o Phân tích các mô hình dữ liệu 3D: Luận án đã trình bày tổng quan các mô hình dữ liệu GIS 3D của nhiều tác giả và lập các bảng so sánh những mô hình dữ liệu 3D theo nhiều tiêu chí khác
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
NGUYỄN GIA TUẤN ANH
PHÁT TRIỂN MỘT SỐ MÔ HÌNH DỮ LIỆU
KHÔNG-THỜI GIAN TRONG GIS
LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2012
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
NGUYỄN GIA TUẤN ANH
PHÁT TRIỂN MỘT SỐ MÔ HÌNH DỮ LIỆU KHÔNG -THỜI GIAN TRONG GIS
Chuyên ngành: ĐẢM BẢO TOÁN HỌC CHO MÁY TÍNH VÀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN
Trang 3Lời cam kết
Tôi xin cam kết rằng luận án khoa học này là công trình nghiên cứu khoa học của chính bản thân Các đóng góp của tôi trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố của bất kì tác giả nào
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Gia Tuấn Anh
Trang 4Lời cám ơn
Tôi chân thành cám ơn đến thầy hướng dẫn, đã động viên tinh thần cũng như đóng góp các ý kiến chuyên môn đến luận án, các bài báo khoa học Thầy cũng cung cấp một số tài liệu liên quan đến vấn đề mà tôi đang nghiên cứu và ân cần nhắc nhở đến tiến độ thực hiện luận án
Tôi cũng chân thành cám ơn đến các Thầy, Cô thuộc khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh đã trang bị các kiến thức trong cả
3 cấp: đại học, cao học và nghiên cứu sinh, từ các kiến thức cơ bản đến các vấn đề chuyên sâu
Tôi xin gởi lời cám ơn đến các anh, chị, đồng nghiệp, các bạn, các em, nhất là các bạn
cũ lớp 6-SB74, bằng nhiều hình thức khác nhau đã giúp đở tôi trong quá trình học tập cũng như trong thời gian hoàn thành luận án
Đặc biệt xin gởi lời tri ân đến cha mẹ, anh chị em trong gia đình đã khuyến khích, chia
sẻ, đồng hành với tôi rất nhiều trong suốt 7 năm qua
Trang 5MỤC LỤC
1.1 Giới thiệu 1
1.2 Mục tiêu luận án 2
1.3 Phương pháp tiếp cận 3
1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận án 3
1.5 Các đóng góp chính của luận án 3
1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4
1.7 Bố cục luận án 5
Chương 2 CÁC MÔ HÌNH DỮ LIỆU GIS 3 CHIỀU 2.1 Các khái niệm không gian 7
2.1.1 Các dạng thức tồn tại của một đối tượng 7
2.1.2 Không gian 8
2.1.3 Chiều 9
2.1.4 Vị trí 10
2.1.5 Hình học 10
2.1.6 Quan hệ thứ tự 12
2.1.7 Quan hệ độ đo 12
2.1.8 Quan hệ topology 12
2.1.9 Truy vấn không gian 15
2.1.10 Hướng 16
2.1.11 Cấu trúc không gian 17
2.2 Các mô hình dữ liệu GIS 3D 18
2.2.1 Các khái niệm 18
2.2.1.1 Mô hình, mô hình dữ liệu, mô hình dữ liệu không gian 19
2.2.1.2 Mô hình dữ liệu GIS 3D 21
2.2.2 Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các đường biên 22
2.2.2.1 Mô hình 3D-FDS (Format Data Structure) 22
2.2.2.2 Mô hình TEN (Tetrahedral Network) 23
2.2.2.3 Mô hình OO (Object Oriented) 24
2.2.2.4 Mô hình SSM (Simplified Spatial Model) 25
2.2.2.5 Mô hình SOMAS (Solid Object Management System) 26
2.2.2.6 Mô hình UDM (Urban Data Model) 27
2.2.2.7 Mô hình OO3D (Object Oriented 3D) 27
2.2.2.8 Mô hình CITYGML 28
2.2.3 Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các phần tử voxel 29
Trang 62.2.3.1 Mô hình 3D Array 29
2.2.3.2 Mô hình Octree 30
2.2.4 Biểu diễn một đối tượng theo CSG 31
2.2.5 Các mô hình tổ hợp 31
2.2.5.1 Mô hình tổ hợp V3D 31
2.2.5.2 Mô hình tổ hợp giữa B_REP và CSG 32
2.3 So sánh các mô hình 33
2.3.1 So sánh các mô hình trên các tiêu chí: biểu diễn mặt, biểu diễn bên trong giữa các mô hình 34
2.3.2 So sánh các mô hình trên các tiêu chí: các phần tử chính, các đối tượng phụ, cơ sở và ứng dụng 34
2.3.4 So sánh các mô hình trên các tiêu chí: cấu trúc không gian, hướng, độ đo và topology 35
2.3.5 So sánh các mô hình theo các chuẩn về truy vấn: thuộc tính, vị trí và topology 37
2.4 Kết luận chương 2 38
Chương 3 MÔ HÌNH SUDM, TUDM, LUDM 3.1 Mô hình UDM (Urban Data Model) 40
3.2 Các quan hệ trong mô hình UDM 40
3.3 Mô hình SUDM (Specialized Urban Data Model) 43
3.3.1 Cải tiến đối tượng Bề mặt (Surface) 43
3.3.2 Cải tiến các khối dạng hình trụ 45
3.3.3 Cải tiến khối 3D dạng hình lăng trụ 46
3.3.4 Các cải tiến khác 48
3.3.5 UDM sau các đề xuất 1, 2, 3, 4 51
3.3.6 Tiểu kết phần 3.3 55
3.4 Mô hình TUDM (Temporal Urban Data Model) 55
3.4.1 Các khái niệm liên quan đến thời gian 55
3.4.1.1 Sự cần thiết của thời gian và mô hình dữ liệu không gian-thời gian (2D+1) 55
3.4.1.2 Đặc điểm của thời gian 58
3.4.1.3 Các ngữ nghĩa liên quan đến thời gian 59
3.4.1.4 Các loại dữ liệu thời gian 59
3.4.1.5 Các yếu tố liên quan đến lớp thời gian 61
3.4.2 Truy vấn theo thời gian 63
3.4.3 Các lớp được tích hợp trong mô hình TUDM 64
3.4.4 Mô hình TUDM 67
3.4.5 Các truy vấn theo thời gian 69
3.4.6 Tiểu kết phần 3.4 72
3.5 Mô hình LUDM (Levels of detail Urban Data Model) 72
3.5.1 Khái niệm LOD (Levels of Detail) 72
Trang 73.5.2 OGC-Mô hình CityGML 73
3.5.3 Mô hình Mingyuan Min 75
3.5.4 So sánh LOD của 2 nhóm tác giả 76
3.5.5 Đề xuất tích hợp lớp LOD và các mối liên kết vào mô hình LUDM 77
3.5.6 Mô hình dữ liệu LUDM 78
3.5.7 Các truy vấn mẫu 84
3.5.8 Tiểu kết phần 3.5 84
Chương 4 THỰC NGHIỆM 4.1 Mô hình SUDM 86
4.1.1 Mục đích thực nghiệm 86
4.1.2 Mô tả các quan hệ và tính khối lượng dữ liệu cho UDM 87
4.1.3 Mô tả các quan hệ và tính khối lượng dữ liệu cho SUDM 88
4.1.4 Tính thời gian hiển thị 400 khối B1, 150 khối B2 cho UDM và SUDM 89
4.1.5 Phân tích kết quả 90
4.2 Mô hình TUDM 91
4.2.1 Mô tả dữ liệu mẫu 91
4.2.2 Các truy vấn 95
4.2.3 Đánh giá kết quả 104
4.3 Mô hình LUDM 106
4.3.1 Mô tả dữ liệu mẫu 107
4.3.2 Khối lượng dữ liệu và LOD 111
4.3.3 Đánh giá kết quả 111
4.4 Kết luận chương 4 113
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận 114
5.2 Hướng phát triển 116
