Tài liệu Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản đồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LUẬN VĂN THS NGUYỄN TIẾN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG BẢN ĐỒ SỐ TRÊN CÁC THIẾT THỊ TRỢ GIÚP CÁ NHÂN Người hướng dẫn Đặng Văn Đức Hà Nội 2007 Trang 2 MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................................... 3 MỞ ðẦU ...................................................................................................................... 4 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ HỆ THÔNG TIN ðỊA LÝ VÀ PDA ................................. 6 Giới thiệu về hệ thông tin ñịa lý ....................................................................7 1.1. Khái niệm ................................................................................................7 1.2. Mô hình dữ liệu của hệ thống thông tin ñịa lý ........................................9 1.3. Mô hình cơ sở dữ liệu GIS....................................................................16 2. Giới thiệu về PDA .......................................................................................17 2.1. Phần cứng cho PDA ..............................................................................19 2.2. Hệ ñiều hành và phần mềm cho PDA ...................................................21 CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG BẢN ðỒ SỐ TRÊN PDA ...... 25 1. Ứng dụng bản ñồ số trên PDA ....................................................................26 1.1. Trên thế giới ..........................................................................................26 1.2. Ở Việt Nam ...........................................................................................27 2. Công nghệ phát triển ứng dụng cho các thiết bị PDA .................................28 2.1. Trên Palm OS........................................................................................28 2.2. Trên Symbian OS..................................................................................28 2.3. Trên Windows CE (Windows Mobile) .................................................29 3. Công nghệ phát triển ứng dụng bản ñồ số trên PDA ...................................41 3.1. Hệ thống ñịnh vì toàn cầu GPS.............................................................41 3.2. GSM/GPRS ...........................................................................................43 3.3. Web Service ..........................................................................................44 3.4. Mobile GIS ...........................................................................................47 3.5. Các giải pháp phát triển ứng dụng bản ñồ số trên PDA .......................49 4. Một số kỹ thuật nâng cao tốc ñộ ..................................................................51 4.1. Kỹ thuật nâng cao tốc ñộ hiển thị bản ñồ .............................................51 4.2. Kỹ thuật cải thiện tốc ñộ tìm ñường ñi ngắn nhất ................................53 CHƯƠNG III XÂY DỰNG ỨNG DỤNG BẢN ðỒ SỐ TRÊN PDA ............................. 56 1. Phát biểu bài toán ........................................................................................57 2. Khảo sát bài toán .........................................................................................57 3. Lựa chọn giải pháp ......................................................................................58 4. Phân tích, thiết kế ........................................................................................58 4.1. Kiến trúc hệ thống.................................................................................58 4.2. Biểu ñồ phân cấp chức năng .................................................................59 4.3. Biểu ñồ luồng dữ liệu............................................................................59 4.4. Phân tích thiết kế hệ thống bằng UML .................................................61 4.5. Thiết kế giao diện .................................................................................63 4.6. Thiết kế dữ liệu bản ñồ .........................................................................63 4.7. Xây dựng các chức năng .......................................................................66 5. Kết quả .........................................................................................................73 KẾT LUẬN ................................................................................................................ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 77 1. Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 3 CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tên ñầy ñủ - Mô tả ADO ActiveX Data Objects – ðối tượng truy cập dữ liệu ActiveX API ATL CF CORBA CPU CSDL DBMS Application Program Interface - Giao diện lập trình ứng dụng ActiveX Template Library – Thư viện mẫu ActiveX Compact Flash Card - 1 loại thẻ nhớ Common Object Request Broker Architecture Central Processing Unit - ðơn vị xử lý trung tâm Cơ sở dữ liệu Database Management System - Hệ quản trị dữ liệu DCOM Distributed Component Object Model – Mô hình ñối tượng thành phần phân tán EVC Embedded Visual C++ - Ngôn ngữ lập trình Visual C++ cho các thiết bị nhúng GDI Graphic Device Interface – Giao diện thiết bị ñồ họa GPRS GPS GIS General Packet Radio Services - Dịch vụ vô tuyến gói chung Global Positioning System - Hệ thống ñịnh vị toàn cầu Geogaphical Information System - Hệ thống thông tin ñịa lý HTML HyperText Markup Language – Ngôn ngữ ñánh dấu siêu văn bản HTTP Hyper Text Transfer Protocol – Giao thức truyền siêu văn bản LCD MFC Liquid Crystal Display - Màn hình tinh thể lỏng Microsoft Foundation Classes – Thư viện lớp cơ sở của Microsoft MMC Palm PC PDA PPC SD Multimedia Card - 1 loại thẻ nhớ Một loại PDA dùng hệ ñiều hành PalmOS Personal Computer - Máy tính cá nhân Persional Digital Assistants - Thiết bị số hỗ trợ cá nhân PocketPC – Một loại PDA dùng hệ ñiều hành Windows Mobile Secure Digital Card - 1 loại thẻ nhớ SDK SOAP UDDI Software Development Kit - Bộ công cụ phát triển phần mềm Simple Object Access Protocol – Giao thức truy xuất ñối tượng ñơn giản Universal Discovery Description and Integration - Chuẩn mô tả và tích hợp tìm kiếm chung eXtensible Markup Language – Ngôn ngữ ñánh dấu mở rộng Web Service Description Languague – Ngôn ngữ mô tả dịch vụ web XML WSDL Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 4 MỞ ðẦU Trong nhiều năm gần ñây, máy vi tính phát triển rất nhanh về cả tốc ñộ xử lý, khả năng lưu trữ, khả năng truyền tải và ñặc biệt là khả năng xử lý ñồ hoạ... Các tiến bộ ñó ñã cho phép con người xây dựng và khai thác có hiệu quả các hệ thông tin ñịa lý (GIS – Geographical Information System). GIS là một công cụ tin học hữu hiệu, trợ giúp cho việc tổ chức các dữ liệu phi hình học (dữ liệu thống kê) và các dữ liệu không gian (dữ liệu bản ñồ) và gồm nhiều thao tác trên các loại dữ liệu ñó ñể xây dựng kế hoạch dựa trên các hiện tượng xẩy ra trong quá khứ hoặc/và hiện tại ñể ñưa ra kết quả dưới khuôn mẫu dễ hiểu. Các câu hỏi như “bệnh viện A hay trường học B ở ñâu?”, “những tỉnh nào có số dân trên một triệu người?” phải ñược trả lời nhanh chóng ñể giúp lập kế hoạch phát triển hay phân tích. Việc khai thác có lựa chọn dữ liệu nhằm ñáp ứng các yêu cầu cho trước như “chỉ ra các bệnh viện có trên 100 bác sĩ”, “chỉ ra ñường ñi ngắn nhất từ ñịa ñiểm A tới ñịa ñiểm B” ñược tìm kiếm từ CSDL và có khả năng tính toán nhanh trong một khoảng thời gian mà người sử dụng có thể chấp nhận ñược. Công nghệ GIS ñã và ñang ñược phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, lĩnh vực khác nhau trên thế giới. Những năm gần ñây, ở Việt Nam, GIS ñược bắt ñầu ứng dụng trong một số lĩnh vực khác nhau như ngành ñịa chính (Bộ Tài nguyên môi trường), nghiên cứu ñịa lý (Viện ðịa lý, Viện ðịa chất), hỗ trợ quản lý hành chính (GIS Huế), hỗ trợ các hoạt ñộng dân số (Viện CNTT, UNFPA, Tổng cục thống kê). Gần ñây cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị số trợ giúp cá nhân (PDA), việc ứng dụng GIS trên các thiết bị này tỏ ra rất hiệu quả, ñồng thời là nhu cầu thực tế rất cao ở các nước phát triển. Một số phần mềm chuyên dụng của nước ngoài có thể kể ñến là HandMap, MapKing… Chúng ñã ñược sử dụng trong ñiều kiện cụ thể nhưng không phù hợp với ứng dụng tại Việt Nam. Trong nước, việc nghiên cứu về công nghệ GIS ñược bắt ñầu từ khá sớm (từ ñầu những năm 90 của thế kỷ trước), các ñơn vị tiếp cận sớm nhất tới lĩnh vực này là Viện CNTT, Công ty DolSoft… ðến nay ñã có nhiều viện nghiên cứu, trường ñại học và các công ty tin học tại Việt Nam quan tâm phát triển và ứng dụng công nghệ GIS trong một vài lĩnh vực khác nhau tại Việt Nam. Ở Việt Nam, trước mắt các ứng dụng GIS trên thiết bị di ñộng có thể áp dụng hiệu quả trong giao thông, du lịch,… tại các thành phố lớn. Khi ứng dụng bản ñồ số trên thiết bị di ñộng ñược hoàn thiện, kết hợp với công nghệ GPS, người sử dụng có thể thực hiện các thao tác từ ñơn giản như xác ñịnh lộ trình, ñiểm ñến của các tuyến xe buýt, ñịa chỉ khách sạn nhà hàng, ñiểm tham quan du lịch cho ñến tìm ñường ñi ngắn nhất về khoảng cách, ñường ñi ngắn nhất về thời gian (theo ñặc tính ñường, lưu lượng giao thông tại từng thời ñiểm)... Xe hơi ñi trên ñường phố cần ñi ñến ñâu ñều ñã có hệ thống bản ñồ số chỉ dẫn với thiết bị chuyên dụng giống như PDA cài sẵn trên các xe cộ hiện ñại. Thiết bị ñó có khả năng hiển thị tọa ñộ, cung ñường, quãng ñường, nhắc ñèn ñỏ, thậm chí cảnh báo người cầm lái ñã ñi nhầm ñường hay ñi vào ñường một chiều... Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 5 Xây dựng một phần mềm GIS là công việc lớn ñòi hỏi mất nhiều thời gian, kinh phí... ðồng thời chúng ñòi hỏi các hiểu biết rộng rãi của nhiều ngành chuyên môn khác nhau như ðịa lý, Toán học, Công nghệ thông tin và cả các kiến thức về kinh tế, văn hóa, xã hội, du lịch... Luận văn này nghiên cứu về công nghệ phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân và xây dựng một ứng dụng cụ thể có thể sử dụng trong du lịch, trước mắt là cho bản ñồ thành phố Hà Nội. Nhiệm vụ của luận văn là:
Nghiên cứu về hệ thông tin ñịa lý và công nghệ bản ñồ số
Nghiên cứu về các thiết bị số trợ giúp cá nhân
Nghiên cứu công nghệ phát triển ứng dụng bản ñồ số trên PDA.
Xây dựng một ứng dụng bản ñồ số trên PDA Nội dung của luận văn ñược trình bày theo ba chương sau: Chương I. Giới thiệu về hệ thông tin ñịa lý và các thiết bị số trợ giúp cá nhân Chương II. Giới thiệu về công nghệ phát triển ứng dụng bản ñồ số trên PDA Chương III. Phân tích, thiết kế và xây dựng một ứng dụng bản ñồ số trên PDA Phương pháp và nội dung nghiên cứu ñược sử dụng trong suốt quá trình làm luận văn là: - - - Nghiên cứu lý thuyết về GIS, các mô hình dữ liệu không gian và cách thức biểu diễn chúng trên máy tính cũng như trên PDA, nghiên cứu về cách phân lớp dữ liệu bản ñồ, về mô hình cơ sở dữ liệu biểu diễn bản ñồ… Nghiên cứu về các thiết bị số trợ giúp cá nhân: phần cứng, hệ ñiều hành, cách thức hệ ñiều hành ñiều khiển các ứng dụng phần mềm hoạt ñộng và tương tác với các thiết bị ngoại vi. Nghiên cứu về lý thuyết ñồ thị áp dụng trong tìm ñường ñi ngắn nhất trong bản ñồ. Nghiên cứu về ñồ họa máy tính ñể biểu diễn các ñối tượng bản ñồ, các phương pháp tối ưu tốc ñộ hiển thị… Nghiên cứu, tìm hiểu về công nghệ ñịnh vị vệ tinh GPS, các công nghệ truyền thông không dây: GSM/GPRS, Wifi, WiMax… Nghiên cứu về các công nghệ phát triển ứng dụng bản ñồ số di ñộng: Mobile GIS, Dịch vụ Web… Nghiên cứu lý thuyết về ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất UML ñể phân tích thiết kế hệ thống Nghiên cứu công nghệ .NET Compact Framework và sử dụng công cụ hỗ trợ phát triển ứng dụng Visual Studio 2005 Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 6 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ HỆ THÔNG TIN ðỊA LÝ VÀ PDA Chương này sẽ trình bày về các vấn ñề sau: 1. Giới thiệu về hệ thông tin ñịa lý o Giới thiệu về khái niệm GIS và các thành phần cơ bản của GIS o Hai mô hình dữ liệu ñược sử dụng rộng rãi nhất trong GIS  Mô hình dữ liệu raster  Mô hình dữ liệu véc tơ o So sánh, ñánh giá hai mô hình raster và vector o Mô hình cơ sở dữ liệu GIS 2. Giới thiệu về PDA o Phần cứng o Phần mềm o Hệ ñiều hành Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 7 1. Gi
i thiu v h thông tin ña lý 1.1. Khái niệm Hệ thông tin ñịa lý (GIS - Geographical Information System) ñược hiểu như một hình thức ñặc biệt của hệ thống thông tin áp dụng cho dữ liệu ñịa lý. Hệ thống thông tin ñó là tập các tiến trình xử lý các dữ liệu thô ñể phát sinh ra các thông tin trợ giúp lập quyết ñịnh. Có rất nhiều ñịnh nghĩa GIS ñã ñược xây dựng nhưng dưới ñây là một ñịnh nghĩa ñược coi là chính xác, dễ hiểu và ñược chấp nhận rộng rãi nhất: “GIS ñược xem như là một hệ thống của phần cứng, phần mềm và các thủ tục ñược thiết kế ñể trợ giúp thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mô hình hoá và hiển thị các dữ liệu qui chiếu không gian ñể giải quyết các vấn ñề phức tạp trong quản lý và lập kế hoạch” (NCGIA Core Curiculum, 1989). Theo ñịnh nghĩa này thì khi xây dựng một hệ thống thông tin như GIS thì phải quan tâm ñến một dải rộng từ phần cứng tới phần mềm của tin học, các vấn ñề liên quan ñến ñịa lý, bản ñồ, các vấn ñề thống kê, các vấn ñề hình học và lý thuyết ñồ thị của toán học, v..v. Như vậy GIS không chỉ ñơn giản là hệ thống máy tính ñể lập bản ñồ theo nhiều kích cỡ, nhiều màu hay các phép chiếu khác nhau mà còn là một công cụ phân tích hữu hiệu. ðặc ñiểm quan trọng của GIS cho phép con người