Ứng dụng công nghệ GIS và lý thuyết đồ thị trong việc hỗ trợ giám sát mạng viễn thông di động

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Đào Quang Tiến
Tên đề tài: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ
LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ TRONG VIỆCHỖ TRỢ GIÁM SÁT MẠNG VIỄN
THƠNG DI ĐỘNG

Chun ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 0101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐẶNG VĂN ĐỨC

Thái Nguyên, tháng

năm 2016


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đào Quang Tiến
Sinh ngày: 03/09/1983
Học viên lớp cao học CHK13E - Trường Đại học Công nghệ thông tin và
Truyền thông – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Sở Thông tin và Truyền thông tỉnh Phú Thọ.
Xin cam đoan: Đề tài “Ứng dụng công nghệ GIS và lý thuyết đồ thị trong
việc hỗ trợ giám sát mạng viễn thông di động” do Thầy giáo PGS.TS. Đặng Văn
Đứchướng dẫn là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Tất cả tài liệu tham khảo đều
có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội
dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tơi hồn tồn
chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật.
Thái Nguyên, ngày ... tháng … năm 2016
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

i


LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên,
giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Đặng Văn Đức,
luận văn với đề tài “Ứng dụng công nghệ GIS và lý thuyết đồ thị trong việc hỗ trợ
giám sát mạng viễn thơng di động”đã hồn thành.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Đặng Văn Đứcđã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tơi hoàn thành luận văn này.
Khoa Sau đại học Trường Đại học công nghệ thông tin và truyền thông đã
giúp đỡ tơi trong q trình học tập cũng như thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên,
khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập, thực hiện và hoàn
thành luận văn này.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ viii
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ LÝ
THUYẾT ĐỒ THỊ ……………………………………………………………… 7
1.1

HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ...................................................... 7

1.1.1 Các khái niệm về GIS ............................................................................................ 7
1.1.2

Kiến trúc của GIS ............................................................................................. 9

1.1.3 Mơ hình dữ liệu khơng gian ................................................................................. 11
1.1.4 Các phép phân tích khơng gian trong GIS ........................................................... 13
1.1.4.1 Tìm kiếm theo vùng ................................................................................................14
1.1.4.2Tìm kiếm lân cận .....................................................................................................14
1.1.4.3 Phân tích đường đi và dẫn đường ............................................................................14
1.1.4.4 Tìm kiếm hiện tượng và bài tốn chồng phủ............................................................14
1.1.4.5 Nắn chỉnh dữ liệu khơng gian .................................................................................18
1.1.4.6 Tổng qt hóa dữ liệu khơng gian ...........................................................................19

1.1.5 Trình diễn bản đồ trong GIS ................................................................................ 19
1.1.6 Ứng dụng của hệ thông tin địa lý ......................................................................... 24
1.2 LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ ............................................................................................ 27
1.1.1Các khái niệm về đồ thị ......................................................................................... 27
1.1.2 Biểu diễn đồ thị trên máy tính ............................................................................ 29

Ma trận kề ..........................................................................................................................29

1.1.3 Tập độc lập (Independent set) .............................................................................. 30
1.1.4 Tập độc lập cực đại (Maximum Independent set) ................................................ 31
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.............................................................................................. 32

iii


CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ VÀ GIS HỖ TRỢ GIÁM
SÁT GSM………………………………………………………………………….33
2.1 XÂY DỰNG BÀI TOÁN GIÁM SÁT TRẠM PHÁT (BTS) CỦA MẠNG
VIỄN THÔNG DI ĐỘNG 33
2.1.1Hiện trạng quản lý hạ tầng mạng viễn thông ........................................................ 33
2.1.2 Đánh giá hệ thống mạng viễn thông .................................................................... 36
2.1.3 Nhu cầu phát triển xây dựng hệ thống giám sát mạng viễn thơng ....................... 38
2.2 MƠ HÌNH HĨA CÁC TRẠM PHÁT BTS SỬ DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ ... 40
2.2.1 Lập ma trận đánh giá ............................................................................................ 40
2.2.1.1 Xấp xỉ hình học dạng phát sóng phủ .......................................................................40
2.2.1.2 Xây dựng mơ hình lớp dữ liệu khơng gian phủ sóng trên tất cả các hướng của N
điểm phát sóng BTS ...........................................................................................................45
2.2.1.3 Mơ hình hóa mạng lưới phủ sóng BTS ....................................................................45

2.2.2 Tính tốn, tổng hợp và đánh giá các kết quả........................................................ 45
2.3 CÁC THUẬT TOÁN HỖ TRỢ THIẾT KẾ GIÁM SÁT MẠNG VIỄN THÔNG
DI ĐỘNG ...................................................................................................................... 46
2.3.1 Thuật toán xếp chồng lớp bản đồ. ........................................................................ 50
2.3.2 Trình diễn dữ liệu địa lý. ...................................................................................... 56
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.............................................................................................. 56
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM

3.1. Bài tốn ..............................................................................................................58
3.1.1.1- Input: ................................................................................................................. 58
3.1.1.2- Output: ............................................................................................................. 58
3.2. Cơng cụ xây dựng chương trình .........................................................................60
3.3. Dữ liệu xây dựng trong chương trình .................................................................60
3.4. Thiết kế đặc tả chức năng ...................................................................................60
3.5. Cài đặt và thử nghiệm ........................................................................................61
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 …………………………………………………………65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 67

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Hệ thống thơng tin địa lý................................................................................. 8
Hình 1.2. Tầng (layer) bản đồ ......................................................................................... 8
Hình 1.3. Các thành phần của GIS .................................................................................. 9
Hình 1.4. Biểu diễn thế giới bằng mơ hình vectơ và raster........................................... 12
Hình 1.5. Chồng phủ đa giác ........................................................................................ 16
Hình 1.6. Tiến trình phủ đa giác ................................................................................... 17
Hình 1.7. Ví dụ biểu diễn vị trí nước bị ơ nhiễm ......................................................... 21
Hình 1.8. Ví dụ biểu diễn đường ................................................................................... 22
Hình 1.9. Ví dụ biểu diễn khu vực hành chính ............................................................. 22
Hình 1.10. Ví dụ về mơ hình đồ thị .............................................................................. 27
Hình 1.11. Phân loại đồ thị............................................................................................ 28
Hình 1.12. Ma trận kề vơ hướng (trên) và có hướng (dưới) ......................................... 30
Hình 1.13. Ảnh minh họa tập độc lập .......................................................................... 30
Hình 1.14. Ví dụ về Maximum Independent set .......................................................... 31
Hình 2.1. Xấp xỉ hình học cho vùng phủ sóng .............................................................. 41
Hình 2.2. Buffer của từng điểm BTS ............................................................................ 42

Hình 2.3. Điểm A, B và điểm BTS ............................................................................... 42
Hình 2.4. Tam giác IAB ................................................................................................ 43
Hình 2.5. Kết quả tạo điểm i ......................................................................................... 43
Hình 2.6. Tạo buffer của điểm i .................................................................................... 44
Hình 2.7. Điểm BTS và hướng phát sóng 0 độ ............................................................. 44
Hình 2.8. Kết quả giải bài tốn tập độc lập bằng phần mềmError! Bookmark not defined.
Hình 2.9. Đồ thị FRUCHT [8] ...................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.10. Ví dụ minh họa các bước của thuật tốn ..................................................... 49

v


Hình 2.11. Giao diện phần mềm ................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.12. Giao của hai lớp bản đồ. ............................................................................. 52
Hình 2.13. Hội của hai lớp bản đồ. ............................................................................... 53
Hình 2.14. Trừ một lớp cho lớp khác. ........................................................................... 53
Hình 2.15. Tìm điểm trong đa giác. .............................................................................. 54
Hình 2.16. Xếp chồng raster. Bằng cách dùng các lớp 1 và 2, tất cả các dạng xếp
chồng đều có thể............................................................................................................ 55
Hình 2.17. Giao diện phần mềm theo Postgres/PostGISError! Bookmark not defined.
Hình 2.18. Mơ hình hóa các lớp phủ sóng của các điểm BTSError! Bookmark not defined.
Hình 2.19. Một nghiệm sau khi chạy Independent Set AlgorithmError! Bookmark not defined.
Hình 2.20. Chọn hướng từ bảng dữ liệu các phương án phủ sóngError! Bookmark not defined.

Hình 2.21. Bảng kết quả cuối cùng để hiển thị vào khung nhìn trực quanError! Bookmark not defin
Hình 2.21. Dữ liệu địa lý khi trình diễn ........................ Error! Bookmark not defined.

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. So sánh mơ hình dữ liệu Vector và Raster. .................................................. 12
Bảng 1.2. Tổng hợp các phần tử độc lập ....................................................................... 32
Bảng 2.1. Tập độc lập S3 = {3}. Kích thước: 1 ............................................................ 49
Bảng 2.2. Tập độc lập S3 = {3}. Kích thước: 2 ............................................................ 49
Bảng 2.3. Tập độc lập S3 = {3}. Kích thước: 3 ............................................................ 50
Bảng 2.4. Tập độc lập S3 = {3}. Kích thước: 4 ............................................................ 50

