I.6/ Các thành phần của GIS: (Hình II.6)Hệ thống thông tin địa lý bao gồm 4 thành phần cơ bản sau:

Hình II.6: Các thành phần của GIS

I.6.1/ Phần cứng: (Hình II.7)Bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các

chức năng nhập thông tin (Input), xuất thông tin (Output) và xử lý thông tin của phần mềm. Hệ thống này gồm có máy chủ (server), máy khách (client), máy quét (scanner), máy in (printer) được liên kết với nhau trong mạng LAN hay Internet

Hình III.7: Sơ đồ tổ chức một hệ “phần cứng GIS”I.6.2/ Phần mềm: (Hình II.8)

Có khả năng nhập, lưu trữ, xử lý, phân tích, tính toán, hiển thị các dữ liệu theo yêu cầu của người sử dụng.

Đi kèm với hệ thống thiết bị trong GIS ở trên là một hệ phần mềm có tối thiểu 4 nhóm chức năng sau đây:

  - Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau.  - Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tin

thuộc tính.  - Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối

ưu và mô hình mô phỏng không gian- thời gian.

  - Hiển thị và trình bày thông tin dưới các dạng khác nhau, với các biện pháp khác nhau.

Phần mềm được phân thành ba lớp: hệ điều hành, các chương trình tiện ích đặc biệt và các chương trình ứng dụng.

Hình II.8: Phần mềm của GISI.6.3/ Cơ sở dữ liệu:

Khái niệm dữ liệu địa lý: Đặc điểm dữ liệu trong các HTTTĐL khác biệt với dữ liệu ở các hệ thống thông tin khác (ngân hàng, thư viện, quản lý khách hàng hàng không, y tế…) ở chỗ chúng bao gồm cả thông tin về vị trí không gian (dữ liệu không gian), thậm chí cả các mối liên hệ topo không gian và các thông tin mô tả tính chất (dữ liệu thuộc tính) các vật thể trong hệ thống dữ liệu. Đặc điểm quan trọng trong tổ chức dữ liệu của GIS là: dữ liệu không gian (bản đồ) và dữ liệu thuộc tính được lưu trữ trong cùng một cơ sở dữ liệu (CSDL) và có quan hệ chặt chẽ với nhau.

Hình II.9: Minh họa cấu trúc dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính

Dữ liệu địa lý nhằm phản ảnh thế giới thực, do đó, một đối tượng của dữ liệu địa lý được coi là đã xác định khi trả lời đầy đủ thông tin về các các câu hỏi sau:

Thu thập dữ liệu

Giao diện người dùng

Chuyển đổi dữ liệu

Phân tích không gian

Hiển thị làm báo cáo

Quản trị CSDL địa lý

Dữ liệu không gian

Dữ liệu thuộc tính

Cái gì? (dữ liệu thuộc tính). Ở đâu? (dữ liệu không gian). Khi nào? (thời gian). Tương tác với các đối tượng khác ra sao?

(quan hệ).I.6.3.1/ Dữ liệu không gian (nó ở đâu ?)Dữ liệu địa lý biểu thị các vật thể trên bề mặt trái đất bao giờ cũng được thể hiện

trên mặt giấy phẳng 2 chiều bằng ba thực thể chính: điểm (points), đường (lines) và vùng (polygons) được mã hóa vào trong hệ thống CSDL địa lý. Các thực thể này biểu thị tất cả các vật thể địa lý trên mặt đất để mô hình hóa thế giới thực tế. Đây là dạng dữ liệu cơ bản của một hệ thống thông tin địa lý. Dạng dữ liệu này bao gồm các thông tin có tính đồ họa chỉ rõ hình dạng, phạm vị không gian, vị trí địa lý của một thực thể trong thế giới thực được khái quát hóa thành các đặc tính địa lý như điểm, đường hay vùng trên bản đồ (ảnh). Trong máy tính số, dữ liệu không gian của các thực thể có thể được biểu diễn theo hai mô hình Raster và Vector.

