Hệ thống thông tin đất - Chương 2: Khoa học thông tin địa lý

Chương 2: KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ Chương 2 KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ Thông tin địa lý liên quan rất nhiều đến các hoạt động của con người, đó là các thông tin liên quan với các khu vực trên Trái đất, bao gồm sự phân bố các nguồn tự nhiên (đất, nước, thực vật), các cơ sở hạ tầng (đường, các công trình), các vị trí kinh tế, chính trị, các đường biên giới, kể cả các dữ liệu thống kê về dân số, tội phạm... Trong chương này giới thiệu về thông tin địa lý và những khái niệm liên quan tới Hệ thống thông tin địa lý (HTTTĐL) Chương 2: KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ Những định nghĩa mở đầu Thông tin địa lý - Geographic information Là thông tin về những vị trí trên bề mặt Trái đất. Các thông tin này có thể rất chi tiết, ví dụ: Ê Thông tin về những vị trí tất cả - ngôi nhà trong thành phố. Ê Thông tin về những cây riêng biệt trong khu rừng. Có thể mang tính tổng quát (rộng), ví dụ: Ê Khí hậu trong vùng rộng lớn. Ê Mật độ dân số trên toàn bộ đất nước. Trong những ví dụ trên thể hiện phân giải địa lý của chúng khác nhau Những đặc điểm khác của thông tin địa lý là thường ít thay đổi (tĩnh) Ê Những yếu tố tự nhiên và những yếu tố con người tạo ra (đập thủy điện, hồ chứa vv), không thay đổi quá nhanh. Ê Chỉ thông tin tĩnh có thể miêu tả trong bản đồ giấy. Có thể rất đồ sộ Ê Cỡ terabyte (1012 bytes) dữ liệu gửi về từ những vệ tinh trong một ngày. Ê Cỡ gigabytes (gigabyte = 109 bytes) dữ liệu cần thiết mô tả mạng lưới đường xá Việt Nam. Chương 2: KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ Dữ liệu địa lý Hình 2.1 Ba hợp phần của thông tin trong HTTTĐL (theo J.Dangermon, 1983) Dữ liệu địa lý mô tả những thực thể có vị trí. Dữ liệu địa lý gồm thông tin vị trí và những thông tin cần quan tâm, được xem như là các thuộc tính của thực thể. Dữ liệu không gian và phi không gian. Ê Dữ liệu không gian (trả lời cho câu hỏi về vị trí - ở đâu ?) được thể hiện trên bản đồ và HTTTĐL dưới dạng điểm (point), đường (line) hoặc vùng (polygon). Dữ liệu không gian là dữ liệu về đối tượng mà vị trí của nó được xác định trên bề mặt Trái đất. Dữ liệu không gian sử dụng trong HTTTĐL luôn được xây dựng trên một hệ thống tọa độ. Tọa độ lưới chiếu hay hệ thống tọa độ phẳng là vị trí trên mặt cong của trái đất được chiếu lên mặt phẳng, nếu như diện tích quan tâm nhỏ thì độ biến dạng gây nên bởi lưới chiếu không đáng kể. Tọa độ địa lý là vị trí được biểu diễn bằng vĩ độ và kinh độ. Chương 2: KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ Ê Dữ liệu phi không gian (Non-Spatial data hay attribute) (nó là cá gì?) thể hiện tính chất của đối tượng như chiều dài, rộng của con đường, độ cao của cây rừng, dân cư của thành phốdữ liệu phi không gian mô tả thông tin về đặc điểm của đối tượng. Ê Dữ liệu thời gian (Temporal data) (nó tồn tại khi nào?), thời điểm tồn tại hay xuất hiện của đối tượng. Các thông tin không gian (thông tin có tọa độ) và thông tin thuộc tính có thể biến đổi không phụ thuộc vào nhau tương đối theo thời gian. Thuộc tính có thể thay đổi theo thời gian mà vẫn giữ nguyên tọa độ của mình và ngược lại, 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, quá trình động lực trong không gian địa lý. Ví dụ: sự di chuyển của các cồn cát làm thay đổi vị trí không gian của chúng nhưng lại giữ nguyên các thuộc tính “cồn cát”. Hoặc ví dụ ngược lại; quá trình xói mòn làm thay đổi thuộc tính “độ cao” của quả đồi nhưng lại giữa nguyên vị trí tọa độ của nó. Thuật ngữ trong cơ sở dữ liệu Trong CSDL HTTTĐL, cần định nghĩa ngắn gọn và súc tích, mô hình dữ liệu mô tả mối quan hệ giữa những thực thể. Xác định một số thuật ngữ: Entity (Thực thể) Là “một hiện tượng trong thực tế mà không được phân chia nhỏ ra thành những hiện tượng cùng loại. Có sự tồn tại độc lập rõ ràng trong thực tế”. Ví dụ: Ê Một thành phố là một thực thể (nó tồn tại độc lập có thể chia nhỏ ra thành các phần nhỏ hơn nhưng các phần này không được gọi là thành