Bài giảng hệ thống thông tin địa lý chương 3 phan trọng tiến (2016)

6 Các bản đồ dạng Raster images được xếp theo các hàng và các cột không miêu tả các đối tượng một cách rõ ràng Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency Đặc

HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS)

(CH3 – CẤU TRÚC DỮ LIỆU GIS)

Phan Trọng Tiến

Bộ môn Công nghệ phần mềm – Khoa CNTT

Học Viện Nông nghiệp Việt Nam

Website: http://timoday.edu.vn

Email: phantien84@gmail.com

Mục tiêu

Giới thiệu các mô hình dữ liệu trong GIS

Sau bài học này sinh viên có thể:

q  Mô tả mô hình dữ liệu Vector và cho ví dụ

q  Mô tả mô hình dữ liệu Raster và cho ví dụ

q  Mô tả mô hình dữ liệu TIN

q  Giải thích “topology”

q  Mô tả các định dạng chính sử dụng trong GIS

2

Các đối tượng đồ họa

q Các đối tượng hiển thị trên bản đồ được gọi là

các đối tượng đồ họa hay các đối tượng

q  Các đối tượng có thể là tự nhiên hoặc do con

người tạo ra nó

Các đối tượng đồ họa

q Vectors

q  Points hoặc Nodes

q  Lines hoặc Arcs

© Paul Bolstad, GIS Fundamentals

Các loại dữ liệu GIS

Các loại dữ liệu GIS

Các bản đồ điện tử ở hai định dạng Raster và

Vector

Các nguồn dữ liệu Raster

Ảnh vệ tinh

Ảnh máy bay

Các bản đồ quét

Ảnh số trực giao (Digital Orthophotography)

q   Một ảnh được quét, dùng

các công cụ toán học sửa, bỏ

đi, dịch chuyển để có được

hiệu quả mong muốn đó là

các đối tượng luôn hiển thị

vuông góc với mặt đất

q   Ảnh trực giao cho ta ảnh

giống như hiện trạng của

trái đất

6

Các bản đồ dạng Raster (images)

được xếp theo các hàng và các cột

không miêu tả các đối tượng một cách rõ ràng

Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency

Đặc điểm của Raster

q  Trông giống trang bản đồ giấy

q  Không cho phép tự động loại bỏ

chế độ nền hay sự trợ giúp phân

tích của máy tính

q  Lưu trữ không hiệu quả

Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency

Dữ liệu dạng Vector

q   Một cách lưu trữ thông

minh dữ liệu GIS, ở đó các

đối tượng thế giới thực

Liên kết các thuộc tính và đồ họa

tin GIS kết hợp bản đồ

với hệ quản trị cơ sở dữ

liệu Vì vậy khi phân tích

dữ liệu không gian chỉ

cần “ click ” trên đối

tượng địa lý và tìm thông

q   Thông tin về một đối

tượng GIS được gọi là

thuộc tính (attribute)

Dữ liệu Vector được phân lớp

Spatial Data Analysis

Connected Detached Area Text

Sự thay đổi về mô hình

Các mô hình dữ liệu Raster và Vector

10

Mô hình dữ liệu Vector

Dữ liệu GIS được lưu trữ trong các lớp riêng biệt

như Point, Line, Polygon

© Paul Bolstad, GIS Fundamentals

Cấu trúc dữ liệu Vector

q   Có mối quan hệ giữa các kiểu dữ liệu vector Mỗi

kiểu thường độc lập trên một kiểu khác nhau Khi

miêu tả dữ liệu GIS theo định dạng vector, dữ liệu

phải được lưu trữ:

q   Points: là các đối tượng vô hướng có vị trí không

gian, miêu tả các đối tượng GIS như vị trí, hoặc

cây …

q   Lines: miêu tả đối tượng một chiều, có vị trí, có

chiều dài như đường, sông Lines được tạo bởi

việc kết nối các điểm với nhau Một đường bắt đầu

và kết thúc tại một điểm gọi là nút (node), và các

điểm tạo nên đường gọi là đỉnh (Vertices)

