Bản đồ số là gì? Lịch sử hình thành và tính ứng dụng của bản đồ số

Khái niệm bản đồ số

Bản đồ số là hệ thống các thông tin về yếu tố địa hình, các đối tượng, hiện tượng, địa lý đã được mã hóa và lưu trữ dưới dạng số (bao gồm tọa độ, độ cao h, các số liệu thuộc tính). Do đó, các dữ liệu này được lưu trữ và được đọc bởi các thiết bị như đĩa từ, đĩa CD, đĩa cứng, các thiết bị lưu trữ thông qua cổng USB,…

Trong đó, bản đồ số gồm các thành phần cơ bản sau:

Bài viết hiện tại: Bản đồ số là gì? Lịch sử hình thành và tính ứng dụng của bản đồ số

• Thiết bị ghi dữ liệu
• Máy tính
• Cơ sở dữ liệu
• Thiết bị thể hiện bản đồ

Bản đồ số là các file dữ liệu được ghi lại trong bộ nhớ máy tính và được thể hiện ở dạng hình ảnh tương tự như bản đồ truyền thống trên màn hình kỹ thuật số. Về mức độ đầy đủ thông tin về nội dung và độ chính xác của các yếu tố trong bản đồ số hoàn toàn giống như bản đồ truyền thống, có nghĩa chúng phải đáp ứng được các yêu cầu và tiêu chuẩn bản đồ. 

Đặc điểm của bản đồ số

Về cơ bản, bản đồ số cũng có đầy đủ các đặc điểm đặc trưng của bản đồ truyền thống như:

• Bản đồ là hình ảnh thu nhỏ của một phần hay toàn bộ bề mặt Trái đất, trên cơ sở toán học xác định bao gồm: tỷ lệ, phép chiếu, bố cục bản đồ và sai số biến dạng của bản đồ tùy theo phép chiếu
• Các đối tượng và hiện tượng (nội dung bản đồ) được biểu thị theo phương pháp lựa chọn và khái quát nhất định (tổng quát hóa bản đồ)
• Các đối tượng và hiện tượng được biểu thị bằng ngôn ngữ bản đồ

Ngoài ra, bản đồ số có một số đặc điểm riêng như

• Thông tin được lưu trữ dưới dạng mã nhị phân (binary)
• Cấu trúc thông tin theo dạng Raster và Vector, kèm theo Topology được tổ chức thành các file bản đồ riêng hoặc liên kết thành thư mục
• Bản đồ số chứa đựng những dữ liệu mà bản đồ truyền thống không thể liên kết trực tiếp
• Khối lượng dữ liệu bản đồ số là rất lớn
• Tỷ lệ bản đồ số mang tính điều kiện

Tính chất của bản đồ số

Nhờ vào sự phát triển của công nghệ, bản đồ số có tính linh hoạt hơn bản đồ truyền thống thông qua các yếu tố như:

• Tính trực quan
• Tính đầy đủ
• Bản đồ số có tính chuẩn hóa cao
• Đa dạng ứng dụng

Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ bản đồ số

Định nghĩa về Hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Định nghĩa về GIS (Geographic Information Systems) đã được rất nhiều các chuyên gia và nhà khoa học định nghĩa, xuất phát từ những bối cảnh, mục đích sử dụng và quan điểm khoa học khác nhau.

Trong đó, có một định nghĩa từ ESRI mang tính khái quát và được sử dụng phổ biến nhất:

“Hệ thống thông tin địa lý là một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích và kết xuất tất cả những dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lý”.

Trong đó, Hệ thống thông tin địa lý được kết hợp bởi 5 thành phần chính:

• Con người
• Phần cứng
• Phần mềm
• Cơ sở dữ liệu
• Quy trình

Các giai đoạn lịch sử phát triển của GIS

Giai đoạn trước năm 1960: Sự phát triển của GIS vẫn chìm trong bóng tối

Vào những năm 1950, khi đó bản đồ vẫn còn rất sơ khai bởi chưa có sự phát triển của công nghệ máy tính. Bằng việc vẽ tay trên giấy, các nhà địa lý học chỉ có thể xây dựng bản đồ định tuyến xe, các bản đồ quy hoạch mới và các điểm vị trí quan tâm. 

