ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẶNG HOÀNG ANH HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÍ (GIS) ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÍ THÔNG TIN ĐỊA LÝ BIỂN HẢI PHÕNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẶNG HOÀNG ANH HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÍ (GIS) ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÍ THÔNG TIN ĐỊA LÝ BIỂN HẢI PHÕNG Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên Ngành : Hệ thống thông tin Mã số : 60 48 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS ĐỖ TRUNG TUẤN Hà Nội - 2011 MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. i MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ........................................................ iv DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................v MỞ ĐẦU ....................................................................................................................v CHƢƠNG I: HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ DỮ LIỆU BẢN ĐỒ SỐ ..........................................................3 1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý .................................................................3 1.2 Các phép chiếu không gian của GIS .....................................................................7 1.2.1 Hệ thống tham chiếu không gian .......................................................................7 1.2.2 Hệ toạ độ địa lý ..................................................................................................7 1.2.3 Hệ toạ độ quy chiếu............................................................................................8 1.2.4 Các phép chiếu cơ bản .......................................................................................9 1.2.4.1 Mặt hình nón ...................................................................................................9 1.2.4.2 Mặt hình trụ .....................................................................................................9 1.2.4.3 Mặt phẳng phương vị ....................................................................................10 1.3 Cơ sở dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý GIS ..............................................10 1.3.1 Cơ sở dữ liệu không gian .................................................................................11 1.3.1.1 Mô hình dữ liệu Vector .................................................................................11 1.3.1.2.Mô hình dữ liệu Raster ..................................................................................14 1.3.1.3. So sánh mô hình Raster và Vector ...............................................................17 1.3.2 Cơ sở dữ liệu phi không gian ...........................................................................18 1.4 Các phương pháp xây dựng bản đồ số ................................................................18 1.5 Khả năng làm việc của GIS .................................................................................23 1.6 Các lĩnh vực ứng dụng GIS .................................................................................23 1.7 Kiến trúc của chương trình ứng dụng GIS ..........................................................26 1.7.1 Hệ quản trị CSDL GIS .....................................................................................26 1.7.1.1. Mô hình khái niệm .......................................................................................26 1.7.1.2. Mô hình ngữ nghĩa .......................................................................................27 1.7.1.3. Mô hình logic ...............................................................................................28 1.7.1.4. Mô hình quan hệ...........................................................................................28 1.7.1.5. CSDL hướng đối tượng ................................................................................29 1.7.2 Kiến trúc của chương trình ứng dụng GIS .......................................................29 1.7.2.1. Kiến trúc đối ngẫu ........................................................................................29 1.7.2.2. Kiến trúc tầng ...............................................................................................30 1.7.2.3. Kiến trúc tích hợp .........................................................................................31 1.8 Kết luận ...............................................................................................................32 CHƢƠNG II : GIẢI PHÁP SỐ HOÁ SỐ BẢN ĐỒ BIỂN HẢI PHÒNG VÀ TỔ CHỨC