ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HỒ TRUNG NGUYÊN

NGHIÊN CỨU DỊCH VỤ WEB OGC

(open geospatial consortium) VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HÀ NỘI - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HỒ TRUNG NGUYÊN

NGHIÊN CỨU DỊCH VỤ WEB OGC

(open geospatial consortium)

Ngành

VÀ ỨNG DỤNG

: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Kỹ thuật phần mềm
Mã số

PGS.TS. Đặng Văn Đức. Thầy đã tận tình giúp đỡ tôi về chuyên môn, nghiên cứu và
định hƣớng phát triển trong suốt thời gian làm luận văn.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến tập thể các thầy cô giáo trong Khoa CNTT – ĐH
Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội vì đã truyền đạt những kiến thức bổ ích, hiện đại
cùng các phƣơng pháp nghiên cứu khoa học để tơi có đƣợc cơ sở vững chắc và hồn
thành luận văn này.
Cảm ơn bạn học viên cao học khóa K18 đã tạo điều kiện cho tôi trao đổi, chia sẻ
kiến thức và kinh nghiệm thực tế qua các môn học, các buổi thảo luận và làm việc
cùng nhóm. Mọi ngƣời đã giúp tôi hiểu thêm những vấn đề mà tơi khơng có điều kiện
tìm hiểu, chỉ cho tơi những thứ tôi chƣa làm đƣợc.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tơi vì đã ln ủng hộ tôi trên con
đƣờng học tập và nghiên cứu với nhiều khó khăn, vất vả. Tuy rằng, tơi đã cố gắng hết
sức trong q trình làm luận văn nhƣng khơng thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận
đƣợc những góp ý của thầy cô và các bạn.
Hà Nội, Tháng 4 – Năm 2014


3

TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Ngày nay, Hệ thống thơng tin địa lý (GIS – Geographic Information System) đã
phát triển rất mạnh. Cùng với sự bùng nổ về công nghệ ứng dụng Internet, các phát
triển công nghệ GIS cho phép chia sẻ thơng tin thơng qua mạng tồn cầu bằng cách kết
hợp GIS và Web hay còn gọi là WebGIS. Nó đƣợc ứng dụng vào rất nhiều ngành và
lĩnh vực khác nhau nhƣ lĩnhvực về kinh tế - xã hội, tài ngun mơi trƣờng, bản đồ tìm
đƣờng đi, bản đồ địa chất, khống sản… Vì thế, những ƣu điểm của công nghệ GIS
đang đƣợc quan tâm và phát triển. Tuy nhiên chi phí cho phần mềm về GIS là rất cao.
Vì vậy, xu hƣớng phát triển phần mềm dựa trên công nghệ mã nguồn mở cũng đang
đƣợc phát triển rất mạnh và nhanh chóng đƣợc sự hƣởng ứng và đóng góp của nhiều tổ
chức trên thế giới. Tổ chức OGC (Open Geospatial Consortium) với mục tiêu xây

1.1.2.3. Dữ liệu ...................................................................................................12
1.1.2.4. Con ngƣời ..............................................................................................13
1.1.2.5. Phƣơng pháp phân tích .........................................................................13
1.1.3. Các chức năng của GIS .................................................................................13
1.1.3.1. Thu thập (Cature ) ................................................................................14
1.1.3.2. Lƣu trữ ( Store ) .....................................................................................14
1.1.3.3. Truy vấn ( Query ) .................................................................................14
1.1.3.4. Phân tích ( Analyze ) .............................................................................14
1.1.3.5. Hiển thị ( Display ) ................................................................................14
1.1.3.6. Xuất dữ liệu ( Output ) ..........................................................................14

1.2. Các mơ hình dữ liệu GIS .............................................................................. 14
1.2.1. Mơ hình dữ liệu Vector .................................................................................14
1.2.1.1 Giới thiệu mơ hình dữ liệu Vector .........................................................14
1.2.1.2. Cấu trúc trong dữ liệu Vector ...............................................................16
1.2.3. Mơ hình dữ liệu Raster .................................................................................19
1.2.3.1. Giới thiệu mơ hình dữ liệu Raster ........................................................19
1.2.3.2. Đặc điểm dữ liệu raster.........................................................................20
1.2.3.3. Chuyển đổi cơ sở dữ liệu dạng vector và raster ...................................22
1.2.3.4. So sánh ƣu và nhƣợc điểm của dữ liệu raster và vector ........................23

