Đồ án thiết kế và xây dựng cơ sở dữ liệu ảnh vệ tinh trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian PostGIS

Thứ tư, PostgreSQL còn có thể chạy được trên rất nhiều hệđiều hành khác nhau như Window, Linux, Unix, MacOSX…Và cuối cùng, mộttính năng nổi trội của PostgreSQL là khả năng mở rộng hàm, k

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ 5

1.1 Giới thiệu 5

1.2 Các thành phần của GIS 5

1.2.1 Đối tượng 5

1.2.2 Các thuộc tính 7

1.2.3 Hình ảnh 7

1.2.4 Bề mặt 9

1.3 Hiển thị dữ liệu địa lý 11

1.3.1 Ảnh Vector 11

1.3.2 Ảnh Raster 13

1.4 Tổ chức thông tin địa lý 15

1.4.1 Các lớp bản đồ 15

1.4.2 Chủ đề dữ liệu 16

1.5 Hệ tọa độ và tham chiếu địa lý 17

1.5.1 Tham chiếu địa lý 17

1.5.2 Hệ tọa độ trong GIS 18

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ POSTGIS RASTER 22

2.1 Giới thiệu 22

2.1.1 So sánh PostGIS Raster với Oracle GEORaster 23

2.2 Cơ sở nền tảng trong PostGIS Raster 32

2.2.1 Sự thực thi 32

2.2.2 Cấu trúc 33

2.2.3 Xác định tham chiếu không gian 35

2.2.4 Dữ liệu Raster 35

2.2.5 Độ phân giải không gian 45

2.2.6 Loại điểm ảnh 46

2.2.7 Giá trị Nodata 47

2.2.8 Các khối ảnh 47

2.2.9 Tháp ảnh 49

2.2.10 Sự sắp xếp lớp Raster 51

2.2.11 Lưu trữ vật lý 55

2.2.12 Chỉ mục 58

2.2.13 Chuyển đổi 60

2.2.14 Sự giao nhau 61

CHƯƠNG 3: THỰC THI POSTGIS RASTER 66

3.1 Lưu trữ và quản lý Raster 66

3.1.1 Nhập Raster 66

3.1.2 Lấy và thiết lập các thuộc tính Raster 67

3.1.3 Chuyển đổi Vector sang Raster 68

3.1.4 Chuyển đổi Raster sang Vector 69

3.2 Xuất Raster 69

3.3 Hiển thị Raster 70

3.4 Chỉnh sửa và tính toán Raster 70

3.5 Chuyển đổi Raster sang định dạng GDAL 72

3.5.1 Raster sang Tiff 72

3.5.2 Raster sang JPEG 72

3.5.3 Raster sang PNG 72

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG 74

4.1 Giới thiệu 74

4.2 Một số hình ảnh của chương trình 75

4.3 Quantum GIS 78

KẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội, lượng thông tin cần lưu trữ

cũng tăng theo cấp số nhân theo từng năm, từng thời kỳ, thì việc lưu trữ sốlượng thông tin đó trở nên vô cùng khó khăn, đặc biệt khi một lượng lớn thôngtin vẫn được lưu trữ trên những tài liệu, sổ sách qua thời gian cùng với các tácđộng bên ngoài có thể làm cho những tài liệu đó bị hỏng hóc, khó phục hồi Do

đó, nhu cầu sử dụng các phần mềm hỗ trợ khả năng lưu trữ các dữ liệu đảm bảocác yếu tố an toàn và tiện lợi trong thao tác với dữ liệu đó là vô cùng cần thiết

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại hệ quản trị CSDL khác nhau : từphần mềm nhỏ chạy trên máy tính cá nhân cho đến những hệ quản trị phức tạpchạy trên một hoặc nhiều siêu máy tính trong đó có thể kể tới các hệ quản trịCSDL như: MySQL, Oracle, SQL Server, PostgreSQL…Mỗi loại trên có nhữngtính năng, lợi ích riêng Đặc biệt hơn cả, hệ quản trị CSDL PostgreSQL cónhững tính năng và lợi thế hơn hẳn các hệ quản trị CSDL khác

PostgreSQL là sự lựa chọn sử dụng của nhiều người vì nó cónhiều ưu điểm nổi trội so với các hệ quản trị CSDL khác Thứ nhất, PostgreSQL

là phần mềm mã nguồn mở, miễn phí hoàn toàn trong sử dụng Thứ hai, hiệusuất làm việc của PostgreSQL chênh lệch so với các hệ quản trị khác trong sai

số +/-10% Thứ ba, đây là hệ quản trị có độ tin cậy cao, bằng chứng là quá trìnhphát triển của nó Thứ tư, PostgreSQL còn có thể chạy được trên rất nhiều hệđiều hành khác nhau như Window, Linux, Unix, MacOSX…Và cuối cùng, mộttính năng nổi trội của PostgreSQL là khả năng mở rộng hàm, kiểu dữ liệu, toántử…người sử dụng có thể tự định nghĩa hàm, kiểu dữ liệu, kiểu toán tử…và cóthể thêm những kiểu dữ liệu, toán tử…vào hệ quản trị CSDL PostgreSQL.Ngoài ra PostgreSQL còn hỗ trợ kiểu dữ liệu hình học (geometry) nhưPoint, Line, Polygon…Và PostGIS chính là công cụ được bổ sung choPostgreSQL để hỗ trợ hiển thị đối tượng địa lý PostGIS là một mã nguồn mở,

mở rộng không gian cho PostgreSQL giúp cải thiện được tốc độ truy cập, dễdàng quản lý và đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu khi thao tác với dữ liệu khônggian

Một đặc điểm nổi trội của PostGIS đó là trong khi hầu hết các hệ thốngthông tin địa lý khác chỉ cung cấp dữ liệu vector để thực thi thì PostGIS hỗ trợmột kiểu dữ liệu mới cho phép miêu tả sự phân bố của các hiện tượng vật lýthay đổi liên tục theo thời gian và không gian (gọi là các trường liên tục) như

nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…Đây chính là cơ sở để chọn đồ án “Thiết kế và xây dựng cơ sở dữ liệu ảnh vệ tinh trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian PostGIS” Đóng góp lớn nhất của đồ án là đi nghiên cứu làm rõ một kiểu dữ liệu

mới PostGIS Raster- hỗ trợ các trường liên tục trong cơ sở dữ liệu PostgreSQLđồng thời cũng mô tả một ứng dụng cho phép người dùng quản lý cơ sở dữ liệuảnh vệ tinh trong PostGIS Raster

Đồ án chia làm 4 chương:

Chương 1: Cơ sở hệ thống thông tin địa lý: giới thiệu qua những thànhphần cơ bản nhất của một hệ thống thông tin địa lý

Chương 2: Tổng quan về PostGIS Raster: tập trung giới thiệu về PostGIS,

so sánh với những hệ quản trị khác; những cơ sở kiến thức nền tảng về Rastercũng được giới thiệu làm rõ trong chương này

Chương 3: Thực thi PostGIS Raster: giới thiệu chi tiết cách thức làm việcvới dữ liệu Raster trong PostGIS

Chương 4: Xây dựng chương trình ứng dụng: thiết kế, xây dựng chươngtrình ứng dụng quản lý ảnh vệ tinh kết nối đồng thời cả PostGIS và QuantumGis

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ

Dữ liệu địa lý được lưu trữ, thao tác, phân tích bởi một hệ thống thông tinđịa lý GIS Phần này sẽ đi mô tả các thành phần trong hệ thống này

1.1 Giới thiệu

Dữ liệu địa lý nhiều hơn so với hình ảnh điện tử Dữ liệu địa lý không chỉ

mô tả các đối tượng thật và các quan hệ trong không gian mà còn thể hiện thamchiếu không gian , hình học và các thông tin chuyên đề Tuy nhiên để khai thácmột cách đầy đủ các đặc trưng đó, cần có một công cụ bổ sung Một hệ thốngthông tin địa lý là một hệ thống thông tin được thiết kế để tương thích, lưu trữ,chỉnh sửa, phân tích, chia sẻ và hiển thị thông tin địa lý cho các nhà xây dựng,thiết kế Ứng dụng GIS là những công cụ cho phép người sử dụng tạo ra các truyvấn tương tác, phân tích thông tin không gian, chỉnh sửa dữ liệu trong bản đồ vàhiển thị kết quả của tất cả các hoạt động đó