DỮ LIỆU BẢN ĐỒ ....................................................................................33 2.1 Giải pháp số hoá và tổ chức bản đồ số biển Hải Phòng ......................................33 2.1.1 Giải pháp số hoá bản đồ số biển Hải Phòng ....................................................34 2.1.1.1 Tiền xử lý bản đồ số ......................................................................................35 2.1.1.2 Hiệu chỉnh bản đồ số dựa trên bàn số hóa ....................................................35 2.1.1.3 Mã hóa đặc trưng bản đồ ...............................................................................36 2.1.1.4 Tìm kiếm và hiệu chỉnh lỗi ...........................................................................37 2.1.2 Tổ chức dữ liệu bản đồ số ................................................................................38 2.2 Giới thiệu MAPINFO, MAPX và tổ chức dữ liệu bản đồ ..................................41 2.2.1 Giới thiệu về MAPINFO ..................................................................................41 2.2.2 Giới thiệu về Mapx ..........................................................................................42 2.2.2.1. Geoset ...........................................................................................................42 2.2.2.2.DataSet ..........................................................................................................44 2.2.2.3.Các phương thức khác ...................................................................................44 2.3 Cách thức tổ chức dữ liệu bản đồ của MAPINFO ..............................................45 2.4 Kết luận ...............................................................................................................49 CHƢƠNG III : PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM........50 3.1 Phân tích các yêu cầu đặt ra cho hệ thống ..........................................................50 3.2 Phân tích chức năng nhận tín hiệu GPS ..............................................................51 3.2.1 GPS và tín hiệu GPS ........................................................................................51 3.2.1.1 Giới thiệu GPS ..............................................................................................51 3.2.1.2 Cách hoạt động của GPS ...............................................................................52 3.2.1.3 Chính xác của GPS .......................................................................................52 3.2.1.4 Tín hiệu GPS - Cấu trúc tín hiệu GPS ..........................................................53 3.2.2 Phương pháp đọc tín hiệu GPS từ máy thu GPS .............................................55 3.3 Phân tích và thiết kế chương trình ......................................................................59 3.3.1 Biểu đồ phân cấp chức năng ............................................................................59 3.3.2 Biểu đồ luồng dữ liệu .......................................................................................60 3.3.2.1 Biểu đồ mức ngữ cảnh ..................................................................................60 3.2.2 Biểu đồ mức đỉnh .............................................................................................61 3.3.2.3 Biểu đồ mức dưới đỉnh ..................................................................................62 3.3.2.3.1 Khối hiển thị bản đồ ...................................................................................62 3.3.2.3.2 Khối cập nhật bản đồ .................................................................................62 3.3.2.3.3 Khối tìm kiếm và hiển thị ..........................................................................63 3.3.2.3.4 Khối các tiện ích bản đồ .............................................................................64 3.3.2.3.3 Khối phân quyền ........................................................................................65 3.3.3 Cơ sở dữ liệu thuộc tính ...................................................................................66 3.4 Thiết kế khối của chương trình ...........................................................................68 3.4.1 Giao diện chính của chương trình ....................................................................68 3.4.2 Giao diện lựa chọn hiển tỉ lệ hiển thị ...............................................................69 3.4.1 Giao diện đăng nhập hệ thống..........................................................................69 3.4.3 Giao diện cập nhật thông tin đối tượng ............................................................70 