q   Polygons/Area: miêu tả đối tượng hai chiều, có vị

trí, có chiều dài, và có cả chiều rộng như đường

danh giới của cánh đồng, đất đai, hoặc ao hồ …

Nó được tạo bởi việc kết nối các đường, điểm bắt

đầu của polygon cũng là điểm kết thúc

q Point là đối tượng vô hướng có vị trí và thuộc

tính thông tin nhưng quá nhỏ để được biểu

diễn bằng vùng

q Tỷ lệ bản đồ quyết định một đối tượng là điểm

Các trung tâm

Lines hoặc Arcs

q  Lines là các đối tượng

một chiều, có vị trí, có chiều dài nhưng không

có chiều rộng như đường, sông Lines được tạo bởi việc kết nối các điểm với nhau

Một đường bắt đầu và kết thúc tại một điểm gọi là nút (node), và các điểm tạo nên đường gọi

là đỉnh (Vertices)

Polygons

Polygons là đối tượng hai chiều, có vị trí, có chiều dài, và có cả chiều rộng (hay có diện tích)

Mô hình dữ liệu Vector

q   Điểm: Được thể hiện bằng một cặp toạ độ

q   Đường: Được thể hiện bằng một chuỗi các cặp toạ độ

q   Vùng: Được thể hiện bằng một chuỗi các cặp toạ độ và cặp toạ độ

đầu và cặp toạ độ cuối trùng nhau

KiÓu VÞ trÝ

§iÓm 3,2

§­êng 1,5; 3,5; 5,7; 8,8; 11,7 Vïng 5,3; 6,5; 7,4; 9,5; 11,3;

8,2; 5,3

Cấu trúc dữ liệu Vector

KiÓu VÞ trÝ

§iÓm 3,2

§­êng 1,5; 3,5; 5,7; 8,8; 11,7 Vïng 5,3; 6,5; 7,4; 9,5; 11,3;

8,2; 5,3

Điểm: Được thể hiện bằng một cặp toạ độ

Đường: Được thể hiện bằng một chuỗi các cặp toạ độ

Vùng: Được thể hiện bằng một chuỗi các cặp toạ độ và cặp toạ độ đầu

18

Biểu diễn dữ liệu dạng Vector

Mỗi điểm thể hiện bằng một cặp toạ độ

Mỗi đường thể hiện mỗt chuỗi các cặp toạ độ

Mỗi vùng được thể hiện bằng một chuỗi các cặp toạ độ, điểm đầu và điểm cuối trùng nhau

Mô hình Vector

q Dữ liệu ở dạng Vector được tổ chức ở 2 mô

hình:

q  Mô hình Spagheti

q  Mô hình quan hệ không gian Topology

Mô hình dữ liệu Vector Spaghetti

tượng chỉ được lưu trữ bằng các cặp

toạ độ

Mô hình dữ liệu Vector Spaghetti

q Không mô tả được mối quan hệ không gian

giữa các đối tượng, vì thế các phép phân tích,

tính toán không gian đều thực hiện khó khăn

q Dữ liệu dạng vùng, đường ranh giới giữa 2

vùng được ghi nhận 2 lần, mỗi lần cho một

vùng

q Ưu điểm của mô hình là đơn giản, dễ trình bày,

biên tập, in ấn vì vậy vẫn được sử dụng rộng

rãi để thành lập bản đồ

20

Mô hình dữ liệu Vector Topology

q   Là một mô hình phức tạp, các đối tượng được quản lý

không chỉ bởi toạ độ mà còn bằng cả mối quan hệ không

gian giữa các đối tượng

q   Mô tả trọn vẹn các thông tin của các đối tượng không

gian bao gồm:

q   Thông tin về vị trí không gian (Spatial data): Thông tin được thể

hiện theo mô hình vector, bằng các tọa độ mô tả vị trí, hình dạng,

đường biên của các đối tượng

q   Thông tin về quan hệ không gian (Relational Spatial data –

Topology) Mô hình dữ liệu Topology thể hiện QHKG dưới 3 kiểu

q   Nằm trong nhau, phủ nhau

Mô hình dữ liệu Vector Topology

- Thông tin về vị trí trong không gian

+ Dữ liệu không gian các đối tượng vùng là một tập các đối

tượng đường định nghĩa đường bao vùng và một điểm nhãn

+ Điểm nhãn nằm trong đối tượng vùng có ý nghĩa để xác

định cho vùng này.

