Công nghệ GIS và WEB trong xây dựng hệ thống thông tin thủy lợi

  • Số trang: 74 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 35 |
  • Lượt tải: 0
tailieuonline

Đã đăng 27372 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------- Trần Hữu Bắc CÔNG NGHỆ GIS VÀ WEB TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN THỦY LỢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------- Trần Hữu Bắc CÔNG NGHỆ GIS VÀ WEB TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN THỦY LỢI Chuyên ngành: Bảo đảm toán học cho máy tính và hệ thống tính toán Mã số: 60.46.35 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN HỮU ĐIỂN Hà Nội - 2012 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................. 7 DANH MỤC HÌNH ................................................................................................................ 7 DANH MỤC BẢNG................................................................................................................ 8 MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ ................................................................ 3 1.1 Tổng quan về hệ thông tin địa lý..................................................................... 3 1.1.1 Khái niệm chung về HTTĐL ........................................................................................ 3 1.1.2 Các thành phần trong hệ thông tin địa lý ................................................................... 3 a. Hệ thống thiết bị phần cứng ............................................................................ 4 b. Hệ thống phần mềm ......................................................................................... 4 c. Hệ thống cơ sở dữ liệu ..................................................................................... 5 d. Đội ngũ chuyên gia và cán bộ kỹ thuật............................................................ 5 e. Các quy trình.................................................................................................... 5 1.1.3 Chức năng cơ bản của GIS ........................................................................................... 6 a. Nhập dữ liệu..................................................................................................... 6 b. Lưu trữ và quản lý dữ liệu ............................................................................... 6 c. Xử lý dữ liệu đơn giản...................................................................................... 6 d. Xuất dữ liệu và trình bày ................................................................................. 7 e. Tương tác với người sử dụng ........................................................................... 8 1.1.4 Các loại thông tin trong hệ thông tin địa lý ................................................................ 8 1.1.5 Tổ chức hệ thông tin địa lý ......................................................................................... 10 1.2 Khái niệm về cơ sở dữ liệu trong hệ thông tin địa lý .................................. 11 1.2.1 Khái niệm chung về cơ sở dữ liệu .............................................................................. 11 a. Khái niệm về hệ cơ sở dữ liệu........................................................................ 11 b. Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu và tính độc lập của dữ liệu........................... 11 1.2.2 Cấu trúc CSDL trong hệ thông tin địa lý.................................................................. 13 a. Cơ sở dữ liệu không gian............................................................................... 13 b. Cơ sở dữ liệu thuộc tính................................................................................. 16 c. Mối liên kết dữ liệu ........................................................................................ 16 1.3 Một số ứng dụng của hệ thông tin địa lý ...................................................................... 17 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PHỤC VỤ CHO THỦY LỢI. 19 2.1 Thiết kế cơ sở dữ liệu thủy lợi ....................................................................... 19 2.1.1 Nội dung cơ sở dữ liệu................................................................................................. 19 a. Các lớp thông tin địa lý nền........................................................................... 19 Bảng 1 Nội dung các lớp thông tin địa lý nền .................................................... 21 b. Các lớp thông tin bản đồ chuyên đề về thủy lợi ............................................ 21 c. Các bảng thông tin thuộc tính chuyên đề về thủy lợi..................................... 21 2.1.2 Quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu thủy lợi ................................................................ 22 a. Cơ sở dữ liệu địa lý nền ................................................................................. 22 b. Cơ sở dữ liệu chuyên đề thủy lợi ................................................................... 