3.4.4 Giao diện cập nhật loại đối tượng ....................................................................70 3.4.5 Giao diện tìm kiếm đối tượng ..........................................................................71 3.4.6 Giao diện kết nối hệ thống với GPS.................................................................72 3.4.7 Giao diện thay đổi cấu hình thiết bị truyền GPS .............................................73 3.5 Đánh giá hiệu năng hệ thống ...............................................................................74 KẾT LUẬN ..............................................................................................................75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................77 MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geography Information System) GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) DGPS Phép đo GPS vi sai (Differential Global Positioning System) LORAN Hệ thống dẫn đường dài (LOng RAnge Navigation) TACAN Hệ thống dẫn đường hàng không (TACtical Air Navigation) VOR/DME Hệ thống dẫn đường hàng không dân sự sử dụng VHF (VHF Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment ) GLONAS Hệ thống dẫn đường của liên bang Nga GALILEO Hệ thống dẫn đường của liên minh châu Âu CSDL Cơ sở dữ liệu DBMS Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (Database Management System) VBB Vịnh Bắc Bộ (Địa danh) 3D Không gian ba chiều (3 Dimension) EDR Mô hình quan hệ thực thể (Entry relationship diagram) DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình một hệ thống thông tin địa lý .........................................................4 Hình 1.2 Các tầng trong bản đồ đô thị .......................................................................4 Hình 1.3 Phần mềm GIS và các chức năng thực hiện. ...............................................5 Hình 1.4 Mô phỏng cách biểu diễn trên quả cầu ........................................................7 Hình 1.5 Dữ liệu GIS ................................................................................................11 Hình 1.6 Dữ liệu biểu diễn dạng Vector ...................................................................12 Hình 1.7 Dữ liệu biểu diễn dạng Raster ...................................................................14 Hình 1.8 Sự ảnh hưởng của kích thước tế bào ..........................................................15 Hình 1.9 Đánh chỉ số phân vùng ...............................................................................16 Hình 1.10 Biểu diễn dạng Vector và Raster..............................................................17 Hình 1.11 Biểu diễn thế giới thực .............................................................................17 Hình 1.12 Ảnh chụp thành phố từ máy bay ...............................................................20 Hình 1.13 Ảnh chụp từ vệ tinh một góc Vịnh Bắc Bộ ...............................................20 Hình 1.14 Ảnh bản đồ VBB được quét vào máy tính ................................................22 Hình 1.15 Bản đồ số VBB sau khi được số hoá bằng cách xác định các biên .........22 Hình 1.16 Các mức biển diễn thông tin trong CSDL ................................................26 Hình 1.17 Sơ đồ quan hệ thực thể .............................................................................27 Hình 1.18 Phân tầng .................................................................................................27 Hình 1.19 Kết hợp .....................................................................................................28 Hình 1.20 Tập hợp ....................................................................................................28 Hình 1.21 Kiến trúc đối ngẫu của GIS......................................................................30 Hình 1.22 Kiến trúc phân tầng của GIS....................................................................31 Hình 1.23 Kiến trúc tích hợp của hệ GIS ..................................................................31 Hình 2.1 Chia các mảnh bản đồ trong thực tế ..........................................................33 Hình 2.2 Bản đồ toàn cảnh VBB ...............................................................................34 Hình 2.3 Lỗi đoạn thẳng lơ lửng ...............................................................................37 Hình 2.4 Chập nút .....................................................................................................37 Hình 2.5 Bản đồ số hóa Vịnh Bắc Bộ tỉ lệ 1/1.000.000 ............................................40 Hình 2.6 Bản đồ số hóa Biển Hải Phòng tỉ lệ 1/1.00.000 .........................................41 Hình 2.7 Mô hình tổng quan của Mapx ....................................................................45 Hình 3.1 Mô hình của hệ thống .................................................................................51 Hình 3.2 Xác định vị trí bằng GPS ...........................................................................55 Hình 3.3 Biểu đồ phân rã chức năng hệ thống .........................................................59 Hình 3.4 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống ........................................................................60 Hình 3.5 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống ........................................................................61 Hình 3.6 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống ........................................................................62 Hình 3.7 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống ........................................................................63 Hình 3.8 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống ........................................................................64 Hình 3.9 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống ........................................................................65 Hình 3.10 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống ......................................................................66 Hình 3.11 Các bảng CSDL của hệ thống ..................................................................68 Hình 3.12 Giao diện Form chính của chương trình .................................................69 Hình 3.14 Giao diện Khuôn dạng đăng nhập hệ thống ............................................70 Hình 3.15 Giao diện Khuôn dạng thông tin đối tượng .............................................70 Hình 3.16 Giao diện Khuôn dạng cập nhật loại đối tượng ......................................71 Hình 3.17 Giao diện Khuôn dạng tìm kiếm đối tượng ..............................................72 Hình 3.18 Giao diện Khuôn dạng kết nối với GPS ...................................................73 Hình 3.19 Giao diện Khuôn dạng thay đổi cấu hình kết nối ....................................73 MỞ ĐẦU Ngày nay thuật ngữ Hệ thống thông tin địa lý (GIS, Geography Information System) không còn xa lạ với những người làm việc trong lĩnh vực tin học vì lợi ích thực tế và những hứa hẹn của GIS trong tương lai. Công nghệ GIS có ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: giao thông vận tải, quân sự, quản lý đô thị, quản lý hệ thống viễn thông, thuỷ lợi… Với một hệ thống GIS hoàn chỉnh kết hợp với kĩ thuật truyền thông và điện tử, một công ty vận tải biển có thể biết vị trí các con tàu của mình với độ chính xác cao và được cập nhật liên tục hành trình. Hệ thống GIS được trang bị những luật suy diễn đúng đắn có thể đưa ra các dự đoán về ảnh hưởng của một dự án với môi trường trong tương lai nếu được tiến hành và từ đó đưa ra quyết định nên hay không nên tiến hành dự án đó. Điều quan trọng là các thao tác đó được thể hiện trên một giao diện bản đồ thân thiện nhằm đem lại cho người sử dụng một cái nhìn trực quan nhất cho mọi câu hỏi đặt ra khi tác nghiệp. Hải Phòng là một thành phố biển với bờ biển trải dài trên 125 km. Khối thông tin biển cần quản lý là rất lớn, đó là các thông tin địa lý tự nhiên, các thông tin về hệ thống an toàn hàng hải. Tuy nhiên, hiện nay việc quản lý các thông tin đó vẫn được tiến hành thủ công thông qua bản đồ giấy và các giấy tờ lưu trữ. Áp dụng tin học vào quản lý cũng chỉ số hóa được phần nào các thông tin đó. Việc tìm kiếm cũng như xử lý số liệu vẫn chưa đồng bộ. Xuất phát từ thực thế đó, đề tài “Hệ thống thông tin địa lí ứng dụng trong quản lí thông tin địa lý biển Hải Phòng” với mục đích xây dựng hệ thống quản lý đồng bộ các thông tin địa lý và thuộc tính có tính thực tiễn cao. Đề tài đặt ra các vấn đề cần giải quyết gồm 1. Vai trò, nhu cầu của hệ thống thông tin quản lí biển Hải Phòng; 2. Khả năng của Hệ thống thông tin địa lí; 3. Phân tích, thiết kế hệ thống thông tin địa lí biển Hải Phòng; 4. Thực hiện hệ thống :  Số hóa bản đồ biển Hải Phòng bằng phương pháp thích hợp với độ chính xác cao đáp ứng được nhu cầu sử dụng.  Xây dựng chương trình tích hợp dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính phù hợp với các chức năng đã phân tích và thiết kế.  