1. Hệ thống thông tin địa lý GIS

GIS (viết tắt của Geographic Information Systems) là một công nghệ tiên tiến, kết hợp nhiều phương pháp để thu thập, quản lý và phân tích dữ liệu không gian. Hệ thống này giúp biên tập bản đồ, lưu trữ thông tin bản đồ và thực hiện các thao tác trên bản đồ, nhằm phản ánh chính xác sự vật, hiện tượng trong thế giới thực.

Hình 1: Mô phỏng về GIS.

2. Thành phần chính của GIS

Một hệ thống thông tin địa lý (GIS) hoạt động thông qua sự kết hợp chặt chẽ của năm thành phần cốt lõi: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người và phương pháp.

Hình 2: Các thành phần của hệ thống GIS

2.1. Phần cứng

Phần cứng của hệ thống GIS cho phép người dùng thu thập, lưu trữ, xử lý và trực quan hóa thông tin địa lý. Nó bao gồm các thiết bị kỹ thuật như máy tính có cấu hình mạnh mẽ để chạy phần mềm GIS mượt mà, với đủ dung lượng bộ nhớ và ổ cứng để đảm bảo hiệu suất. Bên cạnh đó, các thiết bị đầu vào và đầu ra như máy số hóa, máy quét, máy in và máy vẽ cũng đóng vai trò quan trọng. Tóm lại, phần cứng chính là nền tảng để GIS vận hành, có thể là máy tính cá nhân, máy chủ tập trung, hoặc các hệ thống nối mạng tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng.

2.2. Phần mềm

Phần mềm GIS là công cụ mạnh mẽ giúp người dùng nhập dữ liệu, lưu trữ, chuyển đổi, phân tích và tạo ra các kết quả đầu ra như bản đồ và báo cáo. Hiện nay, phần mềm GIS có thể là loại thương mại hoặc mã nguồn mở, tùy thuộc vào nhu cầu và ngân sách. Các thành phần chính của phần mềm bao gồm: hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS), công cụ nhập và thao tác thông tin địa lý, các công cụ hỗ trợ truy vấn, phân tích và trực quan hóa dữ liệu không gian, cùng với giao diện người dùng đồ họa (GUI) giúp người sử dụng dễ dàng tiếp cận và sử dụng các tính năng.

2.3. Dữ liệu

Dữ liệu chính là yếu tố quan trọng nhất trong hệ thống GIS. Các dữ liệu này có thể được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau như bản đồ, quan sát thực địa, ảnh chụp, hay hình ảnh vệ tinh… Để tổ chức và quản lý dữ liệu hiệu quả, hầu hết các hệ thống GIS sử dụng cơ sở dữ liệu quản lý (DBMS). Dữ liệu mà GIS xử lý bao gồm tất cả các thông tin có mối liên hệ rõ ràng với không gian, bao gồm các đối tượng và sự kiện diễn ra trong tự nhiên.

GIS lưu trữ dữ liệu vị trí dưới dạng các lớp thông tin, với mỗi lớp dữ liệu đi kèm một bảng thuộc tính chứa thông tin chi tiết về đối tượng địa lý. Có hai loại dữ liệu chính trong GIS: raster và vector:

• Raster: Dữ liệu raster có cấu trúc dạng lưới, với các ô được sắp xếp theo hàng và cột, có thể là dữ liệu rời rạc hoặc liên tục. Ví dụ về dữ liệu raster bao gồm biểu đồ độ phủ đất, dữ liệu nhiệt độ và hình ảnh vệ tinh.

Hình 3: Mô phỏng dữ liệu Raster

• Vector: : Vector là điểm, đường thẳng và đa giác có đỉnh. Ví dụ, các họng cứu hỏa, đường bao và ranh giới hành chính thường là các vector.

Hình 4: Mô phỏng dữ liệu Vector

2.4. Con người

Những người làm GIS là những người kỹ thuật, những người có thể quản lý dữ liệu, phát triển các thủ tục, xử lý và phân tích dữ liệu không gian địa lý để áp dụng nó vào các vấn đề trong thế giới thực. Do đó, những người làm GIS bao gồm các chuyên gia kỹ thuật, nhà quản lý GIS, quản trị viên cơ sở dữ liệu, lập trình viên, nhà khoa học và nhà hoạch định, v.v.

2.5. Phương pháp

Phương pháp trong GIS bao gồm các quy trình đa dạng giúp chỉnh sửa, truy cập, lưu trữ, quản lý và phân tích dữ liệu, từ đó tạo ra các kết quả đầu ra phù hợp với các mục tiêu và yêu cầu phân tích cụ thể, chẳng hạn như việc phân tích sự thay đổi theo thời gian.

3. Chức năng quan trọng của GIS

Các chức năng chính của hệ thống GIS bao gồm: thu thập dữ liệu, quản lý dữ liệu, phân tích dữ liệu và trực quan hóa thông tin.

Hình 5: Chức năng của hệ thống GIS

3.1. Thu thập dữ liệu

Dữ liệu trong GIS đề cập đến các đối tượng địa lý được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu không gian. Việc xây dựng cơ sở dữ liệu GIS thường chiếm hơn 70% tổng mức đầu tư trong quá trình triển khai hệ thống, và tỷ lệ này dự kiến sẽ tiếp tục duy trì trong tương lai. Vì vậy, thu thập dữ liệu đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong nghiên cứu và phát triển GIS, giúp tạo ra một hệ thống thông tin địa lý chính xác và đầy đủ. Dữ liệu GIS có thể được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, như ảnh vệ tinh, ảnh chụp từ máy bay, hoặc thông qua các phương pháp chuyển đổi dữ liệu khác.

