Xây dựng plugin truy vấn và tạo lớp dữ liệu dạng vùng theo vị trí không gian tương Đối (giao nhau) so với 1 lớp dữ liệu dạng vùng khác

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰCKHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO MÔN HC HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG GIAN XÂY DỰNG PLUGIN TRUY VẤN VÀ TẠO LỚP DỮ LIỆU DẠNG VÙNG THEO VỊ TRÍ KHÔNG GIAN TƯƠNG ĐỐI GIAO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO MÔN HC HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG GIAN XÂY DỰNG PLUGIN TRUY VẤN VÀ TẠO LỚP DỮ LIỆU DẠNG VÙNG THEO VỊ TRÍ KHÔNG GIAN TƯƠNG ĐỐI (GIAO NHAU)

SO VỚI 1 LỚP DỮ LIỆU DẠNG VÙNG KHÁC.

Sinh viên thực hiện : TẠ TRẦN TRUNG HIẾU

LÊ HUY ĐỒNG LƯƠNG TRUNG KIÊN NGÔ HOÀNG SƠN Giảng viên hướng dẫn : ĐỖ ĐỨC HẠNH

PHIẾU CHẤM ĐIỂM

Sinh viên thực hiện:

Họ và tên: Nội dung thực hiện Chữ ký Điểm

MỤC LỤC

LVI MW ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU QGIS 5

1.1 Khái niệm cơ bản GIS 5

1.2 Các chức năng chính của GIS 6

1.3 Hướng dẫn cài đặt QGIS 8

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG BÀI TOÁN 13

2.1 Hiện trạng về công cụ và kỹ thuật xử lý không gian 13

2.1.1 Công cụ phổ biến trong xử lý không gian 13

2.2.2 Kỹ thuật xử lý không gian phổ biến 15

2.2 Hạn chế của các phương pháp hiện có 16

2.3 Nhu cầu về một giải pháp tối ưu 16

CHƯƠNG 3.XÂY DỰNG HỆ THỐNG 18

3.1 Mục tiêu xây dựng hệ thống 18

3.1.1 Mục tiêu tổng quát 18

3.1.2 Mục tiêu chi tiết 18

3.2 Kiến trúc hệ thống 19

3.2.1 Tổng quan kiến trúc hệ thống 19

3.2.2 Công cụ và công nghệ sử dụng 20

3.3 Quy trình xây dựng plugin 20

3.3.1 Phân tích yêu cầu 20

3.3.2 Thiết kế giao diện 21

3.3.3 Xây dựng chức năng chính 22

3.4 Kết quả mong đợi 23

KẾT LUÂ^N 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

2

LI M ĐU

Trong lĩnh vực Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS), việc phân tích dữ liệukhông gian và xây dựng các công cụ hỗ trợ xử lý dữ liệu địa lý là một nhiệm vụquan trọng, nhằm đáp ứng các nhu cầu thực tiễn như quản lý tài nguyên, quyhoạch đô thị, hoặc giám sát môi trường Trong số các kỹ thuật xử lý không gian,truy vấn và tạo lớp dữ liệu dựa trên mối quan hệ vị trí tương đối giữa các đốitượng địa lý là một trong những phương pháp phổ biến, mang lại thông tin chitiết và giá trị cao cho người sử dụng

Đề tài “Xây dựng Plugin truy vấn và tạo lớp dữ liệu dạng vùng theo vị trí không gian tương đối (giao nhau) so với 1 lớp dữ liệu dạng vùng khác ”

tập trung vào việc xây dựng một plugin trong môi trường GIS, nhằm hỗ trợ truyvấn và tạo ra các lớp dữ liệu dạng vùng dựa trên mối quan hệ "giao nhau" giữacác lớp dữ liệu Plugin không chỉ cung cấp khả năng tự động hóa quá trình xử

lý, mà còn giúp tăng hiệu quả, giảm thiểu sai sót trong việc phân tích dữ liệu địalý

Mục tiêu của báo cáo là trình bày các bước nghiên cứu, thiết kế và triểnkhai plugin, đồng thời minh họa tính ứng dụng của plugin thông qua các ví dụ

cụ thể Qua đó, báo cáo không chỉ đề xuất một giải pháp kỹ thuật mà còn mở racác hướng phát triển tiềm năng trong việc tối ưu hóa các công cụ GIS phục vụnhu cầu thực tiễn

