Tiễu luận tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý – Gis và các ứng dụng của gis

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG……………….. TIỄU LUẬN Tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý – GIS và các ứng dụng của GIS 1 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Công nghệ Thông tin , trường đại học Giao Thông vận tải TP. HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập và thực hiện đề tài tốt nghiệp này. Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Đặng Nhân Cách đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo chúng em trong quá trình thực hiện đề tài. Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Công nghệ Thông tin đã tận tình giảng dạy , trang bị cho em những kiến thức quý báu trong năm vừa qua. Chúng con xin chân thành cảm ơn Ông Bà, Cha Mẹ đã luôn động viên ủng hộ vật chất lẫn tinh thần trong suốt thời gian qua. Chúng em xin cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ và ủng hộ của các anh chị bạn bè trong quá trình thực hiện khóa đề tài. Mặc dù đã cố gắng hoàn thành khóa luận trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ ko tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm, góp ý và tận tình chỉ bảo của quý thầy cô và các bạn. TP. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2010 Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Quốc Phòng - Nguyễn Mạnh Cường 2 MỞ ĐẦU Từ vài thập niên trở lại đây, công nghệ GIS (Geographical Information Systems) đã có những bước phát triển và ứng dụng không chỉ trong lĩnh vực địa lý, mà trong nhiều lĩnh vực khác của khoa học và của cuộc sống hàng ngày như: đô thị hóa, thương mại, phát triển cơ sở hạ tầng, bản đồ điện tử, hoạt động quân sự v.v... Hiểu theo cách đơn giản nhất, GIS bao gồm các lớp thông tin về một địa điểm nhằm tăng thêm khả năng hiểu biết về địa điểm này. Từ một góc độ khác GIS là sự ứng dụng liên giao giữa công nghệ thông tin và lý thuyết địa lý. Một trong những thế mạnh của công nghệ địa tin học này là khả năng bản đồ hóa (mapping) các thông tin và các kiểu cơ sở dữ liệu khác nhau nhằm đưa ra một bộ cơ sở dữ liệu cho phép người sử dụng có thể lưu trữ, xử lý, phân tích, lựa chọn, loại trừ thông tin v.v…, nói chung là hàng loạt các thao tác liên quan đến thông tin, để phục vụ cho một mục đích chuyên biệt nào đó. Hiện tại ở các nước tiên tiến GIS có thể nói là phát triển ngày càng mạnh tuy nhiên ở Việt Nam GIS còn hạn chế và ít phổ biến vì vậy chúng em đã thực hiện đề tài “ Tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý – GIS và các ứng dụng của GIS”. Mục đích của đề tài là tìm hiểu rõ hơn về GIS và các ứng dụng của GIS, tác dụng của GIS trong cuộc sống hiện nay. Giới thiệu cho mọi người biết về GIS và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực. Từ đó nhận ra tầm quan trọng của nó trong cuộc sông hiện đại với kỹ thuật ngày càng phát triển mạnh mẽ …. 3 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................2 Chương 1: GIỚI THIỆU..........................................................................................9 1.1 GIS là gì.........................................................................................................9 1.2 Lịch sử hình thành và phát triển đến nay: ....................................................10 1.2.1 GIS với Việt Nam:.................................................................................11 1.3 Giới thiệu mô hình công nghệ GIS: .............................................................12 Chương 2: CÁC THÀNH PHẦN CỦA GIS ..........................................................14 2.1 Phần cứng : .................................................................................................14 2.2 Phần mềm : ..................................................................................................14 2.3 Dữ liệu : ......................................................................................................15 2.4 Con người : .................................................................................................15 2.5 Phương pháp: ..............................................................................................16 Chương 3: CÁCH THỨC LÀM VIỆC CỦA GIS ..................................................17 3.1 Tham khảo địa lý: .......................................................................................17 3.2 Mô hình vector và Raster: ...........................................................................17 3.2.1 Mô hình vector: .....................................................................................18 3.2.2 Mô hình raster:......................................................................................18 3.2.3 Phân tích các yếu tố: .............................................................................18 Chương 4: NHIỆM VỤ CỦA GIS .........................................................................28 4.1. Thu thập dữ liệu: .........................................................................................29 4.2. Lưu trữ và truy cập dữ liệu. .........................................................................30 4.3 Tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian....................................................32 4.3.1 Buffer ( Tìm kiếm dữ liệu trong vùng không gian ).................................32 4.3.2 Geocoding ( Tìm kiếm theo địa chỉ ). .....................................................34 4.3.3 Network ( phân tích mạng ). ..................................................................35 4.3.4 Overlay ( phủ trùm hay chồng bản đồ )..................................................37 4.3.5 Proximity (Tìm kiếm trong khoảng cận kề). ...........................................39 4.4 Hiển thị bản đồ.............................................................................................40 4 4.5 Xuất dữ liệu . ..............................................................................................42 Chương 5 : DỮ LIỆU CHO GIS............................................................................43 5.1 Có 3 cách mô hình dữ liệu trong GIS: .........................................................43 5.1.1 Mô hình dữ liệu vector..........................................................................43 5.1.2 Mô hình dữ liệu raster ...........................................................................49 5.1.3 Mô hình dữ liệu TIN ..............................................................................54 5.2. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu của GIS................................................................58 5.3 Các thành phần dữ liệu bản đồ chức năng ....................................................60 Chương 6: CÁC CÔNG NGHỆ LIÊN QUAN .......................................................61 6.1.Thành lập bản đồ:.........................................................................................61 6.1.1 Desktop mapping:..................................................................................61 6.1.2 Mapinfo:................................................................................................61 6.1.3 ArcGIS desktop: ....................................................................................62 6.2.CAD ( trợ giúp thiết kế nhờ máy tính ).........................................................63 6.3.Viễn thám và GPS ( hệ thống định vị toàn cầu) ............................................63 6.4. DBMS ( hệ quản trị cơ sở dữ liệu):..............................................................64 6.5. Internet và network computer ( mạng máy tính và truyền thông).................64 Chương7: CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG GIS .....................................................65 