1.3. Tổng quan về WebGIS ................................................................................. 24
1.3.1. Kiến trúc WebGIS ............................................................................... 25


5
1.3.1.1.Tầng trình bày (Presentation tier) ...........................................................26
1.3.1.2. Tầng giao dịch (Bussines tier) ...............................................................26
1.3.1.3. Tầng dữ liệu (Data tier) .........................................................................26
1.3.2. Chức năng WebGIS ...................................................................................... 27

3.4.1. Thiết kế kiến trúc hệ thống ...........................................................................45
3.4.2. Thiết kế chức năng ........................................................................................ 46
3.4.2.1. Sơ đồ chức năng chính ..........................................................................46
3.4.2.2. Mô tả chức năng ....................................................................................46
3.4.3. Thiết kế giao diện.......................................................................................... 47
3.4.3.1. Giao diện quản trị ..................................................................................47
3.4.3.2. Giao diện ngƣời dùng ............................................................................48


6

3.5. Xây dựng hệ thống ....................................................................................... 49
3.5.1. Cài đặt và sử dụng PostgresSQL+PostGIS ...................................................50
3.5.1.1. Cài đặt hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL .......................................50
3.5.1.1. Import shapefile vào PostgreSQL/PostGIS – Kết nối gvSIG với CSDL
............................................................................................................................54
3.5.1.2. Đƣa CSDL trong postgreSQL lên GeoServer và tạo kiểu hiển thị (style)
cho các lớp dữ liệu..............................................................................................56

3.6. Cài đặt và thử nghiệm .................................................................................. 63
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 65
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 66


7

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu



Model-View-Controller

Kiến trúc phần mềm MVC

HTML

HyperText Markup Language

Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản

HTTP

Hypertext Transfer Protocol

Giao thức truyền siêu văn bản

XML

eXtensible Markup Language

Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng

GML

Geography Markup Language

Ngôn ngữ đánh dấu địa lý

WMS

trong GML


8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các thành phần của GIS ................................................................................12
Hình 1.2. Biểu diễn bản đồ vector( Nguồn: Đặng Văn Đức, 2001) ..............................15
Hình 1.3. Dữ liệu topology vector .................................................................................17
Hình 1.4. Biểu đồ dữ liệu raster (Nguồn: Đặng Văn Đức, 2001) .................................20
Hình 1.5. Biểu diễn các đối tƣợng cơ sở trong raster ....................................................22
Hình 1.6. Sự chuyển đổi giữa hai mơ hình vector và raster ..........................................22
Hình 1.7. Chuyển đổi cấu trúc dữ liệu (Nguồn: Tor Bernhardsen, 1992) .....................23
Hình 1.8. Mơ hình WebGIS Nguồn http://gis.ascc.net/STIS/eng/main2-3.html ..........25
Hình 1.9. Mơ hình 3 lớp trong kiến trúc WebGIS.........................................................27
Hình 2.1. Mơ hình cơ bản của SOA ..............................................................................31
Hình 2.2. Giao diện của Web Map Service ...................................................................34
Hình 2.3. Mơ hình MapBuilder .....................................................................................38
Hình 2.4. Giao diện GeoServer .....................................................................................40
Hình 2.5. Quy trình hiển thị bản đồ trên GeoServer .....................................................41
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống ................................................................................................45
Hình 3.2: Sơ đồ các chức năng chính ............................................................................46
Hình 3.3: Sơ đồ web dành cho ngƣời quản trị ...............................................................47
Hình 3.4: Sơ đồ web dành cho ngƣời dùng ...................................................................48
Hình 3.5: Giao diện trang chủ .......................................................................................48
Hình 3.6: Giao diện bản đồ............................................................................................49
Hình 3.7. Sơ đồ tổ chức trang Web ...............................................................................50
Hình 3.8. Cấu trúc template_postgis .............................................................................51
Hình 3.9. Giao diện pgAdmin III của PostgreSQL .......................................................51
Hình 3.10. Giao diện tạo mới Database.........................................................................51


