Nghiên cứu các chuẩn ogc open geospatial consortium trong hệ thống tin địa lý và ứng dụng luận văn ths công nghệ thông tin 62 48 05 01

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Hệ thống thơng tin địa lý-GIS đời đánh dấu bước phát triển ngành công nghệ quản lý không gian lãnh thổ sở tích hợp thơng tin đồ thơng tin thuộc tính đối tượng ngày sử dụng nhiều ngành nghề khác quản lý đất đai, xây dựng đồ sử dụng đất, quản lý hành chính…Vì thế, ưu điểm công nghệ GIS quan tâm ý phát triển Mặt khác, biết, vai trò Internet ngày khẳng định thiếu việc quảng bá thông tin quốc gia hay lãnh thổ.Với Web, ta chia sẻ thơng tin với người, nơi, lúc Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ hệ thống mạng toàn cầu-Internet, chuyên gia bắt đầu quan tâm đến kết hợp công nghệ GIS cơng nghệ Web, hay cịn gọi WebGIS nhằm phát huy mạnh côngnghệ GIS thơng qua tảng Web Nói cách khác, nhờ vào WebGIS mà ta sử dụng tính hệ GIS thực thụ thực việc chia sẻ thông tin cách tiện lợi dễ dàng Và khơng dừng lại đó, bắt nhịp xu hướng tồn cầu hóa, xu hướng sử dụng mã nguồn mở đưa ngành cơng nghệ thơng tin nhanh chóng hưởng ứng đóng góp nước giới Tổ chức OGC (OpenGeospatial Consortium) với mục tiêu xây dựng chuẩn thực thi chung cho lĩnh vực liệu không gian đưa GIS gần đến với người Và biết, WebGIS kết hợp với chuẩn mở OGC đường giới thiệu sản phẩm GIS liệu địa lý nhanh đến cộng đồng mạng toàn giới Chính lý em lựa chọn đề tài “NGHIÊN CỨU CÁC CHUẨN OGC (OPEN GEOSPATIAL CONSORTIUM) TRONG HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ ỨNG DỤNG” nhằm nghiên cứu chuẩn mở OGC dựa chuẩn xây dựng ứng dụng thử nghiệm với OGC cho toán hiển thị Phân bổ sinh viên trường học đồ Mục tiêu đề tài Đề tài nhằm mục tiêu tìm hiểu thực cách thức chia sẻ thông tin OGC Mục tiêu cụ thể : - Tìm hiểu chuẩn OGC - Tìm hiểu cách thức xây dựng dịch vụ liệu theo chuẩn OGC liệu sẵn có thực ví dụ cụ thể Từ mục tiêu đề ra, đề tài đưa câu hỏi nghiên cứu nhằm có định hướng cho việc thực đề tài - OGC ? - Những chuẩn OGC gồm ? - Muốn đưa lớp liệu trang web theo chuẩn OGC ta phải ? Giới hạn đề tài * Giới hạn thời gian: Đề tài giới hạn thực khoảng thời gian từ 1/6/2014 đến 20/11/2014 * Giới hạn công nghệ Đề tài sử dụng công nghệ WebGIS mã nguồn mở với ứng dụng: - Web Server: Apache - Map Server: Geoserver - Thư viện hỗ trợ: OpenLayers, GeoExt - Dữ liệu: Bản đồ Hà Nội, Shapefile * Giới hạn nội dung: Chỉ nghiên cứu cách thức thức xây dựng dịch vụ liệu theo chuẩn OGC liệu sẵn có nghiên cứu số chuẩn WMS, SLD … Ý nghĩa khoa học đề tài Đề tài góp phần vào việc phát triển mở rộng công nghệ Web theo hướng WebGIS mã nguồn mở, tích hợp thơng tin khơng gian thơng tin thuộc tính thành hệ thống thơng tin hồn chỉnh Web Đề tài tảng việc nghiên cứu ứng dụng WebGIS mã nguồn mở phục vụ lĩnh vực kinh tế - xã hội khác nói chung Ý nghĩa thực tiễn đề tài Ứng dụng mã nguồn mở Geoserver xây dựng trang WebGIS mã nguồn mở hỗ trợ cho việc cung cấp thông tin sinh viên nhà trường, từ giúp lãnh đạo nhà trường so sánh thuận lợi khó khăn việc tuyển sinh nhà trường mà có chiến lược địa điểm CHƯƠNG 1-KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 