  Các chuyên gia  Người thiết kế và duy trì hệ thống  Người sử dụng để trợ giúp thực hiện những cơng việc Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Người dùng trong hệ thống chia làm 3 nhĩm - Nhĩm 1 – những người quản trị hệ thống, tiếp nhận, phân tích các yêu cầu, bài tốn của những người dùng ngồi hệ thống, lập giải thuật để giao cho nhĩm 2 thực hiện. - Nhĩm 2 – chuyên viên kỹ thuật GIS, thực hiện các bài tốn do nhĩm 1 giao trên cơ sở dữ liệu sẵn cĩ hoặc phải xây dựng quy trình thu thập bổ sung. - Nhĩm 3 – kỹ thuật viên GIS, làm việc trực tiếp với các thiết bị phần cứng, phần mềm để thu thập, nhập, lưu trữ, hiển thị dữ liệu hoặc thực hiện những tác nghiệp thường xuyên. Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Nhân lực trong hệ thống thơng tin địa lý được phân bố theo sơ đồ hình tháp.  Nhĩm một cĩ số lượng người tham gia ít nhất và nhĩm 3 cĩ số lượng người tham gia nhiều nhất. Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Nhóm một Nhóm hai Nhóm ba  Qui mơ hệ GIS  Cách thức thực hiện  Các chu trình thực hiện  Liên kết đa ngành Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Hệ thống định vị tồn cầu - (Global Positioning Systems - GPS) Viễn thám (Remote Sensing - RS) Hệ thống thơng tin địa lý (GIS) Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Hệ thống định vị tồn cầu - (Global Positioning Systems - GPS) Viễn thám (Remote Sensing - RS) Hệ thống thơng tin địa lý (GIS) Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM THU THẬP LƯU TRỮ PHÂN TÍCH PHÂN TÍCH HIỂN THỊ XUẤT Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Thu thập dữ liệu Lưu trữ dữ liệu Phân tích dữ liệu Dữ liệu số Dữ liệu số Thông tin Dữ liệu từ thế giới thực Dữ liệu là thành phần quan trọng và tồn tại lâu bền trong hệ thống thơng tin địa lý. Trong giai đọan đầu dữ liệu GIS chủ yếu được khởi tạo từ nguồn bản đồ giấy, và các bản biểu, số liệu ghi nhận trên giấy qua các cơng đoạn số hĩa bản đồ và nhập liệu. Tuy nhiên, thế mạnh của GIS nằm ở khả năng tích hợp GPS (Global position system) và RS (Remote sensing). Ngồi ra, GIS cũng sử dụng một số cơng nghệ thu thập dữ liệu khác như hệ thống thu thập dữ liệu tự động (SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition), . . . . Dữ liệu cĩ thể được cung cấp từ bản đồ giấy, số liệu ghi nhận trên giấy, ảnh vệ tinh hoặc ảnh máy bay, các thiết bị đo đạc kỹ thuật số, các thiết bị định vị mặt đất, các thiết bị định vị vệ tinh Ảnh vệ tinh LANDSAT chụp khu vực Quy Nhơn CSDL GIS (geodata file) Mô hình một người sử dụng CSDL GIS (geodatabase) Mô hình nhiều người sử dụng SERVER LAN INTERNET CSDL GIS (geodatabase) CSDL GIS (geodatabase) Mô hình mạng toàn cầu SDE IMS Dữ liệu khơng gian của các thực thể trong thế giới thực được biểu diễn theo mơ hình vector hoặc raster. - Mơ hình vector – biểu diễn các đối tượng địa lý trên mặt đất bằng những điểm, đường, vùng trong mặt phẳng tọa độ Descartes. - Mơ hình raster - biểu diễn các đối tượng khơng gian bằng các ơ lưới hình vuơng (hoặc hình chữ nhật) cĩ kích thước bằng nhau gọi là pixel. Vị trí pixel được xác định bằng tọa độ (x,y) là số thứ tự của hàng, cột của pixel.  Cấu trúc Vector  Cấu trúc Rastor  Phân tích trên dữ liệu thuộc tính Các phân tích này liên quan đến các phân tích thống kê, các truy vấn được thực hiện trên dữ liệu thuộc tính trong cơ sở dữ liệu GIS và khơng liên quan đến dữ liệu khơng gian.  Phân tích trên dữ liệu khơng gian Các phân tích này liên quan đến các phép tốn chỉ cĩ thể được thực hiện trên các vị trí, các đối tượng trên bản đồ. Thuật tốn phân tích trên 1 lớp (Single Layer Operations) – xử lý dữ liệu trên 1 lớp như thuật tốn buffer - Thuật tốn phân tích trên nhiều lớp (Multiple Layer Operations) – xử lý dữ liệu trên nhiều lớp dữ liệu khơng gian như union, intersect, identify - Mơ hình hĩa khơng gian (Spatial Modeling) bao gồm những thuật tốn nội suy khơng gian, v.v. . . - Phân tích mẫu điểm (Point Pattern Analysis) thực hiện các thuật tốn phân tích số đơng trên những lớp dữ liệu khơng gian điểm. - Phân tích mạng (Network Analysis) là những thuật tốn phân tích khơng gian nhằm giải hai loại bài tốn: (1) cấu trúc kết nối giữa các thực thể được biểu diễn như những đường; (2) chuyển động trong hệ thống xuyên qua được những liên kết. - Phân tích bề mặt (Surface Analysis) bao gồm những thuật tốn phân tích, cần đến thứ nguyên thứ ba của những biến phân bố trong khơng gian. Là chức năng của GIS nhằm hiển thị những kết quả truy vấn hoặc phân tích khơng gian, sử dụng những ký hiệu, biểu tượng gần với ngơn ngữ của con người giúp người dùng ngồi hệ thống dễ tiếp cận với những kết quả của hệ thống  Hệ thống định vị tồn cầu - (Global Positioning Systems - GPS)  Hệ thống vệ tinh quĩ đạo Trái Đất cĩ thể cung cấp vị trí trên bề mặt với độ chính xác (100met tới dưới 1 cm.) Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Viễn thám (Remote Sensing - RS)  Sử dụng vệ tinh thu nhận thơng tin bề mặt Trái Đất  Hệ thống thơng tin địa lý (GIS)  GPS & RS là nguồn dữ liệu đầu vào cho GIS.  GIS tổ chức,duy trì, phân tích dữ liệu Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM  Tại sao ứng dụng GIS?  80% động hoạt yêu cầu cơ sở thơng tin địa lý  Đất đai, phân vùng, đơ thị (đường xá, cấp nước, đường cống), Thu gom rác, Chủ quyền nhà vv...  Đĩng gĩp quan trọng  Quản lý nguồn tài nguyên tự nhiên  Hệ thống giao thơng Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM KH Địa lý GIS Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Khoa học máy tính Ứng dụng Quản lý. Qui hoạch Địa chất Khai khống Rừng Chọn vị trí Thị trường Thiết kế Tội phạm Đa đạc Bản đồ học Đo đạc Trắc lượng ảnh Cảnh quan Thống kê khơng gian Đồ họa Hiển thị CSDL Quản trị hệ thống An ninh  Địa lý  Giao thơng  Lâm nghiệp  Nơng nghiệp – Trang trại  Những tiện ích  Bản đồ học  Viễn thám  Trắc lượng ảnh  Thống kê  Tốn học  Khoa học máy tính Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM Đinh Quang Tồn – Khoa Mơi trường – ĐH TDM