ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐẶNG HOÀNG ANH
HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÍ (GIS)
ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÍ THÔNG TIN
ĐỊA LÝ BIỂN HẢI PHÕNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành : Công nghệ thông tin
Chuyên Ngành : Hệ thống thông tin
Mã số : 60 48 05
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS ĐỖ TRUNG TUẤN
Hà Nội - 2011
1.7.1.3. Mô hình logic 28
1.7.1.4. Mô hình quan hệ 28
1.7.1.5. CSDL hướng đối tượng 29
1.7.2 Kiến trúc của chương trình ứng dụng GIS 29
1.7.2.1. Kiến trúc đối ngẫu 29
1.7.2.2. Kiến trúc tầng 30
1.7.2.3. Kiến trúc tích hợp 31
1.8 Kết luận 32
CHƢƠNG II : GIẢI PHÁP SỐ HOÁ SỐ BẢN ĐỒ BIỂN HẢI PHÒNG VÀ TỔ
CHỨC DỮ LIỆU BẢN ĐỒ 33
2.1 Giải pháp số hoá và tổ chức bản đồ số biển Hải Phòng 33
2.1.1 Giải pháp số hoá bản đồ số biển Hải Phòng 34
2.1.1.1 Tiền xử lý bản đồ số 35
2.1.1.2 Hiệu chỉnh bản đồ số dựa trên bàn số hóa 35
2.1.1.3 Mã hóa đặc trưng bản đồ 36
2.1.1.4 Tìm kiếm và hiệu chỉnh lỗi 37
2.1.2 Tổ chức dữ liệu bản đồ số 38
2.2 Giới thiệu MAPINFO, MAPX và tổ chức dữ liệu bản đồ 41
2.2.1 Giới thiệu về MAPINFO 41
2.2.2 Giới thiệu về Mapx 42
2.2.2.1. Geoset 42
2.2.2.2.DataSet 44
2.2.2.3.Các phương thức khác 44
2.3 Cách thức tổ chức dữ liệu bản đồ của MAPINFO 45
2.4 Kết luận 49
CHƢƠNG III : PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM 50
3.1 Phân tích các yêu cầu đặt ra cho hệ thống 50
3.2 Phân tích chức năng nhận tín hiệu GPS 51
3.2.1 GPS và tín hiệu GPS 51
MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geography Information System)
GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)
DGPS Phép đo GPS vi sai (Differential Global Positioning System)
LORAN Hệ thống dẫn đường dài (LOng RAnge Navigation)
TACAN Hệ thống dẫn đường hàng không (TACtical Air Navigation)
VOR/DME Hệ thống dẫn đường hàng không dân sự sử dụng VHF (VHF
Hình 1.21 Kiến trúc đối ngẫu của GIS 30
Hình 1.22 Kiến trúc phân tầng của GIS 31
Hình 1.23 Kiến trúc tích hợp của hệ GIS 31
Hình 2.1 Chia các mảnh bản đồ trong thực tế 33
Hình 2.2 Bản đồ toàn cảnh VBB 34
Hình 2.3 Lỗi đoạn thẳng lơ lửng 37
Hình 2.4 Chập nút 37
Hình 2.5 Bản đồ số hóa Vịnh Bắc Bộ tỉ lệ 1/1.000.000 40
Hình 2.6 Bản đồ số hóa Biển Hải Phòng tỉ lệ 1/1.00.000 41
Hình 2.7 Mô hình tổng quan của Mapx 45
Hình 3.1 Mô hình của hệ thống 51
Hình 3.2 Xác định vị trí bằng GPS 55
Hình 3.3 Biểu đồ phân rã chức năng hệ thống 59
Hình 3.4 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống 60
Hình 3.5 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống 61
Hình 3.6 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống 62
Hình 3.7 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống 63
Hình 3.8 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống 64
Hình 3.9 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống 65
Hình 3.10 Biểu đồ ngữ cảnh hệ thống 66
Hình 3.11 Các bảng CSDL của hệ thống 68
Hình 3.12 Giao diện Form chính của chương trình 69
Hình 3.14 Giao diện Khuôn dạng đăng nhập hệ thống 70
Hình 3.15 Giao diện Khuôn dạng thông tin đối tượng 70
Hình 3.16 Giao diện Khuôn dạng cập nhật loại đối tượng 71
Hình 3.17 Giao diện Khuôn dạng tìm kiếm đối tượng 72
Hình 3.18 Giao diện Khuôn dạng kết nối với GPS 73
Hình 3.19 Giao diện Khuôn dạng thay đổi cấu hình kết nối 73
chính xác cao đáp ứng được nhu cầu sử dụng.
