Ứng dụng công nghệ Gis trên thiết bị di động Android xây dựng phần mềm hỗ trợ cho tàu cá hoạt động trên biển

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2017<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS TRÊN THIẾT BỊ DI ĐỘNG ANDROID<br /> XÂY DỰNG PHẦN MỀM HỖ TRỢ CHO TÀU CÁ HOẠT ĐỘNG TRÊN BIỂN<br /> APPLYING GIS TECHNOLOGY ON ANDROID TO BUILD A SUPPORT SOFTWARE<br /> FOR FISHING BOATS ON THE SEA<br /> Phạm Thị Thu Thúy1, Nguyễn Thủy Đoan Trang1, Trần Minh Văn1, Trần Văn Khánh2<br /> Ngày nhận bài: 29/6/2016; Ngày phản biện thông qua: 23/5/2017, Ngày duyệt đăng: 15/6/2017<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Hiện nay, khi di chuyển ra ngư trường đánh bắt thủy sản, ngư dân thường sử dụng các công cụ hỗ trợ<br /> trong việc định vị hướng di chuyển như: bản đồ giấy, bản đồ số, la bàn, thiết bị định vị GPS,… Mặt khác, ngư<br /> dân hiện có dùng một số thiết bị được sản xuất ở nước ngoài. Tuy nhiên, tính năng của các thiết bị này còn hạn<br /> chế, giá thành cao, ngư dân khó thay thế khi thiết bị hỏng hóc. Như vậy, nếu sử dụng các thiết bị di động để cài<br /> đặt bản đồ cho ngư trường của Khánh Hòa, ngư dân hoàn toàn chủ động trong việc cập nhật bản đồ cũng như<br /> tận dụng được các thiết bị di động sẵn có trong việc hỗ trợ đi biển. Chính vì các lý do trên, chúng tôi xây dựng<br /> phần mềm SeaLink với mục đích: “Ứng dụng công nghệ GIS và công nghệ di động xây dựng phần mềm hỗ trợ<br /> hoạt động khai thác thủy sản của ngư dân”. Phần mềm cơ bản đã hỗ trợ được yêu cầu đi biển của ngư dân và<br /> các chức năng không thua kém với các máy của Furuno và các thiết bị GPS chuyên dụng khác.<br /> Từ khóa: GIS, di động, tàu cá, bản đồ, phần mềm<br /> ABSTRACT<br /> Nowadays, when going to the fishing ground, fishmen often use some of support tools in orienting the<br /> moving way, such as printed maps, storage usage maps, compasses, GPS located equipments,... Besides, the<br /> fishman has been using equipments which are manufactured by foreign countries. However, most of these<br /> equipments have limitted usage, high price, difficulty in repairing. Therefore, if we install the SeaLink software<br /> on the mobile device, the fishmen can reuse the available mobile equipments and can easily update the sea map<br /> on their mobile equipments. From the above reasons, we propose a software named SeaLink with the purpose<br /> is “Applying GIS technology on Android to build a support software for fishing boats on the sea”. The SeaLink<br /> software has basically satisfied the requirements of fishermen and the functions of the SeaLink are camparable<br /> with Furuno machines and other GPS devices.<br /> Keywords: GIS, mobile, fishing boat, map, software<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong vòng 30 năm trở lại đây, cùng với<br /> sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ về<br /> nhiều lĩnh vực thì công nghệ hỗ trợ thu thập, tổ<br /> chức và khai thác thông tin địa lý có các bước<br /> <br /> phát triển đáng kinh ngạc. Sự cạnh tranh quyết<br /> liệt cùng với đòi hỏi ngày càng tăng từ phía<br /> người sử dụng đã thúc đẩy nhiều giải pháp công<br /> nghệ có chất lượng cao trong thị trường ngày<br /> càng rộng lớn của hệ thống thông tin địa lý.