Một hệ thống thông tin địa lý (HTTTĐL) là sự kết hợp của bản đồ, phântích, thống kê và công nghệ cơ sở dữ liệu Đó là thiết kế có thể tùy chỉnh chomột tổ chức Một HTTTĐL được phát triển với mục đích thẩm quyền hay cácdoanh nghiệp có thể không nhất thiết phải tương thích hoặc tương thích với hệthống GIS đã được xây dựng cho các ứng dụng khác

bản là tập hợp các điểm, đường và vùng Chúng thể hiện những điều xảy ra tựnhiên, đối tượng rời rạc ( như sông, thảm thực vật) đối với các công trình xâydựng (như đường sá, đường ống, giếng, các tòa nhà…) hay các khu đất ( quận,khu vực chính trị và các mảnh đât…)

Điểm: xác định những vật rời rạc mà chúng quá nhỏ để mô tả theo kiểu

đường hay vùng như địa điểm, bốt điện thoại, và các điểm máy đo dòng chảy…Điểm cũng có thể đại diện cho vị trí địa điểm nào đó, tọa độ GPS hay đỉnh núi

Hình 1.1: Đối tượng điểm

Đường: đường thể hiện hình dạng của đối tượng địa lý quá hẹp để mô tả

theo kiểu một vùng (như đường phố, dòng chảy) Đường cũng được sử dụng thểhiện các đối tượng có chiều dài nhưng không phải vùng như đường đồng mức vàđịa giới hành chính

Hình 1.2: đối tượng đường

Vùng: thể hiện hình dạng của các đối tượng lớn như các tiểu bang, quận

hạt, loại đất, hiện trạng sử dụng đất…

Hình 1.3: Đối tượng vùng thể hiện các thửa

 Màu xanh dùng để thể hiện nước, dòng chảy

 Đường phố thường được gán nhãn với tên của chúng và thường có thêmmột số địa chỉ nào đó

 Các điểm đặc biệt và các kí hiệu dạng đường biểu thị các đối tượng cụ thểnhư các tuyến đường sắt, sân bay, trường học, bệnh viện …

1.2.3 Hình ảnh

Hình ảnh được tổ chức như một loại dữ liệu raster gồm các ô lưới (cell)được xây dựng theo mạng lưới hàng và cột Ngoài các giá trị của cell, một rastercũng bao gồm kích thước cell và hệ tọa độ hiển thị (bên trái, phía trên hoặc dướicủa lưới) Những thuộc tính này cho phép một raster được biểu thị bằng một tậpcác giá trị cell và bắt đầu ở góc trên bên trái Vị trí mỗi cell có thể được đặt tựđộng bằng cách sử dụng tọa độ tham chiếu, kích thước cell và số cột, số hàng

Hình 1.4: Lưới cell trong dữ liệu rasterẢnh hàng không có cấu trúc dữ liệu kiểu raster thu được từ các cảm biếnkhác nhau trong vệ tinh và máy bay

Hình 1.5: dữ liệu RasterHình ảnh được dùng để thu thập dữ liệu ở cả hai phần nhìn thấy và khôngnhìn thấy của quang phổ Một hệ thống máy quét đa phổ đặt trong vệ tinh đã ghilại hình ảnh 7 kênh cùng với quang phổ điện từ Việc đo đạc với mỗi kênh đượcghi lại trong một mạng lưới riêng biệt

Hình 1.6: Dữ liệu raster nhiều kênh

1.2.4 Bề mặt

Một bề mặt mô tả một hiện tượng có một giá trị đối với từng điểm trongkhông gian Ví dụ, bề mặt độ cao là một vùng liên tục mà ở đó tất cả các vị tríkhông gian có giá trị độ cao trên mực nước biển Các ví dụ khác bao gồm bề mặtlượng mưa, nồng độ ô nhiễm v.v…

Một vấn đề lớn trong bề mặt đó là không thể thể hiện tất cả các giá trị củatất cả các vị trí trong một khu vực Có nhiều lựa chọn khác nhau thay thế cho bềmặt như sử dụng các đối tượng hay raster Dưới đây là một số thay thế:

Đường đồng mức: đại diện cho một tập hợp các điểm có giá trị như nhau

Mạng lưới tam giác không đều

Một mạng lưới tam giác không đều (TIN): một cấu trúc dữ liệu thể hiện

bề mặt như một mạng lưới kết nối các tam giác Mỗi nút tam giác có tọa độ x,y

và giá trị bề mặt z

Raster và TIN có thể được sử dụng để ước tính giá trị bề mặt cho bất kì vịtrí nào sử dụng phép nội suy

Hình 1.8: bề mặt được thể hiện bởi các kênh đồng mức

Hình 1.9: bề mặt được thể hiện bởi dữ liệu Raster

Hình 1.10: bề mặt thể hiện với mô hình TIN

1.3 Hiển thị dữ liệu địa lý

Theo truyền thống, đối tượng thực trong dữ liệu địa lý có thể được lưu trữdưới hai dạng: đối tượng rời rạc (như con đường, nhà, cây) sử dụng vector vàcác đối tượng liên tục (như lượng mưa, độ cao) sử dụng raster Một phươngpháp tổng hợp mới của đám mây lưu trữ dữ liệu là điểm xác định, kết hợp điểm

3 chiều với thông tin RGB tại mỗi điểm và trả lại ảnh màu 3D Tuy nhiên, cácphần sau chỉ tập trung thể hiện raster và vector

1.3.1 Ảnh Vector

Ảnh vector sử dụng các hình học nguyên thủy như điểm, đường thẳng,đường cong và vùng, tất cả đều dựa trên biểu thức toán học để thể hiện hình ảnhbằng đồ họa máy tính

Mỗi hình học cơ bản được thể hiện bởi các đường và bề mặt Tất cả cácđường, được xác định bởi điểm đặc trưng để xác định phương trình của nó Cácđiểm đặc trưng tạo thành một vector Như vậy, vector biểu diễn các kí tự đường

và màu sắc bề mặt Điều này dẫn đến khái niệm vẽ nhiều lớp – tức là đườngcong có thể được chồng phủ Hiện tượng này có thể không xảy ra trong việc thểhiện raster bởi vì nó có một lớp, sau đó điểm mới sẽ ghi đè điểm trước đó

Lợi thế của việc biểu diễn bằng vector là tính tinh vi và độ chính xác củakết quả Các đường có thể được chỉnh sửa rất nhanh và cùng lúc Thật vậy, việcbiểu diễn này liên quan đến số lượng đối tượng đồ họa giới hạn, vì vậy các tậptin đồ họa là rất nhẹ

Độ phân giải

Ảnh vector được xác định bởi các biểu thức toán học, chúng có thể đượcthu nhỏ hoặc phóng to mà không làm giảm chất lượng Cụ thể, sự mô tả toánhọc của đối tượng chỉ đơn giản là nhân với một tỷ lệ Ví dụ một đối tượng hìnhvuông 1inch sẽ được nhân với 2 để tăng kích thước lên gấp đôi Do đó biểu thứctoán học được tính toán lại để tạo ra đối tượng có kích thước gấp 2 lần đối tượngban đầu Do vậy biểu thức toán học được tính toán lại để tạo ra một đối tượng cókích thước gấp 2 lần đối tượng ban đầu Vì vậy, hình ảnh vector có thể được tạo

ra với bất kì độ phân giải nào mà một máy in có thể tạo ra được Không giốngvới ảnh raster, chất lượng ảnh vector không giới hạn bằng cách quét độ phângiải

