Phát triển các công cụ hỗ trợ mô hình GIS khách chủ sử dụng phần mềm nguồn mở

- Nguyễn Anh Hùng PHÁT TRIỂN CÁC CÔNG CỤ HỖ TRỢ MÔ HÌNH GIS KHÁCH CHỦ SỬ DỤNG PHẦN MỀM NGUỒN MỞ Chuyên ngành : Công nghệ thông tin LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS.
- Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn .
- Tình hình phát triển và ứng dụng công nghệ GIS trên thế giới .
- Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ GIS trong nước .
- So sánh công nghệ GIS mã nguồn mở và mã nguồn đóng .
- Ứng dụng mã nguồn mở xây dựng, phát triển công nghệ nền GIS .
- Tổ chức luận văn Chương 2 – HỆ QUẢN TRỊ CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN .
- Phân tích, đánh giá, lựa chọn hệ quản trị cơ sở dữ liệu .
- Hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL .
- Ý tưởng xây dựng .
- Quản lý kết nối tới máy chủ dữ liệu PostgreSQL .
- Xây dựng các chức năng mà dịch vụ GIS hỗ trợ .
- Xây dựng các chức năng mới .
- Kết luận Chương 4 – XÂY DỰNG CÁC ỨNG DỤNG MINH HỌA .
- Xây dựng cơ sở dữ liệu không gian .
- Ứng dụng đẩy kết quả giải đoán ảnh viễn thám lên PostgreSQL .
- Minh họa hệ thống GIS quản lý công trình thủy lợi tỉnh Hưng Yên .
- Kết luận Chương 5 – KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO LỜI CAM ĐOAN Với tư cách là học viên cao học của Viện Đào tạo sau đại học của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và là một nhà nghiên cứu khoa học của Trung tâm Công nghệ phần mềm Thủy lợi-Viện KHTL Việt Nam, tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung chính của luận văn khoa học là công sức nghiên cứu của tôi và tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung của quyển luận văn này.
- 4DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) ESRI Viện nghiên cứu các hệ môi trường (Environmental Systems Research Institute) DBMS Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (Database Management System) CSDL Cơ sở dữ liệu OCSI Internet khách/chủ hướng đối tượng (Object-oriented client/server Internet) DCS Hệ thống tính toán phân tán (Distributed Computing System) SQL Ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc (Structured Query Language) OSF Nền tảng phần mềm mở (Open Software Foundation) DCE Môi trường tính toán phân tán (Distributed Computing Environment) EPSG Nhóm khảo sát dầu khí châu Âu (European Petroleum Survey Group) GEODAS Hệ thống dữ liệu địa vật lý (Geophysical Data System) WKT Ngôn ngữ đánh dấu văn bản đại diện cho các đối tượng hình học vector trên bản đồ, hệ thống tham chiếu không gian của các đối tượng không gian và biến đổi giữa các hệ thống tham chiếu không gian (Well-known Text) 5DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 So sánh các chức năng chính của MySQL và PostgreSQL Bảng 2 Kết quả kiểm thử PostgreSQL và MySQL 6DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 2.1 Cây gia đình của PostgreSQL Hình 2.2 Kết quả biên dịch mã nguồn PostgreSQL phiên bản 9.0 beta3 Hình 2.3 Cây triển khai hệ thống PostgreSQL Hình 2.4 Kết quả biên dịch mã nguồn PostGIS Hình 3.1 Mô hình ứng dụng GIS khách chủ Hình 3.2 Biểu đồ lớp của dịch vụ GIS Hình 3.3 Lắng nghe các kết nối Hình 3.4 Xử lý các yêu cầu gọi hàm từ máy khách Hình 4.1 Bổ sung các tính năng không gian Hình 4.2 Câu lệnh tạo mới và đẩy dữ liệu shapefile thành bảng trong CSDL không gian Hình 4.3 Giao diện chính ứng dụng đẩy kết quả giải đoán lên CSDL Hình 4.4 Kết nối tới máy chủ từ xa Hình 4.5 Tạo lớp bản đồ để chứa kết quả giải đoán ảnh viễn thám Hình 4.6 Cập nhật kết quả giải đoán ảnh vệ tinh định dạng shapefile vào bảng không gian tbl_vientham Hình 4.7 Giao diện chính của ứng dụng quản lý công trình thủy lợi Hình 4.8 Lấy thông tin thuộc tính của kênh D5a Hình 4.9 Tạo mới shapefile, đồng thời tải dữ liệu đồ họa Hình 4.10 Kết quả sau khi tải dữ liệu về Hình 4.11 Liệt kê tất cả các trạm bơm tưới nằm trên xã Thành Long huyện Yên Mỹ Hình 4.12 Liệt kê tất cả các kênh tiêu đi qua địa bàn xã Thành Long huyện Yên Mỹ 7MỞ ĐẦU Với sự phát triển không ngừng của công nghệ GIS và viễn thám, các phần mềm ứng dụng công nghệ GIS len lỏi vào tất cả các lĩnh vực, các quốc gia và đã thể hiện được các lợi ích mà các phần mềm đó mang lại cho nền kinh tế, cho công tác quản lý và dự báo.