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Đỗ ĐứcHạnh và thầy Trần Hùng đã giúp chúng em thực hiện hoàn thành tốt đề tài này

3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU QGIS1.1 Khái niệm cơ bản GIS

GIS (Geographic Information System) :

- Là một hệ thống thông tin có thể mã hóa, lưu trữ, chuyển đổi, phân tích và hiển thị thông tin không gian địa lý

- Là một hệ thống nhập, lưu trữ, thao tác và xuất thông tin địa lý

- Là một hệ thống phần mềm máy tính, phần cứng và dữ liệu, và nhân sự để giúp thoa tác, phân tích và trình bày thông tin

GIS là hệ thống thông tin trên cơ sở máy tính với bốn khả năng chủ yếu:

- Thu thập và tiền xử lý dữ liệu tham chiếu địa lý, bao gồm dữ liệu từ bản đồ giấy, dữ liệu vệ tinh, điều tra hay từ các nguồn khác

- Quản lý dữ liệu, bao gồm lưu trữ và bảo trì trong CSDL

- Biến đổi, phân tích, mô hình hóa dữ iệu không gian và dữ liệu thuộc tính liên quan bằng các công cụ phần mềm

- Trình diễn dữ liệu dưới dạng báo cáo, bản đồ chuyên đề, biểu diễn đồ,

4

1.2 Các chức năng chính của GIS

Hiển thị và quản lý dữ liệu không gian: QGIS hỗ trợ các loại dữ liệu không

gian như shapefile, GeoTIFF, GPX, GeoJSON và nhiều định dạng khác Người

5

dùng có thể thêm, quản lý, và hiển thị các lớp bản đồ và dữ liệu không gian trựctiếp trong giao diện QGIS.

Chỉnh sửa dữ liệu không gian: QGIS cung cấp các công cụ chỉnh sửa trực tiếp

dữ liệu vector và raster Người dùng có thể tạo, chỉnh sửa, xoá các đối tượngkhông gian, thay đổi thuộc tính, và lưu kết quả vào định dạng mong muốn

Phân tích không gian: QGIS có nhiều công cụ phân tích mạnh mẽ giúp xử lý

dữ liệu không gian, chẳng hạn như phân tích vùng đệm (buffer), phân tích chồnglớp (overlay), và phân tích địa hình (DEM) Ngoài ra, người dùng có thể mởrộng QGIS với các plugin để thêm các chức năng phân tích nâng cao

Tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn: QGIS có thể truy cập và hiển thị dữ liệu từ

nhiều nguồn khác nhau như cơ sở dữ liệu PostGIS, WMS (Web Map Service),WFS (Web Feature Service) và các dịch vụ bản đồ khác

Biểu đồ và báo cáo trực quan: QGIS có thể tạo biểu đồ và báo cáo từ dữ liệu

không gian, đồng thời cho phép tạo các bản đồ có thiết kế chuyên nghiệp để in

ấn hoặc chia sẻ

GIS được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như quản lý tài nguyên, quy hoạch

đô thị, môi trường, địa chất và nghiên cứu khoa học, nên GIS có tính ứng dụngthực tiễn trong các lĩnh vực trên

 Quy hoạch đô thị: QGIS giúp phân tích và lập bản đồ các khu vực dân

cư, hạ tầng giao thông, hệ thống cấp thoát nước, và các yếu tố khác liênquan đến quy hoạch đô thị

 Quản lý tài nguyên thiên nhiên: Trong các ngành quản lý tài nguyên

nước, rừng, khoáng sản, và năng lượng tái tạo, QGIS cung cấp công cụphân tích giúp tối ưu hoá việc quản lý và bảo tồn

 Nghiên cứu môi trường: QGIS được sử dụng để giám sát biến đổi khí

hậu, quản lý chất lượng không khí, dự báo thiên tai, và nghiên cứu về môitrường

6

 Ứng dụng giáo dục và nghiên cứu: QGIS là công cụ phổ biến trong các

trường đại học và viện nghiên cứu nhờ tính dễ sử dụng và khả năng xử lý

dữ liệu không gian hiệu quả

1.3 Hướng dẫn cài đặt QGIS:

Bước 1 Truy cập trang Download của QGIS.org Nhấp vào liên kết OSGeo4W Network Installer để tải xuống trình cài đặt Trình cài đặt mạng OSGeo4W là

cách ưa thích để cài đặt QGIS vì nó đảm bảo bạn có được tất cả các phụ thuộccần thiết cho phần mềm

7

Bước 2 Sau khi tải xuống, bấm đúp vào osgeo4w-setup.exe để khởi chạy trìnhcài đặt.

