Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỖ VĂN XUÂN
PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CẢNH BÁO
DỊCH BỆNH TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ GIS LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CẢNH BÁO
DỊCH BỆNH TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ GIS
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 35 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn: PGS.TS. ĐẶNG VĂN ĐỨC Thái Nguyên - 2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy
giáo PGS.TS. Đặng Văn Đức đến nay em đã hoàn thành luận văn về đề tài
nghệ cho phép chia sẻ thông tin thông qua mạng toàn cầu bằng cách kết hợp
GIS và Web hay còn gọi là WebGIS . Bên cạnh đó, xu hƣớng chia sẻ dƣ̃ liệ u ,
phát triển phần mềm trên công nghệ mã nguồn mở cũng đang đƣợc quan tâm
ở các nƣớc đang phát triển vì nhiều lợi ích mà nó mang lại . Vì thế , việc
nghiên cứu ứng dụng WebGIS trên cơ sở mã nguồn mở sẽ mang lại khả năng
chia sẻ thông tin địa lý rộng rãi cho các ngành .
Nội dung chính của đề tài là tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý GIS
và ứng dụng của chúng; nghiên cứu về WebGIS, khả năng xây dựng ứng
dụng WebGIS trên cơ sở mã nguồn mở, trên cơ sở đó ứng dụng xây dựng
WebGIS phục vụ công tác “Giám sát tình hình và cảnh báo xu hướng lây lan
của dịch bệnh cúm gia cầm”.
Kết quả của đề tài đã trình bày các nghiên cứu lý thuyết về WebGIS:
phân loại, tìm hiểu các chiến lƣợc phát triển WebGIS, tìm hiểu phần mềm xây
dựng WebGIS trên cơ sở mã nguồn mở là MapServer và đã xây dựng ứng
dụng WebGIS giám sát tình hình và cảnh báo xu hƣớng lây lan của dịch bệnh
cúm gia cầm trên địa bàn Bắc Giang. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
3.2.2. Thiế t kế cơ sở dƣ̃ liệ u ........................................................................... 40
3.2.2.1. Phân tích: ...................................................................................... 40
3.2.2.2. Thiết kế: ........................................................................................ 42
3.3. THIẾT KẾ QUY TRÌNH ............................................................................ 47
3.3.1. Quy trình sao lƣu và phục hồi dữ liệu. .................................................. 47
3.3.2. Quy trình quản lý (hiệu chỉnh, cập nhật) thông tin bản đồ .................... 50
3.3.3. Quy trình cập nhật thông tin trạng thái hiện tại của bệnh dịch .............. 55
3.3.4. Quy trình cập nhật thông tin quản lý và giám sát phòng chống bệnh .... 58
3.3.5. Quy trình dự báo khả năng lây lan của dịch .......................................... 61
3.3.6. Quy trình hiển thị bản đồ dự báo khả năng lây lan dịch bệnh ............... 64
3.3.7. Quy trình hiển thị bản đồ hiện trạng và tình hình bệnh dịch ................. 66
3.3.8. Quy trình hiển thị bản đồ hiện trạng và tình hình bệnh dịch ................. 68
3.3.9. Quy trình hiển thị bản đồ hiện trạng chăn nuôi. .................................... 70
3.3.10. Quy trình tổng hợp, chiết xuất báo cáo ............................................... 72
3.4. THIẾT KẾ MÔ HÌNH HOẠT DỘNG: ....................................................... 76
3.4.1. Mô hình Public: ................................................................................... 76
3.4.2. Mô hình chức năng quản lý hệ thống:................................................... 77
3.4.2.1. Màn hình đăng nhập hệ thống ....................................................... 77
3.4.2.2. Màn hình chính: ............................................................................ 77
3.4.2.3. Màn hình các đơn vị hành chính huyện/ Thị xã: ............................ 79
3.4.2.4. Màn hình danh sách các loại gia cầm: .......................................... 80
3.4.2.5. Màn hình bản đồ hiện trạng dịch bệnh: ......................................... 81
3.4.2.6. Màn hình nhập thông tin chi tiết tình trạng chăn nuôi ................... 82
3.5. CÀI ĐT, THƢ̉ NGHIỆ M ......................................................................... 84
