HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) VÀ VIỄN THÁM TRONG KHAI THÁC VÀ NUÔI TRỒNG THỦY SẢN

(23/08/2019 12:00:00 SA)

Tóm tắt

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là hệ thống cung cấp thông tin vị trí từ dữ liệu địa lý. Một hệ thống GIS bao gồm năm thành phần: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, phương pháp và con người. Các lựa chọn phần mềm cho GIS được cung cấp dưới hình thức thương mại hoặc miễn phí thông qua các cộng đồng mã nguồn mở. Về bản chất, dữ liệu GIS thể hiện các vị trí trong thế giới thực dưới dạng dữ liệu vectơ hoặc raster. Nhờ công nghệ điện toán “đám mây”, dữ liệu địa không gian ngày càng được chia sẻ rộng rãi dưới dạng dịch vụ dữ liệu và được sử dụng trong lập bản đồ trên web và điện toán di động. Sự phổ biến của các thiết bị di động có cài đặt hệ thống định vị địa lý (GPS) tạo ra một nguồn dữ liệu mới, quan trọng cho GIS. Ngoài ra, sử dụng máy bay không người lái đang trở thành một phương pháp quan trọng phục vụ việc thu thập dữ liệu. Những tiến bộ trong việc lập bản đồ trên web đã giúp tích hợp dữ liệu GIS trong các ứng dụng trình duyệt web đa phương tiện hiện được sử dụng làm các công cụ truyền thông.

Các thành phần của GIS

Về cơ bản, hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống máy tính dùng để lưu trữ và thao tác dữ liệu địa lý. Một hệ thống GIS có thể được coi là một bản đồ với các dữ liệu liên quan. Ví dụ, trong bản đồ GIS, bản đồ các vùng đất ngập nước sẽ không chỉ đánh dấu các khu vực đất ngập nước mà còn bao gồm các thông tin cơ bản về từng khu vực đất ngập nước như các loài thực vật, đặc điểm đất và chất lượng nước. Tuy nhiên, một hệ thống GIS đầy đủ không chỉ là một hệ thống máy tính. Một hệ thống GIS hoàn chỉnh bao gồm năm yếu tố chính: Phần cứng, Phần mềm, Dữ liệu, Phương pháp và Con người.

Phần cứng

Phần cứng cần thiết cho Hệ thống thông tin địa lý phát triển từ các hệ thống dựa trên nền tảng Unix có nối mạng đến các máy tính cá nhân có kết nối internet. Phần cứng cần thiết khác bao gồm hệ thống định vị địa lý (GPS) để thu thập dữ liệu, máy in khổ lớn (máy vẽ) để in bản đồ, máy quét khổ lớn để tạo dữ liệu từ các bản đồ cũ đã được in trước đó. Máy bay không người lái được điều khiển từ xa cũng đang trở thành một phần phổ biến của bộ công cụ GIS. Ngoài máy tính cá nhân, văn phòng làm việc GIS cũng thường trang bị các máy chủ web và cơ sở dữ liệu địa lý,  các ứng dụng trên máy tính cá nhân sẽ kết nối tới các máy chủ này để sử dụng và chia sẻ dữ liệu.

Phần mềm hệ thống thông tin địa lý đòi hỏi máy chủ có khả năng xử lý cao. Ngày nay, máy trạm GIS điển hình sẽ bao gồm bộ xử lý cao cấp, ít nhất 16 GB RAM và thẻ video cao cấp để xử lý đồ họa phức tạp. Do nhân viên GIS thường kiểm tra dữ liệu ở cả hai định dạng bảng và bản đồ, cũng như quản lý tập tin, nên cần ít nhất hai màn hình lớn để thao tác; một để hiển thị danh sách tập tin và/hoặc bảng dữ liệu và một để hiển thị bản đồ.

Phần mềm

Một hệ thống GIS đầy đủ đòi hỏi một số loại phần mềm. Đứng đầu trong số đó là phần mềm chính của máy tính được sử dụng để thao tác dữ liệu không gian địa lý. Phần mềm bổ sung có thể bao gồm phần mềm cơ sở dữ liệu chi tiết được thiết kế để lưu trữ và hiển thị dữ liệu địa lý, phần mềm để thu thập dữ liệu như GPS hoặc các giải pháp di động và các gói lập bản đồ trên web khác nhằm tạo ra các trang lập bản đồ web tương tác.

