i ii
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Văn Bách
Phát triển hệ thống hỗ trợ tìm đường trên các thiết bị
di động có GPS KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công Nghệ Thông Tin
Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Hóa
Hà Nội, tháng 5 năm 2010
Sinh viên
Nguyễn Văn Bách
iv
TÓM TẮT KHÓA LUẬN
Khóa luận này trình bày những hiểu biết cơ bản về một hệ thống thông tin địa lý
(GIS), cũng như các khái niệm liên quan. Qua việc xem xét một số hệ thống GIS tiêu
biểu, để có thể hình dung được cách thức lưu trữ, quản lý dữ liệu trong một dữ liệu
không gian, nhằm phục vụ hiệu quả cho việc quản lý dữ liệu địa lý. Khóa luận cũng
trình bày chi tiết về cấu trúc đánh chỉ số R-tree – một cấu trúc được dùng phổ biến cho
các CSDL không gian. Một số phương pháp xử lý truy vấn trong CSDL không gian
cũng được đưa ra ở mức tìm hiểu sơ qua.
Phần cuối của khóa luận trình bày về việc xây dựng ứng dụng bản đồ trên thiết bị
di động hổ trợ GPS. Bằng việc sử dụng GoogleMaps để cung cấp các chức năng GIS
cơ bản cho người dùng, như hiển thị bản đồ, hướng dẫn lộ trình, tìm lộ trình theo vị trí
hiện tại, điểm đầu điểm cuối.
v
DANH MỤC TỪ VIÊT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
GIS Geographic informations
system
Hệ thống thông tin địa lý
OGC Open Geospatial
1.4. Khái niệm chung về bản đồ địa lý 4
1.5. Tìm hiểu một số hệ thống GIS tiêu biểu 5
1.5.1. MapInfo 5
1.5.2. ArcViewcủa ESRI 5
1.6. MobileGIS 6
1.6.1. Hệ thống WebGIS 7
CHƯƠNG 2. TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRONG GIS 9
2.1. Tổ chức dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý 9
2.1.1. Mô hình dữ liệu Vector 10
2.1.2. Hệ thống Raster 11
2.1.3. Mô hình TIN 13
2.2. Điểm qua cách tổ chức dữ liệu trong một số hệ thống GIS thông dụng. 13
2.2.1. Tổ chức dữ liệu trong MapInfo 13
2.2.2. Tổ chức dữ liệu trong ArcGIS của ESRI 14
2.2.3. Tổ chức dữ liệu trong GRASS 14
3.3.3. Import dữ liệu GIS 32
3.3.4. Xuất bản dữ liệu GIS 32
3.3.5. Tạo indexs 33
3.3.6. Một số truy vấn spatial SQL đơn giản 33
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG ỨNG DỤNG 36
Dựa trên những kiến thức thu được, trong chương này, tôi sẽ trình bày về hệ thống
dẫn đường (navigator) thử nghiệm với mục đích minh họa những hiểu biết về hệ
thống thông tin địa lý và các vấn đề xử lý truy vấn không gian 36
4.1. Một số ứng dụng dẫn đường phổ biến 36
4.1.1. Việt map 36
4.1.2. Pguider 37
4.1.3. GoogleMaps cho mobile 37
4.2. Các chức năng của chương trình 38
4.3. Mô hình đề xuất 39
4.4. Lựa chọn ngôn ngữ 41
4.5. Tìm hiểu cơ chế hoạt động của hệ thống GPS 42
các tổ chức, chính phủ trong các lĩnh vực liên quan đến thông tin địa lý.
Để hoàn thành khóa học của mình, tôi nhận thấy GIS là một hệ thống thông tin
rất thú vị, việc tìm hiểu về GIS sẽ giúp tôi có một cái nhìn sâu sắc hơn về một hệ thống
thông tin, quản trị CSDL. Giúp tôi có được cái nhìn ban đầu về phương pháp tiếp cận
để xây dựng, quản lý hiệu quả một hệ thống CSDL mô phỏng thực tế - hệ thống CSDL
địa lý. Với động lực đó, khóa luận tốt nghiệp của tôi hướng đến mục tiêu nghiên cứu,
tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý nói chung, từ đó ứng dụng trong bài toán phát
triển hệ thống dẫn đường dựa trên các thiết bị di động có hỗ trợ định vị vệ tinh (GPS).