Tìm hiểu định dạng tín hiệu và xây dựng khối tích hợp dữ liệu từ các thiết bị hàng hải khác (máy thu GPS) Luận văn được trình bày với bố cục gồm ba phần : mở đầu, nội dung và kết luận. phần mở đầu giới thiệu khái quát về đề tài, mục tiêu đề tài và các vấn đề cần giải quyết. Nội dung chia thành ba chương 1. Chương I: Hệ thống thông tin địa lý gis và ứng dụng trong quản lý dữ liệu bản đồ số. Chương này (i) Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin địa lý, các đặc điểm cũng như các thành phần của hệ thống; (ii) Giới thiệu về các phép qui chiếu không gian trong việc số hóa đối tượng địa lý, các phương pháp mã hóa xây dựng dữ liệu không gian và các khả năng của GIS. 2. Chương II : Giải pháp số hoá số bản đồ biển Hải Phòng và tổ chức dữ liệu bản đồ. Chương này (i) Giới thiệu về giải pháp số hóa bản đồ biển Hải Phòng và bản đồ biển Vịnh Bắc Bộ, các bước thực hiện chi tiết trong quá trình số hóa; (ii) Các thức tổ chức dữ liệu bản đồ số phù hợp với yêu cầu bài toán. 3. Chương III : phân tích thiết kế và xây dựng chương trình, cho phép trình bày việc phân tích và thiết kế hệ thống, giới thiệu các khối của chương trình và đánh giá hiệu năng hệ thống khi được triên khai thực tế. Phần kết luận trình bày các kết quả đã đạt được của đề tài cũng như khả năng ứng dụng thực tế của hệ thống và hướng phát triển để sản phẩm của đề tài thực sự hữu ích trong việc quản lý thông tin địa lý biển Việt Nam. CHƢƠNG I: HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ DỮ LIỆU BẢN ĐỒ SỐ 1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý Có nhiều cách hiểu cũng như định nghĩa khác nhau về GIS, song đều có điểm giống nhau như: bao hàm dữ liệu không gian, phân biệt giữa hệ thông tin quản lý và GIS. So với bản đồ thì GIS lưu trữ và biểu diễn dữ liệu hoàn toàn độc lập với nhau. GIS cung cấp khả năng quan sát trên các góc độ khác nhau với cùng một tập dữ liệu. Theo cách định nghĩa của dự án “The Geographer’s Craft” của khoa địa lý trường đại học TEXAS : GIS là cơ sở dữ liệu (CSDL) số chuyên dụng trong đó hệ trục toạ độ không gian là phương tiện tham chiếu chính. GIS gồm các công cụ để thực hiện các công việc sau :  Nhập số liệu từ bản đồ giấy, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, số liệu tổng hợp từ các nguồn khác.  Lưu trữ dữ liệu, khai thác, truy vấn CSDL.  Biến đổi dữ liệu, phân tích, mô hình hoá bao gồm các dữ liệu thống kê và dữ liệu không gian.  Lập báo cáo gồm các bản đồ chuyên đề, bảng biểu, kế hoạch. Từ định nghĩa trên cho thấy ba vấn đề cơ bản của GIS: 1. Thứ nhất: GIS có quan hệ với ứng dụng CSDL, toàn bộ thông tin trong GIS đều liên kết với tham chiếu không gian, CSDL GIS sử dụng phép chiếu không gian như phương tiện chính để lưu trữ và truy cập thông tin. 2. Thứ hai: GIS là công nghệ tích hợp, một hệ thống GIS đầy đủ có khả năng phân tích bao gồm phân tích ảnh vệ tinh, ảnh máy bay… hay tạo mô hình thống kê, vẽ bản đồ. 3. Thứ ba : GIS không chỉ đơn thuần là hệ thống phần cứng, phần mềm rời rạc mà còn sử dụng vào hỗ trợ quyết định. Theo cách định nghĩa của David Cowen : GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục được thiết kế để thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mô hình hoá và hiển thị các dữ liệu qui chiếu không gian để giải quyết các vấn đề quản lý và lập kế hoạch phức tạp. Độ phức tạp của thế giới thực là không giới hạn. Để lưu trữ, quản lý các dữ liệu về thế giới thực cần có một CSDL lớn. Khi lưu trữ dữ liệu này cần giảm số lượng dữ liệu đến mức có thể quản lý được bằng các quá trình đơn giản hoá hay trừu tượng hoá. Thực chất đó là quá trình tập trung chọn lọc những điểm cơ bản, đặc trưng nhất của đối tượng cần lưu trữ, loại bỏ các chi tiết thừa không cần thiết đồng thời hình tượng hoá đối tượng đó. GIS trừu tượng Phần hoá mềm công cụ + CSDL Thế giới thực Ngƣời sử dụng Kết quả Hình 1.1 Mô hình một hệ thống thông tin địa lý Mục tiêu của GIS là: cung cấp cấu trúc một hệ thống để quản lý các thông tin địa lý khác nhau và phức tạp, các công cụ, các thao tác hiển thị, truy vấn, mô phỏng... GIS lưu thông tin về thế giới thực thành các tầng bản đồ chuyên đề có khả năng liên kết địa lý với nhau từ các đối tượng có liên quan, khi thể hiện một bản đồ chuyên đề các tầng tương ứng được gọi ra. Layer CTCC Layer nhà ở Layer đƣờng thông Layer địa hình Hình 1.2 Các tầng trong bản đồ đô thị Ví dụ bản đồ một thành phố có thể được tách thành các tầng để hiển thị và lưu trữ dữ liệu như hình trên. Vậy có thể hiểu GIS là một tập hợp có tổ chức gồm: phần cứng, phần mềm, dữ liệu địa lý.  Phần cứng gồm: hệ thống máy tính, các thiết bị ngoại vi đặc biệt như bàn số hoá, máy vẽ, máy quét ảnh vào ra và thậm trí là cả các thiết bị công nghệ cao phục vụ việc thu thập số liệu bản đồ như vệ tinh, máy bay viễn thám. Các thiết bị này có thể được nối với nhau thông qua các thiết bị truyền tin hoặc trực tiếp với mạng cục bộ.  