Ứng dụng công nghệ gis và lý thuyết đồ thị trong việc hỗ trợ giám sát mạng viễn thông di động

Phương pháp luận nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu, tổng hợp tài liệu, phân tích, đánh giá các phương pháp; - Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa:Để biết được

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Đào Quang Tiến

Tên đề tài:

LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ TRONG VIỆCHỖ TRỢ GIÁM SÁT MẠNG VIỄN

THÔNG DI ĐỘNG

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60 48 0101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.

TS ĐẶNG VĂN ĐỨC

Thái Nguyên, tháng năm 2016

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đào Quang Tiến

Sinh ngày: 03/09/1983

Học viên lớp cao học CHK13E - Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Sở Thông tin và Truyền thông tỉnh Phú Thọ

Xin cam đoan: Đề tài “Ứng dụng công nghệ GIS và lý thuyết đồ thị trong

việc hỗ trợ giám sát mạng viễn thông di động” do Thầy giáo PGS.TS Đặng Văn

Đứchướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả tài liệu tham khảo đều

có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật

Thái Nguyên, ngày tháng … năm 2016

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đặng Văn Đức,

luận văn với đề tài “Ứng dụng công nghệ GIS và lý thuyết đồ thị trong việc hỗ trợ

giám sát mạng viễn thông di động”đã hoàn thành

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đặng Văn Đứcđã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ

tôi hoàn thành luận văn này

Khoa Sau đại học Trường Đại học công nghệ thông tin và truyền thông đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành luận văn này

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ ……… 7

1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) 7

1.1.1 Các khái niệm về GIS 7

1.1.2 Kiến trúc của GIS 9

1.1.3 Mô hình dữ liệu không gian 11

1.1.4 Các phép phân tích không gian trong GIS 13

1.1.4.1 Tìm kiếm theo vùng 14

1.1.4.2Tìm kiếm lân cận 14

1.1.4.3 Phân tích đường đi và dẫn đường 14

1.1.4.4 Tìm kiếm hiện tượng và bài toán chồng phủ 14

1.1.4.5 Nắn chỉnh dữ liệu không gian 18

1.1.4.6 Tổng quát hóa dữ liệu không gian 19

1.1.5 Trình diễn bản đồ trong GIS 19

1.1.6 Ứng dụng của hệ thông tin địa lý 24

1.2 LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ 27

1.1.1Các khái niệm về đồ thị 27

1.1.2 Biểu diễn đồ thị trên máy tính 29

Ma trận kề 29

1.1.3 Tập độc lập (Independent set) 30

1.1.4 Tập độc lập cực đại (Maximum Independent set) 31

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 32

iv

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ VÀ GIS HỖ TRỢ GIÁM

SÁT GSM……….33

2.1 XÂY DỰNG BÀI TOÁN GIÁM SÁT TRẠM PHÁT (BTS) CỦA MẠNG VIỄN THÔNG DI ĐỘNG 33 2.1.1Hiện trạng quản lý hạ tầng mạng viễn thông 33

2.1.2 Đánh giá hệ thống mạng viễn thông 36

2.1.3 Nhu cầu phát triển xây dựng hệ thống giám sát mạng viễn thông 38

2.2 MÔ HÌNH HÓA CÁC TRẠM PHÁT BTS SỬ DỤNG LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ 40

2.2.1 Lập ma trận đánh giá 40

2.2.1.1 Xấp xỉ hình học dạng phát sóng phủ 40

2.2.1.2 Xây dựng mô hình lớp dữ liệu không gian phủ sóng trên tất cả các hướng của N điểm phát sóng BTS 45

2.2.1.3 Mô hình hóa mạng lưới phủ sóng BTS 45

2.2.2 Tính toán, tổng hợp và đánh giá các kết quả 45

2.3 CÁC THUẬT TOÁN HỖ TRỢ THIẾT KẾ GIÁM SÁT MẠNG VIỄN THÔNG DI ĐỘNG 46

2.3.1 Thuật toán xếp chồng lớp bản đồ 50

2.3.2 Trình diễn dữ liệu địa lý 56

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 56

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 3.1 Bài toán 58

3.1.1.1- Input: 58

3.1.1.2- Output: 58

3.2 Công cụ xây dựng chương trình 60

3.3 Dữ liệu xây dựng trong chương trình 60

3.4 Thiết kế đặc tả chức năng 60

3.5 Cài đặt và thử nghiệm 61

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ………65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hệ thống thông tin địa lý 8

Hình 1.2 Tầng (layer) bản đồ 8

Hình 1.3 Các thành phần của GIS 9

Hình 1.4 Biểu diễn thế giới bằng mô hình vectơ và raster 12

Hình 1.5 Chồng phủ đa giác 16

Hình 1.6 Tiến trình phủ đa giác 17

Hình 1.7 Ví dụ biểu diễn vị trí nước bị ô nhiễm 21

Hình 1.8 Ví dụ biểu diễn đường 22

Hình 1.9 Ví dụ biểu diễn khu vực hành chính 22

Hình 1.10 Ví dụ về mô hình đồ thị 27

Hình 1.11 Phân loại đồ thị 28

Hình 1.12 Ma trận kề vô hướng (trên) và có hướng (dưới) 30

Hình 1.13 Ảnh minh họa tập độc lập 30

Hình 1.14 Ví dụ về Maximum Independent set 31

Hình 2.1 Xấp xỉ hình học cho vùng phủ sóng 41

Hình 2.2 Buffer của từng điểm BTS 42

Hình 2.3 Điểm A, B và điểm BTS 42

Hình 2.4 Tam giác IAB 43

Hình 2.5 Kết quả tạo điểm i 43

Hình 2.6 Tạo buffer của điểm i 44

Hình 2.7 Điểm BTS và hướng phát sóng 0 độ 44

Hình 2.8 Kết quả giải bài toán tập độc lập bằng phần mềmError! Bookmark not defined Hình 2.9 Đồ thị FRUCHT [8] Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Ví dụ minh họa các bước của thuật toán 49

vi

Hình 2.11 Giao diện phần mềm Error! Bookmark not defined

Hình 2.12 Giao của hai lớp bản đồ 52

Hình 2.13 Hội của hai lớp bản đồ 53

Hình 2.14 Trừ một lớp cho lớp khác 53

Hình 2.15 Tìm điểm trong đa giác 54

Hình 2.16 Xếp chồng raster Bằng cách dùng các lớp 1 và 2, tất cả các dạng xếp chồng đều có thể 55

Hình 2.17 Giao diện phần mềm theo Postgres/PostGISError! Bookmark not defined

Hình 2.18 Mô hình hóa các lớp phủ sóng của các điểm BTSError! Bookmark not defined

Hình 2.19 Một nghiệm sau khi chạy Independent Set AlgorithmError! Bookmark not defined.