Danh mục công trình của tác giả
Tài liệu tham khảo
Trang 8Danh mục các hình vẽ
Hình 2.1 Các dạng thức của một đối tượng 8
Hình 2.2 Các thành phần của một đối tượng GIS 8
Hình 2.3 Các thành phần không gian của đối tượng GIS 9
Hình 2.4 Chiều trong GIS 1D, 2D, 3D 10
Hình 2.5 Minh họa cho Điểm, Đường, Đa giác trong 2D 10
Hình 2.6 Minh họa cho Điểm, Đường, Bề Mặt, Khối trong 3D 11
Hình 2.7 Một ví dụ về quan hệ thứ tự 12
Hình 2.8 Minh họa 3 thành tố topology của một đối tượng 13
Hình 2.9 Định nghĩa hướng 17
Hình 2.10 Minh họa cấu trúc Raster 18
Hình 2.11 Minh họa cấu trúc Vector và Raster 18
Hình 2.12 Các phương pháp tiếp cận mô hình dữ liệu 3D trong GIS 22
Hình 2.13 Mô hình 3D-FDS 23
Hình 2.14 Mô hình TEN 24
Hình 2.15 Minh họa một TETRA 24
Hình 2.16 Mô hình OO 25
Hình 2.17 Ví dụ một lổ hỗng 2D trong một mặt phẳng 25
Hình 2.18 Mô hình SSM 26
Hình 2.19 Mô hình SOMAS 26
Hình 2.20 Mô hình UDM 27
Hình 2.21 Mô hình OO 3D 28
Hình 2.22 Mô hình CityGML 29
Hình 2.23 Mô hình 3D Array 30
Hình 2.24 Mô hình Octree 31
Hình 2.25 Mô hình CSG 31
Hình 2.26 Mô hình V-3D 32
Trang 9Hình 2.27 Mô hình tổ hợp giữa B-REP và CSG 33
Hình 3.1 Mô hình UDM 40
Hình 3.2 Khối B1 biểu diễn theo UDM 41
Hình 3.3 Tam giác hóa đa giác S1 44
Hình 3.4 Minh họa dạng hình trụ 45
Hình 3.5 Tam giác hóa hình trụ B1 45
Hình 3.6 Tam giác hóa bề mặt hình lăng trụ B1 47
Hình 3.7 Hình chóp B1 48
Hình 3.8 Mô hình dữ liệu biểu diễn cho hình chóp 48
Hình 3.9 Hình chóp cụt B1 49
Hình 3.10 Mô hình dữ liệu biểu diễn cho hình chóp cụt 49
Hình 3.11 Khối hình nón B1 51
Hình 3.12 Mô hình dữ liệu biểu diễn cho hình nón 51
Hình 3.13 Mô hình SUDM 52
Hình 3.14 Minh họa sự thay đổi không gian theo thời gian 54
Hình 3.15 Minh họa các loại thứ tự thời gian 60
Hình 3.16 Mối liên kết giữa Time và Event 65
Hình 3.17 Mối liên kết giữa Time và DMY 65
Hình 3.18 Mối liên kết giữa Event và Eventype 66
Hình 3.19 Mối liên kết giữa Time và Body, Surface, Line, Point 66
Hình 3.20 Mối liên kết giữa Body và Event với ngữ nghĩa mất đi 66
Hình 3.21 Mối liên kết giữa Body và Event với ngữ nghĩa sinh ra 66
Hình 3.22 Mối liên kết giữa Surface, Line, Point và Event với ngữ nghĩa sinh ra, mất đi Hình 3.23 Mô hình TUDM 67
Hình 3.24 Minh họa LOD của một tòa nhà 74
Hình 3.25 Mô hình LOD của CityGML 75
Hình 3.26 Mô hình LOD của Mingyuan Min 76
Trang 10Hình 3.27 Mô hình dữ liệu giữa Body cha, Body con và LOD 77
Hình 3.28 Mô hình dữ liệu giữa Body, Surface và LOD 77
Hình 3.29 Mô hình dữ liệu giữa Body, Line và LOD 78
Hình 3.30 Mô hình dữ liệu giữa Body, Point và LOD 78
Hình 3.31 Mô hình dữ liệu LUDM 79
Hình 3.32 Khối H1 (trái), H2 (phải) 79
Hình 4.1 Hình ảnh B1 (căn nhà), B2 (biệt thự) trong dữ liệu kiểm chứng 86
Hình 4.2 So sánh tỉ lệ khối lượng dữ liệu giữa UDM và SUDM dạng biểu đồ 89
Hình 4.3 So sánh thời gian hiển thị 400 căn nhà và 150 biệt thự bởi UDM và SUDM dạng biểu đồ 90
Hình 4.4 210 khối, nhìn từ góc A 95
Hình 4.5 210 khối, nhìn từ góc khác A 95
Hình 4.6 Kết quả truy vấn nhìn từ góc A 96
Hình 4.7 Kết quả truy vấn 1 nhìn từ góc khác A 96
Hình 4.8 Kết quả truy vấn 2 nhìn từ góc A 97
Hình 4.9 Kết quả truy vấn 2 nhìn từ góc khác A 97
Hình 4.10 Kết quả truy vấn 3 nhìn từ góc A 98
Hình 4.11Kết quả truy vấn 3 nhìn từ góc khác A 98
Hình 4.12 Kết quả truy vấn 4 nhìn từ góc A 99
Hình 4.13 Kết quả truy vấn 4 nhìn từ góc khác A 99
Hình 4.14 Kết quả truy vấn 5 nhìn từ góc A 100
Hình 4.15 Kết quả truy vấn 5 nhìn từ góc khác A 100
Hình 4.16 Kết quả truy vấn 6 nhìn từ góc A 101
Hình 4.17 Kết quả truy vấn 7 nhìn từ góc A 101
Hình 4.18 Kết quả truy vấn 7 nhìn từ góc khác A 102
Hình 4.19 Kết quả truy vấn 8 nhìn từ góc A 102
Hình 4.20 Kết quả truy vấn 8 nhìn từ góc khác A 103
Trang 11Hình 4.21 Kết quả truy vấn 9 nhìn từ góc A 103
Hình 4.22 Kết quả truy vấn 9 nhìn từ góc khác A 104
Hình 4.23 Hiển thị kết quả của khối B0 (chung cư 1) tại mức 0 và 1 108
Hình 4.24 Hiển thị kết quả của khối B0 (chung cư 1) tại mức 2 và 3 109
Hình 4.25 Hiển thị kết quả của khối B4 (chung cư 1) tại mức 0 và 1 109
Hình 4.26 Hiển thị kết quả của khối B4 (chung cư 2) tại mức 2 và 3 110
Trang 12Danh mục các bảng
Bảng 2.1 Topology giữa Điểm và các đối tượng khác 14
Bảng 2.2 Topology giữa Đường và các đối tượng khác 14
Bảng 2.3 Topology giữa Bề mặt và các đối tượng khác 15
Bảng 2.4 Topology giữa Khối và các đối tượng khác 15
Bảng 2.5 Topology giữa Khối với Khối 15
Bảng 2.6 Các trường hợp thay đổi của một đối tượng trong GIS 16
Bảng 2.7 So sánh 4 ngôn ngữ phổ biến 16
Bảng 2.8 So sánh giữa cấu trúc Vector và Raster 18
Bảng 2.9 So sánh các mô hình theo tiêu chí: biểu diễn mặt, biểu diễn bên trong 35
Bảng 2.10 So sánh các mô hình theo tiêu chí: các phần tử chính, các đối tượng phụ, cơ sở và ứng dụng 36
Bảng 2.11 So sánh các mô hình trên các tiêu chí: cấu trúc không gian, hướng, độ đo và topology 37
Bảng 2.12 So sánh các mô hình dựa theo các chuẩn về truy vấn: thuộc tính, vị trí và topology 38
Bảng 3.1 Mô tả dữ liệu trong FACE, NODE, BODYFACE, BODY 42
Bảng 3.2 Mô tả dữ liệu S1 trong FACE và SUR_FACE 44
Bảng 3.3 Mô tả dữ liệu S1 trong SUR-PL-NODE 44
Bảng 3.4 So sánh dữ liệu giữa UDM và UDM sau đề xuất 3.3.1 45
Bảng 3.5 Mô tả dữ liệu B1 trong BODYFACE 45
Bảng 3.6 Mô tả dữ liệu B1 trong BODY-CYL 46
Bảng 3.7 So sánh kích thước dữ liệu giữa UDM và UDM sau đề xuất 3.3.2 46
Bảng 3.8 Mô tả dữ liệu B1 trong BODYFACE 47
Bảng 3.9 Mô tả dữ liệu B1 trong BODY-PYR 47
Bảng 3.10 So sánh kích thước dữ liệu giữa UDM và UDM sau đề xuất 3.3.3 48
Bảng 3.11 Dữ liệu B1 trong PYRAMID 49
Trang 13Bảng 3.12 Dữ liệu trong POLYGON-NODE 49
Bảng 3.13 Dữ liệu trong NODE 49
Bảng 3.14 Mô tả dữ liệu B1 trong FRUSTUM 50
Bảng 3.15 Mô tả dữ liệu trong F_POLY_NODE 50