Phần mềm gồm: hệ điều hành hệ thống, phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu, phần mềm hiển thị đồ hoạ, các khối chương trình cung cấp cho người sử dụng các công cụ quản lý và phân tích không gian dễ dàng và chính xác. Dựa trên mục tiêu xây dựng của hệ thống GIS mà lựa chọn các giải pháp đồng bộ cho phần cứng và phần mềm. Phần Giao mềm thu diện thập dữ người liệu dùng Hệ Quản trị CSDL địa lý Phân tích Chuyển không đổi dữ gian liệu Hiển thị báo cáo Hình 1.3 Phần mềm GIS và các chức năng thực hiện.  Con người : ở đây là các chuyên viên tin học, chuyên gia GIS, thao tác viên GIS, phát triển ứng dụng GIS bao gồm: a. Người sử dụng hệ thống: là những người sử dụng GIS để giải quyết các vấn đề không gian. Nhiệm vụ chủ yếu của họ là số hóa bản đồ, kiểm tra lỗi, soạn thảo, phân tích các dữ liệu thô và đưa ra các giải pháp cuối cùng để truy vấn dữ liệu địa lý. Những người này phải thường xuyên được đào tạo lại do GIS thay đổi liên tục và yêu cầu mới của kỹ thuật phân tích. b. 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 tắc nghẽn hay là công việc trợ giúp nhân viên thực hiện các phân tích có độ phức tạp cao. Họ còn làm việc như quản trị hệ thống, quản trị CSDL, an toàn, toàn vẹn CSDL tránh hư hỏng, mất mát dữ liệu. c. Nhà cung cấp GIS: cung cấp các phần mềm, cập nhật phần mềm, phương pháp nâng cấp cho hệ thống. d. Nhà cung cấp dữ liệu: là các cơ quan nhà nước hay tư nhân cung cấp các dữ liệu sửa đổi từ nhà nước. e. Người phát triển ứng dụng: là những lập trình viên, họ xây dựng giao diện người dùng, giảm khó khăn các thao tác cụ thể trên hệ thống GIS... f. Chuyên viên phân tích hệ thống GIS: là nhóm người chuyên nghiên cứu thiết kế hệ thống, được đào tạo chuyên nghiệp có trách nhiệm xác định các mục tiêu của hệ GIS trong cơ quan, hiệu chỉnh hệ thống, đề xuất kỹ thuật phân tích đúng đắn...  Dữ liệu địa lý gồm Dữ liệu thống kê gắn theo các hiện tượng tự nhiên với những mức độ chính xác khác nhau. Hệ thống thước đo của chúng bao gồm các biến tên, số thứ tự, khoảng và tỉ lệ. Trong đó: a. Biến tên: những biến chỉ có tên, không theo một trật tự nào cả, ví dụ như các loại đất (công viên, vùng dân cư, đất công nghiệp...), loại cây trồng (ngô, khoai, sắn)... b. Biến thứ tự: là danh sách các lớp rời rạc nhưng có trật tự như trình độ học vấn (tiểu học, trung học, đại học, sau đại học), độ lớn (nhỏ, trung bình, lớn)... các giá trị ở đây chỉ là phản ánh một cách tương đối không chính xác số lượng vì vậy không thể thực hiện các phép tính toán được. c. Biến khoảng: cũng có trình tự tự nhiên nhưng khoảng cách của chúng có ý nghĩa như nhiệt độ, diện tích. d. Biến tỷ lệ: có cùng đạc tính như biến khoảng nhưng chúng có giá trị 0 tự nhiên hay điểm bắt đầu như lượng mưa, dân số. Ngoài bốn loại dữ liệu trên GIS còn phân chia dữ liệu thành hai lớp khác nhau là không gian và phi không gian.Ví dụ như nhà hát lớn Hải Phòng, giá trị cặp kinh độ, vĩ độ là dữ liệu không gian dạng đơn giản nhất và các thông tin khác như khối lượng khí lưu thông, kết cấu thép... là dữ liệu thuộc tính hay phi không gian. Mỗi hệ GIS đều có kết nối giữa hai loại dữ liệu này. Hệ GIS cần phải hiểu được dữ liệu trong các khuôn mẫu khác nhau không chỉ riêng khuôn dữ liệu triêng của hệ thống. Ví dụ như đường biên bản đồ có thể trong khuôn mẫu tệp DXF của AutoCad hay BNA của AtlasGis. Thông thường, GIS hiểu ngay khuôn mẫu DXF mà không cần sửa đổi đồng thời GIS phải hiểu ngay khuôn mẫu DBF của các thuộc tính được lưu trữ kèm theo. Phần mềm GIS lý tưởng đọc được các dữ liệu raster (DEN, GIFF, TIFF, JPEG, EPS) và khuôn mẫu vectơ (TIGER, HPGL, DXF, DLG, Postscript) một số phần mềm GIS chỉ có chức năng nhập dữ liệu vào các cấu trúc dữ liệu đơn giản như cấu trúc thực thể, cấu trúc tô pô. Với dữ liệu ba chiều, phần lớn phần mềm GIS trợ giúp lưới tam giác không đều (TIN), một số khác trợ giúp cấu trúc raster trên cơ sở lưới bao vây và cây tứ phân, số còn lại xây dựng một khuôn mẫu riêng cho mình tùy vào nhà sản xuất phầm mềm nhưng thường là theo khuôn mẫu chuẩn quốc gia, quốc tế như SDTS hay DIGEST. 1.2 Các phép chiếu không gian của GIS 1.2.1 Hệ thống tham chiếu không gian Vị trí của vật thể trong không gian đều phải gắn liền với một hệ toạ độ. Trong GIS, để biểu diễn dữ liệu không gian người ta thường dùng hai hệ toạ độ là: hệ toạ độ địa lý và hệ toạ độ quy chiếu. Hệ toạ độ địa lý là hệ toạ độ lấy mặt cầu ba chiều bao quanh trái đất làm cơ sở. Một điểm được xác định bằng kinh độ và vĩ độ của nó trên mặt cầu. Hệ toạ độ quy chiếu là hệ toạ độ hai chiều thu được bằng cách chiếu dữ liệu bản đồ nằm trên hệ toạ độ địa lý về một mặt phẳng. Hình 1.4 Mô phỏng cách biểu diễn trên quả cầu 1.2.2 Hệ toạ độ địa lý Hệ tọa độ địa lý dùng bề mặt hình cầu để xác định vị trí của một điểm trên trái đất, đơn vị đo của hệ là độ. Vì đây là hệ tọa độ gắn liền