TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM
TRƯƠNG CÔNG THÀNH
– 0112369
TRẦN VĂN TÁNH
– 0112365
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ WEBGIS VÀ XÂY
DỰNG TRANG WEB DỰ BÁO THỜI TIẾT KHU
VỰC NAM BỘ
KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
T.S TRƯƠNG MỸ DUNG
NIÊN KHÓA 2001 – 2005
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..
LỜI CÁM ƠN
Luận văn của chúng em sẽ rất khó hoàn thành nếu không có sự truyền đạt kiến thức quí
báu và sự hướng dẫn tận tình của cô Trương Mỹ Dung. Chúng em xin chân thành cám ơn
sự chỉ bảo của các thầy.
Chúng em xin trân trọng cám ơn quý Thầy cô trong Khoa Công nghệ thông tin trường
Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến
thức quý báu trong suốt bốn năm học làm nền tảng và tạo điều kiện cho chúng em được
thực hiện luận văn này.
Đặc biệt xin được gởi lời cảm ơn đến anh Nguyễn Minh Giám, trưởng phòng dự báo
Trung tâm khí tượng Thủy văn khu vực Nam bộ.Xin cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt
tình, tạo điều kiện cho chúng em tìm hiểu kiến thức về hệ thống Khí tượng Thủy văn..
Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết sức mình, song chắc chắn luận văn không khỏi còn nhiều
thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý Thầy cô
và các bạn.
Tp.HCM, 7/2005
Nhóm sinh viên thực hiện
Trương Công Thành- Trần Văn Tánh
Bố cục của luận văn được chia làm các phần sau đây
Mở đầu
Giới thiệu công nghệ GIS, những hạn chế và nhu cầu mở rộng.Các giải pháp và
hướng nghiên cứu hiện nay. Đồng thời giới thiệu chung về đề tài, ý nghĩa và các
mục tiêu của đề tài.
Chương 1: WebGIS- Công nghệ GIS qua mạng
Giới thiệu về WebGIS. Gồm những khái niệm cơ bản về WebGIS, mô hình hoạt
động.Các giải pháp kiến trúc lý thuyết và thực tế trong nước và trên thế giới.
Chương 2: MapServer- WebGIS Application
Tìm hiểu về MapServer, một Application mã nguồn mở rất mạnh hiện nay sử dụng
trong công nghệ WebGIS.
Chương 3: Bài toán dự báo thời tiết – Biểu diễn trên bản đồ.
Giới thiệu bài toán dự báo thời tiết, cách giải quyết các yêu cầu cho bài toán dự báo
dùng bản đồ.
Chương 4: Xây dựng Website Thời tiết Nam bộ.
Bao gồm các phần Phân tích và Thiết kế website Thời tiết Nam bộ.
Chương 5: Cài đặt và thử nghiệm
Tổ chức dữ liệu, mô hình thiết kế hệ thống. Việc cài đặt, cấu hình hệ thống cho một
ứng dụng WebGIS gồm các phần Server, Client, Database…
Kết luận
Tóm tắt lại các vấn đề đã được đặt ra trong luận văn, cách giải quyết, kết quả đạt
được và đề ra một số hướng phát triển trong tương lai.
i
MỤC LỤC
Danh sách các hình………………………………………………………………………………………………… iii
Danh sách các bảng ………………………………………………………………………………………………….v
Một số khái niệm và thuật ngữ………………………………………………………………………………….vi
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………………………………………. viii
Chương 1 : WebGIS- Công nghệ GIS qua mạng……………………………………………………….1
1.1 Bản đồ – Cách biểu diễn thế giới thực………………………………………………………………..1
1.1.1 Khái niệm về bản đồ………………………………………………………………………………….1
1.1.2 Trái đất quả cầu địa lý ……………………………………………………………………………….1
1.1.3 Cơ sở toán học cho bản đồ…………………………………………………………………………4
1.1.4 Các phương pháp thể hiện bản đồ……………………………………………………………….9
1.2 Dữ liệu GIS…………………………………………………………………………………………………..14
1.2.1 Các dạng dữ liệu của GIS…………………………………………………………………………14
1.2.2 Các mô hình dữ liệu được dùng ………………………………………………………………..15
1.2.3 Mô hình dữ liệu đồ họa…………………………………………………………………………….16
1.2.4 Kết nối dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính…………………………………………24
1.3 Giới thiệu về WebGIS ……………………………………………………………………………………25
1.4 Mô hình xử lý và kiến trúc triển khai WebGIS………………………………………………….26
1.4.1 Kiến trúc WebGIS và các bước xử lý…………………………………………………………26
1.4.2 Các kiến trúc triển khai…………………………………………………………………………….29
1.5 Các chuẩn trao đổi WebGIS hiện nay ………………………………………………………………36
1.5.1 Vấn đề trong việc trao đổi dữ liệu của hệ thống WebGIS …………………………….36
1.5.2 Giải pháp cho vấn đề chia sẻ dữ liệu………………………………………………………….37
Chương 2 : MapServer – WebGIS Application ……………………………………………………….40
2.1 Lược sử phát triển………………………………………………………………………………………….40
2.2 Các thành phần và mô hình xử lý của MapServer………………………………………………41
2.2.1 Các thành phần của MapServer…………………………………………………………………41
2.2.2 Quy trình xử lý ……………………………………………………………………………………….44
2.3 Tìm hiểu Mapfile…………………………………………………………………………………………..45
2.3.1 Map Object …………………………………………………………………………………………….46
2.3.2 Layer Object …………………………………………………………………………………………..49
2.3.3 Query Map Object …………………………………………………………………………………..53