Công ty dẫn đầu ngành về phần mềm GIS cốt lõi là Viện nghiên cứu hệ thống môi trường (Esri) chuyên cung cấp các bộ ứng dụng ArcGIS. Các gói phần mềm cốt lõi của Esri về ArcMap và ArcCatalog luôn có sẵn để đáp ứng nhu cầu mua phần mềm của người dùng và việc truy cập được kiểm soát thông qua hoạt động quản lý giấy phép sử dụng phần mềm. Người dùng mua các sản phẩm của Esri sẽ nhận được hỗ trợ kỹ thuật từ phía công ty và cộng đồng toàn cầu sử dụng phần mềm tương tự. Tuy nhiên, do chi phí cao nên một số tổ chức và quốc gia đang lựa chọn các giải pháp thay thế mã nguồn mở.

Hiện có rất nhiều giải pháp phần mềm GIS mạnh, miễn phí, mã nguồn mở. Các ứng dụng mã nguồn mở thường không có sự hỗ trợ kỹ thuật từ phía công ty phát hành nhưng hầu hết đều có những cộng đồng người dùng mạnh mẽ có thể cung cấp một mức độ hỗ trợ tuyệt vời. Một số ví dụ về phần mềm GIS mã nguồn mở bao gồm QGIS, LibreOffice và GeoServer. Các giải pháp mã nguồn mở cũng bao gồm cơ sở dữ liệu, dữ liệu di động và phần mềm lập bản đồ trên web là những yếu tố bổ sung cho các ứng dụng GIS cốt lõi.

Phần mềm lập bản đồ trên web giúp hình thành nhiều chức năng cho GIS trong các trình duyệt web phổ biến đã và đang trở thành một phần không thể thiếu trong văn phòng làm việc GIS. Các trang lập bản đồ trên web như bản đồ Google và Bing đã trở nên phổ biến ở nhiều văn phòng, tạo điều kiện cho nhiều người có thể dễ dàng lập bản đồ tương tác cơ bản. Bản đồ web có thể được phát triển thêm thông qua chương trình lập trình tùy chỉnh để cung cấp thêm nhiều công cụ, chức năng và dữ liệu vào môi trường trình duyệt web. Đối với ngành công nghiệp GIS, lập bản đồ trên web đã trở thành một công cụ phái sinh quan trọng của internet và điện toán đám mây.

“Điện toán đám mây”

Sự ra đời của hệ thống máy tính cho phép truy cập từ xa giúp lưu trữ dữ liệu và chạy các ứng dụng—“Điện toán đám mây” - đã thay đổi về cơ bản cách thức hoạt động của GIS. Điện toán đám mây có thể vừa được coi là phần cứng vừa là phần mềm của GIS. Các máy chủ từ xa và cơ sở hạ tầng liên quan mà các máy tính cục bộ kết nối tới là phần cứng, tuy nhiên các văn phòng GIS địa phương thường không chịu trách nhiệm bảo trì phần cứng đó. Phần mềm chạy trên các máy chủ từ xa cũng giúp giải phóng các nhóm GIS địa phương khỏi việc bảo trì các gói phần mềm trên các máy tính cục bộ. Cũng như các phần mềm GIS khác, các dịch vụ điện toán đám mây luôn có sẵn để đáp ứng nhu cầu mua dịch vụ hoặc được cung cấp miễn phí thông qua các cộng đồng mã nguồn mở.

Có lẽ tác động lớn nhất của điện toán đám mây đến GIS là phần dữ liệu. Hiện nay, dữ liệu có thể được lưu trữ trong môi trường đám mây, do đó, các nhà quản lý GIS có thể chia sẻ các bản sao dữ liệu trực tiếp cho nhiều người dùng. Trong nhiều trường hợp, khi sử dụng điện toán đám mây, người dùng GIS không cần phải tải dữ liệu xuống các máy trạm cục bộ. Điều này giúp giảm bớt khó khăn trong việc đánh dấu phiên bản dữ liệu và đảm bảo luôn lưu trữ dữ liệu mới nhất. Một số ví dụ phổ biến về điện toán đám mây trong GIS bao gồm ArcGIS Online của Esri, GeoServer và OpenLayers.