7.1.Các lĩnh vực dùng chung, chia sẽ kỹ thuật và cung cấp dữ liệu cho GIS.......65 7.1.1 Trắc địa:................................................................................................65 7.1.2 Bản đồ:..................................................................................................65 7.1.3 Viễn Thám: ............................................................................................65 7.2.Các ứng dụng áp dụng công nghệ GIS như là một công cụ để quản lý , phân tích dữ liệu và trợ giúp tạo quyết định. ...............................................................66 7.2.1 Quản lý và điều tra tài nguyên:..............................................................66 7.2.2 GIS với môi trường:...............................................................................71 7.2.3 Hoạt động về nghiên cứu khoa học trong các trường đại học và viện nghiên cứu: ....................................................................................................72 Chương 8: PHÁT TRIỂN GIS TRONG ỨNG DỤNG TƯƠNG LAI.....................74 5 8.1 GIS trên Internet ( ArcGIS Server )..............................................................74 8.2 Khung GIS chuẩn.........................................................................................75 8.3 Chi phí thấp. ................................................................................................75 8.4 Các ứng dụng web........................................................................................75 8.5 Các mẩu ứng dụng web. ...............................................................................75 8.6 Hỗ trợ đa miền. ............................................................................................76 8.7 Hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình. ..................................................................76 8.8 Các phần mở rộng của Arc GIS server. ........................................................76 8.9 Cung cấp nhiều tài nguyên cho các lập trình viên.........................................76 Chương 9: KẾT LUẬN .........................................................................................79 6 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mô hình công nghệ GIS. Hình 3.1: Định dạng dữ liệu Vector và Raster Hình 3.2: Quan hệ tọa độ địa lý trực quan. Hình 3.3: Mặt Cầu và mặt Elip Hình 3.4: Mặt phẳng hệ tọa độ quy chiếu Hình 3.4: Minh họa cách chiếu bề mặt cong lên mặt phẳng. Hình 3.5: Mặt chiếu hình tròn. Hình 3.6: Mặt chiếu hình trụ. Hình 3.7: Các vị trí của mặt phẳng phương vị. Hình 4.1: Quan hệ giữa các nhóm chức năng của GIS Hình 4.2: Buffer bên trong một hình có bán kính xác định. Hình 4.3: Kết quả tìm kiếm theo địa chỉ. Hình 4.4: Kết quả tìm kiếm trên mạng giao thông. Hình 4.5: Phép hợp. Hình 4.6: Phép giao. Hình 4.7: Phép đồng nhất. Hình 5.1: Bản đồ với mô hình dữ liệu vector. Hình 5.2: Đối tượng point trên bản đồ. Hình 5.3: Đối tượng line trên bản đồ. Hình 5.4: Đối tượng polyon trên bản đồ. Hình 5.5: Buffer Hình 5.6: Defference 7 Hình 5.7: Clip Hình 5.8: Intersect. Hình 5.9: Convex hull. Hình 5.10: Sysmetric diffence. Hình 5.11: Cut. Hình 5.12: Union. Hình 5.13: Bản đồ với dữ liệu Raster. Hình 5.14: Hình chụp từ máy bay. Hình 5.15: Biến đổi từ dữ liệu vector sang raster. Hình 5.16: Mảng cell và bảng thuộc tính. Hình 5.17: Biểu diễn các đối tượng cơ sở trong Raster. Hình 5.18: Chuyển đổi dữ liệu raster sang vector. Hình 5.19: Bản đồ với mô hình dự liệu TIN. Hình 5.20: Mô hình cấu trúc mạng TIN. Hình 5.21: Biểu diễn TIN từ trước đối tượng cơ bản. Hình 5.22: Tam giác trong mạng. Hình 5.23: Độ dốc bề mặt tam giác. Hình 5.24: Các đối tượng hình học cơ bản trong TIN. Hình 7.1: bản đồ kiểm soát mực nước ngầm. Hình 7.2: Kiểm soát và phục hồi mực nước ngầm. Hình 7.3: Phân tích hệ thống song ngòi. Hình 7.4: Quản lý các lưu vực sông. Hình 7.5: Kiểm soát các nguồn nước. 8 Hình 7.6: TP Brno. Hình 7.7: Mô phỏng tài nguyên đất. Hình 7.8: Phân tích xu hướng xây dựng. Hình 7.9: Tài nguyên đất. 9 Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 GIS là gì Hệ Thông tin địa lý (GIS) là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên trái đất. Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất từ các bản đồ. Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược). Hiện nay, những thách thức chính mà chúng ta phải đối mặt - bùng nổ dân số, ô nhiễm, phá rừng, thiên tai - chiếm một không gian địa lý quan trọng. Khi xác định một công việc kinh doanh mới (như tìm một khu đất tốt cho trồng chuối, hoặc tính toán lộ trình tối ưu cho một chuyến xe khẩn cấp), GIS cho phép tạo lập bản đồ, phối hợp thông tin, khái quát các viễn cảnh, giải quyết các vấn đề phức tạp, và phát triển các giải pháp hiệu quả mà trước đây không thực hiện được. GIS là một công cụ được các cá nhân, tổ chức, trường học, chính phủ và các doanh nghiệp sử dụng nhằm hướng tới các phương thức mới giải quyết vấn đề. Lập bản đồ và phân tích địa lý không phải là kỹ thuật mới, nhưng GIS thực thi các công việc này tốt hơn và nhanh hơn các phương pháp thủ công cũ. Trước công nghệ GIS, chỉ có một số ít người có những kỹ năng cần thiết để sử dụng thông tin địa lý giúp ích cho việc giải quyết vấn đề và đưa ra các quyết định. Ngày nay, GIS là một ngành công nghiệp hàng tỷ đô la với sự tham gia của hàng trăm nghìn người trên toàn thế giới. GIS được dạy trong các trường phổ thông, trường đại học trên toàn thế giới. Các chuyên gia của mọi lĩnh vực đều nhận thức được những ưu điểm của sự kết hợp công việc của họ và GIS. GIS là một hệ thống 10 có ứng dụng rất lớn. Từ năm 1980 đến nay đã có rất nhiều các định nghĩa được đưa ra, tuy nhiên không có định nghĩa nào khái quát đầy đủ về GIS vì phần lớn chúng đều được xây dựng trên khía cạnh ứng dụng cụ thể trong từng lĩnh vực. Có ba định nghĩa được dùng nhiều nhất : - GIS là một hệ thống thông tin được thiết kế để làm việc với các dữ liệu trng một hệ toạ độ quy chiếu. GIS bao gồm một hệ cơ sở dữ liệu và các phương thức để thao tác với dữ liệu đó. - GIS là một hệ thống nhằm thu thập, lưu trữ, kiểm tra, tích hợp, thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu được quy chiếu cụ thể vào trái đất. - GIS là một chương trình máy tính hỗ trợ việc thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu bản đồ. 1.2 Lịch sử hình thành và phát triển đến nay: Theo nhiều tài liệu cho thấy, lịch sử hình thành GIS không được cụ thể lắm bởi lẽ những khái niệm tương tự GIS đã tồn tại ngay từ khi xuất hiện con người, từ khi con người có nhu cầu đi lại, sinh hoạt, buôn bán,... Mặc dù vậy, sự đóng góp rất lớn và rất tích cực của Giáo sư Roger Tomlinson vào năm 1963 đã khiến thế giới phải công nhận ông chính là cha đẻ của GIS (Father of GIS). Roger Tomlinson là người xây dựng Hệ thống thông tin địa lý (HTTTĐL) đầu tiên trên thế giới. Đó là Hệ thống thông tin địa lý quốc gia Canada (Canada Geographic Information System). Ngoài ra, ông còn được biết đến như là người đầu tiên đưa ra thuật ngữ GIS. Chúng ta cùng nhau đi ngược lại lịch sử để thấy sự ra đời kỳ diệu của GIS. Như chúng ta cũng biết, năm 1940 ngành đồ họa máy tính (Computer Graphics) bắt đầu hình thành và phát triển. Sự khó khăn trong việc sử dụng các thiết bị kinh điển để khảo sát những bài toán phức tạp hơn đã dẫn đến hình thành ngành Bản đồ máy tính (Computer Cartographic) vào những năm 1960. Cũng thời gian này, nhiều bản đồ đơn giản được xây dựng với các thiết bị vẽ và in. Tuy nhiên, chỉ khoảng 10 năm 11 sau, năm 1971 khi chip bộ nhớ máy tính được phổ biến, các ngành liên quan đến đồ họa trên máy tính thật sự chuyển biến và phát triển mạnh. Tuy nhiên, nói đến GIS, chúng ta cũng có thể nghĩ đến việc lưu trữ và truy vấn dữ liệu, đặc biệt là dữ liệu không gian đồ sộ. Những lý thuyết và thực tế về cơ sở dữ liệu