Ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý và gps để xây dựng cơ sở dữ liệu giao thông phục vụ mục đích quân sự

Bộ giáo dục đào tạo trờng đại học mỏ - địa chất Vũ Duy điển c Mỏ - địa chất ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý gps để xây dựng sở liệu giao thông phục vụ mục đích quân Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa Mà số: 60.52.85 Luận văn th¹c sÜ kü tht Ng−êi h−íng dÉn khoa häc TS Trần Đình Trí Hà Nội - 2009 ii Bộ giáo dục đào tạo trờng đại học mỏ - địa chất Vũ Duy điển c Mỏ - địa chất ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý gps để xây dựng sở liệu giao thông phục vụ mục đích quân Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa Mà số: 60.52.85 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Ngời hớng dẫn khoa học TS Trần Đình Trí Hà Nội - 2009 iii Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực cha đợc công bố công trình khác Tác giả luận văn Vũ Duy Điển iv Mục lục Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan iii Môc lôc iv Trang phơ b×a iv Trang iv Danh mơc c¸c ký hiệu, chữ viết tắt vii Danh mục bảng ix Danh mục hình vẽ x Mở ĐầU Ch−¬ng - Tỉng quan hệ thông tin địa lý, viễn thám GPS 1.1 Kh¸i qu¸t HƯ thèng thông tin địa lý (GIS) 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Mô hình cấu trúc liệu 1.1.3 Các chức chÝnh 10 1.2 Kh¸i qu¸t vỊ viƠn th¸m 12 1.2.1 §Þnh nghÜa 12 1.2.2 HƯ thèng viƠn th¸m 12 1.2.3 Mét sè hƯ thèng vƯ tinh viƠn th¸m 14 1.2.4 T liƯu viƠn th¸m 16 1.2.5 Phơng pháp xử lý t liÖu 18 1.3 Kh¸i qu¸t vỊ GPS 20 1.3.1 LÞch sư ®êi cđa hƯ thèng GPS 20 1.3.2 HÖ thèng GPS 22 1.3.3 Mét số phơng pháp định vị GPS 25 Chơng - sở liệu giao thông phục vụ mục đích quân 29 2.1 Khái quát sở liÖu 29 2.1.1 Khái niệm sở liệu 29 2.1.2 HÖ quản trị sở liệu hệ thống sở liệu 30 2.1.3 Môi trờng sở liệu 31 2.1.4 Mô hình sở liÖu 33 2.2 Phơng pháp xây dựng sở liệu 38 v 2.2.1 Phơng pháp xây dựng sở liệu theo mô hình tệp 38 2.2.2 Phơng pháp xây dựng CSDL theo mô hình quan hệ đối tợng nỊn c«ng nghƯ ArcGIS 38 2.2.1 Phơng pháp xây dựng CSDL theo mô hình quan hệ đối tợng nguồn mở PostGIS/PostgreSQL 39 2.3 Khái niệm chuẩn thông tin địa lý c¬ së quèc gia 40 2.3.1 Mô hình cấu trúc liệu 40 2.2.2 Mô hình khái niệm liệu không gian 42 2.2.3 Mô hình khái niệm liệu thời gian 45 2.2.4 Mô hình khái niệm danh mục đối tợng 46 2.2.5 HÖ quy chiÕu, hÖ toạ độ 47 2.2.6 Siêu liệu sở 48 2.2.7 Tiêu chí đánh giá chất lợng sở liệu 49 2.2.8 Quy chuÈn tr×nh bày liệu địa lý 49 2.2.9 Lợc đồ ứng dụng UML, quy tắc xây dựng chuyển đổi 50 Chơng - Tích hợp sử dụng công nghệ 3S để thành lập sở liệu giao thông phục vụ mục đích quân 51 3.1 Yêu cầu CSDL giao thông phục vụ mục đích quân 51 3.1.1 Đối tợng sở liệu mạng giao thông vận tải quân 51 3.1.2 Các liệu tích hợp CSDL giao thông 52 3.2 Quy trrình công nghÖ 52 3.2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 52 3.2.2 Gi¶i thích sơ đồ quy trình công nghệ 53 3.3 Các giải pháp kỹ thuật 55 3.3.1 Giải pháp sử dụng công nghệ viễn thám 55 3.3.2 Giải pháp sư dơng c«ng nghƯ GPS 65 3.3.3 Giải pháp sử dụng công nghệ GIS 65 Ch−¬ng - Thử nghiệm xây dựng sở liệu giao thông 70 phục vụ mục đích quân 70 4.1 Yêu cầu nhiƯm vơ 70 4.1.1 Yêu cầu 70 4.1.2 NhiƯm vơ 71 4.2 Đặc điểm khu vực thi c«ng 71 4.2.