<br /> <br /> Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Nha Trang, thuthuy@ntu.edu.vn, nguyenthuydoantrang@ntu.edu.vn,<br /> minhvan@ntu.edu.vn<br /> 2<br /> Trường Đại học Khánh Hòa, cnkhanhdl@gmail.com<br /> 1<br /> <br /> 112 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2017<br /> <br /> Công nghệ GIS đã bắt đầu được sử dụng<br /> rộng rãi ở các nước phát triển hơn một thập<br /> niên qua, với những tính năng ưu việt, công<br /> nghệ GIS ngày nay đang được ứng dụng trong<br /> nhiều lĩnh vực nghiên cứu và quản lý.<br /> Hiện tại có nhiều nghiên cứu liên quan đến<br /> các ứng dụng của GIS trong nước cũng như<br /> trên thế giới. cụ thể như tìm đường đi ngắn<br /> nhất trên bản đồ số hóa [3] Nhưng hầu hết các<br /> ứng dụng chủ yếu tập trung triển khai cho bản<br /> đồ trên đất liền như: “Phát triển ứng dụng GIS<br /> trên thiết bị di động” của Mao Ngoy [1] để tạo<br /> bản đồ thành phố Phnom Penh và đưa lên thiết<br /> bị di động (window phone) để khai thác và sử<br /> dụng một số thông tin về thành phố. Mặt khác,<br /> các máy móc hiện nay được ngư dân trang bị<br /> hầu như được nhập khẩu từ nước ngoài [7, 9],<br /> do đó giá thành thường cao nhưng điểm hạn<br /> chế nổi bật đó là phần mềm đi theo máy. Mặt<br /> khác, nếu máy bị hỏng thì khó tìm nơi sữa<br /> chữa hoặc thiết bị thay thế.<br /> Việt Nam cũng có nhiều đề tài liên quan<br /> đến ứng dụng công nghệ GIS trong định vị<br /> hải đồ. Tiêu biểu là đề tài “Ứng dụng GPS<br /> và GIS trong quản lý đội tài khai thác thủy<br /> sản xa bờ” của PGS.TS. Nguyễn Thạch [2].<br /> Tuy nhiên, đề tài này chủ yếu để hỗ trợ cho<br /> Tên thiết bị<br /> Nơi sản xuất<br /> Icom 718<br /> Nhật<br /> Định vị Furuno 32<br /> Nhật<br /> Định vị Furuno 50<br /> Nhật<br /> Định vị Furuno 600<br /> Nhật<br /> Định vị SanHan<br /> Trung Quốc<br /> <br /> công tác quản lý đội tàu cá nhằm mục đích<br /> cứu hộ, cảnh báo nguy hiểm, điều động tàu,<br /> chưa thực sự hỗ trợ ngư dân trong việc tìm<br /> đường đi trên biển.<br /> Công cụ hỗ trợ việc tìm đường đi trên biển<br /> hiện nay phải nói đến Hải đồ điện tử được sản<br /> xuất và phát hành bởi Cơ quan Thủy đạc quốc<br /> gia [5]. Tuy nhiên phần mềm này chủ yếu phục<br /> vụ đội tàu vận chuyển, ngư dân khó tiếp cận để<br /> được sử dụng.<br /> Bên cạnh đó, Khánh hòa hiện nay có<br /> khoảng 9800 phương tiện đánh bắt cá. Trong<br /> đó có khoảng 500 phương tiện công suất trên<br /> 300CV đánh bắt ở Hoàng Sa, Trường Sa.<br /> Nhưng hầu hết ngư dân vẫn sử dụng các<br /> phương pháp thủ công để tìm đường đi như<br /> là la bàn hoặc một số máy chuyên dụng nhập<br /> khẩu ở nước ngoài, với mục đích xác định tọa<br /> độ tàu cá và tìm đường đi. Với các máy dò<br /> tìm đường đi và xác định tọa độ nhập khẩu từ<br /> nước ngoài nguyên kiện thì rất khó khăn về<br /> kinh phí cho ngư dân đánh bắt nhỏ lẻ. Ngoài ra<br /> dịch vụ sửa chữa và bảo hành là một vấn đề<br /> khó khăn hơn nhiều.