Mô hình và cấu trúc dữ liệu không gian

Mô hình dữ liệu không gian tương ứng với tập cácnguyên tắc để chuyển thế giới thực thành các đốitượng không gian được miêu tả một cách logic... GIỚI THIỆUDữ liệu số về các đốitượng không

Trang 1

Chương 3

MÔ HÌNH VÀ CẤU TRÚC DỮ LIỆU KHÔNG GIAN

Trang 2

3.1 GIỚI THIỆU

Thực thể không gian (spatial entity) là sự vật, hiện

tượng tồn tại trong thế giới thực

Đối tượng không gian (spatial object) là những thực

Thế giới thực

Dữ liệu GIS

-Truy vấn thơng tin -Cập nhật dữ liệu -Phân tích, mơ hình hĩa -Hiển thị, xuất dữ liệu

Trang 3

Trang 4

Mô hình không gian là sự đơn giản hoá thế giới thực,là tập những phần tử biểu diễn các thực thể khônggian trong thế giới thực

Mô hình dữ liệu không gian tương ứng với tập cácnguyên tắc để chuyển thế giới thực thành các đốitượng không gian được miêu tả một cách logic

Trang 5

Dữ liệu số về các đốitượng không gian đượcbiểu diễn trong máy tínhdưới dạng nhị phân theomô hình raster hoặc vector

- Mô hình raster biểu diễn

các thực thể theo một bềmặt liên tục

- Mô hình vector biểu

diễn các thực thể theo một

Trang 6

Mô hình raster: các đối

tượng không gian đượcchia thành những ô lướibằng nhau gọi là điểm ảnh(pixel), mỗi điểm ảnh chỉ cómột thuộc tính

Mô hình vector: các đối

tượng không gian đượcbiểu diễn như những điểm,đường, vùng

Trang 7

3.2 MÔ HÌNH DỮ LIỆU RASTER

Mô hình dữ liệu Raster sử dụng một mạng lưới các ô(hình vuông, tam giác hoặc lục giác) được gọi là cácpixel để thể hiện các đối tượng không gian

The raster data model uses an array of cells, or pixels,

to represent real-world objects The cells can hold anyattribute values based on one of several encodingschemes including categories, and integer and ﬂoating-point numbers

Trang 8

3.2 MÔ HÌNH DỮ LIỆU RASTER

Dữ liệu Raster khu vực bán đảo Olympic, bang Washington,

Mỹ

Trang 9

3.3 CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER

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

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

- Khi thay đổi độ phân giải (kích thước điểm ảnh thayđổi), dung lượng dữ liệu thay đổi theo Dung lượng dữliệu tăng theo bình phương tỉ lệ gia tăng độ phân giải

3.3.1 Mô tả cấu trúc

Trang 10

Đối tượng điểm (Point objects):

3.3.2 Đặc tính hình học

Số pixel i

Số hàng j

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

Trang 11

Đối tượng đường (Line objects):

( 1,3);(2,2);(3,2) ;(4,3); (5,4)

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

Trang 12

Đối tượng vùng (Polygon objects):

Trang 13

Để tăng hiệu quả trong việc lưu trữ dữ liệu Raster,nhiều kỹ thuật nén dữ liệu Raster đã được nghiên cứuvà đề xuất:

- Mã hóa đoạn chạy (run-length encoding)

- Mã hóa khối (block encoding)

- Mã hóa sóng (wavelet encoding)

- Mã hóa cây tứ phân (quadtrees encoding)

3.3.3 Kỹ thuật nén dữ liệu Raster

Trang 14

Cấu trúc dữ liệu raster được thực hiện dưới nhiềuđịnh dạng số khác nhau:

- GRID: Định dạng của ESRI dùng để lưu trữ và xử lýdữ liệu raster

- Định dạng công nghiệp chuẩn: JPEG, TIFF và MrSIDdùng trong hiển thị nhưng không phân tích được (phảichuyển thành GRID)

3.3.4 Định dạng file đối với dữ liệu không gian raster

Trang 15

Khi hiển thị đồng thời với dữ liệu vector, đòi hỏi phảicó thông tin tọa độ tham chiếu (georeferencinginformation)

Geotiff là định dạng chứa cả ảnh và thông tin tham

chiếu trong cùng 1 file

Trang 16

Cấu trúc của tập tin tham chiếu: dạng ASCII gồm 6dòng

 Dòng 1: Kích thước theo hướng x của pixel đơn vị bản đồ (A)

 Dòng 2: Góc xoay quanh trục y (D)

 Dòng 3: Góc xoay quanh trục x (B)

 Dòng 4: Kích thước âm theo hướng y của pixel theo đơn vị bản đồ (E)

 Dòng 5: Tọa độ x của tâm pixel trên trái (C)

 Dòng 6: Tọa độ y của tâm pixel trên trái (F)

- Công thức tính chuyển:

X1 = Ax + By + C

x1, y1: tọa độ pixel theo đơn vị bản đồ

Trang 17

- Với pixel trên ảnh có tọa độ (3,4) thì

 Pixel có tọa độ bản đồ là:

Trang 18

3.4 MÔ HÌNH DỮ LIỆU VECTOR

Mô hình dữ liệu vector sử dụng các đối tượng điểm,đường, vùng để biểu diễn các thực thể không gian

In the vector data model each object in the real world

is ﬁrst classiﬁed into a geometric type: in the 2-D casepoint, line, or polygon

Points (e.g., wells, soil pits, and retail stores) are

recoded as single coordinate pairs, lines (e.g., roads,

streams, and geologic faults) as a series of orderedcoordinate pairs (also called polylines), and polygons

(census tracts, soil areas, and oil license zones) as one ormore line segments that close to form a polygon area

Trang 19

3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR

Các đối tượng không gian khi biểu diễn ở cấu trúcvector thường tổ chức dưới dạng điểm, đường và vùngtrên 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{(x1, y1),(x2, y2), ,(xn,yn)} và vùng được xác định bởinhững đường khép kín

Hai cấu trúc dữ liệu Vector thông dụng là cấu trúc

Spaghetti và cấu trúc Topology.

3.5.1 Mô tả cấu trúc

Trang 20

Các đối tượng trong không gian được phân loạithành 3 dạng:

tượng không gian được biểu diễn như một cặp tọa độ(x,y)

tất cả các đối tượng có dạng tuyến, được tạo nên từhai hoặc nhiều cặp tọa độ (x,y)

chiều

Trang 21

3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.2 Đặc tính hình học

Điểm

Đường

Đường cong

Vùng

Trang 22

- Điểm được xác định bằng một cặp tọa độ (x,y),

- Đường được biểu diễn bằng một chuỗi những cặptoạ độ (xi,yi)

- Vùng được xác định bởi một cung khép kín vàđược biểu diễn bằng một chuỗi cặp tọa độ (xi,yi) cótọa độ đầu và tọa độ cuối trùng nhau

3.5.3 Cấu trúc Spaghetti

Trang 23

Đặc trưng Vị trí

Cung AB (xA,yA), (x1,y1), , (xB,yB) Vùng 1 (x1A,y1A), (x11,y11), ,

(x1i,y1i), (x1B,y1B), (x1j,y1j), , (x1A,y1A).

Trang 24

Cấu trúc không ghi nhận đặc trưng kề nhau của haivùng kề nhau, nghĩa là tại đường chung của hai vùngkề nhau có hai đường độc lập

Cấu trúc Spaghetti được sử dụng để lập bản đồ sốrất tốt, nhưng không thích hợp cho các bài toán phântích GIS vì không mô tả được các quan hệ không gian

Trang 25

3.5.4 Cấu trúc Topology

Tính topology rất cần thiết trong quá trình phân tíchkhông gian

Topology thể hiện mối quan hệ hoặc sự liên kết giữacác đối tượng trong không gian

Topology là một phương pháp toán học dùng để xácđịnh các quan hệ không gian

Trang 26

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

cung-Mỗi cung được mô tả như là một chuỗi những đoạnthẳng 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, đốivới những cung độc lập, nút là điểm cuối cùng củacung, không nối liền với bất kỳ cung nào khác

Trang 27

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

Một vùng có thể được giới hạn bởi hai đường congkhép kín lồng vào nhau và không cắt nhau

Các đối tượng địa lý trong cấu trúc topology đượcmô tả trong bốn bảng:

- Ba bảng đầu lưu trữ các phần tử không gian vùng,nút, cung

- Bảng thứ tư lưu trữ tọa độ nút, nút cuối và đỉnh

Trang 28

70

40 30

60 50

20 10

a7

a7 a2

a3

N2 N1

N3

N4

N6

Trang 29

a6 vùng ngoài

Topology cung

Cung Nút đầu Nút cuối Vùng trái Vùng phải

a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7

N1

N2 N3 N4 N3 N5 N6

N2

N3 N1 N1 N2 N5 N6

E

E E A A B B

A

B A A B B C

Topology nút

Nút Cung

N1

N2 a1, a3, a4a1, a2, a5

Dữ liệu toạ độ cung

Cung Nút đầu

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

a1 a2 a3

40,60 70,50 10,25

70,60 70,10;10,10 10,60

70,50 10,25 40,60

Trang 30

70

40 30

60 50

20 10

Trang 31

3.5.5 Định dạng file phổ biến

AutoCAD (.dxf): định dạng của hãng Autodesk

Coverage: định dạng dữ liệu vector của ArcInfo, 1981Shapefile: ESRI giới thiệu với ArcView, 1993, có 3 filechính: SHP; SHX và DBF

TAB: định dạng của MapInfo, có 4 file chính: TAB;.DAT; ID và MAP

Geodatabase: định dạng mới được với thiệu vớiArcGIS 8.0, 2000, gồm có: Personal Geodatabase (.mdb),File Geodatabase và Enterprise Geodatabase

Trang 32

3.6 MÔ HÌNH DỮ LIỆU TIN

Mô hình mạng lưới các tam giác bất đồng dạng (TIN)được dùng để thể hiện các đối tượng bề mặt trongkhông gian 2,5-D hoặc 3-D (bề mặt địa hình, thang tầngđịa chất,…) Mô hình TIN được thành lập dựa trên môhình dữ liệu vector thông qua 3 giá trị x,y (tọa độ) và z(độ cao)

A triangulated irregular network (TIN) is a digital datastructure used in GIS for the representation of a surface

A TIN is a vector-based representation of the physicalland surface or sea bottom, made up of irregularly

coordinates (x, y, and z) that are arranged in a network

Trang 33

Trang 34

Ứng dụng của mô hình TIN

A) Bản đồ nguy cơ lở đất ở Ý;

B) Sông Trường Giang ở Trung Quốc

Trang 35

Tobler's first law of geography:

- "Everything is related to everything else, but nearthings are more related than distant things."

- Mọi đối tượng đều có mối quan hệ với nhau nhưngnhững đối tượng ở gần thì sẽ quan hệ nhiều hơn nhữngđối tượng ở xa

3.7 MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC ĐỐI TƯỢNG KHÔNG GIAN

Trang 36

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

Ví dụ ?

Trang 37

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

Ví dụ?

Trang 38

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

Ví dụ?

Trang 39

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

Trang 40

Quan hệ đường-vùng

- “Giao nhau (intersects)”:

Một đường giao (cắt) với một

vùng

- “Đường biên (borders)”:

Đường là một phần biên của

vùng

Ví dụ?

Trang 41

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

Trang 42

Trang 43

3.8 SO SÁNH GIỮA RASTER VÀ VECTOR