MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu đề tài Hệ thống thông tin địa lý (GIS - Geographical Information Systems hay Geospatial Information Systems) là hệ thống đƣợc thiết kế để làm việc với dữ liệu không gian hoặc dữ liệu liên quan đến tọa độ địa lý. Nói cách khác, GIS là cả một hệ thống cơ sở dữ liệu có khả năng lƣu trữ, phân tích, quản lý và hiển thị dữ liệu không gian địa lý cùng một tập các tác vụ để làm việc với các dữ liệu này [1]. Hiện nay, các hệ thống GIS đang phát triển không ngừng về cả số lƣợng và chất lƣợng khi xuất hiện ngày càng nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ: nghiên cứu quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng (quản lý rừng, phân tích các tác động môi trƣờng, quản lý chất lƣợng nƣớc, đánh giá hiện trạng sử dụng đất đai,…), nghiên cứu điều kiện kinh tế - xã hội (quản lý dân số, quản lý mạng lƣới giao thông, quản lý mạng lƣới y tế giáo dục, điều tra và quản lý hệ thống cơ sở hạ tầng.), nghiên cứu hỗ trợ các chƣơng trình qui hoạch phát triển,… Trong đó, dữ liệu GIS là một trong những yếu tố quan trọng nhất để đánh giá các ứng dụng này, cụ thể là các bản đồ số [2].
Thông thƣờng, chi phí xây dựng dữ liệu GIS chiếm khoảng 80% chi phí của một dự án GIS [2]. Dữ liệu GIS (đặc biệt là dữ liệu nền) thƣờng đƣợc dùng chung bởi nhiều ứng dụng và nhiều ngƣời dùng khác nhau. Trong mỗi ứng dụng GIS, ngƣời dùng đƣợc chia làm nhiều nhóm khác nhau và mỗi nhóm sẽ có đặc quyền riêng trong việc truy xuất dữ liệu GIS. Để hiểu rõ vấn đề này, ta sẽ xem xét ví dụ truy xuất dữ liệu trong ứng dụng quản lý quy hoạch đất; giả sử trong ứng dụng này, ngƣời dùng đƣợc chia làm ba nhóm: dân thƣờng, quân đội và nhóm quản lý thành phố; tùy thuộc vào mỗi nhóm, khi ngƣời dùng truy xuất dữ liệu sẽ đƣợc thấy những vị trí đặc biệt khác nhau, mức độ chính xác cũng nhƣ độ chi tiết khác nhau.
Cụ thể nhƣ sau: Vị trí đặc biệt: nhóm dân thƣờng sẽ thấy những thông tin cơ bản về tình trạng sử dụng đất; nhóm quân đội sẽ thấy tất cả những thông tin mà nhóm dân thƣờng thấy Luận văn Thạc Sĩ HV: LÊ THỊ KIM TUYẾN - 10071064 2 GVHD: PGS. ĐẶNG TRẦN KHÁNH và những vị trí đặc biệt liên quan đến an ninh quốc gia (vị trí màu đỏ trong hình); nhóm quản lý thành phố cũng sẽ thấy tất cả thông tin mà nhóm dân thƣờng thấy và những vị trí trong kế hoạch quy hoạch chƣa đƣợc công khai (vị trí màu xanh trong hình) Users Civilian Militar City’s leaders Hình 1. Truy xuất dữ liệu ở những vị trí đặc biệt khác nhau Mức độ chi tiết: với một số vùng trên bản đồ, nhóm dân thƣờng sẽ đƣợc xem ở mức độ chi tiết thấp hơn so với nhóm quân sự và nhóm quản lý thành phố. Users Civilians Military City’s leaders Hình 1.
Truy xuất dữ liệu ở những mức độ chi tiết khác nhau Luận văn Thạc Sĩ HV: LÊ THỊ KIM TUYẾN - 10071064 3 GVHD: PGS. ĐẶNG TRẦN KHÁNH Mức độ chính xác: nhóm dân thƣờng sẽ đƣợc xem bản đồ ở mức độ chính xác thấp (ví dụ ± 5m), nhóm quản lý thành phố sẽ xem ở mức độ chính xác cao hơn (ví dụ ± 1m), và nhóm quân sự sẽ đƣợc xem ở mức độ chính xác cao nhất (ví dụ ± 0. Users Civilians Military City’s leaders (Accuracy ± 5m) (Accuracy ± 0. Truy xuất dữ liệu ở những mức độ chính xác khác nhau Về mặt lƣu trữ, dữ liệu không gian thƣờng bao gồm nhiều lớp dữ liệu khác nhau, mỗi lớp cần lƣu trữ lại những phiên bản khác nhau để đảm bảo rằng với mỗi nhóm ngƣời dùng sẽ truy xuất đƣợc dữ liệu ở mức độ chi tiết và độ chính xác khác nhau.
