Bài giảng Cơ sở hệ thông tin địa lý

ThS. Đinh Quang Toàn Khoa Môi trường Trường Đại học Thủ Dầu Một Điện thoại: 0934.939.678 Email: toandq@tdmu.edu.vn GIỚI THIỆU MÔN HỌC 1.Tên môn học: Cơ sở hệ thống tin địa lý 2.Thời lượng: 30 tiết (2+0 tín chỉ) 3.Đối tượng: Sinh viên chuyên ngành môi trường 4.Yêu cầu đối với sinh viên: Tham gia các buổi học, vắng không quá 20% số tiết quy định; Tham khảo tài liệu liên quan đến môn học; Tích cực thảo luận trong các buổi học; Tham gia làm bài tiểu luận/bài kiểm tra giữa kỳ; Phải có bài thi cuối môn 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 Thông tin Địa lý, NXB ĐHQG TP HCM.  [3] Nguyễn Thế Thận, 2002, Cơ sở hệ thống thông 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 môi trường ven biển  Ứng dụng GIS trong đánh giá xói mòn  Ứng dụng GIS trong đánh giá ngập úng đô thị  Ứng dụng GIS trong đánh giá thích nghi đất đai.  Ứng dụng GIS trong quản lý hạ tầng đô thị  . 26-Sep-13 Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM NỘI DUNG Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Thông 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 Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Là thông 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 :  Đô thị, nhà máy, trường học.  Các thống kê về:  Dân số, tội phạm Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Thông tin địa lý là những thông tin về các thực thể tồn tại tại một vị trí xác định trên bề mặt trái đất ở một thời điểm nào đó.  Thông tin địa lý giúp chúng ta nhận biết được thuộc tính của một thực thể tồn tại ở đâu và vào lúc nào.  VD: thông tin về siêu thị, bệnh viện, trường học, mạng tuyến xe buýt, thời tiết, vùng nông nghiệp Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Thông tin có thể rất chi tiết, ví dụ:  Thông tin về những vị trí ngôi nhà trong thành phố.  Thông tin về những cây riêng biệt trong khu rừng.  Có thể mang tính tổng quát (rộng), ví dụ:  Khí hậu trong vùng rộng lớn.  Mật độ dân số một quốc gia.  Thông tin thể hiện phân giải địa lý của chúng khác nhau Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Theo (Rhind 1990)  1. Vị trí - Ở đâu ?  Thông tin liên quan tới vị trí (Tọa độ x, y, z, v)  2. Điều kiện - Cái gì (ở vị trí đó)?  Thông tin về tính chất của thực thể, hiện tượng  3. Xu hướng-Nó thay đổi như thế nào ?  Thông tin về sự biến đổi thời gian – không gian  4. Tối ưu - vị trí tốt nhất –con đường ngắn nhất?  Thông tin tối ưu  5. Tiêu chuẩn – mẫu – Nhận dạng nó là gì?  Tiêu chuẩn (mẫu) của một nhóm thông tin  6. Mô hình hóa – Nếu... ?  Thông tin dự báo Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Việt nam ở vị trí nào ?  Vị trí màu đỏ là nước nào ?  Việt nam bên cạnh nước nào ? Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Tập hợp thông tin địa lý được nghi thức, lưu trữ trong máy tính  Mô tả những thực thể có vị trí.  Ghi nhận những thông tin vị trí.  Những thông tin về đặc điểm là các thuộc tính của thực thể  Mô hình dữ liệu  Tập hợp nguyên tắc sử dụng tổ chức dữ liệu trong CSDL Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Đinh Quang Toàn – Khoa Môi 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 nó được xác định trên bề mặt Trái đất.  Luôn được xây dựng trên một hệ thống tọa độ.  Trả lời - nó 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 không gian trong CSDL. Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Nó tồn tại khi nào?  Thời điểm tồn tại hay xuất hiện của đối tượng.  Các thông tin không gian và thông tin thuộc tính có thể biến đổi không phụ thuộc vào nhau tương đối theo thời gian. Ví dụ:  Thuộc tính có thể thay đổi theo thời gian mà vẫn giữ nguyên tọa độ của mình.  Tọa độ có thể thay đổi mà vẫn giữ nguyên thuộc tính của chúng.  Việc hiểu rõ tính chất này của mối quan hệ các thông tin cho phép dễ dàng phân tích các hiện tượng động lực trong không gian địa lý. Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Sinh viên tự đọc-trang 122- “Bản đồ học & Hệ thống thông tin địa lý” Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Tóm tắt quá trình phát triển của GIS - Đầu thập niên 60: hệ thống thông 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 toán nhận dạng, xử lý ảnh  Sự phát triển nhanh về lý thuyết và ứng dụng cơ sở dữ liệu  Nhu cầu cần thiết về thông tin. - Cuối thế kỷ 20, trên thế giới hình thành nhiều cơ quan nghiên cứu GIS với quy mô lớn. 26-Sep-13  Con người muốn mô hình Thế giới  Bản đồBản đồ máy tínhGIS Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Đinh Quang Toàn – Khoa Môi 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 Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Theo quan điểm ứng dụng GIS: GIS là một hộp công cụ mạnh được dùng để thu thập, lưu trữ, truy vấn, phân tích và hiển thị dữ liệu không 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 thông 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 Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Ủy ban tọa độ quốc gia liên ngành về bản đồ số của Mỹ, 1988 định nghĩa:  Hệ thống thông tin địa lý là tập hợp Phần cứng, phần mềm và các thủ tục  để lưu trữ, quản lý, điều khiển, phân tích, mô hình hóa và hiển thị dữ liệu địa lý  nhằm Giải quyết các vấn đề quản lý và qui hoạch phức tạp. Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Vị trí không gian – Vị trí địa lý  Thông tin – Phân tích dữ liệu trực quan  Hệ thống – Liên kết phần mềm, phần cứng, dữ liệu  Phân tích – Tạo ra những thông tin mới là sức mạnh của HTTTĐL Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Hợp nhất và miêu tả nhiều loại dữ liệu  Thực hiện mô phỏng, mô hình  Vấn đáp, chất vấn  Phân tích dữ liệu  Tạo ra những sản phẩm dẫn xuất  HTTTĐL là công cụ phân tích Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Hệ thống định vị toàn 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 gói phần mềm (A software package) Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Phần cứng.  Phần mềm.  Dữ liệu.  Con người.  Phương pháp. Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Đinh Quang Toàn – Khoa Môi 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 Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Bàn số hóa: Đã từng là một trong những thiết bị thông dụng để nhập dữ liệu đưa vào GIS. Bản đồ giấy được đặt cố định lên trên mặt bàn số hóa. 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 hóa là một lưới dây điện cho phép ghi nhận vị trí x, y của curror. Bàn số hóa có kích thước thay đổi từ A4 đến A0 và có độ chính xác đến ± 0,006mm. Đinh Quang Toàn – Khoa Môi 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. Có 2 loại máy quét  Máy quét nền phẳng: là loại máy đơn giản và thông 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 hóa dựa trên sự xoay tròn của trống và sự dịch chuyển của bộ cảm ứng điện từ. Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Cung cấp những chức năng và những công cụ cần thiết để nhập, lưu trữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý :  Nhập và thao tác với thông 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 Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Một thành phần quan trọng GIS.  GIS tích hợp dữ liệu trong GIS nhằm tổ chức và duy trì dữ liệu không gian và thuộc tính.  Cơ sở phân tích.  Người sử dụng cần những kiến thức sâu sắc về dữ liệu sử dụng. Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Dữ liệu thuộc tính Dữ liệu không gian Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Dữ liệu thuộc tính  Trường thuộc tính (Field)  Đối tượng thuộc tính (Record) Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Dữ liệu không gian  Điểm  Đường  Vùng Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Dữ liệu không gian  Điểm  Đường  Vùng Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Dữ liệu không gian  Điểm  Đường  Vùng Đinh Quang Toàn – Khoa Môi 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 thông tin địa lý như lưới tọa độ, giao thông, thủy văn, độ cao, hành chánh - CSDL chuyên ngành, gồm các lớp dữ liệu được sử dụng cho từng chuyên ngành như TNTN, môi 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 công việc Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Người dùng trong hệ thống chia làm 3 nhóm - Nhóm 1 – những người quản trị hệ thống, tiếp nhận, phân tích các yêu cầu, bài toán của những người dùng ngoài hệ thống, lập giải thuật để giao cho nhóm 2 thực hiện. - Nhóm 2 – chuyên viên kỹ thuật GIS, thực hiện các bài toán do nhóm 1 giao trên cơ sở dữ liệu sẵn có hoặc phải xây dựng quy trình thu thập bổ sung. - Nhóm 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 Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Nhân lực trong hệ thống thông tin địa lý được phân bố theo sơ đồ hình tháp.  