2.3.4 Projection Object…………………………………………………………………………………….53
2.4 Xử lý kết nối các loại dữ liệu ………………………………………………………………………….54
2.4.1 Kết nối dữ liệu mặc định ESRI Shapefiles………………………………………………….54
2.4.2 Kết nối dữ liệu Raster………………………………………………………………………………54
2.4.3 Kết nối dữ liệu dùng thư viện OGR …………………………………………………………..57
2.4.4 Kết nối dữ liệu dùng WMS ………………………………………………………………………61
2.4.5 Kết nối dữ liệu dùng WFS………………………………………………………………………..63
Chương 3 : Bài toán dự báo thời tiết – Biểu diễn trên bản đồ…………………………………….66
3.1 Khảo sát hiện trạng………………………………………………………………………………………..66
3.1.1 Giới thiệu bài toán dự báo ………………………………………………………………………..66
3.1.2 Số liệu thời tiết trong dự báo……………………………………………………………………66
ii
3.1.3 Hệ thống KTTV khu vực Nam bộ……………………………………………………………..68
3.2 Phân tích và xác định yêu cầu …………………………………………………………………………70
3.3 Các vấn đề trong bài toán dự báo thời tiết bằng bản đồ………………………………………71
3.3.1 Thể hiện bản đồ………………………………………………………………………………………71
3.3.2 Chỉnh sửa dữ liệu vectơ MapInfo………………………………………………………………72
3.3.3 Truy vấn dữ liệu với bản đồ……………………………………………………………………..75
Chương 4 : Xây dựng Website Thời tiết Nam bộ…………………………………………………….77
4.1 Thiết kế kiến trúc hệ thống……………………………………………………………………………..77
4.2 Xây dựng mô hình Use –case………………………………………………………………………….78
4.2.1 Xác định Actor và Use case………………………………………………………………………78
4.2.2 Mô hình Use – case …………………………………………………………………………………79
4.2.3 Đặc tả Use-case ………………………………………………………………………………………79
4.3 Thiết kế một số màn hình……………………………………………………………………………….89
4.3.1 Màn hình Chính………………………………………………………………………………………89
4.3.2 Màn hình Thời tiết trong ngày…………………………………………………………………..90
4.3.3 Màn hình Thời tiết vài ngày tới…………………………………………………………………92
4.3.4 Màn hình Tìm kiếm…………………………………………………………………………………93
4.3.5 Màn hình Góp ý………………………………………………………………………………………94
4.3.6 Màn hình Liên lạc……………………………………………………………………………………95
4.3.7 Màn hình Gởi tin …………………………………………………………………………………….96
Chương 5 : Cài đặt và thử nghiệm …………………………………………………………………………97
5.1 Tổ chức dữ liệu dự báo…………………………………………………………………………………..97
5.1.1 Hình thức lưu trữ dữ liệu………………………………………………………………………….97
5.1.2 Sơ đồ logic……………………………………………………………………………………………..97
5.2 Cấu hình và cài đặt hệ thống Server-Client……………………………………………………..101
5.2.1 Cài đặt trang web…………………………………………………………………………………..101
5.2.2 Cài đặt CSDL Thời tiết…………………………………………………………………………..104
5.2.3 Cấu hình MapServer………………………………………………………………………………105
5.2.4 Cấu hình Client……………………………………………………………………………………..107
5.3 Thử nghiệm…………………………………………………………………………………………………108
KẾT LUẬN …………………………………………………………………………………………………………109
Tài liệu tham khảo………………………………………………………………………………………………..110
Phụ lục ………………………………………………………………………………………………………………..112
Yêu cầu cấu hình. ……………………………………………………………………………………………..112
Hướng dẫn sử dụng……………………………………………………………………………………………112
iii
Danh sách các hình
Hình 1-1 Hình dạng ellipsoid của Trái Đất ………………………………………………………………….2
Hình 1-2 Các tham số của GEOID……………………………………………………………………………..2
Hình 1-3 Hệ thống kinh độ và vĩ độ……………………………………………………………………………4
Hình 1-4 Phép chiếu hình nón……………………………………………………………………………………6
Hình 1-5 Phép chiếu phương vị………………………………………………………………………………….6
Hình 1-6 Phép chiếu hình trụ……………………………………………………………………………………..7
Hình 1-7 Phép chiếu thẳng ………………………………………………………………………………………..7
Hình 1-8 Phép chiếu ngang ……………………………………………………………………………………….7
Hình 1-9 Phép chiếu nghiêng …………………………………………………………………………………….8
Hình 1-10 Bản đồ đường nét ……………………………………………………………………………………..9
Hình 1-11 Bản đô dạng ảnh……………………………………………………………………………………….9
Hình 1-12 Khái quát hóa theo tỉ lệ……………………………………………………………………………13
Hình 1-13 Các dạng dữ liệu GIS ………………………………………………………………………………14
Hình 1-14 Ví dụ thế giới thực…………………………………………………………………………………..16
Hình 1-15 Biểu diễn thế giới thực bằng Raster…………………………………………………………..16
Hình 1-16 Mô hình Vectơ biểu diễn thế giới thực ………………………………………………………17
Hình 1-17 Mô hình dữ liệu Raster…………………………………………………………………………….18
Hình 1-18 Tổ chức CSDL KGian Raster …………………………………………………………………..19
Hình 1-19 Tổ chức CSDL KGian Raster …………………………………………………………………..19
Hình 1-20 Thể hiện vật thể dạng điểm đường vùng theo tọa độ x, y……………………………..20
Hình 1-21 Mô hình dữ liệu mì ống ( Spaghetti data model) …………………………………………21
Hình 1-22 Mô hình dữ liệu Tôpô (Topology) …………………………………………………………….22
Hình 1-23 Ảnh chụp bề mặt địa hình ………………………………………………………………………..23
Hình 1-24 Mô hình dữ liệu vectơ kiểu TIN………………………………………………………………..23
Hình 1-25 Sơ đồ kết nối dữ liệu ………………………………………………………………………………24