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ hoặc

Từ tiếng Anh

cụm từ

Từ tiếng Việt

BTS

Base Tranceiver Station

BSC

Base Station Control

GIS

Trạm trung chuyển thu và phát
sóng điện thoại di động
Trạm điều khiển cơ sở

Geographic Information
System

Hệ thống thông tin địa lý

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

RS

Remote Sensing

Viễn thám

Supervisory Control And Data

Điều khiển giám sát và thu

Acquisition

nhận dữ liệu

SCADA
TT&TT

Thông tin và Truyền thông

UBND

Ủy ban nhân dân

DEM

Digital Elevation Model

Mơ hình độ cao số

DTM

Digital Terrain Model

Mơ hình địa hình số

DSM

Digital Surface Model

Mơ hình bề mặt số

MIS

Maximum Independent Set

Tập độc lập cực đại

Roadming

Chuyển vùng

viii


LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính khoa học và cấp thiết của đề tài
Hệ thống thông tin địa lý ( Geographic Information System - GIS) là sự kết hợp
giữa tin học và thơng tin địa lý, nó được xem như là hệ thống hỗ trợ ra quyết định.
Với những tính năng ưu việt, kỹ thuật GIS ngày nay đang được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực nghiên cứu và quản lý. Hiệu quả của ứng dụng công nghệ GIS trong
quản lý hạ tầng viễn thơng đã mang lại nhiều ích lợi trong quản lý nhà nước. Do
vậy, qui hoạch và phát triển hạ tầng viễn thông thụ động đã được UBND tỉnh Phú
Thọ phê duyệt, hỗ trợ cho qui hoạch và phát triển đơ thị của thành phố Việt Trì.
Với định hướng phát triển kinh tế xã hội theo hướng du lịch, dịch vụ, UBND
tỉnh Phú Thọ và thành phố Việt Trì đã phê duyệt ngầm hóa 22 tuyến đường nội thành
đối với các thiết bị hạ tầng Viễn thông nhằm chỉnh trang cảnh quan đơ thị, xây dựng
thành phố Việt Trì xanh, sạch và đẹp. Các nhà nghiên cứu đã triển khai nhiều đề tài,
dự án và ứng dụng với công nghệ GIS, GPS và RS trong công tác quản lý cây xanh,
hệ thống giao thông, các đối tượng dịch vụ du lịch, mạng lưới điện,…kết quả đã hỗ
trợ rất tích cực trong công tác quản lý, quy hoạch để giúp cho lãnh đạo ra quyết định
chính xác.
Hiện nay trên địa bàn tỉnh Phú Thọ có 11 huyện (Phù Ninh, Hạ Hịa, Lâm
Thao, Tam Nông, Thanh Thủy, Thanh Sơn, Tân Sơn, Thanh Ba, Cẩm Khê, Đoan
Hùng, Yên Lập), 01 thị xã (T.X Phú Thọ), 01 thành (TP Việt Trì) và có 05 doanh

nghiệp tham gia cung cấp các dịch vụ Viễn thông là: Viễn thơng Phú Thọ trực thuộc
Tập đồn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT), Tổng công ty Viettel Quân đội
- Chi nhánh tại Phú Thọ (Viettel), Công ty Thông tin di động - Chi nhánh tại Phú
Thọ (MobiFone), Công ty Cổ phần Bưu chính Viễn thơng Sài Gịn - chi nhánh tai
Hà Nội (SPT) và Trung tâm thông tin di động (Vietnamobile) thuộc Công ty cổ
phần Viễn thông Hà Nội (Hanoi Telecom).

1


Hạ tầng Viễn thông của các doanh nghiệp ngày càng phát triển, đáp ứng tốt
nhu cầu sử dụng dịch vụ của người dân, doanh nghiệp và các nhà đầu tư trên địa
bàn tỉnh. Theo thống kế đến hết năm 2014, trên địa bàn tỉnh Phú Thọ có tổng 1.742
trạm thu phát thông tin di động (BTS), 07 bộ điều khiển trạm gốc (BSC), 103 tuyến
cáp, 247 thuê bao kinh doanh và dịch vụ internet cơng cộng. Riêng thành phố Việt
Trì có 190 trạm BTS.
Vấn đề đặt ra cho quản lý nhà nước về lĩnh vực thông tin và truyền thông là
hỗ trợ tích cực cho các doanh nghiệp nhưng đảm bảo cảnh quan đô thị, tránh chồng
chéo trong xây dựng hạ tầng và ảnh hưởng đến các hạ tâng kỹ thuật khác (giao
thơng, cấp nước, thốt nước, điện…), phát triển đúng quy hoạch. Theo chỉ đạo của
Bộ TT&TT và UBND tỉnh, các doanh nghiệp đã tiến hành ngầm hóa và hợp tác
dùng chung hạ tầng. Đây cũng là bài toán đặt ra cho việc quản lý và tham mưu cho
lãnh đạo liên quan đến hoạt động và phát triển thông tin và truyền thơng tại địa
phương. Điều này cần có những cơng cụ hỗ trợ quản lý chính xác và hữu hiện thì
cơng nghệ GIS là sự lựa chọn phù hợp nhất hiện nay.
Với những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài “Ứng dụng công nghệ GIS và lý
thuyết đồ thị trong việc hỗ trợ giám sát mạng viễn thông di động”làm đề tài
nghiên cứu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Khoa học máy tính. Đề tài
nhằm ứỨng dụng hệ thống thông tin địa lý GIS vào công tác quản lý hạ tầng viễn
thông tại thành phố Việt Trì nhằm nâng cao hiệu quả cơng tác quản lý nhà nước về

lĩnh vực quản lý thông tin và truyền thông trên địa bàn.
Mục tiêu của đề tài: nghiên cứu phương pháp đánh giá trong GIS sử dụng hệ
thống thông tin địa lý và lý thuyết đồ thị ứng dụng bài tốn hỗ trợ giám sát mạng
viễn thơng di động tại thành phố Việt Trì - Tỉnh Phú Thọ.
2. Cập nhật tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
 Ngoài nước

2


Đã có nhiều bài báo cáo về ứng dụng GIS để quy hoạch quản lý mạng viễn
thông di động. Cụ thể là:
-Vincenzo

Barrile[1], GIS hỗ trợ quy hoạch BTS cho di động trong bối cảnh đô thị

(GIS supporting the Plan of BTS (Base Transceiver Stations) for mobile network
in urban context), ở Italya: dự án sử dụng cơng cụ và thuật tốn GIS để tối ưu
vận hành bằng cách tìm vị trí thích hợp để đặt trạm BTS, dự án sử dụng dữ liệu
không gian ba chiều.
-Kuboye

B. M. và Dada O.A., Akinwonmi F.C.[2], dùng GIS để giám sát các trạm

gốc GSM (GSM Base Station Location Monitoring), Thụy sĩ: tập hợp dữ liệu
phục vụ quản lý trạm BTS trong khu vực và hiển thị dữ liệu một cách trực quan.
-SunZou[3],

Quản lý cơ sở trạm hệ thống thông tin dựa trên GIS (The base station

infomation management system based on GIS), Trung Quốc: sử dụng công cụ
ARCGIS nhằm quản lý khối lượng lớn thông tin, hỗ trợ phân tích đánh giá trên
nền dữ liệu khơng gian một cách trực quan và hiệu quả.
 Trong nước
Ngày càng nhiều các trạm BTS được xây dựng phục vụ cho cuộc sống ngày
càng tốt hơn. Tuy nhiên cũng có vài bất cập trong việc xây dựng về mặt vị trí khơng
được hợp lý và nhiều dự án ứng dụng GIS có thể giúp giải quyết các vấn đề này.
Các dự án cụ thể:
-TS.Đoàn

Bảo Hùng[4], 2011. Ứng dụng GIS trong quản lý hạ tầng ngầm cáp viễn

thông và quy hoạch trạm BTS tại Tp. Huế, báo cáo đề tài Khoa Học và Công
Nghệ, Bộ thông tin truyền thông, Vụ Khoa Học và Công Nghệ Tp. Huế: sử dụng
khả năng phân tích khơng gian GIS kết hợp với cơng nghệ hiện nay như: công
nghệ thông tin, lý thuyết đồ thị, phương pháp quy hoạch đơ thị. Giúp việc quản lý
tình trạng sử dụng chung một đường cổng cáp của nhiều nhà mạng một cách hiệu
quả và khả năng chia sẻ thông tin trong ngành nhanh chóng.

3


-Ứng

dụng WebGIS quản lý cơ sở hạ tầng bưu chính viễn thông tại Quảng Ninh,

công ty cổ phần công nghệ thông tin địa lý eK: sử dụng công nghệ WebGIS
nhằm hỗ trợ trong công tác: quy hoạch mạng lưới, cấp phép viễn thông, chia sẻ
thông tin giữa các doanh nghiệp hoạt động trên địa bàn.
-Đào

Minh Tâm[5], xây dựng hệ thống quản lý hạ tầng Bưu chính – Viễn thơng Ứng

Dụng GIS, hội thảo ứng dụng GIS toàn quốc: xây dựng phần mềm độc lập bằng
ArcEngine để quản lý dữ liệu trên SQL Server 2008 nhằm hỗ trợ trong công tác
thiết kế mạng lưới, giám sát mạng, quản lý cơ sở hạ tầng, quản lý khách hàng.
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
a. Mục tiêu
Nghiên cứu phương pháp đánh giá trong GIS sử dụng hệ thống thông tin địa
lý và lý thuyết đồ thị ứng dụng bài tốn hỗ trợ giám sát mạng viễn thơng di động tại
thành phố Việt Trì - Tỉnh Phú Thọ.
b. Đối tượng
GIS phục vụ quản lý có quy mơ hạ tầng viễn thơng tại thành phố Việt Trì,
phục vụ lãnh đạo, chỉ đạo công tác quản lý và quy hoạch hạ tầng Viễn thơng trên
địa bàn thành phố Việt Trì - tỉnh Phú Thọ. Cung cấp công cụ để quản lý nhà nước
về hạ tầng viễn thông. Phục vụ các chuyên viên trong sở trong các hoạt động tác
nghiệp, phục vụ các ban ngành trong tỉnh có nhu cầu sử dụng thông tin hạ tầng viễn
thông, chia sẻ dữ liệu hạ tầng thơng tin truyền thơng. Có khả năng mở rộng ra mạng
Internet kết nối đến các đơn vị viễn thông tiếp nhận dữ liệu và phục vụ khai thác
cho cộng đồng, người dân.
c. Phạm vi:
Dữ liệu hạ tầng viễn thơng thành phố Việt Trì - tỉnh Phú Thọ.