Mô hình dữ liệu Vector Topology

Các quan hệ không gian Các đặc tính không gian

Mỗi một đường (arc) có điểm bắt đầu và

kết thúc tại điểm nút (node)

Độ dài của đường

Hướng đường (Directionality)

Các đường (arc) nối với nhau tại các điểm

nút (node)

Tính liên tục (Connectivity)

Các đường (arc) nối với nhau tạo thành

đường bao của vùng (polygon)

Tính tạo vùng (Diện tích vùng, chu vi vùng) Các đường tham gia định nghĩa vùng ở cả

hai bên : phải và trái

Tính kề nhau (Adjacency or contiguity)

Thông tin về quan hệ không gian

+ Dữ liệu không gian các đối tượng vùng là một tập các đối tượng đường

định nghĩa đường bao vùng và một điểm nhãn

+ Mô hình Topology dùng các quan hệ không gian để định nghĩa các đặc

tính không gian của các đối tượng

Tính liên tục Đầu, cuối giao của đường

Mô hình dữ liệu Vector Topology

Áp dụng mô hình topology khi xây dựng CSDL không gian

- Đường ranh giới tạo thành đường bao thửa đất luôn đảm bảo

tính khép kín tuyệt đối về toạ độ

- Các đường ranh giới thửa không được phép giao nhau, phải luôn cắt

nhau tại đầu hoặc cuối đường ( tại điểm nút NODE)

Mô hình dữ liệu Vector Topology

DỮ LIỆU KHÔNG GIAN CHUẨN

Cơ sở dữ liệu chuẩn là dữ liệu không còn lỗi như: bắt

quá, bắt chưa tới, vùng chưa khép…

Liên kết dữ liệu thuộc tính

Bảng dữ liệu (Attributes)

© ESRI

24

Dữ liệu thuộc tính

Là thông tin cho phép miêu tả một thực thể đã

được trình bày ở đối tượng đồ họa

Dữ liệu thuộc tính

q  Mỗi phần thông tin thuộc tính liên quan tới một phần

đối tượng đồ họa

q  Các trường thuộc kiểu dữ liệu truyền thống của

Courtesy Village of Garden City

Liên kết các thuộc tính

Mô hình dữ liệu Raster

q  Dữ liệu GIS được lưu trữ dưới dạng lưới các ô

(cells) hay pixel

q Ảnh viễn thám, ảnh quét (scanner) luôn ở

dạng Raster

q  Khung cảnh các tai họa

q  Sự thiệt hại mùa vụ

q  Các hình ảnh về sự vận động địa chất

q Ảnh trực giao

q  Các ảnh trên không đã được chỉnh sửa

Dữ liệu Raster

q   Là một mảng hai chiều các ô (pixel) Mỗi ô có chiều cao và chiều rộng

cố định và cùng kích thước, trải trên một hình chữ nhật

Bảng dữ liệu thuộc tính

q   Rasters có giá trị số nguyên các ô (số lượng các ô cùng giá

trị) được ghi trong bảng dữ liệu thuộc tính Mỗi bản ghi

thuộc tính là duy nhất với mỗi giá trị của ô

q   Có thể thêm các trường tới bảng dữ liệu

Các kiểu dữ liệu miêu tả trong ô

q   Dữ liệu được lưu trữ trong raster có thể được phân loại

một trong các loại sau:

q  Dữ liệu tên (Nominal data): dữ liệu được phân loại

theo tên

q  Dữ liệu số thứ tự (Ordinal data): dữ liệu được phân

loại theo tên và khoảng giá trị

q  Khoảng dữ liệu (Interval data): sắp xếp theo thứ tự

số và có các khoảng khác nhau có ý nghĩa

q  Dữ liệu tỷ lệ (Ratio data)

28

Các kiểu dữ liệu miêu tả trong ô

Các kiểu dữ liệu miêu tả trong ô

q   Kiểu Nominal và Ordinal dùng miêu tả theo các phân loại khác nhau, là cách tốt nhất miêu tả các

ô dữ liệu kiểu integer

q Kiểu Interval và Ratio mô

tả các giá trị liên tục, dùng với các ô dữ liệu là kiểu real

PIXEL ( PICTURE ELEMENT )