<br /> Theo khảo sát điều tra của chúng tôi, dưới<br /> đây là các máy chuyên dụng được ngư dân sử<br /> dụng phổ biến hiện nay:<br /> Ngôn ngữ<br /> Giá cả<br /> Tiếng Việt<br /> 12 000 000<br /> Tiếng Việt<br /> 7 000 000<br /> Tiếng Việt<br /> 24 000 000<br /> Tiếng Việt<br /> 30 000 000<br /> Tiếng Việt<br /> 18 500 000<br /> <br /> Ngoài các máy chuyên dụng trên, ngư dân<br /> với các tàu thuyền đánh bắt nhỏ lẻ chủ yếu<br /> sử dụng la bàn hoặc kinh nghiệm để xác định<br /> hướng đi và về. Nhu cầu của người dân về một<br /> thiết bị với các chức năng hỗ trợ là: Định vị tọa<br /> độ; xác định hướng đi, khoảng cách cần thiết;<br /> lưu vết tàu, …<br /> Chính vì vậy, mong muốn của chúng tôi là<br /> tạo ra được một phần mềm chạy trên nền tảng<br /> android để hỗ trợ ngư dân với các tính năng<br /> cơ bản. Mục tiêu là giảm giá thành so với việc<br /> <br /> mua máy chuyên dụng, khả năng bảo trì tốt<br /> hơn, tránh việc lãng phí và đảm bảo được các<br /> mục tiêu về an toàn, an ninh trên biển.<br /> II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP<br /> THỰC HIỆN<br /> 1. Cơ sở lý thuyết<br /> 1.1. Thiết bị di động thông minh<br /> Điện thoại di động thông minh<br /> (smartphones): là các điện thoại được trang<br /> bị cấu hình tốt, chạy hệ điều hành thông minh<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 113<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> với các bộ công cụ phát triển phần mềm cho<br /> phép lập trình viên phát triển đa dạng các ứng<br /> dụng phục vụ mọi mục đích của cuộc sống và<br /> công việc.<br /> Máy tính bảng (tablets): là các thiết bị thông<br /> minh, tương tự như smartphones nhưng có<br /> kích thước màn hình lớn hơn rất nhiều (thông<br /> thường từ 7.0 – 13 inch), có thể có khe cắm<br /> thẻ SIM (phục vụ việc nhắn tin, gọi điện hoặc<br /> truy cập Internet qua mạng 3G).<br /> Điện thoại thông minh lai máy tính bảng<br /> (phablet): là loại thiết bị lai giữa smartphone và<br /> tablet, về tính năng nó một smartphone, nhưng<br /> được trang bị màn hình cỡ lớn hơn smartphone<br /> thông thường và nhỏ hơn kích thước phổ biến<br /> của màn hình tablet.<br /> Hiện nay, có nhiều hệ điều hành được<br /> sử dụng trên thiết bị di động thông mình như:<br /> Android, iOS, Windows Phone, BlackBerry OS<br /> … Nhưng để so sánh và đưa ra đánh giá cụ<br /> thể như “hệ điều hành nào tốt hơn?”, “hệ điều<br /> hành nào vượt trội hơn?” thì dường như không<br /> thể. Đơn giản bởi vì mỗi hệ điều hành đề<br /> được xây dựng trên một nền tảng hoàn toàn<br /> khác nhau và có những ưu điểm, nhược điểm<br /> nhất định.