mô hình dữ liệu không gian áp dụng cho mạng lưới cấp nước 2

2.2 MÔ HÌNH DỮ LIỆU KHÔNG GIAN Các thực thể trong thế giới thực được biểu diễn bằng những đối tượng không gian dưới dạng dữ liệu số bao gồm các thuộc tính không gian và thuộc tính phi k

CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH DỮ LIỆU KHÔNG GIAN

2.1 GIỚI THIỆU VỀ GIS (Geographic Information System)

Xuất phát từ những quan điểm, góc độ khác nhau về chức năng, ứng dụng, hệ thống,… Hệ thống thông tin địa lý - GIS (Geographic Information System) có những định nghĩa khác nhau nhưng nhìn chung những định nghĩa sau đây được chấp nhận rộng rãi trong cộng đồng phát triển GIS

Hệ thống thông tin địa lý GIS là một công cụ tập hợp những quy trình dựa trên máy tính để lập bản đồ, lưu trữ và thao tác dữ liệu địa lý, phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên trái đất, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược

GIS là một tập hợp có tổ chức của phần cứng, phần mềm, con người, dữ liệu và các phương pháp phân tích để thu nhận, lưu trữ, cập nhật, phân tích và hiển thị tất cả các dạng thông tin địa lý có quan hệ không gian nhằm giải quyết các sự vật, hiện tượng thực trên trái đất

GIS là một hệ thống thông tin được thiết kế để làm việc với dữ liệu có tham chiếu tọa độ địa lý Nói cách khác, GIS là hệ thống gồm hệ CSDL với những dữ liệu có tham chiếu không gian và một tập những thuật toán để làm việc trên dữ liệu đó (Star and Estes, (1990))

Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống thông tin bao gồm một số phụ

hệ (subsystems) có khả năng biến đổi các dữ liệu địa lý thành những thông tin có ích (Calkins và Tomlinson, (1977); Marble, (1984))

GIS lưu giữ thông tin về thế giới thực dưới dạng tập hợp các lớp chuyên

đề có thể liên kết với nhau nhờ các đặc điểm địa lý GIS là một công cụ đa năng đã được chứng minh là rất có giá trị trong việc giải quyết nhiều vấn đề thực tế, từ thiết lập tuyến đường, mạng lưới các đường ống phân phối, phân chia các thửa đất đến lập báo cáo chi tiết cho các ứng dụng quy hoạch hay mô phỏng các chuyến bay trên toàn cầu

2.1.1 Các thành phần của GIS

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) bao gồm các thành phần: Phần cứng (Hardware), Phần mềm (Software), Dữ liệu (Data), Con người (People) và Phương pháp phân tích (Analysis)

Hình 2.1: Các thành phần của hệ thống Gis

(nguồn: Michael Zeiler (1999))

 Thiết bị (hardware) gồm: hệ thống máy tính ( Server, Workstation); hệ thống mạng máy tính (LAN, WAN, internet); các thiết bị ngoại vi (GPSs, survey devices, scanners, printers, plotters,…)

 Phần mềm (software): là tập hợp các câu lệnh, chỉ thị nhằm điều khiển phần cứng của máy tính thực hiện một nhiệm vụ xác định, phần mềm hệ thống thông tin địa lý có thể là một hoặc tổ hợp các phần mềm máy tính Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật GIS phải bao gồm các tính năng

cơ bản sau: nhập và kiểm tra dữ liệu (Data input); lưu trữ và quản lý cơ sở

dữ liệu địa lý (Geographic database); xuất dữ liệu (Display and reporting); biến đổi dữ liệu (Data transformation); truy vấn và phân tích (Query and Analysis)

 Dữ liệu (data): Dữ liệu GIS bao gồm dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian là một thành phần quan trọng trong các hệ thống thông tin địa

lý thường được chia làm hai phần chính là cơ sở dữ liệu nền và cơ sở dữ liệu chuyên đề

- Cơ sở dữ liệu nền bao gồm những lớp dữ liệu cần thiết cho hầu hết

các hệ thống thông tin địa lý như dữ liệu về lưới tọa độ, dữ liệu về giao thông, dữ liệu về thủy văn, dữ liệu độ cao, dữ liệu hành chánh, v.v

- Cơ sở dữ liệu chuyên đề bao gồm dữ liệu của các thực thể chuyên ngành về tài nguyên thiên nhiên, môi trường, cơ sở hạ tầng kỹ thuật, các chuyên ngành kinh tế xã hội

 Phân tích (analysis): hay còn gọi là các quy trình xử lý tác nghiệp được nhà phân tích thiết kế hệ thống xác lập khi xây dựng hệ thống Một hệ thống thông tin địa lý cần có tối thiểu các quy trình sau: quy trình nhập dữ liệu, quy trình lưu trữ dữ liệu, quy trình truy vấn dữ liệu, quy trình xuất dữ liệu và quy trình hiển thị dữ liệu

 Con người (people): con người là yếu tố quyết định sự thành công trong tiến trình kiến tạo hệ thống và sự hữu hiệu của hệ thống trong tiến trình khai thác vận hành Từ tiến trình vận hành, khai thác hệ thống, hai nhóm người đã hình thành: người dùng trong hệ thống (internal users) và người dùng ngoài hệ thống (external user)

- Người dùng trong hệ thống là một thành phần của hệ thống, đó là những người làm việc trực tiếp với hệ thống thiết bị phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu

- Người dùng ngoài hệ thống không phải là thành phần của hệ thống Nhóm người này sử dụng kết quả phân tích của hệ thống để

ra quyết định

2.1.2 Một số ứng dụng của GIS

Từ khi ra đời GIS đã được nhiều ngành, nhiều quốc gia quan tâm nghiên cứu và ứng dụng GIS được thiết kế như một hệ thống chung để quản

lý dữ liệu không gian, nhờ những khả năng phân tích và xử lý không gian,

kỹ thuật GIS hiện nay được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau: Các ngành khoa học tự nhiên như quản lý tài nguyên, môi trường, khai thác khoáng sản, quy hoạch đô thị, Các ngành khoa học xã hội như quản lý dân số, giới tính, quản lý giáo giục, y tế, Sau đây là một số ứng dụng GIS

trong các lĩnh vực tiêu biểu:

Tài nguyên, môi trường: 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 đặc điểm 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, sự lan truyền ô nhiễm trong môi trường khí hay nước, phân tích các biến động khí hậu, thủy văn hay quản

lý đất đai, lập quy hoạch sử dụng đất 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

Chính quyền địa phương: Ứng dụng trong các tổ chức chính quyền 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 đều có thể sử dụng các tiện ích của GIS trong việc tìm kiếm và quản lý thửa đất, 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

Giao thông vận tải: GIS có khả năng ứng dụng mạnh mẽ trong lĩnh

vực giao thông vận tải Việc lập kế hoạch và duy trì cở sở hạ tầng giao thông

rõ ràng là một ứng dụng thiết thực, hiện nay một lĩnh vực mới đang được quan tâm đến là ứng dụng định vị trong vận tải hàng hải, và hải đồ điện tử

Sự hỗ trợ của GIS rất đáng kể trong loại hình đặc trưng này

Dịch vụ tài chính ngân hàng: GIS được sử dụng trong lĩnh vực dịch

vụ tài chính tương tự như là một ứng dụng đơn lẻ Hiện nay việc sử dụng GIS đang tăng lên trong lĩnh vực này, nó là một công cụ đánh giá rủi ro với độ chính xác cao những khu vực có độ rủi ro cao nhất hay thấp nhất Lĩnh vực này đòi hỏi những dữ liệu cơ sở khác nhau như là địa chất học, thời tiết và giá trị tài sản

Các dịch vụ điện, nước, gas: Những ứng dụng này trong lĩnh vực này

đòi hỏi những bản đồ số với độ chính xác cao Để quản lý tốt các đặc điểm và

vị trí của dây cáp, đường ống, van, mô hình dữ liệu vector được áp dụng

Kinh doanh bán lẻ: GIS thường được dùng để 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 một siêu thị có thể được tính toán bởi thời gian đi đến siêu thị, và phạm vi ảnh hưởng của những siêu thị cạnh tranh

2.2 MÔ HÌNH DỮ LIỆU KHÔNG GIAN

Các thực thể trong thế giới thực được biểu diễn bằng những đối tượng không gian dưới dạng dữ liệu số bao gồm các thuộc tính không gian và thuộc tính phi không gian Các thực thể tồn tại trong thế giới thực còn được gọi là thực thể không gian

Đối tượng không gian (spatial object) là những thực thể không gian được biểu diễn vào trong máy tính

Mô hình không gian là sự đơn giản hóa thế giới thực, là tập những phần

tử biểu diễn các thực thể không gian trong thế giới thực Mô hình dữ liệu không gian tương ứng với tập các nguyên tắc để chuyển thế giới thực thành các đối tượng không gian được miêu tả một cách Logic

Trong GIS, dữ liệu về các đối tượng không gian được biểu diễn dưới dạng nhị phân theo mô hình raster hoặc vector Mô hình raster biểu diễn các đối tượng không gian thành những ô lưới bằng nhau gọi là điểm ảnh (pixel), mỗi điểm ảnh chỉ có một thuộc tính Trong mô hình vector, các đối tượng không gian được biểu diễn như những điểm, đường, vùng

GIS quản lý dữ liệu không gian và phi không gian một cách riêng biệt

và có khả năng liên kết với các hệ quản trị cơ sở dữ liệu bên ngoài

Hình 2.2: Từ thế giới thực đến mô hình không gian và MHDL không gian

(nguồn: Trần Vĩnh Phước(2003))

2.2.1 Đối tƣợng không gian

Đối tượng không gian là phần tử của tập mô hình không gian tượng trưng cho các thực thể không gian trong thế giới thực Trong hệ thống thông tin địa lý, mỗi thực thể không gian có thể được biểu diễn thành những đối tượng dạng điểm, đường, vùng, bề mặt hoặc khối

Biểu diễn các đối tượng không gian trong Gis:

a) Các đối tượng dạng điểm như những địa vật

đặc trưng trong các bản đồ tỉ lệ nhỏ được biểu diễn trong không gian 0-D

Hình 2.3:Đối tượng điểm

(nguồn: Trần Vĩnh Phước (2009))

b) Các đối tượng dạng đường như tim đường giao

thông được biểu diễn trong không gian 1-D

Hình 2.4:Đối tượng đường

(nguồn: Trần Vĩnh Phước (2009))

c) Các đối tượng có dạng vùng phẳng như sông

hồ được biểu diễn trong không gian 2-D

Hình 2.5:Đối tượng vùng

(nguồn: Trần Vĩnh Phước (2009))

Mô hình không gian chứa các đối tượng không gian

Thế giới thực chứa các thực thể không gian

Mô hình dữ liệu không gian chứa

dữ liệu của các đối tượng không gian

d) Các đối tượng có dạng của một mặt cong bất

kỳ như bề mặt địa hình, được biểu diễn trong không gian 2.5-D

Hình 2.6:Đối tượng bề mặt

(nguồn: Trần Vĩnh Phước (2009))

e)Các đối tượng dạng hình khối như đường hầm, tòa

nhà được biểu diễn trong không gian 3-D

Hình 2.7: Đối tượng hình khối

(nguồn: Trần Vĩnh Phước (2009))

Các đối tượng không gian cũng có thể được nhóm theo hai loại khác nữa tùy theo chúng thuộc loại “tự nhiên” hay “ phi tự nhiên” Các đối tượng không gian tự nhiên tương ứng với các thực thể không gian rời rạc có thể nhận diện được trong thế giới thực Các đối tượng phi tự nhiên là các thực thể được con người tạo ra như đường bao đất đai hay một pixel

2.2.2 Phân loại các đối tƣợng không gian:

Hình 2.8: Phân loại đối tượng không gian (nguồn:Trần Vĩnh Phước (2003))

Đối tƣợng không gian tự nhiên

- Đối tượng không gian giới hạn theo mẫu (Sampling-Limited Spatial Objects) là những đối tượng biểu diễn các thực thể không gian tự nhiên mà

Đối tượng không gian

Giới hạn mẫu

Giới hạn định nghĩa

Không đồng đều Đồng đều

thông tin về nó như hình dạng và kích thước được xác định bởi những thông tin tổng thể cho từng thực thể

- Đối tượng không gian giới hạn theo định nghĩa (Definition-Limited Spatial Objects) là những đối tượng biểu diễn các thực thể không gian tự nhiên mà những thông tin về nó đã được định nghĩa

Đối tƣợng không gian phi tự nhiên

- Đối tượng không gian phi tự nhiên không đồng đều (Irregular Imposed Spatial Objects) là những đối tượng biểu diễn các thực thể không gian do con người đặt ra có hình dạng và kích thước không đồng đều.Ví dụ: vùng hành chánh

- Đối tượng không gian phi tự nhiên đồng đều (Regular Imposed Spatial Objects) là những đối tượng biểu diễn các thực thể không gian do con người đặt ra có hình dạng và kích thước giống nhau như các pixel trong một ảnh raster

2.2.3 Mô hình dữ liệu không gian Raster, Vector

Có hai mô hình dữ liệu được áp dụng cho hệ thống GIS là mô hình dữ liệu Raster và mô hình dữ liệu Vector Mỗi mô hình có những ưu điểm và khuyết điểm riêng

Mô hình Raster rất thích hợp đối với việc chia nhỏ các biến liên tục theo không gian thường được sử dụng cho các ảnh số; phân tích và xử lý ảnh số là những môn học tồn tại lâu dài với nhiều ứng dụng rộng rãi trong ảnh viễn thám, ảnh y học,

Mô hình Vector thích hợp cho việc vẽ bản đồ, biểu diễn bản đồ Trong mô hình Vector, đường được tạo bằng cách nối tuần tự các điểm, hoặc các đỉnh (Vertex) Mỗi đỉnh được tạo ra từ một cặp tọa độ không gian, vì vậy nó có tên

là Vector

2.2.3.1 Mô hình Raster

Mô hình dữ liệu dạng Raster phản ánh toàn bộ vùng nghiên cứu dưới

dạng một lưới các ô vuông hay điểm ảnh (pixcel)

Mỗi điểm ảnh được xem như đồng nhất cùng một thuộc tính Mô hình Raster có các đặc điểm:

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

 Mỗi điểm ảnh (pixcel) chứa một giá trị

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

 Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp

Mô hình dữ liệu raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng tương đối phổ biến trong các bài toán về môi trường, quản lý tài nguyên thiên nhiên Mô hình dữ liệu raster chủ yếu dùng để phản ánh các đối tượng dạng vùng là ứng dụng cho các bài toán tiến hành trên các loại đối tượng dạng vùng: phân loại; chồng xếp

2.2.3.2 Mô hình vector

Mô hình vector biểu diễn các đối tượng không gian theo ba dạng: điểm, đường, vùng Mô hình vector áp dụng cho các đối tượng không gian tự nhiên giới hạn theo mẫu hoặc giới hạn theo định nghĩa và những đối tượng không gian phi tự nhiên không đồng đều Các đối tượng đường được tuyến tính hóa bằng những đoạn thẳng (vector) được xác định bởi tọa độ hai điểm đầu và cuối gọi là các “đỉnh” (vertex) Khi các Vertex càng gần nhau thì đối tượng được biểu diễn càng chính xác Cấu trúc lưu trữ dữ liệu trong mô hình vector phức tạp hơn mô hình raster và việc xây dựng các thuật toán chồng lớp bản đồ trong mô hình vector cũng phức tạp hơn

i) Mô hình “sợi bún” (spaghetti)

 Điểm được xác định bởi cặp tọa độ (x,y)

 Đường được tuyến tính hóa từng đoạn, biểu diễn bằng một chuỗi những cặp toạ độ (xi,yi)

 Vùng được xác định bởi một đường khép kín và được biểu diễn bằng một chuỗi cặp tọa độ (xi,yi) có tọa độ đầu và tọa độ cuối trùng nhau

 Bảng tọa độ (xi,yi) được lưu trữ như là thuộc tính không gian của các đối tượng

ii) Mô hình Topo (Topology)

 Đường được chia thành nhiều cung (arc) có định hướng, mỗi cung được thành lập một hoặc nhiều đoạn thẳng, giới hạn bởi các đỉnh đầu mút của cung gọi là nút (node), mỗi cung có nút đầu và nút cuối

 Các bảng thuộc tính topo sẽ mô tả các quan hệ không gian giữa các cung, các nút và các vùng

 Các thuộc tính topo của các đối tượng không gian là các thuộc tính về

sự tiếp giáp, sự chứa đựng và sự liên kết của các đối tượng

 Các thuộc tính Topology của các đối tượng không gian không bị thay đổi bởi các phép biến đổi như chuyển dịch, thay đổi tỉ lệ, phép quay

iii) Mô hình TIN

 Mô hình mạng tam giác không đều (Triangulated Irregular Network - TIN) được sử dụng chủ yếu để biểu diễn các bề mặt độ cao số (Digital Elevation Surface) Trong mô hình TIN, các vị trí điểm tạo thành các đỉnh của tam giác mà các cạnh càng đều nhau càng tốt

 Thuận lợi của mạng tam giác là kích thước của tam giác có những điều chỉnh một cách tự động theo mật độ điểm, vùng có nhiều điểm gần nhau thì tam giác nhỏ, vùng có ít điểm và xa nhau thì tam giác lớn

 Mô hình TIN cũng thuận tiện trong việc biểu diễn các đối tượng không liên tục, như các vách đá, các đứt gãy địa hình, các đường bờ biển và các đáy thung lũng

trọng đối với tác vụ đang xét Đối với các ứng dụng GIS, thuộc tính thời gian

và chuyên đề được gộp chung lại với nhau (thuộc tính phi không gian)

2.2.4.1 Thuộc tính không gian

 Thuộc tính không gian là dữ liệu về vị trí, topo và hình học của các đối tượng không gian

 Vị trí không gian của các đối tượng được ghi lại theo hệ tọa độ kinh vĩ,

hệ tọa độ của một các phép chiếu bản đồ chuẩn hoặc theo các tọa độ thẳng tùy ý với một gốc cục bộ

 Con người không nghĩ về vị trí của các đối tượng không gian qua các tọa độ của chúng mà qua các mối quan hệ không gian (thường là mối quan hệ topology) với những đối tượng đã biết

 Trong các hệ thống thông tin địa lý hiện tại, các thuộc tính của hình học topo được tạo ra một cách tự động bằng cách “building topology” được lưu lại một cách rõ ràng trong các bảng thuộc tính

2.2.4.2 Thuộc tính phi không gian

 Thuộc tính thời gian và thuộc tính chuyên đề của các đối tượng không gian được gọi chung là thuộc tính phi không gian

 Thuộc tính thời gian đề cập đến tuổi của các đối tượng, hoặc thời gian thu thập dữ liệu

 Thuộc tính chuyên đề đề cập đến các loại thuộc tính khác của đối tượng, các thuộc tính không liên quan đến vị trí hay thời gian

 Thuộc tính của các đối tượng không gian được tổ chức thành các cơ sở

dữ liệu và được quản lý bởi một hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS)

 Cơ sở dữ liệu thuộc tính được xây dựng theo các mô hình: mô hình phân cấp, mô hình mạng hay mô hình quan hệ

 Trong đó, mô hình quan hệ được sử dụng phổ biến nhất

2.3 CẤU TRÚC DỮ LIỆU KHÔNG GIAN

Cấu trúc dữ liệu không gian là cách sắp xếp, tổ chức dữ liệu không gian

sao cho thích hợp với máy tính số Cấu trúc dữ liệu không gian là trung gian

giữa mô hình dữ liệu với định dạng tệp dữ liệu

Hình 2.9: Từ mô hình đến định dạng tệp tin dữ liệu không gian

(nguồn: Trần Vĩnh Phước (2009))

Dữ liệu về các đối tượng không gian có thể được xây dựng theo mô hình raster hoặc vector với các cấu trúc tương ứng Cấu trúc raster được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý ảnh và GIS raster Các cấu trúc Vector chiếm

ưu thế trong các hệ thống CAD với những tiềm năng vẽ bản đồ mạnh mẽ Có nhiều cấu trúc khác nhau được phát triển cho cả hai mô hình Vector và Raster Việc chọn lựa một cấu trúc dữ liệu tốt nhất tùy thuộc vào bản chất dữ liệu và phương thức chúng được sử dụng Nhiều GIS tận dụng cả hai mô hình Raster

và Vector với nhiều cấu trúc dữ liệu khác nhau cho cùng một mô hình Mỗi cấu trúc đều có những thuận lợi và bất lợi riêng Việc chuyển từ một cấu trúc này sang cấu trúc kia là rất quan trọng

2.3.1 Cấu trúc dữ liệu Raster

2.3.1.1 Mô tả cấu trúc

Mô hình raster chia không gian thành những ô lưới hình vuông (chữ nhật, hoặc tam giác) có kích thước bằng nhau gọi là điểm ảnh (pixel)

Mỗi pixel được xác định vị trí bằng cặp toạ độ (x,y) là số thứ tự của hàng

và cột của pixel Pixel là phần tử cơ sở của cấu trúc dữ liệu raster để biểu diễn một đặc trưng địa lý f(x,y) nào đó, nghĩa là dữ liệu trong mỗi điểm ảnh là đồng nhất

 Trong cấu trúc raster, đường được biểu diễn bằng những pixel có cùng giá trị f(x,y) liên tiếp nhau

Mô hình

dữ liệu không gian

Định dạng tệp tin dữ liệu không gian

Cấu trúc

dữ liệu không gian

 Vì trong cấu trúc raster, các pixel được xếp theo hàng, cột như một ma trận điểm nên đường ở đây không trơn mà có dạng zic-zac

 Vùng được xác định bằng một mảng gồm nhiều điểm ảnh có cùng giá trị thuộc tính f(x,y) trải rộng ra theo nhiều phương

 Cấu trúc dữ liệu raster có hai đặc điểm cần lưu ý:

- Mỗi điểm ảnh chỉ biểu diễn một thuộc tính, xác định bởi giá trị f(x,y)

- Khi thay đổi độ phân giải (kích thước điểm ảnh thay đổi), dung lượng dữ liệu thay đổi theo Dung lượng dữ liệu tăng theo bình phương tỉ lệ gia tăng độ phân giải (Tham khảo [6])

2.3.1.2 Dạng hình học và tính Topology của dữ liệu Raster

Đối tượng điểm (Point objects)

Mỗi đối tượng điểm là một điểm ảnh được gán ID điểm, toạ độ (i, j) và các thuộc tính

Hình 2.10: Điểm trong cấu trúc raster (nguồn: Trần Vĩnh Phước (2003))

Đối tượng đường (Line objects)

Mỗi đối tượng đường được gán ID đường, chuỗi tọa độ định dạng đường

và các thuộc tính

Hình 2.11: Đường trong cấu trúc raster (nguồn: Trần Vĩnh Phước (2003))

Đối tượng vùng (Polygon objects)

Mỗi đối tượng vùng được gán ID vùng, nhóm tọa độ định dạng vùng và thuộc tính

Hình 2.12: Vùng trong cấu trúc raster (nguồn: Trần Vĩnh Phước (2003))

Hình 2.13: Hướng chảy trong raster (nguồn: Trần Vĩnh Phước (2003))

Hình 2.15:Nút trong raster (nguồn: Trần Vĩnh Phước (2003))

2.3.2 Cấu trúc dữ liệu Vector

Các đối tượng không gian khi biểu diễn ở cấu trúc vector thường tổ chức dưới dạng điểm, đường và vùng trên một hệ thống tọa độ xác định Mỗi điểm được xác định bởi một cặp toạ độ (x,y); đường được xác định bởi một chuỗi liên tiếp các điểm và vùng được xác định bởi một đường khép kín

Hai cấu trúc dữ liệu Vector thông dụng là cấu trúc Spaghetti và cấu trúc Topology Trong cấu trúc vector các đối tượng trong không gian được phân loại thành 3 dạng:

Đối tượng điểm: Điểm dùng cho tất cả các đối tượng không gian mà biểu diễn như một cặp tọa độ (x,y)

Đối tượng đường: Đường được dùng để biểu diễn tất cả các đối tượng có dạng tuyến, được tạo nên từ hai hoặc nhiều cặp tọa độ (x,y)

Đối tượng vùng: Vùng là một đối tượng hình học hai chiều

Hình 2.16: Điểm, Đường, Vùng trong cấu trúc vector

 Đường được biểu diễn bằng một chuỗi những cặp toạ độ (xi,yi)

 Vùng được xác định bởi một cung khép kín và được biểu diễn bằng một chuỗi cặp tọa độ (xi,yi) có tọa độ đầu và tọa độ cuối trùng nhau Cấu trúc không ghi nhận đặc trưng kề nhau của hai vùng kề nhau, nghĩa là tại đường chung của hai vùng kề nhau có hai đường độc lập Cấu trúc Spaghetti được sử dụng để lập bản đồ số rất tốt, nhưng không thích hợp cho các bài toán phân tích GIS vì không mô tả được các quan hệ không gian

Hình 2.17: Cấu trúc Spaghetti (nguồn: Trần Vĩnh Phước (2003))

2.3.2.2 Cấu trúc topology

Tính topology rất cần thiết trong quá trình phân tích không gian Topology thể hiện mối quan hệ hoặc sự liên kết giữa các đối tượng trong không gian Topology là một phương pháp toán học dùng để xác định các quan hệ không gian Cấu trúc topology còn được gọi là cấu trúc cung-nút (arc-node) với phần tử cơ bản là cung

 Mỗi cung được mô tả như là một chuỗi những đoạn thẳng nối liền nhau, điểm đầu và cuối cung gọi là nút (node), những điểm giữa cung gọi là đỉnh (vertex)

 Nút là điểm giao nhau của hai hay nhiều cung, đối với những cung độc lập, nút là điểm cuối cùng của cung, không nối liền với bất kỳ cung nào khác

 Vùng là một chuỗi những cung nối liền nhau và khép kín, những cung này chính là đường biên của vùng

 Một vùng có thể được giới hạn bởi hai đường cong khép kín lồng vào

nhau và không cắt nhau

Hình 2.18: Điểm, đường, vùng trong cấu trúc topology

(nguồn: Trần Vĩnh Phước (2003))

Các đối tượng địa lý trong cấu trúc topology được mô tả trong hình 2.19:

Hình 2.19: Cấu trúc topology của đối tượng địa lý

(nguồn: Trần Vĩnh Phước (2003))

- Bảng topology vùng xác định những cung làm đường biên của vùng, phần bên ngoài bản đồ cũng được xem như một vùng không xác định cung đường biên

- Bảng topology nút xác định mỗi nút thuộc những cung nào

- Bảng topology cung xác định quan hệ của nút và vùng với cung

- Bảng thứ tư lưu trữ tọa độ của các cung bằng cách lưu trữ tọa độ của các nút và đỉnh của cung, để từ đó vị trí của mỗi phần tử trên bản đồ được liên

hệ với thế giới thực

2.3.3 Cấu trúc TIN

Các điểm phân bố không đều tham gia tạo thành một mạng tam giác khớp với nhau Các đỉnh của những tam giác này là những điểm gốc Bản thân các tam giác này là những vùng Các cạnh của tam giác là một trường hợp đặc biệt của chuỗi (chain) - các đoạn thẳng với các nút (node) cũng là các đỉnh (Vertex) Mỗi tam giác hay “bề mặt (facet)” có thể được xem xét như các mặt phẳng (planar)

Dạng hình học của các mặt phẳng được định nghĩa hoàn toàn bởi các giá trị (x,y,z) của 3 nút Cấu trúc topology của một TIN được lưu trữ một cách khá rõ ràng theo nhiều cách khác nhau

 Cách lưu trữ topology của TIN phổ biến nhất là cách sử dụng các tam giác làm các đối tượng không gian cơ bản với các liên kết Topology tới các tam giác lân cận và một tập các điểm

 Cách thứ hai là cách sử dụng các nút là những phần tử không gian cơ bản với các liên kết tới những điểm được nối tới nó

2.3.4 Quan hệ topology giữa các đối tƣợng không gian

Trong thực tiễn ứng dụng GIS, tất cả các quan hệ không gian có thể có trong dữ liệu không gian được sử dụng một cách logic với nhiều cấu trúc dữ liệu phức tạp

Hình 2.20: Quan hệ topology giữa các đối tượng

(nguồn: Trần Vĩnh Phước (2003))

Quan hệ điểm-điểm

- “Trong giới hạn (is within)”: Nằm trong giới hạn một khoảng cách cụ thể

- “Gần nhất với (is nearest to)”: Gần nhất so với một điểm cụ thể

Quan hệ điểm-đường

- “Nằm trên đường (on line)”: điểm nằm trên một đường

- “Gần nhất với (is nearest to)”: Điểm gần nhất so với một đường

Quan hệ điểm-vùng

- “Chứa bên trong vùng (is contained in)”: Điểm chứa bên trong vùng

- “Nằm trên biên (on border of area)”: Một điểm nằm trên đường biên của vùng

Quan hệ đường-đường

- “Giao nhau (intersects)”: Hai đường giao nhau

- “Băng qua (crosses)”: Hai đường băng qua mà không giao nhau

- “Chảy vào (flow into)”: Một nhánh sông chảy vào một dòng sông

Quan hệ đường-vùng

- “Giao nhau (intersects)”: Một đường giao (cắt) với một vùng

- “Đường biên (borders)”: Đường là một phần biên của vùng

Quan hệ vùng-vùng

- “Chồng lớp (overlaps)”: Hai vùng chồng lên nhau

- “Nằm bên trong (is within)”: Một vùng nằm bên trong một vùng khác

- “Kế cận (is adjacent to)”: Hai vùng cùng có một đường biên chung

2.4 CẤU TRÚC DỮ LIỆU KHÔNG GIAN TRONG SQL SERVER

Có hai kiểu dữ liệu không gian được định nghĩa trong SQL2008 là

Geography và Geometry Cả hai đều được thực hiện như các loại Microsoft

NET Framework Common Language Runtime (CLR) và có thể được sử dụng

để lưu trữ các loại khác nhau của các yếu tố địa lý như điểm, đường và vùng

Cả hai loại dữ liệu cung cấp các thuộc tính và các phương thức có thể sử dụng

để thực hiện các hoạt động không gian như tính toán khoảng cách giữa các địa điểm và tìm ra các điểm giao nhau

2.4.1 Kiểu dữ liệu Geography:

Kiểu dữ liệu Geography cung cấp một cấu trúc lưu trữ dữ liệu không gian được xác định bằng các cặp tọa độ (vĩ độ và kinh độ) Điển hình của việc

sử dụng loại dữ liệu này là xác định các tuyến đường, các tòa nhà, hoặc các đặc điểm địa lý như dữ liệu vector có thể được phủ lên một bản đồ raster cơ

sở có tính đến độ cong của trái đất, hoặc tính các khoảng cách vòng tròn cực lớn như quỹ đạo đường bay trong vận tải hàng không

2.4.2 Kiểu dữ kiệu Geometry:

Kiểu dữ liệu Geometry cung cấp một cấu trúc lưu trữ dữ liệu không gian được xác định bởi các tọa độ trên một mặt phẳng tùy ý Kiểu dữ liệu này thường được sử dụng trong các hệ thống lập bản đồ khu vực, hoặc cho các bản đồ sơ bộ - yếu tố độ cong của Trái đất không cần thể hiện trong các bản

đồ này

Geometry là kiểu dữ liệu phù hợp với Open Geospatial Consortium (OGC) Simple Features for SQL Specification version 1.1.0 và phù hợp với SQL MM (ISO tiêu chuẩn) (Tham khảo [12])

Cả hai loại dữ liệu không gian trong SQL Server 2008 cung cấp một bộ các instance và phương thức có thể sử dụng để thực hiện các truy vấn và các hoạt động trên dữ liệu không gian

Kiểu dữ liệu Geography và Geometry hỗ trợ 11 đối tượng dữ liệu không gian Tuy nhiên, chỉ có 7 trong số các loại là instantiable nghĩa là ta có thể tạo và làm việc với những trường hợp này (hoặc khởi tạo chúng) trong một cơ sở dữ liệu Các trường còn lại kế thừa những thuộc tính từ các kiểu dữ liệu cha mẹ của nó để phân biệt chúng như Curve, MultiCurve, Surface, MultiSurface, CurvePolygons và Geometry (Tham khảo [13])

Hình vẽ dưới đây mô tả hệ thống phân cấp Geometry dựa trên các kiểu

dữ liệu Geometry và Geography Các kiểu Instantiable của Geometry và Geography được chỉ định màu xanh lam