Nhóm một có số lượng người tham gia ít nhất và nhóm 3 có số lượng người tham gia nhiều nhất. Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Nhoùm moät Nhoùm hai Nhoùm ba  Qui mô hệ GIS  Cách thức thực hiện  Các chu trình thực hiện  Liên kết đa ngành Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Hệ thống định vị toàn cầu - (Global Positioning Systems - GPS) Viễn thám (Remote Sensing - RS) Hệ thống thông tin địa lý (GIS) Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Hệ thống định vị toàn cầu - (Global Positioning Systems - GPS) Viễn thám (Remote Sensing - RS) Hệ thống thông tin địa lý (GIS) Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM THU THẬP LƯU TRỮ PHÂN TÍCH PHÂN TÍCH HIỂN THỊ XUẤT Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Thu thaäp döõ lieäu Löu tröõ döõ lieäu Phaân tích döõ lieäu Döõ lieäu soá Döõ lieäu soá Thoâng tin Döõ lieäu töø theá giôùi thöïc Dữ liệu là thành phần quan trọng và tồn tại lâu bền trong hệ thống thông 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 công đoạn số hóa 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). Ngoài ra, GIS cũng sử dụng một số công nghệ thu thập dữ liệu khác như hệ thống thu thập dữ liệu tự động (SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition), . . . . Dữ liệu có 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) Moâ hình moät ngöôøi söû duïng CSDL GIS (geodatabase) Moâ hình nhieàu ngöôøi söû duïng SERVER LAN INTERNET CSDL GIS (geodatabase) CSDL GIS (geodatabase) Moâ hình maïng toaøn caàu SDE IMS Dữ liệu không gian của các thực thể trong thế giới thực được biểu diễn theo mô hình vector hoặc raster. - Mô hình vector – biểu diễn các đối tượng địa lý trên mặt đất bằng những điểm, đường, vùng trong mặt phẳng tọa độ Descartes. - Mô hình raster - biểu diễn các đối tượng không gian bằng các ô lưới hình vuông (hoặc hình chữ nhật) có 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 không liên quan đến dữ liệu không gian.  Phân tích trên dữ liệu không gian Các phân tích này liên quan đến các phép toán chỉ có thể được thực hiện trên các vị trí, các đối tượng trên bản đồ. Thuật toán phân tích trên 1 lớp (Single Layer Operations) – xử lý dữ liệu trên 1 lớp như thuật toán buffer - Thuật toán phân tích trên nhiều lớp (Multiple Layer Operations) – xử lý dữ liệu trên nhiều lớp dữ liệu không gian như union, intersect, identify - Mô hình hóa không gian (Spatial Modeling) bao gồm những thuật toán nội suy không gian, v.v. . . - Phân tích mẫu điểm (Point Pattern Analysis) thực hiện các thuật toán phân tích số đông trên những lớp dữ liệu không gian điểm. - Phân tích mạng (Network Analysis) là những thuật toán phân tích không gian nhằm giải hai loại bài toán: (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 toán phân tích, cần đến thứ nguyên thứ ba của những biến phân bố trong không gian. Là chức năng của GIS nhằm hiển thị những kết quả truy vấn hoặc phân tích không gian, sử dụng những ký hiệu, biểu tượng gần với ngôn ngữ của con người giúp người dùng ngoài hệ thống dễ tiếp cận với những kết quả của hệ thống  Hệ thống định vị toàn cầu - (Global Positioning Systems - GPS)  Hệ thống vệ tinh quĩ đạo Trái Đất có thể cung cấp vị trí trên bề mặt với độ chính xác (100met tới dưới 1 cm.) Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Viễn thám (Remote Sensing - RS)  Sử dụng vệ tinh thu nhận thông tin bề mặt Trái Đất  Hệ thống thông 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 Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM  Tại sao ứng dụng GIS?  80% động hoạt yêu cầu cơ sở thông tin địa lý  Đất đai, phân vùng, đô thị (đường xá, cấp nước, đường cống), Thu gom rác, Chủ quyền nhà vv...  Đóng góp quan trọng  Quản lý nguồn tài nguyên tự nhiên  Hệ thống giao thông Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM KH Địa lý GIS Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Khoa học máy tính Ứng dụng Quản lý. Qui hoạch Địa chất Khai khoáng Rừng Chọn vị trí Thị trường Thiết kế Tội phạm Đa đạc Bản đồ học Đo đạc Trắc lượng ảnh Cảnh quan Thống kê không gian Đồ họa Hiển thị CSDL Quản trị hệ thống An ninh  Địa lý  Giao thông  Lâm nghiệp  Nông nghiệp – Trang trại  Những tiện ích  Bản đồ học  Viễn thám  Trắc lượng ảnh  Thống kê  Toán học  Khoa học máy tính Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM Đinh Quang Toàn – Khoa Môi trường – ĐH TDM