22 2.2 Thiết kế hệ thống thông tin thủy lợi ............................................................. 23 2.2.1 Sơ đồ liên kết các thực thể .......................................................................................... 23 a. Quản lý các bảng không gian trên máy khách .............................................. 23 b. Quản lý lịch vận hành.................................................................................... 24 c. Quản lý lịch sử duy tu, sửa chữa công trình thủy lợi..................................... 25 2.2.2 Các đặc tả hệ thống thông tin thủy lợi ...................................................................... 26 a. Biểu đồ khung cảnh: ...................................................................................... 26 b. Biểu đồ các chức năng chính......................................................................... 28 2.3 Tổng quan về ArcGIS .................................................................................... 31 2.3.1 Tổng quan về ArcGIS.................................................................................................. 31 2.3.2 Tổng quan về các ứng dụng ........................................................................................ 32 a. ArcMap .......................................................................................................... 33 b. ArcCatalog..................................................................................................... 34 c. ArcToolbox.................................................................................................... 34 d. ArcScene ........................................................................................................ 35 2.4 Giải pháp công nghệ....................................................................................... 35 2.4.1 Giải pháp về hệ điều hành .......................................................................................... 35 a. Hệ điều hành máy chủ ................................................................................... 35 b. Công nghệ cơ sở dữ liệu ................................................................................ 37 c. Giải pháp kỹ thuật về công nghệ nền............................................................. 37 2.4.2 Lựa chọn mô hình ứng dụng ...................................................................................... 38 2.4.3 Môi trường phát triển ứng dụng................................................................................ 39 2.4.4 Công nghệ hệ thống thông tin địa lý.......................................................................... 39 a. Bộ thư viện phát triển ArcGIS Engine - ESRI ............................................... 39 b. Cổng kết nối cơ sở dữ liệu không gian ArcSDE – ESRI................................ 40 c. Kết hợp ArcGIS Engine và ArcSDE............................................................... 40 d. ArcGIS Engine và ArcSDE Enterprise .......................................................... 41 e. ArcGIS Server ................................................................................................ 41 CHƯƠNG 3: TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ.. 43 3.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu ....................................................................... 43 3.1.1 Vị trí khu đo ................................................................................................................. 43 3.1.2 Đặc điểm tự nhiên, địa hình........................................................................................ 43 3.1.3 Đặc điểm khí tượng thuỷ văn, mạng lưới sông suối................................................ 44 3.2 Khái quát về hệ thống Thủy lợi khu vực thi công ....................................... 46 3.3 Tiến hành thực nghiệm hệ thống cho huyện Vĩnh Tường - Tỉnh Vĩnh Phúc ....................................................................................................................... 48 3.3.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu nền địa lý .............................................................................. 48 3.3.2 Cơ sở dữ liệu chuyên đề thủy lợi................................................................................ 52 3.3.3 Sơ đồ phân cấp chức năng của hệ thống webGIS về thông tin thủy lợi ................ 52 3.4 Thực nghiệm hệ thống ................................................................................... 52 3.4.1 Nguyên lý hoạt động của WebGIS............................................................................. 