VŨ THÙY TRANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

VŨ THÙY TRANG


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA HÌNH
TỪ CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ
THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


HÀ NỘI - 2015

HÀ NỘI - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

VŨ THÙY TRANG

XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA HÌNH TỪ
CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ
THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN

Ngành : Bản đồ viễn thám và hệ thông tin địa lý
Mã số : 60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Trần Đình Trí

HÀ NỘI – 2015


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống thơng tin địa lý GIS ra đời vào đầu thập kỷ 70 và ngày càng phát
triển mạnh mẽ trên nền tảng của tiến bộ cơng nghệ máy tính, đồ hoạ, phân tích
dữ liệu khơng gian và quản lý dữ liệu cho đến nay công nghệ GIS đã trở thành
một công cụ hữu hiệu trong công tác quản lý của rất nhiều lĩnh vực ngành nghề
khác nhau. Ở Việt Nam hệ thống thông tin địa lý đƣợc ứng dụng và phát triển
rộng rãi nhƣ một tất yếu khách quan của thời cuộc. Đặc biệt những năm gần đây
công nghệ GIS đƣợc ứng dụng để quản lý dữ liệu trong ngành trắc địa bản đồ
cho thấy sự lớn mạnh của công nghệ thông tin và mức độ quy mô, quy lát của
cơ sở dữ liệu chuyên nghành.
Ngành điện cũng là một trong những ngành công nghiệp sớm tiếp cận và
ứng dụng hệ thống thông tin địa lý GIS. Công nghệ GIS đã chứng tỏ đƣợc khả
năng và vai trị của một cơng nghệ tiên tiến trong hàng loạt các lĩnh vực của
nghành công nghiệp điện lực nhƣ: Dự báo nhu cầu, Khảo sát thiết kế xây dựng
các nhà nhà máy thủy điện, Quy hoạch lƣới truyến tải, Quản lý lƣới truyền tải,
Xây dựng và quản lý đầu tƣ xây dựng các cơng trình điện…

Trên thực tế, việc khai thác sử dụng CSDL nền của GIS trong từng lĩnh
vực, từng chuyên ngành cụ thể có mức độ chi tiết khác nhau. Đặc biệt đối với cơ
sở dữ liệu nền địa lý tỷ lệ 1:50000 đƣợc sử dụng vào hầu hết các các lĩnh vực
quản lý, kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng. Cụ thể đối với công tác quy hoạch
lãnh thổ, quy hoạch vùng, khảo sát tài nguyên và đánh giá, phòng chống thiên
tai và giảm nhẹ, hệ thống ứng phó khẩn cấp công cộng để cung cấp thông tin địa
lý cơ bản, làm nền tảng tích hợp các loại số liệu thống kê kinh tế văn hóa hỗ trợ
tốt hơn cho các nhà lãnh đạo ra các quyết định, …
Cơ sở dữ liệu địa hình là một dạng cơ sở dữ liệu chun đề của CSDL nền
địa lý có vai trị quan trọng trong mọi ứng dụng của GIS. Vì vậy, xây dựng một


2
cơ sở dữ liệu điạ hình là rất cần thiết đối với mỗi quốc gia. Nó khơng những
phục vụ phát triển kinh tế mà cịn ứng dụng cho mục đích an ninh quốc phịng
và nhiều mục đích khác. Thơng tin mà cơ sở dữ liệu địa hình đem lại đƣợc xem
là nhƣ mơ hình của thế giới thực mà từ đó, ta có thể thực hiện các phép tốn
phân tích không gian để phục vụ cho nhiều dự án GIS khác nhau nhƣ: GIS trong
quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trƣờng, GIS trong quản lý lƣới
điện, GIS trong quản lý kinh tế- xã hội,... và nhƣ vậy việc cung cấp, truy cập,
phát triển và xử lý thơng tin sẽ dễ dàng nhanh chóng hơn.
Hiện nay, trong chiến lƣợc quốc gia, mức độ ƣu tiên cao nhất là tập trung
phát triển nguồn thủy điện hơn là nhiệt điện, khí đốt, năng lƣợng hạt nhân, nhập
khẩu điện năng hay tái tạo. Năm 2006, điện năng tạo ra từ thủy điện đóng góp 36%
tổng điện năng quốc gia- tỷ lệ cao nhất trong các nguồn năng lƣợng. Đến năm
2020, theo ƣớc tính, tất cả các nhà máy thủy điện của cả nƣớc sẽ sản xuất đƣợc
13.000- 15.000 MW, nâng tỷ lệ điện năng cung cấp của thủy điện lên 62% tổng
điện năng quốc gia. Điều này phản ánh nhu cầu cấp bách về năng lƣợng của quốc
gia và mục tiêu tận dụng nguồn tài nguyên nƣớc để sản xuất điện năng.
Xuất phát từ những mục đích trên nên học viên lựa chọn đề tài : “ Xây

dựng cơ sở dữ liệu địa hình từ cơ sở dữ liệu nền địa lý phục vụ thiết kế cơng
trình thủy điện” dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Trần Đình Trí ,
trƣờng Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục đích của đề tài là dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, phân tích và
xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình từ cơ sở dữ liệu nền địa lý phục vụ thiết kế các
cơng trình thủy điện.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là cơ sở dữ liệu địa hình.


