phát triển hệ thống hỗ trợ tìm đường trên các thiết bị di động có gps

cá nhân … đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế – xã hội của các vùng địa lý thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích h

HÀ NỘI-2010

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Hóa

HÀ NỘI - 2010

iii

Lời cảm ơn

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến TS.Nguyễn Ngọc Hóa, người đã hết lòng chỉ bảo, hướng dẫn, cho tôi các phương pháp tiếp cận vấn đề, giúp tôi giải đáp những thắc mắc, giải quyết các khó khăn mắc phải để có thể hoàn thành được khóa luận này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô ở khoa Công Nghệ Thông Tin đã hết lòng truyền đạt cho tôi những kiến thức nền tảng về CNTT, giúp tôi có đủ kiến thức để tiếp cận, hoàn thành được khóa luận này Bên cạnh đó tôi cũng vin gửi lời cảm ơn đến

sự sự giúp đở nhiệt tình của nhà trường tạo điều kiện tốt nhất cho tôi để hoàn thành khóa luận này

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình, họ đã động viên rất nhiều về mặt tinh thần để tôi có đủ nghị lực để hoàn thành khóa luận này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn bạn bè tôi, những đã luôn luôn bên cạnh, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình hoàn thành khóa luận

Hà Nội, tháng 5 năm 2010

Sinh viên Nguyễn Văn Bách

iv

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Khóa luận này trình bày những hiểu biết cơ bản về một hệ thống thông tin địa lý (GIS), cũng như các khái niệm liên quan Qua việc xem xét một số hệ thống GIS tiêu biểu, để có thể hình dung được cách thức lưu trữ, quản lý dữ liệu trong một dữ liệu không gian, nhằm phục vụ hiệu quả cho việc quản lý dữ liệu địa lý Khóa luận cũng trình bày chi tiết về cấu trúc đánh chỉ số R-tree – một cấu trúc được dùng phổ biến cho các CSDL không gian Một số phương pháp xử lý truy vấn trong CSDL không gian cũng được đưa ra ở mức tìm hiểu sơ qua

Phần cuối của khóa luận trình bày về việc xây dựng ứng dụng bản đồ trên thiết bị

di động hổ trợ GPS Bằng việc sử dụng GoogleMaps để cung cấp các chức năng GIS

cơ bản cho người dùng, như hiển thị bản đồ, hướng dẫn lộ trình, tìm lộ trình theo vị trí hiện tại, điểm đầu điểm cuối

v

DANH MỤC TỪ VIÊT TẮT

GIS Geographic informations

system

Hệ thống thông tin địa lý

Consortium ESRI Environmental Systems

Research Institute GRASS Geographic Resources

Analysis Support System

ONN Obstacle nearest neighbour

ODJ Ostacle e-distance join

vi

MỤC LỤC

Mở đầu 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 2

1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý 2

1.2 Lợi ích và hạn chế của việc sử dụng GIS 3

1.3 OGC – OPENGIS 3

1.4 Khái niệm chung về bản đồ địa lý 4

1.5 Tìm hiểu một số hệ thống GIS tiêu biểu 5

1.5.1 MapInfo 5

1.5.2 ArcViewcủa ESRI 5

1.6 MobileGIS 6

1.6.1 Hệ thống WebGIS 7

CHƯƠNG 2 TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRONG GIS 9

2.1 Tổ chức dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý 9

2.1.1 Mô hình dữ liệu Vector 10

2.1.2 Hệ thống Raster 11

2.1.3 Mô hình TIN 13

2.2 Điểm qua cách tổ chức dữ liệu trong một số hệ thống GIS thông dụng .13

2.2.1 Tổ chức dữ liệu trong MapInfo 13

2.2.2 Tổ chức dữ liệu trong ArcGIS của ESRI 14

2.2.3 Tổ chức dữ liệu trong GRASS 14

2.3 Tìm hiểu cấu trúc lưu trữ của Shapefile 15

CHƯƠNG 3 XỬ LÝ TRUY VẤN KHÔNG GIAN 20

3.1 Cấu trúc R-Tree index 20

3.1.1 Cấu trúc của R-tree 20

3.1.2 Tìm kiếm và cập nhật trong R-tree 21

3.1.3 Cập nhật và các thao tác khác 24

3.2 Tìm hiểu một số thuật toán xử lý truy vấn trong CSDL không gian 26

3.2.1 Xử lý truy vấn trong không gian O-clit 27

3.2.2 Xử lý truy vấn trong mạng không gian 28

3.2.3 Tìm đường đi trong có không gian có chướng ngại vật 28

3.3 Tìm hiểu về PostGIS 32

3.3.1 Giới thiệu 32

3.3.2 Sử dụng các chuẩn OpenGIS 32

vii

3.3.3 Import dữ liệu GIS 32

3.3.4 Xuất bản dữ liệu GIS 32

3.3.5 Tạo indexs 33

3.3.6 Một số truy vấn spatial SQL đơn giản 33

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG 36

Dựa trên những kiến thức thu được, trong chương này, tôi sẽ trình bày về hệ thống dẫn đường (navigator) thử nghiệm với mục đích minh họa những hiểu biết về hệ thống thông tin địa lý và các vấn đề xử lý truy vấn không gian 36