Dữ liệu

Dữ liệu địa không gian được phân loại thành hai loại chính: vector và raster. Dữ liệu địa không gian vectơ gồm những dữ liệu về vị trí, các tính năng tuyến tính hoặc các khu vực (điểm, đường hoặc vùng). Dữ liệu vectơ thể hiện các dạng hình học và vị trí cụ thể của các đối tượng không gian trên các bản đồ chuyên biệt. Ngược lại, dữ liệu địa không gian raster thể hiện các tính năng dưới dạng mạng lưới các ô với kích thước thay đổi cho từng tập dữ liệu. Bằng cách khái quát hóa các tính năng, dữ liệu raster cho phép mô hình hóa và phân tích các bộ dữ liệu rất lớn. Hình 1 biểu thị các kiểu dữ liệu vectơ và raster.

Hình 1. Dữ liệu vector ở bên trái được thể hiện dưới dạng raster ở bên phải. Độ chính xác của dữ liệu raster phụ thuộc vào kích thước các ô được sử dụng để hiển thị dữ liệu vector

Các loại dữ liệu vectơ phổ biến bao gồm bản đồ số hóa, dữ liệu GPS hoặc bất kỳ dữ liệu nào chứa vĩ độ và kinh độ cụ thể. Dữ liệu raster phổ biến bao gồm hình ảnh viễn thám và vệ tinh, công nghệ đo khoảng cách bằng tia laser (LiDAR) và các mô hình số độ cao (DEM). Cả dữ liệu vectơ và dữ liệu raster đều có nhiều loại tệp dữ liệu bao gồm shapefiles, tệp cơ sở dữ liệu địa lý, GRID, JPEG2000 và các loại khác.

Ngày nay, trên thế giới, “Dữ liệu lớn” ngày càng trở thành một nguồn dữ liệu quan trọng cho các hoạt động áp dụng công nghệ GIS. Dữ liệu lớn là lượng dữ liệu khổng lồ được thu thập, ví dụ như từ hàng triệu điện thoại di động tự động theo dõi vị trí. Làm thế nào để thu thập, quản lý và phân tích dữ liệu lớn hiện là thách thức đối với các nhóm làm việc về GIS.

Dù là nguồn hay loại dữ liệu nào thì các đặc điểm chính về dữ liệu như cách thức và thời điểm được thu thập hoặc tạo ra, mức độ chính xác nói chung và cách định dạng dữ liệu phải được ghi lại dưới dạng siêu dữ liệu. Việc tạo ra các tài liệu hoặc bản ghi siêu dữ liệu là một phương pháp quan trọng trong một hệ thống GIS đầy đủ chức năng.

Phương pháp

Phương pháp hoạt động của GIS không chỉ là thao tác và phân tích dữ liệu mà còn bao gồm các quy trình xoay quanh toàn bộ vòng đời dữ liệu từ thu thập đến trích xuất thông tin, từ phân tích đến lưu trữ và chia sẻ. Điều quan trọng đối với một hệ thống GIS là việc xây dựng bộ dữ liệu phù hợp (siêu dữ liệu) và các quy trình nghiệp vụ bao gồm vòng đời dữ liệu. Chiến lược GIS dài hạn cũng sẽ bao gồm các phương pháp để tạo dữ liệu mới và giám sát dữ liệu được thu thập trước đó. Điều này giúp đảm bảo các thông tin mới nhất sẽ trả lời được các câu hỏi đặt ra và hỗ trợ việc ra quyết định.

Con người

Chắc chắn rằng, không có một hệ thống GIS nào có thể tồn tại mà không có người vận hành nó. Ngoài các chuyên gia về GIS và các chuyên gia thu thập dữ liệu, điều quan trọng đối với các nhà quản lý, những người làm truyền thông và các nhà khoa học là phải nắm bắt và hiểu rõ các nguyên tắc cơ bản của một hệ thống GIS. Điều này giúp sử dụng thông tin vị trí trích xuất từ dữ liệu không gian địa lý một cách hiệu quả và phù hợp hơn.

Các xu hướng trong công nghệ GIS

Với sự ra đời và lan rộng của điện toán di động kết hợp với internet và dịch vụ điện toán đám mây để lưu trữ dữ liệu và cài đặt phần mềm, GIS đã phát triển từ một công nghệ chỉ phục vụ công việc chuyên môn thành một công cụ được sử dụng ở nhiều lĩnh vực. Mô hình quản lý dữ liệu mới này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau đã cải thiện đáng kể việc phân tán và sử dụng dữ liệu địa không gian. Những dữ liệu này được gọi là “dịch vụ dữ liệu”. Dữ liệu mà GIS cung cấp đã trở thành phương tiện chính để chia sẻ thông tin vị trí và bản đồ một cách có kiểm soát. Hiện nay, các dịch vụ có thể được sử dụng trên các thiết bị di động và thông tin vị trí được ghi lại bởi điện thoại di động đã trở thành một nguồn dữ liệu mới quan trọng.