11

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ
1.1. Giới thiệu tổng quan về GIS
1.1.1. GIS là gì
Hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System) ra đời từ
những năm 1960 và phát triển mạnh mẽ trong khoảng 10 năm trở lại đây. GIS là một
công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tƣợng thực trên trái đất.
Công nghệ GIS kết hợp các cơ sở dữ liệu thông thƣờng và các phép phân tích thống
kê, phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý là hình ảnh đƣợc cung cấp từ các
bản đồ.
GIS đƣợc hình thành từ nhiều ngành khoa học: Địa lý, bản đồ, tin học và toán
học. Bắt đầu từ thập niên 80, GIS đã trở nên phổ biến trong các lĩnh vực thƣơng mại,
khoa học và quản lý. Chúng ta có thể gặp nhiều cách định nghĩa về GIS, ví dụ:
- GIS là một tập hợp của các phần cứng, phần mềm máy tính cùng với các thông
tin địa lý mô tả không gian. Tập hợp này đƣợc thiết kế để có thể thu thập, lƣu trữ, cập
nhật, thao tác, phân tích, thể hiện tất cả các hình thức thơng tin mang tính khơng gian.
- GIS là một hệ thống máy tính đƣợc thiết kế để làm việc với các dữ liệu trong
hệ toạ độ quy chiếu. GIS bao gồm một hệ cơ sở dữ liệu và các phƣơng thức để thao tác
với dữ liệu đó.
- Một hệ thống đƣợc gọi là GIS nếu nó có các cơng cụ hỗ trợ cho việc thao tác
với dữ liệu không gian.
- Cơ sở dữ liệu GIS là sự tổng hợp có cấu trúc các dữ liệu số hóa khơng gian và
phi khơng gian về các đối tƣợng bản đồ, mối liên hệ giữa các đối tƣợng không gian và
các tính chất của một vùng của đối tƣợng.
Từ các định nghĩa trên, ta có thể hiểu một cách tổng quát về GIS nhƣ sau. Theo [2]
“Hệ thống các cơng cụ nền máy tính dùng để thu thập,lưu trữ, truy cập và biến đổi,
phân tích và thể hiện dữ liệu liên quan đến các vị trí trên bề mặt trái đất và tích hợp
các thơng tin này vào q trình ra quyết định”.

mang tính quốc gia hoặc quốc tế”


13
Một cơ sở dữ liệu địa lý thƣờng đƣợc chia thành hai loại dữ liệu cơ bản đó là dữ
liệu không gian và dữ liệu phi không gian. Mỗi loại có những đặc điểm riêng và chúng
khác nhau về yêu cầu lƣu trữ số liệu, hiệu quả, xử lý và hiển thị.
Dữ liệu không gian ( spatial) cho ta biết về kích thƣớc vật lý và vị trí địa lý của
các đối tƣợng trên bề mặt trái đất. Các dữ liệu không gian biểu diễn các đối tƣợng địa
lý ứng với những sự vật đã đƣợc định vị của thế giới thực.
Dữ liệu phi khơng gian (non-spatial) hay cịn gọi là dữ liệu thuộc tính: Là các dữ
liệu ở dạng văn bản mô tả các đặc điểm của các đối tƣợng địa lý.
1.1.2.4. Con ngƣời
Con ngƣời là nhân tố thực hiện các thao tác điều hành sự hoạt động của các hệ
thống GIS, vì GIS thƣờng là hệ thống lớn và phức tạp nên cũng có nhiều đối tƣợng
con ngƣời khác nhau với các mục đích khác nhau nhƣ:
- Ngƣời dùng GIS: Là những ngƣời sử dụng các phần mềm GIS để giải quyết các
bài tốn khơng gian theo mục đích của họ. Họ thƣờng là những ngƣời đƣợc đào tạo tốt
về lĩnh vực GIS hay là các chuyên gia.
- Ngƣời xây dựng bản đồ: Sử dụng các lớp bản đồ đƣợc lấy từ nhiều nguồn khác
nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu.
- Ngƣời xuất bản: Sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dƣới nhiều định
dạng khác nhau.
- Ngƣời phân tích: Giải quyết các vấn đề nhƣ tìm kiếm, xác định vị trí…
- Ngƣời xây dựng dữ liệu: Là những ngƣời chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng các
cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL…
- Ngƣời quản trị CSDL: Quản lý CSDL GIS và đảm bảo hệ thống vận hành tốt.
- Ngƣời thiết kế CSDL: Xây dựng các mơ hình dữ liệu lơgic và vật lý.
1.1.2.5. Phƣơng pháp phân tích
Ðây là phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, là yếu