Bằng việc phân tích không gian, lựa chọn được đưa ra đó là lập bản đồ lưới. Cụ thể, bản đồ lưới được sử dụng các lớp trong suốt được chiếu trên bảng ánh sáng để xác định các khu vực chồng lên nhau. Tuy nhiên điều này đi cùng với hạn chế đó là không thể tính toán các khu vực liền kề nhau bởi dữ liệu thô và khoảng cách đo đạc được là không chính xác. 

Từ đây, tiền đề cho sự chuyển đổi từ bản đồ giấy sang bản đồ số được bắt đầu. 

Bài viết liên quan: Lợi thế so sánh – Wikipedia tiếng Việt

Từ năm 1960 – 1975: Thời kỳ tiên phong của GIS

Những ý tưởng tiên phong của GIS thực sự được hình thành từ đầu những năm updating

Các mảnh ghép bản đồ được ghép lại với nhau bởi những tiến bộ trong công nghệ:

• Ánh xạ đồ họa được xuất ra bởi máy in dòng
• Những tiến bộ trong việc lưu trữ dữ liệu với máy tính lớn
• Dữ liệu ghi đầu vào tọa độ được kết hợp

Vào năm 1960, Roger Tomlinson được coi như là cha đẻ của GIS đã khởi xướng, xây dựng kế hoạch và trực tiếp chỉ đạo việc phát triển hệ thống địa lý Canada (CGIS). 

Tại đây, thời điểm quan trọng của GIS bắt đầu được hình thành và CGIS được coi là nguồn gốc của hệ thống thông tin địa lý. Khi đó, CGIS được tiếp cận theo lớp để xử lý bản đồ và được sử dụng để lưu trữ, phân tích và thao tác trên các dữ liệu được thu thập về Canada Land Inventory (sử dụng các đặc tính của đất, hệ thống thoát nước và khí hậu để xác định khả năng của các loại cây trồng và vùng trồng rừng). Từ đây họ đã nhanh chóng nhận ra sự quan trọng của dữ liệu chính xác và phù hợp để phục vụ hoạt động quy hoạch đất đai. 

Trong những năm sau đó, GIS đã được chỉnh sửa và cải tiến để theo kịp với sự phát triển của công nghệ. 

Sự phát triển của công nghệ tạo nên bản đồ số ngày nay

Các dạng dữ liệu bản đồ số

Cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý hay còn gọi là bản đồ số được chia làm 2 loại số liệu cơ bản: Số liệu không gian và phi không gian. 

• Số liệu không gian: Là những mô tả hình ảnh bản đồ bao gồm tọa độ, quy luật và ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ thể trên từng bản đồ. Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu không gian để tạo ra bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi

• Số liệu phi không gian: Là những diễn tả về đặc tính, số lượng, mối quan hệ của các hình ảnh bản đồ với vị trí địa lý của chúng, Các số liệu phi không gian còn được gọi là dữ liệu phi thuộc tính, chúng có liên quan đến vị trí địa lý hoặc các đối tượng không gian và liên kết chặt chẽ với nhau trong hệ thống thông tin địa lý thông qua một cơ chế thống nhất chung. 

Dạng số liệu không gian trong bản đồ số

Hệ thống Vector

Các đối tượng không gian khi biểu diễn ở cấu trúc dữ liệu vector được tổ chức dưới dạng điểm (point), đường (line) và vùng (polygon) được biểu diễn trên một trục tọa độ. Với mỗi đối tượng biểu diễn trên mặt phẳng bởi một cặp tọa độ (x,y); đối tượng đường được xác định bởi một chuỗi các điểm (vertex), đoạn thẳng được nối giữa các điểm (vertex) hay còn gọi là cạnh (segment), điểm bắt đầu và điểm kết thúc của một đường được gọi là các nút (node); đối tượng vùng được xác định bởi các đường khép kín. 

 Trong cấu trúc dữ liệu vector, có hai loại được biết đến là cấu trúc Spaghetti và cấu trúc Topology. Trong đó, cấu trúc Spaghetti ra đời trước và được sử dụng cho đến ngày nay trên một số phần mềm GIS phổ biến như: Arcview GIS, ArcGIS,… Cấu trúc Topology được ra đời trên nền tảng mô hình dữ liệu cung – nút (Arc – Node).

