HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ Bài 1: Giới thiệu Hệ Thơng tin Địa lý - GIS 1 Tóm tắt q trình phát triển kỷ ngun thơng tin & Hệ Thông tin Địa lý – GIS    􀂆 Kỷ ngun thơng tin xem đượ c bắt đầ u với sử dụng thẻ đụ c lỗ để lập trình văn hoa dệt Pháp cuối năm 1800 􀂆 Cuộc tổng điều tra dân số Mỹ năm 1890 sử dụng công nghệ thẻ đụ c lỗ máy đọ c thẻ học để thống kê kết điều tra 􀂆 Năm 1936 hội nghị hiệp hội nhà đị a lý Mỹ nêu cần thiết phải phát triển tiếp cận lượ ng giải vần đề dựa đồ 2/25 Tóm tắt q trình phát triển kỷ ngun thông tin & Hệ Thông tin Địa lý – GIS    􀂆 Ba yếu tố quan trọng dẫn tới hình thành cơng nghệ đồ kỹ thuật số đồ học vi tính năm 1960 là: Sự hoàn thiện kỹ thuật ngành đồ Sự phát triển nhanh chóng cơng nghệ vi tính kỹ thuật số Sự phát triển nhanh kỹ thuật xử lý không gian 􀂆 Vào năm 1960, Bộ Y tế Bộ Lâm nghiệp Hoa Kỳđã phát triển kỹ thuật máy tính để nghiên cứu chất lượng nước vấn đề thuỷ văn 􀂆 Cục Thống kê Mỹ tiên phong lĩnh vực sửdụng máy tính phân tích số liệu Năm 1969, Ian McHarg viết Thiết kế với Tự nhiên (Design with Nature) nêu phươ ng pháp chập lớp đồ giải tốn lựa chọn địa điểm (site selection) phân tích phù hợp (suitability analysis) Nhi ềuph ần mềm máy tính ứng dụng quy hoạch đô thị đờirên khắp giới vào cuối năm 1960 3/25 Tóm tắt q trình phát triển kỷ ngun thơng tin & Hệ Thông tin Địa lý – GIS    􀂆 GIS đượ coi GIS Canada (Canada Geographical c Information System – CGIS) hình thành vào năm 1960 chương trình phục hồi đất nơng nghiệp Hệ thống phân tích liệu đất đai Canada để xác định khu vực đất thứ yếu gây vấn đề môi trường CGIS dẫn đến phát triển máy scanner điện tửđầu tiên giới dùng để chuyển đổi đồ giấy thành dạng liệu số Vì vậy, GIS giới gắn liền với nghiên cứu môi tr ường 􀂆 Các hệ thống GIS khác Hệ thống thông tin tài nguyên sử dụng đất New York, hệ thống thông tin quản lý đất đai Minnesota 􀂆 Đ n cuối năm 1970 Viện nghiên cứu hệ thống môi ế trường (ESRI) đời Canifornia vàđã phát hành sản ph ẩm Arc/Info –đây coi sản phẩm thương mại tr ọn gói GIS giới 4/25 Nhược điểm liên quan đến sử dụng đồ giấy truyền thống 􀂆 Việc sử dụng đồ giấy thơng thường có loạt nhược điểm cho người sử dụng việc thể hiện, thao tác, xử lý liệu thơng tin, cụthểnhư: Khơng có khả thay đổi tỷ lệ đồ (vì tỷ lệ cốđịnh đồ in ra), Khơng có khả hiển thị lớp thơng tin chuyên đề (layer) riêng mà ng ười sử dụng quan tâm, Khó khăn việc chuyển đổi từ hệ toạđộ sang hệ toạđộ khác, Việc cập nhật thơng tin vào đồ khó khăn nhiều thời gian, Khó khăn việc thực phân tích số, lượng, Khu vực quan tâm ln ln nằm vị trí giao đồ (vấn đề biết đến là‘luật Murphy’), Khơng có khả thay đổi cách hiển thị đối tượng, đặc điểm vẽ, Sản xuất đồ theo nhu cầu riêng vô tốn 􀂆 Các nhà nghiên cứu quản lý tài nguyên nhận r ằng c ần thi ết phải cải thiện phương pháp xử lý thông tin địa lý, điều dẫn tới đời GIS  5/25 Các khái niệm sở  Một vài đị nh nghĩa sở   Địa lý (geo – Trái đất, graphy – mơ tả): tiến