Xây dựng chương trình tích hợp dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc
tính phù hợp với các chức năng đã phân tích và thiết kế.
Tìm hiểu định dạng tín hiệu và xây dựng khối tích hợp dữ liệu từ các
thiết bị hàng hải khác (máy thu GPS)
Luận văn được trình bày với bố cục gồm ba phần : mở đầu, nội dung và kết
luận. phần mở đầu giới thiệu khái quát về đề tài, mục tiêu đề tài và các vấn đề cần
giải quyết. Nội dung chia thành ba chương
1. Chương I: Hệ thống thông tin địa lý gis và ứng dụng trong quản lý dữ liệu
bản đồ số. Chương này (i) Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin địa lý,
các đặc điểm cũng như các thành phần của hệ thống; (ii) Giới thiệu về các
phép qui chiếu không gian trong việc số hóa đối tượng địa lý, các phương
pháp mã hóa xây dựng dữ liệu không gian và các khả năng của GIS.
2. Chương II : Giải pháp số hoá số bản đồ biển Hải Phòng và tổ chức dữ liệu
bản đồ. Chương này (i) Giới thiệu về giải pháp số hóa bản đồ biển Hải
Phòng và bản đồ biển Vịnh Bắc Bộ, các bước thực hiện chi tiết trong quá
trình số hóa; (ii) Các thức tổ chức dữ liệu bản đồ số phù hợp với yêu cầu bài
toán.
3. Chương III : phân tích thiết kế và xây dựng chương trình, cho phép trình bày
việc phân tích và thiết kế hệ thống, giới thiệu các khối của chương trình và
đánh giá hiệu năng hệ thống khi được triên khai thực tế.
Phần kết luận trình bày các kết quả đã đạt được của đề tài cũng như khả
năng ứng dụng thực tế của hệ thống và hướng phát triển để sản phẩm của đề tài thực
sự hữu ích trong việc quản lý thông tin địa lý biển Việt Nam.
CHƢƠNG I: HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ ỨNG
DỤNG TRONG QUẢN LÝ DỮ LIỆU BẢN ĐỒ SỐ
1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý
Có nhiều cách hiểu cũng như định nghĩa khác nhau về GIS, song đều có
liệu về thế giới thực cần có một CSDL lớn. Khi lưu trữ dữ liệu này cần giảm số
lượng dữ liệu đến mức có thể quản lý được bằng các quá trình đơn giản hoá hay
trừu tượng hoá. Thực chất đó là quá trình tập trung chọn lọc những điểm cơ bản,
đặc trưng nhất của đối tượng cần lưu trữ, loại bỏ các chi tiết thừa không cần thiết
đồng thời hình tượng hoá đối tượng đó.
Hình 1.1 Mô hình một hệ thống thông tin địa lý
Mục tiêu của GIS là: cung cấp cấu trúc một hệ thống để quản lý các thông
tin địa lý khác nhau và phức tạp, các công cụ, các thao tác hiển thị, truy vấn, mô
phỏng GIS lưu thông tin về thế giới thực thành các tầng bản đồ chuyên đề có khả
năng liên kết địa lý với nhau từ các đối tượng có liên quan, khi thể hiện một bản đồ
chuyên đề các tầng tương ứng được gọi ra. Hình 1.2 Các tầng trong bản đồ đô thị
Ví dụ bản đồ một thành phố có thể được tách thành các tầng để hiển thị và
lưu trữ dữ liệu như hình trên. Vậy có thể hiểu GIS là một tập hợp có tổ chức gồm:
phần cứng, phần mềm, dữ liệu địa lý.
Phần cứng gồm: hệ thống máy tính, các thiết bị ngoại vi đặc biệt như bàn số
hoá, máy vẽ, máy quét ảnh vào ra và thậm trí là cả các thiết bị công nghệ cao
phục vụ việc thu thập số liệu bản đồ như vệ tinh, máy bay viễn thám. Các
Hình 1.3 Phần mềm GIS và các chức năng thực hiện.
