HỆ THỐNG THÔNG TIN địa lý (GIS) chương 3 cấu trúc dữ liệu

Mục tiêu Giới thiệu các mô hình dữ liệu trong GIS Sau bài học này sinh viên có thể: Mô tả mô hình dữ liệu Vector và cho ví dụ Mô tả mô hình dữ liệu Raster và cho ví dụ Mô tả mô hình dữ liệu TIN Giải thích “topology” Mô tả các định dạng chính sử dụng trong GIS

HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS)

(Ch3 – Cấu trúc dữ liệu GIS)

Phan Trọng Tiến

Department of Software Engineering

Hanoi University of Agriculture

Office location: 3rd floor, Administrative building

Office phone: (04)38276346, Ext: 132

Website: http://fita.hua.edu.vn/pttien

Email:ptgtien@hua.edu.vn or phantien84@gmail.com

Giới thiệu các mô hình dữ liệu trong GISSau bài học này sinh viên có thể:

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

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

 Mô tả mô hình dữ liệu TIN

 Giải thích “topology”

 Mô tả các định dạng chính sử dụng trong GIS

Mục tiêu

Các đối tượng đồ họa

 Các đối tượng hiển thị trên bản đồ được gọi là các đối tượng đồ họa hay các đối

tượng.

 Các đối tượng có thể là tự nhiên hoặc do con người tạo ra nó.

Các đối tượng đồ họa

Các loại dữ liệu GIS

Các loại dữ liệu GIS

© Paul Bolstad, GIS Fundamentals

Dữ liệu không gian

Các bản đồ điện tử ở hai định dạng

Raster và Vector

Các nguồn dữ liệu Raster

Ảnh vệ tinh

Ảnh máy bay

Các bản đồ quét

các hiệu quả mong muốn

đó là các đối tượng luôn

hiển thị vuông góc với

 Thiết lập bởi màu sắc của các pixel

 Cách đơn giản một mảng các pixel

được xếp theo các hàng và các cột

 Các Pixel là được tô màu, nhưng

không miêu tả các đối tượng một cách

rõ ràng

 Rasters có thể có giá trị đi kèm.

Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency

Các bản đồ dạng Raster (images)

Đặc điểm của Raster

 Trông giống trang bản đồ giấy

 Không cho phép tự động loại bỏ

chế độ nền hay sự trợ giúp phân tích của máy tính.

 Lưu trữ không hiệu quả

Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency

Dữ liệu dạng Vector

Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency

 Một cách lưu trữ thông minh dữ liệu

GIS, ở đó các đối tượng thế giới thực

được miêu tả bằng các điểm (Point),

đường (Line) và vùng (Polyline) Một

đối tượng được miêu tả bởi các thuộc

tính và các tọa độ.

 Ví dụ:

 Các bản đồ số hóa

 Dữ liệu GIS

 Trong GIS chứa thông

tin GIS kết hợp bản đồ

với hệ quản trị cơ sở dữ

liệu Vì vậy khi phân

tích dữ liệu không gian

chỉ cần “click” trên đối

 Thông tin về một đối

tượng GIS được gọi là

thuộc tính (attribute)

Liên kết các thuộc tính và đồ họa

Liên kết các thuộc tính với đồ họa

Dữ liệu Vector được phân lớp

Spatial Data Analysis

Connected Detached Area

Sự thay đổi về mô hình

Các mô hình dữ liệu Raster và Vector

Miêu tả Vector

X-AXIS

500 400 300 200 100

600 500

400 300 200

B G G

BK

B B B

G G

G G G

Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency

Dữ liệu GIS được lưu trữ trong các lớp riêng biệt như Point, Line, Polygon

Mô hình dữ liệu Vector

© Paul Bolstad, GIS Fundamentals

Cấu trúc dữ liệu Vector

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

kiểu thường độc lập trên một kiểu khác nhau Khi

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

phải được lưu trữ:

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

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

…

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

chiều dài như đường, sông Lines được tạo bởi việc

kết nối các điểm với nhau Một đường bắt đầu và

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

tạo nên đường gọi là đỉnh (Vertices).

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

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

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

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

của polygon cũng là điểm kết thúc

Point

Line

Polygon

 Point là đối tượng vô hướng có vị trí và thuộc tính thông tin

nhưng quá nhỏ để được biểu diễn bằng vùng.

 Tỷ lệ bản đồ quyết định một đối tượng là điểm hay không.

Các cột đèn

Các trung tâm

sông Lines được tạo bởi

việc kết nối các điểm với

nhau Một đường bắt đầu

và kết thúc tại một điểm

gọi là nút (node), và các

điểm tạo nên đường gọi

là đỉnh (Vertices).

