Nghiên cứu trình bày thu thập và lưu trữ các dữ liệu ngoại nghiệp ngay trên các thiết bị di động và đồng bộ hóa dữ liệu về phía máy chủ ngay khi có kết nối mạng Internet. Trong bài viết này sẽ trình bày các giải pháp cho phép lưu trữ bản đồ ngoại tuyến phục vụ công tác quản lý các đối tượng đường biên tỉnh Cao Bằng.
Nghiên cứu - Ứng dụng NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP LƯU TRỮ BẢN ĐỒ NGOẠI TUYẾN TRÊN THIẾT BỊ DI ĐỘNG TRẦN THỊ HẢI VÂN, ĐINH BẢO NGỌC, NGUYỄN TRƯỜNG XUÂN, NGUYỄN HOÀNG LONG, TRẦN ANH TUẤN Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Các ứng dụng mobile GIS giúp cho công việc thu thập liệu phân tích liệu ngoại nghiệp trở nên dễ dàng tiện lợi hết Theo cách truyền thống việc tiếp cận sửa liệu thu thập trường nhiều thời gian dễ gây lỗi Các liệu thực địa biểu diễn qua sơ đồ dấu hiệu đồ giấy sau chuyển văn phịng để giải đốn nhập liệu vào sở liệu GIS Phương pháp cho thấy liệu GIS không thường xuyên cập nhật xác Với khu vực nghiên cứu tỉnh Cao Bằng tỉnh miền núi khu vực phía bắc, kết nối Internet khu vực ngoại nghiệp dọc đường biên giới, đường tuần tra rừng gặp nhiều khó khăn, gây ảnh hưởng tới việc cập nhật, phân tích hiển thị đồ ứng dụng Mobile GIS Để khắc phục hạn chế hạ tầng kết nối Internet Cao Bằng, công nghệ lưu trữ đồ ngoại tuyến (offline), công nghệ cho phép lưu trữ hiển thị đồ khơng có kết nối mạng đề xuất Công nghệ cho phép thu thập lưu trữ liệu ngoại nghiệp thiết bị di động đồng hóa liệu phía máy chủ có kết nối mạng Internet Trong viết trình bày giải pháp cho phép lưu trữ đồ ngoại tuyến phục vụ công tác quản lý đối tượng đường biên tỉnh Cao Bằng Mở đầu Sự phát triển công nghệ lĩnh vực Mobile GIS cho phép lưu giữ thông tin thực địa dạng đồ số máy tính cầm tay, máy tính lưu động dễ dàng tiếp cận thông tin địa lý thực địa Người sử dụng đưa thơng tin thời gian thực tới sở liệu họ, ứng dụng, tăng tốc độ phân tích, hiển thị, đưa định việc cập nhật nhất, liệu khơng gian xác Lính cứu hoả, nhân viên cảnh sát, kỹ sư, công nhân nhiều đối tượng khác sử dụng mobile GIS để hồn thành cơng việc chẳng hạn như: + Thành lập đồ: Tạo lập, sửa chữa, đồ hố cơng nghệ GIS thực địa; + Thống kê: Tạo lập trì bảng thống kê vị trí địa vật thơng tin thuộc tính nó; + Duy trì: Cập nhật vị trí địa vật, điều kiện trì dạng bảng kê; + Kiểm tra: Lưu giữ ghi dạng số vị trí địa vật theo dạng số hay mẫu phiếu; + Thành lập báo cáo: lưu trữ dạng text vị trí, tình hoạt động hay kiện cho nhiệm vụ thành lập báo cáo; + Phân tích GIS đưa định: Tiến hành đo đạc, tạo vùng đệm, xử lý liệu, phân tích GIS khác thực địa Mobile GIS tích hợp nhiều công nghệ sau: + Các thiết bị Mobile + Hệ thống định vị tồn cầu (GPS) + Cơng nghệ truyền thông không dây cho truy cập GIS Internet Ngày nhận bài: 15/11/2019, ngày chuyển phản biện: 19/11/2019, ngày chấp nhận phản biện: 25/11/2019, ngày chấp nhận đăng: 28/11/2019 58 tạp chí khoa học đo đạc đồ số 42-12/2019 Nghiên cứu - Ứng dụng Trong đó, hầu hết thiết bị di động ngày tích hợp chức định vị toàn cầu (GPS) Tuy nhiên, khả truy cập mạng khơng dây Internet cịn phụ thuộc