3
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm các vấn đề liên quan đến lý
thuyết về cơ sở dữ liệu nền địa lý, cơ sở dữ liệu địa hình và quy trình thành lập
cơ sở dữ liệu địa hình từ cơ sở dữ liệu nền địa lý.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về CSDL địa hình
`

- Phân tích, nghiên cứu cơ sở khoa học để thành lập CSDL địa hình từ

CSDL nền địa lý.
- Dựa trên kết quả khảo sát và đánh giá tƣ liệu hiện có của khu vực nghiên
cứu để đƣa ra giải pháp cơng nghệ xây dựng CSDL địa hình từ CSDL nền địa lý.
- Thử nghiệm xây dựng CSDL địa hình từ CSDL nền địa lý ở tỷ lệ
1:50.000 khu vực tỉnh Kon Tum.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu sau đây:
- Phƣơng pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp, xử lý và thống kê các thông
tin của các tài liệu liên quan.

- Phƣơng pháp phân tích: Sử dụng các phƣơng tiện và các cơng cụ tiện ích
để phân tích các tƣ liệu, đánh giá khách quan các yếu tố từ đó đƣa ra kết luận
chính xác làm cơ sở giải quyết các vấn đề đặt ra.
- Phƣơng pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm để chứng minh cho các
luận chứng khoa học đã đƣa ra.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Về khoa học: Đề tài giúp học viên hiểu biết những kiến thức về xây dựng
CSDL địa hình từ CSDL nền địa lý. Từ những phân tích, đánh giá CSDL địa
hình để xây dựng CSDL địa hình từ CSDL nền địa lý phục vụ thiết kế các cơng
trình thủy điện.
Về thực tiễn: nghiên cứu khả năng ứng dụng của CSDL địa hình trong
thiết kế các cơng trình thủy điện.


4
7. Cấu trúc của luận văn
Nội dung của luận văn gồm phần mở đầu, 03 chƣơng, phần kết luận và
kiến nghị, tài liệu tham khảo đƣợc hoàn thành trên 105 trang đánh máy khổ A4
với 2 bảng và 17 hình.


5
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ
VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU NỀN ĐỊA LÝ
1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý
1.1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý
Hệ thống thông tin địa lý - tên tiếng Anh: Geographical Information System
(GIS) là một hệ thống kết hợp giữa con ngƣời và hệ thống máy tính cùng các thiết
bị ngoại vi để lƣu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thơng tin địa lý để phục vụ một

mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định.
Trong thời gian gần đây, GIS đã phát triển rất mạnh mẽ trên mọi mặt cả về
cơ sở lý luận, công nghệ và tổ chức. GIS đƣợc ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh
vực nhƣ địa lý, đo vẽ bản đồ, môi trƣờng, nông lâm nghiệp…Ứng dụng GIS cho
phép nghiên cứu bất kỳ thực thể không gian nào trên trái đất dƣới các dạng cơ bản
nhƣ điểm, đƣờng hoặc vùng.
Đặc điểm chung của GIS là khi nghiên cứu bất kỳ đối tƣợng không gian nào,
việc đầu tiên là định vị chúng trong hệ toạ độ trái đất nhất định. Một thơng tin có
toạ độ về một thực thể khơng gian gọi là thông tin địa lý. Các thực thể không gian
trong khái niệm GIS còn đƣợc gọi là các đối tƣợng không gian. Các đối tƣợng
không gian này đƣợc định vị bởi toạ độ nhất định và cịn có các thuộc tính về hình
dạng, kích thƣớc và các đặc tính khác nhau. Bên cạnh đó cịn có các q trình hoạt
động khác nhau do tự nhiên hoặc phi tự nhiên diễn ra trên thực thể khơng gian đó.
Theo thời gian các thực thể khơng gian ln chuyển hố và biến đổi liên tục từ thực
thể không gian này sang thực thể không gian khác.
Trên thực tế thông tin về một hiện tƣợng tự nhiên hoặc về mọi thực thể
không gian đã đƣợc định vị rất đa dạng. Với một thực thể không gian nhất định,
mỗi nhà nghiên cứu lại cho ra một dạng thông tin khác nhau để phục vụ cho lĩnh


6
vực nghiên cứu của mình.
Theo ESRI (Enviromental System Research Institute - Viện Nghiên cứu hệ
thống Môi trƣờng): Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System GIS) "Là một hệ thống bao gồm phần cứng, phần mềm, dữ liệu và con ngƣời nhằm
thu thập, lƣu trữ, cập nhật, xử lí, phân tích và hiển thị các thơng tin địa lý trên bề
mặt trái đất".
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là hệ thống phần cứng, phần mềm và các
thủ tục đƣợc thiết kế nhằm thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mơ hình hóa và
hiển thị các dữ liệu quy chiếu không gian để giải quyết các vấn đề quản lý và
lập kế hoạch (theo National Center Information and Analysis NCGIA- Mỹ).

Về tổng quát, sự phát triển của công nghệ thông tin đã dẫn đến sự phát
triển song song tự động hố cơng tác thu thập, phân tích, trình bày dữ liệu
trong nhiều lĩnh vực rộng lớn nhƣ trắc địa – bản đồ, địa chất, quy hoạch phát
triển, môi trƣờng… Do đó có nhiều cơng việc phải xử lý các thông tin liên
quan phối hợp trong nhiều chuyên ngành khác nhau nên phải có hệ thống
quản lý liên kết dữ liệu từ nhiều nguồn vào khác nhau nhƣ bản đồ, ảnh hàng
không, ảnh vệ tinh, các số liệu quan trắc, điều tra khảo sát… Hay nói cách
khác là cần phải phát triển một hệ thống các công cụ để thu thập, tìm kiếm,
biến đổi và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ
những mục đích cụ thể. Tập hợp các cơng cụ trên đã tạo lập ra hệ thống thông
tin địa lý.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một công cụ máy tính để thu thập,
lƣu trữ và phân tích các thực thể, các hiện tƣợng trên trái đất. Công nghệ
GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thƣờng (nhƣ 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 đƣợc 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


7
đoán tác động và hoạch định chiến lƣợc).
1.1.2 Các thành phần của GIS
GIS đƣợc kết hợp bởi năm thành phần chính: phần cứng, phần mềm,
dữ liệu, con ngƣời và phƣơng pháp.
Phần
cứng