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 85
1. Các kết quả đạt đƣợc: .................................................................................... 85
Hình 2.2: Kiến trúc Web một máy chủ .................................................................. 25
Hình 2.3: Cấu trúc của WWW thiết kế theo mô hình Client/Server ....................... 26
Hình 2.4: Mô hình Client/Server nhiều lớp của tất cả các dịch vụ DGI .................. 27
Hình 2.5: Mô hình kết nối nặng phía Server/nhẹ phía Client .................................. 31
Hình 2.6. Mô hình kết nối nặng phía Client/ nhẹ phía Server ................................. 32
Hình 2.7: Sơ đồ hoạt động của WebGIS ................................................................ 33
Hình 2.8. Sơ đồ hoạt động của MapServer ............................................................. 35
Hình 3.1: Mô hình hệ thống ................................................................................... 39
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Phân bổ công việc trên hệ thống khách/chủ (client/server)..................... 29
Bảng 3.1: Lớp dữ liệu không gian .......................................................................... 42
Bảng 3.2. Thông tin tỉnh ........................................................................................ 43
Bảng 3.3. Danh sách các huyện (quận). ................................................................. 43
Bảng 3.4. Danh sách các xã ................................................................................... 44
Bảng 3.5. Danh sách các thôn ................................................................................ 44
Bảng 3.6. Danh sách ngƣời sử dụng hệ thống ........................................................ 44
Bảng 3.7. Danh mục các loại gia cầm .................................................................... 45
Bảng 3.8. Tình trạng chăn nuôi gia cầm ................................................................. 45
Bảng 3.9. Tình trạng biến động đàn gia cầm .......................................................... 45
Bảng 3.10. Theo dõi dịch bệnh .............................................................................. 46
Bảng 3.11. Theo dõi chi tiết diễn biến dịch bệnh ................................................... 46
kịp thời. Ngoài việc chƣa có đƣợc một hệ thống tổ chức điều tra, thu thập thông tin
hoàn chỉnh, chúng ta còn thiếu cả phƣơng tiện lƣu trữ, xử lý thông tin.
Kết quả điều tra từ các địa phƣơng gửi lên các cơ quan quản lý cấp trên
thông qua FAX, bƣu kiện hoặc điện thoại đều đƣợc lƣu trữ dƣới dạng giấy phiếu
xếp thành chồng, làm cho việc phân tích, tổng hợp thông tin khó khăn, chậm chạp,
không đáp ứng đƣợc yêu cầu của công tác theo dõi, giám sát tình hình dịch cúm và
ra quyết định phòng chống. Nói cách khác, có thông tin, mất thời gian, sức ngƣời,
sức của để thu thập thông tin, nhƣng hiệu quả khai thác thông tin còn thấp. Đây là
hệ quả của việc thiếu một hệ thống thông tin hiện đại để lƣu trữ các loại thông tin
điều tra thu thập đƣợc, xử lý chúng một cách nhanh chóng, kịp thời và trong nhiều
trƣờng hợp có thể đƣa ra những ý kiến tƣ vấn cho các nhà quản lý.
Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographical Information System) đã đƣợc
khá nhiều ngƣời quan tâm muốn tìm hiểu và ngày càng nhiều các tổ chức kinh tế xã
hội ứng dụng trong công tác nghiên cứu khoa học và sản xuất. Công nghệ GIS đã và
đang thâm nhập nhƣ một nhu cầu tất yếu vào hầu hết các ngành cũng nhƣ các địa
phƣơng ở Việt Nam.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
Thông tin GIS cung cấp cho ngƣời sử dụng hƣớng thay đổi của dữ liệu trong
một lãnh thổ theo thời gian, đồng thời xác định những gì có thể xảy ra khi có sự
thay đổi dữ liệu đó.
Nói cách khác GIS cung cấp cho ngƣời sử dụng những mô hình khác nhau
của sự thay đổi. Dữ liệu bản đồ là thành phần chính trong cơ sở dữ liệu của GIS.
Các bản đồ gắn chặt với thế giới thực và luôn đƣợc bổ sung những thông tin mới.