Con người : ở đây là các chuyên viên tin học, chuyên gia GIS, thao tác viên
GIS, phát triển ứng dụng GIS bao gồm:
a. Người sử dụng hệ thống: là những người sử dụng GIS để giải quyết
các vấn đề không gian. Nhiệm vụ chủ yếu của họ là số hóa bản đồ,
kiểm tra lỗi, soạn thảo, phân tích các dữ liệu thô và đưa ra các giải
pháp cuối cùng để truy vấn dữ liệu địa lý. Những người này phải
thường xuyên được đào tạo lại do GIS thay đổi liên tục và yêu cầu
mới của kỹ thuật phân tích.
b. Thao tác viên hệ thống: có trách nhiệm vận hành hệ thống hàng ngày
để người sử dụng hệ thống làm việc hiệu quả. Công việc của họ là sửa
chữa khi chương trình bị tắc nghẽn hay là công việc trợ giúp nhân
viên thực hiện các phân tích có độ phức tạp cao. Họ còn làm việc như
quản trị hệ thống, quản trị CSDL, an toàn, toàn vẹn CSDL tránh hư
hỏng, mất mát dữ liệu.
c. Nhà cung cấp GIS: cung cấp các phần mềm, cập nhật phần mềm,
phương pháp nâng cấp cho hệ thống.
Phần
mềm thu
thập dữ
liệu
Giao
diện
người
không chính xác số lượng vì vậy không thể thực hiện các phép tính
toán được.
c. Biến khoảng: cũng có trình tự tự nhiên nhưng khoảng cách của chúng
có ý nghĩa như nhiệt độ, diện tích.
d. Biến tỷ lệ: có cùng đạc tính như biến khoảng nhưng chúng có giá trị 0
tự nhiên hay điểm bắt đầu như lượng mưa, dân số.
Ngoài bốn loại dữ liệu trên GIS còn phân chia dữ liệu thành hai lớp khác
nhau là không gian và phi không gian.Ví dụ như nhà hát lớn Hải Phòng, giá trị cặp
kinh độ, vĩ độ là dữ liệu không gian dạng đơn giản nhất và các thông tin khác như
khối lượng khí lưu thông, kết cấu thép là dữ liệu thuộc tính hay phi không gian.
Mỗi hệ GIS đều có kết nối giữa hai loại dữ liệu này.
Hệ GIS cần phải hiểu được dữ liệu trong các khuôn mẫu khác nhau không
chỉ riêng khuôn dữ liệu triêng của hệ thống. Ví dụ như đường biên bản đồ có thể
trong khuôn mẫu tệp DXF của AutoCad hay BNA của AtlasGis. Thông thường,
GIS hiểu ngay khuôn mẫu DXF mà không cần sửa đổi đồng thời GIS phải hiểu
ngay khuôn mẫu DBF của các thuộc tính được lưu trữ kèm theo. Phần mềm GIS lý
tưởng đọc được các dữ liệu raster (DEN, GIFF, TIFF, JPEG, EPS) và khuôn mẫu
vectơ (TIGER, HPGL, DXF, DLG, Postscript) một số phần mềm GIS chỉ có chức
năng nhập dữ liệu vào các cấu trúc dữ liệu đơn giản như cấu trúc thực thể, cấu trúc
tô pô. Với dữ liệu ba chiều, phần lớn phần mềm GIS trợ giúp lưới tam giác không
đều (TIN), một số khác trợ giúp cấu trúc raster trên cơ sở lưới bao vây và cây tứ
phân, số còn lại xây dựng một khuôn mẫu riêng cho mình tùy vào nhà sản xuất
phầm mềm nhưng thường là theo khuôn mẫu chuẩn quốc gia, quốc tế như SDTS
hay DIGEST.
1.2 Các phép chiếu không gian của GIS
1.2.1 Hệ thống tham chiếu không gian
Vị trí của vật thể trong không gian đều phải gắn liền với một hệ toạ độ.
Trong GIS, để biểu diễn dữ liệu không gian người ta thường dùng hai hệ toạ độ là:
hệ toạ độ địa lý và hệ toạ độ quy chiếu. Hệ toạ độ địa lý là hệ toạ độ lấy mặt cầu ba
0
Chỉ trên đường xích đạo thì khoảng cách một độ của vĩ tuyến mới bằng
khoảng cách một độ trên kinh tuyến. Trên các vĩ tuyến khác khoảng cách này
khác nhau rất nhiều. Người ta tính rằng một độ trên kinh tuyến dài khoảng
111, 321 km trong khi 60
0
trên vĩ tuyến chỉ có độ dài 55, 802 km. Vì sự khác
nhau này nên ta không thể đo chính xác được chiều dài và diện tích của đối
tượng khi dữ liệu bản đồ được chiếu lên mặt phẳng.
