Mô hình và trực quan hóa dữ liệu trạng thái giao thông trên nền web

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM ĐỨC DƯƠNG MÔ HÌNH VÀ TRỰC QUAN HOÁ DỮ LIỆU TRẠNG THÁI GIAO THÔNG TRÊN NỀN WEB Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM ĐỨC DƯƠNG

MÔ HÌNH VÀ TRỰC QUAN HOÁ DỮ LIỆU TRẠNG THÁI GIAO THÔNG TRÊN NỀN WEB

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN NGỌC HÓA

HÀ NỘI - 2015

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Ngọc Hóa, người thầy đã chỉ bảo và hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học và thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo đã giảng dạy trong suốt những năm tôi học tại trường Đại học Công nghệ đã trang bị cho tôi những kiến thức quý báu và động lực nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn giúp đỡ, động viên, khuyến khích tôi trong cuộc sống và trong công việc

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả Phạm Đức Dương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Mô hình và trực quan hoá dữ liệu trạng thái giao thông trên nền Web” là do tôi viết dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Ngọc Hóa thuộc Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội Luận văn được hoàn thành trên cơ sở nghiên cứu, tổng hợp và phát triển các nghiên cứu về mô hình, kỹ thuật trực quan hóa dữ liệu trong nước và trên thế giới do tôi thực hiện

Tôi xin cam đoan các đề xuất trong luận văn do chính tôi thực hiện qua quá trình nghiên cứu đưa ra, các nội dung liên quan trong luận văn có nguồn gốc

từ nghiên cứu của người khác đều được ghi rõ nguồn gốc trong phần tài liệu tham khảo, nếu có gì sai sót tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 Các vấn đề lý thuyết liên quan 3

1.1 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 3

1.1.1 Khái niệm về GIS 3

1.1.2 Các thành phần của GIS 4

1.1.2.1 Phần cứng 4

1.1.2.2 Phần mềm 4

1.1.2.3 Dữ liệu 4

1.1.2.4 Con người 5

1.1.2.5 Phương pháp quản lý 5

1.1.3 Cấu trúc dữ liệu trong GIS 5

1.1.3.1 Dữ liệu bản đồ 5

1.1.3.2 Dữ liệu thuộc tính 7

1.1.3.3 Mối quan hệ giữa dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính 7

1.1.4 Các chức năng của GIS 7

1.1.5 Các đặc điểm của GIS 8

1.1.6 Ứng dụng của GIS 8

1.1.7 WebGIS 9

1.2 Trực quan hóa dữ liệu 9

1.2.1 Tổng quan 9

1.2.1.1 Trực quan hóa 9

1.2.1.2 Trực quan hóa thông tin (Information visualization) Error! Bookmark not defined.

1.2.1.3 Trực quan hóa dữ liệu (Data visualization)Error! Bookmark not defined.

1.2.2 Kiến trúc và mô hình trực quan hóa dữ liệuError! Bookmark not defined.

1.2.2.1 Mô hình khái niệm Error! Bookmark not defined 1.2.2.2 Mô hình tham khảo trực quan hóa thông tinError! Bookmark not defined.

1.2.3 Thiết kế trực quan hóa dữ liệu Error! Bookmark not defined 1.2.3.1 Bộ ba Designer-Reader-Data Error! Bookmark not defined 1.2.3.2 Quá trình trực quan hóa dữ liệu Error! Bookmark not defined.

1.2.3.3 Các trạng thái của dữ liệu trong quá trình trực quan hóa dữ liệu

Error! Bookmark not defined.

1.3 Trực quan hóa dữ liệu theo địa lý (Geovisualization)Error! Bookmark not defined.

1.3.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 1.3.2 Ứng dụng thực tế của trực quan hóa dữ liệu theo địa lý Error! Bookmark not defined.

1.3.3 Một số loại bản đồ trực quan hóa dữ liệu theo địa lý Error! Bookmark not defined.

1.4 Ứng dụng trực quan hóa dữ liệu biểu diễn trạng thái giao thông Error! Bookmark not defined.

1.4.1 Khả năng ứng dụng trực quan hóa dữ liệu biểu diễn trạng thái giao

thông Error! Bookmark not defined.

1.4.2 Tham khảo trực quan hóa dữ liệu biểu diễn trạng thái giao thông

Error! Bookmark not defined.

Chương 2 Nghiên cứu xây dựng giải pháp trực quan hoá dữ liệu trạng thái giao

thông trên nền bản đồ số Error! Bookmark not defined 2.1 Thu thập và xử lý dữ liệu Error! Bookmark not defined 2.2 Mô hình và kỹ thuật trực quan hoá dữ liệu trạng thái giao thông Error! Bookmark not defined.

2.2.1 Kỹ thuật vẽ đồ họa thực hiện trực quan hóa dữ liệu Error! Bookmark not defined.

2.2.1.1 Lý thuyết cơ bản về vẽ đồ họa Error! Bookmark not defined 2.2.1.2 Thuật toán trình bày đồ họa Error! Bookmark not defined 2.2.2 Mô hình trực quan hóa dữ liệu trạng thái giao thông Error! Bookmark not defined.

2.2.3 Mô hình kiến trúc hệ thống giải pháp trực quan hoá dữ liệu trạng thái

giao thông Error! Bookmark not defined.

2.2.4 Kỹ thuật xây dựng hệ thống trực quan hóa dữ liệu trạng thái giao

thông Error! Bookmark not defined.

2.2.4.1 Kỹ thuật xây dựng trực quan hóa tình trạng trên các tuyến đường

giao thông Error! Bookmark not defined.

2.2.4.2 Kỹ thuật xây dựng trực quan hóa tổng hợp tình trạng giao thông

bằng biểu đồ Error! Bookmark not defined.

2.3 Công cụ xây dựng hệ thống trực quan hoá dữ liệu trạng thái giao thông

Error! Bookmark not defined 2.3.1 PostgreSQL/PostGIS Error! Bookmark not defined 2.3.2 Apache Error! Bookmark not defined 2.3.3 Map Server Error! Bookmark not defined.

2.3.4 Công cụ lập trình Error! Bookmark not defined 2.3.4.1 JavaScript Error! Bookmark not defined 2.3.4.2 Leaflet Error! Bookmark not defined 2.3.4.3 D3 Error! Bookmark not defined 2.3.4.4 Heatmap Error! Bookmark not defined.

Chương 3 Xây dựng và thử nghiệm ứng dụng trực quan hóa dữ liệu trạng thái

giao thông Hà Nội Error! Bookmark not defined 3.1 Yêu cầu đặt ra Error! Bookmark not defined 3.2 Phân tích, thiết kế hệ thống Error! Bookmark not defined 3.2.1 Mô hình kiến trúc hệ thống Error! Bookmark not defined 3.2.2 Chức năng hệ thống Error! Bookmark not defined 3.2.3 Lược đồ cơ sở dữ liệu Error! Bookmark not defined 3.3 Xây dựng ứng dụng và thử nghiệm Error! Bookmark not defined 3.3.1 Môi trường ứng dụng Error! Bookmark not defined 3.3.2 Dữ liệu thử nghiệm Error! Bookmark not defined 3.3.3 Các vấn đề và giải pháp trong quá trình triển khaiError! Bookmark not defined.

3.3.3.1 Sử dụng heatmap thể hiện trạng thái giao thông trên tuyến đường

Error! Bookmark not defined 3.3.3.2 Kết hợp Leaflet và Heatmap Error! Bookmark not defined 3.3.3.3 Thao tác với dữ liệu dạng GeoJSONError! Bookmark not defined.

3.3.3.4 Kết nối cơ sở dữ liệu Error! Bookmark not defined 3.3.3.5 Xây dựng biểu đồ tổng hợp dữ liệu trạng thái giao thông Error! Bookmark not defined.

3.3.3.6 Cập nhật dữ liệu thời gian thực Error! Bookmark not defined 3.4 Kết quả thử nghiệm Error! Bookmark not defined 3.5 Đánh giá Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN CHUNG Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin địa lý 3Hình 1.2 Các thành phần của GIS 4Hình 1.3 Sự thể hiện quang cảnh sự vật dưới các lớp bản đồ khác nhau 6Hình 1.4 Trực quan hóa khoa học mô phỏng sự bất ổn định Raleigh-Taylor bởi

sự hòa trộn giữa 2 chất lưu 10

Hình 1.5 Mô hình phân tích và trình diễn dữ liệuError! Bookmark not defined Hình 1.6 Mô hình khái niệm của trực quan hóa Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Vai trò của mô hình dữ liệu trong phần mềm trực quan hóa Error! Bookmark not defined.

Hình 1.8 Sơ đồ mô tả mô hình tham khảo trực quan hóa thông tin Error! Bookmark not defined.

Hình 1.9 Bản chất của trực quan hóa dựa vào đánh giá mối quan hệ giữa 3 thành

phần Error! Bookmark not defined Hình 1.10 Bản đồ Choropleth Error! Bookmark not defined Hình 1.11 Bản đồ Cartogram Error! Bookmark not defined Hình 1.12 Bản đồ Proportional Symbol Error! Bookmark not defined Hình 1.13 Bản đồ kết hợp proportional symbol với cartograms Error! Bookmark not defined.