4.1 Một số ứng dụng dẫn đường phổ biến 36

4.1.1 Việt map 36

4.1.2 Pguider 37

4.1.3 GoogleMaps cho mobile 37

4.2 Các chức năng của chương trình 38

4.3 Mô hình đề xuất 39

4.4 Lựa chọn ngôn ngữ 41

4.5 Tìm hiểu cơ chế hoạt động của hệ thống GPS 42

4.5.1 Đo khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh 43

4.5.2 Xác định vị trí hiện tại của các vệ tinh 44

4.6 Thử nghiệm ứng dụng 44

4.6.1 Các lớp chính của chương trình 44

4.6.2 Screenshot của chương trình 44

4.7 Nhận xét 49

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 50

5.1 Kết quả đạt được 50

5.2 Hạn chế 50

5.3 Hướng phát triển 50

1

Mở đầu

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của CNTT, các ứng dụng của CNTT đã được đưa vào hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống Với sự trợ giúp của máy tính, các công việc phức tạp được xử lý nhanh chóng và chính xác Cùng với sự phát triển của Internet, việc chia sẽ thông tin giữa các cá nhân, tổ chức hay làm việc qua mạng đã trở nên dễ dàng và hiệu quả Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System – GIS) là một nhánh của CNTT đã trở thành một công cụ trợ giúp quyết định rất tốt cho các tổ chức, chính phủ trong các lĩnh vực liên quan đến thông tin địa lý

Để hoàn thành khóa học của mình, tôi nhận thấy GIS là một hệ thống thông tin rất thú vị, việc tìm hiểu về GIS sẽ giúp tôi có một cái nhìn sâu sắc hơn về một hệ thống thông tin, quản trị CSDL Giúp tôi có được cái nhìn ban đầu về phương pháp tiếp cận

để xây dựng, quản lý hiệu quả một hệ thống CSDL mô phỏng thực tế - hệ thống CSDL địa lý Với động lực đó, khóa luận tốt nghiệp của tôi hướng đến mục tiêu nghiên cứu, tìm hiểu về hệ thống thông tin địa lý nói chung, từ đó ứng dụng trong bài toán phát triển hệ thống dẫn đường dựa trên các thiết bị di động có hỗ trợ định vị vệ tinh (GPS)

cá nhân … đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế –

xã hội của các vùng địa lý thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn liền với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở tọa độ của các dữ liệu đầu vào

Có nhiều cách tiếp cận khác nhau khi định nghĩa GIS Nếu xét dưới góc độ hệ

thống, thì GIS có thể được hiểu như một hệ thống gồm 5 thành phầm cơ bản: con người – chuyên viên, thiết bị - phần cứng, phần mềm, số liệu - cơ sở dử liệu và các quy trình kiến thức chuyên gia – nơi tập hợp các quy phạm, tiêu chuẩn, định hướng,

chủ trương ứng dụng của nhà quản lý, các kiến thức chuyên ngành và các kiến thức về CNTT

Hình 1: Các thành phần thiết yếu cho công nghệ GIS Theo cách tiếp cận truyền thống, GIS là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên trái đất Công nghệ GIS kết hợp các thao tác CSDL thông thường kết hợp với cho phép phân tích thống kê, phân tích không gian Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến GIS có

3

phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược)

1.2 Lợi ích và hạn chế của việc sử dụng GIS

GIS là một công nghệ ứng dụng tiến bộ của khoa học máy tính, do đó việc sử dụng GIS trong các mục tiêu nghiên cứu so với các phương tiện cổ điển có thể mang lại hiệu quả cao

- Tiết kiệm thời gian và chi phí trong việc lưu trữ số liệu

- Có thể thu thập số liệu với số lượng lớn

- Cập nhật số liệu lưu trữ dễ dàng

- Chất lượng số liệu được bảo đảm (quản lý, xử lý, sửa chữa)

- Dễ dàng truy cập, phân tích số liệu từ nhiều nguồn và nhiều loại khác nhau

- Tổng hợp số liệu nhanh chóng và dễ dàng

Bên cạnh những thuận lợi khi sử dụng GIS thì quá trình sử dụng kỹ thuật GIS cũng xuất hiện một số trở ngại, và những trở ngại này có ảnh hưởng đặc biệt quan trọng, do đó cần cân nhắc kỹ càng trước khi quyết định phát triển GIS

- Chi phí và những vấn đề kỹ thuật đòi hỏi trong việc chuẩn bị lại các số liệu thô hiện có, để chuyển từ bản đồ dạng thô (trên giấy) sang dạng số trên máy tính

- Đòi hỏi nhiều kiến thức của các kỹ thuật cơ bản về máy tính, và yêu cầu lớn về nguồn tài chính ban đầu

- Chi phí mua sắm, lắp đặt thiết bị và phần mềm GIS khá cao

- Trong một số lĩnh vực ứng dụng, hiệu quả tài chính thấp

1.3 OGC – OPENGIS

OGC – Open Geospatial Consortium là một tổ chức phi lợi nhuận, quốc tế, tự

nguyện đang dẫn đầu trong việc đặt ra các tiêu chuẩn về không gian địa lý và các dịch

vụ dựa trên vị trí

OpenGIS standard and Specifications là các tài liệu kỹ thuật đặc tả các giao diện

hoặc bảng mã được dùng cho các nhà phát triển phần mềm để đưa các giao diện hoặc bản mã này vào sản phẩm hay dịch vụ của họ Các đặc tả này cung cấp cho các nhà phát triển một khuôn mẫu giao diện chung, đầy đủ để có thể xây dựng các phần mềm hoạt động chung được với các phần mềm dạng OpenGIS khác

4

Ưu điểm của OpenGIS Specification thể hiện qua các mặt sau:

