TIỂU LUẬN tổng quan về hệ thống GP tổng quan về hệ thống GIS và kỹ thuât xây dựng bản đồ số

LỜI GIỚI THIỆU Ở thời điểm nay, công nghệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) công nghệ ứng dụng rộng rãi giới Việt Nam Công nghệ Việt Nam sử dụng từ năm 1990 chủ yếu để phục vụ cho việc thu thập liệu xác tọa độ điểm trắc địa gốc để làm sở phát triển lưới trắc địa cấp thấp hơn.Gần đây, với việc xuất thiết bị đo GPS cầm tay đơn giản giá rẻ, công nghệ GPS áp dụng vào cơng tác thu thập thơng tin vị trí trở nên phổ biến Đặc biệt kết hợp với công nghệ khác công nghệ GIS hệ thống viễn thơng thực làm sống dễ dàng nhiều Và ứng dụng công nghệ GPS, GIS công nghệ viễn thông để tạo nên hệ thống giám sát thiết bị di động có gắn thiết bị đo GPS quản lý ô tô, taxi, xe bt hay điện thoại thơng minh điều hành giám sát cơng việc cách hiệu Theo dự báo, thời gian tới thiết bị GPS ngày nhỏ gọn, xác tạo điều kiện cho bùng nổ việc ứng dụng công nghệ vào sống hàng ngày Và để mục đích nghiên cứu làm chủ cơng nghệ, tiểu luận nhỏ này, em tập trung vào tìm hiểu cơng nghệ GPS Đây hội giúp em tìm hiểu rõ chi tiết cơng nghệ mà lâu em thường xuyên sử dụng Tiểu luận chia làm chương Chương I : Tổng quan hệ thống GPS Chương II: Tổng quan hệ thống GIS kỹ thuât xây dựng đồ số Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS 1.1 Hệ thống GPS Hệ thống GPS hệ thống định vị tồn cầu xác định vị trí dựa vị trí vệ tinh, thời điểm, vị trí trái đất xác định khoảng cách đến tối thiểu ba vệ tinh ta tính tốn tọa độ vị trí GPS thiết kế quản lý Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, may mắn phủ Hoa Kỳ cho phép người quốc gia sử dụng miễn phí 1.2 Các thành phần hệ thống GPS Hệ thống GPS gồm mảng chính: mảng người dùng, mảng khơng gian mảng điều khiển Hình 1.1: Sơ đồ liên quan mật thiết mảng hệ thống 1.2.1 Mảng người dùng Bộ phận thiết bị thu tin hiệu GPS người sử dụng thiết bị Thiết bị thu tin hiệu GPS máy thu tín hiệu sóng vơ tuyến đặc biệt Nó thiết kế để thu tín hiệu sóng vơ tuyến truyền từ vệ tinh tính tốn vị trí dựa thơng tin Thiết bị thu tin hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng giá khác Tính chất giá Thiết bị thu tin hiệu GPS nói chung lệ thuộc vào chức mà phận thu nhận có ý định Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải hàng khơng thường sử dụng cho tính giao diện với thẻ nhớ chứa đồ biển Bộ phận thu nhận dùng cho đồ khả xác cao có giao diện người sử dụng cho phép ghi nhận liệu nhanh chóng 1.2.2 Mảng không gian Mảng gồm vệ tinh GPS mà truyền tin hiệu thời gian vị trí tới phận người dùng Tập hợp vệ tinh gọi “chòm sao” Chúng ta xem qua phận khơng gian hệ thống GPS: Hệ thống NAVSTAR Mỹ gồm 24 vệ tinh với quỹ đạo bay Các vệ tinh hoạt động quỹ đạo có độ cao 20.200 km (10,900 nm) góc nghiêng 55 độ với thời gian 12 giờ/quỹ đạo Quỹ đạo bay không gian vệ tinh xếp để tối thiểu vệ tinh phận người dùng nhìn thấy lúc bao phủ tồn cầu, vị trí xác hồn tồn (position dilution of precision PDOP) vệ tinh Hình 1.2: Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất Mỗi vệ tinh truyền dải tần L tần số L1 có tần số 1575.42 MHz L2 có tần số 1227.6 MHz Mỗi vệ tinh truyền tần số xác định nhiên, tín hiệu vệ tinh thay đổi theo thời gian đến người sử dụng L1 mang mã P (precise code) mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code) L2 mang mã P (P code) Thông tin liệu hàng hải thêm vào mã Thông tin liệu hàng hải giống mang dải