Hình 1.11: ảnh vector với các tỷ lệ khác nhau

Màu sắc

Từ khi các ảnh vector bao gồm các đối tượng, đối tượng vector màu giốngnhư được tô với bút màu trong sách màu Sử dụng chương trình vẽ, người sửdụng có thể dễ dàng thay đổi màu của các đối tượng riêng rẽ bằng cách kich vàobên trong đối tượng và xác định màu của nó, cùng với việc xác định chiều rộngcủa dòng Ảnh màu vector thường dễ hơn ảnh màu raster

Kích thước tập tin

Lưu trữ hình ảnh vector chỉ cần mô tả toán học Vì lý do này, các tập tinvector thường rất bé trong kích thước của tập tin Hầu hết các biểu tượng dựatrên vector đều có kích thước dưới 100 kB Vì lý do này, tập tin vector lý tưởngcho việc chuyển giao qua Internet

Định dạng tập tin

Các định dạng vector phổ biến bao gồm EPS (Encapsulated PostScript),WMF (Windows Metafile), AI (Adobe Illustrator), CDR (CorelDraw), DXF(AutoCAD), SVG (Scalable Vector Graphics) and PLT (Hewlett PackardGraphics Language Plot File)

Màn hình hiện đại và máy in là các thiết bị raster, định dạng vector đượcchuyển đổi sang định dạng raster trước khi chúng được hiển thị hoặc in ra Hoặctrong công việc đồ họa, các thiết bị như máy ảnh và máy quét thường cho ra các

đồ họa raster tông màu liên tục không thực để chuyển sang vector Vì vậy mộtchỉnh sửa hình ảnh được thực hiện trên điểm ảnh hơn là trên các đối tượng vẽđược định nghĩa bởi biểu thức toán học

1.3.2 Ảnh Raster

Một ảnh raster là một cấu trúc dữ liệu mảng 2 chiều thể hiện bởi lưới cácđiểm ảnh, các chấm hoặc điểm màu Một ảnh raster được đặc trưng bởi chiềurộng và chiều cao của các pixel và số bit trên mỗi pixel Con số này xác định sốlượng màu sắc có thể thể hiện trong ảnh

Độ phân giải

Độ phân giải của ảnh raster thể hiện bằng số chấm trên mỗi inch hoặc dpi

Độ phân giải máy in cũng được đo bằng số chấm trên mỗi inch Máy in laze đểbàn thông thường in ở 300-600 dpi Máy in với dpi cao hơn có khả năng tạo sảnphẩm mượt và sạch hơn Tuy nhiên, chất lượng của một hình ảnh raster phụthuộc vào độ phân giải và khả năng của công nghệ in Ví dụ, một ảnh raster300dpi sẽ tạo ra kết quả cùng chất lượng trên máy in laze 300 dpi cũng như trênmột máy in 2500 dpi Bằng cách tăng kích thước của một hình ảnh raster300dpi, các hình vuông điểm ảnh nhỏ sẽ lớn hơn và tạo các mép sắc cạnh hơn vàkhông có thông tin nào được thêm vào Trong trường hợp này, ảnh raster sẽ bịgiảm chất lượng Ví dụ hình 1.12 thể hiện mép của ảnh raster thông qua hiệuứng phóng to Ngược lại, khi giảm kích thước, các hình vuông nhỏ hơn và hìnhảnh vẫn giữ được cạnh ban đầu nhưng không mịn

Hình 1.12: Bên trái là ảnh vector ban đầu Ảnh bên phải minh họa sựphóng đại 7x như vector và ảnh phía dưới minh họa sự phóng đại như raster

Màu sắc

Ảnh raster là sự sao chụp lại thế giới thực, một số lượng lớn màu sắc sẽđược yêu cầu làm cho ảnh raster chính xác như nguồn gốc ban của chúng Ví dụ,nếu máy quét hoạt động với 24bit màu (16 triệu màu), hầu như mắt người khôngthể phân biệt sự khác biệt giữa ảnh gốc ban đầu và ảnh quét raster Ngược lại,nếu sử dụng bảng màu với 256 màu sắc, sẽ không tái tạo được màu sắc như gốcban đầu Để làm được việc này, mày quét sử dụng một quá trình gọi là phối màutạo ra các màu sắc gần đúng không xuất hiện trong bảng màu hiện tại

Hình 1.13: Ảnh raster phóng to

Nhược điểm lớn nhất khi sử dụng ảnh raster nằm ở việc chỉnh sửa và thaotác với màu sắc ảnh Ảnh vector là hướng đối tượng trong khi đó ảnh raster làđiểm ảnh có định hướng, để thay đổi màu sắc điểm ảnh, một màu sắc cụ thểhoặc nhiều màu sắc phải tách ra khỏi phần còn lại để thay đổi Công việc này làmột thách thức đối với người dùng, thậm chí phải có kinh nghiệm

Kích thước tập tin

Với mỗi tập tin ảnh raster, một số lượng lớn các thông tin, bao gồm vị tríchính xác và màu sắc trong lưới điểm ảnh, cần phải được lưu trữ theo dõi để táitạo lại hình ảnh Điều này dẫn đến kích thước tập tin ảnh raster lớn Độ phângiải cao (dpi) và độ sâu màu lớn (số bit cho mỗi điểm ảnh) tạo ra những tập tin

có kích thước lớn Điển hình như logo ảnh đen và trắng sẽ có kích thước tập tinnhỏ hơn 70kB Tập tin tương tự lưu dưới dạng 300dpi 24 bit (hàng triệu màu),logo ảnh raster có thể có kích thước gấp 100 lần (trên 7MB) Khi tạo và quét ảnhraster, kích thước tập tin raster trở thành vấn đề quan trọng, các tập tin lớn có xu

hướng dùng cho bộ vi xử lý máy tính và ổ cứng Việc chuyển giao các tập tinlớn trên Internet (hơn 1MB) yêu cầu kết nối internet tốc độ cao trên cả hai đầu

để việc đưa lên và tải được đúng lúc

Định dạng tập tin

Định dạng ảnh raster phổ biến bao gồm BMP (Window Bitmap), PCX(Paintbrush), TIFF (TagInterleave Format), JPEG (Joint Photographics ExpertGroup), GIF (Graphics Interchange Format), PNG (Portable Network Graphic),PSD (Adobe PhotoShop) và CPT (Corel Photo PAINT)

Các công cụ đồ họa hoàn hảo sẽ kết hợp hình ảnh từ các nguồn vector vàraster và cung cấp các công cụ chỉnh sửa cho cả hai, từ một vài bộ phận của mộtảnh có thể đến một nguồn ảnh và hơn nữa có thể được vẽ sử dụng công cụvector

1.4 Tổ chức thông tin địa lý

1.4.1 Các lớp bản đồ

GIS tổ chức thông tin địa lý thành các lớp Một lớp là một sự thể hiện dữliệu địa lý trên bản đồ Ví dụ, lớp vector là tập hợp các yếu tố địa lý đơn củacùng một loại như mạng lưới đường (thể hiện bởi các đoạn), ranh giới các lô đất(vùng)….Ví dụ lớp raster bao gồm một bề mặt độ cao, ảnh vệ tinh, sử dụng đấtv.v…Trong khung dữ liệu, mỗi lớp đại diện cho một dữ liệu địa lý cụ thể đượchiển thị và bao phủ bởi các lớp khác tạo thành một đại diện địa lý quan trọngtrong thế giới thực

Hình 1.14: Biểu diễn nhiều lớp địa lý

1.4.2 Chủ đề dữ liệu

Dựa trên các khái niệm chủ đề dữ liệu, thông tin địa lý trong GIS đượcphân chia thành một loạt các lớp thông tin địa lý theo logic chứ không phải mộttập hợp ngẫu nhiên các đối tượng Do đó, người dùng có thể tổ chức thông tintheo nhiều chủ đề dữ liệu khác nhau mô tả sự phân bố của một hiện tượng vàlàm thế nào mỗi chủ đề thể hiện trên một phạm vi địa lý

Nhiều chủ đề dữ liệu được thể hiện tốt nhất bởi một lớp dữ liệu duy nhấtnhư loại đất hoặc địa điểm tốt Các chủ đề khác giống khung vận chuyển, đượcthể hiện bởi nhiều lớp, trong đó mỗi đối tượng (như đường, nút giao, cầu, đườngdốc, đường cao tốc, đường sắt… ) được thể hiện bởi một lớp riêng biệt

Hình 1.15: các chủ đề của một vùngMỗi hệ thống thông tin địa lý GIS có thể bao gồm nhiều chủ đề cho mộtkhu vực địa lý phổ biến Tập hợp các chủ đề hoạt động như một ngăn xếp cáclớp Mỗi chủ đề được quản lý như một thông tin độc lập với các chủ đề khác.Mỗi một chủ đề có một sự thể hiện riêng và có thể là tập hợp các điểm, đường,vùng, bề mặt, raster… Bởi vì các lớp được tham chiếu không gian, có thểchúng chồng chéo lên nhau và được hiển thị trong một màn hình hiển thị bản đồphổ biến Vì vậy các hoạt động phân tích GIS như phép giao vùng có thể kết

hợp thông tin giữa các lớp để khám phá và làm việc với các mối quan hệ khônggian.