Hình 1-26 Kết nối dữ liệu không gian và thuộc tính……………………………………………………25
Hình 1-27 Kiến trúc WebGIS…………………………………………………………………………………..27
Hình 1-28 Các dạng yêu cầu từ phía Client ……………………………………………………………….28
Hình 1-29 Cấu hình Server Side……………………………………………………………………………….30
Hình 1-30 Cấu hình Client side………………………………………………………………………………..32
Hình 1-31 Tích hợp xử lý GIS vào trình duyệt …………………………………………………………..34
Hình 1-32 Kết hợp Client side và Server side…………………………………………………………….35
Hình 1-33 Dữ liệu GIS trong kiến trúc WebGIS đơn thể……………………………………………..36
Hình 1-34 Chia xẻ dữ liệu GIS giữa các nhóm ứng dụng…………………………………………….37
Hình 1-35 Các chức năng của một WMS…………………………………………………………………..38
Hình 1-36 Các tham số trong chuỗi URL thực hiện chức năng GetMap………………………..38
Hình 2-1 Xử lý với file Template đơn giản………………………………………………………………..42
Hình 2-2 Xử lý định dạng file Template ……………………………………………………………………43
Hình 2-3 Quy trình xử lý của MapServer…………………………………………………………………..44
Hình 2-4 Mô hình đối tượng trong Mapfile ……………………………………………………………….45
Hình 2-5 Chồng lắp các layer…………………………………………………………………………………..45
Hình 2-6 Danh sách font sử dụng……………………………………………………………………………..46
Hình 2-7 Thứ tự được vẽ của các layer ……………………………………………………………………..49
iv
Hình 3-1 Trao đổi số liệu thời tiết …………………………………………………………………………….68
Hình 3-2 Hoạt động hệ thống dự báo ………………………………………………………………………..69
Hình 3-3 Xác định phạm vi bằng hình cố định …………………………………………………………..71
Hình 3-4 Chuyển đổi hệ tọa độ bằng MapInfo……………………………………………………………72
Hình 3-5 Hiện tượng không khớp khi hiệu chỉnh bản đồ……………………………………………..73
Hình 3-6 Nắn chỉnh bản dồ dùng MapInfo ………………………………………………………………..74
Hình 3-7 Thêm vùng chọn cho đối tượng tỉnh – tphố…………………………………………………..75
Hình 3-8 Bài toán truy vấn dữ liệu……………………………………………………………………………76
Hình 4-1 Kiến trúc hệ thống…………………………………………………………………………………….77
Hình 4-2 Mô hình Use-Case…………………………………………………………………………………….79
Hình 4-3 Màn hình chính ………………………………………………………………………………………..89
Hình 4-4 Màn hình thời tiết trong ngày……………………………………………………………………..90
Hình 4-5 Các chức năng thao tác với bản đồ……………………………………………………………..90
Hình 4-6 Chọn layer hiển thị……………………………………………………………………………………91
Hình 4-7 Hướng dẫn thực hiện…………………………………………………………………………………91
Hình 4-8 Tìm vị trí của tỉnh……………………………………………………………………………………..91
Hình 4-9 Màn hình thời tiết vài ngày tới……………………………………………………………………92
Hình 4-10 Màn hình tìm kiếm………………………………………………………………………………….93
Hình 4-11 Màn hình Góp ý ……………………………………………………………………………………..94
Hình 4-12 Màn hình Liên lạc …………………………………………………………………………………..95
Hình 4-13 Màn hình Gởi tin…………………………………………………………………………………….96
Hình 5-1 Sơ dồ logic dữ liệu ……………………………………………………………………………………97
Hình 5-2 Đặt thuộc tính Chia sẻ thư mục web………………………………………………………….101
Hình 5-3 Tạo thư mục Virtual Directory………………………………………………………………….102
Hình 5-4 Đặt bí danh (tên trang web)………………………………………………………………………102
Hình 5-5 Chọn thư mục chứa project ………………………………………………………………………103
Hình 5-6 Sử dụng Enterispe Manager……………………………………………………………………..104
Hình 5-7 Chọn file Backup CSDL ………………………………………………………………………….105
Hình 5-8 Thiết lập biến môi trường PROJ_LIB………………………………………………………..106
Hình 5-9 Hiệu chỉnh biến môi trường PATH……………………………………………………………107
v
Danh sách các bảng
Bảng 1-1 Các phương pháp thể hiện bản đồ………………………………………………………………12
Bảng 1-2 So sánh mô hình dữ liệu Raster và Vectơ…………………………………………………….24
Bảng 1-3 Chiến thuật Server-side……………………………………………………………………………..32
Bảng 1-4 Công việc tại Client với chiến thuật Client side……………………………………………35
Bảng 3-1 Các chức năng trên bản đồ…………………………………………………………………………70
Bảng 3-2 Các chức năng dự báo thời tiết …………………………………………………………………..70
Bảng 4-1 Nút bấm và chức năng tương ứng……………………………………………………………….91
Bảng 4-2 Các layer hiển thị bản đồ…………………………………………………………………………..91
Bảng 5-1 Ký hiệu trường dữ liệu………………………………………………………………………………98
Bảng 5-2 Danh sách các bảng dữ liệu ……………………………………………………………………….98
Bảng 5-3 Chi tiết bảng Tinh_TP ………………………………………………………………………………99
Bảng 5-4 Chi tiết bảng KhuVuc ……………………………………………………………………………….99
Bảng 5-5 Chi tiết bảng Cac_Buoi……………………………………………………………………………100
Bảng 5-6 Chi tiết bảng Loai ThoiTiet ……………………………………………………………………..100
Bảng 5-7 Chi tiết bảng ThongTin_DuBao ……………………………………………………………….101
vi
Một số khái niệm và thuật ngữ
Khái niệm
Định nghĩa
Ghi chú
GIS (Geography
Information System)
Hệ thống thông tin địa lý. Sử
dụng công nghệ này là một công
nghệ dựa trên máy tính để xây
dựng bản đồ, phân tích và xử lý
các đối tượng tồn tại và các sự
kiện xảy ra trên trái đất.