Tuy nhiên, nếu mỗi nhóm ngƣời dùng đều đƣợc miêu tả cấp độ bảo mật trên mỗi lớp, thì dung lƣợng của siêu dữ liệu sẽ rất lớn và tốc độ truy vấn sẽ hạn chế, cũng nhƣ bộ truy vấn cũ (hiện có) sẽ không hoạt động đối với các thông tin bảo mật này. Để tối ƣu việc lƣu trữ các siêu dữ liệu và truy xuất các thông tin một cách an toàn và chính xác, nhu cầu phát triển một mô hình điều khiển truy xuất hỗ trợ điều khiển truy xuất tới từng đối tƣợng trong các lớp dữ liệu GIS là thực sự cần thiết. Luận văn Thạc Sĩ HV: LÊ THỊ KIM TUYẾN - 10071064 4 GVHD: PGS. ĐẶNG TRẦN KHÁNH 1.
Mục đích nghiên cứu GIS là lĩnh vực thu hút nhiều nhà nghiên cứu bởi khả năng ứng dụng rộng rãi của nó. Tại Việt Nam, GIS phát triển mạnh mẽ và đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ: môi trƣờng, quản lý đất đai, quy hoạch tổng thể… [2]; nhƣng các hệ thống GIS hiện có hầu hết dừng lại ở mức xây dựng dữ liệu GIS, lựa chọn công nghệ và phát triển ứng dụng dựa trên công nghệ đã lựa chọn, việc nghiên cứu có chiều sâu về vấn đề điều khiển truy xuất dữ liệu GIS vẫn chƣa đƣợc chú trọng và đầu tƣ đúng mức. Đây là bài toán lớn bao gồm nhiều vấn đề có thể kể đến nhƣ sau: Đề xuất mô hình điều khiểu truy xuất dữ liệu không – thời gian dựa trên việc mở rộng các mô hình điều khiển truy xuất hiện có Mở rộng ngôn ngữ đặc tả chính sách bảo mật hiện có để hỗ trợ mô hình vừa đề xuất Phát triển mô hình và ngôn ngữ vừa mở rộng thành một framework chung Tích hợp framework này vào các ứng dụng GIS hiện có Tối ƣu hóa việc xử lý các câu truy vấn liên quan đến dữ liệu không gian Hai vấn đề đầu tiên sẽ đƣợc làm rõ trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.
Ý nghĩa khoa học Trong lĩnh vực bảo mật dữ liệu không gian cho các hệ thống GIS, đề tài này có các ý nghĩa khoa học sau: Nghiên cứu và tổng kết các mô hình điều khiển truy xuất dữ liệu không – thời gian hiện có. Đề xuất mở rộng ngôn ngữ đặc tả chính sách bảo mật GeoXACML để hỗ trợ đặc tả các chính sách có liên quan đến dữ liệu không – thời gian Hỗ trợ xây dựng mô hình điều khiển truy xuất chung có thể áp dụng cho nhiều ứng dụng GIS Luận văn Thạc Sĩ HV: LÊ THỊ KIM TUYẾN - 10071064 5 GVHD: PGS. ĐẶNG TRẦN KHÁNH 1. Ý nghĩa thực tiễn Nhƣ đã đề cập, các ứng dụng GIS đang phát triển không ngừng cả về số lƣợng lẫn chất lƣợng.
