Tài liệu Kiến trúc của một hệ thống GIS phân tán

-iĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HÀ BÌNH DƯƠNG KIẾN TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG GIS PHÂN TÁN LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2013 -iiĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HÀ BÌNH DƯƠNG KIẾN TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG GIS PHÂN TÁN Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60 48 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Đặng Văn Đức Hà Nội - 2013 -iiiLỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Đặng Văn Đức, Viện Công nghệ thông tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, người đã định hướng, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Công nghệ Thông tin, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, những người đã tận tình truyền đạt các kiến thức, quan tâm, động viên trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu tại Trường. Nhân đây tôi cũng gửi lời cảm ơn tới nhóm các bạn học cùng lớp K15T2, lớp chuyên ngành Hệ thống thông tin, các bạn đồng nghiệp đã thường xuyên quan tâm, giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm, cung cấp các tài liệu hữu ích trong suốt thời gian học tập tại Trường và đặc biệt là trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp vừa qua. Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Tác giả luận văn Hà Bình Dương -ivLỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn “Kiến trúc của một hệ thống GIS phân tán” là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Đặng Văn Đức, tham khảo các nguồn tài liệu đã chỉ rõ trong trích dẫn và danh mục tài liệu tham khảo. Các nội dung công bố và kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào. Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Tác giả luận văn Hà Bình Dương -vMỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. iii LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................iv DANH SÁCH BẢNG BIỂU ....................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................... viii BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................ix MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ.....................3 1.1. Giới thiệu........................................................................................................3 1.2. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) ....................................................................3 1.2.1. Khái niệm ....................................................................................................3 1.2.2. Các chức năng GIS ...................................................................................... 6 1.2.3. Ứng dụng của GIS ....................................................................................... 7 1.2.4. Các phần mềm GIS thông dụng ..................................................................8 1.3. Hệ thống thông tin địa lý trên nền Web ..................................................... 11 1.3.1. Khái niệm ..................................................................................................11 1.3.2. Các chức năng của Web GIS ....................................................................11 1.3.3. Các phần mềm hỗ trợ tạo Web GIS .......................................................... 12 1.3.4. Ứng dụng cho trình khách để tra cứu ........................................................ 14 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIS PHÂN TÁN ........................................15 2.1. Giới thiệu......................................................................................................15 2.2. Các gợi ý giải quyết...................................................................................... 