• Mô hình dữ liệu vector Spaghetti

Đơn vị cơ sở trong cấu trúc dữ liệu Spaghetti là các cặp tọa độ trên một không gian địa lý xác định. Mỗi đối tượng điểm được xác định bằng một cặp tọa độ (x,y); mỗi đối tượng đường được biểu diễn bằng một chuỗi cặp tọa độ (xi,yi); mỗi đối tượng vùng được biểu diễn bằng một chuỗi cặp tọa độ (xj,yj) với điểm đầu và cuối trùng nhau.

Ưu điểm của mô hình này đó là dễ trình bày và biên tập. Tuy nhiên trong mô hình dữ liệu vector Spaghetti không mô tả được mối quan hệ không gian giữa các đối tượng, do đó các phép phân tích, tính toán không gian đều gặp khó khăn. 

• Mô hình dữ liệu vector Topology

Cấu trúc Topology được gọi là cấu trúc cung –  nút (Arc – Node). Cấu trúc này được xây dựng trên mô hình cung – nút, trong đố cung là phần từ cơ sở. Việc xác định các phần tử không gian được dựa trên các định nghĩa:

• Mỗi cung được xác đinh bởi 2 nút, các phần tử ở giữa 2 nút là các điểm điều khiển (vertex), các điểm này được xác định hình dạng của cung.
• Các cung giao nhau tại các nút, kết thúc một cung là nút.
• Vùng là tập hợp tại các cung khép kín, trong trường hợp vùng ngoài vùng thì có sự phân biệt giữa cung bên trong và cung bên ngoài.

Trong cấu trúc Topology, các đối tượng không gian được mô tả bằng bốn dữ liệu:

• Bảng tọa độ cung
• Bảng Topology cung
• Bảng Topology nút 
• Bảng Topology vùng

Giữa các bảng này có mối liên kết với nhau thông qua cung. Từ đó, có thể phân tích quan hệ của các đối tượng không gian trên cùng một hệ tọa độ. 

Hệ thống Raster

Mô hình dữ liệu dạng Raster phản ánh toàn bộ vùng nghiên cứu dưới dạng một lưới các ô vuông hay điểm ảnh (pixel). Mô hình Raster có các đặc điểm:

• Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới
• Mỗi một điểm ảnh (pixel) chứa một giá trị
• Một tập hợp các ma trận điểm và giá trị tương ứng tạo thành một lớp (layer)
• Cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp

Mô hình dữ liệu Raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng khá phổ biến trong các phân tích và dự đoán môi trường, quản lý tài nguyên thiên nhiên. Trong đó, mô hình Raster chủ yếu dùng để phản ánh các đối tượng dạng vùng là ứng dụng cho các bài toán tiến hành trên các loại đối tượng dạng vùng: phân loại, chồng xếp.

Raster được xây dựng trên các nguồn dữ liệu:

• Quét ảnh
• Ảnh máy bay, viễn thám
• Chuyển từ dữ liệu vector
• Lưu trữ dữ liệu dạng Raster
• Nén theo hàng (Run length coding)
• Nén theo chia nhỏ từng phần (Quadtree)
• Nén theo ngữ cảnh (Fractal)

Đối với việc sử dụng ảnh vệ tinh trong bản đồ số, mô hình dữ liệu Raster nhất thiết được sử dụng. Các công cụ phân tích của hệ thống bản đồ số (GIS) phụ thuộc chặt chẽ vào mô hình dữ liệu Raster. Do đó, cần đòi hỏi quá trình biến đổi mô hình từ Vector sang Raster hay còn được gọi là Raster hóa. Ngược lại, quá trình biến đổi từ mô hình Raster sang Vector được gọi là Vector hóa, đặc biệt cần thiết khi từ động quét ảnh. 