Bước 3 Trong cửa sổ OSGeo4W Setup, chọn Express Installer và nhấp vào

Next Nếu bạn là được nhắc Choose a Download Site, chọn

http://download.osgeo.org và nhấp vào Next

8

Bước 4 Chọn QGIS LTR và nhấp vào Next.

Bước 5 Chấp nhận tất cả các điều khoản và điều kiện và nhấp vào Next Bạn sẽ phải chấp nhận các điều khoản đối với một số gói không phải nguồn mở

9

Bước 6 Quá trình tải xuống sẽ bắt đầu.

Bước 7 Sau khi quá trình tải xuống hoàn tất, hãy tìm kiếm QGIS trong Start Menu của Windows và chọn QGIS Desktop 3.34, nhấp vào Open

10

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG BÀI TOÁN

Trong bối cảnh ứng dụng GIS ngày càng phổ biến, việc xử lý dữ liệu không gian

để tạo ra các thông tin có ý nghĩa là một yêu cầu thiết yếu Một trong những bàitoán thường gặp là xác định mối quan hệ không gian giữa các đối tượng địa lý

và sử dụng kết quả này để tạo ra các lớp dữ liệu mới phục vụ cho các mục đích

cụ thể như phân tích địa hình, quy hoạch đô thị, hoặc bảo tồn tài nguyên thiênnhiên

2.1 Hiện trạng về công cụ và kỹ thuật xử lý không gian

Hiện nay, các phần mềm GIS phổ biến như QGIS, ArcGIS, hay PostGIS đềucung cấp các công cụ mạnh mẽ để xử lý dữ liệu không gian, trong đó có chứcnăng truy vấn không gian và tạo lớp dữ liệu mới dựa trên các mối quan hệ khônggian như giao nhau, bao phủ, hoặc nằm trong Tuy nhiên, việc sử dụng các công

cụ này yêu cầu người dùng phải có kiến thức nhất định về GIS cũng như các quytrình thao tác thủ công khá phức tạp khi xử lý khối lượng dữ liệu lớn

2.1.1 Công cụ phổ biến trong xử lý không gian

Hiện nay, có nhiều công cụ và phần mềm GIS cung cấp khả năng xử lý dữ liệukhông gian, từ những nền tảng mã nguồn mở đến các phần mềm thương mại.Dưới đây là một số công cụ tiêu biểu:

a QGIS (Quantum GIS)

o Việc xử lý giao nhau giữa hai lớp dữ liệu thường yêu cầu nhiềubước thủ công.

o Plugin sẵn có không luôn linh hoạt để đáp ứng các yêu cầu cụ thểcủa từng bài toán

o Là một phần mở rộng của PostgreSQL, cung cấp khả năng lưu trữ

và xử lý dữ liệu không gian trên cơ sở dữ liệu

o Hỗ trợ các phép toán không gian như giao nhau (ST_Intersection),bao phủ, cách ly, và tích hợp tốt với các phần mềm GIS như QGIS

d Các thư viện lập trình

 Các thư viện như GDAL/OGR GeoPandas Shapely, , trong Python, hoặc

ArcPy của ArcGIS hỗ trợ lập trình viên thực hiện các phép toán không

gian

 Hạn chế: Phù hợp với người có kỹ năng lập trình, không thân thiện với

người dùng phổ thông

2.2.2 Kỹ thuật xử lý không gian phổ biến

Kỹ thuật xử lý dữ liệu không gian tập trung vào việc thực hiện các phép toángiữa các lớp dữ liệu Một số kỹ thuật thường được sử dụng bao gồm:

a Phép giao nhau (Intersection)

 Xác định phần giao giữa các đối tượng địa lý thuộc hai lớp dữ liệu dạngvùng

 Ứng dụng: Tính diện tích trùng lặp giữa các khu bảo tồn, xác định vùngquy hoạch bị ảnh hưởng bởi một lớp dữ liệu khác (ví dụ: lũ lụt, ô nhiễm)

b Phép cắt (Clip)

 Cắt một lớp dữ liệu dựa trên ranh giới của một lớp khác

 Ứng dụng: Tạo ra các lớp dữ liệu tập trung vào khu vực nghiên cứu cụthể

 Ứng dụng: Kiểm tra các đối tượng (ví dụ: cây trồng, tòa nhà) có nằmtrong khu vực được phép hay không.