Mô hình dữ liệu Vector biểu diễn đối tượng địa lý trên mặt đất bằng những điểm (point), đường (line), vùng (polygon). Mô hình dữ liệu Raster ấn định vị trí của các đối tượng không gian vào các ô lưới hình vuông (điểm ảnh) có kích thước bằng nhau gọi là fixel được xác định vị trí bằng toạ độ (x,y) là số thứ tự của hàng và cột của fixel. Các đối tượng không gian dù ở mô hình cấu trúc dữ liệu GIS nào đều có một điểm chung là vị trí của chúng đều được ghi nhận bằng giá trị toạ độ trong một hệ toạ độ nào đó tham chiếu với hệ toạ độ dùng cho Trái đất. Hệ thống tọa độ này liên hệ dữ liệu địa lý với vị trí thực tế của vật thể mà dữ liệu đại diện trên bề mặt Trái đất. Hệ thống tọa độ có thể là hệ cục bộ cho các vùng nghiên cứu nhỏ hoặc là hệ thống tọa độ quốc gia hay quốc tế như UTM (Universal Transverse Mecator).

Đặc điểm quan trọng của dữ liệu không gian:– Được thể hiện trên bản đồ và GIS dưới dạng điểm (point), đường (line)

hoặc vùng (polygon).– Vị trí địa lý của đối tượng được thể hiện bằng tọa độ (VD: kinh vĩ độ, tọa

độ UTM,...).I.6.3.2/ Dữ liệu thuộc tính (nó là gì ?)Ngoài các dữ liệu không gian như diễn tả ở trên, trong các HTTTĐL còn tồn tại loại

dữ liệu khác không kém phần quan trọng là dữ liệu thuộc tính phi không gian. Đó là những thuộc tính mô tả đặc điểm của các đối tượng địa lý. Dữ liệu thuộc tính có thể được lưu trữ gắn kết trong mỗi bảng thuộc tính của đối tượng không gian hoặc là các bảng dữ liệu hoàn toàn độc lập, khi cần thiết thì bảng dữ liệu này mới kết nối vào bảng thuộc tính của đối tượng không gian tạo thành dữ liệu địa lý.

Loại dữ liệu này thường chiếm một phần bộ nhớ không nhỏ trong các HTTTĐL. Ví dụ đối với một giếng khoan thì ngoài thông tin về vị trí địa lý của nó còn có một loạt các dữ liệu thuộc tính như độ sâu, ngày khoan giếng, lưu lượng bơm, chủ nhân, người vận hành…Nhiều HTTTĐL được thiết kế bao gồm những công cụ đặc biệt cho việc quản lý những dữ liệu thuộc tính. Vấn đề lưu trữ và quản lý các loại dữ liệu cũng như các quan hệ giữa chúng trong HTTTĐL bắt buộc phải thiết kế và xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu nhằm đạt được mục đích sử dụng hiệu quả nhất cả về khối lượng tích trữ và tốc độ xử lý.

Đặc điểm quan trọng của dữ liệu thuộc tính: Thể hiện tính chất của đối tượng (VD: chiều cao của cây rừng, dân số thành phố, bề rộng con đường,...).

I.6.3.3/ Thời gian (nó tồn tại khi nào ?)– Thông tin địa lý luôn gắn liền với một thời điểm hoặc một khoảng thời

gian nhất định.– Biết được thời gian của thông tin thì chúng ta mới có thể sử dụng thông tin

một cách chính xác.

Hình II.10 Các chức năng được yêu cầu cho một hệ GIS

GIS phải bao gồm một cơ  sở dữ liệu chứa các thông tin không gian (thông tin địa lý: cặp tọa độ x,y trong hệ tọa độ phẳng hoặc địa lý) và các thông tin thuộc tính liên kết chặt chẽ với nhau và được tổ chức theo một ý đồ chuyên ngành nhất định. Thời gian được mô tả như một kiểu thuộc tính đặc biệt. Quan hệ  được biểu diễn thông qua thông tin không gian và/hoặc thuộc tính (Hình II.9)

(a) (b)Hình II.11 Mô tả cơ sở dữ liệu (a) và khái niệm dữ liệu địa lý (b)

