Tài liệu Phát triển hệ thống cảnh báo dịch bệnh trên cơ sở công nghệ gis

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỖ VĂN XUÂN PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CẢNH BÁO DỊCH BỆNH TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ GIS LUẬN VĂN THẠC SĨ Thái Nguyên - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỖ VĂN XUÂN PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CẢNH BÁO DỊCH BỆNH TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ GIS Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 35 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn: PGS.TS. ĐẶNG VĂN ĐỨC Thái Nguyên - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS. Đặng Văn Đức đến nay em đã hoàn thành luận văn về đề tài “Giám sát tình hình và cảnh báo xu hƣớng lây lan của dịch bệnh cúm gia cầm”. Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Đặng Văn Đức ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn. Em xin cảm ơn quý thầy cô trong trong khoa Công Nghệ Thông Tin trƣờng Đại học Thái Nguyên, đặc biệt là các quý thầy cô trong viện Công nghệ thông tin Hà Nội đã chỉ dạy cho em những kiến thức hết sức quý báu trong thời gian em học tập. Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Sở NN & PTNN Bắc Giang, Ban lãnh đạo, các anh chị các phòng ban của Chi cục thú y tỉnh Bắc giang đã hết sức nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình nghiên cứu, làm luận văn. Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, tập thể cán bộ giáo viên trƣờng Cao đẳng nghề Bắc Giang, mọi ngƣời trong gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ, khuyến khích và động viên tôi trong suốt quá trình học và làm luận văn. Vì lý do thời gian và vì lƣợng kiến thức thực tế còn hạn chế nên trong luận văn của em chắc chắn không tránh khỏi những khiếm khuyết, mong thầy cô giáo cùng các bạn đóng góp ý kiến để em có thể củng cố kiến thức và chƣơng trình của mình đƣợc hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn! Đỗ Văn Xuân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 TÓM TẮT GIS ra đời và đƣợc phát triển mạnh trong những năm gần đây. Cùng với sự bùng nổ về công nghệ của Internet, GIS cũng đã phát triển công nghệ cho phép chia sẻ thông tin thông qua mạng toàn cầu bằng cách kết hợp GIS và Web hay còn gọi là WebGIS . Bên cạnh đó, xu hƣớng chia sẻ dƣ̃ liệu , phát triển phần mềm trên công nghệ mã nguồn mở cũng đang đƣợc quan tâm ở các nƣớc đang phát triển vì nhiều lợi ích mà nó mang lại . Vì thế , việc nghiên cứu ứng dụng WebGIS trên cơ sở mã nguồn mở sẽ mang lại khả năng chia sẻ thông tin địa lý rộng rãi cho các ngành . Nội dung chính của đề tài là tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý GIS và ứng dụng của chúng; nghiên cứu về WebGIS, khả năng xây dựng ứng dụng WebGIS trên cơ sở mã nguồn mở, trên cơ sở đó ứng dụng xây dựng WebGIS phục vụ công tác “Giám sát tình hình và cảnh báo xu hướng lây lan của dịch bệnh cúm gia cầm”. Kết quả của đề tài đã trình bày các nghiên cứu lý thuyết về WebGIS: phân loại, tìm hiểu các chiến lƣợc phát triển WebGIS, tìm hiểu phần mềm xây dựng WebGIS trên cơ sở mã nguồn mở là MapServer và đã xây dựng ứng dụng WebGIS giám sát tình hình và cảnh báo xu hƣớng lây lan của dịch bệnh cúm gia cầm trên địa bàn Bắc Giang. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................. 3 MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIỆT TẮT ........................................................... 5 MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 7 CHƢƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS 1.1. ĐỊNH NGHĨA GIS ..................................................................................... 