Trong hệ toạ độ địa lý có hai bề mặt hình cầu được sử dụng đó là: mặt cầu
(tuyệt đối) và mặt Ellip. Vì bề mặt của trái đất của ta không phải là hình cầu tuyệt
đối mà nó gần với hình Ellip nên mặt Ellip thường được dùng để biểu diễn. Tuy
nhiên đôi khi người ta cũng sử dụng mặt cầu để công việc tính toán dễ dàng hơn.
Khi tỷ lệ bản đồ rất nhỏ (nhỏ hơn 1:5000.000) thì sự khác biệt giữa dữ liệu biểu
diễn bằng mặt cầu và mặt Ellip là không thể phân biệt được bằng mắt thường. Lúc
này, mặt cầu được dùng. Nhưng khi tỷ lệ lớn hơn 1:1.000.000 thì người ta cần thiết
phải dùng mặt Ellip để đảm bảo độ chính xác. Do đó, việc lựa chọn mặt cầu hay
mặt Ellip phụ thuộc vào mục đích của bản đồ và độ chính xác dữ liệu.
Nếu mặt cầu dựa trên hình tròn thì mặt Ellip lại có cơ sở là hình Ellip. Hình
Ellip được xác định bởi hai bán trục mà ta hay gọi là: bán trục lớn và bán trục nhỏ.
Ta cho Ellip xoay quanh bán trục nhỏ ta sẽ thu được hình Ellip.
Kích thước và hình dạng của Ellip được xác định bởi bán trục lớn a và bán
trục nhỏ b, hay bởi a và hệ số dẹt f = (a - b) / a. Vì hệ số f rất nhỏ nên người ta
thường dùng giá trị l/f (l: bán kính xích đạo, f: bán kính cực).
1.2.3 Hệ toạ độ quy chiếu
Để thuận tiện cho sử dụng người ta phải nghiên cứu cách thể hiện bề mặt trái
đất lên trên mặt phẳng của bản đồ. Do đó phải thực hiện phép chiếu bề mặt cong
của trái đất lên mặt phẳng và hệ toạ độ quy chiếu ra đời. Hệ toạ độ này luôn lấy hệ
toạ độ địa lý làm cơ sở.
với mặt cầu theo một vĩ tuyến, thường là đường xích đạo.
Phép chiếu Transverse: Hình trụ được đặt theo phương nằm ngang, đường
thẳng tiếp xúc là một kinh tuyến.
Phép chiếu Oblique: Hình trụ đặt xiên và tiếp xúc với mặt cầu theo một
đường tròn có bán kính lớn nhất (bằng bán kính xính đạo).
Phép chiếu thường dùng nhất là Mercator. Trong phép chiếu này, các đường
kinh tuyến sẽ được chiếu thành những đường thẳng đứng cách đều nhau, các đường
vĩ tuyến sẽ trở thành những đường nằm ngang có khoảng cách không đều nhau và
tăng dần về phía hai cực. Do đó biến dạng sẽ tăng dần về phía hai cực. Sau khi thực
hiện phép chiếu, người ta sẽ cắt mặt hình trụ dọc theo một kinh tuyến, trải ra trên
mặt phẳng để thu được kết quả.
1.2.4.3 Mặt phẳng phương vị
Là phép chiếu dữ liệu bản đồ lên một mặt phẳng tiếp xúc với mặt cầu. Điểm
tiếp xúc này có thể nằm tại hai cực, tại đường xích đạo, hoặc tại một vị trí bất kỳ
nằm giữa. Vị trí điểm tiếp xúc cho biết vị trí tương đối của mặt phẳng chiếu với mặt
cầu và tạo nên ba kiểu chiếu khác nhau: polar, equatorial và oblique.
Mặt phẳng chiếu tiếp xúc với cực của mặt cầu là kiểu chiếu đơn giản nhất và
cũng hay dùng nhất. Trong phép chiếu này, các đường kinh tuyến sẽ được chiếu
thành một chùm đường thẳng giao nhau ở điểm cực, vĩ tuyến là các đường tròn có
cùng tâm là cực của mặt cầu. Góc giữa các đường kinh tuyến được bảo tồn.
