Thạc Sĩ Tổng quan về GIS, giao tiếp Geoserver qua WMS, WFS, xây dựng hệ thống quản lý sâu bệnh hại lúa

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4
DANH MỤC CÁC BẢNG 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. 6
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ WEBGIS. 7
1.1. Khái niệm cơ bản về GIS. 7
1.2. Các giải pháp và ứng dụng GIS. 8
1.2.1. Môi trường. 9
1.2.2. Khí tượng thuỷ văn. 9
1.2.3. Nông nghiệp. 10
1.2.4. Y tế. 10
1.2.5. Chính quyền địa phương. 10
1.2.6. Bán lẻ. 10
1.2.7. Giao thông. 11
1.3. Tổng quan về WebGIS. 11
1.3.1. Mô hình xử lý và kiến trúc triển khai WebGIS. 12
1.3.2. Các chuẩn trao đổi cho WebGIS hiện nay. 15
Chương 2: GEOSERVER – WEBGIS APPLICATION 19
2.1. Lịch sử phát triển. 19
2.2. Mô hình xử lý. 21
2.3. Lưu trữ thông tin bằng Shapefile. 22
2.3.1. Giới thiệu ESRI Shapefile. 22
2.3.2. TỆP SHP. 22
2.3.3. Tệp DBF. 25
2.3.4. Tệp SHX 25
2.3.5. Tệp PRJ. 26
2.4. Kết nối dữ liệu bản đồ sử dụng WMS. 26
2.4.1. Giới thiệu WMS. 26
2.4.2. Các tham số thông dụng trong câu Request 27
2.4.3. Tệp mô tả cách hiển thị bản đồ SLD. 31
2.5. Kết nối dữ liệu bằng WFS. 38
2.5.1. Giới thiệu WFS. 38
2.5.2. Các tham số thông dụng trong câu request. 40
2.5.3. Bộ lọc (Filter). 41
2.5.4. Các phép toán không gian (Spatial Operators). 43
2.5.5. Các phép toán so sánh. 46
2.5.6. Các phép toán Logic. 50
2.5.7. Định danh của Feature (Feature Identifier). 51
Chương 3: HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÌNH HÌNH SÂU BỆNH HẠI LÚA 53
3.1. Khảo sát hiện trạng. 53
3.2. Dữ liệu trong bài toán. 53
3.2.1. Dữ liệu bản đồ: 53
3.2.2. Dữ liệu thuộc tính. 54
3.3. Phân tích và xác định yêu cầu. 54
3.4. Xác định Actor và Use case. 56
3.4.1. Các Actor của hệ thống. 56
3.4.2. Use case. 56
3.4.3. Mô hình Use-case. 57
3.4.4. Đặc tả Use case. 58
3.5. Thiết kế kiến trúc hệ thống. 62
3.6. Chi tiết ứng dụng. 64
Chương 4: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM . 71
4.1. Cài đặt và cấu hình GeoServer. 71
4.2. Cài đặt cơ sở dữ liệu. 71
4.3. Thử nghiệm 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77


Chương 1:TỔNG QUAN VỀ WEBGIS1.1. Khái niệm cơ bản về GIS Thông tin địa lý được thể hiện chủ yếu dưới dạng bản đồ đã ra đời từ xa xưa. Các bản đồ trước tiên được phác thảo để mô tả vị trí, cảnh quan, địa hình Bản đồ chủ yếu gồm những điểm và đường. Tuy nhiên bản đồ dạng này thích hợp cho quân đội và các cuộc thám hiểm hơn là được sử dụng như một công cụ khai thác tiềm năng của địa lý. Bản đồ vẫn tiếp tục được in trên giấy ngay cả khi máy tính đã ra đời một thời gian dài trước đó. Bản đồ in trên giấy bộc lộ những hạn chế như thời gian xây dựng, đo đạc, tạo lập lâu và tốn kém. Lượng thông tin mang trên bản đồ giấy là hạn chế vì nếu mang hết các thông tin lên bản đồ sẽ khó đọc. Bên cạnh đó bản đồ giấy không thể cập nhật theo thời gian thực được.
