HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) (Ch3 – Cấu trúc dữ liệu GIS) Phan Trọng Tiến Department of Software Engineering Hanoi University of Agriculture Office location: 3rd floor, Administrative building Office phone: (04)38276346, Ext: 132 Website: http://fita.vn/pttien Email:ptgtien@hua.vn or phantien84@gmail.com Mục tiêu Giới thiệu các mô hình dữ liệu trong GIS Sau bài học này sinh viên có thể: Mô tả mô hình dữ liệu Vector và cho ví dụ Mô tả mô hình dữ liệu Raster và cho ví dụ Mô tả mô hình dữ liệu TIN Giải thích “topology” Mô tả các định dạng chính sử dụng trong GIS Các đối tượng đồ họa Các đối tượng hiển thị trên bản đồ được gọi là các đối tượng đồ họa hay các đối tượng. Các đối tượng có thể là tự nhiên hoặc do con người tạo ra nó. Các đối tượng đồ họa Vectors Points or Nodes Lines or Arcs Polygons Raster Cells or Pixels Images Digital Orthophotography Các loại dữ liệu GIS Images Vector Raster (GRID) Attributes TIN (Triangulated Irregular Network) Annotation © Paul Bolstad, GIS Fundamentals Các loại dữ liệu GIS © Paul Bolstad, GIS Fundamentals Dữ liệu không gian • RASTER • VECTOR • Thế giới thực Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency Các bản đồ điện tử ở hai định dạng Raster và Vector Các nguồn dữ liệu Raster Ảnh máy bay Ảnh vệ tinh Các bản đồ quét Ảnh số trực giao (Digital Orthophotography) Một ảnh được quét, dùng các công cụ toán học sửa, bỏ đi, dịch chuyển để có các hiệu quả mong muốn đó là các đối tượng luôn hiển thị vuông góc với mặt đất. Ảnh trực giao cho ta ảnh giống như thực trạng của trái đất.
Image Copyright 1993 Nassau County, NY Các bản đồ dạng Raster (images) Thiết lập bởi màu sắc của các pixel Cách đơn giản một mảng các pixel được xếp theo các hàng và các cột Các Pixel là được tô màu, nhưng không miêu tả các đối tượng một cách rõ ràng Rasters có thể có giá trị đi kèm. Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency Đặc điểm của Raster Trông giống trang bản đồ giấy Giá thành rẻ và dễ sản xuất Chạy dễ dàng trên PC Có sẵn mọi nơi. Nhược điểm: Mốc tính toán có hoặc không theo hệ tọa độ WGS84 Không cho phép tự động loại bỏ chế độ nền hay sự trợ giúp phân tích của máy tính. Lưu trữ không hiệu quả Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency Dữ liệu dạng Vector Một cách lưu trữ thông minh dữ liệu GIS, ở đó các đối tượng thế giới thực được miêu tả bằng các điểm (Point), đường (Line) và vùng (Polyline).
Một đối tượng được miêu tả bởi các thuộc tính và các tọa độ. Ví dụ: Các bản đồ số hóa Dữ liệu GIS Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency Liên kết các thuộc tính và đồ họa Trong GIS chứa thông tin. GIS kết hợp bản đồ với hệ quản trị cơ sở dữ liệu. Vì vậy khi phân tích dữ liệu không gian chỉ cần “click” trên đối tượng địa lý và tìm thông tin về nó.
Hoặc có thể tryu vấn trong database để tìm thông tin về tất các các đối tượng thỏa mãn điều kiện lọc. Thông tin về một đối tượng GIS được gọi là thuộc tính (attribute) Liên kết các thuộc tính với đồ họa Trong ví dụ này, ngưởi dùng truy vấn chọn ra tất cả các thuộc tính mà được phân loại các gia đình = 210, và các vùng tìm thấy có màu đỏ Dữ liệu Vector được phân lớp • Features: 1 • 2 • 5 • Line • Points: • Connected • Lake • 4 Detached 7 • Area 6 •• Text Spatial Data Analysis 30 30’ N 30 30’ N 040 40’ E 040 50’ E Dữ liệu GIS đặt riêng biệt trên các theme Network Analysis Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency Sự thay đổi về mô hình Có thể nhìn thấy sự khác nhau giữa bản đồ giấy và bản đồ số (phụ thuộc vào phần mềm) Database cho phép truy vấn và chọn các layer Phóng to các chi tiết Phức tạp, đắt tiền và tốn nhiều thời gian để làm ra sản phẩm Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency Các mô hình dữ liệu Raster và Vector Real World 600 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 B G Trees 500 2 B G G 3 B 400 4 BG G Trees Y-AXIS 5 B G G 300 6 B G BK House 7 B 200 8 B B G River 9 B 100 10 B 100 200 300 400 500 600 X-AXIS Miêu tả Raster Miêu tả Vector Source: Defense Mapping School National Imagery and Mapping Agency Mô hình dữ liệu Vector Dữ liệu GIS được lưu trữ trong các lớp riêng biệt như Point, Line, Polygon © Paul Bolstad, GIS Fundamentals Cấu trúc dữ liệu Vector Có mối quan hệ giữa các kiểu dữ liệu vector. Mỗi kiểu thường độc lập trên một kiểu khác nhau. Khi miêu tả dữ liệu GIS theo định dạng vector, dữ liệu phải được lưu trữ: Points: là các đối tượng vô hướng có vị trí Point không gian, miêu tả các đối tượng GIS như vị trí, hoặc cây … Lines: miêu tả đối tượng một chiều, có vị trí, có chiều dài như đường, sông.
Lines được tạo bởi việc kết nối các điểm với Line nhau. Một đường bắt đầu và kết thúc tại một điểm gọi là nút (node), và các điểm tạo nên đường gọi là đỉnh (Vertices). Polygons/Area: miêu tả đối tượng hai chiều, có vị trí, có chiều dài, và có cả chiều rộng như đường danh giới của cánh đồng, đất đai, hoặc hồ … Nó được tạo bởi Polygon việc kết nối các đường, điểm bắt đầu của polygon cũng là điểm kết thúc Points Point là đối tượng vô hướng có vị trí và thuộc tính thông tin nhưng quá nhỏ để được biểu diễn bằng vùng. Tỷ lệ bản đồ quyết định một đối tượng là điểm hay không.
Ứng dụng kiểu điểm Các mẫu đất Kiểu PH Chất gây ôi nhiễm (Contaminants) Vị trí các cột đèn Các vị trí xảy ra tai nạn Các trung tâm Khối/Đoạn Địa chỉ Chủ sở hữu Các cột đèn Các trung tâm Lines or Arcs Lines là các đối tượng một chiều, có vị trí, có chiều dài nhưng không có vùng như đường, sông. Lines được tạo bởi việc kết nối các điểm với nhau. Một đường bắt đầu và kết thúc tại một điểm gọi là nút (node), và các điểm tạo nên đường gọi là đỉnh (Vertices). Ứng dụng Lines or Arcs Đường phố Sông suối Street Name Depth Address Ranges Quality Hệ thống nước Flow Rate Pipe size Pipe Material Date Installed Đường phố Polygons Polygons là đối tượng hai chiều, có vị trí, có chiều dài, và có cả chiều rộng (hay có diện tích) Ứng dụng Polygons Các mảnh đất Parcel ID Number Dimensions and Area Đường danh giới Type Permeability Vùng lũ lụt Polygons Polygons Mô hình dữ liệu Vector KiÓu VÞ trÝ §iÓm 3,2 §êng 1,5; 3,5; 5,7; 8,8; 11,7 Vïng 5,3; 6,5; 7,4; 9,5; 11,3; 8,2; 5,3 Điểm: Được thể hiện bằng một cặp toạ độ Đường: Được thể hiện bằng một chuỗi các cặp toạ độ Vùng: Được thể hiện bằng một chuỗi các cặp toạ độ và cặp toạ độ đầu và cặp toạ độ cuối trùng nhau.
