Thiết bị (Hardware). Phần mềm (Software).
Số liệu, dữ liệu địa lý (Geographic data). Chuyên viên (Expertise).
Chính sách và cách thức quản lý (Policy and management).
Sinh viên TH : Nguyễn Nho Bình – Lớp 49PM2 ĐHXD 2.1.3 Hoạt động của hệ thống thông tin GIS
GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên đề có thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý. Điều này đơn giản nhưng vô cùng quan trọng và là một công cụ đa năng đã được chứng minh là rất có giá trị trong việc giải quyết nhiều vấn đề thực tế, từ thiết lập tuyến đường phân phối của các chuyến xe, đến lập báo cáo chi tiết cho các ứng dụng quy hoạch, hay mô phỏng sự lưu thông khí quyển toàn cầu. 2.1.4 Dữ liệu cho hệ thống thông tin GIS
Những dữ liệu bản đồ nào là cần thiết? Nhìn chung có một số loại dữ liệu bản đồ phổ biến sau:
Bản đồ nền:
Bao gồm các bản đồ đường phố, đường quốc lộ, đường ranh giới hành chính, ranh giới vùng dân cư, sông, hồ, mốc biên giới, tên địa danh và bản đồ raster.
Bản đồ và dữ liệu thương mại:
Bao gồm dữ liệu liên quan đến dân số/nhân khẩu, người tiêu thụ, dịch vụ thương mại, bảo hiểm sức khoẻ, bất động sản, truyền thông, quảng cáo, cơ sở kinh doanh, vận tải, tình trạng tội phạm.
Bản đồ và dữ liệu môi trường:
Bao gồm các dữ liệu liên quan đến môi trường, thời tiết, sự cố môi trường, ảnh vệ tinh, địa hình và các nguồn tài nguyên thiên nhiên.
Bản đồ tham khảo chung:
Bản đồ thế giới và quốc gia các dữ liệu làm nền cho các cơ sở dữ liệu riêng. 2.1.5 Những ứng dụng của GIS
Vì GIS (Hệ thống thông tin địa lý) được thiết kế như một hệ thống chung để quản lý dữ liệu không gian, nó có rất nhiều ứng dụng trong việc phát triển đô thị và môi trường tự nhiên như là: quy hoạch đô thị, quản lý nhân lực, nông nghiệp, giao thông, chính quyền địa phương, điều hành hệ thống công ích, lộ trình, nhân khẩu, bản đồ, giám sát vùng biển, cứu hoả và bệnh tật …. Trong phần lớn lĩnh vực này, GIS đóng vai trò như là một công cụ hỗ trợ quyết định cho việc lập kế hoạch hoạt động
Sinh viên TH : Nguyễn Nho Bình – Lớp 49PM2 ĐHXD 2.1.6 GIS Mobile
Trong tương lai, nhiều ứng dụng máy tính sẽ mang tính di dộng, và gắn liền với mạng không dây. Mặc dù máy tính để bàn vẫn sẽ được dùng cho nhiều công việc nhưng đa số ứng dụng máy tính của tương lai sẽ được truy xuất từ các thiết bị khác. Sự kết hợp giữa viễn thông và truyền thông dữ liệu sẽ góp phần tạo nên một nền tảng mạng toàn cầu ở mọi lúc, mọi nơi và thông qua vô số các thiết bị khác nhau. Tuy nhiên, các nhà thiết kế ứng dụng sẽ tìm thấy một số thuộc tính duy nhất và khác biệt của máy tính di động, nó cấu thành những yêu cầu rất khác biệt về thiết kế và hiện thực so với các yêu cầu cho các ứng dụng trên máy trạm.
GIS di động – GIS không dây
Thuật ngữ "GIS di động" (Mobile GIS) có thể được định nghĩa như là một framework phần mềm/phần cứng, đáp ứng nhu cầu truy xuất dữ liệu không gian và các dịch vụ bằng các thiết bị di động thông qua hệ thống mạng không dây.
Thuật ngữ "GIS không dây" (Wireless GIS) là một phần của công nghệ GIS di động nhắm vào khả năng kết nối mạng không dây của các dịch vụ GIS di động. Mobile GIS bao gồm 2 lĩnh vực ứng dụng chính:
GIS chuyên ngành: Tập trung vào việc thu thập dữ liệu GIS, kiểm duyệt và cập nhật (dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính).