Thông tin không
gian
Thông tin về những đặc điểm liên
quan đến hình dạng, vị trí, quan
hệ của các đối tượng địa lý.
Bao gồm hai dạng:
• Dạng hình học:
mô tả các đặc
điểm hình dạng,
vị trí. Ví dụ như
tọa độ của điểm,
đường…
• Dạng Topology:
mô tả quan hệ
giữa
các
đối
tượng hình học.
Ví dụ như những
vùng nào kề với
một
vùng
xác
định.
Thông tin phi không
gian (thông tin thuộc
tính)
Thông tin về những đặc điểm liên
quan đến thống kê, thông tin số,
thông tin đặc trưng gán cho mỗi
thuộc tính của đối tượng
Ví dụ như tên đường
phố, dân số…
Layer
Lớp chứa một nhóm các đối
tượng thuần nhất với vị trí của
Các thành phần đồ hoạ
trong cơ sở dữ liệu GIS
vii
chúng theo hệ tọa độ chung.
thường được mô tả bằng
nhiều lớp (layer).
WebGIS
WebGIS là hệ thống thông tin địa
lý phân tán trên một mạng các
máy tính để tích hợp, hiển thị,
trao đổi các thông tin địa lý.
Raster
Vectơ
Server side
Client side
OGC (Open
Geographic
Consortium)
Tổ chức tập hợp các nhà phát
triển nghiên cứu đưa ra các chuẩn
cho hệ thông tin địa lý.
WMS
(Web Map
Server/Service)
Chuẩn WebGIS hỗ trợ việc trao
đổi thông tin địa lý dưới dạng ảnh
đồ hoạ.
WFS
(Web Feature
Server/Service)
Chuẩn WebGIS hỗ trợ việc trao
đổi thông tin địa lý dưới dạng tài
liệu XML.
MapInfo
Phần mềm làm việc trên hệ thông
địa lý lý của hãng MapInfo.
DNN (DotNetNuke)
Là môi trường hỗ trợ xây dựng
trang web sử dụng công nghệ
Portal. Mã nguồn mở
Mở đầu
viii
MỞ ĐẦU
Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System)
Thông tin địa lý được thể hiện chủ yếu dưới dạng bản đồ đã ra đời từ xa xưa.Các bản đồ
trước tiên được phác thảo để mô tả vị trí, cảnh quan, địa hình…Bản đồ chủ yếu gồm những
điểm và đường. Tuy nhiên bản đồ dạng này thích hợp cho quân đội và các cuộc thám hiểm
hơn là được sử dụng như một công cụ khai thác tiềm năng của địa lý.
Bản đồ vẫn tiếp tục được in trên giấy ngay cả khi máy tính đã ra đời một thời gian dài
trước đó. Bản đồ in trên giấy bộc lộ những hạn chế như: thời gian xây dựng, đo đạc, tạo lập
rất lâu và tốn kém. Lượng thông tin mang trên bản đồ giấy là hạn chế vì nếu mang hết các
thông tin lên bản đồ sẽ gây khó đọc. Bên cạnh đó bản đồ giấy không thể cập nhật theo thời
gian được vv…
Ý tưởng mô hình hóa không gian lưu trữ vào máy tính, tạo nên bản đồ máy tính. Đó là
bản đồ đơn giản có thể mã hóa, lưu trữ trong máy tính, sữa chữa khi cần thiết, có thể hiển
thị trên màn hình và in ra giấy.
Tuy nhiên các nhà nghiên cứu nhận thấy nhiều vấn đề địa lý cần phải thu thập một
lượng lớn thông tin không phải là bản đồ.
Lúc này khái niệm Hệ thống thông tin địa lý (GIS) ra đời thay thế cho thuật ngữ bản đồ
máy tính.
GIS được hình thành từ các ngành khoa học: Địa lý, Bản đồ, Tin học và Toán học. Chỉ
đến những năm 80 thì GIS mới có thể phát huy hết khả năng của mình do sự phát triển
mạnh mẽ của công nghệ phần cứng
Bắt đầu từ thập niên 80, GIS đã trở nên phổ biến trong các lãnh vực thương mại, khoa
học và quản lý, chúng ta có thể gặp nhiều cách định nghĩa về GIS:
– Là một tập hợp của các phần cứng, phần mềm máy tính cùng với các thông tin địa lý (mô
tả không gian). Tập hợp này được thiết kế để có thể thu thập, lưu trữ, cập nhật, thao tác,
phân tích, thể hiện tất cả các hình thức thông tin mang tính không gian.
– GIS là một hệ thống máy tính có khả năng lưu trữ và sử dụng dữ liệu mô tả các vị trí (nơi)
trên bề mặt trái đất
– Một hệ thống được gọi là GIS nếu nó có các công cụ hỗ trợ cho việc thao tác với dữ liệu
không gian – Cơ sở dữ liệu GIS là sự tổng hợp có cấu trúc các dữ liệu số hóa không gian và
Mở đầu
ix
phi không gian về các đối tượng bản đồ, mối liên hệ giữa các đối tượng không gian và các
tính chất của một vùng của đối tượng
– GIS là từ viết tắt của:
+ G: Geographic – dữ liệu không gian thể hiện vị trí, hình dạng (điểm, tuyến, vùng)
+ I : Information – thuộc tính, không thể hiện vị trí (như mô tả bằng văn bản, số,
tên…)
+ S: System – Sự liên kết bên trong giữa các thành phần khác nhau (phần cứng, phần
mềm)
Tóm lại, hệ thống thông tin địa lý (Geographical Information System) là một hệ thống
phần mềm máy tính được sử dụng trong việc vẽ bản đồ, phân tích các vật thể, hiện tượng
tồn tại trên trái đất. Công nghệ GIS tổng hợp các chức năng chung về quản lý dữ liệu như
hỏi đáp (query) và phân tích thống kê (statistical analysis) với sự thể hiện trực quan
(visualization) và phân tích các vật thể hiện tượng không gian (geographic analysis) trong
bản đồ. Sự khác biệt giữa GIS và các hệ thống thông tin thông thường là tính ứng dụng của
nó rất rộng trong việc giải thích hiện tượng, dự báo và qui hoạch chiến lược.