tần Mã P mã hố nên mã C/A có sẵn đến người sử dụng nhiên, vài thơng tin nhận từ mã P Khi mã hoá, mã P hiểu mã Y Mỗi vệ tinh có số nhận dạng Đầu tiên số NAVSTAR với nhận dạng thiết bị vệ tinh đặc biệt Thứ hai số sv (the space vehicle (sv) number) Số ấn định để lệch phóng vệ tinh Thứ ba số mã ồn giả ngẫu nhiên (the pseudorandom noise-PRN) Đây số nguyên mà sử dụng để mã tín hiệutừ vệ tinh Một vài máy ghi nhận nhận biết vệ tinh mà chúng ghi nhận từ mã SV mã khác từ mã PRN 1.2.3 Mảng điều khiển Mảng điều khiển dùng để giám sát điều khiển vệ tinh Mảng thường người sử dụng khơng thể nhìn thấy, phận quan trọng toàn hệ thống Bộ phận điều khiển NAVSTAR, gọi hệ thống điều khiển hoạt động (operational control system (OCS)) gồm nhiều trạm giám sát, trạm điều khiển (master control station (MCS)) anten quay Các trạm giám thụ động không nhiều GPS nhận mà đường bay vệ tinh nhìn thấy phạm vi tích luỹ liệu từ tín hiệu vệ tinh Có trạm giám khơng chủ động, nằm Colorado Springs, Hawaii, đảo Ascencion, Diego Garcia Kwajalein Các trạm giám sát gởi liệu thô trạm MSC để xử lý Trạm MCS toạ lạc Falcon Air Force Base, cách 12 dặm phía đơng Colorado Springs, Colorado Mỹ quản lý Trạm MCS nhận liệu từ trạm giám sát thời gian 24 giờ/ngày sử dụng thông tin để xác định vệ tinh khoá lịch thiên văn thay đổi để phát thiết bi trục trặc Thông tin tàu thuỷ di chuyển lịch thiên văn tính tốn từ tín hiệu giám sát chuyển đến vệ tinh lần hai lần/ngày.Thơng tin tính tốn trạm MCS, với mệnh lệnh trì thường xuyên truyền anten xoay mặt đất Anten toạ lạc đảo Ascencion, Diego Garcia Kwajalein Anten có đủ phương tiện để truyền đến vệ tinh theo đường liên kết sóng vơ tuyến dải tần S Thêm vào chức trạm MCS để trì 24 hệ thống tin điện tử với tình trạng tin tức hệ thống sau 1.3 Thành phần tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio với tần số cao, bao gồm tần số sóng mang điều chế loại mã (mã C/A mã P-code) thông tin định vị Hai sóng mang phát với tần số 1,575.42MHz (sóng mang băng tần L1) 1,227.60MHz( song mang băng tần L2) Tức bước sóng gần 19cm 24.4cm.Việc sử dụng loại sóng mang cho phép sửa lỗi hệ thống GPS trễ tầng khí quyền, giải thích rõ ràng hon phần sửa lỗi hệ thống Tất vệ tinh GPS phát chung tần số sóng mang L1 L2, Mỗi vệ tinh có mã điều chế riêng Hai loại mã dùng mã C/A (Coarse/Acquisition) mã P code (precision code) Mỗi mã bao gồm nhóm số nhị phân gọi bit Các mã thông thường biết đến mã PRN Pseudo Random Noise( mã ồn ngẫu nhiên) gọi chúng tao cách ngẫu nhiên tín hiệu giống tín hiệu ồn, thực tế chúng phát từ giải thuật toán học Hiện mã C/A điều chế băng tần L1 mã P code được điều chế dải băng tần L1 L2 Việc điều chế gọi điều chế lưỡng pha pha chúng dịch 180 độ giá trị mã thay đổi từ sang hay ngược lại Mã C/A luồng bít nhị phân 1023 số nhị phân lặp lại thân chúng giây Điều có nghĩa tốc độ chip mã C/A 1.023Mbps Hay theo cách khác,chu kỳ bit xấp xỉ 1ms hay tưong đưong với 300m Việc đo đạc sử dụng mã C/A xác so với mã P code phức tạp cung cấp cho tất người sử dụng Mã P code chuỗi dài số nhị phân, lặp lại thân sau 266 ngày Nó nhanh hon 10 lần so với mã C/A( tốc độ 10.23MBps) Nhân với thời gian lặp lại thân sau 266 ngày tốc độ 10.23Mbps suy mã P code luồng gồm 2.35x10 14chip mã dài 266 ngày chia 38 đoạn; 32 đoạn phân chia tới vệ tinh khác Mỗivệ tinh phát đoạn tuần mã P code,chúng khởi tạo vào nửa đêm nằm thứ chủ nhật hàng tuần đoạn cịn lại để dành riêng cho mục đích sử dụng khác Mã P code thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích qn Nó cho người quân sử dụng vào ngày 31/1/1994 Ở thời điểm mã P code mã hóa việc thêm vào loại mã W CODE Và kết việc thêm vào loại mã code mã Y CODE có tốc độ chíp giống với mã P code Hình 1.3 Mơ hình tín hiệu GPS khí truyền 1.3.1 Tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh GPS truyền đồng thời dải tần L1 L2 (L1 1575,42MHz, L2 1227,60MHz ) Sóng mang tin hiệu L1 gồm thành phần pha thành phần vuông pha Thành phần pha hai pha điều chế luồng liệu 50bps mã giả ngẫu nhiên gọi làmã C/A bao gồm chuỗi 1023 chip nối tiếp có chu kỳ 1ms tốc độ xung nhip 1.024MHz Thành phần vuông pha hai pha điều chế luồng liệu 50bps có khác thành phần vng pha dùng mã giả ngẫu nhiên gọi P Code, có xung nhịp 10.24MHz với chu kỳ 168 tiếng Biểu thức tốn học sóng L1 là: S(I) = ự57ỹ/(/)c(/) cosựo/+ + ự2/^/(/)/X/)sin( > > > Điểm Đường Vùng Các điểm ảnh Hình 2.1 Mơ hình liệu khơng gian biêu diên máy tính Các thành phần đồ họa sở liệu GIS thường mô tả nhiều lớp (layer), lớp chứa nhóm đối tượng với vị trí chúng theo hệ tọa độ chung tất lớp 2.I.2.2 Dữ liệu kiểu phi không gian Số liệu thuộc tính thể tính chất, số lượng, chất lượng hay mối quan hệ phần tử đồ vị trí địa lý Chúng lưu trữ dạng số hay ký tự Thông thường liệu quản lý dạng bảng (table) bao gồm cột cột trường (field), hang mẩu tin Để định nghĩa trường phải có tên trường (field name) kiểu liệu trường, kiểu liệu : kiểu ký tự, kiểu số nguyên, kiểu số thực, kiểu logic Ví dụ: Country Capital Aíghanistan Kabul Albania Pop_1994 Píỉp_Grw_ R 15,513,267 5.2 Tirane 1,626,315 1.8 Algeria Aigiers 22,600,957 2.5 Andorra Andorra La Vel!a 61.599 2.4 Hình 2.2: Mơ hình liệu phi khơng gian 2.1.3 2.1.3.1 Mơ hình liệu GIS Mơ hình liệu kiểu RASTER Đây hình thức đơn giản để thể liệu khơng gian, mơ hình Raster bao gồm hệ thống ô vuông ô chữ nhật gọi pixel Vị trí pixel xác định số hang số cột Giá trị gán vào pixel tượng trưng cho thuộc tính mà thể Ví dụ nhà thể pixel có giá trị H, sơng thể nhiều pixel có giá trị R, tương tự khu rừng thể nhóm pixel có giá trị D Kích thước pixel nhở hình ảnh thể sắc nét, thông số thể độ sắc nét gọi độ tương phản Ảnh có độ tương phản cao, độ sắc nét cao, kích thước pixel nhỏ Tuy nhiên, hai ảnh Raster có kích thước, ảnh có độ tương phản cao file liệu chứa lớn Ví dụ pixel thể diện tích 250m X 250m mặt đất thực tế, để thể khoảng cách 1km ta cấn pixel, để thể diện tích 1km x 1km ta cần 16 pixel Khi ta giảm kích thước pixel xuống cịn 100m X 100m, để thể khoảng cách 1km ta cần 10 pixel, để thể diện tích 1km X 1km ta cần 100 pixel Vì kích thước file liệu liên quan tới số lượng pixel nên ta thấy kích thước file tăng lên đáng kể ta tăng độ tương phản ảnh Raster Hình 2.3 Mơ hình liệu kiểu RASTER 2.1.3.2 Mơ hình liệu kiểu VECTOR Mơ hình liệu vector thể vị trí xác vật thể hay tượng khơng gian Trong mơ hình liệu vector, người ta giả sử hệ thống tọa độ xác Thực tế, mức độ xác bị giới hạn số chữ số dùng để thể giá trị máy tính, nhiên xác nhiều so với mơ hình liệu Raster Vật thể trái đất thể đồ dựa hệ tọa độ hai chiều x,y, đồ vật thể thể điểm (point), đường (line) hay vùng (area) Mơ hình liệu vector tương tự vậy, vật thể dạng điểm (point feature) chứa dạng cặp tọa độ (x, y) Một vật thể dạng dường (line feature) chứa dạng chuỗi cặp tọa độ (x,y) Một vật thể dạng vùng (area feature) dược chứa dạng chuỗi cặp tọa độ (x,y) với