PIXEL là đơn vị nhỏ nhất trong ảnh Cơ sở hệ

thống GIS là raster, thông tin thuộc tính có thể

được khởi gán tới mỗi pixel

30

Cách biểu diễn Raster

q Raster có thể có một hoặc nhiều nhãn Giá trị

của mỗi ô có thể mang các giá trị khác nhau

Có một vài cách để hiển thị raster với giá trị

của ô

q  Hiển thị nhãn đơn (single-band)

q  Hiển thị nhãn bội (multi-band)

Hiển thị nhãn đơn

Hiển thị nhãn bội

Cấu trúc dữ liệu Raster

q Ma trận các ô bằng nhau

q Phải được cân nhắc kỹ

q  Tính rời rạc của thực thể đang mô tả

q  Ứng dụng mong đợi (Các chức năng)

Mô hình Raster và Vector

Land

Shoreline

Water

Vector Shoreline Land

Vậy “Định dạng nào là tốt nhất mô tả

các đối tượng trong GIS, raster hay

vector” Câu trả lời là một trong hai hoặc

cả hai Đó là, dùng một trong hai mô

hình dữ liệu là tốt nhất trong mỗi trường

hợp hoặc cả hai mô hình đều thực hiện

các vai trò nhất định trong GIS

Trong ví dụ, nguồn dữ liệu vector miêu

tả đường bờ biển xuất hiện có nhiều chi

tiết hơn và độ chính xác lớn hơn Dữ

liệu Vector có thể lưu trữ thông tin trong

nhiều định dang hơn dữ liệu Raster, và

cũng làm việc tốt với đối tượng thuộc về

chiều dài như dữ liệu mạng lưới

Tuy nhiên, các mô hình dữ liệu Raster

tốt cho miêu tả thông tin liên tục trong tự

nhiên như nhiệt độ nơi mà giá trị nhiệt

độ có thể khác với nơi liền kề

Vector – Những ưu điểm và nhược điểm

q Thuận lợi

q  Miêu tả tốt thực tế

q  Gắn kết nhiều cấu trúc dữ liệu

q  Topology có thể được mô tả trong mạng

q  Đồ họa chính xác

q Nhược điểm

q  Cấu trúc dữ liệu phức tạp

q  Mô phỏng khó khăn

q   Có nhiều kiểu phân tích không gian khác nhau

q   Không thay đổi kích thước và hình dáng

q   Công nghệ rẻ

q   Nhược điểm

q   Số lượng lớn dữ liệu

q   Không đẹp

q   Thay đổi hệ quy chiếu là khó khăn

q   Tỷ lệ khác nhau giữa các lớp có thể là cơn ác mộng

q   Có thể mất thông tin ở những vùng giao nhau

© Paul Bolstad, GIS Fundamentals

Các chức năng Raster

Các phương pháp nén dữ liệu Raster

q Mục đích: Giảm kích thước lưu trữ

q Có các phương pháp:

q  Phương pháp nén theo đường biên vùng (Chain

Code)

q  Phương pháp nén theo hàng cột (Run-length code)

q  Phương pháp nén theo khối (Block code)

q  Phương pháp nén cây tứ phân (Quadtree code)

Phương pháp nén theo đường biên vùng

(Chain Code)

q  Các đường biên của các vùng được thể hiện bằng hàng liên

tục các vectơ đơn vị theo hướng 4 phương, được qui ước

bằng các số: hướng Đông = 0, Bắc = 1 Tây = 2 Nam = 3

q   Ví dụ trên nếu ta bắt đầu từ cell của hàng 0 theo chiều kim

đồng hồ ta sẽ có dãy giá trị sau thể hiện biên của vùng theo

2

3

36

Phương pháp nén theo đường biên vùng

(Chain Code)

q Ưu điểm:

q  Là phương pháp nén dữ liệu raster hiệu quả

q  Dễ dàng tiến hành tính chu vi và diện tích, nhận biết

lồi lõm, thay đổi hướng đột ngột

q Nhược điểm:

q  Khó khăn trong phân tích chồng xếp

q  Dư thừa dữ liệu vì đường biên lưu trữ hai lần

Phương pháp nén theo hàng cột (Run-length

code)

q  Các điểm trên mỗi đơn vị bản đồ

được lưu trữ theo hàng từ trái qua

phải từ cell đầu đến cell cuối

Phương pháp nén theo hàng cột (Run-length

q  Khó khăn trong quá trình xử lý và phân tích dữ liệu

Phương pháp nén theo khối (Block code)

q   Ví dụ trên có thể viết dưới dạng nén block code

2 n x 2 n như sau:

q   7 block 1 đơn vị ô vuông

q   7 block 4 đơn vị ô vuông

•   Phương pháp này có hiệu quả với các vùng có diện tích lớn và

38

Phương pháp nén cây tứ phân (Quadtree code)