Các giải pháp và ứng dựng GIS
Các hệ thống thông tin địa lý GIS đều cung cấp các công cụ cho phép tạo lập bản đồ,
tổng hợp các thông tin liên quan đến các thực thể trên bản đồ, thể hiện các sự kiện, thể
hiện các ý tưởng, giải quyết các bài toán phức tạp trong thực tế. GIS có thể được sử
dụng trong nhiều lãnh vực, bởi cá nhân, gia đình, trường học, hay các cơ quan, tổ chức
nghiên cứu. Tạo bản đồ và phân tích bản đồ không phải là mới, nhưng GIS đóng vai trò
nâng cao chất lượng, độ chính xác và nhanh hơn so với cách làm bằng tay truyền thống.
Và, trước khi có GIS, chỉ một số ít người có khả năng sử dụng thông tin địa lý trong
việc ra quyết định và giải quyết vấn đề.
Ngày nay, GIS là một công nghệ “đắt giá”, có hàng trăm ngàn người trên thế giới đang
làm việc với nó. Các nhà chuyên môn của hầu hết các lãnh vực đang dần dần nhận thấy
lợi ích trong phương pháp suy nghĩ và làm việc theo phương diện địa lý. GIS không
phải chỉ dùng để tạo ra những bản đồ tĩnh, mà nó còn cho phép tạo ra các bản đồ đẹp
nhiều màu sắc và hơn thế nữa là khả năng tạo bản đồ động. Khả năng tạo lập bản đồ
động giúp người dùng có thể lựa chọn và loại bỏ bất cứ các thành phần nào trên bản đồ
Mở đầu
x
nhằm phân tích một cách nhanh chóng các nhân tố khác biệt ảnh hưởng đến mô hình và
ngoài ra giúp việc đưa ra các quyết định đối với những vấn đề phức tạp.
Các giải pháp về GIS thường được chia ra làm hai nhóm chính
• Giải quyết các bài toán phức tạp liên quan đến mạng giao thông
Các bài toán như tìm kiếm đường đi tối ưu, điều phối lộ trình giao thông… thường
được áp dụng trên các hệ thống máy tính lớn, có cấu hình mạnh:
• Hiển thị và tìm kiếm các thông tin bản đồ.
Đây là dạng ứng dụng bản đồ điện tử, cung cấp các khả năng cho phép người sử
dụng xem bản đồ và tìm kiếm một số thông tin cần thiết, thường được áp dụng trên
các máy tính thông thường và nhỏ.
Với mỗi nhóm trên có rất nhiều ứng dụng GIS. Từ những bài toán tìm đường như
tìm đường trong thành phố, tìm đường trên xe buýt cho đến các vấn đề quản lý rừng,
quản lý khai thác khoáng sản…và cả ứng dụng vào trong ngành Khí tượng Thủy văn
để góp phần dự báo thời tiết..
Nhu cầu mở rộng, đưa GIS lên mạng
GIS đã được ứng dụng từ vài thập niên trước đây, nhưng dường như GIS vẫn chưa đến
được với mọi người. Lý do là, trước nay các ứng dụng GIS hầu hết chạy trên máy tính
đơn.Với những máy tính này cần thiết phải cài đặt các module xử lý GIS (dưới dạng các
dll, hay các Active X)…điều này cản trở khả năng ứng dụng GIS rộng rãi.
Ví dụ:
Khi một người cần biết tuyến xe buýt để di chuyển thì ngoại trừ khi anh ta trang bị
một Pocket PC cài ứng dụng Tìm đường xe buýt còn không anh phải trở về nhà hay
đến cơ quan tìm đến đúng máy tính được cài ứng dụng này để tìm kiếm thông tin.
Từ ví dụ này cho thấy với các ứng dụng GIS mang tính cộng đồng hoặc khi cần có thể
sử dụng bất kể nơi đâu, thì mô hình ứng dụng chạy trên máy đơn là không đáp ứng được.
Như đã biết Internet ra đời và đã thu ngắn khoảng cách giữa mọi người, và cho phép tìm
kiếm thông tin mọi lúc mọi nơi. Mô hình ứng dụng GIS chạy trên nền Internet cho phép
mọi người dùng bất kì công cụ nào (máy PC, máy laptop, mobile, Pocket PC…) có thể
truy cập Internet tìm kiếm được thông tin mình cần.
Mục tiêu của đề tài
Mở đầu
xi
Hiện nay, tại nước ta công nghệ GIS không phải là một công nghệ mới. Nhưng hiện chỉ
có một số ít viện nghiên cứu, các cơ quan và vài công ty là có nghiên cứu và sử dụng GIS.
Về WebGIS số lượng người nghiên cứu thì còn ít hơn.
Mục tiêu của đề tài được chia ra làm hai phần chính như sau
Công nghệ WebGIS
– Nghiên cứu về bản đồ
– Nghiên cứu về công nghệ WebGIS
– Tìm hiểu MapServer một triển khai công nghệ WebGIS mã nguồn mở
Xây dựng ứng dụng website Thời tiết trên nền bản đồ sử dụng WebGIS
– Phân tích hiện trạng của hệ thống dự báo Khí tượng Thủy văn khu vực
Nam bộ
– Khảo sát các yêu cầu
– Tìm hiểu các loại dữ liệu bản đồ (dạng MapInfo)
– Viết ứng dụng
Chương 1 : WebGIS – Công nghệ GIS qua mạng
1
Chương 1 : WebGIS- Công nghệ GIS qua mạng
1.1 Bản đồ – Cách biểu diễn thế giới thực
1.1.1 Khái niệm về bản đồ
Bản đồ là một mô hình của các thực thể và hiện tượng trên trái đất, trong đó thực thể
được thu nhỏ, đơn giản về các hiện tượng được khái quát hóa để thể hiện được trên mặt
phẳng bản vẽ. Bản đồ chứa các thông tin về vị trí và các tính chất của vật thể và các hiện
tượng mà nó trình bày.