nhận ra ñược mối quan hệ không gian giữa các ñặc trưng của bản ñồ. GIS Phần mềm công cụ CSDL ðịa lý Người sử dụng Kết quả Trừu tượng hay ñơn giản hóa Thế giới thực Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ thống GIS Thiết bị phần cứng Thiết bị phần cứng tối thiểu phải bao gồm: máy tính, bàn số hóa, tủ băng từ, thiết bị ñầu ra (máy in, máy vẽ), trạm làm việc (hiển thị). Thiết bị số hóa: Sử dụng ñể chuyển ñổi các hình ảnh bản ñồ sang dạng số hóa, như là bàn số hóa (Digitizer) hoặc máy quét ảnh (Scanner), tuy nhiên các máy quét ảnh không tạo ra cơ sở dữ liệu bản ñồ mà chỉ tạo ra dữ liệu Raster và nó có thể ñược vector hóa theo mục ñích yêu cầu của hệ thông tin ñịa lý. ðầu ñọc, ñĩa mềm, CD-ROM: do dữ liệu thông tin ñịa lý là một khối lượng rất lớn bao gồm dữ liệu không gian và phi không gian nên việc lưu trữ, cập nhật… vào/ra là rất quan trọng. Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 8 Trạm xử lý: Xử lý, kiểm soát thông tin vào ra, chuẩn hóa cơ sở dữ liệu, cập nhật cơ sở dữ liệu cho máy chủ. Máy chủ: Kiểm soát sự truy cập của người sử dụng, quản lý file, quản lý cơ sở dữ liệu, thao tác ñồ họa và toàn bộ môi trường tính toán. Thiết bị in: Dùng ñể in ấn các văn bản báo cáo của các loại bản ñồ khác nhau tùy nhu cầu người sử dụng. Băng từ: Dùng ñể trao ñổi dữ liệu với các hệ thống khác, thực hiện chức năng sao chép dữ liệu. Phần mềm Các thành phần của phần mềm nói chung gồm 5 nhóm chức năng cơ bản sau: - Nhóm chức năng nhập và hiệu chỉnh các dữ liệu - Bảo quản dữ liệu và quản lý cơ sở dữ liệu - In và trình bày dữ liệu - Chuyển ñổi dữ liệu (bảo quản, sử dụng và phân tích) - Giao diện, ñối thoại với người sử dụng Cơ sở dữ liệu ñịa lý Cơ sở dữ liệu ñịa lý bao gồm 2 nhóm tách biệt: Nhóm thông tin không gian và nhóm thông tin thuộc tính. Nhóm thông tin không gian bao gồm thông tin về vị trí Topo (cấu trúc quan hệ). Nhóm thông tin thuộc tính ñược ñịnh nghĩa như là một tập hợp các giá trị thuộc tính và quan hệ giữa chúng. Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 9 ðầu vào Cơ sở dữ liệu Nhu cầu cần giải quyết Cơ sở dữ liệu ñịa lý Vị trí Topo Thuộc tính Hệ thống quản lý thuộc tính Module xử lý dữ liệu Xử lý Hình 1.2. Các thành phần cơ bản của cơ sở dữ liệu ñịa lý Cơ sở dữ liệu ñịa lý là trừu tượng hay ñơn giản hoá thế giới thực. Các công cụ phân tích trong GIS ñược sử dụng ñể xây dựng các mô hình không gian. Mô hình ñược cấu trúc như tập các quy tắc hay thủ tục ñể suy diễn các thông tin mới ñể phân tích hay lập kế hoạch. Mô hình hoá ñòi hỏi các công cụ có sẵn trong hệ thống GIS. Vì vậy GIS cần phải cung cấp một tập hợp rộng lớn các công cụ ñể thực hiện phân tích trên cơ sở dữ liệu không gian. Trong hệ thống GIS, các phép phân tích không gian bao gồm phân tích cận, phủ, các phép tính ñường biên, phân tích bề mặt, phân tích mạng lưới, phân tích trên cơ sở ñiểm ảnh (pixel). Các hình thức khác nhau của phân tích ñòi hỏi các phép toán kết nối quan hệ và không gian cũng như các phép tính logic khác nhau. 1.2. Mô hình dữ liệu của hệ thống thông tin ñịa lý ðể thực hiện ñược các yêu cầu ñặt ra của một hệ thống GIS cần phải có cấu trúc dữ liệu phù hợp cho hệ thống. Chúng sẽ ñược xem xét sau ñây: ðộ phức tạp của thế giới thực là không giới hạn. Càng quan sát thế giới gần hơn càng thấy ñược chi tiết hơn. Nhưng như vậy sẽ dẫn ñến phải có cơ sở dữ liệu lớn vô hạn ñể lưu trữ các thông tin chính xác từ thế giới thực. ðể lưu trữ ñược dữ liệu không gian của thế giới thực vào máy tính thì phải giảm số lượng dữ liệu ñến mức Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 10 có thể quản lý ñược bằng tiến trình ñơn giản hay trừu tượng. Các ñặc trưng ñịa lý phải ñược biểu diễn bởi các thành phần rời rạc hay các ñối tượng. Các quy tắc dùng ñể chuyển các ñặc trưng ñịa lý sang các ñối tượng ñược gọi là mô hình dữ liệu. Các hệ thống GIS phân biệt khác nhau theo cách mô hình hóa thế giới thực thông qua các mô hình dữ liệu của chúng. Hai mô hình dữ liệu ñang ñược sử dụng rộng rãi nhất cho GIS ñể lưu trữ các ñối tượng không gian là mô hình raster và mô hình vector (hình 1.3). Thế giới thực Mô hình hóa Các ñối tượng không gian Mô hình vector Mô hình raster Bảng dữ liệu thuộc tính Hình 1.3. Mô hình vector và mô hình raster a. Mô hình dữ liệu raster Mô hình raster chia toàn bộ vùng nghiên cứu thành các lưới tế bào ñều ñặn theo trình tự riêng. Theo qui ñịnh thì lưới ñược ñánh thứ tự theo trình tự từng hàng từ góc trên trái. Mỗi tế bào chứa một giá trị. Mỗi vị trí trong vùng nghiên cứu tương Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 11 ñương ứng với một tế bào. Tập các tế bào và các giá trị liên quan ñược gọi là lớp. Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp như loại ñất, ao, hồ, sông, ñường… Mô hình này cho người sử dụng biết cái gì xảy ra ở mọi nơi, mọi vị trí trên vùng nghiên cứu. ðộ phân giải dữ liệu Raster phụ thuộc vào kích thước của tế bào hay ñiểm ảnh; chúng khác nhau từ vài chục deximet ñến vài kilomet. Tiến trình xây dựng lưới tế bào ñược mô tả như sau: Giả sử phủ một lưới trên bản ñồ gốc, dữ liệu Raster ñược lập bằng cách mã hoá mỗi tế bào bằng một giá trị dựa theo các ñặc trưng trên bản ñồ như trên hình 1.3. Trong thí dụ này, ñặc trưng “ñường” ñược mã hoá là 2, ñặc trưng “ñiểm” ñược mã hoá là 1 còn ñặc trưng “vùng” ñược mã hoá là 3. Kiểu dữ liệu của tế bào trong lưới phụ thuộc vào thực thể ñược mã hoá; ta có thể sử dụng số nguyên, số thực, ký tự hay tổ hợp chúng ñể làm giá trị. ðộ chính xác của mô hình này phụ thuộc vào kích thước hay ñộ phân giải của các tế bào lưới (hình 1.4). Một ñiểm có thể là một tế bào, một ñường là vài tế bào kề nhau, một vùng là tập hợp nhiều tế bào. Mỗi ñặc trưng là tập tế bào ñánh số như nhau (có cùng giá trị). Hình 1.4. Mô hình dữ liệu raster Ưu ñiểm chính của mô hình này là ñơn giản. Lưới là một bộ phận của bản ñồ ñã ñược sử dụng ñể kiến tạo thông tin ñịa lý. Khi các số liệu ñầu vào là các ảnh vệ tinh hay từ máy quét thì chúng lại có ngay khuôn mẫu lưới, chúng phù hợp cho mô hình dữ liệu này. Sử dụng mô hình dữ liệu raster dựa trên cơ sở lưới thì các phép phân tích dữ liệu trở nên dễ dàng hơn. ðặc biệt thuận lợi cho các hệ thống GIS nhằm chủ yếu vào việc phân tích các biến ñổi liên tục trên bề mặt trái ñất ñể quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 12 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 1 3 3 3 Lúa 3 3 3 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 Ngô 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 1 1 1 3 3 3 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 3 3 3 3 3 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 3 3 2 2 2 Sắn Hình 1.5. Sự ảnh hưởng của lựa chọn kích thước tế bào ðiểm yếu nhất của mô hình dữ liệu raster là phải xử lý khối dữ liệu rất lớn. Nếu ñộ phân giải của lưới càng thấp thì các thực thể trên bản ñồ càng có nguy cơ bị mất ñi (hình 1.5). Trường hợp ngược lại thì phải lưu trữ một khối lượng lớn thông tin trong cơ sở dữ liệu. Với kiến trúc này, việc co dãn bản ñồ, biến ñổi các phép chiếu… sẽ chiếm rất nhiều thời gian. Việc thiết lập các mạng lưới của các ñặc trưng như ñường giao thông, hệ thống thuỷ lợi… rất khó khăn. Như vậy, mô hình dữ liệu raster ñịnh hướng vào phân tích (analysis), không ñịnh hướng cho cơ sở dữ liệu. Trong thực tế có một số hệ thống GIS sử dụng mô hình dữ liệu này song không nhiều (ví dụ như IDRISI, Google Map, Virtual Earth). b. Mô hình dữ liệu véc tơ Mô hình dữ liệu véc tơ dựa trên cơ sở các véc tơ hay toạ ñộ của ñiểm trong một hệ trục toạ ñộ nào ñó. ðiểm là thành phần sơ cấp của dữ liệu ñịa lý ở mô hình này. Các ñiểm ñược nối với nhau bằng ñoạn thẳng hay các ñường cong ñể tạo các ñối tượng khác nhau như ñối tượng ñường hay vùng. Như vậy mô hình dữ liệu véc tơ sử dụng các ñoạn thẳng hay ñiểm rời rạc ñể nhận biết các vị trí của thế giới thực. Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 13 Thành phần Biểu diễn ñồ họa Biểu diễn trong máy tính Hình 1.6. Các thành phần hình học cơ sở trong mô hình vector Trong cơ sở dữ liệu không gian, các thực thể của thế giới thực ñược biểu diễn dưới dạng số bằng một kiểu ñối tượng không gian tương ứng. Dựa trên kích thước không gian của ñối tượng mà US National Standard for Digital Cartographic Databases (DCDSTF, 1988) ñã chuẩn hoá các loại ñối tượng này như sau: 0-D ðối tượng có vị trí nhưng không có ñộ dài (ñối tượng ñiểm) 1-D ðối tượng có ñộ dài (ñường) tạo từ hai hay nhiều ñối tượng 0-D 2-D ðối tượng có ñộ dài và ñộ rộng (vùng) ñược bao quanh bởi ít nhất 3 ñối tượng ñoạn thẳng (1-D). 3-D ðối tượng có ñộ dài, ñộ rộng, chiều cao hay ñộ sâu (hình khối) ñược bọc bởi ít nhất 2 ñối tượng 2-D. Loại thực thể sơ ñẳng ñược sử dụng phụ thuộc vào tỷ lệ quan sát hay mức ñộ khái quát. Với tỷ lệ nhỏ thì thành phố ñược biểu diễn bằng ñiểm, còn ñường ñi và sông ngòi ñược biểu diễn bằng ñường. Khi tăng tỷ lệ biểu diễn thì phải quan tâm ñến tính chất vùng của hiện tượng. Với tỷ lệ trung bình thì thành phố ñược biểu diễn bằng vùng, có ñường ranh giới. Với tỷ lệ lớn thì thành phố ñược biểu diễn bởi tập các thực thể ñể tạo nên các ngôi nhà, ñường phố, công viên và các hiện tượng vật lý, hành chính khác. Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 14 Bệnh viện Tỉnh A Sông Thế giới thực ðường biên hành chính Sông Trục Y Bệnh viện Các tiện ích Bản ñồ véc tơ Các lớp bản ñồ Trục X Hình 1.7. Trừu tượng thực thể của thế giới thực theo mô hình vector Hình 1.7 ñã ñơn giản hoá thế giới thực ñể có các ñặc trưng quản lý ñược bằng máy tính. ðó là sông ngòi, ñường biên hành chính, vị trí của các tiện ích như bệnh viện… Các thực thể này ñược trừu tượng thành các lớp ñộc lập như lớp ñường giao thông, lớp ñường biên hành chính, lớp các tiện ích. Chỉ bằng tọa ñộ của các ñiểm và các ñoạn thẳng nối giữa chúng cũng có thể biểu diễn ñược các thực thể của thế giới thực. Mô hình dữ liệu véc tơ cho phép nhiều thao tác hơn trên các ñối tượng so với mô hình raster. Việc ño diện tích, khoảng cách của các ñối tượng ñược thực hiện bằng các tính toán hình học từ các toạ ñộ của các ñối tượng thay vì việc ñếm các tế bào của mô hình raster. Rất nhiều thao tác trong mô hình này chính xác hơn. Tính diện tích trên cơ sở ña giác trên mặt cầu sẽ chính xác hơn việc ñếm các pixel trên bản ñồ có các phép chiếu khác nhau. Tương tự với việc tính chu vi của một vùng. Một số thao tác ở mô hình này thực hiện nhanh hơn như tìm ñường ñi trong mạng lưới giao thông hay hệ thống thuỷ lợi… Một số thao tác khác có chậm hơn như nạp chồng các lớp, các thao tác với vùng ñệm. Mô hình dữ liệu véc tơ ñịnh hướng ñến các hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu. Chúng có ưu việt trong việc lưu trữ số liệu bản ñồ bởi vì chúng chỉ lưu các ñường biên của các ñặc trưng, không cần lưu toàn bộ vùng của chúng. Bởi vì các thành phần ñồ hoạ biểu diễn các ñặc trưng của bản ñồ liên kết trực tiếp với các thuộc tính của sơ sở dữ liệu, người sử dụng có thể tìm kiếm, truy vấn và hiển thị các thông tin một cách dễ dàng. Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 15 Các thực thể Dữ liệu không gian Các ñiểm (thành phố) 1 2 3 Các ñường (giao thông) Các vùng (ñơn vị hành chính) 3 Id Tên thành phố Dân số 1 Hà Nội 2298437 2 Hải Phòng 1589454 2 Id Loại 1 ðường sắt 2 ðường bộ Trạng thái ðang hoạt ñộng Trải nhựa 4 Id Quận 1 Ba ðình 2 Hoàn Kiếm Dân số 210321 193235 1 1 Dữ liệu thuộc tính 2 Hình 1.8. Các ñối tượng của bản ñồ trong cơ sở dữ liệu ñịa lý Các ñối tượng trong cơ sở dữ liệu không gian là các biểu diễn thực thể thế giới thực cùng với các thuộc tính liên quan. Sức mạnh của hệ thống GIS là ở chỗ chúng trợ giúp việc tìm kiếm các thực thể trong một ngữ cảnh ñịa lý và khảo sát các quan hệ giữa chúng. Như vậy, cơ sở dữ liệu GIS không chỉ ñơn thuần là tập hợp của các ñối tượng và các thuộc tính. ðể tạo ñược các thực thể ñường giao thông và các ñơn vị hành chính từ các ñối tượng ñiểm và ñường như trên hình 1.8 thì phải tạo lập topology hay thiết lập cấu trúc dữ liệu topology cho các dữ liệu. Xây dựng topology là thiết lập, mã hoá các quan hệ giữa các ñiểm, các ñoạn thẳng và các vùng (các ñối tượng) ñể tạo ra các thực thể. ðó là xây dựng quan hệ không gian giữa các mối liên kết của các ñối tượng trong một lớp. Quan hệ này ñược xây dựng từ những thành phần ñơn giản nhất ñến các thành phần phức tạp hơn, từ các ñiểm nút, xâu ñoạn thẳng và cuối cùng là các ña giác. Topology trợ giúp một cách thuận tiện cho các thao tác phân tích và tìm ñường trong mạng lưới của dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. Phương pháp tiếp cận quan hệ ñịa lý là trừu tượng hoá các thông tin ñịa lý thành các lớp ñộc lập, mỗi lớp biểu diễn một tập có lựa chọn các ñặc trưng ñịa lý liên quan chặt chẽ. Nhờ có cách tiếp cận này người sử dụng có thể tổ hợp các ñặc trưng trong mô hình dữ liệu một cách nhanh chóng và mềm dẻo ñể tạo ra các tập ñặc trưng phức tạp hơn ñể biểu diễn ñược quan hệ phức tạp của thế giới thực. c. So sánh, ñánh giá hai mô hình dữ liệu raster và vector Dữ liệu Raster Ưu ñiểm: Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 16 - Cấu trúc ñơn giản - Dễ dàng sử dụng các phép toán chồng xếp và các phép toán xử lý ảnh viễn thám - Dễ dàng thực hiện nhiều phép toán phân tích khác nhau - Bài toán mô phỏng là có thể thực hiện ñược do ñơn vị không gian là giống nhau (cell) - Kỹ thuật rẻ tiền và có thể phát triển mạnh Nhược ñiểm: - Dung lượng dữ liệu lớn - ðộ chính xác có thể giảm nếu sử dụng không hợp lý kích thước cell - Bản ñồ hiển thị không ñẹp - Các bài toán mạng rất khó thực hiện - Khối lượng tính toán ñể biến ñổi tọa ñộ là rất lớn Dữ liệu Vector Ưu ñiểm: - Biểu diễn tốt các ñối tượng ñịa lý - Dữ liệu nhỏ, gọn - Chính xác về hình