Xây dựng hệ thống khai thác trực tuyến cơ sở dữ liệu địa lý

Hình 1.1 Thế giới thực gồm nhiều bản đồ đia lý khác nhau biếu diễn các lớp dữ liêu liên quart Như vậy, hệ thống GIS là một trong nhiều loại hệ thống thông tin trên máy tính.. Bởi vì các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ

NGUYỄN SƠN HẢI

XÂY DỤNG HỆ THỐNG KHAI THÁC TRựC TUYẾN

M ỤC LỤ C

L ờ i m ở đ ẩ u 1

Chương I: Giới thiệu Tổng quan về hệ thỏng tin địa lý 1.1 Khái niệm về G IS 3

1.2 Giới thiệu các loại hệ thống G IS 5

1.3 C ác thành phần của hệ thống G IS 5

1.4 Các mô hình dữ liệu không gian chù yếu dùng trong các hệ thống GIS 1.4.1 Mô hình raster 6

1.4.2 Mỏ hình véctơ 10

1.5 Quan hệ dữ liệu bản đồ véctơ và dữ liệu phi hình học 13

Chương II : Ba mô hình khai thác cơ sở dữ liệu địa lý trên mạng Intranet, thực tiễn việt nam và mỏ hình phù hợp II 1 Đặt vấn đề 16

11.2 Giải pháp phát triển ứng dụng DGI- Ba mô hình khai thác cơ sờ dữ liệu địa lý trên mạng Intranet 17

11.3 Các thí dụ cài đặt ứng dụng cho các mô hình 20

11.4 L ự a c h ọ n m ô hình khai th á c phù hợp với thực tiễn Việt N am 2 4 Chương n i: Khái quát về ƯM L, phân tích thiết kế hệ thống MapOnỉine bằng ngòn ngữ UML n u Giới thiệu ƯML 26

UI.2 Mô hình khái niệm của UM L 28

111.2.1 Phần tử mỏ hình trong UML 28

111.2.2 Sơ đồ U M L 32

111.2.3 Các quv tắc của ƯML 40

III.2.4 Các cơ chế chung trong U M L 41III.3 Kiến trúc hệ thống 42ni.3.1 Use case view 4 3IÏÏ.3.2 Quan sát thiết kế (losical view ) 43III.3.3 Ọuan sát cài đặt (implementation view ) 44

n i.3.4 Quan sát triển khai (deployment view ) 4 4111.3.5 Quan sát tiến trình 45111.3.6 Cần bao nhiêu quan sát 45

m 4 Phàn tích, thiết kế hệ thóna khai thác trực tuyến cơ sờ dữ liệu địa

lý MapOnline bằng naỏn naữ ƯM L 46III.4.1 Các tác nhàn chính 47ra.4.2 Các trường hợp sử dụng (use case) 48

n i.4 3 Tác nhàn HT_DieuKhienYC và tác nhàn

HT_Qly_NSD 61

Chương 4: Hệ thống khai thác trực tuyến cơ sờ dữ liệu địa lý MapOnline và

các chức nâng chính

IV 1 Giới thiệu chung vể hệ thống VlapOnline 70

Yêu cầu cấu hình phần cứng, mòi trường của hồ thống

MapOnỉine 7 ỉNguyên tắc hoạt động của hệ thống 72

L Ờ I M Ở ĐẦU

Vài năm gần đây, việc ứng dụng các hệ thòng tin địa lý (Geographical Information System — GIS) đã gia tăng nhanh chóng GIS là hệ thống trợ giúp bằng máy tính để quản trị thỏns tin tham chiếu địa lý hay nói cách khác nó là hệ thống trợ aiúp quyết định không gian và có khả năn® liên kết mò tả vị trí với các đặc trưng cùa hiện tượng xảy ra tại nơi đó

Đã có nhiều phần mem GIS thương mại, từ các hệ thống GIS và hệ thống lập bản

đổ bằng máy tính chuyên nahiệp đến các trình duyệt bản đổ đơn giản Tuy nhiên, nuười sử dụng các hệ thốna này bị giới hạn về lãnh thổ địa lý sử dụna, vì phần lớn chúng làm việc trên các máy tính đơn lẻ

Trong những năm gần đây, các hệ thống các máy tính nối mạng Internet đã nổi bật lên nhờ sức mạnh tiềm tàng thống trị liên lạc toàn cầu và thực tế nó đã trờ thành một phần không tách rời trong đời sống xã hội làm tăng hiệu quả những cách thức mà con người sử dụng để có được thông tin khòng gian, sử dụng và chia xẻ chúng theo

k h u ô n mẫu k h á c n h a u d ễ h iể u c h o n g ư ờ i s ừ d ụ n g Trong b ố i c ả n h đ ó , c á c h ệ th ố n g

GIS phát triển trên môi trường mạng Internet cũng đã xuất hiện, nó đã được phát triển và ứng dụng rất rộng rãi ở các nước phát triển Tuy nhiên các hệ thống này cũns còn khá mới mẻ và ứng đụng rất hạn chế ờ Việt Nam, một phần nguyên nhân

c ù a v ấ n đ ề n à y c ũ n g là d o h ạ tầ n g c ơ s ờ th ò n g tin ờ n ư ớ c ta c ò n c h ư a đ ù m ạ n h đ ê c ó

thể đáp ứng được yêu cầu khai thác của các hệ thòng tin địa lý

Luận văn sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu về một số mô hình cho việc khai thác trực tuyến dữ liệu thông tin địa lý, thực hiện thiết kế, xảy dựng một hệ thống khai thác trực tuyến dữ liệu thỏna tin địa lý theo mò hình phù hợp với thực tiễn Việt Nam

Nhiệm vụ chính của luận ván là:

Nshièn cứu kháo sát các vấn đề cơ bản cúa hệ GIS

2

-Nghiên cứu khảo sát các kỹ thuật tích hợp GIS với Web, dựa trẽn các mô hình tính toán khách/chủ cơ bản đê’ đưa ra các mò hình hệ thống để quản lý, khai thác trực tuvến dữ liệu trong hệ thống GIS

Dùng ngôn ngữ mỏ hình hóa thống nhất (Unified Modelling Language — UML)

để phàn tích, thiết kế và sau đó dùng ngỏn ngữ lập trình Visual c+ + để xây dựng một hệ thống khai thác trực tuyến cơ sờ dữ liệu địa lý theo mô hình phù hợp với thực tiễn Việt Nam

Nội dung của toàn bộ luận văn được chia thành bốn chương chính:

Lời mờ đầu

Chương I : Giới thiệu tổng quan về hệ thông tin địa lý

Chương n : Ba mô hình tích hợp GIS với Intranet, thực tiễn Việt Nam và mò hình

phù hợp

Chương III : Thiết kế hệ thống khai thác CSDL địa lý trên Internet

Khái quát về UML, phàn tích, thiết kế hệ thống khai thác trực tuyến cơ

sờ dữ 1 iệu địa lý bằng ngôn ngữ U M L

Chương IV : Hệ thống khai thác trực tuyến cơ sở dữ liệu địa lý MapOnline và các

chức năng chính

Kết luận

Phần cuối là phần giới thiệu tài liệu tham khảo

-3 -

Chương I

G IỚ I TH IỆU TỔNG QUAN VỂ HỆ THÔNG TIN ĐỊA L Ý

Tronc chương này, luận văn sỗ trình bày các nội dung sau:

s Khái niệm về GIS

'S Cúc thành phán của hệ thốn 2 G IS

s Giới thiệu các loại hệ thons GIS

s Các mỏ hình đữ liệu không gian chủ yếu đùna trona các hệ thốna GIS là mò hình raster và mò hình véctơ

s Quan hệ dữ liệu bản đổ véctơ và dữ liệu phi hình học

GỈS là gì?