I.6.4/ Con người và tổ chức hệ thống: là yếu tố quan trọng, bao gồm: Các kỹ thuật viên am hiểu về máy tính và các phần mềm GIS có nhiệm vụ sử

dụng thiết bị, nhập và xử lý dữ liệu Các nhà phân tích và điều hành hệ thống Các nhà lãnh đạo sử dụng hệ thống làm công cụ trợ giúp để hoạch định các

chủ trương, kế hoạch trong quản lý và phát triểnTuỳ theo tính chất quản lý, hệ thông tin địa lý có thể mở rộng thêm một số thành

phần liên quan khác. Phần chuyên gia:

Trong GIS, phần con người còn được biết đến dưới các tên gọi khác như phần não hay phần sống của hệ thống. Con người tham gia vào việc thiết lập, khai thác và bảo trì hệ thống mộ cách gián tiếp hay trực tiếp. Có hai nhóm người quan trọng trực tiếp quyết định sự tồn tại và phát triển của GIS là người sử dụng và người quản lý sử dụng GIS.

Đội ngũ những người sử dụng GIS bao gồm các thao tác viên, kỹ thuật viên hỗ trợ kỹ thuật và các chuyên gia về lĩnh vực khác nhau có sử dụng thông tin địa lý. Người sử dụng trở thành một thành phần của GIS khi tiến hành những phép phân tích phức tạp, các thao tác phân tích không gian và mô hình hóa. Công việc này yêu cầu các kỹ năng để chọn lựa và sử dụng các công cụ từ hộp công cụ của GIS và có kiến thức về các dữ liệu đang được sử dụng. Hiện tại và trong những năm trước mắt, GIS vẫn sẽ phụ thuộc vào

người sử dụng có nắm vững kiến thức về những gì họ đang làm chứ không đơn giản chỉ ấn một nút là đủ.

Người sử dụng hệ thống: là những người sử dụng GIS để giải quyết các vấn đề không gian. Họ thường là những người được đào tạo tốt về lĩnh vực GIS hay GIS chuyên dụng. Nhiệm vụ chủ yếu của họ là số hóa bản đồ, kiểm tra lỗi, soạn thảo, phân tích dữ liệu thô và đưa ra các giải pháp cuối cùng để truy vấn dữ liệu địa lý. Dù được đào tạo chính qui hay tại chức thì người sử dụng hệ thống vẫn phải được thường xuyên đào tạo lại vì phần mềm GIS thay đổi liên tục và do yêu cầu mới của kỹ thuật phân tích.

Thao tác viên hệ thống: Có trách nhiệm vận hành hệ thống hàng ngày để người sử dụng hệ thống làm việc hiệu quả. Công việc của họ là sửa chữa khi chương trình bị nghẽn hay là công việc trợ giúp nhân viên thực hiện các phân tích có độ phức tạp cao. Đôi khi họ còn có trách nhiệm huấn luyện người dùng, họ cũng là người có kinh nghiệm như người sử dụng hệ thống. Họ hiểu biết về cấu hình phần mềm và phần cứng để có thể yêu cầu nâng cấp. Họ còn làm việc như người quản trị hệ thống, quản trị cơ sở dữ liệu, an toàn, toàn vẹn cơ sở dữ liệu để tránh hư hỏng, mất mát dữ liệu.

Nhà cung cấp GIS: Có trách nhiệm cung cấp phần mềm, cập nhật phần mềm, phương pháp nâng cấp cho hệ thống. Đôi khi tham gia huấn luyện người dùng GIS thông qua các hợp đồng với quản trị hệ thống.

Nhà cung cấp dữ liệu: Có thể là tổ chức Nhà nước hay tư nhân. Thông thường, các công ty tư nhân cung cấp dữ liệu sửa đổi từ dữ liệu các cơ quan Nhà nước để cho phù hợp với ứng dụng cụ thể. Thường thì các cơ quan Nhà nước cung cấp dữ liệu được xây dựng cho chính nhu cầu của họ, nhưng dữ liệu này có thể được sử dụng trong các tổ chức, cơ quan khác. Một số dữ liệu này được bán với giá rẻ hay cho không đối với các dự án GIS phi lợi nhuận.