1.3 Cơ sở dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý GIS
Cơ sở dữ liệu trong GIS được hiểu là tập hợp lớn các dạng số liệu trong máy
tính được tổ chức theo một thiết kế cho trước sao cho có thể cập nhật, mở rộng, tra
cứu nhanh chóng với các ứng dụng khác. Số liệu có thể được lưu trữ theo một file
hoặc nhiều file hoặc các tập hợp trên máy tính.
CSDL của GIS được chia làm hai loại cơ bản là: dữ liệu không gian (dữ liệu
đồ hoạ) và dữ liệu phi không gian (dữ liệu thuộc tính). Mỗi loại có đặc điểm riêng
và khác nhau về mục đích lưu trữ số liệu, xử lý và hiển thị. Hai loại dữ liệu này có
thể được quản lý bởi một hệ quản trị CSDL duy nhất hoặc trên các hệ quản trị
Danh sách toạ độ (toạ độ các
điểm đầu, cuối và các điểm tại
các vị trí cong) hoặc hàm toán
học mô tả.
Vùng
Đường có điểm đầu và cuối trùng
nhau hoặc tập hợp các đường nếu
có các vùng lồng nhau.
Dữ liệu không gian
Dữ liệu phi không gian
Hình 1.5 Dữ liệu GIS Bề mặt
Ma trận tập hợp các điểm hoặc
các hàm toán học mô tả và các
đường bình độ.
Khối
Tập các bề mặt.
Điểm là thành phần sơ cấp của dữ liệu GIS trong mô hình vector, các điểm
được nối với nhau bởi các đường để tạo thành các thực thể khác. Tuỳ theo tỷ lệ
quan sát mà các thực thể được biểu diễn bằng các điểm, đường hay vùng…Như vậy
mô hình này sử dụng các điểm hay đoạn thẳng để nhận biết các vị trí của vật thể
trong thế giới thực nên phép thao tác nhiều hơn trên các đối tượng so với mô hình
Raster và việc tính toán các đặc điểm như diện tích, chu vi đặc biệt là tìm đường đi
Biểu diễn điểm rời rạc, giao điểm
1
Cung
Nối hai nút
Cung có hướng
Cung có hướng xác định
Xuyến
Mạch cung khép kín
2
Bề mặt
Vùng khép kín bởi một hay nhiều
cung
3
Polyhedron
Cung kép kín bởi các bề mặt
Thông thường topo ba chiều có bề mặt bao bọc, đa giác được tạo từ một hay
Bản đồ gốc Lưới (4x8)
Ma trận lưu trữ (lưới 4x8) Ma trận lưu trữ (lưới 2x4)
Hình 1.8 Sự ảnh hưởng của kích thước tế bào
Bản đồ lại được chia thành nhiều tầng, mỗi tầng bao gồm hàng triệu tế bào
vì vậy cần áp dụng các thuật toán nén dữ liệu mà vẫn cho khả năng khôi phục dữ
liệu ban đầu.
Hình dạng bao phủ toàn bộ bản đồ gọi là khảm, khảm có thể là hình vuông,
1
4
2
4
3
1
4
4
2
2
2
4
3
3
1
1
2
2
2
4
bốn góc phần tư), trật tự Hilbert hay (sử dụng cách đánh số đối xứng ở
bốn góc phần tư) như sau:
21
23
3
2
2
3
00
02
20
22
0
1
1
0
Trật tự Z Trật tự
Hình 1.9 Đánh chỉ số phân vùng
Ngoài ra có thể sử dụng sơ đồ Cây R hay Cây R
+
. Cây R là cây phân cấp,
mỗi lá của cây là một hình chữ nhật và con trỏ, con trỏ trỏ tới đặc trưng của hình
chữ nhật bao, còn hình chữ nhật xác định bởi tọa độ x, y cực đại và cực tiểu. Tập
các hình chữ nhật được đánh chỉ số là lưu trữ trong tập các thùng. Tuy nhiên Cây R
có hiện tượng hình chữ nhật trùng nhau nghĩa là hình chữ nhật cắt các thùng nhưng
thùng được biểu diễn chỉ trong một hình chữ nhất, điều này được xử lý trong Cây
R
+
bằng cách chia các hình chữ nhật dữ liệu để mỗi hình được biểu diễn trong hai
vùng con.
Dạng Vector
Dạng Raster
Copyright: Tài liệu đại học ©