Thế giới thực rất rộng lớn và phức tạp để chúng ta có thể thấy bao quát được. Nếu một
phần không gian được chọn để trình bày dưới một tỉ lệ nhỏ hơn thực tế thì chúng ta có
thể thấy được cấu trúc và dạng của phần không gian đó dễ hơn nhiều và từ đó có thể hiểu
thấu đáo được khu vực nghiên cứu và có thể đưa ra được quyết định đúng đắn (như việc
tìm đường đi, việc qui hoạch một tuyến đường, việc tìm kiếm một vị trí thích hợp để xây
dựng khu công nghiệp…)
Thông thường bản đồ là một mô hình theo tỉ lệ. Có nghĩa là tỉ lệ của khoảng cách trên
bản đồ và khoảng cách trên thực tế sẽ bằng nhau ở mọi vị trí trên bản đồ, mặc dù có một
vài sai số không thể tránh khỏi nếu một phần của mặt cầu được thể hiện trên mặt phẳng.
Chúng ta thường gặp vấn đề này trong bản đồ có tỉ lệ nhỏ trình bày một khu vực rộng
lớn.
Thực chất bản đồ là một hệ thống thông tin về không gian. Chúng ta có thể xem bản đồ
và tìm thấy các thông tin mà người vẽ bản đồ muốn truyền tải, ví dụ như bản đồ địa hình,
bản đồ dân số, bản đồ quy hoạch sử dụng đất, bản đồ địa chất thủy văn, bản đồ địa chất
môi trường…
1.1.2 Trái đất quả cầu địa lý
1.1.2.1 Hình dạng và kích thước trái đất
Bề mặt tự nhiên trái đất rất phức tạp
Mặt hình học và không thể biểu thị nó bởi một qui luật xác định, hình dạng trái đất được
hình thành và bị chi phối bởi hai lực là lực hấp dẫn và lực ly tâm tạo nên hình dạng
ellipsoid của trái đất (hình 1)
Chương 1 : WebGIS – Công nghệ GIS qua mạng
2
Hình
1-1 Hình dạng ellipsoid của Trái Đất
Trong trắc địa người ta dùng mặt geoid, bề mặt này được tạo bởi mặt nước biển trung
bình yên tĩnh kéo dài qua các lục địa và hải đảo tạo thành một mặt cong khép kín, có đặc
điểm là ở bất kỳ điểm nào nằm trên pháp tuyến cũng trùng với phương dây dọi. Ngoài ra,
do tác dụng của trọng lực, sự phân bố không đồng đều của vật chất có tỉ trọng khác nhau
trong lớp vỏ của trái đất làm cho bề mặt geoid bị biến đổi phức tạp về mặt hình học.
Như vậy, bề mặt hoàn chỉnh của trái đất không phải là bề mặt đúng toán học, mà chỉ là
mặt sẵn có của chính trái đất. Trong khoa học trắc địa bản đồ, để tiện lợi cho các bài toán
đo đạc, người ta lấy mặt ellipsoid tròn xoay có hình dạng và kích thước gần giống mặt
geoid làm bề mặt toán học thay cho mặt deoit gọi là ellipsoid trái đất. Ellipsoid có khối
lượng bằng khối lượng geoid, tâm của nó trùng với trọng tâm trái đất, mặt phẳng xích đạo
trùng với mặt phẳng xích đạo trái đất. Kích thước và hình dạng của ellipsoid trái đất được
xác định bởi giá trị các phần tử của nó:
Hình
1-2 Các tham số của GEOID
Chương 1 : WebGIS – Công nghệ GIS qua mạng
3
Nhiều công trình nghiên cứu khoa học nhằm xác định (α, a, b của ellipsoid trái đất
nhưng kết quả không thống nhất, ở nước ta các trị số của F.N Kraxovski năm 1946 được
dùng làm trị số chính thức đo đạc: (α = 1/298,3; a = 6.378.425; b = 6.356.864).
Các số liệu kích thước trái đất được tính như sau:
Bán kính trung bình trái đất: 6.371,166 km.
Độ dài vòng kinh tuyến: 40.008,5 km.
Chu vi xích đạo: 40.075,5 km.
Diện tích bề mặt trái đất 510,2 triệu km2
Thể tích trái đất: 1083 x 102 km3.
Tỉ trọng trung bình: 5,52 g/cm3.
Trọng lượng của trái đất: 5,977 x 1021 tấn.
Vì độ dẹt của ellipsoid trái đất nhỏ, nên trong trường hợp đo đạc khu vực nhỏ, người
ta có thể coi trái đất như một khối cầu có bán kính gần trùng với trục quay của trái đất, R,
theo F.N Kraxovski là 6371,116 km.
1.1.2.2 Các qui ước về điểm và đường cơ bản để xác định vị trí các đối tượng địa lý trên
bề mặt trái đất
a. Cực trái đất
Giao điểm giữa bán kính trục nhỏ (trục trái đất) và mặt ellipsoid trái đất gọi là các cực.
Trái đất có hai cực là cực Bắc (P) và cực Nam (P’).
b. Các kinh tuyến
Các mặt phẳng chứa trục trái đất và hai cực là mặt phẳng kinh tuyến.
Giao tuyến giữa mặt phẳng kinh tuyến và mặt ellipsoid trái đất là kinh tuyến.
c. Các vĩ tuyến
Các mặt phẳng thẳng góc với trục trái đất được gọi là mặt phẳng vĩ tuyến.
