Trong giai đoạn đầu, dữ liệu GIS chủ yếu được khởi tạo từ nguồn bản đồ giấy và các bảng biểu, số liệu ghi nhận trên giấy thông qua các công đoạn số hóa bản đồ và nhập liệu.
Tuy nhiên, thế mạnh của GIS nằm ở khả năng tích hợp GPS
(Global Positioning System) và RS( Remote Sensing).
Ngoài ra, GIS cũng sử dụng một số công nghệ thu thập dữ liệu khác như hệ thống thu thập dữ liệu tự động SCADA( Supervisory Control And Data Acquisition)…
Hình 2.11 : Thu thập dữ liệu cho GIS
2.2.3.2. Lưu trữ dữ liệu( Data storing)
Dữ liệu địa lý thể hiện thế giới thực được quản lý trong GIS theo các mô hình dữ liệu nhất định. Dữ liệu thuôc tính thường được quản lý dưới dạng mô hình quan hệ, trong khi dữ liệu không gian được quản lý dưới dạng mô hình dữ liệu vector và raster.
Tiến trình phát triển lưu trữ dữ liệu:
GeoDatafile: dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính độc lập nhau, được tạo liên kết khi ứng ụng và được tổ chức dưới dạng các tập tin, thư mục.
GeoDatabase: dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính được tạo ràng buộc, liên kết và được tổ chức thành một khối thống nhất.
Mô hình thuộc tính:
Mô hình một người dùng. Mô hình nhiều người dùng.
Mô hình nhiều người dùng trên mạng internet.
2.2.3.3. Truy vấn và phân tích dữ liệu
Phân tích dữ liệu trong GIS được chia làm hai loại sau:
Phân tích trên dữ liệu thuộc tính: các phân tích này liên quan đến các phân tích thống kê, các truy vấn được thực hiện trên dữ liệu không gian.
Phân tích trên dữ liệu không gian: các phân tích này liên quan đến các phép toán chỉ có thể thực hiện được trên các vị trí, các đối tượng trên bản đồ.
2.2.3.4. Hiển thị dữ liệu
Hiển thị các thông tin địa lý sau các quá trình truy vấn, phân tích, cập nhật dữ liệu là một chức năng quan trọng và là một thế mạnh của GIS.
Trong GIS, thông tin địa lý có thể biên tập tùy ý theo người sử dụng. Tuy nhiên, trong quá trình biên tập các ký tự, các biểu mẫu phải gần gũi, dễ hiểu với con người và tuân theo các chuẩn quy định.
2.2.4 Ứng dụng của hệ thống thông tin địa lý 2.2.4.1 Những ngành có liên quan đến GIS 2.2.4.1 Những ngành có liên quan đến GIS
GIS là sự hội tụ các lĩnh vực công nghệ và các ngành truyền thống. GIS được coi là công nghệ xúc tác vì tiềm năng to lớn của nó đối với phạm vi các ngành có liên quan đến dữ liệu không gian.
GIS hợp nhất các số liệu mang tính chuyên ngành lại bằng cách tổng hợp mô hình hóa và phân tích.
- Địa lý học - Bản đồ học - Viễn thám học - Hàng trắc - Đo đạc - Trắc đị - Thống kê học - Khoa học máy tính - Trí tuệ nhân tạo - Toán học
- Xây dựng
2.2.4.2 Các ứng dụng thực tế
Tìm kiếm địa chỉ, xác định vị trí. Đường giao thông và sơ đồ.
Phân tích vị trí, chọn khu vực xây dựng. Phát triển các kế hoạch dự phòng. + Quản lý tài nguyên thiên nhiên
Quản lý gió và thủy hệ, các nguồn nhân tạo, bình đồ lũ, vùng ngập úng, đất ngập úng, rừng, vùng tự nhiên.
Phân tích xu hướng môi trường. Phân tích cảnh quan.
Mô hình hóa nước ngầm và nguồn ô nhiễm.