53 3.4.2 Giao diện trang web..................................................................................................... 55 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 67 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT 1 Viết tắt HTTĐL Diễn giải Hệ thông tin địa lý 2 3 GIS CSDL Geographic Information System Cơ sở dữ liệu 4 HQTCSDL Hệ quản trị cơ sở dữ liệu DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của GIS ...................................................................4 Hình 1.2 Cơ sở dữ liệu HTTĐL ................................................................................17 Hình 2.1 Các bảng không gian trên máy khách ........................................................23 Hình 2.2 Các bảng quản lý lịch vận hành .................................................................24 Hình 2.3 Quản lý lịch sử duy tu sửa chữa.................................................................25 Hình 2.4 Biểu đồ khung cảnh....................................................................................26 Hình 2.5 Liên quan khái quát hóa giữa các tác nhân ................................................27 Hình 2.6 Biểu đồ chức năng chính mức 1.................................................................29 Hình 2.7 Một phần của biểu đồ chức năng chính (mức 2)........................................29 Hình 2.8 Một phần của biểu đồ chức năng chính (mức 2)........................................30 Hình 2.9 Một phần của biểu đồ chức năng chính (mức 2)........................................30 Hình 2.10 Một phần của biểu đồ chức năng chính (mức 2)......................................31 Hình 2.11 Tổng quan về ArcGIS ..............................................................................31 Hình 2.12 Các ứng dụng trong ArcGIS ....................................................................32 Hình 2 13 ArcMap ....................................................................................................33 Hình 2.14 ArcCatalog ...............................................................................................34 Hình 2.15 ArcToolBox..............................................................................................34 Hình 2.16 ArcSence ..................................................................................................35 Hình 2.17 ArcGIS Server..........................................................................................41 Hình 3.1 Personal Geodatabase.................................................................................49 Hình 3.2 Feature Dataset: RanhGioi .........................................................................49 Hình 3.3 Feature Dataset: GiaoThong ......................................................................50 Hình 3.4 Feature Dataset: ThuyHe............................................................................50 Hình 3.5 Feature Dataset: DanCu .............................................................................51 Hình 3.6 Feature Dataset: DiaHinh...........................................................................51 Hình 3. 7 Nguyên lý hoạt động của WebGIS ...........................................................53 Hình 3.8 Web bản đồ trên Visual Studio ..................................................................54 Hình 3.9 Lựa chọn dịch vụ........................................................................................54 Hình 3.10 Hệ thống thông tin thủy lợi ......................................................................55 Hình 3.11 Hệ thống đê điều ......................................................................................55 Hình 3.12 Hệ thống kênh ..........................................................................................56 Hình 3.13 Hệ thống trạm bơm ..................................................................................56 Hình 3.14 Hệ thống cống ..........................................................................................57 Hình 3.15 Danh mục hệ thống đê..............................................................................57 Hình 3.16 Danh mục mặt cắt đê................................................................................58 Hình 3.17 Danh mục hệ thống kè..............................................................................58 Hình 3.18 Danh mục hệ thống điếm canh đê ............................................................59 Hình 3.19 Danh mục hệ thống mốc độ cao đê ..........................................................59 Hình 3.20 Danh mục hệ thống kênh tưới chính ........................................................60 Hình 3.21 Danh mục hệ thống kênh tưới nhánh .......................................................60 Hình 3.22 Danh mục hệ thống kênh tiêu chính.........................................................61 Hình 3.23 Danh mục hệ thống kênh tiêu nhánh........................................................61 Hình 3.24 Cập nhật thông tin hệ thống đê ................................................................62 Hình 3.25 Cập nhật thông tin mặt cắt đê...................................................................62 Hình 3.26 Cập nhật thông tin hệ thống kè ................................................................63 Hình 3.27 Cập nhật thông tin hệ thống trạm bơm tưới .............................................63 DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Nội dung các