Phƣơng
pháp


Phần
mềm

GIS
Ngƣời
sử dụng

Dữ liệu

Hình 1.1 Sơ đồ tổ chức của hệ thống GIS
1.1.2.1 Phần cứng
Phần cứng (Hardware): Phần cứng của hệ thống GIS bao gồm các loại
máy tính và các thiết bị ngoại vi để nhập dữ liệu, in ấn và truy xuất kết quả.
Máy tính có thể đƣợc nối cục bộ hoặc với internet để chia sẻ thông tin. Trong
các thiết bị ngoại vi, bên cạnh máy in, máy vẽ …, trong trƣờng hợp cần phải
chuyển đổi thông tin từ ảnh tƣơng tự sang bản đồ dạng số, cần phải có máy
quét.
1.1.2.1 Phần mềm
Phần mềm (Software): Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các
công cụ cần thiết để lƣu giữ, phân tích và hiển thị thơng tin địa lý. Các chức
năng chính trong phần mềm GIS là:
+ Cơng cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý
+ Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS)


8
+ Cơng cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý
+ Giao diện đồ hoạ ngƣời - máy (GUI) để truy cập các công cụ dễ dàng
+ Xuất và in dữ liệu

Theo mục đích sử dụng khác nhau có thể chia phần mềm GIS ra làm 3
nhóm:
Nhóm phần mềm đồ hoạ (Microstation, Autocad …): Là nhóm phần mềm
đƣợc ứng dụng để biên tập, quản lí, cập nhật và hiệu chỉnh các loại bản đồ dạng
số.
Nhóm phần mềm quản trị bản đồ(Mapinfor, Arc/View,MGE …): Là
những phần mềm mà ngoài chức năng đồ hoạ, thành lập bản đồ số, nắn
chỉnh hình học, chuyển đổi toạ độ, chúng có khả năng kết nối các thông tin bản
đồ (thông tin không gian) với thơng tin thuộc tính (thơng tin phi khơng gian) và
quản lí chúng.
Các phần mềm này ngày càng đƣợc hoàn thiện, phát triển với các chức
năng đa dạng hơn, thân thiện với ngƣời dùng hơn và khả năng quản lí dữ liệu hiệu
quả hơn.
1.1.2.3 Dữ liệu
Dữ liệu (data): Có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS
là dữ liệu. Dữ liệu đƣợc phân thành 2 loại: Dữ liệu không gian và dữ liệu phi
không gian.
Dữ liệu khơng gian là thơng tin về vị trí của đối tƣợng trong thế giới thực
trên mặt đất, theo một hệ quy chiếu nhất định (toạ độ).
Dữ liệu phi không gian là dữ liệu thuộc tính hoặc dữ liệu mơ tả các đối
tƣợng địa lý, dữ liệu này có thể định lƣợng hoặc định tính. Các dữ liệu khơng
gian và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể đƣợc ngƣời sử dụng tự tập hợp
hoặc đƣợc mua từ nhà cung cấp dữ liệu thƣơng mại. Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu
khơng gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để tổ
chức lƣu giữ và quản lý dữ liệu. Sự kết nối giữa dữ liệu không gian và phi


9
khơng gian là cơ sở để xác định chính xác các thông tin của đối tƣợng địa lý và
thực hiện phân tích tổng hợp trong hệ thống GIS.

1.1.2.4 Con người
Con ngƣời (people): Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu khơng có con
ngƣời tham gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng GIS trong thực
tế. Ngƣời sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, ngƣời thiết kế và
duy trì hệ thống, hoặc những ngƣời dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong
công việc.
1.1.2.5 Phương pháp
Phƣơng pháp (method): Một hệ GIS thành công theo khía cạnh thiết kế
và luật thƣơng mại là đƣợc mơ phỏng và thực thi duy nhất cho mỗi tổ chức.
1.1.3 Các chức năng của GIS
Mục đích chung của Hệ thống thông tin địa lý là thực hiện 6 nhiệm vụ sau:
+ Nhập dữ liệu
+ Thao tác dữ liệu
+ Quản lý dữ liệu
+ Hỏi đáp và phân tích
+ Hiển thị
+ Xuất dữ liệu
1.1.3.1 Nhập dữ liệu
Trƣớc khi dữ liệu địa lý có thể đƣợc dùng cho GIS, dữ liệu này phải
đƣợc chuyển sang dạng số thích hợp. Q trình chuyển dữ liệu từ bản đồ
giấy sang các file dữ liệu dạng số đƣợc gọi là q trình số hố.
Cơng nghệ GIS hiện đại có thể thực hiện tự động hồn tồn q trình
này với cơng nghệ qt ảnh cho các đối tƣợng lớn; những đối tƣợng nhỏ hơn,
đòi hỏi một số q trình số hố thủ cơng (dùng bàn số hố). Ngày nay, nhiều
dạng dữ liệu địa lý thực sự có các định dạng tƣơng thích GIS. Những dữ liệu
này có thể thu đƣợc từ các nhà cung cấp dữ liệu và đƣợc nhập trực tiếp vào


