Xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý phục vụ quản lý hoạt động của tàu tại cầu cảng cấm và cảng nam hải hải phòng

2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Đào Quốc Khánh XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUẢN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU TẠI CẦU CẢNG CẤM VÀ CẢNG NAM HẢI, HẢI

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Đào Quốc Khánh

XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUẢN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU TẠI CẦU CẢNG CẤM VÀ CẢNG

NAM HẢI, HẢI PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2017

2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Đào Quốc Khánh

XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUẢN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU TẠI CẦU CẢNG CẤM VÀ CẢNG

NAM HẢI, HẢI PHÒNG

Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thị Thúy Hằng

XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG

thạc sĩ khoa học

Hà Nội - 2017

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Thị Thúy Hằng

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Đào Quốc Khánh

4

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các

thầy cô, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý

báu đó

Trước hết, tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS

Nguyễn Thị Thúy Hằng, người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình cũng như định

hướng về phương pháp làm việc và phương pháp nghiên cứu, tạo mọi điều kiện để

tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong bộ môn Bản đồ,

Viễn thám và Hệ thông tin địa lý, các thầy cô trong khoa Địa lý, Trường Đại học

Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt

những năm học vừa qua

Tôi xin cảm ơn Tổng công ty Bảo đảm an toàn hàng hải miền Bắc, Cảng vụ

Hải Phòng đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn với gia đình, người thân và bạn bè về

sự động viên giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Đào Quốc Khánh

5

MỤC LỤC

CHỮ VIẾT TẮT 9

DANH MỤC HÌNH ẢNH 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU 11

1 Tính cấp thiết 12

2 Mục tiêu nghiên cứu 13

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 13

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 14

5 Phương pháp nghiên cứu 14

6 Cơ sở tài liệu 14

7 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 15

8 Bố cục của luận văn 15

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN NGHIÊN CỨU CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA LÝ QUẢN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU 16

1.1 Tổng quan công trình nghiên cứu cơ sở dữ liệu địa lý quản lý các hoạt động của tàu 16

1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam 16

1.1.2 Tổng quan công tác quản lý tại cảng Hải Phòng 17

1.1.3 Một số khái niệm sử dụng trong ngành hàng hải 18

1.2 Một số vấn đề về xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý 21

1.2.1 Khái niệm về cơ sở dữ liệu 21

1.2.2 Cơ sở dữ liệu nền địa lý 22

1.2.3 Cơ sở dữ liệu địa lý quản lý tàu thuyền 25

1.2.4 Tình hình nghiên cứu cơ sở dữ liệu và áp dụng vào quản lý cảng tại Việt Nam 27

6

1.3 Các phương pháp sử dụng để xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ công tác

quản lý tàu thuyền tại cảng và quy trình nghiên cứu 28

1.3.1 Phương pháp thu thập phân tích dữ liệu 28

1.3.2 Phương pháp bản đồ 28

1.3.3 Phương pháp điều tra thực địa 29

1.3.4 Phương pháp GIS 29

1.3.5 Quy trình nghiên cứu 30

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA LÝ QUẢN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU THUYỀN 31