Đường phố

Ứng dụng Polygons

 Các mảnh đất

 Parcel ID Number

 Dimensions and Area

 Đường danh giới

 Permeability

 Vùng lũ lụt

Polygons

Polygons

Mô hình dữ liệu Vector

 Điểm: Được thể hiện bằng một cặp toạ độ

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

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

độ đầu và cặp toạ độ cuối trùng nhau.

Cấu trúc dữ liệu Vector

Điểm: Được thể hiện bằng một cặp toạ độ

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

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

và cặp toạ độ cuối trùng nhau

độ, có cặp tọa đầu và cặp tọa cuối trùng nhau.

Mô hình dữ liệu Vector Spaghetti

• Là mô hình dữ liệu đơn giản, các đối

tượng chỉ được lưu trữ bằng các cặp

toạ độ.

• Thông tin về quan hệ không gian.

• Thông tin thuộc tính.

 Không mô tả được mối quan hệ không gian giữa các đối tượng,

vì thế các phép phân tích, tính toán không gian đều thực hiện khó khăn.

 Dữ liệu dạng vùng, đường ranh giới giữa 2 vùng được ghi nhận

2 lần, mỗi lần cho một vùng.

 Ưu điểm của mô hình là đơn giản, dễ trình bày, biên tập, in

ấn vì vậy vẫn được sử dụng rộng rãi để thành lập bản đồ.

 Phần mềm điển hình là Mapinfo.

Mô hình dữ liệu Vector Spaghetti

Mô hình dữ liệu Vector Topology

không chỉ bởi toạ độ mà còn bằng cả mối quan hệ không gian giữa các đối tượng

bao gồm:

 Thông tin về vị trí không gian (Spatial data):

Thông tin được thể hiện theo mô hình vector, bằng các tọa độ mô tả vị trí, hình dạng, đường biên của các đối tượng.

 Thông tin về quan hệ không gian (Relational

Spatial data – Topology) Mô hình dữ liệu Topology thể hiện QHKG dưới 3 kiểu quan hệ là:

 Liên thông với nhau: thể hiện dưới dạng file đường - điểm nối (Arc-Node topology)

 Kề nhau: thể hiện dưới dạng file mô tả đường bao (Polygon-Arc topology)

 Nằm trong nhau, phủ nhau

- Thông tin về vị trí trong không gian

+ Dữ liệu không gian các đối tượng

-Thông tin về quan hệ không gian

+ Dữ liệu không gian các đối tượng vùng là một tập các đối tượng đường định nghĩa đường bao vùng và một điểm nhãn.+ Mô hình Topology dùng các quan hệ không gian để định nghĩa các đặc tính không gian của các đối tượng

Các quan hệ không gian Các đặc tính không gian

Mỗi một đường (arc) có điểm bắt đầu và

kết thúc tại điểm nút (node) Độ dài của đường Hướng đường

(Directionality)

Các đường (arc) nối với nhau tại các điểm

Các đường (arc) nối với nhau tạo thành

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

hai bên : phải và trái

Tính kề nhau(Adjacency or contiguity)

Mô hình dữ liệu Vector Topology

- Các đường ranh giới thửa không được phép giao nhau, phải luôn cắt nhau tại đầu hoặc cuối đường ( tại điểm nút NODE).

Sai Đ ún

g

Sai Sai Đ úng

Áp dụng mô hình topology khi xây dựng CSDL không gian

- Đường ranh giới tạo thành đường bao thửa đất luôn đảm bảo tính khép kín tuyệt đối về toạ độ.

Mô hình dữ liệu Vector Topology

DỮ LIỆU KHÔNG GIAN CHUẨN

Cơ sở dữ liệu chuẩn là dữ liệu không còn lỗi như: bắt quá, bắt chưa tới, vùng chưa khép….

Liên kết dữ liệu thuộc tính

B ng d li u ả ữ ệ

B ng d li u ả ữ ệ (Attributes)

© ESRI

Là thông tin cho phép miêu tả một thực thể đã được trình bày ở đối tượng đồ họa.

Dữ liệu thuộc tính

Thông tin về đối tượng đồ họa

Dữ liệu thuộc tính

 Mỗi phần thông tin thuộc tính liên quan tới

một phần đối tượng đồ họa

 Các trường thuộc kiểu dữ liệu truyền thống của

CSDL

 Images

 Photos

 Video

Courtesy Village of Garden City

Liên kết các thuộc tính

 Dữ liệu GIS được lưu trữ dưới dạng lưới các ô (cells) hay pixel

Ảnh viễn thám, ảnh quét (scanner) luôn ở dạng Raster

Mô hình dữ liệu Raster

 Khung cảnh các tai họa

 Sự thiệt hại mùa vụ

 Các hình ảnh về sự vận động

 Ảnh trực giao

 Các ảnh trên không đã được chỉnh sửa

Bảng dữ liệu thuộc tính

 Rasters có giá trị số nguyên các ô định (số lượng các

ô cùng giá trị) được ghi trong bảng dữ liệu thuộc

tính Mỗi bản ghi thuộc tính là duy nhất với mỗi giá trị của ô.

 Bạn có thể thêm các trường tới bảng dữ liệu

Các kiểu dữ liệu miêu tả trong ô

 Dữ liệu được lưu trữ trong raster có thể được phân

loại một trong các loại sau:

 Dữ liệu tên (Nominal data): dữ liệu được

phân loại theo tên.

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

phân loại theo tên và khoảng giá trị.

 Khoảng dữ liệu (Interval data): sắp xếp theo

thứ tự số và có các khoảng khác nhau có ý nghĩa.

 Dữ liệu tỷ lệ (Ratio data)

Các kiểu dữ liệu miêu tả trong ô

 Kiểu Nominal và

Ordinal dùng miêu tả theo các phân loại khác nhau, là cách tốt nhất miêu tả các ô dữ liệu kiểu integer.

 Kiểu Interval và Ratio

mô tả các giá trị liên

tiếp, dùng với các ô dữ liệu là kiểu real.

PIXEL là đơn vị nhỏ nhất trong ảnh Cơ sở hệ thống GIS là raster, thông tin thuộc tính có thể được khởi gán tới mỗi pixel

PIXEL (

PIXEL (PICTURE ELEMENT PICTURE ELEMENT )

© ESRI, Modeling Our World

Cách biểu diễn Raster

 Raster có thể có một hoặc nhiều nhãn Giá trị của mỗi ô có thể

mang các giá trị khác nhau Có một vài cách để hiển thị raster với giá trị của ô.

 Hiển thị nhãn đơn (single-band)

 Hiển thị nhãn bội (multi-band)

Hiển thị nhãn đơn

Hiển thị nhãn bội

Cấu trúc dữ liệu Raster

 Ma trận các ô bằng nhau

Vấn đề về độ phân giải

WHEAT

HAY

APPLES WHEAT

HAY

APPLES

Raster và Vector

 Phải được cân nhắc kỹ

 Tính rời rạc của thực thể đang mô tả

 Ứng dụng mong đợi (Các chức năng)

 Nguồn dữ liệu

 Quan tâm sự lưu trữ

Một câu hỏi đặt ra:” Định dạng nào là tốt

nhất mô tả các đối tượng trong GIS,

raster hay vector” Câu trả lời là một

trong hai hoặc cả hai Đó là, dùng một

trong hai mô hình dữ liệu là tốt nhất

trong mỗi trường hợp hoặc cả hai mô

hình đều thực hiện các vai trò nhất định

trong GIS.

Trong ví dụ, nguồn dữ liệu vector miêu

tả đường bờ biển xuất hiện có nhiều chi

tiết hơn, và độ chính xác lớn hơn Dữ

liệu Vector có thể lưu trữ thông tin trong

nhiều định dang hơn dữ liệu Raster, và

cũng làm việc tốt với đối tượng thuộc về

chiều dài như luồng các mạng.

Tuy nhiên, các mô hình dữ liệu Raster

rất tốt miêu tả thông tin liên tục trong

tự nhiên như nhiệt độ nơi mà giá trị

nhiệt độ có thể khác với nơi liền kề.

Vector – Những ưu điểm và nhược điểm

 Thuận lợi

 Miêu tả tốt thực tế

 Gắn kết nhiều cấu trúc dữ liệu

 Topology có thể được mô tả trong mạng

 Đồ họa chính xác

 Nhược điểm

 Cấu trúc dữ liệu phức tạp

 Mô phỏng khó khăn

 Một vài phân tích không gian là khó khăn

hoặc không thể thi hành.

Raster – Ưu điểm và nhược điểm

mộng

Các chức năng Raster

© Paul Bolstad, GIS Fundamentals

 Phương pháp nén theo khối (Block code)

 Phương pháp nén cây tứ phân (Quadtree

code)

Phương pháp nén theo đường biên vùng (Chain Code)

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

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

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

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

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

mã 1:

02,3,0,1 ,03,32,2,34,02,32,23,1,22,1,22,12,02,32,22,12

2 3

Phương pháp nén theo đường biên vùng (Chain Code)

 Ưu điểm:

 Là phương pháp nén dữ liệu raster hiệu quả.

 Dễ dàng tiến hành tính chu vi và diện tích,

nhận biết lồi lõm, thay đổi hướng đột ngột.

 Nhược điểm:

 Khó khăn trong phân tích chồng xếp.

 Dư thừa dữ liệu vì đường biên lưu trữ hai lần.

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

 Các điểm trên mỗi đơn

vị bản đồ được lưu trữ

theo hàng từ trái qua

phải từ cell đầu đến cell

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

Phương pháp nén theo khối (Block code)

dưới dạng nén block

 7 block 1 đơn vị ô vuông

 7 block 4 đơn vị ô

vuông

• Phương pháp này có hiệu quả với các vùng có diện tích lớn và hình dạng các đường biên đơn giản, có thể kiểm tra sự co giãn về hình dạng của vùng.

Phương pháp nén cây tứ phân (Quadtree code)

Phương pháp nén cây tứ phân

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

- Một vùng có thể chia thành rất nhiều phần gây khó khăn cho việc truy nhập DL

TIN(Triangulated Irregular Network)

 TIN là một mô hình dữ

liệu được sử dụng để

miêu tả các đối tượng

ba chiều Các điểm miêu

tả bởi các giá trị x,y,z

Dùng các phương thức

tính toán hình học, các

điểm được kết nối vào

nhau gọi là phép đạc

tam giác Các đường của

các tam giác gọi là các

cùng và miền phía trong

gọi là bề mặt (facet)

TIN(Triangulated Irregular

Network)

 Mô hình TIN có một vài điểm phức tạp hơn dạng

Point, Line, Polygon trong mô hình Vector, hay mô hình Raster, nó thực sự hữu ích miêu tả độ cao

 Ví dụ thể hiện lợi ích của TIN:

 Lưới Raster có thể thể hiện toàn bộ bề mặt

của miền địa lý

 Nếu chúng ta muốn hiển thị chi tiết thì ta

phải chia lưới này thành các ô nhỏ hơn -> nhưng với một bề mặt tương đối bằng

phẳng -> tốn bộ nhớ

 Với TIN chúng ta không phải dùng nhiều

điểm trên miền bằng phẳng, nhưng cũng có thể thêm nhiều điểm ở vùng dốc nơi chúng

ta muốn hiển thị nhiều chi tiết hơn.

Cấu trúc dữ liệu TIN

 Cấu trúc dữ liệu TIN dựa trên

hai phân tử cơ bản:

 Phép đạc tam giác TIN thỏa mãn

theo tiêu chuẩn Delaunay

Tiêu chuẩn Delaunay

Vòng tròn ngoại tiếp không chứa một nút của bất kỳ

phần tử nào khác Vòng tròn ngoại tiếp của một tam

giác là vòng tròn đi qua các đỉnh.

Các thành phần TIN

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

đỉnh cung chứa từ các nguồn dữ liệu nhâp vào.

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

hai nút nhưng môt nút có thể có hai hoặc nhiều cung.

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

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

liệu các điểm sử dụng xây dựng nên TIN Các Polygon Hull định nghĩa vùng nội suy của TIN

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

cung và mối quan hệ giữa các tam giác liền kề

các file Tuy nhiên, TIN không bao chứa và không kết hợp với file thông tin (INFO) Thư mục TIN chứa 7 file bao gồm thông tin về bề mặt TIN Các file này được mã hóa theo dạng nhị

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

© ESRI, Modeling Our World

© ESRI, Modeling Our World

Chú giải (Annotation)

Là văn bản (text) hoặc nhãn (labels) vẽ trên bản đồ mà miêu tả hoặc

nhận diện một đối tượng hoặc thêm thông tin khác tới bản đồ

Chú giải (Annotation)

 Thông tin được đặt trên bản đồ cung

cấp thêm thông tin về một đối tương

đồ họa.

 Ký hiệu (Symbols)

 Là cách thức mà các đối tượng đồ họa

hiển thị trong GIS

Các ký hiệu giúp nhận diện các

đặc điểm và cung cấp thông tin về chúng.

q c , P X

Ký hiệu (Symbols)

Courtesy Village of Garden City

Annotation, Symbology, and Text

Vấn đề về tỷ lệ trong đối tượng mô tả

 Phụ thuộc vào tỷ lệ mô tả, một đối tượng có thể nhận

nhiều mẫu khác nhau

 Buildings

 City

location

Tập hợp dữ liệu số miêu tả rõ ràng các đối tượng liền kề, chứa trong nhau và tính liên tục giữa các đối tượng bản đồ mà có thể

lưu trữ và thao tác trên máy tính.

Topology

© Paul Bolstad, GIS Fundamentals