Nghiên cứu xây dựng mô hình dữ liệu hướng đối tượng theo không gian thời gian phục vụ quản lý ngành công nghiệp

Việc nghiên cứu xây dựng mô hình dữ liệu hướng đối tượng theo không gian - thời gian trong lĩnh vực GIS là một hướng nghiên cứu phù hợp với xu thế phát triển hiện nay của khoa học máy tí

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

PGS.TS TRẦN VĨNH PHƯỚC

Cán bộ chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC

SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ngày… tháng….năm 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN MINH TÙNG Phái: Nam

Chuyên ngành: Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS)

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỮ LIỆU HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG THEO KHÔNG GIAN - THỜI GIAN PHỤC VỤ QUẢN LÝ NGÀNH CÔNG NGHIỆP

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

(1) Nghiên cứu cách tiếp cận hướng đối tượng để xây dựng mô hình dữ liệu trong lĩnh vực GIS

Nghiên cứu về cách tiếp cận hướng đối tượng, phương pháp phân tích, thiết kế hướng đối tượng, các mô hình hướng đối tượng và các kiểu dữ liệu mở rộng trong hướng đối tượng để biểu diễn các đối tượng không gian (point, polyline, polygon) và phi không gian

(2) Nghiên cứu kết hợp không gian - thời gian theo cách tiếp cận hướng đối tượng trong lĩnh vực GIS

Nghiên cứu các loại dữ liệu theo thời gian, các sự kiện thời gian, các vấn

đề liên quan đến khía cạnh không gian - thời gian qua các sự kiện để biểu diễn các đối tượng không gian và phi không gian theo cách tiếp cận hướng đối tượng

(3) Xây dựng mô hình dữ liệu hướng đối tượng theo không gian - thời gian phục vụ quản lý ngành công nghiệp tại Sở Công nghiệp tỉnh Đồng Nai Xây dựng mô hình dữ liệu hướng đối tượng theo không gian - thời gian phục vụ quản lý ngành công nghiệp tại Sở Công nghiệp tỉnh Đồng Nai Chương trình minh họa

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 17/01/2005

IV NGÀY HOÀN THÀNH NGHIỆM VỤ: 30/06/2005

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS TRẦN VĨNH PHƯỚC

VI HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:

VII HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:

LỜI CẢM ƠN

Để đạt được kết quả như ngày hôm nay, tôi đã nhận được sự dạy dỗ, giúp đỡ

tận tình của các Thầy, Cô, bạn bè trong suốt quá trình học tập vừa qua Thông

qua quyển Luận án này, tôi kính gởi lòng biết ơn sâu sắc, chân thành nhất đến:

PGS.TS TRẦN VĨNH PHƯỚC, người Thầy đã tận tình giảng dạy,

hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi trong việc học tập và nghiên cứu, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

PGS.TSKH NGUYỄN XUÂN HUY, người Thầy đã tận tình giảng dạy,

giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Sở Công nghiệp tỉnh Đồng Nai đã giúp đỡ tôi về các tài liệu kỹ thuật

liên quan đến luận văn này

Quý Thầy, Cô lớp cao học ngành GIS đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn

và giúp đỡ tôi trong học tập và nghiên cứu khoa học

Phòng Đào tạo Sau đại học, Trung tâm Công nghệ Thông tin Địa lý,

Trường Đại học Bách Khoa đã tạo điều kiện tốt cho tôi về trang thiết bị

và tài liệu học tập trong suốt khóa học

Lãnh đạo Trung tâm Công nghệ Thông tin Địa lý, các đồng nghiệp tại

Trung tâm Công nghệ Thông tin Địa lý - Trường Đại học Bách Khoa, các học viên cao học GIS và gia đình đã ủng hộ, động viên và khuyến khích tôi trong suốt khóa học và thực hiện luận văn tốt nghiệp này

TRẦN MINH TÙNG

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Mô hình hóa thời gian trong GIS phát triển song song với mô hình hóa thời gian trong khoa học máy tính Mô hình hóa thời gian trong khoa học máy tính được giới thiệu với việc tích hợp thời gian trong mô hình quan hệ và sau đó mở rộng mô hình hóa theo cách tiếp cận hướng đối tượng Khuynh hướng ngày nay của các nhà khoa học trên thế giới là đẩy mạnh việc nghiên cứu các Hệ thống Thông tin Địa lý theo thời gian (Temporal GIS -TGIS) Việc nghiên cứu xây dựng mô hình dữ liệu hướng đối tượng theo không gian - thời gian trong lĩnh vực GIS là một hướng nghiên cứu phù hợp với xu thế phát triển hiện nay của khoa học máy tính nói chung cũng như khoa học thông tin địa lý nói riêng Hiện nay, các phần mềm GIS ngày càng phát triển nhưng thiếu hẳn khả năng

xử lý liên quan đến vấn đề không gian biến động theo thời gian Để giải quyết vấn đề này, các hệ GIS không chỉ tích hợp không gian và thuộc tính để mô tả đối tượng mà còn bao gồm cả yếu tố thời gian Việc tích hợp không gian - thời gian vào các mô hình GIS để quản lý các đối tượng thay đổi theo không gian - thời gian là nhiệm vụ của luận văn này

Để giải quyết vấn đề này, luận văn sẽ nghiên cứu các mô hình dữ liệu đã nghiên cứu nhằm bổ sung các khuyết điểm này Trên cơ sở phân tích các ưu, khuyết điểm của từng mô hình từ đó rút ra mô hình phù hợp nhất cùng với việc biểu diễn mô hình này theo cách tiếp cận hướng đối tượng, ngữ nghĩa không gian, ngữ nghĩa thời gian và ngữ nghĩa không gian - thời gian để hoàn thiện hơn cho việc quản lý dữ liệu GIS theo không gian - thời gian

Luận văn bao gồm 5 chương:

Chương 1: Đặt bài toán, mục tiêu, giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài, nội

dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được

Chương 2: Khái niệm về không gian, thời gian, không gian -thời gian

Chương 3: Các mô hình dữ liệu GIS theo không gian - thời gian

Chương 4: Xây dựng mô hình dữ liệu hướng đối tượng theo không gian - thời

gian phục vụ quản lý ngành công nghiệp (Áp dụng trên địa bàn tỉnh Đồng Nai)

Chương 5: Kết quả thử nghiệm

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1 MÔ TẢ ĐỀ TÀI 9

1.1 Đặt bài toán 9

1.2 Mục tiêu đề tài 10

1.3 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 10

1.4 Nội dung nghiên cứu 10

1.5 Phương pháp nghiên cứu 11

2 KẾT QUẢ THU ĐƯỢC TỪ LUẬN VĂN 11

CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM VỀ KHÔNG GIAN - THỜI GIAN 1 ĐỊNH NGHĨA HỆ THỐNG GIS THEO THỜI GIAN 12

2 NGỮ NGHĨA KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN 12

2.1 Ngữ nghĩa không gian (Spatial semantic) 12

2.1.1 Đối tượng không gian và dạng hình học của chúng (Spatial object and geometry) 12

2.1.2 Quan hệ không gian (Spatial relationship) 12

2.1.3 Thuộc tính không gian (Spatial attribute) 13

2.1.4 Cấu trúc không gian (Structure of space) 13

2.1.5 Hướng/ chiều (orientation/ Direction) 13

2.1.6 Quan hệ topology (Topological relationship) 13

2.2 Ngữ nghĩa thời gian (Temporal semantic) 14

2.2.1 Thời điểm và thời đoạn thời gian (Time point and Time period) 14

2.2.2 Sự kiện và trạng thái (Event and State) 15

2.2.3 Transaction time/ Valid time 15

2.2.4 Vòng đời thời gian (Lifespan) 15

2.3 Ngữ nghĩa không gian - thời gian (Spatial- Temporal semantic) 15

2.3.1 Kiểu dữ liệu (Data type) 15

2.3.2 Các loại thay đổi (Type of changes) 15

2.3.3 Chiều (Dimensionality) 16

3 TRUY VẤN THEO KHÔNG GIAN – THỜI GIAN 16

3.1 Truy vấn vị trí, thuộc tính không gian và quan hệ không gian 16

3.2 Truy vấn thời gian, thuộc tính thời gian và quan hệ thời gian 16

3.3 Truy vấn theo hành vi và quan hệ không gian - thời gian 16

4 MÔ HÌNH HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG TRONG GIS 17

CHƯƠNG 3: CÁC MÔ HÌNH DỮ LIỆU GIS THEO KHÔNG

GIAN - THỜI GIAN

1 MÔ HÌNH HÓA KHÔNG GIAN - THỜI GIAN THEO NHÃN THỜI GIAN 26

1.1 Mô hình Snapshot (Snapshot Model) 26

1.2 Phiên bản (Version) 27

1.3 Mô hình tổ hợp không gian - thời gian (STC, Space-Time Composite Model) 29

1.4 Mô hình TRIAD (TRIAD Model) 31

1.5 Mô hình thực thể - kết hợp theo không gian - thời gian (STER, Spatio – Temporal Entity – Relationship Model) 32

1.6 Mô hình đối tượng không gian - thời gian (Spatio-temporal object model) 33

2 MÔ HÌNH HÓA KHÔNG GIAN - THỜI GIAN THEO SỰ KIỆN HOẶC TIẾN TRÌNH 34

2.1 Mô hình dữ liệu không gian - thời gian dựa trên các sự kiện (ESTDM, event – based spatio – temporal data model) 34

2.2 Mô hình dữ liệu hướng miền trị (Domain – oriented data model) 36

2.3 Mô hình di chuyển đối tượng (Moving Object Data Model) 37

2.4 Mô hình ngữ nghĩa (Semantic Model) 39

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỮ LIỆU HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG THEO KHÔNG GIAN - THỜI GIAN PHỤC VỤ QUẢN LÝ NGÀNH CÔNG NGHIỆP 1 YÊU CẦU KỸ THUẬT 42