15 2.2.1. Chính sách, tiêu chuẩn ..............................................................................15 2.2.2. Phân loại lớp dữ liệu .................................................................................28 2.2.3. Mô hình tổ chức dữ liệu ............................................................................29 2.2.4. Mô hình ứng dụng ..................................................................................... 31 2.2.5. Thực thi .....................................................................................................32 CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT, CHẠY THỬ NGHIỆM ..................................................... 35 3.1. Giới thiệu......................................................................................................35 3.2. Thực hiện việc tạo bản sao, đồng bộ hóa tài nguyên GIS ......................... 36 3.3. Thực hiện việc xuất bản tài nguyên GIS thành dịch vụ GIS .................... 39 3.4. Xây dựng ứng dụng bản đồ Web để tra cứu dịch vụ GIS .......................... 41 -vi3.5. Đánh giá .......................................................................................................45 KẾT LUẬN ..................................................................................................................46 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 47 -viiDANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các mở rộng của ArcGIS for Server ............................................................ 13 -viiiDANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình công nghệ hệ thống GIS ....................................................... 4 Hình 1.2: Các thành phần của hệ thống GIS [9] .................................................5 Hình 1.3: Giao diện phần mềm ArcGIS for Desktop ........................................10 Hình 2.1: Kết quả trả về của phương thức GetMap - WMS ............................. 17 Hình 2.2: Mô hình dữ liệu tập trung ..................................................................29 Hình 2.3: Mô hình dữ liệu phân tán ..................................................................30 Hình 2.4: Mô hình tổng quan ............................................................................31 Hình 2.5: Miêu tả tích hợp, phân phối dữ liệu ..................................................31 Hình 2.6: Cơ chế Versioning .............................................................................32 Hình 2.7: Miêu tả cơ chế lưu trữ của Versioning (thửa đất 45 được xóa đi, thửa 47 được thêm vào) .............................................................................................. 33 Hình 2.8: Miêu tả dịch vụ GeoData ...................................................................34 Hình 3.1: ArcSDE với Hệ QT CSDL quan hệ ...................................................35 Hình 3.2: Dữ liệu thửa đất ban đầu ....................................................................37 Hình 3.3: Công cụ Create Replica .....................................................................37 Hình 3.4: Biên tập dữ liệu thửa đất bản sao ...................................................... 38 Hình 3.5: Công cụ Synchronize Changes .......................................................... 38 Hình 3.6: Dữ liệu thửa đất sau khi được đồng bộ ..............................................39 Hình 3.8: Trang thông tin của dịch vụ GIS ....................................................... 42 Hình 3.9: Giao điện ứng dụng Web bản đồ ....................................................... 44 Hình 3.10: Tra cứu thông tin thửa đất ............................................................... 