với trục trái đất nên để xác định vị trí của đối tượng người ta chia bề mặt trái đất thành các đường kinh tuyến và vĩ tuyến. Kinh tuyến là các đường cong cách đều nhau chạy qua hai điểm cực Bắc và Nam, vĩ tuyến là các đường tròn song song có tâm nằm trên trục của trái đất. Giao điểm giữa kinh tuyến và vĩ tuyến tạo thành các ô lưới. Trong số các kinh tuyến và vĩ tuyến có hai đường quan trọng nhất được lấy làm gốc toạ độ đó là: đường xích đạo và kinh tuyến chạy qua vùng Greenland nước Anh. Giao điểm giữa hai đường này là gốc toạ độ. Hai đường này cũng đồng thời chia trái đất làm 4 phần bằng nhau: nửa Bắc và Nam nằm phía trên và dưới của đường xích đạo; nửa Đông và Tây nằm ở phía bên phải và trái của kinh tuyến gốc.  Một điểm nằm trên mặt cầu sẽ có hai giá trị toạ độ là kinh độ và vĩ độ được xác định như trong hình vẽ trên. Giá trị này có thể được đo bằng độ theo cơ số 10 hoặc theo độ, phút, giây.  Miền giá trị của vĩ độ: -900 đến 900  Miền giá trị của kinh độ: -1800 đến 1800  Chỉ trên đường xích đạo thì khoảng cách một độ của vĩ tuyến mới bằng khoảng cách một độ trên kinh tuyến. Trên các vĩ tuyến khác khoảng cách này khác nhau rất nhiều. Người ta tính rằng một độ trên kinh tuyến dài khoảng 111, 321 km trong khi 600 trên vĩ tuyến chỉ có độ dài 55, 802 km. Vì sự khác nhau này nên ta không thể đo chính xác được chiều dài và diện tích của đối tượng khi dữ liệu bản đồ được chiếu lên mặt phẳng. Trong hệ toạ độ địa lý có hai bề mặt hình cầu được sử dụng đó là: mặt cầu (tuyệt đối) và mặt Ellip. Vì bề mặt của trái đất của ta không phải là hình cầu tuyệt đối mà nó gần với hình Ellip nên mặt Ellip thường được dùng để biểu diễn. Tuy nhiên đôi khi người ta cũng sử dụng mặt cầu để công việc tính toán dễ dàng hơn. Khi tỷ lệ bản đồ rất nhỏ (nhỏ hơn 1:5000.000) thì sự khác biệt giữa dữ liệu biểu diễn bằng mặt cầu và mặt Ellip là không thể phân biệt được bằng mắt thường. Lúc này, mặt cầu được dùng. Nhưng khi tỷ lệ lớn hơn 1:1.000.000 thì người ta cần thiết phải dùng mặt Ellip để đảm bảo độ chính xác. Do đó, việc lựa chọn mặt cầu hay mặt Ellip phụ thuộc vào mục đích của bản đồ và độ chính xác dữ liệu. Nếu mặt cầu dựa trên hình tròn thì mặt Ellip lại có cơ sở là hình Ellip. Hình Ellip được xác định bởi hai bán trục mà ta hay gọi là: bán trục lớn và bán trục nhỏ. Ta cho Ellip xoay quanh bán trục nhỏ ta sẽ thu được hình Ellip. Kích thước và hình dạng của Ellip được xác định bởi bán trục lớn a và bán trục nhỏ b, hay bởi a và hệ số dẹt f = (a - b) / a. Vì hệ số f rất nhỏ nên người ta thường dùng giá trị l/f (l: bán kính xích đạo, f: bán kính cực). 1.2.3 Hệ toạ độ quy chiếu Để thuận tiện cho sử dụng người ta phải nghiên cứu cách thể hiện bề mặt trái đất lên trên mặt phẳng của bản đồ. Do đó phải thực hiện phép chiếu bề mặt cong của trái đất lên mặt phẳng và hệ toạ độ quy chiếu ra đời. Hệ toạ độ này luôn lấy hệ toạ độ địa lý làm cơ sở. Hệ toạ độ quy chiếu được đặc trưng bởi hai trục X, Y theo phương ngang và thẳng đứng. Gốc toạ độ là giao điểm của hai trục này. Hai trục giao nhau đồng thời chia mặt phẳng làm 4 phần tương ứng với 4 phần trong hệ toạ độ địa lý. Một điểm trên mặt được xác định được xác định bởi cặp giá trị (x, y). 1.2.4 Các phép chiếu cơ bản Trong phần này ta sẽ tìm hiểu ba phép chiếu cơ bản và thường được sử dụng nhất đó là phép chiếu với mặt chiếu: mặt hình nón, mặt hình trụ và mặt phẳng phương vị. Bước đầu tiên khi tiến hành phép chiếu này là tạo ra một hay một tập các điểm tiếp xúc. Các điểm tiếp xúc này được gọi là các tiếp điểm hay là tiếp tuyến. Các điểm này có vai trò rất quan trọng, vì độ biến dạng của phép chiếu trên những điểm này bằng không. Độ biến dạng sẽ tăng khi khoảng cách giữa điểm chiếu và điểm tiếp xúc tăng. 1.2.4.1 Mặt hình nón Để thực hiện phép chiếu này người ta dùng một mặt hình nón “úp” lên bề mặt cầu. Đường thẳng tiếp xúc giữa mặt nón và mặt cầu là một vĩ tuyến và được gọi là vĩ tuyến chuẩn. Các đường kinh tuyến sau khi chiếu mặt nón sẽ thành những đường thẳng đứng, các đường vĩ tuyến sẽ tạo thành những đường tròn. Sau khi thực hiện phép chiếu, người ta sẽ cắt hình nón dọc theo một kinh tuyến bất kỳ, lúc này ta sẽ được kết quả của phép chiếu trên bề mặt nón. Sự giao nhau giữa những đường thẳng và cung tròn sẽ tạo nên một mặt lưới. Đường thẳng đối diện với đường cắt được gọi là kinh tuyến trung tâm. Càng xa vĩ tuyến chuẩn độ biến dạng càng tăng. Do đó để tăng độ chính xác người ta cắt bỏ phần đỉnh của mặt nón hay ta không tiến hành chiếu lên vùng này. Phép chiếu này thường dùng cho việc chiếu các vùng có các vĩ tuyến trung bình chạy qua và hướng theo chiều đông - tây. 1.2.4.2 Mặt hình trụ Như phép chiếu mặt nón, phép chiếu này cũng có một đường thẳng tiếp tuyến. Khi sử dụng mặt trụ, người ta phân làm ba loại tuỳ thuộc vào vị trí tương đối của mặt trụ so với mặt cầu  Phép chiếu Mercator: Hình trụ được đặt theo phương thẳng đứng và tiếp xúc với mặt cầu theo một vĩ tuyến, thường là đường xích đạo.  