phố, chúng được gọi là Quận). Chương 2: KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ Ê Một khu rừng gồm các mảnh rừng nhỏ là một thực thể. Ê Các thực thể thực tế như nhà cửa, đường xá, cầu cống.... Đối tượng ( Object) Là sự trình bày dạng số của tất cả hoặc một phần của thực thể. Là cái có thể nhìn hay sờ được; hay dạng vật chất chiếm giữ không gian. Ví dụ: Ê Một cây là một đối tượng khi ta quan tâm nghiên cứu. Ê Một ngôi nhà. Ê Một hồ nước. Yếu tố (Feature) Cấu tạo, hình thù, dạng hay diện mạo một người hay vật thể Thuật ngữ “yếu tố” có từ bản đồ học và sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng bản đồ đó là kí hiệu (symbol) dùng để mô tả đối tượng/thực thể trên một bản đồ. Ví dụ: Ê Các yếu tố (features) nhân tạo như đường contour, ranh giới hành chính.... Ê Các yếu tố dạng số được cấu trúc từ các yếu tố đồ họa cơ bản như : điểm, đường và vùng. Phương pháp trình bày các yếu tố phụ thuộc vào tỷ lệ. Ví dụ: Ê Về phương diện địa lý một thành phố có thể được trình bày như một điểm (point) nếu như diện tích nghiên cứu ở qui mô lục địa. Chương 2: KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ Ê Thành phố đó có thể được trình bày như một vùng nếu như diện tích nghiên cứu trong một bang hoặc một quốc gia. Các kiểu thực thể (Entity types) Các hiện tượng (phenomena) lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu được xác định như các kiểu thực thể. Một kiểu thực thể là nhóm hiện tượng tương tự được thể hiện và lưu trữ cùng kiểu. Ví dụ: đường xá, sông suối, độ cao, thực vật. Trong HTTTĐL xác định từng kiểu thực thể nhằm: Giúp cho việc chồng xếp các nhóm thông tin. Trợ giúp cho việc kiểm chứng nội dung của cơ sở dữ liệu. Lớp dữ liệu (Layers) Mỗi lớp có thể trình bày một kiểu thực thể đơn lẻ hoặc một nhóm kiểu thực thể quan hệ. Ví dụ: một lớp có thể chỉ có các đoạn sông hoặc có thể có sông, hồ, bờ biển. Một lớp đối tượng là một tập hợp các đối tượng biểu diễn một tập hợp thực thể. Ví dụ; tập hợp các điểm thể hiện tập hợp các lỗ khoan. Chương 2: KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ Hình 2.2 Tổ chức các lớp dữ liệu Thuộc tính (Attribute) Chương 2: KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ Là những mục dữ liệu mô tả thực thể thường là dữ liệu phi không gian. Giá trị thuộc tính Giá trị thực sự của thuộc tính có thể đo lường được và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu. Mỗi kiểu thực thể luôn được gán nhãn (label) và được biết bởi các thuộc tính. Ví dụ: con đường có tên và được xác định theo lớp của nó như: hẻm hay đường ô tô. Các giá trị thuộc tính thường được tổ chức trong các bảng liệt kê các thực thể theo hàng, cột. Mỗi kiểu thực thể chúng ta phải mô tả một số thuộc tính. Ví dụ: thuộc tính cho thực thể “NGƯỜI” và “CHỖ Ở” và thực thể không gian KHU VỰC là: Kiểu thực thể Những thuộc tính Giá trị thuộc tính Thực thể phi không gian NGƯỜI Tên "John Smith" Địa chỉ "14 High Street, Toytown" Ngày sinh "July 4 1937" CHỖ Ở Kiểu Separate house Địa chỉ "14 High Street, Toytown" Số lượng phòng 6 Thực thể không gian KHU VỰC Dân số 5, 134 Tuổi: 0-9 520 Tuổi: 10-19 724 Chương 2: KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ Những kỹ thuật thông tin địa lý Là những kỹ thuật-công nghệ để thu thập và phân phối thông tin địa lý. Có ba kiểu chính: Hệ thống định vị toàn cầu - (GPS) Là hệ thống vệ tinh quĩ đạo Trái Đất truyền tải những tín hiệu nhằm định vị trí trên bề mặt Trái đất. Đặc điểm hệ thống này là: Ê Những tín hiệu nhận được bởi các thiết bị điện tử đặc biệt. Các thiết bị này càng ngày càng nhỏ gọn hơn. Ê Cung cấp trực tiếp phép đo vị trí trên bề mặt Trái Đất. Ê Định vị trong dạng (kinh, vĩ độ) hay trong một hệ thống chuẩn khác. Viễn thám Sử dụng những vệ tinh quĩ đạo Trái Đất thu nhận những thông tin bề mặt Trái Đất và khí quyển. Thông tin thu nhận được rất khác nhau tùy thuộc vào độ phân giải không gian, phân giải phổ thu nhận được. Những tín hiệu được truyền về Trái Đất và thu nhận bởi các trạm thu và những tín hiệu này được chuyển ra dạng phổ biến là những