Các khái niệm chủ đề dữ liệu lớp cơ bản có thể hiểu rằng:

 Tất cả các lớp phải được tham chiếu địa lý đến một vị trí trên Trái đất vìthế chúng có thể kết nối với nhau Quá trình tham chiếu địa lý được thựchiện bằng cách xác định hệ tọa độ địa lý của mỗi bộ dữ liệu

 Các lớp có thể được kết hợp bằng nhiều cách như xếp theo thứ tự các lớptrong một bản đồ hoặc khai thác sử dụng hoặc dùng lệnh Các hoạt độngđịa lý có thể làm việc với các mối quan hệ bên trong và giữa các lớp

 Các lớp GIS có thể được kết hợp từ nhiều nguồn và nhiều người sử dụng.Trong thực tế, hầu như người dùng phụ thuộc vào nhau về các phần dữliệu mà học muốn sử dụng Vì thế, khả năng tương tác trở thành đối tượng

cơ bản trong GIS

1.5 Hệ tọa độ và tham chiếu địa lý

1.5.1 Tham chiếu địa lý

Tất cả yếu tố trong bản đồ có một vị trí địa lý cụ thể và khả năng chúngnằm trên bề mặt trái đất Vì thế để tham chiếu địa lý một vật gì đó nghĩa là để

mô tả sự tồn tại của nó trên bề mặt trái đất Thuật ngữ này được sử dụng khithiết lập mối quan hệ giữa ảnh raster hoặc vector và hệ tọa độ hoặc khi xác định

vị trí không gian của các đối tượng địa lý khác Ví dụ bao gồm thiết lập vị tríchính xác của một bức ảnh hàng không trong một bản đồ hoặc tìm kiếm tọa độđịa lý của một địa chỉ đường nào đó Vì thế tham chiếu địa lý là bắt buộc với môhình dữ liệu địa lý trong các lĩnh vực của hệ thống thông tin địa lý

Hình 1.16: Thực hiện tham chiếu một đối tượng địa lý.

1.5.2 Hệ tọa độ trong GIS

Một hệ thống tọa độ là một hệ thống sử dụng tọa độ để xác định duy nhất

vị trí một điểm hoặc các yếu tố địa lý khác trên mặt đất Có hai loại hệ tọa độphổ biến sử dụng trong GIS:

 Một hệ thống tọa độ toàn cầu như gồm kinh độ, vĩ độ Hệ thống nàythường được gọi là hệ tọa độ địa lý

 Một hệ quy chiếu dựa trên phép chiếu bản đồ Tồn tại các phép chiếu bản

đồ khác nhau cung cấp các kĩ thuật khác nhau để chiếu bề mặt hình cầucủa trái đất lên mặt phẳng tọa độ hai chiều Descart Hệ quy chiếu cũngđược gọi là phép chiếu bản đồ

Hệ tọa độ địa lý

Một hệ tọa độ địa lý là hệ tọa độ cho phép tất cả các vị trí trên bề mặt tráiđất được xác định bởi một tập hợp các số Tọa độ thường được chọn gồm một sốđại diện cho vị trí thẳng đứng, hai và ba con số đại diện cho vị trí nằm ngang.Một lựa chọn phổ biến là kinh độ và vĩ độ

Kinh độ và vĩ độ

Là những góc đo từ tâm trái đất đến một điểm nào đó trên bề mặt trái đất

Vĩ độ là góc được đo theo hướng Bắc Nam Đường xích đạo có góc 0 Thôngthường, phía Bắc bán cầu xác định vĩ độ bằng cách đo trực tiếp, còn ở Nam báncầu vĩ độ được xác định bằng cách lấy 180 trừ đi số đo được Kinh độ là góc đotheo hướng Đông Tây, cách đo kinh độ truyền thống dựa trên kinh tuyến gốc, đó

là một đường tưởng tượng chạy từ Bắc Cực, qua Greewich ở Anh rồi đến NamCực Đường này có kinh độ là 0

Hình 1.17: Vị trí điểm đo là 40 độ vĩ và 50 độ kinhMặc dù kinh độ và vĩ độ có thể xác định vị trí chính xác trên bất kì vị trínào trên bề mặt toàn thế giới, nhưng chúng không thống nhất về đơn vị Dọctheo đường xích đạo, khoảng cách biểu diễn bởi 1 độ kinh tuyến gần bằngkhoảng cách biểu diễn bởi 1 độ vĩ tuyến

Hình 1.18: các đường kinh tuyến và vĩ tuyến

Ở trên và dưới đường xích đạo, các vòng tròn xác định các đường songsong của vĩ tuyến dần trở nên nhỏ hơn cho đến khi chúng trở thành một điểmduy nhất ở Bắc và Nam cực Khi kinh tuyến hội tụ về các cực, khoảng cách thểhiện bởi 1 độ kinh giảm xuống bằng 0 Ví dụ, một độ kinh ở xích đạo tươngđương với 111.321 km, trong khi đó ở 60 độ vĩ, nó chỉ khoảng 55.802km Kinh

độ và vĩ độ không có tiêu chuẩn chiều dài, khoảng cách hoặc diện tích không thể

đo đạc chính xác hoặc hiển thị dữ liệu dễ dàng trên bản đồ phẳng Hiệu quả việcphân tích GIS và ứng dụng bản đồ đòi hỏi một khung tọa độ ổn định, được cungcấp bởi hệ quy chiếu

Hệ quy chiếu sử dụng tọa độ Descart

Hệ quy chiếu là bất kì hệ tọa độ nào được thiết kế cho một bề mặt phẳng

Hệ tọa độ Descart 2D và 3D cung cấp kĩ thuật mô tả vị trí địa lý của các đốitượng địa lý sử dụng các giá trị x, y và z x, y thể hiện vị trí trên bề mặt trái đất

và z thể hiện chiều cao so với mực nước biển

Hệ tọa độ Descart 2 chiều

Là hệ tọa độ sử dụng 2 trục: trục ngang x đại diện 2 hướng Đông – Tây vàtrục dọc y đại diện 2 hướng Bắc – Nam Điểm giao nhau của các trục là gốc Vị

trí các đối tượng được xác định tương đối so với vị trí gốc sử dụng các kí hiệu(x,y), trong đó x nói tới khoảng cách dọc theo trục ngang và y nói tới khoảngcách dọc theo trục đứng Gốc được xác định là (0,0) Ví dụ, hình 1.19, kí hiệu(4,3) cho thấy điểm cách 4 đơn vị trên trục x và 3 đơn vị trên trục y so với gốc.

Hình 1.19: Hệ tọa độ Descart 2D

Hệ tọa độ Descart 3 chiều

Là hệ tọa độ sử dụng thêm giá trị z để xác định độ cao so với mực nướcbiển Kí hiệu (2,3,4) hình 1.20 chỉ một điểm cách gốc tọa độ 2 đơn vị theohướng trục x, 3 đơn vị theo hướng trục y và có độ cao là 4 đơn vị so với bề mặttrái đất, cũng như 4 đơn vị so với mực nước biển

Không giống như hệ tọa độ địa lý, một hệ quy chiếu có chiều dài khôngđổi, các góc và khu vực trên hai chiều Tuy nhiên, tất cả phép chiếu bản đồ thểhiện bề mặt trái đất tạo ra sự biến dạng một số mặt như khoảng cách, diện tích, tỉ

lệ hoặc phương hướng (hình 1.22) Phụ thuộc vào ứng dụng người dùng, nhiềuphép chiếu bản đồ được thiết kế phục vụ các mục đích đặc biệt Một phép chiếunày có thể được sử dụng để giữ nguyên hình dạng và một phép chiếu khác cóthể được sử dụng để giữ nguyên diện tích

`Các thuộc tính của phép chiếu bản đồ là những thông số quan trọng đểxác định hệ tọa độ cho mỗi bộ dữ liệu GIS và mỗi bản đồ Với các thuộc tínhnày, vị trí địa lý của các yếu tố tập dữ liệu có thể được chiếu lại và chuyển đổisang một hệ tọa độ thích hợp Kết quả là nó có thể tích hợp và kết nối các thôngtin từ nhiều lớp GIS Đây là một khả năng cơ bản của GIS vì vị trí chính xác là

cơ sở của hầu hết các hoạt động GIS

Hình 1.21: Các phương pháp khác biệt của phép chiếu bản đồ

Hình 1.22: Biến dạng trong phép chiếu bản đồ

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ POSTGIS RASTER

2.1 Giới thiệu

ORACLE GEORaster là một thành phần hỗ trợ các đối tượng liên tụctrong ORACLE Tuy nhiên, nó có vẻ phức tạp và rắc rối đối với người dùng ítkinh nghiệm Do đó PostGIS Raster được thiết kế để khắc phục nhược điểm này.Thực tế này sẽ được chứng minh thông qua mục đích của PostGGIS Raster và

sự khác nhau giữa kiến trúc của PostGIS Raster và Oracle GEORasters, lưu trữvật lý, chỉ mục, chồng lớp, và một số hoạt động chủ yếu khi làm việc với dữ liệuraster

PostGIS Raster, một phần mở rộng của PostGIS, thực thi một loại dữ liệuraster mới, phù hợp với sự đa dạng của các ứng dụng bằng cách đạt được 4 mụctiêu:

Đơn giản và bổ trợ

Đầu tiên là một loại raster được thiết kế để thích hợp với sự đa dạng củaứng dụng, sau đó mục tiêu đầu tiên của PostGIS Raster là cung cấp bộ nạp đơngiản để nạp raster vào cơ sở dữ liệu Bộ nạp cho phép người dùng nạp một haynhiều raster cùng lúc Kiểu dữ liệu mới này bổ sung cho PostGIS đã có loại dữliệu vector và làm việc giống các loại vector khác, nhưng thay vì kết hợp cácyếu tố hình học, raster có liên quan đến một cấu trúc dữ liệu ma trận

Tích hợp trong suốt với Vector

PostGIS Raster cung cấp một tập các hoạt động và các chức năng tương

tự những cái có sẵn cho vector để hổ trợ raster Bằng cách này, người sử dụng

có thể sử dụng kiến thức về vector để thao tác tương tự khi sử dụng các hoạtđộng và chức năng Do đó sẽ tăng cường sự tương tác giữa người sử dụng vớiứng dụng địa lý

Với các nhà phát triển, một mô hình SQL cho cả raster và vector sẽ giúpchúng ta viết được các ứng dụng GIS tốt hơn Các nhà phát triển sẽ xây dựngmột giao diện người dùng đồ họa độc đáo đối với cả hai loại dữ liệu vector vàraster

Lưu trữ linh hoạt

Ngoài việc lưu trữ truyền thống (lưu trữ trong cơ sở dữ liệu), PostGISRaster cho phép người sử dụng đăng kí đơn giản dữ liệu của ảnh raster lưu trữtrong tập tin hệ thống (lưu trữ ngoài cơ sở dữ liệu) Khi lấy những raster ngoài

cơ sở dữ liệu từ cơ sở dữ liệu, chúng truy cập trực tiếp từ file hệ thống

Tính thừa kế và mở rộng của PostGIS Raster

PostGIS Raster sử dụng thư viện GDAL (Geospatial Data AbstractionLibrary) để nạp raster vào cơ sở dữ liệu và làm việc với raster ngoài cơ sở dữliệu Với GDAL, PostGIS Raster có thể làm việc với gần một trăm định dạngfile

Những chức năng bổ sung làm cho PostGIS Raster không chỉ là một địnhdạng raster mới mà còn là một sự bổ sung rất cần thiết cho PostGIS

2.1.1 So sánh PostGIS Raster với Oracle GEORaster

a Kiến trúc

Kiến trúc chung

Nhìn chung, công cụ hỗ trợ dữ liệu raster gồm 5 thành phần:

Một tập các chức năng SQL dành cho dữ liệu vector và raster

liệu

Trích xuất, chuyển đổi và nạp (ETL)

GDAL cho phép nạp một hay nhiều raster

GIF, and JPEG

Kiến trúc dữ liệu

Trong Oracle GeoRASTER, mỗi ảnh được lưu trữ như mội đối tượngriêng của SDO_GEORASTER Một bảng GeoRaster là bảng có ít nhất một cộtSDO_Georaster Đối tượng SDO-GeoRaster bao gồm dữ liệu (metadata) vàthông tin về cách lấy dữ liệu Georaster được lưu trữ trong một bảng khác, gọi làbảng dữ liệu Raster (RDT) Dữ liệu GeoRaster là một đối tượng SDO-Raster –đối tượng bao gồm cột đối tượng nhị phân lớn Binary Larger Object (BLOB) gọi

là RASTERBLOCK lưu trữ các khối raster ( phần chính của dữ liệu raster cóthể được chia nhỏ thành nhiều khối nhỏ để lưu trữ và phục hồi tốt nhất)

Hình 2.1: Kiến trúc cơ sở dữ liệu GeorasterCác thông tin khác liên quan đến đối tượng GeoRaster có thể được lưu trữtrong cột hay bảng riêng, ví dụ như bảng giá trị thuộc tính (VAT)

Đơn giản hơn, PostGIS Raster chỉ sử dụng một loại raster để lưu trữ mộtảnh raster, giống như một loại hình học, raster là một loại rất phức tạp, nó nhúngthông tin raster của chính nó với tham chiếu địa lý

Trong PostGIS Raster, không có bảng nào để lưu trữ dữ liệu raster (giốngOracle Spatial SDO_RASTER) và bảng để lưu trữ tham chiếu địa lý và siêu dữliệu (giống Oracle Spatial SDO_GEORASTER) Mọi thứ được lưu trữ trongmột thuộc tính duy nhất và các thuộc tính raster tạo thành một bảng không nhấtthiết liên quan với nhau để tạo thành một coverage.

Hình 2.2: Kiến trúc dữ liệu PostGIS RasterPostGIS Raster sử dụng thêm một bảng raster_columns để chứa các thôngtin về các bảng có cột raster và dữ liệu đặc biệt (pixeltype, kích thước khối, giátri nodata v.v… ) của raster trong các cột này

b Lưu trữ vật lý

Dữ liệu GeoRaster bao gồm ma trận nhiều chiều của các cell và dữ liệuGeoRaster Các ma trận đa chiều được chia thành các khối nhỏ Một khối đượclưu trữ như một BLOB và một đối tượng hình học của SDO\_GEOMETRYđược sử dụng để xác định phạm vi không gian của khối

Mỗi khối và các thông tin liên quan đến khối được lưu trữ trong một hàng

Do đó để lưu trữ hình ảnh có kích thước lớn hơn kích thước khối, ít nhất haihàng là cần thiết để sử dụng trong bảng cơ sở dữ liệu Oracle

Để thực hiện điều đó, GeoRaster yêu cầu 2 loại đối tượng:

 SDO_GEORASTER có chứa hình học không gian mở rộng và dữ liệu đặcbiệt

 SDO_RASTER chứa một BLOB lưu trữ 1 khối và thông tin khối

Mỗi dữ liệu SDO_GEOMETRYcó một cặp thuộc tính (rasterDataTable,rasterID) – nó xác định RDT và các dòng mà RDT được sử dụng để lưutrữ dữ liệu raster

Ví dụ, hình 2.3 cho thấy việc lưu trữ đối tượng GeoRaster sử dụng đối vớimột hình ảnh của Boston, Massachusetts:

 Mỗi hàng trong bảng của các hình ảnh thành phố chứa thông tin về hìnhảnh đối với một thành phố cụ thể (như Boston), bao gồm một đối tượngSDO_GEORASTER

 Đối tượng SDO_GEORASTER bao gồm phạm vi mở rộng hình họckhông gian bao gồm toàn bộ diện tích hình ảnh, siêu dữ liệu, raster ID vàtên của bảng dữ liệu raster liên quan đến hình ảnh này

 Mỗi hàng trong bảng dữ liệu raster chứa thông tin về khối của ảnh, baogồm tối thiểu là một khối hình chữ nhật và (MBR) và dữ liệu hình ảnh(lưu trữ như một BLOB) Một MBR được xác định như một hình chữnhật

Trong PostGIS Raster, loại raster là một loại phức tạp bao gồm nhiềuthuộc tính như thuộc tính, thông tin tham chiếu địa lý, thông tin kênh và dữ liệukênh Vì vậy một thuộc tính raster có thể chứa tất cả thông tin về raster (cao,rộng, số kênh, loại pixel với mỗi kênh, giá trị nodata và giá trị dữ liệu của mỗikênh) với tham chiếu địa lý của nó (loại điểm ảnh, tâm điểm ảnh phía trên bêntrái, quay và xác định tham chiếu không gian SRID)

Một thuộc tính raster duy nhất có thể được tạo thành từ nhiều kênh cókích thước chung, kích thước điểm ảnh và tham chiếu địa lý Việc lưu trữ được

sử dụng cho các kênh raster là các kênh được ghi nối tiếp nhau (BSQ) trong đómỗi kênh có một loại điểm ảnh và giá trị nodata của nó

Một bảng có một cột chỉ loại raster được gọi là tổng hợp raster Một dòngcủa bảng với một cột loại raster gọi là gạch Vì thế không có sự khác biệt giữaraster và gạch Một gạch là một raster và một raster là một gạch mà trong đó cótất cả những gì cần thiết để thực hiện một hoạt động raster căn bản

Hình 2.3: Sơ đồ lưu trữ vật lý của dữ liệu GeoRaster.

Hình 2.4: Lưu trữ vật lý dữ liệu PostGIS raster

Một lợi thế quan trọng của PostGIS Raster so với Oracle GeoRaster là dễthực hiện tham chiếu địa lý Oracle GeoRaster sử dụng một sơ đồ tham chiếu địa

lý theo lớp theo thực hiện tham chiếu theo raster, vì thế dữ liệu raster không liêntục không thể được lưu trữ trong bảng dữ liệu raster tương tự Điều đó có nghĩa

là Oracle GeoRaster yêu cầu một bảng dữ liệu raster để nạp mỗi tập tin rasterkhi tập tin raster đó xuất phát từ những coverage raster bất thường Ngược lại,PostGIS Raster cho phép chỉ một bảng đối với tất cả coverage raster nhưng vớiloại phổ biến thì không cần

Ngoài ra, với phương thức lưu trữ truyền thống (lưu trữ trong cơ sở dữliệu raster), PostGIS Raster cho phép người sử dụng đăng kí một cách đơn giảnsiêu dữ liệu ( đường dẫn đến tập tin thực, loại điểm ảnh, độ rộng, cao, thamchiếu địa lí) của ảnh lưu trữ trong tập tin hệ thống, mà không cần nạp các giá trị

dữ liệu của chúng vào cơ sở dữ liệu Điều này được gọi là lưu trữ ngoài cơ sở dữliệu raster Với phương pháp thứ hai, các ứng dụng web hay desktop có thể truycập trực tiếp vào cơ sở dữ liệu raster ngoài từ tập tin hệ thống (như tập tin JPEG)

và sử dụng một cách thông thạo các hoạt động và chức năng PostGIS Raster trêncác raster đó

Hình 2.5: Tham chiếu địa lý Oracle GeoRaster

Hình 2.6: Tham chiếu địa lý PostGIS Raster

c Chỉ mục

Chỉ mục quan trọng nhất được tạo trên một đối tượng GeoRaster là mộtchỉ mục không gian trên phạm vi hình học không gian của đối tượng GeoRaster.Oracle GeoRaster tạo chỉ mục không gian trên vết của dữ liệu raster cònPostGIS Raster tạo chỉ mục GiST trên chính dữ liệu raster Trong OracleGeoRaster, các hoạt động không gian (như phép giao) chỉ có thể được thực hiện

với MBR (minimum bounding rectangle ) của dữ liệu khi các chỉ mục được tạotrên phạm vi không gian Trong PostGIS Raster, người sử dụng có thể thực hiệncác hoạt động phức tạp với dữ liệu raster giống như lấy được tập hình học và giátrị hình học từ kênh raster ( hàm ST_DumAsPolygons()) Sau đó, tạo chỉ mụctrên những dữ liệu raster có ý nghĩa hơn.

PostGIS Raster sử dụng GDAL để tính toán tọa độ tham chiếu hình họccho góc trên và góc dưới (phạm vi không gian hoặc vết) của một raster Trongtrường hợp này, phạm vi không gian của nó sẽ được bao đóng bởi một hình học.Tuy nhiên, cách này không cần thiết đối với Oracle GeoRaster

Trong GeoRaster, một trong những điều kiện tiên quyết để tạo một chỉmục không gian trên một cột hình học là USER_SDO_GEOM_METADATAphải có một mục chứa kích thước và thông tin tọa độ biên cho các cột trongbảng được lập chỉ mục không gian Đoạn code sau đây tạo chỉ mục không giantrên phạm vi hình học không gian của các đối tượng GeoRaster lưu trữ trongbảng spain_images:

DELETE FROM user_sdo_geom_metadata

WHERE table_name = ’spain_images’

AND column_name = ’IMAGE.SPATIALEXTENT’;

INSERT INTO user_sdo_geom_metadata

VALUES (’spain_images’,’IMAGE.SPATIALEXTENT’,

SDO_DIM_ARRAY(SDO_DIM_ELEMENT(’X’, -180, 180, 00000005),

SDO_DIM_ELEMENT(’Y’, -90, 90, 00000005)), 4326);

DROP INDEX spain_images_idx;

CREATE INDEX spain_images_idx

ON spain_images(image.spatialExtent)

INDEXTYPE IS mdsys.spatial_index;

Ngược lại, PostGIS Raster nạp dữ liệu raster và tạo chỉ mục không gian

sử dụng đơn giản hai lệnh:

python raster2pgsql.py -r *.tif -t spain_images -s 4326 -k 50x50 -I -o spain.sql

psql -d PostGIS_db -f spain.sql

Lệnh đầu tiên sử dụng bộ nạp Python nhập tập ảnh raster vào bảngspain_images (tùy chọn –t) Giá trị -t tùy chọn là để tạo chỉ mục trên nhữngraster đó Tất cả đoạn mã cần thiết được tạo và ghi trong một tập tin SQLspain.sql (-o tùy chọn) Sau đó, lệnh thứ hai sẽ thực thi spain.sql trong cơ sở dữliệu PostGIS

d Chồng lớp Raster và Vector

Mỗi đối tượng không gian có một tham chiếu không gian xác định(SRID) Tuy nhiên, kết quả của bất cứ phương pháp không gian nào từ hai đốitượng không gian chỉ có hiệu lực khi chúng cùng giá trị SRID Điều này tương

tự trường hợp thực hiện chống lớp dữ liệu vector và dữ liệu raster

Để thiết lập lại giá trị SRID của đối tượng hình học, GeoRaster sử dụnghàm sdo_cs.transform :

SELECT sdo_cs.transform(geom, srid_number) geom FROM geom_table ;

Tương tự như vậy với PostGIS Raster:

SELECT ST_Transform(the_geom, srid_number)) FROM geom_table;

e Nạp dữ liệu Raster

Nạp ảnh sử dụng Oracle GeoRaster

Để nạp ảnh raster vào GeoRaster, đầu tiên người sử dụng cần tạo bảng lưutrữ dữ liệu raster Một bảng lưu trữ siêu dữ liệu và một bảng khác lưu trữ siêu dữliệu:

CREATE TABLE spain_images (image_id NUMBER PRIMARY KEY,

image_description VARCHAR2(50), image SDO_GEORASTER);

CREATE TABLE spain_images_rdt OF SDO_RASTER

(PRIMARY KEY (rasterID, pyramidLevel, bandBlockNumber, rowBlockNumber,

columnBlockNumber)) TABLESPACE users LOB(rasterBlock) STORE AS SECUREFILE lobseg (NOCACHE);

Sau đó dùng đoạn code PL/SQL nạp ảnh:

INSERT INTO spain_images VALUES( 1, ’Spain_TIFF_1’, sdo_geor.init(’spain_images_rdt’) );

Import the TIFF image.

SELECT image INTO geor FROM spain_images WHERE image_id = 1 FOR UPDATE;

sdo_geor.importFrom(geor, ’blocksize=(256,256)’, ’TIFF’, ’file’, ’srtm_new.tif’);

UPDATE spain_images SET image = geor WHERE image_id = 1;

END;

Các hoạt động tương tự được lặp lại với tất cả tập tin hình ảnh Nếunhững hình ảnh này tạo thành coverage không liên tục, mỗi tập tin hình ảnh cầnthêm hai bảng mới

Nạp ảnh sử dụng PostGIS Raster

Khi nạp dữ liệu raster bằng cách sử dụng trình hỗ trợ GDAL, bộ nạp tạotất cả những gì cần thiết để lưu trữ dữ liệu raster vào tập tin SQL Bao gồm tạocác bảng cần thiết, chỉ mục (nếu được quy định) và chèn dữ liệu raster vào cácbảng Một hoặc nhiều hình ảnh raster có thể được nạp cùng lúc

f Phép giao giữa Raster và Vector

Phép Giao trong Oracle GeoRaster

Không thể thực hiện phép giao trực tiếp giữa dữ liệu vector và dữ liệuraster trong Oracle GeoRaster Thay vào đó, người sử dụng có thể chọn mộtvùng lấy mẫu, cắt một vùng của raster và lấy dữ liệu raster trên khu vực này.Vùng lấy mẫu phải hình chữ nhật (như mô tả trong tài liệu hướng dẫnSDO_GEOR.generateStatistics ) Vì thế MBR là cách giải quyết

Trong ví dụ sau, vùng mẫu là đối tượng hình học lưu trữ trong bảngsampling_win Yêu cầu sẽ tính toán phần giao của các đối tượng lấy mẫu vàphạm vi không gian của các đối tượng GeoRaster:

DECLARE

cellCoordinate mdsys.sdo_geometry;

ret varchar2(256);

gr sdo_georaster;

BEGIN

Intersect spatial extent of the rasters with the sampling windows

(SELECT t.id, t.geom, r.image_id as rid

FROM spain_images r, sampling_win t

WHERE sdo_geom.sdo_intersection(r.image.spatialExtent, t.geom, 0.005) is not null) END;

Phép giao trong PostGIS Raster

PostGIS Raster sử dụng hàm st_intersection và st_intersects, các hàm nàythực hiện trực tiếp trên dữ liệu vector và raster tính toán phần giao Trước khithực hiện phép giao, hàm st_intersects sẽ kiểm tra những phần của raster giaovới vector Vì thế hàm st_intersection() thực hiện giao vector với raster bằngcách vector hóa chỉ là một phần cần thiết của raster:

CREATE TABLE vector_srtm_inter AS SELECT id, (gv).geom AS the_geom, (gv).val FROM ( SELECT id, ST_Intersection(rast, the_geom) AS gv

FROM srtm_tiled, vector_data WHERE ST_Intersects(rast, the_geom) ) inter;

Tóm lại, phép giao chậm hơn trong GeoRaster nhiều do hai nguyên nhân:

 Để thực hiện phép giao dữ liệu raster và vector, đầu tiên raster phải códạng vùng, sau đó kết quả sẽ là phần giao giữa vùng với dữ liệu vector.Trong quá trình này, việc tạo vùng là một hoạt động phức tạp

 Trong Oracle, dữ liệu raster được lấy mẫu sử dụng cửa sổ hình chữ nhật

Vì thế phép giao chỉ được thực hiện giữa những MBR với dữ liệu vectortrong khi đó trong PostGIS Raster phép giao được thực hiện dưới nhiềuhình thức

2.2 Cơ sở nền tảng trong PostGIS Raster

2.2.1 Sự thực thi

PostGIS Raster lựa chọn để thực thi một cấu trúc dữ liệu vector tối thiểu.Điều đó có nghĩa là một loại raster là duy nhất và được lưu trữ trong một bảngđơn Cấu trúc dữ liệu là rất giống với dữ liệu PostGIS vector và khác OracleSpatial SDO_GEORASTER và SDO_RASTER Trong PostGIS Raster:

 Một bảng với một cột chỉ kiểu dữ liệu raster được gọi là coverage raster

 Một dòng của bảng với một cột chỉ kiểu raster tương ứng với một gạch Việc lựa chọn cấu trúc dữ liệu đơn giản thuận lợi cho việc đạt được 4 mụctiêu mô tả ở phần trên Với một loại raster duy nhất, mỗi thuộc tính raster

là đầy đủ và tự nó tham chiếu hình học Vì vậy thuộc tính raster khôngnhất thiết phải là các bảng có liên quan tới nhau để tạo thành mộtcoverage Điều đó có nghĩa là:

 Raster từ cùng bảng có thể có kích thước khác nhau

 Góc trên, bên trái và kích thước điểm ảnh của một raster không nhất thiếtphải giống giá trị raster khác

 Cuối cùng,các raster khác nhau có thể chồng chéo lên nhau như đa giác Ngoài ra, PostGIS Raster cũng cung cấp bảng raster_columns để giúp cácứng dụng có thể lấy một cách nhanh chóng tổng quan về bảng raster và thông tin(như siêu dữ liệu) liên quan đến raster lưu trữ trong các bảng

2.2.2 Cấu trúc

PostGIS Raster thực thi chỉ một loại raster thay vì hai loại nhưSDO_GEORASTER và SDO_RASTER trong Oracle Spatial Nó không hỗ trợmetadata khi một raster chứa tất cả dữ liệu về chính nó như thông tin địa lý,thông tin tham chiếu, thông tin về kênh và dữ liệu kênh Hình dưới mô tả chi tiếtcác thành phần Như ta thấy trong hình, một raster không có mặt nạ và không cóthuộc tính tháp ảnh khi một mặt nạ được tạo như một kênh độc lập và giảm độphân giải trung bình có thể được lưu trữ như một lớp riêng biệt

Một raster duy nhất có tất cả những thứ cần thiết để thực hiện các hoạtđộng GIS căn bản Không nhất thiết phải liên quan đến raster khác trong cùngmột bảng để được tham chiếu hình học Điều này làm cho PostGIS Raster rấtđơn giản và linh hoạt

Hình 2.7: cấu trúc PostGIS Raster.

Hình 2.8: Sự thực thi PostGIS Raster.

2.2.3 Xác định tham chiếu không gian

Một hệ tham chiếu không gian (SRS) hay hệ tham chiếu tọa độ (CRS) làtọa độ địa phương căn bản, hệ thống khu vực hoặc toàn cầu được sử dụng để xácđịnh vị trí các đối tượng địa lý Một hệ thống tham chiếu không gian xác địnhmột phép chiếu bản đồ cụ thể, cũng như chuyển đổi giữa các hệ tham chiếukhông gian khác nhau

Một hệ thống xác định tham chiếu không gian (SRID) là giá trị duy nhất

để xác định phép chiếu và hệ tọa độ không gian địa phương Các hệ thống tọa độ

là trung tâm của các ứng dụng GIS Trong nhiều trường hợp khác, giá trị SRIDliên quan với các đối tượng không gian có thể sử dụng để hạn chế các hoạt độngkhông gian Ví dụ, các hoạt động không gian không thể thực hiện được giữa cácđối tượng không gian có giá trị SRID khác nhau Hoặc, kết quả của nhiều hoạtđộng không gian có nguồn gốc từ hai đối tượng không gian chỉ có hiệu lực khichúng có cùng SRID dựa trên một đơn vị đo lường và phép chiếu

2.2.4 Dữ liệu Raster

Raster là ma trận các cell được tổ chức thành các hàng và cột Khônggiống như định dạng vector, dữ liệu lưu trữ trong định dạng raster có thể đạidiện cho các đối tượng thực, các hiện tượng thực như

 Việc sử dụng đất hoặc dữ liệu đất được phân loại như là dữ liệu rời rạc

 Nhiệt độ, độ cao hoặc dữ liệu quang phổ xuất phát từ ảnh vệ tinh, ảnh trêncao

 Ảnh quét bản đồ hoặc bức ảnh vẽ các tòa nhà

Hình 2.9: Hiển thị Thông tin sử dụng dữ liệu RasterMột thophoto, thophotograph hoặc thoimage là một bức ảnh trên khôngđược điều chỉnh về mặt hình học theo một tỉ lệ thống nhất: hình ảnh có cùng sựbiến dạng như một bản đồ Không giống như một bức ảnh chưa điều chỉnh, mộtorthophotograph có thể được sử dụng để đo khoảng cách đúng vì nó là thể hiệnchính xác của bề mặt trái đất, được điều chỉnh theo sự thay đổi địa hình, độ biếndạng của ống kính và độ nghiêng của máy ảnh Khi orthophotographs được hiểnthị dưới dạng các lớp khác nhau, chúng cung cấp cho người sử dụng với một sựtin tưởng rằng các lớp bản đồ đã được điều chỉnh không gian phù hợp và thểhiện các đối tượng thực

Hình 2.10: Bản đồ raster cơ bản đối với dữ liệu đườngBản đồ liên tục do ma trận cấu trúc cell, raster rất thích hợp với việc thểhiện hoặc lưu trữ dữ liệu thay đổi liên tục trên một bề mặt Giá trị độ cao tính từ

bề mặt trái đất là những ứng dụng phổ biến của bản đồ bề mặt Với các giá trịkhác, như lượng mưa, nhiệt độ, mật độ dân số cũng có thể được sử dụng trongphân tích không gian như các cell thể hiện bề mặt được đặt cách đều nhau

Bản đồ raster chuyên đề thể hiện dữ liệu chuyên đề có thể bắt nguồn từcác dữ liệu khác thông qua các hoạt động phân tích Một ứng dụng phân tích phổbiến là phân loại ảnh vệ tinh Về cơ bản, các hoạt động này nhóm giá trị dữ liệuthành các lớp (như loại thực vật) và gán một giá trị phân loại Bản đồ chuyên đềcũng là kết quả từ hoạt động xử lý kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhaunhư vector, raster và dữ liệu địa hình Ví dụ, người dùng có thể xử lý dữ liệuthông qua mô hình xử lý dữ liệu địa lý để tạo ra dữ liệu raster mà các bản đồ phùhợp với hoạt động cụ thể nào đó

Máy Chụp ảnh kĩ thuật số và máy quét là các thiết bị đầu ra mà nó nắmbắt thế giới thực và trong thể giới kĩ thuật số để lưu trữ lâu dài Dữ liệu raster làphương tiện mà hình ảnh kĩ thuật số, tài liệu quét hay vẽ được bảo tồn Thôngqua việc hiển thị raster, các hiện tượng thực cũng được định nghĩa như thuộctính của đối tượng địa lý

Hình 2.11: bề mặt bản đồ raster

Hình 2.12: Bản đồ raster chuyên để

b Việc thể hiện các cell

Dữ liệu raster được tạo thành từ ma trận các cell (điểm ảnh), mỗi cellchứa một giá trị Trong nhiều trường hợp, giá trị cell được sử dụng để thể hiện,

mô tả các hiện tượng bằng sử dụng dữ liệu raster như độ lớn, chiều cao, giá trịphổ…Các loại như lớp sử dụng đất như đồng cỏ, rừng, hoặc đường Độ cao(khoảng cách) có thể thể hiện cho độ cao bề mặt trên mực nước biển trung bình,

có thể được sử dụng để tính độ dốc, các khía cạnh và các thuộc tính lưu vựcsông Các giá trị quang phổ được sử dụng trong ảnh vệ tinh và ảnh hàng khôngthể hiện phản xạ ánh sáng và màu sắc

Các giá trị cell có thể tốt hoặc xấu, giá trị nguyên hoặc thực Giá trịnguyên là tốt nhất đối với các dữ liệu rời rạc trong khi đó các giá trị thực thíchhợp với các dữ liệu liên tục (chẳng hạn như bề mặt) Các cell cũng có thể có giátrị nodata để chỉ ra sự vắng mặt của dữ liệu

Phụ thuộc vào dữ liệu thể hiện, có hai cách để thiết lập giá trị một cell.Thông thường, khi giá trị cell đặc trưng cho một biện pháp như trong trường hợp

độ cao, nó được gắn tại chính giữa cell Tuy nhiên, trong hầu hết các trườnghợp, giá trị cell là kết quả từ mẫu của một hiện tượng, vì vậy nó được gắn chotất cả cell ô vuông.

Hình 2.13: Bên trái: giá trị cell được gắn tại trung tâm cell Phía bên phải:

giá trị cell được gán cho cả ô vuông

Dữ liệu raster được lưu trữ theo một danh sách có thứ tự các giá trị cell

Ví dụ, một Raster ở hình 2.14 được lưu trữ theo một danh sách 80, 74, 62, 45,

45, 34 và tương tự

Hình 2.14: các giá trị điểm RasterKhu vực thể hiện bởi mỗi cell có chiều rộng, chiều cao như nhau và bằngmột phần toàn bộ bề mặt thể hiện bởi raster Ví dụ, một raster thể hiện độ cao cóthể bao gồm một vùng có diện tích 10 km vuông Nếu có 100 cell trong raster,mỗi điểm sẽ thể hiện một 1km chiều rộng và 1km chiều cao

Kích thước các cell có thể lớn hay nhỏ để thể hiện bề mặt chuyển tải bởiraster và các đối tượng bên trong bề mặt này Nói cách khác, kích thước cell xácđịnh cách các đối tượng sẽ hiển thị trong raster Kích thước cell nhỏ hơn, raster

sẽ trơn hơn, mượt hơn Tuy nhiên, khi giảm kích thước cell để có được hình ảnhtốt hơn, số lượng cell sẽ tăng khi kích thước bề mặt vẫn không đổi Một sốlượng lớn cell sẽ mất nhiều thời gian để xử lý và yêu cầu nhiều không gian lưutrữ hơn Ngược lại, nếu kích thước một cell là quá lớn, thông tin có thể bị mấthoặc các mẫu tốt có thể bị che khuất Ví dụ, nếu kích thước cell lớn hơn chiềurộng một con đường, con đường đó có thể không tồn tại trong tập dữ liệu raster.Trong hình 2.16 biểu diễn cách làm thế nào một vùng có thể được biểu diễn vớicác cell có kích thước khác nhau.

Vị trí mỗi cell được xác định bằng hàng và cột trong ma trận raster Về cơbản, các ma trận được thể hiện bởi một hệ tọa độ Dercats, trong đó hàng của matrận song song với trục x và cột song song với trục y Hàng và cột bắt đầu vớigiá trị 0

Hình 2.15: Cell Raster

Hình 2.16: Độ phân giải Raster