Hình 1.14 Bản đồ Pinpoint Error! Bookmark not defined Hình 1.15 Bản đồ nổi tiếng về chiến dịch nước Nga của Napoleon Error! Bookmark not defined.

Hình 1.16 Bản đồ Subway Error! Bookmark not defined Hình 1.17 Bản đồ Isopleth Error! Bookmark not defined Hình 1.18 Bản đồ Stream plots Error! Bookmark not defined Hình 1.19 Bản đồ Prism Error! Bookmark not defined Hình 1.20 Đồ thị mô tả thời gian chờ đợi theo số lượng xe tải Error! Bookmark not defined.

Hình 1.21 Ví dụ sử dụng Score Cards và Dash boards Error! Bookmark not defined.

Hình 1.22 Kết quả cuộc thi MIT Big Data Challenge Error! Bookmark not defined.

Hình 2.1 Sự tương tác giữa các trạng thái dữ liệu Error! Bookmark not defined.

Hình 2.2 Luật vẽ trực giao Error! Bookmark not defined.

Hình 2.3 Mô hình trực quan hóa trạng thái giao thông Error! Bookmark not defined.

Hình 2.4 Mô hình kiến trúc hệ thống WebGIS Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Kết quả hiển thị các điểm trên bản đồ Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Kết quả vẽ theo phương pháp “đóng hộp” Error! Bookmark not defined.

Hình 2.7 Kết quả vẽ theo phương pháp mật độ nhân Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1 Mô hình kiến trúc Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Sơ đồ áp dụng mô hình trực quan hóa Error! Bookmark not defined Hình 3.3: Lược đồ cơ sở dữ liệu Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Tập các điểm biểu diễn trên tuyến đường Error! Bookmark not defined.

Hình 3.5 Màn hình chương trình thử nghiệm Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Biểu đồ tổng hợp trạng thái giao thông theo thời điểm Error! Bookmark not defined.

Hình 3.7 Biểu đồ tổng hợp trạng thái giao thông theo ngày Error! Bookmark not defined.

Hình 3.8 Biểu đồ tổng hợp trạng thái giao thông theo tuần Error! Bookmark not defined.

Hình 3.9 Biểu đồ tổng hợp trạng thái giao thông theo tháng Error! Bookmark not defined.

Hình 3.10 Biểu trực quan trạng thái giao thông trên bản đồ theo thời điểm chọn

Error! Bookmark not defined.

1

MỞ ĐẦU

Hà Nội là thủ đô của Việt Nam và cũng là một trong những thành phố có

số dân và mật độ dân cư cao của cả nước nên giao thông Hà Nội có tầm quan trọng nhất định trong việc đáp ứng nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hóa ngày một tăng Tuy nhiên, hiện nay Hà Nội cũng như các thành phố lớn khác đang hàng ngày phải đối mặt với vấn nạn ùn tắc giao thông

Để giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông trên địa bàn Hà Nội, dựa trên những phân tích về nguyên nhân ùn tắc giao thông, Hà Nội đã đệ trình Chính phủ 4 nhóm giải pháp nhằm nâng cấp cơ sở hạ tầng giao thông, phục vụ sự tăng trưởng kinh tế - xã hội của thủ đô gồm: Nhóm các giải pháp kỹ thuật, Nhóm các giải pháp hành chính, Nhóm các giải pháp kinh tế, Nhóm các giải pháp tuyên truyền

Một phần trong các giải pháp này là đẩy mạnh việc ứng dụng CNTT một cách tổng thể trong ngành giao thông Đó là các giải pháp thu thập thông tin giao thông; quy hoạch, điều tiết đường sá; điều khiển giao thông; xác định lưu lượng và cung cấp thông tin giao thông tới người tham gia giao thông, cảnh báo sớm cho người tham gia giao thông về tình trạng ùn tắc tại các tuyến phố, để người dân chủ động thay đổi phương tiện, hướng đi trên đường …

Với thực trạng đó, luận văn này chú trọng đến việc tìm hiểu, nghiên cứu xây dựng mô hình và trực quan hoá dữ liệu trạng thái giao thông trên nền bản đồ

số một số tuyến phố của thủ đô Hà nội Đây cũng là một trong những nhiệm vụ nghiên cứu trong đề tài nghiên cứu mã số 01C-04/08-2014-2 của Sở Khoa học

và Công nghệ Hà Nội thực hiện từ năm 2014 Mục đích chính của đề tài nhằm cung cấp thông tin một cách trực quan cho người xem về tình trạng ùn tắc tại các tuyến phố để có ứng xử thích hợp khi tham gia giao thông Trong khuôn khổ luận văn này, toàn bộ phần giải pháp thu thập dữ liệu trạng thái giao thông được tách rời và được định hướng ngoài phạm vi luận văn