11 1.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA GIS [4] ...................................................... 12 1.3. CẤU TRÚC DỮ LỊÊU TRONG GIS .......................................................... 14 1.3.1. Dữ liệu không gian ............................................................................... 14 1.3.2. Dữ liệu phi không gian: ........................................................................ 20 1.4. Chức năng................................................................................................... 22 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍCH HỢP WEB-GIS..........................24 2.1. Giới thiệu WEB: ........................................................................................ 24 2.2. Giới thiệu về WebGIS: .............................................................................. 25 2.3. Chức năng của WebGIS: ............................................................................ 27 2.4. Ứng dụng của WebGIS: .............................................................................. 28 2.5. Giải pháp tích hợp và mô hình kết nối WebGIS: ........................................ 28 2.5.1. Các giải pháp tích hợp WebGIS: ......................................................... 28 2.5.1.1. Nặng phía Server/ nhẹ phía Client: ............................................... 31 2.5.1.2. Nhẹ phía Server/ nặng phía Client. ................................................ 32 2.5.2. Sơ đồ hoạt động của WebGIS .............................................................. 33 2.5.3 . Phần mềm mã nguồn mở MAPSERVER ............................................ 34 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG WEBGIS CẢNH BÁO DỊCH BỆNH CÚM GIA CẦM .............................................................................................................................. 37 3.1. PHÂN TÍCH ............................................................................................... 37 3.1.1. Hiện trạng nhu cầu thông tin: ............................................................... 37 3.1.2. Phân loại thông tin: .............................................................................. 37 3.1.3. Phân tích hệ thống và định hƣớng công nghệ: ...................................... 38 3.2. THIẾT KẾ: ................................................................................................. 39 3.2.1. Thiết kế kiến trú c: ................................................................................ 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 3.2.2. Thiết kế cơ sở dƣ̃ liệu ........................................................................... 40 3.2.2.1. Phân tích: ...................................................................................... 40 3.2.2.2. Thiết kế: ........................................................................................ 42 3.3. THIẾT KẾ QUY TRÌNH ............................................................................ 47 3.3.1. Quy trình sao lƣu và phục hồi dữ liệu. .................................................. 47 3.3.2. Quy trình quản lý (hiệu chỉnh, cập nhật) thông tin bản đồ .................... 50 3.3.3. Quy trình cập nhật thông tin trạng thái hiện tại của bệnh dịch .............. 55 3.3.4. Quy trình cập nhật thông tin quản lý và giám sát phòng chống bệnh .... 58 3.3.5. Quy trình dự báo khả năng lây lan của dịch .......................................... 61 3.3.6. Quy trình hiển thị bản đồ dự báo khả năng lây lan dịch bệnh ............... 64 3.3.7. Quy trình hiển thị bản đồ hiện trạng và tình hình bệnh dịch ................. 