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ
1.1. Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System – gọi tắt là GIS) là
một nhánh của công nghệ thông tin được hình thành vào những năm 1960 và phát triển
rất rộng rãi trong 10 năm lại đây. GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong
nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. GIS có
khả năng cung cấp cho các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các
nhau.
- Tổng hợp số liệu nhanh chóng và dễ dàng.
Bên cạnh những thuận lợi khi sử dụng GIS thì quá trình sử dụng kỹ thuật GIS
cũng xuất hiện một số trở ngại, và những trở ngại này có ảnh hưởng đặc biệt quan
trọng, do đó cần cân nhắc kỹ càng trước khi quyết định phát triển GIS.
- Chi phí và những vấn đề kỹ thuật đòi hỏi trong việc chuẩn bị lại các số
liệu thô hiện có, để chuyển từ bản đồ dạng thô (trên giấy) sang dạng số trên
máy tính.
- Đòi hỏi nhiều kiến thức của các kỹ thuật cơ bản về máy tính, và yêu cầu
lớn về nguồn tài chính ban đầu.
- Chi phí mua sắm, lắp đặt thiết bị và phần mềm GIS khá cao.
- Trong một số lĩnh vực ứng dụng, hiệu quả tài chính thấp.
1.3. OGC – OPENGIS
OGC – Open Geospatial Consortium là một tổ chức phi lợi nhuận, quốc tế, tự
nguyện đang dẫn đầu trong việc đặt ra các tiêu chuẩn về không gian địa lý và các dịch
vụ dựa trên vị trí.
OpenGIS standard and Specifications là các tài liệu kỹ thuật đặc tả các giao diện
hoặc bảng mã được dùng cho các nhà phát triển phần mềm để đưa các giao diện hoặc
bản mã này vào sản phẩm hay dịch vụ của họ. Các đặc tả này cung cấp cho các nhà
phát triển một khuôn mẫu giao diện chung, đầy đủ để có thể xây dựng các phần mềm
hoạt động chung được với các phần mềm dạng OpenGIS khác.
4
Ưu điểm của OpenGIS Specification thể hiện qua các mặt sau:
- Đối với người phát triển ứng dụng có thể dễ dàng và linh hoạt trong việc
thiết kế các phần mềm truy cập đến cơ sở dữ liệu địa lý, sử dụng chung những
nguồn tài nguyên địa lý. Từ đó có thể chọn môi trường phát triển hoặc cung cấp
những nền tảng ứng dụng đa dạng mà vẫn có thể sử dụng lại.
- Đối với các nhà quản lý thông tin: Giúp cho việc sử dụng hoặc phân phối
- 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 giao thức với thế giới thực.
- Các thông tin địa lý: chứa trong các tệp tin trong cơ sở dữ liệu gồm các
yêu tố cơ bản, mạng lưới, topology, địa hình, thuộc tính, …
- Các mô hình xử lý: tập hợp các quy trình xử lý để phân tích tự động.
- Các mô hình dữ liệu: GIS cung cấp các công cụ mạnh hơn là một CSDL
thông thường, bao gồm các quy tắc và sự toàn vẹn dữ liệu giống như các hệ
thống thông tin khác.
- Siêu dữ liệu (metadata) hay tài liệu mô tả dữ liệu, cho phép người sử
dụng tổ chức, tìm hiểu và truy nhập được tới tri thức địa lý.
1.5. Tìm hiểu một số hệ thống GIS tiêu biểu
1.5.1. MapInfo
MapInfo là công cụ khá hữu hiệu để tạo ra và quản lý một CSDL địa lý trên máy
tính cá nhân, là một phần mềm tương đối gọn nhẹ và dễ sử dụng. Đặc biệt, dùng cho
mục đích giảng dạy và thành lập các bản đồ chuyên đề phân tích trong địa lý.
MapBasic là 1 ngôn ngữ lập trình trong môi trường MapInfo cho phép phát triển
các ứng dụng GIS. Nó tạo ra các hệ thống giao diện người dùng thuận lợi và nhanh
chóng như tạo thanh menu mới, hộp thoại điều khiển như ý muốn cho phép tiết kiệm
thời gian và tiện lợi cho việc triển khai ứng dụng.