Mặt phẳng đi qua tâm trái đất chia trái đất thành hai bán cầu: bán cầu bắc và bán cầu
nam, là mặt phẳng xích đạo. Mặt phẳng xích đạo cắt mặt ellipsoid trái đất thành một vòng
tròn lớn gọi là xích đạo. Các vòng tròn tạo nên bởi các mặt phẳng song song với mặt phẳng
xích đạo gọi là vĩ tuyến.
Chương 1 : WebGIS – Công nghệ GIS qua mạng
4
1.1.2.3 Tọa độ địa lý
Tất cả các điểm trên bề mặt ellipsoid trái đất đều được xác định vị trí bằng phương pháp
tọa độ. Có nhiều hệ thống tọa độ, trong đó có hệ tọa độ địa lý.
Cơ sở để xác định tọa độ địa lý là kinh tuyến và vĩ tuyến. Tọa độ địa lý một điểm được
xác định bằng vĩ độ và kinh độ của điểm đó.
Hình
1-3 Hệ thống kinh độ và vĩ độ
– Vĩ độ địa lý: của một điểm là góc hợp bởi đường dây dọi đi qua điểm đó và mặt phẳng
xích đạo. Những vĩ độ được tính từ xích đạo (00)về phía bắc đến 900 gọi là vĩ độ Bắc
(N), và về phía nam đến 900 là vĩ độ Nam(S).
– Kinh độ địa lý: của một điểm là góc nhị diện hợp bởi mặt phẳng kinh tuyến gốc và mặt
phẳng kinh tuyến đi qua điểm đó. Để tiện xác định vị trí các điểm trên địa cầu, người ta
qui định trên địa cầu có 360 đường kinh tuyến các đều nhau. Khoảng cách giữa hai đường
kinh tuyến là một cung tròn có góc ở tâm là 1o. Hội nghị thiên văn Quốc Tế họp ở
Wasington (1884) đã lấy đường kinh tuyến đi qua đài thiên văn Grinwish gần London,
thủ đô Anh, làm kinh tuyến gốc (00) thống nhất cho toàn thế giới.
Các kinh độ được tính từ kinh tuyến gốc về phía đông đến 1800 là những kinh độ Đông
(E),và về phía tây là những kinh độ tây (W)
Thành phố Hà Nội có tọa độ là 105 052′ E và 210 02′ N
1.1.3 Cơ sở toán học cho bản đồ
1.1.3.1 Tỉ lệ
Tỉ lệ bản đồ (map scale) là tỉ số khoảng cách giữa 1 đơn vị đo trên bản đồ so với
khoảng cách ngoài thế giới thực.
Chương 1 : WebGIS – Công nghệ GIS qua mạng
5
Ví dụ : Tỉ lệ 1 :10.000 được hiểu là 1 cm trên bản đồ tương dương với 100 m trên thực
tế.
Việc lựa chọn tỉ lệ bản đồ cần xem xét đến những yếu tố sau:
–
Mục tiêu sử dụng
–
Độ chính xác yêu cầu
–
Yêu cầu của người sử dụng
–
Kích thước vùng cần thể hiện lên bản đồ.
–
Yếu tố thẩm mĩ
Tỉ lệ bản đồ thường được thể hiện ở ba dạng:
–
Dạng số
–
Dạng chữ
–
Dạng thước tỉ lệ
Việc lựa chọn tỉ lệ thích hợp cũng mang tính tương đối. Đối với bản đồ có tỉ lệ quá lớn,
yêu cầu thể hiện chi tiết nhiều hơn, công việc đo đạc thu thập số liệu dữ kiện thông tin
phải chi tiết hơn. Đòi hỏi người vẽ bản đồ phải đầu tư công sức nhiều hơn. Thời gian
hoàn thành lâu hơn. Giá thành một bản đồ cũng tăng. Trong khi đó, đối với bản đồ có tỉ lệ
quá nhỏ thường ít thông tin, khó hiểu.
1.1.3.2 Phép chiếu bản đồ
Khi cần vẽ một vùng diện tích có kích thước trong khoảng 30 km x 30 km. Ta xem
như độ cong của bề mặt Trái Đất là không đáng kể. Lúc này có thể xem bề mặt Trái Đất
là mặt phẳng và thực hiện vẽ trực tiếp
Tuy nhiên khi cần vẽ vùng diện tích lớn hơn vấn đề đặt ra là cần chọn hệ quy chiếu thích
hợp.
a. Hệ quy chiếu
Hệ quy chiếu được định nghĩa là một cách sắp xếp có hệ thống các kinh tuyến và vĩ
tuyến, miêu tả bề mặt cong của địa cầu lên mặt phẳng.
Hệ quy chiếu được phân ra làm các loại sau
– Hệ quy chiếu đồng góc(Conformal projections): góc đo được trên mặt đất bằng với
góc trên bản đồ.
Chương 1 : WebGIS – Công nghệ GIS qua mạng
6
– Hệ quy chiếu đồng diện tích (Equivalent projections): Diện tích bề mặt trên mặt đất
bằng diện tích trên bản đồ.
– Hệ quy chiếu đồng khoảng cách (Equidiatance projections): Khoảng cách từ tâm hệ
quy chiếu đế các điểm khác trên bản đồ là thực.
– Các hệ quy chiếu trung gian khác (không thuộc các hệ quy chiếu trên nhưng cho
phép thể hiện một khu vực)
b. Phép chiếu bản đồ
Phân làm hai loại
Dựa trên các loại mặt chiếu
+ Phép chiếu hình nón: là phép chiếu mà bề mặt hình học hỗ trợ là hình nón
tiếp xúc (chiếu tiếp tuyến) hoặc cắt quả địa cầu (chiếu pháp tuyến).