lớp thông tin địa lý nền .....................................................................21 1 MỞ ĐẦU Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý tài nguyên môi trường đang là một yêu cầu vô cùng cấp bách. Việc xây dựng cơ sở dữ liệu tài nguyên môi trường và vận hành quản lý dữ liệu đang được thúc đẩy mạnh mẽ nhằm mang lại hiệu quả, tiết kiệm thời gian và tiền bạc của nhà nước. Việc phát triển thủy lợi đáp ứng các mục tiêu phát triển kinh tế, xã hội và môi trường đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050, làm cơ sở để phát triển nông nghiệp bền vững, theo hướng hiện đại hóa, thâm canh cao, góp phần phát triển kinh tế, cải thiện đời sống nhân dân, đảm bảo an ninh lương thực và xuất khẩu, lợi ích quốc gia và hài hòa lợi ích giữa các vùng, các ngành đang là một trong những vấn đề quốc sách hàng đầu của đất nước. Để khai thác sử dụng nước hợp lý, phục vụ đa mục tiêu, thống nhất theo lưu vực sông và hệ thống công trình thủy lợi, không chia cắt theo địa giới hành chính. Khai thác sử dụng đi đôi với bảo vệ, chống suy thoái, cạn kiệt nguồn nước, đặc biệt môi trường nước trong hệ thống công trình thủy lợi. Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi thực hiện luận văn: “Công nghệ GIS và Web trong xây dựng hệ thống thông tin Thủy lợi”. Để nghiên cứu đề tài này, tôi dựa trên công nghệ Hệ thông tin địa lý. - Mục tiêu nghiên cứu: + Nghiên cứu giải pháp thiết kế mô hình cơ sở dữ liệu thủy lợi, bao gồm cơ sở dữ liệu thủy văn và cơ sở dữ liệu chuyên đề. + Nghiên cứu mô hình vận hành của hệ thống quản lý thông tin thủy lợi. - Phạm vi nghiên cứu: + Đề tài tập trung nghiên cứu, xây dựng mô hình hệ thống thông tin thủy lợi tại huyện Vĩnh Tường - Tỉnh Vĩnh Phúc. - Phương pháp nghiên cứu: + Tổng hợp và kế thừa các thành quả nghiên cứu ứng dụng của các đề tài, dự án ứng dụng tại các cơ quan nghiên cứu sản xuất. + Sử dụng thiết bị, công nghệ, phần mềm hiện có và các thành quả sản xuất của các đơn vị để thực nghiệm. + Phân tích, đánh giá từ lý thuyết và thực nghiệm về những vấn đề nghiên cứu trong phạm vi đề tài. 2 - Việc thực hiện nghiên cứu đề tài này góp phần bổ sung khả năng ứng dụng của Hệ thông tin địa lý trong công tác xây dựng hệ thông tin phục vụ cho công tác tưới tiêu. Nghiên cứu ứng dụng Hệ thông tin địa lý để hỗ trợ giải quyết một số vấn đề về thủy lợi: + Xây dựng cơ sở dữ liệu về thủy lợi lưu trữ các thông tin chuyên đề về thủy lợi tích hợp với cơ sở dữ liệu bản đồ nền địa hình trong một hệ thống GIS thống nhất. + Hỗ trợ công tác quản lý thủy lợi bằng công nghệ GIS. - Luận văn được trình bày trong 3 chương với 67 trang A4, 46 hình và 1 bảng. Bố cục của luận văn bao gồm: Chương 1: Cơ sở hệ thông tin địa lý - Tổng quan về hệ thông tin địa lý - Khái niệm về cơ sở dữ liệu trong hệ thông tin địa lý - Một số ứng dụng của hệ thông tin địa lý Chương 2: Xây dựng hệ thống thông tin phục vụ cho thủy lợi - Thiết kế cơ sở dữ liệu thủy lợi - Thiết kế hệ thống thông tin thủy lợi - Tổng quan về ArcGIS - Giải pháp công nghệ Chương 3: Tiến hành thực nghiệm hệ thống và kết quả - Đặc điểm khu vực nghiên cứu - Khái quát về hệ thống Thủy lợi khu vực thi công - Tiến hành thực nghiệm hệ thống cho huyện Vĩnh Tường - tỉnh Vĩnh Phúc - Thực nghiệm hệ thống. 3 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ 1.1 Tổng quan về hệ thông tin địa lý 1.1.1 Khái niệm chung về HTTĐL Có nhiều quan niệm khác nhau khi định nghĩa hệ thống thông tin địa lý: "Hệ thông tin địa lý là một hệ thống thông tin bao gồm một số hệ con (subsystem) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành những thông tin có ích" – theo định nghĩa của Calkin và Tomlinson, 1977. "Hệ thông tin địa lý là một hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu bằng máy tính để thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị không gian" (theo định nghĩa của National Center for Geographic Information and Analysis, 1988). Theo định nghĩa của ESRI (Environmental System Research Institute) thì “Hệ thông tin địa lý là một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lý và con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích và kết xuất”. Cho đến nay, định nghĩa được nhiều người sử dụng nhất là: hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu nhất định. 1.1.2 Các thành phần trong hệ thông tin địa lý Một hệ thống GIS gồm có 5 thành phần cơ bản sau: 1. Hệ thống thiết bị phần cứng. 2. Hệ thống phần mềm. 3. Hệ thống cơ sở dữ liệu. 4. Đội ngũ chuyên gia và cán bộ kỹ thuật 5. Các quy trình. 