- Đối với người phát triển ứng dụng có thể dễ dàng và linh hoạt trong việc thiết kế các phần mềm truy cập đến cơ sở dữ liệu địa lý, sử dụng chung những nguồn tài nguyên địa lý Từ đó có thể chọn môi trường phát triển hoặc cung cấp những nền tảng ứng dụng đa dạng mà vẫn có thể sử dụng lại

- Đối với các nhà quản lý thông tin: Giúp cho việc sử dụng hoặc phân phối

cơ sở dữ liệu địa lý, cung cấp những khả năng xử lý địa lý tới khách hàng, tích hợp dữ liệu địa lý và xử lý vào một kiến trúc tính toán liên hợp

- Đối với người dùng cuối là những người hưởng lợi tối ưu, họ nhận được

sự truy nhập một cách nhanh chóng đến một hệ thống thông tin rộng lớn với

nhiều ứng dụng

Với việc ra đời của OGC - OpenGIS giúp xây dựng nên một ứng dụng có thể tổng hợp các thông tin từ nhiều hệ thống thông tin địa lý khác nhau Ví dụ: cổng thông tin địa lý (GeoPortal), GeoPortal cho phép tổng hợp các thông tin từ các hệ thống địa

lý khác nhau thông qua dịch vụ Web

1.4 Khái niệm chung về bản đồ địa lý

Định nghĩa: Bản đồ địa lý là sự biểu thị thu nhỏ qui ước của bề mặt trái đất lên mặt phẳng, xây dựng trên cơ sở toán học, sử dụng các ký hiệu quy ước để phản ánh sự phân bố, trạng thái và mối quan hệ tương quan của các hiện tượng thiên nhiên và xã hội

Trên bản đồ người ta thể hiện các đối tượng và hiện tượng có trên mặt đất trong thiên nhiên, xã hội và các lĩnh vực hoạt động của con người Các yếu tố nội dung của bản đồ là:

- Các đối tượng kinh tế xã hội

Để phục vụ được công tác địa lý, GIS phải lưu trữ đầy đủ các thông tin địa lý này của bản đồ, cung cấp các chức năng giúp quản lý, phân tích và hiển thị thông tin địa lý Các tri thức này được thể hiện qua các tập thông tin:

- Các mô hình xử lý: tập hợp các quy trình xử lý để phân tích tự động

- Các mô hình dữ liệu: GIS cung cấp các công cụ mạnh hơn là một CSDL thông thường, bao gồm các quy tắc và sự toàn vẹn dữ liệu giống như các hệ thống thông tin khác

- Siêu dữ liệu (metadata) hay tài liệu mô tả dữ liệu, cho phép người sử dụng tổ chức, tìm hiểu và truy nhập được tới tri thức địa lý

1.5 Tìm hiểu một số hệ thống GIS tiêu biểu

1.5.1 MapInfo

MapInfo là công cụ khá hữu hiệu để tạo ra và quản lý một CSDL địa lý trên máy tính cá nhân, là một phần mềm tương đối gọn nhẹ và dễ sử dụng Đặc biệt, dùng cho mục đích giảng dạy và thành lập các bản đồ chuyên đề phân tích trong địa lý

MapBasic là 1 ngôn ngữ lập trình trong môi trường MapInfo cho phép phát triển các ứng dụng GIS Nó tạo ra các hệ thống giao diện người dùng thuận lợi và nhanh chóng như tạo thanh menu mới, hộp thoại điều khiển như ý muốn cho phép tiết kiệm thời gian và tiện lợi cho việc triển khai ứng dụng

MapBasic cũng cung cấp công cụ xử lý dữ liệu, đáp ứng các yêu cầu đa dạng về

dữ liệu Nó cho phép truy vấn CSDL, lựa chọn và cập nhật dữ liệu bẳng các câu lệnh theo cú pháp SQL Hiển thị kết quả truy vấn theo khuôn dạng mong muốn

Ngoài ra, MapBasic cho phép xây dựng chương trình có cấu trúc mở vì nó có khả năng liên kết với các ứng dụng khác Chương trình MapBasic có thể gọi các thủ tục trong các thư viện các tệp liên kết động của Windows DLL hoặc sử dụng dữ liệu chuyển đổi động DDE (Dynamic Data Exchange) để lin kết với các phần mềm khác

ArcView GIS thích hợp cho những ứng dụng GIS nhỏ, đơn người dùng, thích hợp cho việc nghiên cứu về GIS và giảng dạy trong các trường Đại học, Cao đẳng ArcView cung cấp ngôn ngữ kịch bản riêng của mình

Các kho tài nguyên scripts mẫu do ESRI cung cấp với ArcView Nhiều scripts có thể tải về miễn phí từ trang web ArcScripts của ESRI và đưa vào chương trình

1.6 MobileGIS

Mobile GIS là phần mở rộng của hệ thông tin địa

lý (GIS), cho phép các ứng dụng GIS có thể hoạt động trên thực địa thay vì hoạt động trong phòng Mobile GIS cho phép người sử dụng ở bên ngoài thực địa thu thập, lưu trữ, cập nhật, thao tác, phân tích, và hiển thị các thông tin địa lý

7

Mobile GIS tích hợp một hoặc nhiều các công nghệ sau:

- Các thiết bị Mobile

- Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

- Công nghệ truyền thông không dây cho truy cập GIS Internet

ArcPad là giải pháp toàn diện GIS cho thiết bị cầm tay với mục đích cập nhật dữ liệu cho hệ thống GIS như thu thập, truy vấn, phân tích và quản lý dữ liệu địa lý ArcPad cung cấp các chức năng đồng bộ hóa dữ liệu với ArcGIS nhằm nâng cao chức năng xử lý dữ liệu địa lý, cùng với khả năng chuyển đổi dữ liệu ArcPad là công

cụ cho các chuyên gia về GIS bởi khả năng tích hợp hỗ trợ các thiết bị thu thập dữ liệu cầm tay tiện ích và hiện đại

Các khả năng chính

- Được xây dựng với các công cụ cập nhật dữ liệu địa lý mạnh, quản lý

dữ liệu không gian tốt, phục vụ quá trình chỉnh sửa, cập nhật thông tin cho dữ liệu không gian và thuộc tính

- Cho phép sử dụng với các thiết bị như PPC, Smart Phone, Pcphone

- Cho phép sử dụng nhiều dạng dữ liệu

- Xây dựng và quản lý cơ sở dữ liệu, ứng dụng các đoạn mã chương trình để xử lý các quy trình GIS tự động

- Cho phép cập nhật dữ liệu GIS tự động và đơn giản hóa, đồng thời

cho phép hiện thị và tạo các bản đồ chất lượng cao Hệ thống Mobile ArcGIS Desktop

1.6.1 Hệ thống WebGIS

WebGIS l hệ thống thông tin địa lý phân tán trên mạng máy tính để thu thập, phân phát, truyền tải các thông tin địa lý dựa trên nền công nghệ Web Hệ thống WebGIS sử dụng mô hình kiến trúc khách – chủ Mô hình khách chủ có thể triển khai

theo 3 cách tiếp cận “nhẹ khách” (thin client) , “nặng khách” (thick client), hoặc mô hình cân đối

Mô hình “nhẹ khách” có nghĩa là hầu hết công việc xữ lý ở phía dịch vụ, phía

khách không làm gì nhiều hơn là hiển thị kết quả Ưu điểm của mô hình này là người dùng không cần cài đặt thêm các ứng dụng Máy khách nhẹ tải nên không cần cấu hình cao Tuy nhiên để giảm tải cho phía chủ cung cấp dịch vụ, các máy chủ Web, máy chủ CSDL và WebGIS có thể không tập trung trên một máy nền duy nhất mà phân tán trên các máy chủ khác nhau và liên kết qua mạng Vì ở máy khách chỉ có nhiệm vụ hiển thị kết quả do đó khi người sử dụng muốn sử dụng các thao tác với dữ liệu không gian, ví

8

dụ cập nhật một đối tượng, một khu vực địa lý trên bản đồ thì sẽ khó thực hiện Do đó

mô hình nhẹ khách là giải pháp đơn giản để xây dựng tập hệ thống bản đồ chủ yếu phục vụ tra cứu, tìm kiếm thông tin, chỉ sử dụng bộ duyệt web

Mô hình “nặng khách” đối lập với “nhẹ khách” Phía khách đảm nhiệm thêm một

số chức năng xử lý, cần cài đặt thêm các tiện ích ví dụ các trình plug-in, ActiveX hay Java-applets Các tiện ích GIS plug-in mở rộng khả năng của bộ duyệt web, làm cho

nó có khả năng xử lý các khuôn dạng dữ liệu GIS Một số chức năng GIS đơn giản có thể do các trình plug-in hay các applet thực hiện tại phía khách, không cần gửi về máy chủ dịch vụ giúp giảm bớt việc truyền dữ liệu trên mạng Ưu điểm của giải pháp “nặng khách” là khả năng tương tác cao hơn, người sử dụng được hòan thiện hơn Nhược điểm của giải pháp này chủ yếu là ở khâu phân phát công cụng phần mềm để cài đặt ở máy khách

Mô hình “cân đối”, người thiết kế phải quyết định phân phối tính toán giữa máy

chủ và máy trạm sao cho hợp lý cũng như cân nhắc, tính toán dữ liệu truyền

Ví dụ về mô hình WebGIS: GoogleEarth (KML) là phần mềm GIS của Google xây dựng trên phạm vi toàn cầu, nó được xây dựng trên nền tảng Client-Server nhờ sử dụng KML để lưu trữ và quản lý dữ liệu Cung cấp hệ thống bản đồ phong phú và đa dạng, tốc độ xử lý nhanh.KML có cấu trúc ngữ pháp XML và khuôn dạng dữ liệu để

mô hình và lưu trữ các đối tượng đồ họa địa lý như các điểm, đường, ảnh và polygon

để hiển thị ở phía Client của GoogleEarth Google Earth kết hợp với các hệ thống vệ tinh để đưa ra các hình ảnh mới nhất và sống động nhất cho người dùng GoogleEarth

là một sản phẩm phục tốt cho người dùng nghiệp dư, với các chuyên gia, GoogleEarth vẫn chưa đáp ửng đủ yêu cầu

9

CHƯƠNG 2 TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRONG GIS

2.1 Tổ chức dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý

GIS cung cấp đầy đủ các thông tin địa lý của bản đồ, GIS lưu trữ các thành phần của bản đồ thành 1 tập các lớp theo chủ đề, liên kết với nhau Cách tiếp cận thành từng lớp (layer) cho phép tổ chức thế giới thực phức tạp thành dạng đơn giản hơn, dễ quản

lý hơn

Hình 2 – Tổ chức các lớp của thế giới thực

Trong hệ thống thông tin địa lý, dữ liệu được chia làm hai loại dữ liệu cơ bản: dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian Mỗi loại có những đặc điểm riêng và chúng

khác nhau về yêu cầu lưu giữ số liệu, hiệu quả xử lý và hiển thị

Dữ liệu không gian là dữ liệu về vị trí địa lý của các đối tượng theo một hệ tọa độ

hay hệ quy chiếu nào đó, là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng bao gồm toạ

độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một đối tượng địa lý cụ thể trên bản đồ

Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu không gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi, … Dữ liệu không

gian có thể biểu diễn bằng mô hình dữ liệu raster hay mô hình dữ liệu vector

Dữ liệu phi không gian hay dữ liệu thuộc tính là những đặc tính, số lượng, mối

quan hệ kết nối logic giữa các dữ liệu không gian của các đối tượng bản đồ với vị trí địa lý của chúng Dữ liệu thuộc tính nói chung thuộc kiểu số, hoặc chữ số và chúng được tổ chức lưu thành các bảng dữ liệu trong CSDL theo mô hình quan hệ

10

2.1.1 Mô hình dữ liệu Vector

Mô hình dữ liệu vector xem các sự vật, hiện tượng là tập các thực thể không gian

cơ sở và tổ hợp của chúng Trong mô hình 2D thì các thực thể cơ sở bao gồm: điểm (point), đường (line), vùng (polygon) Các thực thể cơ sở này được hình thành trên cở

sở các vector hay toạ độ của các điểm trong một hệ trục toạ độ nào đó

Loại thực thể cơ sở được sử dụng phụ thuộc vào tỷ lệ quan sát hay mức độ khái quát của bản đồ Với bản đồ có tỷ lệ nhỏ thì thành phố được biểu diễn bằng điểm (point), đường đi, sông ngòi được biểu diễn bằng đường (line) Khi tỷ lệ thay đổi kéo theo sự thay đổi về thực thể biểu diễn Thành phố lúc này sẽ được biểu diễn bởi vùng

có đường ranh giới Khi tỷ lệ lớn hơn, thành phố có thể được biểu diễn bởi tập các thực thể tạo nên các đối tượng nhà cửa, đường sá, các trình tiện ích,… Có thể nói mô hình dữ liệu vector sử dụng các đoạn thẳng hay các điểm rời rạc để biểu diễn các đối tượng địa lý của thế giới thực

Hình 2 – số liệu Vector được biểu diễn dưới dạng vùng (polygons)

Đối tượng điểm được biểu diễn dưới dạng một vector 2 chiều (x,y), xác định vị trí của điểm đó trên bản đồ Đối tượng là đường được xác định như tập hợp dãy của các điểm, vùng được xác định bởi ranh giới các đường thẳng, những đối tượng này được gọi là các polygons, được mô tả bằng tập các đường và điểm nhãn (lable points)

Mô hình dữ liệu vector định hướng đến các hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu Chúng có ưu việt trong việc lưu trữ số liệu bản đồ Vì các thành phần đồ họa biểu diễn các đặc trưng của bản đồ liên kết trực tiếp với các thuộc tính được lưu trong CSDL, do

đó việc tìm kiếm có thể được thực hiện dễ dàng

11

2.1.2 Hệ thống Raster

Mô hình dữ liệu dạng raster phản ánh toàn bộ vùng nghiên cứu dưới dạng một lưới các ô vuông hay điểm ảnh (cell) Độ phân giải dữ liệu raster phụ thuộc vào kích thước của tế bào hay điểm ảnh, khác nhau từ vài chục dm đến vài km Dữ liệu raster gắn liền với dữ liệu dạng ảnh hoặc dữ liệu có tính liên tục cao Dữ liệu raster có thể biểu diễn được rất nhiều các đối tượng từ hình ảnh bề mặt đất đến ảnh chụp từ vệ tinh, ảnh quét và ảnh chụp Định dạng dữ liệu raster rất đơn giản nhưng hỗ trợ rất nhiều kiểu dữ liệu khác nhau Mô hình raster có các đặc điểm:

- Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới

- Mỗi một điểm ảnh chứa 1 giá trị

- Một tập các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạo thành một lớp (layer)

- Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp

Mô hình dữ liệu raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng tương đối phổ biến trong các bài toán về môi trường, quản lý thiên nhiên Trong một hệ thống CSDL cơ bản, raster được lưu trữ trong các ô (thường hình vuông) được sắp xếp trong một mảng hoặc dãy các hàng và cột

Trong cấu trúc dữ liệu raster, các điểm (points) có thể được biểu diễn bằng một cell Line được biểu diễn bởi một tập các cell có hướng xác định, độ rộng của line bằng chiểu rộng của một cell Polygon được biểu diễn bởi một dãy các cell nằm kề sát nhau

Hình 3 - Mảng cell và bảng thuộc tính

Hình 4 - Biểu diễn các đối tượng cơ sở trong raster

12

Cũng như mô hình vector, mô hình raster có các tầng bản đồ cho địa hình, hệ thống thủy lợi, sử dụng đất, … Tuy nhiên do cách thức xử lý thông tin thuộc tính khác nhau, nên mô hình raster thường có nhiều bản đồ hơn Ví dụ, trong mô hình vector để biểu diễn mức độ ô nhiểm của một “con sông” có thể được gán trực tiếp cho nó Nhưng trong mô hình raster không làm được như vậy Trước hết phải tạo lập tầng bản

đồ cho “con sông”, sau đó tạo tầng bản đồ thứ hai để chỉ mức độ ô nhiểm Kết quả là

số lượng tầng bản đồ của một hệ thống raster tăng lên đáng kể so với mô hình vector