GIS là một công cụ phàn tích, khòns đơn gián chi là một hệ thống máv tính vẽ bán

đổ mặc dù nó có the tạo nèn các bản đố với các tý lệ khác nhau, các phép chiếu khác nhau và các màu khác nhau Thè lợi chù yếu cùa nó là cho phép nhận biết mối quan

hệ khòng gian siữa các đặc tính của bân đồ

GIS liên kết các dữ liệu khòns 2Ían của các đôi tượng trên bản đồ vói thòna tin thuộc tính của các đối tượng đó, các thông tin thuộc tính của các đối tượng thường là các tính chất, đặc điểm riêng, các đặc trưng địa lv mỏ tả vể đối tượng Thí dụ, một hệ thống đường phố được biếu diễn bời các đoạn thẳng ngoài các dữ liệu mò tả toạ độ các đoạn thẳng để biểu diễn chúng, nó còn có các thuộc tính như tên đường, độ rộng, loại đường GIS cũng sử dụng những thỏng tin lưu trữ để tính toán những thông tin mới vể các đặc trưng cùa bàn đồ, thí dụ như để tính toán độ dài của một đường phố cho trước nào đó

Nhìn vào hình vẽ 1.1 ta thấy từ thế giới thực với nhiéu mục đích khác nhau ta có thè’ tạo nèn các loại bán đổ phù hợp với từng ứng dụng rièng như bàn đổ về thủv lợi, bàn

đổ quàn lý việc sử dụng đát bản đồ hành chính quận, huyện

Đã có nhiéu định nghĩa về GIS được dưa ra, trong đó một định nghĩa thóng dụng nhát là:

Hình 1.1 Thế giới thực gồm nhiều bản đồ đia lý khác nhau

biếu diễn các lớp dữ liêu liên quart

Như vậy, hệ thống GIS là một trong nhiều loại hệ thống thông tin trên máy tính Việc phàn loại các hệ thống thòng tin đã được mô tả như Hình 1.2 Theo định nghĩa GIS

vù theo Hình 1.2 thi GIS có một dái rông các ứng đụng của chúng như các hệ thống thòng tin địa chính, quản ỉý đất dai hệ thống thòng tin kinh tế xã hội .

Cư sờ đữ liệu là các thông tin được trích lọc từ thế giói thực vì vậy bản đồ là nguồn

dữ liệu chủ yếu cho hệ thống GIS

6

-CickỂt quảHình 1.3 Các thành phần cơ bàn của hệ thòng GIS

Mỗi GIS đều có mỏ hình dữ liệu quan niệm riêng để biểu diễn mô hình dữ liệu vật lý duy nhất Hệ thòng tin địa lý cung cấp các phươnỉỉ pháp đê người sử dụng làm theo các mô hình quan niệm.

Với người dùng thì các quan niệm dữ liệu không gian liên quan chặt chẽ với dữ liệu nsuồn để xây dựng nên mò hình không gian trên máy tính Các đơn vị hình học sơ khai được sử dụng để đặc trưng các dữ liệu khòng gian thu thập được Có hai nhóm

mô hình dữ liệu khòng gian chính ta thường gặp trong các hệ thống GIS đó là mỏ

hình dữ liệu véc tơ v à mô hình dữ liệu raster Phương pháp biểu diễn c á c đối tượns địa lý bằng các phần tử đồ họa cơ bản (điếm, đường và đa giác) được gọi là phương pháp véc tơ hay mô hình dữ liệu véc tơ Phương pháp biểu diễn các đối tượng địa lý bằng c á c điểm ảnh được gọi là phương pháp raster hay mỏ hình dữ liệu raster.

ỉ M ò hình dữ liệu raster

Mỏ hình đữ liệu raster (hay còn gọi là

lưới tế bào) hình thành nền cho một số

hệ thông tin địa lý Các hộ thống trẽn

cơ sờ raster hiển thị, định vị và lưu trữ

dữ liệu đồ họa nhờ sử dụng các ma

trận hav lưới tê bào Độ phàn dải dữ

liệu raster phụ thuộc vào kích thước

của tế bào hav điếm ảnh; chúng khác Hình 1.4 Biểu diễn raster

kề nhau, một vùng là tập hợp nhiều tế bào Mỗi đặc trưng là tập tế bào đánh số như nhau (có cùng giá trị) Bản đổ được phàn ra thành nhiều tầng (laver). Mỗi tầng bàn

đồ có thể bao gồm hàng triệu tế bào Trung bình một ảnh vệ tinh Landsat phù 30 000 km2, với kích thước điểm ảnh 30 m thì có khoảng 35 triệu tế bào hay pixel. Để giảm sò' lượng cần lưu trữ ta phải nén dữ liệu nhừ một số thuật toán Có thuủt toán bảo toàn ánh, cho khả nãng khôi phục toàn bộ tập dữ liệu gốc Có thuật toán tối ưu được dung lirợng lưu trữ nhưng lại mất mát thông tin ban đầu Sau đây là trình bày tóm tắt cơ chế nén cho khá năng phục đđy đủ thông tin Phương pháp nàv được gọi ià phưcmg pháp mã hoá đỏ dài thay đổi (run length encoding): dữ liệu vào theo từng đôi, số thứ nhát là tổng số byte giống nhau, số thứ hai là giá trị của chúng Thí dụ, lưỡi pixel

00011

00111

00111

01111

sẽ được lưu trữ là 3021203120311041 Như vậy, chì cần 16 chứ không phủi 20 byte

de lưu trữ chúng, ta đã tiết kiệm 20% dung lượng nhớ Tỷ lệ nén của phương pháp này phụ thuộc vào tập dữ liệu ảnh

Hình dạng hình học bao phủ toàn bộ mặt phảng được gọi là 'khảm' (tessellation). Tế bào hình vuông vừa để cập trẽn là một dạna của 'khâm'. Lục giác và tam giác là hai thí dụ khác của 'khảm' mặt phắng (hình 1.6) Khi sử dụng hai loại 'khảm ' này sẽ dẫn

tới bất lợi như sau: không thể chia đệ qui tế bào thành tế bào nhỏ hơn; hệ thống đánh

số phức lạp hơn.

Lợi thè lớn nhất của hệ thống raster là dữ liệu hình thành bủn đồ trong bộ nhớ máv tính Do vậy, các thao tác kiểu như so sánh lưới tế bào được thực hiện đễ dàng Tuy nhièn hệ thống raster sẽ khòng thuận tiện cho việc biểu diễn đường, điểm vì mỗi chúng là tập các tế bào trong lưới Đường thẳng có thê bị đứt đoạn hay rộng hơn Phương pháp raster được hình thành trên cơ sở quan sát 'nền' thế giới thực Quan sát nển là phương pháp tổ chúc thông tin trong hệ thống phân tích ảnh vệ tinh và hệ thống GIS hướng tài nguyồn và mỏi trường

Hình 1.6 'Khảm' mặt phẳngKhó khăn lớn nhất khi xử lý dữ liệu raster là vấn đề “tế bào trộn” Thí đụ trên hình1.7 là vùng rừng ven biển Phần a) của hình này chi bao gồm một loại đó là rừng, nên toàn bộ các tế bào đều thuộc vé một lớp Ta gán giá trị 'R' cho các tế bào lớp này Phần b) của hình có hai loại thuộc tính: rừng và biển Sau khi áp đặt lưới tế bào trẽn bán đồ, ta gặp khó khăn khi quyết định sán từng tế bào cho lớp này hay lớp kia Các

hệ GIS thường sử dụns phương pháp thóa hiệp: gán thuộc tính “sườn” cho các tế bào loại này; có nghĩa rằng chúng khỏng thuộc lớp rừng mà cũng cũng không thuộc lớp biển Sau đó tuy thuộc ứng dụng mà ta xác định quy luật gán lại cho chúng, thí đụ gán tế bùo trộn cho lớp chiếm diện tích lớn nhát trong tế bào

8

-Tébâochửnhàt

mò hình véc tơ, mức độ ỏ nhiễm mòi trường có thể gán trực tiếp cho đối tượng “hồ” Tron5 mô hình raster lại không làm được như vậy Trước hết phải tạo lập tầng bản

đổ cho hổ, mỗi tế bào của chúng được gán giá trị của “hồ” Sau đó tạo tđng bản đồ thứ hai cho các tế bào mang thuộc tính ò nhiẻm Kết quá là CSDL của mỏ hình

raster có thể chứa tới hàng trăm tầng bản đổ

Ưu điểm chính của mô hình này ià đơn giản Lưới là một bộ phận của bản đồ đã được

sử dụng để kiến tạo thông tin địa lý Khi các số liệu đầu vào là các anh vệ tinh hay từ máy quét thì chúng lại có ngay khuòn mẫu lưới, chúng phù hợp cho mô hình dữ liệu này Sử dụng mò hình dữ liệu raster dựa trên cơ sờ lưới thì các phép phàn tích đữ liệu trứ nèn dễ dàng hon Đặc biệt thuận lợi cho các hệ thống GIS nhằm chủ yếu vào việc phàn tích các biến đổi liên tục trẽn bề mặt trái đất để quàn lý tài nsuvẻn thiên nhiên

và môi trường.