Các dịch vụ dựa vào vị trí (Location]based services ] LBS): Hướng vào các chức năng quản lý địa điểm như định vị, định hướng đường đi, tìm kiếm một địa điểm xác định hoặc theo dõi phương tiện giao thông.
Kiến trúc của Mobile GIS
Kiến trúc của một ứng dụng GIS trên thiết bị di động cũng tương tự như ứng dụng GIS trên Internet, đó là sử dụng mô hình máy khách/máy chủ. Những ứng dụng máy khách/máy chủ thường sử dụng kiến trúc ba tầng. Với kiến trúc này, chương trình sẽ được chia thành 3 tầng: tầng trình diễn, tầng logic nghiệp vụ, và tầng quản lý dữ liệu.
Mỗi tầng có thể được thay đổi hoặc cập nhật mà không làm ảnh hưởng đến các tầng còn lại.
Tầng trình diễn bao gồm các thành phần ở phía máy khách được sử dụng để gửi yêu cầu lên máy chủ và hiển thị kết quả trả về (bản đồ và dữ liệu).
Sinh viên TH : Nguyễn Nho Bình – Lớp 49PM2 ĐHXD
Tầng nghiệp vụ là phần cốt lõi của tất cả các tiến trình xử lý và bao gồm các thành phần ở phía máy chủ bao gồm máy chủ web và máy chủ ứng dụng.
Tầng quản lý dữ liệu có nhiệm vụ quản lý cả dữ liệu không gian cũng như dữ liệu thuộc tính trong ứng dụng.
Trong nhiều trường hợp, một máy chủ được sử dụng để chạy cả tầng nghiệp vụ và tầng quản lý dữ liệu. Nhưng một số trường hợp khác, mỗi tầng có thể được chạy trên một máy chủ độc lập.
2.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS
2.2.1 Giới thiệu và định nghĩa hệ thống GPS Giới thiệu Giới thiệu
Năm 1978, nhằm mục đích thu thập các thông tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ), độ cao và tốc độ của các cuộc hành quân, hướng dẫn cho pháo binh và các hạm đội, Bộ Quốc phòng Mỹ đã phóng lên quỹ đạo trái đất 24 vệ tinh chạy bằng năng lượng mặt trời, chuyển động quanh Trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo chính xác và phát tín hiệu xuống Trái đất. Bất cứ vị trí nào trên trái đất sẽ được tối thiểu ba vệ tinh nhìn thấy và máy thu tín hiệu GPS trên trái đất so sánh thời gian phát và nhận tín hiệu để tính được khoảng cách đến ba vệ tinh này, từ đó xác định được tọa độ của mình. GPS hoạt động suốt ngày trong mọi điều kiện thời tiết, với sai số khoảng 5 đến 10m (đây là cấp độ 3 mà chính phủ Mỹ cho phép trong dân sự).
Trong số 24 vệ tinh của Bộ quốc phòng Mỹ nói trên, chỉ có 21 thực sự hoạt động, 3 vệ tinh còn lại là hệ thống hỗ trợ. Tín hiệu radio được truyền đi thường không đủ mạnh để thâm nhập vào các tòa nhà kiên cố, các hầm ngầm và hay tới các địa điểm dưới nước. Ngoài ra nó còn đòi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh để đưa ra được thông tin chính xác về vị trí (bao gồm cả độ cao) và tốc độ của một vật. Vì hoạt động trên quỹ đạo, các vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí tại bất kỳ điểm nào trên trái đất
Định nghĩa hệ thống định vị toàn cầu GPS
GPS, hệ thống định vị toàn cầu, được cấu thành như một chòm sao (có nghĩa cấu tạo của một nhóm hay một hệ thống) của quỹ đạo vệ tinh, kết hợp với thiết bị ở mặt đất, cho phép người sử dụng quyết định vị trí chính xác của họ bất kỳ lúc nào trên bề mặt trái đất ở bất kỳ thời gian nào.
Sinh viên TH : Nguyễn Nho Bình – Lớp 49PM2 ĐHXD
Ở bất kỳ thời gian nào, mà không có bất kỳ chướng ngại quan sát nào của bầu trời, ở vị trí quan sát đó nên có ít nhất 4 – 6 vệ tinh “nhìn thấy”. Không nạp điện cho việc sử dụng hệ thống vệ tinh, mặc dù mỗi người sử dụng phải cung cấp thiết bị chính họ, nói chung trong hình thức của bộ phận ghi nhận tín hiệu.
2.2.2 Phân loại và khái quát hệ thống định vị GPS 2.2.2.1 Phân loại 2.2.2.1 Phân loại
Hiện nay trên thế giới có 3 hệ thống định vị toàn cầu GPS:
Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ (Global Posioning System] GPS) Mục đích chính của hệ thống được dùng trong quân đội,
Hệ thống định vị của Nga (GLonass)
Hệ thống định vị của Liên minh Châu Âu (GaLileo)
Cả GPS và GLONAS đều được phát triển trước hết cho mục đích quân sự. Nên mặc dù được sử dụng trong dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác. Vì thế chúng không thỏa mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó. Chỉ có hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng) ngay từ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị dân sự.
2.2.2.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS Hệ thống GPS gồm 3 thành phần chính : Hệ thống GPS gồm 3 thành phần chính :
Phần vũ trụ (Space Segment) Phần điều khiển(Control Segment) Phần sử dụng (Use Segment)
Sinh viên TH : Nguyễn Nho Bình – Lớp 49PM2 ĐHXD
Hình 2.2. Sơ đồ mối quan hệ giữa các thành phần GPS Phần vũ trụ
Gồm 24 vệ tinh quay xung quanh trái đất 2 lần trong ngày trong quỹ đạo rất chính xác. Độ cao của vệ tinh so với mặt đất là 20.183 Km, chu kỳ quay quanh trái đất là 1 giờ 57’58’’.
Phần vũ trụ sẽ đảm bảo cho bất kỳ vị trí nào trên quả đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh ở góc trên 15 độ (Nếu góc ở ngưỡng 10 độ thì có thể quan sát được 10 vệ tinh và ở góc ngưỡng 5 độ thì có thể quan sát thấy 12 vệ tinh ).
Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.
Nhiệm vụ chủ yếu của các vệ tinh
Ghi nhận và lưu trữ các thông tin được truyền đi từ phần điều khiển. Xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh.
Duy trì độ chính xác cao về thời gian bằng các đồng hồ nguyên tử. Chuyển tiếp thông tin đến người sử dụng.
Sinh viên TH : Nguyễn Nho Bình – Lớp 49PM2 ĐHXD Phần điều khiển
Gồm 1 trạm điều khiển chính, 5 trạm thu dữ liệu và 3 trạm truyền dữ liệu
Trạm điều khiển chính : Đặt tại Colorado Springs (Mỹ) có nhiệm vụ thu thập các dữ liệu theo dõi vệ tinh từ các trạm thu dữ liệu để xử lý.
Công nghệ xử lý gồm : Tính lịch thiên văn, tính và hiệu chỉnh đồng hồ, hiệu chỉnh quỹ đạo điều chỉnh, thay thế các vệ tinh ngừng hoạt động bằng các vệ tinh dự phòng.
Năm trạm thu dữ liệu : Được đặt tại Hawai, Colorado Springs, Ascension (Nam Đại Tây Dương), Diago Garia ( Ấn Độ Dương), Kwayalein (Nam Thái Bình Dương). Có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát và dự đoán quỹ đạo của chúng. Mỗi trạm được trang bị những máy thu P] code để thu nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với hai anten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh.
Ba trạm truyền số liệu : Đặt tại Ascension, Diago Garia, Kwayalein làm nhiệm vụ chuyển dữ liệu lên vệ tinh gồm lịch thiên văn mới, hiệu chỉnh đồng hồ, các thông điệp cần phát, các lệnh điều khiển từ xa
Phần sử dụng Phần sử dụng bao gồm :
Những máy thu tín hiệu GPS có ăngten riêng (Máy định vị).
Máy thu GPS tính toán đơn vị với tần suất mỗi giây 1 vị trí và cho độ chính xác từ dưới 1m – 5m. Khi ta di chuyển hay dừng tại chỗ, máy thu GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh rồi tính toán định vị. Kết quả tính được là toạ độ hiển thị trên màn hình bộ ghi số liệu.
Các thiết bị tự ghi (bộ ghi số liệu).
Bộ ghi số liệu là máy cầm tay, có phần mềm thu thập số liệu. Bộ ghi số liệu có thể ghi vị trí hoặc gắn thông tin thuộc tính với vị trí.
Máy tính (phần mềm xử lý số liệu).
Máy tính, phần mềm xử lý số liệu : Hệ thống GPS có kèm theo phần mềm xử lý số liệu. Sau khi thu thập số liệu ở thực địa, phần mềm chuyển số liệu vị trí và thông tin
Sinh viên TH : Nguyễn Nho Bình – Lớp 49PM2 ĐHXD
thuộc tính sang máy tính (PC) sau đó phần mềm sẽ nâng cao độ chính xác (bằng kỹ thuật sai phân).
Phần mềm xử lý số liệu GPS còn có chức năng biên tập hoặc vẽ, phần mềm này cũng hỗ trợ thu thập các yếu tố địa lý và thông tin thuộc tính cho GPS hoặc các cơ sở dữ liệu khác.
2.2.3 Quy trình làm việc của hệ thống
Mỗi vệ tinh truyền liên tục dữ liệu quỹ đạo cho tất cả các chòm sao vệ tinh cộng thêm dữ liệu đến kịp thời và thông tin khác. Do đó, mỗi thiết bị thu tín hiệu (GPS receiver) liên tục truy cập dữ liệu quỹ đạo chính xác của tất cả các vệ tinh mà nó có thể bắt sóng để tính toán bằng các bộ xử lý có trên GPS reciever . Từ đó tín hiệu hoặc sóng vô tuyến di chuyển ở vận tốc hằng số, GPS receiver có thể tính toán khoảng cách tương đối từ thiết bị đến các vệ tinh được bắt sóng bằng cách so sánh khoảng thời gian truyền tín hiệu.
Một thiết bị định vị GPS phải thu được tín hiệu đến từ ít nhất ba vệ tinh. Một tọa độ 2 chiều (gồm vĩ độ và kinh độ) và vệt chuyển động sẽ được xác định. Với bốn vệ tinh hoặc nhiều hơn, thiết bị có thể xác định tọa độ 3 chiều (vĩ độ, kinh độ và độ cao).
2.2.4 Tín hiệu và độ chính xác của LBS
Các thiết bị định vị GPS ngày nay vô cùng chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh vô tuyến cùng hoạt động song song. Thiết bị của hãng Garmin gồm có 12 bộ thu song song sẽ nhanh chóng bắt sóng vệ tinh ngay khi được bật lên và duy trì các kênh tín hiệu khá tốt, thậm chí trong tán lá cây dày đặc hay trong những tòa nhà cao tầng. Yếu tố khí quyển và những điều kiện khác có thể gây ra lỗi nhất định ảnh hưởng đến sự chính xác của thiết bị GPS
S/A Dithering (Nhiễu)
Độ chính xác bị giới hạn bởi quá trình Selective Availability (S/A) và gọi chung là nhiễu ("dithering"). Điều này xảy ra bởi dữ liệu thời gian truyền bởi vệ tinh có sai số ở mức độ nhỏ. Vì vậy kết quả tính toán vị trí dao động xung quanh sai số nhỏ này.
Cao độ (Elevation)
Thông tin chính xác về cao độ cung cấp bởi GPS là thông tin vị trí trên bề mặt (toạ độ kinh vĩ độ). Điều này tuỳ thuộc vào địa hình tới vệ tinh, khi các vệ tinh thường ít hoặc
Sinh viên TH : Nguyễn Nho Bình – Lớp 49PM2 ĐHXD nhiều hơn trên bầu trời, góc thu nhận dốc đứng.
Vận tốc (Speed)
Ở vận tốc dưới 2 dặm/giờ, ảnh hưởng nhiễu là ảnh hưởng đo vận tốc cung cấp bở GPS tuy nhiên, ở vận tốc nhanh hơn, ảnh hưởng của nhiễu thì không đáng kể khi nhiễu dần dần rời rạc.
2.2.5 Nguồn lỗi tín hiệu GPS
Những điều có thể làm giảm tín hiệu GPS và vì thế ảnh hưởng tới chính xác bao gồm:
Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion : Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển. GPS hệ thống sử dụng một xen kẽ mô hình mà tính toán một số lượng trung bình của sự trì hoãn để từng phần sửa chữa cho kiểu này của lỗi.
Tín hiệu đi nhiều đường : Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu. Điều này tăng thời gian di chuyển của tín hiệu, do đó gây ra những lỗi
Lỗi đồng hồ máy thu : Đồng hồ có trong máy thu không chính xác như đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS.
Lỗi quỹ đạo : Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo vị trí không chính xác.
Số lượng vệ tinh nhìn thấy : Càng nhiều vệ tinh được máy thu GPS nhìn thấy thì càng chính xác. Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí tán lá