MapBasic cũng cung cấp công cụ xử lý dữ liệu, đáp ứng các yêu cầu đa dạng về
dữ liệu. Nó cho phép truy vấn CSDL, lựa chọn và cập nhật dữ liệu bẳng các câu lệnh
theo cú pháp SQL. Hiển thị kết quả truy vấn theo khuôn dạng mong muốn.
Ngoài ra, MapBasic cho phép xây dựng chương trình có cấu trúc mở vì nó có khả
năng liên kết với các ứng dụng khác. Chương trình MapBasic có thể gọi các thủ tục
trong các thư viện các tệp liên kết động của Windows DLL hoặc sử dụng dữ liệu
chuyển đổi động DDE (Dynamic Data Exchange) để lin kết với các phần mềm khác.
1.5.2. ArcViewcủa ESRI
ArcView là phần mềm thương mại của ESRI về hệ thống thông tin địa lí (GIS).
Các chức năng cơ bản của ArcView GIS bao gồm:
- Chương trình ArcView GIS chạy trên nền Windows
- Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
- Công nghệ truyền thông không dây cho truy cập GIS Internet
ArcPad là giải pháp toàn diện GIS cho thiết bị cầm tay với mục đích cập nhật dữ
liệu cho hệ thống GIS như thu thập, truy vấn, phân tích và quản lý dữ liệu địa lý.
ArcPad cung cấp các chức năng đồng bộ hóa dữ liệu với ArcGIS nhằm nâng cao
chức năng xử lý dữ liệu địa lý, cùng với khả năng chuyển đổi dữ liệu. ArcPad là công
cụ cho các chuyên gia về GIS bởi khả năng tích hợp hỗ trợ các thiết bị thu thập dữ
liệu cầm tay tiện ích và hiện đại.
Các khả năng chính
- Được xây dựng với các công cụ cập nhật dữ liệu địa lý mạnh, quản lý
dữ liệu không gian tốt, phục vụ quá trình chỉnh sửa, cập nhật thông tin cho dữ
liệu không gian và thuộc tính.
- Cho phép sử dụng với các thiết bị như PPC, Smart Phone, Pcphone.
- Cho phép sử dụng nhiều dạng dữ liệu.
- Xây dựng và quản lý cơ sở dữ liệu, ứng dụng các đoạn mã chương
trình để xử lý các quy trình GIS tự động.
-
Cho phép cập nhật dữ liệu GIS tự động và đơn giản hóa, đồng thời
cho phép hiện thị và tạo các bản đồ chất lượng cao Hệ thống Mobile ArcGIS
Desktop
1.6.1. Hệ thống WebGIS
WebGIS l hệ thống thông tin địa lý phân tán trên mạng máy tính để thu thập,
phân phát, truyền tải các thông tin địa lý dựa trên nền công nghệ Web. Hệ thống
WebGIS sử dụng mô hình kiến trúc khách – chủ. Mô hình khách chủ có thể triển khai
theo 3 cách tiếp cận “nhẹ khách” (thin client) , “nặng khách” (thick client), hoặc mô
hình cân đối .
Mô hình “nhẹ khách” có nghĩa là hầu hết công việc xữ lý ở phía dịch vụ, phía
khách không làm gì nhiều hơn là hiển thị kết quả. Ưu điểm của mô hình này là người
dùng không cần cài đặt thêm các ứng dụng. Máy khách nhẹ tải nên không cần cấu hình
9
CHƯƠNG 2. TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRONG GIS
2.1. Tổ chức dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý
GIS cung cấp đầy đủ các thông tin địa lý của bản đồ, GIS lưu trữ các thành phần
của bản đồ thành 1 tập các lớp theo chủ đề, liên kết với nhau. Cách tiếp cận thành từng
lớp (layer) cho phép tổ chức thế giới thực phức tạp thành dạng đơn giản hơn, dễ quản
lý hơn.
Hình 2 – Tổ chức các lớp của thế giới thực
Trong hệ thống thông tin địa lý, dữ liệu được chia làm hai loại dữ liệu cơ bản: dữ
liệu không gian và dữ liệu phi không gian. Mỗi loại có những đặc điểm riêng và chúng
khác nhau về yêu cầu lưu giữ số liệu, hiệu quả xử lý và hiển thị.
Dữ liệu không gian là dữ liệu về vị trí địa lý của các đối tượng theo một hệ tọa độ
hay hệ quy chiếu nào đó, là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng bao gồm toạ
độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một đối tượng địa lý cụ thể trên bản đồ.
Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu không gian để tạo ra một bản đồ hay hình
ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi, … Dữ liệu không
gian có thể biểu diễn bằng mô hình dữ liệu raster hay mô hình dữ liệu vector.
Dữ liệu phi không gian hay dữ liệu thuộc tính là những đặc tính, số lượng, mối
quan hệ kết nối logic giữa các dữ liệu không gian của các đối tượng bản đồ với vị trí
địa lý của chúng. Dữ liệu thuộc tính nói chung thuộc kiểu số, hoặc chữ số và chúng
được tổ chức lưu thành các bảng dữ liệu trong CSDL theo mô hình quan hệ.
10
2.1.1. Mô hình dữ liệu Vector
Mô hình dữ liệu vector xem các sự vật, hiện tượng là tập các thực thể không gian
biểu diễn được rất nhiều các đối tượng từ hình ảnh bề mặt đất đến ảnh chụp từ vệ tinh,
ảnh quét và ảnh chụp. Định dạng dữ liệu raster rất đơn giản nhưng hỗ trợ rất nhiều
kiểu dữ liệu khác nhau. 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 chứa 1 giá trị.
- Một tập các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạo thành một lớp
(layer).
- Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp.
Mô hình dữ liệu raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng tương đối phổ biến
trong các bài toán về môi trường, quản lý thiên nhiên. Trong một hệ thống CSDL cơ
bản, raster được lưu trữ trong các ô (thường hình vuông) được sắp xếp trong một mảng
hoặc dãy các hàng và cột.
Trong cấu trúc dữ liệu raster, các điểm (points) có thể được biểu diễn bằng một
cell. Line được biểu diễn bởi một tập các cell có hướng xác định, độ rộng của line
bằng chiểu rộng của một cell. Polygon được biểu diễn bởi một dãy các cell nằm kề sát
nhau.
Hình 3 - Mảng cell và bảng thuộc tính
Hình 4 - Biểu diễn các đối tượng cơ sở trong raster
12
Cũng như mô hình vector, mô hình raster có các tầng bản đồ cho địa hình, hệ
thống thủy lợi, sử dụng đất, … Tuy nhiên do cách thức xử lý thông tin thuộc tính khác
nhau, nên mô hình raster thường có nhiều bản đồ hơn. Ví dụ, trong mô hình vector để
biểu diễn mức độ ô nhiểm của một “con sông” có thể được gán trực tiếp cho nó.
Nhưng trong mô hình raster không làm được như vậy. Trước hết phải tạo lập tầng bản
đồ cho “con sông”, sau đó tạo tầng bản đồ thứ hai để chỉ mức độ ô nhiểm. Kết quả là
số lượng tầng bản đồ của một hệ thống raster tăng lên đáng kể so với mô hình vector.
Hình 5 - Bản đồ với mô hình dữ liệu TIN
TIN có khả năng biểu diễn bề mặt liên tục từ những tập hợp điểm rời rạc. Về mặt
hình học, TIN là tập các điểm được nối với nhau thành các tam giác. Các tam giác này
hình thành nên bề mặt 3 chiều. Các điểm được lưu trữ cùng với giá trị gốc chiếu của
chúng. Các điểm này không cần phải phân bố theo một khuân mẫu nào và mật độ phân
bố cũng có thể thay đổi ở các vùng khác nhau. Một điểm bất kỳ thuộc vùng biểu diễn
sẽ nằm trên đỉnh, cạnh hoặc trong một tam giác của lưới tam giác. Nếu một điểm
không phải là đỉnh thì giá trị hình chiếu của nó có được từ phép nội suy tuyến tính (của
hai điểm khác nếu điểm này nằm trên cạnh hoặc của ba điểm nếu điểm này nằm trong
tam giác). Vì thế mô hình TIN là mô hình tuyến tính trong không gian 3 chiều có thể
được hình dung như sự kết nối đơn giản của một tập hợp các tam giác.
Ta có thể lưu trữ sơ đồ của TIN bằng danh sách liên kết đôi hoặc cấu trúc tứ
phân. Cả hai phương pháp này đều mô tả cấu trúc hình học tô pô của bản đồ chia nhỏ.
2.2. Điểm qua cách tổ chức dữ liệu trong một số hệ thống GIS thông dụng.
2.2.1. Tổ chức dữ liệu trong MapInfo
Các thông tin trong MapInfo được tổ chức theo từng bảng, mỗi một bảng là một
tập các File về thông tin đồ họa hoặc phi đồ họa chứa các bản ghi dữ liệu mà hệ thống
tạo ra. Cơ cấu tổ chức thông tin của các đối tượng địa lý được tổ chức theo các File
sau đây:
14
- .tab: mô tả khuôn dạng tab, chứa thông tin để kết nối tất cả các tệp khác
trong ứng dụng MapInfo, thông tin về kiểu dữ liệu.
- .dat hoặc .dbf: tệp chứa dữ liệu thuộc tính, có cấu trúc tương tự như tệp
CSDL dBase III.
- .map: file chứa các thông tin mô tả đối tượng địa lý dưới dạng mã nhị
15Hình – Cấu trúc thư mục của Grass
Các tệp của cùng một lớp bản đồ vector có cùng một tên, nhưng mỗi tệp nằm
trong một thư mục CSDL khác nhau trong mapset.
2.3. Tìm hiểu cấu trúc lưu trữ của Shapefile
Shapefile là một cấu trúc dữ liệu
GIS
được đưa ra bởi ESRI
cho cácn phần
mềm hệ thống thông tin địa lý, như một chuẩn mở cho việc chia sẽ dữ liệu giữa ESRI
và các phần mềm GIS khác. Một shapefile thường là 1 tập các files cùng tên với đuôi
.shp, .shx , .dbf,…
Shapefile dùng để mô tả các đối tượng địa lý: điểm, đường, đa giác. Mổi đối
tượng có các thuộc tính địa lý, ví dụ: tên, nhiệt độ, độ cao,…
Shapefile lưu trữ dữ liệu dưới dạng vector để chứa các đối tượng địa lý và các
thông tin liên quan. Tuy nhiên, nó không có khả năng chứa thông tin mạng topo hình
học.
Shapefile lưu trữ các loại dữ liệu địa lý cơ bản của các điểm, đường, đa giác. Để
có những thông tin thuộc tính về các đối tượng để xác định đối tượng nào mà chúng
biểu diễn, một bảng các bản ghi sẽ chứa các thuộc tính cho mỗi đối tượng trong
shapefile. Những biểu diễn của các đối tượng địa lý (các điểm, các đường, các đa giác)
này có thể tạo ra rất nhiều biểu diễn của dữ liệu địa lý cung cấp khả năng tính toán địa
lý mạnh mẽ và chính xác.
16
Shapefile là một tập của một số file (thông thường có 3 file cơ bản). Mỗi file tuân
theo quy tắc đặt tên file của MS DOS.
header)
17
28–31
int32 little Version
32–35
int32 little Shape type (see reference below)
36–67
double little Minimum bounding rectangle (MBR) of
all shapes contained within the shapefile;
four doubles in the following order: min
X, min Y, max X, max Y
68-83 Double
Little Range of Z; two doubles in the following
order: min Z, max Z
84-99 Double
Little Range of M; two doubles in the
following order: min M, max M
File .shp chứa số lượng bản ghi thay đổi với số lượng bất kỳ. Mỗi bản ghi được
thêm vào đầu bởi 1 bản ghi tiêu đề dài 8bytes
Bytes
Type
Endianness
Usage
0-3 Int32 Big Record offset (in 16-bit words)
4-7 Int32 Big Record length (in 16-bit words)
Sử dụng chỉ số này, cho phép tìm giật lùi trong shapefile bằng cách tìm kiếm giật
lùi trong shape index, đọc record offset, và sử dụng nó để tìm đến vị trí tương ứng
trong .shp file. Tương tự, nó cũng cho phép tìm kiếm trên một số tùy ý bản ghi bởi
cùng phương pháp.
File dữ liệu (.dbf)
Các thuộc tính cho mỗi shape được chứa dưới dạng dBase. Một định dạng thay
thể cũng có thể được sử dụng là xBase.
File định dạng Project (.prj)
Copyright: Tài liệu đại học ©