Điểm yếu nhất của mô hình dữ liệu raster là phải xử lý khối dữ liệu rất lớn Nếu độ phàn giải của lưới càng thấp thì các thực thè trên bản đồ càng có thể bị mất đi Trườns hợp ngược lại thì phải lưu trữ một khối lượng lớn thỏna tin trong cơ sờ dữ liệu Với kiến trúc này, việc co dần bản đổ, biến đối các phép chiếu, sẽ chiếm rất nhiêu thời gian Việc thiết lập các mạng lưới của các đặc trưns như dường giao thòng, hệ thống thuv lợi rát khó khăn

-

10-Ọua trình bày trên cho thấy mỏ hình dữ liệu raster định hướng vào phùn tích

(iinalvsis), không định hướng cho cơ sở dữ liệu Trong thực tế đã có một số hệ thống

G IS sử dụng mõ hình dữ liệu này song khòng nhiều Hệ thống IDRISI trên máy PC là thí dụ điển hình sử dụns mò hình này

// M ó hình dữ liệu V éc tơ

Mò hình dữ liệu véc tơ dựa trên cơ sờ các véc tơ hay toạ độ của các điểm trong một

hệ trục toạ đệ nào đó Điểm là thành phần sơ cấp của dữ liệu địa lý ở mô hình này Các điểm được nối với nhau bằng đoạn thảng hay các đườns cong để tạo các đối tượng khác nhau như đối tượng đường hay vùng Như vậy, mò hình dữ liệu véc tơ sử dụng các đoạn thẳng hay điểm rời rạc để nhận biết các vị trí của thế giới thực Khác với mỏ hình raster, mô hình dữ liệu véc tơ có thể cho biết “nơi mà mọi thứ xảy ra"

Mỏ hình dữ liệu véc tơ định hướng đến các hệ thống quản trị cơ sờ dữ liệu Chúng có

ưu việt ữong việc lưu trữ số liệu bản đổ bời vì chúna chi lưu các đường biẻn của các đặc trưng, không cần lưu toàn bộ vùng của chúng Bởi vì các thành phần đồ hoạ biểu diễn các đặc trưng của bản đồ liên kết trực tiếp với các thuộc tính của cơ sở dữ liệu, người sử dụng có thể tìm kiếm (quen) và hiển thị các thòng tin từ cơ sở dữ liệu một cách dễ dàng

Hình 1.8 mô tả một cách hình tượng các thực thể của thế giới thực thành các điểm, đường và vùng, để có các đặc trưng quản lý được bằng máy tính Đó là sỏng ngòi, đường biên hành chính, vị ừí của các tiện ích như bệnh viện, trường h ọ c Các thực thè nào được trừu tượng thành các lớp độc lập như lớp đường giao thông, lớp đường biên hành chính, lớp các tiện ích Chi bằng toạ độ của các điểm và các đoạn thảng nói giữa chúng cũng có thể biểu diễn được các thực thể của thế giới thực

I I

-Hình 1.8 Trừu tượng thực thè của th ế giới thực

Mỗi mô hình raster và véc tơ đều có ưu và nhược điểm rièna Tuỳ mục tiêu của từng

hệ thống GIS có thể thiết kế chức năng biến đổi Raster/Véc tơ nếu hệ thống cần biến đổi ảnh vệ tinh sang tệp véc tơ của các đa giác hoặc biến đổi ngược lại đê mò hình hoá thì cần phải thiết kế chức năng này

Với mỏ hình dữ liệu véc tơ cho phép nhiều thao tác hơn trên các đối tượng so vói mỏ hình raster Việc đo diện tích, khoảng cách của các đối được thực hiện bằng các tính toán hình học từ các tọa độ của các đối tượng thay vì việc đêm các tè bào của mô hình raster Rất nhiểu thao tác trong mô hình này chính xác hơn Tương tự với việe tính chu vi của một vùng, tính diện tích trên cơ sờ đa giác trên mặt cầu sẽ chính xác hơn việc đếm các pixel trên bản đồ có các phép chiếu khác nhau Một số thao tác ở

mò hình này thực hiện nhanh hơn như tìm đường đi trong mạng lưới giao thông hay

hệ thống thuỷ lọ i, Một số thao tác khác có chậm hơn như nạp chồng các lớp, các thao tác với vùng đệm

Trong cơ sờ dữ liệu không gian, các thực thể của thế giới thực được biểu diẻn dưới dạns số bằng một kiểu đối tượng khòng gian tương ứng Dựa trèn kích thước không

ojan của đối tượng mà u s National Standard for Digital Cartographic Databases (DCDSTF, 1988) dã chuẩn hoá các loại đối tượng như sau:

0-D Đối tượng có vị trí nhưng khòng có độ dài (đối tưạnơ điểm)

1-D Đối tượns có độ dài (đườns) tạo từ hai hav nhiểu đôi tượntĩ O-D

2-D Đối tượne có độ dài và độ rộns (vùng), được bao quanh bời ít nhát 3 đối tượns đoạn thẳng

3-D Đối tượng có độ dài, độ rộns, chiểu cao hay độ sâu (hình khối) được bọc bởi ít nhất 2 đối tượng 2D

Các đôi tượng tronq cơ sỡ dữ liệu khởns gian là các biểu diẻn thực thể thế giới thực cùng với các thuộc tính liên quan Sức mạnh của các hệ thống GIS là ở chỗ chúng trợ giúp việc tìm kiếm các thực thể trong một ngữ cảnh địa lý và khảo sát các quan hệ giữa chúng Như vậy, cơ sở dữ liệu GIS không chỉ đơn thuần là tập hợp của các đốitượng và các thuộc tính

Các đường IdI Đường sátLoai Đang hoạt độngTrang thái

Để tạo được các thực thể đương giao thòng và các đưn vị hành chính từ các đối tượns điếm và đương như trên Hình 1.9 thì phải tạo lộp topology hay thiết lập cấu trúc dữ liệu topology cho các dữ liệu.

Quan hệ dữ liệu bản đổ véctơ và dữ liệu phỉ hình học

Bán dồ không chì thể hiện các dữ liệu vectơ là các điểm, các đường, các vùng mù chúng còn biểu diễn các dữ liệu phi hình học là các dữ liệu thống kè, các thuộc tính cùa các đối tượng trên bản đồ như tên địa danh, dàn số, diện tích, ảnh của các đơn vị hành chính

Dữ liệu phi hình h ọc

Dữ liệu phi hình học là các dữ liệu thông kẻ, các thuộc tính của các đối tượng trẽn bàn dó chắng hạn tên vùng, sò' dãn một vùns trong năm 1 9 9 6 , Đè thuận tiện cho việc khai thác, các dữ liệu này có thể được chia thành các chủ đề như chù đề vể giáodục, vé dân số, chủ để về y tế

Các dữ liệu phi hình học (thuộc tính tĩnh, thuộc tính động, và các thuộc tính của các tiện ích) được lưu trữ trong nhiều tệp Mỗi một ứng dụng cụ thể sẽ sổm các tệp khác nhau, v ể lý thuvết thì số tệp cũng như số lượng thòng tin lưu trữ trona hệ thống này

là không bị hạn chế Thực tế thì chúng bị hạn chế bời duna lượng đĩa cứna còn trống

Dữ liệu bản đ ồ véc tơ

Để tạo ra được dữ liệu bản đồ véctơ, có thể có các cách sau đây:

Nếu ta đã có sẩn bản đồ giấy, dữ liệu sẽ phải được nhập vào máy tính bằng bàn sốhoá (digitizer) hav máy quét (sacanner) Troníĩ nhiéu trườníĩ hợp cũna sử dụng

“chuột” đê nhập bản đổ là ành bitmap trons máy tính Nếu bản đồ được nhập bằng máy quét thì số liệu này phải được chuyển sang khuòn dạng vectơ vì đầu ra của máy quét là ảnh bitmap

Nếu trong trường hợp chưa có bản đổ giấy hoậc bản đổ định đưa vào quản lý lại khòng có sẵn trong các hệ thống khác thì việc nhập bản đồ số hoá phải thỏng qua hệ thông định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) Đày là mạng lưới sóng điện

từ phù trên toàn bộ mặt trái đất cùa các vệ tinh do bộ quốc phòng Mỹ xày dựng Muốn có dữ liệu toạ độ ở bất cứ vị trí nào trèn bề mặt trái đất, ta đặt thiết bị thu nhận GPS ở vị trí đó Kết quả ta sẽ được toạ độ chính xác theo kinh tuvèh, vĩ tuvến của vị

1 4

-trí đó Để có được hình ảnh, dữ liệu bản đồ trên máv tính sẽ có mỏt hẻ thống có khủ nâng nhập dữ liệu từ GPS để tạo lập các bản đồ véctơ

M ối quan hệ ẹiữư sô liệu phi hình học vả dữ liệu véc tơ

Bàn đồ không chi thể hiện lóp các đối tượng hình học mà mỗi đòi tượng này còn được gắn với một tủp các thuộc tính dữ liệu thống kê khác Mồi đối tượng hình học

có một mã nhận diện (Object ID) dùng để liên kết với một bản ghi trong cơ sờ dữ liệu quan hệ

Các dữ liệu địa lý được tô chức nhờ mô hình quan hệ địa lý và topo Lớp các dùng (Area layer), đường (Line laver), điểm (Point layer) liên kết với các thuộc tính được

mò tả như trèn Hình 1.10 Mò hình này minh họa cách quản lý vị trí, quan hệ không gian của các đặc trưng điểm, đường và đa giác Đồna thời cho phép quản lý hiệu quả các đặc tính của các đặc trưng đó

M ã tinh T ên tinh

1 0 4 H à N ôi ỉ

1 05 H ài Phòng

M ã T oa đô c á c điểm củ a ' đườna đườns

1 1 X I 1 y 1 1 ; x l 2 , y 12 ;

1 1 X 2 1, y 2 1 ; x 2 2 ,y 2 2 ;

M ã đườns?

15

-Dữ liệu bàn đổ dựa theo các đối tượng (điểm, đườns đa giác .) ứng với mỗi đối tượng tươn<i ứns sẽ có sò hiệu riêng đê có thể qui chiếu các dữ liệu phi hình học bao gổm các dữ liệu thống kẻ lưu trữ trong các tệp khác nhau của cơ sờ dữ liệu

đề biểu diễn dữ liệu là quá trình khai thác, mỏ hình hoá với dữ liệu truv nhập từ cơ sờ

dữ liệu, kết hợp biểu diễn các dữ liệu phi hình học trẽn các đối tượns bản đổ giúp người sừ dụng có được cái nhìn trực quan, dễ hiểu nhất

Trong chưcmg này, luận văn sẽ trình bày các vấn đề sau:

s Ba mỏ hình khai thác cơ sở dữ liệu địa lý trên mạng Intranet

'S Nhận xét về các mô hình khai thác, ưu nhược điểm của từng mô hình

s Các thí dụ cài đặt ứng dụng cho các mô hình

s Lựa chọn mỏ hình khai thác phù hợp với thực tiẻn Việt Nam

ỉỉ.l Đặt vấn đề

Mặc đù đã ra đời và tồn tại từ lâu nhưng chỉ từ những nám 1995 mạng máy tính mới phát triển mạnh và thống trị liên lạc toàn cầu Mạng máy tính trờ thành môi trường tốt nhất để phản phát thông tin dưới các khuôn mẫu khác nhau, dễ hiểu tới người sử dụng Mặt khác, từ nhiều năm nay đã có khá nhiéu hệ thông tin địa lý (Geographical Information System - GIS) được xây dựng và đưa vào ứna; dụng tron a thực tế

Vài năm gần đây đã xuất hiện một vài hệ thống GIS với tính năng "trực tuyến” Chúng cho khả năng quản lý, sử dụng và chia xẻ các thỏng tin địa lý Hệ thông tin địa lý phản tán (Distributed Geographic Information - DGI) là khái niệm để cập đến việc con người sử dụng công nghệ mạng máy tính đê thảm nhập thỏng tin địa lý dưới các khuôn mẫu khác nhau, bao gồm bản đồ, biểu đồ, ảnh, các thao tác phàn tích và lộp báo cáo Các ứng dụng DGI có thể là rất đơn giản (bàn đồ vẽ sẵn trong trang Web) nhưng cũng có thể là ứng dụng tích hợp GIS và mạng Intemet/Intranet để

17

-ncười dùng có khà núng chia xẻ dữ liệu chung và liên lạc với nhau trong "thời gian

Các công nghệ để xây dụne ứng dụng DGI bao gồm máy chủ để lưu dữ liệu và chương trình, máy trạm để khai thác dữ liệu và truyền thòns trẽn mạng để điều khiển lưu lượns thông tin giữa máy trạm và máy chù

Dựa trên một số nghiên cứu cơ bản về các vấn đề này, luận vãn sẽ trình bày một vài nhận xét về các phương pháp xây dựng hệ DGI để đề xuất phương pháp áp dụng cho mòi trường ứng đụna cụ thể tại Việt Nam

I I 2 G iả i pháp p h á t triể n ứng dụng D G I

ứng đụng DGI đòi hói máv tính xử lý khá nhiều còng việc như xử lý yêu cầu từ các máy trạm, thực hiện tìm kiếm, các phép phàn tích GIS, phát sinh báo cáo và vẽ nhiều lần bản đồ, biểu dồ kết quả Mô hình tính toán khách/chủ của Web cho phép chia xẻ các tính toán nói trên giữa máy trạm và máv chủ Phụ thuộc vào môi trường hoạt động cụ thê của ứng duns DGI nsười thiết kế phải quyết định tỷ lệ tính toán trên máy trạm và máy chủ sao cho phù hợp Trình duyệt trên máy trạm và trình dịch

vụ trèn máy chủ đều phải thực hiện các tính toán cho các dịch vụ DGI

Mô hình khách/chủ đa tầng của các dịch vụ DGI được mò tả trên hình 2.1 Mô hình trong hình 2.1 là mở rộng của mò hình tính toán khách/chủ cơ sờ

Phía máy trạm có trình duyệt Web, phần mểm thảm nhập mạng theo giao thức HTTP, FTP hay trình GIS hoạt động như ứng dụng DGI phía trạm

Máy chủ đa tầng chứa dịch vụ Web và trình DGI hoạt động như trình mớ rộng dịch vụ mạng

Khi người dùng vèu cầu bản đổ, thỏng điệp được gửi qua mạng đến địch vụ Web Trình dịch vụ nhận biết yèu cầu DGI và truyển chúng đến trình DGI Trình DGI chuyển đổi chúng sang mã nội bộ để gửi đến trình GIS Kết quả cho lại từ trình GIS

có thể là bản đồ dưới dạng ảnh, văn bản hay dữ liệu thỏ Phần mém DGI có trách nhiệm tạo khuỏn mẫu theo chuẩn Internet để trình dịch vụ Web gửi chúng ữở lại nơithực

yèu càu

J

-

18-Hình 2.1 Mó hình kháchlchủ da tầng của dịch vụ DGI

Do môi trường hoạt động khác nhau mà kiến trúc khách chủ của hệ thống có thể khác chút ít với mô hình tổng quát trình bày trẻn, nhưng chúng được chia làm các

loại cơ bản sau:

s Nặng phía máy chủ/nhẹ phía máy trạm

'S Nặng phía máy trạm/ nhẹ phía máy chủ

s Cún đối phía máy trạm/máy chủ

□ N ặng phía máy chủ/nhẹ phía máy trạm

Nguvên tắc căn bản của mô hình tính toán khách/chủ là tập trung dữ liệu và phần mém trẽn một máv (máy chù) để các máv khác (máv trạm) có thè thâm nhập Lợi thè cùa chúng là dẻ cập nhật, bảo dưỡng phần mém, dễ phàn phát dữ liệu Nếu có máy tính mạnh thì hiệu quả hơn so với việc phân tin xử lý

VI Web được xảy dựng trên cơ chế khách/chủ cho nẻn nếu tập trung dữ liệu GIS trên máy chủ thì chúng cũng có các ưu điểm như vừa nêu trên Tuy nhiên phần mềm GIS luôn đòi hỏi máy tính mạnh, ngay cà khi thực hiện các công việc thông thường (khòng có trao đổi dữ liệu trên mạng) Nếu m áy chủ bị quá tải do nhiều máy trạm thàm nhập đồng thời thì các yêu cầu đến DGI sẽ phải chờ đợi, thậm chí dịch vụ phảidừng xử lý nếu máy chù khòng đủ mạnh Vấn đề khác cần quan tàm của mò hìnhnày liên quan đến lưu lượng truvền thông trẽn mạng Mỗi khi người dùng thực hiện

1 9

-phónu to hay thu nhỏ bàn đổ thì yêu cầu mới được phát sinh đẽ’ gửi từ máv trạm đến máy chú, bũn đổ mới được sinh ra dưới dạn" ảnh để gừi vể máv trạm Các còng việc này làm tâng nhanh lưu lượng truyền tin trẽn mạng và làm táng thời gian trà lời các yèu cầu phục vụ từ máy trạm Chúng làm siàm khà năng tương tác của giao diện người dùng

Mô hình này đòi hỏi cấu hình máy chủ tương đối mạnh để đáp ứng được việc xử

lv tập trung tất cả các yèu cầu từ tất cả các máy trạm Đường truyền cũng phải tốt, có tốc độ cao vì các dữ liệu được gửi về là các dữ liệu ánh, việc trao đổi dữ liệu lì thường xuvèn Máy trạm thì không cần có cáu hình cao vì còn? việc xử lv trèn nó là rất ít, máy trạm chỉ việc nhận dữ liệu truyền về từ máv chù và trình duyệt IE sẽ hiến thị bàn đồ kết quả

□ Nhẹ phía máy chù/nặng phía máy trạm

Trong mô hình nhẹ phía máy chủ thì máy trạm thực hiện hầu hết các tính toán Trình duvệt trên máy trạm cũng phải có khả năng thực hiện các chức nâng của GIS, hiển thị bản đồ, truy nhập dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian mà không phái thâm nhập máy chủ nhiểu lần Bất lợi chính của chúng là cài đặt và bảo hành phần mềm, đặc biệt mỗi khi nâng cấp phần mểm Tuy nhiên chúna cho khả năng xây dựns trình duyệt có tính tương tác cao và giao diện đẹp, thuận tiện cho người dùng

ỏ mò hình này, hệ thống trên máy chủ chi nhủn yêu cẩu từ máy trạm và chuyển

dữ liệu thỏ vé máy trạm yèu cầu nên số các yẻu cầu từ một máy trạm đến máy chủ ít hon, máy chù phải xừ Iv ít hơn do vậv cấu hình máv chù khòna cần manh Việc xử lv các vèu cầu chù vếu tập trung trên máy trạm, máy trạm phái thao tác với CSDL GIS

đê đáp ứng các yêu cầu nên cần cấu hình máy trạm phải tương đối mạnh Dữ liệu máy trạm nhận vé là dữ liêu dạng thô nên đường truyền trong mò hình nàv đòi hỏi phải mạnh, Cốc độ cao vì tuy số lần truyền dữ liệu trên đường truyển là ít nhưng vì dữ liệu truyền [à dữ liệu thô do vậy kích cỡ của dữ liệu thường là lớn (cỡ hàng M B dữ liệu với mỗi lẩn truyển)

□ Càn đòi máy trạm/máy chú

Trong nhiều trường hợp, người thiết kế phải quyết định phàn phối tính toán giữa máv chủ và máy trạm sao cho hợp lý Thiết kế nàv thưcms tuàn chủ theo mò hình càn đòi khách/chủ

2 0

-Trong mô hình cân đối, phải thiết kế, phân cõng công việc thích hợp giữa máy trạm và máy chủ cũng như càn nhắc, tính toán dữ liệu truyển Các máv trạm ờ đày khóna chi thụ động nhận và hiển thị dữ liệu như mò hình nặng máy chù-nhẹ máv trạm mà phán hệ thống trên các máy trạm phủi chù động hơn Trons mò hình này trẽn phần máy trạm, thườns phãi thiết kế các ActiveX hoặc Plugln để có thể nhúng vào các trang Web và ta có thể tính toán, xử lý yêu cẩu với các dữ liệu đã có từ yêu cầu trước, lấy các dữ liệu cần thiết từ máy chủ và tính toán, biểu diễn, hiển thị dữ liệu trên máy trạm

Bans 1 mỏ tả nhiệm vụ hệ thống DGI thường dược thực hiện trẽn máy chủ và máy trạm Tuỳ thuộc vào loại ứng dụng cụ thể và tốc độ trao đổi thòng tin trèn mạng

để chọn giải pháp thiết kế ứng dụng DGI

Nhẹ máy trạm Càn đôi Nặng máy tram Máy tram GIS

Nhiệm vụ của

m ávchù

Duyệt bản đồ Truy nhập Phàn tích

Vẽ bàn đồ

Truv nhập Phàn tích

Hiển thị Duyệt bản đổ Truy nhập

Hiến thị Duvệt bán đồ Truv nhập

Vẽ bản đồ Phàn tích

Bảng 1 P hản p h ố i nhiệm vụ trên máy chủ và máy trạm, ch o ta cái nhìn tổng th ể với sự

so sánh, đánh giá tương đối giữa các mò hình

Tính chát ứng dụng của người sử dụng, chất lượng đường truyền thỏng tin trên mạng Internet và nhiều nguyên nhân khác nữa là các yếu tỏ' quyết định lựa chọn giải pháp thiết kế ứng dụng DGI

I I 3 Các th í dụ cà i đ ặ t ứng dụng D G I

Phần nàv sẽ trình bày một số thí dụ thiết kế và cài đặt ứng dụng DGI Chúng bao

g ổ m các ứng dụng tuản thù mò hình máv trạm GIS, nặng phía máy chủ/nhẹ phía máy trạm và càn đối phía máy trạm/máy chủ Các cài đặt phần mểm của nghiên cứu này dược thực hiện trên mòi trường mạng Windows NT 4.0 Trên máy chủ có trình dịch

vụ IIS (Internet Information Server), trên máỵ trạm có trình duyệt Web

2 1

-IntemetExpIorer từ phiên bàn 4.0 trờ lẽn (Œ từ phièn bàn 4.0 trờ lên có hỗ trợ nhúng các ActiveX vào trong trang Web)

Máy trạm GIS - là một dạng của mò hình nặng máy chủ/nhẹ máy trạm

Như trình bày trong bủng 1, nhiệm vụ của máy chủ trong mỏ hình "máy trạm GIS" có nhiệm vụ lưu trữ CSDL địa lý Chúng bao gồm các tệp bủn đổ và dữ liệu thuộc tính của các đặc trưng bản đổ Trên máy trạm là phần mểm GIS có khả năng thâm nhập CSDL địa lý trẽn máy chủ Mỏ hình tổng quát của giải pháp này được mỏ

tả trên hình 2.2

Hình 2.2 Mó kình máy trạm GIS

Chúng ta có thể sử dụng ngòn ngữ lập tìn h thế hệ 3 (3GL) để xây dựng phần mểrn GIS phía máy trạm Thư viện lớp MFC của Microsoft được lựa chọn để phát triển phần mềm với lý do làm tăng tốc độ xử lý Hơn nữa, thư viện này còn bao gồm các lớp cho khả năng dễ dàng thảm nhập Internet Các thao tác trên đữ liệu địa lý phía máv trạm của hệ thons được xây dựng bằng naòn ngữ Visual c+ + trên cơ sờ các điều khiển ActiveX như MapObjects (ESRI) hay MapX (Maplnfo) Giao diện lập trình ứng đụng Internet (Internet API) trong Winlnet của Microsoft được sử dụng để truy nhập dữ liệu thô thòng qua dịch vụ HTTP

Nàng máy chủ/nhẹ máy trạm

Bảng l cho thấy các thao tác như truy nhập CSDL, vẽ bản đồ, trong mô hình

"nặng máy chủ" đều được thực hiện trẽn máy chủ

Mò hình "nặng máy chù/nhẹ máy trạm" được mô tả trèn hình 2.3

M á y ch ù

D ịc h vụ

W E B

Trình mữ rộng Ị dịch vụ W e b

Hình 2.3 Mô hỉnh nhẹ vé phía máy trạm

Phía máy chủ lưu trữ CSDL địa lý

Các trình (mở rộng dịch vụ WEB) ứng dụng GIS trona nchiẻn cứu nàv thực hiện

S Phân tích yêu cầu từ máy trạm thòng qua dòng lệnh URL của dịch vụ HTTP

s Thực hiện truy nhập CSDL đê vẽ bản đổ, trang tính, biểu đồ, theo vèu cầu

Phía máy trạm chí yêu cầu cài đặt một trình duyệt Web như Internet Explorer (IE), Netscape Communicator hay tương đương

Nhiệm vụ của chúng là :

s Nhận các yêu cầu của người sử dụng, nhận các tham số cùa vèu cầu và cuối cùng là gửi các yêu cầu và tham số các yèu cầu đó đến máy chủ thòng qua dịch vụ HTTP

s Trình diẻn trang HTML có chứa ảnh bitmap là bán đổ, các bàng biểu, đổ thị thể hiện dữ liệu của vùns bản đồ kết quả theo yêu cầu của người đùng

Cán đôi máy trạm/máy chủ

Nhiệm vụ phía máy chù và máy trạm của mỏ hình "cân đối máy trạm/máy chủ" dược mò tả trong bảng 1 Mô hình của chúng được mỏ tả trên hình 2.4 Thiết kế này yêu cầu phía máv trạm có cài đặt LE để biểu diễn trang HTM L chứa điều khiển ActiveX và đùna ngôn ngữ JScript/VBScript điều khiển A ctiveX Điều khiển

A ctiveX tham aia tính toán, hiển thị, duyệt bản đổ, nhận lệnh từ người sử dụna rồi có thể truyền lệnh và các tham số kèm theo đến dịch vụ W eb trên máy chủ thông qua

U RL hoặc có thể tính toán đáp ứna ngav các yêu cầu trên máv trạm dựa trên các dữ liệu đã có sẵn từ các Yêu cầu trước

Hình 2 4 Mò hình cản đối máy chủ/máy trạm

Dịch vụ Web trên máy chủ nhận yêu cầu từ máv trạm, phân tích cú pháp URL,

đã có sự thống nhất từ trước với máy trạm của hệ thống về các loại yêu cầu, có thể truyền các ỉoại dữ liệu khác nhau về máy trạm, máy trạm xử lý dữ liệu và hiển thị kết quả

Các mô hình trình bày trèn đây đểu đặt CSDL GIS và các dịch vụ Internet cùng trèn một máy tính Tuy nhiên, CSDL GIS có thể được đặt trên nhiều máy tính khác nhau, độc lập với máy chứa các trình địch vụ Internet Trao đổi thòng tin giữa chúng với máy tính chứa dịch vụ Internet được thực hiện nhờ chương trình ISAPI hay CGI Hình 2.5 cho thâ'y khả năng phân tán dữ liệu địa lý trong hệ thống DGI Máy trạm lièn lạc với dịch vụ Web và dịch vụ bản đồ thòng qua các vêu cầu URL Trình dịch

vụ Web nhận vèu cẩu và gửi chúng đến trình mờ rộng dịch vụ Web (IM S) Trình mở rộng dịch vụ Web sẽ phàn tích vêu cầu để [iên lạc với ứng dụng trên dịch vụ bản đồ(ứng dụng G ĨSì tương ứng ứng đụna nàv sẽ phát sinh H TM L và ảnh bản đồ để gửi rmược trà lại cho mâv trạm yêu cáu

Hình 2.5 Phàn tán d ữ liệu địa lý

Với khả năng phân tán dữ liệu địa lý như trẽn, ta có thể phân phối công việc tính toán và chứa cơ sở dữ liệu địa lý cho nhiều máy chủ, khả năng này cho phép hệ thống chạy nhanh hơn, phục vụ tốt hơn khi số người sử dụng hệ thống tăng lên, kích thước cơ sờ dữ liệu tăng lên, mặt khác nó vẫn đảm bảo tính an toàn của hệ thống vì khi hệ thống trèn một máy chủ nào đó gặp sự cố thì hệ thống trên các máy chủ khác vẫn hoạt động bình thường

Khả năng nàv có thể đựơe dùng trong tất cả các mò hình đã nêu

Tóm lại'.

ỏ ba mỏ hình khai thác đã nẻu trên, mỗi mò hình đòi hỏi cấu hình hệ thống riêng, với những ưu và nhược điểm riẻng, với mỗi bài toán và các yèu cầu riêng, đòi hòi hệ thống GIS phải được xày dựng theo mỏ hình thích hợp để sao cho hiệu quả khai thác thông tin của hệ thống là hũu hiệu nhất có thể

Nhìn vào thực tế phát triển của nghành cỏne nghệ thỏng tin ờ nước ta trong những năm qua, nhà nước ta đã đánh giá đúng vị trí và sức mạnh của còng nghệ thòns tin thè’ hiện cụ thể bằng việc tăng cường đầu tư xây dựng hệ thống hạ tầng cơ

sờ thòng tin liên lạc Nhưng thực tế, còng nghệ thòng tin cũng là nghành còn rất non trẻ, nước ta lại lù nước đang phát triển, kinh tế còn nghèo nèn ta chưa thể có được một cư sớ vật chất thật tốt như moog muốn, điều này cũng hạn chế rất lớn đến sự phát triển nói chung Với các khó khãn hiện thời cho người sử dụng để truy nhập hệ thống mạng như: cước phí truy nhập mạniĩ Internet còn quá cao so với thu nhập

níĩirời dàn, tốc độ đường truvền còn nhó nèn truy nhập chậm Chưa nói đến giá cả các hệ thóníi phán cứng máy tính, chừng đấy lý do cũns đủ làm cho việc ứna dụng các hệ DGI vào thực tế Việt Nam là quá khó khăn Xét theo các mò hình đã nêu ở trên, nói chung chúng đểu đòi hỏi hệ thống phải có đường truvển tốt, máy chù, máy trạm có tốc độ xừ lý cao Do vậy để có thể phù hợp với thực tiễn Việt Nam hệ thống DGI phải có khả năng giảm thiểu lưu lượng thông tin truyền trên mạng bằng cách giảm thông tin trong mỗi lần truyền và giảm thiểu số lần truyền dữ liệu đến ít nhất có thể Để có thể thực hiện được yêu cẩu này đòi hói máv trạm và máy chủ phải phàn phối còng việc hợp lý, máy chù tính toán dữ liệu cần thiết để truyền, máy trạm dê đáp ứrni được yêu cầu mới có thể dựa trẽn các dữ liệu đã có ờ các yèu cầu trước đê tính toán phục vụ, giảm bớt các còng việc cho máy chủ và giảm việc truyền tải dữ liệu Và mò hình để có thể đáp ứng được các yẻu cầu đó chi có thể là mò hình cản đòi khách/chù.

Dựa vào các nhận định trên, nẻn nội dung tiếp theo mà luận văn sẽ trình bày là việc phàn tích, thiết kế, xây dựng hệ thống khai thác trực tuyến cơ sở dữ liệu địa lý trên mạng Intranet theo mỏ hình càn đối

Chương III

KHÁI Q UÁT V Ể ƯML, PHÂN TÍC H T H IẾ T K Ế H Ệ THỐNG

M APONLINE BẰiNG NGÔN NGỮ UML

Trong chươna này, luận văn sẽ trình bày các nội dunsĩ sau:

s Giới thiệu khái quát về UML

s Giới thiệu các ichái niệm về các phần tử, các thành phần và các quy tắc sử đụng các phần tử, thành phần của UML để phân tích thiết kế hệ thống

s Áp dụng phàn tích, thiết kế và xàv dựng hệ thống khai thác cơ sở dữ liệu địa lý MapOnline theo mô hình càn đối khách/chủ bằng ngôn ngữ UML thỏna qua công cụ Rational Rose 2000

n u G iới thiệu UML

LÍML là ngôn naữ chuẩn để viết kế hoạch chi tiết phần mểm Nó phù hợp cho việc mò hình hóa các hệ thống như hệ thòng tin doanh nghiệp, các ứng dụng phàn tán trèn nển Web hệ thống nhúng thời gian thực Các view cùa ngòn ngữ tập trung vào phát triển và triển khai hệ thốns, nó khóns khó hiểu và dẻ sử dụng Đê sử dụna

UM L có hiệu quà đòi hỏi phải hiểu rõ ba vấn để chính sau:

Các phần tử cơ bản của mỏ hình trong ƯML

Các qui định lièn kết các phần tử mỏ hình

Một số cơ chế chung áp đụng cho ngôn ngữ

UML là ngỏn ngữ, độc lập với tiến trình phát triển phần mểm Tuy nhiên UML rất phù hợp với các tiến trình sử dụng use case, lây kiến trúc làm trung tâm, tương tác

và tăng dán

2 7

-UML là ngôn nỵữ

Ngôn ngữ phải có từ vựng và qui tấc tổ hợp các từ trong từ vựng để giao tiếp

Ngôn ngữ mô hình là ngôn ngữ có từ vựng và qui tắc tập trung biểu diễn vể mật vật

lý và khái niệm của hệ thống UML là ngỏn ngữ chuẩn công nghiệp để lập kế hoạch chi tiết phần mém Là ngỏn ngữ để hiển thị, đặc tả, kiến trúc và làm tài liệu các artifacts của hệ thống

Artifact là sản phẩm của phân tích hình thức và thiết kế, nó có thể là báo cáo, biểu đồ, bán mẫu, tranç web

Khòriíỉ có mò hình nào là thoả mãn cho toàn bộ hệ thống Thông thường ta phải xàv dựng nhiều mò hình, do vậy ngòn ngữ phải hướns tới nhiều views khác nhau của kiến trúc hệ thống trong suốt quá trình phát triển phần mềm

Từ vựng và qui tắc ngôn ngữ UML cho ta cách thức xảy dựng mô hình, nhưng không cho biết mô hình nào cần phải được lập và khi nào lập chúng Đó ià nhiệm vụ của tiến trình phát triển phần mềm

ƯML lả ngôn ngữ đ ể hiển thị

Khi xàv dựng hệ thống, người lập trình thường vẽ ra nhiểu ý tường Tuy nhiên việc giao tiếp giữa mò hình khái niệm và những cái khác thường khó khăn khi mọi người khỏng sử dụna chung một ngôn ngữ cho dự án Nếu dự án hav tổ chức đưa ra nsôn ngữ riêng của họ thì người mới tham gia dự án sẽ Sĩặp rất nhiều khó khán Hơn nữa, một số vấn đề về hệ thống phần mềm không được hiểu rõ nếu không có mô hình Thí dụ có thể suy luận ra V nghĩa phân cấp lớp nhưng không thể hiểu thấu đáo, tương tự với hệ thống trên nền Web nếu khỏng có mò hình UML giúp xảy dựng mô hình để giao tiếp dễ dàng Mô hình trong ngôn ngữ đồ họa dễ hiểu hơn trong ngôn ngữ lập trình Sau mỗi biểu tượng đồ họa của ngỏn ngữ UML là ngữ nghĩa Vậy, khi xày đựng mỏ hình trong UML thì người phát triển khác hay các cỏng cụ trợ giúp có thể hiểu mò hình một cách rõ ràng

UML là ngỏn nịịữ đặc rà

Đặc tả là xây dựng mò hình chính xác, khòng nhập nhằng và hoàn thiện UML hướna tới đặc tả thiết kế, phân tích và quyết định cài đặt trong quá trình phát triển và triển khai hệ thống phần mềm

2 8

-UML lù ngôn ngữ d ể x á y diũĩg

UM L không phái là ngồn ngữ lập trình trực quan, nhưng mò hình của nó có thể kết nối trực tiếp vào các ngôn ngữ lập trình khác nhau Có nghĩa rằng có thể ánh xạ

mỏ hình trong ƯML tới các n2ỏn ngữ lâp trình như Java, c + + hay các bàng CSDL quan hệ, CSDL hướng đối tượng Gio khà nâng biến đổi nsược lại từ cài đặt về mò hình UML, có nghĩa ràng cho ta làm việc với văn bản hay đồ họa một cách nhát quán

UML lả ngôn ngữ làm rủi liệu

ƯML hướng tới làm tài liệu kiến trúc hệ thốna và các chi tiết của nó: biểu diễn yêu cầu, kiểm tra, lập kế hoạch và quàn lý sản phẩm

UML cho biết giới hạn của hệ thống và các chức năng chính của nó thôn a qua Ưsecase và tác nhản.

Trong UML, các Usecase được mỏ tà bằng sơ đồ lô gíc

Biểu diễn câu trúc tĩnh của hệ thống nhờ sơ đồ lớp

Mô hình hóa các hành vi đối tượng bằng sơ đồ chuyển trạng thái

Phản ánh kiến trúc cài đặt vật lý bằng sơ đổ thành phần và sơ đồ triển khai

Mở rộng các chức năng bằng stereotypes

U I.2 M ô h ìn h k h á i niệm của U M L

Để hiểu được UML ta phải hình thành được mô hình khái niệm của ngôn ngữ

Nó đòi hỏi nắm được ba vấn đề chính là: các phần tử cơ bản để xây dựng mô hình, quy tắc liên kết các phần tử mò hình và một số cơ chế chuns sử dụng cho nsòn ngữ

Ị I I 2.1 Phần tủ mò hình trong UM L

Các khôi để hình thành mò hình trôna UML gồm ba loại như sau: phần tử, quan

hệ và sơ đồ Phần tử là các trừu tượng, các khái niệm sử dụng trong sơ đồ; quan hệ là

để gán các phần tử, còn sơ đổ là để nhóm tập hợp các khối xây dựng Trong UML có

4 loại phần tử mò hình, đó là cấu trúc, hành vi, nhóm và chú thích

2 9

-Phầti tủ cấu trúc

Phẩn tử cấu trúc là các danh từ trong mô hình UML Chúng là các phần tĩnh của

mô hình, biểu diễn các phần tử là khái niệm hay vật lý Có 7 loại phần tử cấu trúc như sau:

Lớp: là mô tả tập các đối tượns cùng chia xẻ thuộc tính, thao tác, quan hệ và ngữ nghĩa Một lớp cài đặt một hay nhiều ghép nối Biểu diễn đồ họa lớp là chữ nhật có tên các thuộc tính, thao tác (hình 3.1)

o

Interface

Hình 3.2 Interface

Hình 3.1

Giao diện: là tập hợp các thao tác làm dịch vụ của lớp hay thành phần Giao diện

mô tả hành vi thấy được từ ngoài của thành phần Giao diện biểu diễn toàn bộ hay một phần hành vi của lớp, nó định nghĩa đặc tả thao tác chứ không định nghĩa cài đặt của chúng Ký pháp đồ hoạ như trên hình 3.2

Phần tử hợp tác (collaboration): xác định tương tác giữa các phần tử Ký pháp

Hình 3.3 C ollaboration Hinh 3.4 Use case

đổ họa như trên hình 3.3 Thể hiện một giải pháp thi hành bên trong hệ thống, bao gổm các lớp, quan hệ và tương tác giữa chúng để đạt được một chức năng mong đợi của use case

Use case: Mô tả tập trình tự các hành động mà hệ thống sẽ thực hiện để đạt được một kết quả mà actor nào đó quan sát được Actor là những gì bên ngoài tương tác với hệ thống Tập hợp các use case của hệ thống sẽ hình thành các trường hợp mà hệ thống được sử dụng Use case được sử dụng để cấu trúc các phần tử hành vi trong

mò hình Nó được hiện thực hóa bời phần tử hợp tác Ký pháp đồ họa như trẽn hình3.4

Window origin size open() closeO moveO display!)

Nút (node): Là thể hiện thành phần vật lý, các tài nguvên tính toán Chúng có thể

là máy tính, thiết bị phần cứng Ký pháp đồ họa trên hình 3.6

Phần tử hành vi

Là những phần động của mò hình UML Chúng là các động từ của mò hình, biểu diễn hành vi theo thời gian và không gian Có hai loại chính là tương tác và trạng thái

Tưon% tắc (interaction): là hành vi bao gồm tập các thông điệp trao đổi giữa các đối tượng trong ngữ cảnh cụ thể để thực hiện mục đích cụ thể Biểu diễn đồ họa trên hình 3.7 bao gồm mũi tên và tên thao tác của nó

Waiting

3 1

-vào thời điểm phát triển chứ không tồn tai -vào thời gian chạy chương trình Ký pháp

đồ họa trèn hình 3.9 Gói giúp ta quan sát hệ thống ở mức tổng quát hơn

Chú thích (annotational): Là các chú giải các phần từ trong mỏ hlnh Ký pháp đồ hoạ trên hình 3.9

Business rules

Hình 3.9 G roup và annotational

Các quan hệ trong UML

Phụ thuộc (dependency): là quan hệ ngữ nghĩa giữa hai phần tử trong đó thay đổi phần tử độc lập sẽ tác độna đến ngữ nghĩa của phần tử phụ thuộc Ký pháp trên hình 3.10

— -> — - -—

employer employee

H ình 3.10 D ependency Hình 3.11 A s so cia tio n

Kết hợp (association): là quan hệ cấu trúc mô tả tập liên kết (một liên kết kết nối giữa các đối tượng) Khi đối tượng của lớp này gửi/nhận thông điệp đến đối tượng cùa lớp kia thì ta gọi chúns: có quan hệ kết hợp Ký pháp đồ họa của kết họrp trèn hình 3.11, chúng có thể chứa tên nhiệm vụ và multiplicity.

