Đề tài Tìm hiểu và xây dựng hệ thống thông tin địa lý - webgis

` ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Văn Hưởng TÌM HIỂU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - WEBGIS KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin ` ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Văn Hưởng TÌM HIỂU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - WEBGIS KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Xuân Huấn ` LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Khoa Công Nghệ Thông Tin, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập và thực hiện đề tài tốt nghiệp này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Hoàng Xuân Huấn đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo em trong quá trìn thực hiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa công nghệ thông tin đã tận tình giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua Sau hết, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè, người thân đã ủng hộ động viên tinh thần để luận văn được hoàn thành. Mặc dù đã cố gắng hoàn thiện luận văn với tất cả sự nỗ lực của bản thân, nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô tận tình chỉ bảo. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn và luôn mong nhận được sự đóng góp quý báu của tất cả mọi người. Xin chân thành cảm ơn tất cả ! Hà Nội, tháng 5/2010 Người thực hiện Trần Văn Hưởng ` TÓM TẮT KHÓA LUẬN Trong khóa luận này tôi xin những tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý và cụ thể là hệ thống thông tin địa lý trên nền Web – WebGIS. Trong phần đầu của khóa luận trình bày những tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý nói chung bao gồm: các khái niệm về hệ thống tin địa lý, nguộn gốc ra đời, các thành phần cấu thành hệ thống thông tin địa lý và một số lĩnh vực ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý. Trong phần tiếp theo sẽ là phần tìm hiểu về ứng dụng thông tin địa lý trên web từ đặc điểm, kiến trúc triển khai hệ thông và cách tổ chức lưu trữ dữ liệu địa lý. Trong phần ba của khóa luận trình bày tìm hiểu về các chuẩn trao đổi dữ liệu địa lý trên web và một số công nghệ mã nguồn mở giúp xây dựng hệ thống thông tin địa lý trên Web. Trong phần cuối của khóa luận trình bày về hệ thống thông tin địa lý do tôi tự xây dựng dựa trên công nghệ mã nguồn mở. ` MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................7  Chương 1.  Hệ thống thông tin địa lý .........................................................................3  1.1.  Hệ thống thông tin địa lý là gì ...........................................................................3  1.2.  Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý....................................................4  1.3.  Một số ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý .................................................7  Chương 2.  Hệ thống thông tin địa lý trên Web .......................................................11  2.1.  Hệ thống thông tin địa lý trên Web và các thách thức.....................................11  2.2.  Kiến trúc hệ thống thông tin địa lý trên Web ..................................................12  2.2.1.  Kiến trúc chung .........................................................................................12  2.2.2.  Các hình thức triển khai ............................................................................15  2.2.2.1.  Kiến trúc hướng phục vụ ....................................................................16  2.2.2.2.  Kiến trúc hướng người dùng ..............................................................18  2.2.2.3.  Kiến trúc kết hợp ................................................................................20  2.3.  Dạng dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý......................................................20  2.3.1.  Dữ liệu không gian .......................................................................................21  2.3.1.1.  Dữ liệu vector .....................................................................................21  2.3.1.2.  Dữ liệu raster ......................................................................................28  2.3.1.3.  Chuyển đổi qua lại giữa dữ liệu vector và dữ liệu rastor ...................32  2.3.1.4.  So sánh dữ liệu vector và dữ liệu rastor .............................................33  2.3.2.  Dữ liệu phi không gian .................................................................................34  Chương 3.  Một số công nghệ WebGIS nguồn mở ..................................................37  3.1.  Chuẩn trao đổi dữ liệu địa lý trên Web theo OGC ..........................................37  3.1.1.  