10
GIS.

1.1.3.2 Thao tác dữ liệu
Có những trƣờng hợp các dạng dữ liệu đòi hỏi đƣợc chuyển dạng và thao
tác theo một số cách để có thể tƣơng thích với một hệ thống nhất định. Ví dụ,
các thơng tin địa lý có giá trị biểu diễn khác nhau tại các tỷ lệ khác nhau (hệ
thống đƣờng phố đƣợc chi tiết hoá trong file về giao thông, kém chi tiết hơn
trong file điều tra dân số). Trƣớc khi các thông tin này đƣợc kết hợp với nhau,
chúng phải đƣợc chuyển về cùng một tỷ lệ (mức chính xác hoặc mức chi tiết).
Đây có thể chỉ là sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định
cho yêu cầu phân tích. Cơng nghệ GIS cung cấp nhiều cơng cụ cho các thao tác
trên dữ liệu không gian và cho loại bỏ dữ liệu không cần thiết.
1.1.3.3 Quản lý dữ liệu
Đối với những dự án GIS nhỏ, có thể lƣu các thông tin địa lý dƣới dạng
các file đơn giản. Tuy nhiên, khi kích cỡ dữ liệu trở nên lớn hơn và số
lƣợng ngƣời dùng cũng nhiều lên, thì cách tốt nhất là sử dụng hệ quản trị cơ sở
dữ liệu (DBMS) để giúp cho việc lƣu giữ, tổ chức và quản lý thông tin. Một
DBMS chỉ đơn giản là một phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu.
Có nhiều cấu trúc DBMS khác nhau, nhƣng trong GIS, cấu trúc quan hệ
tỏ ra hữu hiệu nhất. Trong cấu trúc quan hệ, dữ liệu đƣợc lƣu trữ ở dạng các
bảng. Các trƣờng thuộc tính chung trong các bảng khác nhau đƣợc dùng để liên
kết các bảng này với nhau. Do linh hoạt, nên cấu trúc đơn giản này đƣợc sử
dụng và triển khai khá rộng rãi trong các ứng dụng cả trong và ngồi GIS.
1.1.3.4 Hỏi đáp và phân tích
Một khi đã có một hệ GIS lƣu giữ các thơng tin địa lý, có thể bắt đầu hỏi
các câu hỏi đơn giản nhƣ:
+ Nhà máy thuỷ điện Sơn La ở đâu?
+ Vị trí từ nhà máy Thuỷ điện Sơn La đến nhà máy thuỷ điện Huội
Quảng cách nhau bao xa?


11

+ Vùng đất dành cho hoạt động công nghiệp ở đâu?
Và các câu hỏi phân tích nhƣ:
+ Tìm vị trí thích hợp nhất để xây dựng cơng trình thuỷ điện trên
sông Đà nằm ở đâu?
+ Kiểu đất ƣu thế trồng cây cà phê là gì?
+ Nếu xây dựng nhà máy thuỷ điện ở đây, môi trƣờng sẽ bị ảnh
hƣởng nhƣ thế nào?
GIS cung cấp cả khả năng hỏi đáp đơn giản "chỉ và nhấn" và các cơng cụ
phân tích tinh vi để cung cấp kịp thời thông tin cho những ngƣời quản lý và
phân tích. Các hệ GIS hiện đại có nhiều cơng cụ phân tích hiệu quả, trong đó
có hai cơng cụ quan trọng đặc biệt:
Phân tích liền kề:
Ví dụ những câu hỏi:
+ Tổng số điểm quan trắc trong bán kính 10 km của nhà máy thuỷ điện
Sơn La ?
+ Những khu dân cƣ cần di dời tái định cƣ trong khoảng 60m tính từ tâm
vùng khai thác?
Để trả lời những câu hỏi này, GIS sử dụng phƣơng pháp vùng đệm để
xác định mối quan hệ liền kề giữa các đối tƣợng.
Phân tích chồng xếp: Chồng xếp là quá trình tích hợp các lớp thơng tin
khác nhau. Các thao tác phân tích địi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải đƣợc
liên kết vật lý. Sự chồng xếp này, hay liên kết khơng gian, có thể là sự kết hợp
dữ liệu về đất, độ dốc, thảm thực vật hoặc sở hữu đất với định giá thuế.
1.1.3.5 Hiển thị
Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng đƣợc hiển thị tốt
nhất dƣới dạng bản đồ hoặc biểu đồ. Bản đồ khá hiệu quả trong lƣu giữ và trao
đổi thông tin địa lý. GIS cung cấp nhiều cơng cụ mới và thú vị để mở rộng tính
nghệ thuật và khoa học của ngành bản đồ. Bản đồ hiển thị có thể đƣợc kết hợp



12
với các bản báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và những dữ liệu khác (đa
phƣơng tiện).
1.1.3.5 Xuất dữ liệu
Dữ liệu có thể xuất dƣới dạng file ảnh, bản đồ giấy, tài liệu báo cáo…
1.2 Cơ sở dữ liệu GIS
1.2.1 Khái niệm về cơ sở dữ liệu GIS
Các tập dữ liệu chứa thơng tin có liên quan đến một cơ quan, một tổ
chức, một chuyên ngành khoa học tự nhiên hoặc xã hội, đƣợc lƣu trữ trong máy
tính theo một qui định nào đó theo mục đích sử dụng, đƣợc gọi là cơ sở dữ
liệu (viết tắt CSDL, tiếng Anh là Database).
Phần chƣơng trình để có thể xử lý, thay đổi dữ liệu này gọi là hệ quản trị
cơ sở dữ liệu (HQTCSDL- Database Management System). Theo nghĩa này,
HQTCSDL có nhiệm vụ rất quan trọng nhƣ là một bộ diễn dịch (interpreter)
với ngôn ngữ bậc cao, nhằm giúp ngƣời sử dụng có thể dùng đƣợc hệ thống mà
ít nhiều khơng cần quan tâm đến thuật tốn chi tiết hoặc biểu diễn dữ liệu trong
máy. Mục đích chính của một hệ quản trị cơ sở dữ liệu là cung cấp, lƣu trữ và
truy lục thông tin trong cơ sở dữ liệu sao cho vừa thuận tiện vừa hiệu quả.
Dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý là những dữ liệu luôn thay đổi.
Chúng bao gồm những mô tả số của hình ảnh bản đồ, mối quan hệ logic giữa
các hình ảnh đó, những dữ liệu thể hiện các đặc tính của hình ảnh và các hiện
tƣợng xảy ra tại các vị trí địa lý xác định. Nội dung của cơ sở dữ liệu đƣợc xác
định bởi các ứng dụng khác nhau của hệ thống thông tin địa lý trong một hoàn
cảnh cụ thể.
1.2.2 Cấu trúc cơ sở dữ liệu GIS
Cơ sở dữ liệu GIS gồm hai phần cơ bản là dữ liệu không gian (dữ liệu
bản đồ) và dữ liệu thuộc tính (dữ liệu phi khơng gian). Mỗi một loại dữ liệu có
đặc trƣng riêng và chúng khác nhau về yêu cầu lƣu trữ, xử lý và hiển thị.



