Đề tài Xây dựng hệ thống quản lý bản đồ số dựa trên công nghệ mapserver

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Cao Cường XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ BẢN ĐỒ SỐ DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MAPSERVER KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công Nghệ Thông Tin HÀ NỘI - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Cao Cường XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ BẢN ĐỒ SỐ DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MAPSERVER KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công Nghệ Thông Tin Cán bộ hướng dẫn: TS. Trần Minh HÀ NỘI - 2009 TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN Ngày nay Hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System) đã phát triển rất mạnh, nó được ứng dụng vào rất nhiều ngành và lĩnh vực khác nhau như trong quân sự, dự báo thời tiết, bản đồ tìm đường đi, bản đồ địa chất, khoáng sản… Cùng với sự bùng nổ của mạng internet toàn cầu và phần cứng máy tính, GIS đã phát triển công nghệ cho phép chia sẻ các thông tin qua mạng, người sử dụng ở khắp mọi nơi trên thế giới đều có thể sử dụng các ứng dụng này thông qua internet. Việc này đòi hỏi phải có một ứng dụng trên nền web là sự kết hợp của GIS và web, để quản lý các thông tin trên bản đồ cho phép xem nội dung các thông tin bản đồ trên web, có thể thêm hoặc xóa sửa các thông tin này. Bên cạnh đó, xu hướng phát triển phần mềm dựa trên công nghệ mã nguồn mở cũng đang được phát triển rất mạnh vì nhiều lợi ích mà nó mang lại. Vì thế, việc nghiên cứu ứng dụng quản lý bản đồ số dựa trên cơ sở mã nguồn mở sẽ mang lại khả năng chia sẻ thông tin địa lý rộng rãi. Nội dung chính của đề tài là nghiên cứu công nghệ mã nguồn mở MapServer, trên cơ sở đó xây dựng một ứng dụng quản lý bản đồ số WebGIS phục vụ cho mục đích nhất định. Mục lục Mở đầu..................................................................................................................1 Chương 1 Cơ sở địa lý học ..................................................................................3 1.1 Khái niện chung về bản đồ địa lý ....................................................................3 1.1.1 Định nghĩa bản đồ......................................................................................3 1.1.1.1. Bản đồ - mô hình toán học..................................................................3 1.1.1.2. Mô hình thực tiễn................................................................................4 1.1.1.3. Bản đồ - mô hình qui ước ...................................................................5 1.1.2 Các tính chất của bản đồ ............................................................................5 1.1.3 Cơ sở toán học của bản đồ địa lý...............................................................6 1.1.3.1. Tỉ lệ bản đồ (map scale)......................................................................6 1.1.3.2. Cơ sở trắc địa – thiên văn của bản đồ .................................................6 1.1.3.3. Hệ toạ độ ...........................................................................................8 1.2 Các hệ qui chiếu bản đồ (Map Projection) ......................................................8 1.2.1 Lưới chiếu bản đồ (lưới kinh vĩ tuyến)......................................................8 1.2.1.1. Phép chiếu bản đồ ...............................................................................8 1.2.1.2. Các phép chiếu hình và lưới chiếu hình..............................................9 1.2.2 Bố cục bản đồ ............................................................................................14 1.3. Các phương pháp biểu thị hiện tượng trên bản đồ .........................................14 1.3.1. Phương pháp đường đẳng trị ....................................................................14 1.3.2. Phương pháp chấm điểm ..........................................................................15 1.3.3. Phương pháp ký hiệu đường ..................................................................... 15 1.3.4. Phương pháp ký hiệu đường chuyển động ............................................... 15 1.3.5. Phương pháp biểu đồ định vị....................................................................16 1.3.6. Phương pháp ký hiệu ................................................................................16 1.3.7. Phương pháp biểu đồ ..............................................................................16 Chương 2 GIS – Hệ thống thông tin địa lý........................................................17 2.1. Khái niệm hệ thống thông tin địa lý ...............................................................17 2.1.1 Định nghĩa GIS ..........................................................................................17 2.1.2 Các thành phần của GIS ............................................................................18 