66 3.3.8. Quy trình hiển thị bản đồ hiện trạng và tình hình bệnh dịch ................. 68 3.3.9. Quy trình hiển thị bản đồ hiện trạng chăn nuôi. .................................... 70 3.3.10. Quy trình tổng hợp, chiết xuất báo cáo ............................................... 72 3.4. THIẾT KẾ MÔ HÌNH HOẠT DỘNG: ....................................................... 76 3.4.1. Mô hình Public: ................................................................................... 76 3.4.2. Mô hình chức năng quản lý hệ thống:................................................... 77 3.4.2.1. Màn hình đăng nhập hệ thống ....................................................... 77 3.4.2.2. Màn hình chính: ............................................................................ 77 3.4.2.3. Màn hình các đơn vị hành chính huyện/ Thị xã: ............................ 79 3.4.2.4. Màn hình danh sách các loại gia cầm: .......................................... 80 3.4.2.5. Màn hình bản đồ hiện trạng dịch bệnh: ......................................... 81 3.4.2.6. Màn hình nhập thông tin chi tiết tình trạng chăn nuôi ................... 82 3.5. CÀI ĐẶT, THƢ̉ NGHIỆM ......................................................................... 84 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 85 1. Các kết quả đạt đƣợc: .................................................................................... 85 2. Hƣớng phát triển của đề tài. ........................................................................... 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO: .................................................................................... 86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIỆT TẮT GIS: Geographic Information System - Hệ thông tin địa lý. ESRI : Environmental System Research Institute DBMS: Data Base Manager System – Hệ quản trị cơ sở dữ liệu. GUI: Graphical User Interface - Giao diện đồ hoạ ngƣời sử dụng. CSDL: Cơ sở dữ liệu. WWW: World Wide Web - mạng toàn cầu. HTML: HyperText Markup Language - Ngôn ngữ siêu văn bản. HTTP: HyperText Transfer Protocol - Giao thức truyền siêu văn bản. CGC: Cúm gia cầm DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống tin địa lý (ESRI) ..................................................................... 11 Hình 1.2: Các thành phần GIS ............................................................................... 13 Hình I.4: Biểu diễn bản đồ véctơ [2] ...................................................................... 16 Hình 1.5: Số liệu Véctơ đƣợc biểu thị dƣới dạng điểm (Point) [4] ......................... 16 Hình 1.6: Số liệu Véctơ đƣợc biểu thị dƣới dạng Arc ............................................ 17 Hình 1.7: Số liệu Véctơ đƣợc biểu thị dƣới dạng vùng (Polygon) [4]..................... 18 Hình 1.8: Mô hình dữ liệu Raster........................................................................... 19 Hình 1.9: Tổ chức cơ sở dữ liệu không gian Raster................................................ 20 Hình 1.10: Quan hệ giữa các nhóm chức năng trong GIS....................................... 23 Hình 2.1: Kiến trúc Web........................................................................................ 24 Hình 2.2: Kiến trúc Web một máy chủ .................................................................. 25 Hình 2.3: Cấu trúc của WWW thiết kế theo mô hình Client/Server ....................... 26 Hình 2.4: Mô hình Client/Server nhiều lớp của tất cả các dịch vụ DGI .................. 27 Hình 2.5: Mô hình kết nối nặng phía Server/nhẹ phía Client .................................. 31 Hình 2.6. Mô hình kết nối nặng phía Client/ nhẹ phía Server ................................. 