13
1.2.2.1 Dữ liệu không gian
1. Khái niệm
Dữ liệu không gian là dữ liệu có chứa trong nó những thơng tin về định vị
của đối tƣợng. Nó là những dữ liệu phản ánh, thể hiện những đối tƣợng có kích
thƣớc vật lí nhất định. Thực chất là những mơ tả số của hình ảnh bản đồ. Chúng
bao gồm toạ độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định hình ảnh cụ thể của
bản đồ trong một khuôn dạng hiểu đƣợc của máy tính. Hệ thống thơng tin địa
lý dùng các dữ liệu không gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên
màn hình hoặc trên giấy thơng qua thiết bị ngoại vị. Có 6 loại thơng tin bản đồ
dùng để thể hiện hình ảnh bản đồ và ghi chú của nó trong hệ thống thơng tin địa
lý nhƣ sau:
- Ðiểm (Point) ; - Ðƣờng (Line) ; - Vùng (Polygon) ; - Ô lƣới (Grid cell) ;
- Ký hiệu (Sympol) ; - Ðiểm ảnh (Pixel)
Dữ liệu khơng gian có hai mơ hình lƣu trữ là Vector và Raster.
a. Dữ liệu dạng Vector
Là các điểm tọa độ (X,Y) hoặc là các quy luật tính tốn toạ độ và nối
chúng thành các đối tƣợng trong một hệ thống tọa độ nhất định.

Hình 1.2 Minh họa cấu trúc dữ liệu Vector
Các kiểu đối tƣợng địa lý dạng vector:
Kiểu điểm: 1 toạ độ (x,y) trong 2D hoặc 1 toạ độ (x,y,z) trong 3D.
Kiểu đƣờng: danh sách các tọa độ x1y, x2y2, …, xnyn hoặc là một


14
hàm tốn học, 1 chiều, tính đƣợc chiều dài.
Kiểu vùng: tập các đƣờng khép kín, 2 chiều, tính đƣợc chu vi và diện tích.
Kiểu bề mặt: chuỗi tọa độ xyz, hàm tốn học, 3 chiều, tính đƣợc diện
tích bề mặt, thể tích.

b. Dữ liệu Raster (ảnh đối tượng)
Là dữ liệu đƣợc tạo thành bởi các ơ lƣới có độ phân giải xác định. Loại
dữ liệu này chỉ dùng cho mục đích diễn tả và minh hoạ chi tiết bằng hình ảnh
thêm cho các đối tƣợng quản lý của hệ thống. Một diện tích địa lý đƣợc chia
thành các hàng - cột, tạo nên các điểm ảnh (pixel). Độ lớn nhỏ của các hàng/cột
(hay điểm ảnh) tạo nên độ phân giải của dữ liệu. Ví dụ: điểm ảnh có kích thƣớc
10x10 m. Vị trí điểm ảnh đƣợc xác định bởi số hàng / số cột. Dữ liệu dạng raster
có thể là dữ liệu thô (ảnh vệ tinh, file ảnh scan của bản đồ, file chụp của máy
ảnh số,…) hoặc là dữ liệu khơng gian của một số phần mềm GIS.

Hình 1.3 Minh họa cấu trúc dữ liệu Raster
Lớp đối tƣợng (layer): Thành phần dữ liệu đồ thị của hệ thống thông tin địa lý
hay còn gọi là cơ sở dữ liệu bản đồ đƣợc quản lí ở dạng các lớp đối tƣợng.
Mỗi một lớp chứa các hình ảnh bản đồ liên quan đến một chức năng, một
ứng dụng cụ thể. Lớp đối tƣợng là tập hợp các hình ảnh thuần nhất dùng để phục
vụ cho một ứng dụng cụ thể, và vị trí của nó so với các lớp khác trong một hệ
thống cơ sở dữ liệu đƣợc xác định thông qua một hệ toạ độ chung. Việc phân
tách các lớp thông tin đƣợc dựa trên cơ sở của mối liên quan logic và mô tả họa
đồ của tập hợp các hình ảnh bản đồ phục vụ cho mục đích quản lí cụ thể.