Phương pháp nén cây tứ phân (Quadtree code)

Thể hiện sự chia liên tục của dạng ma trận 2 n x 2 n thành

dạng cây 4 nhánh ưu điểm của phương pháp nén hình cây:

- Dễ tính toán diện tích chu vi của các vùng có hình dạng

chuẩn

- Có thể giam bớt sự lưu trữ với các độ phân giải khác nhau

Nhược điểm :

- Khó khăn cho việc chọn các mô hình, giải pháp

- Một vùng có thể chia thành rất nhiều phần gây khó khăn

cho việc truy nhập DL

TIN(Triangulated Irregular Network)

giác Các đường của

các tam giác gọi là các

cùng và miền phía

trong gọi là bề mặt

(facet)

TIN(Triangulated Irregular Network)

q   Mô hình TIN có một vài điểm phức tạp hơn dạng Point,

Line, Polygon trong mô hình Vector, hay mô hình Raster,

nó thực sự hữu ích miêu tả độ cao

q   Ví dụ thể hiện lợi ích của TIN:

q   Lưới Raster cần phải yêu cầu lưới các ô bao phủ toàn bộ bề mặt đạ

lý

q   Vì vây, nếu chúng ta muốn hiển thị chi tiết thì ta phải chia lưới này

thành các ô nhỏ hơn -> nhưng với một bề mặt tương đối bằng

phẳng -> tốn bộ nhớ

q   Tuy nhiên, với TIN chúng ta không cần phải dùng nhiều điểm trên

miền bằng phẳng, nhưng cũng có thể thêm nhiều điểm ở vùng để

tăng độ chính xác hơn

40

Cấu trúc dữ liệu TIN

q   Cấu trúc dữ liệu TIN dựa trên

hai phân tử cơ bản:

q   Các điểm với giá trị x,y,z

q   Các cung nối các điểm này

q   Phép đạc tam giác TIN thỏa

mãn theo tiêu chuẩn Delaunay

Tiêu chuẩn Delaunay

Vòng tròn ngoại tiếp không chứa một nút của bất kỳ phần

tử nào khác Vòng tròn ngoại tiếp của một tam giác là vòng

q  ArcGIS hỗ trợ cả hai mô hình độ cao: TIN and lưới

Các thành phần TIN

q   Nodes: là cơ sở xây dựng các khối của TIN Các nút bắt đầu từ các điểm và

các đỉnh cung chứa từ các nguồn dữ liệu nhập vào

q   Edges: Mỗi nút được nối với nút gần nhất theo tiêu chuẩn Delaunay Mỗi cung

có hai nút nhưng một nút có thể có hai hoặc nhiều cung

q   Triangles: Mỗi bề mặt tam giác miêu tả một phần của bề mặt TIN

q   Hull (bao): được hình thành bới một hoặc nhiều polygon bao gồm toàn bộ tập

dữ liệu các điểm sử dụng xây dựng nên TIN Các Polygon Hull định nghĩa

vùng nội suy của TIN

q   Topology: là cấu trúc hình học của TIN định nghĩa mối quan hệ giữa các nút,

các cung và mối quan hệ giữa các tam giác liền kề

gồm các file Tuy nhiên, TIN không bao phủ và không kết

hợp với file INFO Thư mục TIN chứa 7 file bao gồm thông

tin về bề mặt TIN Các file này được mã hóa theo dạng nhị

phân và không đọc được ở chế độ hiển thị văn bản.

42

Cấu trúc dữ liệu GIS 85

44

Chú giải (Annotation)

Là văn bản (text) hoặc nhãn (labels) vẽ trên bản

đồ mà miêu tả hoặc nhận diện một đối tượng

hoặc thêm thông tin khác tới bản đồ

q   Là cách thức mà các đối tượng đồ họa hiển thị trong GIS