Phân tích phân bố dân cư, quy hoạch tuyến di dân. + Quản lý hệ thống nước điện ga
+ Quản lý quy hoạch
Phân vùng quy hoạch sử dụng đất. Các hiện trạng xu thế môi trường. Quản lý chát lượng nước
+ Quản lý thiết bị, tài sản
2.2.5 Khả năng ứng dụng GIS vào ngành điện
Hệ thống GIS sẽ giúp giải quyết nhiệm vụ khó khăn về nhu cầu cung cấp điện ngày càng tăng của Tân Phú nói riêng và TPHCM nói chung:
2.2.5.1 Những lợi ích về vận hành hệ thống điện
Thiết lập một cơ sở dữ liệu đáng tin cậy về vị trí các phần tử lưới điện đến điện kế khách hàng.
Cung cấp bản đồ số của tất cả các tuyến đường, phố trong quận Tân Phú
Cung cấp tình trạng lưới điện gần với thời gian thực về các sự cố bất ngờ, các công tác xây dựng và bảo trì.
Thể hiện thông tin các thiết bị điện liên quan. Quản lý hành lang an toàn lưới điện.
Tính toán tổn thất điện năng.
Tính toán độ tin cậy của hệ thống điện. Quản lý khách hàng sử dụng điện.
2.2.5.2 Ý nghĩa
Tính toán đầy đủ các thông số vận hành trong từng thời điểm cụ thể, đối chiếu với số liệu thực tế để vận hành lưới điện trong chế độ vận hành linh hoạt, an toàn với tổn thất là thấp nhất.
Phân tích hệ thống một cách nghiêm ngặt hơn nhằm xác định tăng phụ tải như thế nào và ở đâu trước khi củng cố hệ thống. Vận hành tốt các tụ bù cố định và ứng động. Bố trí lắp đặt đúng vị trí, dung lượng và loại tụ bù tại các thời điểm trên lưới phù hợp theo từng giai đoạn và từng chế độ vận hành.
Theo dõi cập nhật chính xác các thông số và các thao tác trong từng mốc thời gian, thường xuyên kiểm tra tính pháp lý của cấu trúc lưới, khắc phục ngay những điểm yếu có nguy cơ gây ra tổn thất cải tiến báo cáo công tác quản lý kỹ thuật. Phân tích kinh tế - kỹ thuật mạng lưới điện hiện hữu nhằm đánh giá các chỉ tiêu và đề ra giải pháp cải tạo, phát triển trong từng bước theo hướng hiện đại hóa, an toàn, cung cấp điện với chất lượng cao và đặc biệt là giảm tổn thất.
Tiết kiệm lao động bằng cách loại trừ việc ghi vào các số liệu thừa, truy cập dữ liệu nhanh chóng và giảm thiểu thời gian cho công nhân tìm và xác định nguyên nhân.
2.2.6 Giải pháp của hệ thống GIS trong công tác quản lý, vận hành
TT Mục tiêu cần đạt Giải pháp của hệ thống
GIS 1 Vận hành hiệu quả hệ thống thiết bị điện đang
ngày càng phát triển, mở rộng thêm, phục vụ khách hang.
+ Là nơi duy nhất lưu trữ báo cáo toàn bộ thông tin thiết bị tài sản trên lưới điện.
+ Cung cấp nô hình đại lý hệ thống mà các đơn vị chức năng có thể theo dõi 2 Phát triển mở rộng lưới điện để phục vụ khách
hàng và cung cấp thêm phụ tải mỗi năm.
+ Cung cấp các công cụ phân tích hệ thống cho các
công tác quy hoạch vĩ mô và tối ưu hóa thiết kế các công việc riêng biệt. +Theo dõi tài sản lưới điện từ khi lắp đặt đến lúc thay thế.
3 Đảm bảo đồng dạng hóa công nghệ thông tin (IT).
+Thiết kế hệ thống GIS theo kiểu phát triển tập trung sẽ tạo ra một mẫu nền chung giúp nhân viên công ty sử dụng.
4 Đẩy mạnh việc sản xuất kinh doanh của đơn vị . +Hệ thống GIS theo dõi việc sử dụng thiết bị trên toàn bộ vòng vận hành, là nguồn nguyên liệu tiêp tục các quy trình sản xuất. 5 Sử dụng đúng nhân công và quy mô tối ưu nguồn
nhân lực.
+GIS sẽ thay đổi công việc nhàm chán lặp lại và sẽ tiết kiệm nhân công đáng kể.
Chương 3: CƠ SỞ ĐỊNH VỊ GPS 3.1. Khái quát về GPS
GPS [3] có tên đầy đủ tiếng Anh là: NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System. Đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh để cung cấp thông tin về vị trí 3 chiều và thời gian chính xác.
GPS là kết quả phối hợp của hai đề án độc lập đã bắt đầu vào đầu những năm 1960: chương trình TIMATION của Hải quân Mỹ và đề án 621B của Không lực Mỹ. Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào quỹ đạo vào năm 1973.
GPS (Global Positioning System) - Hệ thống định vị toàn cầu - là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh( tối thiểu) thì sẽ tính được toạ độ của vị trí đó.
GPS được thiết kế và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc tịch từ năm 1980, GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày.
3.1.1. Bộ phận không gian
Theo thiết kế ban đầu:
Vệ tinh GPS ở các quỹ đạo gần tròn. Góc nghiêng 55 độ.
6 mặt phẳng quỹ đạo.
4 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo. Độ cao 20200 km.
21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ.
Hiện nay số lượng vệ tinh tăng dần lên 32 cái( 2009).
3.1.2. Bộ phận trạm điều khiển
Để có thể theo dõi, quan trắc các vệ tinh GPS và truyền dữ liệu này về trạm điều khiển chính( Master Control Stration - MCS), hệ thống các trạm GPS được thiết kế và lắp đặt tại các vị trí khắp nơi trên thế giới. Đầu tiên, Không lực Mỹ đã đặt 5 trạm quan trắc tại Colorado Springs( Tây Bắc Mỹ), Hawaii( Đông Thái Bình Dương), Ascension( Nam Đại tây Dương), Diego Garcia( giữa Ấn ĐộDương) và Kwajalein( Tây Thái Bình Dương). Các trạm này được mang tên đầy đủ là Air-Force Tracking Station. Trong 5 trạm nói trên thì trạm Colorado Springs là trạm điều khiển chính.
Sau khi đưa 5 trạm nói trên vào hoạt động, Cục Bản đồ và ảnh Quốc gia Mỹ( NIMA – National Imagery and Mapping Agency) đã thiết lập bổ sung thêm 07 trạm quan trắc nữa tại Washington D.C( Đông Bắc Mỹ), Ecuador ( phía Bắc của Nam Mỹ), Argentina( phía Nam của Nam Mỹ), Anh( Tây âu),
Barain( Trung Đông Châu á), Bắc Kinh( Trung Quốc), Australia( phía Nam của Austrailia). Các trạm này có tên là NIMA Tracking Station.
3.1.3 Bộ phận người dùng
Là các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng lẫn phần mềm: Phần cứng có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh để rút ra trị đo khoảng
cách từ máy thu đến vệ tinh và tọa độ vệ tinh ở thời điểm đo. Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin trên để cung cấp tọa độ
của máy thu.
3.1.4. Nguyên tắc hoạt động của GPS
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Máy thu GPS phải khoá được với tín hiệu của ít nhất ba quả vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Với bốn hay nhiều hơn số quả vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn .
3.1.5 Độ chính xác của GPS
Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song( của Garmin) nhanh chóng khoá vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ
này, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng. Tình trạng nhất định của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS( có độ chính xác trung bình trong 15 m) Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. Không cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS Vi sai( Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ.
3.1.6. Ứng dụng
Hiện nay, cùng với các ưu điểm của GPS như các vệ tinh có thể được quan sát trên một vùng lãnh thổ rộng lớn như quốc gia hay lục địa để ứng dụng định vị thời gian thực và vịtrí bất kỳkhông chỉtrên biển mà còn ởtrên mặt đất, trong không gian cho đối tượng đứng yên hay chuyển động và đặc biệt là có thểxác định vào bất cứ thời điểm nào trong 24h/ngày, trong mọi điều kiện thời tiết. GPS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:
Phục vụ trong các ngành giao thông: hàng hải, đường sắt, đường bộ. Giúp các tàu thuyền, xe cộ, tàu lửa có thể định vị, xác định vị trí khi
lưu thông dễ dàng.
