Bài giảng môn học cơ sở hệ thống thông tin địa lý bài 3 ths đinh quang toàn

 CSDL không gian spatial database là sự tập  CSDL không gian là một mô hình của thực tế với ý nghĩa là CSDL biểu diễn có lựa chọn các hiện tượng rất gần với thực tế  Những hiện tượn

Bài giảng

CƠ SỞ DỮ LIỆU GIS

KHÁI NIỆM VỀ

CƠ SỞ DỮ LIỆU (CSDL)

 CSDL là gì ?

 Hệ Quản Trị CSDL là gì ?

 Các mô hình CSDL ?

 CSDL là gì ?

 Là sự tập hợp một hay nhiều file dữ liệu hay dữ

liệu bảng được lưu trữ theo một kiểu cấu trúc

 Có mối quan hệ bên trong giữa các thông tin hay

giữa các dữ liệu

 Được quản trị bằng phần mềm (DBMS)

 Sử dụng phục vụ dữ liệu cho những yêu cầu dữ

liệu khác nhau

 Mục đích:

 Là phương pháp lưu trữ dữ liệu của các chương

trình truy xuất dữ liệu

 Điều khiển và chuẩn hóa quá trình nhập và cập

nhật dữ liệu

 Bảo mật dữ liệu truy xuất

 Cho phép đa người sử dụng trên những trường

hay bảng dữ liệu xác định

 Nhân của hệ

 điều khiển quá trình chất vấn

(Query), truy xuất dữ liệu, lưu trữ, quản lý đa người dùng

 Liên kết

 Giao tiếp ngôn ngữ chất vấn SQL

(structured query language)

 Hiển thị dữ liệu

 Hệ thống quản lý các dạng màn

hình

 Điều khiển các menu

 Các báo cáo và giao tiếp ngôn ngữ

lập trình

 Là “ một hiện tượng trong thực tế mà không được phân chia nhỏ ra thành những hiện

tượng cùng loại”

 Vd Thành phố là một thực thể và được chia nhỏ

ra thành các bộ phận hợp phần nhưng các phần này không được gọi là thành phố, chúng được gọi

là quận

 Rừng cây phân chia thành các mảnh rừng nhỏ

hơn

 Là “ sự trình bày dạng số của tất cả hoặc một phần của thực thể”

 Các hiện tượng phụ thuộc vào tỷ lệ

 Vd Một thành phố được trình bày như một điểm

(point) nếu như diện tích nghiên cứu ở qui mô lục địa

 Thành phố đó có thể được trình bày như một

vùng (area) nếu như diện tích nghiên cứu một

quốc gia

 Kiểu thực thể là nhóm hiện tượng tương tự được thể hiện và lưu trữ cùng kiểu

 Vd đường giao thông, sông suối

 Xác định kiểu thực thể nhằm:

 Giúp cho việc chồng xếp các nhóm thông tin

 Trợ giúp cho việc kiểm chứng nội dung của cơ sở

dữ liệu

 Là đặc điểm của thực thể biểu diễn

 Thường là phi không gian

 Một số có thể liên quan tới đặc điểm không gian

 Vd diện tích, chu vi

 Lớp trình bày một kiểu thực thể hoặc một

nhóm kiểu thực thể quan hệ

 Vd Lớp có các đoạn sông hoặc có sông, hồ, bờ

biển

 Một số CSDL không gian kết hợp các thực thể vào một lớp

 Thế giới thực quá phức tạp trong những nhận thức trực tiếp

 Chúng ta tạo "model" thực tế với nỗ lực có

một số nét tương tự với thế giới thực

 Những CSDL (databases) được tạo ra từ

những "models" như là những buớc cơ sở

tiến tới hiểu biết về bản chất và trạng thái thế giới thực

 CSDL không gian (spatial database) là sự tập

 CSDL không gian là một mô hình của thực tế với ý

nghĩa là CSDL biểu diễn có lựa chọn các hiện tượng rất gần với thực tế

 Những hiện tượng chọn lựa biểu diễn trong dạng số

nhiều tiện ích để quản lý hợp phần không gian

và thuộc tính các dữ liệu địa lý

 Dữ liệu được tổ chức theo lớp

 Mỗi lớp biểu diễn những yếu tố có đặc điểm

 Không có cấp bậc của trường dữ liệu, mỗi trường dữ liệu được dùng như là key

 Thuộc tính quan hệ được lưu trữ trong những bảng khác nhau

 Tìm kiếm thực hiện nối hai hoặc

nhiều bảng dùng thuộc tính giống nhau

 Hệ thống linh động và thích hợp cho việc sử dụng SQL

 Dữ liệu được tổ chức theo cấu trúc hình cây Cấp bậc cao nhất gọi là gốc

 Mô hình có lớp trên, lớp dưới

 Mọi quan hệ là quan hệ

nhiều – một hoặc quan hệ một – một

 Truy tìm dữ liệu hiệu qủa nếu không có nhiều cấp

trung gian

MÔ HÌNH VÀ CẤU TRÚC DỮ LIỆU KHÔNG GIAN

 1 Mô hình dữ liệu (Spaghetti)

 Đơn giản nhất

 Về bản chất là mô hình vẽ bản đồ

 Điểm, đường, vùng và ký tự được biểu diễn đơn

thuần là vị trí

 Không có mô tả rõ ràng quan hệ không gian

 Ranh giới chung giữa 2 polygon kề nhau được

ghi 2 lần

 Không hữu hiệu trong phân tích không gian

 Ưu điểm trong việc tái sản xuất bản đồ số mà

không cần lưu trữ quan hệ không gian

 2 Mô hình topology

Cấu trúc topology còn được gọi là cấu trúc cung-nút (arc-node) với phần tử cơ bản là

 Trong cấu trúc này:

với những cung độc lập, nút là điểm cuối cùng của cung, không nối liền với bất kỳ cung nào khác

thẳng nối liền nhau, điểm đầu và cuối gọi là nút (node), những điểm giữa cung gọi là đỉnh (vertex)

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

Các đối tượng địa lý trong cấu trúc topology được

 Các bảng Topology:

được xem như một vùng không xác định cung đường biên

những cung nào

nút và vùng với cung

liên hệ với thế giới thực

 Các bảng Topology:

được xem như một vùng không xác định cung đường biên

những cung nào

nút và vùng với cung

liên hệ với thế giới thực

0 10 20 30 40 50 60 70 0

a3

N2 N1

N3

N4

N6

N1

N2 N3 N4 N3 N5 N6

N2

N3 N1 N1 N2 N5 N6

Dữ liệu toạ độ cung

Cung Nút đầu

(x,y) Đỉnh (vertex) (x,y) Nút cuối (x,y)

a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7

40,60 70,50 10,25 40,60 10,25 30,20 55,27

70,60 70,10;10,10 10,60 30,50 20,27;30,30;50,32 55,15;40,15;45,27

70,50 10,25 40,60 30,40 70,50 30,20 55,27

Bài tập 1 Xây dựng

dữ liệu cung (dữ liệu tọa độ cung) và các bảng cung – nút – vùng cho mô hình

dữ liệu không gian sau:

Bài tập2 Cho bảng dữ liệu tọa độ cung sau:

Cung (Arc)

Điểm đầu (From node)

Đỉnh (Verties)

Điểm cuối (To node)

a Hãy xây dựng mô hình dữ liệu không gian của bảng dữ liệu tọa độ trên

b Hãy xây dựng các bảng Topology vùng, Topology nút, Topolygy cung

2 Thể hiện chiều mũi tên từ điểm đầu đến điểm cuối trên các cung của

mô hình cơ sở dữ liệu không gian (hình vẽ)

 Ưu điểm

Các bảng Topology cung, nút, vùng cho phép phân tích các quan hệ giữa các phần

tử trên bản đồ mà khộng cần đến dữ liệu tọa độ Do đó, cấu trúc topology rất thích hợp với những toán tử phân tích không gian, nhất là những bài toán kề (contiguity) và kết nối (connectivity)

 Nhược điểm

Phần lớn dữ liệu nhập vào GIS không tồn tại ở dạng cấu trúc dữ liệu topology, việc xây dựng topology bởi phần mềm GIS có thể tốn thời gian và sử dụng nhiều nguồn lực máy tính

Mỗi khi có sự biên tập tác động đến dữ liệu hình học, topology phải xây dựng lại

Các mối quan hệ Topology giữa các đối tượng không gian

Các mối quan hệ Topology giữa các đối tượng không gian

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

Các mối quan hệ Topology giữa các đối tượng không gian

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

Dữ liệu raster được tạo thành bằng cách chồng lưới các ơ lên trên các đối tượng địa lý

Bản đồ gốc

Lưới chồng lớp (grid overlay)

Giá trị ơ chính là giá trị đo hoặc ghi

nhận được của đối tượng nằm đầy

trong ơ Trong trường hợp đối tượng

khơng nằm đầy ơ, giá trị ơ được gán

theo các nguyên tắc:

- Đối tượng chiếm đa số về diện tích

- Đối tượng tại tâm ơ

- Đối tượng chạm ơ – đối với đối

tượng đường

- hoặc chọn theo trọng số để đảm bảo

các đối tượng cĩ đặc tính quý hiếm

được biểu diễn

Giá trị của ô có thể là chữ hoặc là số tùy theo đối tượng được biểu diễn

Giá trị trong “ô lưới” tương ứng với đặc tính của hiện tượng trong không gian tại vị trí ô Sự thay đổi của giá trị phản ánh sự thay đổi của hiện tượng

Một ô đơn được gán chỉ 1 giá trị, do vậy để có thể biểu diễn nhiều đặc tính của cùng 1 đối tượng, 1 hệ thống các lớp dữ liệu raster được sủ dụng Mỗi lớp raster thể hiện 1 loại đặc tính

Lưới ô thường có gốc tọa độ bắt đầu tại vị trí trên trái Vị trí hình

học của các ô được xác định bởi số hàng và số cột

Dữ liệu raster có thể đến từ ảnh viễn thám, ảnh chụp máy bay, hoặc raster hóa từ nguồn dữ liệu vector

Các đối tượng điểm, đường vùng trong mô hình Raster được biểu diễn như sau:

 Đối tượng điểm được biểu diễn bằng các điểm ảnh đơn

 Đối tượng đường được biểu diễn bằng một chuỗi các điểm ảnh liên tục và

có độ rộng không đều, có đường biên zic-zac tùy kích thước của điểm ảnh

 Đối tượng vùng được biểu diễn bằng 1 mảng các điểm ảnh liên tục

 Độ phân giải không gian của mô hình Raster là kích thước của một pixel trên mặt đất Một ô 10m thể hiện bề mặt diện tích

Như vậy ô 10m có độ phân giải không gian tốt hơn ô 30m

đối tượng không gian do có nhiều đối tượng không gian cùng tồn tại trong 1 ô

 Kích thước ô nhỏ có thể biểu diễn chính xác vị trí của các đối tượng không gian sẽ làm tăng dung lượng lưu trữ và thời gian

xử lý dữ liệu

 Dung lượng lưu trữ của mô hình raster theo độ phân giải

một raster có 1000 hàng và 1000 cột tương ứng với 1 triệu pixel, nếu dùng 1byte để biểu diễn 1 pixel thì dung lượng cần thiết là 0,96MB

MB

 Mô hình Raster thường được biểu diễn với các cấu trúc có sử dụng các phương pháp nén dữ liệu để giảm bớt dung lương lưu trữ

 Trong cấu trúc raster, đường được biểu diễn bằng những pixel có

xếp theo hàng, cột như một ma trận điểm nên đường ở đây không trơn

mà có dạng zic-zac

mảng gồm nhiều điểm ảnh có cùng

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

Số pixel i

Số hàng j

(i,j) = (5,3);(7,5);(8,2)

Đối tượng đường (line objects)

Mỗi đối tượng đường được gán ID đường, chuỗi tọa độ định dạng đường và các thuộc tính

( 1,3);(2,2);(3,2) ;(4,3);

(5,4) ;(6,5) ;(7,5) ;(8,4)

Đối tượng vùng (polygon objects)

vùng và thuộc tính

 Mã hóa từng ô

Là phương pháp mã hóa đơn giản nhất Một lưới Raster được lưu trữ như 1 ma trận và giá trị ô được ghi vào một tập tin theo hàng và theo cột

Phương pháp này áp dụng rất tốt trong trường hợp giá trị ô biến thiên liên tục

Mô hình độ cao số DEM sử dụng phương pháp này để lưu trữ bởi vì giá trị độ cao của các ô lân cận ít khi nào giống nhau ảnh vệ tinh cũng

sử dụng phương pháp này để lưu trữ

 Mã hóa đoạn chạy – Run length

biểu diễn chúng từng loạt pixel có giá trị giống nhau theo từng hàng từ trái qua phải, từ trên xuống dưới

cặp số (chiều dài chuỗi, giá trị của pixel)

của pixel) ít thay đổi Ngược lại, nếu giá trị thuộc tính thay đổi nhiều, đôi khi việc dùng mã này còn làm tăng dung lượng dữ liệu

Biểu diễn mã run-length của lớp dữ liệu ảnh raster hình bên: (10,A) (10,A) (4,A) (6,B) (3,A) (7,B) (4,D) (6,B) (5,D) (5,B) (5,D) (5,C) (5,D) (5,C) (5,D) (5,C) (5,D) (5,C)

B

B B

A A

A A

2

A A

A A

1

A

6

A A

B A A 5

A

5

4

A A

A A

8 7

0

B B

A A

D D

D

D D

D D

D

D D

D D

D

D D

D D

D D

D

CD CD

CD CD

CD CD

CD CD

CD CD

CD

CD CD

CD CD

CD CD

- Mã run-length tuy có thuật toán nén và giải mã đơn giản nhưng tỉ số nén không cao,

không lưu ý tới tính lân cận

biên theo những đường đọc dữ liệu khác nhau

Mã hóa run length cải biên

(24,A) (13,B) (3,A) (13,B) (4,D) (11,B) (10,D) (10,C) (10,D) (10,C) (5,D)

B

B B

A A

A A

2

A A

A A

1

A

6

A A

B A A 5

A

5

4

A A

A A

8 7

0

B B

A A

D D

D

D D

D D

D

D D

D D

D

D D

D D

D D

D

CD CD

CD CD

CD CD

CD CD

CD CD

CD

CD CD

CD CD

CD CD

CD

D

Mã hóa phần tư – cây tứ phân

của nhiều pixel trong những vùng có cùng thuộc tính

4 phần, v.v

vùng có cùng thuộc tính

Mã hóa phần tư – cây tứ phân

Mã hóa phần tư – cây tứ phân

Mã hóa phần tư – cây tứ phân

Các thành phần của cây tứ phân

- Gốc: từ đó các nhánh khác được mở rộng

- Lá là điểm mà từ đó quá trình phân nhánh không xảy ra

- Tất cả các điểm còn lại trong cây gọi là nút

Nhiều hệ thống đánh mã đã được phát triển để chỉ định mã nhận dạng đến các nút, trong đó có hệ thống đánh mã Morton Mã chỉ định cho mỗi nút là sự kết hợp của nút ở cấp độ cao hơn và mã ở cấp độ hiện hành VD nút 212 là sự kết hợp của mã 21 ở cấp độ trên và mã 2 ở cấp

độ hiện hành Hệ thống đánh mã này có ưu điểm là lân cận của mỗi nút

có thể được tìm ra từ hệ thống đánh mã VD lân cận của nút 212 là các nút 21x(0, 1, 3) và các nút 2x(20, 21, 22, 23)

Mã hóa phần tư – cây tứ phân

Ưu điểm: cho phép tổng quát hóa dữ liệu đến mức độ chi tiết tùy chọn

Hạn chế: tốn nhiều thời gian cho việc tạo ra và hiệu chỉnh Khi bản đồ trở nên phức tạp và dữ liệu phải cập nhật thường xuyên thì tính hiệu quả trong lưu trữ sẽ mất đi

Bài tập 1 Cho mô hình dữ liệu không gian sau:

Ghi chú: CS – cao su, Đ – điều, T – tiêu, AT – ăn trái

Hãy mã hóa lớp dữ liệu không gian trên theo:

a phương pháp mã hóa đoạn chạy

b phương pháp mã hóa đoạn chạy cải tiến

c phương pháp mã hóa phần tư

Bài tập 2 Cho mô hình dữ liệu không gian sau:

Hãy mã hóa lớp dữ liệu không gian trên theo:

a phương pháp mã hóa đoạn chạy

b phương pháp mã hóa đoạn chạy cải tiến

c phương pháp mã hóa phần tư

 Chỉ những hiện tượng quan trọng thu thập biểu diễn trong CSDL

bằng chiều rộng và dài

liệu thích hợp biểu diễn chúng là một phần của quá trình thiết kế CSDL

 Vd: trên bản đồ 1:100.000 những ngôi nhà không

phân biệt

mô tả trong tính toàn vẹn chính xác

liệu chấp nhận

Mục tiêu:

 Nhận biết, nhận diện nội dung CSDL và mô tả nó

trong dạng tóm tắt, hay khái niệm

 Xác định mục tiêu CSDL

 Cần làm gì ?

 Làm sao sẽ thực hiện được ?

 Trên cơ sở đó, xác định tất cả các dạng nhu cầu về

dữ liệu nhằm thực hiện mục tiêu nói trên

 Đặc điểm

 Những mô tả & định nghĩa các thực thể

 Xác định thực thể biểu diễn trong CSDL

▪ Vd chọn các đối tượng không gian - points, lines, areas, raster cells

 Những yêu cầu qui mô biểu diễn & những mối quan

hệ sẽ biểu diễn

▪ Dựa trên cơ sở quá trình xử lý trên các đối tượng

▪ Vd Cần biểu diễn tòa nhà như diện tích hay point?

▪ Vd nên chia nhỏ đường giao thông như thế nào để liên kết trong CSDL?

 Mục tiêu

 CSDL được mô tả chi tiết, bao gồm các hạng mục

tin, các mối quan hệ dữ liệu , độ chính xác, các thủ tục đảm bảo sự toàn vẹn dữ liệu

 Phần mềm cần xác định nhưng phần cứng không

lệ thuộc

 Thiết đặt cấu trúc logic các yếu tố CSDL, Xác định

bởi hệ quản trị dữ liệu-DBMS sử dụng bởi phần mềm

 Đặc điểm

 Cả phần cứng & mềm đều yêu cầu

 Yêu cầu tổ chức file trên máy tính

 Triển khai kết quả của mức logic trên các phần

cứng, phần mềm cụ thể