Nền tảng của thông tin hình học trong GIS là bản đồ đã đƣợc số hoá ở dạng
nào đó để có thể thực hiện từ những phép tính đơn giản nhƣ: đo đạt diện tích, chu
vi, chiều dài, vị trí ... đến những phép tính phức tạp nhƣ: mở rộng diện tích, xác
định giao của nhiều vùng diện tích ... là những bài toán khá phổ biến trong quản lý
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Mô hình dữ liệu không gian: Dữ liệu véctơ và dữ liệu raster
- Mô hình hệ thống GIS véctơ: Kiến trúc kết nối GIS và Web
- Khảo sát thu thập dữ liệu bản đồ, dữ liệu một loại dịch bệnh tại cấp
tỉnh/thành phố.
- Xây dựng thử nghiệm chƣơng trình demo Hệ thống thông tin tích hợp Web-
GIS trên cơ sở mã nguồn mở, với khả năng cảnh báo dịch bệnh.
4. Phạm vi nghiên cứu
- Về giới hạn địa lý:
Nghiên cứu và xây dựng hệ thống thông tin quản lý và hỗ trợ dự báo dịch
bệnh dịch cúm gia cầm từ thôn, xóm lên xã, huyện và tỉnh dựa theo sơ đồ giám sát
dịch bệnh hiện tại trong lĩnh vực nông nghiệp và y tế.
- Về công nghệ:
Sử dụng công nghệ mã nguồn mở vì:
+ Tính an toàn cao.
+ Tính ổn định và đáng tin cậy.
+ Giảm phụ thuộc vào nhà cung cấp.
+ Không hạn chế quyền sử dụng.
+ Tiết kiệm chi phí trực tiếp.
+ Tận dụng đƣợc các ý tƣởng của cộng đồng.
+ Tuân thủ các chuẩn công nghệ chung của thế giới.
- Về phần mềm: Sử dụng phần mềm MapServer để xây dựng WebGIS:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
+ Phần mềm cho phép tạo ra các bản đồ động và trình bày dữ liệu không gian
trên web
+ Đây là phần mềm đƣợc viết trên công nghệ mã nguồn mở.
5. Bố cục của luận văn:
CHƢƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System- gọi tắt là GIS) là một
nhánh của Công nghệ thông tin, đƣợc hình thành vào những năm 60 của thế kỷ
trƣớc 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 trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý,
các doanh nghiệp, các cá nhân... đánh giá đƣợc hiện trạng của các quá trình, các
thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy
vấn, phân tích và tích hợp các thông tin đƣợc gắn với một nền hình học (bản đồ)
nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu đầu vào.
1.1. ĐỊNH NGHĨA GIS
Hệ thông tin địa lý (GIS – Geographical Information Systems), là một hệ
thông tin có khả năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, biểu diễn dữ liệu địa
lƣ phục vụ giải quyết các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý trên bề mặt
trái đất hoặc đƣợc định nghĩa nhƣ làm một hệ thông tin với khả năng truy nhập, tìm
kiếm, xử lý, phân tích và truy xuất dữ liệu địa lý nhằm hỗ trợ cho công tác quản lý,
quy hoạch và quản lý tài nguyên thiên nhiên, môi trƣờng và ý tế.
cho việc thành lập bản đồ và phân tích các đối tƣợng tồn tại và các sự kiện xảy ra
trên trái đất. Công nghệ GIS tích hợp giữa các thao tác trên cơ sở dữ liệu nhƣ: đƣa
ra các câu hỏi truy vấn (query), phân tích thống kê (statistical analysis) với việc thể
hiện và các phép phân tích địa lý.
Những khả năng đó của hệ thống GIS đã phân biệt GIS với các hệ thống
thông tin khác và tạo cho nó một giá trị đến khu vực công cộng và cá nhân để giải
thích các sự kiện, dự báo các hậu quả, và lên kế hoạch chiến lƣợc.
1.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA GIS [3]
Công nghệ GIS bao gồm 5 thành phần cơ bản là:
Phần cứng (hardware)
Phần mềm (software)
Dữ liệu (Geographic data)
Con ngƣời (Expertise)
Phƣơng pháp (Policy and management)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
- Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý
- Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS)
- Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý
- Giao diện đồ hoạ ngƣời- máy (GUI) để truy cập các công cụ dễ dàng
1.2.5. Phƣơng pháp (Methods)
Ðây là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ
thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS. Hệ
thống GIS cần đƣợc điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải đƣợc bổ
nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ ngƣời
sử dụng thông tin.
