ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Cao Cường XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ BẢN ĐỒ SỐ DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MAPSERVER KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công Nghệ Thông Tin HÀ NỘI - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Cao Cường XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ BẢN ĐỒ SỐ DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MAPSERVER KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công Nghệ Thông Tin Cán bộ hướng dẫn: TS. Trần Minh HÀ NỘI - 2009 TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN Ngày nay Hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System) đã phát triển rất mạnh, nó được ứng dụng vào rất nhiều ngành và lĩnh vực khác nhau như trong quân sự, dự báo thời tiết, bản đồ tìm đường đi, bản đồ địa chất, khoáng sản… Cùng với sự bùng nổ của mạng internet toàn cầu và phần cứng máy tính, GIS đã phát triển công nghệ cho phép chia sẻ các thông tin qua mạng, người sử dụng ở khắp mọi nơi trên thế giới đều có thể sử dụng các ứng dụng này thông qua internet. Việc này đòi hỏi phải có một ứng dụng trên nền web là sự kết hợp của GIS và web, để quản lý các thông tin trên bản đồ cho phép xem nội dung các thông tin bản đồ trên web, có thể thêm hoặc xóa sửa các thông tin này. Bên cạnh đó, xu hướng phát triển phần mềm dựa trên công nghệ mã nguồn mở cũng đang được phát triển rất mạnh vì nhiều lợi ích mà nó mang lại. Vì thế, việc nghiên cứu ứng dụng quản lý bản đồ số dựa trên cơ sở mã nguồn mở sẽ mang lại khả năng chia sẻ thông tin địa lý rộng rãi. Nội dung chính của đề tài là nghiên cứu công nghệ mã nguồn mở MapServer, trên cơ sở đó xây dựng một ứng dụng quản lý bản đồ số WebGIS phục vụ cho mục đích nhất định. Mục lục Mở đầu 1 Chương 1 Cơ sở địa lý học 3 1.1 Khái niện chung về bản đồ địa lý 3 1.1.1 Định nghĩa bản đồ 3 1.1.1.1. Bản đồ - mô hình toán học 3 1.1.1.2. Mô hình thực tiễn 4 1.1.1.3. Bản đồ - mô hình qui ước 5 1.1.2 Các tính chất của bản đồ 5 1.1.3 Cơ sở toán học của bản đồ địa lý 6 1.1.3.1. Tỉ lệ bản đồ (map scale) 6 1.1.3.2. Cơ sở trắ c địa – thiên văn của bản đồ 6 1.1.3.3. Hệ toạ độ 8 1.2 Các hệ qui chiếu bản đồ (Map Projection) 8 1.2.1 Lưới chiếu bản đồ (lưới kinh vĩ tuyến) 8 1.2.1.1. Phép chiếu bản đồ 8 1.2.1.2. Các phép chiếu hình và lưới chiếu hình 9 1.2.2 Bố cục bản đồ 14 1.3. Các phương pháp biểu thị hiện tượng trên bản đồ 14 1.3.1. Phương pháp đường đẳng trị 14 1.3.2. Phương pháp chấm điểm 15 1.3.3. Phương pháp ký hi ệu đường 15 1.3.4. Phương pháp ký hiệu đường chuyển động 15 1.3.5. Phương pháp biểu đồ định vị 16 1.3.6. Phương pháp ký hiệu 16 1.3.7. Phương pháp biểu đồ 16 Chương 2 GIS – Hệ thống thông tin địa lý 17 2.1. Khái niệm hệ thống thông tin địa lý 17 2.1.1 Định nghĩa GIS 17 2.1.2 Các thành phần của GIS 18 2.1.2.1. Thiết bị (Hardware) 18 2.1.2.2. Phần mềm 18 2.1.2.3. Chuyên viên 19 2.1.2.4. Dữ liệu địa lý (Geographic data) 19 2.1.2.5. Chính sách và quản lý 20 2.2 Dữ liệu trong GIS 20 2.2.1 Các dạng dữ liệu GIS 20 2.2.2 Mô hình thông tin không gian 20 2.2.2.1. Hệ thống vector 