Hình 3.12 A ggregation Hình 3 1 3 C om position

Tập hợp (aggregation) là dạng đặc biệt của kết hợp, nó biểu diễn quan hệ cấu trúc giữa toàn thể và bộ phận. Kỵ pháp đồ họa trên hình 3.12 Một dạng đặc biệt của tập hợp là quan hệ gộp (composition), trong đó nếu như đối tượng toàn thể bị huỷ thì các đối tượng bộ phận của nó cũns bị huỷ theo Biểu diễn đồ họa như trên hình 3.13

3 2

-Khứi cịiuít hóa (generalization): là quan hệ đặc biệt hóa/ khái quát hóa mà trong

đó đối tượng cụ thể sẽ kè thừa các thuộc tính và phươna pháp của đối tượng tổng quát Ký pháp trên hình 3.14

Hiện thực hóa (realization): là quan hệ ngữ nchĩa giữa siao diện và lớp (hay thành phán) hiện thực nó: siữa use case và hợp tác hiện thực nó (ƯC) Biểu diễn đồ họa trẽn hình 3.15

U I.2.2 Sơ đổ UM L

Sơ đồ là biểu diễn đồ họa tập các phán tử Vẽ sơ đồ đẻ biểu diễn hệ thống dưới các góc độ khác nhau Vậy sơ đồ là ánh xạ của hệ thống Một phần tử có thể xuất hiện trong một hay nhiều sơ đổ Về lý thuyết thì sơ đổ có thể bao gồm tổ hợp vỏ số vật thể và quan hệ ƯML cho khả năng xây dựng một vài kiểu sơ đồ trực quan để biểu diễn các khía cạnh khác nhau của hệ thống: Sơ đó use case, Sequence, Collaboration, Class, State Transition, Component và Deployment.

Sơ đồ use case

Sơ đồ này chi ra tương tác giữa các use case (chúng biểu diễn các chức năng hệ thống) và actor

Actor là con người hay hệ thống cung cáp hay thu nhận thòng tin từ hệ thống

Sơ đổ use case tûp trune vào quan sát use case tĩnh của hệ thống Nó đặc biệt quan trọng trong việc tổ chức và mò hình hóa hệ thống

c r

■*D! 2: Read Cara No.( )

3: Imt Screenj ) 4: O perQ ccount - i -

9: Select Transaction (Withdraw)

10: Prompt for Amount

7 716: Provide Receifjtt 3

Hình 3.17 Sơ đồ trin h tự : Joe rú t 20$

3 4

-CÓ Actor là stakeholder cùa hệ thống Sơ đồ nàv chi ra actor nào khởi động Use case

và khi nào actor nhạn thõns tin của hệ thống

Sơ đổ trên hình 3.16 chi ra tương tác giữa Use case và actor của hệ thống rút tiền

tự động ATM Khách hàng khời động một số Use case như Withdraw Monew Deposit Funds Nhấn viên ngàn hàng khời động Use case Change PIN (Personeì Identify Number). Use case Make Payment có mũi tên đến Credit System. Hệ thống ngoài có thể là actor, hệ thông Credit System là hệ thống ngoài của hệ thống ATM,

do vậy nó là actor Mũi tèn đi từ Use case đến actor cho biết Use case phát sinh thòng tin cho actor sử dụng

ch ứ không phải lớp Thí dụ, thay cho cu stu m er, sơ đổ này hiển thị tên Joe.

Use case bắt đầu khi khách hàng bỏ card vào máv đọc card (đối tượng chi ra trong hình chữ nhật trẽn đỉnh sơ đồ) Sau đó máy đọc sẽ đọc sò' card, mờ đôi tượng tài khoản của Joe và khởi động màn hình ATM Màn hình hiển thị dấu nhác để nhập khách hàng PIN Thí dụ, khách hàng nhập 1234 Màn hình kiểm tra PIN với đối tượng tài khoản và thấy phù hợp Màn hình hiển thị các chức năng để Joe chọn Ông

ta chọn Withdraw Màn hình hiển thị để Joe nhập số tiền sẽ rút Ồng ta chọn 20$ Màn hình rút tiển từ tài khoản Các tiến trình sau do đối tượng tài khoản thực hiện: kiếm tra tài khoản có đủ 20$? Giảm tài khoản đi 20$ Yêu cầu dispenser chi trả 20$ liên mật và in ra biên nhận Cuối cùng yêu cáu máy đọc card trả lại card

3 5

-Sơ đồ cộng tác (Collaboration)

Sơ đó cộng tác chi ra các thòns tin như sơ đồ trình tự nhưng theo cách khác, nó tập trung vào tổ chức cấu trúc cùa các đối tượna gửi và nhận thông điệp Hình 3.18 là thí dụ sơ đồ cộng tác của sơ đổ trình tự trên hình 3.17 Sơ đồ cộng tác và tương tác thuộc loại sơ đổ tương tác và chúng có thể biến đổi qua lại

Trong sơ đồ công tác: đối tượng đặt trong chữ nhật, tác nhàn là người hình cày như trước Sơ đồ trình tự biểu diễn tương tác đối tượng và actor theo thời gian còn tại dây khòng quan tâm đến thời gian Thí dụ 3.18 cho thấv máv đọc card ra lệnh mở tài khoản Joe, tài khoản ra lệnh máy đọc trả lại card Các đối tượng giao tiếp trực tiếp với nhau thể hiện bằng đườns nối

Sơ đó lớp (Class)

Sơ đồ lớp chỉ ra tưcmg tác giữa các lớp trong hệ thống Các lớp được coi như kế hoạch chi tiết của các đối tượng Tài khoản của Joe là đối tượng Tài khoản là lớp Lớp Account chứa PIN khách hàng, hành vi kiểm tra PIN Sơ đổ Lớp được tạo cho đối tượng trong sơ đổ trình tự và cộng tác Thí dụ sơ đồ lớp cho use case Withdraw monev trên hình 3.19

3 6

-Hinh 3.19 So đố lớp của use case W ithdraw money

Sơ đổ lớp trên hình 3.19 chi ra quan hệ giữa các lớp hình thành nên use case Withdraw monev Bao gồm: Card Reader, Account ATM Screen, vù Card Dispenser. Mỗi lớp trona sơ đồ được biểu diễn bằne chữ nhật chia làm ba phần: tẽnlớp, thuộc tính (thí dụ, Account number, PIN Balance), thao tác [Open, Withdraw Funds Deduct Funds vù Verify Funds).

Đường nối giữa các lớp là quan hệ giao tiếp aiữa chúng Phía phải của một sốthuộc tính và thao tác có gắn khoá có nghĩa rằng thuộc tính và thao tác riêng

Sơ dồ lớp trèn hình 3.19 chỉ ra quan hệ giữa các lớp hình thành nên use caseWithdraw monev Bao gồm: Card Reader, Account, ATM Screen, và CardDispenser Mỗi lớp trons sơ đồ được biểu diẻn bãn2 chữ nhật chia làm ba phần: tênlớp, thuộc tính (thí dụ, Account number, PIN, Balance), thao tác (Open, Withdraw Funds, Deduct Funds và Verify Funds)

Người phát triển nhìn vào sơ đồ lớp để xàv dựng các lớp Các còng cụ như Rose phát sinh mă trình xương sống cho các lớp, sau đó người phát triển phải chi tiết hoá bans ngòn ngữ lập trình Kiến trúc sư quan sát thiết kế hệ thống thông qua sơ đồ Lớp Nếu một lớp chứa quá nhiều chức nãng thì sẽ chia chúng ra nhiéu lớp khác nhau Kiến trúc sư cũng dễ phát hiện ra nếu giữa các lớp không có giao tiếp

3 7

-So đồ biến đổi trạng thái (state transition)

Sơ đổ biến đoi trạng thái cung cấp cách thức mỏ hình hóa trạng thái khác nhau cùa đối tượng Trong khi sơ đồ lớp cung cáp bức tranh tĩnh vé các lớp và quan hệ của chúnq, sơ dồ biến đổi trạng thái được sử dụng để mò hình hóa các hành vi động của

hệ thống

Sơ đồ biến đổi trạng thái chi ra hành vi của đối tượng Tài khoản có thể ở trong một vài trạng thái như mở, đóng hay rút qúa mức Tài khoán sẽ ứng xử khác nhau với

Hinh 3.20 Sd dố biến dổi trạng thải của lò p account

mỗi trạng thái Hình 3.20 là thí dụ sơ đồ biến đổi trạng thái của account

Sơ đổ trên cho thấy các trạng thái và quá trình chuyển trạng thái của account Thí

dụ, khi account đang mờ và customer yêu cầu đóng account thì account chuyển sang trạng thái đóng Yêu cầu của customer được gọi là sự kiện

Sự kiện là cái gây ra biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác

Nếu account mờ và khách hàng rứt tiền thì có thể dẫn tới trạng thái rút quá Trạng thái xảy ra khi càn đối ịbalance) của account <0 Trên sơ đổ có điểu kiện trong ngoặc vuỏng được gọi là điều kiện gác

Hai trạng thái đặc biệt: s ta rt State và stop State. Trên sơ đổ trạng thái chì có duy nhát m ột trạng thái sta r t C ó thể c ó nhiều hay không c ó s t o p S tate

Khi account bị rút quá, thòng báo được gừi cho khách hàng Các tiến trình xảy ra khi đỏi tượng trona trạng thái nào đó thì gọi là action