2.1 Chuẩn cơ sở dữ liệu quốc gia về hệ thông tin địa lý 31

2.1.1 Chuẩn thuật ngữ 32

2.1.2 Chuẩn mô hình cấu trúc dữ liệu địa lý 33

2.1.3 Chuẩn về hệ thống tham chiếu không gian 33

2.1.4 Chuẩn về phân loại đối tượng địa lý 34

2.1.5 Chuẩn về siêu dữ liệu địa lý - Metadata 34

2.1.6 Chuẩn về chất lượng dữ liệu địa lý 34

2.1.7 Chuẩn thể hiện trình bày dữ liệu địa lý 35

2.1.8 Chuẩn về mã hóa trong trao đổi dữ liệu địa lý 35

2.2 Thiết kế cơ sở dữ liệu địa lý phục vụ công tác quản lý tàu tại cảng 35

2.2.1 Khái niệm cơ sở dữ liệu theo chuẩn S-57 35

2.2.2 Cấu trúc của tiêu chuẩn 36

2.2.3 Lý thuyết mô hình dữ liệu của tiêu chuẩn S-57 36

2.2.4 Tiêu chuẩn TC211 và tiêu chuẩn S-57 39

2.3 Khái niệm hệ thống thông tin địa lý thời gian thực 40

2.3.1 Hệ thống hiển thị thông tin hải đồ điện tử ECDIS 40

7

2.3.2 Hệ thống hiển thị hải đồ điện tử ECS 42

2.4 Thiết kế cơ sở dữ liệu khu vực cầu Cảng Cấm và Nam Hải 43

2.4.1 Đặc điểm chung của khu vực cảng Hải Phòng 43

2.4.2 Yêu cầu trong thiết kế cơ sở dữ liệu địa lý phục vụ quản lý tàu thuyền 47

2.4.3 Thiết kế cơ sở dữ liệu địa lý phục vụ quản lý tàu thuyền 47

CHƯƠNG 3 – XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA LÝ PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ TÀU TẠI CẢNG CẤM VÀ CẢNG NAM HẢI 50

3.1 Công tác quản lý cảng và tàu thuyền tại cảng 50

3.1.1 Quản lý theo dõi và dẫn tàu 50

3.1.2 Quản lý các yếu tố cơ sở hạ tầng cảng 52

3.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý phục vụ quản lý các hoạt động của tàu 53 3.2.1 Khảo sát thực tế và phân tích nhu cầu của các dạng người dùng 53

3.2.2 Lựa chọn công nghệ xây dựng cơ sở dữ liệu, lưu trữ và xử lý thông tin 54

3.2.3 Quy trình công nghệ xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý 56

3.2.3.1 Thu thập dữ liệu độ sâu tại khu vực nghiên cứu 57

3.2.3.2 Thu thập thông tin thuộc tính 61

3.2.3.3 Tham chiếu địa lý các loại tài liệu 62

3.2.3.4 Xây dựng metatada và các nhóm dữ liệu khác 63

3.2.3.5 Chuẩn hóa theo S-57 các lớp thông tin của cơ sở dữ liệu địa lý phục vụ quản lý các hoạt động của tàu tại khu vực cảng Cấm và cảng Nam Hải 64

3.2.3.6 Đánh giá và kiểm tra dữ liệu 74

3.2.4 Kết quả sản phẩm dữ liệu phục vụ quản lý tàu thu được 76

8

3.2.4.1 Hoàn thiện và đóng gói sản phẩm 76

3.2.4.2 Nạp thử trên hệ thống thông tin địa lý thời gian thực 77

3.3 Khai thác cơ sở dữ liệu địa lý phục vụ các hoạt động của tàu tại cầu Cảng Cấm và cảng Nam Hải trên Sông Cấm thuộc cảng Hải Phòng 79

3.3.1 Phục vụ giám sát tàu thuyền tại cảng 79

3.3.2 Phục vụ hoạt động dẫn tàu và các vận động trong vùng nước trước cảng 80

3.3.3 Phục vụ hoạt động truy vấn và tra cứu thông tin kho bãi, cầu cảng 81

3.3.4 Các ứng dụng khác 82

KẾT LUẬN 84

KIẾN NGHỊ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC 88

Phụ lục 1: Danh mục các đối tượng S-57 88

Phụ lục 2: Danh mục các thuộc tính trong S-57 93

Phụ lục 3: Danh mục các đối tượng yêu cầu bổ sung bởi người dùng 98

ENC Electronic Navigational Chart - hải đồ hàng hải điện tử

ECS Electronic Chart System - hệ thống hải đồ điện tử

ECDIS Electronic Chart and Display Information System – hệ

thống hiển thị thông tin hải đồ điện tử

XML eXtensible Markup Language – ngôn ngữ đánh dấu mở

rộng

GIS Geographic Information System - hệ thông tin địa lý

IHO International Hydrographic Organization - Tổ chức thủy

đạc thế giới IMO International Maritime Organization - Tổ chức Hàng hải

thế giới SOLAS Safety of Lives at Sea – Hiệp định về an toàn sinh mệnh

trên biển

10

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Cơ sở dữ liệu nền trong mối quan hệ với dữ liệu chuyên đề 24

Hình 1 2 Mô hình các lớp dữ liệu trong GIS 25

Hình 1 3 Quy trình nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu 30

Hình 2 1 Mô hình cấu trúc đối tượng trong S-57 37

Hình 2 2 Miêu tả mô hình cấu trúc trong S-57 38

Hình 2 3 Các thành phần và lắp đặt ECDIS trên buồng lái 41

Hình 2 4 Tổng quan khu vực khảo sát và xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý 46

Hình 2 5 Mô hình phát triển cơ sở dữ liệu quản lý hoạt động của tàu tại cảng 47

Hình 2 6 Quy trình chuẩn hóa dữ liệu DGN và S-57 49

Hình 2 7 Modul chuẩn hóa từ lớp dữ liệu Microstation sang đối tượng S-57 49

Hình 3 1 Giám sát tàu thuyền trên trên nền ảnh vệ tinh Google Earth 51

Hình 3 2 Tọa độ tàu trên hải đồ điện tử dự kiến theo từng khoảng thời gian khi cập cảng trên hệ thống ECDIS 52

Hình 3 3 Sơ đồ tổng quát quy trình công nghệ xây dựng CSDL địa lý khu vực 56

Hình 3 4 Mô hình đo sâu sử dụng máy đo đa tia 57

Hình 3 5 Biểu diễn các tham số đo đạc 58

Hình 3 6 Bản vẽ kết quả đo đạc khu vực khảo sát dưới nước 61

Hình 3.7 Bản đồ chi tiết quy hoạch kho bãi tại cảng 63

Hình 3.8 Dữ liệu Metadata cho cơ sở dữ liệu khu vực nghiên cứu 64

Hình 3 9 Chuẩn hóa thuộc tính lớp cơ sở dữ liệu nền địa lý 65

Hình 3 10 Chuẩn hóa thuộc tính lớp cơ sở thủy đạc 66

Hình 3 11 Quy trình xây dựng bENC và BAG 71

Hình 3 12 Sự hiển thị củadữ liệu bENC 72

Hình 3 13 Bề mặt đáy biển thể hiện với độ phân giải 1m và 5m 74

Hình 3 14 Cơ sở dữ liệu kết hợp bề mặt đáy biển độ phân giải 1m 74

Hình 3 15 Kiểm tra sự hợp lệ của cơ sở dữ liệu theo tiêu chuẩn S-58 75

Hình 3 16 Cấu trúc thư mục chứa bộ sản phẩm hải đồ điện tử 76

Hình 3 17 Sử dụng cơ sở dữ liệu hải đồ điện tử kết hợp AIS để giám sát tàu 80

Hình 3 18 Sử dụng cơ sở dữ liệu cho nhiệm vụ dẫn đường và hỗ trợ cập cảng 81

Hình 3 19 Hiển thị cơ sở dữ liệu hải đồ điện tử trên phần mềm ArcGIS 82

Hình 3 20 Sử dụng cơ sở dữ liệu hải đồ điện tử cho mục đích dẫn đường trên thiết bị di động hệ điều hành Android 83

11

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Danh mục các chuẩn 32 Bảng 3.1 Bảng thiết bị và chỉ tiêu kỹ thuật đo đạc 59

Cảng cũng chính là các điểm bắt đầu cũng như kết thúc của mỗi con tàu trên một hành trình Từ năm 2012 đến 2018 bắt buộc các tàu chở khách, chở dầu và chở hàng lắp đặt Hệ thống hiển thị thông tin và hải đồ điện tử (ECDIS) theo quy định của Tổ chức Hàng hải thế giới Hải đồ điện tử hàng hải (Eletronic Navigational Chart) được sử dụng trong các hệ thông tin địa lý thời gian thực ECDIS để hỗ trợ dẫn đường cho tàu trong vùng nước tự do và vùng nước ven biển nhằm thay thế hải

đồ giấy

Tuy nhiên, do đặc thù của yêu cầu hàng hải đối với cảng nên còn rất nhiều thông tin cần thiết cho nhiệm vụ quản lý cảng không được đề cập trong các tiêu chuẩn hiện tại cho hải đồ điện tử Các nhiệm vụ thông thường như quay tàu, thả neo

và cập cảng yêu cầu thông tin đáng tin cậy, chi tiết và độ chính xác cao các đối tượng vật lý trong cảng Bên cạnh đó, hoa tiêu dẫn tàu vào cảng yêu cầu các thông tin bổ sung về độ sâu và các đối tượng đặc thù ví dụ như: điểm thả neo, cọc bích, cần trục nâng hàng… để thuận tiện hỗ trợ ra quyết định hàng hải trong các vùng nước nhỏ hẹp hoặc trong cảng Ngoài ra, tiêu chuẩn hiện tại cho khảo sát thủy đạc của Tổ chức Thủy đạc thế giới S-44 mới chỉ đề cập đến độ chính xác của các đối tượng dưới nước, chưa có các đánh giá và tiêu chuẩn cụ thể cho các đối tượng địa hình, các đối tượng hỗ trợ hoạt động của tàu

Tại Việt Nam hải đồ điện tử đã được Bộ Giao thông vận tải xây dựng và ban hành quy chuẩn quốc gia nhằm áp dụng thống nhất cho các cơ quan thủy đạc (TCVN 10337: 2015) [2], tuy nhiên hải đồ mới chỉ dừng lại ở mục đích chính cho

an toàn hàng hải trong vùng nước xa bờ và từ phao báo hiệu an toàn đến hết luồng hàng hải Các thông tin chi tiết trong khu vực trước cảng và các đối tượng đặc thù phục vụ hoạt động quản lý, cập bến chưa được đề cập trong quy chuẩn này

Do vậy, với đề tài nghiên cứu “Xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý phục vụ quản

lý hoạt động của tàu tại cầu cảng Cấm và cảng Nam Hải, Hải Phòng ” học viên

sẽ cố gắng đưa ra những ý tưởng và giải pháp ứng dụng GIS một cách rộng rãi hơn, toàn diện hơn để giải quyết các vấn đề còn tồn tại trên trong công tác quản lý các hoạt động của tàu tại khu vực sông Cấm, Hải Phòng

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý phục vụ công tác quản lý cảng và hỗ trợ các hoạt động của tàu trong vùng nước trước cầu Cảng Cấm và cảng Nam Hải trên sông Cấm, Hải Phòng tỷ lệ 1/2000

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên, đề tài đã tiến hành giải quyết các nhiệm vụ sau

- Tổng quan các vấn đề liên quan đến hoạt động quản lý cảng và vận động hàng hải tại vùng nước trước cảng

- Phân tích các nhu cầu người dùng và xây dựng mô hình dữ liệu địa lý theo tiêu chuẩn S-57, xây dựng dữ liệu có bổ sung yêu cầu mới

14

- Xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý phục vụ các hoạt động của tàu tại cầu Cảng Cấm và cảng Nam Hải trên sông Cấm, Hải Phòng

- Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý thời gian thực ECS/ECDIS vận hành kết hợp

cơ sở dữ liệu địa lý hàng hải

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Các lớp dữ liệu phục vụ nhiệm vụ quản lý và vận hành tàu

Phạm vi không gian nghiên cứu: Không gian nghiên cứu được giới hạn trong khu vực từ cầu cảng Đài Hải đến cảng Đoạn Xá trên sông Cấm, Hải Phòng

5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp thu thập phân tích dữ liệu: nhằm đánh giá tổng quan về vấn

đề nghiên cứu và làm rõ các nội dung cần nghiên cứu

- Phương pháp bản đồ: Phương pháp này giúp đọc và phân tích các tài liệu

bản đồ, hiển thị kết quả

- Phương pháp điều tra thực địa: để thu thập số liệu địa hình và độ sâu làm

rõ những vấn đề của thực tiễn, đánh giá nhu cầu và xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ

cho các nghiên cứu của đề tài Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa còn được sử

dụng để: thử nghiệm với dữ liệu kết quả tại khu vực thực địa để kiểm tra và đánh giá các ưu việt so với các dạng dữ liệu trước đó

- Phương pháp GIS: nhằm thiết kế, tổ chức xây dựng cơ sở dữ liệu thuộc tính

và không gian cho các thực thể tại khu vực nghiên cứu

6 Cơ sở tài liệu

Tài liệu phục vụ cho đề tài bao gồm tài liệu do học viên tự thu thập được, tài liệu điều tra khảo sát tại thực địa, chi tiết như sau:

- Cơ sở dữ liệu địa lý nền hải đồ tỷ lệ 1/25.000 khu vực luồng Sông Cấm

- Bản đồ quy hoạch chi tiết các cầu cảng và kho bãi tỷ lệ 1/500

- Atlas hệ thống đèn biển Việt Nam

7 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học:

Kết quả nghiên cứu về lý luận của đề tài góp phần xây dựng cơ sở khoa học trong việc xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý cho một chuyên đề cụ thể, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn giúp xác định cơ sở khoa học trong việc xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ công tác quản lý các hoạt động của tàu trong vùng nước trước cảng

- Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả thực nghiệm của để tài là sản phẩm tham khảo có giá trị cho công tác quản lý cảng và hỗ trợ tàu thuyền nói chung và đáp ứng công tác quản lý tàu tại khu vực Cảng Cấm và cảng Nam Hải nói riêng

8 Bố cục của luận văn

Luận văn được trình bày trong 96 trang, với 21 hình, 2 bảng, nội dung các chương ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận văn bao gồm 3 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan cơ sở dữ liệu địa lý quản lý các hoạt động của tàu Chương 2: Cơ sở dữ liệu địa lý quản lý các hoạt động của tàu

Chương 3: Xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý phục vụ công tác quản lý tàu tại Cảng Cấm và cảng Nam Hải

Các vận động của tàu tại cảng được tối ưu bằng cách áp dụng những phương tiện kỹ thuật hiện đại và cơ sở dữ liệu chính xác, cập nhật liên tục Tại cảng Rotterdam, Hà Lan các nhà quản lý cảng đã phát triển dạng dữ liệu riêng để đáp ứng với yêu cầu ngày càng tăng về sự hoạt động của các con tàu lớn hơn trong cảng khi không thể tiếp tục mở rộng diện tích mặt bằng của cảng.Cảng vụ sử dụng cơ sở dữ liệu địa lý để truy cập và cập nhật nhiều dạng thông tin trong cảng Cơ sở dữ liệu này đóng vai trò trung tâm trong việc quản lý môi trường làm việc, quản lý giao thông hàng hải, lập kế hoạch khu vực, phát triển cảng và phản ứng với sự cố

Trong nước

Trong những năm gần đây, ở nước ta, sự phát triển của công nghệ GIS đã hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý cảng và hỗ trợ dẫn tàu Thông qua các dự án khác nhau, một số thông tin về cảng và các công trình phụ trợ đã từng bước được nâng cấp và quản lý bằng hệ thống tin học và công nghệ GIS Hải quân Việt Nam đã xây dựng nhiều bản đồ, bao gồm cả hải đồ điện tử ở các tỷ lệ nhằm phục vụ các yêu cầu hàng hải khác nhau như tổng đồ, hải đồ ven biển, lối vào cảng Cục Hàng hải, Bộ Giao thông vận tải cũng đã có những dự án triển khai lắp đặt thiết bị dẫn đường và giám sát quản lý báo hiệu hàng hảitrên nền cơ sở dữ liệu địa lý dựa vào công nghệ nhận dạng tự động AIS