- Hiện nay có nhiều quốc gia, nhiều tổ chức lớn nhỏ thuộc nhà nước và tư nhân đều đầu tư, đẩy mạnh việc nghiên cứu công nghệ hữu ích này.
- Là một nhà nghiên cứu về lĩnh vực GIS, tôi cũng không nằm ngoài xu thế phát triển công nghệ thông tin của thế giới và đó cũng là lý do tôi chọn đề tài nghiên cứu “Phát triển các công cụ hỗ trợ mô hình GIS khách/chủ sử dụng phần mềm nguồn mở”.
- Tại Việt Nam công nghệ GIS cũng được thí điểm khá sớm, và đến nay đã được ứng dụng trong khá nhiều ngành như quy hoạch nông lâm nghiệp, quản lý rừng, lưu trữ tư liệu địa chất, đo đạc bản đồ, địa chính, quản lý đô thị.
- Tuy nhiên các ứng dụng có hiệu quả nhất mới giới hạn ở các lĩnh vực lưu trữ, in ấn các tư liệu bản đồ bằng công nghệ GIS.
- Các ứng dụng GIS thuộc lĩnh vực quản lý, điều hành, trợ giúp quyết định hầu như mới dừng ở mức thử nghiệm, còn cần thời gian và đầu tư mới có thể đưa vào ứng dụng chính thức.
- Với kiến thức về công nghệ thông tin thuần túy, tôi bước vào một lĩnh vực hoàn toàn mới đòi hỏi kiến thức của nhiều ngành khoa học khác nhau như địa lý, trắc địa, viễn thám, toán học,… là các khó khăn mà tôi phải vượt qua.
- Dưới định hướng của Ban lãnh đạo Trung tâm Công nghệ phần mềm Thủy lợi đặc biệt là dưới sự dẫn dắt tận tình của TSKH.
- Nguyễn Đăng Vỹ, tôi đã tham gia xây dựng một số phần mềm ứng dụng công nghệ GIS như.
- Nâng cao năng lực quản lý công tác thủy lợi ứng dụng công nghệ GIS.
- Ứng dụng công nghệ GIS quản lý và giám sát sâu bệnh hại lúa.
- 8+ Hệ thống chỉ huy điều hành công tác phòng cháy chữa cháy, cứu hộ, cứu nạn.
- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GIS mã nguồn mở vào việc giám sát tình hình, cảnh báo và dự báo về một số loại sâu bệnh chính hại lúa, phục vụ công tác phòng trừ sâu bệnh, bảo vệ mùa màng.
- Trong quá trình nghiên cứu, tôi nhận thấy chi phí cho việc xây dựng một hệ thống GIS bằng ít nhất là hai lần so với một hệ thống không phải là GIS có cùng khối lượng thông tin thuộc tính tương đương, có các chức năng xử lý và cung cấp thông tin cho người dùng như nhau, ngoại trừ những bài toán liên quan đến dữ liệu không gian.
- Chi phí đầu tư xây dựng một hệ thống GIS bao gồm.
- Con người (Đội ngũ xây dựng hệ thống.
- Dữ liệu (Dữ liệu thuộc tính và dữ liệu bản đồ.
- Công nghệ phần mềm nền.
- Thành phần duy nhất cho phép giảm giá thành của sản phẩm là công nghệ phần mềm nền.
- Do đó, để giảm chi phí cho việc xây dựng một hệ thống GIS, nhưng vẫn đảm bảo thời gian yêu cầu của công việc và chất lượng sản phẩm, cần thiết phải nghiên cứu một cách cơ bản các sản phẩm công nghệ GIS thuộc dòng mã nguồn mở để không chỉ ứng dụng được chúng mà còn phát triển, thay đổi theo ý muốn của mình.