1.3. CẤU TRÚC DỮ LỊÊU TRONG GIS
1.3.1. Dữ liệu không gian
Dữ liệu không gian là dữ liệu về đối tƣợng mà vị trí của nó đƣợc xác định
trên bề mặt Trái Đất. Dữ liệu không gian sử dụng trong hệ thống địa lý luôn đƣợc
xây dựng trên một hệ thống tọa độ.
Mô hình dữ liệu địa lý là các qui tắc đƣợc sử dụng để biến đổi đặc trƣng địa
lý của thế giới thực thành các đối tƣợng rời rạc. Mô hình dữ liệu đƣợc sử dụng để
biểu diễn thực thể với mức độ phức tạp khác nhau. Thực thể là nhận thức vì thế giới
thực quá phức tạp, không thể chỉ ra mọi khía cạnh của chúng. Việc lựa chọn mô
hình dữ liệu phụ thuộc vào loại ứng dụng và kết quả mong đợi.
Hệ thống thông tin địa lý dùng các dữ 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. Có 6
loại thông tin bản đồ dùng để thể hiện hình ảnh bản đồ và ghi chú của nó trong hệ
thống thông tin địa lý nhƣ sau:
Ðiểm (Point)
Ðƣờng (Line)
Vùng (Polygon)
Ô lƣới (Grid cell)
Ký hiệu (Sympol)
đƣờng đi, sông ngòi đƣợc biểu diễn bằng đƣờng (line). Khi tỷ lệ thay đổi kéo theo
sự thay đổi về thực thể biểu diễn. Thành phố lúc này sẽ đƣợc biểu diễn bởi vùng có
đƣờng ranh giới. Khi tỷ lệ lớn hơn, thành phố có thể đƣợc biểu diễn bởi tập các thực
thể tạo nên các đối tƣợng nhà cửa, đƣờng sá, các trình tiện ích,…
Rasrer/Ảnh
Véc tơ
Thế giới thực
Hình 1.3: Mô hình lƣu trữ dữ liệu không gian [1] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
Nói chung mô hình dữ liệu Véc tơ sử dụng các đoạn thẳng hay các điểm rời
rạc để nhận biết các vị trí của thế giới thực.
Hình I.4: Biểu diễn bản đồ véctơ [1]
I.3.1.1.1. Kiểu đối tƣợng điểm (Points)
Điểm đƣợc xác định bởi cặp giá trị đ. Các đối tƣợng đơn, thông tin về địa lý
chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ đƣợc phản ánh là đối tƣợng điểm. Các đối tƣợng kiểu điểm
có đặc điểm:
Là toạ độ đơn (x,y)
Không cần thể hiện chiều dài và diện tích
+
Trục y
Trục x
Chỉ số XY
82 82 +
Fiel tọa độ điểm
Chỉ số điểm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
Tỷ lệ trên bản đồ tỷ lệ lớn, đối tƣợng thể hiện dƣới dạng vùng. Tuy nhiên
trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tƣợng này có thể thể hiện dƣới dạng một điểm. Vì vậy,
các đối tƣợng điểm và vùng có thể đƣợc dùng phản ánh lẫn nhau.
1.3.1.1.2. Kiểu đối tƣợng đƣờng (Arcs)
Đƣờng đƣợc xác định nhƣ một tập hợp dãy của các điểm. Mô tả các đối
tƣợng địa lý dạng tuyến, có các đặc điểm sau:
Là một dãy các cặp toạ độ
Một arc bắt đầu và kết thúc bởi node
Các arc nối với nhau và cắt nhau tại node
116 116
Fiel tọa độ điểm
Điểm (Vertex)
Điểm đầu
Điểm (Vertex)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18
Hình 1.7: Số liệu Véctơ đƣợc biểu thị dƣới dạng vùng (Polygon) [3]
Có hai cách để lƣu trữ các vùng gồm lƣu trữ đa giác và lƣu trữ cung.
- Lƣu trữ đa giác: Các đa giác đƣợc lƣu trữ tuần tự theo các tọa độ. Các vùng
liền kề nhau có chung đƣờng biên thì tọa độ đƣợc nhập vào sẽ đƣợc mã hóa hai lần,
mỗi lần cho một đa giác. Hai tập tọa độ nhập vào chung cho hai đa giác kề nhau có
thể không trùng khớp. Cách lƣu trữ này đƣợc sử dụng trong một số hệ thống GIS
vector và trong nhiều hệ thống vẽ bản đồ tự động.
