GPS the global positioning system

dài 30 bit; trong đó, N từ trình bày số lượng từ mang dữ liệu thực sự bên trong thông điệp và hai từ còn lại trình bày một tiêu đề hai từ bắt đầu tại mỗi thông điệp. Kích thước của N thay đổi, phụ thuộc vào dạng thông điệp và nội dung thông điệp (ví dụ khi mà số lượng vệ tinh thay đổi trong tầm nhìn của trạm tham khảo). Kích thước từ và thuật toán kiểm tra chẵn tương tự trong thông điệp điều hướng GPS. GPS the global positioning system 81 dhspkt-hcm-2009 6.4 Định dạng NMEA 0183: NMEA là viết tắt của National Marine Electronics Association,được thành lập vào 1957 bởi một nhóm những người buôn bán thiết bị điện tử nhằm tăng cường mối quan hệ của họ đối với các nhà sản xuất thiết bị điện tử. Vào năm 1983, với đầu vào từ các nhà sản xuất,tổ chức tư nhân, chính ph ủ, hiệp hội đã thừa nhận NMEA 0183 là định dạng để giao tiếp với những thiết bị điện tử hàng hải.Nó đã được cập nhật vài lần. Tiêu chuẩn NMEA 0183 là một chuỗi dữ liệu trong định dạng ASCII, phát với tốc độ 4,800bps, từ bên nói đến bên nghe, trong đó, bên nói là thiết bị gửi dữ liệu đến những thiết bị khác (ví dụ như: bộ thu GPS) và bên nghe là thi ết bị nhận dữ liệu từ thiết bị kia (ví dụ như laptop giao tiếp với bộ thu GPS). Chuỗi dữ liệu NMEA 0183 bao gồm thông tin về vị trí, gốc tọa độ, độ sâu của nước, và những thông số khác. Dữ liệu được gửi dưới dạng câu; mỗi câu bắt đầu với ký hiệu dollar “$” và kết thúc với (carriage return – line feed). Theo sau ký hi ệu dollar “$” là vùng địa chỉ năm ký tự, hai ký tự đầu tiên nhận dạng bên nói, ba ký tự cuối nhận dạng kiểu dữ liệu và định dạng chuỗi của những vùng kế tiếp. Vùng cuối cùng trong bất cứ câu nào đều là vùng checksum, vùng này theo sau một ký tự phân cách checksum “*”. Số lượng ký tự tối đa trong một câu là 82; trong đó, tối đa có 79 ký tự giữa dấu phân cách bắt đầu “$ ”và dấu kết thúc . Một số câu được hệ thống GPS và GLONASS sử dụng, trong khi những câu còn lại có tác dụng hỗ trợ những thiết bị khác như là máy phát âm thanh echo và nhi ều thiết bị khác. Chúng ta sẽ chỉ thảo luận về một câu duy nhất, GGA: Global Positioning System fix data. Câu này trình bày thời gian, vị trí và thông tin có liên quan đến giải pháp. Hình 41 chỉ ra cấu trúc chung chung của câu GGA và giải thích những thuật ngữ của câu. GPS the global positioning system 82 dhspkt-hcm-2009 Hình 41:cấu trúc chung của câu GGA Bảng: Giải thích những thuật ngữ và ký hiệu trong câu GGA GPS the global positioning system 83 dhspkt-hcm-2009 Hầu hết các bộ thu có mặt trên thị trường đều hỗ trợ tiêu chuẩn NMEA 0183. Tuy nhiên không ph ải tất cả bộ thu với port NMEA 0183 đều xuất ra một thông điệp GPS cụ thể nào. Ngoài ra, một số nhà sản xuất bộ thu GPS có thể thay đổi một chút định dạng GPS the global positioning system 84 dhspkt-hcm-2009 tiêu chuẩn này. Tuy nhiên, thông thường, họ cung cấp phần mềm để giải thích câu dữ liệu. 7. Kỹ thuật ambiguity- resolution: Độ chính xác định vị ở cấp độ centimet có thể đạt được với những quan sát pha- sóng mang trong chế độ định vị tương đối. Tuy nhiên, với điều kiện tiên quyết là phải xác định thành công nh ững tham số ambiguity nguyên ban đầu. Tiến trình này g ọi là ambiguity resolution. Phân tích những tham số ambiguity một cách chính xác tương đương với hoạt động xác định tầm thực sự, chính xác từ bộ thu đến vệ tinh, kết quả là định vị chính xác. Ban đầu, những tham số ambiguity được xác định bởi phương pháp lọc Kalman và phương pháp least - squared. Không may, những phương pháp này không th ể xác định được những số nguyên của tham số ambiguity. Chúng ta đạt được gì với những con số thực đi kèm chỉ duy nhất với những tham số không xác định. Trong thực tế, những tham số thực này khó mà được phân tách dùng phương pháp baseline. Như vậy, khi mà chúng ta đã biết được rằng, tham số ambiguity là số nguyên, phương pháp phân tích có th ể được xác định rõ ràng. Thông thường, định vị tương đối GPS chính xác cao cùng với những quan sát pha- sóng mang được tiến hành trong m ột khoảng thời gian quan sát dài (trong kho ảng vài giờ). Điều này khiến cho khối hình học vệ tinh-bộ thu thay đổi một cách đáng kể, do đó giúp ích trong hoạt động tách rời những tham số ambiguity từ phép phân tích baseline. Như vậy, mặc dù phương pháp least-square còn mang nh ững giá trị thực của những tham số ambiguity, chúng thực sự gần với giá trị integer. Do đó, những giá trị nguyên chính xác có thể đạt được một cách đơn giản bằng cách làm tròn những con số giá trị thực trở thành giá tr ị nguyên gàn nhất. Sau đó tiến hành điều chỉnh least-square, thừa nhận rằng những tham số ambiguity giá trị nguyên là những giá trị đã được xác định trong khi GPS the global positioning system 85 dhspkt-hcm-2009 những thành ph ần baseline thì chưa. Rõ ràng rằng, mặc dù phương pháp này có khả năng xác định giá tr ị nguyên chính xác của những tham số ambiguity, tuy nhiên lại mất thời gian. Như vậy, hiện tại phương pháp này ch ỉ giới hạn để áp dụng đối với những baseline dài trong chế độ tĩnh. Nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển để vượt qua giới hạn của phương pháp trước đó (sử dụng những khoảng thời gian quan sát dài). Đối với những phương pháp như vậy, sử dụng một baseline đã được xác định (tọa độ những điểm đầu cuối của nó được xác định), sẳn dùng trong tầm khu vực dự án. Những tham số ambiguity được xác định bằng cách chiếm lĩnh một cách đơn giản hai điểm đầu cuối của một baseline xác định với những bộ thu base và bộ thu đích trong một khoảng thời gian ngắn. Tiến trình này thường gọi là khởi phát bộ thu. Sau khi ti ến trình khởi phát kết thúc, bộ thu đích có thể di chuyển đến những điểm được quan sát.Với phương pháp này, bộ thu sử dụng những tham số ambiguity được xác định suốt sự khởi phát để xác định tọa độ của những điểm mới. Một số nguyên chu kỳ duy trì không đổi suốt thời gian, ngay cả khi bộ thu đang chuyển động, miễn là không có trượt chu kỳ nào xảy ra. Nói cách khác, cần thiết phải giữ bộ thu luôn luôn “on” suốt thời gian