- Do đó cuối năm 2009, tôi đã bắt tay nghiên cứu công nghệ GIS thuộc dòng mã nguồn mở.
- Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu ứng dụng mã nguồn mở GIS, hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL, PostGIS xây dựng các gói chức năng kết nối, xử lý, giao dịch dữ liệu không gian hỗ trợ cho mô hình khách chủ.
- Mục tiêu cụ thể: 9+ Tìm hiểu cách xây dựng cơ sở dữ liệu không gian trên PostgreSQL/PostGIS.
- Xây dựng thư viện lập trình GIS làm nền tảng để xây dựng các phần mềm khách.
- Trong các hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian thuộc dòng mã nguồn mở như GEODAS, MySQL, PostgreSQL/PostGIS, Predator,… thì PostgreSQL/PostGIS được phát hành theo ‘GNU General Public License’ cho phép chia sẻ và thay đổi phần mềm miễn phí để đảm bảo rằng phần mềm này là miễn phí cho tất cả người sử dụng.
- PostGIS cho phép sử dụng nó như một cơ sở dữ liệu không gian phụ trợ cho các hệ thống thông tin địa lý (GIS), giống như SDE của ESRI hoặc Oracle Spatial.
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu là phương pháp được sử dụng trong tất cả các nội dung nghiên cứu.
- 10- Phương pháp thiết kế cơ sở dữ liệu quan hệ đối tượng được sử dụng để thiết kế cơ sở dữ liệu cho hệ thống GIS.
- PostgreSQL được chọn làm quản trị CSDL cho hệ thống, PostGIS làm quản trị dữ liệu bản đồ trên máy chủ.
- Phương pháp lập trình hướng đối tượng sẽ được sử dụng để lập trình các module phần mềm chạy trên máy chủ và máy khách của hệ thống.
- Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn 1.1.1.
- Tình hình phát triển và ứng dụng công nghệ GIS trên thế giới Công nghệ GIS là một thành phần của ngành công nghệ thông tin, nó là kết quả tích hợp, phát triển của công nghệ bản đồ và công nghệ máy tính.
- Lịch sử phát triển của công nghệ GIS bắt đầu từ Canada vào đầu thập kỷ 60 của thế kỷ 20.
- Khi đó, Bộ Lâm nghiệp và Phát triển nông nghiệp của Canada đặt ra nhiệm vụ kiểm kê định kỳ, tính toán diện tích rừng trong toàn quốc, phân loại các loại rừng, các loại cây rừng, động vật hoang dã, đánh giá các loại tài nguyên này.
- Các chuyên gia trắc địa-bản đồ Canada đã đưa ra ý tưởng sử dụng máy tính lưu trữ bản đồ và kèm vào đó là thông tin về các đối tượng địa lý mà bây giờ ta gọi là dữ liệu thuộc tính.
- Trong mỗi đợt kiểm kê lại tài nguyên, người ta chỉ cần cập nhật thông tin những khu vực bị thay đổi, vẽ lại bản đồ các vùng có biến động.
- Và như thế, một hệ thống thông tin địa lý ra đời, trở thành một trong những hệ thống GIS lớn nhất thế giới, đánh dấu sự ra đời của công nghệ GIS [1, 2].
- Tiếp theo Bộ Lâm nghiệp và Phát triển nông nghiệp của Canada, nhiều trường đại học và viện nghiên cứu ở Mỹ cũng tiến hành nghiên cứu và xây dựng hệ thống thông tin địa lý.
- Sự phát triển của công nghệ GIS gắn liền với sự phát triển của công nghệ đồ hoạ máy tính và khoa học hình học tính toán (Computational Geometry).
- Mặt khác, do khối lượng công việc chính là xử lý dữ liệu đồ hoạ, các hệ thống GIS đòi hỏi cấu hình phần cứng rất cao, vì vậy sự phát triển cũng như ứng dụng của công nghệ GIS phụ thuộc rất nhiều vào sự phát triển của phần cứng máy tính và mạng.
- Có thể nêu một số sự kiện chính sau đây đánh dấu sự phát triển của công nghệ GIS.
- Đến giữa thập kỷ 60 thế kỷ 20 công nghệ GIS đã được ứng dụng vào công tác khai thác và quản lý đô thị, ví dụ cụ thể là hệ thống DIME của cơ quan kiểm toán Mỹ, GRDSR của cơ quan thống kê Canada.