44 -ixBẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT GIS : Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) Web : Mạng máy tính OGC : Open Geospatial Consortium CSDL : Cơ sở dữ liệu DBMS : Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (Database Management Systems) WMS : Web Map Service WFS : Web Feature Service GPS : Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) API : Giao diện lập trình phát triển SQL : Ngôn ngữ truy vấn cấu trúc -1MỞ ĐẦU Ngày nay, công nghệ thông tin đã trở nên không thể thiếu trong đời sống của con người, nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển, tiến bộ của nhân loại và góp phần rất lớn vào sự phát triển của nền kinh tế. Ở nước ta, Chính phủ đặc biệt quan tâm việc phát triển ngành công nghệ thông tin thành một nền công nghiệp mũi nhọn, đặc biệt là việc ứng dụng công nghệ thông tin trong việc hiện đại hóa, kinh tế hóa các ngành, các lĩnh vực, đơn giản hóa thủ tục hành chính và từng bước phát triển Chính phủ điện tử. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) ra đời vào những năm 1960 là một nhánh của công nghệ thông tin và là sự kết hợp của công nghệ thông tin, khoa học trái đất và khoa học thông tin địa lý. GIS đã có những bước phát triển vượt bậc và được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành, các lĩnh vực, như trong các ngành: đo đạc và bản đồ, quản lý, dự báo và sử dụng có hiệu quả tài nguyên, thiên nhiên và môi trường, quản lý quy hoạch đô thị, giao thông, viễn thông, thăm dò khai thác dầu khí… [9]. Trong sự phát triển của các hệ thống thông tin địa lý (GIS), qua mỗi giai đoạn sự phát triển nhằm đáp ứng các nhu cầu thay đổi liên tục và nhanh của con người, nhằm giải quyết các bài toán, các vấn đề liên quan đến thu thập, lưu trữ, quản lý, phân tích và mô hình hóa dữ liệu không gian địa lý. Giai đoạn ban đầu, nhu cầu của con người là số hóa các bản đồ, dữ liệu không gian địa lý dưới dạng giấy, đưa vào lưu trữ, quản lý, hiển thị và phân tích các đối tượng trong nội bộ. Thường khi đó dữ liệu được lưu thành các định dạng tệp riêng lẻ như shapefile của Esri, tab của MapInfo… và được trao đổi dưới hình thức sao chép giữa các máy tính cá nhân. Mô hình này được chấp nhận trong một thời gian khá dài, nhưng dần dần người ta nhận ra nhiều mặt hạn chế của nó. Đó là dữ liệu sẽ dần trở nên manh mún, tồn tại nhiều phiên bản khác nhau, không biết đâu là “cũ”, đâu là “mới nhất”. Đồng thời tính bảo mật cũng không được bảo đảm. Sự phát triển của các mô hình lưu trữ cơ sở dữ liệu đã dần đưa đưa dữ liệu vào trong một hệ quản trị tập trung, đồng nhất. Có thể kể đến các hệ quản trị cơ sở dữ liệu từ thương mại như SQL Server, Oracle cho đến miễn phí như MySQL, PostgreSQL. Dữ liệu không gian địa lý theo trào lưu cũng được đưa vào trong hệ quản trị CSDL. Nhưng do tính khác biệt của dữ liệu địa lý so với dữ liệu thuộc tính thông thường nên người dùng thường phải cài đặt thêm mở rộng nếu muốn hệ quản trị CSDL “hiểu” được dữ liệu địa lý. Mô hình làm việc của một hệ thống GIS đã tiến hóa trong một vài thập kỷ qua. Ở thập niên 1980, công việc GIS thường được thực hiện trên các máy tính trạm. Ở cuối thập niên 1990 cho đến đầu những năm 2000, máy tính cá nhận trở nên dần thông dụng, và công việc về GIS được thực hiện bên trong mạng máy tính tính nội bộ của -2một cơ quan với mô hình khách/chủ. Trong những năm gần đây, cùng với sự bùng nổ của Internet, việc sử dụng thiết bị di động (ví dụ điện thoại thông minh và máy tính bảng) và nhu cầu chia sẻ, cộng tác qua nền web đã thay đổi đáng kể cách thức làm việc trong hệ thống GIS. Nhiều tổ chức giờ đây đã xây dựng luồng công việc trong đó yêu cầu chia sẻ tài nguyên GIS trên nền web, đặc biệt là biến các tài nguyên đó thành các dịch vụ web. Như Jack Dangermond - được coi như là một trong trong những người đi tiên phong trong ngành GIS - đã nói “Các hệ thống thông tin địa lý đang tiến triển nhằm hỗ trợ một kiến trúc mới dựa trên hệ thống mạng. Kiến trúc này có nhiều thành phần tham gia, có khả năng hỗ trợ việc cộng tác, và sẽ cho phép các tổ chức có thể chia sẻ cũng như sử dụng thông tin GIS từ nhiều nguồn phân tán tại một thời điểm” Đề tài tập trung nghiên cứu về mô hình hệ thống thông tin địa lý phân tán của một tổ chức. Qua đó tìm ra các khó khăn, những cách giải quyết và thiết lập một thử nghiệm nhỏ của một hệ thống GIS phân tán. Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các yếu tố hình thành nên một hệ thống GIS, mô hình web, dịch vụ web. Trong khi đó phạm vi nghiên cứu tập trung vào một tổ chức lớn, có nhiều phân hệ rải rác. Luận văn được thực hiện dựa trên các phương pháp suy luận, phân tích, tổng hợp từ các công trình nghiên cứu, các đề tài khoa học có liên quan trong và ngoài nước. Đồng thời tìm hiểu các mô hình triển khai GIS thực tiễn tại các tổ chức. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Gợi ý đường hướng chung xây dựng một hệ thống GIS phân tán vốn đang tồn tại khá nhiều nơi. Triển khai thử nghiệm một vài chức năng như tạo bản sao dữ liệu GIS, đồng bộ hóa từ xa, xây dựng ứng dụng bản đồ web cơ bản để hiển thị dữ liệu. Ngoài phần mở đầu, danh mục ký hiệu viết tắt, mục lục, danh mục tài liệu tham khảo và phần kết luận, nội dung của luận văn gồm ba chương. Ở chương 1 nói về tổng quan về hệ thống thông tin địa lý. Chương này giới thiệu các khái niệm cơ bản, chức năng và ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý (GIS). Chương 2 tập trung vào hệ thống GIS phân tán. Chương này nói về đề xuất thiết kế và xây dựng một hệ thống GIS phân tán (có các phân hệ nằm cách xa nhau). Và cuối cùng, chương 3 miêu tả việc cài đặt thử nghiệm một vài chức năng. -3CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 1.1. Giới thiệu Chương này giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin (GIS), các khái niệm cơ bản, các chức năng của GIS, các hệ thống GIS hiện có trên thị trường và ứng dụng của GIS. Chương này cũng đề cập đến Web GIS, một xu thế đã và đang được hình thành mạnh mẽ. Hệ thống thông tin địa lý phân tán là sự mở rộng của hệ thống thông tin địa lý thông thường. Do đó, trước khi đề cập đến hệ thống thông tin địa lý phân tán, hãy cùng xem xét những khái niệm cơ bản, các chức năng và ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý thông thường. 1.2. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 1.2.1. Khái niệm 1.2.1.1. Định nghĩa Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin được hình thành vào những năm 1960 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 được 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 được gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu đầu vào [9]. Từ năm 1980 đến nay đã có rất nhiều các định nghĩa được đưa ra, tuy nhiên không có định nghĩa nào khái quát đầy đủ về GIS vì phần lớn chúng đều được xây dựng trên khía cạnh ứng dụng cụ thể trong từng lĩnh vực. Có ba định nghĩa được dùng nhiều nhất: Định nghĩa thứ nhất: GIS là một hệ thống thông tin được thiết kế để làm việc với các dữ liệu trong một hệ toạ độ quy chiếu. GIS bao gồm một hệ cơ sở dữ liệu và các phương thức để thao tác với dữ liệu đó. Định nghĩa thứ hai: GIS là một hệ thống nhằm thu thập, lưu trữ, kiểm tra, tích hợp, thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu được quy chiếu cụ thể vào trái đất. Định nghĩa thứ ba: GIS là một chương trình máy tính hỗ trợ việc thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu bản đồ. -41.2.1.2.Mô hình công nghệ Một cách khái quát, có thể hiểu một hệ GIS như là một quá trình gồm các công đoạn nối tiếp nhau như sau: Hình 1.1: Mô hình công nghệ hệ thống GIS Dữ liệu vào: dữ liệu được nhập từ các nguồn khác nhau như chuyển đổi giữa các cách biểu diễn dữ liệu, máy quét, hình ảnh từ vệ tinh, ảnh chụp, … Quản lý dữ liệu: sau khi dữ liệu được thu thập và tổng hợp, GIS cần cung cấp các thiết bị có thể lưu và bảo trì dữ liệu nhằm đảm bảo: bảo mật số liệu, tích hợp số liệu, lọc và đánh giá số liệu, khả năng duy trì. GIS lưu thông tin thế giới thực thành các tầng dữ liệu riêng biệt, các tầng này đặt trong cùng một hệ trục toạ độ và chúng có khả năng liên kết với nhau. Xử lý dữ liệu: các thao tác xử lý dữ liệu được thực hiện để tạo ra thông tin. Nó giúp cho người sử dụng quyết định cần làm tiếp công việc gì. Kết quả của xử lý dữ liệu là tạo ra các ảnh, báo cáo và bản đồ. Phân tích và mô hình: số liệu tổng hợp và chuyển đổi chỉ là một phần của GIS. Những yêu cầu tiếp theo là khả năng giải mã và phân tích về mặt định tính và định lượng thông tin đã thu thập. Dữ liệu ra: một trong các phương diện công nghệ GIS là sự thay đổi của các phương pháp khác nhau trong đó thông tin có thể hiển thị khi nó được xử lý bằng GIS. Các phương pháp truyền thống là bảng và đồ thị có thể cung cấp bằng các bản đồ và ảnh ba chiều. 1.2.1.3. Các lĩnh vực khoa học liên quan đến GIS GIS là sự hội tụ các lĩnh vực công nghệ và các ngành truyền thống, nó hợp nhất các số liệu mang tính liên ngành bằng tổng hợp, mô hình hoá và phân tích. Vì vậy có thể nói, GIS được xây dựng trên các tri thức của nhiều ngành khoa học khác nhau để tạo ra các hệ thống phục vụ mục đích cụ thể. Các ngành này bao gồm: Ngành địa lý: là ngành liên quan mật thiết đến việc biểu diễn thế giới và vị trí của đối tượng trong thế giới. Nó có truyền thống lâu đời về phân tích -5không gian và nó cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian khi nghiên cứu. Ngành bản đồ: nguồn dữ liệu đầu vào chính của GIS là các bản đồ. Ngành bản đồ có truyền thống lâu đời trong việc thiết kế bản đồ, do vậy nó cũng là khuôn mẫu quan trọng nhất của đầu ra GIS. Công nghệ viễn thám: các ảnh vệ tinh và ảnh máy bay là nguồn dữ liệu địa lý quan trọng cho hệ GIS. Viễn thám bao gồm cả kỹ thuật thu thập và xử lý dữ liệu ở mọi vị trí trên quả địa cầu. Các dữ liệu đầu ra của hệ thống ảnh vệ tinh có thể được trộn với các lớp dữ liệu của GIS. Ảnh máy bay: khi ta xây dựng bản đồ có tỷ lệ cao thì ảnh chụp từ máy bay là nguồn dữ liệu chính về bền mặt trái đất được sử dụng làm đầu vào. Bản đồ địa hình: cung cấp dữ liệu có chất lượng cao về vị trí của ranh giới đất đai, nhà cửa… Ngành thống kê: các kỹ thuật thống kê được sử dụng để phân tích dữ liệu GIS. Nó là đặc biệt quan trọng trong việc xác định sự phát sinh các lỗi hoặc tính không chắc chắn trong số liệu của GIS. Khoa học tính toán: tự động thiết kế máy tính cung cấp kỹ thuật nhập, hiển thị biểu diễn dữ liệu. Đồ hoạ máy tính cung cấp công cụ để thể hiện, quản lý các đối tượng đồ hoạ. Quản trị cơ sở dữ liệu cho phép biểu diễn dữ liệu dưới dạng số, các thủ tục để thiết kế hệ thống, lưu trữ, xâm nhập, cập nhật. Toán học: các ngành hình học, lý thuyết đồ thị được sử dụng trong thiết kế hệ GIS và phân tích dữ liệu không gian. 1.2.1.4. Các thành phần của GIS Hình 1.2: Các thành phần của hệ thống GIS [9] -6GIS bao gồm 5 thành phần như hình 1.2 trên đây: Thành phần thứ nhất là con người. Con người là thành phần quan trọng nhất, là nhân tố thực hiện các thao tác điều hành sự hoạt động của hệ thống GIS. Người tham gia vào GIS có những loại sau: Thứ nhất là người dùng GIS là những người sử dụng các phần mềm GIS để giải quyết các bài toán không gian theo mục đích của họ. Họ thường là những người được đào tạo tốt về lĩnh vực GIS hay là các chuyên gia. Kế đến là người xây dựng bản đồ: sử dụng các lớp bản đồ được lấy từ nhiều nguồn khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu. Nhà xuất bản thì là nhân tố sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dưới nhiều định dạng xuất khác nhau. Nhà phân tích thì giải quyết các vấn đề như tìm kiếm, xác định vị trí… Người xây dựng dữ liệu là những người chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng các cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL… Người quản trị CSDL thì quản lý CSDL GIS và đảm bảo hệ thống vận hành tốt. Trong khi đó người thiết kế CSDL lại xây dựng các mô hình dữ liệu lôgic và vật lý. Cuôi cùng là nhà phát triển, họ xây dựng hoặc cải tạo các phần mềm GIS để đáp ứng các nhu cầu cụ thể. Thành phần thứ hai là dữ liệu. Một cách tổng quát, người ta chia dữ liệu trong GIS thành 2 loại: dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính. Dữ liệu không gian (spatial) cho ta biết kích thước vật lý và vị trí địa lý của các đối tượng trên bề mặt trái đất. Trong khi đó, dữ liệu thuộc tính (non-spatial) là các dữ liệu ở dạng văn bản cho ta biết thêm thông tin thuộc tính của đối tượng. Tiếp đến là phần cứng. Đó là các máy tính điện tử: PC, mini Computer, MainFrame … là các thiết bị mạng cần thiết khi triển khai GIS trên môi trường mạng. GIS cũng đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt cho việc nhập và xuất dữ liệu như: máy số hoá (digitizer), máy vẽ (plotter), máy quét (scanner)… Thành phần không thế thiếu được là phần mềm. Hệ thống phần mềm GIS rất đa dạng. Mỗi đơn vị xây dựng GIS đều có hệ phần mềm riêng của mình. Tuy nhiên, có một dạng phần mềm mà các đơn vị phải xây dựng là hệ quản trị CSDL địa lý. Dạng phần mềm này nhằm mục đích nâng cao khả năng cho các phần mềm CSDL thương mại trong việc: sao lưu dữ liệu, định nghĩa bảng, quản lý các giao dịch do đó ta có thể lưu các dữ liệu đồ địa lý dưới dạng các đối tượng hình học trực tiếp trong các cột của bảng quan hệ và nhiều công việc khác. Cuối cùng là phương pháp phân tích. Các phương pháp phân tích cấu trúc và nội dung dữ liệu. 1.2.2. Các chức năng GIS Bất kỳ một hệ thống GIS nào đều cần cung cấp thông tin về các hiện tượng không gian địa lý. Nói cách khác, nhiệm vụ và chức năng của một hệ thống GIS bao -7gồm: Thu thập dữ liệu (capture), xây dựng cấu trúc (structuring), thao tác dữ liệu (manipulation), phân tích (analysis), và hiển thị (presentation). Việc thu thập dữ liệu là đưa dữ liệu không gian vào hệ thống. Hiện có nhiều kỹ thuật và thiết bị khác nhau phục vụ cho việc thu thập cả dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính. Các thiết bị thường được sử dụng để thu thập dữ liệu không gian có thể được phân loại thủ công, bán tự động hoặc tự động, và đầu ra của các thiết bị đó hoặc là dữ liệu véc tơ hoặc là dữ liệu raster. Trong khi đó quá trình xây dựng cấu trúc là một giai đoạn quyết định trong việc tạo ra CSDL không gian được sử dụng trong các hệ thống GIS. Điều này là bởi nó quyết định loại các chức năng có thể được sử dụng để thao tác và phân tích. Các hệ thống khác nhau có thể có khả năng xây dựng cấu trúc khác nhau (cấu trúc hình học đơn giản hoặc phức tạp, quan hệ hoặc hướng đối tượng). Trong số các phép toán thao tác dữ liệu, có hai phép toán quan trọng là tổng quát hoá (generalisation) và chuyển đổi. Tổng quát hóa việc làm trơn dữ liệu không gian, bao gồm: làm trơn đường, lọc bớt điểm… Chuyển đổi bao gồm việc chuyển đổi giữa các hệ tọa độ khác nhau về một phép chiếu bản đồ cụ thể và xác định tỷ lệ. Phân tích là chức năng cốt lõi của hệ thống GIS, bao gồm các phép toán ma trận và hình học trên dữ liệu không gian và thuộc tính. Về cơ bản, phân tích trong GIS là bao gồm các phép toán trên một hoặc nhiều tập dữ liệu mà có thể tạo ra được thông tin không gian mới từ tập dữ liệu đó. Phân tích địa hình (terrain analysis), tính toán hình học (geometric computations), chồng xếp, tạo bộ đệm (buffering), khoanh vùng (zoning) là các chức năng phân tích đặc biệt trong GIS. Hiển thị là công việc cuối cùng trong hệ thống GIS, ở giai đoạn này, tất cả các thông tin hoặc kết quả được sinh ra sẽ được hiển thị dưới dạng bản đồ, đồ thị, bảng, báo cáo… 1.2.3. Ứng dụng của GIS Công nghệ GIS ngày càng được sử dụng rộng rãi. GIS có khả năng sử dụng dữ liệu không gian và thuộc tính (phi không gian) từ các nguồn khác nhau khi thực hiện phân tích không gian để trả lời các câu hỏi của người sử dụng. Một số ứng dụng cụ thể của GIS thường thấy trong thực tế là: Quản lý hệ thống giao thông: tìm đường, dẫn đường, giám sát, điều khiển, phân luồng giao thông, lập kế hoạch lưu thông xe cộ, phân tích vị trí, chọn khu vực xây dựng các tiện ích như bãi đỗ xe, ga tàu xe…Lập kế hoạch phát triển giao thông. Quản lý giám sát tài nguyên, thiên nhiên, môi trường: quản lý gió và thuỷ hệ, các nguồn nhân tạo, bình đồ lũ, vùng ngập úng, đất nông nghiệp, tầng ngập nước, rừng, -8vùng tự nhiên, phân tích tác động môi trường… Xác định