và có ít nhất bốn vệ tinh được theo dấu vết tại bất cứ thời điểm nào. Một phương pháp khởi phát khác gọi là antenna swap, phương pháp này có thể được sử dụng khi mà không có baseline nào đã được xác định sẵn dùng trong khu vực dự án. Dr.Ben Remondi phát minh phương pháp này năm 1986, dựa trên hoạt động trao đổi anten giữa bộ thu nền và bộ thu đích trong khi đang quan sát tối thiểu 4 vệ tinh. Cả hai phương thức: dùng baseline đã được xác định và phương thức anten swap đều thích hợp dùng trong chế độ postprocessing. Những phương pháp này thích h ợp đối với những ứng dụng phi thời gian thực, trong phương pháp này, dữ liệu được tập hợp lại trong vùng và được xử lý vào một thời gian khác. Tuy nhiên, định vị RTK đòi hỏi những tham số ambiguity nguyên được xác định trong khi bộ thu đang chuyển động hoặc on the fly. Phân tích tham số ambiguity on the fly thường được gọi là on-the-fly ambiguity resolution; khác biệt so với những kỹ GPS the global positioning system 86 dhspkt-hcm-2009 thuật ambiguity-resolution đã được đề cập trước đó với một sự nhận thức rằng hoạt động khởi phát giá tr ị ban đầu được thực hiện trong vùng, sử dụng những khoảng thời gian quan sát ngắn. Liên quan đến độ cao của những vệ tinh GPS, khối hình học bộ thu-vệ tinh thay đổi rất chậm chạp theo thời gian. Do đó, dữ liệu quan sát trong m ột khoảng thời gian ngắn có thể gây ra vài khó khăn khi giải quyết những tham số ambiguity. May mắn, có một vài kỹ thuật tiên tiến đã được phát triển nhằm khắc phục giới hạn này. 7.1 Phương pháp antenna swap: Antenna swap là phương pháp được sử dụng để xác định nhanh và đáng tin cậy những tham số ambiguity ban đầu trong chế độ postprocessing. Phương pháp này được sử dụng chủ yếu trong những bộ thu đơn tần, mặc dù cũng có thể sử dụng trong những bộ thu song tần. Thủ tục khởi phát với phương pháp antenna swap bắt đầu bằng việc thiết lập bộ thu nền tại một điểm đã xác định trong khi thi ết lập bộ thu đích trong vòng vài mét xung quanh đó (Hình 42). Sau khoảng thời gian 1 phút, dữ liệu GPS tức thời được tập hợp lại từ cả hai bộ thu. Thông thường, tốc độ dữ liệu cao vào khoảng từ 1 đến 2 giây. Sau khi dữ liệu đã được tập hợp, hai anten (k ết nối với hai bộ thu GPS) trao đổi với nhau. Thực hiện điều này mà không cần thay đổi chiều cao anten gốc. Điều cần quan tâm là ph ải liên tục quan sát bốn, tốt nhất là năm vệ tinh. Với thiết lập mới này, trong khoảng thời gian 1 phút khác, dữ liệu tức thời GPS, cũng với tốc độ như trước, được tập hợp lại từ cả hai bộ thu.Sau đó, hai bộ thu được trả lại thiết lập ban đầu, kết thúc bằng những thủ tục khởi phát ban đầu. GPS the global positioning system 87 dhspkt-hcm-2009 Hình 42: Phương pháp antenna swap Một khi hoạt động khởi phát đã xong, bộ thu nền phải được giữ nguyên trạng thái tĩnh tại một điểm đã được xác định trong khi bộ thu đích di chuyển qua lại giữa những điểm được quan sát. Sau khi đã hoàn thành xong nh ững công việc này, dữ liệu được download vào trong phần mềm xử lý của máy tính, mà trước tiên là sử dụng dữ liệu khởi phát ban đầu để xác định những tham số ambiguity ban đầu.Một khi đã được xác định, phần mềm sẽ sử dụng những tham số này nhằm xác định những tọa độ của các điểm quan sát với độ chính xác là centimet. Nh ận thấy rằng, một khoảng thời gian quan sát ng ắn hơn sẽ là đủ để khởi phát giá tr ị ban đầu cho bộ thu. 7.2 On-the-fly ambiguity resolution: OTF ambiguity resolution là một kỹ thuật tiên tiến mới được phát triển gần đây nhằm mô tả những tham số ambiguity nguyên ban đầu cùng với sự khởi phát động (khởi phát trong khi bộ thu đích đang di chuyển). Kỹ thuật này có thể áp dụng đối với dữ liệu đơn tần hoặc song tần. Tuy nhiên, phân tích ambiguity với dữ liệu song tần thì nhanh và đáng tin cậy hơn so với dữ liệu đơn tần. Chủ yếu, phương pháp này được sử dụng trong những hoạt động thời gian thực, nhưng không chỉ là giới hạn trong hoạt động này mà còn áp dụng trong nhi ều hoạt động khác nữa. GPS the global positioning system 88 dhspkt-hcm-2009 Trong vài năm qua, một số kỹ thuật OTF đã được phát triển. Những số liệu đo đạc từ bộ thu được kết hợp dùng phương pháp sai phân bội; sau đó thực hiện điều chỉnh ban đầu, ví dụ như là least square hoặc kỹ thuật lọc Kalman. Kết quả từ hoạt động điều chỉnh ban đầu là vị trí bộ thu đích lúc ban đầu cùng với những tham số ambiguity (giá trị thực) và những giá trị không xác định của tham số, hoặc gọi là ma trận covariance. Ma trận covariance được trình bày về phương diện hình h ọc để định hình m ột vùng,gọi là vùng tin cậy (confidence region), xung quanh đó là những tham số ambiguity giá trị thực đã được xác định. Kích thước của một vùng tin cậy phụ thuộc vào kích thước của những tham số không xác định của những tham ambiguity cũng như là khả năng có thể xảy ra được sử dụng.Gía trị không xác định và/hoặc mức độ khả năng có thể xảy ra càng lớn, kích thước của một vùng tin cậy sẽ càng lớn. Vùng tin cậy có hình dạng là hình ellipse nếu số lượng những tham số đã xác định là hai và là m ột hình ellipsoid nếu số lượng những tham số đã xác định là ba. Nếu số lượng những tham số được xác định nhiều hơn ba, xét trong trường hợp nếu số lượng các vệ tinh nhi ều hơn bốn,vùng tin cậy sẽ là một hình hyperellipsoid (hình bên d ưới). Nói chung, vùng tin cậy với hình dạng là hyperellipsoid được định hình xung quanh những tham số ambiguity giá trị thực đã được xác định. Một hình hyperellipsoid như vậy mang những tham số nguyên ambiguity phù hợp với một khả năng nào đó. Ví dụ, với khả năng có thể xảy ra là 99%, giá tr ị này được sử dụng để vẽ hyperellipsoid, ý nghĩa là có đến 99% khả năng rằng những tham số ambiguity nguyên thực sự được định vị bên trong hình hyperellipsoid này. Khi mà chúng ta có thu ận lợi là biết được rằng GPS the global positioning system 89 dhspkt-hcm-2009 những tham số ambiguity phải là số nguyên,chúng ta có thể vẽ những gridline (về mặt toán học) mà giao nhau tại những giá trị nguyên bên trong hyperellipsoid. Nếu như khoảng không gian lưới được lựa chọn bằng