- Lƣu trữ cung: Các cung đƣợc lƣu trữ tuần tự theo các tọa độ. Các vùng
đƣợc hình thành bởi việc liên kết các cung. Cách lƣu trữ này đƣợc sử dụng trong
hầu hết các GIS vector hiện nay.
A A A A C C C C
A A A A C C C C
A A A B B C C C
A A B B B B B B
B B B B B B B B
Hình 1.8: Mô hình dữ liệu Raster
Xây dựng mô hình cơ sở dữ liệu Raster
- Mỗi pixel là một đối tƣợng, có vị trí theo hàng, cột tƣơng ứng trên ảnh, giá
trị của pixel cho biết pixel đó thuộc loại đối tƣợng nào, tính chất của đối tƣợng đó
đƣợc lƣu trữ ở một cơ sở dữ liệu thuộc tính tƣơng ứng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
20
- Cơ sở dữ liệu không gian Raster có thể chứa hàng ngàn lớp dữ liệu không
gian.
- Kiểu giá trị của pixel trong mỗi layer tùy theo việc mã hóa của ngƣời sử
dụng, có thể là số nguyên, số thực hay ký tự alphabet. Thƣờng thì giá trị số nguyên
thƣờng đƣợc dùng làm mã số để liên hệ với bảng dữ liệu khác hay làm chú giải để
thể hiện bản đồ.
- Để thể hiện một bề mặt liên tục ngƣời ta sử dụng mô hình raster, các bề mặt
liên tục này thƣờng thể hiện bề mặt địa hình, mƣa, áp suất không khí, nhiệt độ, mật
độ, dân số.
Nhƣ vậy, với cơ sở dữ liệu không gian raster các thông tin đƣợc tổ chức nhƣ
hình dƣới đây:
một vị trí xác định. Không giống các thông tin đặc tính, chúng không mô tả về bản
thân các hình ảnh bản đồ, thay vào đó chúng mô tả các danh mục hoặc các hoạt
động nhƣ cho phép xây dựng các khu công nghiệp mới, nghiên cứu y tế, báo cáo
hiểm họa môi trƣờng. . . liên quan đến các vị trí địa lí xác định. Các thông tin tham
khảo địa lí đặc trƣng đƣợc lƣu trữ và quản lí trong các file độc lập và hệ thống
không thể trực tiếp tổng hợp với các hình ảnh bản đồ trong cơ sở dữ liệu của hệ
thống.
- Chỉ số địa lý: Là các chỉ số về tên, địa chỉ, khối, phƣơng hƣớng định vị,...
liên quan đến các đối tƣợng địa lí, đƣợc lƣu trữ trong Hệ thông tin địa lí để chọn,
liên kết và tra cứu dữ liệu trên cơ sở vị trí địa lý mà chúng đã đƣợc mô tả bằng các
chỉ số địa lý xác định.
- Quan hệ không gian giữa các đối tƣợng: Rất quan trọng cho các chức
năng xử lý của hệ thống thông tin địa lý. Các mối quan hệ này có thể đơn giản hay
phức tạp nhƣ sự liên kết, khoảng cách tƣơng thích, mối quan hệ topo giữa các đối
tƣợng.
1.3.2.2. Cách thức lƣu trữ
Dữ liệu thuộc tính thƣờng đƣợc lƣu trữ trong các bảng quan hệ, trong đó một
trƣờng chứa ID của các đối tƣợng không gian.
Dữ liệu thuộc tính có thể đƣợc lƣu trong các hệ qủan trị cơ sở dữ liệu nhƣ
Postgesql, Oracle,….hoặc có thể đƣợc lƣu trữ trong các phần mềm GIS nhƣ
MapInfo, Arcview…
1.3.2.3. Mối quan hệ giữa dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính
Hệ thống thông tin địa lý sử dụng phƣơng pháp chung để liên kết hai loại dữ
liệu đó thông qua bộ xác định, lƣu trữ đồng thời trong các thành phần đồ thị và phi
đồ thị. Các bộ xác định có thể đơn giản là một số duy nhất liên tục, ngẫu nhiên hoặc
là các chỉ báo địa lí hay dữ liệu vị trí lƣu trữ. Bộ xác định cho một thực thể có thể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
Copyright: Tài liệu đại học ©