Phục vụ trong ngành hàng không dùng để điều khiển hướng bay. Phục vụ trong lãnh vực viễn thám, GIS như xây dựng bản đồ, thu
thập các lớp dữliệu chuyên đề, giám sát các đối tượng di động, ứng dụng định vị địa lý, ứng dụng địa động lực học, theo dõi sự chuyển động của lớp vỏ trái đất, …
Trong đó, việc ứng dụng GPS trong lãnh vực Trắc Địa được xem là bước đột phá, góp phần thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của ngành này, giúp cải tiến phương pháp đo truyền thống như không đòi hỏi tính thông hướng giữa các trạm đo, độ chính xác định vị cao và ngày một được cải thiện…
Bên cạnh đó còn có công nghệ đo động RTK giúp cho việc xác định vị trí của một đối tượng được dễ dàng và chính xác như ứng dụng GPS đo động trong công tác quản lý Taxi, tìm đường đi thông qua công nghệ bản đồ GPS MAP … GPS SOURCE QUÂN SỰ HÀNG KHÔNG GIAO THÔNG KHAI THÁC XÂY DỰNG NÔNG NGHIỆP HÀNG HẢI GIS
Hình 3.2 : Ứng dụng của GIS trong các ngành
3.2. Tín hiệu và trị đo GPS
3.2.1. Tín hiệu
Mỗi vệ tinh GPS phát cùng một loại tín hiệu trên hai tần số của quang phổ điện từ: L1 ở1575.42 MHz và L2 ở1227.60 MHz.[5]
Ở giải tần sóng cực ngắn này, tín hiệu truyền đi rất tập trung theo hướng phát và do đó dễ bị khóa và phản xạ từ các vật rắn và mặt nước. Tín hiệu dễ dàng xuyên qua các đám mây. Tín hiệu bao gồm 3 thành phần cơ bản:
Hai sóng L-Band.
Mã đo khoảng cách điều biến trên các sóng tải. Thông báo hàng hải.
3.2.2. Trị đo
Tín hiệu phát ra từ antenna GPS[5] là tín hiệu phức tạp trộn lẫn trên hai tần số sóng tải là hai mã đo khoảng cách C/A, P và thông báo hàng hải. Nhiệm vụ của máy thu là thực hiện một quá trình ngược( giải mã) với những gì đã diễn ra ở vệ tinh( mã hóa). Tức tách ra các thành phần từ tín hiệu phức hợp và máy thu sẽ cung cấp các trị đo khoảng cách dựa vào mã PRN và sóng tải.
3.2.2.1 Mã giả khoảng cách
Mã giả khoảng cách là “khoảng cách” giữa vệ tinh GPS ở thời điểm truyền tín hiệu nào đó và máy thu ở thời điểm nhận nào đó. Vì thời gian truyền và nhận tín hiệu khác nhau, không thể đo được khoảng
cách thực tế giữa vệ tinh và máy thu. Một định nghĩa cơ bản của trị giả khoảng cách pseudorange observable là:
ρ = ρTRUE + c (∆β-∆τ) (1.1)
ρ: là trị giả khoảng cách được tính từ phương trình thời gian ánh sáng
ρTRUE: là hiệu khoảng cách giữa vị trí của máy thu tại thời điểm nhận tín hiệu thật và vị trí của vệ tinh tại thời điểm truyền tín hiệu và cuối cùng là biases do sai số của đồng hồ.
3.2.2.2. Pha song tải
Pha sóng mang của tín hiệu, không yêu cầu truyền thông tin thực, được định nghĩa như sau:
ρФ = ρTRUE + c (∆δ-∆β) + Nλ (1.2) với:
ρФ = λФ (1.3)
Số chu kỳ N không được biết và khác nhau đối với mỗi bộ máy