Ý tưởng mô hình hóa không gian lưu trữ vào máy tình, tạo nên bản đồ máy tình. Đó là bản đồ đơn giản có thể mã hóa, lưu trữ trong máy tính, sữa chữa khi cần thiết, có thể hiển thị trên màn hình và in ra giấy.Tuy nhiên các nhà nghiên cứu nhận thấy nhiều vấn đề địa lý cần phải thu thập một lượng lớn thông tin không phải là bản đồ. Lúc này khái niệm Hệ thống thông tin địa lý (GIS) ra đời thay thế cho thuật ngữ bản đồ máy tính.
GIS là từ viết tắt của:
+ G: Geographic: dữ liệu không gian thể hiện vị trí, hình dáng (điểm, tuyến, vùng)
+ I: Information: thuộc tính, không thể hiện vị trí (như mô tả bằng số, văn bản, tên )
+ S: System: sự liên kết bên trong giữa các thành phần khác nhau (phần cứng, phần mềm)
Hệ thống thông tin địa lý (Geographical Information System) 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 (Query) và phân tích thống kê (statistical analysis) với sự thể hiện trực quan (Visualization) và phân tích các vật thể hiện tượng không gian (geographic analysis) trong bản đồ. Sự khác biệt giữa GIS và các hệ thống thông tin thông thường là tính ứng dụng của nó rất rộng trong việc giải thích hiện tượng, dự báo và qui hoạch chiến lược.
GIS được hình thành từ các ngành khoa học: Địa lý, Bản đồ, Tin học và Toán học. Chỉ đến những năm 80 thì GIS mới có thể phát huy hết khả năng của mình do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng.Bắt đầu từ thập niên 80, GIS đã trở nên phổ biến trong các lĩnh vực thương mại, khoa học và quản lý, chúng ta có thể gặp nhiều cách định nghĩa về GIS:
- Là một tập hợp của các phần cứng, phần mềm máy tính cùng với các thông tin địa lý (mô tả không gian). Tập hợp này được thiết kế để có thể thu thập, lưu trữ, cập nhật, thao tác, phân tích, thể hiện tất cả các hình thức thông tin mang tính không gian.
- GIS là một hệ thống máy tính có khả năng lưu trữ và sử dụng dữ liệu mô tả các vị trí (nơi) trên bề mặt trái đất.
- Một hệ thống được gọi là GIS nếu nó có các công cụ hỗ trợ cho việc thao tác với dữ liệu không gian – Cơ sở dữ liệu GIS là sự tổng hợp có cấu trúc các dữ liệu số hóa không gian và phi không gian về các đối tượng bản đồ, mối liên hệ giữa các đối tượng không gian và các tính chất của một vùng đối tượng.
1.2. Các giải pháp và ứng dụng GISKhi làm việc với hệ thống GIS có thể tiếp cận dưới các cách nhìn nhận như sau:


Cơ sở dữ liệu địa lý (Geodatabase - theo cách gọi của ESRI): GIS là một cơ sở dữ liệu không gian chuyển tải thông tin địa lý theo quan điểm gốc của mô hình dữ liệu GIS (yếu tố, topology, mạng lưới, raster, .)
Hình tượng hoá (Geovisualization): GIS là tập các bản đồ thông minh thể hiện các yếu tố và quan hệ giữa các yếu tố trên mặt đất. Dựa trên thông tin địa lý có thể tạo nhiều loại bản đồ và sử dụng chúng như là một cửa sổ vào trong cơ sở dữ liệu để hỗ trợ tra cứu, phân tích và biên tập thông tin.
Xử lý (Geoprocessing): GIS là các công cụ xử lý thông tin cho phép tạo ra các thông tin mới từ thông tin đã có. Các chức năng xử lý thông tin địa lý lấy thông tin từ các tập dữ liệu đã có, áp dụng các chức năng phân tích và ghi kết quả vào một tập mới.
Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một công nghệ xử lý các dữ liệu có toạ độ (bản đồ) để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết định cho các nhà quản lý.