<br /> Hệ điều hành Android: là một hệ điều hành<br /> miễn phí, mã nguồn mở, được phát triển bởi<br /> Google dựa trên nền tảng Linux. Android được<br /> thiết kế dành cho các thiết bị di động màn hình<br /> cảm ứng như điện thoại thông minh, máy tính<br /> bảng. Ưu điểm của Android là một hệ điều hành<br /> không nặng nề, có khả năng tinh chỉnh, miễn<br /> phí, có một cộng đồng lập trình viên đông đảo<br /> chuyên viết các ứng dụng để mở rộng chức<br /> năng của thiết bị bằng ngôn ngữ lập trình Java<br /> có sửa đổi. Chính vì vậy, Android đã trở thành<br /> nền tảng điện thoại thông minh phổ biến nhất<br /> thế giới. Android chiếm 75% thị phần điện thoại<br /> thông minh trên toàn thế giới vào thời điểm quý<br /> 3 năm 2012, với tổng cộng 750 triệu thiết bị đã<br /> được kích hoạt. Vào tháng 4 năm 2013 đã có<br /> 1,5 triệu lượt kích hoạt mỗi ngày và tổng số<br /> thiết bị Android được kích hoạt lên đến 1 tỷ vào<br /> tháng 9/2013.<br /> <br /> 114 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Số 2/2017<br /> 1.2. Tìm hiểu về ArcGIS<br /> ArcGIS là một sản phẩm của Viện nghiên<br /> cứu hệ thống môi trường (ESRI). ArcGIS kết<br /> nối bản đồ, ứng dụng, dữ liệu và con người,<br /> từ đó giúp người dùng đưa ra quyết định thông<br /> minh hơn và nhanh chóng hơn. ArcGIS cho<br /> phép người sử dụng thực hiện các chức năng<br /> của GIS ở bất kỳ nơi nào họ muốn: trên máy<br /> tính, máy chủ, trên web… Nó cung cấp cho<br /> người dùng trong tổ chức khả năng khám phá,<br /> sử dụng, thành lập và chia sẻ bản đồ từ bất kỳ<br /> thiết bị nào, mọi lúc, mọi nơi.<br /> Đến nay, ArcGIS đã hỗ trợ cho người dùng<br /> khá nhiều phiên bản: ArcGIS online, ArcGIS<br /> for destop, ArcGIS for mobile [6], ArcGIS<br /> for server, ArcGIS for developers, ArcGIS<br /> solutions, ArcGIS marketplace. Ở đây tôi sẽ<br /> tập trung vào nghiên cứu và sử dụng phiên<br /> bản ArcGIS trên destop để tạo, xử lý bản đồ<br /> và phiên bản dành cho nhà phát triển để phát<br /> triển trên thiết bị di dộng sử dụng hệ điều hành<br /> android. Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng<br /> công cụ ArcGIS runtime SDK [4], một trong<br /> những công cụ mã nguồn mở trên nền tảng<br /> ArcGIS, để hỗ trợ xây dựng phần mềm.<br /> 2. Phương pháp thực hiện<br /> Bởi vì mục tiêu chính của phần mềm<br /> SeaLink là hỗ trợ cho tàu cá hoạt động trên biển<br /> do vậy việc xác định tọa độ và tìm đường đi có<br /> khoảng cách tối ưu là trọng tâm của phần mềm.<br /> 2.1. Chuyển đổi giữa tọa độ cầu và bản đồ phẳng<br /> Do trái đất hình cầu, định vị tọa độ dùng<br /> longitude và latitude, hay gọi là hệ tọa độ<br /> WGS84 Ellipsoid (World Geodetic System<br /> 1984) [10], tuy nhiên khi vẽ lên mặt phẳng thì<br /> phải chuyển đổi sang tọa độ WGS84 Mercator.<br /> Như vậy, để xác định tọa độ của một điểm trên<br /> bản đồ phẳng trong phần mềm thì cần chuyển<br /> đổi từ tọa độ cầu (Ellipsoid) sang tọa độ phẳng<br /> (Mercator).