32 Hình 2.7: Sơ đồ hoạt động của WebGIS ................................................................ 33 Hình 2.8. Sơ đồ hoạt động của MapServer ............................................................. 35 Hình 3.1: Mô hình hệ thống ................................................................................... 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Phân bổ công việc trên hệ thống khách/chủ (client/server)..................... 29 Bảng 3.1: Lớp dữ liệu không gian .......................................................................... 42 Bảng 3.2. Thông tin tỉnh ........................................................................................ 43 Bảng 3.3. Danh sách các huyện (quận). ................................................................. 43 Bảng 3.4. Danh sách các xã ................................................................................... 44 Bảng 3.5. Danh sách các thôn ................................................................................ 44 Bảng 3.6. Danh sách ngƣời sử dụng hệ thống ........................................................ 44 Bảng 3.7. Danh mục các loại gia cầm .................................................................... 45 Bảng 3.8. Tình trạng chăn nuôi gia cầm ................................................................. 45 Bảng 3.9. Tình trạng biến động đàn gia cầm .......................................................... 45 Bảng 3.10. Theo dõi dịch bệnh .............................................................................. 46 Bảng 3.11. Theo dõi chi tiết diễn biến dịch bệnh ................................................... 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề: Trận dịch cúm gia cầm xảy ra cuối năm 2003, đầu năm 2004 đã để lại tổn thất nặng nề cho nền kinh tế không chỉ nƣớc ta mà còn các nƣớc trong khu vực. Dịch cúm gây ra thiệt hại trực tiếp cho ngƣời chăn nuôi, làm mất cân đối về cung và cầu thực phẩm trên thị trƣờng, ảnh hƣởng đến ngƣời tiêu dùng. Không những thế, dịch cúm gia cầm còn gây ảnh hƣởng xấu đến sức khoẻ cộng đồng, đến môi trƣờng sống và trong một số trƣờng hợp dẫn đến thiệt hại nhân mạng. Từ đó đến nay, dịch cúm gia cầm đã tái xuất hiện nhiều lần, tiếp tục đe doạ sự ổn định của kinh tế-xã hội của nhiều nƣớc trên thế giới và đang có nguy cơ trở thành đại dịch cúm của con ngƣời trong phạm vi toàn cầu. Hiện nay, khi xảy ra dịch cúm, các cấp quản lý ở địa phƣơng cũng nhƣ ở trung ƣơng rất thiếu thốn thông tin cần thiết và tức thời cho việc đánh giá tình hình hiện trạng, mức độ nguy hiểm đang tiềm ẩn để có biện pháp xử lý, phòng và chống kịp thời. Ngoài việc chƣa có đƣợc một hệ thống tổ chức điều tra, thu thập thông tin hoàn chỉnh, chúng ta còn thiếu cả phƣơng tiện lƣu trữ, xử lý thông tin. Kết quả điều tra từ các địa phƣơng gửi lên các cơ quan quản lý cấp trên thông qua FAX, bƣu kiện hoặc điện thoại đều đƣợc lƣu trữ dƣới dạng giấy phiếu xếp thành chồng, làm cho việc phân tích, tổng hợp thông tin khó khăn, chậm chạp, không đáp ứng đƣợc yêu cầu của công tác theo dõi, giám sát tình hình dịch cúm và ra quyết định phòng chống. Nói cách khác, có thông tin, mất thời gian, sức ngƣời, sức của để thu thập thông tin, nhƣng hiệu quả khai thác thông tin còn thấp. Đây là hệ quả của việc thiếu một hệ thống thông tin hiện đại để lƣu trữ các loại thông tin điều tra thu thập đƣợc, xử lý chúng một cách nhanh chóng, kịp thời và trong nhiều trƣờng hợp có thể đƣa ra những ý kiến tƣ vấn cho các nhà quản lý. Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographical Information System) đã đƣợc khá nhiều ngƣời quan tâm muốn tìm hiểu và ngày càng nhiều các tổ chức kinh tế xã hội ứng dụng trong công tác nghiên cứu khoa học và sản xuất. Công nghệ GIS đã và đang thâm nhập nhƣ một nhu cầu tất yếu vào hầu hết các ngành cũng nhƣ các địa phƣơng ở Việt Nam. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Thông tin GIS cung cấp cho ngƣời sử dụng hƣớng thay đổi của dữ liệu trong một lãnh thổ theo thời gian, đồng thời xác định những gì có thể xảy ra khi có sự thay đổi dữ liệu đó. Nói cách khác GIS cung cấp cho ngƣời sử dụng những mô hình khác nhau của sự thay đổi. Dữ liệu bản đồ là thành phần chính trong cơ sở dữ liệu của GIS. Các bản đồ gắn chặt với thế giới thực và luôn đƣợc bổ sung những thông tin mới. Nền tảng của thông tin hình học trong GIS là bản đồ đã đƣợc số hoá ở dạng nào đó để có thể thực hiện từ những phép tính đơn giản nhƣ: đo đạt diện tích, chu vi, chiều dài, vị trí ... đến những phép tính phức tạp nhƣ: mở rộng diện tích, xác định giao của nhiều vùng diện tích ... là những bài toán khá phổ biến trong quản lý và nghiên cứu khoa học. Không nhƣ các CSDL thông thƣờng, GIS rất trực quan, thuận tiện và cùng một lúc cung cấp cho ngƣời sử dụng nhiều thông tin một cách tổng hợp. Ví dụ một nhà đầu tƣ cần thông tin để lựa chọn điạ điểm xây dựng một khách sạn hay một cửa hàng tại một huyện nào đó, trên màn hình là bản đồ của huyện với mật độ dân cƣ từng khu vực đƣợc thể hiện bằng các màu khác nhau, nhà đầu tƣ chỉ việc chọn một khu vực có mật độ dân cƣ cao và bấm “con chuột” vào điểm đó, trên màn hình sẽ hiện lên các thông số về: số dân, thành phần dân, địa lý, địa chất, khí tƣợng thuỷ văn, ... của khu vực cần tìm. Các phần mềm GIS cố gắng áp dụng tối đa công nghệ GIS để có thể tạo ra hệ tự động lập bản đồ và phƣơng tiện xử lý dữ liệu thông minh, nhƣ hệ chuyên gia,.. Trƣớc những diễn biến ngày càng phức tạp về tình hình dịch bệnh trên đàn vật nuôi trong tỉnh; việc phải có một công cụ quản lý các hoạt động trong lĩnh vực thú y trên địa bàn để có thể đáp ứng nhu cầu thông tin nhanh chóng, chính xác từ đó có những tham mƣu kịp thời cho các cấp chính quyền địa phƣơng là việc làm rất cần thiết. Việc quản lý các đối tƣợng này sẽ rất trực quan và hiệu quả nếu đƣợc xây dựng trên nền công nghệ thông tin địa lý (GIS). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 Nhận thấy những tiện ích của GIS, em lựa chọn và thực hiện đề tài “Phát triển hệ thống cảnh báo dịch bệnh trên cơ sở công nghệ GIS ” Nhằm khắc phục những hạn chế và đáp ứng các yêu cầu trên. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu các kỹ thuật liên quan đến phát triển hệ thống GIS (Geographical Information System) trên nền Web. - Phát triển ứng dụng GIS với khả năng cảnh báo dịch bệnh tại địa phƣơng cấp tỉnh/thành phố. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Mô hình dữ liệu không gian: Dữ liệu véctơ và dữ liệu raster - Mô hình hệ thống GIS véctơ: Kiến trúc kết nối GIS và Web - Khảo sát thu thập dữ liệu bản đồ, dữ liệu một loại dịch bệnh tại cấp tỉnh/thành phố. - Xây dựng thử nghiệm chƣơng trình demo Hệ thống thông tin tích hợp WebGIS trên cơ sở mã nguồn mở, với khả năng cảnh báo dịch bệnh. 4. Phạm vi nghiên cứu - Về giới hạn địa lý: Nghiên cứu và xây dựng hệ thống thông tin quản lý và hỗ trợ dự báo dịch bệnh dịch cúm gia cầm từ thôn, xóm lên xã, huyện và tỉnh dựa theo sơ đồ giám sát dịch bệnh hiện tại trong lĩnh vực nông nghiệp và y tế. - Về công nghệ: Sử dụng công nghệ mã nguồn mở vì: + Tính an toàn cao. + Tính ổn định và đáng tin cậy. + Giảm phụ thuộc vào nhà cung cấp. + Không hạn chế quyền sử dụng. + Tiết kiệm chi phí trực tiếp. + Tận dụng đƣợc các ý tƣởng của cộng đồng. + Tuân thủ các chuẩn công nghệ chung của thế giới. - Về phần mềm: Sử dụng phần mềm MapServer để xây dựng WebGIS: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 + Phần mềm cho phép tạo ra các bản đồ động và trình bày dữ liệu không gian trên web + Đây là phần mềm đƣợc viết trên công nghệ mã nguồn mở. 5. Bố cục của luận văn: Mở đầu: Giới thiệu khái quát về hệ thống thông tin địa lý và nhu cầu cấp bách của việc cảnh báo dịch bệnh dịch cúm gia cầm.. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của đề tài Chƣơng I: Khái quát về hệ thống thông tin địa lý GIS Tổng quan các kiến thức cơ bản của Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System (GIS), dữ liệu, cơ sở dữ liệu, cơ sở dữ liệu không gian. Tiếp cận đến số hóa bản đồ trên cơ sở dữ liệu nền. Các mô hình cơ sở dữ liệu (mô hình vector, mô hình raster), cơ sở dữ liệu địa lý. Các phép toán đại số quan hệ, các phép toán không gian. Tổng quan các ứng dụng của GIS trong các ngành khoa học liên quan. Chƣơng II: Nghiên cứu giải pháp tích hợp Web-GIS Tìm hiểu về WEB-GIS, chức năng, ứng dụng và các giải pháp tích hợp và mô hình kết nối Web-GIS Chƣơng III: Phát triển ứng dụng GIS trên nền Web Trình bày tóm tắt nội dung bài toán cảnh báo dịch bệnh cúm gia cầm, sự cần thiết phải xây dựng hệ thống cảnh báo dịch bệnh cúm gia cầm và dự báo xu hƣớng lây lan của dịch khi dịch bùng phát. Trình bày về hiện trạng hệ thống cảnh báo dịch bệnh cúm gia cầm ở Bắc Giang. Phân tích, thiết kế, xây dựng và cài đặt thử nghiệm hệ thống cảnh báo dịch bệnh cúm gia cầm. Kết quả đạt đƣợc và hƣớng phát triển của đề tài. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 CHƢƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System- gọi tắt là GIS) là một nhánh của Công nghệ thông tin, đƣợc hình thành vào những năm 60 của thế kỷ trƣớc và phát triển rất rộng rãi trong 10 năm lại đây, GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân... đánh giá đƣợc hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin đƣợc gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu đầu vào. 1.1. ĐỊNH NGHĨA GIS Hệ thông tin địa lý (GIS – Geographical Information Systems), là một hệ thông tin có khả năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, biểu diễn dữ liệu địa lƣ phục vụ giải quyết các bài toán ứng dụng có liên quan tới vị trí địa lý trên bề mặt trái đất hoặc đƣợc định nghĩa nhƣ làm một hệ thông tin với khả năng truy nhập, tìm kiếm, xử lý, phân tích và truy xuất dữ liệu địa lý nhằm hỗ trợ cho công tác quản lý, quy hoạch và quản lý tài nguyên thiên nhiên, môi trƣờng và ý tế. Trừu tƣợng hóa hay đơn giản hóa GIS Phần mềm công cụ Ngƣời sử dụng Kết quả Hình 1.1: Hệ thống tin địa lý (ESRI) [1] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 Trong đó con ngƣời mong mỏi lƣu trữ, quản lý đầy đủ các dữ liệu về thế giới thực nhƣng sẽ dẫn đến phải có cơ sở dữ liệu lớn vô hạn để lƣu trữ mọi thông tin chính xác về chúng. Do vậy, để lƣu trữ đƣợc dữ liệu không gian của thế giới thực vào máy tính phải thực hiện nhƣ hình 1.1. Các đặc trƣng địa lý phải đƣợc biểu diễn bởi các thành phần rời rạc hay đối tƣợng để lƣu vào cơ sở máy tính. Cở sở dữ liệu và các thông tin đƣợc trích lọc từ thế giới thực vì vậy bản đồ là nguồn dữ liệu chủ yếu cho hệ thống GIS. Tại Việt Nam công nghệ GIS cũng đƣợc thí điểm khá sớm, và đến nay đã đƣợc ứng dụng trong khá nhiều ngành nhƣ quy hoạch nông lâm nghiệp, quản lý rừng, lƣu trữ tƣ 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 lƣu trữ, in ấn các tƣ liệu bản đồ bằng công nghệ GIS. Các ứng dụng GIS thuộc lĩnh vực quản lý, điều hành, trợ giúp quyết định hầu nhƣ mới dừng ở mức thử nghiệm, còn cần thời gian và đầu tƣ mới có thể đƣa vào ứng dụng chính thức. Một hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một công cụ dựa trên máy tính dùng cho việc thành lập bản đồ và phân tích các đối tƣợng tồn tại và các sự kiện xảy ra trên trái đất. Công nghệ GIS tích hợp giữa các thao tác trên cơ sở dữ liệu nhƣ: đƣa ra các câu hỏi truy vấn (query), phân tích thống kê (statistical analysis) với việc thể hiện và các phép phân tích địa lý. Những khả năng đó của hệ thống GIS đã phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và tạo cho nó một giá trị đến khu vực công cộng và cá nhân để giải thích các sự kiện, dự báo các hậu quả, và lên kế hoạch chiến lƣợc. 1.