trình mô tả Trái đất Thông tin địa lý:       Là thông tin vị trí bề mặt Trái đất Tri thức đâu (where something is) Tri thức (what) vị trí biết trước Chúng chi tiết: thơng tin ngơi nhà thành phố, rừng Chúng thơ: thời tiết vùng rộng lớn, mật độ dân số quốc gia Các đặc trưng khác thông tin địa lý bao gồm:   Thông thường tương đối tĩnh (các đặc trưng tự nhiên, đặc trưng lồi người tạo khơng thay đổi nhanh); có thơng tin tĩnh thể tờ đồ giấy Thơng tin có khối lượng lớn (một vệ tinh gửi thông tin tới terabyte – 1012 byte/ngày, dung lượng thông tin mạng lưới đường phố US chiếm tới gigabyte – 109 byte) 6/25 Các khái niệm sở  Công nghệ thông tin đị a lý (Geographic Information Technologies)    GPS – Global Positioning System (tươ ng tự GLONASS Nga)    Là hệ thống vệ tinh bay quanh Trái đất gửi tín hiệu xác Các thiết bị điện tử đặc biệt mặt đất thu nhận tín hiệu này, cho lại vị trí bề mặt trái đất (trong hệ thống kinh/vĩ độ hay hệ thống tọa độ chuẩn khác) Viễn thám (Remote sensing)    Là công nghệ thu thập, xử lý chia sẻ thông tin địa lý Có loại chính: GPS, Viễn thám GIS Sử dụng vệ tinh Trái đất để thu thập thông tin bề mặt khí Các tín hiệu vệ tinh trạm vệ tinh thu mặt đất chuyển sang ảnh số GIS - Geographic Information System Hệ thông tin địa lý (HTTĐL)- Geographical information system ( GIS) lµ mét tỉ chøc tỉng thĨ cđa hợp phần: phần cứng máy tính, phần mềm, t liệu địa lý ngời điều hành đợc thiết kế hoạt động cách có hiệu nhằm tiếp nhận, lu trữ, điều khiển, phân tích hiển thị toàn dạng liệu địa lý HTTĐL có mục tiêu xử lý hệ thống liệu môi trờng không gian địa lý (Viện nghiên cứu môi trêng Mü - 1994) 7/25 Các khái niệm sở  GIS gì?   GIS viết tắt từ “Geographic Information System” Hệ thống nhóm thực thể liên kết hoạt động để giải vấn đề   Hệ thống thông tin tập tiến trình hoạt động liệu thơ để sản sinh thông tin hỗ trợ lập định    xe ơtơ hệ thống phụ kiện hoạt động để vận tải hệ thống thơng tin có nhiều hoạt động từ quan sát, đo đạc, mô tả, diễn giải, dự báo lập định có nhóm chức năng: chế tác, truy vấn, sửa đổi, hiển thị Hệ thống thông tin địa lý (GIS) sử dụng liệu tham chiếu địa lý, liệu phi không gian thao tác hỗ trợ phân tích khơng gian   mục tiêu chung GIS: lập định, quản lý đất đai, tài nguyên, giao thông, thương mại, đại dương hay thực thể phân bổ không gian kết nối phần tử hệ thống địa lý, thí dụ, vị trí, xấp xỉ, phân bố khơng gian 8/25 Cấu trúc hệ thống thông tin địa lý HTTĐL bao gồm hợp phần nh sau: tài liệu không gian, ngời điều hành, phần cứng, phần mềm Phần GIS mềm công cụ (Esri) CSDL Trừu tượng hóa hay đơn giản hóa KÕt qu¶ 9/25 Cấu trúc hệ thống thông tin địa lý Dữ liệu không gian: - Dữ liệu không gian đến từ nhiều nguồn, có nguồn t liệu sau: số liệu tính toán thống kê, báo cáo, quan trắc thực địa, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, đồ giấy (dạng analog) Kỹ thuật đại viễn thám HTTĐL có khả cung cấp thông tin không gian bao gồm thuộc tính địa lý, khuôn