4 Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của GIS [2] a. Hệ thống thiết bị phần cứng Về cơ bản hệ thống thiết bị phần cứng của một hệ thống thông tin địa lý bao gồm các phần chính là bộ xử lý trung tâm (CPU), các thiết bị đầu vào như bàn số hóa, máy quét, các thiết bị thu nhận thông tin điện tử… và các thiết bị lưu trữ, hiển thị như thiết bị ghi ngoài, màn hình, máy vẽ… Máy tính hoặc bộ xử lý trung tâm (CPU) được nối với thiết bị chứa ổ đĩa, cung cấp không gian để lưu trữ số liệu và các chương trình. Máy số hóa (Digitizer) hoặc thiết bị chuyên dụng khác có nhiệm vụ chuyển hóa các số liệu từ bản đồ và các tư liệu thành dạng số rồi đưa vào máy tính. Máy vẽ (Plotter) hoặc các kiểu thiết bị biểu hiện khác được sử dụng để xuất dữ liệu ở dạng số trên màn hình hoặc trên nền vật liệu in. Sự liên hệ bên trong của máy tính cũng có thể thực hiện thông qua một hệ thống mạng với các đường dẫn tư liệu đặc biệt. Người sử dụng máy tính và các thiết bị ngoại vi khác (như máy in, máy vẽ, máy số hóa và các thiết bị khác nối với máy tính) thông qua một thiết bị hiển thị hình ảnh (Video Display Unit - VDU) để cho phép các sản phẩm đầu ra được hiển thị nhanh chóng. b. Hệ thống phần mềm Đi kèm với hệ thống thiết bị Trong HTTĐL ở trên là một hệ phần mềm có tối thiểu 4 nhóm chức năng sau đây: - Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau. - Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tin thuộc tính. 5 - Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối ưu và mô hình phỏng không gian – thời gian. - Hiển thị và trình bày thông tin dưới dạng khác nhau, với các biện pháp khác nhau. Phần mềm được phân thành ba lớp: hệ điều hành, các chương trình tiện ích đặc biệt là các chương trình ứng dụng. c. Hệ thống cơ sở dữ liệu Gồm các loại dữ liệu cần thiết phục vụ cho mục đích sử dụng. Tuy nhiên chúng ta cần phải thấy rằng một hệ thống phần cứng và phần mềm của hệ thống thông tin địa lý chỉ chiếm khoảng 15% giá thành toàn hệ thống, bảo dưỡng hoạt động cho hệ thống chiếm 5% giá trị, đào tạo cán bộ khoảng 10%, còn lại 70% là giá trị của dữ liệu. Vì vậy, có thể nói cơ sở dữ liệu là “linh hồn” của hệ thống thông tin địa lý. Cơ sở dữ liệu là bộ các thông tin được lưu dưới dạng số theo một khuôn dạng nào đó mà máy tính có thể hiểu được và đọc được. Tuy nhiên, các dữ liệu này phải có đủ độ tin cậy và phải luôn được cập nhật. Như vậy, dữ liệu trong hệ thống sẽ là dữ liệu đa thời gian. d. Đội ngũ chuyên gia và cán bộ kỹ thuật Như chúng ta đã biết, đối với một tổ chức không chỉ đơn giản mua hệ thống phần cứng và một phần phần mềm nào đó là đủ, nó đòi hỏi phải có đội ngũ các chuyên gia và cán bộ kỹ thuật là những người trực tiếp thiết kế, xây dựng và và vận hành hệ thống thông tin địa lý. Sự khác nhau giữa hệ thống thông tin địa lý với các hệ thống thông tin địa lý khác ở hai điểm sau: - Cơ sở dữ liệu bao gồm dữ liệu địa lý và các dữ liệu thuộc tính (các dữ liệu chữ – số, dữ liệu multimedial…) và mối quan hệ giữa hai loại dữ liệu này. - Hệ thống thông tin đầu vào và hệ thống hiển thị thông tin đòi hỏi phải có những đặc thù riêng về độ chính xác. e. Các quy trình Gồm các bước thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu, đưa ra kết quả. 6 1.1.3 Chức năng cơ bản của GIS Bất kỳ một hệ thống thông tin địa lý nào cũng phải có các chức năng cơ bản để giải quyết hiệu quả các vấn đề trong thế giới thực. Các chức năng đó là: a. Nhập dữ liệu Bao gồm mọi khía cạnh của việc biến đổi các số liệu thu nhập được dưới dạng các bản đồ, số liệu đo đạc ngoại nghiệp, ảnh hàng không, ảnh vệ tinh và các thiết bị ghi thành một hình thức số tương thích. Một tập hợp lớn các công cụ máy tính cho mục đích này bao gồm đầu tương tác hoặc thiết bị hiện hình khả biến, máy số hóa, các danh mục, số liệu trong các tệp văn bản, các loại máy quét (có thể được đặt trên vệ tinh hoặc máy bay) để ghi trực tiếp hoặc để chuyển đổi các bản đồ và các hình ảnh chụp sang dạng khác mà máy tính có thể đọc được cùng với các thiết bị cần thiết cho việc ghi các số liệu đã viết trên phương tiện từ như băng từ hay đĩa từ. Việc nhập dữ liệu và kiểm tra dữ liệu cần thiết cho xây dựng một cơ sở dữ liệu địa lý. Việc kiểm tra thông tin dữ liệu đầu vào có yêu cầu sau: + Tất cả các thông tin đầu vào phải đảm bảo tính chính xác duy nhất và không có lỗi khi mô tả thuộc tính. + Kiểm tra các lỗi sai lệch vị trí, tỷ lệ, độ méo hình và tính không đầy đủ của các thông tin dữ liệu không gian bằng cách vẽ ra với cùng tỷ lệ và so sánh với các thông tin gốc. + Kiểm tra các thông tin sai sót đối với các thông tin không gian bằng cách in ra và kiểm tra so với thông tin đã có. b. Lưu trữ và quản lý dữ liệu Các chương trình phần mềm được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ tổ chức cơ sở dữ liệu và có thể xem đây là hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu. Các chương trình này sẽ lưu trữ và quản lý dữ liệu theo cách thức chuẩn mẫu riêng hợp lý để đáp ứng mọi nhu cầu cần thiết của hệ thống sao cho có hiệu quả cao nhất. c. Xử lý dữ liệu đơn giản Bao gồm hai hoạt động là: + Những biến đổi cần thiết để khử các sai số (các sai sót từ các dữ liệu) hoặc đưa chúng vào số liệu mới hoặc so sánh chúng với các bộ số liệu khác. 7 + Xây dựng các phương pháp phân tích có thể áp dụng đối với dữ liệu trong trật tự thực hiện các câu trả lời với các câu hỏi đưa ra đối với hệ thống. Các phép biến đổi có thể thực hiện đối với các dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính của các dữ liệu hoặc dạng riêng lẻ hoặc thành các tổ hợp. Việc sử dụng tối ưu phương pháp biến đổi và sử dụng chúng trong điều kiện thuận lợi và đúng đắn thì đều theo cách biến đổi đơn giản