với một chu kỳ sóng mang, vậy thì những tham số nguyên ambiguity thích hợp sẽ được xác định bởi một trong những điểm giao nhau. ( Hình 43) Hình 43:kỹ thuật OTF ambiguity resolution Sau đó, sử dụng hyperellipsoid để tìm kiếm những giá trị nguyên thích hợp của những tham số ambiguity (đó là tất cả những điểm bên trong vùng tin cậy với những giá trị nguyên). Dựa trên kết quả đánh giá thông qua th ống kê, chỉ có duy nhất một điểm được lựa chọn là điểm có khả năng nhất trở thành tham s ố ambiguity nguyên. Một khi những ambiguity được phân tích một cách chính xác, thực hiện điều chỉnh cuối cùng để đạt được những tọa độ đích với độ chính xác là centimet. Với kỹ thuật OTF, mặc dù được thiết kế chủ yếu để phân tích những tham số ambiguity trong thời gian thực,ngoài ra nó còn có thể được sử dụng trong chế độ thời gian phi thực. GPS the global positioning system 90 dhspkt-hcm-2009 B. Hệ Thống Thông Tin Địa Lí GIS: I. Giới thiệu về GIS: Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin được hình thành vào những năm 1960 và phát triển rất rộng rãi trong 10 năm lại đây. GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân... đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu đầu vào. Xét dưới góc độ hệ thống, thì GIS có thể được hiểu như một hệ thống gồm các thành phần: con người, phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu và quy trình-kiến thức chuyên gia, nơi tập hợp các quy định, quy phạm, tiêu chuẩn, định hướng, chủ trương ứng dụng của nhà quản lý, các kiến thức chuyên ngành và các kiến thức về công nghệ thông tin. Khi xây dựng một hệ thống GIS ta phải quyết định xem GIS sẽ được xây dựng theo mô hình ứng dụng nào, lộ trình và phương thức tổ chức thực hiện nào. Dựa trên cơ sở đó người ta mới quyết định xem GIS định xây dựng sẽ phải đảm đương các chức năng trợ giúp quyết định gì và cũng từ đó mới có thể có các quyết định về nội dung, cấu trúc các hợp phần còn lại của hệ thống cũng như cơ cấu tài chính cần đầu tư cho việc hình thành và phát triển hệ thống GIS. Với một xã hội có sự tham gia của người dân và quá trình quản lý thì sự đóng góp tri thức từ phía cộng đồng đang ngày càng trở nên quan trọng và càng ngày càng có vai trò. II. Ứng dụng Theo cách tiếp cận truyền thống, GIS là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên Trái đất. Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích không gian. Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh GPS the global positioning system 91 dhspkt-hcm-2009 vực khác nhau Việc áp dụng công nghệ thông tin trong lĩnh vực dữ liệu không gian đã tiến những bước dài: từ hỗ trợ lập bản đồ sang hệ thống thông tin địa lý (GIS). Cho đến nay cùng với việc tích hợp các khái niệm của công nghệ thông tin như hướng đối tượng, GIS đang có bước chuyển từ cách tiếp cận cơ sở dữ liệu sang hướng tri thức .Hệ thống thông tin địa lý là hệ thống quản lý, phân tích và hiển thị tri thức địa lý, tri thức này được thể hiện qua các tập thông tin: Ø Các bản đồ: giao diện trực tuyến với dữ liệu địa lý để tra cứu, trình bày kết quả và sử dụng như là một nền thao tác với thế giới thực. Ø Các tập thông tin địa lý: thông tin địa lý dạng file và dạng cơ sở dữ liệu gồm các yếu tố, mạng lưới, topology, địa hình, thuộc tính như thời tiết ,thiên tai … Ø Các mô hình xử lý: tập hợp các quy trình xử lý để phân tích tự động. Ø Các mô hình dữ liệu: GIS cung cấp công cụ mạnh hơn là một cơ sở dữ liệu thông thường bao gồm quy tắc và sự toàn vẹn giống như các hệ thông tin khác. Lược đồ, quy tắc và sự toàn vẹn của dữ liệu địa lý đóng vai trò quan trọng. Ø Metadata: hay tài liệu miêu tả dữ liệu, cho phép người sử dụng tổ chức, tìm hiểu và truy nhập được tới tri thức về địa lý địa lý. Tiếp cận hệ thống GIS dưới hình thức: 1. Cơ sở dữ liệu địa lý (Geodatabase - theo cách gọi củaESRI): GIS là một cơ sở dữ liệu không gian chuyển tải thông tin địa lý theo mô hình dữ liệu GIS (yếu tố, topology, mạng lưới, raster,...) 2. 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. 3. 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. Tuỳ thuộc vào nhu cầu của các người sử dụng mà hệ thống có thể phải tích hợp thông tin ở nhiều mức khác nhau, nói đúng hơn, là ở các tỷ lệ khác GPS the global positioning system 92 dhspkt-hcm-2009 nhau, nói cách khác là tuỳ thuộc vào các định hướng do cơ sở tri thức đưa ra. III. Mô hình hệ thống GIS: v có thể khái quát hệ thống GIS như sau: Ø Dữ liêu vào: dữ liệu được nhập từ các nguồn khác nhau như chuyển đổi giữa các cách biểu diễn dữ liệu, máy quét, hình ảnh từ vệ tinh, ảnh chụp… Ø Quản lý dữ liệu: sau khi dữ liệu được thu thập và tổng hợp, GIS cần cung cấp các thiết bị có thể lưu và bảo trì dữ liệu nhằm đảm bảo: bảo mật số liệu, tích hợp số liệu, lọc và đánh giá số liệu, khả năng duy trì. GIS lưu thông tin thế giới thực thành các tầng dữ liệu riêng biệt, các tầng này đặt trong cùng một hệ trục toạ độ và chúng có khả năng liên kết với nhau. Ø Xử lý dữ liệu: các thao tác xử lý dữ liệu được thực hiện để tạo ra thông tin. Nó giúp cho người sử dụng quyết định cần làm tiếp công việc gì. Kết quả của xử lý dữ liệu là tạo ra các ảnh, báo cáo và bản đồ. Ø Phân tích và mô hình: số liệu tổng hợp và chuyển đổi chỉ là một phần của GIS. Những yêu cầu tiếp theo là khả năng giải mã và phân tích về mặt định tính và định lượng thông tin đã thu thập. Ø Dữ liệu ra: một trong các phương diện công nghệ GIS là sự thay đổi của các phương pháp khác nhau trong đó thông tin có thể hiển thị khi nó được xử lý bằng GIS. Các phương pháp truyền thống là bảng và đồ thị có thể cung cấp bằng các bản đồ và ảnh 3 chiều. Quản lý dự liệu Dự liệu vào Dự lieu Xử lý dự liệu Phân tích và mô hình GPS the global positioning system 93 dhspkt-hcm-2009 III.1.Các thành phần GIS GIS bao gồm 5 thành phần: hình iii.1: các thành phần của GIS: Ø Con người Ø Dữ lieu Ø Phương pháp phân tích Ø Phần mềm Ø Phần cứng Các thành phần này kết hợp với nhau nhằm tự động quản lý và phân phối thông tin thông qua biểu diễn địa lý. III.1.1. Con người Con người