vào hạ tầng thông tin khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu tỉnh Cao Bằng, tỉnh miền núi khu vực phía bắc Theo định 566/QĐ-UNBD tỉnh Cao Bằng, thống kê năm 2018 Cao Bằng có tỷ lệ sử dụng sở hạ tầng mạng viễn thơng đạt 40%, mạng 3G phủ sóng 80% khu vực tỉnh 4G phủ sóng thành phố Cao Bằng trung tâm huyện thị, cửa Qua số liệu cho thấy việc kết nối Internet khu vực ngoại nghiệp dọc đường biên giới, đường tuần tra rừng gặp nhiều khó khăn, gây ảnh hưởng tới việc cập nhật, phân tích hiển thị đồ ứng dụng Mobile GIS Để khắc phục cho hạn chế hạ tầng kết nối Internet Cao Bằng, công nghệ lưu trữ đồ ngoại tuyến (offline), công nghệ cho phép lưu trữ hiển thị đồ khơng có kết nối mạng đề xuất Công nghệ cho phép thu thập lưu trữ liệu ngoại nghiệp thiết bị di động đồng hóa liệu phía máy chủ có kết nối mạng Internet Hiện có nhiều ứng dụng cho phép lưu trữ sử dụng đồ ngoại tuyến Google map Google, Here map Nokia Tuy nhiên, ứng dụng đa số cung cấp liệu chi tiết thành phố lớn Hơn nữa, việc sử dụng ngoại tuyến không cung cấp chức đường hay tìm kiếm đồ Đặc biệt, việc tùy biến liệu người dùng bị hạn chế Giải pháp MBTiles đưa nhằm tạo đồ ngoại tuyến lưu trữ tảng thiết bị di động Bằng cách kết hợp MBTiles liệu khác SpatiaLite nhằm lưu trữ liệu không gian hệ quản trị sở liệu SQLite SpatiaLite thư viện không gian mở rộng SQLite, cung cấp chức lưu trữ liệu vector dạng geodatabase Nó tương tự PostGIS, Oracle Spatial SQL Server, SpatiaLite khơng dựa tảng ClientServer, lưu trữ liệu phía đơn người dùng, liệu sau chép truyền nhận thiết bị với cách tự dễ dàng với tệp SpatiaLite không hỗ trợ việc quản lý liệu không gian SQLite mà hỗ trợ việc truy vấn liệu khơng gian có dạng hệ quy chiều đồ Giải vấn đề 2.1 Kĩ thuật Tile Map Với kĩ thuật đồ số truyền thống, đồ tải tồn phía trình duyệt người dùng dạng ảnh có dung lượng lớn, người dùng thao tác với đồ phóng to, thu nhỏ, dịch chuyển đồ ảnh tải lại Vấn đề phát sinh ảnh có dung lượng lớn máy tính người dùng có cấu hình khơng cao đường truyền internet chậm việc tải đồ nhiều thời gian ảnh hưởng tới suất làm việc người dùng Bản đồ Google map đời năm 2005 giới thiệu kĩ thuật có tên tiled làm thay đổi đáng kể tốc độ hiển thị thao tác với đồ số thơng qua mơi trường mạng internet Thay tải tồn đồ dạng ảnh lớn, Google chia đồ thành ô vuông nhỏ dạng lưới với kích thước xác định Do có cấu trúc dạng lưới, mảnh đồ hiển thị theo vị trí người dùng muốn xem thay phải tải tồn đồ Theo cách chia ảnh đồ google ảnh có kích cỡ 256 * 256 pixels Việc xuất đồ trực tuyến giống đồ giấy việc scan xuất bản đồ dạng tệp ảnh Độ chi tiết đồ phụ thuộc vào kích thước ảnh Việc thêm chi tiết đồ phải tăng kích thước ảnh giảm tỷ lệ đồ Việc làm dễ dàng với đồ chuyên đề, biết trước mục đích sử dụng tỷ lệ đồ Tuy nhiên với đồ sử dụng chung cho nhiu mc tạp chí khoa học đo đạc đồ số 42-12/2019 59 Nghiờn cu - ng dng đích khác (ví dụ đồ nền) việc trở nên khó khăn tiles 16, số tiles 64 tiles Cách xác định tiles URL web map: http://path-to-tiles/{z}/{x}/{y}.png Hình 1: Tiled map Một ảnh google map bao trùm tồn giới