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA GIS [3] Công nghệ GIS bao gồm 5 thành phần cơ bản là:  Phần cứng (hardware)  Phần mềm (software)  Dữ liệu (Geographic data)  Con ngƣời (Expertise)  Phƣơng pháp (Policy and management) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 Phần cứng Phần mềm Con ngƣời Dữ liệu Phƣơng pháp Hình 1.2: Các thành phần GIS [3] 1.2.1. Phần cứng (Hardware) Phần cứng bao gồm máy vi tính (computer), máy vẽ (plotters), máy in (printer), bàn số hoá (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), các phƣơng tiện lƣu trữ số liệu (Floppy diskettes, optical cartridges, C.D ROM v.v...) GIS làm việc trên đó. 1.2.2. Phần mềm (Software) Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lƣu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Các thành phần chính trong phần mềm GIS là: - Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý - Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) - Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý - Giao diện đồ hoạ ngƣời- máy (GUI) để truy cập các công cụ dễ dàng 1.2.3. Con ngƣời (People) Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con ngƣời tham gia quản lý hệ thống và phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế. Ngƣời sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, ngƣời thiết kế và duy trì hệ thống, hoặc những ngƣời dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc. 1.2.4. Dữ liệu (Data) Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lƣu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý. Các thành phần chính trong phần mềm GIS là: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 - Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý - Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) - Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý - Giao diện đồ hoạ ngƣời- máy (GUI) để truy cập các công cụ dễ dàng 1.2.5. Phƣơng pháp (Methods) Ðây là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS. Hệ thống GIS cần đƣợc điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải đƣợc bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ ngƣời sử dụng thông tin. 1.3. CẤU TRÚC DỮ LỊÊU TRONG GIS 1.3.1. Dữ liệu không gian Dữ liệu không gian là dữ liệu về đối tƣợng mà vị trí của nó đƣợc xác định trên bề mặt Trái Đất. Dữ liệu không gian sử dụng trong hệ thống địa lý luôn đƣợc xây dựng trên một hệ thống tọa độ. Mô hình dữ liệu địa lý là các qui tắc đƣợc sử dụng để biến đổi đặc trƣng địa lý của thế giới thực thành các đối tƣợng rời rạc. Mô hình dữ liệu đƣợc sử dụng để biểu diễn thực thể với mức độ phức tạp khác nhau. Thực thể là nhận thức vì thế giới thực quá phức tạp, không thể chỉ ra mọi khía cạnh của chúng. Việc lựa chọn mô hình dữ liệu phụ thuộc vào loại ứng dụng và kết quả mong đợi. Hệ thống thông tin địa lý dùng các dữ liệu không gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi. Có 6 loại thông tin bản đồ dùng để thể hiện hình ảnh bản đồ và ghi chú của nó trong hệ thống thông tin địa lý nhƣ sau:  Ðiểm (Point)  Ðƣờng (Line)  Vùng (Polygon)  Ô lƣới (Grid cell)  Ký hiệu (Sympol) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15  