là thành phần quan trọng nhất, là nhân tố thưc hiện các thao tác điều hành sự hoạt động của hệ thống GIS. Người dùng GIS là những người sử dụng các phần mềm GIS để giải quyết các bài toán không gian theo mục đích của họ. Họ thường là những người được đào tạo tốt về lĩnh vực GIS hay là các chuyên gia. Người xây dựng bản đồ: sử dụng các lớp bản đồ được lấy từ nhiều nguồn khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu. Người xuất bản: sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dưới nhiều định dạng xuất khác nhau. Người phân tích: giải quyết các vấn đề như tìm kiếm, xác định vị trí… Người xây dựng dữ liệu: là những người chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng các cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL… Người quản trị CSDL: quản lý CSDL GIS và đảm bảo hệ thống vận hành tốt. GPS the global positioning system 94 dhspkt-hcm-2009 Người thiết kế CSDL: xây dựng các mô hình dữ liệu lôgic và vật lý. Người phát triển: xây dựng hoặc cải tạo các phần mềm GIS để đáp ứng các nhu cầu cụ thể. III.1.2 Dữ liệu Một cách tổng quát, người ta chia dữ liệu trong GIS thành 2 loại: · Dữ liệu không gian (spatial) cho ta biết kích thước vật lý và vị trí địa lý của các đối tượng trên bề mặt trái đất. · Dữ liệu thuộc tính (non-spatial) là các dữ liệu ở dạng văn bản cho ta biết thêm thông tin thuộc tính của đối tượng. III.1.3. Phần cứng Là các máy tính điện tử: PC, mini Computer, MainFrame … là các thiết bị mạng cần thiết khi triển khai GIS trên môi trường mạng. GIS cũng đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt cho việc nhập và xuất dữ liệu như: máy số hoá (digitizer), máy vẽ (plotter), máy quét (scanner)… III.1.4. Phần mềm Hệ thống phần mềm GIS rất đa dạng. Mỗi công ty xây dựng GIS đều có hệ phần mềm riêng của mình. Tuy nhiên, có một dạng phần mềm mà các công ty phải xây dựng là hệ quản trị CSDL địa lý. Dạng phần mềm này nhằm mục đích nâng cao khả năng cho các phần mềm CSDL thương mại trong việc: sao lưu dữ liệu, định nghĩa bảng, quản lý các giao dịch do đó ta có thể lưu các dữ liệu đồ địa lý dưới dạng các đối tượng hình học trực tiếp trong các cột của bảng quan hệ và nhiều công việc khác. III.2.Chức năng GIS Một hệ GIS phải đảm bảo được 6 chức năng cơ bản sau: · Capture: thu thập dữ liệu. Dữ liệu có thể lấy từ rất nhiều nguồn, có thể là bản đồ giấy, ảnh chụp, bản đồ số… · Store: lưu trữ. Dữ liệu có thể được lưu dưới dạng vector hay raster. · Query: truy vấn (tìm kiếm). Người dùng có thể truy vấn thông tin đồ hoạ hiển thị trên bản đồ. · Analyze: phân tích. Đây là chức năng hộ trợ việc ra quyết định của người dùng. Xác định những tình huống có thể xảy ra khi bản đồ có sự thay đổi. · Display: hiển thị. Hiển thị bản đồ. · Output: xuất dữ liệu. Hỗ trợ việc kết xuất dữ liệu bản đồ dưới nhiều định dạng: giấy in, Web, ảnh, file… GPS the global positioning system 95 dhspkt-hcm-2009 III.2.1. Thu thập dữ liệu: Thu thập dữ liệu là quá trình thu nhận dữ liệu theo khuân mẫu được áp dụng cho GIS. Mức độ đơn giản nhất của thu thập dữ liệu là chuyển đổi khuân dạng mẫu có sẵn từ bên ngoài. Trong trường hợp này, GIS phải có các tiện ích để hiểu được các khuân dạng mẫu dữ liệu chuẩn khác nhau để trao đổi. GIS còn phải có khả năng nhập các ảnh bản đồ. Trong thực tế, nhiều kỹ thuật trắc địa được áp dụng để thu thập dữ liệu thô, bao gồm thu thập dữ liệu về bề mặt trái đất như địa hình, địa chất học và thảm thực vật nhờ trắc địa đo đặc hay ảnh chụp từ vệ tinh, máy bay. Các dữ liệu như kinh tế - xã hội thu thập từ điều tra phỏng vấn hay chuyển đổi từ các bài tư liệu viết. Bản đồ vẽ bằng tay trên giấy phải được số hoá sang dạng raster. Việc sử dụng ảnh vệ tinh hay ảnh chụp từ máy bay được xem là nguồn dữ liệu quan trọng khi nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và đo vẽ bản đồ địa hình. Đa số nguồn gốc thông tin không gian là các bản đồ in hay bản đồ dưới khuôn mẫu tương tự. Để các dữ liệu này được sử dụng trong GIS thì chúng cần được số hoá. Ở mức thủ công thì chỉ có thể số hoá các đặc trưng bản đồ và nhập thuộc tính mô tả các đặc trưng đó. Còn ở mức tự động hoá cao hơn là số hoá bản đồ bằng máy quét ảnh để phát sinh ảnh số bản đồ đầy đủ. Đầu ra của máy quét là ma trận của các giá trị điểm ảnh 2D, có thể được sử dụng cho công việc vector hoá để tạo ra bản đồ mã GPS the global positioning system 96 dhspkt-hcm-2009 hoá dữ liệu, kiểm chứng và sửa lỗi để có được dữ liệu phù hợp. Nói chung, công việc thu thập dữ liệu hay “làm dữ liệu bản đồ” là nhiệm vụ khó khăn và là quan trọng nhất khi xây dựng các ứng dụng GIS. Quá trình thu thập dữ liệu luôn gắn liền với quá trình xử lý dữ liệu. Chúng ta có ba mô hình quan niệm của thông tin không gian là: mô hình hướng đối tượng, mạng và bề mặt. Quá trình phân tích trên cơ sở các cách nhìn khác nhau đòi hỏi dữ liệu phải được biểu diễn và tổ chức cho phù hợp. Vì vậy cần cung cấp phương tiện cho người sử dụng GIS thay đổi cấu trúc dữ liệu để thích nghi với các yêu cầu khác nhau. Điều này đòi hỏi cần phải có các chức năng thay đổi cách biểu diễn, thay đổi phân lớp, làm đơn giản hoá hay tổng quát hoá dữ liệu, biến đổi giữa hệ thống trục toạ độ khác nhau và biến đổi các phép chiếu bản đồ. Các thao tác này được xem là tiền phân tích không gian. Mức độ xử lý dữ liệu thô khác nhau phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng GIS. Một số công cụ phân tích của GIS phụ thuộc chặt chẽ vào các mô hình dữ liệu raster, do đó nó đòi hỏi quá trình biến đổi mô hình dữ liệu vector sang dữ liệu raster, quá trình này được gọi là raster hoá. Một số công cụ phân tích khác lại làm việc chủ yếu với mô hình vector, nên đòi hỏi quá trình biến đổi ngược từ raster sang vector, hay còn gọi là vector hoá. Raster hoá là quá trình phân tích đường (line) hay miền (polygon) thành các điểm ảnh (pixel). Ngược lại, vector hoá là quá trình tập hợp các điểm ảnh để tạo thành đường hay miền. Dữ liệu ban đầu của ta thông thường là dưới dạng raster nên nếu dữ liệu không có cấu trúc tốt thì việc nhận dạng mẫu sẽ rất phức tạp. Khi so sánh dữ liệu từ các nguồn khác nhau, vấn đề thường nảy sinh là sử dụng hai hay nhiều phân lớp để mã hoá cho cùng hiện tượng. Để nhận ra các khía cạnh khác nhau của hiện tượng với mức độ chi tiết khác nhau, cần phải có tiến trình xấp xỉ hoá để biển đổi về cùng một phân lớp. Trong việc tích hợp dữ liệu bản đồ, vấn đề nảy sinh là hệ thống toạ độ của chúng được đo, vẽ trên cơ sở nhiều phép chiếu bản đồ khác nhau. Các dữ liệu này không thể tích hợp trên cùng bản đồ nếu không biển đổi chúng về cùng một hệ trục toạ độ. III.2.2 Lưu trữ và truy cập dữ liệu: Lưu trữ dữ liệu liên quan đến tạo lập CSDL không gian (đồ hoạ, bản đồ). Nội dung GPS the global positioning system 97 dhspkt-hcm-2009 của CSDL này có thể bao gồm tổ hợp dữ liệu vector hoặc/và dữ liệu raster, dữ liệu thuộc tính để nhận diện hiện tượng tham chiếu không gian. Thông thường dữ liệu thuộc tính của GIS trên cơ sở đối tượng được lưu trong bảng, chúng chứa khoá chính là một chỉ danh duy nhất tương ứng với đối tượng không gian, kèm theo nhiều mục dữ liệu thuộc tính khác. Chỉ danh đối tượng không gian duy nhất được dùng để liên kết giữa dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian tương ứng. Trong bảng thuộc tính cũng có thể bao gồm cả giá trị không gian như độ dài đường, diện tích vùng mà chúng đã được dẫn xuất từ biểu diễn dữ liệu hình học. Với dữ liệu raster thì các tệp thuộc tính thông thường chứa dữ liệu liên quan đến lớp hiện tượng tự nhiên thay cho các đối tượng rời rạc. Việc lựa chọn mô hình raster hay mô hinh vector để tổ chức dữ liệu không gian được thực hiện khi thu thập dữ liệu vì mỗi mô hình tương ứng với các tiếp cận khác nhau. Thông thường CSDL GIS cho khả năng quản trị cả hai mô hình không gian nói trên, khi xây dựng CSDL không gian thì nhất thiết phải liên kết bảng dữ liệu liên quan đến hiện tượng tương ứng. Theo thuật ngữ của hệ quản trị CSDL thì các mô hình vector và raster được xem như những thí dụ của mô hình quan niệm. Chúng mô tả các quan niệm liên quan đến ứng dụng thế giới thực được biểu diễn trong CSDL. Các mô hình quan niệm được mô tả theo nhiều cấp bậc trừu tượng, trong đó các mô hình vector và raster là ở mức trừu tượng thấp nhất. Chúng gần với biểu diễn dữ liệu máy tính hơn các mô hình trên cơ sở dữ liệu đối tượng, mạng và bề mặt. Khái niệm mô hình dữ liệu lôgic được sử dụng để đề cập đến cách mà DBMS tổ chức mô hình quan niệm thành tệp, bản ghi, chỉ số. Ngày nay, công nghệ CSDL truyền thống không còn thích hợp với việc quản lý dữ liệu địa lý. Một số hệ GIS được sử dụng rộng rãi đã xây dựng CSDL trên cơ sở tổ hợp mô hình quan hệ quản lý thuộc tính phi hình học và lựợc đồ chuyên dụng, phi quan hệ để lưu trữ, xử lý dữ liệu không gian. Một vài GIS khác đã lợi dụng các phương tiện của lược đồ lưu trữ CSDL quan hệ để quản lý cả hai loại dữ liệu hình học và phi hình học. Phương tiện truy nhập trong CSDL GIS bao gồm cả phương tiện có sẵn của CSDL quan hệ chuẩn và khả năng xây dựng câu hỏi truy vấn để tìm thông tin mà giá trị của chúng bằng hoặc nằm trong khoảng xác định. Đặc tính đặc biệt theo vị trí đối với hệ toạ độ nào đó và theo các quan hệ không gian. Do nhu cầu khai thác thông tin trên CSDL không gian thường bao gồm phương pháp chỉ số không gian đặc biệt. Câu hỏi không gian thường là tìm ra đối tượng nằm trong hay trên các biên của cửa sổ hình chữ nhật. Khai thác dữ liệu trên cơ sở vị trí hay quan hệ không gian được xem như là nền tảng của thâm nhập CSDL GIS. GPS the global positioning system 98 dhspkt-hcm-2009 IV . CƠ SỞ DỮ LIỆU: Hệ thống thong tin địa lý GIS sử dụng cơ sở dữ liệu địa lý làm dữ liệu cho mình. Ø Tập hợp dữ liệu dạng vector. Ø Tập hợp dữ liệu dạng rester. Ø Tập hợp dữ liệu dạng mạng lưới. Ø Tập hợp dữ liệu điạ hình 3 chiều và bề mặt khác. Ø Dữ liệu đo đạc. Ø Dữ liệu dạng địa chỉ. Ø Các bảng dữ liệu là thành phần quan trọng của cơ sỏ dữ liệu không gian , được liên kết với các thành phần đồ hoạ với nhiều liên kết khác nhau. Về khía cạnh công nghệ, hình thể vị trí không gian của các đối tượng cần quản lý được miêu tả bằng dữ liệu đồ hoạ. Trong khi đó tính chất các đối tượng duo95 miêu tả bằng các dữ liệu dạng thuộc tính. Mô hình cơ sở dữ liệu dạng không gian không những quy định mô hình dữ liệu với các đối tượng đồ hoạ, đối tượng thuộc tính mà còn quy định lien kết giữa chúng thông qua mô hình quan hệ và định nghĩa hướng đối tượng bao gồm các tính chất như kế thừa, đóng gói và đa hình. Ngoài ra, cơ sở dữ liệu không gian hiện đại còn bao gồm những ràng buộc trong cơ sở dữ liệu các đối tượng đồ hoạ trong cơ sở dữ liệu và được gọi là topology. Việc lập bản đồ và phân tích địa lý không phải là kỹ thuật mới, nhưng GIS thực thi các công việc này tốt hơn và nhanh hơn các phương pháp cũ. Trước khi công nghệ GIS ra đời thì rất ít người có những khả năng cần thiết để sử dụng thông tin địa lý giúp ích cho việc giải quyết vấn đề và đưa ra các quyết định. GIS hiện đại có nhiều công cụ phân tích hiệu quả trong đó có hai công cụ quan trọng đặc biệt là phân tích liền kề và phân tích chồng xếp. nhóm này tạo nên ứng dụng quan trọng đối với nhiều ứng dụng mang tính phân tích. Quá trính chồng xếp sử dụng một số bản đồ để sinh ra thông tin mới và các đối tượng mới. việc phân tích chồng xếp mất khá nhiều thời gian và phụ thuộc vào nhóm các ứng dụng có GPS the global positioning system 99 dhspkt-hcm-2009 tính chất sâu, hay khi hệ thống được khai thác ở mức độ cao cho từng vùng cụ thể với tỷ lệ phù hợp yêu cầu. Chồng xếp là quá trình tích hợp các lớp thông tin khác nhau. Các thao tác phân tích đòi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải được liên kết vật lý. Sự chồng xếp này, hay liên kết không gian, có thể là sự kết hợp dữ liệu về đất, độ dốc, thảm thực vật hoặc sở hữu đất với định giá thuế. Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng được hiển thị tốt nhất dưới dạng bản đồ hoặc biểu đồ. Bản đồ khá hiệu quả trong lưu giữ và trao đổi thông tin địa lý. GIS cung cấp nhiều công cụ mới để mở rộng tính nghệ thuật và khoa học của ngành bản đồ. Bản đồ hiển thị có thể được kết hợp với các bản báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và những dữ liệu khác Nhờ khả năng xử lý các tập hợp dữ liệu lớn từ các cơ sở dữ liệu phức tạp, nên GIS thích hợp với các nhiệm vụ quản lý tài nguyên môi trường. Các mô hình phức tạp cũng có thể dễ dàng cập nhật thông tin nhờ sử dụng GIS. Các mô hình dữ liệu GIS: có 3 mô hình Ø Mô hìn dữ liệu dạng vector. Ø Mô hình dữ liệu dạng rester. Ø Mô hình dữ liệu dạng TIN. 1. Mô hình dạng vector: Mô hình dữ liệu vector xem các sự vật, hiện tượng là tập các thực thể không gian cơ sở và tổ hợp của chúng. Trong mô hình 2D thì các thực thể cơ sở bao gồm: điểm (point), đường (line), vùng (polygon). Các thực thể sở đẳng được hình thành trên cở sở các vector hay toạ độ của các điểm trong một hệ trục toạ độ nào đó. Loại thực thể cơ sở được sử dụng phụ thuộc vào tỷ lệ quan sát hay mức độ khái quát. Với bản đồ có tỷ lệ nhỏ thì thành phố được biểu diễn bằng điểm (point), đường đi, sông ngòi được biểu diễn bằng đường (line). Khi tỷ lệ thay đổi kéo theo sự thay đổi về thực thể biểu diễn. Thành phố lúc này sẽ được biểu diễn bởi vùng có đường ranh giới. Khi tỷ lệ lớn hơn, thành phố có thể được biểu diễn bởi tập các thực thể tạo nên các đối tượng nhà cửa, đường sá, các trình tiện ích,… Nói chung mô hình dữ liệu vector sử dụng các đoạn thẳng hay các điểm rời rạc để nhận biết các vị trí của thế giới thực. GPS the global positioning system 100 dhspkt-hcm-2009 Trong mô hình vector người ta trừu tượng hoá các sự vật hiện tượng và gọi chúng là các feature (như phần đĩnh nghĩa ở mục 2.1). Các feature được biểu diễn bằng các đối tượng hình học: point, line, polygon. Các biểu diễn này áp dụng cho những đối tượng đơn có hình dạng và đường bao cụ thể. Hình 3.1: bản đồ mô hình dạng vector. CÁC PHÉP TOÁN PHÂN TÍCH KHÔNG GIAN MÔ HÌNH VECTOR: GIS cung cấp rất nhiều phép toán phân tích không gian trên mô hình dữ liệu vector. Các phép toán này dựa trên cơ sở so sánh lôgic tập các đối tượng này với tập đối tượng khác. 1.Buffer . Cho trước một đối tượng và một giá trị khoảng cách, phép toán buffer sẽ tạo ra một vùng đệm là một polygon bao phủ xung quanh tất cả các điểm mà khoảng cách từ chúng đến đối tượng nhỏ hơn hoặc bằng khoảng cách đề ra. 2.Difference. Cho trước hai đối tượng giao nhau là đối tượng cơ sở và đối tượng so sánh. Phép toán difference sẽ tạo ra một đối tượng mới trong đó giữ nguyên phần của đối tượng cơ sở không nằm trong đối tượng so sánh. GPS the global positioning system 101 dhspkt-hcm-2009 3.Clip. Cho trước một đối tượng và một hình chữ nhật. Phép toán clip sẽ tạo ra một đối tượng mới bằng cách cắt đối tượng đầu vào theo hình chữ nhât 4.Intersect. Cho trước hai đối tượng. Phép toán intersect sẽ tạo ra một đối tượng mới chính là phần giao giữa hai đối tượng. 5.Convex hull. Cho trước một đối tượng, phép toán convex hull sẽ tạo ra một đối tượng mới là một polygon bằng cách nối tất cả các điểm ở biên của đối tượng đó. Nói cách khác, đây là polygon nhỏ nhất bao kín đối tượng. GPS the global positioning system 102 dhspkt-hcm-2009 6.Symmetric difference. Phép toán symmetric difference sẽ tiến hành so sánh vị trí hai đối tượng và tạo ra một đối tượng mới từ hai đối tượng ban đầu và bỏ đi phần giao giữa chúng. 7.Cut. Cho một đường cong và một đối tượng, phép toán cut sẽ tách đối tượng này thành hai phần nửa phải và nửa trái theo hướng của đường cong. Point và multipoint không được áp dụng. Line và polygon phải cắt đường cong. 8.Union. Phép toán này tiến hành so sánh vị trí tương đối của hai đối tượng và trả về một đối tượng trên cơ sở hợp hai đối tượng ban đầu. GPS the global positioning system 103 dhspkt-hcm-2009 2.Mô hình dạng rester: Mô hình raster biểu diễn các đặc trưng địa lý bằng các điểm ảnh (pixel). Dữ liệu raster gắn liền với dữ liệu dạng ảnh hoặc dữ liệu có tính liên tục cao. Dữ liệu raster có thể biểu diễn được rất nhiều các đối tượng từ hình ảnh bề mặt đất đến ảnh chụp từ vệ tinh, ảnh quét và ảnh chụp. Định dạng dữ liệu raster rất đơn giản nhưng hỗ trợ rất nhiều kiểu dữ liệu khác nhau. Hình 2: Bản đồ với mô hình dữ liệu dạng rester. 2.1. Nguồn dữ liệu raster: Ảnh chụp từ vệ tinh, ảnh chụp từ máy bay, ảnh quét, ảnh chụp. Trong đó ảnh chụp từ vệ tinh là cách lấy dữ liệu tốn kém nhất nhưng lại có ý nghĩa to lớn trong việc nghiên cứu tình hình biến đổi của các sự vật trên trái đất theo thời gian. Ảnh chụp từ máy bay giúp ta vẽ bản đồ một cách chi tiết. Ngoài ra ta còn raster còn có thể được tạo ra bằng cách chuyển đổi từ nhiều nguồn dữ liệu khác như vector hay TIN. hình 2.1: biến đổi dữ lieu dạng rester. 2.2. Các thành phần dữ liệu : Raster được tạo nên bởi một mảng 2 chiều các điểm ảnh hay cell. Cell là một đơn vị đồng nhất biểu diễn một vùng xác định trên trái đất. Các cell đều có cùng kích thước. Gốc toạ độ của hệ được đặt tại cell nằm tại đỉnh góc trái. Mỗi cell được xác định bởi chỉ số dòng và chỉ số cột, đồng thời nó chứa một số GPS the global positioning system 104 dhspkt-hcm-2009 nguyên (hoặc số thực) biểu diễn kiểu hay giá trị thuộc tính xuất hiện trên bản đồ. Hình 2.2 Mảng cell và bảng thuộc tính. Kích thước của cell trong raster phụ thuộc nhiều vào độ phân giải dữ liệu. Giá trị của cell sẽ định nghĩa các nhóm, lớp tại vị trí của cell. Cell tại những điểm có cùng một giá trị xác định một vùng, miền. Các cell trong cùng một miền không cần phải liên kết với nhau. Khi một số nguyên được chỉ định cho một tập các cell, thì số nguyên này có thể là mã phân biệt giữa các nhóm cell. Điều này tạo nên một quan hệ một - nhiều giữa mã và các cell có cùng giá trị. Ví dụ các cell có giá trị là 400 được gán mã là 4, các cell có giá trị 500 được gán mã là 5. Mã này có thể xuất hiện nhiều lần trong raster, nhưng chỉ xuất hiện một lần trong bảng giá trị thuộc tính (hình vẽ). Bảng này lưu các giá trị thuộc tính cho mã, điều này giúp việc cập nhật đơn giản hơn. Một thay đổi nhỏ của giá trị thuộc tính sẽ làm thay đổi cách thể hiện của hàng trăm đối tượng trên bản đồ. Mỗi cell trong một raster đều có một giá trị: Ø Nominal (biến tên): một giá trị thuộc kiểu dữ liệu nominal sẽ xác định một thực thể từ một thực thể khác. Những giá trị này được phân loại để tạo thành các nhóm. Trong mỗi nhóm, thực thể địa lý sẽ liên kết với cell tại vị trí của cell đó. Nominal được dùng trong rất nhiều kiểu mã như mã sử dụng đất, kiểu đất trồng. Ø Ordinal (biến thứ tự): một giá trị thuộc dữ liệu ordinal sẽ xác định vị trí của một thực thể so với các thực thể khác như thực thể được đặt ở vị trí thứ nhất, thứ hai, hoặc thứ ba. Nhưng các giá trị này không thiết lập tỷ lệ tương quan giữa các thực thể. Chúng ta không thể suy luận được thực thể này lớn hơn, cao hơn hay nặng hơn thực thể khác bao nhiêu. GPS the global positioning system 105 dhspkt-hcm-2009 Ø Interval (biến thời gian): một giá trị thuộc dữ liệu interval biểu diễn một phép đo trên một tỷ lệ như thời gian trong ngày. Những giá trị này nằm trên một tỷ lệ xác định và không liên hệ với một điểm thực nào. Ø Ratio (biến tỷ lệ): một giá trị thuộc kiểu ratio có thể biểu diễn một phép đo trên một tỷ lệ với một điểm cố định và mang ý nghĩa. 2.2. Các ưu và nhược điểm của mô hình raster: Ưu điểm lớn nhất của mô hình raster là toàn bộ dữ liệu hình thành bản đồ được lưu trong bộ nhớ máy tính. Do vậy, các thao tác kiểu như so sánh được thực hiện dễ dàng. Tuy nhiên nó sẽ gặp bất lợi cho việc biểu diễn đường, điểm vì mỗi đối tượng này là tập các cell trong mảng. Đường thẳng có thể bị đứt đoạn hay rộng hơn so với hình ảnh thực. Khó khăn lớn nhất khi xử lý dữ liệu raster là vấn đề “tế bào trộn”. Thí dụ, ta có một bản đồ là vùng ven của một hồ nước nó là hình ảnh bao gồm nước và cỏ ven bờ. Khi biểu diễn chúng trên bản đồ, sẽ gặp khó khăn trong việc quyết định gán từng cell cho lớp ‘nước’ hay lớp ‘cỏ’. Các hệ GIS thường sử dụng phương pháp thoả hiệp: gán thuộc tính ‘sườn’ cho các tế bào thuộc loại này, nghĩa là chung không thuộc lớp nước và cũng không thuộc lớp cỏ. Sau này tuỳ thuộc vào ứng dụng thực tế mà xác định quy luật gán giá trị lại cho chúng. Một vấn đề khác mà mô hình gặp phải đó chính là việc lưu trữ dữ liệu. Ta biết rằng bản đồ chia ra làm nhiều lớp, mỗi một lớp gồm hàng triệu tế bào biểu diễn một đặc trưng địa lý nào đó. Trung bình một ảnh vệ tinh phủ khoảng 30.000km2 với kích thước của mỗi điểm ảnh là 30m thì có khoảng 35 triệu tế bào. Vì thế có thể nói rằng số lượng dữ liệu cần lưu trữ là khổng lồ, điều này dẫn đến nhiều khó khăn cho hệ thống thông tin. Vấn đề đặt ra là cần phải nén dữ liệu nhờ một số thuật toán thích hợp. Mỗi thuật toán có những ưu điểm riêng: thuật toán bảo toàn dữ liệu cho khả năng khôi phục toàn bộ dữ liệu gốc tuy nhiên tốn về không gian nhớ, thuật toán tối ưu về dung lượng lưu trữ thì có thể mất mát thông tin so với lúc ban đầu. 3.Mô hình dạng TIN: Các ứng dụng mô hình hoá địa hình đòi hỏi phương pháp biểu diễn độ cao so với bề mặt nước biển. Có rất nhiều mô hình biểu diễn bề mặt thực hiện công việc này, trong đó mô hình “lưới tam giác không đều” - gọi tắt là mô hình TIN được đánh giá là hiệu quả nhất. GPS the global positioning system 106 dhspkt-hcm-2009 hình 3: bản đồ với mô hình dữ liệu dạng TIN. TIN có khả năng biểu diễn bề mặt liên tục từ những tập hợp điểm rời rạc. Về mặt hình học, TIN là tập các điểm được nối với nhau thành các tam giác. Các tam giác này hình thành nên bề mặt 3 chiều. Các điểm được lưu trữ cùng với giá trị gốc chiếu của chúng. Các điểm này không cần phải phân bố theo một khuân mẫu nào và mật độ phân bố cũng có thể thay đổi ở các vùng khác nhau. Một điểm bất kỳ thuộc vùng biểu diễn sẽ nằm trên đỉnh, cạnh hoặc trong một tam giác của lưới tam giác. Nếu một điểm không phải là đỉnh thì giá trị hình chiếu của nó có được từ phép nội suy tuyến tính (của hai điểm khác nếu điểm này nằm trên cạnh hoặc của ba điểm nếu điểm này nằm trong tam giác). Vì thế mô hình TIN là mô hình tuyến tính trong không gian 3 chiều có thể được hình dung như sự kết nối đơn giản của một tập hợp các tam giác. Ta có thể lưu trữ sơ đồ của TIN bằng danh sách liên kết đôi hoặc cấu trúc tứ phân. Cả hai phương pháp này đều mô tả cấu trúc hình học tô pô của bản đồ chia nhỏ. Sự mô tả này chấp nhận tất cả các thao tác duyệt cần thiết để đạt hiệu quả. GPS the global positioning system 107 dhspkt-hcm-2009 hình 3.1: mô hình cấu trúc mạng TIN. Đường đi này được lưu vào không gian nhớ trong đó mỗi tam giác t, cạnh e và đỉnh v sẽ cố một bản ghi mô tả đặc trưng của chúng. Bản ghi của tam giác t có 3 trường con trỏ. Các con trỏ này trỏ đến các bản ghi của các cạnh gắn liền với t. Bản ghi mô tả cạnh e có 4 trường con trỏ, trong đó 2 con trỏ trỏ đến hai tam giác gắn liền với nó còn hai con trỏ khác trỏ đến hai đỉnh tạo nên nó. Bản ghi của đỉnh v có ba trường lưu giá trị, đó là toạ độ x, y và giá trị hình chiếu của nó. 3.1.Các thành phần của TIN Mô hình TIN có thể biểu diễn: point, line, polygon. hình 3.1: biểu diễn TIN từ cad đối tượng cơ bản. Breaklines:là các đoạn thẳng nối với nhau mà ở đó bề mặt của địa hình có sự thay đổi đột ngột. Exclusion area: biểu diễn các bề mặt có cùng độ cao. Project boundary: có thể tách bề mặt ra ngoài một vùng nào đó. Việc này rất quan trọng trong tính toán giá trị. 3.2.Phương pháp xây dựng TIN từ một tập các điểm Bước 1: thu thập các điểm cùng với toạ độ x, y, z của chúng bằng các thiết bị chụp, hệ thống GPS… Thu thập các đường breakline biểu diễn khu vực mà hình dạng bề mặt thay đổi đột ngột. Xác định các miền có cùng độ cao so với mặt nước biển gọi là Exclusion area. Bước 2: từ các dữ liệu về điểm và đường trên, phần mềm GIS sẽ tạo ra một mạng các tam giác tối ưu nhất, tức là các tam giác trong mạng càng đều càng tốt. Bước 3: mỗi tam giác ta coi là một bề mặt với độ dốc xác định. GPS the global positioning system 108 dhspkt-hcm-2009 Theo cách xây dựng này, ta có thể tính toán được độ cao (so với mặt biển) tại một điểm có toạ độ x, y bất kỳ bằng cách xác định vị trí tam giác đầu tiên sau đó nội suy theo chiều cao của nó. Mô hình TIN rất hiệu quả trong xây dựng bề mặt. Mật độ của điểm trên bề mặt tỷ lệ với độ biến đổi của địa hình. Những bề mặt bằng phẳng tương ứng với mật độ điểm thấp và những địa hình đồi núi có mật độ điểm cao. 3.3.Phương pháp xây dựng TIN từ các đối tượng hình học cơ bản Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu cách xây dựng TIN từ point, breakline, và polygon. GPS the global positioning system 109 dhspkt-hcm-2009 v Hiển thị bề mặt trong TIN: Có nhiều cách để mô tả trực quan bề mặt trong TIN và Ta có thể ứng dụng TIN trên bản đồ 2 chiều trong đó ta dùng mầu sắc để thể hiện: độ cao, độ dốc, hướng. Để hiển thị 3 chiều, ta dùng các phần mềm hộ trợ như ArcInfor của ESRI. Phần mềm cho phép ta nhìn các bề mặt ở nhiều góc nhìn khác nhau với các hình ảnh, đường mức được gấp thành các nếp. B. ỨNG DỤNG: I. Ứng dụng GPS trong điều hướng phương tiện giao thông : Khi di chuyển qua những khu vực không quen thuộc, những người điều khiển phương tiện giao thông thường sử dụng bản đồ để tìm đường đi. Tuy nhiên, bên cạnh việc thiếu hiệu quả ,tìm kiếm đích đến sử dụng một bản đồ giấy thì không an toàn, đặc biệt trong điều kiện giao thông đông đúc. Một kỹ thuật mới, kết hợp GPS với bản đồ số và một hệ thống tính toán, đã phát tri ển để mà việc tìm đường đi điện tử hóa, chỉ cần chạm vào nút bấm.(Hình 44) GPS the global positioning system 110 dhspkt-hcm-2009 Hình 44: GPS dùng trong h ệ thống điều hướng xe ô tô. Vai trò của GPS trong công nghệ này là mô tả liên tục vị trí của phương tiện. Trong những khu vực bị che khuất, như là những con hẽm trong thành th ị hoặc là đường hầm, GPS được hỗ trợ bởi một hệ thống mặt đất như là hệ thống DR để khắc phục tình trạng cô lập tín hiệu này. DR là hệ thống sử dụng đồng hồ đo của phương tiện kết hợp với những gia tốc kế, la bàn, và cảm biến gyro để mô tả hướng của phướng tiện và khoảng cách đã di chuyển. Hệ thống này chỉ chính xác qua một khoảng thời gian ngắn. Vị trí phương tiện đã được xác định bởi GPS hiển thị trên một bản đồ số điện tử mang cơ sở dữ liệu thông tin số như là tên đường và phương hướng, danh sách những địa điểm kinh doanh, sân bay, những địa điểm hấp dẫn và nhiều thông tin có liên quan khác. Một khi người lái xe nhập vào địa chỉ đích đến, hệ thống máy tính sẽ tìm đường đi tốt nhất để tiến đến đích đó. Những thông số khác như là đường đi và thời gian ngắn nhất để đến đích, đường đi một chiều, những chỗ rẽ không được phép, giới hạn giờ cao điểm, tất cả đều được xét đến trong quá trình tìm đường. Một vài hệ thống còn cho phép lái xe nhập vào một số thông số khác như là tránh xa tai n ạn giao thông. Người lái xe thường xuyên lấy những chỉ dẫn liên tục, với những chỉ thị bằng mắt hoặc là âm thanh để có thể đến được đích. Nếu người lái xe bỏ qua một chỗ rẽ, hệ thống sẽ hiển thị thông tin cảnh báo và tìm con đường đi khác thay thế tốt nhất lộ trình trước đó dựa trên vị trí hiện tại của phương tiện. Một vài nhà sản xuất thêm hệ thống cellular vào để cung cấp thông tin thời tiết, giao thông và để định vị phương tiện trong trường hợp khẩn cấp. Sự phát triển gần đây trong công nghệ liên lạc không dây thậm chí giúp cho người lái xe có thể truy cập internet từ xe của họ. II. Hướng dẫn sử dụng MMap (Mobile Map) GPS trong tìm đường : 2.1 Hướng dẫn cài đặt: GPS the global positioning system 111 dhspkt-hcm-2009 Đầu tiên để cài đặt được MMap lên mobile blackberry 88xx (hay những dòng sản phẩm của blackberry có hổ trợ GPS): Ta cần cài đặt Desktop Manager , khi cài đặt xong và kết nối với thiết bị sẽ có giao diện như sao: Để biết được thiết bị đã kết nối với PC hay chưa ta cần xem Device connected (PIN): - Nếu thiết bị đã kết nối với PC thì tại Device connected (PIN): 24A903B1, dòng mã này là do nhà sản xuất qui định, đối với từng máy thì sẽ có số PIN khác nhau. - Khi thiết bị chưa kết nối với PC thì tại Device connected (PIN): None Khi đã kết nối xong ta chọn Application Loader thì trên màn hình PC xu ất hiện hộp thoại Application Loader như sau: GPS the global positioning system 112 dhspkt-hcm-2009 Để bắt đầu cài đặt ứng dụng cho mobile ta click vào Start sẽ xuât hiện hộp thoại Khi chạy xong sẽ hiện ra hộp thoại sau: GPS the global positioning system 113 dhspkt-hcm-2009 Vậy để bắt đầu cài đặt ta chọn nút Browse và chọn chương trình cần cài đặt cho mobile. Với định dạng file ứng dụng dùng cài đặt trong Mobile Blackberry là *.alx, *.ali. khi quá trình cài đặt ứng dụng trên mobile kết thúc thì khi m ở máy có giao diện: 2.2 Cấu hình kết nối GPS trên mobile: GPS the global positioning system 114 dhspkt-hcm-2009 Để cấu hình kết nối GPS ta cần mở chương trình MMap lên và lần lượt làm theo các bước sau: 1. Khi chọn vào thư mục 2. Giao diện khi mở ứng dụng MMap chứa ứng dụng 3. Ta vào Menu chọn công cụ 4. Tiếp tục ta chọn GPS GPS the global positioning system 115 dhspkt-hcm-2009 5. Ta chọn bật GPS. 2.3 khởi động: 1. Bật Menu 2. Chọn GPS App 3. Chọn MMap GPS the global positioning system 116 dhspkt-hcm-2009 2.4 Menu chín: 2.4.1 tìm kiếm: 2.4.2 chọn vị trí này: 9.5 khởi động: Khi chọn chọn vị trí này thì: - Ta có thể lưu lại nơi mà ta yêu thich. - Ta có thể chọn vị trí này là điểm đi hay điểm đến. - Ta cũng có thể nhắn tin, chia sẽ hay tìm xung quanh v ị trí đó… Khi chọn tiềm kiếm nơi đây hổ trợ chúng ta tìm: cây xăng, đường, trường học, bưu điện, công viên …giúp chúng ta tìm nhanh hơn. GPS the global positioning system 117 dhspkt-hcm-2009 Ngoài ra máy có thể kết nối GPS để hiển thị tọa độ điểm ta đang đứng, hay bất kì một vị trí nào trên bản đồ số. Khi ta chọn vào 2 điểm bất kì thì nó sẽ chỉ ta đường đi đến 2 điểm đó. Ví dụ: ta chon 1 điểm tại đinh tiên hoàng và đặt làm điểm bắt đầu, điểm thứ 2 là trường ĐH.SPKT Tp.HCM và đặt là điểm đến thì đường đi được mô tae như hình bên. Khi ta chọn Menu-> chi tiết -> chi tiết lộ trình thì thông tin c ủa đoạn đường ta đi đượnc hiển thị như bản trên. Tổng độ dài là 12115m….ngoài rat a có thể chọn chức năng trình di ễn lộ trình, khi đó mobile sẽ trình diễn lộ trình ta cần đi.