Hình 2.20 Chọn hướng từ bảng dữ liệu các phương án phủ sóngError! Bookmark not defined.

Hình 2.21 Bảng kết quả cuối cùng để hiển thị vào khung nhìn trực quanError! Bookmark not defined Hình 2.21 Dữ liệu địa lý khi trình diễn Error! Bookmark not defined

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh mô hình dữ liệu Vector và Raster 12

Bảng 1.2 Tổng hợp các phần tử độc lập 32

Bảng 2.1 Tập độc lập S3 = {3} Kích thước: 1 49

Bảng 2.2 Tập độc lập S3 = {3} Kích thước: 2 49

Bảng 2.3 Tập độc lập S3 = {3} Kích thước: 3 50

Bảng 2.4 Tập độc lập S3 = {3} Kích thước: 4 50

viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ hoặc

sóng điện thoại di động

Acquisition

Điều khiển giám sát và thu nhận dữ liệu

1

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính khoa học và cấp thiết của đề tài

Hệ thống thông tin địa lý ( Geographic Information System - GIS) là sự kết hợp giữa tin học và thông tin địa lý, nó được xem như là hệ thống hỗ trợ ra quyết định Với những tính năng ưu việt, kỹ thuật GIS ngày nay đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và quản lý Hiệu quả của ứng dụng công nghệ GIS trong quản lý hạ tầng viễn thông đã mang lại nhiều ích lợi trong quản lý nhà nước Do vậy, qui hoạch và phát triển hạ tầng viễn thông thụ động đã được UBND tỉnh Phú Thọ phê duyệt, hỗ trợ cho qui hoạch và phát triển đô thị của thành phố Việt Trì

Với định hướng phát triển kinh tế xã hội theo hướng du lịch, dịch vụ, UBND tỉnh Phú Thọ và thành phố Việt Trì đã phê duyệt ngầm hóa 22 tuyến đường nội thành đối với các thiết bị hạ tầng Viễn thông nhằm chỉnh trang cảnh quan đô thị, xây dựng thành phố Việt Trì xanh, sạch và đẹp Các nhà nghiên cứu đã triển khai nhiều đề tài,

dự án và ứng dụng với công nghệ GIS, GPS và RS trong công tác quản lý cây xanh,

hệ thống giao thông, các đối tượng dịch vụ du lịch, mạng lưới điện,…kết quả đã hỗ trợ rất tích cực trong công tác quản lý, quy hoạch để giúp cho lãnh đạo ra quyết định chính xác

Hiện nay trên địa bàn tỉnh Phú Thọ có 11 huyện (Phù Ninh, Hạ Hòa, Lâm Thao, Tam Nông, Thanh Thủy, Thanh Sơn, Tân Sơn, Thanh Ba, Cẩm Khê, Đoan Hùng, Yên Lập), 01 thị xã (T.X Phú Thọ), 01 thành (TP Việt Trì) và có 05 doanh nghiệp tham gia cung cấp các dịch vụ Viễn thông là: Viễn thông Phú Thọ trực thuộc Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT), Tổng công ty Viettel Quân đội

- Chi nhánh tại Phú Thọ (Viettel), Công ty Thông tin di động - Chi nhánh tại Phú Thọ (MobiFone), Công ty Cổ phần Bưu chính Viễn thông Sài Gòn - chi nhánh tai

Hà Nội (SPT) và Trung tâm thông tin di động (Vietnamobile) thuộc Công ty cổ phần Viễn thông Hà Nội (Hanoi Telecom)

2

Hạ tầng Viễn thông của các doanh nghiệp ngày càng phát triển, đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng dịch vụ của người dân, doanh nghiệp và các nhà đầu tư trên địa bàn tỉnh Theo thống kế đến hết năm 2014, trên địa bàn tỉnh Phú Thọ có tổng 1.742 trạm thu phát thông tin di động (BTS), 07 bộ điều khiển trạm gốc (BSC), 103 tuyến cáp, 247 thuê bao kinh doanh và dịch vụ internet công cộng Riêng thành phố Việt Trì có 190 trạm BTS

Vấn đề đặt ra cho quản lý nhà nước về lĩnh vực thông tin và truyền thông là

hỗ trợ tích cực cho các doanh nghiệp nhưng đảm bảo cảnh quan đô thị, tránh chồng chéo trong xây dựng hạ tầng và ảnh hưởng đến các hạ tâng kỹ thuật khác (giao thông, cấp nước, thoát nước, điện…), phát triển đúng quy hoạch Theo chỉ đạo của

Bộ TT&TT và UBND tỉnh, các doanh nghiệp đã tiến hành ngầm hóa và hợp tác dùng chung hạ tầng Đây cũng là bài toán đặt ra cho việc quản lý và tham mưu cho lãnh đạo liên quan đến hoạt động và phát triển thông tin và truyền thông tại địa phương Điều này cần có những công cụ hỗ trợ quản lý chính xác và hữu hiện thì công nghệ GIS là sự lựa chọn phù hợp nhất hiện nay

Với những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài “Ứng dụng công nghệ GIS và lý

thuyết đồ thị trong việc hỗ trợ giám sát mạng viễn thông di động”làm đề tài

nghiên cứu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Khoa học máy tính Đề tài nhằm ứỨng dụng hệ thống thông tin địa lý GIS vào công tác quản lý hạ tầng viễn thông tại thành phố Việt Trì nhằm nâng cao hiệu quả công tác quản lý nhà nước về lĩnh vực quản lý thông tin và truyền thông trên địa bàn

Mục tiêu của đề tài: nghiên cứu phương pháp đánh giá trong GIS sử dụng hệ thống thông tin địa lý và lý thuyết đồ thị ứng dụng bài toán hỗ trợ giám sát mạng viễn thông di động tại thành phố Việt Trì - Tỉnh Phú Thọ

2 Cập nhật tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

 Ngoài nước

- Kuboye B M và Dada O.A., Akinwonmi F.C.[2], dùng GIS để giám sát các trạm gốc GSM (GSM Base Station Location Monitoring), Thụy sĩ: tập hợp dữ liệu phục vụ quản lý trạm BTS trong khu vực và hiển thị dữ liệu một cách trực quan