Ðiểm ảnh (Pixel) Hệ thông tin địa lý sử dụng hai mô hình dữ liệu cơ bản để biểu diễn các đặc trƣng không gian: mô hình dữ liệu raster và mô hình dữ liệu Véctơ. Mô hình dữ liệu quyết định cách thức mà dữ liệu đƣợc cấu trúc, lƣu trữ, xử lý và phân tích trong một hệ thông tin địa lý. Mô hình dữ liệu raster sử dụng lƣới để thể hiện đặc trƣng không gian. Mô hình dữ liệu Véc tơ sử dụng các điểm và tọa độ của chúng để xây dựng các đặc trƣng không gian nhƣ điểm, đƣờng và vùng. Các đặc trƣng dựa trên mô hình dữ liệu Véctơ đƣợc coi nhƣ các đối tƣợng riêng biệt trong không gian. Nhiều hệ thông tin địa lý sử dụng cả hai mô hình dữ liệu Véc tơ và raster. Rasrer/Ảnh Véc tơ Thế giới thực Hình 1.3: Mô hình lƣu trữ dữ liệu không gian [1] 1.3.1.1. Mô hình dữ liệu Véctơ. Mô hình dữ liệu véctơ xem các sự vật, hiện tƣợng là tập các thực thể không gian cơ sở và tổ hợp của chúng. Trong mô hình 2D thì các thực thể cơ sở bao gồm: điểm (point), đƣờng (line), vùng (polygon). Các thực thể sở đẳng đƣợc hình thành trên cở sở các Véctơ hay toạ độ của các điểm trong một hệ trục toạ độ nào đó. Loại thực thể cơ sở đƣợc sử dụng phụ thuộc vào tỷ lệ quan sát hay mức độ khái quát. Với bản đồ có tỷ lệ nhỏ thì thành phố đƣợc biểu diễn bằng điểm (point), đƣờng đi, sông ngòi đƣợc biểu diễn bằng đƣờng (line). Khi tỷ lệ thay đổi kéo theo sự thay đổi về thực thể biểu diễn. Thành phố lúc này sẽ đƣợc biểu diễn bởi vùng có đƣờng ranh giới. Khi tỷ lệ lớn hơn, thành phố có thể đƣợc biểu diễn bởi tập các thực thể tạo nên các đối tƣợng nhà cửa, đƣờng sá, các trình tiện ích,… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 Nói chung mô hình dữ liệu Véc tơ sử dụng các đoạn thẳng hay các điểm rời rạc để nhận biết các vị trí của thế giới thực. Thế giới thực Bệnh viện Tỉnh A Đƣờng biên hành chính Bệnh viện Bản đồ Véc tơ Tỉnh A Các công trình công cộng Các tầng bản đồ Trục x Hình I.4: Biểu diễn bản đồ véctơ [1] I.3.1.1.1. Kiểu đối tƣợng điểm (Points) Điểm đƣợc xác định bởi cặp giá trị đ. Các đối tƣợng đơn, thông tin về địa lý chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ đƣợc phản ánh là đối tƣợng điểm. Các đối tƣợng kiểu điểm có đặc điểm:  Là toạ độ đơn (x,y)  Không cần thể hiện chiều dài và diện tích Trục y Fiel tọa độ điểm 10 Chỉ số + XY + Chỉ số điểm 5 + 82 + 82 + 10 5 Vị trí không gian Trục x Dữ liệu tọa độ Hình 1.5: Số liệu Véctơ đƣợc biểu thị dƣới dạng điểm (Point) [3] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 Tỷ lệ trên bản đồ tỷ lệ lớn, đối tƣợng thể hiện dƣới dạng vùng. Tuy nhiên trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tƣợng này có thể thể hiện dƣới dạng một điểm. Vì vậy, các đối tƣợng điểm và vùng có thể đƣợc dùng phản ánh lẫn nhau. 1.3.1.1.2. Kiểu đối tƣợng đƣờng (Arcs) Đƣờng đƣợc xác định nhƣ một tập hợp dãy của các điểm. Mô tả các đối tƣợng địa lý dạng tuyến, có các đặc điểm sau:  Là một dãy các cặp toạ độ  Một arc bắt đầu và kết thúc bởi node  Các arc nối với nhau và cắt nhau tại node  Hình dạng của arc đƣợc định nghĩa bởi các điểm vertices  Độ dài chính xác bằng các cặp toạ độ. Trục y Fiel tọa độ điểm Chỉ số 10  Điểm (Vertex)  5 XY    116 Điểm (Vertex) 116  Điểm đầu Trục x Vị trí không gian Dữ liệu tọa độ Hình 1.6: Số liệu Véctơ đƣợc biểu thị dƣới dạng Arc [3] 1.3.1.1.3. Kiểu đối tƣợng vùng (Polygons) Vùng đƣợc xác định bởi ranh giới các đƣờng thẳng. Các đối tƣợng địa lý có diện tích và đóng kín bởi một đƣờng đƣợc gọi là đối tƣợng vùng polygons, có các đặc điểm sau:  Polygons đƣợc mô tả bằng tập các đƣờng, và điểm nhãn. Một hoặc nhiều arc định nghĩa đƣờng bao của vùng . Một điểm nhãn label points nằm trong vùng để mô tả, xác định cho mỗi một vùng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn