Luận văn Phát triển hệ thống cảnh báo dịch bệnh trên cơ sở công nghệ GIS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỖ VĂN XUÂN PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CẢNH BÁO DỊCH BỆNH TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ GIS LUẬN VĂN THẠC SĨ Thái Nguyên - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỖ VĂN XUÂN PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CẢNH BÁO DỊCH BỆNH TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ GIS Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 35 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn: PGS.TS. ĐẶNG VĂN ĐỨC Thái Nguyên - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS. Đặng Văn Đức đến nay em đã hoàn thành luận văn về đề tài “Giám sát tình hình và cảnh báo xu hƣớng lây lan của dịch bệnh cúm gia cầm”. Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Đặng Văn Đức ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn. Em xin cảm ơn quý thầy cô trong trong khoa Công Nghệ Thông Tin trƣờng Đại học Thái Nguyên, đặc biệt là các quý thầy cô trong viện Công nghệ thông tin Hà Nội đã chỉ dạy cho em những kiến thức hết sức quý báu trong thời gian em học tập. Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Sở NN & PTNN Bắc Giang, Ban lãnh đạo, các anh chị các phòng ban của Chi cục thú y tỉnh Bắc giang đã hết sức nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình nghiên cứu, làm luận văn. Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, tập thể cán bộ giáo viên trƣờng Cao đẳng nghề Bắc Giang, mọi ngƣời trong gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ, khuyến khích và động viên tôi trong suốt quá trình học và làm luận văn. Vì lý do thời gian và vì lƣợng kiến thức thực tế còn hạn chế nên trong luận văn của em chắc chắn không tránh khỏi những khiếm khuyết, mong thầy cô giáo cùng các bạn đóng góp ý kiến để em có thể củng cố kiến thức và chƣơng trình của mình đƣợc hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn! Đỗ Văn Xuân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 TÓM TẮT GIS ra đời và đƣợc phát triển mạnh trong những năm gần đây. Cùng với sự bùng nổ về công nghệ của Internet, GIS cũng đã phát triển công nghệ cho phép chia sẻ thông tin thông qua mạng toàn cầu bằng cách kết hợp GIS và Web hay còn gọi là WebGIS . Bên cạnh đó, xu hƣớng chia sẻ dƣ̃ liệu , phát triển phần mềm trên công nghệ mã nguồn mở cũng đang đƣợc quan tâm ở các nƣớc đang phát triển vì nhiều lợi ích mà nó mang lại . Vì thế , việc nghiên cứu ứng dụng WebGIS trên cơ sở mã nguồn mở sẽ mang lại khả năng chia sẻ thông tin địa lý rộng rãi cho các ngành . Nội dung chính của đề tài là tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý GIS và ứng dụng của chúng; nghiên cứu về WebGIS, khả năng xây dựng ứng dụng WebGIS trên cơ sở mã nguồn mở, trên cơ sở đó ứng dụng xây dựng WebGIS phục vụ công tác “Giám sát tình hình và cảnh báo xu hướng lây lan của dịch bệnh cúm gia cầm”. Kết quả của đề tài đã trình bày các nghiên cứu lý thuyết về WebGIS: phân loại, tìm hiểu các chiến lƣợc phát triển WebGIS, tìm hiểu phần mềm xây dựng WebGIS trên cơ sở mã nguồn mở là MapServer và đã xây dựng ứng dụng WebGIS giám sát tình hình và cảnh báo xu hƣớng lây lan của dịch bệnh cúm gia cầm trên địa bàn Bắc Giang. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................. 3 MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIỆT TẮT ........................................................... 5 MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 7 CHƢƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS 1.1. ĐỊNH NGHĨA GIS ..................................................................................... 11 1.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA GIS [4] ...................................................... 12 1.3. CẤU TRÚC DỮ LỊÊU TRONG GIS .......................................................... 14 1.3.1. Dữ liệu không gian ............................................................................... 14 1.3.2. Dữ liệu phi không gian: ........................................................................ 20 1.4. Chức năng................................................................................................... 22 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍCH HỢP WEB-GIS..........................24 2.1. Giới thiệu WEB: ........................................................................................ 24 2.2. Giới thiệu về WebGIS: .............................................................................. 25 2.3. Chức năng của WebGIS: ............................................................................ 27 2.4. Ứng dụng của WebGIS: .............................................................................. 28 2.5. Giải pháp tích hợp và mô hình kết nối WebGIS: ........................................ 28 2.5.1. Các giải pháp tích hợp WebGIS: ......................................................... 28 2.5.1.1. Nặng phía Server/ nhẹ phía Client: ............................................... 31 2.5.1.2. Nhẹ phía Server/ nặng phía Client. ................................................ 32 2.5.2. Sơ đồ hoạt động của WebGIS .............................................................. 33 2.5.3 . Phần mềm mã nguồn mở MAPSERVER ............................................ 34 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG WEBGIS CẢNH BÁO DỊCH BỆNH CÚM GIA CẦM .............................................................................................................................. 37 3.1. PHÂN TÍCH ............................................................................................... 37 3.1.1. Hiện trạng nhu cầu thông tin: ............................................................... 37 3.1.2. Phân loại thông tin: .............................................................................. 37 3.1.3. Phân tích hệ thống và định hƣớng công nghệ: ...................................... 38 3.2. THIẾT KẾ: ................................................................................................. 39 3.2.1. Thiết kế kiến trúc: ................................................................................ 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 3.2.2. Thiết kế cơ sở dƣ̃ liệu ........................................................................... 40 3.2.2.1. Phân tích: ...................................................................................... 40 3.2.2.2. Thiết kế: ........................................................................................ 42 3.3. THIẾT KẾ QUY TRÌNH ............................................................................ 47 3.3.1. Quy trình sao lƣu và phục hồi dữ liệu. .................................................. 47 3.3.2. Quy trình quản lý (hiệu chỉnh, cập nhật) thông tin bản đồ .................... 50 3.3.3. Quy trình cập nhật thông tin trạng thái hiện tại của bệnh dịch .............. 55 3.3.4. Quy trình cập nhật thông tin quản lý và giám sát phòng chống bệnh .... 58 3.3.5. Quy trình dự báo khả năng lây lan của dịch .......................................... 61 3.3.6. Quy trình hiển thị bản đồ dự báo khả năng lây lan dịch bệnh ............... 64 3.3.7. Quy trình hiển thị bản đồ hiện trạng và tình hình bệnh dịch ................. 66 3.3.8. Quy trình hiển thị bản đồ hiện trạng và tình hình bệnh dịch ................. 68 3.3.9. Quy trình hiển thị bản đồ hiện trạng chăn nuôi. .................................... 70 3.3.10. Quy trình tổng hợp, chiết xuất báo cáo ............................................... 72 3.4. THIẾT KẾ MÔ HÌNH HOẠT DỘNG: ....................................................... 76 3.4.1. Mô hình Public: ................................................................................... 76 3.4.2. Mô hình chức năng quản lý hệ thống:................................................... 77 3.4.2.1. Màn hình đăng nhập hệ thống ....................................................... 77 3.4.2.2. Màn hình chính: ............................................................................ 77 3.4.2.3. Màn hình các đơn vị hành chính huyện/ Thị xã: ............................ 79 3.4.2.4. Màn hình danh sách các loại gia cầm: .......................................... 80 3.4.2.5. Màn hình bản đồ hiện trạng dịch bệnh: ......................................... 81 3.4.2.6. Màn hình nhập thông tin chi tiết tình trạng chăn nuôi ................... 82 3.5. CÀI ĐẶT, THƢ̉ NGHIỆM ......................................................................... 84 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 85 1. Các kết quả đạt đƣợc: .................................................................................... 85 2. Hƣớng phát triển của đề tài. ........................................................................... 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO: .................................................................................... 86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIỆT TẮT GIS: Geographic Information System - Hệ thông tin địa lý. ESRI : Environmental System Research Institute DBMS: Data Base Manager System – Hệ quản trị cơ sở dữ liệu. GUI: Graphical User Interface - Giao diện đồ hoạ ngƣời sử dụng. CSDL: Cơ sở dữ liệu. WWW: World Wide Web - mạng toàn cầu. HTML: HyperText Markup Language - Ngôn ngữ siêu văn bản. HTTP: HyperText Transfer Protocol - Giao thức truyền siêu văn bản. CGC: Cúm gia cầm DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống tin địa lý (ESRI) ..................................................................... 11 Hình 1.2: Các thành phần GIS ............................................................................... 13 Hình I.4: Biểu diễn bản đồ véctơ [2] ...................................................................... 16 Hình 1.5: Số liệu Véctơ đƣợc biểu thị dƣới dạng điểm (Point) [4] ......................... 16 Hình 1.6: Số liệu Véctơ đƣợc biểu thị dƣới dạng Arc ............................................ 17 Hình 1.7: Số liệu Véctơ đƣợc biểu thị dƣới dạng vùng (Polygon) [4]..................... 18 Hình 1.8: Mô hình dữ liệu Raster........................................................................... 19 Hình 1.9: Tổ chức cơ sở dữ liệu không gian Raster................................................ 20 Hình 1.10: Quan hệ giữa các nhóm chức năng trong GIS....................................... 23 Hình 2.1: Kiến trúc Web ........................................................................................ 24 Hình 2.2: Kiến trúc Web một máy chủ .................................................................. 25 Hình 2.3: Cấu trúc của WWW thiết kế theo mô hình Client/Server ....................... 26 Hình 2.4: Mô hình Client/Server nhiều lớp của tất cả các dịch vụ DGI .................. 27 Hình 2.5: Mô hình kết nối nặng phía Server/nhẹ phía Client .................................. 31 Hình 2.6. Mô hình kết nối nặng phía Client/ nhẹ phía Server ................................. 32 Hình 2.7: Sơ đồ hoạt động của WebGIS ................................................................ 33 Hình 2.8. Sơ đồ hoạt động của MapServer ............................................................. 35 Hình 3.1: Mô hình hệ thống ................................................................................... 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Phân bổ công việc trên hệ thống khách/chủ (client/server)..................... 29 Bảng 3.1: Lớp dữ liệu không gian .......................................................................... 42 Bảng 3.2. Thông tin tỉnh ........................................................................................ 43 Bảng 3.3. Danh sách các huyện (quận). ................................................................. 43 Bảng 3.4. Danh sách các xã ................................................................................... 44 Bảng 3.5. Danh sách các thôn ................................................................................ 44 Bảng 3.6. Danh sách ngƣời sử dụng hệ thống ........................................................ 44 Bảng 3.7. Danh mục các loại gia cầm .................................................................... 45 Bảng 3.8. Tình trạng chăn nuôi gia cầm ................................................................. 45 Bảng 3.9. Tình trạng biến động đàn gia cầm .......................................................... 45 Bảng 3.10. Theo dõi dịch bệnh .............................................................................. 46 Bảng 3.11. Theo dõi chi tiết diễn biến dịch bệnh ................................................... 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề: Trận dịch cúm gia cầm xảy ra cuối năm 2003, đầu năm 2004 đã để lại tổn thất nặng nề cho nền kinh tế không chỉ nƣớc ta mà còn các nƣớc trong khu vực. Dịch cúm gây ra thiệt hại trực tiếp cho ngƣời chăn nuôi, làm mất cân đối về cung và cầu thực phẩm trên thị trƣờng, ảnh hƣởng đến ngƣời tiêu dùng. Không những thế, dịch cúm gia cầm còn gây ảnh hƣởng xấu đến sức khoẻ cộng đồng, đến môi trƣờng sống và trong một số trƣờng hợp dẫn đến thiệt hại nhân mạng. Từ đó đến nay, dịch cúm gia cầm đã tái xuất hiện nhiều lần, tiếp tục đe doạ sự ổn định của kinh tế-xã hội của nhiều nƣớc trên thế giới và đang có nguy cơ trở thành đại dịch cúm của con ngƣời trong phạm vi toàn cầu. Hiện nay, khi xảy ra dịch cúm, các cấp quản lý ở địa phƣơng cũng nhƣ ở trung ƣơng rất thiếu thốn thông tin cần thiết và tức thời cho việc đánh giá tình hình hiện trạng, mức độ nguy hiểm đang tiềm ẩn để có biện pháp xử lý, phòng và chống kịp thời. Ngoài việc chƣa có đƣợc một hệ thống tổ chức điều tra, thu thập thông tin hoàn chỉnh, chúng ta còn thiếu cả phƣơng tiện lƣu trữ, xử lý thông tin. Kết quả điều tra từ các địa phƣơng gửi lên các cơ quan quản lý cấp trên thông qua FAX, bƣu kiện hoặc điện thoại đều đƣợc lƣu trữ dƣới dạng giấy phiếu xếp thành chồng, làm cho việc phân tích, tổng hợp thông tin khó khăn, chậm chạp, không đáp ứng đƣợc yêu cầu của công tác theo dõi, giám sát tình hình dịch cúm và ra quyết định phòng chống. Nói cách khác, có thông tin, mất thời gian, sức ngƣời, sức của để thu thập thông tin, nhƣng hiệu quả khai thác thông tin còn thấp. Đây là hệ quả của việc thiếu một hệ thống thông tin hiện đại để lƣu trữ các loại thông tin điều tra thu thập đƣợc, xử lý chúng một cách nhanh chóng, kịp thời và trong nhiều trƣờng hợp có thể đƣa ra những ý kiến tƣ vấn cho các nhà quản lý. Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographical Information System) đã đƣợc khá nhiều ngƣời quan tâm muốn tìm hiểu và ngày càng nhiều các tổ chức kinh tế xã hội ứng dụng trong công tác nghiên cứu khoa học và sản xuất. Công nghệ GIS đã và đang thâm nhập nhƣ một nhu cầu tất yếu vào hầu hết các ngành cũng nhƣ các địa phƣơng ở Việt Nam. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 Thông tin GIS cung cấp cho ngƣời sử dụng hƣớng thay đổi của dữ liệu trong một lãnh thổ theo thời gian, đồng thời xác định những gì có thể xảy ra khi có sự thay đổi dữ liệu đó. Nói cách khác GIS cung cấp cho ngƣời sử dụng những mô hình khác nhau của sự thay đổi. Dữ liệu bản đồ là thành phần chính trong cơ sở dữ liệu của GIS. Các bản đồ gắn chặt với thế giới thực và luôn đƣợc bổ sung những thông tin mới. Nền tảng của thông tin hình học trong GIS là bản đồ đã đƣợc số hoá ở dạng nào đó để có thể thực hiện từ những phép tính đơn giản nhƣ: đo đạt diện tích, chu vi, chiều dài, vị trí ... đến những phép tính phức tạp nhƣ: mở rộng diện tích, xác định giao của nhiều vùng diện tích ... là những bài toán khá phổ biến trong quản lý và nghiên cứu khoa học. Không nhƣ các CSDL thông thƣờng, GIS rất trực quan, thuận tiện và cùng một lúc cung cấp cho ngƣời sử dụng nhiều thông tin một cách tổng hợp. Ví dụ một nhà đầu tƣ cần thông tin để lựa chọn điạ điểm xây dựng một khách sạn hay một cửa hàng tại một huyện nào đó, trên màn hình là bản đồ của huyện với mật độ dân cƣ từng khu vực đƣợc thể hiện bằng các màu khác nhau, nhà đầu tƣ chỉ việc chọn một khu vực có mật độ dân cƣ cao và bấm “con chuột” vào điểm đó, trên màn hình sẽ hiện lên các thông số về: số dân, thành phần dân, địa lý, địa chất, khí tƣợng thuỷ văn, ... của khu vực cần tìm. Các phần mềm GIS cố gắng áp dụng tối đa công nghệ GIS để có thể tạo ra hệ tự động lập bản đồ và phƣơng tiện xử lý dữ liệu thông minh, nhƣ hệ chuyên gia,.. Trƣớc những diễn biến ngày càng phức tạp về tình hình dịch bệnh trên đàn vật nuôi trong tỉnh; việc phải có một công cụ quản lý các hoạt động trong lĩnh vực thú y trên địa bàn để có thể đáp ứng nhu cầu thông tin nhanh chóng, chính xác từ đó có những tham mƣu kịp thời cho các cấp chính quyền địa phƣơng là việc làm rất cần thiết. Việc quản lý các đối tƣợng này sẽ rất trực quan và hiệu quả nếu đƣợc xây dựng trên nền công nghệ thông tin địa lý (GIS). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 Nhận thấy những tiện ích của GIS, em lựa chọn và thực hiện đề tài “Phát triển hệ thống cảnh báo dịch bệnh trên cơ sở công nghệ GIS ” Nhằm khắc phục những hạn chế và đáp ứng các yêu cầu trên. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu các kỹ thuật liên quan đến phát triển hệ thống GIS (Geographical Information System) trên nền Web. - Phát triển ứng dụng GIS với khả năng cảnh báo dịch bệnh tại địa phƣơng cấp tỉnh/thành phố. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Mô hình dữ liệu không gian: Dữ liệu véctơ và dữ liệu raster - Mô hình hệ thống GIS véctơ: Kiến trúc kết nối GIS và Web - Khảo sát thu thập dữ liệu bản đồ, dữ liệu một loại dịch bệnh tại cấp tỉnh/thành phố. - Xây dựng thử nghiệm chƣơng trình demo Hệ thống thông tin tích hợp Web- GIS trên cơ sở mã nguồn mở, với khả năng cảnh báo dịch bệnh. 4. Phạm vi nghiên cứu - Về giới hạn địa lý: Nghiên cứu và xây dựng hệ thống thông tin quản lý và hỗ trợ dự báo dịch bệnh dịch cúm gia cầm từ thôn, xóm lên xã, huyện và tỉnh dựa theo sơ đồ giám sát dịch bệnh hiện tại trong lĩnh vực nông nghiệp và y tế. - Về công nghệ: Sử dụng công nghệ mã nguồn mở vì: + Tính an toàn cao. + Tính ổn định và đáng tin cậy. + Giảm phụ thuộc vào nhà cung cấp. + Không hạn chế quyền sử dụng. + Tiết kiệm chi phí trực tiếp. + Tận dụng đƣợc các ý tƣởng của cộng đồng. + Tuân thủ các chuẩn công nghệ chung của thế giới. - Về phần mềm: Sử dụng phần mềm MapServer để xây dựng WebGIS: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 + Phần mềm cho phép tạo ra các bản đồ động và trình bày dữ liệu không gian trên web + Đây là phần mềm đƣợc viết trên công nghệ mã nguồn mở. 5. Bố cục của luận văn: Mở đầu: Giới thiệu khái quát về hệ thống thông tin địa lý và nhu cầu cấp bách của việc cảnh báo dịch bệnh dịch cúm gia cầm.. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của đề tài Chƣơng I: Khái quát về hệ thống thông tin địa lý GIS Tổng quan các kiến thức cơ bản của Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System (GIS), dữ liệu, cơ sở dữ liệu, cơ sở dữ liệu không gian. Tiếp cận đến số hóa bản đồ trên cơ sở dữ liệu nền. Các mô hình cơ sở dữ liệu (mô hình vector, mô hình raster), cơ sở dữ liệu địa lý. Các phép toán đại số quan hệ, các phép toán không gian. Tổng quan các ứng dụng của GIS trong các ngành khoa học liên quan. Chƣơng II: Nghiên cứu giải pháp tích hợp Web-GIS Tìm hiểu về WEB-GIS, chức năng, ứng dụng và các giải pháp tích hợp và mô hình kết nối Web-GIS Chƣơng III