học - Các quan hệ topo ñược xác ñịnh thuận tiện trong phân tích, tìm ñường… - Khả năng sửa chữa, bổ sung, thay ñổi các dữ liệu hình học cũng như thuộc tính nhanh, tiện lợi Nhược ñiểm: - Cấu trúc dữ liệu phức tạp - Chồng xếp bản ñồ phức tạp - Các bài toán mô phỏng thường khó giải vì mỗi ñơn vị không gian có cấu trúc khác nhau - In ấn ñắt tiền - Các bài toán phân tích và các phép lọc là rất khó thực hiện 1.3. Mô hình cơ sở dữ liệu GIS Từ các mô hình dữ liệu trên cho ta thấy có ba loại dữ liệu chính trong hệ thống GIS cần phải ñược lưu trữ, ñó là dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính và các quan hệ. Một vài dữ liệu như thuộc tính, quan hệ có thể thích hợp với một mô hình cơ sở dữ liệu nào ñó còn một vài dữ liệu khác lại phải thâm nhập trực tiếp vì chúng không Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 17 thích hợp cho bất kỳ mô hình nào. Sau ñây là một số mô hình cơ sở dữ liệu ñã ñược công bố và ñang ñược sử dụng vào thiết kế các hệ thống tin học. a. Mô hình phân cấp ðây là mô hình ñơn giản nhất, chúng bao gồm một tập các “kiểu” bản ghi và tập các liên kết ñể nối toàn bộ các kiểu bản ghi trong sơ ñồ cấu trúc dữ liệu dạng cây. Một số kiểu dữ liệu ñịa lý phù hợp với cấu trúc này (ví dụ: số liệu ñiều tra dân số theo ñịa phương). Vì là cấu trúc dạng cây, cho nên mô hình này không ñược mềm dẻo. Không thể ñịnh nghĩa mối liên kết mới một khi cây ñã ñược xác ñịnh. Chỉ có quan hệ ñịa lý sau ñây là có thể mã hoá dễ dàng trong mô hình này: “ñược chứa ở” hoặc “thuộc về”. Mô hình này ngày nay ít ñược sử dụng. b. Mô hình mạng Mô hình này dựa trên ý niệm của quan hệ liên kết m:n. Một bản ghi chủ có thể có nhiều bản ghi thành phần, ñồng thời một bản ghi thành phần cũng có thể có nhiều bản ghi chủ. Chúng trợ giúp thuận tiện cho việc ứng dụng một cấu trúc dữ liệu mạnh trong máy tính là danh sách kết nối. Mô hình mạng mềm dẻo hơn mô hình phân cấp trong việc quản lý các quan hệ không gian phức tạp. Hạn chế của chúng không cho phép liên kết các bản ghi cùng loại. c. Mô hình quan hệ Mô hình quan hệ mềm dẻo hơn các mô hình vừa ñược trình bày trên. Mỗi bản ghi có một tập các thuộc tính. Các bản ghi của mỗi kiểu hình thành bảng hay quan hệ. Quan hệ là bảng các bản ghi chứ không phải là liên kết giữa các bản ghi. Tổng số thuộc tính trong bảng là ñộ quan hệ. Mỗi bảng ñược lưu trữ trong một tệp. Hiện nay các công cụ quản trị dữ liệu theo mô hình quan hệ ñang chiếm ưu thế trên thị trường. 2. Gi
i thiu v PDA PDA − Personal digital assistants là thiết bị số hỗ trợ cá nhân hay còn gọi là máy tính cầm tay. Ban ñầu PDA ñược sử dụng ñể quản lý những thông tin cá nhân, ghi chép, danh bạ, lên lịch làm việc. Các PDA hiện nay có thể còn ñược sử dụng ñể ñọc sách, nghe nhạc, xem phim, chơi trò chơi, tra từ ñiển, truy cập internet… PDA có thể khởi ñộng gần như ngay lập tức, không phải mất hàng phút như máy tính xách tay, thời gian sử dụng có thể ñến hàng tuần mà không cần phải nạp ñiện hay thay pin và có thể dùng mọi nơi, mọi lúc. PDA thường có màn hình tinh thể lỏng cho phép dùng bút ñể viết, vẽ trực tiếp lên màn hình, có khả năng nhận dạng chữ như khi viết trực tiếp trên giấy. PDA thường có cổng hồng ngoại, cổng nối tiếp hoặc USB cho phép giao tiếp dễ dàng với PC hay các thiết bị có cổng hồng ngoại khác như ñiện thoại di ñộng, TV… PDA hỗ trợ mạng TCP/IP, cho phép nhận e-mail, duyệt web, gửi nhận fax thông qua modem gắn ngoài hay trực tiếp thông qua ñiện thoại di ñộng. PDA cũng có thể ñược nối với các thiết bị khác như máy ảnh số, máy quét mã vạch hay thiết bị ñịnh vị vệ tinh Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 18 (GPS) cho phép lấy và lưu trữ tọa ñộ hiện hành trên bản ñồ và kho dữ liệu trên máy PDA. Thông thường PDA có từ 8M-32M Flash RAM. PDA không có ổ cứng, hệ ñiều hành ñược nạp cứng trong ROM, dữ liệu ñược lưu trữ trong RAM, khi cần có thể mở rộng thông qua thẻ nhớ như SD Card, Compact Flash hoặc Memory Stick (có thể lên ñến vài GB). ðây là những loại thẻ nhớ ñược sử dụng phổ biến cả trong các máy ảnh số và ñiện thoại di ñộng. PDA hiện ñang phát triển với tốc ñộ như vũ bão. PDA ngày càng trở thành vật dụng không thể thiếu của các doanh nhân, cán bộ nghiên cứu và cả ñối với các ñối tượng phổ thông. PDA thiếu nhiều tính năng của một máy tính hoàn chỉnh nhưng lại có nhiều ưu ñiểm hơn ñó là nhỏ gọn, ñặt vừa trong lòng bàn tay, trong túi áo. PDA thường chia làm 2 dòng chính là Palm và Pocket PC. ðây là cách phân loại dựa trên hệ ñiều hành của máy sử dụng. Các tính năng hiện ñại của PDA ngày nay làm cho việc phân loại