15
2. Cách thức tổ chức
Để tiện phân tích và tổng hợp, dữ liệu không gian thƣờng đƣợc tổ chức
thành các lớp (layer/theme); cũng thƣờng đƣợc gọi là các lớp dữ liệu chuyên đề
(thematic layer). Mỗi lớp dữ liệu thƣờng biểu diễn một tính chất liên quan đến vị
trí trên mặt đất. Ví dụ: lớp dữ liệu về ranh giới hành chính, về loại đất, về hiện
trạng sử dụng đất …
Mỗi lớp dữ liệu có thể có chỉ một hay nhiều kiểu đối tƣợng địa lý (điểm,
đƣờng, vùng). Trên một lớp dữ liệu, tại một vị trí khơng thể có cùng lúc hai giá

trị riêng biệt.
Ví dụ: trên lớp dữ liệu về loại đất, tại một vị trí nào đó khơng thể vừa là
loại đất A vừa là loại đất B.
Cách tổ chức dữ liệu thành các lớp chuyên đề cho phép thể hiện thế giới thực
phức tạp một cách đơn giản, nhằm giúp hiểu biết các quan hệ trong thiên nhiên.
3. Quan hệ không gian Topology
Topology là mối quan hệ logic giữa vị trí của các đối tƣợng; là một
lĩnh vực tốn học. Cấu trúc dữ liệu thuộc topology có lợi vì chúng cung cấp
một cách tự động hóa để xử lý việc số hóa, xử lý lỗi; giảm dung lƣợng lƣu trữ
dữ liệu cho các vùng vì các ranh giới giữa những vùng nằm kề nhau đƣợc lƣu
trữ chỉ một lần; và cho phép chúng ta cấu trúc dữ liệu dựa trên các nguyên lý về
tính kề cận (adjacency) và kết nối (connectivity) để xác định các quan hệ
không gian. Phần lớn cấu trúc dữ liệu mang tính topology là mơ hình dữ liệu
vectơ kiểu cung / nút (arc/node).


16

Bảng 1.1: Các nguyên tắc topology
Must Not Overlap
Một vùng không đƣợc chồng đè lên một vùng
khác trong cùng một Layer.

Must Not Self-Overlap
Một đƣờng khơng đƣợc cắt hoặc chồng đè lên
chính nó.
Must Not Overlap With
Một vùng của layer này khơng đƣợc chồng đè
lên một vùng của layer khác.
Point must be covered by line

Một điểm của một layer này phải nằm trên
một đƣờng của layer khác
Must be covered by boundary of
Một đƣờng của layer này phải trùng khớp với
biên giới của một vùng của một layer khác
Must be covered by feature class of
Một đƣờng của layer này phải trùng với một
đƣờng của layer khác


17
Must be covered by feature class of
Một vùng của layer này phải đƣợc phủ bởi một
vùng của layer khác

Cung: là 1 chuỗi các đoạn thẳng nối giữa các nút, có nút đầu và nút cuối.
Nút: là nơi hai cung gặp nhau.
Điểm: là các nút độc lập.
Vùng: là chuỗi khép kín các cung.
Quan hệ không gian của các đối tƣợng trong các phần mềm GIS đƣợc xây
dựng theo khn dạng thích hợp. Thƣờng đƣợc lập thành 3 bảng (table) có quan hệ,
tƣơng ứng với 3 kiểu đối tƣợng: điểm, đƣờng và vùng do phần mềm tạo ra sau khi
kiểm tra lỗi số hóa (ví dụ: ArcInfo, AutoCAD Maps 3D…)
Quan hệ khơng gian giữa các đối tƣợng rất quan trọng cho các chức năng
xử lý của hệ thống thông tin địa lý. Các mối quan hệ này có thể đơn giản hay
phức tạp, nhƣ sự liên kết, khoảng cách tƣơng thích, mối quan hệ topo giữa các đối
tƣợng.
1.2.2.2. Dữ liệu thuộc tính
1. Khái niệm
Dữ liệu thuộc tính là những mơ tả về đặc tính, đặc điểm và các hiện

tƣợng xảy ra tại vị trí địa lý xác định mà chúng khó hoặc không thể biểu thị
trên bản đồ đƣợc. Cũng nhƣ các hệ thống thông tin địa lý khác, hệ thống này có 4 loại
dữ liệu thuộc tính:
2. Ðặc tính của đối tƣợng
Liên kết chặt chẽ với các thông tin đồ thị, các dữ liệu này đƣợc xử lí theo
ngơn ngữ hỏi đáp cấu trúc (SQL) và phân tích. Chúng đƣợc liên kết với các
hình ảnh đồ thị thơng qua các chỉ số xác định chung, thông thƣờng gọi là mã
địa lý và đƣợc lƣu trữ trong cả hai mảng đồ thị và phi đồ thị. Hệ thống thông


18
tin địa lý cịn có thể xử lí các thơng tin thuộc tính riêng rẽ và tạo ra các bản đồ
chuyên đề trên cơ sở các giá trị thuộc tính. Các thơng tin thuộc tính này cũng có
thể đƣợc hiển thị nhƣ là các ghi chú trên bản đồ hoặc là các tham số điều khiển
cho việc lựa chọn hiển thị các thuộc tính đó nhƣ là các ký hiệu bản đồ.
3. Dữ liệu tham khảo địa lý
Mô tả các sự kiện hoặc hiện tƣợng xảy ra tại một vị trí xác định. Khơng
giống các thơng tin đặc tính, chúng khơng mơ tả về bản thân các hình ảnh bản
đồ, thay vào đó, chúng mơ tả các danh mục hoặc các hoạt động nhƣ cho phép
xây dựng các khu công nghiệp mới, nghiên cứu y tế, báo cáo hiểm họa mơi
trƣờng,... liên quan đến các vị trí địa lý xác định. Các thông tin tham khảo địa lý
đặc trƣng đƣợc lƣu trữ và quản lí trong các file độc lập và hệ thống không
thể trực tiếp tổng hợp với các hình ảnh bản đồ trong cơ sở dữ liệu của hệ thống.
Tuy nhiên các bản ghi này chứa các yếu tố xác định vị trí của sự kiện hay hiện tƣợng.
4. Chỉ số địa lý
Chỉ số địa lý là các chỉ số về tên, địa chỉ, khối, phƣơng hƣớng định vị,...
liên quan đến các đối tƣợng địa lý, đƣợc lƣu trữ trong Hệ thông tin địa lý để
chọn, liên kết và tra cứu dữ liệu trên cơ sở vị trí địa lý mà chúng đã đƣợc mô tả
bằng các chỉ số địa lý xác định. Một chỉ số địa lý có thể bao gồm nhiều bộ xác
định cho các thực thể sử dụng từ các cơ quan khác nhau, nhƣ là lập danh sách