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên 71 4.2.2 Đặc điểm kinh tế, trị, xà hội 72 vi 4.3 Đối tợng néi dung cËp nhËt th«ng tin 72 4.3.1 Đối tợng cập nhật thông tin 72 4.3.2 Néi dung cËp nhËt th«ng tin 72 4.4 Xây dựng sở d÷ liƯu 75 4.4.1 T×nh h×nh t− liƯu 75 4.4.2 Cơ sở toán học 75 4.4.3 ThiÕt kÕ m« hình sở liệu 75 4.4.4 X©y dùng hƯ thèng CSDL b»ng c«ng nghƯ ArcGIS 81 4.4.3 Xư lý ảnh vệ tinh, cập nhật thông tin vào CSDL 81 4.4.6 Xư lý sè liƯu ®o GPS, cập nhật thông tin vào sở dc liệu 82 4.4.7 Quản trị khai thác hệ thống sở liệu 83 4.5 KÕt qu¶ thư nghiƯm 85 4.6 Đánh giá hiƯu qu¶ 85 kết luận kiến nghị 86 phô lôc 88 vii Danh mơc c¸c ký hiệu, chữ viết tắt CSDL Cơ sở liệu ArcSDE GDB ArcSDE Geodatabase CSDL không gian địa lý dạng quan hệ đa ngời dùng có khả lu trữ liệu địa lý lớn, có sử dụng hệ quản trị quản trị CSDL nh Oracle 10g hay SQL Server BIL Band Interleaved by Line: Khuôn dạng ghi t liệu viễn thám; thông tin lu trữ trình tự theo dòng quét CAD Computer Aided Design: Máy tính trợ giúp thiết kế FGDB File Geodatabase CSDL không gian địa lý theo tệp đợc dùng ArcGIS, có khả lu trữ liệu lớn tối đa 1TB DGN Định dạng tệp đồ họa phần mềm MicroStation ECW Định dạng tệp nén ảnh: giải pháp giảm dung lợng tệp ảnh lớn mà bảo toàn thông tin độ nét hình ảnh GIS Geographic Information System: Hệ thống thông tin địa lý GML Geography Markup Language: Ngôn ngữ đánh dấu địa lý dùng để mà hóa trao đổi liệu địa lý GDB Geodatabase: CSDL không gian địa lý su tập tập liệu địa lý đợc lu trữ theo loại chÝnh sau: th− mơc c¸c file hƯ thèng hay CSDL Access, hay CSDL ®a ng−êi dïng nh− SQL Server, Oracle, DB2 GPS Global Positioning System: Hệ thống định vị toàn cầu HTML HyperText Markup Language: Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn đợc dùng để thiết kế trang Web ISO International Standard Organization - Tỉ chøc tiªu chn qc tÕ viii LAN Local Area Network: M¹ng néi bé LSC Least Square Collocation - Phơng pháp nội suy MDL MicroStation Development Language: Ngôn ngữ lập trình phát triển cho phần mềm MicroStation Metadata Siêu liệu OGC Open GIS Consortium - HiƯp héi GIS më, mét tỉ chøc bao gồm công ty, trờng đại học, viện nghiên cứu lập để thiết lập chuẩn phục vụ trao đổi liệu địa lý PC Personal Computer: Máy tính cá nhân PGDB Personal Geodatabase CSDL không gian địa lý đơn lẻ đợc xây dựng cho mét ng−êi dïng sư dơng CSDL Access víi dung l−ỵng tối đa không 2GB RS Remote Sensing: Công nghệ Viễn thám SHP Chuẩn khuôn dạng tệp đồ họa phần mềm ArcGIS SQL Structured Query Language: Ngôn ngữ truy vấn cấu trúc đợc dùng để truy cập CSDL TC 211 Technical Committee 211: Uû ban chuÈn hãa th«ng tin địa lý thuộc tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế, ban hành tiêu chuẩn mang mà hiệu ISO - 19100 Topology Thuật ngữ đợc sử dụng để mối quan hệ không gian đối tợng địa lý UML Unified Modeling Language: Ngôn ngôn ngữ mô hình hóa thèng nhÊt dïng ®Ĩ thiÕt kÕ XML Extensible Markup Language: Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng để xây dựng trang HTML ix Danh mục bảng Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật cảm TM LANDSAT 14 Bảng 1.2 Các thông số cđa bé c¶m HRV cđa SPOT-5 15 Bảng 2.1 Các loại hệ trục sở tơng ứng với hệ toạ độ 47 Bảng 4.1 Danh mục đối tợng địa lý CSDL giao thông quân 76 Bảng 4.2 Các kiểu đối tợng địa lý thuộc lớp đờng 77 Bảng 4.3 Một số thuộc tính kiểu đối tợng địa lý mở rộng 78 Bảng 4.4 Các tiêu chí đánh giá chất lợng liệu 79 Bảng 4.5 Độ xác nắn ảnh theo điểm kiểm tra điểm khống chế 81 Bảng 4.6 Quản trị hệ thống 84 x Danh mục hình vẽ Hình 1.1 GIS, GPS viễn thám với công nghệ thành lập đồ sè H×nh 1.2 CÊu tróc cđa HƯ thống thông tin địa lý Hình 1.3 Phơng pháp ứng dụng GIS 12 H×nh 1.4 HƯ thèng viƠn th¸m 13 Hình 1.5 Quá trình thu thËp sãng ®iƯn tõ 13 Hình 1.6 Hình ảnh số vệ tinh viƠn th¸m 16 Hình 1.7 ảnh gốc ảnh đà chỉnh 19 H×nh 1.8 CÊu tróc cđa hƯ thèng viƠn th¸m 22 Hình 1.9 Quỹ đạo hình dáng vệ tinh NAVSTRAR 23 Hình 1.10 Sơ đồ vị trí trạm điều khiển mặt đất 23 Hình 1.11 Sơ đồ khối máy thu GPS 25 Hình 1.12 Sơ đồ lÊy c¸c hiƯu pha 27 Hình 2.1 Các trạm kết nối m¸y tÝnh tËp trung 31 Hình 2.2 Truy cập liệu môi trờng Chủ/khách 32 Hình 2.3 Truy cập liệu môi trờng khách chủ 33 Hình 2.4 Quá trình xử lý liệu mô hình CSDL tệp 34 Hình 2.5 Mô hình sở liệu phân cấp 34 H×nh 2.6 Mô hình sở liệu mạng 35 Hình 2.7 Mô hình së d÷ liƯu quan hƯ 36 Hình 2.8 So sánh mô hình cấu trúc quan hệ hớng đối tợng 37 Hình 2.9 Mô hình địa lý tổng quát 42 H×nh 2.10 Hai gói UML 43 Hình 2.11 Mô hình khái niệm không gian hình học 43 Hình 2.12 Mô hình mô tả gói UML mô hình khái niệm không gian hình häc 44 Hình 2.13 Mô hình khái niƯm kh«ng gian Topo 44 83 Xuất file đà đợc hiệu chỉnh sang khuôn dạng theo yêu cầu để cập nhật, chỉnh lý đồ xây dựng CSDL giao thông quân Nếu dùng cho mục đích chỉnh lý, số liệu giao nộp phải có khuôn dạng *.dgn Nếu dùng cho mục đích xây dựng CSDL giao thông quân sự, số liệu giao nộp có khuôn dạng *.mdb shapefile 4.4.7 Quản trị khai thác hệ thống sở liệu 4.4.7.1 Cách thức quản trị * Lựa chọn giải pháp Sử dụng phÇn mỊm ArcSDE GDB, bëi nã cho phÐp sư dơng với sản phẩm khác ESRI nh ArcGIS Desktop ArcIMS nh ứng dụng ngời dùng tạo để lu trữ, sử dụng quản trị tất liệu GIS trong hệ quản trị DBMS nh Oracle, Ngoài ra, ArcSDE GDB cho phÐp l−u tr÷ d÷ liƯu GIS mét CSDL tập trung hỗ trợ đa ngời dùng truy xuất thời điểm cần thiết cho hầu hết quy trình quản lý liệu GIS Đối với dự án CSDL giao thông phục vụ mục đích quân sự, có chứa lợng lớn loại liệu có số lợng lớn ngời sử dụng (bao gồm đơn vị trực thuộc Cục Bản đồ/BTTM, Ban đồ, quân binh chủng), nên phải lựa chọn giải pháp ArcGIS Server Enterprise Bởi giải pháp dành cho nhóm lớn Trớc hết, để tạo AGDB mang quyền với ArcGIS Desktop ArcGIS Server Workgroup (ASW) phải cài đặt SQL Server Express (SSE) ArcGIS Desktop (AD) Việc cài đặt SSE thực với ứng