Ngày càng nhiều dữ liệu mới được thu thập bằng máy bay không người lái. Máy bay không người lái có nhiều kích cỡ và có thể mang theo bộ dụng cụ cảm biến đa dạng như máy ảnh có độ phân giải cao, cảm biến hồng ngoại và LiDAR. Máy bay không người lái đã khắc phục hiệu quả vấn đề quan trọng về mặt kỹ thuật và hậu cần khi thực hiện các nỗ lực thu thập dữ liệu mục tiêu trong quá khứ.

Sự phát triển của công nghệ lập bản đồ trên web cho phép thực hiện việc phân tích không gian địa lý phức tạp và ánh xạ trên trình duyệt web và thiết bị di động mà không cần cài đặt phần mềm trên máy tính của người dùng. Việc lập bản đồ hiện có thể được tích hợp trên một trang web và các phương tiện khác để tạo ra các công cụ truyền thông mạnh mẽ. Sản phẩm “Story Map” của Esri giúp đơn giản hóa việc tạo ra các trang web tích hợp dữ liệu GIS với các công cụ đa phương tiện như vậy, sản phẩm cũng ngày càng được sử dụng nhiều để tạo thuận lợi cho việc liên lạc.

1.1.1.      

Ø Các nguồn dữ liệu không gian

Tóm tắt

Dữ liệu không gian bao gồm dữ liệu sơ cấp (cá nhân tự thu thập) và dữ liệu thứ cấp (thu thập bởi những người khác). Những dữ liệu này có thể được sử dụng trong nhiều bối cảnh phân tích khác nhau. Dữ liệu không gian sẵn có được công bố ngày càng được tìm kiếm dễ dàng với sự hỗ trợ của các công nghệ tiên tiến. Sử dụng dữ liệu thứ cấp thường mang lại hiệu quả cao hơn, đồng thời tiết kiệm chi phí hơn so với việc xây dựng dữ liệu sơ cấp.

Dữ liệu sơ cấp

Dữ liệu sơ cấp được nghiên cứu viên trực tiếp thu thập. Dữ liệu này có thể được thu thập cụ thể cho một dự án nhất định, chẳng hạn như dữ liệu được quét hoặc số hóa, dữ liệu hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hoặc dữ liệu viễn thám. Dữ liệu được số hóa thường là các tài liệu tham khảo cũ hơn như bản đồ giấy được tải dưới dạng tệp raster. Các tính năng trên bản đồ có thể được chuyển đổi thành các điểm, các đường và các vùng. Dữ liệu GPS cung cấp vị trí địa lý và thông tin về thời gian với đường bao quát không giới hạn tới 4 hoặc hơn 4 vệ tinh GPS. Dữ liệu GPS có thể do cá nhân thu thập để trả lời các câu hỏi cụ thể. Dữ liệu viễn thám có thể phát hiện và theo dõi các đặc tính vật lý bằng camera, vệ tinh và thiết bị siêu âm dưới nước. Ví dụ về dữ liệu viễn thám bao gồm địa hình, nhiệt độ và diệp lục (các thông tin cụ thể xem phần viễn thám).

Dữ liệu thứ cấp

Dữ liệu thứ cấp được thu thập bởi người khác. Dữ liệu này có thể là dữ liệu sơ cấp do đồng nghiệp thu thập hoặc có thể là dữ liệu mã nguồn mở có sẵn. Hiện có nhiều nguồn dữ liệu thứ cấp cung cấp miễn phí dữ liệu sẵn có được công bố.