Phép chiếu Transverse: Hình trụ được đặt theo phương nằm ngang, đường thẳng tiếp xúc là một kinh tuyến.  Phép chiếu Oblique: Hình trụ đặt xiên và tiếp xúc với mặt cầu theo một đường tròn có bán kính lớn nhất (bằng bán kính xính đạo). Phép chiếu thường dùng nhất là Mercator. Trong phép chiếu này, các đường kinh tuyến sẽ được chiếu thành những đường thẳng đứng cách đều nhau, các đường vĩ tuyến sẽ trở thành những đường nằm ngang có khoảng cách không đều nhau và tăng dần về phía hai cực. Do đó biến dạng sẽ tăng dần về phía hai cực. Sau khi thực hiện phép chiếu, người ta sẽ cắt mặt hình trụ dọc theo một kinh tuyến, trải ra trên mặt phẳng để thu được kết quả. 1.2.4.3 Mặt phẳng phương vị Là phép chiếu dữ liệu bản đồ lên một mặt phẳng tiếp xúc với mặt cầu. Điểm tiếp xúc này có thể nằm tại hai cực, tại đường xích đạo, hoặc tại một vị trí bất kỳ nằm giữa. Vị trí điểm tiếp xúc cho biết vị trí tương đối của mặt phẳng chiếu với mặt cầu và tạo nên ba kiểu chiếu khác nhau: polar, equatorial và oblique. Mặt phẳng chiếu tiếp xúc với cực của mặt cầu là kiểu chiếu đơn giản nhất và cũng hay dùng nhất. Trong phép chiếu này, các đường kinh tuyến sẽ được chiếu thành một chùm đường thẳng giao nhau ở điểm cực, vĩ tuyến là các đường tròn có cùng tâm là cực của mặt cầu. Góc giữa các đường kinh tuyến được bảo tồn. 1.3 Cơ sở dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý GIS Cơ sở dữ liệu trong GIS được hiểu là tập hợp lớn các dạng số liệu trong máy tính được tổ chức theo một thiết kế cho trước sao cho có thể cập nhật, mở rộng, tra cứu nhanh chóng với các ứng dụng khác. Số liệu có thể được lưu trữ theo một file hoặc nhiều file hoặc các tập hợp trên máy tính. CSDL của GIS được chia làm hai loại cơ bản là: dữ liệu không gian (dữ liệu đồ hoạ) và dữ liệu phi không gian (dữ liệu thuộc tính). Mỗi loại có đặc điểm riêng và khác nhau về mục đích lưu trữ số liệu, xử lý và hiển thị. Hai loại dữ liệu này có thể được quản lý bởi một hệ quản trị CSDL duy nhất hoặc trên các hệ quản trị CSDL khác nhau. Giải pháp dùng một hệ quản trị cơ sở dữ liệu duy nhất để quản lý dữ liệu GIS đảm bảo được sự đồng bộ giữa CSDL không gian và phi không gian. Giải pháp dùng các hệ quản trị CSDL khác nhau để quản lý CSDL GIS tạo nên sự linh hoạt trong quá trình xử lý dữ liệu. Dữ liệu không gian Dữ liệu phi không gian Hình 1.5 Dữ liệu GIS 1.3.1 Cơ sở dữ liệu không gian Dữ liệu không gian là những mô tả dạng số của hình ảnh bản đồ, gồm toạ độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ thể trên tờ bản đồ. Hệ thống thông tin địa lý dùng dữ liệu không gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi. Bản đồ là bản vẽ thể hiện hình ảnh các đối tượng thực tế trên bề mặt quả đất qua quá trình trừu tượng hóa hay đơn giản hoá đối tượng đó. Khi thể hiện các đối tượng đó trên một vị trí không gian trong một hệ trục toạ độ thống nhất GIS sử dụng hai mô hình dữ liệu không gian là: mô hình dữ liệu dạng Vector và mô hình dữ liệu dạng Raster. 1.3.1.1 Mô hình dữ liệu Vector Biểu diễn các đặc trưng địa lý bằng các phần tử đồ hoạ cơ bản (điểm, đường, đa giác, bề mặt ba chiều và khối trong 3D) dựa trên việc quan sát đối tượng của thế gới thực. Kiểu thành phần Biểu diễn dạng đồ hoạ Biểu diễn dạng Vector sơ cấp .+x (x, y) trong 2D Điểm (x, y, z) trong 3D Danh sách toạ độ (toạ độ các điểm đầu, cuối và các điểm tại Đường các vị trí cong) hoặc hàm toán học mô tả. Đường có điểm đầu và cuối trùng Vùng nhau hoặc tập hợp các đường nếu có các vùng lồng nhau. Ma trận tập hợp các điểm hoặc Bề mặt các hàm toán học mô tả và các đường bình độ. Khối Tập các bề mặt. Điểm là thành phần sơ cấp của dữ liệu GIS trong mô hình vector, các điểm được nối với nhau bởi các đường để tạo thành các thực thể khác. Tuỳ theo tỷ lệ quan sát mà các thực thể được biểu diễn bằng các điểm, đường hay vùng…Như vậy mô hình này sử dụng các điểm hay đoạn thẳng để nhận biết các vị trí của vật thể trong thế giới thực nên phép thao tác nhiều hơn trên các đối tượng so với mô hình Raster và việc tính toán các đặc điểm như diện tích, chu vi đặc biệt là tìm đường đi nhanh và hiệu quả hơn. Hình 1.6 Dữ liệu biểu diễn dạng Vector Mô hình vectơ hợp với các hệ GIS định hướng các hệ thống quản trị CSDL, chúng có ưu việt trong lưu trữ số liệu bản đồ bởi chỉ lưu đường biên của các đặc trưng chứ không lưu cả vùng như trong mô hình raster nên truy nhập, tìm kiếm, hiển thị dễ dàng thông tin từ CSDL. Mô hình vectơ sử dụng hai cấu trúc dữ liệu là toàn đa giác và cung-nút.