1.1.3.6. Xuất dữ liệu ( Output )
Hỗ trợ việc kết xuất dữ liệu bản đồ dƣới nhiều định dạng: Giấy in, ảnh, file…

1.2. Các mơ hình dữ liệu GIS
1.2.1. Mơ hình dữ liệu Vector
1.2.1.1 Giới thiệu mơ hình dữ liệu Vector
Mơ hình dữ liệu vector coi các đối tƣợng là tập các thực thể không gian cơ sở
và tổ hợp giữa chúng. Các đối tƣợng không gian khi biểu diễn ở cấu trúc dữ liệu vector
đƣợc tổ chức dƣới dạng điểm (point), đƣờng (line) và vùng (polygon) và đƣợc biểu
diễn trên một hệ thống tọa độ nào đó.
- Điểm: Điểm là hình thức cơ bản nhất của dữ liệu vector. Điểm (thực thể địa lý)
đƣợc thể hiện nhƣ một vector có độ dài bằng khơng (khơng có kích thƣớc), và vị trí
của nó đƣợc xác định bởi một cặp tọa độ (x,y) duy nhất. Ngồi ra thì các dữ liệu mơ tả
điểm đó nhƣ ký hiệu, tên gọi…cũng đƣợc lƣu trữ cùng với cặp tọa độ.


15
Điểm biểu diễn các feature (tính năng) khơng có miền bao hay độ dài, nhiều khi
nó biểu diễn các tính năng có kích thƣớc q nhỏ so với tỷ lệ của bản đồ. Ví dụ nhƣ vị
trí các cột đèn, vị trí xảy ra tai nạn, các trung tâm (địa chỉ, chủ sở hữu)…
- Đƣờng: Thực thể đƣờng (line entity): đƣợc định nghĩa nhƣ là tập hợp các thực
thể địa lý đƣợc xác định bằng những đoạn thẳng có ít nhất hai hay nhiều cặp tọa độ.
Đƣờng đơn giản nhất là đƣờng nối giữa hai điểm bất kỳ có toạ độ (Xi, Yi) và (Xj Yj)
và có thể kèm theo dữ liệu ký hiệu thể hiện nó trên bản đồ. Điểm xuất phát và điểm kết
thúc của đƣờng gọi là nút (node) và các điểm tạo nên đƣờng gọi là đỉnh (Vertices).
Đƣờng dùng để biểu diễn các feature có chiều dài xác định nhƣng khơng có miền
bao hay những feature rất hẹp so với tỷ lệ bản đồ. Ví dụ nhƣ: Đƣờng phố, sông suối,
hệ thống nƣớc…
- Vùng Polygons là đối tƣợng hai chiều, có vị trí, có chiều dài, và có cả chiều
rộng (hay có diện tích) khép kín bởi các đƣờng. Vậy vùng là tổ hợp của đƣờng khép


Điểm B

(xB, yB)

Cung AB

(xA, yA), (xB, yB)

Vùng a

(xA, yA), (xa1, ya1), …, (xa5, ya5) , (xB, yB), (xA, yA)

Vùng b

(xA, yA), (xb1, yb1), (xb2, yb2), (xb3, yb3) , (xB, yB), (xA, yA)


17
Cấu trúc Spaghetti thƣờng đƣợc sử dụng để lập bản đồ số, nhƣng khơng thích
hợp cho bài tốn phân tích GIS vì khơng mơ tả đƣợc các quan hệ khơng gian.
1.2.2.2.2. Cấu trúc Topology
Để giải quyết vấn đề quan hệ khơng gian thì cấu trúc Topology là một phƣơng án
khả thi. Trong hệ thống thông tin địa lý, cấu trúc Topology còn đƣợc gọi là cấu trúc
cung-nút (arc-node). Cấu trúc Topology đƣợc xây dựng trên mơ hình dữ liệu cung-nút
với cung là phần tử cơ sở. Việc xác định các đối tƣợng không gian dựa trên các định
nghĩa sau:
Mỗi cung đƣợc xác định bởi hai điểm đầu và điểm cuối gọi là nút, cịn các điểm
giữa cung xác định hình dạng của cung gọi là đỉnh.
Các cung giao nhau tại nút, kết thúc một cung phải là nút.