Do đó, việc bảo mật dữ liệu không gian cho các ứng dụng trong khi vẫn đảm bảo các ứng dụng hoạt động hiệu quả là vấn đề quan trọng cần đƣợc giải quyết. Đề tài mang những ý nghĩa thực tiễn sau: Về phía ngƣời dùng: việc bảo mật dữ liệu không gian sẽ không làm ảnh hƣởng đến các chức năng mà các ứng dụng đem lại cho ngƣời dùng. Về phía ngƣời quản lý ứng dụng: ngƣời quản lý ứng dụng có thể dễ dàng điều khiển việc truy xuất dữ liệu của những ngƣời dùng trong hệ thống, đồng thời dễ dàng định nghĩa những chính sách bảo mật mới khi yêu cầu nghiệp vụ thay đổi. Góp phần thúc đẩy các ứng dụng GIS phát triển hơn nữa: giải pháp của đề tài nếu đƣợc áp dụng vào thực tiễn sẽ hỗ trợ cho việc xây dựng mô hình điều khiển truy xuất chung cho nhiều ứng dụng GIS, từ đó tạo sự an tâm cho ngƣời sử dụng.
Luận văn Thạc Sĩ HV: LÊ THỊ KIM TUYẾN - 10071064 6 GVHD: PGS. ĐẶNG TRẦN KHÁNH CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Dữ liệu không gian là gì? 2. Định nghĩa Soon Ae Chun và Vijayalakshmi Atluri [3] đã đƣa ra định nghĩa cho dữ liệu không gian nhƣ sau: “Dữ liệu không gian (geospatial data) thường bao gồm bản đồ, hình ảnh trên không và vệ tinh, được kết hợp với những thông tin vị trí và đại diện bởi kinh độ, vĩ độ” Theo Andreas Matheus [4]: “Dữ liệu không gian (hay dữ liệu địa lý) là thông tin địa lý về các đối tượng và các hiện tượng với một vị trí tương đối so với bề mặt Trái Đất” Các đối tƣợng đƣợc nhắc đến ở đây có thể là: đƣờng đi, mảnh đất, độ cao, cây, tòa nhà, con sông… Dữ liệu không gian đƣợc dùng để thể hiện các đối tƣợng bên ngoài thế giới thực; do đó, việc phân loại dữ liệu không gian cũng dựa vào đặc tính của các đối tƣợng ngoài thực tế.
Phân loại Những đặc tính của thế giới thực có thể chia làm hai loại cơ bản: đối tƣợng và hiện tƣợng [1] Đối tượng: rời rạc và xác định, ví dụ nhƣ tòa nhà, đƣờng cao tốc, thành phố, hay công viên… Hiện tượng: đƣợc phân bố liên tục trên một diện tích lớn, chẳng hạn nhƣ địa hình, nhiệt độ, lƣợng mƣa, cƣờng độ âm thanh và các chỉ số môi trƣờng khác. Tƣơng ứng với hai hình thức cơ bản này sẽ có hai cách tiếp cận để biểu diễn thế giới thực trong cơ sở dữ liệu không gian: mô hình dựa trên đối tƣợng (object – based model) và mô hình dựa trên vùng (field – based model) [1]. Cách tiếp cận dựa trên đối tượng: thế giới thực sẽ đƣợc biểu diễn thông qua mô hình dữ liệu vector (vector data model). Các đối tƣợng không gian đƣợc xác định độc lập và biểu diễn thông qua tọa độ toán học.
Có nhiều biến thể của mô hình dữ Luận văn Thạc Sĩ HV: LÊ THỊ KIM TUYẾN - 10071064 7 GVHD: PGS. ĐẶNG TRẦN KHÁNH liệu vector, tuy nhiên, các phƣơng pháp và giải thuật sử dụng đều đƣợc xây dựng dựa trên hai khái niệm phổ biến và có quan hệ với nhau: (1) phân rã các đối tƣợng không gian thành những thành phần đồ họa cơ bản (điểm, đƣờng, đa giác) và (2) sử dụng các cấu trúc liên kết (topology) hay còn gọi là các mối quan hệ không gian để biểu diễn các đối tƣợng không gian ngoài việc sử dụng tọa độ hình học. Ta sẽ xem xét một vài thành phần đồ họa cơ bản đƣợc sử dụng trong mô hình dữ liệu vector: Hình 2. Ví dụ đơn giản về bản đồ vector o Điểm: đƣợc biểu diễn bằng một cặp tọa độ, là kiểu đơn giản nhất của dữ liệu vector.
Điểm thƣờng đƣợc dùng để biểu diễn những vị trí đơn, ví dụ nhƣ giếng, đỉnh núi. Ngoài ra, điểm cũng có thể đƣợc dùng để đại diện cho khu vực khi hiển thị ở quy mô nhỏ, chẳng hạn nhƣ thành phố trên bản đồ thế giới nên đƣợc biển diễn bằng điểm thay vì đa giác.