2 PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ, CÀI ĐẶT 47

2.1 Lược đồ lớp ở mức ý niệm 63

2.2 Lược đồ lớp ở mức logic 65

2.3 Cài đặt 75

2.3.1 Lược đồ lớp ở mức logic được cài đặt với ngôn ngữ UML trong phần mềm Visio2000 75

2.3.2 Mô tả các lớp đối tượng và các thuộc tính liên quan 79

2.3.3 Các bước ánh xạ mô hình dữ liệu đã hiện thực vào hệ quản trị cơ sở dữ liệu 87

2.3.4 Từ điển dữ liệu 88

CHƯƠNG 5:KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 1 CÁC CÔNG CỤ CẬP NHẬT VÀ TÌM KIẾM 96

2 GIAO DIỆN KẾT NỐI CƠ SỞ DỮ LIỆU 97

3 GIAO DIỆN CẬP NHẬT CỤM CÔNG NGHIỆP 97

4 GIAO DIỆN CẬP NHẬT KHU CÔNG NGHIỆP 99

3 GIAO DIỆN CẬP NHẬT DOANH NGHIỆP 102

4 GIAO DIỆN CẬP NHẬT THÔNG TIN THAY ĐỔI DOANH NGHIỆP 109

5 GIAO DIỆN CẬP NHẬT NGÀNH KINH DOANH 111

6 GIAO DIỆN CẬP NHẬT SẢN PHẨM 112

7 GIAO DIỆN CẬP NHẬT VỊ TRÍ DOANH NGHIỆP 114

8 GIAO DIỆN TÌM KIẾM DOANH NGHIỆP 115

9 GIAO DIỆN TÌM KIẾM THÔNG TIN THAY ĐỔI DOANH NGHIỆP 116

10 GIAO DIỆN TÌM KIẾM VỊ TRÍ DOANH NGHIỆP 117

11 GIAO DIỆN TÌM KIẾM KHU CÔNG NGHIỆP 121

12 GIAO DIỆN TÌM KIẾM CỤM CÔNG NGHIỆP 122

13 GIAO DIỆN TÌM KIẾM SẢN PHẨM 123

14 GIAO DIỆN TÌM KIẾM NGÀNH KINH DOANH 124

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN……….127

PHỤ LỤC: CÁC BƯỚC ÁNH XẠ MÔ HÌNH DỮ LIỆU ĐÃ HIỆN THỰC VÀO HỆ QUẢN TRỊ CƠ SỞ DỮ LIỆU………129

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… …….… ……… ………136

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1 MÔ TẢ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt bài toán

Trong những năm gần đây, khía cạnh không gian - thời gian temporal) trong GIS ngày càng được quan tâm, đặc biệt là dữ liệu GIS theo không gian - thời gian Việc ứng dụng GIS vào trong lĩnh vực quản

(spatio-lý ngày càng nhiều với quy mô ngày càng lớn Trong lĩnh vực quản (spatio-lý ngành công nghiệp, dữ liệu theo không gian và thời gian ngày càng được quan tâm để phục vụ cho các tác nghiệp hàng ngày của đơn vị quản lý đồng thời trả lời, giải đáp các thắc mắc cũng như yêu cầu của các đơn vị khác khi cần thiết Các đối tượng không gian, phi không gian trong lĩnh vực quản lý ngành công nghiệp cũng như các thuộc tính của chúng có thể thay đổi theo không gian - thời gian và người dùng cần muốn biết nhiều hơn thông tin về một đối tượng nào đó theo thời gian Do đó việc tổ chức quản lý dữ liệu GIS theo không gian - thời gian được nhiều người nghiên cứu theo nhiều cách tiếp cận khác nhau với nhiều mô hình như: Snapshot, TMS (Temporal Map Set),…

Tuy nhiên, trong những năm gần đây cách tiếp cận hướng đối tượng có khả năng quản lý các đối tượng độc lập, hứa hẹn trình bày những kết quả trong việc quản lý cơ sở dữ liệu không gian - thời gian Cách tiếp cận này

cố gắng kết hợp các đối tượng trong kỹ thuật hướng đối tượng như lớp (class) và các thể hiện (instance), thuộc tính (attribute) và các kiểu dữ liệu trừu tượng, tác vụ và phương thức, tính đóng gói (encapsulation), tụ hợp (aggregation), kế thừa (inheritance), đa hình (polymorphism) và liên kết động,… trong việc phát triển cơ sở dữ liệu không gian - thời gian Cách cận tiếp hướng đối tượng có bốn thuận lợi trong việc mô hình hóa cơ sở

dữ liệu không gian - thời gian:

(1) Một đối tượng đơn lẻ có thể biểu diễn đầy đủ lịch sử của một thực thể

(2) Việc truy vấn đơn giản vì cách tiếp cận này giải quyết với mỗi đối tượng đơn lẻ của một thực thể

(3) Sự hiệu quả của việc quản lý dữ liệu theo thời gian

(4) Việc quản lý dữ liệu không gian và thời gian được thống nhất Một đối tượng không gian - thời gian được định nghĩa như một đối tượng thống nhất cả về không gian và mở rộng chiều thời gian (Worboy)

Do đó, cách tiệp cận này cung cấp nhiều thông tin hơn và cho phép biểu diễn các thực thể trong thế giới thực một cách trực quan hơn với các ưu điểm:

(1) Biểu diễn các đối tượng trong thế giới thực (real world) một cách trực quan hơn thông qua các thuộc tính (attribute) và các hành vi (behaviour)

(2) Khái niệm kế thừa cho phép định nghĩa các lớp mới tương tự như các lớp trước đó và bổ sung các thuộc tính, hành vi mô tả chi tiết về một nhóm các đối tượng cụ thể hoặc từ một nhóm lớp có một số đặc tính giống nhau

(3) Cách tiếp cận hướng đối tượng chia tách các yêu cầu của người dùng thành các đối tượng tương ứng với quan điểm hướng tới lời giải của thế giới thực tự nhiên hơn cách tiếp cận theo hướng chức năng (4) Nguyên lý che dấu thông tin hỗ trợ cho việc thiết kế cơ sở dữ liệu tốt hơn

(5) Cho phép xây dựng cấu trúc phân cấp cho các lớp và phân loại lớp,…

Ngoài ra, cách tiếp cận hướng đối tượng có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như ngôn ngữ lập trình, công nghệ phần mềm,… Do đó, việc xây dựng mô hình dữ liệu hướng đối tượng theo không gian - thời gian phục vụ quản lý ngành công nghiệp là rất cần thiết

1.2 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu xây dựng mô hình dữ liệu hướng đối tượng theo không gian - thời gian phục vụ cho việc quản lý ngành công nghiệp trên địa bàn một tỉnh Trong lĩnh vực quản lý ngành công nghiệp các đối tượng không gian và phi không gian cùng các thuộc tính có thể thay đổi theo không gian và thời gian Việc xây dựng mô hình dữ liệu này cho phép người dùng có thể biết được thông tin về lịch sử cũng như thông tin hiện hành của các đối tượng cùng các thuộc tính liên quan biến động theo không gian và thời gian

1.3 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Đề tài chỉ giới hạn ở một số phần chính: xây dựng mô hình dữ liệu hướng đối tượng theo không gian - thời gian phục vụ cho việc quản lý ngành công nghiệp trên địa bàn một tỉnh với các chức năng chủ yếu trên cấu trúc

dữ liệu vector dạng vùng Dữ liệu thử nghiệm được áp dụng trên địa bàn tỉnh Đồng Nai

1.4 Nội dung nghiên cứu

(1) Nghiên cứu cách tiếp cận hướng đối tượng để xây dựng mô hình dữ liệu trong lĩnh vực GIS

(2) Nghiên cứu kết hợp không gian - thời gian theo cách tiếp cận hướng đối tượng trong lĩnh vực GIS

(3) Xây dựng mô hình dữ liệu hướng đối tượng theo không gian - thời gian phục vụ quản lý ngành công nghiệp tại Sở Công nghiệp tỉnh Đồng Nai