Người phát triển ứng dụng: là những người lập trình viên được đào tạo. Họ xây dựng các giao diện người dùng, làm giảm khó khăn khi thực hiện các thao tác cụ thể trên các hệ thống GIS chuyên nghiệp. Phần lớn, lập trình GIS bằng ngôn ngữ macro do nhà cung cấp GIS xây dựng để người phát triển ứng dụng có khả năng ghép nối với các ngôn ngữ máy tính truyền thống.

Chuyên viên phân tích hệ thống GIS: là nhóm người chuyên nghiên cứu thiết kế hệ thống. Phần lớn họ là đội ngũ chuyên nghiệp, có trách nhiệm xác định mục tiêu của hệ GIS trong cơ quan, hiệu chỉnh hệ thống, đề xuất kỹ thuật, phân tích đúng đắn, đảm bảo tích hợp tốt hệ thống trong cơ quan. Thông thường, chuyên gia phân tích hệ thống là nhân viên của các hãng lớn chuyên về cài đặt GIS.

Như vậy, một dự án GIS chỉ thành công khi nó được quản lý tốt và con người tại mỗi công đoạn phải có kỹ năng tốt. Dưới đây là một ví dụ về cấu trúc quản lý dự án GIS độc lập. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp có thể kết hợp quản lý dự án GIS với cấu trúc quản lý có sẵn trong cơ quan.

Hình II.12 Sơ đồ quản lý dự án GISI.6.5/ Cơ sở tri thức: 

Cấu trúc của Cơ sở tri thức trong GIS được thể hiện trong Hình III.11:

Hình II.13: Cơ sở tri thức trong GIS

I. Chức năng của HTTTĐL:Là công cụ quản lý thông tin, hệ thông tin địa lý có các chức năng cơ bản sau:II.1/ Truy xuất/ cập nhật dữ liệu:Vì các hệ GIS được thiết kế cho các quá trình phân tích không gian nên đặc tính cơ

bản nhất của GIS là truy xuất và cập nhật dữ liệu. Đây là những chức năng không thể tách rời nhau, bất kỳ một hệ thống nào cho phép truy xuất vào cơ sở dữ liệu sẽ phải cho phép cập nhật cơ sở dữ liệu. Có rất nhiều hệ thống bản đồ để bàn có thể mua được trên thị trường. Bất kỳ hệ thống nào không cung cấp chức năng truy xuất/ cập nhật dữ liệu sẽ không được xem là GIS vì chức năng này là yêu cầu trước tiên trong các chức năng của GIS.

Truy xuất và cập nhật dữ liệu phải cho phép sử dụng nguồn dữ liệu ở dạng số (digital) hoặc dạng tương tự (analog). Thông tin không gian có thể có được từ bản đồ giấy hoặc ảnh hàng không được xử lý thành định dạng số và dữ liệu số từ các nguồn và

- Đưa ra chủ trương, xây

dựng cơ chế chính sách - Đặt bài toán - Tổ chức thực hiện quản

lý, đánh giá

- Quy trình cập nhật dữ liệu - Quy trình nghiệp vụ quản lý có ứng

dụng HTTĐL - Tham gia ứng dụng các mô hình

HTTĐL

- Giải pháp và công nghệ - Quản trị CSDL - Chuẩn dữ liệu, quy trình

kỹ thuật - Phát triển phần mềm cho

các mô hình ứng dụng

Cơ sở tri thức

Nhà quản lý Chuyên gia chuyên ngành

Cộng đồng Chuyên

gia công nghệ TT

các định dạng khác nhau có thể được chuyển đổi về định dạng phù hợp với cơ sở dữ liệu hiện có.

Các nguồn dữ liệu GIS được thu thập chủ yếu từ các nguồn: số hoá từ bản đồ giấy, các số liệu toạ độ thu được từ các máy đo đạc, số liệu thống kê, ảnh vệ tinh, hệ thống định vị toàn cầu (GPS)…

II.2/ Chuyển đổi dữ liệu:Chuyển đổi dữ liệu là chức năng gần gũi với truy xuất và cập nhật dữ liệu. Vì hầu

hết các hệ GIS thương mại sử dụng Lưu trữ dữ liệu:Dữ liệu được lưu trữ trong GIS dưới dạng dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính,

hai loại dữ liệu này được liên kết chặt chẽ với nhau. Dữ liệu GIS thường được tổ chức theo từng lớp và theo từng chủ đề riêng biệt.