Bảng 3.16 Mô tả dữ liệu B1 trong CONE 51
Bảng 3.17 Các ví dụ về trạng thái, biến cố và bằng chứng 62
Bảng 3.18 Mô tả thuộc tính cho các đối tượng 62
Bảng 3.19 Ví dụ về điểm thời gian 63
Bảng 3.20 Ví dụ về đoạn thời gian 64
Bảng 3.21 Các mức LOD trong City GML 74
Bảng 3.22 So sánh LOD của 2 nhóm tác giả 76
Bảng 3.23 So sánh 3 mô hình CityGML, Mingyuan Min và LUDM 78
Bảng 3.24 Ngôi nhà H, H21 được hiển thị ở 4 và 6 mức chi tiết 80
Bảng 3.25 Dữ liệu của H1 tại các mức 81
Bảng 3.26 Dữ liệu của H1 trong các quan hệ BODYLOD, LINELOD và SURFACELOD 83
Bảng 4.1 Mô tả quan hệ BODY 87
Bảng 4.2 Mô tả quan hệ BODYFACE 87
Bảng 4.3 Mô tả quan hệ FACE 87
Bảng 4.4 Mô tả quan hệ NODE 87
Bảng 4.5 Tính khối lượng cho 400 khối B1, 150 khối B2 theo UDM 88
Bảng 4.6 Mô tả quan hệ BODY 88
Bảng 4.7 Mô tả quan hệ PRISM 88
Bảng 4.8 Mô tả quan hệ FACENODE 88
Bảng 4.9 Mô tả quan hệ NODE 89
Bảng 4.10 Tính khối lượng cho 400 khối B1, 150 khối B2 theo SUDM 89
Bảng 4.11 Tỉ lệ khối lượng dữ liệu giữa UDM và SUDM của 400 khối B1, 150 B2 89
Trang 14Bảng 4.12 So sánh thời gian hiển thị 400 khối B1, 150 khối B2 bởi UDM và SUDM 90
Bảng 4.13 Mô tả dữ liệu cho DMY 92
Bảng 4.14 Mô tả dữ liệu cho TIME 92
Bảng 4.15 Mô tả dữ liệu cho EVENTYPE, EVENT 93
Bảng 4.16 Mô tả dữ liệu cho BODY_EVENT 93
Bảng 4.17 Phân chia 10 nhóm dữ liệu cho các khối từ B1 đến B210 94
Bảng 4.18 Phân loại đặc điểm của các nhóm 94
Bảng 4.19 Phân loại 9 câu truy vấn theo quan hệ topology về thời gian và đặc điểm về nhóm thời gian 94
Bảng 4.20 So sánh Geotoolkit+Geodeform và TUDM 106
Bảng 4.21 Mô tả dữ liệu khối B0 trong SURFACELOD, BODYLOD 107
Bảng 4.22 Mô tả dữ liệu khối B4 trong SURFACELOD, BODYLOD 108
Bảng 4.23 So sánh khối lượng B0, B4 khi lưu trữ dữ liệu ở các mức chi tiết 111
Bảng 4.24 Số các bề mặt và khối khi lưu trữ dữ liệu ở các mức chi tiết 111
Bảng 4.25 Dữ liệu trong SURFACELOD, BODYLOD khi biểu diễn B0 ở 2 mức chi tiết 112
Bảng 4.26 Dữ liệu trong SURFACELOD, BODYLOD khi biểu diễn B0 ở 3 mức chi tiết 112
Trang 15CSDL Cơ Sở Dữ Liệu
GIS Geographic Information System
LOD Levels Of Detail
PIXEL PIcture Element
PSQL P ictorial Structured Query Language
QL/G Query Language for Geometric databases
Trang 16SOMAS Solid Object Management System
SQL Structured Query Language
SQL/SDA Structured Query Language / Spatial Data Analysis
VOXEL VOlumetric piXEL
Trang 17Chương 1 GIỚI THIỆU
GIS 3D là một hệ thống có thể mô hình hóa, biểu diễn, quản lý, thao tác, phân tích và
hỗ trợ quyết định dựa trên thông tin liên quan đến các hiện tượng 3D [46] Ứng dụng của GIS 3D là rộng lớn và đa dạng Các ứng dụng này đem lại nhiều ích lợi khi được biểu diễn trong GIS 3D vì phản ánh trung thực về thế giới thực Ngoài ra GIS 3D còn
hỗ trợ thông tin và giúp con người khai phá thông tin từ dữ liệu được lưu trữ hơn GIS 2D, đặc biệt trong quản lí hạ tầng [29] [71] Tuy vậy để biểu diễn, quản lý, phân tích các đối tượng 3D cần có các giải pháp phức tạp và khối lượng công việc cũng gia tăng đáng kể Các lĩnh vực chính của GIS 3D gồm [3][62]:
Nghiên cứu hệ sinh thái
Bản đồ 3 chiều
Giám sát môi trường
Xây dựng cảnh quan quy hoạch
Phân tích địa chất
Xây dựng dân dụng
Khai thác thăm dò khoáng sản
Trang 18Các thử thách trên GIS 3D cần giải quyết bao gồm [46]:
Mô hình dữ liệu 3D: vì mô hình dữ liệu sẽ qui định mối quan hệ giữa các đối tượng, cách thức lưu trữ, cách phân tích dữ liệu và truy xuất dữ liệu Hiện tại
có một số mô hình dữ liệu quan niệm đã được đề nghị, tuy vậy không có mô hình nào là hoàn hảo Hơn nữa các mô hình thiếu chiều thời gian, nhằm biểu diễn và lưu trữ lịch sử thay đổi trong vòng đời của các đối tượng
Nhập dữ liệu: việc tăng chiều của GIS từ 2D tới 3D làm kích thước dữ liệu gia tăng đáng kể Sự gia tăng này không những khó khăn về thể tích lưu trữ
mà còn trong việc thu nhập dữ liệu
Phân tích không gian: các phân tích này tập trung vào các phép phân tích về topology (giao, kề, bằng ) và độ đo (khoảng cách, chiều dài, diện tích, thể tích) Trong đó topology của GIS 3D có độ phức tạp cao hơn hẳn GIS 2D
Hiển thị: mặc dù đã có những tiến bộ vượt bậc của phần cứng máy tính trong vấn đề cải thiện bộ nhớ và tốc độ xử lý của CPU, việc hiển thị GIS 3D vẫn còn là một khó khăn vì yêu cầu của người dùng cần làm hẹp sự khác biệt của tính thực tế trên máy tính và trong thế giới thực Các mô hình hiện tại nhìn chung chỉ hiển thị các đối tượng ở một mức
GIS 3D và WEB: từ khi WEB trở thành một công nghệ phổ biến đối với người dùng thì nhu cầu xây dựng các ứng dụng GIS 3D trên nền công nghệ này càng gia tăng
1.2 Mục tiêu luận án
Luận án tập trung phát triển các mô hình dữ liệu không-thời gian trên nền tảng mô hình UDM do Coors đã đề xuất năm 2003
Nội dung chính của luận án bao gồm 3 bài toán Nghiên cứu những ưu điểm của các
mô hình dữ liệu GIS 3D sẵn có, đặc biệt là mô hình UDM, tiến hành xây dựng 3 mô hình:
Trang 19 SUDM: được phát triển mô hình dữ liệu GIS 3D đã có-mô hình UDM Đặc điểm của mô hình mới là giảm chi phí về thời gian hiển thị và kích thước lưu trữ
TUDM: tích hợp thời gian vào mô hình dữ liệu 3D đã có-mô hình UDM để biểu diễn và lưu trữ những thay đổi của đối tượng không gian theo thời gian
LUDM: biểu diễn các thuộc tính không gian trên nhiều mức chi tiết khác nhau
để đáp ứng các yêu cầu đa dạng từ các ứng dụng và người dùng khác nhau
1.3 Phương pháp tiếp cận
Phân tích đánh giá: các mô hình dữ liệu GIS 3D của các tác giả
Tổng hợp: các mô hình dữ liệu GIS 3D theo nhiều tiêu chí khác nhau
Phân tích, thiết kế: được dùng trong luận văn để biểu diễn các mô hình 3D và 4D
Mô hình hóa dữ liệu: hệ quản trị CSDL Oracle được dùng trong luận án để biểu diễn dữ liệu mức vật lý