dụng mức ArcEditor hay ArcInfo cđa AD hay ASW Víi b¶n qun AGDB cho ASE phần mềm DBMS ArcSDE phải đợc cài đặt Cấu hình DBMS: DBMS kho chứa liệu Cần thiết phải tạo lập mét kho chøa cđa CSDL Vµ víi AGDB cđa ASE cần phải cấu hình lại CSDL Cấu hình ngời sử dụng: để điều khiển truy xuất tới GDB, phải tạo lập ngời sử dụng với quyền hạn đợc xác định Tạo nối kết tới GDB: để làm việc với liệu, phải nối kết tới GDB tõ c¸c øng dơng kh¸ch C¸c nèi kÕt cã thĨ đợc tạo trực tiếp bên khách (client) CSDL bên khách, dịch vụ ArcSDE 84 CSDL Bảo trì GDB: Dữ liệu GDB thay đổi, ngời quản trị DBA cần phải thực hiƯn c¸c t¸c vơ nh− nÐn CSDL, cËp nhËt thèng kê, lu hệ thống, thủ tục khôi phục liệu, chọn vị trí lu trữ để trì khả hoạt động CSDL Tinh chỉnh GDB: Các xác lập DBMS đợc chọn lựa để nâng cao khả nằng tận dụng nhớ, giảm tài nguyên chiếm dụng nâng cao khả biểu diễn GDB Làm thích hợp điều chuyển GDB: Một số ngời dùng, liệu GIS phức tạp hơn, sốlợng lớn làm cho hệ thống phải đợc hiệu chỉnh, thay đổi thành GDB lớn * Phân cấp ngời dùng Phân cấp ngời sử dụng tuân theo quy tắc liệt kê bảng sau: Bảng 4.6 Quản trị hệ thống STT Quản trị cấu trúc vật lý CSDL GDB Nhân viên Quản trị CSDL Quản trị thành phần xây dựng CSDL logic Quản trị GIS Quản trị ngời dùng phân quyền truy xuất: Quản trị CSDL Tác vụ ã Cho phép truy cập CSDL Sao lu khôi phục CSDL Thay đổi, chØnh sưa thĨ hiƯn cđa hƯ thèng • Cđa CSDL Quản trị Quản trị CSDL Cấp phát liệu Quản trị GIS Các thông kê cập nhật nén GDB Quản trị GIS 4.4.7.2 Khai thác liệu Việc tra cứu liệu sử dụng công cụ truy vấn ngôn ngữ truy vấn SQL ArcMap lập trình ngôn ngữ C# để tạo giao diện cho dịch vụ tra cứu Web mạng LAN thông qua ArcGIS Server 85 4.5 Kết thử nghiệm Sản phẩm trình thử nghiệm xây dựng hệ thống quản lý CSDL giao thông phục vụ mục đích quân giải pháp sử dụng công nghệ ArcGIS bao gồm: + Tạo thiết kế lợc đồ mô hình CSDL địa hình theo chuẩn nhóm lớp đối tợng địa lý Visio + Hệ thống CSDL giao thông quân phạm vi khu vực 01 mảnh đồ tỷ lệ 1/50.000 (Phú Thái phiên hiệu 6050 IV) 4.6 Đánh giá hiệu Hệ thống CSDL giao thông phục vụ mục đích quân đợc thiết kế quản lý đa liệu (vector, raster metadata), đạt đợc số tính sau: CSDL đợc thiết kế theo quy chuẩn quốc gia xây dựng CSDL địa lý ban hành năm 2007; đồng thời phù hợp với hệ thống CSDL địa lý quân 1/50.000 Tạo đợc CSDL giao thông chuẩn tỷ lệ 1/50.000 đáp ứng cho nhiệm vụ bảo đảm t liệu địa hình cho toàn quân huấn luyện, sẵn sàng chiến đấu chiến đấu, nh cho khả khai thác phục vụ mục đích dân sinh 86 kết luận kiến nghị Kết luận Bằng giải pháp ứng dụng công nghệ GIS ESRI kết hợp với công cụ thiết kế mô hình hóa đối tợng UML Microsoft để xây dựng hệ thống quản lý CSDL giao thông phục vụ mục đích quân đà đổi nâng cao hiệu công tác sản xuất quản lý Hệ thống có khả cung cấp thông tin nhanh chóng, xác giúp cho lÃnh đạo huy định dựa công nghệ GIS Kết mà luận văn đà đạt đợc là: Trên sở phân tích thực trạng, đặc thù riêng quân đội nhu cầu cấp thiết quan chiến lợc đà đề xuất xây dựng hệ thống quản lý CSDL giao thông theo chuẩn