Ưu điểm của mô hình raster là đơn giản, lưới là một bộ phận của bản đồ đã được

sử dụng để kiến tạo thông tin địa lý Khi các số liệu đầu vào là các ảnh vệ tinh hay ảnh

từ máy quét – có khuôn mẫu lưới, chúng sẽ phù hợp cho mô hình dữ liệu này Lợi thế lớn nhất của hệ thống raster là dữ liệu hình thành trong bản đồ trong bộ nhớ máy tính

Do vậy, các thao tác kiểu như so sánh lưới tế bào được thực hiện dễ dàng Tuy nhiên

hệ thống raster không thuận tiện cho việc biểu diễn đường, điểm vì mổi chúng là tập các tế bào trong lưới, do đó đường thẳng dễ bị đứt đoạn hoặc rộng hơn thực tế

Điểm yếu nhất của mô hình dữ liệu raster là phải xử lý khối dữ liệu rất lớn Nếu

độ phân giải của lưới càng thấp thì các thực thể trên bản đồ càng có thể bị mất đi Ngược lại nếu độ phân giải cao thì phải lưu trữ một khối lượng lớn các thông tin trong CSDL

Mô hình dữ liệu vector cho ta nhiều thao tác hơn trên các đối tượng so với mô hình raster Việc tính diện tích, đo khoảng cách của các đối tượng được trong mô hình Vector thực hiện bằng các tính toán hình học từ toạ độ của các đối tượng thay vì việc tính toán trên các điểm ảnh như ở mô hình raster

Hình 3 – Kết hợp giữa mô hình vector và raster

13

Mỗi mô hình raster và vector đều có những ưu và nhược điểm riêng Tùy theo mục tiêu sử dụng của GIS mà có thể thiết kế chức năng biến đổi Raster/Vector nếu cần thiết Thông thường người ta biểu diễn thế giới thực bởi sự kết hợp giữa giữ liệu vector và raster

2.1.3 Mô hình TIN

Các ứng dụng mô hình hoá địa hình đòi hỏi phương pháp biểu diễn độ cao so với

bề mặt nước biển Có rất nhiều mô hình biểu diễn bề mặt thực hiện công việc này, trong đó mô hình “lưới tam giác không đều” - gọi tắt là mô hình TIN được đánh giá là hiệu quả nhất

Hình 5 - Bản đồ với mô hình dữ liệu TIN TIN có khả năng biểu diễn bề mặt liên tục từ những tập hợp điểm rời rạc Về mặt hình học, TIN là tập các điểm được nối với nhau thành các tam giác Các tam giác này hình thành nên bề mặt 3 chiều Các điểm được lưu trữ cùng với giá trị gốc chiếu của chúng Các điểm này không cần phải phân bố theo một khuân mẫu nào và mật độ phân

bố cũng có thể thay đổi ở các vùng khác nhau Một điểm bất kỳ thuộc vùng biểu diễn

sẽ nằm trên đỉnh, cạnh hoặc trong một tam giác của lưới tam giác Nếu một điểm không phải là đỉnh thì giá trị hình chiếu của nó có được từ phép nội suy tuyến tính (của hai điểm khác nếu điểm này nằm trên cạnh hoặc của ba điểm nếu điểm này nằm trong tam giác) Vì thế mô hình TIN là mô hình tuyến tính trong không gian 3 chiều có thể được hình dung như sự kết nối đơn giản của một tập hợp các tam giác

Ta có thể lưu trữ sơ đồ của TIN bằng danh sách liên kết đôi hoặc cấu trúc tứ phân Cả hai phương pháp này đều mô tả cấu trúc hình học tô pô của bản đồ chia nhỏ

2.2 Điểm qua cách tổ chức dữ liệu trong một số hệ thống GIS thông dụng

2.2.1 Tổ chức dữ liệu trong MapInfo

Các thông tin trong MapInfo được tổ chức theo từng bảng, mỗi một bảng là một tập các File về thông tin đồ họa hoặc phi đồ họa chứa các bản ghi dữ liệu mà hệ thống tạo ra Cơ cấu tổ chức thông tin của các đối tượng địa lý được tổ chức theo các File sau đây:

- id: file chứa các thông tin liên kết các đối tượng lại với nhau

- ind: file chứa các chỉ số đối tượng

- wor: tập tin lưu trữ tổng hợp các table hoặc các cửa số thông tin khác nhau của MapInfo

2.2.2 Tổ chức dữ liệu trong ArcGIS của ESRI

Khuôn dạng shapefile được đưa vào sử dụng trong ArcGIS 2 từ đầu những năm

90 Thuật ngữ “shapefile” thường được dùng để chỉ một tập hợp nhiều tệp có chung tên nhưng với phần mở rộng khác nhau, cùng trong 1 thư mục Để hiểu sâu hơn về cấu trúc lưu trữ của một GIS ta sẽ đi sâu tìm hiểu shapefile như là một ví dụ ở phần sau

2.2.3 Tổ chức dữ liệu trong GRASS

GRASS là một trong những ứng dụng GIS nguồn mở rất mạnh GRASS nổi tiếng

về phân tích dữ liệu raster, điều mà chúng ta không thấy ở các GIS thương mại như MapInfo Professional hoặc Arcview Tuy nhiên, sau này các chức năng liên quan đến

dữ liệu vector cũng đang được phát triển

Dữ liệu GIS trong GRASS nằm trong một thư mục được gọi là CSDL GIS (GISDBASE) Trong CSDL GIS đó có các thư mục con được gọi là LOCATION (vị trí), trong các LOCATION có các thư mục con gọi là MAPSET (bộ bản đồ) Các mapset sẽ chứa các tệp và các thư mục con, gọi là các phần tử (thành phần) cơ sở dữ liệu Mỗi một phiên làm việc của GRASS chỉ được làm việc với một MAPSET trong một LOCATION mà thôi Nếu không có dữ liệu sẵn, bạn phải tự tạo ra LOCATION

và MAPSET mới

Bản đồ vector trong GRASS được lưu trữ theo các biểu diễn cung-nút, bao gồm các đường cong gọi là cung Một cung được lưu trữ như một danh sách các cặp tọa độ x,y Điểm đầu, điểm cuối của một cung được gọi là nude Hai cặp tọa độ x, y liên tiếp nhau xác định một đoạn (segment) của cung Các cung đơn lẽ hay kết hợp với các cung khác tạo ra các đối tượng bản đồ ở mức cao hơn Các cung đơn lẽ tạo nên các line biểu diễn các đối tượng như đường, sông suối, … các cung bao quanh 1 vùng được gọi là area edges hay areas lines

15

Hình – Cấu trúc thư mục của Grass Các tệp của cùng một lớp bản đồ vector có cùng một tên, nhưng mỗi tệp nằm trong một thư mục CSDL khác nhau trong mapset

2.3 Tìm hiểu cấu trúc lưu trữ của Shapefile

Shapefile là một cấu trúc dữ liệu GIS được đưa ra bởi ESRI cho cácn phần mềm hệ thống thông tin địa lý, như một chuẩn mở cho việc chia sẽ dữ liệu giữa ESRI

và các phần mềm GIS khác Một shapefile thường là 1 tập các files cùng tên với đuôi shp, shx , dbf,…

Shapefile dùng để mô tả các đối tượng địa lý: điểm, đường, đa giác Mổi đối tượng có các thuộc tính địa lý, ví dụ: tên, nhiệt độ, độ cao,…

Shapefile lưu trữ dữ liệu dưới dạng vector để chứa các đối tượng địa lý và các thông tin liên quan Tuy nhiên, nó không có khả năng chứa thông tin mạng topo hình học

Shapefile lưu trữ các loại dữ liệu địa lý cơ bản của các điểm, đường, đa giác Để

có những thông tin thuộc tính về các đối tượng để xác định đối tượng nào mà chúng biểu diễn, một bảng các bản ghi sẽ chứa các thuộc tính cho mỗi đối tượng trong shapefile Những biểu diễn của các đối tượng địa lý (các điểm, các đường, các đa giác) này có thể tạo ra rất nhiều biểu diễn của dữ liệu địa lý cung cấp khả năng tính toán địa

lý mạnh mẽ và chính xác

16

Shapefile là một tập của một số file (thông thường có 3 file cơ bản) Mỗi file tuân theo quy tắc đặt tên file của MS DOS

3 file bắt buộc:

- shp: thông tin về dạng hình học của đối tượng địa lý

- shx: định dạng index của shapefile;

- dbf: định dạng thuộc tính; các cột thuộc tính cho mỗi shape trong dBase III

Các file tùy chọn:

- prj: định dạng projection; lưu thông tin hệ tọa độ và thông tin project, sử dụng định dạng WKT

- sbn và sbx: một kiểu index không gian của các đặc trưng (features)

- fbn và fbx: một index không gian của các đặc trưng cho những shapefile chỉ đọc

- ain và aih: một index thuộc tính của các của các trường hoạt động trong bảng hoặc trong các thuộc tính của bảng

Tiêu đề của main file với chiều dài cố định: 100bytes:

(Trong các bảng, cột Endianness chỉ mức độ quan trọng của dữ liệu)

Bytes Type Endianness Usage

24-27 Int32 Big File length (in 16-bit words, including the

header)

17

32–35 int32 little Shape type (see reference below)

36–67 double little Minimum bounding rectangle (MBR) of

all shapes contained within the shapefile; four doubles in the following order: min

X, min Y, max X, max Y 68-83 Double Little Range of Z; two doubles in the following

order: min Z, max Z 84-99 Double Little Range of M; two doubles in the

following order: min M, max M

File shp chứa số lượng bản ghi thay đổi với số lượng bất kỳ Mỗi bản ghi được thêm vào đầu bởi 1 bản ghi tiêu đề dài 8bytes

Bytes Type Endianness Usage

4-7 Int32 big Record length (in 16-bit words) Theo sau bản ghi tiêu đề là bản ghi thật

Byte Type Endianness Usage

Nội dung của các bản ghi có chiều dài thay đổi phụ thuộc vào loại của đối tượng biểu diễn

18

Shapefile index (.shx)

File chỉ số của shapefile cũng chứa tiều đề 100-byte như shp, theo sau bởi bất kỳ một số các bản ghi có độ dài có định 8byte với 2 trường

Bytes Type Endianness Usage

Sử dụng chỉ số này, cho phép tìm giật lùi trong shapefile bằng cách tìm kiếm giật lùi trong shape index, đọc record offset, và sử dụng nó để tìm đến vị trí tương ứng trong shp file Tương tự, nó cũng cho phép tìm kiếm trên một số tùy ý bản ghi bởi cùng phương pháp

File dữ liệu (.dbf)

Các thuộc tính cho mỗi shape được chứa dưới dạng dBase Một định dạng thay thể cũng có thể được sử dụng là xBase

File định dạng Project (.prj)