1.1 Khái niệm hệ thống thông tin địa lý-Geographic Information System (GIS) GIS hệ thống kết hợp người hệ thống máy tính thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị thông tin địa lý để phục vụ mục đích nghiên cứu, quản lý định 1.2 Thành phần chức GIS 1.2.1 Các thành phần GIS GIS kết hợp thành phần bản: Con người, phần cứng, phần mềm, liệu phương pháp phân tích 1.2.1.1 Phần cứng Phần cứng hệ thống máy tính hệ GIS hoạt động 1.2.1.2 Phần mềm Phần mềm GIS cung cấp chức công cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích hiển thị thơng tin địa lý Phần mềm GIS cho phép: - Nhập liệu - Lưu trữ quản lý liệu - Phân tích liệu - Xuất liệu - Tương tác với người sử dụng 1.2.1.3 Dữ liệu - Dữ liệu xem thành phần quan trọng nhất, chiếm chi phí cao hệ - Dữ liệu địa lý lấy từ nhiều nguồn nhiều hình thức khác nhau: - Dữ liệu chia liệu khơng gian liệu thuộc tính Dữ liệu khơng gian: mơ hình liệu vector mơ hình liệu raster Hình 1.8: Mơ hình liệu không gian 1.2.1.4 Con người Con người thành phần quan trọng định mức độ thành công hệ 1.2.1.5 Phương pháp phân tích Cơng cụ GIS thực cách hiệu chúng tích hợp cách thích hợp theo mục đích chiến lược vào vận hành tổ chức 1.2.2 Chức hệ GIS Các chức chínhcủa hệ GIS miêu tả thông qua sơ đồ sau: Hình 1.9: Các chức hệ GIS 1.3 Các mơ hình liệu GIS 1.3.1 Khái niệm liệu địa lý: Dữ liệu địa lý nhằm phản ảnh giới thực 1.3.1.1 Dữ liệu thuộc tính Thể tính chất đối tượng tìm tồn vị trí cụ thể 1.3.1.2 Dữ liệu không gian Được thể đồ GIS dạng điểm (point), đường (line) vùng (polygon) 1.3.1.3 Thời gian Tìm khác biệt theo thời gian vùng 1.3.2 Các mơ hình liệu GIS 1.3.2.1 Biểu diễn liệu GIS 1.3.2.2 Mơ hình liệu khơng gian (a) (b) Hình 1.14: Thế giới thực hai mơ hình raster (a) vector (b) (Theo Aronnof, 1989) 1.3.2.2.1 Mơ hình liệu Raster Khái niệm ảnh Raster: Một file ảnh chụp đối tượng không gian qua máy ảnh photo ảnh số chụp từ máy chụp số (digital camera) ảnh số thu nhận từ đầu ghi phổ vệ tinh ảnh có cấu trúc raster Hình 1.15: Ma trận khơng gian file ảnh raster có cấu trúc pixel Cấu trúc liệu dạng raster có dạng sau: Hình 1.17: Cấu trúc liệu Raster 1.3.2.2.2 Mơ hình liệu Vector a Giới thiệu mơ hình liệu Vector Mơ hình liệu vector coi tượng tập thực thể khơng gian sở tổ hợp chúng Hình 1.19 Biểu diễn đồ vector [1] b Cấu trúc liệu Vector * Cấu trúc Spaghetti: * Cấu trúc Topology Cấu trúc Topology gọi cấu trúc cung-nút (arc-node) Cấu trúc Topology xây dựng mơ hình liệu cung-nút với cung phần tử sở Hình 1.20 Dữ liệu topology vector 1.4 Tích hợp GIS Web 1.4.1 Tìm hiểu WebGIS Cơng nghệ WebGIS đời góp phần khắc phục trở ngại WebGIS đời sở chia sẻ thơng tin qua hệ thống mạng Internet Việc tích hợp công nghệ GIS Internet tạo hội để người sử dụng liệu chức GIS mà không cần phải cài đặt phần mềm GIS chuyên dụng Vậy WebGIS gì? WebGIS xem hệ thống thông tin địa lý phân bố qua mơi trường mạng máy tính để tích hợp, phân phối truyền tải thông tin địa lý trực diện World Wide Web thông qua Internet 1.4.2 Sơ đồ hoạt động WebGIS 10 Hình 1.21: Sơ đồ hoạt động WebGIS 1.4.3 Tổng quan kiến trúc công nghệ WebGIS 