thông tin địa lý quốc gia công nghệ ArcGIS, hỗ trợ tốt cho công tác tham mu bảo đảm hành quân hoạt động lực lợng vũ trang thời kú míi Thư nghiƯm x©y dùng hƯ thèng CSDL giao thông bao gồm dịch vụ tra cứu, tìm kiếm, khai thác thông tin, ảnh hàng không, vệ tinh, đồ, với giao diện Web mạng nội quân đội hoạt động ổn định, nhanh chóng thuận tiện cho ngời dùng Đề xuất phơng pháp thiết kế xây dựng CSDL giao thông theo chuẩn cấu trúc liệu địa lý UML Các kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm chứng tỏ phù hợp với điều kiện Đề xuất phơng pháp cập nhật thông tin công nghệ GPS viễn thám mang tính khoa học kinh tế, phù hợp với nguồn nhân lục, sở vật chất trang thiết bị có Kiến nghị Cần tiếp tục nghiên cứu tiêu chuẩn hóa tiêu kiểm tra, đánh giá chất lợng cho sở liệu Mở rộng nghiên cứu xây dựng CSDL giao thông tích hợp đa tỷ lệ 87 tài liệu tham khảo Nguyễn Kim Anh (2004), Nguyên lý hệ sở liệu, Nhà xuất Đại học quốc gia Hà Nội Ban Đề án 112 (2004), Giáo trình phân tích, thiết kế, xây dựng quản trị hệ thống sở liệu, Viện công nghệ thông tin, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Bộ Nội vụ (2002), Đề án khả thi Thống đặt tên đảo, đá, bÃi cạn, bÃi ngầm đặc trng địa lý khác vùng biển Việt Nam, Hà Nội Trơng Anh Kiệt (2000), Cơ sở đo ảnh, Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội Trơng Anh Kiệt (2000), Phơng pháp đo ảnh giải tích đo ảnh số, Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội Phan Văn Lộc (2000), Phơng pháp đo ảnh lập thể, Trờng Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội Phạm Vọng Thành, Nguyễn Trờng Xuân (2001), Bài giảng công nghệ Viễn thám, Trờng Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội Ngun Ngäc Th¹ch, Ngun Tn Dịng, Ngun M¹nh C−êng (2001), Viễn thám hệ thông tin địa lý ứng dụng, Trờng Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hµ Néi John R.Jensen (2000), Introductory Digital Image Processing a Remote Sensing Perspective 10 Thomas M.Lillesand Ralph W.Kiefer (2003), Remote Sensing and Image Interpretation, University of Wisconsin Madision 88 phơ lơc 89 Phơ lơc B¶n thiÕt kÕ lợc đồ ứng dụng UML liệu giao thông phục vụ mục đích quân Các gói UML CSDL Cơ sở đo đạc Địa giới hành 90 91 Giao thông * Đờng 92 *Đờng không * Đờng thuỷ 93 *Đờng sắt 94 * Ta luy giao thông Hạ tầng dân c Thuỷ hệ 95 96 Phụ lục Thông tin đờng quốc lộ 97 Phụ lục Thông tin Cầu quèc lé ... dụng công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý GPS để xây dựng sở liệu giao thông phục vụ mục đích quân nhằm đa giải pháp khoa học để quản trị thống toàn t liệu giao thông công nghệ tin học, làm sở. .. học mỏ - địa chất Vũ Duy điển c Mỏ - địa chất ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý gps để xây dựng sở liệu giao thông phục vụ mục đích quân Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa Mà số:... khai thác, sử dụng cụ thể Lời cảm ơn Luận văn: ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý GPS để xây dựng sở liệu giao thông phục vụ mục đích quân đợc thực trờng Đại học Mỏ - Địa chất khoảng