- Năm 1968, Hội địa lý quốc tế đã quyết định thành lập Uỷ ban thu thập và xử lý dữ liệu địa lý.
- 12- Những năm 1970 đánh dấu sự ra đời và phát triển của các công ty phần mềm thương mại GIS, trong đó nổi bật là Viện Nghiên cứu hệ thống môi trường (ESRI) của Mỹ và Intergraph.
- Đến năm 1977 người ta đã thống kê được 54 hệ thống thông tin địa lý khác nhau trên thế giới.
- Giai đoạn này cũng đánh dấu sự bắt đầu của xu hướng nghiên cứu tích hợp công nghệ GIS và công nghệ viễn thám.
- Thập kỷ 80 thế kỷ 20 được đánh dấu bởi các nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin địa lý ngày càng tăng với các quy mô khác nhau.
- GIS mở rộng phạm vi ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau: khảo sát thị trường, đánh giá khả thi các phương án quy hoạch, sử dụng tối ưu các nguồn tài nguyên, xử lý các bài toán giao thông, cấp thoát nước.
- Sự kết hợp thống nhất giữa dữ liệu thuộc tính với dữ liệu không gian trong công nghệ GIS cho phép người sử dụng, ngoài các dữ liệu thuộc tính, thông tin định lượng, còn có khả năng quan sát trên không gian bản đồ, có tầm nhìn bao quát hơn trong quá trình phân tích số liệu, hoàn cảnh, tình huống và lựa chọn quyết định.
- Trong những năm đầu của thập kỷ 90 thế kỷ 20, việc tích hợp công nghệ viễn thám với công nghệ GIS đã đưa lại hiệu quả và mở ra triển vọng ứng dụng mới, đặc biệt là ở các nước Bắc Mỹ và châu Âu.
- Khu vực châu Á - Thái Bình Dương cũng đã thành lập được nhiều trung tâm nghiên cứu viễn thám và hệ thống thông tin địa lý.
- Năm 1994 đã có hội thảo về ứng dụng viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong quy hoạch và quản lý đô thị được tổ chức ở Thái Lan.
- Sự kết hợp công nghệ GIS với công nghệ viễn thám phản ánh xu hướng thống nhất nhiều ngành công nghệ có quan hệ mật thiết với nhau trong ứng dụng nhằm cung cấp cho con người lượng thông tin đa hướng, kết quả xử lý tổng quát có giá trị thực tiễn hơn.
- GIS là hệ thống thông tin mà viễn thám là một trong những nguồn dữ liệu hết sức quan trọng, đặc biệt đối với những bài toán về mặt địa lý có phạm vi lớn cấp tỉnh, cấp quốc gia và phạm vi toàn cầu.
- Điểm nổi bật của những năm đầu thế kỷ 21 là sự xuất hiện các sản phẩm GIS thuộc dòng mã nguồn mở, chúng phát triển nhanh chóng, tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho việc ứng dụng công nghệ GIS, nhất là đối với các nước nghèo.
- Khi đánh giá sự phát triển của công nghệ GIS, không thể bỏ qua các viện nghiên cứu, các công ty phần mềm có công lớn trong việc nghiên cứu phát triển khoa học hình học toán tính và công nghệ đồ hoạ máy tính, xây dựng các thư viện lập trình và các công cụ cho GIS.
- Như đã nói ở trên, công nghệ GIS là kết quả tích hợp và phát triển của công nghệ máy tính với công nghệ bản đồ.
- Mắt xích của quá trình tích hợp và phát triển là môn khoa học hình học toán tính và công nghệ đồ hoạ máy tính.
- Đến những năm 1990 lịch sử phát triển của công nghệ GIS đạt đến giai đoạn bắt đầu của sự phân công lao động: Một số công ty phần mềm tập trung nghiên cứu, phát triển các thư viện lập trình giải quyết các bài toán hình học toán tính và đồ hoạ máy tính, bài toán tổ chức lưu trữ dữ liệu đồ hoạ và phát triển các công cụ cơ bản để xây dựng các hệ thống GIS.
- Những sản phẩm này có thể gọi là sản phẩm công nghệ nền cho việc xây dựng các hệ thống GIS ứng dụng.
- Các công ty phần mềm khác dựa trên nền tảng của công nghệ nền để xây dựng các hệ thống GIS giải quyết những bài toán cụ thể theo yêu cầu của khách hàng.