1.5 Phương pháp nghiên cứu

(1) Cách cận tiếp hướng đối tượng trong việc mô hình hóa các đối tượng không gian - thời gian

(2) Ngữ nghĩa không gian, thời gian, không gian - thời gian

(3) Các mô hình dữ liệu GIS theo thời gian

2 KẾT QUẢ THU ĐƯỢC TỪ LUẬN VĂN

Kết quả đạt được của đề tài cụ thể là một mô hình dữ liệu hướng đối tượng theo không gian - thời gian phục vụ quản lý ngành công nghiệp trên địa bàn một tỉnh Với mô hình dữ liệu được thiết kế này, khi triển khai ứng dụng vào thực tế sẽ giúp cho đơn vị quản lý (cụ thể là Sở Công nghiệp tỉnh Đồng Nai) có thêm một công cụ hữu ích, nâng cao hiệu quả cho công tác quản lý cũng như thực hiện các bài toán tìm kiếm, phân tích, thống kê, giải quyết các bài toán liên quan như:

- Doanh nghiệp và các thông tin liên quan theo thời gian

- Vị trí của doanh nghiệp theo thời gian

- Vị trí và thông tin liên quan của khu công nghiệp

- Vị trí và thông tin liên quan của cụm công nghiệp

Mặt khác, việc ứng dụng mô hình dữ liệu này sẽ giải quyết các khó khăn về quản lý dữ liệu mang tính lịch sử theo không gian - thời gian, đảm bảo dữ liệu được quản lý xuyên suốt theo thời gian nhằm phục vụ cho việc ra quyết định cũng như hoạch định những chiến lược phát triển ngành công nghiệp trên địa bàn một tỉnh trong tương lai một cách hiệu quả

CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM VỀ KHÔNG GIAN - THỜI GIAN

1 ĐỊNH NGHĨA HỆ THỐNG GIS THEO THỜI GIAN

Thông tin địa lý được chia thành các thành phần: không gian, thời gian và thuộc tính (Chrisman, 1997) Các thành phần này cùng biểu diễn giá trị thuộc tính của một thực thể trong thế giới thực tại một vị trí (dữ liệu không gian) và một thời điểm xác định (dữ liệu thời gian) (Hermosilla, 1994)

Hệ thống GIS theo thời gian (TGIS – Temporal Geographic Information System) được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau:

(1) TGIS là một loại của hệ thống GIS, TGIS không chỉ quản lý các thuộc tính và các thành phần dữ liệu địa lý của các thực thể địa lý mà còn quản lý các thành phần dữ liệu theo thời gian (Narciso, 1999) [6]

(2) TGIS là hệ thống xử lý, quản lý và phân tích dữ liệu theo thời gian (Yaun, 1996) [6]

(3) TGIS là một hệ thống GIS mà ở đó thời gian được nói đến như là một thuộc tính của các đối tượng trong cơ sở dữ liệu (Montgomry, 1995) [6]

(4) TGIS phải có thể biểu diễn sự thay đổi theo thời gian cả trong các đối tượng không gian và thuộc tính của chúng (Zhao, 1997) [6]

(5) TGIS phải theo dõi được những thay đổi về tình trạng của các đối tượng, lưu trữ dữ liệu lịch sử và dự đoán trước các tình trạng của các thực thể địa lý trong khu vực nghiên cứu (Langran, 1993) [6]

2 NGỮ NGHĨA KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN

2.1 Ngữ nghĩa không gian (Spatial semantic)

2.1.1 Đối tượng không gian và dạng hình học của chúng (Spatial object and geometry)

Đối tượng không gian là đối tượng có vị trí không gian, như trường học, trụ sở cơ quan, doanh nghiệp,… Trong một số lĩnh vực, đối tượng không gian không chỉ có vị trí mà còn có dạng hình học của đối tượng

đó Ví dụ như trong lĩnh vực địa chính, ngoài các thuộc tính của thửa đất, dạng hình học của một thửa đất rất quan trọng Dạng hình học về

vị trí của một đối tượng không gian có thể là dạng điểm, dạng đường, dạng vùng, hoặc kết hợp các dạng điểm, đường, vùng

2.1.2 Quan hệ không gian (Spatial relationship)

Mối quan hệ không gian có quan hệ đến các đối tượng không gian hay chính xác hơn là vị trí của các đối tượng không gian, như hai thửa đất phải chia sẻ đường biên chung

2.1.3 Thuộc tính khơng gian (Spatial attribute)

Các đối tượng khơng gian một phần được mơ tả như các thuộc tính gọi

là thuộc tính khơng gian và khơng nhất thiết các đối tượng khơng gian đều cĩ thuộc tính khơng gian Các thuộc tính khơng gian cĩ quan hệ với dạng hình học của đối tượng khơng gian trong khơng gian, như việc chia tách đối tượng khơng gian với việc mở rộng các giá trị của các thuộc tính khơng gian cịn lại giống nhau Ví dụ, thảm thực vật tách ra thành các phần khơng gian gồm các giá trị của chúng trong mỗi phần đĩ như rừng hoặc cây bụi

2.1.4 Cấu trúc khơng gian (Structure of space)

Hai tiếp cận cơ bản lưu trữ dữ liệu địa lý trên máy tính gồm cấu trúc raster và vector Cấu trúc raster như một mảng các ơ (cell), pixel để biểu diễn 2D hoặc 3D, khơng gian được chia thành ơ lưới (grid) mà mỗi cell là địa chỉ của vị trí trong mảng raster Cấu trúc vector mơ tả mỗi đối tượng khơng gian trong giới hạn điểm bắt đầu và điểm kết thúc, việc biểu diễn vector sẽ hiệu quả trong việc lưu trữ dữ liệu trong máy tính

2.1.5 Hướng/ chiều (orientation/ Direction)

Hướng/ chiều của một đối tượng khơng gian được mơ tả trong khơng gian như: đối tượng A ở bên phải/ hoặc bên trái một đường biên, ống phân phối trong mạng lưới nước trong chảy theo hướng/ chiều nào Hướng/ chiều được áp dụng cho các bài tốn vận chuyển, mạng giao thơng, mạng lưới cấp thốt nước,…

2.1.6 Quan hệ topology (Topological relationship)

Các đối tượng khơng gian cĩ những quan hệ topology khác nhau Các quan hệ topology giữa các đối tượng gồm:

A rời (disjoint) B B bao (contains) A A bao (contains) B

B rời (disjoint) A A ở trong (inside) B B ở trong (inside) A

A tiếp xúc (meets) B B phủ (covers) A A phủ (covers) B

B tiếp xúc (meets) A A bị phủ bởi (coveredBy) B B bị phủ bởi (coveredBy) A

B

A

A bằng (equals) B A chồng (overlaps) B điểm nằm trong vùng

B bằng (equals) A B chồng (overlaps) A (point in line)

A giao (intersects) B đường chồng lên vùng điểm nằm trên đường

B giao (intersects) A (line overlapsLR region) (point in line)

Hình 1: Các quan hệ topology của các đối tượng khơng gian

2.2 Ngữ nghĩa thời gian (Temporal semantic)

2.2.1 Thời điểm và thời đoạn thời gian (Time point and Time period)

Một thời điểm t1 là một vị trí trong đường tuyến tính về thời gian hay một điểm trên một trục thời gian Một thời đoạn thời gian [tk, tm] với tk,

tm là các điểm thời gian và k<m được định nghĩa trong suốt đường tuyến tính về thời gian

Thời gian cĩ thể được mơ hình hĩa như các thành phần riêng biệt (discrete element) hoặc các thành phần liên tục (continuous element) gọi

là mật độ thời gian (time density) Mật độ thời gian cĩ quan hệ chặt chẽ với các loại thay đổi hoặc các sự kiện mà chúng xảy ra liên quan đến các đặc tính khơng gian Đối với các đối tượng cố định, khi cĩ một sự kiện thình lình xuất hiện đối tượng đĩ được biểu diễn như những giá trị bất biến dạng bậc thang (stepwise) Sự thay đổi thuộc tính liên tục cĩ thể được chia thành hai dạng thay đổi: thay đổi cùng một dạng giống nhau hay khơng thay đổi (uniform) như đường bay, hải trình của con tàu và một thay đổi khơng đều (irregular) như xe chạy trong thành phố

Ngồi ra, một dạng thay đổi khác của các thực thể trong thế giới thực được biểu diễn bằng các giá trị rời rạc như biểu đồ địa chấn tương quan với các độ đo của cơn động đất tại những vị trí khác nhau Một số các thực thể khác ở trạng thái tĩnh và khơng bao giờ thay đổi như các khu di tích lịch sử, trong khi một số các thực thể khác cĩ thể thay đổi hoặc phụ thuộc theo thời gian

Hình 2: Các loại thay đổi theo mật độ thời gian

2.2.2 Sự kiện và trạng thái (Event and State)

Một sự kiện xuất hiện tại một thời điểm xác định và không thể xuất hiện liên tục trong một thời đoạn thời gian, như tai nạn tàu hỏa Một tình trạng được định nghĩa như một thời đoạn Ví dụ, xe bus chạy từ 8h sáng