Thực nghiệm: lập trình được áp dụng để viết chương trình thực nghiệm các mô hình đề xuất
1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận án
Luận văn tập trung nghiên cứu các vấn đề sau
Phân tích, so sánh tổng quan các mô hình dữ liệu 3D
Phát triển mô hình dữ liệu GIS 3D mới ở 3 mức quan niệm, logic, vật lý theo các tiêu chí về dung lượng, độ chi tiết trong hiển thị và tích hợp chiều thời gian
Các vấn đề thu thập dữ liệu không liên quan đến luận án
1.5 Các đóng góp chính của luận án
Trang 20o Phân tích các mô hình dữ liệu 3D: Luận án đã trình bày tổng quan các mô hình
dữ liệu GIS 3D của nhiều tác giả và lập các bảng so sánh những mô hình dữ liệu 3D theo nhiều tiêu chí khác nhau như: + cách biểu diễn các mặt; + biểu diễn bên trong các khối; + các phẩn tử hình học chính-phụ; + nền tảng của mỗi mô hình; + các ứng dụng phù hợp; + các hỗ trợ cho truy vấn ngữ nghĩa, thời gian, không gian; +các cấu trúc không gian, hướng và topology [CT4] Trong phạm vi luận
án, tác giả đã tập trung phát triển một số bổ sung vào mô hình dữ liệu UDM theo những yêu cầu mới hơn
o Phát triển mô hình dữ liệu SUDM: SUDM xây dựng trên nền mô hình dữ liệu
UDM do Coor đề xuất 2003 và những ứng dụng thực tế tại các dự án Tác giả đã
đề xuất mô hình SUDM để biểu diễn các đối tượng 2D, 3D khi các đối tượng này có các hình dạng đặc biệt SUDM rút gọn dung lượng lưu trữ dữ liệu, giảm thời gian hiển thị [CT1], [CT9]
o Phát triển mô hình dữ liệu LUDM: LUDM xây dựng trên nền mô hình dữ liệu
UDM và yêu cầu về sự phong phú trong hiển thị mức độ chi tiết của các đối tượng trong các dự án GIS Tác giả đã tích hợp lớp mới-LOD và các mối liên kết phức giữa các đối tượng để hiển thị các đối tượng 3D tại nhiều mức theo nhu cầu của người dùng và các ứng dụng khác nhau [CT3], [CT5], [CT6], [CT7]
o Phát triển mô hình dữ liệu TUDM: TUDM xây dựng trên nền mô hình dữ liệu
UDM Tác giả tích hợp thêm một số lớp mới và các mối liên kết phức để ghi lại lịch sử tiến hóa của các đối tượng GIS trong cả vòng đời của các đối tượng này Lịch sử tiến hóa này cho các nhà quản lí biết xu thế thay đổi của các đối tượng GIS trong tương lai để hỗ trợ ra quyết định đúng đắn [CT2], [CT3], [CT5], [CT8]
1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Trang 21Ý nghĩa khoa học
Luận án đã nghiên cứu phân tích, so sánh các mô hình dữ liệu GIS 3D Trên nền tảng
đó, luận án phát triển 3 mô hình dữ liệu mới Các mô hình mới đáp ứng các mục tiêu khoa học sau: giảm chi phí lưu trữ và thời gian hiển thị; tích hợp chiều thời gian vào
mô hình để biểu diễn và lưu trữ các biến động không gian theo thời gian; biểu diễn các thuộc tính không gian ở nhiều mức chi tiết khác nhau để đáp ứng các nhu cầu đa dạng của ứng dụng và người dùng
Ý nghĩa thực tiễn
Các mô hình dữ liệu GIS 3D là chìa khóa trong công đoạn phân tích, thiết kế dữ liệu của các ứng dụng GIS 3D Các ứng dụng GIS 3D bao gồm nhiều lĩnh vực: quản lí đô thị, phân tích địa chất, giám sát môi trường, khai thác thăm dò khoáng sản Như thế, các mô hình đề xuất trong luận án có thể dùng để tích hợp vào các ứng dụng trên trong thực tiễn
1.7 Bố cục luận án
Luận án được cấu trúc thành 5 chương, theo bố cục sau
Chương 1: GIỚI THIỆU
Luận án giới thiệu mục tiêu, phương pháp, phạm vi nghiên cứu và những đóng góp chính của luận án
Chương 2: CÁC MÔ HÌNH DỮ LIỆU GIS 3 CHIỀU
Luận án đã trình bày tổng quan, phân tích các mô hình dữ liệu 3D, lập bảng tổng hợp, phân loại và so sánh các mô hình theo các tiêu chí cần có của các mô hình dữ liệu 3D
Chương 3: MÔ HÌNH DỮ LIỆU SUDM, TUDM, LUDM
Trang 22Luận án mô tả chi tiết mô hình UDM, phân tích các ưu điểm và giới hạn của UDM Phát triển mô hình SUDM để giảm dung lượng lưu trữ và tăng tốc độ truy xuất, hiển thị trong một số trường hợp Mở rộng mô hình UDM thành TUDM để biểu diễn và lưu trữ các biến đổi thuộc tính không gian của đối tượng theo thời gian Phát triển mô hình LUDM bằng cách tích hợp lớp LOD mới, các mối liên kết phức vào UDM để biểu diễn các đối tượng 3D tại các mức chi tiết khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp và độc lập với ngữ nghĩa
Chương 4: THỰC NGHIỆM
Luận án trình bày kết quả hiện thực các mô hình SUDM, TUDM và LUDM bằng chương trình viết bởi ngôn ngữ C# và hệ quản trị CSDL Oracle Thực nghiệm các mô hình SUDM để kiểm tra dung lượng lưu trữ
và tốc độ truy xuất hiển thị các đối tượng không gian Thực nghiệm 09 câu truy vấn không gian thời gian, bao gồm cả thời điểm, thời đoạn, thời gian ghi vào CSDL và thời gian xảy ra trong thế giới thực Hiển thị kết quả của các câu truy vấn theo LOD để đánh giá lại mô hình mới với các mức chi tiết khác nhau do người dùng định nghĩa
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Luận án tóm tắt các kết quả đã đạt được và đề xuất hướng phát triển
Trang 23Chương 2 CÁC MÔ HÌNH DỮ LIỆU GIS 3 CHIỀU
Tóm tắt
Khi thêm chiều không gian thứ 3 vào trong các ứng dụng GIS 2D để trở thành GIS 3D thì kích thước và độ phức tạp của các ứng dụng gia tăng đáng kể Cơ sở dữ liệu của các ứng dụng GIS 3D được xây dựng trên nền tảng mô hình dữ liệu Mục tiêu của chương này là trình bày các khái niệm xoay quanh mô hình dữ liệu GIS 3D, trình bày một số mô hình GIS 3D Phân tích các ưu điểm và hạn chế của các mô hình dữ liệu 3D trên nhiều tiêu chí khác nhau Bao gồm các tiêu chí: cấu trúc không gian, hướng, độ đo topology, cách biểu diễn mặt, biểu diễn bên trong, các phần tử chính, các đối tượng phụ, cơ sở ứng dụng, các truy vấn trên thuộc tính, vị trí và topology
2.1 Các khái niệm không gian
2.1.1 Các dạng thức tồn tại của một đối tượng
Một đối tượng trong thế giới thực có thể tồn tại dưới các dạng thức sau (hình 2.1):