Dữ liệu thứ cấp toàn cầu

Các nguồn cung cấp dữ liệu thứ cấp sẵn có trên toàn cầu liên quan đến nghề cá và nuôi trồng thủy sản bao gồm: Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA), Cơ quan Khí quyển và Đại dương Hoa Kỳ (NOAA), Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP) và Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS). Ví dụ: Viện đất đai USGS (https://landcover.usgs.gov/) cung cấp những dữ liệu về sử dụng đất trên toàn cầu. Những dữ liệu này thường được sử dụng trong các ứng dụng như bảo tồn đa dạng sinh học, đánh giá chất lượng nước, thực vật khí hậu học và thay đổi độ che phủ đất theo thời gian. NowCOAST, cung cấp dữ liệu thông qua Cổng thông tin bản đồ web của NOAA (https://nowcoast.noaa.gov/), là một ví dụ về dữ liệu dự báo. Các ứng dụng của NowCOAST bao gồm dự báo về thủy triều và thời tiết, dự báo hiện tượng tảo nở hoa có hại (để biết thêm thông tin, xem phần tảo nở hoa có hại) và nhiệt độ mặt nước biển. Đối với dữ liệu thời gian thực, NASA Worldview (https://worldview.earthdata.nasa.gov/) cập nhật dữ liệu liên tục ba giờ một lần cho các ứng dụng về đo lường chất lượng không khí, giám sát lũ và quan sát bão nhiệt đới. Cụ thể, đối với dữ liệu môi trường, trình duyệt dữ liệu môi trường của UNEP (http://geodata.grid.unep.ch/) chứa hơn 500 biến khác nhau như nước ngọt, dân số, rừng, phát thải, khí hậu, sức khỏe và GDP.

Dữ liệu thứ cấp cấp vùng

Các nguồn cung cấp dữ liệu thứ cấp sẵn có cấp vùng liên quan đến nghề cá và nuôi trồng thủy sản bao gồm: Ủy hội sông Mê Kông, Dự án SERVIR - Mekong và một công cụ lưu trữ mới - Open Development Mekong. Ví dụ, cổng thông tin dữ liệu của Ủy hội sông Mê Kông (http://portal.mrcmekong.org/index) cung cấp những dữ liệu thủy văn trong lịch sử và gần đây trên toàn bộ và trên các nhánh sông chính của sông Mê Kông. SERVIR-Mekong (https://servir.adpc.net/) là sự hợp tác mới giữa Cơ quan Phát triển Quốc tế Hoa Kỳ (USAID), NASA và Trung tâm Phòng chống Thiên tai Châu Á (ADPC) nhằm mục đích “hợp tác với các đối tác để tạo ra và/hoặc chia sẻ bộ dữ liệu địa không gian đáp ứng nhu cầu cụ thể của người dùng”. Các bộ dữ liệu hiện có bao gồm tính phù hợp của canh tác lúa, các khu bảo tồn và mặt nước theo mùa; các bộ dữ liệu khác liên quan đến nghề cá và nuôi trồng thủy sản có thể được phát triển thông qua các dự án SERVIR-Mekong trong tương lai. Ngoài ra, Open Development Mekong (https://opendevelopmentmekong.net/) là một nền tảng cung cấp dữ liệu cộng đồng mới dành riêng cho việc tìm kiếm các thông tin liên quan đến khu vực Mê Kông “nhằm mở rộng các nguồn tài nguyên sẵn có được công bố về các chủ đề liên quan đến Hạ lưu sông Mê Kông”. Các lĩnh vực chủ đề bao gồm nông nghiệp và thủy sản, năng lượng, môi trường và tài nguyên thiên nhiên, đất đai, dân số và tổng điều tra dân số.

Ví dụ: Phân tích biến đổi khí hậu

Ví dụ về việc sử dụng dữ liệu không gian trong khu vực, Viện Quản lý Nước Quốc tế (IWMI) có thể so sánh các dự báo về nhiệt độ và lượng mưa cho tất cả các nước Đông Nam Á. Dựa trên Báo cáo đặc biệt của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) về các kịch bản phát thải (SRES) với các kịch bản A2 (tăng trưởng dân số cao, tăng trưởng kinh tế chậm, thay đổi công nghệ) và B2 (tăng trưởng dân số vừa phải, phát triển kinh tế với mức độ thay đổi công nghệ chậm nhưng đa dạng) , IWMI đã đưa ra dự báo về sự gia tăng nhiệt độ hàng năm và sự thay đổi lượng mưa hàng năm (một số tăng và một số giảm) trên toàn khu vực bằng cách sử dụng mô hình mô phỏng khí hậu Providing Regional Climate for Impact Studies (PRECIS) trong giai đoạn 1960-2049. Mùa mưa được dự báo là ẩm ướt hơn (lượng mưa tích lũy nhiều hơn), khả năng xảy ra lũ lụt cao hơn. Mặc dù lượng mưa lớn hơn trong mùa mưa, số ngày hạn hán có khả năng tăng lên do nhiệt độ tăng cao và sự gia tăng của hiện tượng bốc hơi nước. Để biết thêm thông tin, vui lòng tham khảo Báo cáo nghiên cứu 136 của IWMI.

VIFEP (TH-Hội thảo USAID)