Cấu trúc dữ liệu Vector KiÓu VÞ trÝ §iÓm 3,2 §êng 1,5; 3,5; 5,7; 8,8; 11,7 Vïng 5,3; 6,5; 7,4; 9,5; 11,3; 8,2; 5,3 Điểm: Được thể hiện bằng một cặp toạ độ Đường: Được thể hiện bằng một chuỗi các cặp toạ độ Vùng: Được thể hiện bằng một chuỗi các cặp toạ độ và cặp toạ độ đầu và cặp toạ độ cuối trùng nhau. Sù thÓ hiÖn d÷ liÖu d¹ng Vector Mçi ®iÓm ®îc thÓ hiÖn b»ng 1 cÆp täa ®é Mçi ®êng thÓ hiÖn b»ng 1 chuçi c¸c cÆp täa ®é Mçi vïng ®îc thÓ hiÖn b»ng 1 chuçi c¸c cÆp täa ®é, cã cÆp täa ®Çu vµ cÆp täa cuèi trïng nhau. MÔ HÌNH VECTOR Dữ liệu ở dạng Vector được tổ chức ở 2 mô hình: Mô hình Spagheti Mô hình quan hệ không gian Topology Mô hình dữ liệu Vector Spaghetti • Là mô hình dữ liệu đơn giản, các đối tượng chỉ được lưu trữ bằng các cặp toạ độ. • Thông tin về quan hệ không gian.
• Thông tin thuộc tính. Mô hình dữ liệu Vector Spaghetti Không mô tả được mối quan hệ không gian giữa các đối tượng, vì thế các phép phân tích, tính toán không gian đều thực hiện khó khăn. Dữ liệu dạng vùng, đường ranh giới giữa 2 vùng được ghi nhận 2 lần, mỗi lần cho một vùng. Ưu điểm của mô hình là đơn giản, dễ trình bày, biên tập, in ấn.vì vậy vẫn được sử dụng rộng rãi để thành lập bản đồ.
Phần mềm điển hình là Mapinfo. Mô hình dữ liệu Vector Topology Là một mô hình phức tạp, các đối tượng được quản lý không chỉ bởi toạ độ mà còn bằng cả mối quan hệ không gian giữa các đối tượng. Mô tả trọn vẹn các thông tin của các đối tượng không gian bao gồm: Thông tin về vị trí không gian (Spatial data): Thông tin được thể hiện theo mô hình vector, bằng các tọa độ mô tả vị trí, hình dạng, đường biên của các đối tượng. Thông tin về quan hệ không gian (Relational Spatial data – Topology).
Mô hình dữ liệu Topology thể hiện QHKG dưới 3 kiểu quan hệ là: Liên thông với nhau: thể hiện dưới dạng file đường - điểm nối (Arc-Node topology) Kề nhau: thể hiện dưới dạng file mô tả đường bao (Polygon-Arc topology) Nằm trong nhau, phủ nhau. Mô hình dữ liệu Vector Topology - Thông tin về vị trí trong không gian + Dữ liệu không gian các đối tượng vùng là một tập các đối tượng đường định nghĩa đường bao vùng và một điểm nhãn. + Điểm nhãn nằm trong đối tượng vùng có ý nghĩa để xác định cho vùng này. Mô hình dữ liệu Vector Topology -Thông tin về quan hệ không gian + Dữ liệu không gian các đối tượng vùng là một tập các đối tượng đường định nghĩa đường bao vùng và một điểm nhãn.
+ Mô hình Topology dùng các quan hệ không gian để định nghĩa các đặc tính không gian của các đối tượng Các quan hệ không gian Các đặc tính không gian Mỗi một đường (arc) có điểm bắt đầu và Độ dài của đường. kết thúc tại điểm nút (node). (Diện tích vùng, chu vi vùng) Các đường tham gia định nghĩa vùng ở cả Tính kề nhau hai bên : phải và trái.