Vì GIS 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, 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.
1.2.1.Môi trườngTheo những chuyên gia GIS kinh nghiệm nhất thì có rất nhiều ứng dụng đã phát triển trong những tổ chức quan tâm đến môi trường. Với mức đơn giản nhất thì người dùng sử dụng GIS để đánh giá môi trường, ví dụ như vị trí và thuộc tính của cây rừng. Ứng dụng GIS với mức phức tạp hơn là dùng khả năng phân tích của GIS để mô hình hóa các tiến trình xói mòn đất sự lan truyền ô nhiễm trong môi trường khí hay nước, hoặc sự phản ứng của một lưu vực sông dưới sự ảnh hưởng của một trận mưa lớn. Nếu những dữ liệu thu thập gắn liền với đối tượng vùng và ứng dụng sử dụng các chức năng phân tích phức tạp thì mô hình dữ liệu dạng ảnh (raster) có khuynh hướng chiếm ưu thế.
1.2.2.Khí tượng thuỷ vănTrong lĩnh vực này GIS được dùng như là một hệ thống đáp ứng nhanh, phục vụ chống thiên tai như lũ quét ở vùng hạ lưu, xác định tâm bão, dự đoán các luồng chảy, xác định mức độ ngập lụt, từ đó đưa ra các biện pháp phòng chống kịp thời . vì những ứng dụng này mang tính phân tích phức tạp nên mô hình dữ liệu không gian dạng ảnh (raster) chiếm ưu thế.
1.2.3.Nông nghiệpNhững ứng dụng đặc trưng: Giám sát thu hoạch, quản lý sử dụng đất, dự báo về hàng hoá, nghiên cứu về đất trồng, kế hoạch tưới tiêu, kiểm tra nguồn nước.
1.2.4.Y tếNgoại trừ những ứng dụng đánh giá, quản lý mà GIS hay được dùng, GIS còn có thể áp dụng trong lĩnh vực y tế. Ví dụ như, nó chỉ ra được lộ trình nhanh nhất giữa vị trí hiện tại của xe cấp cứu và bệnh nhân cần cấp cứu, dựa trên cơ sở dữ liệu giao thông. GIS cũng có thể được sử dụng như là một công cụ nghiên cứu dịch bệnh để phân tích nguyên nhân bộc phát và lây lan bệnh tật trong cộng đồng.
1.2.5.Chính quyền địa phươngChính quyền địa phương là một trong những lĩnh vực ứng dụng rộng lớn nhất của GIS, bởi vì đây là một tổ chức sử dụng dữ liệu không gian nhiều nhất. Tất cả các cơ quan của chính quyền địa phương có thể có lợi từ GIS. GIS có thể được sử dụng trong việc tìm kiếm và quản lý thửa đất, thay thế cho việc hồ sơ giấy tờ hiện hành. Nhà cầm quyền địa phương cũng có thể sử dụng GIS trong việc bảo dưỡng nhà cửa và đường giao thông. GIS còn được sử dụng trong các trung tâm điều khiển và quản lý các tình huống khẩn cấp.
1.2.6.Bán lẻPhần lớn siêu thị vùng ngoại ô được xác định vị trí với sự trợ giúp của GIS. GIS thường lưu trữ những dữ liệu về kinh tế-xã hội của khách hàng trong một vùng nào đó. Một vùng thích hợp cho việc xây dựng môt siêu thị có thể được tính toán bởi thời gian đi đến siêu thị, và mô hình hoá ảnh hưởng của những siêu thị cạnh tranh. GIS cũng được dùng cho việc quản lý tài sản và tìm đường phân phối hàng ngắn nhất.
1.2.7.Giao thôngGIS có khả năng ứng dụng đáng kể trong lĩnh vực vận tải. Việc lập kế hoạch và duy trì cở sở hạ tầng giao thông rõ ràng là một ứng dụng thiết thực, nhưng giờ đây có sự quan tâm đến một lĩnh vực mới là ứng dụng định vị trong vận tải hàng hải, và hải đồ điện tử. Loại hình đặc trưng này đòi hỏi sự hỗ trợ của GIS.