ví trí chất thải độc hại. Mô hình hoá nước ngầm và đường ô nhiễm. Phân tích phân bố dân cư, quy hoạch tuyến tính. Quản lý quy hoạch: phân vùng quy hoạch sử dụng đất, quy hoạch đô thị, hiện trạng xu thế môi trường, quản lý chất lượng nước… Quản lý các thiết bị: xác định đường ống ngầm, cáp ngầm. Xác định tải trọng của lưới điện. Duy trì quy hoạch các thiết bị, sử dụng đường điện. Phân tích tổng điều tra dân số, lập bản đồ các dịch vụ y tế, bưu điện và nhiều ứng dụng khác. 1.2.4. Các phần mềm GIS thông dụng Hiện tại có nhiều phần mềm GIS thông dụng, có thể liệt kê ra ở đây các phần mềm như AutoCad, MapInfo, Microstation, ArcGIS hay phần mềm GIS mã nguồn mở. 1.2.4.1. AutoCAD AutoCAD là phần mềm ứng dụng CAD để làm bản vẽ kỹ thuật bằng vectơ hai chiều hay bề mặt ba chiều, được phát triển bởi hãng Autodesk, Inc [11]. Những phiên bản trước của AutoCAD sử dụng các thực thể nguyên thủy (primitive entity), bao gồm: đường thẳng, đường polyline, đường tròn, đường cong, và văn bản làm cơ sở để cấu trúc nên những đối tượng phức tạp hơn. Tuy nhiên, từ giữa thập niên 1990, AutoCAD đã hỗ trợ các đối tượng đặc sử dụng giao diện lập trình ứng dụng C++. Những phiên bản AutoCAD gần đây bao gồm những công cụ cơ bản về hình khối ba chiều, nhưng nó thiếu một số tính năng cao cấp thường có trong những chương trình chuyên về lập mô hình khối. Các định dạng tập tin chính của AutoCAD là DWG và định dạng trao đổi DXF; hai định dạng này được trở thành tiêu chuẩn “de facto” về dữ liệu CAD. Gần đây, AutoCAD cũng hỗ trợ DWF, một định dạng được Autodesk phát triển và quảng cáo có mục đích xuất bản dữ liệu CAD. Ở Việt Nam, AutoCAD được sử dụng nhiều trong các thiết kế xây dựng và kiến trúc và được sử dụng chủ yếu bởi các kỹ sư xây dựng và các kiến trúc sư. Trước đây, AutoCAD cũng được sử dụng trong việc tạo lập và lưu trữ bản đồ, nhưng do những hạn chế liên quan đến lưu trữ dữ liệu không gian và thuộc tính, các xử lý không gian nên khoảng 10 năm gần đây AutoCAD không được sử dụng nhiều để xử lý và lưu trữ dữ liệu GIS. -91.2.4.2. MapInfo MapInfo Professional là phần mềm hệ thống thông tin địa lí do công ty MapInfo (nay là Pitney Bowes) sản xuất. Phiên bản hiện hành là MapInfo Professional 10.0 [12]. MapInfo Professional là phần mềm chạy trên môi trường Windows, có chức năng kết nối với các ứng dụng Windows khác (chẳng hạn như Microsoft Office). Trên nền một văn bản Office có thể tạo một bản đồ MapInfo cho phép người dùng tương tác được. Trước đây MapInfo Professional cũng được nhiều người Việt Nam sử dụng để số hóa, biên tập và lưu trữ dữ liệu bản đồ. MapInfo Professional hỗ trợ rất tốt trong việc biên tập và in ấn bản đồ. Nhưng khoảng 5 năm trở lại đây, do nhiều hạn chế đối với một hệ thống GIS lớn nên MapInfo Professional không còn được sử dụng nhiều đế số hóa và biên tập bản đồ. 1.2.4.3. MicroStation MicroStation là một phần mềm giúp thiết kế (CAD) được sản xuất và phân phối bởi Bentley Systems. MicroStation có môi trường đồ họa rất mạnh cho phép xây dựng, quản lý các đối tượng đồ họa thể hiện các yếu tố bản đồ [14]. MicroStation còn được sử dụng để là nền cho các ứng dụng khác như: Famis, Geovec, Irasb, MSFC, Mrfclean, Mrfclean và eTools, eMap. Các công cụ của MicroStation được sử dụng để số hóa các đối tượng trên nền ảnh raster, sửa chữa, biên tập dữ liệu và trình bày bản đồ. MicroStation còn cung cấp cung cụ nhập, xuất dữ liệu đồ họa từ phần mềm khác qua các file (.dxf) hoặc (.dwg). Những năm trước, MicroStation là phần mềm được khuyến cáo sử dụng trong việc số hóa và biên tập bản đồ đối với công tác thành lập và hiện chỉnh bản đồ ở Việt Nam. Hiện nay, MicroStation vẫn được sử dụng, nhưng mục đích chủ yếu là số hóa bản đồ, còn các công việc liên quan đến phân tích và xử lý dữ liệu không gian dần dần chuyển sang sử dụng hệ thống phần mềm ArcGIS của Esri (Mỹ). 