các mã địa lý mà chúng xác định mối quan hệ khơng gian giữa các vị trí hoặc
giữa các hình ảnh hay thực thể địa lý.
Dữ liệu thuộc tính thƣờng đƣợc lƣu trữ trong các bảng quan hệ, trong đó
một trƣờng chứa ID của các đối tƣợng khơng gian. Dữ liệu thuộc tính có thể
đƣợc lƣu trong các hệ quản trị cơ sở dữ liệu nhƣ Oracle hoặc có thể đƣợc lƣu trữ
trong các phần mềm GIS nhƣ MapInfo, ArcView…
1.2.2.3 Mối quan hệ giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính
Trong hệ thống thơng tin địa lý các dữ liệu thuộc tính, chúng liên quan đến vị
trí địa lý hoặc các đối tƣợng khơng gian và liên kết chặt chẽ với chúng trong hệ


19
thống thông tin địa lý thông qua một cơ chế thống nhất chung. Mối liên kết dữ
liệu không gian và dữ liệu thuộc tính thể hiện bằng cách đặt dữ liệu thuộc tính
vào đúng vị trí của dữ liệu khơng gian. Bằng cách gán các giá trị thuộc tính cho
các đối tƣợng thông qua các bảng số liệu. Mỗi bản ghi (record) đặc trƣng cho
một đối tƣợng địa lý, mỗi cột của bảng tƣơng ứng với một kiểu thuộc tính của
đối tƣợng đó. Mối liên kết dữ liệu đảm bảo cho mỗi đối tƣợng bản đồ đều đƣợc
gắn với các thơng tin thuộc tính và phản ánh đúng hiện trạng, điểm riêng biệt
của các đối tƣợng. Đồng thời qua đó ngƣời sử dụng dễ tra cứu, tìm kiếm, chọn
lọc các đối tƣợng theo yêu cầu thông qua bộ xác định hay chỉ số ID (index).
ID

TÝnh

TÝnh

TÝnh

(m·)


ChÊt 1

ChÊt 2

ChÊt 3

1

2

4

1

x

x

x

2

x

x

x

3


x

x

x

…

…

3

...

…

Hình 1.4 Mối liên kết giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính
Các thơng tin khơng gian (thơng tin có tọa độ) và thơng tin thuộc tính có
thể biến đổi khơng phụ thuộc vào nhau tƣơng đối trong thời gian. Thí dụ nhƣ các
thuộc tính có thể thay đổi theo thời gian nhƣng vẫn giữ nguyên tọa độ của mình
và ngƣợc lại, tọa độ có thể thay đổi và 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 tƣợng động lực trong khơng gian địa lý. Thí dụ: sự di chuyển các
cồn cát làm thay đổi vị trí khơng gian của nó nhƣng lại giữ nguyên thuộc tính


20
cồn cát. Hoặc thí dụ ngƣợc lại: q trình xói mịn làm thay đổi thuộc tính độ cao
của một quả đồi nhƣng lại giữ nguyên vị trí tọa độ của nó.v.v…

1.2.3 Mơ hình dữ liệu
Có nhiều mơ hình dữ liệu liên quan đến các hệ quản trị dữ liệu (DBMS): Kiểu
bảng, phân cấp, mạng, quan hệ và đối tƣợng.
1.2.3.1 Mô hình kiểu bảng (tabular model)
Mơ hình này lƣu trữ dữ liệu theo dạng các file tuần tự với độ rộng dữ liệu
thuộc tính cố định hay bảng tính. Đây là mơ hình của các GIS đầu tiên và nay
đã lỗi thời (khơng kiểm tra đƣợc tính tồn vẹn dữ liệu, …).
1.2.3.2 Mơ hình phân cấp (hierarchial model)
Dữ liệu đƣợc tổ chức theo cấu trúc cây (tree). Mỗi vị trí có nhiều thành
phần con nhƣng chỉ có một thành phần cấp cao hơn. Khơng đƣợc áp dụng trong
GIS.
1.2.3.3 Mơ hình mạng (network model)
Dữ liệu đƣợc tổ chức theo cấu trúc mạng. Mỗi vị trí có thể có nhiều thành
phần con, và nhiều thành phần cấp cao hơn. Tuy cấu trúc này có khả năng thể
hiện quan hệ của dữ liệu nhƣng cịn hạn chế, nên cũng khơng đƣợc khuyến khích
sử dụng trong GIS.
1.2.3.4 Mơ hình quan hệ (relational model)
Dữ liệu đƣợc tổ chức thành các bảng (table). Mỗi bảng gồm: Các cột
(column): các chỉ tiêu, tính chất.
Ví dụ: diện tích, loại đất, … (còn gọi là các trƣờng - field) Các hàng (row):
các thực thể, đối tƣợng địa lý.
Các bảng liên hệ với nhau qua cột tham chiếu (key column).
Khóa chính (primary key): gồm 1 (hay nhiều) cột, giá trị của khóa chính
trong 1 bảng là duy nhất.
Khóa ngoại (foreign key): là 1 (hay nhiều) cột trong 1 bảng tham chiếu
đến cột (hay các cột) khóa chính trong 1 bảng khác.


21
Mơ hình dữ liệu quan hệ tỏ ra thích hợp đối với dữ liệu địa lý và đang

đƣợc ứng dụng rộng rãi trong việc quản trị dữ liệu GIS.
1.2.4 Tổ chức cơ sở dữ liệu GIS trong ArcGIS
Sử dụng sản phẩm ArcGIS của hãng ESRI cung cấp giải pháp tổng thể từ
cập nhật và xử lý dữ liệu không gian với phần mềm ArcMap, thiết kế và quản lý dữ
liệu với ArcCatalog, phân tích và chuyển đổi dữ liệu với ArcToolBox, lƣu trữ với
ArcSDE và phân phối thông tin trên Internet với ArcGIS Server, phân phối thông
tin trên CD với ArcReader.
Các sản phẩm của ArcGIS có thể phân loại theo các chức năng nhƣ sau:
ArcGIS Desktop: Một nhóm các phần mềm quản lý, biên tập và xử lý dữ
liệu GIS.
ArcGIS Engine: Bộ cơng cụ lập trình các ứng dụng GIS độc lập với ArcGIS
Desktop.
Server GIS: Cung cấp các sản phẩm ArcSDE (cơ sở dữ liệu không gian trên
nền các hệ quản trị cơ sở dữ liệu lớn nhƣ Oracle, SQL Server, Informix), ArcIMS
(phân phối dữ liệu GIS qua Web), ArcGIS Server quản trị các dịch vụ bản đồ (Web
Map Servies), phân phối dữ liệu GIS qua Web.
Mobile GIS: Phát triển và ứng dụng GIS trên các thiết bị cầm tay nhƣ PDA hay
Smart phone.
Tất cả các sản phẩm của ArcGIS đều có thể truy xuất tới dữ liệu khơng gian
dƣới các dạng tệp (file based), dạng cơ sở dữ liệu (DBMS ) và dạng mã hóa trao
đổi XML.
Phƣơng pháp xây dựng CSDL theo mơ hình quan hệ đối tƣợng trên nền
cơng nghệ ArcGIS có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với các công nghệ GIS khác.
Bởi với module ArcSDE của ArcGIS cho phép lƣu trữ và quản lý thông tin theo
mơ hình CSDL khơng gian (geodatabase) đa ngƣời sử dụng trong một hệ CSDL
quan hệ.
Cơ sở dữ liệu là một gói dữ liệu đƣợc tổ chức dƣới dạng các layer. Các


22

Layer có thể đƣợc tạo ra từ nhiều khn dạng dữ liệu khác nhau nhƣ: Shape
files, personal geodatabase, ArcInfo cover datasets, CAD drawings, SDE
databases, photo, image. Hiện nay, theo các chuẩn dữ liệu ISO-TC 211 và chuẩn
dữ liệu của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng, dữ liệu đƣợc tổ chức theo khuôn dạng
chuẩn là GeoDatabase.
GeoDatabase: Là một cơ sở dữ liệu đƣợc chứa trong một file có đi là
*.mdb. Khác với shape file, GeoDatabase cho phép lƣu giữ topology của các
đối tƣợng. Cấu trúc của GeoDatabase nhƣ sau:

Hình 1.5 Tổ chức cơ sở dữ liệu – GeoDatabase
Feature Dataset là tập dữ liệu đối tƣợng nằm ở bên trong của geodatabase
cá nhân và chứa các feature class có cùng phần mở rộng và cùng hệ tọa độ.
Feature Class (nhóm đối tƣợng) là một trong các dữ liệu thƣờng hay sử
dụng nhất. Mỗi feature class bao gồm tập hợp nhiều đối tƣợng địa lý
(geographic feature) có cùng kiểu hình học (point, line, polygon) và có cùng
thuộc tính. Các feature class chứa đặc trƣng topology đƣợc xếp trong các feature
dataset nhằm đảm bảo duy trì hệ tọa độ chung cho dữ liệu bên trong. Dƣới
feature class sẽ là các feature data.
Feature (đối tƣợng địa lý) là các spatial object (đối tƣợng không gian), có
vị trí địa lý (tọa độ xác định) và có quan hệ không gian.


23
Attribute Table là thuộc tính của từng lớp đối tƣợng, đƣợc lƣu giữ dƣới
dạng các bảng. Trong đó, các thuộc tính đƣợc thể hiện trong từng cột, mỗi đối
tƣợng địa lý ở trong mỗi hàng.
Bên cạnh đó, cịn có một số định dạng của dữ liệu đầu vào khá phổ biến
nhƣ shape files, Coverage. Thực chất các định dạng này là các định dạng chuẩn
của các phiên bản trƣớc đó của ArcGIS nhƣ ArcView, ArcInfo.
+ Shape files: lƣu trữ cả dữ liệu khơng gian lẫn dữ liệu thuộc tính. Tuỳ

thuộc vào các loại đối tƣợng khơng gian mà nó lƣu trữ, Shape files sẽ đƣợc hiển
thị trong ArcCatolog bằng 1 trong 3 biểu tƣợng sau:
Về thực chất shape files không phải là 1 file mà là 5-6 file có tên giống nhau
nhƣng đuôi khác nhau. 3 file quan trọng nhất của shape files là các file có đi:

Hình 1.6 Tổ chức cơ sở dữ liệu Shape files
+ Coverages: lƣu trữ các dữ liệu khơng gian, thuộc tính và topology.
Các dữ liệu không gian đƣợc hiển thị ở dạng điểm, đƣờng, vùng và ghi chú.
1.2.5 Chuẩn cơ sở dữ liệu GIS
ISO (International Standard Orgnization): Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc
tế đã đƣa ra tiêu chuẩn ISO/TC211, bao gồm 32 tiêu chuẩn, trong đó có các
tiêu chuẩn về hệ thơng tin địa lý, một số chuẩn thƣờng dùng nhƣ sau:
- Chuẩn định dạng dữ liệu (data format);
- Chuẩn lƣới chiếu (projection);
- Chuẩn topology;
- Chuẩn phân loại dữ liệu (data classification standards);