21 2.2.2.2. Hệ thống raster 25 2.2.2.3. Chuyển đổi cơ sở dữ liệu dạng vector và raster 29 2.2.2.4. So sánh vector và raster 30 2.2.3 Mô hình thông tin thuộc tính 31 2.3. WebGIS – Công nghệ GIS qua mạng 33 2.3.1. Giới thiệu WebGIS 34 2.3.2. Sơ đồ hoạt động của WebGIS 34 2.3.3. Tiềm năng của WebGIS 35 2.3.4. Các kiến trúc triển khai WebGIS 35 2.3.4.1. Server side 35 2.3.4.2. Client side 36 2.3.4.3. Kết hợp cả 2 chiến lược 37 2.3.5. Trao đổi dữ liệu của hệ thố ng WebGIS 38 2.3.5.1. Web Map Service / Server 38 2.3.5.2. Web Feature Service / Server 39 Chương 3 MapServer – WebGIS Application 40 3.1. Giới thiệu Mapserver 40 3.2. Các thành phần của Mapserver 41 3.2.1 File khởi tạo 41 3.2.2 Map file 41 3.2.3 Template file 42 3.2.4 Dữ liệu GIS 42 3.3. Sơ đồ hoạt động của Mapserver 42 3.4. Cài đặt Mapserver 43 3.5. Tìm hiểu Mapfile 44 3.5.1. Map Object 44 3.5.2. Layer Object 46 3.5.3. Query Map Object 48 3.5.4. Projection Object 49 3.6. Kết nối các loại dữ liệu 51 3.6.1. Dữ liệu ESRI Shapefiles (SHP) 51 3.6.2. Kết nối dữ liệu Raster 53 3.6.3. Kết nối dùng thư viện OGR 56 3.6.4. Kết nối dữ liệu dùng WMS 60 3.6.5. Kết nối dữ liệu dùng WFS (Web Feature Server) 62 Chương 4: Xây dựng hệ thống quản lý bản đồ số dựa trên công nghệ MapServer 64 4.1 Bài toán xây dựng hệ thống quản lý bản đồ số 64 4.2 Dữ liệu bản đồ 64 4.2.1 Shapefile 64 4.2.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu 65 4.3 Xây dự ng chương trình 66 4.3.1 Tạo Mapfile 66 4.3.2. Xây dựng các chức năng 67 4.3.2.1. Công cụ phóng to, thu nhỏ, pan 67 4.3.2.2. Công cụ hiển thị, tắt các lớp 67 4.3.2.3. Công cụ hiển thị thông tin của đối tượng 68 4.3.2.4. Công cụ tìm kiếm 68 4.3.3. Xây dựng các hàm xử lý 68 4.4. Cài đặt chương trình và thử nghiệm 71 4.4.1. Cài đặt 71 4.4.2. Một số giao diện chương trình 71 4.4.3. Thử nghiệm chương trình 74 Kết luận 75 1 Mở đầu Trong lịch sử, con người đã biết sử dụng bản đồ từ rất lâu, bản đồ ban đầu chỉ là hình vẽ mô tả những thực thể trên mặt đất ở dạng đơn giản bằng các điểm, đường. Nó thường là các bản đồ quân sự và bản đồ thám hiểm. Ngày nay bản đồ giấy không chỉ là bản đồ quân sự hay thám hiểm, nó đã mang trên mình được rất nhiề u thông tin, và phân ra làm nhiều loại bản đồ khác nhau. Nó sử dụng các đường nét, màu sắc, ký hiệu, chữ và số để thể hiện các thông tin địa lý. Nó có thể mô tả vị trí, hình dạng đặc tính có thể nhận thấy như phong cảnh: sông, suối, đường xá, làng mạc, rừng cây… Bản đồ giúp con người có cái hình dung tổng thể và trừu tượng hơn, chúng ta có thể dùng bản đồ để tìm đường đi, tìm điểm du lịch… Tuy nhiên ngày nay thì lượng thông tin càng ngày càng nhiề u, và phân hóa thành nhiều lĩnh vực khác nhau. Bản đồ in trên giấy với nhiều nhược điểm như thời gian xây dựng, đo đạc tạo lập và con người dùng cho việc tạo bản đồ là rất nhiều và tốn kém. Lượng thông tin trên bản đồ giấy lại hạn chế vì quá nhiều thông tin sẽ gây khó đọc, và không thể cập nhật theo thời gian. Bản đồ máy tính ra đời, nó là sự mô hình hóa không gian và lưu trữ vào trong máy tính, nó có thể hiể n thị trên máy tính và in ra giấy. Thuật ngữ GIS (hệ thống thông tin địa