Từ mục tiêu đó, những kết quả thu được trong luận văn được trình bày trong 3 chương chính, ngoài phần mở đầu và kết luận, bao gồm:

Chương 1: Các vấn đề lý thuyết liên quan giới thiệu các lý thuyết phục vụ

mục đích của đề tài là xây dựng Mô hình và trực quan hoá dữ liệu trạng thái giao thông trên nền bản đồ số Các lý thuyết đó bao gồm: Hệ thống thông tin địa lý,

lý thuyết về trực quan hóa dữ liệu, trực quan hóa dữ liệu theo địa lý, khả năng ứng dụng trực quan hóa dữ liệu để biểu diễn trạng thái giao thông

Chương 2: Nghiên cứu xây dựng giải pháp trực quan hoá dữ liệu trạng thái giao thông trên nền bản đồ số đưa ra các kỹ thuật trực quan hóa trong hệ

thống giao thông và đề xuất mô hình trực quan hóa tình trạng giao thông Hà

2

Nội Chương này cũng giới thiệu mô hình hệ thống và các công cụ mã nguồn

mở để triển khai mô hình trực quan hóa

Chương 3: Thử nghiệm xây dựng ứng dụng trực quan hóa với dữ liệu trạng thái giao thông Hà Nội bằng cách sử dụng các công cụ, mô hình đã giới

thiệu trong chương 2 để xây dựng thử nghiệm hệ thống trực quan hoá dữ liệu trạng thái giao thông trên nền bản đồ số từ thông tin trạng thái giao thông của một số tuyến phố chính Hà Nội

Phần kết luận tổng kết, đánh giá những kết quả đạt được của luận văn và

đưa ra hướng phát triển các nội dung nghiên cứu của luận văn

3

Chương 1 Các vấn đề lý thuyết liên quan

1.1 Hệ thống thông tin địa lý (GIS)

Hệ Thông tin địa lý (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 địa lý, trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất từ các bản đồ 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 vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược)[1]

1.1.1 Khái niệm về GIS

Có nhiều cách tiếp cận khác nhau liên quan đến định nghĩa Hệ thống thông tin địa lý [1]:

Định nghĩa theo chức năng: GIS là một hệ thống bao gồm 4 hệ con: Dữ

liệu vào, quản trị dữ liệu, phân tích dữ liệu và dữ liệu ra

Định nghĩa theo khối công cụ: GIS là tập hợp phức tạp của các thuật toán Định nghĩa theo mô hình dữ liệu: GIS gồm các cấu trúc dữ liệu được sử

dụng trong các hệ thống khác nhau (cấu trúc dạng Raster và Vecter)

Định nghĩa về mặt công nghệ: GIS là công nghệ thông tin để lưu trữ, phân

tích và trình bày các thông tin không gian và thông tin phi không gian, công nghệ GIS có thể nói là tập hợp hoàn chỉnh các phương pháp và các phương tiện nhằm sử dụng và lưu trữ các đối tượng

Định nghĩa theo sự trợ giúp và ra quyết định: GIS có thể coi là một hệ

thống trợ giúp việc ra quyết định, tích hợp các số liệu không gian trong một cơ chế thống nhất

Nói tóm lại theo BURROUGHT: “GIS như là một tập hợp các công cụ cho việc thu nhập, lưu trữ, thể hiện và chuyển đổi các dữ liệu mang tính chất không gian từ thế giới thực để giải quyết các bài toán ứng dụng phục vụ các mục đích cụ thể”

Mô hình chung một hệ thống thông tin địa lý được thể hiện tại hình 1.1

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin địa lý

4

1.1.2 Các thành phần của GIS

GIS được kết hợp bởi năm thành phần chính được biểu diễn tại hình 1.2 bao gồm: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người và phương pháp quản lý[1,6,14]

Hình 1.2 Các thành phần của GIS 1.1.2.1 Phần cứng

Phần cứng là hệ thống máy tính trên đó một hệ GIS hoạt động Ngày nay, phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng

1.1.2.2 Phần mềm

Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý Các thành phần chính trong phần mềm GIS là:

+ Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý

+ Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS)

+ Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý

+ Giao diện đồ hoạ người-máy (GUI) để truy cập dễ dàng

1.1.2.3 Dữ liệu

Có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu Các

dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc được mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để

tổ chức lưu giữ và quản lý dữ liệu