Hình
1-4 Phép chiếu hình nón
+Phép chiếu hình phương vị: là phép chiếu mà bề mặt hình học hỗ trợ là mặt
phẳng tiếp xúc (chiếu tiếp tuyến) hoặc cắt quả địa cầu (chiếu pháp tuyến)
Hình
1-5 Phép chiếu phương vị
+Phép chiếu Hình trụ:
là phép chiếu mà bề mặt hình học hỗ trợ là hình trụ tiếp xúc (chiếu tiếp
tuyến) hoặc cắt quả địa cầu (chiếu pháp tuyến)
Chương 1 : WebGIS – Công nghệ GIS qua mạng
7
Hình
1-6 Phép chiếu hình trụ
Dựa trên vị trí mặt chiếu với trục quả địa cầu
+ Phép chiếu thẳng (hay phép chiếu đứng): Trục của mặt chiếu (mặt phẳng,
nón hay trụ) trùng với trục quay của quả địa cầu.
Hình
1-7 Phép chiếu thẳng
+ Phép chiếu ngang (hay phép chiếu xích đạo):
Đối với phép chiếu phương vị, mặt chiếu hình hỗ trợ tiếp xúc ở một điểm hay
một đường bất kỳ trên xích đạo. Ở phép chiếu hình nón và phép chiếu hình
trụ, trục của mặt nón và mặt trụ nằm trong mặt phẳng xích đạo, vuông góc
với trục quay của quả địa cầu.
Hình
1-8 Phép chiếu ngang
+Phép chiếu nghiêng: Ở phép chiếu phương vị, mặt phẳng chiếu tiếp xúc với
quả địa cầu tại một điểm nào đó giữa xích đạo và cực. Đối với phép chiếu
hình nón và hình trụ, trục của mặt nón và mặt trụ có vị trí nghiêng so với mặt
phẳng xích đạo.
Chương 1 : WebGIS – Công nghệ GIS qua mạng
8
Hình
1-9 Phép chiếu nghiêng
Ngoài ra trong hệ thống phép chiếu còn có phép chiếu Mercator và phép chiếu Gauss
1.1.3.3 Hệ thống phân mảnh và danh pháp bản đồ
Việc phân mảnh bản đồ do điều kiện in ấn không in được bản đồ có kích thước lớn,
phân mảnh bản đồ theo hệ thống giúp việc dựng lại bản đồ khi ra ngoài thực địa
Có hai hệ thống phân mảnh bản đồ chính:
– Chia mảnh vuông góc
Khung của bản đồ hoặc trùng với đường của lưới tọa độ vuông góc hoặc theo đường phân
chia khác. Bản đồ được chia thành các mảnh hình chữ nhật, đánh số thứ tự theo hàng
ngang từ trái sang phải và từ trên xuống dưới theo hàng dọc có sơ đồ kèm theo
– Hệ chia mảnh hình thang
Theo chiều kinh tuyến chia bề mặt trái đất thành 60 dải đánh số từ 1-60, mỗi dải cách
nhau 6o. Thứ tự các dải được đánh số lần lược bắt đầu từ kinh tuyến 180-174 T là dải số
1, 174-168T là dải số 2… dải 60 từ 174 – 1800 .
Theo chiều vĩ tuyến từ xích đạo trở về hai cực, cứ 40 chia thành 1 đai có đánh số thứ tự
bằng chữ in hoa A,B,C,D…
Như vậy, bề mặt trái đất được chia thành các mảnh hình thang có độ chênh lêch kinh
độ 60 và độ chênh lệch vĩ độ là 4o. Mỗi hình thang biểu thị trên một bản đồ 1:1.000.000.
Danh pháp của nó được ghi rõ theo đai và dải.
Ví dụ: Bản đồ ghi F-48 là tờ bản đồ có tỷ lệ 1:1.000.000, F biểu thị của đai từ 20-240 vĩ
độ, 48 là tên của dải thứ 48 từ kinh tuyến 1020 Đ đến 1080 Đ.
Nếu tờ bản đồ thể hiện phần bắc bán cầu thì ghi thêm chữ N (north) và ở nam bán cầu thì
ghi thêm chữ S (south), ví dụ NF-48.
Lãnh thổ Việt Nam nằm ở trong các đai C,D,E,F và các dải 48,49.
Bản đồ tỷ lệ từ 1:500.000 đến 1:100.000 được chia mảnh và ghi số hiệu theo bản đồ
1:1.000.000.
Chương 1 : WebGIS – Công nghệ GIS qua mạng
9
Mảnh bản đồ tỷ lệ 1:50.000 đến 1:10.000 được chia mảnh và ghi số hiệu theo bản đồ
1:100.000.
Mảnh bản đồ tỷ lệ 1:5.000 đến 1:2.000 thể hiện vùng đất lớn hơn 20km2 được chia
mảnh và ghi số hiệu theo bản đồ 1:1.00.000.
Đối với vùng đất nhỏ hơn 20km2 ta có thể chia mảnh và ghi số hiệu theo tọa độ ô
vuông với kích thước là 40×40 km cho bản đồ tỉ lệ 1:5.000 và 50x50km cho bản đồ tỷ lệ
1:2000 đến 1:500
1.1.4 Các phương pháp thể hiện bản đồ
1.1.4.1 Phân loại bản đồ
Bản đồ có 2 dạng chính
Dạng “đường nét” (line map) Dạng ảnh (photo and iamge map)
Hình
1-10 Bản đồ đường nét
Hình
1-11 Bản đô dạng ảnh
Bản đồ “đường nét” dùng các kí hiệu, nét vẽ để hiện thông tin một cách tóm lược về
khu vực thể hiện. Chủ yếu được vẽ làm bằng thủ công và cộng với sự trợ giúp của máy
tính.
Bản đồ ảnh thường là những hình chụp ngoài thực địa từ trên cao (nhà cao tầng,
máy bay, vệ tinh…) Người ta thường vẽ thêm “đường nét” để nhấn mạnh các thực thể
vào trong bản đồ ảnh. Bản đồ dạng này có ưu điểm là vẽ nhanh, miêu tả được những địa