lý) ra đời, GIS hình thành từ các ngành khoa học: địa lý, toán học, bản đồ, và tin học. GIS là một hệ thống nó bao gồm cả phần cứng và phần mềm, phục vụ cho việc vẽ bản đồ, phân tích vật thể, hiện tượng trên trái đất. GIS có thể tạo được bản đồ tĩnh nhiều màu sắc đẹp và hơn nữa là bản đồ động, giúp người dùng có thể chọn lựa và bỏ bất cứ thành phần nào trên bản đồ nhằm phân tích một cách nhanh chóng các yếu tố trên bản đồ. GIS ra đời từ những năm 1960 tới nay, nhưng nó chưa đến được với người dùng, vì các ứng dụng GIS thường vẫn là các ứng dụng GIS chạy trên máy tính đơn, yêu cầu phải có phần mềm riêng biệt cho việc xử lý các thông tin GIS. Cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin và m ạng internet toàn cầu, máy tính đã trở nên phổ biến. Và GIS cũng đã thực sự bùng nổ từ nhu cầu thực tiễn. Tất cả các ngành như quy hoạch, quản lý tài nguyên và môi trường, quản lý đô thị, giao thông, phòng chống và giảm nhẹ thiên tai, thông tin du lịch; tất cả các cấp từ quốc gia, tỉnh, huyện đến xã, thôn đều có nhu cầu ứng dụng GIS cho các hoạt động điều hành, quản lý. Bản đồ sẽ đượ c số hóa và đưa lên trên mạng internet, người dùng trên khắp thế giới chỉ cần có máy tính nối mạng internet và trình duyệt web, là có thể sử dụng bản đồ này một cách dễ dàng mà không phải cài đặt thêm một phần mềm nào phức tạp và tốn kém. 2 Nội dung chính của đề tài là tìm hiểu công nghệ Mapserver mã nguồn mở, áp dụng xây dựng các ứng dụng GIS mà tiêu biểu là WebGIS trên internet. Nội dung khóa luận được chia làm 4 chương. Chương 1: Cơ sở địa lý học, tìm hiểu về bản đồ, cơ sở toán học của bản đồ, các phép chiếu hình bản đồ, các phương pháp biểu thị đối tượng trên bản đồ. Chương 2: GIS các thành phần của một hệ thố ng GIS, các dạng dữ liệu GIS, WebGIS công nghệ GIS trên mạng internet. Chương 3: Tìm hiểu phần mềm mã nguồn mở MapServer, hoạt động của Mapserver, Các thành phần của Mapserver, Kết nối dữ các loại dữ liệu bản đồ trong MapServer. Chương 4 : Xây dựng hệ thống quản lý bản đồ số dựa trên MapServer Khóa luận sẽ rất khó hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ tận tình, và truyền đạt các kiến thức mới củ a thầy TS. Trần Minh. Em xin chân thành cảm ơn sự dạy dỗ chỉ bảo của thầy. Qua khóa luận em cũng xin được trân trọng cảm ơn các Thầy cô trong trường đã giảng dạy cho em kiến thức trong suốt bốn năm học, làm nền tảng vững chắc cho em thực hiện khóa luận. Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết mình, nhưng do thời gian cũng như kiến thức c ủa bản thân còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! 3 Chương 1: Cơ sở địa lý học 1.1. Khái niệm chung về bản đồ địa lý 1.1.1. Định nghĩa bản đồ Bản đồ địa lý là sự biểu thị thu nhỏ qui ước của bề mặt trái đất lên mặt phẳng, xây dựng trên cơ sở toán học với sự trợ giúp và sử dụng các ký hiệu qui ước để phản ánh sự phân bố, trạng thái và mối quan hệ tương quan của các hiện tượng thiên nhiên và xã hội được l ựa chọn và khái quát hoá để phù hợp với mục đích sử dụng của bản đồ và đặc trưng cho khu vực nghiên cứu. Hình 1: Biểu thị của bề mặt trái đất lên mặt phẳng 1.1.1.1. Bản đồ - mô