(a) (b)

Hình II.14: Tổ chức cơ sở dữ liệu trong GIS: (a) Thế giới thực với mô hình dữ liệu Vector; (b) Thế giới thực với mô hình dữ liệu Vector và Raster

II.3/ Truy vấn dữ liệu:GIS cung cấp những tiện ích để tìm kiếm những đối tượng riêng biệt dựa trên vị trí

và các giá trị thuộc tính của chúng. Dựa theo cách thức truy vấn, có thể chia truy vấn thành hai dạng:

- Truy vấn từ đối tượng không gian, tìm ra thuộc tính của chúng. Trong cách truy vấn này, người sử dụng phải xác định được vị trí của đối tượng cần quan tâm, sau đó tiến tới xem thuộc tính của chúng

- Truy vấn từ dữ liệu thuộc tính để truy tìm vị trí của đối tượng trong không gian bằng cách xây dựng các biểu thức truy vấn dựa vào điều kiện ràng buộc. Trong trường hợp này, người sử dụng đã biết các đặc điểm của đối tượng và muốn tìm ra vị trí của các đối tượng đó

II.4/ Phân tích dữ liệu:Chức năng quan trọng của GIS là cho phép thực hiện các phép phân tích dữ liệu

không gian và dữ liệu thuộc tính để trợ giúp cho quá trình lập quyết định. Có nhiều phương pháp phân tích dữ liệu trong GIS, tuỳ vào từng mục tiêu và nguồn dữ liệu cụ thể mà ta có thể chọn các phương pháp phân tích khác nhau:

- Thao tác phân tích trên một lớp dữ liệu: là những thủ tục để truy vấn thuộc tính, truy vấn không gian thực hiện trên một lớp dữ liệu và tạo những tập dữ liệu mới.

- Thao tác phân tích trên nhiều lớp dữ liệu: là những thao tác trên nhiều lớp dữ liệu không gian để thực hiện các bài toán phân tích: chồng lớp, phân tích sự gần kề, phân tích sự tương quan không gian…

- Mô hình hoá không gian: bao gồm việc xây dựng những mô hình để giải thích và dự đoán không gian, mô phỏng không gian.

- Phân tích mẫu điểm: là thao tác phân tích các điểm mẫu liên quan đến việc kiểm tra, đánh giá những mô hình, phân tích sự phân bố không gian của các điểm mẫu, phân tích sự tương quan giữa các điểm mẫu…

- Phân tích mạng: ứng dụng vào những đối tượng dạng đường, những đối tượng này được tổ chức trong mạng lưới liên kết

- Phân tích bề mặt: liên quan đến sự phân bố không gian của đối tượng trên bề mặt trong những điều kiện có cấu trúc không gian 3 chiều…

…II.5/ Hiển thị dữ liệu:Chức năng hiển thị dữ liệu giải quyết cách dữ liệu được thể hiện và các kết quả

phân tích được báo cáo tới người sử dụng (bản đồ, biểu bảng, hình ảnh…)II.6/ Xuất dữ liệu:Dữ liệu GIS có thể được xuất ra dưới nhiều dạng khác nhau như in trên giấy, xuất

ra thành các tập tin ảnh, đưa vào các báo cáo, chuyển vào Internet để cung cấp cho người dùng ở xa…

Hình II.15: Các nhóm chức năng trong GISII. Chi phí cho GIS:

GIS cần phần cứng, phần mềm, dữ liệu và quản trị để dẫn đến thành công của mọi ứng dụng. Tuy nhiên, mỗi loại đều đòi hỏi nguồn kinh phí nhất định. Hiện nay, rất nhiều phần mềm GIS được thương mại hóa cho nên giá thành của chúng hạ nhanh chóng nhưng chức năng của chúng lại ngày càng được tăng cường. Chỉ có chi phí cho dữ liệu không gian hầu như vẫn giữ nguyên ở mức cao. Thông thường, khoảng 70% tổng chi phí của dự án GIS là dành cho việc thu thập dữ liệu.

Hình II.16: Chi phí cho GIS

III. Các lĩnh vực ứng dụng của HTTTĐL: