Hệ thống thông tin địa lý

Hệ thống thông tin địa lý (Hệ thống Thông tin Địa lý - viết tắt là GIS) được hình thành từ những năm 1960 và phát triển mạnh mẽ trong 10 năm gần đây. Hiện nay, GIS là công cụ hỗ trợ quyết định quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế - xã hội và quốc phòng của các quốc gia trên toàn thế giới. GIS có khả năng hỗ trợ các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, doanh nghiệp và cá nhân đánh giá tình trạng hiện tại của các quy trình, thực thể tự nhiên và hoạt động kinh tế - xã hội thông qua việc thu thập, quản lý, truy xuất, phân tích và tích hợp thông tin trên một nền tảng hình học (bản đồ) có độ chính xác cao dựa trên dữ liệu đầu vào.

Có nhiều cách tiếp cận khác nhau trong việc định nghĩa GIS. Nếu nhìn từ góc độ của một hệ thống, GIS có thể được hiểu như là một hệ thống bao gồm các thành phần: con người, phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu và quy trình - kiến thức chuyên gia, nơi tập hợp các quy định, tiêu chuẩn, định hướng và các kiến thức chuyên ngành liên quan đến công nghệ thông tin.

Khi triển khai một hệ thống GIS, quyết định về mô hình ứng dụng, lộ trình và phương thức tổ chức thực hiện là rất quan trọng. Dựa trên những yếu tố này, người ta có thể quyết định rằng GIS sẽ phải hỗ trợ quyết định về các vấn đề gì và xây dựng cấu trúc cũng như cơ cấu tài chính cần thiết cho việc phát triển hệ thống. Trong xã hội hiện đại, sự đóng góp của cộng đồng trong việc chia sẻ tri thức ngày càng trở nên quan trọng và không thể thiếu.

Ứng dụng thực tế

Theo phương pháp truyền thống, GIS là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các đối tượng, hiện tượng thực trên Trái đất. Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc câu hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích không gian. Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và làm cho nó có ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược).

Việc áp dụng công nghệ thông tin trong lĩnh vực dữ liệu không gian đã tiến bộ: từ hỗ trợ lập bản đồ (định vị CAD) sang hệ thống thông tin địa lý (GIS). Hiện nay, với việc tích hợp các khái niệm của công nghệ thông tin như hướng đối tượng, GIS đang chuyển từ cách tiếp cận cơ sở dữ liệu (phương pháp cơ sở dữ liệu) sang hướng tri thức (phương pháp tri thức).

Hệ thống thông tin địa lý là hệ thống quản lý, phân tích và hiển thị tri thức địa lý, biểu hiện qua các bộ dữ liệu:

• Các bản đồ: giao diện trực tuyến với dữ liệu địa lý để tra cứu, trình bày kết quả và sử dụng như là một nền tảng cho thế giới thực
• Các bộ dữ liệu địa lý: thông tin địa lý dưới dạng file và cơ sở dữ liệu bao gồm yếu tố, mạng lưới, topology, địa hình, thuộc tính
• Các mô hình xử lý: bao gồm các quy trình xử lý để phân tích tự động
• Các mô hình dữ liệu: GIS cung cấp công cụ mạnh mẽ hơn so với cơ sở dữ liệu thông thường với quy tắc và tính toàn vẹn tương tự như các hệ thống thông tin khác. Lược đồ, quy tắc và tính toàn vẹn của dữ liệu địa lý đóng vai trò vô cùng quan trọng
• Metadata: hay tài liệu miêu tả dữ liệu, giúp người sử dụng tổ chức, tìm hiểu và truy cập tới tri thức địa lý.

Các quan điểm khác nhau

Khi làm việc với hệ thống GIS, có thể tiếp cận dưới các góc nhìn sau đây:

1. Cơ sở dữ liệu địa lý (Cơ sở dữ liệu địa lý - theo cách gọi của ESRI): GIS là một hệ thống cơ sở dữ liệu không gian chuyển đổi thông tin địa lý theo triết lý dữ liệu GIS (yếu tố, topology, mạng lưới, raster,...)
2. Đồ họa địa lý (Đồ họa địa lý): GIS là tập hợp các bản đồ thông minh biểu thị các yếu tố và mối quan hệ giữa chúng trên mặt đất. Dựa trên thông tin địa lý, có thể tạo ra nhiều loại bản đồ và sử dụng chúng như một cửa sổ để truy xuất, phân tích và biên tập thông tin.
3. Xử lý địa lý (Xử lý địa lý): GIS là các công cụ xử lý thông tin cho phép tạo ra thông tin mới từ thông tin đã có. Các chức năng xử lý thông tin địa lý lấy thông tin từ các bộ dữ liệu hiện có, áp dụng các phân tích và ghi lại kết quả vào một tập dữ liệu mới.

Xét từ góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một công nghệ xử lý dữ liệu có tọa độ (bản đồ) để chuyển đổi chúng thành thông tin hỗ trợ quyết định cho các nhà quản lý.

Với ứng dụng đa dạng và phức tạp của GIS trong thực tiễn quản lý nhà nước, bao gồm cả khía cạnh tự nhiên và xã hội, thời gian gần đây, GIS thường được hiểu như là một hệ thống thông tin quy mô và tỷ lệ đa dạng. Hệ thống có thể tích hợp thông tin ở nhiều mức độ khác nhau, phù hợp với nhu cầu của người sử dụng và các hướng dẫn từ cơ sở tri thức.

Cơ sở dữ liệu địa lý

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) sử dụng cơ sở dữ liệu địa lý (geodatabase) làm nền tảng dữ liệu.