hình toán học Chúng ta biết trái đất có dạng Geoid, nhưng trong thực tế được coi là hình Elipxoid có kích thước và hình dạng gần đúng như hình Geoid. Bề mặt Geoid được tạo bởi mặt nước biển trung bình yên tĩnh kéo dài qua các lục địa và hải đảo tạo thành một mặt cong khép kín. Do tác dụng của trọng lực, sự phân bố không đều của vật chất có tỉ trọng khác nhau trong lớp vở trái đất làm cho bề mặt Geoid bị biến đổi phức tạp về mặt hình học. 4 Hình 2: Dạng Geoid và hình Elipxoid Khi biểu thị lên mặt phẳng một phần nhỏ bề mặt trái đất (trong phạm vi 20x20 km) thì độ cong trái đất có thể bỏ qua. Trong trường hợp này các đường thẳng đã đo trên thực địa được thu nhỏ theo tỷ lệ qui định và biểu thị trên giấy không cần hiệu chỉnh độ cong của trái đất. Những bản vẽ như thế gọi là bình đồ. Trên bình đồ, tỷ lệ ở mọi nơi và mọi hướng đều như nhau. Trên bản đồ biểu thị toàn bộ trái đất hoặc một diện tích lớn thì độ cong của trái đất là không thể bỏ qua.Việc chuyển từ mặt Elipxoid lên mặt phẳng được thực hiện nhờ phép chiếu bản đồ. Các phép chiếu biểu hiện quan hệ giữa toạ độ các điểm trên mặt đất và toạ độ các điểm đó trên mặt phẳng bằng các phương pháp toán học. Các phần tử nội dung bản đồ giữ đúng vị trí địa lý, nhưng sẽ có sai số về hình dạng hoặc diện tích. 1.1.1.2. Mô hình thực tiễn Trên bản đồ người ta thể hiện các đối tượng và hiện tượng có trên mặt đất trong thiên nhiên, xã hội và các lĩnh vực hoạt động của con người. Các yếu tố n ội dung của bản đồ : - Thuỷ hệ - Địa hình bề mặt - Dân cư - Đường giao thông - Ranh giới hành chính - chính trị [...]... toạ độ khác - Bố cục bản đồ và khung bản đồ - Hệ thống chia mảnh - Số liệu 1.1.3.1 Tỉ lệ bản đồ (map scale) Tỷ lệ bản đồ thường được hiểu là tỷ lệ độ dài của một đường trên bản đồ và độ dài thực của nó trên thực địa Trên bình đồ biểu thị một khu vực nhỏ của bề mặt trái đất, ảnh hưởng của độ cong trái đất trên bản đồ là không đáng kể nên tỷ lệ trên toàn bản đồ là như nhau Trên bản đồ những khu vực lớn... nhau về yêu cầu lưu giữ số liệu, hiệu quả, xử lý và hiển thị Số liệu không gian là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng bao gồm toạ độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ thể trên từng bản đồ Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu không gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi, … Số liệu phi không gian... tri thức.Tóm lại, hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống phần mềm máy tính được sử dụng trong việc vẽ bản đồ, phân tích các vật thể, hiện tượng tồn tại trên trái đất Công nghệ GIS tổng hợp các chức năng chung về quản lý dữ liệu như hỏi đáp và phân tích thống kê với sự thể 17 hiện trực quan và phân tích các vật thể hiện tượng không gian trong bản đồ Sự khác biệt giữa GIS và các hệ thống thông tin thông... sách và quản lý Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong 1 khung tổ chức phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu trữ và phân tích số liệu, đồng thời có khả năng phát triển được hệ thống. .. vĩ tuyến, xác định bằng phương pháp gần đúng sai số biểu thị góc, diện tích và khoảng cách Khi