- SunZou[3], Quản lý cơ sở trạm hệ thống thông tin dựa trên GIS (The base station infomation management system based on GIS), Trung Quốc: sử dụng công cụ ARCGIS nhằm quản lý khối lượng lớn thông tin, hỗ trợ phân tích đánh giá trên nền dữ liệu không gian một cách trực quan và hiệu quả

 Trong nước

Ngày càng nhiều các trạm BTS được xây dựng phục vụ cho cuộc sống ngày càng tốt hơn Tuy nhiên cũng có vài bất cập trong việc xây dựng về mặt vị trí không được hợp lý và nhiều dự án ứng dụng GIS có thể giúp giải quyết các vấn đề này Các dự án cụ thể:

- TS.Đoàn Bảo Hùng[4], 2011 Ứng dụng GIS trong quản lý hạ tầng ngầm cáp viễn thông và quy hoạch trạm BTS tại Tp Huế, báo cáo đề tài Khoa Học và Công Nghệ, Bộ thông tin truyền thông, Vụ Khoa Học và Công Nghệ Tp Huế: sử dụng khả năng phân tích không gian GIS kết hợp với công nghệ hiện nay như: công nghệ thông tin, lý thuyết đồ thị, phương pháp quy hoạch đô thị Giúp việc quản lý tình trạng sử dụng chung một đường cổng cáp của nhiều nhà mạng một cách hiệu quả và khả năng chia sẻ thông tin trong ngành nhanh chóng

4

- Ứng dụng WebGIS quản lý cơ sở hạ tầng bưu chính viễn thông tại Quảng Ninh, công ty cổ phần công nghệ thông tin địa lý eK: sử dụng công nghệ WebGIS nhằm hỗ trợ trong công tác: quy hoạch mạng lưới, cấp phép viễn thông, chia sẻ thông tin giữa các doanh nghiệp hoạt động trên địa bàn

- Đào Minh Tâm[5], xây dựng hệ thống quản lý hạ tầng Bưu chính – Viễn thông Ứng Dụng GIS, hội thảo ứng dụng GIS toàn quốc: xây dựng phần mềm độc lập bằng ArcEngine để quản lý dữ liệu trên SQL Server 2008 nhằm hỗ trợ trong công tác thiết kế mạng lưới, giám sát mạng, quản lý cơ sở hạ tầng, quản lý khách hàng

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

a Mục tiêu

Nghiên cứu phương pháp đánh giá trong GIS sử dụng hệ thống thông tin địa

lý và lý thuyết đồ thị ứng dụng bài toán hỗ trợ giám sát mạng viễn thông di động tại thành phố Việt Trì - Tỉnh Phú Thọ

b Đối tượng

GIS phục vụ quản lý có quy mô hạ tầng viễn thông tại thành phố Việt Trì, phục vụ lãnh đạo, chỉ đạo công tác quản lý và quy hoạch hạ tầng Viễn thông trên địa bàn thành phố Việt Trì - tỉnh Phú Thọ Cung cấp công cụ để quản lý nhà nước

về hạ tầng viễn thông Phục vụ các chuyên viên trong sở trong các hoạt động tác nghiệp, phục vụ các ban ngành trong tỉnh có nhu cầu sử dụng thông tin hạ tầng viễn thông, chia sẻ dữ liệu hạ tầng thông tin truyền thông Có khả năng mở rộng ra mạng Internet kết nối đến các đơn vị viễn thông tiếp nhận dữ liệu và phục vụ khai thác cho cộng đồng, người dân

c Phạm vi:

Dữ liệu hạ tầng viễn thông thành phố Việt Trì - tỉnh Phú Thọ

5

4 Phương pháp luận nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu, tổng hợp tài liệu, phân tích,

đánh giá các phương pháp;

- Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa:Để biết được các thông tin dữ liệu

khu vực nghiên cứu;

- Phương pháp tổng hợp dữ liệu: Để đưa ra những số liệu có tính khách quan

cao phục vụ trợ giúp quyết định;

- Phương pháp phân tích đặc điểm tình hình địa bàn: Xác định mức ảnh

hưởng của các yếu tố và tổng hợp các chỉ tiêu đánh giá về hình ảnh bản đồ

đô thị;

- Phương pháp chuyên gia:Đánh giá vai trò của các yếu tố ảnh hưởng;

- Phương pháp thực nghiệm: Kiểm chứng kết quả nghiên cứu

5 Nội dung và bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu trình bày lý do chọn đề tài và phần kết luận trình bày các kết quả đạt được của luận văn này, nội dung nghiên cứu chính được trình bày trong

ba chương như sau:

- CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ

 Các khái niệm về ồ thị, tập độc lập, tập độc lập cực đại

- CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM

Thu thập dữ liệu bản đồ tỉnh Phú Thọ, thông tin về vị trí và thống kê của các trạm BTS thuộc vùng nghiên cứu, xác định môi trường phát triển chương trình thử nghiệm, phát triển chương trình thử nghiệm: Hỗ trợ giám sát mạng viễn thông di động tại thành phố Việt Trì - tỉnh Phú Thọ ứng dụng GIS và lý thuyết đồ thị, Đánh giá kết quả thu được

7

CHƯƠNG 1

KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊA LÝ VÀ LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ

1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS)

1.1.1 Các khái niệm về GIS

Theo [6], GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục được thiết kế

để thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mô hình hóa và hiển thị các dữ liệu qui chiếu không gian để giải quyết các vấn đề quản lý và lập kế hoạch phức tạp

Một cách đơn giản, có thể hiểu GIS như một sự kết hợp giữa bản đồ (map)

và cơ sở dữ liệu (database)

GIS = Bản đồ + Cơ sở dữ liệu

Bản đồ trong GIS là một công cụ hữu ích cho phép chỉ ra vị trí của từng địa điểm Với sự kết hợp giữa bản đồ và cơ sở dữ liệu, người dùng có thể xem thông tin chi tiết về từng đối tượng/thành phần tương ứng với địa điểm trên bản đồ thông qua các dữ liệu đã được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu Ví dụ, khi xem bản đồ về các thành phố, người dùng có thể chọn để xem thông tin về thành phố đó như diện tích,

số dân, thu nhập bình quân, số quận/huyện của thành phố, …

Độ phức tạp của thế giới thực là không gian hữu hạn Càng quan sát thế giới gần hơn càng thấy được chi tiết hơn Con người mong mỏi lưu trữ, quản lý đầy đủ các dữ liệu về thế giới thực Điều này dẫn đến yêu cầu phải có cơ sở dữ liệu lớn vô hạn để lưu trữ mọi thông tin chính xác về chúng Do vậy, để lưu trữ được dữ liệu không gian của thế giới thực vào máy tính thì phải giảm số lượng dữ liệu đến mức

có thể quản lý được bằng tiến trình đơn giản hoá hay trừu tượng hoá (Hình 1.1) Trừu tượng là đơn giản hoá một cách thông minh Trừu tượng cho ta tổng quát hoá

và “ý tưởng” hoá vấn đề đang xem xét Chúng loại bỏ đi các chi tiết dư thừa mà chỉ tập trung vào các điểm chính, cơ bản Các đặc trưng địa lý phải được biểu diễn bởi các thành phần rời rạc hay các đối tượng để lưu vào CSDL máy tính