1.2.4.4. ArcGIS ArcGIS là dòng sản phẩm của hãng Esri (Mỹ), hỗ trợ xây dựng hệ thống thông tin địa lý (GIS) toàn diện. Trên máy bàn ArcGIS for Desktop gồm các ứng dụng chính ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox. Để đưa dữ liệu GIS lên Web thì có ArcGIS for Server, ArcIMS (từ trước). ArcPad, ArcGIS Mobile dùng cho các thiết bị Mobile. ArcSDE dùng làm cầu nối truy xuất vào các hệ quản trị cơ sở dữ liệu. -10ArcGIS, đặc biệt là ArcGIS for Desktop và hỗ trợ nhiều phần mở rộng gọi là các Extension, mỗi Extension hỗ trợ một số chức năng chuyên biệt như: phân tích không gian (spatial analyst), phân tích 3D (3D analyst), phân tích mạng (Network analyst), xử lý dữ liệu, thống kê không gian... ArcGIS hỗ trợ đọc được nhiều định dạng dữ liệu khác nhau (khoảng 300 định dạng) như shapefile, geodatabase, AutoCad, Raster, Coverage... [13]. Dòng phần mềm ArcGIS du nhập vào Việt Nam từ những năm 90, sau các phần mềm GIS khác như MapInfo hay Geomedia. Tuy nhiên, do tính năng mạnh mẽ và nhiều công cụ hỗ trợ nên ArcGIS được bắt đầu sử dụng nhiều ở Việt Nam, đặc biệt với các hệ thống GIS lớn. Hình 1.3: Giao diện phần mềm ArcGIS for Desktop 1.2.4.5. Phần mềm GIS mã nguồn mở Các phần mềm mã nguồn mở đã thực sự phát triển trong những năm qua và đã trở thành những công cụ thiết thực và hỗ trợ tốt cho người dùng. Các phần mềm mã nguồn mở cho GIS cũng không nằm ngoài xu hướng đó và ngày nay đã có thể đáp ứng được nhu cầu của dân chuyên nghiệp GIS trên toàn thế giới. Phần mềm mã nguồn mở có thể được định nghĩa như là những phần mềm mà tác giả của nó cho không người dùng bao gồm cả việc có quyền xem xét cách thức mà phần mềm hoạt động để có thể hiệu chỉnh hay phát triển thêm theo ý mình, có -11thể được sử dụng dưới nhiều mục đích, dưới nhiều máy khác nhau hay có thể phân phối lại tuỳ ý. Điều thuận lợi chính của việc sử dụng các phần mềm mã nguồn mở là chúng được cung cấp miễn phí thay vì phải mua giấy phép như các phần mềm thương mại, tính uyển chuyển cao, có thể truy cập vào mã nguồn của chương trình và khả năng tích hợp tốt hơn vào những kỹ thuật chuẩn. Một báo cáo của UNU-Merit về sự tác động của các phần mềm mã nguồn mở đối với kinh tế Châu Âu được thực hiện bởi Cộng đồng Châu Âu, kết luận rằng các phần mềm miễn phí và mã nguồn mở cũng như các dịch vụ liên quan có thể đạt tới 32% trong tất cả các dịch vụ IT nói chung và 4% GDP Châu Âu vào năm 2010. Cũng theo báo cáo nói trên, Châu Âu là khu vực đi đầu trong lĩnh vực hợp tác toàn cầu về các dự án phần mềm miễn phí, mã nguồn mở, thư viện miễn phí và theo sau đó là các nước Bắc Mỹ, Châu Á và Châu Mỹ Latin. Phần lớn những phần mềm mã nguồn mở về GIS đáp ứng cả nhu cầu của cộng đồng mã nguồn mở lẫn các công ty tư nhân để phát triển, tích hợp, hỗ trợ kỹ thuật và đào tạo. Nhờ vào tính mở của các phần mềm loại này, các công ty loại nhỏ và trung bình có thể dễ dàng cung cấp các giải pháp và dịch vụ của họ sau khi phát triển thêm từ các mã nguồn mở. 1.3. Hệ thống thông tin địa lý trên nền Web 1.3.1. Khái niệm Bước tiếp theo của công nghệ Hệ thống thông tin địa lý (GIS) cần có phương pháp công bố các tài nguyên ữ liệu GIS cho mọi người như đồng nghiệp hay công chúng có thể tra cứu, truy vấn. Chúng ta gọi thế hệ tiếp theo của công nghệ GIS là hệ thống thông tin địa lý trên nền Web (Web GIS). Hệ thống Web GIS giúp cho tài nguyên GIS được truy cập rộng rãi hơn, nhằm giúp việc chia sẽ dữ liệu GIS được dễ dàng hơn. Các tài nguyên GIS ở đây có thể là lớp dữ liệu không gian vector, hay ảnh raster và có thể các các công cụ phân tích GIS. 1.3.2. Các chức năng của Web GIS Chức năng đâu tiên là cho phép tra cứu dữ liệu GIS trực tuyến. Thông thường trước đây người dùng muốn tra cứu tài nguyên GIS thì cần phải có dữ liệu trong máy tính, đồng thời máy cũng phải được cài đặt phần mềm GIS tương thích. Việc này gây ra khá nhiều khó khăn, phiền toán. Web GIS đã gạt bỏ các cản trở đó bằng cách cho phép người dùng chỉ việc có một thiết bị máy khách có khả năng vào mạng (nội bộ hoặc Internet) và dùng trình duyệt web để xem bản đồ đã được tạo ra bởi nhà xuất bản.