dạng liệu, tỷ lệ đồ số liệu đo đạc Việc tích hợp t liệu địa lý từ nhiều nguồn khác đặc điểm phần mềm HTTĐL - Thông thờng, t liệu không gian đợc trình bày dới dạng đồ giấy với thông tin chi tiết đợc tổ chức file riêng Các t liệu không đáp ứng đợc nhu cầu t liệu không gian lý sau: + Đòi hỏi không gian lu trữ lớn, tra cứu khó khăn + Các khuôn dạng lu trữ truyền thống thờng không tơng thích với tiêu chuẩn liệu * Nh vậy, HTTĐL phát triển đặc biệt để sử dụng công nghệ nghƯ tht m¸y tÝnh viƯc xư lý t liƯu không gian dạng số 10/25 Cu trỳc mt h thống thơng tin địa lý   PhÇn mỊm Mét hệ thống phần mềm xử lý HTTĐL yêu cầu phải có hai chức sau: tự động hoá đồ quản lý sở liệu Sự phát triển kỹ thuật HTTĐL đại liên quan đến phát triển hai hợp phần - Tự động hoá đồ: đồ học môn khoa học, nghệ thuật kỹ thuật thành lập đồ Do đó, tự động hoá đồ thành lập đồ với trợ giúp máy tính Một đồ thể đồ họa mối quan hệ không gian hình dạng (Pobinson NNK, 1984) đồ mô hình hoá thực tế theo tỷ lệ định - Quản lý liệu: chức thứ hai phần mềm HTTĐL hệ thống quản lý liệu (data base management system DBMS) Hệ thống TTĐL phải có khả điều khiển dạng khác liệu địa lý đồng thời quản lý hiệu khối lợng lớn liệu với trật tự rõ ràng Một yếu tố quan trọng phần mềm HTTĐL cho khả liên kết hệ thống việc tự động hóa đồ quản lý sở liệu 15/25 M rng 16/25 Nhn biết GIS nào?  Cần phân biệt ý nghĩa câu hỏi “đó có phải GIS?”    GIS ứng dụng, bao gồm phần cứng, phần mềm, liệu, phương pháp người để giải vấn đề  Ứng dụng GIS GIS loại phần mềm nhà tin học phát triển, tương tự Word, Excel GIS ứng dụng   Phần cứng GIS tương tự máy tính bổ sung thiết bị khác máy in, máy vẽ khổ rộng, thiết bị nhập liệu bàn số hóa, máy qt Loại thơng tin quan trọng GIS lưu trữ    GIS bao gồm công cụ thao tác liệu địa lý    thông tin what is where: nội dung đồ ảnh chụp liệu GIS lưu trữ máy tính bao gồm đồ ảnh Các chức hiển thị, sửa đổi, đo khoảng cách, diện tích Các chức phức tạp hơn: thống kê không gian, quản lý cơng trình cơng cộng, hỗ trợ lập định, lập kế hoạch, dự báo tương lai GIS phần mềm   Thực chức thành phần phần mềm máy tính -> GIS phần mềm máy tính Chúng hãng phần mềm cung cấp với giá từ 50 – 50000 USD  Các hãng chuyên GIS, hãng phần mềm khác có cung cấp phần mềm GIS 17/25 Sử dụng GIS để làm gì?  Các cơng ty cơng trình cơng cộng    cơng ty điện thoại, điện lực, nước, truyền hình cáp cơng ty có hàng trăm ngàn khách hàng: khách hàng nối vào mạng, có hàng trăm km đường dây dẫn hay đường ống mặt đất công ty nhận hàng trăm gọi bảo trì ngày, họ cần   theo dõi hoạt động, quản lý thông tin what is where, cập nhật liệu, giao nhiệm vụ cho nhân viên, cung cấp thông tin cho công ty khác Giao thông vận tải  quan quản lý giao thông vận cần:      quản lý hệ thống tín hiệu giao thơng; trạng thái mặt đường cao tốc; phân tích liệu tai nạn đường bộ, đường sắt lái xe trường học cần kế hoạch đưa đón học sinh người bán hàng cần hệ thống tìm đường, định vị xe ơtơ hãng chuyển phát nhanh (FedEx) cần theo dõi hành trình hàng hóa nghiên cứu tập trung vào: quản lý đường lập lịch GIS 18/25 Sử dụng GIS để làm gì?  Nơng nghiệp  sử dụng đồ chi tiết ảnh vệ tinh để lập kế hoạch mùa màng     lập kế hoạch sử dụng hiệu thuốc trừ sâu, phân bón phân tích sản lượng thu hoạch kỹ thuật gọi “nơng nghiệp xác” Lâm nghiệp   theo dõi phát triển loài rừng đâu lập kế hoạch khai thác rừng    khai thác loại gỗ mong muốn phải giữ tài nguyên rừng cho tương lai lập kế hoạch vị trí đường đi, phương pháp khai thác vận chuyển gỗ để tuân thủ qui định môi trường quản lý khía cạnh khác: trồng rừng 19/25 Các câu hỏi mà GIS trả lời   GIS đầ y đủ trả lời câu hỏi sau cho ứng dụng khác location   condition   What has changed since ? Tìm khác biệt theo thời gian vùng patterns   Where is it? Tìm vị trí thỏa mãn số điều kiện (vùng khơng có rừng diện tích 2000m2 xa đường quốc lộ 100m loại đất phù hợp cho xây dựng nhà) trends   What is at ? Tìm tồn vị trí cụ thể Vị trí thể tên, mã bưu điện hay tọa độ địa lý (kinh/vĩ độ) What spatial patterns exist? Tìm nơi không phù hợp mẫu (cancer nguyên nhân chết người dân gần nhà máy nguyên tử?) modeling  What if ? Câu hỏi xác định xảy có đường mở hay chất độc thải vào nguồn nước Để trả lời câu hỏi địi hỏi thơng tin địa lý thông tin khác 20/25 GI-System, -Science, -Study  Hành độ ng “doing GIS” gì?  sử dụng công cụ hệ thông tin địa lý để giải vấn đề nói    hay có nghĩa phát triển công cụ   bổ sung vào công nghệ thơng tin địa lý có hay xây dựng công cụ nghiên cứu lý thuyết quan niệm công nghệ thông tin địa lý   Dự án GIS có giai đoạn:  xác định vấn đề;  tìm kiếm liệu;  xây dựng CSDL;  thực phân tích;  diễn giải biểu diễn kết Từ khía cạnh này: GIS= Geographic Information System vậy, GIS = Geographic Information Science nghiên cứu khía cạnh xã hội thông tin địa lý  vậy, GIS = Geographic Information Study  kinh tế thông tin địa lý  ngữ cảnh hợp qui luật  nhiệm vụ riêng, bảo đảm 21/25 Khoa học thông tin địa lý  Là khoa học hỗ trợ cho công nghệ   xem xét câu hỏi sử dụng hệ thống công nghệ đưa Là đa lĩnh vực  nhiều lĩnh vực đóng góp vào nhiệm vụ     Công nghệ thông tin địa lý truyền thống: đồ học (cartography), viễn thám (remote sensing), đo đạc (geodesy), quan trắc (photogrammetry) Công nghệ thông tin số truyền thống: khoa học máy tính (CSDL, xử lý ảnh, nhận dạng mẫu, đồ họa máy tính ) địa tin học: ‘geomatics’ (Canada, châu Âu) ‘geoinfomatics’ (Mỹ) có ý nghĩa khái niệm ‘spatial’ hay ‘geographic’    ‘geographic’ liên quan đến Trái đất: bề mặt hai chiều; khí quyển, đại dương, lớp bề mặt 3D ‘spatial’ đề cập đến cấu trúc đa chiều nào: ảnh y tế thể người; vẽ thiết kế khí; vẽ kiến trúc nhà ‘geographic’ tập ‘spatial’: thường sử dụng thay cho nghiên cứu GIS 22/25 GIS hệ thông tin khác 23/25 Các vấn đề GIScience  Vấn đề trình diễn  độ phức tạp bề mặt Trái đất vô hạn, phải định     tiêu chí sử dụng để chọn lựa biểu diễn?   thu thập trình diễn hệ thống số nào? lấy mẫu đâu nào? khuôn mẫu liệu sử dụng? độ xác trình diễn; giảm thiểu khối lượng liệu; cực đại hóa tốc độ tính tốn; tương thích với dự án, phần mềm người sử dụng khác; tương thích với cách suy nghĩ người giới Vấn đề đánh giá trình diễn   cách để đo độ xác, thiếu hụt trình diễn biểu diễn theo quan điểm người sử dụng  mô tả tài liệu, hiển thị hình, mơ tác động chúng nào? 24/25 Các vấn đề GIScience  Vấn đề quan hệ trình diễn người sử dụng:     Vấn đề mô hình cấu trúc liệu     người sử dụng nghĩ Trái đất nào? làm để trình diễn máy tính giống suy nghĩ người? user suy luận, hiểu biết giao tiếp với giới địa lý nào? làm để đầu GIS dễ hiểu cho nhiều loại user nhiều điều kiện ràng buộc khác lưu trữ trình diễn để hiệu khai thác nhanh thông tin thơng qua số hóa thích hợp khả giao tiếp hệ thống khác Vấn đề hiển thị liệu địa lý    phương pháp hiển thị tác động diễn giải liệu địa lý nào? đồ học mở rộng để tận dụng lợi môi trường số đặc tính thị đem đến thắng lợi 25/25 Các vấn đề GIScience  Vấn đề cơng cụ phân tích      Bản chất trực giác không gian người gì? Làm để tăng cường khả chúng công cụ GIS? Các phương pháp phân tích cần hỗ trợ lập định GIS Trình diễn phương pháp phân tích để user dễ lựa chọn Còn nhiều vấn đề khác liên quan Đóng góp cho lĩnh vực GIScience   nhóm 30 trường đại học Mỹ (University Consortium for Geographic Information Science), http://www.ucgis.org Các tổ chức khác 26/25 GIS: tập phân hệ có liên quan  Phân hệ thu thập nhập (capture/input) liệu:     Nhập liệu từ bán số hóa, máy quét hay nhập trực tiếp tọa độ Soạn thảo (edit) GIS nhằm sửa lỗi hay bổ sung đặc trưng Đặt tên cho đặc trưng để hệ thống nhận danh (tên hay mã) Phân hệ quản trị liệu:      Liên kết liệu thuộc tính với đối tượng khơng gian Liên kết với CSDL ngồi Cập nhật đặc trưng CSDL Nhập xuất liệu với GIS hay DBMS khác Tổ hợp tờ đồ để tạo lập CSDL lớn hơn, khớp cạnh tờ đồ láng giềng 27/25 Các phân hệ GIS  Phân hệ chế tác liệu:     Đồng đồ từ nguồn khác cho chúng chồng lên hiển thị Biến đổi (transformation) tọa độ Thay đổi phép chiếu đồ Phân hệ phân tích liệu:  Query    Chọn đặc trưng theo thuộc tinh: “hãy tìm huyện với tỷ lệ biết chữ < 60%” Chọn đặc trưng theo quan hệ địa lý: “hãy tìm trạm trung tâm kế hoạch hóa gia đình huyện này” Truy vấn tổ hợp thuộc tính/địa lý: “hãy tìm tất làng vòng 10 km từ bệnh viện tỉnh mà có số trẻ tử vong cao” 28/25 Các phân hệ GIS  Phân hệ phân tích liệu (tt):       Buffer: tìm khu dân cư vịng 10 km từ bệnh viện Point-in-polygon operations: tìm làng có thảm thực vật Polygon overlay: tổ hợp ghi hành với liệu y tế huyện Geocoding/address matching: khớp danh sách địa với đồ đường phố Network operations: tìm đường ngắn từ làng tới bệnh viện Phân hệ mơ hình hóa: nhận biết hay dựđốn tiến trình hình thành hay hình thành mẫu (pattern) khơng gian    Diffusion: tình hình dịch tả lan truyền tỉnh nào? Interaction: dân di cư đến đâu? What-if scenarios: đập nước xây dựng có dân phải di cư? 29/25