Dạng số liệu phi không gian

Số liệu phi không gian hay còn gọi là số liệu thuộc tính là những mô tả về đặc tính, đặc điểm và các hiện tượng xảy ra tại các vị trí địa lý xác định. Các chức năng đặc biệt của công nghệ GIS là khả năng trong việc liên kết và xử lý đồng thời giữa dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính. 

Hệ thống thông tin địa lý trên nền bản đồ số thông thường có 4 loại số liệu thuộc tính

Đặc tính đối tượng

Liên kết chặt chẽ với các thông tin không gian có thể thực hiện SQL (Structure Query Language) và phân tích. Các thông tin mô tả có đặc điểm:

Bài viết liên quan: Dịch vụ công ích là gì?

• Có thể nằm tại một vị trí xác định trên bản đồ
• Có thể chạy dọc theo đường (arc)
• Có các kích thước, màu sắc, kiểu chữ khác nhau
• Có nhiều mức thông tin mô tả có thể được tạo ra với ứng dụng khác nhau
• Tạo thông tin cơ sở dữ liệu lưu trữ thuộc tính
• Tạo độc lập các đối tượng địa lý trong bản đồ
• Không có liên kết với các đối tượng điểm, đường, vùng và dữ liệu thuộc tính

Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý

Được mô tả các sự kiện hoặc hiện tượng xảy ra tại một vị trí xác định. Số liệu này mô tả các hoạt động như cho phép xây dựng, báo cáo tai nạn, nghiên cứu y tế,… liên quan đến các vị trí địa lý xác định. Các thông tin tham khảo địa lý này được lưu trữ và quản lý trong file độc lập và hệ thống không trực tiếp tổng hợp các hình ảnh bản đồ trong cơ sở dữ liệu của hệ thống. 

Chỉ số địa lý

Chỉ số địa lý được lưu trong hệ thống thông tin địa lý để lựa chọn, liên kết và tra cứu số liệu trên cơ sở vị trí địa lý mà chúng được mô tả bằng các chỉ số địa lý xác định. Một chỉ số bao gồm nhiều bộ xác định cho các thực thể địa lý sử dụng từ các cơ quan khác nhau như lập danh sách các mã địa lý mà chúng xác định mối quan hệ không gian giữa các vị trí hoặc giữa các hình ảnh hay thực thể địa lý. 

Ví dụ như địa lý về đường phố và địa chỉ địa lý liên quan đến đối tượng địa lý đó. 

Quan hệ các đối tượng không gian

Các thực thể tại vị trí địa lý cụ thể rất quan trọng cho chức năng xử lý của hệ thống thông tin địa lý. Mối quan hệ không gian có thể là mối quan hệ đơn giản hay logic. Trong đó, quan hệ Topology là một quan hệ không gian. Các quan hệ không gian có thể được mã hóa như các thông tin thuộc tính hoặc ứng dụng thông qua giá trị tọa độ của các thực thể. 

Ứng dụng thực tiễn của bản đồ số 

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) được thiết kế như một hệ thống chung để quản lý dữ liệu không gian. Bởi vậy, việc ứng dụng hệ thống thông tin địa lý trong việc phát triển đô thị và môi trường tự nhiên bao gồm: quy hoạch đô thị; quản lý nguồn nhân lực; nông nghiệp trồng trọt; quản lý tài sản công, cơ sở hạ tầng; giám sát lộ trình;…

Trong hầu hết các lĩnh vực, GIS đóng vai trò là một công cụ hỗ trợ cho việc lập kế hoạch hoạt động và vận hành. 

Ứng dụng GIS trong lĩnh vực Quản lý đô thị, dữ liệu kết cấu hạ tầng

Quản lý đô thị và dữ liệu kết cấu hạ tầng là lĩnh vực đòi hỏi nguồn dữ liệu thông tin rộng lớn nhất trong công nghệ GIS bởi nó sử dụng dữ liệu không gian nhiều nhất. Các ban ngành, từ Trung ương đến cơ sở đều có thể dựa vào GIS trong hoạt động quản lý, vận hành tại địa phương. GIS được ứng dụng nhiều trong việc tìm kiếm và quản lý đất đai, bảo dưỡng duy tu đường xá, hệ thống vệ sinh môi trường đô thị, giao thông,… Bên cạnh đó, GIS còn được sử dụng trong các trung tâm điều khiển và quản lý thuộc ban, ngành để xử lý các tình huống khẩn cấp.