đến 11h sáng theo lịch trình từ Bến xe Miền Tây đến Chợ Bến Thành

2.2.3 Transaction time/ Valid time

Transaction time/ registration time/ database time: Thời gian mà một sự kiện được nhập vào cơ sở dữ liệu

Valid time/ real - world time: Thời gian mà một sự kiện xuất hiện trong thế giới thực

2.2.4 Vòng đời thời gian (Lifespan)

Vòng đời thời gian là nhân tố trong suốt thời gian một sự kiện của một thực thể xảy ra trong thế giới thực và lưu vết mang tính lịch sử của các thực thể

2.3 Ngữ nghĩa không gian - thời gian (Spatial- Temporal semantic)

2.3.1 Kiểu dữ liệu (Data type)

Kiểu dữ liệu gồm: kiểu dữ liệu không gian, kiểu dữ liệu thời gian, kiểu

dữ liệu không gian - thời gian cơ bản và được điều chỉnh phù hợp với mỗi mô hình dữ liệu

Ví dụ: Các kiểu dữ liệu không gian như điểm, đường, vùng,… Kiểu dữ liệu thời gian như thời điểm, thời đoạn Kiểu dữ liệu không gian - thời gian như di chuyển điểm, di chuyển vùng

2.3.2 Các loại thay đổi (Type of changes)

Việc đánh giá các mô hình dựa vào khả năng giải quyết những sự thay đổi về dạng hình học và kích thước của các đối tượng Những thay đổi của một đối tượng theo không gian - thời gian có thể biểu diễn đồng bộ

sự thay đổi về không gian và vị trí của đối tượng Một đối tượng không

Bất biến dạng bậc thang

Riêng biệt

Không đều

gian - thời gian có thể thay đổi hoặc không thay đổi theo thời gian về dạng hình học, topology và thuộc tính của các đối tượng Các loại thay đổi của đối tượng không gian - thời gian gồm:

(a) Không thay đổi

(b) Thuộc tính thay đổi

(c) Topology thay đổi

(d) Dạng hình học thay đổi (điểm, đường, vùng, vị trí)

(e) Dạng hình học và topology thay đổi

(f) Dạng hình học và thuộc tính thay đổi

(g) Topology và thuộc tính thay đổi

(h) Dạng hình học, topology và thuộc tính thay đổi

2.3.3 Chiều (Dimensionality)

Đối với cách tiếp cận truyền thống, các đối tượng không gian được mô hình hóa trong không gian 2D, không gian 3D cung cấp những thuận lợi trong việc hiển thị dữ liệu không gian thời gian Trong những tiếp cận gần đây, thuộc tính được xem như chiều thứ tư và thời gian được xem như chiều thứ năm

3 TRUY VẤN THEO KHÔNG GIAN – THỜI GIAN

3.1 Truy vấn vị trí, thuộc tính không gian và quan hệ không gian

Các truy vấn này liên quan đến các đối tượng tĩnh hay không di chuyển gồm các truy vấn: các thuộc tính của đối tượng độc lập với không gian - thời gian (cho biết chủ sở hữu của mảnh đất?); Truy vấn điểm (cho biết nơi xây dựng chợ Bến Thành? ); Truy vấn dựa trên khoảng cách (cho biết các trường học trong bán kính 3km?); Cho biết trạm xăng gần nhất (truy vấn theo láng giềng gần nhất); Truy vấn theo quan hệ topology (cho biết tên đường cắt ngang công viên Tao Đàn)

3.2 Truy vấn thời gian, thuộc tính thời gian và quan hệ thời gian

Các truy vấn đơn giản về thời gian (cho biết tình trạng hoạt động của một doanh nghiệp tại thời điểm t?) Truy vấn theo một thời đoạn (việc gì đã xảy ra cho đối tượng đó trong một khoảng thời gian cho trước?) Truy vấn

về quan hệ thời gian (cho biết các công trình thể thao xây dựng tại Tp.HCM và thời gian xây dựng nhỏ hơn 1năm)

3.3 Truy vấn theo hành vi và quan hệ không gian - thời gian

Các truy vấn này có thể chia thành ba loại:

(a) Các truy vấn đơn giản về không gian - thời gian khi có những sự thay đổi riêng lẽ (cho biết tình trạng của mảnh đất A tại thời điểm t?), hoặc liên quan đến việc di chuyển đối tượng (cho biết trên tuyến đường quốc lộ 1A tại khu vực ngã tư Bình Chánh có bao nhiêu xe có tải trọng trên 20 tấn đi qua)

(b) Các truy vấn theo khơng gian - thời gian trong một thời đoạn cho trước (cho biết những sự việc gì xảy ra trong cơng viên 23/9 từ lúc 19h đến 24h ngày 12/03/2005), hoặc những truy vấn liên kết (cho biết ba trụ cứu hỏa gần nhất tại trạm xăng số 3 đường Tơ Hiến Thành Quận 10 – Tp.HCM)

(c) Các truy vấn về hành vi liên quan đến các tác vụ như các truy vấn về khoảng cách hoặc tốc độ (cho biết tốc độ trung bình của xe mơ tơ trên đường Tơ Hiến Thành vào lúc 11h ngày thứ 7 (11/02/2003)? Cho biết nơi nào đám cháy lan rộng nhất và vào thời điểm nào?)

4 MƠ HÌNH HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG TRONG GIS

Trong môi trường hướng đối tượng, đối tượng không gian và phi không gian được biểu diễn dưới dạng đối tượng một cách đồng nhất Mỗi lớp và mỗi kiểu dữ liệu trừu tượng không gian được cụ thể hóa bằng một lớp Cấu trúc mỗi lớp được định nghĩa bằng cú pháp cua( hệ quản trị cơ sở dữ liệu hướng đối tượng Các kiểu dữ liệu số cơ bản là float hoặc integer, kiểu dữ liệu ký tự là string, ngoài ra còn các kiểu dữ liệu có cấu trúc được định nghĩa Các lớp không gian được định nghĩa có kiểu không gian là: Region, Line, PolyLine, Polygon và Point,

Định nghĩa thuộc tính của đối tượng có thể là trực kiện (trực kiện đơn nguyên, trực kiện tập thể hay trực kiện có cấu trúc) hay là định danh đối tượng

Trực kiện đơn nguyên (atomic literal): là trị hằng mà không thể phân rã thành các thành phần nhỏ hơn Ví dụ như: string, char, boolean, float, short, long

Trực kiện tập thể (collection literal): là một tập hợp trực kiện hoặc đối tượng Các loại trực kiện tập thể được dùng với mô hình đối tượng là set, bag, list và array

Trực kiện có cấu trúc hay còn gọi là cấu trúc, là một tập một số các phần tử có tên gọi Mô hình đối tượng cho phép một số cấu trúc tiền định: Date, Interval, Time và Timestamp

Xét hai lược đồ sau:

-HieuBom -NuocSanXuat -CongSuat -TocDo -DienAp -DongDinhMuc -ApLuc -LuuLuong -DKBomOngHut -DKBomOngDay -CCOngDay -TinhTrang

Phuong

+area()

-MaQuan -TenQuan

Hình 3: Biễu diễn các lớp đối tượng

Các lớp đối tượng trên được biểu diễn như sau:

attribute integer NamXayDung,

attribute float DTPhongBom,

attribute float DTPhongVanHanh,

attribute region Geometry

relationship set <Gieng> gồm inverse Gieng :: thuộc, float area()}

extent tramgieng là tập hợp tất cảcác thể hiện của lớp TramGieng

attribute string LoaiGieng,

attribute integer CongSuat, attribute string DiaTang,

attribute float MucNuocTinh, attribute float MucNuocDong, attribute string CLNuocTho, attribute string CLNuocSauXuLy, attribute point Geometry,

relationship TramGieng thuộc inverse TramGieng:: gồm, relationship set <Bom> gồm inverse Bom :: thuộc }

attribute integer CongSuat,

attribute integer TocDo, attribute float DienAp,

attribute float LuuLuong,

attribute integer ApLuc,

attribute float DongDinhMuc, attribute float DKBomOngHut, attribute float DKBomOngDay, attribute string TinhTrang, attribute point Geometry,

relationship set <Gieng> thuộc inverse Gieng :: gồm}

Con đường:

Class ConDuong {

(extent conduong)

attribute string TenConDuong,

relationship set <Phuong> thuộc inverse Phuong :: thuộc, float sumlength()}

foat area()}

Quận:

Class Quan {

(extent quan,

key MaQuan integer)

attribute string TenQuan, attribute Polygon Geometry, relationship set <Phuong> gồm inverse Phuong :: thuộc, float area()}

Lớp điểm:

Class Point{

attribute float x attribute float y}

Lớp đường: Một đường là danh sách các điểm.

Class Line {

attribute list <float > x

attribute list <float> y}

Lớp vùng: là một tập các đường tạo thành vùng khép kín

Class Region {

set (list (tuple (attribute floatx, attribute floaty)))}

Các lớp cung, nút,… được biễu diễn như sau:

Lớp nút:

Class Node{

attribute float x attribute float y

attribute list < Arc > endpoint}

Lớp cung: Một cung gồm có nút đầu, nút cuối, vùng trái, vùng phải và danh sách các đỉnh

Class Arc{

attribute Node origin attribute Node destinationattribute Polygon leftattribute Polygon right

attribute list < Point > vertices}

Một đường gồm danh sách các cung Do đó lớp Line được mô tả:

Class Line{

attribute list < Arc >}

Một polygon là gồm danh sách các cung được nối với nhau và nó thuộc đến một vùng (region) Mỗi polygon đều có đường biên Do đó lớp Polygon được định nghĩa như sau:

Class Polygon{

attribute list < Arc > boundary

attribute Region in_region)}

Một vùng là một tập các polygon

Class Region{

attribute set< Polygon >}

Một phương thức gắn với mỗi đối tượng của một lớp được định nghĩa tương tự như mô hình quan hệ với kiểu dữ liệu không gian trừu tượng Mỗi phương thức có thể trả về một thể hiện của một lớp, một đối tượng hoặc kiểu dữ liệu (boolean, string),…

Các phương thức của lớp Region gồm:

Phương thức pointInRegion: trả về kiểu boolean (True/False) Phương thức này sẽ kiểm tra vùng có chứa điểm?

Phương thức overlaps: trả về kiểu boolean (True/False) Phương thức này kiểm tra 2 vùng có giao nhau?

Phương thức overlapsRect: trả về kiểu boolean (True/False) Phương thức này kiểm tra một vùng có giao với hình chữ nhật được vẽ trên màn hình?

Phương thức clipping: cho biết phần của vùng nằm bên trong hình chữ nhật được vẽ trên màn hình

Phương thức intersect: cho biết phần giao giữa 2 vùng (cũng có thể phần giao đó là rỗng)

Phương thức meets: trả về kiểu boolean (True/False) Phương thức này cho biết 2 vùng có liền kề nhau?

Phương thức area: trả về kiểu boolean (True/False) Phương thức này tính toán diện tích của vùng

Các phương thức của lớp Line:

Phương thức pointInLine: trả về kiểu boolean (True/False) Phương thức này kiểm tra đường có chứa điểm không?

Phương thức length: trả về kiểu float Phương thức này tính toán chiều dài của đường

Phương thức overlapsLR: trả về kiểu boolean (True/False) Phương thức này kiểm tra đường có cắt vùng?

Các phương thức của lớp Point:

Phương thức distance: trả về kiểu float Phương thức này tính toán khoảng cách từ một điểm tới một vùng (đường biên của vùng)

CHƯƠNG 3: CÁC MÔ HÌNH DỮ LIỆU GIS THEO KHÔNG

GIAN - THỜI GIAN

Đối với các hệ thống thông tin nói chung và hệ thống thông tin địa lý (GIS) nói riêng hầu hết đều phụ thuộc vào việc thiết kế mô hình dữ liệu

Mô hình dữ liệu là sự trừu tượng hóa thế giới thực Mô hình dữ liệu trình bày những khái niệm phần cơ bản của một hệ thống thông tin, mô hình dữ liệu định nghĩa các loại đối tượng (objects), các quan hệ (relationships), các toán tử (operation) và các ràng buộc (rule) được quản lý tích hợp trong cơ sở dữ liệu Một mô hình dữ liệu chặt chẽ phải đoán trước những truy vấn không gian - thời gian và các phương pháp phân tích được thực hiện trong các hệ thống GIS theo thời gian Thông tin về thời gian được xây dựng phải được trình bày bởi các đối tượng dữ liệu được định nghĩa trong mô hình dữ liệu phục vụ cho việc nhập, lưu trữ, phân tích, hiển thị trong một hệ thống GIS

Khi kết hợp khía cạnh thời gian với các đối tượng địa lý, sự phức tạp của

mô hình sẽ tăng lên với các đối tượng phức tạp: đối tượng điểm (point) tương đối dễ biểu diễn, đối tượng đường (line) biểu diễn phức tạp hơn và cuối cùng biểu diễn đối tượng vùng là phức tạp nhất Với mỗi loại đối tượng hiển nhiên sẽ thay đổi khác nhau theo thời gian Cách biểu diễn một

số đối tượng trở nên phức tạp hơn so với các đối tượng khác

Việc biểu diễn trong mô hình sẽ khó khăn hơn với hai loại thời gian gồm: thời gian khi nhập dữ liệu vào cơ sở dữ liệu (database time / transaction time / registration time) và thời gian có giá trị pháp lý (valid time / real world time) Ví dụ, ngày quyết định thành lập khu công nghiệp được nhà nước ban hành là valid time, ngày quyết định thành lập khu công nghiệp khi được nhập vào cơ sở dữ liệu là database time

Trong GIS, hầu hết các phần mềm GIS được đóng gói đều hỗ trợ những chức năng khai thác hoặc quản lý về thời gian nhưng thường rất giới hạn, các phần mềm GIS này có nhiều cách quản lý về thời gian khác nhau Phương pháp tốt nhất được chọn lại phụ thuộc vào dữ liệu tự nhiên của khu vực cần nghiên cứu Cách đơn giản nhất để quản lý thời gian là xem thời gian như một thuộc tính

Ví dụ: Quản lý các doanh nghiệp (công ty) theo thời gian

Hình 4: Vị trí của các doanh nghiệp (dữ liệu không gian)

Mã doanh

nghiệp

Tên doanh nghiệp

Thời gian bắt đầu

Thời gian kết thúc

Tổng vốn đầu tư (triệu đồng)

Bảng 1: Dữ liệu thuộc tính các doanh nghiệp

Với bảng dữ liệu thuộc tính mô tả lịch sử của các doanh nghiệp theo thời

gian, dữ liệu được cập nhật theo định kỳ Trong bảng dữ liệu này công ty

C đổi tên công ty thành công ty E vào năm 2002, công ty D đổi tên công

ty thành công ty F vào năm 2001 Cách quản lý này đơn giản nhất bởi vì

mỗi dòng dữ liệu thuộc tính gắn với mỗi đối tượng không gian và một đối

tượng không gian có thể có nhiều dòng dữ liệu thuộc tính Cách này thuận

lợi cho các bài toán thống kê kinh tế, báo cáo lợi nhuận,… của công ty,

các đối tượng không gian có thể được tạo, được hủy và các thuộc tính của

chúng thay đổi theo thời gian Tuy nhiên, hạn chế của cách tiếp cận này là

vị trí của các đối tượng không gian không thay đổi Nhiều mô hình dữ liệu

GIS được đề nghị kết hợp với thông tin thời gian trong cơ sở dữ liệu

không gian

Mô hình hóa thời gian trong GIS phát triển song song với mô hình hóa

thời gian trong khoa học máy tính Mô hình hóa thời gian trong khoa học

máy tính được giới thiệu với việc tích hợp thời gian trong mô hình quan

hệ và sau đó mở rộng mô hình hóa theo cách tiếp cận hướng đối tượng

Song song với sự phát triển của tiến trình đó, mô hình hóa thời gian trong

GIS được phân loại theo hai hướng: nhãn thời gian (time stamp) và các sự

kiện (event) hoặc các tiến trình (process)

Hình 5: Hướng phát triển mô hình hóa thời gian

Do đó, trong phần này sẽ trình bày các mô hình dữ liệu GIS theo thời gian

theo 2 hướng vừa nêu

1 MÔ HÌNH HÓA KHÔNG GIAN - THỜI GIAN THEO NHÃN THỜI GIAN

Một vài cách tiếp cận mô hình hóa không gian - thời gian theo hướng này gồm:

(1) Mô hình Snapshot (Snapshot model)

(2) Phiên bản (Version)

(3) Mô hình tổ hợp không gian - thời gian (Space-time composite model)

(4) Mô hình TRIAD (TRIAD model)

(5) Mô hình thực thể kết hợp không gian - thời gian (Spatio-Temporal Entity-Relationship model)

(6) Mô hình đối tượng không gian - thời gian (Spatial-Temporal object model)

1.1 Mô hình Snapshot (Snapshot Model)

Mô hình Snapshot (Snapshot model) được Armstrong (1988) đề nghị là

mô hình đơn giản nhất phục vụ quản lý dữ liệu GIS theo thời gian Tại đó, mỗi lớp (layer) được dùng để biểu diễn tình trạng của thế giới thực tại một thời điểm (Wachowicz, 1999) Một Snapshot hay một bản sao được thực hiện trong cơ sở dữ liệu tại mỗi thời điểm đối tượng thay đổi hoặc thay đổi tại những khoảng thời gian xác định Mỗi lớp dữ liệu là một tập hợp đồng nhất các đơn vị (unit) của một chuyên đề (theme) Mỗi lớp dữ liệu biểu diễn tình trạng của một đối tượng địa lý tại mỗi thời điểm khác nhau

mà không có mối quan hệ tường minh về thời gian trong số các lớp (layer) Các khoảng thời gian (time intervals) giữa hai lớp bất kỳ có thể khác nhau và không có sự liên quan nào khi có sự thay đổi theo thời gian giữa chúng