8

Hình 1.1 Hệ thống thông tin địa lý

GIS lưu trữ thông tin thế giới thực thành các tầng (layer) bản đồ chuyên đề

mà chúng có khả năng liên kết địa lý với nhau Giả sử ta có vùng quan sát như trên Hình 1.2

Hình 1.2 Tầng (layer) bản đồ

Mỗi nhóm người sử dụng sẽ quan tâm đến một hay là vài loại thông tin Thí

dụ, Sở giao thông công chính sẽ quan tâm nhiều đến hệ thống đường phố Sở nhà đất quan tâm nhiều đến các khu dân cư và công sở Sở thương mại quan tâm nhiều đến phân bổ khách hàng trong vùng Tư tưởng tách bản đồ thành tầng tuy đơn giản nhưng khá mềm dẻo và hiệu quả, chúng có khả năng giải quyết rất nhiều vấn đề về thế giới thực, từ theo dõi điều hành xe cộ giao thông, đến các ứng dụng lập kế hoạch và mô hình hoá lưu thông Ta có thể sử dụng tiến trình tự động, gọi là mã

9

hoá địa lý (geocoding) để liên kết dữ liệu bên ngoài với dữ liệu bản đồ Thí dụ sử

dụng mã hoá địa lý để ánh xạ thông tin bán hàng bằng mã bưu điện (ZIP) hay chỉ ra địa chỉ khách hàng trên bản đồ bằng các điểm

1.1.2 Kiến trúc của GIS

GIS được kết hợp bởi 5 thành phần chính: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con người, chính sách và quản lý

Hình 1.3.Các thành phần của GIS

 Phần cứng

Phần cứng là hệ thống máy tính trên đó một hệ GIS hoạt động Ngày nay, phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các máy trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng

 Phần mềm

Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý Các thành phần chính trong phần mềm GIS là:

- Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý

- Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS)

10

- Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý

- Giao diện đồ hoạ người – máy (GUI) để truy cập các công cụ dễ dàng

 Dữ liệu

Có thể coi thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu Các dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc được mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS để tổ chức lưu giữ và quản lý dữ liệu

11

Như vậy, trong 5 hợp phần của GIS, hợp phần chính sách và quản lý đóng vai trò rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, đây là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS

Trong phối hợp và vận hành các hợp phần của hệ thống GIS nhằm đưa vào hoạt động có hiệu quả kỹ thuật GIS, 2 yếu tố huấn luyện và chính sách – quản lý là

cơ sở của thành công Việc huấn luyện các phương pháp sử dụng hệ thống GIS sẽ cho phép kết hợp các hợp phần: (1) Thiết bị (2) Phần mềm (3) Chuyên viên và (4)

Số liệu với nhau để đưa vào vận hành Tuy nhiên, yếu tố chính sách và quản lý sẽ

có tác động đến toàn bộ các hợp phần nói trên, đồng thời quyết định đến sự thành công của hoạt động GIS

1.1.3 Mô hình dữ liệu không gian

Hệ thống thông tin địa lý làm việc với hai dạng mô hình dữ liệu địa lý khác nhau về cơ bản là mô hình vector và mô hình raster

Mô hình vector sử dụng tọa độ 2 chiều (x, y) để lưu trữ hình khối của các thực thể không gian trên bản đồ 2D Mô hình này sử dụng các đặc tính rời rạc như điểm, đường, vùng để mô tả không gian, đồng thời cấu trúc topo của các đối tượng cũng cần được mô tả chính xác và lưu trữ trong hệ thống

Mô hình raster hay còn gọi mô hình dạng ảnh (image) biểu diễn các đặc tính

dữ liệu bởi ma trận các ô (cell) trong không gian liên tục (Hình 1.4) Mỗi ô có chỉ

số tọa độ (coordinate) và các thuộc tính liên quan Mỗi vùng được chia thành các

hàng và cột, mỗi ô có thể là hình vuông hoặc hình chữ nhật và chỉ có duy nhất một giá trị

12

Hình 1.Error! No text of specified style in document.1 Biểu diễn thế giới

bằng mô hình vectơ và raster

Cả mô hình vector và raster đều được dùng để lưu dữ liệu địa lý với những

ưu điểm, nhược điểm riêng Các hệ GIS hiện đại có khả năng quản lý cả hai mô hình này Bảng 1.1 so sánh giữa hai mô hình dữ liệu Vector và Raster:

Bảng 1.1.So sánh mô hình dữ liệu Vector và Raster

- Cấu trúc dữ liệu đơn giản

- Hiệu quả trong tính toán

- Việc đưa ra tính thẩm mỹ không cao

- Miêu tả mức cao biến đổi không gian dễ dàng

- Thể hiện bản đồ không rõ nét nếu độ phân giải thấp Nếu tăng độ phân giải sẽ

dẫn đến kích thước file dữ liệu lớn

1.1.4 Các phép phân tích không gian trong GIS

Các thao tác trên dữ liệu không gian thường chia làm hai lớp bài toán cơ bản

là các bài toán về tìm kiếm và phân tích không gian và các bài toán về xử lý dữ liệu không gian

Lớp bài toán tìm kiếm và phân tích không gian: bao gồm các bài toán liên quan đến việc khai thác thông tin và tri thức từ dữ liệu không gian Ví dụ như bài

hệ tọa độ, chuyển đổi khuôn dạng dữ liệu…Dưới đây đề cập khái quát một số phép phân tích và xử lý dữ liệu không gian chính

sổ truy vấn

1.1.4.2Tìm kiếm lân cận

Phép phân tích này thực hiện tìm kiếm các đối tượng địa lý trong vùng cận

kề với một hoặc một tập đối tượng địa lý biết trước Có một vài kiểu tìm kiếm cận

kề như:

- Tìm kiếm trong vùng mở rộng (vùng đệm) của một đối tượng: Ví dụ: Tìm các trạm thu phát sóng điện thoại di động BTS nằm trong vùng phủ sóng của một trạm BTS nào đó

- Tìm kiếm liền kề: Ví dụ như tìm các thửa đất liền kề với thửa đất X nào đó

1.1.4.3 Phân tích đường đi và dẫn đường

Phân tích đường đi là tiến trình tìm đường đi ngắn nhất, giá rẻ nhất giữa hai

vị trí trên bản đồ Giải pháp cho bài toán này dựa trên việc sử dụng mô hình dữ liệu mạng hay mô hình dữ liệu raster trên cơ sở lưới vùng Mô hình dữ liệu mạng lưu trữ đối tượng đường đi dưới dạng cung và giao của chúng dưới dạng nút, việc tìm

15

đường bao gồm việc duyệt qua các đường đi từ điểm đầu tới điểm cuối qua các cung nút và chỉ ra cung đường nào ngắn nhất Trong mô hình raster, việc tìm đường thực hiện bởi sự dịch chuyển từ một tế bào sang tế bào lân cận của nó

1.1.4.4 Tìm kiếm hiện tượng và bài toán chồng phủ

a Tìm kiếm hiện tượng

Việc tìm kiếm hiện tượng trong GIS bao gồm tìm kiếm hiện tượng độc lập hoặc tìm kiếm tổ hợp các hiện tượng

Tìm kiếm hiện tượng độc lập là bài toán đơn giản, chỉ bao hàm tìm kiếm một hiện tượng, thực thể mà không quan tâm đến một hiện tượng, thực thể khác Việc tìm kiếm đơn giản chỉ là truy nhập dữ liệu không gian dựa trên thuộc tính đã xác định trước Ví dụ như tìm các tỉnh, thành phố có dân số lớn hơn 2 triệu người…

Tìm kiếm tổ hợp thực thể là bài toán phức tạp hơn, nhưng lại là bài toán hấp dẫn và là thế mạnh của GIS, việc tìm kiếm liên quan đến nhiều thực thể hay lớp thực thể, chẳng hạn, tính diện tích đất nông nghiệp của quận Thanh Trì, Hà Nội Bài toán này đòi hỏi phải tổ hợp 2 lớp thực thể địa lý là lớp đất nông nghiệp của thành phố Hà Nội và lớp ranh giới hành chính thành phố Hà Nội Kiểu bài toán này trong GIS gọi là bài toán chồng phủ bản đồ

b Bài toán chồng phủ bản đồ

Như trên đã đề cập, nhiều vấn đề trong GIS đòi hỏi sử dụng lớp chồng xếp của các lớp dữ liệu chuyên đề khác nhau Chẳng hạn như chúng ta muốn biết vị trí của các căn hộ giá rẻ nằm trong khu vực gần trường học; hay khu vực nào là các bãi thức ăn của cá voi trùng với khu vực có tiềm năng dầu khí lớn có thể khai thác; hoặc là vị trí các vùng đất nông nghiệp trên các khu vực đất đai bị xói mòn,… Trong ví dụ liên quan đến đất xói mòn trên, một lớp dữ liệu đất đai có thể được sử dụng để nhận biết các khu vực đất đai bị xói mòn, đồng thời lớp dữ liệu về hiện trạng sử dụng đất cũng được sử dụng để nhận biết vị trí các vùng đất sử dụng cho

Theo mô hình vector, các đối tượng địa lý được biểu diễn dưới dạng các điểm, đường và vùng Vị trí của chúng được xác định bởi các cặp tọa độ và thuộc tính của chúng được ghi trong các bảng thuộc tính

Với từng kiểu bản đồ, người ta phân biệt ba loại chồng phủ bản đồ vector sau:

 Chồng phủ đa giác trên đa giác

Hình 1.5 Chồng phủ đa giác

Chồng phủ đa giác là một thao tác không gian trong đó một lớp bản đồ chuyên đề dạng vùng chứa các đa giác được chồng xếp lên một lớp khác để hình thành một lớp chuyên đề mới với các đa giác mới Mỗi đa giác mới là một đối tượng mới được biểu diễn bằng một dòng trong bảng thuộc tính Mỗi đối tượng có một thuộc tính mới được biểu diễn bằng một cột trong bảng thuộc tính

Việc chồng phủ và so sánh hai bộ dữ liệu hình học có nguồn gốc và độ chính xác khác nhau thường sinh ra một số các đa giác nhỏ Các đa giác này có thể

17

được loại bỏ theo diện tích, hình dạng và các tiêu chuẩn khác Tuy nhiên, trong thực tế, khó đặt ra các giới hạn để giảm được số đa giác nhỏ không mong muốn đồng thời giữ lại các đa giác khác có thể nhỏ hơn nhưng hữu ích

 Chồng phủ điểm trên đa giác

Các đối tượng điểm cũng có thể được chồng xếp trên các đa giác Các điểm sẽ được gán các thuộc tính của đa giác mà trên đó chúng được chồng lên Các bảng thuộc tính sẽ được cập nhật sau khi tất cả các điểm được kết hợp với đa giác

 Chồng phủ đường trên đa giác

Hình 1.6 Tiến trình phủ đa giác

Các đối tượng đường cũng có thể được chồng xếp trên các đa giác để tạo ra một bộ các đường mới chứa các thuộc tính của các đường ban đầu và của các đa giác Cũng như trong chồng xếp đa giác, các điểm cắt được tính toán, các nút và các

- Lập chữ nhật bao tối thiểu đa giác

- Khẳng định các đoạn thẳng của một đa giác thuộc lớp bản đồ này ở trong đa

giác của lớp bản đồ khác (phủ) bằng tiến trình “điểm trong đa giác”

- Tìm giao của các đoạn thẳng là cạnh đa giác

- Lập các bản ghi cho đoạn thẳng mới và lập quan hệ topo của chúng

- Lập các đa giác mới từ các đoạn thẳng phù hợp

- Gán lại nhãn và các dữ liệu thuộc tính nếu có cho đa giác

1.1.4.5 Nắn chỉnh dữ liệu không gian

Dữ liệu bản đồ ngoài việc được kiểm tra độ chính xác về mặt hình học còn cần được kiểm tra hiệu chỉnh về độ chính xác không gian Các sai lệch về mặt không gian thường phát sinh trong quá trình đo đạc hoặc số hoá bản đồ giấy, dẫn đến việc toạ độ các điểm trên bản đồ không trùng khớp với toạ độ đo thực địa, do

đó cần có thao tác nắn chỉnh toạ độ bản đồ

Có nhiều phương pháp nắn chỉnh bản đồ, một phương pháp phổ biến là

phương pháp sử dụng điểm điều khiển mặt đất, hay còn gọi là phương pháp tấm

cao su Phương pháp này dựa trên ý tưởng là chọn một số điểm thực tế trên mặt

đất, đo đạc chính xác tọa độ của điểm đó, dùng các điểm này làm điểm khống chế Đối chiếu với bản đồ để tìm ra các điểm tương ứng với các điểm khống chế, thường chọn các điểm khống chế là những điểm dễ đánh dấu mốc, ví dụ như các

tương ứng với điểm khống chế trở về gần điểm khống chế nhất

1.1.4.6 Tổng quát hóa dữ liệu không gian

Với một bản đồ có tỷ lệ nhất định, nhu cầu biểu diễn chi tiết các đối tượng là khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng và khai thác thông tin từ bản đồ đó Ví dụ: với các ứng dụng không đòi hỏi độ chính xác tọa độ của đối tượng bản đồ mà chỉ quan tâm đến mối quan hệ không gian giữa các đối tượng bản đồ thì việc đơn giản hóa dữ liệu bản đồ, giúp giảm không gian lưu trữ và tăng tốc độ xử lý bản đồ

là cần thiết Việc giản lược dữ liệu bản đồ trong GIS gọi là tổng quát hóa dữ liệu Việc giản lược dữ liệu ở đây không làm ảnh hưởng tới số lượng đối tượng bản đồ

mà chỉ làm đơn giản dữ liệu biểu diễn của từng đối tượng bản đồ đó, cụ thể là giảm bớt số lượng điểm biểu diễn đối tượng bản đồ Việc giản lược dữ liệu đương nhiên

sẽ ảnh hưởng đến độ chi tiết hay nói cách khác độ chính xác của bản đồ Do đó mức độ giản lược cần được khảo sát và tính toán sao cho dung hòa được 2 yếu tố: dung lượng và sai số của bản đồ

Có nhiều thuật toán sử dụng cho việc đơn giản hóa đường cong như thuật toán Lang, thuật toán Reumann và Witkam, giải thuật Douglas-Peucker, thuật toán đơn giản hóa đường cong phân cấp Cromley[7]

20

1.1.5 Trình diễn bản đồ trong GIS

Trong GIS, dữ liệu được chia làm hai loại: thành phần không gian và thành phần phi không gian (thuộc tính) Hai loại thành phần dữ liệu này được kết hợp thông qua một chỉ số chung để mô tả một đối tượng thực Sự kết hợp này thể hiện đặc trưng không gian của đối tượng, nó cho phép:

- Mô tả “vị trí, hình dạng”: vị trí tham chiếu, đơn vị đo, dạng hình học của thực thể địa lý

- Mô tả “quan hệ và tương tác” giữa các thực thể địa lý Ví dụ những thửa đất nào liền kề với khu công nghiệp?

- Mô tả “thông tin” của các đối tượng địa lý: ai là chủ sở hữu của thửa đất này?

Hệ thống GIS dùng thành phần dữ liệu không gian để tạo ra bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi Mỗi hệ thống GIS có thể dùng các mô hình khác nhau để mô hình hóa thế giới thực sao cho giảm thiểu sự phức tạp của không gian nhưng không mất đi các dữ liệu cần thiết để mô

tả chính xác các đối tượng trong không gian Hệ thống GIS sử dụng các dữ liệu cơ

sở sau để mô tả hay thể hiện các đối tượng[6]:

 Ðiểm (Point)

Điểm được xác định bởi cặp giá trị tọa độ (x, y) Các đối tượng đơn với thông tin về địa lý chỉ bao gồm vị trí thường được mô tả bằng đối tượng điểm

21

Các đối tượng biểu diễn bằng kiểu điểm thường mang đặc tính chỉ có tọa độ đơn (x, y) và không cần thể hiện chiều dài và diện tích Ví dụ, trên bản đồ, các vị trí của bệnh viện, các trạm rút tiền tự động ATM, các cây xăng,… có thể được biểu diễn bởi các điểm Hình 1.7 là ví dụ về vị trí nước bị ô nhiễm Mỗi vị trí được biểu diễn bởi 1 điểm gồm cặp tọa độ (x, y) và tương ứng với mỗi vị trí đó có thuộc tính

độ sâu và tổng số nước bị nhiễm bẩn Các vị trí này được biểu diễn trên bản đồ và lưu trữ trong các bảng dữ liệu

Hình 1.7 Ví dụ biểu diễn vị trí nước bị ô nhiễm

 Ðường – Cung (Line - Arc)

Đường được xác định bởi dãy các điểm hoặc bởi 2 điểm đầu và cuối Đường dùng để mô tả các đối tượng địa lý dạng tuyến như đường giao thông, sông ngòi, tuyến cấp điện, cấp nước…

Các đối tượng được biểu diễn bằng kiểu đường thường mang đặc điểm là có dãy các cặp tọa độ, các đường bắt đầu và kết thúc hoặc cắt nhau bởi điểm, độ dài đường bằng chính khoảng cách của các điểm Ví dụ, bản đồ hệ thống đường bộ, sông, đường biên giới hành chính, … thường được biểu diễn bởi đường và trên

đường có các điểm (vertex) để xác định vị trí và hình dáng của đường đó

Hình 1.9 Ví dụ biểu diễn khu vực hành chính

Các đối tượng biểu diễn bởi vùng có đặc điểm là được mô tả bằng tập các

đường bao quanh vùng và điểm nhãn (label point) thuộc vùng để mô tả, xác định

23

cho mỗi vùng Ví dụ, các khu vực hành chính, hình dạng các công viên, … được

mô tả bởi kiểu dữ liệu vùng Hình 1.9 mô tả ví dụ cách lưu trữ một đối tượng vùng

Ngoài các đối tượng nêu trên một số các hệ GIS còn có thêm một số các đối tượng đặc biệt khác như cung, hình tròn, hình chữ nhật, text để tạo ra các bản đồ

có tính thẩm mỹ cao Tuy nhiên các phép phân tích và chồng xếp bản đồ người ta thường quan tâm tới ba dạng đối tượng đặc trưng nhất: điểm, đường, vùng Một đối tượng có thể biểu diễn bởi các kiểu khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ của bản đồ đó Ví

dụ, đối tượng công viên có thể được biểu diễn bởi điểm trong bản đồ có tỷ lệ nhỏ,

và bởi vùng trong bản đồ có tỷ lệ lớn

b Thành phần phi không gian

Thành phần dữ liệu phi không gian hay còn gọi là dữ liệu thuộc tính, là những diễn tả đặc tính, số lượng, mối quan hệ của các hình ảnh bản đồ với vị trí địa

lý của chúng thông qua một cơ chế thống nhất Hệ thống GIS có cơ chế liên kết dữ liệu không gian và phi không gian của cùng một đối tượng với nhau Có thể nói, một trong những chức năng đặc biệt của công nghệ GIS chính là khả năng liên kết và xử lý đồng thời dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính

24

Dữ liệu thuộc tính trong hệ thống GIS bất kỳ thường phân thành 4 loại sau:

- Bộ xác định: có thể là một số duy nhất, liên tục, ngẫu nhiên hoặc chỉ báo địa

lý, số liệu xác định vị trí lưu trữ chung Bộ xác định cho một thực thể chứa tọa độ phân bố của nó, số hiệu mảnh bản đồ, mô tả khu vực hay con trỏ đến

vị trí lưu trữ của số liệu liên quan Bộ xác định thường lưu trữ với các bản ghi tọa độ hay mô tả khác của hình ảnh không gian và các bản ghi số liệu thuộc tính liên quan

- Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý: miêu tả thông tin danh mục, các hoạt

động liên quan đến các vị trí địa lý xác định (ví dụ như: cho phép xây dựng, báo cáo tai nạn, nghiên cứu y tế,…) Thông tin này được lưu trữ và quản lý trong các tệp/ bảng độc lập, trong đó mỗi bản ghi chứa yếu tố xác định vị trí của sự kiện hay hiện tượng quản lý

- Chỉ số địa lý: bao gồm tên, địa chỉ, khối, phương hướng định vị, … liên

quan đến các đối tượng địa lý Một chỉ số có thể bao gồm nhiều bộ xác định cho thực thể địa lý Ví dụ: chỉ số địa lý về đường phố và địa chỉ địa lý liên quan đến phố đó

- Quan hệ giữa các đối tượng tại một vị trí địa lý cụ thể trong không gian

Đây là thông tin quan trọng cho các chức năng xử lý của hệ thống thông tin địa lý Các mối quan hệ không gian có thể là mối quan hệ đơn giản hay lôgic, ví dụ tiếp theo số nhà 101 phải là số nhà 103

1.1.6 Ứng dụng của hệ thông tin địa lý

Vì GIS được thiết kế như một hệ thống chung để quản lý dữ liệu không gian, nó có rất nhiều ứng dụng trong việc phát triển đô thị và môi trường tự nhiên như là: quy hoạch đô thị, quản lý nhân lực, nông nghiệp, điều hành hệ thống công ích, lộ trình, nhân khẩu, bản đồ, giám sát vùng biển, cứu hoả và bệnh tật Trong phần lớn các lĩnh vực này, GIS đóng vai trò như là một công cụ hỗ trợ quyết định cho việc lập kế hoạch hoạt động

25

 Môi trường

Theo những chuyên gia GIS kinh nghiệm nhất thì có rất nhiều ứng dụng đã phát triển trong những tổ chức quan tâm đến môi trường Với mức đơn giản nhất thì người dùng sử dụng GIS để đánh giá môi trường, ví dụ như vị trí và thuộc tính của cây rừng Ứng dụng GIS với mức phức tạp hơn là dùng khả năng phân tích của GIS để mô hình hóa các tiến trình xói mòn đất sư lan truyền ô nhiễm trong môi trường khí hay nước, hoặc sự phản ứng của một lưu vực sông dưới sự ảnh hưởng của một trận mưa lớn Nếu những dữ liệu thu thập gắn liền với đối tượng vùng và ứng dụng sử dụng các chức năng phân tích phức tạp thì mô hình dữ liệu dạng ảnh (raster) có khuynh hướng chiếm ưu thế

 Khí tượng thuỷ văn

Trong lĩnh vực này GIS được dùng như là một hệ thống đáp ứng nhanh, phục vụ chống thiên tai như lũ quét ở vùng hạ lưu, xác định tâm bão, dự đoán các luồng chảy, xác định mức độ ngập lụt, từ đó đưa ra các biện pháp phòng chống kịp thời vì những ứng dụng này mang tính phân tích phức tạp nên mô hình dữ liệu không gian dạng ảnh (raster) chiếm ưu thế

 Nông nghiệp

Những ứng dụng đặc trưng: Giám sát thu hoạch, quản lý sử dụng đất, dự báo

về hàng hoá, nghiên cứu về đất trồng, kế hoạch tưới tiêu, kiểm tra nguồn nước

 Dịch vụ tài chính

GIS được sử dụng trong lĩnh vực dịch vụ tài chính tương tự như là một ứng dụng đơn lẻ Nó đã từng được áp dụng cho việc xác định vị trí những chi nhánh mới của Ngân hàng Hiện nay việc sử dụng GIS đang tăng lên trong lĩnh vực này,

nó là một công cụ đánh giá rủi ro và mục đích bảo hiểm, xác định với độ chính xác cao hơn những khu vực có độ rủi ro lớn nhất hay thấp nhất Lĩnh vực này đòi hỏi những dữ liệu cơ sở khác nhau như là hình thức vi phạm luật pháp, địa chất học, thời tiết và giá trị tài sản

26

 Y tế

Ngoại trừ những ứng dụng đánh gía, quản lý mà GIS hay được dùng, GIS còn có thể áp dụng trong lĩnh vực y tế Ví dụ như, nó chỉ ra được lộ trình nhanh nhất giữa vị trí hiện tại của xe cấp cứu và bệnh nhân cần cấp cứu, dựa trên cơ sở dữ liệu giao thông GIS cũng có thể được sử dụng như là một công cụ nghiên cứu dịch bệnh để phân tích nguyên nhân bộc phát và lây lan bệnh tật trong cộng đồng

 Chính quyền địa phương

Chính quyền địa phương là một trong những lĩnh vực ứng dụng rộng lớn nhất của GIS, bởi vì đây là một tổ chức sử dụng dữ liệu không gian nhiều nhất Tất

cả các cơ quan của chính quyền địa phương có thể có lợi từ GIS GIS có thể được

sử dụng trong việc tìm kiếm và quản lý thửa đất, thay thế cho việc hồ sơ giấy tờ hiện hành Nhà cầm quyền địa phương cũng có thể sử dụng GIS trong việc bảo dưỡng nhà cửa và đường giao thông GIS còn được sử dụng trong các trung tâm điều khiển và quản lý các tình huống khẩn cấp

 Bán lẻ và phân phối

Phần lớn siêu thị vùng ngoại ô được xác định vị trí với sự trợ giúp của GIS GIS thường lưu trữ những dữ liệu về kinh tế-xã hội của khách hàng trong một vùng nào đó Một vùng thích hợp cho việc xây dựng môt siêu thị có thể được tính toán bởi thời gian đi đến siêu thị, và mô hình hoá ảnh hưởng của những siêu thị cạnh tranh GIS cũng được dùng cho việc quản lý tài sản và tìm đường phân phối hàng ngắn nhất

 Giao thông

GIS có khả năng ứng dụng đáng kể trong lĩnh vực vận tải Việc lập kế hoạch

và duy trì cở sở hạ tầng giao thông rõ ràng là một ứng dụng thiết thực, nhưng giờ đây có sự quan tâm đến một lĩnh vực mới là ứng dụng định vị trong vận tải hàng hải, và hải đồ điện tử Loại hình đặc trưng này đòi hỏi sự hỗ trợ của GIS

 Các ngành viễn thông, điện, nước, gas, điện thoại

27

Những công ty trong lĩnh vực này là những người dùng GIS linh hoạt nhất, GIS được dùng để xây dựng những cơ sở dữ liệu là cái thường là nhân tố của chiến lược công nghệ thông tin của các công ty trong lĩnh vự này Dữ liệu vecto thường được dùng trong các lĩnh vực này Những ứng dụng lớn nhất trong lĩnh vực này là Automated Mapping và Facility Management (AM-FM) AM-FM được dùng để quản lý các đặc điểm và vị trí của các trạm BTS, cáp, valve Những ứng dụng này đòi hỏi những bản đồ số với độ chính xác cao

Một tổ chức dù có nhiệm vụ là lập kế hoạch và bảo dưỡng mạng lưới vận chuyền hay là cung cấp các dịch vụ về nhân lực, hỗ trợ cho các chương trình an toàn công cộng và hỗ trợ trong các trường hợp khẩn cấp, hoặc bảo vệ môi trường, thì công nghệ GIS luôn đóng vai trò cốt yếu bằng cách giúp cho việc quản lý và sử dụng thông tin địa lý một cách hiệu quả nhằm đáp ứng các yêu cầu hoạt động và mục đích chương trình của tổ chức đó

1.2 LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ

1.1.1Các khái niệm về đồ thị

Đồ thị là một cấu trúc rời rạc gồm các đỉnh và các cạnh nối các đỉnh đó Được mô tả hình thức:G = (V, E, W), với V là tập đỉnh, E  V  V là tập cạnh và W

= (w ij ) i,j = 1, …N là tập các trọng số trên các cạnh của đồ thị, chính là ma trận

trọng số (ma trận liền kề) Giữa hai đỉnh v i và v j∈ V có cạnh nối với nhau với trọng

số w ij > 0 nếu (v i , v j ) ∈ E, ngược lại w ij = 0, nghĩa là v i và v j∈ V không có cạnh nối

với nhau

Hình 1.10 Ví dụ về mô hình đồ thị

28

Hình 1.10 minh họa một số hình ảnh trong thục tế của đồ thị Để phân loại đồ thị, ta có thể dựa vào đặc tính và số lượng của tập các cạnh E như sau:

- G được gọi là đơn đồ thị nếu giữa hai đỉnh u, v của V có nhiều nhất là 1 cạnh

trong E nối từ u tới v

- G được gọi là đa đồ thị nếu giữa hai đỉnh u, v của V có thể có nhiều hơn 1

cạnh trong E nối từ u tới v (Hiển nhiên đơn đồ thị cũng là đa đồ thị)

- G được gọi là đồ thị vô hướng (undirected graph) nếu các cạnh trong E là

không định hướng, tức là cạnh nối hai đỉnh u, v bất kỳ cũng là cạnh nối hai đỉnh v, u Hay nói cách khác, tập E gồm các cặp (u, v) không tính thứ tự (u,

v)≡(v, u) Trong trường hợp này W là ma trận đối xứng, nghĩa là w ij = w ji

- G được gọi là đồ thị có hướng (directed graph) nếu các cạnh trong E là có

định hướng, có thể có cạnh nối từ đỉnh u tới đỉnh v nhưng chưa chắc đã có cạnh nối từ đỉnh v tới đỉnh u Hay nói cách khác, tập E gồm các cặp (u, v) có

tính thứ tự: (u, v) ≠ (v, u) Trong trường hợp này W là ma trận không đối xứng, nghĩa là w ij ≠ w ji Trong đồ thị có hướng, các cạnh được gọi là các cung

Đồ thị vô hướng cũng có thể coi là đồ thị có hướng nếu như ta coi cạnh nối hai đỉnh u, v bất kỳ tương đương với hai cung (u, v) và (v, u)

- Khi w ij = 1 với mọi (v i , v j ) ∈ E thì đồ thị G được gọi là đồ thị không có trọng

số

Hình 1.11 Phân loại đồ thị

29

1.1.2 Biểu diễn đồ thị trên máy tính

Để lưu trữ đồ thị và thực hiện các thuật toán khác nhau với đồ thị trên máy tính cần phải tìm những cấu trúc dữ liệu thích hợp để mô tả đồ thị Việc chọn cấu trúc dữ liệu nào để biểu diễn đồ thị có tác động rất lớn đến hiệu quả của thuật toán

Vì vậy, việc chọn lựa cấu trúc dữ liệu để biểu diễn đồ thị phụ thuộc vào từng tình huống cụ thể (bài toán và thuật toán cụ thể) Trong mục này chúng ta sẽ xét một số phương pháp cơ bản được sử dụng để biểu diễn đồ thị trên máy tính, đồng thời cũng phân tích một cách ngắn gọn những ưu điểm cũng như những nhược điểm của chúng

- Nếu G là đồ thị vô hướng thì bậc của đỉnh i bằng tổng phần tử khác 0 trên hàng i

- Nếu G là đồ thị có hướng thì nửa bậc ngoài của đỉnh i bằng tổng các phần tử khác 0 trên dòng i và nửa bậc trong của đỉnh i bằng tổng các phần tử khác 0 trên

cột i