ảnh số. Hệ thống thông tin địa lý HTTTĐL là sự phối hợp phần mềm, phần cứng, dữ liệu, người sử dụng vv.., để giải quyết vấn đề, cho phép ra quyết định, giúp cho phát triển dự án. Khái niệm Hệ thống thông tin địa lý - HTTTĐL Định nghĩa Hệ thống thống tin địa lý 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 Chương 2: KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ nhằm giải quyết các vấn đề quản lý và qui hoạch phức tạp. (Fischer and Nijkamp, 1992): Là hệ thống thông tin máy tính dùng tiếp nhận, lưu trữ, thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính liên quan, nhằm giải quyết những nghiên cứu phức tạp, những vấn đề qui hoạch và quản lý. HTTTĐL đem lại sự thuận tiện nhờ sự phát triển nhanh của kỹ thuật vi xử lý, sức chứa dữ liệu cũng như khả năng phân tích dữ liệu. Dữ liệu ở đây là dữ liệu không gian liên quan với thế giới thực. Trong đó thế giới thực bao gồm nhiều yếu tố địa lý được thể hiện như những lớp dữ liệu quan hệ. Chương 2: KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ Hình 2.3 Thế giới thực gồm nhiều lớp dữ liệu quan hệ Hệ thông tin địa lý một công cụ quản lý, phân tích dữ liệu. Song song với sự phát triển về kỹ thuật HTTTĐL đó là sự phát triển về các khả năng ứng dụng của nó. Những yêu cầu mới về kỹ thuật bản đồ, quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên, giám sát sự biến đổi môi trường sinh thái, quản lý rừng, quản lý nhân khẩu và nhiều lĩnh vực khác đã biến HTTTĐL trở thành một trong những ứng dụng máy tính lớn nhất hiện nay. Tại sao lại phát triển kỹ thuật này (?) bởi vì kỹ thuật HTTTĐL giúp chúng ta tổ chức dữ liệu về những vấn đề trên, cho phép tích hợp các thông tin, tìm hiểu được mối liên hệ giữa các yếu tố. Rất nhiều các chương trình máy tính được sử dụng rộng rãi như Lotus 1-2-3, Excel, Winword có thể hiểu như là dữ liệu (data) và Auto CAD hiểu là dữ liệu đồ họa, nhưng nó không phải là HTTTĐL, sự khác nhau là HTTTĐL cho phép thực hiện mô phỏng, vấn đáp, phân tích dữ liệu, tạo ra những sản phẩm dẫn xuất. HTTTĐL không phải đơn giản chỉ là hệ thống máy tính tạo ra bản đồ với tỉ lệ khác nhau, trong phép chiếu khác nhau hay với màu khác nhau, mà HTTTĐL là công cụ phân tích. Sức mạnh của HTTTĐL cho phép mô hình hóa, phân tích, hợp nhất và miêu tả nhiều loại dữ liệu, lưu trữ tạo ra các sản phẩm. HTTTĐL không chỉ lưu bản đồ để xem diện tích, chiều dài vv... kỹ thuật HTTTĐL lưu dữ liệu ở dạng mà các nhà chuyên môn tạo ra cách nhìn riêng của mình. HTTTĐL mô phỏng, liên kết thông tin địa lý bằng các đối tượng trên bản đồ, thông tin được lưu như là thuộc tính hay thông số hình học mô tả cho các đối tượng. Ví dụ một con đường được thể hiện bằng đường trung tâm, điểm khoáng sản thể hiện bằng các biểu tượng đặc trưng và các thông tin về nó. HTTTĐL ngày càng trở nên phổ biến với tính năng đồ họa nổi bật cộng với mô hình 3 chiều sẽ làm cho bản đồ hấp dẫn và quan trọng hơn. Chức năng nối kết và nhúng đối tượng (Object Lingking and Embedding - OLE) sẽ cho phép nhập bản đồ vào bất cứ tài liệu nào. Những cơ sở dữ liệu đồ sộ có thể tạo ra những Chương 2: KHOA HỌC THÔNG TIN ĐỊA LÝ đối tượng bản đồ lớn. Ví dụ; trên bản đồ nước Việt nam, bạn có thể nhấn vào một Tỉnh, một thành phố, một con đường là có đủ thông tin cần thiết. HTTTĐL có những thuận lợi từ sự tiến bộ trong hai lĩnh vực lớn về máy tính: Ê Phác thảo và vẽ trợ giúp bằng máy tính (CAD) là các thiết bị phục vụ cho đồ họa Ê Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu (DBMS) quản lý thuộc tính và các cột dữ liệu. Cả đồ thị và thuộc tính đều được thao tác bởi HTTTĐL. HTTTĐL mạnh hơn CAD vì dữ liệu đồ thị nối kết với với dữ liệu thuộc tính được điều khiển bởi hệ quản trị dữ liệu (DBMS). Mỗi hệ HTTTĐL bao gồm DBMS hoặc giao tiếp được với DBMS. Sự phân biệt rõ ràng giữa hệ HTTTĐL và CAD là khả năng thực hiện các phân tích không gian. Tổng hợp các nhận thức trên cho thấy HTTTĐL không chỉ là dụng cụ phác thảo mà còn là dụng cụ quản lý và phân tích, trợ giúp cho việc ra quyết định với hệ thống cơ sở dữ liệu có các chức năng mạnh.