e Phép cách ly (Buffer)

 Tạo vùng đệm xung quanh một đối tượng địa lý

 Ứng dụng: Phân tích tác động môi trường xung quanh các khu vực đặcbiệt (đường giao thông, sông ngòi)

2.2 Hạn chế của các phương pháp hiện có:

Mặc dù các công cụ hiện hành đáp ứng được nhiều nhu cầu, chúng vẫn tồn tạimột số hạn chế như:

 Độ phức tạp trong thao tác: Việc sử dụng các công cụ sẵn có yêu cầu

người dùng phải thực hiện nhiều bước thủ công, đặc biệt khi làm việc với

dữ liệu phức tạp hoặc khối lượng lớn

 Khả năng tùy biến hạn chế: Các tính năng mặc định thường không đáp

ứng hoàn toàn các yêu cầu đặc thù của từng bài toán cụ thể, dẫn đến việccần thiết phải lập trình thêm hoặc sử dụng các công cụ bên ngoài

 Hiệu năng xử lý: Khi làm việc với dữ liệu lớn, thời gian xử lý có thể tăng

đáng kể, đặc biệt khi thực hiện các phép giao nhau phức tạp giữa nhiềulớp dữ liệu

2.3 Nhu cầu về một giải pháp tối ưu:

Từ những hạn chế trên, nhu cầu xây dựng một công cụ tự động hóa, dễ sử dụng,

và có khả năng tùy biến cao để hỗ trợ truy vấn và tạo lớp dữ liệu giao nhau trởnên cấp thiết Cụ thể, một plugin dành riêng cho môi trường GIS như QGIS sẽgiúp:

 Tự động hóa quy trình: Giảm thiểu thao tác thủ công và tăng hiệu suất

làm việc

15

 Tăng tính thân thiện: Giao diện dễ sử dụng, phù hợp với cả những người

dùng không chuyên sâu về GIS

 Tùy biến linh hoạt: Cung cấp khả năng điều chỉnh các tham số phù hợp

với từng nhu cầu cụ thể

 Hiệu năng cao: Tối ưu hóa thuật toán để xử lý nhanh chóng các tập dữ

liệu lớn

Từ những đặc điểm trên, việc phát triển một plugin chuyên biệt cho bài toán truyvấn giao nhau và tạo lớp dữ liệu không gian không chỉ khắc phục được nhữnghạn chế hiện tại mà còn nâng cao hiệu quả trong xử lý và phân tích dữ liệu GIS

16

CHƯƠNG 3.XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 Mục tiêu xây dựng hệ thống:

Mục tiêu của việc xây dựng hệ thống trong bài toán truy vấn và tạo lớp dữ liệu dạng vùng theo vị trí không gian tương đối (giao nhau) so với một lớp dữ liệu dạng vùng khác là cung cấp một giải pháp chuyên biệt, tự động hóa và

hiệu quả, tích hợp trong môi trường GIS, cụ thể là QGIS Hệ thống sẽ hỗ trợngười dùng thực hiện các tác vụ phức tạp một cách dễ dàng, nhanh chóng vàchính xác Mục tiêu cụ thể được chia thành các nhóm sau:

3.1.1 Mục tiêu tổng quát:

Xây dựng một plugin trong môi trường QGIS, giúp:

- Truy vấn các đối tượng địa lý dựa trên mối quan hệ không gian "giao nhau"giữa hai lớp dữ liệu dạng vùng

- Tạo lớp dữ liệu mới từ kết quả truy vấn, bao gồm các thông tin thuộc tínhcần thiết để phục vụ mục đích phân tích hoặc quản lý dữ liệu không gian

3.1.2 Mục tiêu chi tiết:

a Tự động hóa quy trình xử lý không gian

Hỗ trợ người dùng thực hiện các tác vụ truy vấn không gian và tạo lớp dữ liệu

mà không cần thực hiện nhiều bước thủ công

Giảm thiểu thời gian và công sức trong việc xử lý dữ liệu không gian phức tạp

b Cung cấp giao diện thân thiện và dễ sử dụng

Thiết kế giao diện plugin trực quan, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn các lớp

dữ liệu, thiết lập tham số và thực hiện các phép toán không gian

Phù hợp với cả người dùng không chuyên sâu về kỹ thuật GIS

c Hỗ trợ tùy biến và linh hoạt

Cho phép người dùng tùy chỉnh các tham số đầu vào, như chọn trường thuộctính cần xuất, định dạng dữ liệu đầu ra, hoặc các điều kiện lọc bổ sung.Tích hợp chức năng lọc và tiền xử lý để tăng tính chính xác và phù hợp với bàitoán cụ thể

d Tối ưu hóa hiệu năng xử lý

17

Sử dụng các thuật toán xử lý không gian hiệu quả để đảm bảo thời gian xử lýnhanh, ngay cả với các bộ dữ liệu lớn và phức tạp.