2.1.2.1. Thiết bị (Hardware).............................................................................18 2.1.2.2. Phần mềm............................................................................................18 2.1.2.3. Chuyên viên ........................................................................................19 2.1.2.4. Dữ liệu địa lý (Geographic data) ........................................................19 2.1.2.5. Chính sách và quản lý .........................................................................20 2.2 Dữ liệu trong GIS ............................................................................................20 2.2.1 Các dạng dữ liệu GIS.................................................................................20 2.2.2 Mô hình thông tin không gian ...................................................................20 2.2.2.1. Hệ thống vector...................................................................................21 2.2.2.2. Hệ thống raster ....................................................................................25 2.2.2.3. Chuyển đổi cơ sở dữ liệu dạng vector và raster ..................................29 2.2.2.4. So sánh vector và raster ......................................................................30 2.2.3 Mô hình thông tin thuộc tính .....................................................................31 2.3. WebGIS – Công nghệ GIS qua mạng ............................................................33 2.3.1. Giới thiệu WebGIS ...................................................................................34 2.3.2. Sơ đồ hoạt động của WebGIS...................................................................34 2.3.3. Tiềm năng của WebGIS............................................................................35 2.3.4. Các kiến trúc triển khai WebGIS..............................................................35 2.3.4.1. Server side...........................................................................................35 2.3.4.2. Client side ...........................................................................................36 2.3.4.3. Kết hợp cả 2 chiến lược ............................................................................37 2.3.5. Trao đổi dữ liệu của hệ thống WebGIS....................................................38 2.3.5.1. Web Map Service / Server ..................................................................38 2.3.5.2. Web Feature Service / Server .............................................................39 Chương 3 MapServer – WebGIS Application ..................................................40 3.1. Giới thiệu Mapserver......................................................................................40 3.2. Các thành phần của Mapserver......................................................................41 3.2.1 File khởi tạo ...............................................................................................41 3.2.2 Map file......................................................................................................41 3.2.3 Template file ..............................................................................................42 3.2.4 Dữ liệu GIS................................................................................................42 3.3. Sơ đồ hoạt động của Mapserver ....................................................................42 3.4. Cài đặt Mapserver...........................................................................................43 3.5. Tìm hiểu Mapfile ............................................................................................44 3.5.1. Map Object ...............................................................................................44 3.5.2. Layer Object .............................................................................................46 3.5.3. Query Map Object ....................................................................................48 3.5.4. Projection Object ......................................................................................49 3.6. Kết nối các loại dữ liệu...................................................................................51 3.6.1. Dữ liệu ESRI Shapefiles (SHP)................................................................51 3.6.2. Kết nối dữ liệu Raster ...............................................................................53 3.6.3. Kết nối dùng thư viện OGR......................................................................56 3.6.4. Kết nối dữ liệu dùng WMS.......................................................................60 3.6.5. Kết nối dữ liệu dùng WFS (Web Feature Server) ....................................62 Chương 4: Xây dựng hệ thống quản lý bản đồ số dựa trên công nghệ MapServer ............................................................................................................64 4.1 Bài toán xây dựng hệ thống quản lý bản đồ số................................................64 4.2 Dữ liệu bản đồ .................................................................................................64 4.2.1 Shapefile ....................................................................................................64 4.2.