có thể được phối hợp để thực hiện một thể loại nào đó của mô hình hóa địa lý mô hình không gian. Việc kết nối dữ liệu cũng có thể coi như quá trình biến đổi dữ liệu. Kết nối dữ liệu là quá trình rất quan trọng bởi vì khi giải quyết một vấn đề nào đó trong hệ thống thì cần thiết phải kết hợp nhiều loại thông tin khác nhau với nhiều dạng kết hợp chuẩn trong một môi trường hợp nhất để từ đó có được cách nhìn riêng biệt hay tổng thể người thiết kế hệ thống làm việc với hệ thống thông tin địa lý sẽ phải chờ đợi mọi kết quả có được từ phép biến đổi dữ liệu thông qua việc sử dụng và phân tích dữ liệu thật hiệu quả. Quá trình này dẫn đến việc người sử dụng sẽ muốn đặt một lượng hầu như không hạn chế các câu hỏi phân tích và các câu hỏi này cần phải được trả lời bằng cách sử dụng các mô hình tổ hợp tìm kiếm dữ liệu và cách lựa chọn phép biến đổi. Các câu hỏi phân tích mà một hệ thống thông tin địa lý có thể trả lời về thông thường được miêu tả theo hai cách: theo định nghĩa thông thường và qua các khả năng thực hiện của các bài toán tử không gian và sự liên kết dữ liệu. Có một số dạng câu hỏi chính mà hệ thống thông tin địa lý thông dụng có thể trả lời được là: + Có cái gì tại vị trí này? + Mối quan hệ giữa các đối tượng như thế nào? + Ở đâu thỏa mãn những điều kiện này? + Cái gì đã thay đổi và thay đổi như thế nào từ thời điểm này đến thời điểm khác? + Những mẫu không gian nào tồn tại? + Nó sẽ như thế nào nếu quá trình diễn ra? d. Xuất dữ liệu và trình bày Sau các quá trinh xử lý số liệu, kết quả thu được sẽ thể hiện theo nhiều phương thức khác nhau và các kết quả phân tích sẽ được báo cáo cho người sử dụng theo nhiều dạng. 8 Các số liệu có thể được biểu thị dưới dạng bản đồ, các bảng biểu hay hình vẽ (đồ thị hoặc sơ đồ khối) theo nhiều phương thức. Số liệu sẽ được chuyển từ dạng hình ảnh luôn thay đổi thông tin giữa các hệ thống máy tính và chúng sẽ được chuyển đổi nhờ các công cụ trung gian như băng từ, đĩa từ, các loại mạng thông tin khác. e. Tương tác với người sử dụng Đó là yếu tố thiết yếu cho sự thừa nhận và sử dụng bất cứ hệ thống thông tin nào. Trước đây, một số phần mềm đồ họa của hệ thống thông tin địa lý được đặt trong môi trường điều hành DOS như: AutoCad, Arc/info,… nên giao diện giữa thao tác viên và hệ thống bị hạn chế, không linh hoạt, hiệu quả. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ tin học, khả năng giao diện giữa người và máy càng ngày càng thân thiện hoàn hảo trong môi trường Windows. 1.1.4 Các loại thông tin trong hệ thông tin địa lý Như trên ta đã giới thiệu, dữ liệu trong HTTĐL bao gồm dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính. Dữ liệu địa lý được thu thập từ các thể loại sau: - Ảnh hàng không, ảnh vệ tinh; - Bản đồ trực ảnh (orthophotomap); - Bản đồ nền địa hình; - Bản đồ địa chính; - Bản đồ địa lý tổng hợp từ các loại bản đồ địa h́ ình; - Các loại bản đồ chuyên đề; - Các số liệu đo đạc thực địa; Các loại ảnh, bản đồ nói trên ở dạng số và lưu dạng vector hoặc raster hoặc hỗn hợp rastor - vector. Các dữ liệu địa lý dạng vector được phân lớp thông tin theo yêu cầu của việc tổ chức các thông tin. Thông thường người ta hay phân tích lớp theo tính chất thông tin như lớp cơ sở toán học, lớp địa hình, lớp thủy văn, lớp đường giao thông, lớp dân cư, lớp thực phủ, lớp địa giới hành chính v.v… Trong nhiều trường hợp để quản lý sâu hơn người ta sẽ phân chia lớp chi tiết hơn như trong lớp thủy văn được phân thành các lớp sông lớn, sông nhỏ, lớp bờ biển, lớp ao hồ v.v… 9 Các thông tin dạng rastor là các thông tin nguồn và các thông tin hỗ trợ, không tham gia quản lý như một đối tượng địa lý. Các thông tin ở dạng vector tham gia trực tiếp vào quản lý và được định nghĩa như những đối tượng địa lý. Các đối tượng này thể hiện ở ba dạng: Điểm, đường và vùng. Mỗi đối tượng đều có thuộc tính hình học riêng như kích thước, màu sắc, vị trí. Vấn đề được đặt ra là tổ chức lưu trữ và hiển thị các thông tin vector như thế nào để thỏa mãn các yêu cầu sau: - Thể hiện đầy đủ các thông tin cần thiết; - Độ dư thừa nhỏ nhất; - Truy nhập thông tin nhanh nhất; - Cập nhật thông tin dễ dàng và không gây sai sót; - Thuận lợi cho việc hiển thị thông tin; Các thuộc tính là các thông tin giải thích cho các hiện tượng địa lý gắn liền với các đối tượng địa lý. Các thông tin này được lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu thông thường. Vấn đề đặt ra là phải tìm được mối quan hệ giữa thông tin địa lý và thông tin thuộc tính. Từ thông tin này có thể tìm được thông tin kia trong cơ sở dữ liệu. Ngày nay, trong hệ thông tin địa lý người ta còn đưa vào một loại thông tin đặc biệt gọi là metadata. Metadata hiện đang được dùng như một thuật ngữ riêng của cơ sở dữ liệu. Ở Việt Nam, thuật ngữ này thường được giữ nguyên trong các văn bản, tài liệu nghiên cứu, đôi khi nó được dịch là dữ liệu của dữ liệu hoặc siêu dữ liệu. Metadata được hiểu là một loại dữ liệu mô tả nội dung, chất lượng, điều kiện và các thông tin khác về dữ liệu trong một cơ sở dữ liệu. Tuy nhiên, về cấu trúc và nội dung, metadata được nhìn nhận theo những quan điểm khác