1.4.3.1 Kiến trúc WEBGIS Hình 1.22: Sơ đồ kiến trúc tầng WebGIS (3-tier) Kiến trúc 3-tier mô tả sau: Chúng gồm thành phần đại diện cho tầng: 1.4.3.1.1 Client (Presentation tier: tầng trình bày) 1.4.3.2 Application Server (Business Tier: tầng ứng dụng) 1.4.3.3.Database (Data tier:tầng liệu) 11 Hình 1.23: Kiến trúc n-tier hệ thống Một minh chứng cụ thể bùng nổ website dựa dịch vụ Google website GIS theo chuẩn mở OGC (Open Geospatial Consortium) Hình 1.24: Kiến trúc n-tier tương tác Client hệ thống 1.4.3.2 Chức WebGIS 12 * Chức hiển thị: * Chức phân tích thiết kế 1.4.3.3 Ứng dụng WebGIS a Thống kê quản lý kinh tế - xã hội - Thống kê, quản lý dân số - Quản lý mạng lưới giao thông (đường thủy – đường bộ) - Thống kê, quản lý mạng lưới y tế, giáo dục - Điều tra quản lý hệ thống sở hạ tầng b Quản lý rừng - Theo dõi thay đổi rừng - Phân loại rừng - Nghiên cứu tình trạng xói mịn đất c Nghiên cứu hỗ trợ chương trình quy hoạch phát triển - Đánh giá khả thích nghi trồng, vật nuôi động vật hoang dã - Định hướng xác định vùng phát triển tối ưu sản xuất nông nghiệp - Hỗ trợ quy hoạch quản lý vùng bảo tồn thiên nhiên - Đánh giá khả định hướng quy hoạch vùng đô thị, công nghiệp lớn 13 CHƯƠNG 2-NGHIÊN CỨU CÁC CHUẨN OPEN GEOSPATIAL CONSORTIUM (OGC) 2.1 Giới thiệu Open Geospatial Consortium (OGC) Sự đời WebGIS khắc phục hạn chế mà GIS truyền thống mang lại giá thành sở liệu, chuyển đổi định dạng liệu phần mềm, giá thành phần mềm, vấn đề quyền khả cập nhật liệu … Thế nhưng, sử dụng khai thác WebGIS, người sử dụng nhận thấy điều WebGIS xây dựng độc quyền hãng phần mềm hay tổ chức khác liệu trình bày theo quan điểm riêng họ Hình 2.1: Khó khăn việc chia sẻ liệu Nhờ vào xuất OGC đời đặc tả OGC Hình 2.2: Giải pháp OGC 14 2.2 Các chuẩn thực thi OGC sử dụng trình xây dựng hệ thống 2.2.1 Chuẩn thực thi OGC Chuẩn thực thi tổ chức OGC, đăng ký quyền với tên OpenGIS®, tiêu chuẩn toàn cầu phần mềm định dạng kiến trúc, cung cấp cho ta sở hệ thống mở để xử lý liệu địa lý OGC Web Service có 16 specifications (đặc tả) coi chuẩn mở nhằm trao đổi thông tin GIS khác nhau: Catalog Interface (CAT) Coordinate Transformation Services (CT) Filter Encoding (Filter) Geography Markup Language (GML) GO-1 Application Objects (AOS) Grid Coverages (GC) OGC Web Service Common Specification (Common) OpenGIS Location Services (OpenLS) Simple Feature – CORBA (SFC) 10 Simple Feature – SQL (SFS) 11 Simple Features OLE/COM (SFO) 12 Styled Layer Descriptor (SLD) 13 Web Coverage Services (WCS) 14 Web Feature Service (WFS) 15 Web Map Context Document (WMCS) 16 Web Map Service (WMS) 2.2.2 Đặc tả chuẩn OGC 2.2.2.1 Đặc tả Web Map Service (WMS) 15 WMS cung cấp ba giao thức bản: GetCapabilites, GetMap vàGetFeatureInfo (trong giao thức GetCapabilites, GetMap bắt buộc phải có) Hình 2.3: Giao diện Web Map Service 2.2.2.2 Đặc tả Web Feature Service (WFS) WFS cung cấp đối tượng liệu dạng định dạng thống GML (Geography Markup Languge) Một WFS cho phép Client kết nối lấy liệu theo phương thức: - GetCapabilities: trả tài liệu XML mô tả chức WFS - DescribeFeatureType: trả lược đồ XML định nghĩa lớp đối tượng - GetFeature: trả tập đối tượng liệu thoả mãn ràng buộc mô tả yêu cầu 2.2.2.3 Đặc tả Web Coverage Service (WCS) WCS cung cấp liệu dạng Coverage Coverage loại liệu biểu diễn tượng thay đổi theo không gian WCS cung cấp phương thức để Client truy cập lấy liệu về: - GetCapabilities; DescribeCoverage; GetCoverage 2.2.2.4 Đặc tả Styled Layer Descriptor(SLD) 16 SLD mã hóa cho đặc tả WMS mở rộng phép ký hiệu hóa liệu theo yêu cầu người sử dụng Đặc tả OpenGIS Web Map Server (WMS) hỗ trợ khả cung cấp thơng tin dựa vào lựa chọn cụ thể ký hiệu, kiểu dáng tập liệu sẵn có 2.3 Giới thiệu mã nguồn mở ứng dụng chuẩn OGC 2.3.1 Mapserver Mapserver phần mềm mã nguồn mở cho phép tạo đồ động trình bày liệu không gian Web 2.3.2 Map Window Map Window phần mềm GIS mã nguồn mở hệ thống thơng tin địa lý Nó lựa chọn thích hợp cho nhiều đối tượng người dùng theo mục đích khác nhau: a Mục đích biên tập liệu: b Mục đích phát triển cơng cụ phần mềm: 2.3.3 GeoServer 2.3.3.1 Khái niệm GeoServer: máy chủ mã nguồn mở dùng để kết nối thông tin địa lý có sẵn tới trang Web địa lý (Geoweb) sử dụng chuẩn mở 17 Hình 2.5: Giao diện GeoServer [10] 2.3.3.2 Quy trình hiển thị đồ GeoServer Hình 2.6: Quy trình hiển thị đồ GeoServer 18 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM VỚI OGC CHO BÀI TOÁN PHÂN BỔ SINH VIÊN CỦA MỘT TRƯỜNG HỌC 3.1 Mơ tả tốn Trong thời đại ngày nay, số liệu thống kê đóng vai trị lớn vào việc hoạch định sách nghiên cứu, trường học, nhà đầu tư, công ty sản xuất, người dân có nhu cầu sử dụng thơng tin dựa số liệu thống kê Đối với nghành nghề, lĩnh vực khác loại số liệu thông tin cần quan tâm khác vậy, quản lý số liệu thống kê để cung cấp thơng tin xác nhanh chóng, theo yêu cầu sử dụng khác điều quan trọng Cần phải có nơi lưu trữ tốt, phần mềm với nhiều cơng cụ hỗ trợ thích hợp để tập hợp số liệu thống kê thành hệ thống.Với cách quản lý số liệu cung cấp dạng bảng biểu cố định mà chưa ý khai thác khía cạnh khơng gian liệu Sự kết hợp liệu thuộc tính liệu không gian hướng giải hợp lý nhằm nâng cao khả thống kê lên nhiều lần Qua trình khảo sát thực tế tơi nhận thấy có nhiều trường đại học, cao đẳng, trung cấp mở mà tính cạnh tranh tiêu tuyển sinh cao, có nhiều trường sau thành lập phải giải thể, trước tình hình tuyển sinh gặp nhiều khó khăn vậy, để tuyển sinh đủ tiêu giao cho, số trường trung cấp, cao đẳng phải tuyển sinh hình thức liên kết với đơn vị giáo dục khác để có đủ tiêu tuyển sinh Thực tế làm việc trường làm việc hình thức tuyển sinh áp dụng, nhà trường có nhiều đơn vị liên kết với địa điểm khác địa bàn Thành phố Hà Nội Để thống kê số lượng học sinh, sinh viên 19 trường học địa điểm phân bổ học tập địa điểm khác việc thống kê gặp khơng khó khăn Do tơi xây dựng ứng dụng dựa phần mềm mã nguồn mở Geoserver nhằm phân bổ, thống kê lượng sinh viên nhà trường để khắc phục bớt khó khăn mà nhà trường gặp phải Đề tài sử dụng phương pháp thống kê, phân tích xác định thơng tin học sinh, sinh viên cần thiết cho CSDL sinh viên; thu thập thông tin xử lý thông tin để xây dựng liệu lớp đồ mang thơng tin khơng gian lẫn thuộc tính; lập trình trang WebGis cung cấp thơng tin sinh viên 3.2 Thu thập liệu Bước 1:Tạo liệu đồ Bước 2: Cài đặt sử dụng Geoserver Bước 3: Xây dựng website ASP.NET, Javarscrist Bước 4: Sử dụng thư viện Openlayers 3.3 Phân tích thiết kế hệ thống 3.3.1 Thiết kế kiến trúc hệ thống * Mơ hình hệ thống 20 3.3.2 Thiết kế chức 3.3.2.1 Sơ đồ chức 3.3.2.2 Mô tả chức a Quản trị b Người dùng 3.3.3 Thiết kế giao diện 3.3.3.1 Giao diện quản trị 3.3.3.2 Giao diện người dùng 3.4 Lập trình hệ thống GIS mã nguồn mở GeoServer 21 3.4.1 Đưa liệu Shapefile lên GeoServer tạo kiểu hiển thị (style) cho lớp liệu Hình 3.5: Hộp thoại tạo Workspace Vào Layer Preview để kiểm tra lớp liệu (layer) có kiểu hiển thị (style) Hình 3.13: Lớp đồ quận nội thành chọn kiểu hiển thị 3.4.2 Cài đặt thử nghiệm Chương trình cài đặt máy có cấu hình Intel® Pentium CPU P600Core (@ 2.00GHz, RAM 2GB 22 KẾT LUẬN Các kết đạt Đề tài thực nội dung sau: - Tìm hiểu mơ hình hệ thống thông tin địa lý, thành phần hệ thống thông tin địa lý số lĩnh vực ứng dụng thành công hệ thống thông tin địa lý mang lại nhiều giá trị cho người - Tìm hiểu đặc điểm hệ thống thông tin địa lý Web, kiến trúc triển khai hệ thống thông tin địa lý web ưu nhược điểm với tốn áp dụng - Tìm hiểu hai hình thức mơ tả liệu đồ Vector Raster Ưu điểm nhược điểm hai cách thức, cách chuyển đổi hai hình thức - Xây dựng thành cơng hệ thống thông tin địa lý Web cho phép hiển thị lớp thông tin đồ dựa công nghệ mã nguồn mở Hướng phát triển đề tài Do thời gian lượng kiến thức thân hạn chế nên đề tài chưa sâu tìm hiểu hết vấn đề đưa Nếu phát triển tiếp tơi tìm hiểu thêm hệ thống thông tin địa lý Web công nghệ nhằm nâng cao hiệu hệ thống cung cấp tiện ích cho người sử dụng Và đặc biệt xây dựng hệ thống thơng tin địa lý có ý nghĩa thiết thực 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đặng Văn Đức Hệ thống thông tin địa lý, NXB khoa học kỹ Thuật, 2001 [2] Lê Huỳnh, Lê Ngọc Nam 2001 Bản đồ học chuyên đề NXB Giáo dục Hà Nội Tiếng Anh [3] Arliss Whiteside, Jim Greenwood Open Geospatial Consortium Inc,2010 [4] Pune Chapter, GeoServer Tutorial, Open Source Geospatial tools workshop, 2008 [5] Scott Davis GIS for Web Developers: Adding Where to Your Web Applications, 2007 [6] William Lalonde Styled Layer Descriptor Implementation Specification Open Geospatial Consortium, 2009 [7] http://docs.geoserver.org/latest/en/user/data/app-schema/ tutorial.html [8] http://nsidc.org/data/atlas/ogc_services.html [9] http://www.opengeospatial.org/ [10] http://www.vi.wikipedia.org 24 ... liệu địa lý nhanh đến cộng đồng mạng toàn giới Chính lý em lựa chọn đề tài “NGHIÊN CỨU CÁC CHUẨN OGC (OPEN GEOSPATIAL CONSORTIUM) TRONG HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ ỨNG DỤNG” nhằm nghiên cứu chuẩn mở OGC. .. 22 KẾT LUẬN Các kết đạt Đề tài thực nội dung sau: - Tìm hiểu mơ hình hệ thống thông tin địa lý, thành phần hệ thống thông tin địa lý số lĩnh vực ứng dụng thành công hệ thống thông tin địa lý mang... tiếp tơi tìm hiểu thêm hệ thống thông tin địa lý Web công nghệ nhằm nâng cao hiệu hệ thống cung cấp tiện ích cho người sử dụng Và đặc biệt xây dựng hệ thống thơng tin địa lý có ý nghĩa thiết thực