1.3. Tổng quan về WebGIS GIS đã được ứng dụng từ vài thập niên trước đây, nhưng dường như GIS vẫn chưa đến được với mọi người. Lý do là trước nay các ứng dụng GIS hầu hết chạy trên nền Desktop với chi phí khá cao. Với những máy tính này thì cần thiết phải cài đặt các module xử lý GIS (dưới dạng các thư viện dll, hay các ActiveX) điều này cản trở khả năng ứng dụng GIS rộng rãi. Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó thì webGIS đã ra đời, vậy WebGIS là gì?
WebGIS là hệ thống thông tin địa lý phân tán trên một mạng các máy tính để tích hợp trao đổi các thông tin địa lý trên World Wide Web (Edward, 2000). Trong cách thực hiện nhiệm vụ phân tích GIS, dịch vụ này gần giống như là kiến trúc Client-Server của Web. Xử lý thông tin địa lý được chia thành các nhiệm vụ ở phía server và phía client. Điều này cho phép người dùng có thể truy xuất, thao tác và nhận kết quả từ việc khai thác dữ liêu GIS từ trình duyệt web của họ mà không phải trả tiền cho phần mềm GIS. Một Client tiêu biểu là trình duyệt web và server-side bao gồm một Web server có cung cấp một chương trình phần mềm WebGIS đóng vai trò như Application Server. Client thường yêu cầu một ảnh bản đồ hay vài xử lý thông tin địa lý qua Web đến server ở xa. Server chuyển đổi yêu cầu thành mã nội bộ và gọi những chức năng về GIS bằng cách chuyển tiếp yêu cầu tới phần mềm WebGIS. Phần mềm này trả về kết quả, sau đó kết quả này được định dạng lại cho việc trình bày bởi trình duyệt hay những hàm từ các plug-in hoặc Java applet. Server sau đó trả về kết quả cho client để hiển thị, hoặc gửi dữ liệu và các công cụ phân tích đến client để dùng ở phía client (Peng 1997).
Phần lớn sự chú ý gần đây là tập trung vào việc phát triển các chức năng GIS trên Internet. WebGIS có tiềm năng lớn trong việc làm cho thông tin địa lý trở nên hữu dụng và sẵn sàng tới số lượng lớn người dùng trên toàn thế giới. Thách thức lớn của WebGIS là việc tạo ra một hệ thống phần mềm không phụ thuộc vào platform và chạy trên chuẩn giao thức mạng TCP/IP, có nghĩa là khả năng WebGIS được chạy trên bất kì trình duyệt web của bất kì máy tính nào nối mạng Internet. Đối với vấn đề này, các phần mềm GIS phải được thiết kế lại để trở thành ứng dụng WebGIS theo các kỹ thuật mạng Internet.
1.3.1.Mô hình xử lý và kiến trúc triển khai WebGIS. Kiến trúc xuất bản web của hệ thống thông tin dữ liệu không gian cũng gần giống như kiến trúc dành cho hệ thống thông tin web cơ bản khác. Sự khác biệt là cách thức tổ chức lưu trữ và truy xuất dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian. Cơ sở dữ liệu không gian sẽ được dùng để quản lý và truy xuất dữ liệu không gian, được đặt trên data server. Nhà kho hay nơi lưu trữ (clearing house) được dùng để lưu trữ và duy trì những siêu dữ liệu (dữ liệu về dữ liệu – metadata) về dữ liệu không gian tại những data server khác nhau. Dựa trên những thành phần quản lý dữ liệu, ứng dụng server và mô hình server được dùng cho ứng dụng hệ thống để tính toán thông tin không gian thông qua các hàm cụ thể. Tất cả kết quả tính toán của ứng dụng server sẽ được gửi đến web server để thêm vào các gói HTML, gửi cho phía client và hiển thị nơi trình duyệt web.
Hình minh họa sau đây thể hiện kiến trúc và quá trình làm việc với hệ thống web xử lý thông tin không gian.