Đối tượng có ngữ nghĩa nhưng không quan tâm thuộc tính không gian và thời gian
Đối tượng có thuộc tính không gian nhưng không quan tâm không có thuộc tính ngữ nghĩa và thời gian, ví dụ: một khối 3D chụp từ vệ tinh
Đối tượng có thuộc tính thời gian nhưng không quan tâm hay không có thuộc tính ngữ nghĩa và không gian, ví dụ: thứ, năm
Đối tượng có thuộc tính ngữ nghĩa, có thuộc tính không gian nhưng không quan tâm hay không có thuộc tính thời gian, ví dụ: con sông
Đối tượng có thuộc tính thời gian, có thuộc tính không gian nhưng không quan tâm hay không có thuộc tính ngữ nghĩa, ví dụ: một khối 3D chụp từ vệ tinh và thời gian chụp
Đối tượng có thuộc tính thời gian, có thuộc tính ngữ nghĩa nhưng không quan tâm hay không có thuộc tính không gian
Trang 24 Đối tượng có thuộc tính thời gian, có thuộc tính không gian và có cả thuộc tính ngữ nghĩa, ví dụ: tòa nhà
Hình 2.1 Các dạng thức của một đối tượng Thông thường một đối tượng trong GIS có cả 3 thuộc tính: ngữ nghĩa, không gian và thời gian (hình 2.2) Trong 10 năm gần đây, đã có một sự đánh giá trên dữ liệu thu thập được và kết luận 80% CSDL có tối thiểu một thành phần không gian [9]
Hình 2.2 Các thành phần của một đối tượng GIS
2.1.2 Không gian
Không gian là một chủ đề mà các nhà khoa học đã cố gắng định nghĩa ở quá khứ Không gian và thời gian là các khái niệm được sử dụng để con người hiểu biết và hình thành ý niệm về môi trường xung quanh [7] Có hai phương pháp tiếp cận cho định nghĩa này Cách thứ nhất xem không gian là tuyệt đối, cách còn lại cho rằng không gian là tương đối [7] Hai cách tiếp cận này dẫn tới hai cấu trúc khác nhau khi biểu diễn thành phần không gian của một đối tượng trong GIS là: vector và raster
Trang 25Các nhà khoa học định nghĩa, không gian là tập các đối tượng và mối quan hệ giữa các đối tượng Các đối tượng này được trừu tượng hóa qua các khái niệm: Điểm, Đường,
Đa giác trong 2D [1][2] và Điểm, Đường, Bề mặt, Khối trong 3D [50]
Các thuộc tính và các quan hệ dùng để mô tả thành phần không gian (hình 2.3) của một đối tượng trong GIS Các thuộc tính gồm: chiều, vị trí và hình học Các quan hệ gồm: thứ tự, độ đo và topology [7]
Hình 2.3 Các thành phần không gian của đối tượng GIS
2.1.3 Chiều
Chiều là một yếu tố để phân loại trong GIS, nó mô tả số lượng chiều không gian được
hỗ trợ bởi hệ thống [7] Hệ thống GIS n chiều sẽ hỗ trợ tất cả các đối tượng không gian
có số chiều nhỏ hơn hay bằng n GIS 2D sẽ hỗ trợ các đối tượng có số chiều nhỏ hơn hay bằng 2, nghĩa là các đối tượng: 0D, 1D và 2D Trong khi đó GIS 3D bao gồm các đối tượng: 0D, 1D, 2D và 3D được biểu diễn trong 3 chiều [11] (hình 2.4) Hai đối tượng 1D trong GIS 2D và GIS 3D là khác nhau Đối tượng 1D trong GIS 2D chỉ có thể nằm trên cùng mặt phẳng, ngược lại đối tượng 1D trong GIS 3D có thể nằm trên nhiều mặt phẳng khác nhau Tương tự như thế đối tượng 2D trong GIS 2D khác GIS 3D Trong không gian Euclide, các chiều được biểu diễn thông qua các trục toa độ, GIS 2D
hỗ trợ bởi (x,y) GIS 2.5D dùng hệ tọa độ Descartes nhưng cộng thêm thuộc tính chiều cao để tạo ra chiều 0.5 [73]
Trang 26Hình 2.4 Chiều trong GIS 1D, 2D, 3D Thời gian trong GIS có thể xem như là một chiều mới Khi đó GIS 2D và thời gian còn gọi là 3D (2D không gian + 1D thời gian); GIS 3D và thời gian còn gọi là 4D (3D không gian + 1D thời gian)
2.1.4 Vị trí
Vị trí của các đối tượng trong không gian là một yêu cầu cơ bản của bất kì hệ thống thông tin GIS nào Vị trí được gắn kết với một hệ qui chiếu Các hệ qui chiếu hay sử dụng trong GIS là hệ qui chiếu Descartes, hệ qui chiếu cực và hệ kinh tuyến, vĩ tuyến [34] [74] Hệ qui chiếu là nền tảng của GIS
2.1.5 Hình học
Hình học là một thuộc tính không gian mô tả hình dáng của các đối tượng [7] Các đối tượng không gian có thể do tự nhiên hay con người tạo ra Các lớp: Điểm (Point), Đường (Line), Đa giác (Polygon) dùng để mô tả các đối tượng này trong 2D (hình 2.5)
và dùng các lớp Điểm (Point), Đường (Line), Bề mặt (Surface), Khối (Volume) trong 3D Ví dụ, các đối tượng nhân tạo có thể là: tòa nhà, cây cầu, các con đường, các trụ điện, các ống thoát nước Các đối tượng tự nhiên có thể là: biển, sông, núi, bão
Hình 2.5 Minh họa cho Điểm, Đường, Đa giác trong 2D Nốt (Node): là thành phần hình học trung gian để biểu diễn các thành phần hình học chính, gồm: Điểm, Đường, Bề mặt, Khối Một Nốt kí hiệu N được biểu diễn với 3 tọa
độ (x, y, z) trong không gian 3 chiều Các tính chất của Nốt:
Hai Nốt khác nhau là rời nhau
Trang 27 Phần trong (interior) của một Nốt là rỗng
Đường biên (boundary) của một Nốt là chính nó
Mặt (Face): là thành phần hình học trung gian để biểu diễn cho các thành phần hình học chính, gồm: Bề mặt, Khối Một Mặt kí hiệu bởi F, gồm tập các Nốt có thứ tự đã nối, F phải là phẳng Gọi x là số các Nốt, ta có x≥3 Nếu x=3 Mặt gọi là tam giác
Điểm: là đối tượng 0D, dùng mô tả vị trí của một thực thể mà hình dạng không được xem xét hay diện tích là quá nhỏ so với không gian mà Điểm nhúng vào [1][38] Ví dụ: cột điện, trạm biến áp, cây xanh trong một bản đồ có tỉ lệ lớn
Đường: là đối tượng 1D, thường dùng biểu diễn các đường trong những hệ thống mạng [1][38] Ví dụ mạng cấp thoát nước Một Đường kí hiệu L, là một tập các chỉ mục của
n Nốt Trong đó n ≥2
Bề mặt: là đối tượng 2D, thường dùng biểu diễn các thực thể có diện tích lớn Ví dụ: sân vận động, công viên quốc gia, sân bay Một Bề mặt kí hiệu S, là một tập các chỉ mục gồm n Mặt, n≥1 [1][38]
Khối: là đối tượng 3D, thường dùng biểu diễn các thực thể có thể tích đáng quan tâm
Ví dụ: các khu liên hợp thể thao, các khối chung cư Một khối kí hiệu B, là một tập chỉ mục của n Mặt, n≥4 [38] Nếu n=4 thì khối gọi là tứ diện
Hình 2.6 Minh họa cho Điểm, Đường, Bề mặt, Khối trong 3D Hình 2.6 minh họa cho Điểm, Đường, Bề mặt, Khối trong 3D Việc chọn Điểm, Đường, Bề mặt, Khối để biểu diễn một đối tượng trong thế giới thực là phụ thuộc vào mỗi mục tiêu của các ứng dụng Tính chất của mỗi đối tượng: Điểm, Đường, Bề mặt, Khối có thể khác nhau do mỗi mô hình có định nghĩa khác nhau Trong bản đồ thành phố, ngôi chùa có thể chỉ là một Điểm nhưng trong ứng dụng quản lý các khối 3D trên
Trang 28một phường lại là Khối Đối với các đường cong, mặt cong chúng ta có thể biểu diễn bằng phương pháp xấp xỉ Việc xấp xỉ càng mịn thì biểu diễn càng chính xác tuy nhiên
sẽ làm kích thước dữ liệu tăng lên đáng kể
2.1.6 Quan hệ thứ tự
Quan hệ thứ tự trình bày quan điểm so sánh giữa 2 hay nhiều đối tượng không gian Có
2 loại quan hệ thứ tự trong GIS: thứ tự toàn phần ( ) và thứ tự bộ phận ( ) Một tập hợp được gọi là có thứ tự nếu quan hệ thứ tự được định nghĩa trên các phần tử của tập hợp [7] Quan hệ thứ tự thường tạo ra một mô hình cây phân cấp Quan hệ chứa trong
là quan hệ thứ tự trong GIS Ví dụ, một tòa nhà A được xây dựng trên khu đất B, ta nói
Hình 2.7 Một ví dụ về quan hệ thứ tự
2.1.7 Quan hệ độ đo
Quan hệ độ đo là phương thức thuần tính toán dựa trên nền tảng so sánh của những giá trị số có liên quan đến vị trí của các đối tượng trong không gian, kích cỡ các đối tượng
và những tính toán khác [7] Độ đo có thể là khoảng cách, diện tích, thể tích, vị trí [60]
Ví dụ, tìm khoảng cách giữa 2 cột điện; tìm chiều dài của một con đường; tìm diện tích của một mảnh đất hay tính thể tích (trữ lượng) của một mỏ dầu xác định
2.1.8 Quan hệ topology
Topology mô tả mối quan hệ giữa đối tượng và những đối tượng lân cận [7] Topology
gian rời rạc Z2 trong 2D và Z3 trong 3D
Trang 29Định nghĩa : Cho là một tập hợp khác rỗng Một họ các tập con của được gọi là topology trên nếu thỏa mãn 3 tiên đề sau đây :
B là tập mở trong không gian topology khi và chỉ khi
đối tượng không gian của không gian topology , được mô tả trong lý thuyết bởi 3 thành tố: bao đóng (closure), phần trong (interior) và đường biên (boundary) [38] (hình 2.8) Cho A là một đối tượng của không gian topology , bao đóng, phần trong, đường biên được định nghĩa như sau:
Bao đóng (ζ): là tập đóng bé nhất chứa tập tức là phần giao của tất cả tập đóng mà chứa Điểm nằm trong bao đóng của A nếu với mọi lân cận của giao với A khác
Phần trong (Aº): hội của các tập mở mà chứa trong hay là hội của tất cả các điểm trong của Điểm nằm trong phần trong của ( gọi là điểm trong của ) nếu
Hình 2.8 Ba thành tố topology của một đối tượng a Đường biên, b Bao đóng, c Phần trong
Trang 30Gọi R(A, B) là quan hệ topology giữa 2 đối tượng không gian A và B trong không gian
3 chiều, số các trường hợp xảy ra giữa A và B là 9 Ma trận 3x3 sau biểu diễn 9 trường hợp này
Mỗi phần tử của ma trận có 2 giá trị Trong đó 1: biểu diễn A, B có giao nhau và 0: biểu
(nếu chỉ quan tâm đến sự giao nhau giữa phần trong và đường biên của A, B sẽ có 16 trường hợp [39])
Kí hiệu: Ao , Bo : phần trong A, B; A-, B- : bao đóng A, B; ∂A, ∂B: đường biên A, B Các bảng 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 mô tả số trường hợp các quan hệ topology giữa các đối tượng Trong 512 trường hợp có một số trường hợp không bao giờ xảy ra trong thực tế Giữa Khối và Khối là 8 trường hợp [25] (bảng 2.5)
Bảng 2.1 Topology giữa Điểm và các đối tượng khác
Điểm Đường Bề mặt KhốiĐiểm 2 3 3 3
Bảng 2.2 Topology giữa Đường và các đối tượng khác
Điểm Đường
trong R
Đường trong R2
Đường trong R3
Bề mặt trong R2
Bề mặt trong R3
Trang 31Bảng 2.3 Topology giữa Bề mặt và các đối tượng khác Điểm Đường Bề mặt trong R 2 Bề mặt trong R 3 Khối
Bảng 2.4 Topology giữa Khối với các đối tượng khác
Điểm Đường Bề mặt Khối
2.1.9 Truy vấn không gian
Xây dựng một CSDL không gian là tạo ra tập dữ liệu có liên quan với nhau trong không gian nhằm giải quyết các câu hỏi như: ngôi nhà A cách bệnh viện gần nhất là bao nhiêu? Có bao nhiêu con đường giao với con đường B? Tính chiều dài của con sông C? Các truy vấn không gian bao gồm các dạng: truy vấn vị trí, truy vấn về mối quan hệ, truy vấn các thuộc tính không gian khác Để truy vấn không gian trong CSDL quan hệ, hiện tại có 2 nhóm ngôn ngữ truy vấn chính: ngôn ngữ truy vấn không gian SQL mở rộng và ngôn ngữ truy vấn không gian SQL hiển thị [63]
Ngôn ngữ truy vấn không gian SQL mở rộng có các ngôn ngữ: SQL/OGIS, PSQL, QL/G, Spatial SQL, GeoSQL, CSQL, GEOQL, SQL/SDA Ngôn ngữ truy vấn không gian SQL hiển thị có các ngôn ngữ: Cigales, Query-by-Visual-Example, Spatial-Query-by-Sketch Trong đó, ngôn ngữ truy vấn không gian SQL mở rộng thường được sử dụng
Trang 32hơn và 4 ngôn ngữ phổ biến là: SQL/OGIS, QL/G, SQL/SDA, PSQL Chúng tôi lập bảng 2.7, so sánh 4 ngôn ngữ truy vấn phổ biến Trong đó, 1: bị thay đổi; 0: không đổi
Bảng 2.6 Các trường hợp thay đổi của một đối tượng trong GIS
STT Hình học Topology Ngữ nghĩa Minh họa
Point, Line, Polygon
Point, Line, Polygon
Point, Linesegment, Region
Đặc điểm
chính
Các dữ liệu không gian lưu trên bảng riêng
Cấu trúc cơ bản
là các hàm
Chấp nhận SQL với các kiểu dữ liệu không gian
Các kiểu dữ liệu là trừu tượng
Cú pháp của
mệnh đề
select
Select attributes from relations where
<conditions>
Select tuple (newname: e1,
….) from x1 in relations, Where
<conditions>
Select attributes from
<sub-select>
Where
<conditions>
Select attributes from relations
Trang 33Hướng được định nghĩa như vector đơn vị (hình 2.9) Trong không gian 3D, ba hướng được đánh nhãn như sau: sau-trước, trái-phải, trên-dưới Hướng theo cách này lấy một đối tượng làm hệ qui chiếu [44] Trong khi đó, hướng theo hệ thống toàn cầu được đánh nhãn: đông, tây, nam, bắc Ngoài ra còn có hướng theo người nhìn
Hình 2.9 Định nghĩa hướng
2.1.11 Cấu trúc không gian
Theo truyền thống, cấu trúc không gian trong GIS được tạo ra bằng 2 phương pháp tiếp cận: Raster và Vector [38]
Raster: Một đối tượng có cấu trúc là raster nếu chúng được tạo thành bởi các ô (pixel), mỗi ô được tham chiếu bởi vị trí dòng và cột [6] (hình 2.10 [80]) Trong 2D, ô là một phần tử trong một ô lưới giống như mảng hai chiều Trong 3D, khối (voxel) là một phần
tử trong một mảng ba chiều Không gian của đối tượng được chia thành các ô hay các khối Có hai cách để chia các ô này, chia đều và không đều [5] Cách chia đều sẽ tạo ra các ô, khối có hình dạng và kích thước giống nhau Các ô, khối thường là các hình chữ nhật hay khối chữ nhật Trong cách chia không đều, các ô, khối có hình dạng và kích thước khác nhau Kích cỡ các ô, khối cho biết độ phân giải Độ phân giải càng cao thì biểu diễn thế giới thực càng chính xác, nhưng kích thước dữ liệu lưu trữ lớn và tốc độ hiển thị lại chậm Một ví dụ thường thấy của dữ liệu raster là ảnh vệ tinh [41]
Trên
Trước Phải Dưới
SauTrái
Trang 34Hình 2.10 Minh họa cấu trúc Raster Vector: biểu diễn 1 đối tượng như là một đơn vị dữ liệu và lưu trữ một cách tường minh
[80] Điểm, Đường, Bề mặt, Khối dùng để biểu diễn một đối tượng có cấu trúc là vector
[6] Phương pháp vector biểu diễn các đối tượng thông qua các tọa độ của các điểm
(hình 2.11 [82]) Các điểm này nằm trên đường biên và được tham chiếu bởi hệ tọa độ
Descartes Bảng 2.8 so sánh những đặc trưng giữa hai cấu trúc vector và raster [6][34]
Hình 2.11 Minh họa cấu trúc Vector và Raster
Mô tả đối tượng Bởi các đường biên Trực tiếp
Biểu diễn không gian Chính xác nhờ tập tọa độ các đỉnh Xấp xỉ qua các ô, khối
Quan hệ topology giữa các
đối tượng
Được sử dụng cho các ứng
dụng liên quan đến
Bản đồ, quản lý đô thị Hình ảnh số, địa chất
2.2 Các mô hình dữ liệu GIS 3D
2.2.1 Các khái niệm
Trang 352.2.1.1 Mô hình, mô hình dữ liệu, mô hình dữ liệu không gian
Mô hình là thuật ngữ để biểu diễn các hiện tượng trong một phương thức dễ đọc [46]
Mô hình cũng có thể là sự trừu tượng hóa, đơn giản hóa về một thế giới thực, là cầu nối giữa lí thuyết và thực tiễn [46] Mô hình có thể được chia thành hai loại: số hóa và không số hóa Mô hình không số hóa thì dễ hiểu nhưng khó quản trị bởi máy tính [46]
Mô hình dữ liệu là phương thức biểu diễn thế giới thực một cách dễ hiểu đối với máy tính [46] Các mô hình dữ liệu quen thuộc gồm: mô hình quan hệ, mô hình thực thể kết hợp, mô hình hướng đối tượng
Mô hình dữ liệu không gian là một mô hình dữ liệu định nghĩa các thuộc tính và các thao tác trên các đối tượng không gian Những đối tượng này được mô tả bằng các loại
một đối tượng với 3 yếu tố: vị trí, hình dạng, kích thước Các yếu tố này phù hợp cho cách biểu diễn đồ họa hơn là biểu diễn bởi các giá trị số, chuỗi
Sự nghiên cứu và phát triển các mô hình dữ liệu không gian 2D bắt đầu vào những năm
1990 Sự phát triển của GIS 3D kế tục trên nền GIS 2D và 2.5D Trong nhiều trường hợp, GIS 2.5D dùng trong các mô hình số hóa địa hình, biểu diễn bề mặt quả đất [9]
Mô hình 2.5D không phải là mô hình GIS 3D thực, vì độ cao không phải là một phần trong cấu trúc của đối tượng [79]
Các đối tượng 3D, nếu biểu diễn như là hình chiếu của 2D có thể tạo ra các mất mát liên quan đến các thuộc tính, các mối quan hệ với các đối tượng khác và sẽ tạo ra các khó khăn trong những hiểu biết và phân tích không gian trên các đối tượng 3D [47] Sự phức tạp của cấu trúc GIS 3D đòi hỏi có sự phân tích cẩn thận khi xuất hiện thêm chiều thứ ba vào mô hình dữ liệu GIS 2D trước đó GIS 3D hiển thị thế giới thực thì tốt hơn GIS 2D vì thế giới quanh ta là thế giới ba chiều, nhưng xử lí chậm, dữ liệu lớn và chi phí bộ nhớ cao [73]
Trang 36Liên quan đến GIS 3D, hiện đã có một số hệ quản trị CSDL hỗ trợ kiểu dữ liệu không gian như: Informix 2006, Ingres 2006, Oracle 11g [75][76] Các kiểu đối tượng hỗ trợ gồm: Điểm, Đường, Đa giác [57]
Hiện nay có một số hệ thống cung cấp giải pháp biểu diễn và phân tích 3D như: ArcView 3D, Imagine virtual GIS, Geomedia Terrain, DAMAS GIS topograph, k-3D, Wing3D, Blender, Blently [29] [42] [51][72] Đặc biệt là ESRI và Google Earth
ESRI đã xây dựng nhiều mô hình dữ liệu cho các ứng dụng công nghiệp Mục đích việc xây dựng này là làm đơn giản hóa quá trình triển khai các dự án, để thúc đẩy, hỗ trợ các tiêu chuẩn tồn tại trong cộng đồng người dùng Người dùng sẽ có lợi thế tại điểm bắt đầu một dự án và tìm thấy nhiều vấn để hữu ích khác trên mô hình khi phát triển hệ thống của chính mình Lãnh đạo các nhà khoa học, công nghiệp đã hợp tác với ESRI để thiết kế các mẫu mô hình dữ liệu được sử dụng trên nền tảng GIS Kết quả của
sự hợp tác này là nhiều mô hình dữ liệu được thiết kế cho mỗi ngành công nghiệp và khoa học mà ESRI đang phục vụ Các mô hình dữ liệu ESRI đã xây dựng gồm nhiều ứng dụng trên các lãnh vực: lâm nghiệp, địa chất, nước ngầm, hệ thống cấp thoát nước, viễn thông, giao thông vận tải, tòa nhà Đây là những mô hình kết hợp giữa thuộc tính không gian và ngữ nghĩa [86]
COLLADA (COLLAborative Design Activity) được khởi xướng do Sony Computer Entertainment, để tạo ra một tiêu chuẩn trao đổi tài sản ở dạng kỹ thuật số COLLADA là một lược đồ XML bao gồm một hồ sơ chung, trong đó xác định một danh sách các tính năng mà tất cả các đối tác COLLADA đã đồng ý hỗ trợ COLLADA định nghĩa một lược đồ cơ sở dữ liệu XML cho phép các ứng dụng 3D tự do trao đổi các tài sản dạng kỹ thuật số mà không làm mất mát thông tin COLLADA hỗ trợ tất cả các tính năng 3D hiện đại trong các ứng dụng tương tác cần thiết, các hiệu ứng lập trình đổ bóng và mô phỏng vật lý COLLADA được tập trung vào việc cung cấp các giải pháp cho các ứng dụng tương tác, bao gồm các ngành công nghiệp trò chơi, công