có kích thước 256 * 256 pixels nhiên mức phóng ảnh 20 lần kích thước tăng lên 134 triệu * 134 triệu pixels Kích thước lưu trữ ảnh lên tới 25 terrabytes, không phù hợp với cấu hình máy tính người dùng Hình 2: Cách xác định tọa độ tile Cách chuyển đổi từ hệ tọa độ địa lý sang tiles Cơng thức tính tọa độ pixel sau: pixelCoordinate = worldCoordinate * 2zoomLevel Từ công thức cho thấy mức phóng tăng gấp đơi tọa độ x y Do đó, mức thu phóng cao tăng độ phân giải lên lần Ví dụ mức thu phóng bao gồm ô độ phân giải 256 * 256 pixels Kết tồn đồ có kích thước 512 * 512 pixels Ở mức thu phóng 19 theo tọa độ x y tham chiếu theo khoảng giá trị từ 256 * 219 Ở mức thu phóng tọa độ pixel tọa độ giới Để biểu thị xác vị trí đồ, mức thu phóng JavaScript API đưa khung xem đồ dạng tọa độ latitude longitude thành tọa độ pixels Sau API định mảnh đồ đồ nằm giới hạn khung xem Mỗi mảnh đồ đại diện tham chiếu tọa độ mảnh lưu trữ sở liệu Tọa độ mảnh đồ (tilesets) có tọa độ x tăng dần theo chiều từ tây sang đông tọa độ y tăng dần theo chiều từ bắc xuống nam Cách tính số mảnh tile 2z * 2z Với z tỷ lệ zoom Ví dụ mức phóng số 60 Hình 3: Mơ tả cách chuyển đổi từ hệ tọa độ địa lý sang tiles Công thức xác định pixels web Mercator sang mét tỷ lệ zoom 2.2 Phân loại Tile Map Hiện có định dạng tile sử dụng Raster Tile Vector Tile Trong Raster Tile sử dụng từ lâu Vector Tile sử dụng thời gian gần Các nhà cung cấp đồ trước Google, Esri cung cấp đồ thông qua đồ đa mức thu phóng đồ chuyển đổi sang định dạng ảnh PNG hay JPG tối ưu mặt hiệu Tuy nhiên đồ có hạn chế sau: người dùng khơng thể tùy biến đồ, tệp ảnh đồ không tùy biến với độ phân giải hình t¹p chÝ khoa học đo đạc đồ số 42-12/2019 Nghiờn cứu - Ứng dụng Nhằm cung cấp thêm lựa chọn cho người sử dụng, nhà cung cấp dịch vụ đồ đưa lựa chọn đồ dạng vector Bản đồ dạng vector dựa tảng vector tiles (định dạng PBF) chuyển đổi phía client-side dựa tệp quy định kiểu Raster Tiles phép chia đồ thành mảnh tiles chuyển đổi đồ thành tệp dạng ảnh chuẩn bị sẵn phía server định dạng JPG hay PNG Raster tiles cung cấp đến người dùng thông qua dịch vụ web WMS (Web Map Service) hay WMTS (Web Map Tiles Service) Các lợi ích Raster Tiles: Vector tiles mã hóa bỏi Google Protobufs (PBF), cho phép xếp cấu trúc liệu Mapbox Vector Tiles sử dụng *.mvt làm định dạng Để định dạng cấu trúc PBF file mã hóa thành phần hình học thuộc tính Việc mã hóa thơng tin hình học mơ tả sau: tọa độ vector tiles chuyển đổi từ hệ tọa độ địa lý kinh độ vĩ độ sang tọa độ dạng lưới Các vector tiles mã hóa điểm đường, vùng cặp tọa độ x, y có quan hệ tương đối trái sang xuống + Làm việc tốt tất ứng dụng thiết bị (web, desktop, mobile) bao gồm ứng dụng máy tính để bàn hay trình duyệt Web; + Cung cấp khả thao tác với nhà làm đồ dán nhãn hay biểu tượng đối tượng đồ; + Hỗ trợ tốt liệu dạng ảnh liệu độ cao; + Cung cấp chế độ in ấn trình duyệt web Vector Tiles phép chia đồ thành mảnh tiles nhiên liệu sử dụng dạng vector (dạng điểm, đường, vùng) Mỗi mảnh vector tiles bao gồm thơng tin hình học (geometries) metadata giống tên đường, tên địa điểm, số