Bảng 1.3. Bảng Topology cung

Topology cung
Cung

Nút đầu

Nút cuối

Vùng trái

Vùng phải

AB

A

B

A

B

AaB

A

B


Bảng 1.5. Bảng dữ liệu tọa độ cung

Dữ liệu tọa độ cung

Cung
AB

Nút đầu (x,y)

Đỉnh vertex(x,y)

Nút cuối (x,y)

A

AaB

A

AbB

A

B
a1, a2, a3, a4, a5

B

b1, b2, b3


nhau, một vùng là tập hợp nhiều điểm ảnh. Tóm lại, theo [3] thì “Mơ hình dữ liệu
raster chủ yếu dùng để phản ánh các đối tượng dạng vùng, ứng dụng cho các bài toán
tiến hành trên các đối tượng dạng vùng: phân loại, chồng xếp”.

Hình 1.4. Biểu đồ dữ liệu raster [1]
1.2.3.2. Đặc điểm dữ liệu raster
Raster đƣợc tạo nên bởi một mảng hai chiều các điểm ảnh hay cell. Cell là một
đơn vị đồng nhất biểu diễn một vùng xác định trên trái đất. Các cell có cùng kích
thƣớc. Góc tọa độ của hệ đƣợc đặt tại cell nằm tại đỉnh góc trái. Mỗi cell đƣợc xác


21
định bởi chỉ số dòng và chỉ số cột, đồng thời nó chứa một số nguyên ( hoặc số thực)
biểu diễn kiểu hay giá trị thuộc tính xuất hiện trên bản đồ.
Kích thƣớc của cell trong raster phụ thuộc nhiều vào độ phân giải dữ liệu. Cell
phải có kích thƣớc đủ nhỏ để có thể thu thập chi tiết dữ liệu, nhƣng cũng phải có kích
thƣớc đủ lớn để có thể phân tích dữ liệu một cách thuận tiện.
Trong cấu trúc dữ liệu raster, điểm, đƣờng và vùng có thể đƣợc biểu diễn nhƣ
sau.
Điểm có thể đƣợc biểu diễn bằng một cell, đƣờng đƣợc biểu diễn bằng một tập
các cell có hƣớng xác định, độ rộng của đƣờng bằng chiều rộng của một cell. Vùng
đƣợc biểu diễn bởi một dãy các cell nằm kề nhau.


22

Đƣờng

Điểm


hóa

Hình 1.6. Sự chuyển đổi giữa hai mơ hình vector và raster


23

Để chuyển đổi dữ liệu raster sang vector thƣờng dựa vào sự khác biệt màu sắc
từ 0 đến 256 byte của màu. Đối với đƣờng thì thì việc chuyển đổi nhƣ sau: Vector
đƣờng sẽ gắn mã theo mức độ xám hay theo giá trị số màu của đƣờng trong raster. Đối
với điểm cấu trúc vector đƣợc tạo nên bằng hệ tọa độ(x,y) của pixel và có giá trị thuộc
tính hình học bằng giá trị bảng màu từ ảnh raster. Để chuyển một vùng từ raster sang
vector trƣớc hết nhận dạng đƣờng biên của vùng bằng sự khác biệt các mã màu hoặc
mức xám của các pixel trong vùng, sau đó chuyển đƣờng biên đó sang dạng vector
nhƣ là một đƣờng.
Nhiệm vụ biến đổi vector sang raster là tìm tập hợp các pixel trong khơng gian
raster trùng khớp với vị trí của điểm, đƣờng, đƣờng cong hay đa giác trong biểu diễn
vector. Tổng quát, tiến trình biến đổi là tiến trình xấp xỉ vì với vùng khơng gian cho
trƣớc thì mơ hình raster sẽ chỉ có khả năng địa chỉ hố các vị trí toạ độ ngun. Trong
mơ hình vector, độ chính xác của điểm cuối vector đƣợc giới hạn bởi mật độ hệ thống
toạ độ bản đồ cịn vị trí khác của đoạn thẳng đƣợc xác định bởi hàm toán học.

Hình 1.7. Chuyển đổi cấu trúc dữ liệu (Nguồn: Tor Bernhardsen, 1992)
1.2.3.4. So sánh ƣu và nhƣợc điểm của dữ liệu raster và vector
Dữ liệu raster có những ƣu điểm sau:
- Trong mơ hình raster tồn bộ dữ liệu hình thành bản đồ đƣợc lƣu trong bộ nhớ
máy tính. Do vậy, các thao tác kiểu nhƣ so sánh đƣợc thực hiện dễ dàng.