Trang 37nghiệp phim, trong hệ thống hình ảnh thời gian thực và các ứng dụng tương tác khác như Google Earth COLLADA hỗ trợ nhiều tính năng: lưới hình học, các phép biến đổi, hiệu ứng, vật liệu, kết cấu, ánh sáng, hình ảnh động [85]
KML (Keyhole Markup Language) là một định dạng dựa trên chuẩn XML được sử dụng bởi Google Earth KML có thể được sử dụng để hiển thị các điểm hoặc các đối tượng vector từ một bản vẽ được định dạng cũng như cho hình ảnh KML là một phương thức nhanh chóng và thuận tiện để công bố dữ liệu GIS sử dụng với Google Earth [85]
2.2.1.2 Mô hình dữ liệu GIS 3D
Mô hình dữ liệu GIS 3D là chìa khóa của GIS 3D [6] và là một trong các chủ đề lớn bên cạnh bốn chủ đề lớn khác của GIS 3D: WebGIS, hiển thị dữ liệu, thu gom dữ liệu, phân tích không gian Một mô hình dữ liệu GIS 3D cũng giống như các mô hình dữ liệu khác, cần ba mức để biểu diễn: quan niệm, logic và vật lý [62] Sự phát triển của mô hình dữ liệu GIS 3D phụ thuộc vào hai yếu tố: CSDL không gian và kĩ thuật viễn thám [31] Mô hình GIS 2D là tập con của mô hình dữ liệu GIS 3D, tuy nhiên mô hình 3D phức tạp hơn nhiều [29] Có nhiều mô hình của các tác giả đã được đề xuất [4][5][14] [47] [48] [50] [65][66] Mục đích của phần này là cung cấp một cái nhìn toàn diện các mô hình
dữ liệu 3D đã được đề xuất So sánh những mô hình trên các tiêu chí Việc cố gắng phân loại các mô hình đã có sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu liên quan đến chủ đề GIS 3D và GIS 4D (là GIS 3D tích hợp thêm chiều thời gian)
Trước đây đã có vài tác giả đã thực hiện vấn đề này, tuy vậy các công việc của họ vẫn thiếu một số mô hình xuất hiện sau thời điểm mà tác giả nghiên cứu và sự so sánh còn mang tính rời rạc [4][41] [46] [56][65] Việc chọn lựa mô hình dữ liệu 3D để biểu diễn các đối tượng GIS 3D cho một ứng dụng cụ thể sẽ quyết định đến các phương thức lưu trữ, cách truy xuất, cách quản lí, cách xử lí khi hiển thị và các ràng buộc dữ liệu cũng khác nhau Một mô hình có thể tổ hợp mọi lãnh vực là không thực tiễn [49]
Trang 38Các mô hình dữ liệu của các tác giả đã đề xuất được phân loại bởi 4 dạng chính (hình 2.12):
Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các đường biên (B-REP)
Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các phần tử voxel
Biểu diễn các đối tượng 3D bằng cách tổ hợp các khối 3D cơ bản (CSG)
Biểu diễn các đối tượng 3D bằng cách tổ hợp 3 phương pháp trên
Hình 2.12 Các phương pháp tiếp cận mô hình dữ liệu 3D trong GIS
2.2.2 Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các đường biên
Phương pháp B-REP biểu diễn một đối tượng 3D dựa trên các phần tử đã được định nghĩa trước, gồm: Điểm, Đường, Bề mặt, Khối Trong đó, Đường có thể là các đoạn thẳng, các cung tròn, các đường tròn Bề mặt có thể là các đa giác phẳng, các mặt tạo bởi các cung tròn, các mặt nón, các mặt hình trụ .Khối là sự mở rộng của các mặt, biểu diễn các khối 3D, các khối có thể: hình hộp, hình nón, hình trụ, tổ hợp của các khối này hay một khối bất kì [5][6] B-REP phù hợp để biểu diễn các đối tượng 3D có hình dạng thông thường (nhân tạo) và vô hướng B-REP tập trung xây dựng các đối tượng và mối quan hệ giữa chúng [58]
2.2.2.1 Mô hình 3D-FDS (Format Data Structure)
Biểu diễn đối tượng không gian
1 Tiếp cận B-REP
2.Tiếp cận bằng phương pháp chia nhỏ bởi voxel
3 Tiếp cận CSG
4 Tiếp cận bằng phương pháp tổ hợp
1, 2, 3
Trang 39Mô hình 3D-FDS do Molenaar đề xuất 1990, được Rikker và đồng nghiệp phát triển
1993 [48] [50] Mô hình lấy 4 đối tượng cơ sở là BODY, SURFACE, LINE, POINT và các đối tượng nguyên tố là NODE, ARC, EGDE, FACE ARC phải là một đoạn thẳng, ARC và FACE không giao nhau EDGE, FACE phải là hai chiều SURFACE có đường biên và có thể có vài SURFACE không lồng nhau bên trong BODY có đường biên và
có thể có vài BODY không lồng nhau bên trong ARC và NODE có thể tồn tại bên trong FACE hay BODY (Hình 2.13)
Hình 2.13 Mô Hình 3D-FDS Chú thích:
MSA: mã số cung; MSB : mã số khối; MSL: mã số đường; MSN: mã số nốt;
MSP: mã số điểm; MSS: mã số bề mặt; X, Y, Z: tọa độ nốt trong không gian Oxyz 2.2.2.2 Mô hình TEN (Tetrahedral Network)
Mô hình do Pilouk đề nghị 1996, dựa trên 4 đối tượng cơ sở POINT, LINE, SURFACE, BODY [48] [50] Các thành phần nguyên tố trong mô hình gồm: ARC, NODE, TRIANGLE Một BODY được tạo bởi các TETRA Một SURFACE được tạo bởi các TRIANGLE Một LINE được tạo bởi các ARC NODE là một thành phần của ARC, ARC là một thành phần của TRIANGLE TRIANGLE là 1 thành phần của
Trang 40TETRAHEDRON (TETRA), các ngoại lệ không xem xét Mô hình TEN không phù hợp cho ứng dụng có các tòa nhà trong quản lí đô thị vì tạo ra khối lượng dữ liệu lớn không cần thiết TEN phù hợp cho các thao tác tính toán và truy vấn trong các ứng dụng ngành địa chất (hình 2.14)
Hình 2.14 Mô hình TEN Trong đó TETRA là một tứ diện có 4 mặt, mỗi mặt là 1 tam giác
Hình 2.15 Minh họa một TETRA Chú thích:
MSA: mã số cung; MSB : mã số khối; MSL: mã số đường; MSN: mã số nốt
MSP: mã số điểm; MST: mã số tam giác; MSTT: mã số tứ diện; MSS: mã số bề mặt
2.2.2.3 Mô hình OO (Object Oriented)
Mô hình (hình 2.16) do De la Losa, Cervelle đề xuất 1999 [5][6][65] Mô hình có thể biểu diễn, quản lý các lỗ hổng 2D (hình 2.17) và đường hầm 3D Mô hình có thể hỗ trợ các đối tượng không gian phức tạp Mô hình được xây dựng trên 4 đối tượng cơ sở: 0-Simplex, 1-Simplex, 2-Simplex, VOLUME và sử dụng 3 đối tượng nguyên tố: NODE,