nhà Vector tiles chuyển đổi có u cầu từ phía người dùng trình duyệt Vector tiles có lợi ích quan trọng so với việc chuyển đổi sang dạng raster tiles [3]: + Styling: liệu dạng vector, tiles định dạng theo yêu cầu cho phép có nhiều cách thể khác đồ + Size: Vector tiles thực nhỏ gọn, cho phép hiển thị đồ toàn cảnh độ phân giải cao, nhanh chóng tải đồ thuận tiện việc caching 2.3 Lưu trữ đồ ngoại tuyến dạng MBTiles MBTiles định dạng file để lưu trữ tilesets MBTiles thiết kế để có khả đóng gói hàng nghìn files tilesets file MBTiles thành phần mở rộng SQLite MBTiles bao gồm raster vector tilesets MBTiles định dạng file sử dụng SQLite để lưu trữ gửi liệu tới người dùng tảng web hay di động Đây liệu nhẹ cho phép chia liệu không gian thành ô lưới cho phép thu phóng tới 22 mức [2] t¹p chÝ khoa học đo đạc đồ số 42-12/2019 61 Nghiên cứu - Ứng dụng MBTiles yêu cầu hệ thống tọa độ đồ là: Web Mecator, cụ thể P C S _ W G S _ _ W O R L D _ M E C ATO R , EPSG: 3857 MBTiles tạo tổ chức tiles đồ theo TMS (Tiles Map Service) OSGeo, hỗ trợ tỷ lệ đồ đặt trước Web Mecator Bảng bên mô tả mức hiển thị từ bao gồm 256 * 256 tile định nghĩa điểm gốc (-20037508.34,20037508.34), góc bên trái tồn cầu MBTiles hỗ trợ định dạng PNG hay PNG Mô tả định dạng MBTiles MBTiles quản lý tile đồ thông qua bảng metadata, tiles, map datasheet, image datasheet Metadata table Bảng metadata gồm trường name value để lưu trữ thông số cài đặt tile bao phủ tất mức thu phóng Bounds thể WGS84 giá trị latitude longitude Ví dụ OpenLayers định dạng bounds: left, bottom, right, top Ví dụ cho tồn trái đất -180.0, -85, 180, 85 + center: longitude, latitude mức thu phóng mặc định khung nhìn đồ ví dụ: 1.48,51.87,13 + minzoom: mức thu phóng nhỏ + maxzoom: mức thu phóng lớn + attribution: chuỗi thơng tin thuộc tính giải thích tiếng anh nguồn, kiểu đồ + version: phiên tileset + type: kiểu tile overlay hay baselayer Bảng Tiles (tiles view) Bao gồm tất liệu vị trí liệu tile Định dạng MBTiles hỗ trợ bốn trường liệu để lưu trữ: zoom_Level, tile_colum, tile_row, tile_data Hình 4: Ví dụ bảng tile định dạng MBTile Hình 3: Bảng ví dụ meatadata table Mơ tả tham số bảng metadata Các tham số bắt buộc phải khai báo: Chú ý: Khi độ phân giải mặt đất không tương ứng với độ phân giải bảng metadata mức zoom level -1 Cách khởi tạo SQLite: + name: tên tileset + description: mô tả lớp đồ + format: định dạng liệu tiles Các tham số đề xuất: + compression: kiểu nén liệu tile sử dụng Các tham số tùy chọn + bounds: mức extent lớn khu vực đồ Bounds phải định nghĩa khu vực 62 Trong tile_data blod bao gồm liệu tile thô nhị phân Bảng Grids Trong sở liệu phải có hai lựa chọn bảng tên grids grid_data Bảng grids phải chứa trường liệu sau: zoom_level, tile_colum, tile_row grid t¹p chÝ khoa học đo đạc đồ số 42-12/2019 Nghiờn cứu - Ứng dụng Bảng grid_data phải bao gồm trường liệu sau: zoom_level, tile_colum, tile_row, key_name key_json Bảng so sảnh dung lượng lưu trữ hệ quản trị sở liệu không gian Bảng Grids phải chứa UTFGrid data gzip nén Bảng Grid_data phải bao gồm khóa grid với giá trị mã hóa