nhau. Trong các từ điển của các nhà tin học, metadata được định nghĩa như một dạng từ điển dữ liệu trợ giúp các nhà thiết kế hệ thống trong việc duy trì tính tương thích giữa các trình ứng dụng trong hệ thống. Từ điển dữ liệu mô tả các thông tin về đường dẫn, vị trí, kiểu dữ liệu và các mô tả dữ liệu sẽ được sử dụng khi chạy các trình ứng dụng. Khi mở rộng phạm vi sử dụng của metadata ra khỏi các trình ứng dụng, metadata được sử dụng trước tiên cho mục đích tra cứu và tìm kiếm dữ liệu. Khi đó metadata đơn giản là dữ liệu ở dạng văn bản chỉ dẫn cho biết các thông tin cơ bản về dữ liệu trong cơ sở dữ liệu như: dữ liệu do ai làm ra; dữ liệu gì, mục đích sử dụng của dữ liệu (dựa trên một số tiêu chuẩn và yêu cầu cụ thể); dữ liệu được xây 10 dựng như thế nào (nguồn tài liệu và công nghệ); có thể sao chép dữ liệu ở đâu, ở dạng dữ liệu nào, và hướng dẫn sử dụng dữ liệu. Tuy nhiên, để phục vụ cho việc chia sẻ dữ liệu và sử dụng dữ liệu một cách hiệu quả đặc biệt là dữ liệu địa lý, nội dung của metadata không dừng lại ở những thông tin cơ bản về dữ liệu. Metadata bổ sung các thông tin giúp người sử dụng đánh giá và truy cập dữ liệu bao gồm thông tin về chất lượng, số lượng, cơ quan, tổ chức quản lý dữ liệu, tính hiện thời, quy chế phân phối và tham khảo dữ liệu. Bên cạnh mục đích đáp ứng nhu cầu tra cứu, tìm kiếm thông tin, metadata còn được nhìn nhận như một công cụ quan trọng trợ giúp các nhà quản trị cơ sở dữ liệu trong công tác quản lý, bảo trì và xây dựng dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. Khi đó, metadata không chỉ trả lời các câu hỏi cơ bản về dữ liệu có trong cơ sở dữ liệu mà nó trả lời cả các câu hỏi liên quan đến quá trình sản xuất, làm bao giờ, ai là người kiểm tra nghiệm thu. Tóm lại, trên cả phương diện kỹ thuật và quản lý, metadata phải được xây dựng để đáp ứng yêu cầu không những của các nhà quản lý hệ thống, người sử dụng dữ liệu, mà còn cả những nhà quản lý cơ sở dữ liệu. Một cách đầy đủ và ngắn gọn, metadata được định nghĩa như sau: “Metadata là một loại dữ liệu được sử dụng để mô tả, định vị và kiểm soát dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. Metadata cũng bao gồm các dữ liệu mô tả và kiểm soát các quá trình xử lý, xây dựng và quản lý dữ liệu. Đây là thông tin cho phép lựa chọn, nhận dạng dữ liệu dựa trên các thuộc tính của nó như: nội dung dữ liệu hay chất lượng của dữ liệu nguồn”. Metadata cũng có thể mô tả dữ liệu bản đồ giấy hay dữ liệu lưu trữ trên băng đĩa từ. 1.1.5 Tổ chức hệ thông tin địa lý Tổ chức hệ thông tin địa lý phải bắt đầu bằng nhiệm vụ đặt ra của hệ thống thông tin. Từ đó xác định được đòi hỏi của các loại thông tin cần thiết như thông tin địa lý dựa trên nền ở tỷ lệ nào, phải có các lớp thông tin nào, độ chính xác của thông tin và thông tin thuộc tính cần có ở dạng nào. Sau khi xác định được nhu cầu thông tin cần tìm xem thông tin này có thể có được từ nguồn nào, có thể lấy được từ cơ sở dữ liệu quốc gia, cơ sở dữ liệu chuyên ngành hay mua trên thị trường thông tin. Nếu các nguồn khai thác thông tin đều chưa có hoặc chưa đủ thì cần xác định tiếp sử dụng biện pháp nào để thu nhận các thông tin còn thiếu. Có thể đặt hàng ở 11 các công ty cung cấp thông tin hoặc tổ chức thu nhập hệ thống thông tin riêng cho mình. Với số lượng dữ liệu cần có nên tổ chức quản lý dưới dạng tập trung hay phân tán cho phù hợp với nhu cầu và hoàn cảnh khai thác thông tin. Khi định dạng thông tin đã rõ mới thiết kế hệ thống phần cứng và phần mềm phù hợp, không cần có tham số mạnh hơn nhu cầu đòi hỏi nhưng cũng không yếu hơn để không thực hiện được nhiệm vụ cần thực hiện. 1.2 Khái niệm về cơ sở dữ liệu trong hệ thông tin địa lý 1.2.1 Khái niệm chung về cơ sở dữ liệu a. Khái niệm về hệ cơ sở dữ liệu Các tệp dữ liệu chứa thông tin có liên quan đến một cơ quan, một tổ chức, một chuyên ngành khoa học tự nhiên hoặc xã hội được lưu trữ trong máy tính theo quy định nào đó, theo mục đích sử dụng được gọi là cơ sở dữ liệu (viết tắt CSDL, tiếng Anh là Database). Phần chương trình để có thể xử lý, thay đổi dữ liệu này là hệ quản trị cơ sở dữ liệu (HQTCSDL, tiếng Anh là Database management system). Theo nghĩa này HQTCSDL có nhiệm vụ rất quan trọng như là một bộ diễn dịch với ngôn ngữ bậc cao nhằm giúp người sử dụng có thể dùng được hệ thống mà ít nhiều không cần quan tâm đến thuật toán chi tiết hoặc biểu diễn dữ liệu trong máy. Mục đích chính của hệ quản trị cơ sở dữ liệu là cung cấp một cách lưu trữ và truy lục thông tin trong cơ sở dữ liệu sao cho vừa thuận tiện vừa hiệu quả. Các hệ quản trị cơ sở dữ liệu được thiết kế để quản lý một lượng lớn thông tin. Việc quản lý dữ liệu bao gồm cả việc định nghĩa các cấu trúc để lưu giữ thông tin. Ngoài ra, các hệ cơ sở dữ liệu phải đảm bảo được sự an toàn cho thông tin được lưu dù có trục trặc hệ thống hoặc có những truy xuất trái phép. Nếu dữ liệu được chia sẻ cho nhiều người dùng chung thì phải tránh được các kết quả sai có thể xảy ra. b. Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu và tính độc lập của dữ liệu Một cơ sở dữ liệu là một tập hợp tin có liên quan với nhau cùng với một tập các chương trình cho phép người sử dụng truy xuất và sửa đổi những tập tin này. Mục đích chính của hệ thống CSDL là cung cấp cho người dùng một hình ảnh trìu 12 tượng về dữ liệu, nghĩa là hệ thống che khuất nhiều chi tiết về việc lưu trữ và duy trì các dữ liệu. Mức trìu tượng hóa thấp nhất của kiến trúc một hệ CSDL là cơ sở dữ liệu vật lý (mức vật lý) là các tệp dữ liệu theo một cấu trúc nào đó được lưu trên các thiết bị nhớ thứ cấp (như đĩa từ, băng từ…). Mức này mô tả chi tiết các cấu trúc dữ liệu phức tạp ở mức thấp nhất. Ở mức vật lý, một mẫu tin có thể được mô tả như một khối các vị trí lưu trữ nằm kế cận nhau (ví dụ như các từ nhớ hoặc byte). Trình biên dịch của ngôn ngữ che khuất không cho chúng thấy mức chi tiết này. Tương tự, hệ thống CSDL che khuất nhiều chi tiết lưu trữ ở mức thấp nhất. Tuy nhiên, người quản trị CSDL có thể biết được một số chi tiết tổ chức vật lý của dữ liệu. CSDL mức khái niệm còn gọi là mức logic, đó là mức trìu tượng hóa kế tiếp mô tả việc những dữ liệu nào được lưu trong CSDL và mối quan hệ tồn tại giữa các dữ liệu này. Mức logic vì thế mô tả toàn bộ CSDL theo một số ít cấu trúc tương đối đơn giản, mặc dù bản cài đặt các cấu trúc đơn giản ở mức logic có thể chứa đựng các cấu trúc phức tạp của mức vật lý, người sử dụng không cần biết về sự phức tạp này. Ở mức này, mỗi mẫu tin như thế được mô tả bằng một định nghĩa kiểu giống như đoạn mã ở trên và mối liên hệ qua lại giữa các kiểu dữ liệu này cũng được định nghĩa. Mức khung nhìn là mức trìu tượng hóa cao nhất chỉ mô tả một phần CSDL. Mặc dù mức logic sử dụng các cấu trúc đơn giản, sự phức tạp vẫn còn do có rất nhiều loại thông tin trong một CSDL lớn. Nhiều người sử dụng hệ thống CSDL không cần tất cả mọi loại thông tin này, thay vào đó họ cần truy xuất một phần CSDL. Như vậy mức khung nhìn tồn tại để đơn giản hóa sự tương tác với hệ thống. Hệ thống có thể cung cấp nhiều khung nhìn trên cùng một CSDL và người sử dụng CSDL chỉ nhìn thấy những khung nhìn này. Về tính độc lập của dữ liệu, chúng ta hãy xem xét các khung nhìn tới CSDL khái niệm và CSDL vật lý cho thấy có hai mức “độc lập dữ liệu”. Thứ nhất, lược đồ con. Việc tổ chức lại CSDL vật lý (thay đổi các tổ chức, cấu trúc dữ liệu trên các thiết bị nhớ thứ cấp) có thể làm thay đổi hiệu quả tính toán của các chương trình ứng dụng nhưng không đòi hỏi phải viết lại các chương trình đó. Tính độc lập này gọi là độc lập dữ liệu mức vật lý. Mối liên hệ giữa các khung nhìn và lược đồ khái niệm do thêm một loại độc lập nữa, gọi là độc lập dữ liệu logic. Khi sử dụng một CSDL, có thể cần thiết phải thay đổi lược đồ khái niệm như thêm thông tin về các loại khác nhau của các thực thể hoặc bớt, xóa các thông tin về các thực thể đang tồn tại trong CSDL. Việc thay 13 đổi lược đồ con đang tồn tại, do đó không cần thiết phải thay đổi các chương trình ứng dụng. Vì thế tính độc lập dữ liệu là mục đích chủ yếu của các hệ CSDL. Có thể định nghĩa tính độc lập dữ liệu là “tính bất biến của hệ ứng dụng đối với các thay đổi trong cấu trúc lưu trữ và chiến lược truy cập”. 1.2.2 Cấu trúc CSDL trong hệ thông tin địa lý Cơ sở dữ liệu chiếm khoảng 70% giá trị của hệ thông tin địa lý. Cơ sở dữ liệu hệ thông tin địa lý là tập hợp dữ liệu có liên quan đến nhau được lưu trữ dưới dạng số. Vì cơ sở dữ liệu của hệ thống có mối liên quan với các đặc điểm chung trên bề mặt trái đất nên nó bao gồm hai nhóm là cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở dữ liệu thuộc tính. Hai loại dữ liệu này cần phải tuân theo một cấu trúc hợp lý để thuận tiện quản lý, lưu trữ, sửa đổi và khai thác theo mục đích sử dụng. a. Cơ sở dữ liệu không gian Cơ sở dữ liệu không gian là cơ sở dữ liệu chứa trong nó những thông tin về định vị của đối tượng. Nó là những dữ liệu phản ánh, thể hiện những đối tượng có kích thước vật lý nhất định. Nếu là những cơ sở dữ liệu không gian địa lý thì đó là những dữ liệu phản ánh những đối tượng có trên bề mặt hoặc ở trong lòng đất. Từ góc độ công nghệ thông tin địa lý, đó là những yếu tố không gian địa lý được phản ánh trên bản đồ bằng những kiểu cấu trúc nhất định. Tuy nhiên cơ sở dữ liệu không gian không đơn thuần là sự mô tả địa chỉ của một khu dân cư mà chúng ta nên hiểu rằng khu dân cư đó chính là một cơ sở dữ liệu không gian. Dữ liệu không gian có ba dạng cơ bản là điểm, đường và vùng. Các đối tương kiểu đất cảnh quan như hồ nước, ranh giới thảm thực vật… là cơ sở dữ liệu dạng vùng, sông, đường giao thông… là những cơ sở dữ liệu dạng đường, điểm mốc trắc địa, điểm giếng khoan… là những cơ sở dữ liệu dạng điểm. Tất cả các đối tượng trên bề mặt trái đất đều có thể gộp vào ba dạng cơ bản trên bởi vì công nghệ hệ thông tin địa lý là công nghệ tin học và máy tính không hiểu được khái niệm giếng khoan, sông... là gì nhưng nó có thể hiểu được định nghĩa về điểm, đường, vùng. Các yếu tố cơ bản nêu trên thường được gắn với lời chú giải hoặc ký hiệu. Ví dụ những bãi bùn cát, vùng cây ngập nước được thể hiện bằng vùng bao phủ tập hợp tọa độ cùng với những ký hiệu thực tế hoặc số quy ước hay ký hiệu đặc biệt.
- Xem thêm -