Ứng dụng GIS trong lĩnh vực doanh nghiệp sản xuất, bán lẻ

Hầu hết hiện nay các doanh nghiệp thuộc các lĩnh vực như sản xuất. bán lẻ, thực phẩm, y tế,… đều đã đưa ứng dụng GIS vào hoạt động xác định vị trí và nhu cầu khách hàng nhằm phân phối chính xác nhất đến người tiêu dùng. Bởi ứng dụng của GIS được sử dụng để lưu trữ thông tin về kinh tế – xã hội của khách hàng trong một khu vực địa lý xác định. Thông tin dữ liệu đó được GIS phân tích và tính toán lượng hàng hóa có thể phân phối đến các khu vực địa lý một cách phù hợp nhất.

Ứng dụng GIS trong Giao thông vận tải

Tính ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý được ứng dụng đáng kể trong lĩnh vực giao thông vận tải. Việc lập kế hoạch vận hành giao thông và duy tu, bảo dưỡng cơ sở hạ tầng đường bộ là một trong những hoạt động mang tính thực tiễn. Sự hỗ trợ từ nền tảng bản đồ số GIS được ứng dụng hiệu quả trong công tác triển khai xây dựng hệ thống thông tin quản lý cho các sở, ban, ngành thông qua mô hình điện toán đám mây. Cho phép người dùng thu thập dữ liệu tại thực địa, tra cứu thông tin dễ dàng theo khu vực địa lý.

Ứng dụng GIS trong lĩnh vực Y tế

Không dừng lại ở các hoạt động đánh giá tình trạng, quản lý tài sản thông thường mà GIS còn có thể áp dụng trong cả lĩnh vực y tế. Bằng việc thu thập dữ liệu cơ sở hạ tầng giao thông, GIS có thể chỉ ra lộ trình nhanh nhất giữa các vị trí của xe cấp cứu và bệnh nhân cần cấp cứu theo thời gian thực. Bên cạnh đó, GIS cơ bản còn được sử dụng như một công cụ nghiên cứu sự lây lan cũng như nguyên nhân bùng phát của dịch bệnh theo khu vực địa lý.

Ứng dụng GIS trong Quản lý đất đai, nông nghiệp

Hệ thống thông tin địa lý cung cấp những thông tin đặc trưng về lĩnh vực quản lý đất đai, nông nghiệp cụ thể như: cung cấp thông tin quy hoạch xây dựng, dữ liệu cấp phép xây dựng, hệ thống quản lý đất đai, các dữ liệu nghiên cứu về đất trồng, nguồn nước,…

Ứng dụng GIS trong lĩnh vực Tài chính ngân hàng

Lĩnh vực tài chính ngân hàng được ứng dụng GIS trong hoạt động xác định vị trí chi nhánh ngân hàng, cây rút tiền ATM, các văn phòng giao dịch,… Mục đích sử dụng của GIS trong lĩnh vực này hiện ngày một tăng lên bởi công nghệ này còn đưa ra được các đánh giá về rủi ro cho các mục đích bảo hiểm, xác định độ chính xác về các khu vực có mức độ rủi ro cao hay thấp,… bao gồm các dữ liệu cơ sở về mức độ vi phạm pháp luật, địa chất học, môi trường sống, giá trị tài sản mà dân sinh khu vực nắm giữ, trình độ học vấn,…

Nguồn tham khảo: The remarkable history of GIS

Biên dịch bởi đội ngũ eKMap

Mời bạn đọc tham khảo thêm:

GIS là gì? Tổng hợp kiến thức lĩnh vực bản đồ

Bản đồ Địa lý Thế giới và những điều cần biết

Hướng dẫn cách đọc bản đồ địa hình chính xác nhất

5 phương pháp sử dụng ảnh bản đồ vệ tinh hiệu quả

GIS Software: Tổng quan kiến thức về phần mềm GIS bạn nên biết

Hướng dẫn phân biệt 05 loại bản đồ thông dụng và mục đích sử dụng

Phân biệt giữa công nghệ GIS và GPS