đối tượng Json Do MBTiles thành phần mở rộng SQLite nên mang đầy đủ đặc tính SQLite SQLite phần mềm quản lý sở liệu (DBMS) tương tự Mysql, PostgreSQL Đặc điểm SQLite gọn, nhẹ, đơn giản Chương trình gồm file vỏn vẹn chưa đến 400kB, khơng cần cài đặt, khơng cần cấu hình hay khởi động mà sử dụng Dữ liệu Database lưu file Khơng có khái niệm user, password hay quyền hạn SQLite Database SQLite khơng thích hợp với hệ thống lớn quy mơ vừa tầm SQLite phát huy uy lực không yếu mặt chức hay tốc độ Với đặc điểm SQLite sử dụng nhiều việc phát triển, thử nghiệm … lựa chọn phù hợp cho người bắt đầu học Database 2.4 Truy vấn phân tích khơng gian liệu khơng gian ngoại tuyến với Spatialite Spatialite thành phần mở rộng không gian SQLite cung cấp chức thao tác với vector geodatabase Nó tương tự PostGIS, Oracle Spatial SQL Server với thành phần mở rộng không gian Kiến trúc Spatialite phù hợp với mục đích sử dụng cá nhân Bản thân SQLite hỗ trợ lưu trữ thao tác với liệu không gian, Spatialite khơng cần thiết dùng để quản lý liệu không gian Tuy nhiên, Spatialite lại hỗ trợ mạnh mẽ việc truy vấn liệu không gian nâng cao, hỗ trợ nhiều hệ tọa độ đồ [1] Hình 5: Bảng so sánh dung lượng lưu trữ liệu hệ quản trị sở liệu Hình 6: Bảng mơ tả cách thức làm việc với hàm Spatilite Một ưu điểm lớn Spatialite cho phép nhập xuất tệp định dạng shapefile [4] Kết nghiên cứu đánh giá MBtiles định dạng liệu lưu trữ liệu không gian dạng ngoại tuyến sử dụng phổ biến Bằng chứng tất phần mềm tảng từ mã nguồn mở QGIS, GeoServer, PostGIS, Mapbox, OpenLayers tảng thương mại điện tử ArcGIS, ArcGIS Server, Google hỗ trợ lưu trữ, đọc, thao tác cho phép chuyển đổi từ định dạng liệu không gian phổ biến shapefile, geodatabase, geojson sang mbtiles MBtiles xuất đồ định dạng mảnh ảnh, không cho phép người dùng chỉnh sửa liệu, liệu dạng vector tiles lưu trữ MBtile cho phép người dùng thay đổi kiểu dáng đồ màu sắc, kiểu đường Do đó, MBtiles phù hợp với việc lưu trữ hiển thị đồ nền, đồ có thay đổi cập nhật Các liệu khơng gian có nhiều biến đổi cần cập nhật thường xuyên lưu trữ tệp spatialite Spatialite cho phép lưu trữ liệu dạng vector người dùng có th tạp chí khoa học đo đạc đồ sè 42-12/2019 63 Nghiên cứu - Ứng dụng chỉnh sửa, cập nhật đối tượng đồ Ngoài ra, Spatialite cịn cung cấp thư viện hàm có sẵn cho phép người dùng phân tích, tương tác với liệu khơng gian tính tốn khoảng cách, xác định mối quan hệ đối tượng địa lý đồ Kết luận Bằng cách kết hợp MBtiles Spatialite cung cấp khả lưu trữ phân tích liệu khơng gian cách đầy đủ, phục vụ tốt cho người dùng ngoại nghiệp MBtiles cho phép lưu trữ hiển thị đồ cách nhanh chóng, Spatialite cung cấp cơng cụ phân tích khơng gian cập nhật, thêm đối tượng địa lý đồ Cả hai định dạng Mbtiles Spatialite thành phần mở rộng SQLite, có dung lượng nhỏ, phù hợp để lưu trữ thiết bị di động thông minh ngày Các kĩ thuật hoàn toàn phù hợp để xây dựng ứng dụng quản lý đối tượng đường biên tỉnh Cao Bằng, nơi có sở hạ tầng mạng viễn thông chưa phát triển, khả truy cập Internet bị hạn chế Ngoài ra, MBTiles Spatialite cung cấp khả xuất