cặp đầu tọa độ với cặp tọa độ cuối, hay gọi đa giác (polygon). - Hình 2.4 Mơ hình liệu kiểu VECTOR 2.2 Kỹ thuật xây dựng đồ số phần mềm Mapinfo 2.2.1 Cách đăng ký đồ Mapinfo Để đăng ký đồ giấy vào Mapinof, trước hết đồ phải chuyển thành ảnh máy tính Nếu sử dụng ảnh quét để đăng ký nhằm mục đích số hóa Mapinfo ta lưu ảnh dịnh dạng JPEG 2.2.1.1 Xác định điểm khống chế Muốn hiểm thị ảnh qt tọa độ Mapinfo, cần điểm đồ nạp tọa độ điểm vào làm sở định vị Để đăng ký đồ Mapinfo ta vào file -> Open hộp thoại Open table mở Trong ô files of type chọn Raster Image sau chọn ảnh cần dùng Mapinfo hiểm thị hộp thoại thông bao hởi hiểm thị hay đăng ký ảnh, trường hợp ta chọn Register để đăng ký ảnh 2.2.1.2 Thiết lập hệ tọa độ hệ quy chiếu cho Để chọn hệ quy chiếu Mapinfo ta vào Projection -> Choose Projection hộp thoại mở hệ quy chiếu mà lại có tọa độ điểm khống chế tính kinh độ/ vĩ độ ta chọn hệ tọa độ WGS84 (Longgitude/Latitude ) xong nhấn OK, sau nhấn vào Units để ta chọn đơn vị cho hệ tọa độ Trong trường hợp mặc định lấy đơn vị độ (degrees) Bước ta nạp tọa độ điểm khống chế cách di chuôt vào tờ đồ vừa ký xuất dấu cộng nhấn chuột hộp thoại nạp điểm không chế nạp vào điểmkhơng chế Ở khóa luận em sử dụng điểm khống chế : điểm cuối đường Hoàng Quốc Việt, điểm Cửa Nam, cầu Long Biên 2.2.2 Cách số hóa đồ Mapinfo Trong Mapinfo, đồ tổ chức theo lớp, đồ Mapinfo gồm nhiều lớp, lớp chứa thông tin địa lý định với liệu loại đối tượng đồ Như sau đăng ký xong đồ hệ quy chiếu ta phải phân tích lớp đối tượng Bản đồ Mapinfo có lối đối tượng sau: V Điểm: điểm tượng trưng cho thong tin có tính chất vị trí, vị trí Thành phố, trạm xăng, trường học V Đường: đường tượng trưng cho thơng tin có chiều dài ví dụ đường giao thông, sông suối, hệ thống đường điện., Mapinfo phân biệt loại đường khác đường thẳng, cung, đường gấp khúc V Vùng: vùng tượng trưng cho thong tin có diện tích, vùng thường dùng để biểu diễn cho tỉnh, quận, ao hồ V Ký tự: kiểu đối tượng đặc biệt, ký tự mà ta ghi trực tiếp lên đồ lưu lại thành lớp riêng Như sau phân tích lớp đối tượng ta đồ tạo lớp đối tượng đồ chỉnh sửa đối tượng lớp đó.để tạo lớp ta vào Map -> Layer control -> New layer Trong khoá luận em tạo lớp text để thể tên địa điểm tên đường, lớp đường thể tuyến đường Hà Nội Kết luận Sau khoảng thời gian nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết thực hành em thu số thành sau khóa luận mình: ^ Nắm lý thuyết hệ thống GPS, đặc điểm công nghệ GPS ^ Nắm khái niệm giao thức cơ truyền thông ^ Nắm lý thuyết hệ thống GIS cách số hóa đồ số Tuy nhiên thời gian kiến thức hạn chế, khóa luận em cịn nhiều thiếu sót khuyết điểm, ứng dụng hẹp, chí mang tính chất nghiên cứu Những thiếu sót kể như: > Chưa thành thạo lập trình C# nên thiết kế giao diện hiển thị máy tính cịn đơn giản > Chưa tìm hiều cách khơi phục tín hiệu máy thu GPS Chưa khác phục sai số ... 2: Tổng quan hệ thống GIS kỹ thuật xây dựng đồ số 2.1 Tổng quan hệ thống GIS 2.1.1 Giới thiệu hệ thống GIS GIS (GIS - Geographic Information System) hệ thống thông tin địa lý, nhánh cơng nghệ...Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS 1.1 Hệ thống GPS Hệ thống GPS hệ thống định vị tồn cầu xác định vị trí dựa vị trí vệ tinh, thời điểm,... với đồ sở tọa độ sở liệu đầu vào Một hệ thông GIS gồm thành phần: người, phần cứng, phần mềm sở liệu Mục đích số hóa đồ giấy thành đồ số lưu máy tính Tuy có nhiều phần mềm hỗ trợ để số hóa đồ