20

CHƯƠNG 3 XỬ LÝ TRUY VẤN KHÔNG GIAN

3.1 Cấu trúc R-Tree index

R-tree là một cây cân bằng tương tự như B-tree với các các bản ghi index trên các nốt lá trỏ đến các đối tượng dữ liệu Cấu trúc R-tree được thiết kế sao cho việc tìm kiếm các đối tượng không gian sẽ có số lượng lần thăm các node nhỏ nhất R-tree cho phép xóa hoặc chèn các index mới mà không cần phải thường xuyên tổ chức lại Một CSDL không gian chứa một tập các tuples – biểu diễn cho các đối tượng không gian và mỗi tuble có một ID duy nhất Trong R-tree các nốt lá chứa các bản ghi index có dạng:

(I, tuple – identifier) Với tuple – identifier tham chiếu đến tuple trong CSDL và I là một hình chử nhật n-chiều, là hộp bao của đối tượng không gian được index

I=(I0, I1,…, In-1)

Ở đây n là số chiều và Ii là một khoảng bị chặn đóng [a, b] mô tả sự mở rộng của đối tượng theo chiều i Tuy nhiên, Ii có thể có một hoặc hai điểm cuối bằng vô cùng để chỉ rằng đối tượng mở rộng vô cùng theo hướng i Một node không phải là lá chứa những entries có dạng

(I, child – pointer) Với child-pointer là địa chỉ của node con trong R-tree và I bọc tất cả các hình chử nhật trong các mục của node con

3.1.1 Cấu trúc của R-tree

Đặt M là số lượng tối đa các entry trong 1 node, và m <= M/2 xác định số lượng entry ít nhất phải có trong 1 node R-tree thõa mản các thuộc tính sau:

(1) Mọi node lá chứa từ m đến M bản ghi index trừ khi nó là root (2) Với mỗi bản ghi (I, tuple-identifier) trong 1 node lá, I là hình chử nhật nhỏ nhất chứa đối tượng không gian biểu diễn bởi tuple-identifier

(3) Mỗi node không phải node lá có từ m đến M con trừ khi nó là root

(4) Với mỗi entry (I, child-pointer) trong 1 node không phải lá, I là hình chử nhật nhỏ nhất bao các hình chử nhật con

21

(5) Node root có ít nhất 2 con trừ khi nó là lá

(6) Tất cả các lá xuất hiện với cùng mức

Hình 6 – Cấu trúc R-tree Hình 6a, và 6b biểu diễn cấu trúc của một R-tree và minh họa mối quan hệ bao hàm và chồng phủ lẫn nhau có thể tộn tại giữa các hình chử nhật trong R-tree Chiều cao của một R-tree chứa N bản ghi index ít nhất là |logmN|-1, vì hệ số nhánh của mỗi node ít nhất là m, số node tối đa là |N/m|+|N/m2|+ +1 Trường hợp xấu nhất là tất cả các node chứa m entry Thông thường, các node thường có nhiều hơn m entry, vì vậy chiều cao của cây sẽ ít hơn |logmN|-1

3.1.2 Tìm kiếm và cập nhật trong R-tree

Tìm kiếm

22

Thuật toán tìm kiếm đi xuống từ root tương tự như B-tree Tuy nhiên, do cấu trúc bao hàm và chồng phủ lẫn nhau có thể tồn tại nên số cây con được tìm kiếm có thể lớn hơn 1, vì vậy không thế đảm bảo một hiệu năng tốt trong trường hợp xấu nhất Tuy nhiên với hầu hết các loại dữ liệu thuật toán update sẽ duy trì cây ở dạng cho phép thuật toán tìm kiếm đánh giá các miền không phù hợp của không gian index, và chỉ xem xét những dữ liệu gần vùng tìm kiếm

Thuật toán Search Cho một R-tree với node root là T, tìm tất cả các bản ghi

index chứa những hình chử nhật chồng lên hình chử nhật đang tìm S

- S1[Tìm cây con] Nếu T không phải là lá, kiểm tra mỗi entry E của T để xác định xem EI có chồng lên S hay không Với tất cả entries chồng, gọi hàm Search trên cây mà node root được trỏ bởi Ep

- S2[Tìm node lá] Nếu T là 1 lá, kiểm tra tất cả entry E để xác định EI có chồng lên S hay không Nếu có, E là 1 bản ghi “có chất lượng”

(Ở đây EI là hình chử nhật được trở đến bởi entry E, Ep là con trỏ trong entry E)

Chèn

Việc chèn các bản ghi index cho những tuples data mới cũng có tư tưởng tương tự như chèn trong B-tree: các bản ghi mới sẽ được thêm vào các lá, các node

bị tràn sẽ được cắt ra, và việc cắt sẽ lan truyền lên

Thuật toán Insert chèn 1 index mới E vào R-tree:

- I1 [Tìm vị trí cho bản ghi mới] Gọi hàm ChoseLeaf để tìm một node lá L

- I4 [Mọc cây cao hơn] Nếu việc lan truyền chia node làm cho root cũng

bị chia, tạo một root mới có các con là 2 node được tạo ra

Thuật toán AdjustTree: Đi lên từ node lá L đến root, điểu chỉnh các hỉnh chử

nhật bao phủ và lan truyền việc chia các node nếu cần thiết

- AT1 [khởi tạo] Đặt N=L, nếu L đã bị chia trước đó, đặt NN là kết quả thứ 2 (NN=LL)

- AT2[kiểm tra hoàn thành] Nếu N là root, dừng