dùng bản đồ để làm tài liệu thành lập bản đồ khác cần phải biết đích xác về phép chiếu bản đồ để có thể thực hiện các phép chuyển đổi các đối tượng sang hệ toạ độ của bản đồ thành lập 13 1.2.2 Bố cục bản đồ Là sự bố trí khu vực được thành lập bản đồ trên bản đồ, xác định khung của nó, sắp xếp những yếu tố... những tư liệu bổ sung Các bản đồ địa hình bao giờ cũng định hướng kinh tuyến giữa theo B-N Trong khung biểu thị khu vực được thành lập liên tục và không lập lại Bố trí tên bản đồ, số hiệu mảnh, tỷ lệ, các tài liệu tra cứu và giải thích dựa theo mẫu qui định Đối với các bản đồ chuyên đề, trong khung bản đồ có thể bố trí bản chú thích, tài liệu tra cứu, đồ thị, bản đồ phụ Tên bản đồ, tỷ lệ cũng có thể... thị các các đối tượng nên tỷ lệ bản đồ là đại lượng thay đổi từ điểm này sang điểm khác hay thậm chí trên cùng một điểm cũng thay đổi theo các hướng khác nhau Tỷ lệ chính của bản đồ (được ghi trên bản đồ) được bảo toàn ở một số điểm và một số hướng tuỳ thuộc vào phép chiếu Ta hiểu tỷ lệ của bản đồ là mức độ thu nhỏ của bề mặt trái đất khi biểu diễn lên bản đồ Tỉ lệ bản đồ nói lên mức độ chi tiết các... địa lý, thuộc tính của thông tin, mối liên hệ không gian của các thông tin, và thời gian Có 2 dạng số liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là: Cơ sở dữ liệu bản đồ: là những mô tả hình ảnh bản đồ được số hoá theo một khuôn dạng nhất định mà máy tính hiểu được Hệ thống thông tin địa lý dùng cơ sở dữ liệu này để xuất ra các bản đồ trên màn hình hoặc ra các thiết bị ngoại vi khác như máy in, máy vẽ - Số. .. tả đặc tính, số lượng, mối quan hệ của các hình ảnh bản đồ với vị trí địa lý của chúng Các số liệu phi không gian được gọi là dữ liệu thuộc tính, chúng liên quan đến vị trí địa lý hoặc các đối tượng không gian và liên kết chặt chẽ với chúng trong hệ thống thông tin địa lý thông qua một cơ chế thống nhất chung 2.2.2 Mô hình thông tin không gian Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS, hệ thống GIS chứa... thể biểu hiện được trên bản đồ và kích thước các chi tiết có thể đo đạc được tương ứng với điều kiện ngoài thực tế Tỉ lệ bản đồ có thể được biểu hiện như là một đơn vị đo đạc và chuyển đổi, thí dụ như ở tỉ lệ 1/24.000, 1 cm trên bản đồ tương ứng với 24.000 cm ngoài thực tế hoặc 24 m Một bản đồ có tỉ lệ là 1/10.000 sẽ bao phủ một vùng rộng lớn hơn bản đồ ở tỉ lệ 1/24.000, tuy nhiên bản đồ có tỉ lệ lớn . Chương 4: Xây dựng hệ thống quản lý bản đồ số dựa trên công nghệ MapServer 64 4.1 Bài toán xây dựng hệ thống quản lý bản đồ số 64 4.2 Dữ liệu bản đồ 64 4.2.1 Shapefile 64 4.2.2 Xây dựng cơ sở. HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Cao Cường XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ BẢN ĐỒ SỐ DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MAPSERVER KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công Nghệ Thông. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Cao Cường XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ BẢN ĐỒ SỐ DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MAPSERVER KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công Nghệ Thông