Hình 6: Một ví dụ của mô hình Snapshot

Cách tiếp cận Snapshot có thuận lợi là nhanh chóng, dễ thực hiện và trực quan, cách tiếp cận này thích hợp cho việc biễu diễn dữ liệu raster hơn dữ liệu vector Cách tiếp cận này thực hiện nhanh chóng và dễ dàng vì cần thời gian ít hoặc kết quả đơn giản là lưu một bản sao khi một đối tượng thay đổi trên bản đồ Cách tiếp cận này trực quan vì mọi người hiểu cách truy vấn các đối tượng tại một thời điểm trong lịch sử, cụ thể là ngày cập nhật của đối tượng trong lịch sử

T1T2T3Tn

Mặc dù có nhiều thuận lợi, nhưng vấn đề đáng chú ý đối với cách tiếp cận Snapshot là kết quả dư thừa dữ liệu (data redundancy) và dẫn đến rủi ro không nhất quán về dữ liệu (data inconsistency) Mô hình này không thích hợp cho việc mô tả sự thay đổi không gian theo thời gian, mỗi bản sao sẽ

mô tả một sự thay đổi tại thời điểm Ti, để tìm sự khác nhau của một đối tượng giữa thời điểm Ti và Tj thì hai bản sao phải so sánh mọi khía cạnh Nếu truy vấn một lượng lớn các đối tượng tại một thời điểm trong lịch sử theo nhiều năm sẽ tốn rất nhiều thời gian vì mỗi sự thay đổi của một đối tượng là một bản sao, dẫn đến việc truy vấn trên nhiều bản sao để đạt được kết quả như mong muốn Với số lượng dữ liệu cần lưu trữ lớn, việc

tổ chức lưu trữ chúng theo mô hình này sẽ trở nên cồng kềnh ngay cả với việc cải thiện khả năng lưu trữ của phần cứng máy tính hiện tại, dẫn đến việc truy vấn theo mô hình này sẽ khó khăn hơn với những truy vấn phức tạp Mô hình Snapshot chỉ hỗ trợ biểu diễn valid time

Ví dụ: Việc gì sẽ xảy ra nếu một lỗi về ngày thành lập của một doanh

nghiệp trên bản đồ được phát hiện? Nếu tổ chức lưu trữ dữ liệu theo mô hình Snapshot để quản lý dữ liệu có tính lịch sử một cách chính xác trong

cơ sở dữ liệu, mô hình này đòi hỏi không chỉ chỉnh sửa lại ngày thành lập doanh nghiệp trên một bản sao cụ thể mà còn cho tất cả các bản sao giữa ngày thành lập doanh nghiệp và ngày hiện hành, và cũng có những vấn đề liên quan đến các sự cố lỗi giữa các bản sao Do đó, trong nhiều trường hợp mô hình này không khả thi để tạo một bản sao mới nếu mỗi phút các một đối tượng nhỏ thay đổi, bản sao sẽ được tạo ra đối với tất cả các đối

tượng khác không thay đổi

Mô hình được xem là mở rộng của mô hình Snapshot là mô hình Temporal Map Set (TMS, Beller, 1991) Mục đích thiết kế của mô hình này là mô hình hóa các sự kiện địa lý được định nghĩa như một khu vực

(area), mô hình này hỗ trợ biểu diễn dữ liệu vector và raster

01/01/1980

thể biểu diễn các lớp dữ liệu trên bản đồ tại một thời điểm cụ thể Các phiên bản chỉ khác nhau về trạng thái của các dòng dữ liệu Version thường là bản sao một phần của cơ sở dữ liệu hơn là toàn bộ cơ sở dữ liệu

Hình 8: Các phiên bản khác nhau của tiến trình biến động trên một mảnh đất

Hình 9: Quản lý các phiên bản

Ví dụ: Trong lĩnh vực quy hoạch sử dụng đất để hình thành các công viên,

một lớp (layer) hoặc nhiều lớp quy hoạch công viên có thể là một phần trích từ cơ sở dữ liệu như phiên bản của cơ sở dữ liệu Các layer này có thể sửa, cập nhật và lưu vào cơ sở dữ liệu

Hình 10: Một phiên bản của các khu quy hoạch công viên năm 1990

Hình 11: Một phiên bản của các khu quy hoạch công viên năm 2000

Bản chất của cách tiếp cận theo version dùng chuỗi thời gian để mô tả sự thay đổi của các thực thể trong suốt thời gian sống của các thực thể Các đặc tính hoặc tình trạng của một thực thể tại một thời điểm xác định gọi là phiên bản Cách tiếp cận version có thể mô tả bằng công thức:

sở dữ liệu quan hệ Version có khả năng biểu diễn như một bản sao các đối tượng trong cơ sở dữ liệu với những dữ liệu có tính lịch sử, nhưng cách tiếp cận này không hỗ trợ việc mô hình hóa các tiến trình của các đối tượng không gian theo thời gian (Hall & Miller, 1996)

1.3 Mô hình tổ hợp không gian - thời gian (STC, Space-Time Composite Model)

Mô hình tổ hợp không gian - thời gian được Langran và Chrisman (1988, 1992) đề nghị, mô hình này biểu diễn thế giới thực như một tập các đối tượng không gian - thời gian thống nhất thành một lớp trong không gian hai chiều (2D), do đó mô hình STC thuận lợi trong việc kết hợp tính topology với các đối tượng dạng vùng cũng như hiển thị dữ liệu Mỗi tổ hợp không gian - thời gian có duy nhất một quá trình thay đổi theo thời gian trong các thuộc tính Khái niệm tổ hợp không gian - thời gian mô tả

sự thay đổi của một đối tượng không gian qua các thời đoạn Mỗi thuộc tính thay đổi được ghi nhận tại mỗi thời điểm riêng lẽ Mô hình này hỗ trợ

cả valid time và transaction time

Mô hình STC có thể ghi nhận tính chất thời gian trong một lượng lớn các đặc tính của đối tượng như thuộc tính (attribute), không gian (space) và thời gian (time) cũng như việc thay đổi vị trí (situation) của đối tượng nhưng mô hình này sẽ hạn chế khi ghi nhận tính chất thời gian đối tượng

di động hoặc di chuyển (movement) như xe chạy liên tục trên đường trong thành phố

Ví dụ: Quản lý sự thay đổi biên giới của các quốc gia

Hình 12: Biểu diễn các quốc gia

Bảng 2: Dữ liệu thuộc tính của các quốc gia

001 01/12/1850 12/03/1870

002 13/03/1930 15/04/1890

003 15/05/1900 14/03/1950

004 07/07/1960 09/11/1980

Bảng 3: Dữ liệu thuộc tính của lớp đường biên giới

Với cấu trúc lưu trữ như trên, không thể kết hợp tính topology với các đối tượng dạng vùng, và đặc biệt khi đường biên giới thay đổi Do đó, mô hình tổ hợp không gian - thời gian được Langran đưa ra nhằm giải quyết các vấn đề trên

Hình 13: Quản lý sự thay đổi các đường biên

Bảng 4: Dữ liệu thuộc tính của lớp polygon

Theo cách quản lý của mô hình này đối với hình 13 và bảng 4, dữ liệu

thuộc tính được chia nhỏ theo các thời đoạn và mỗi polygon được quy cho

mỗi một quốc gia hoặc một khu vực tại mỗi thời đoạn Khi có sự thay đổi,

các polygon được chia nhỏ nhưng vẫn đảm bảo tính topology

Mô hình tổ hợp không gian - thời gian có một vài thuận lợi Mô hình này

có thể được thực hiện dễ dàng với các kỹ thuật GIS hiện hành Mô hình

này có thể trả lời các câu truy vấn về không gian và thời gian với các thuật

toán không quá phức tạp

Tuy nhiên, mô hình này cũng có một số hạn chế Mô hình này phát triển

sự phân mảnh theo thời gian Việc chồng (overlay) và hợp nhất các đối

tượng trên cùng một lớp làm cho việc phân mảnh nó càng nhỏ hơn Sự

phân mảnh có thể dẫn đến kết quả kích thước của vùng nhỏ hơn và nó sẽ

trở nên khó quản lý hơn nếu các đối tượng trong mô hình này thay đổi

thường xuyên

1.4 Mô hình TRIAD (TRIAD Model)

Mô hình này được Peuquet (1994) đề nghị, kết quả của mô hình này biểu

diễn ba thành phần phụ thuộc lẫn nhau gồm: vị trí (location-based), đối

tượng (feature-based) và thời gian (time-based) để trả lời các câu hỏi cái

gì (what) (Cho biết đối tượng gì ở tại thời điểm T1 và ở vị trí A); Ở đâu

(where) (Cho biết tại thời điểm T1 đối tượng O ở đâu?); Khi nào (when)

(Cho biết đối tượng O ở vị trí A khi nào) Feature-based quản lý các thông

tin xác định của các đối tượng không gian hay các thực thể trong thế giới

thực Location-based quản lý thông tin về vị trí của đối tượng, biểu diễn

cả dữ liệu raster và vector Time-based được biểu diễn tập trung vào các

sự kiện thời gian

Hình 14: Các thành phần cơ bản của mô hình TRIAD

Ví dụ: Biểu diễn thửa đất theo mô hình TRIAD

Valid time Transaction timeVersion hiện tại

Trong mô hình này, việc biểu diễn feature-based gồm một đối tượng

phân cấp theo nghĩa các đối tượng đó có thể kế thừa từ các đối tượng

cha Khi các đối tượng thay đổi theo thời gian, các đối tượng này có thể

hợp nhất lại với nhau hoặc tách thành các đối tượng mới phụ thuộc vào các sự kiện của các đối tượng Peuquet phân loại thời gian bao gồm các

sự kiện (event), dữ liệu định kỳ (periodic data) và dữ liệu thay đổi từ từ

(gradual change) Một chuỗi các sự kiện được ghi nhận khi

feature-based và location-feature-based của thay đổi theo thời gian Dữ liệu theo định

kỳ về cơ bản khác với các sự kiện và được lưu trữ ở nhiều hình thức

khác nhau Dữ liệu thay đổi từ từ kết hợp với các tiến trình của các đối

tượng trong tự nhiên Mô hình này đã đề cập đến những khái niệm cơ

bản về không gian và thời gian Tuy nhiên, hiện tại mô hình này vẫn rất

khó hiện thực được

1.5 Mô hình thực thể - kết hợp theo không gian - thời gian (STER, Spatio – Temporal Entity – Relationship Model)

Mô hình thực thể - kết hợp được đề nghị bởi Chen (1976), STER được

biết sớm và được sử dụng nhiều trong việc mô hình hóa dữ liệu ở mức ý niệm trong những thập niên trước đây Gần đây mô hình này được mở rộng để thỏa mãn những yêu cầu về không gian - thời gian của các hệ thống thông tin nói chung và hệ thống thông tin địa lý (GIS) nói riêng Mô

hình thực thể - kết hợp mở rộng được Tryfona (1997) đề nghị với việc mở rộng mô hình này nhằm mô hình hóa các hiện tượng và các sự kiện của các thực thể trong thế giới thực bằng các ký hiệu để biểu diễn hình dạng

và thời gian của các thực thể không gian - thời gian

Mô hình này được mở rộng cho phép định nghĩa tập các thực thể không gian - thời gian, tập các thuộc tính và mối quan hệ giữa chúng STER biểu diễn vị trí của các đối tượng theo không gian - thời gian không chỉ rời rạc

mà còn liên tục cùng với những thay đổi về hình dạng của chúng

Thuoc tinh khong gian co

thuoc tinh/ thoi gian thuoc tinh

Transaction time

Ví dụ: Biểu diễn đất sử dụng theo mô hình thực thể - kết hợp theo không

gian - thời gian ở mức ý niệm

ThuaDat co vi tri tai Geometry thuoc ve Khong gian

co

LoaiDat

Transaction time

Valid time

m

1 1 m

m 1

1.6 Mô hình đối tượng không gian - thời gian (Spatio-temporal object model)

Mô hình đối tượng không gian - thời gian được Worboys (1992) đề nghị,

mô hình này biểu diễn thế giới như một tập các đối tượng riêng biệt gồm các nguyên tố không gian - thời gian (spatio-temporal atoms) bằng cách kết hợp chiều thời gian trực giao với không gian hai chiều (2D) Worboys

đề nghị dựa trên việc xem các đối tượng không gian - thời gian như một tập các hình lăng trụ đứng rời rạc và hữu hạn (thành phần không gian - thời gian) Các hình lăng trụ đứng được biểu diễn như không gian mở rộng và chiều cao được biểu diễn như thời gian mở rộng Các thành phần không gian - thời gian đồng nhất với các thuộc tính nhằm quản lý cả không gian và thời gian Một đối tượng không gian - thời gian có thể bao gồm cả về không gian lẫn thời gian, mặc dù không có sự xuất hiện các thay đổi trong mỗi thành phần không gian - thời gian của đối tượng đó Vì vậy, mô hình này có thể ghi nhận sự thay đổi của các thuộc tính cả chiều không gian và thời gian cùng nhau hoặc riêng biệt, bằng cách chiếu các thành phần này lên chiều không gian hoặc thời gian

[1]

Hình 18: Mô hình đối tượng không gian - thời gian với các nguyên tố không gian - thời gian

Mặc dù mô hình này tương tự như mô hình Snapshot và mô hình tổ hợp không gian - thời gian và chỉ biểu diễn sự thay đổi đột ngột, riêng biệt và tuyến tính theo thời gian Tuy nhiên, mô hình này không giải thích rõ mối quan hệ giữa lớp (class) thời gian, lớp (class) đối tượng phi không gian với lớp (class) đối tượng không gian và các thành phần không gian - thời gian khác nhau như thế nào nếu các đối tượng không gian - thời gian thay đổi trong một khoảng thời gian ngắn và không biểu diễn sự chuyển động,

di chuyển và sự phát triển của các đối tượng này một cách liên tục

2 MÔ HÌNH HÓA KHÔNG GIAN - THỜI GIAN THEO SỰ KIỆN HOẶC TIẾN TRÌNH

(1) Mô hình dữ liệu không gian - thời gian dựa trên các sự kiện Based Sptaio-Temporal data model)

(Event-(2) Mô hình dữ liệu hướng miền trị (Domain-Oriented data model)

(3) Mô hình di chuyển đối tượng (Moving Object model)

(4) Mô hình ngữ nghĩa (Sematic model)

2.1 Mô hình dữ liệu không gian - thời gian dựa trên các sự kiện (ESTDM, event – based spatio – temporal data model)

Mô hình dữ liệu này được Peuquet và Duan (1995) đề nghị, ESTDM tổ chức quản lý không gian về sự thay đổi vị trí dựa theo mô hình dữ liệu raster (raster-based data model) và nhóm (group) các thay đổi về thời gian quan sát của một sự kiện liên tiếp theo thời gian Mô hình này có một file tiêu đề chứa thông tin về các miền trị của chuyên đề (theme domain), một con trỏ tham chiếu đến lớp dữ liệu nền và một con trỏ tham chiếu đến danh sách các sự kiện đầu tiên và sự kiện sau cùng Lớp dữ liệu nền khởi

Mô hình hóa các đối tượng

không gian - thời gian với

các thay đổi dạng vùng

Chia tách các đối tượng không gian

- thời gian thành các nguyên tố không gian - thời gian

tạo ban đầu như một Snapshot của một chuyên đề trong khu vực cần nghiên cứu Một chuỗi các sự kiện gồm các thông tin động kết hợp với danh sách các thành phần của các sự kiện nhằm mục đích cho biết nơi nào

có xuất hiện sự thay đổi Một thành phần của sự kiện biểu diễn sự thay đổi

vị trí của một điểm đặc biệt nào đó trong một thời điểm Mô hình này hiệu quả cho việc truy vấn không gian và thời gian, giải quyết tốt hơn về việc

dư thừa dữ liệu và hỗ trợ biểu diễn cả dữ liệu raster và vector

Hình 19: Các thành phần chính và cấu trúc của mô hình ESTDM

Ví dụ: Biểu diễn sự biến động của thửa đất theo mô hình ESTDM

Hình 20: Mô hình hóa sự biến độngthửa đất theo mô hình ESTDM

Tuy nhiên, việc điều chỉnh mô hình này sang biểu diễn dữ liệu vector đòi hỏi phải thiết kế lại các thành phần sự kiện Thông tin về lịch sử hoặc sự chuyển động của một thực thể hoặc một tiến trình sẽ bị phân mảnh nếu xuất hiện sự thay đổi các đối tượng không gian hoặc tính topology của

TenChuSoHuu10/02/2000

Tách thửa

SoThua1 SoThua2 10/02/2001

Thành phần 1,2, n

2.2 Mơ hình dữ liệu hướng miền trị (Domain – oriented data model)

Mơ hình dữ liệu hướng miền trị được đề nghị nhằm quản lý sự thay đổi phức tạp và quản lý các dạng hình học và các quan hệ topology của đối tượng Ví dụ, quản lý đối với các đối tượng cơ bản như đường (line) hoặc vùng (polygon) trong GIS

Mơ hình dữ liệu ba miền trị (Three-Domain Model) được Yuan (1994) đề nghị, mơ hình này định nghĩa ngữ nghĩa, thời gian và các đối tượng khơng gian trong ba miền trị riêng biệt Trong mơ hình này, thời gian được mơ hình hĩa như một khái niệm độc lập

Các thực thể ngồi thế giới thực được biểu diễn bằng mối liên kết động (dynamically linking) với 3 loại đối tượng từ một lớp (layer) hoặc kết hợp các đối tượng Mơ hình này cĩ thể biểu diễn các sự vật từ vị trí trung tâm (locational-centered), thực thể trung tâm (entity-centered) và thời gian trung tâm (time-centered) kết hợp với các loại thay đổi của các thực thể trong thế giới thực

Miền trị ngữ nghĩa (Sematical domain)

Miền trị thời gian (Temporal domain)

Miền trị không gian (Spatial domain)

Ngữ nghĩa trung tâm

(chiều mũi tên trên đi xuống)

Tiếp cận mô hình hóa

khung nhìn đối tượng

(object - view) theo/

không theo thời gian

Các hành vi của đối tượng

Ngữ nghĩa trung tâm (chiều mũi tên dưới đi lên)

Tiếp cận mô hình hóa khu nhìn lớp (layer - view) theo/ không theo thời gian

Thông tin về lịch sử của đối tượng

Hình 21: Mơ hình dữ liệu ba miền trị ở mức khái niệm

Ví dụ: Biểu diễn cháy rừng theo mơ hình ba miền trị

NoiPhatChay NguyenNhanChay TocDoLayLan

Valid time Transaction time

Shape

Hình 22: Mô hình hóa cháy rừng theo mô hình 3 miền trị

Thuận lợi của mô hình này là không định nghĩa trước các lược đồ dữ liệu

Mô hình này liên kết động thích hợp với các đối tượng từ ba miền trị để biểu diễn các khái niệm hoặc các thực thể địa lý Các mối liên kết đó có thể là một số cụ thể hoặc mờ hóa bằng các hàm thành viên Tuy nhiên, mô hình này không hỗ trợ biểu diễn dữ liệu raster và hướng/ chiều cho các bài toán phân tích mạng, phân tích dòng chảy, điều khiển lưu lượng nước

2.3 Mô hình di chuyển đối tượng (Moving Object Data Model)

Khi tích hợp không gian - thời gian, dẫn đến việc giải quyết sự thay đổi hình học (hình dạng, vị trí, kích thước) theo thời gian Thông thường, dạng hình học không chỉ thay đổi theo các giai đoạn riêng rẽ mà còn liên tục => đó là việc di chuyển đối tượng (moving object) Cách tiếp cận này

đề cập đến việc di chuyển đối tượng dạng điểm (point) dạng vùng (region) M.Erwig đã đề nghị việc di chuyển đối tượng dạng điểm và vùng của các thực thể được biểu diễn 3D (2D + thời gian) hoặc số chiều cao hơn mà cấu trúc và hành vi của nó được mô hình hóa như một kiểu dữ liệu trừu tượng (abstract data type)

Thời gian trong cách tiếp cận này được tích hợp một phần vào các đối tượng không gian Chiều thời gian được xem như một đường tuyến tính, rời rạc hoặc liên tục và chỉ hỗ trợ valid time

Hình 23: Thời gian được chia thành nhiều khoảng (interval)

Hình 24: Di chuyển đối tượng điểm

Ví dụ về di chuyển đối tượng dạng điểm theo thời gian: Sự di trú của loài chim hay cá voi có thể được mô hình hóa như di chuyển đối tượng điểm Các truy vấn như cho biết quỹ đạo di chuyển của chim, khoảng cách, tốc độ,… của chúng Ngoài ra còn các ví dụ khác như việc di chuyển của các phương tiện giao thông như xe mô tô, xe bus, tàu hỏa, tàu thủy,… được

mô hình hóa như di chuyển đối tượng điểm

Ví dụ về di chuyển, thay đổi kích thước đối tượng dạng vùng theo thời gian: Tiến trình phát triển của các thực thể địa lý như quốc gia, hồ, rừng, tảng băng, cháy rừng,… Các truy vấn như cho biết lịch sự thay đổi của một quốc gia? Cho biết diện tích và hình dạng của khu rừng A năm 2000? Cho biết vị trí của tảng băng A tại thời điểm T1? Cho biết vị trí và diện tích rừng bị cháy tại thời điểm T2…

Hình 25: Ví dụ về dự di chuyển của đám cháy rừng

Ngoài ra, một mô hình khác dùng để di chuyển đối tượng được đề nghị bởi Wolfson (1999) gọi là mô hình dữ liệu không gian - thời gian di chuyển đối tượng (MOST, Moving Object Spatial-Temporal data model) cho cơ sở dữ liệu với các thuộc tính động (dynamic attribute), các thuộc tính thay đổi liên tục được xem như một hàm về thời gian Mô hình này

có thể dự đoán được các vị trí trong tương lai của việc di chuyển đối tượng bằng cách cung cấp cho DBMS một vector chuyển động (motion vector) bao gồm cả vị trí, các thời điểm di chuyển Thuộc tính động trong

mô hình MOST thay đổi theo thời gian thông qua một vài hàm (function) cho sẳn ngay cả nếu không được cập nhật một cách tường minh Ví dụ,

Cháy rừng

S1 S3

S4 S2

xét sự di chuyển một đối tượng mà vị trí của đối tượng này trong không gian hai chiều x, y tại một thời điểm cho trước Mỗi một tọa độ của đối tượng là một thuộc tính động Thông thường, một thuộc tính động A được biểu diễn bằng ba thuộc tính con, A: value, A: updatetime và A: function, trong đó A: function của một biến t có giá trị 0 tại thời điểm t=0 Giá trị của thuộc tính động phụ thuộc vào thời gian, giá trị này được định nghĩa như sau: Tại thời điểm A: updatetime giá trị của A là A:value và đến lần cập nhật kế tiếp của A, giá trị của A tại thời điểm A:updatetime +t0 là A: value + A: function (t0) Mô hình MOST xem valid time và transaction time là như nhau

Ví dụ: Biểu diễn các thành phố, quốc gia, sông suối và đường cao tốc theo

mô hình di chuyển đối tượng

ThanhPho (TenThanhPho:string, geometry:mpoint) QuocGia (TenQuocGia:string, geometry:mregion) SongSuoi (TenSongSuoi:string, geometry:mline) DuongCaoToc (TenDuongCaoToc: string, geometry: mline) Trong đó mpoint, mline, mregion là các kiểu dữ liệu trừu tượng (abstract data type), nó kết hợp cả yếu tố không gian và thời gian với nhau

Ánh xạ hai kiểu dữ liệu mpoint và mregion theo thời gian - không gian

mpoint = time point

Operation (mregion -> mreal) => trả về diện tích của quốc gia theo

thời gian và nó là giá trị số

Operation (mregion x mpoint -> mboolean) => trả về giá trị True/

False cho biết thành phố có thuộc quốc gia hay không

Tuy nhiên, mô hình này có một số khuyết điểm như không hỗ trợ định danh cho các thực thể và việc biểu diễn thời gian được mô hình hóa thông qua việc các hàm (function) dẫn đến nhiều khó khăn trong việc hiện thực

và cài đặt nhiều hàm để thực thi

2.4 Mô hình ngữ nghĩa (Semantic Model)

Mô hình ngữ nghĩa theo không gian - thời gian được Langran đề nghị gồm

ba thành phần: tình trạng (state), sự kiện (event) và dấu vết (evidence) cho biết những sự việc đã xảy ra và đang xảy ra trong sự phát triển của thực thể và lưu vết của đối tượng trên sự phát triển của thực thể

Mô hình ngữ nghĩa kết hợp ba thành phần trên với nhau bằng cách mô tả vết của một thực thể xác định trên đường không gian - thời gian (Space – Time path) từ điểm không gian - thời gian bắt đầu đến điểm không gian - thời gian kết thúc

Đường không gian - thời gian được biểu diễn như một cấu trúc hai chiều: trục không gian và thời gian Dạng hình học của các thực thể được biểu diễn trên trục không gian

Đường không gian - thời gian

Hình 26: Mơ tả đường khơng gian- thời gian

Trên đường khơng gian - thời gian, một sự kiện là một điểm trên trục thời gian Tình trạng là một điểm trên trục khơng gian Đường khơng gian - thời gian cung cấp một mối liên kết, đồng bộ giữa các sự kiện và mối quan hệ tương ứng với tình trạng thay đổi Việc phân loại dữ liệu khơng gian (tình trạng, sự kiện, dấu vết) thơng qua mối liên kết của đường khơng gian - thời gian

Ví dụ: Mơ tả sự hoạt động của núi lửa theo đường khơng gian - thời gian

Thời điểm T1 Thời điểm T2 Thời điểm T3 Thời điểm T4

Hình 27: Hoạt động của núi lửa được biểu diễn trên đường khơng gian - thời gian

Trong ví dụ hình 24, tại thời điểm T1, núi lửa hoạt động tại miệng núi lửa, dạng hình học của núi lửa được biểu diễn như point Tại thời điểm T2, nham thạch phun trào như dịng suối nên dạng hình học của núi lửa được biểu diễn dạng line Tại thời điểm T3, núi lửa hoạt động mạnh nham thạch