4


4. Phương pháp luận nghiên cứu
-

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu, tổng hợp tài liệu, phân tích,

đánh giá các phương pháp;

-

Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa:Để biết được các thông tin dữ liệu
khu vực nghiên cứu;

-

Phương pháp tổng hợp dữ liệu: Để đưa ra những số liệu có tính khách quan
cao phục vụ trợ giúp quyết định;

-

Phương pháp phân tích đặc điểm tình hình địa bàn: Xác định mức ảnh
hưởng của các yếu tố và tổng hợp các chỉ tiêu đánh giá về hình ảnh bản đồ
đơ thị;

-

Phương pháp chun gia:Đánh giá vai trị của các yếu tố ảnh hưởng;

-

Phương pháp thực nghiệm: Kiểm chứng kết quả nghiên cứu.
5. Nội dung và bố cục của luận văn
Ngồi phần mở đầu trình bày lý do chọn đề tài và phần kết luận trình bày các

kết quả đạt được của luận văn này, nội dung nghiên cứu chính được trình bày trong
ba chương như sau:

-

CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ
LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ

Nội dung chương trình bày các khái niệm cơ bản liễn qua đế lĩnh vực của
đề tài bao gồm:
 Các khái niệm về GIS , kiến trúc của GIS , mơ hình dữ liệu khơng gian,
các phép tính phân tích khơng gian trong GIS , trình diễn bản đồ trong
GIS và khả năng ứng dụng của GIS
 Các khái niệm về ồ thị, tập độc lập, tập độc lập cực đại

5


-

CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ VÀ GIS HỖ TRỢ
GIÁM SÁT GSM
.Nội dung chương trình bày các kiến thức cho việc xây dựng bài toán thiết kế

trạm phát (BTS) của mạng viễn thơng di động, mơ hình hóa các trạm phát BTS sử
dụng lý thuyết đồ thị và phân tích sau vào các thuật tốn hỗ trợ thiết kế giám sát
mạng viễn thơng di động như thuật tốn độc lập, thuật toán tập độc lập cực đại,
thuật toán xếp chồng lớp bản đồ, kết hợp thuật toán độc lập cực đại và thuật toán
xếp chồng bản đồ
-

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM
Thu thập dữ liệu bản đồ tỉnh Phú Thọ, thơng tin về vị trí và thống kê của các

trạm BTS thuộc vùng nghiên cứu, xác định mơi trường phát triển chương trình thử
nghiệm, phát triển chương trình thử nghiệm: Hỗ trợ giám sát mạng viễn thơng di
động tại thành phố Việt Trì - tỉnh Phú Thọ ứng dụng GIS và lý thuyết đồ thị, Đánh
giá kết quả thu được

6


CHƯƠNG 1

KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊA LÝ VÀ LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ
1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS)
1.1.1 Các khái niệm về GIS
Theo [6], GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục được thiết kế
để thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mơ hình hóa và hiển thị các dữ liệu qui chiếu
khơng gian để giải quyết các vấn đề quản lý và lập kế hoạch phức tạp.
Một cách đơn giản, có thể hiểu GIS như một sự kết hợp giữa bản đồ (map)
và cơ sở dữ liệu (database).
GIS = Bản đồ + Cơ sở dữ liệu
Bản đồ trong GIS là một công cụ hữu ích cho phép chỉ ra vị trí của từng địa
điểm. Với sự kết hợp giữa bản đồ và cơ sở dữ liệu, người dùng có thể xem thơng
tin chi tiết về từng đối tượng/thành phần tương ứng với địa điểm trên bản đồ thông
qua các dữ liệu đã được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu. Ví dụ, khi xem bản đồ về các
thành phố, người dùng có thể chọn để xem thơng tin về thành phố đó như diện tích,
số dân, thu nhập bình qn, số quận/huyện của thành phố, …
Độ phức tạp của thế giới thực là không gian hữu hạn. Càng quan sát thế giới
gần hơn càng thấy được chi tiết hơn. Con người mong mỏi lưu trữ, quản lý đầy đủ
các dữ liệu về thế giới thực. Điều này dẫn đến yêu cầu phải có cơ sở dữ liệu lớn vơ
hạn để lưu trữ mọi thơng tin chính xác về chúng. Do vậy, để lưu trữ được dữ liệu

không gian của thế giới thực vào máy tính thì phải giảm số lượng dữ liệu đến mức
có thể quản lý được bằng tiến trình đơn giản hố hay trừu tượng hố (Hình 1.1).
Trừu tượng là đơn giản hố một cách thơng minh. Trừu tượng cho ta tổng quát hoá
và “ý tưởng” hoá vấn đề đang xem xét. Chúng loại bỏ đi các chi tiết dư thừa mà chỉ
tập trung vào các điểm chính, cơ bản. Các đặc trưng địa lý phải được biểu diễn bởi
các thành phần rời rạc hay các đối tượng để lưu vào CSDL máy tính.

7


Hình 1.1. Hệ thống thơng tin địa lý
GIS lưu trữ thông tin thế giới thực thành các tầng (layer) bản đồ chuyên đề
mà chúng có khả năng liên kết địa lý với nhau. Giả sử ta có vùng quan sát như trên
Hình 1.2

Hình 1.2. Tầng (layer) bản đồ
Mỗi nhóm người sử dụng sẽ quan tâm đến một hay là vài loại thơng tin. Thí
dụ, Sở giao thơng cơng chính sẽ quan tâm nhiều đến hệ thống đường phố. Sở nhà
đất quan tâm nhiều đến các khu dân cư và công sở. Sở thương mại quan tâm nhiều
đến phân bổ khách hàng trong vùng. Tư tưởng tách bản đồ thành tầng tuy đơn giản
nhưng khá mềm dẻo và hiệu quả, chúng có khả năng giải quyết rất nhiều vấn đề về
thế giới thực, từ theo dõi điều hành xe cộ giao thơng, đến các ứng dụng lập kế
hoạch và mơ hình hố lưu thơng. Ta có thể sử dụng tiến trình tự động, gọi là mã

8


hoá địa lý (geocoding) để liên kết dữ liệu bên ngồi với dữ liệu bản đồ. Thí dụ sử
dụng mã hố địa lý để ánh xạ thơng tin bán hàng bằng mã bưu điện (ZIP) hay chỉ ra
địa chỉ khách hàng trên bản đồ bằng các điểm.

1.1.2 Kiến trúc của GIS
GIS được kết hợp bởi 5 thành phần chính: phần cứng, phần mềm, dữ liệu,
con người, chính sách và quản lý.

Hình 1.3.Các thành phần của GIS

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

Cơng cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý

-

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS)

9


-

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

-

Giao diện đồ hoạ người – máy (GUI) để truy cập các cơng cụ dễ dàng

 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
khơng gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để tổ chức
lưu giữ và quản lý dữ liệu.
 Con người
Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu khơng có con người tham gia quản lý hệ
thống và phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế. Người sử dụng GIS có thể
là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống, hoặc những người
dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong cơng việc.
 Chính sách và quản lý
Ðây là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ
thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS. Hệ
thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ
nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người
sử dụng thông tin.
Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong 1 khung tổ chức
phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản lý, thu thập, lưu trữ và phân tích
số liệu, đồng thời có khả năng phát triển được hệ thống GIS theo nhu cầu. Trong
quá trình hoạt động, mục đích chỉ có thể đạt được và tính hiệu quả của kỹ thuật
GIS chỉ được minh chứng khi công cụ này có thể hỗ trợ những người sử dụng
thơng tin để giúp họ thực hiện được những mục tiêu công việc. Ngoài ra việc phối
hợp giữa các cơ quan chức năng có liên quan cũng phải được đặt ra, nhằm gia tăng
hiệu quả sử dụng của GIS cũng như các nguồn số liệu hiện có.

10

Như vậy, trong 5 hợp phần của GIS, hợp phần chính sách và quản lý đóng
vai trị rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, đây là yếu tố
quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS.
Trong phối hợp và vận hành các hợp phần của hệ thống GIS nhằm đưa vào
hoạt động có hiệu quả kỹ thuật GIS, 2 yếu tố huấn luyện và chính sách – quản lý là
cơ sở của thành công. Việc huấn luyện các phương pháp sử dụng hệ thống GIS sẽ
cho phép kết hợp các hợp phần: (1) Thiết bị (2) Phần mềm (3) Chuyên viên và (4)
Số liệu với nhau để đưa vào vận hành. Tuy nhiên, yếu tố chính sách và quản lý sẽ
có tác động đến tồn bộ các hợp phần nói trên, đồng thời quyết định đến sự thành
công của hoạt động GIS.
1.1.3 Mơ hình dữ liệu khơng gian
Hệ thống thơng tin địa lý làm việc với hai dạng mơ hình dữ liệu địa lý khác
nhau về cơ bản là mơ hình vector và mơ hình raster.
Mơ hình vector sử dụng tọa độ 2 chiều (x, y) để lưu trữ hình khối của các
thực thể không gian trên bản đồ 2D. Mô hình này sử dụng các đặc tính rời rạc như
điểm, đường, vùng để mô tả không gian, đồng thời cấu trúc topo của các đối tượng
cũng cần được mô tả chính xác và lưu trữ trong hệ thống.
Mơ hình raster hay cịn gọi mơ hình dạng ảnh (image) biểu diễn các đặc tính
dữ liệu bởi ma trận các ơ (cell) trong khơng gian liên tục (Hình 1.4). Mỗi ơ có chỉ
số tọa độ (coordinate) và các thuộc tính liên quan. Mỗi vùng được chia thành các
hàng và cột, mỗi ô có thể là hình vng hoặc hình chữ nhật và chỉ có duy nhất một
giá trị.

11


Hình 1.Error! No text of specified style in document.1. Biểu diễn thế giới
bằng mơ hình vectơ và raster
Cả mơ hình vector và raster đều được dùng để lưu dữ liệu địa lý với những

ưu điểm, nhược điểm riêng. Các hệ GIS hiện đại có khả năng quản lý cả hai mơ
hình này. Bảng 1.1 so sánh giữa hai mơ hình dữ liệu Vector và Raster:
Bảng 1.1.So sánh mơ hình dữ liệu Vector và Raster.
Mơ hình Vector

Mơ hình Raster

Ưu điểm

Ưu điểm

- Độ chính xác cao

- Cấu trúc dữ liệu đơn giản

- Cấu trúc dữ liệu dạng nén mất ít - Hiệu quả trong tính tốn
dung lượng để lưu trữ
- Cho phép các quan hệ hình học
(topological) như tính liền kê, liên

- Các phép tốn chồng xếp xử lý dễ dàng
- Thích hợp cho việc thể hiện dữ liệu
phức tạp, đa dạng

thông.
- Thích hợp cho việc nâng cấp, xử lý ảnh
- Gần gũi với thao tác vẽ bằng tay

12

của con người.

Nhược điểm

Nhược điểm

- Cấu trúc dữ liệu phức tạp.

- Quan hệ hình học khó nhận thức.

- Các phép tốn chồng xếp xử lý khó - Khả năng nén thấp đòi hỏi dung lượng
khăn hơn.

lưu trữ lớn.

- Miêu tả mức cao biến đổi khơng - Việc đưa ra tính thẩm mỹ khơng cao.
gian khó khăn.

- Miêu tả mức cao biến đổi khơng gian dễ

- Khơng thích hợp cho việc thể hiện dàng.
dữ liệu phức tạp, đa dạng.

- Thể hiện bản đồ khơng rõ nét nếu độ

- Khơng thích hợp cho việc nâng cấp, phân giải thấp. Nếu tăng độ phân giải sẽ
xử lý ảnh.

dẫn đến kích thước file dữ liệu lớn.

1.1.4 Các phép phân tích khơng gian trong GIS
Các thao tác trên dữ liệu không gian thường chia làm hai lớp bài toán cơ bản
là các bài toán về tìm kiếm và phân tích khơng gian và các bài tốn về xử lý dữ liệu
khơng gian.
Lớp bài tốn tìm kiếm và phân tích khơng gian: bao gồm các bài tốn liên
quan đến việc khai thác thơng tin và tri thức từ dữ liệu khơng gian. Ví dụ như bài

13


tốn tìm kiếm đối tượng trên bản đồ theo thuộc tính, bài tốn phân tích đường đi,
tìm đường…
Lớp bài tốn xử lý dữ liệu không gian: bao gồm các bài tốn thao tác trực
tiếp tới khn dạng, giá trị của dữ liệu không gian, làm thay đổi dữ liệu không
gian. Ví dụ như các thao tác nắn chỉnh dữ liệu, tổng quát hóa dữ liệu, chuyển đổi
hệ tọa độ, chuyển đổi khuôn dạng dữ liệu…Dưới đây đề cập khái quát một số phép
phân tích và xử lý dữ liệu khơng gian chính.
1.1.4.1 Tìm kiếm theo vùng
Là phép phân tích khơng gian đơn giản nhất, phép phân tích này thực hiện
tìm kiếm đối tượng bản đồ trong một vùng không gian cho trước. Vùng này có thể
là một cửa sổ hình chữ nhật. Đây là phép truy vấn không gian cơ bản trong GIS,
tuy nhiên mức độ phức tạp của nó cao hơn truy vấn query trong cơ sở dữ liệu cổ
điển bởi khả năng cắt xén đối tượng nếu đối tượng đó chỉ nằm một phần trong cửa
sổ truy vấn.
1.1.4.2Tìm kiếm lân cận
Phép phân tích này thực hiện tìm kiếm các đối tượng địa lý trong vùng cận
kề với một hoặc một tập đối tượng địa lý biết trước. Có một vài kiểu tìm kiếm cận
kề như:
-

Tìm kiếm trong vùng mở rộng (vùng đệm) của một đối tượng: Ví dụ: Tìm
các trạm thu phát sóng điện thoại di động BTS nằm trong vùng phủ sóng của
một trạm BTS nào đó.

-

Tìm kiếm liền kề: Ví dụ như tìm các thửa đất liền kề với thửa đất X nào đó.
1.1.4.3 Phân tích đường đi và dẫn đường
Phân tích đường đi là tiến trình tìm đường đi ngắn nhất, giá rẻ nhất giữa hai

vị trí trên bản đồ. Giải pháp cho bài tốn này dựa trên việc sử dụng mơ hình dữ liệu
mạng hay mơ hình dữ liệu raster trên cơ sở lưới vùng. Mơ hình dữ liệu mạng lưu
trữ đối tượng đường đi dưới dạng cung và giao của chúng dưới dạng nút, việc tìm

14


đường bao gồm việc duyệt qua các đường đi từ điểm đầu tới điểm cuối qua các
cung nút và chỉ ra cung đường nào ngắn nhất. Trong mơ hình raster, việc tìm
đường thực hiện bởi sự dịch chuyển từ một tế bào sang tế bào lân cận của nó.
1.1.4.4 Tìm kiếm hiện tượng và bài tốn chồng phủ
a. Tìm kiếm hiện tượng
Việc tìm kiếm hiện tượng trong GIS bao gồm tìm kiếm hiện tượng độc lập
hoặc tìm kiếm tổ hợp các hiện tượng.
Tìm kiếm hiện tượng độc lập là bài tốn đơn giản, chỉ bao hàm tìm kiếm
một hiện tượng, thực thể mà không quan tâm đến một hiện tượng, thực thể khác.
Việc tìm kiếm đơn giản chỉ là truy nhập dữ liệu khơng gian dựa trên thuộc tính đã
xác định trước. Ví dụ như tìm các tỉnh, thành phố có dân số lớn hơn 2 triệu
người…

Tìm kiếm tổ hợp thực thể là bài toán phức tạp hơn, nhưng lại là bài toán hấp
dẫn và là thế mạnh của GIS, việc tìm kiếm liên quan đến nhiều thực thể hay lớp
thực thể, chẳng hạn, tính diện tích đất nơng nghiệp của quận Thanh Trì, Hà Nội.
Bài tốn này địi hỏi phải tổ hợp 2 lớp thực thể địa lý là lớp đất nông nghiệp của
thành phố Hà Nội và lớp ranh giới hành chính thành phố Hà Nội. Kiểu bài toán này
trong GIS gọi là bài toán chồng phủ bản đồ.
b. Bài toán chồng phủ bản đồ
Như trên đã đề cập, nhiều vấn đề trong GIS đòi hỏi sử dụng lớp chồng xếp
của các lớp dữ liệu chuyên đề khác nhau. Chẳng hạn như chúng ta muốn biết vị trí
của các căn hộ giá rẻ nằm trong khu vực gần trường học; hay khu vực nào là các
bãi thức ăn của cá voi trùng với khu vực có tiềm năng dầu khí lớn có thể khai thác;
hoặc là vị trí các vùng đất nông nghiệp trên các khu vực đất đai bị xói mịn,…
Trong ví dụ liên quan đến đất xói mịn trên, một lớp dữ liệu đất đai có thể được sử
dụng để nhận biết các khu vực đất đai bị xói mịn, đồng thời lớp dữ liệu về hiện
trạng sử dụng đất cũng được sử dụng để nhận biết vị trí các vùng đất sử dụng cho

15


mục đích nơng nghiệp. Thơng thường thì các đường ranh giới của vùng đất bị xói
mịn sẽ khơng trùng với các đường ranh giới của các vùng đất nông nghiệp, do đó,
dữ liệu về loại đất và sử dụng đất sẽ phải được kết hợp lại với nhau theo một cách
nào đó. Chồng phủ bản đồ chính là phương tiện hàng đầu hỗ trợ việc thực hiện
phép kết hợp dữ liệu đó.
Theo mơ hình vector, các đối tượng địa lý được biểu diễn dưới dạng các
điểm, đường và vùng. Vị trí của chúng được xác định bởi các cặp tọa độ và thuộc
tính của chúng được ghi trong các bảng thuộc tính.
Với từng kiểu bản đồ, người ta phân biệt ba loại chồng phủ bản đồ vector sau:
 Chồng phủ đa giác trên đa giác

Hình 1.5 Chồng phủ đa giác
Chồng phủ đa giác là một thao tác không gian trong đó một lớp bản đồ
chuyên đề dạng vùng chứa các đa giác được chồng xếp lên một lớp khác để hình
thành một lớp chuyên đề mới với các đa giác mới. Mỗi đa giác mới là một đối
tượng mới được biểu diễn bằng một dịng trong bảng thuộc tính. Mỗi đối tượng có
một thuộc tính mới được biểu diễn bằng một cột trong bảng thuộc tính.
Việc chồng phủ và so sánh hai bộ dữ liệu hình học có nguồn gốc và độ
chính xác khác nhau thường sinh ra một số các đa giác nhỏ. Các đa giác này có thể

16