<br /> Trong phần mềm SeaLink chúng tôi sử<br /> dụng ngôn ngữ Java, do đó chúng tôi tham<br /> khảo đoạn mã Java ở [11] để xác định tọa<br /> độ phẳng:<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2017<br /> <br /> import java.lang.Math;<br /> public class SphericalMercator {<br /> public static final double RADIUS = 6378137.0; /* in meters on the equator */<br /> /* These functions take their length parameter in meters and return an angle in degrees */<br /> public static double y2lat(double aY) {<br /> return Math.toDegrees(Math.atan(Math.exp(aY / RADIUS)) * 2 - Math.PI/2);<br /> }<br /> public static double x2lon(double aX) {<br /> return Math.toDegrees(aX / RADIUS);<br /> }<br /> /* These functions take their angle parameter in degrees and return a length in meters */<br /> public static double lat2y(double aLat) {<br /> return Math.log(Math.tan(Math.PI / 4 + Math.toRadians(aLat) / 2)) * RADIUS;<br /> }<br /> public static double lon2x(double aLong) {<br /> return Math.toRadians(aLong) * RADIUS;<br /> }<br /> }<br /> 2.2. Thuật toán tìm đường đi ngắn nhất trên<br /> bản đồ số<br /> Việc tìm đường đi ngắn nhất trên biển<br /> thuộc bản đồ số đưa về việc tìm khoảng cách<br /> ngắn nhất giữa hai điểm trên bản đồ. Trong<br /> phần mềm SeaLink, chúng tôi sử dụng công<br /> thức Harversine [12, 13] để đo khoảng cách<br /> giữa hai điểm, tức là khoảng cách ngắn nhất<br /> trên bề mặt trái đất:<br /> (1)<br /> <br /> nếu trên đường thẳng đó có chứa những<br /> điểm thuộc bãi cạn hoặc đá ngầm thì đường<br /> thẳng sẽ được thay thế bằng đường gấp khúc,<br /> điểm gấp khúc chính là điểm bên ngoài của bãi<br /> cạn hoặc đá ngầm.<br /> Hiện tại phần mềm SeaLink của chúng tôi<br /> có sáu lớp độ sâu, cụ thể: 1-200m, 200-1000m,<br /> 1000-2000m,<br /> <br /> 2000-3000m,<br /> <br /> 3000-4000m,<br /> <br /> 4000-5000m. Trong đó, mỗi lớp độ sâu là một<br /> tập các hình polygon tổng quát (không lồi)<br /> Để biết 1 điểm tọa độ thuộc độ sâu nào thì<br /> <br /> trong đó, hav là hàm harversine:<br /> <br /> chúng tôi dùng thuật toán xác định điểm đó có<br /> (2)<br /> <br /> d là khoảng cách giữa hai điểm<br /> r là bán kính của quả cầu<br /> ϕ1, ϕ2 tương ứng là vĩ độ của điểm 1 và<br /> điểm 2 tương ứng theo đơn vị radian.<br /> λ1, λ2 tương ứng là kinh độ của điểm 1 và<br /> điểm 2 tương ứng theo đơn vị radian<br /> Mặt khác, các tàu di chuyển trên biển<br /> thường phải tránh những bãi cạn hoặc đá<br /> ngầm. Đường đi ngắn nhất giữa hai điểm<br /> trên biển có thể là đường thẳng, tuy nhiên<br /> <br /> nằm trong polygon không (liên quan kỹ thuật<br /> đồ họa) [14, 15]. Ý tưởng cơ bản của thuật<br /> toán như sau:<br /> Vẽ một đường ngang ở bên phải của mỗi<br /> điểm và mở rộng nó đến vô cực<br /> Đếm số lần đường giao nhau với cạnh<br /> đa giác.<br /> Một điểm nằm bên trong đa giác nếu một<br /> trong hai điểm giao nhau là lẻ hoặc điểm nằm<br /> trên cạnh đa giác. Nếu không có điều kiện nào<br /> là đúng, thì điểm nằm ở bên ngoài.<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 115<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Hình 1. Minh họa thuật toán kiểm tra một điểm có<br /> nằm trong polygon không<br /> <br /> Lưu ý, thuật toán sẽ trả về true (điểm nằm<br /> bên trong polygon) nếu điểm nằm trên cạnh<br /> hoặc đỉnh của đa giác đã cho. Khi kiểm tra<br /> đường thẳng từ điểm p đến điểm giao cắt bên<br /> phải, chúng tôi kiểm tra xem điểm p có nằm<br /> thẳng hàng với các đỉnh của đa giác không.<br /> Nếu đó là thẳng hàng, thì chúng ta kiểm tra<br /> xem điểm p có nằm trên mặt đa giác hiện tại<br /> không, nếu nó nằm, chúng ta sẽ trả về true,<br /> ngược lại trả về false.<br /> 3. Hướng dẫn cài đặt và các chức năng của<br /> phần mềm SeaLink<br /> 3.1. Hướng dẫn cài đặt<br /> Chúng tôi đã upload phần mềm lên<br /> trang Megafileupload, link download phần<br /> mềm SeaLink:<br /> http://www.megafileupload.<br /> com/26a2p/SeaLink.rar<br /> ● Yêu cầu phần cứng:<br /> - Các thiết bị Android máy tính bảng hay<br /> điện thoại.<br /> - Có các cảm biến: Location Service GPS,<br /> Magnetometer, Barometer (La bàn kế).<br /> - Màn hình cảm ứng.<br /> - Cài đặt hệ điều hành Android từ phiên<br /> bản 4.4 trở lên (4.4 - KitKat, 5.0, 5.1 - Lolipop,<br /> 6.0 - Mashallow).<br /> ● Phương pháp cài đặt:<br /> - Chép thư mục bản đồ (SeaNavig) và bộ<br /> nhớ trong của máy tính bảng (không chép lên<br /> thẻ nhớ ngoài)<br /> - Cài đặt file APK SeaLink.apk.<br /> - Cho phép phần mềm SeaLink truy cập sử<br /> dụng tính năng Location Service và Storage.<br /> <br /> 116 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Số 2/2017<br /> - Đối với Android 6.0 (Mashallow) cần cho<br /> phép truy cập tính năng bằng tay theo trình tự<br /> bên dưới:<br /> Setting → Application → Application<br /> Manager → Chọn ứng dụng SeaLink → Chọn<br /> Permission → Cho phép Location và Storage<br /> 3.2. Các chức năng của SeaLink<br /> ● Hiển thị dữ liệu bản đồ Biển Đông và phụ cận<br /> Các lớp dữ liệu hiển thị:<br /> - Vùng mặt nước biển Đông với độ sâu<br /> 1-200 mét (độ chính xác 1:500).<br /> - Vùng mặt nước biển Đông với độ sâu<br /> 200-1000 mét (1:5000).<br /> - Vùng mặt nước biển Đông với độ sâu<br /> 1000-2000 mét (1:5000).<br /> - Vùng mặt nước biển Đông với độ sâu<br /> 2000-3000 mét (1:5000).<br /> - Vùng mặt nước biển Đông với độ sâu<br /> 3000-4000 mét (1:5000).<br /> - Vùng mặt nước biển Đông với độ sâu<br /> 4000-5000 mét (1:5000).<br /> - Vùng mặt nước biển Đông với độ sâu trên<br /> 5000 mét (1:5000).<br /> - Biên giới quốc gia các nước khu vực<br /> Đông Nam Á.<br /> - Ranh giới các tỉnh Việt Nam.<br /> - Vùng mặt nước sông ngòi, ao hồ Việt Nam.<br /> - Các tuyến quốc lộ chính Việt Nam.<br /> - Các địa danh hành chính đến cấp huyện<br /> Việt Nam (Hình 2)<br /> ● Xử lý hiển thị bản đồ<br /> - Phóng to, thu nhỏ, tỉ lệ xích bản đồ, xoay<br /> bản đồ.<br /> - Xem bản đồ toàn cảnh thu nhỏ.<br /> ● Xác định tọa độ GPS, hướng la bàn, tốc<br /> độ di chuyển, hướng di chuyển<br /> - Tọa độ GPS: kinh độ, vĩ độ (longitude,<br /> latitude)<br /> - Độ sâu mực nước biển tại vị trí hiện tại<br /> dựa theo dữ liệu bản đồ.<br /> - Hướng xoay của la bàn: North, East,<br /> South, West, NE, NW, SE, SW.<br /> - Tốc độ di chuyển dựa trên tọa độ GPS<br /> theo km/h hoặc NM/h.<br /> - Vị trí sẽ đến nếu giữ nguyên hướng đi.<br /> <br />