Cơ chế hoạt động.......................................................................................37  3.2.  Web Map Service và Web Feature Service .....................................................38  3.2.1.  Web Map Service (WMS).........................................................................39  3.2.1.1.  Phương thức GetMap .........................................................................39  3.2.1.2.  Phương thức GetCapbilities ...............................................................40  3.2.1.3.  Phương thức GetFeatureInfo..............................................................41  ` 3.2.2.  Web Feature Service (WFS) .....................................................................42  3.2.2.1.  Phương thức GetCapbilities ...............................................................43  3.2.2.2.  Phương thức DescribeFeatureType....................................................44  3.2.2.3.  Phương thức GetFeature.....................................................................45  3.3.  Một số công nghệ mã nguồn mở......................................................................48  3.3.1.  Mapbuider .................................................................................................48  3.3.2.  GeoServer..................................................................................................50  3.3.2.1.  Lịch sử phát triển................................................................................51  3.3.2.2.  Đặc điểm.............................................................................................52  Chương 4.  Xây dựng ứng dụng WebGIS ................................................................53  4.1.  Mô tả bài toán ..................................................................................................53  4.2.  Yêu cầu hệ thống .............................................................................................54  4.3.  Thiết kế hệ thống .............................................................................................54  4.3.1.  Kiến trúc hệ thống.....................................................................................54  4.3.2.  Xây dựng mô hình Use-case .....................................................................56  4.3.2.1.  Xác định Actor và use case ................................................................56  4.3.2.2.  Đặc tả use case ...................................................................................57  4.3.3.  Thiết kế một số màn hình..........................................................................61  KẾT LUẬN ...................................................................................................................64  ` MỞ ĐẦU Hệ thống thông tin địa lý (GIS) ra đời và được phát triển mạnh trong những năm gần đây. Cùng với sự bùng nổ về công nghệ ứng dụng Internet, các phát triển công nghệ GIS 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 hướng chia sẻ dữ liệu, phát triển phần mềm trên công nghệ mã nguồn mở cũng đang được quan tâm ở các nước 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. Hơn một thập kỷ trước đây, các thông tin không gian - bản đồ ở Việt Nam chủ yếu được thành lập và phát hành trên giấy. Trong những năm gần đây, các quy trình thành lập bản đồ, lưu trữ và phát hành đã dần dần chuyển đổi sang công nghệ số. Các bản đồ giấy trước kia đã được số hoá và đang nằm trong các ổ cứng máy tính tại các cơ quan, trường học, cá nhân,... Theo xu thế chung, các thông tin không gian này được chuyển sang lưu trữ trong các hệ thống cơ sở dữ liệu thông tin không gian được sử dụng bởi các đơn vị khác nhau. Việc chuyển đổi từ công nghệ số sang công nghệ bản đồ giấy đã là một bước tiến vượt bậc của ngành trắc địa. Tuy nhiên, các hệ cơ sở dữ liệu không gian được lưu trữ và sử dụng trong một hệ thống riêng biệt đã hạn chế rất nhiều tiềm năng khai thác thông tin không gian của các hệ thống này. Công nghệ Web-GIS cho phép phát hành, tiếp cận, truy vấn thông tin không gian trong một môi trường mở như Internet đã cho phép phát huy các tiềm năng chưa được đánh thức của các hệ thống thông tin địa lý, không gian và đưa công tác trắc địa bản đồ lên một tầm cao mới. Ngay khi vừa ra đời từ cuối những năm 90 của thế kỷ trước, công nghệ Web-GIS đã được đón nhận rât hồ hởi và có nhiều bước phát triển song còn nhiều hạn chế chưa theo kịp với các nước trên thế giới. Với sự phát triển và phổ cập của Internet tại Việt Nam như ngày nay, công nghệ Web-GIS đang được chú trọng phát triển bới cả cơ quan nhà nước và cộng động doanh nghiệp và được kỳ vọng sẽ đem đến một hướng phát triển mới đầy tiềm năng. Nội dung chính của đề tài là tìm hiểu 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 phân tích số liệu bản đồ. 1 2 Khóa luận này trình bày các tìm hiểu lý thuyết về WebGIS bao gồm phân loại các chiến lược phát triển WebGIS, tìm hiểu phần mềm xây dựng WebGIS trên cơ sở mã nguồn mở là Mapbuilder và GeoServer và giới thiệu ứng dụng WebGIS phục vụ phân tích số liệu bản đồ do tôi xây dựng thử nghiệm. Ngoài phần kết luận khóa luận được chia thành 4 phần lớn như sau: Chương 1: Hệ thống thông tin địa lý. Trong chương này sẽ cung cấp khái niệm cơ bản nhất về hệ thống thông tin địa lý, nguồn gốc ra đời, các thành phần chính cấu thành mộ hệ thống thông tin địa lý. Phần cuối chương sẽ trình bày về các lĩnh vực đã ứng dụng hệ thống thông tin địa lý. Chương 2: Hệ thống thông tin đía lý trên Web (WebGIS). Chương này sẽ đi sâu tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý trên nền Web. Phần đầu của chương sẽ giới thiệu đặc điểm riêng của hệ thống thông tin địa lý trên nền web. Phần tiếp theo của chương sẽ trình bày về kiến trúc hệ thông thông tin địa lý trên web và ưu nhược điểm của cái kiến trúc đó khi triển khai trên thực tế. Phần cuối của chương sẽ trình bày các phương pháp mô hình hóa dữ liệu bản đồ thành dữ liệu số và ưu nhược điểm của các phương pháp này. Chương 3: Một số ứng dụng WebGIS mã nguồn mở. Chương này sẽ trình bày về cách thức truyền thông của các ứng dựng GIS trên nền Web và một số công nghệ mã nguồn mở phục vụ cho việc xây dựng hệ thống thông tin đía lý trên web. Chương 4: Xây dựng ứng dụng WebGiS. Dựa vào kiến thức tìm hiểu ở các phần trên trong chương này sẽ giới thiệu hệ thống thông tin địa lý trên Web do tôi tự xây dựng. 3 Chương 1. Hệ thống thông tin địa lý 1.1. Hệ thống thông tin địa lý là gì Thông tin địa lý được thể hiện chủ yếu dưới dạng bản đồ đã ra đời từ xa xưa.Các bản đồ trước tiên được phác thảo để mô tả vị trí, cảnh quan, địa hình…Bản đồ chủ yếu gồm những điểm và đường. Tuy nhiên bản đồ dạng này thích hợp cho quân đội và các cuộc thám hiểm hơn là được sử dụng như một công cụ khai thác tiềm năng của địa lý. Bản đồ vẫn tiếp tục được in trên giấy ngay cả khi máy tính đã ra đời một thời gian dài trước đó. Bản đồ in trên giấy bộc lộ những hạn chế như: thời gian xây dựng, đo đạc, tạo lập rất lâu và tốn kém. Lượng thông tin mang trên bản đồ giấy là hạn chế vì nếu mang hết các thông tin lên bản đồ sẽ gây khó đọc. Bên cạnh đó bản đồ giấy không thể cập nhật theo thời gian được vv… Ý tưởng mô hình hóa không gian lưu trữ vào máy tính, tạo nên bản đồ máy tính. Đó là bản đồ đơn giản có thể mã hóa, lưu trữ trong máy tính, sữa chữa khi cần thiết, có thể hiển thị trên màn hình và in ra giấy. Tuy nhiên các nhà nghiên cứu nhận thấy nhiều vấn đề địa lý cần phải thu thập một lượng lớn thông tin không phải là bản đồ. Lúc này khái niệm Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) ra đời thay thế cho thuật ngữ bản đồ máy tính. GIS được hình thành từ các ngành khoa học: Địa lý, Bản đồ, Tin học và Toán học. Chỉ đến những năm 80 thì GIS mới có thể phát huy hết khả năng của mình do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng. Bắt đầu từ thập niên 80, GIS đã trở nên phổ biến trong các lãnh vực thương mại, khoa học và quản lý. Chúng ta có thể gặp nhiều cách định nghĩa về 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 được thiết kế để có thể thu thập, lưu trữ, cập nhật, thao tác, phân tích, thể hiện tất cả các hình thức thông tin mang tính không gian. - GIS là một hệ thống máy tính có khả năng lưu trữ và sử dụng dữ liệu mô tả các vị trí trên bề mặt trái đất 4 - Một hệ thống được gọi là GIS nếu nó có các công 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 không gian và phi không gian về các đối tượng bản đồ, mối liên hệ giữa các đối tượng không gian và các tính chất của một vùng của đối tượng Tóm lại, hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống phần mềm máy tính được sử dụng trong việc vẽ bản đồ, phân tích các vật thể, hiện tượng tồn tại trên trái đất. Công nghệ GIS tổng hợp các chức năng chung về quản lý dữ liệu như hỏi đáp và phân tích thống kê với sự thể hiện trực quan và phân tích các vật thể hiện tượng không gian trong bản đồ. Sự khác biệt giữa GIS và các hệ thống thông tin thông thường là tính ứng dụng của nó rất rộng trong việc giải thích hiện tượng, dự báo và qui hoạch chiến lược. 1.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý GIS được kết hợp bởi năm thành phần chính: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người và chính sách được mô tả trong hình 1.1 Hình 1.1 Mô hình các thành phần GIS a. Phần cứng 5 Phần cứng là hệ thống máy tính trên đó một hệ GIS hoạt động. Ngày nay, phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng. b. Con người Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế. Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống, hoặc những người dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc. c. Phần mềm Là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của máy tính thực hiện một nhiệm vụ xác định, phần mềm hệ thống thông tin địa lý có thể là một hoặc tổ hợp các phần mềm máy tính. Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật GIS phải bao gồm các tính năng cơ bản sau: - Nhập và kiểm tra dữ liệu: Bao gồm tất cả các khía cạnh về biến đổi dữ liệu đã ở dạng bản đồ, trong lĩnh vực quan sát vào một dạng số tương thích. Ðây là giai đoạn rất quan trọng cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý. - Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu: Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu đề cập đến phương pháp kết nối thông tin vị trí và thông tin thuộc tính của các đối tượng địa lý (điểm, đường đại diện cho các đối tượng trên bề mặt trái đất). Hai thông tin này được tổ chức và liên hệ qua các thao tác trên máy tính và sao cho chúng có thể lĩnh hội được bởi người sử dụng hệ thống. - Xuất dữ liệu: Dữ liệu đưa ra là các báo cáo kết quả quá trình phân tích tới người sử dụng, có thể bao gồm các dạng: bản đồ, bảng biểu, biểu đồ, lưu đồ được thể hiện trên máy tính, máy in, máy vẽ... - Biến đổi dữ liệu: Biến đổi dữ liệu gồm hai lớp điều hành nhằm mục đích khắc phục lỗi từ dữ liệu và cập nhật chúng. Biến đổi dữ liệu có thể được thực hiện trên dữ liệu không gian và thông tin thuộc tính một cách tách biệt hoặc tổng hợp cả hai. - Tương tác với người dùng: Giao tiếp với người dùng là yếu tố quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống thông tin nào. Các giao diện người dùng ở một hệ thống tin được thiết kế phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng đó. 6 Các phần mềm tiêu chuẩn và sử dụng phổ biến hiện nay trong khu vực Châu Á là ARC/INFO, MAPINFO, ILWIS, WINGIS, SPANS, IDRISIW,... Hiện nay có rất nhiều phần mềm máy tính chuyên biệt cho GIS, bao gồm các phần mềm như sau: - Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý số liệu thông tin địa lý: ACR/INFO, SPAN,ERDAS-Imagine, ILWIS, MGE/MICROSTATION, IDRISIW, IDRISI, WINGIS, - Phần mềm dùng cho lưu trữ, xử lý và quản lý các thông tin địa lý: ER- MAPPER, ATLASGIS, ARCVIEW, MAPINFO,.. Tuỳ theo yêu cầu và khả năng ứng dụng trong công việc cũng như khả năng kinh phí của đơn vị, việc lưu chọn một phần mềm máy tính sẽ khác nhau. d. Dữ liệu Có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu. Các dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc được mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại. Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để tổ chức lưu giữ và quản lý dữ liệu. Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý riêng lẽ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu. Những thông tin địa lý có nghĩa là sẽ bao gồm các dữ kiện về (1) vị trí địa lý, (2) thuộc tính của thông tin, (3) mối liên hệ không gian của các thông tin, và (4) thời gian. Có 2 dạng số liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là: - Cơ sở dữ liệu bản đồ: là những mô tả hình ảnh bản đồ được số hoá theo một khuôn dạng nhất định mà máy tính hiểu được. Hệ thống thông tin địa lý dùng cơ sở dữ liệu này để xuất ra các bản đồ trên màn hình hoặc ra các thiết bị ngoại vi khác như máy in, máy vẽ. - Số liệu thuộc tính: được trình bày dưới dạng các ký tự hoặc số, hoặc ký hiệu để mô tả các thuộc tính của các thông tin thuộc về địa lý. Trong các dạng số liệu trên, số liệu Vector là dạng thường sử dụng nhất. Tuy nhiên, số liệu Raster rất hữu ích để mô tả các dãy số liệu có tính liên tục như: nhiệt độ, cao độ...và thực hiện các phân tích không gian của số liệu. Còn số liệu thuộc tính được dùng để mô tả cơ sở dữ liệu. 7 Có nhiều cách để nhập số liệu, nhưng cách thông thường nhất hiện nay là số hoá bằng bàn số hoá, hoặc thông qua việc sử dụng máy quét ảnh e. Chính sách 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 được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin. Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong 1 khung tổ chức phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu trữ và phân tích số liệu, đồng thời có khả năng phát triển được hệ thống GIS theo nhu cầu. Trong quá trình hoạt động, mục đích chỉ có thể đạt được và tính hiệu quả của kỹ thuật GIS chỉ được minh chứng khi công cụ này có thể hỗ trợ những người sử dụng thông tin để giúp họ thực hiện được những mục tiêu công việc. Ngoài ra việc phối hợp giữa các cơ quan chức năng có liên quan cũng phải được đặt ra, nhằm gia tăng hiệu quả sử dụng của GIS cũng như các nguồn số liệu hiện có. Như vậy, trong 5 hợp phần của GIS, hợp phần chính sách và quản lý đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thố