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu..............................................................................65 4.3 Xây dựng chương trình....................................................................................66 4.3.1 Tạo Mapfile................................................................................................66 4.3.2. Xây dựng các chức năng...........................................................................67 4.3.2.1. Công cụ phóng to, thu nhỏ, pan ..........................................................67 4.3.2.2. Công cụ hiển thị, tắt các lớp ...............................................................67 4.3.2.3. Công cụ hiển thị thông tin của đối tượng............................................68 4.3.2.4. Công cụ tìm kiếm................................................................................68 4.3.3. Xây dựng các hàm xử lý ...........................................................................68 4.4. Cài đặt chương trình và thử nghiệm...............................................................71 4.4.1. Cài đặt .......................................................................................................71 4.4.2. Một số giao diện chương trình..................................................................71 4.4.3. Thử nghiệm chương trình .........................................................................74 Kết luận ................................................................................................................75 1 Mở đầu Trong lịch sử, con người đã biết sử dụng bản đồ từ rất lâu, bản đồ ban đầu chỉ là hình vẽ mô tả những thực thể trên mặt đất ở dạng đơn giản bằng các điểm, đường. Nó thường là các bản đồ quân sự và bản đồ thám hiểm. Ngày nay bản đồ giấy không chỉ là bản đồ quân sự hay thám hiểm, nó đã mang trên mình được rất nhiều thông tin, và phân ra làm nhiều loại bản đồ khác nhau. Nó sử dụng các đường nét, màu sắc, ký hiệu, chữ và số để thể hiện các thông tin địa lý. Nó có thể mô tả vị trí, hình dạng đặc tính có thể nhận thấy như phong cảnh: sông, suối, đường xá, làng mạc, rừng cây… Bản đồ giúp con người có cái hình dung tổng thể và trừu tượng hơn, chúng ta có thể dùng bản đồ để tìm đường đi, tìm điểm du lịch… Tuy nhiên ngày nay thì lượng thông tin càng ngày càng nhiều, và phân hóa thành nhiều lĩnh vực khác nhau. Bản đồ in trên giấy với nhiều nhược điểm như thời gian xây dựng, đo đạc tạo lập và con người dùng cho việc tạo bản đồ là rất nhiều và tốn kém. Lượng thông tin trên bản đồ giấy lại hạn chế vì quá nhiều thông tin sẽ gây khó đọc, và không thể cập nhật theo thời gian. Bản đồ máy tính ra đời, nó là sự mô hình hóa không gian và lưu trữ vào trong máy tính, nó có thể hiển thị trên máy tính và in ra giấy. Thuật ngữ GIS (hệ thống thông tin địa lý) ra đời, GIS hình thành từ các ngành khoa học: địa lý, toán học, bản đồ, và tin học. GIS là một hệ thống nó bao gồm cả phần cứng và phần mềm, phục vụ cho việc vẽ bản đồ, phân tích vật thể, hiện tượng trên trái đất. GIS có thể tạo được bản đồ tĩnh nhiều màu sắc đẹp và hơn nữa là bản đồ động, giúp người dùng có thể chọn lựa và bỏ bất cứ thành phần nào trên bản đồ nhằm phân tích một cách nhanh chóng các yếu tố trên bản đồ. GIS ra đời từ những năm 1960 tới nay, nhưng nó chưa đến được với người dùng, vì các ứng dụng GIS thường vẫn là các ứng dụng GIS chạy trên máy tính đơn, yêu cầu phải có phần mềm riêng biệt cho việc xử lý các thông tin GIS. Cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin và mạng internet toàn cầu, máy tính đã trở nên phổ biến. Và GIS cũng đã thực sự bùng nổ từ nhu cầu thực tiễn. Tất cả các ngành như quy hoạch, quản lý tài nguyên và môi trường, quản lý đô thị, giao thông, phòng chống và giảm nhẹ thiên tai, thông tin du lịch; tất cả các cấp từ quốc gia, tỉnh, huyện đến xã, thôn đều có nhu cầu ứng dụng GIS cho các hoạt động điều hành, quản lý. Bản đồ sẽ được số hóa và đưa lên trên mạng internet, người dùng trên khắp thế giới chỉ cần có máy tính nối mạng internet và trình duyệt web, là có thể sử dụng bản đồ này một cách dễ dàng mà không phải cài đặt thêm một phần mềm nào phức tạp và tốn kém. 2 Nội dung chính của đề tài là tìm hiểu công nghệ Mapserver mã nguồn mở, áp dụng xây dựng các ứng dụng GIS mà tiêu biểu là WebGIS trên internet. Nội dung khóa luận được chia làm 4 chương. Chương 1: Cơ sở địa lý học, tìm hiểu về bản đồ, cơ sở toán học của bản đồ, các phép chiếu hình bản đồ, các phương pháp biểu thị đối tượng trên bản đồ. Chương 2: GIS các thành phần của một hệ thống GIS, các dạng dữ liệu GIS, WebGIS công nghệ GIS trên mạng internet. Chương 3: Tìm hiểu phần mềm mã nguồn mở MapServer, hoạt động của Mapserver, Các thành phần của Mapserver, Kết nối dữ các loại dữ liệu bản đồ trong MapServer. Chương 4 : Xây dựng hệ thống quản lý bản đồ số dựa trên MapServer Khóa luận sẽ rất khó hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ tận tình, và truyền đạt các kiến thức mới của thầy TS. Trần Minh. Em xin chân thành cảm ơn sự dạy dỗ chỉ bảo của thầy. Qua khóa luận em cũng xin được trân trọng cảm ơn các Thầy cô trong trường đã giảng dạy cho em kiến thức trong suốt bốn năm học, làm nền tảng vững chắc cho em thực hiện khóa luận. Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết mình, nhưng do thời gian cũng như kiến thức của bản thân còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! 3 Chương 1: Cơ sở địa lý học 1.1. Khái niệm chung về bản đồ địa lý 1.1.1. Định nghĩa bản đồ Bản đồ địa lý là sự biểu thị thu nhỏ qui ước của bề mặt trái đất lên mặt phẳng, xây dựng trên cơ sở toán học với sự trợ giúp và sử dụng các ký hiệu qui ước để phản ánh sự phân bố, trạng thái và mối quan hệ tương quan của các hiện tượng thiên nhiên và xã hội được lựa chọn và khái quát hoá để phù hợp với mục đích sử dụng của bản đồ và đặc trưng cho khu vực nghiên cứu. Hình 1: Biểu thị của bề mặt trái đất lên mặt phẳng 1.1.1.1. Bản đồ - mô hình toán học Chúng ta biết trái đất có dạng Geoid, nhưng trong thực tế được coi là hình Elipxoid có kích thước và hình dạng gần đúng như hình Geoid. Bề mặt Geoid được tạo bởi mặt nước biển trung bình yên tĩnh kéo dài qua các lục địa và hải đảo tạo thành một mặt cong khép kín. Do tác dụng của trọng lực, sự phân bố không đều của vật chất có tỉ trọng khác nhau trong lớp vở trái đất làm cho bề mặt Geoid bị biến đổi phức tạp về mặt hình học. 4 Hình 2: Dạng Geoid và hình Elipxoid Khi biểu thị lên mặt phẳng một phần nhỏ bề mặt trái đất (trong phạm vi 20x20 km) thì độ cong trái đất có thể bỏ qua. Trong trường hợp này các đường thẳng đã đo trên thực địa được thu nhỏ theo tỷ lệ qui định và biểu thị trên giấy không cần hiệu chỉnh độ cong của trái đất. Những bản vẽ như thế gọi là bình đồ. Trên bình đồ, tỷ lệ ở mọi nơi và mọi hướng đều như nhau. Trên bản đồ biểu thị toàn bộ trái đất hoặc một diện tích lớn thì độ cong của trái đất là không thể bỏ qua.Việc chuyển từ mặt Elipxoid lên mặt phẳng được thực hiện nhờ phép chiếu bản đồ. Các phép chiếu biểu hiện quan hệ giữa toạ độ các điểm trên mặt đất và toạ độ các điểm đó trên mặt phẳng bằng các phương pháp toán học. Các phần tử nội dung bản đồ giữ đúng vị trí địa lý, nhưng sẽ có sai số về hình dạng hoặc diện tích. 1.1.1.2. Mô hình thực tiễn Trên bản đồ người ta thể hiện các đối tượng và hiện tượng có trên mặt đất trong thiên nhiên, xã hội và các lĩnh vực hoạt động của con người. Các yếu tố nội dung của bản đồ : - Thuỷ hệ - Địa hình bề mặt - Dân cư - Đường giao thông - Ranh giới hành chính - chính trị 5 - Lớp phủ thổ nhưỡng - thực vật - Các đối tượng kinh tế xã hội 1.1.1.3. Bản đồ - mô hình qui ước Các yếu tố nội dung của bản đồ được thể hiện bằng những ký hiệu qui ước. Các ký hiệu thể hiện vị trí, hình dáng kích thước của đối tượng trong thực tế, ngoài ra còn thể hiện một số đặc trưng về số lượng và chất lượng. Phân ra 3 loại ký hiệu: - Ký hiệu theo tỷ lệ vùng - Ký hiệu theo tỷ lệ đường - Ký hiệu theo tỷ lệ điểm Việc thể hiện kích thước và các đặc trưng khác đối tượng trên bản đồ đạt được bằng cách sử dụng màu sắc, cấu trúc của ký hiệu và các ghi chú kèm theo.Việc sử dụng hệ thống ký hiệu qui ước cho phép chúng ta: - Biểu thị toàn bộ bề mặt trái đất hoặc những khu vực lớn trong một bản đồ giúp chúng ta nắm bắt những điểm quan trọng không thể thể hiện với tỷ lệ nhỏ. - Thể hiện bề mặt lồi lõm của trái đất lên mặt phẳng - Phản ánh các tính chất bên trong của sự vật, hiện tượng - Thể hiện sự phân bố, các quan hệ của sự vật, hiện tượng một cách trực quan - Loại bỏ những mặt ít giá trị, các chi tiết vụn vặt không đặc trưng hoặc đặc trưng cho các đối tượng riêng lẻ, mặt khác nêu bật các tính chất căn bản, các tính chất chung. Ký hiệu giữa những nét đặc trưng đó trên các bản đồ khác nhau về tỷ lệ và thể loại. Như vậy tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng các bản đồ khác nhau. 1.1.2. Các tính chất của bản đồ Tính trực quan: bản đồ cho ta khả năng bao quát và tiếp thu nhanh chóng những yếu tố chủ yếu và quan trọng nhất của nội dung bản đồ. Nó phản ánh các tri thức về các đối tượng, hiện tượng được biểu thị bằng bản đồ. Người sử dụng có thể tìm ra những qui luật của sự phân bố các đối tượng và hiện tượng. Tính đo được: có liên quan chặt chẽ với cơ sở toán học của bản đồ. Căn cứ vào tỷ lệ, phép chiếu, vào thang bậc của các dấu hiệu qui ước, người sử dụng có khả năng xác định các trị số khác nhau như: toạ độ, biên độ, khoảng cách, diện tích, thể tích, góc 6 phương hướng. Chính nhờ tính chất này mà bản đồ được dùng làm cơ sở để xây dựng các mô hình toán học của các hiện tượng địa lý, giải quyết c