3.2. Quản lý dữ liệu

Trong hệ thống quản lý thông tin GIS, dữ liệu không gian được tổ chức và quản lý chủ yếu dưới hai mô hình: vector và raster. Quan trọng hơn, chúng ta có thể dễ dàng chuyển đổi giữa hai mô hình này, từ raster sang vector hoặc ngược lại, tùy thuộc vào yêu cầu của phân tích. Dữ liệu thuộc tính thường được lưu trữ trong mô hình quan hệ, trong khi dữ liệu không gian lại được quản lý thông qua mô hình vector và raster.

Quản lý dữ liệu đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo truy cập nhanh chóng và hiệu quả vào cơ sở dữ liệu thuộc tính và không gian, góp phần nâng cao chất lượng phân tích cho các bài toán ứng dụng thực tiễn. Đồng thời, hiệu quả của quản lý dữ liệu còn phụ thuộc rất nhiều vào các thiết bị lưu trữ, đặc biệt là dung lượng và tốc độ của bộ nhớ máy tính.

3.3. Phân tích dữ liệu

Với khả năng phân tích đồng thời cả dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính, GIS nổi bật so với các hệ thống thông tin khác. Đây chính là một trong những thế mạnh vượt trội của GIS, mang lại lợi thế lớn cho người dùng trong việc giải quyết các bài toán phức tạp dựa trên dữ liệu không gian địa lý.

3.4. Hiển thị dữ liệu

GIS cho phép lưu trữ và hiển thị thông tin một cách độc lập và linh hoạt. Hệ thống này có khả năng trình bày thông tin ở nhiều tỉ lệ khác nhau, với mức độ chi tiết của dữ liệu chỉ bị giới hạn bởi phương pháp hiển thị của phần mềm và khả năng lưu trữ phần cứng. Nhờ sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ trong những thập kỷ qua, GIS đã phát triển mạnh mẽ, mang đến khả năng hiển thị dữ liệu không gian địa lý dưới nhiều định dạng khác nhau, bao gồm cả các mô hình 3D mô phỏng gần như chính xác thế giới thực.

4. Ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã trở thành một công cụ quan trọng và không còn xa lạ tại Việt Nam, với sự ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

4.1. Lập bản đồ

GIS đóng vai trò chủ đạo trong việc thu thập, quản lý và phân tích dữ liệu không gian. Nó không chỉ giúp phân tích vị trí mà còn tổ chức các lớp thông tin để tạo ra hình ảnh trực quan thông qua bản đồ và mô hình 3D.

Hình 6: Hệ thống bản đồ của một khu vực

4.2. Quy hoạch đô thị

Trong quy hoạch đô thị, GIS đóng vai trò là cơ sở dữ liệu không gian và công cụ mạnh mẽ để phân tích, mô hình hóa và xác định các tiêu chí phân vùng, giúp mở rộng và phát triển các khu đô thị một cách hợp lý.

4.3. Lập kế hoạch giao thông vận tải

Trong lĩnh vực giao thông, GIS giúp lập kế hoạch hạ tầng đường bộ, xây dựng các tuyến đường mới và cải thiện khả năng kết nối giao thông giữa các khu vực, thúc đẩy sự phát triển của mạng lưới giao thông quốc gia.

Hình 7: Hệ thống thông tin địa lý và giao thông vận tải

4.4. Rủi ro thiên tai và quản lý

GIS hỗ trợ việc quản lý các vấn đề môi trường và là công cụ hữu hiệu trong công tác cứu trợ thiên tai. Nó giúp dự báo các sự kiện thiên tai và quản lý các hoạt động cứu trợ sau thảm họa, đặc biệt là trong việc giám sát và phân tích các khu vực thường xuyên chịu tác động của thiên tai.

Hình 8: Quản lý và thể hiện các khu vực thường xuyên xảy ra thiên tai

4.5. Chuỗi giá trị nông nghiệp

GIS trong nông nghiệp giúp cải thiện các kỹ thuật canh tác, phân tích đất đai, hiểu về mùa vụ và dự đoán sản lượng nông sản. Điều này không chỉ tăng năng suất mà còn giúp tối ưu hóa sản xuất nông nghiệp, nâng cao hiệu quả sản xuất lương thực tại nhiều khu vực trên toàn cầu.

Hình 9: Ứng dụng trong quản lý nông nghiệp

4.6. Quản lý tài nguyên thiên nhiên

Với sự trợ giúp của GIS, việc quản lý tài nguyên thiên nhiên trở nên hiệu quả hơn, từ việc duy trì các nguồn tài nguyên thiên nhiên như nước và rừng, đến việc bảo tồn các điểm nóng đa dạng sinh học quan trọng trên toàn cầu.

Hình 10: Dữ liệu sinh khối gỗ trên mặt đất của Josef Kellndorfer và Wayne Walker. Bản đồ của NASA, 2011

4.7. Khảo sát

GIS được ứng dụng trong khảo sát để đo lường vị trí của các đối tượng trên trái đất, kết hợp với Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS). Các dữ liệu này không chỉ giúp xác định diện tích mà còn tạo ra các bản đồ kỹ thuật số chính xác.

4.8. Sức khỏe cộng đồng

GIS là công cụ hỗ trợ đắc lực trong việc lập kế hoạch chăm sóc sức khỏe, phân tích nhu cầu và cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe ở các khu vực khác nhau, giúp tối ưu hóa sự phân bổ nguồn lực trong công tác phòng ngừa và điều trị các bệnh tật.

Nhờ vào những ứng dụng đa dạng này, GIS đã và đang trở thành một phần không thể thiếu trong công tác quản lý và phát triển bền vững trên nhiều lĩnh vực.

Hình 11: . Bản đồ bệnh tật hiện đại hơn cho thấy những ca tử vong do bệnh tim ở nam giới da trắng ở Hoa Kỳ từ năm 2000 – 2004