- Đi đầu trong lĩnh vực phát triển công nghệ nền GIS thương mại là ESRI, MapInfo, Integraph, AutoDesk.
- Trong số này, sản phẩm của MapInfo được đánh giá là dễ sử dụng, thân thiện với người dùng, sử dụng tốt cho các hệ thống trên máy đơn hoặc cho các hệ thống quy mô vừa và nhỏ trên mạng.
- Còn sản phẩm của ESRI được đánh giá có kiến trúc rõ ràng, vững chắc, đồng bộ, vận hành ổn định, đáp ứng được yêu cầu xây dựng các hệ thống lớn: cấp tập đoàn, ngành hoặc chính phủ.
- Nhược 14điểm của các sản phẩm này là phát triển không đồng bộ, thường khó xây dựng, khó triển khai sản phẩm ứng dụng vì thiếu sự hỗ trợ kỹ thuật từ phía nhà cung cấp như các sản phẩm thương mại.
- Sau đây là những lĩnh vực sản xuất và đời sống ứng dụng công nghệ GIS sớm nhất và những lĩnh vực ứng dụng tổng hợp công nghệ GIS và viễn thám phổ biến trên thế giới [6, 1, 2].
- a) GIS trong quản lý đất đai.
- Hệ thống GIS về đất đai được gọi bằng thuật ngữ chuyên dụng trong tiếng Anh là Cadastr.
- Ở đây, các thửa đất được lưu trữ dưới dạng là các đối tượng hình học (toạ độ các đỉnh của thửa đất, cấu trúc topo, diện tích), còn các thông tin về chủ sở hữu, các hồ sơ pháp lý, tính chất thổ nhưỡng của đất, giá đất.
- b) GIS trong quản lý đô thị.
- Trong quản lý đô thị, hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống khá phức tạp vì nó phục vụ nhiều mục tiêu, cần đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau.
- Ngoài việc quản lý đất đai đô thị, hệ thống còn phải quản lý các thông tin về kinh tế, xã hội khác như giao thông, cấp và thoát nước, hệ thống đường ống, nhu cầu nước của từng khu phố, tình trạng thoát nước của từng khu vực, thông tin về các điểm buôn bán, chợ, siêu thị, cửa hàng, mạng lưới các cơ quan công quyền, các trường đại học, các viện nghiên cứu, các nhà máy lớn, nhỏ.
- Đặc điểm của hệ thống GIS trong quản lý đô thị so với các hệ thống khác là không gian mà nó mô phỏng có quy mô nhỏ hơn, các thông tin có thể được cập nhật vào hệ thống một cách nhanh chóng hơn khi có sự thay đổi.
- Mô hình dữ liệu tập trung tương đối thích hợp đối với những thành phố vừa và nhỏ.
- Ngoài mục đích phục vụ quản lý, điều hành thành phố, GIS trong quản lý đô thị có thể được sử dụng như là một hệ thống hỏi-đáp công cộng để cung cấp thông tin cho mọi người dân.
- 15Trên thế giới người ta đã xây dựng các hệ thống GIS để quan sát, đánh giá môi trường trong các thành phố, quan sát môi trường nước mặt, nước ngầm, quan sát và dự báo quá trình xâm mặn, quan sát các vệt dầu loang trong các vụ tai nạn tàu biển, tính toán tốc độ loang của các vết dầu để sớm có các biện pháp ngăn chặn.
- Phần lớn các hệ thống này đều gắn liền với các thiết bị đo đạc để đo đạc, thu thập số liệu về môi trường.
- Đối với những khu vực có không gian rộng lớn hoặc những địa điểm con người khó đặt chân tới, hệ thống GIS dùng kết quả giải đoán các hiện tượng ô nhiễm từ ảnh viễn thám để làm một trong những nguồn dữ liệu vào.
- Ở đây, sự kết hợp GIS và công nghệ viễn thám là tất yếu.
- d) GIS trong quản lý kinh doanh.
- GIS được sử dụng để phân tích các dữ liệu tích luỹ được trong quá trình hoạt động kinh doanh, từ đó đề ra những quyết sách mới.
- Các nhà hàng, các siêu thị thu thập dữ liệu từ khách hàng, trên cơ sở đó xác định được các khu dân cư có nhiều khách hàng đến với cửa hàng mình, nhờ đó có thể biết được loại hàng mà mình tiêu thụ phù hợp với tính cách, với túi tiền của tầng lớp khách hàng nào

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt