Đồ án thiết kế và xây dựng cơ sở dữ liệu ảnh vệ tinh trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian PostGIS

1 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 5 1.1. Giới thiệu 5 1.2. Các thành phần của GIS 5 1.2.1. Đối tượng 5 1.2.2. Các thuộc tính 7 1.2.3. Hình ảnh 7 1.2.4. Bề mặt 9 1.3. Hiển thị dữ liệu địa lý 11 1.3.1. Ảnh Vector 11 1.3.2. Ảnh Raster 13 1.4. Tổ chức thông tin địa lý 15 1.4.1. Các lớp bản đồ 15 1.4.2. Chủ đề dữ liệu 16 1.5. Hệ tọa độ và tham chiếu địa lý 17 1.5.1. Tham chiếu địa lý 17 1.5.2. Hệ tọa độ trong GIS 18 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ POSTGIS RASTER 22 2.1. Giới thiệu 22 2.1.1. So sánh PostGIS Raster với Oracle GEORaster 23 2.2. Cơ sở nền tảng trong PostGIS Raster 33 2.2.1. Sự thực thi 33 2.2.2. Cấu trúc 34 2.2.3. Xác định tham chiếu không gian 36 2.2.4. Dữ liệu Raster 36 2.2.5. Độ phân giải không gian 46 2.2.6. Loại điểm ảnh 47 2.2.7. Giá trị Nodata 48 2.2.8. Các khối ảnh 48 2 2.2.9. Tháp ảnh 50 2.2.10. Sự sắp xếp lớp Raster 52 2.2.11. Lưu trữ vật lý 56 2.2.12. Chỉ mục 59 2.2.13. Chuyển đổi 61 2.2.14. Sự giao nhau 62 CHƯƠNG 3: THỰC THI POSTGIS RASTER 67 3.1. Lưu trữ và quản lý Raster 67 3.1.1. Nhập Raster 67 3.1.2. Lấy và thiết lập các thuộc tính Raster 68 3.1.3. Chuyển đổi Vector sang Raster 69 3.1.4. Chuyển đổi Raster sang Vector 70 3.2. Xuất Raster 70 3.3. Hiển thị Raster 71 3.4. Chỉnh sửa và tính toán Raster 71 3.5. Chuyển đổi Raster sang định dạng GDAL 73 3.5.1. Raster sang Tiff 73 3.5.2. Raster sang JPEG 73 3.5.3. Raster sang PNG 73 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 75 4.1. Giới thiệu 75 4.2. Một số hình ảnh của chương trình 76 4.3. Quantum GIS 79 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 LỜI MỞ ĐẦU 3 Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội, lượng thông tin cần lưu trữ cũng tăng theo cấp số nhân theo từng năm, từng thời kỳ, thì việc lưu trữ số lượng thông tin đó trở nên vô cùng khó khăn, đặc biệt khi một lượng lớn thông tin vẫn được lưu trữ trên những tài liệu, sổ sách qua thời gian cùng với các tác động bên ngoài có thể làm cho những tài liệu đó bị hỏng hóc, khó phục hồi. Do đó, nhu cầu sử dụng các phần mềm hỗ trợ khả năng lưu trữ các dữ liệu đảm bảo các yếu tố an toàn và tiện lợi trong thao tác với dữ liệu đó là vô cùng cần thiết. Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại hệ quản trị CSDL khác nhau : từ phần mềm nhỏ chạy trên máy tính cá nhân cho đến những hệ quản trị phức tạp chạy trên một hoặc nhiều siêu máy tính trong đó có thể kể tới các hệ quản trị CSDL như: MySQL, Oracle, SQL Server, PostgreSQL…Mỗi loại trên có những tính năng, lợi ích riêng. Đặc biệt hơn cả, hệ quản trị CSDL PostgreSQL có những tính năng và lợi thế hơn hẳn các hệ quản trị CSDL khác. PostgreSQL là sự lựa chọn sử dụng của nhiều người vì nó có nhiều ưu điểm nổi trội so với các hệ quản trị CSDL khác. Thứ nhất, PostgreSQL là phần mềm mã nguồn mở, miễn phí hoàn toàn trong sử dụng. Thứ hai, hiệu suất làm việc của PostgreSQL chênh lệch so với các hệ quản trị khác trong sai số +/- 10%. Thứ ba, đây là hệ quản trị có độ tin cậy cao, bằng chứng là quá trình phát triển của nó. Thứ tư, PostgreSQL còn có thể chạy được trên rất nhiều hệ điều hành khác nhau như Window, Linux, Unix, MacOSX…Và cuối cùng, một tính năng nổi trội của PostgreSQL là khả năng mở rộng hàm, kiểu dữ liệu, toán tử… người sử dụng có thể tự định nghĩa hàm, kiểu dữ liệu, kiểu toán tử…và có thể thêm những kiểu dữ liệu, toán tử…vào hệ quản trị CSDL PostgreSQL. Ngoài ra PostgreSQL còn hỗ trợ kiểu dữ liệu hình học (geometry) như Point, Line, Polygon…Và PostGIS chính là công cụ được bổ sung cho PostgreSQL để hỗ trợ hiển thị đối tượng địa lý. PostGIS là một mã nguồn mở, mở rộng không gian cho PostgreSQL giúp cải thiện được tốc độ truy cập, dễ dàng quản lý và đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu khi thao tác với dữ liệu không gian. 4 Một đặc điểm nổi trội của PostGIS đó là trong khi hầu hết các hệ thống thông tin địa lý khác chỉ cung cấp dữ liệu vector để thực thi thì PostGIS hỗ trợ một kiểu dữ liệu mới cho phép miêu tả sự phân bố của các hiện tượng vật lý thay đổi liên tục theo thời gian và không gian (gọi là các trường liên tục) như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…Đây chính là cơ sở để chọn đồ án “Thiết kế và xây dựng cơ sở dữ liệu ảnh vệ tinh trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian PostGIS”. Đóng góp lớn nhất của đồ án là đi nghiên cứu làm rõ một kiểu dữ liệu mới PostGIS Raster- hỗ trợ các trường liên tục trong cơ sở dữ liệu PostgreSQL đồng thời cũng mô tả một ứng dụng cho phép người dùng quản lý cơ sở dữ liệu ảnh vệ tinh trong PostGIS Raster. Đồ án chia làm 4 chương: Chương 1: Cơ sở hệ thống thông tin địa lý: giới thiệu qua những thành phần cơ bản nhất của một hệ thống thông tin địa lý. Chương 2: Tổng quan về PostGIS Raster: tập trung giới thiệu về PostGIS, so sánh với những hệ quản trị khác; những cơ sở kiến thức nền tảng về Raster cũng được giới thiệu làm rõ trong chương này. Chương 3: Thực thi PostGIS Raster: giới thiệu chi tiết cách thức làm việc với dữ liệu Raster trong PostGIS. Chương 4: Xây dựng chương trình ứng dụng: thiết kế, xây dựng chương trình ứng dụng quản lý ảnh vệ tinh kết nối đồng thời cả PostGIS và Quantum Gis. 5 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ Dữ liệu địa lý được lưu trữ, thao tác, phân tích bởi một hệ thống thông tin địa lý GIS. Phần này sẽ đi mô tả các thành phần trong hệ thống này. 1.1. Giới thiệu Dữ liệu địa lý nhiều hơn so với hình ảnh điện tử. Dữ liệu địa lý không chỉ mô tả các đối tượng thật và các quan hệ trong không gian mà còn thể hiện tham chiếu không gian , hình học và các thông tin chuyên đề. Tuy nhiên để khai thác một cách đầy đủ các đặc trưng đó, cần có một công cụ bổ sung. Một hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống thông tin được thiết kế để tương thích, lưu trữ, chỉnh sửa, phân tích, chia sẻ và hiển thị thông tin địa lý cho các nhà xây dựng, thiết kế. Ứng dụng GIS là những công cụ cho phép người sử dụng tạo ra các truy vấn tương tác, phân tích thông tin không gian, chỉnh sửa dữ liệu trong bản đồ và hiển thị kết quả của tất cả các hoạt động đó. Một hệ thống thông tin địa lý (HTTTĐL) là sự kết hợp của bản đồ, phân tích, thống kê và công nghệ cơ sở dữ liệu. Đó là thiết kế có thể tùy chỉnh cho một tổ chức. Một HTTTĐL được phát triển với mục đích thẩm quyền hay các doanh nghiệp có thể không nhất thiết phải tương thích hoặc tương thích với hệ thống GIS đã được xây dựng cho các ứng dụng khác. 1.2. Các thành phần của GIS Tất cả GIS cung cấp các cách xử lý cho việc hiển thị và quản lý thông tin địa lý dựa trên bốn yếu tố cơ bản: • Đối tượng • Thuộc tính • Hình ảnh • Bề mặt 1.2.1. Đối tượng Một đối tượng được sử dụng để mô tả một thực thể trong không gian – thời gian. Bên cạnh một số đối tượng được thêm vào, các đối tượng địa lý cơ 6 bản là tập hợp các điểm, đường và vùng. Chúng thể hiện những điều xảy ra tự nhiên, đối tượng rời rạc ( như sông, thảm thực vật) đối với các công trình xây dựng (như đường sá, đường ống, giếng, các tòa nhà…) hay các khu đất ( quận, khu vực chính trị và các mảnh đât…) Điểm: xác định những vật rời rạc mà chúng quá nhỏ để mô tả theo kiểu đường hay vùng như địa điểm, bốt điện thoại, và các điểm máy đo dòng chảy… Điểm cũng có thể đại diện cho vị trí địa điểm nào đó, tọa độ GPS hay đỉnh núi. Hình 1.1: Đối tượng điểm Đường: đường thể hiện hình dạng của đối tượng địa lý quá hẹp để mô tả theo kiểu một vùng (như đường phố, dòng chảy). Đường cũng được sử dụng thể hiện các đối tượng có chiều dài nhưng không phải vùng như đường đồng mức và địa giới hành chính. Hình 1.2: đối tượng đường Vùng: thể hiện hình dạng của các đối tượng lớn như các tiểu bang, quận hạt, loại đất, hiện trạng sử dụng đất… 7 Hình 1.3: Đối tượng vùng thể hiện các thửa 1.2.2. Các thuộc tính Dữ liệu địa lý truyền đạt các thông tin cần mô tả thông qua các kí hiệu, màu sắc, và các nhãn. Ví dụ: • Đường sá được hiển thị dựa trên lớp đường. Ví dụ, kí hiệu dạng đường biểu diễn đường cao tốc được phân chia, đường chính, đường giao thông không lát đá, đường mòn… • Màu xanh dùng để thể hiện nước, dòng chảy. • Đường phố thường được gán nhãn với tên của chúng và thường có thêm một số địa chỉ nào đó • Các điểm đặc biệt và các kí hiệu dạng đường biểu thị các đối tượng cụ thể như các tuyến đường sắt, sân bay, trường học, bệnh viện … 1.2.3. Hình ảnh Hình ảnh được tổ chức như một loại dữ liệu raster gồm các ô lưới (cell) được xây dựng theo mạng lưới hàng và cột. Ngoài các giá trị của cell, một raster cũng bao gồm kích thước cell và hệ tọa độ hiển thị (bên trái, phía trên hoặc dưới của lưới). Những thuộc tính này cho phép một raster được biểu thị bằng một tập các giá trị cell và bắt đầu ở góc trên bên trái. Vị trí mỗi cell có thể được đặt tự động bằng cách sử dụng tọa độ tham chiếu, kích thước cell và số cột, số hàng. 8 Hình 1.4: Lưới cell trong dữ liệu raster Ảnh hàng không có cấu trúc dữ liệu kiểu raster thu được từ các cảm biến khác nhau trong vệ tinh và máy bay. Hình 1.5: dữ liệu Raster Hình ảnh được dùng để thu thập dữ liệu ở cả hai phần nhìn thấy và không nhìn thấy của quang phổ. Một hệ thống máy quét đa phổ đặt trong vệ tinh đã ghi lại hình ảnh 7 kênh cùng với quang phổ điện từ. Việc đo đạc với mỗi kênh được ghi lại trong một mạng lưới riêng biệt. Hình 1.6: Dữ liệu raster nhiều kênh. 9 1.2.4. Bề mặt Một bề mặt mô tả một hiện tượng có một giá trị đối với từng điểm trong không gian. Ví dụ, bề mặt độ cao là một vùng liên tục mà ở đó tất cả các vị trí không gian có giá trị độ cao trên mực nước biển. Các ví dụ khác bao gồm bề mặt lượng mưa, nồng độ ô nhiễm v.v… Một vấn đề lớn trong bề mặt đó là không thể thể hiện tất cả các giá trị của tất cả các vị trí trong một khu vực. Có nhiều lựa chọn khác nhau thay thế cho bề mặt như sử dụng các đối tượng hay raster. Dưới đây là một số thay thế: Đường đồng mức: đại diện cho một tập hợp các điểm có giá trị như nhau chẳng hạn như độ cao. Hình 1.7: Bề mặt thể hiện bởi các đường cong Kênh Mỗi kênh mô tả một vùng đặc biệt của các giá trị. Một vùng, nơi mà mỗi giá trị của điểm thuộc 1 kênh, sẽ được thể hiện bởi một màu tương ứng. Ví dụ kênh bao gồm tất cả lượng mưa trung bình hàng năm từ 25cm đến 50cm. Dữ liệu Raster Một ma trận các cell mà ở đó giá trị mỗi cell thể hiện việc đo đạc mỗi điểm trong không gian. Ví dụ, mô hình số độ cao thể hiện bởi lưới ô vuông, thường được sử dụng để mô tả bề mặt độ cao. 10 Mạng lưới tam giác không đều Một mạng lưới tam giác không đều (TIN): một cấu trúc dữ liệu thể hiện bề mặt như một mạng lưới kết nối các tam giác. Mỗi nút tam giác có tọa độ x,y và giá trị bề mặt z. Raster và TIN có thể được sử dụng để ước tính giá trị bề mặt cho bất kì vị trí nào sử dụng phép nội suy. Hình 1.8: bề mặt được thể hiện bởi các kênh đồng mức Hình 1.9: bề mặt được thể hiện bởi dữ liệu Raster Hình 1.10: bề mặt thể hiện với mô hình TIN [...]... raster ngoài cơ sở dữ liệu từ cơ sở dữ liệu, chúng truy cập trực tiếp từ file hệ thống Tính thừa kế và mở rộng của PostGIS Raster PostGIS Raster sử dụng thư viện GDAL (Geospatial Data Abstraction Library) để nạp raster vào cơ sở dữ liệu và làm việc với raster ngoài cơ sở dữ liệu Với GDAL, PostGIS Raster có thể làm việc với gần một trăm định dạng file Những chức năng bổ sung làm cho PostGIS Raster không chỉ... sẽ thực thi spain.sql trong cơ sở dữ liệu PostGIS d Chồng lớp Raster và Vector Mỗi đối tượng không gian có một tham chiếu không gian xác định (SRID) Tuy nhiên, kết quả của bất cứ phương pháp không gian nào từ hai đối tượng không gian chỉ có hiệu lực khi chúng cùng giá trị SRID Điều này tương tự trường hợp thực hiện chống lớp dữ liệu vector và dữ liệu raster Để thiết lập lại giá trị SRID của đối tượng... PostGIS Raster cho phép người sử dụng đăng kí một cách đơn giản siêu dữ liệu ( đường dẫn đến tập tin thực, loại điểm ảnh, độ rộng, cao, tham chiếu địa lí) của ảnh lưu trữ trong tập tin hệ thống, mà không cần nạp các giá trị dữ liệu của chúng vào cơ sở dữ liệu Điều này được gọi là lưu trữ ngoài cơ sở dữ liệu raster Với phương pháp thứ hai, các ứng dụng web hay desktop có thể truy cập trực tiếp vào cơ. .. raster và vector sẽ giúp chúng ta viết được các ứng dụng GIS tốt hơn Các nhà phát triển sẽ xây dựng một giao diện người dùng đồ họa độc đáo đối với cả hai loại dữ liệu vector và raster 23 Lưu trữ linh hoạt Ngoài việc lưu trữ truyền thống (lưu trữ trong cơ sở dữ liệu) , PostGIS Raster cho phép người sử dụng đăng kí đơn giản dữ liệu của ảnh raster lưu trữ trong tập tin hệ thống (lưu trữ ngoài cơ sở dữ liệu) ... đó trong PostGIS Raster phép giao được thực hiện dưới nhiều hình thức 2.2 Cơ sở nền tảng trong PostGIS Raster 2.2.1 Sự thực thi PostGIS Raster lựa chọn để thực thi một cấu trúc dữ liệu vector tối thiểu Điều đó có nghĩa là một loại raster là duy nhất và được lưu trữ trong một bảng đơn Cấu trúc dữ liệu là rất giống với dữ liệu PostGIS vector và khác Oracle Spatial SDO_GEORASTER và SDO_RASTER Trong PostGIS. .. hình học không gian bao gồm toàn bộ diện tích hình ảnh, siêu dữ liệu, raster ID và tên của bảng dữ liệu raster liên quan đến hình ảnh này • Mỗi hàng trong bảng dữ liệu raster chứa thông tin về khối của ảnh, bao gồm tối thiểu là một khối hình chữ nhật và (MBR) và dữ liệu hình ảnh (lưu trữ như một BLOB) Một MBR được xác định như một hình chữ nhật Trong PostGIS Raster, loại raster là một loại phức tạp bao... hình ảnh Nếu những hình ảnh này tạo thành coverage không liên tục, mỗi tập tin hình ảnh cần thêm hai bảng mới Nạp ảnh sử dụng PostGIS Raster Khi nạp dữ liệu raster bằng cách sử dụng trình hỗ trợ GDAL, bộ nạp tạo tất cả những gì cần thiết để lưu trữ dữ liệu raster vào tập tin SQL Bao gồm tạo các bảng cần thiết, chỉ mục (nếu được quy định) và chèn dữ liệu raster vào các bảng Một hoặc nhiều hình ảnh raster... tạo chỉ mục không gian trên vết của dữ liệu raster còn PostGIS Raster tạo chỉ mục GiST trên chính dữ liệu raster Trong Oracle GeoRaster, các hoạt động không gian (như phép giao) chỉ có thể được thực hiện 30 với MBR (minimum bounding rectangle ) của dữ liệu khi các chỉ mục được tạo trên phạm vi không gian Trong PostGIS Raster, người sử dụng có thể thực hiện các hoạt động phức tạp với dữ liệu raster... GIS Trong nhiều trường hợp khác, giá trị SRID liên quan với các đối tượng không gian có thể sử dụng để hạn chế các hoạt động không gian Ví dụ, các hoạt động không gian không thể thực hiện được giữa các đối tượng không gian có giá trị SRID khác nhau Hoặc, kết quả của nhiều hoạt động không gian có nguồn gốc từ hai đối tượng không gian chỉ có hiệu lực khi chúng có cùng SRID dựa trên một đơn vị đo lường và. .. độ địa phương căn bản, hệ thống khu vực hoặc toàn cầu được sử dụng để xác định vị trí các đối tượng địa lý Một hệ thống tham chiếu không gian xác định một phép chiếu bản đồ cụ thể, cũng như chuyển đổi giữa các hệ tham chiếu không gian khác nhau Một hệ thống xác định tham chiếu không gian (SRID) là giá trị duy nhất để xác định phép chiếu và hệ tọa độ không gian địa phương Các hệ thống tọa độ là trung