khá khó khăn và gây nhiều bàn cãi. Palm Pocket PC Hình 1.9. Hai loại PDA phổ biến a. Pocket PC: là loại máy sử dụng hệ ñiều hành Windows Mobile của Microsoft. ðại diện cho Pocket PC là các dòng máy iPAQ của HP, ngoài ra còn có các loại máy của hãng O2 có tính năng ñiện thoại. b. Palm: là loại máy sử dụng hệ ñiều hành Palm OS của Palm, Inc., ðại diện là Tréo 650 sử dụng hệ ñiều hành Palm OS 5.4 có tính năng ñiện thoại hay Tungsten T5 không có ñiện thoại sử dụng hệ ñiều hành Palm OS 5.2. Ngoài ra còn một số loại máy sử dụng các hệ ñiều hành khác như BlackBerryOS (BlackBerry), MacOS (iPhone), Linux (Motorola E680) hay SymbianOS (P910i, Nokia N-series)… Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 19 2.1. Phần cứng cho PDA Hình 1.10. Cấu tạo cơ bản của PDA a. Bộ vi xử lý Có nhiều loại chip: Intel, Samsung, T1 OMAP..., tuy nhiên hiện nay chủ yếu nhất là dòng Intel XScale mà thế hệ mới nhất là PXA27x, cho tốc ñộ xử lý lên tới 624MHz, ñiều mà cách ñây 10 năm là một ước mơ ñối với người dùng PC. b. Màn hình Với tính chất ñặc biệt nhỏ gọn của PDA, màn hình của nó ñược sinh ra ñể ñảm nhiệm luôn hai chức năng là vào và ra, tức là chức năng hiển thị và nhập liệu, ñể làm ñược ñiều ñó, màn hình PDA ñược thiết kế là loại màn hình tinh thể lỏng LCD, có cảm ứng, cảm nhận trực tiếp trên bề mặt, thông qua ñó người ta có thể ñiều khiển và nhập liệu. Màn hình PDA chịu ñược môi trường rung và va ñập, màu sắc và ánh sáng trung thực tiêu tốn ít năng lượng. Hiện có hai Hình 1.11. Màn hình PDA công nghệ sản xuất màn hình: công nghệ chiếu sáng nền cho phép người dùng dễ dàng quan sát các ứng dụng trên màn hình, nhưng hoạt ñộng tốn pin; và công nghệ màn hình phản chiếu, dù vẫn có chiếu sáng nền nhưng máy chỉ hoạt ñộng tốt khi ở ngoài trời hoặc những nơi ñủ sáng. ðộ phân giải màn Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân Trang 20 hình của PDA nhìn chung ở mức QVGA (240x320 pixels) và một số loại mới là VGA (640x480 pixels). Với kích thước hiện nay thì các dòng PDA thường có màn hình cỡ từ 2.8 inch ñến 4 inch, trong ñó loại thông dụng nhất là 3.5 inch. c. Pin ða phần các PDA hiện nay sử dụng Pin lithium-ion có khả năng nạp lại, năng lượng trung bình thường khoảng 1000-1500mAh. Với pin này, người dùng có thể sử dụng PDA liên tục trong vòng 8-10 tiếng ở chế ñộ chiếu sáng nền trung bình. d. Bộ nhớ Bộ nhớ của PPC ñược chia làm hai phần chính • Bộ nhớ ROM Phần này lại thường ñược chia thành hai phần, một phần không cho phép người dùng truy cập (thường gọi là internal ROM), sử dụng ñể chứa hệ ñiều hành, phần này thường chỉ có thể thay ñổi tại nhà máy, tuy nhiên hiện nay một số dòng PPC thông dụng ñã thường xuyên có các phiên bản nâng cấp của HðH, cho phép dùng phần mềm trên PC ñể thực hiện việc này. Phần ROM còn lại ñược thiết kế dành cho người sử dụng (thường gọi là File Store), thuật ngữ ROM (Read Only Memory) dùng ñể chỉ bộ nhớ chỉ ñọc, tuy nhiên với công nghệ hiện nay, các loại bộ nhớ ROM dạng Flash cho phép ñọc và ghi lại nhiều lần ñã ñược sử dụng rộng rãi, vì vậy phần bộ nhớ này ñược sử dụng như một ổ cứng bên trong PPC, có thể lưu trữ dữ liệu và cài ñặt thêm các phần mềm ứng dụng trên ñó. Theo xu hướng hiện nay thì phần bộ nhớ này ñang ñược tăng dần dung lượng, ñiển hình là các PPC của HP ñã có phần bộ nhớ này lên tới gần 100MB, ñiều này báo hiệu tương lai của một PPC có khả năng hoạt ñộng và cấu trúc như PC với “ổ cứng” và RAM theo ñúng chức năng vốn có của chúng trên PC vậy. Tất cả các dữ liệu trên phần bộ nhớ ROM nói trên ñều không mất ñi khi máy hết sạch pin! • Bộ nhớ RAM ðây là loại bộ nhớ có tốc ñộ truy cập cực nhanh, là nơi chính ñể lưu trữ dữ liệu và cài ñặt các phần mềm ứng dụng, thường ñược gọi là bộ nhớ chính (Main Memory), do tốc ñộ truy xuất lớn cho nên các phần mềm cài trên bộ nhớ RAM thường chạy nhanh và trơn tru hơn rất nhiều so với các phần mềm cài trên File Store, tuy nhiên tất cả các dữ liệu trên RAM sẽ mất hoàn toàn khi máy hết sạch pin, khi ñó máy sẽ trở về trạng thái ban ñầu khi mới xuất xưởng và chỉ còn duy nhất hệ ñiều hành và các dữ liệu ñã lưu trữ trên File Store. (Với những hệ ñiều hành mới như Windows Mobile 5.0 hay 6.0, hạn chế này ñã ñược giải quyết). Có một số phần mềm, ñặc biệt là những phần mềm liên quan ñến quản lý hệ thống bắt buộc phải cài trên RAM. • Bộ nhớ mở rộng Tùy từng loại máy mà có thể có các khe cắm thẻ nhớ mở rộng, phổ biến là hai loại thẻ SD (Secure Disk) và CF (Compact Flash), khi cắm các loại thẻ này vào thì Nghiên cứu phát triển ứng dụng bản ñồ số trên các thiết bị trợ giúp cá nhân