Các thành phần của cơ sở dữ liệu không gian bao gồm:

• Tập hợp các dữ liệu dạng vector (bao gồm điểm, đường và vùng)
• Tập hợp các dữ liệu dạng raster (như mô hình DEM hoặc ảnh)
• Tập hợp các dữ liệu dạng mạng lưới (ví dụ như đường giao thông, lưới cấp thoát nước, lưới điện...)
• Tập hợp các dữ liệu địa hình ba chiều và bề mặt khác
• Dữ liệu đo đạc
• Dữ liệu địa chỉ
• Các bảng dữ liệu là thành phần quan trọng của cơ sở dữ liệu không gian, được liên kết với các thành phần đồ họa qua nhiều loại kết nối khác nhau.

Về mặt công nghệ và hình thái không gian của các đối tượng quản lý, được biểu thị bằng các dữ liệu đồ hoạ. Trong khi đó, các thuộc tính của các đối tượng này được miêu tả bằng các dữ liệu thuộc tính.

Mô hình cơ sở dữ liệu không gian không chỉ định nghĩa mô hình dữ liệu với các đối tượng đồ hoạ và thuộc tính mà còn quy định các mối liên kết giữa chúng thông qua mô hình quan hệ và định nghĩa hướng đối tượng bao gồm các đặc tính như thừa kế (inherit), đóng gói (encapsulation) và đa hình (polymorphism).

Ngoài ra, cơ sở dữ liệu không gian hiện đại cũng bao gồm các ràng buộc đồ họa trong cơ sở dữ liệu, gọi là topology. Lập bản đồ và phân tích địa lý không phải là kỹ thuật mới, nhưng GIS thực hiện chúng hiệu quả hơn và nhanh hơn các phương pháp thủ công truyền thống. Trước khi có công nghệ GIS, chỉ có ít người có kỹ năng để sử dụng thông tin địa lý để giải quyết vấn đề và đưa ra quyết định. GIS cung cấp khả năng truy xuất dữ liệu nhanh chóng và các công cụ phân tích chi tiết để hỗ trợ quản lý và phân tích. Các hệ thống GIS hiện đại có nhiều công cụ phân tích hiệu quả, bao gồm cả phân tích liền kề và phân tích chồng chéo. Nhóm công cụ này đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng phân tích. Phương pháp chồng chéo sử dụng nhiều bản đồ để tạo ra thông tin và đối tượng mới. Trong nhiều trường hợp, topology mới được tạo lại. Phân tích chồng chéo tốn thời gian và thuộc nhóm các ứng dụng phức tạp, thường được áp dụng ở mức độ cao hơn, từ vùng cụ thể đến toàn quốc với tỷ lệ bản đồ thích hợp. Chồng chéo là quá trình tích hợp các lớp thông tin khác nhau. Các thao tác phân tích yêu cầu một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải được kết nối vật lý. Liên kết không gian này có thể kết hợp dữ liệu về đất, độ dốc, thảm thực vật hoặc sở hữu đất với định giá thuế.

Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng hiển thị tốt nhất dưới dạng bản đồ hoặc biểu đồ. Bản đồ rất hiệu quả trong việc lưu giữ và trao đổi thông tin địa lý. GIS cung cấp nhiều công cụ mới để mở rộng nghệ thuật và khoa học của ngành bản đồ học. Bản đồ hiển thị có thể được kết hợp với các bản báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và các dữ liệu đa phương tiện khác. Nhờ khả năng xử lý các tập dữ liệu lớn từ các cơ sở dữ liệu phức tạp, GIS phù hợp với các nhiệm vụ quản lý tài nguyên môi trường. Các mô hình phức tạp có thể dễ dàng cập nhật thông tin bằng GIS. Các lớp dữ liệu GIS có thể bao gồm:

GIS được sử dụng để cung cấp thông tin nhanh chóng và hiệu quả hơn cho các nhà hoạch định chính sách. Các cơ quan chính phủ sử dụng GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên, quy hoạch, mô hình hóa và giám sát.

Thông tin địa lý là rất quan trọng để đưa ra quyết định nhanh chóng. Phân tích GIS phụ thuộc vào chất lượng, giá trị và tính tương thích của dữ liệu địa lý số. Việc chia sẻ dữ liệu sẽ thúc đẩy sự phát triển các sản phẩm và dịch vụ GIS. Các nguồn dữ liệu được mở rộng nhờ sự kết hợp của GIS với GPS (hệ thống định vị toàn cầu) và công nghệ viễn thám, cung cấp các công cụ thu thập dữ liệu hiệu quả hơn. GIS được công nhận là một hệ thống có nhiều lợi ích không chỉ trong các hoạt động thu thập dữ liệu địa lý mà còn trong các nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên, phân tích tình trạng hiện tại và dự báo xu hướng tài nguyên môi trường.

Tại Việt Nam, công nghệ GIS đã được thử nghiệm khá sớm và hiện đã áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quy hoạch nông lâm nghiệp, quản lý rừng, lưu trữ tư liệu địa chất, đo đạc bản đồ, địa chính, quản lý đô thị... Tuy nhiên, các ứng dụng hiệu quả nhất vẫn giới hạn ở việc lưu trữ, in ấn tư liệu bản đồ bằng công nghệ GIS. Các ứng dụng GIS trong quản lý, điều hành và hỗ trợ quyết định vẫn cần thời gian và đầu tư để có thể triển khai một cách toàn diện.

ArcView và MapInfo là hai phần mềm GIS phổ biến.