Tích hợp các thư viện mạnh mẽ như GDAL/OGR hoặc PyQGIS để khai thác tối

đa sức mạnh của môi trường GIS

e Tích hợp dễ dàng trong môi trường làm việc

Plugin được thiết kế để tích hợp trực tiếp trong QGIS, tận dụng các tính năngsẵn có của phần mềm và dễ dàng cài đặt

Đảm bảo tương thích với nhiều định dạng dữ liệu phổ biến (Shapefile,GeoJSON, KML, SQLite, v.v.)

f Đảm bảo chất lượng và khả năng mở rộng

Kết quả đầu ra của plugin phải chính xác, tuân thủ các quy chuẩn về dữ liệu địalý

Thiết kế hệ thống mở để dễ dàng nâng cấp, bổ sung thêm các chức năng khácnhư xử lý vùng đệm (buffer), kiểm tra bao phủ (containment), hoặc tính toándiện tích giao nhau

mà không cần kiến thức chuyên sâu về GIS

- Xử lý truy vấn không gian: Phần này sẽ thực hiện các phép toán không gian(giao nhau) giữa hai lớp dữ liệu dạng vùng Các thuật toán xử lý truy vấn sẽđược tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả và tốc độ xử lý nhanh chóng, đặc biệtkhi làm việc với các bộ dữ liệu lớn Quy trình này có thể sử dụng các thưviện mã nguồn mở mạnh mẽ để thực hiện các phép toán không gian

18

- Tạo lớp dữ liệu đầu ra: Sau khi thực hiện truy vấn, hệ thống sẽ tạo ra mộtlớp dữ liệu mới, chứa các đối tượng giao nhau giữa hai lớp đầu vào Lớp

dữ liệu này sẽ được xuất dưới định dạng phù hợp, sẵn sàng cho các phântích tiếp theo hoặc lưu trữ

- Quản lý dữ liệu không gian: Dữ liệu không gian đầu vào (Shapefile,GeoJSON, KML, hoặc các định dạng khác) sẽ được quản lý và xử lýtrong hệ thống, đảm bảo tính chính xác và tính nhất quán trong suốt quátrình xử lý Dữ liệu này có thể được truy vấn, cập nhật hoặc chỉnh sửathông qua giao diện người dùng

- Kiến trúc của hệ thống sẽ kết hợp giữa các thành phần xử lý dữ liệukhông gian (backend) và giao diện người dùng (frontend), kết nối chúngthông qua các API và các phương thức xử lý trực tiếp trong QGIS

3.2.2 Công cụ và công nghệ sử dụng

 Phần mềm GIS: QGIS (Phiên bản từ 3.16 trở lên).

 Ngôn ngữ lập trình: Python (sử dụng PyQGIS để tích hợp với QGIS).

 Thư viện hỗ trợ:

o PyQt5: Xây dựng giao diện người dùng

3.3 Quy trình xây dựng plugin

3.3.1 Phân tích yêu cầu

Dựa trên yêu cầu của đề tài, plugin cần có các tính năng chính sau:

 Chọn lớp dữ liệu đầu vào: Người dùng có thể chọn hai lớp dữ liệu dạng

vùng mà họ muốn thực hiện phép toán không gian

 Thiết lập các tham số truy vấn: Plugin cần hỗ trợ người dùng chọn các

tham số truy vấn như "giao nhau" giữa hai lớp dữ liệu Ngoài ra, có thể cócác tham số bổ sung như chọn thuộc tính cần xuất trong kết quả

 Thực hiện truy vấn không gian: Plugin sẽ thực hiện phép toán "giao

nhau" giữa hai lớp dữ liệu dạng vùng, xác định các vùng giao thoa và tạolớp dữ liệu mới từ kết quả

19