liệu định dạng phổ biến Shapefile cho phép đồng hóa liệu lên hệ thống Server chia sẻ liệu hệ thống mạng Bài báo phần kết nghiên cứu đề tài KHCN-VT.07/18-20, Chương trình Khoa học Công nghệ vũ trụ 2018 – 2020.m Tài liệu tham khảo [1] Wikipedia, “SpatiaLite,” [Online] A v a i l a b l e : https://en.wikipedia.org/wiki/SpatiaLite [Accessed 17 2019] [2] S iServer, “MBTiles and SMTiles format map tiles,” [Online] Available: http://support.supermap.com.cn:8090/iserver/he lp/html/en/Subject_introduce/Cache/MapCache/ TileFormat/MBTiles_Support.htm [Accessed 17 2019] [3] Mapbox, “Vector tile specification,” [Online] Available: https://docs.mapbox.com/vector-tiles/specification/ [Accessed 17 2019] [4] GAIA-GIS, “SpatiaLite - spatial extensions for SQLite,” [Online] Available: https://www.gaia-gis.it/spatialite-2.1/SpatiaLitemanual.html [Accessed 17 2019].m Summary Research solutions for offline map storage on mobile devices Tran Thi Hai Van, Dinh Bao Ngoc, Nguyen Truong Xuan, Nguyen Hoang Long Hanoi University of Mining and Geology Mobile GIS applications provide tools to make data collection and analysis of field data easier and more convenient By the traditional methods, access and correction of data collected in the field always takes time and low accuracy The field data is represented through diagrams and marked on paper maps Afterthat, the above paper maps were transferred to the office for interpretation and data entry into the GIS database This method shows that GIS data is not regularly updated The selected study area is Cao Bang Province, where is the mountainous province in the northern region of Vietnam Due to the underdeveloped telecommunication infrastructure and complex topography, updating and analyzing maps on Mobile GIS applications in the field such as along the borderline and patrol roads in the forest are difficult To overcome the limitations of Cao Bang’s Internet connection infrastructure, offline map storage technology has been proposed Offline technology allows storing and displaying maps even when there is no network connection In addition, offline maps allow the collection and storage of offline data right on mobile devices The collected data will be synchronized to the server as soon as the Internet connection is available In this report, we will present solutions that enable offline map storage for the management of border features in Cao Bang province.m 64 tạp chí khoa học đo đạc đồ sè 42-12/2019 ... công nghệ lưu trữ đồ ngoại tuyến (offline), công nghệ cho phép lưu trữ hiển thị đồ khơng có kết nối mạng đề xuất Công nghệ cho phép thu thập lưu trữ liệu ngoại nghiệp thiết bị di động đồng hóa... kiếm đồ Đặc biệt, việc tùy biến liệu người dùng bị hạn chế Giải pháp MBTiles đưa nhằm tạo đồ ngoại tuyến lưu trữ tảng thiết bị di động Bằng cách kết hợp MBTiles liệu khác SpatiaLite nhằm lưu trữ. .. nhiều cách thể khác đồ + Size: Vector tiles thực nhỏ gọn, cho phép hiển thị đồ tồn cảnh độ phân giải cao, nhanh chóng tải đồ thuận tiện việc caching 2.3 Lưu trữ đồ ngoại tuyến dạng MBTiles MBTiles