và hệ thống thông tin ra đời vào cuối những năm 60, đầu những năm 70 là một đóng góp khác cho sự ra đời của GIS. Vào những năm 1950, các lực lượng quân sự bắt đầu sử dụng viễn thám môi trường (Environmental Remote Sensing) trong các công tác đặc biệt. Sự "chuyển nhượng" công nghệ viễn thám từ quân sự sang dân sự vào những năm 1960 là một động lực khác thúc đẩy GIS. GIS sẽ không là GIS nếu nó không thực hiện các bài toán phân tích không gian (Spatial Analysis). Một lớp bài toán phân tích không gian kinh điển đó là chồng lớp (Overlay). Những lý luận ứng dụng đại số bản đồ (map algebra) vào những năm 60 trong các ứng dụng quy hoạch giúp bổ sung thêm một "bệ phóng" nữa cho "tên lửa" GIS. Tất cả những ý tưởng trên dường như được hội tụ vào cùng một thời điểm. Roger Tomlinson là một trong những người nhạy bén đón nhận những tinh hoa đó và chuyển thành một GIS. GIS ngày nay không chỉ dừng lại ở mức công nghệ mà nó đã tiến lên nhiều nấc đến khoa học (Geographic Information Science - GISci) và dịch vụ (Geographic Information Services). 1.2.1 GIS với Việt Nam: Tại Việt Nam, mặc dù được biết đến từ khá sớm, nhưng mãi phải đến sau năm 2000, tức sau khi có được những kết quả đầu tiên về việc tổng kết chương trình GIS quốc gia ở Việt Nam, GIS mới thực sự được chú ý đến và bước đầu phát triển. Hàng loạt chương trình GIS với sự tham gia của các trường đại học, các viện nghiên cứu, các chuyên gia trong và ngoài nước đã được triển khai. Trong đó tiêu 12 biểu phải kể đến Dự án quản lý nước sạch ở Hà Nam, Dự án quản lý nước ở Hoà Bình, Dự án thử nghiệm trong quản lý khách du lịch ở Động Phong Nha hay Dự án hợp tác với đại học Quảng Nam làm về GIS của các chuyên gia Nhật Bản... Đó là chưa kể một số dự án tư nhân, quy mô nhỏ lẻ, phát triển tự phát theo nhu cầu đã bắt đầu phát triển và khá rầm rộ trong thời gian gần đây... 1.3 Giới thiệu mô hình công nghệ GIS: Một cách khái quát, có thể hiểu một hệ GIS như là một quá trình sau: Hình 1.1: mô hình công nghệ GIS Dữ liệu vào: dữ liệu được nhập từ các nguồn khác nhau như chuyển đổi giữa các cách biểu diễn dữ liệu, máy quét, hình ảnh từ vệ tinh, ảnh chụp… Quản lý dữ liệu: sau khi dữ liệu được thu thập và tổng hợp, GIS cần cung cấp các thiết bị có thể lưu và bảo trì dữ liệu nhằm đảm bảo: bảo mật số liệu, tích hợp số liệu, lọc và đánh giá số liệu, khả năng duy trì. GIS lưu thông tin thế giới thực thành các tầng dữ liệu riêng biệt, các tầng này đặt trong cùng một hệ trục toạ độ và chúng có khả năng liên kết với nhau. 13 Xử lý dữ liệu: các thao tác xử lý dữ liệu được thực hiện để tạo ra thông tin. Nó giúp cho người sử dụng quyết định cần làm tiếp công việc gì. Kết quả của xử lý dữ liệu là tạo ra các ảnh, báo cáo và bản đồ. Phân tích và mô hình: số liệu tổng hợp và chuyển đổi chỉ là một phần của GIS. Những yêu cầu tiếp theo là khả năng giải mã và phân tích về mặt định tính và định lượng thông tin đã thu thập. Dữ liệu ra: một trong các phương diện công nghệ GIS là sự thay đổi của các phương pháp khác nhau trong đó thông tin có thể hiển thị khi nó được xử lý bằng GIS. Các phương pháp truyền thống là bảng và đồ thị có thể cung cấp bằng các bản đồ và ảnh 3 chiều. 14 Chương 2: CÁC THÀNH PHẦN CỦA GIS 2.1 Phần cứng : Phần cứng là hệ thống máy tính trên đó một hệ GIS hoạt động. Ngày nay, phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng. Là các máy tính điện tử: PC, mini Computer, MainFrame … là các thiết bị mạng cần thiết khi triển khai GIS trên môi trường mạng. GIS cũng đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt cho việc nhập và xuất dữ liệu như: máy số hoá (digitizer), máy vẽ (plotter), máy quét (scanner)… 2.2 Phần mềm : Hệ thống phần mềm GIS rất đa dạng. Mỗi công ty xây dựng GIS đều có hệ phần mềm riêng của mình. Tuy nhiên, có một dạng phần mềm mà các công ty phải xây dựng là hệ quản trị CSDL địa lý. Dạng phần mềm này nhằm mục đích nâng cao khả năng cho các phần mềm CSDL thương