cơ sở dữ liệu không gian

LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành cảm ơn đến : Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh. Trong suốt 4 năm học tại trường, Ban Giám Hiệu đã tạo mọi điều kiện tốt để em có thể học tập, trau dồi thêm kiến thức cho mình. Ban chủ nhiệm Khoa Toán – Tin Học. Toàn thể quí thầy cô thuộc tổ bộ môn Tin, đã tận tình giảng dạy những kiến thức chuyên môn cho em. Đó là những kiến thức nền tảng giúp em vững bước trên con đường học tập và nghiên cứu sâu hơn về chuyên môn sau này. Xin chân thành cảm ơn đến : Thầy Ngô Quốc Việt, người đã trực tiếp cung cấp đề tài và hướng dẫn thực hiện đề tài này. Và cuối cùng, xin cảm ơn đến những người bạn của tôi. Những người đã trao đổi, đóng góp, phê bình và động viên tôi trong thời gian thực hiện đề tài này. 1 MỤC LỤC Lời cảm ơn 1 Mục lục 2 Danh mục các hình vẽ 5 NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN : Chương 1 : Giới thiệu về cơ sở dữ liệu không gian 7 1.1 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu 7 1.2 Những thuật ngữ dùng trong các ứng dụng cơ sở dữ liệu không gian 8 1.2.1 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý 8 1.2.2 Các thuật ngữ trong các ứng dụng GIS 9 1.2.2.1 Theme 9 1.2.2.2 Map 9 1.2.2.3 Đối tượng địa lý 10 1.3 Các phép toán trên dữ liệu địa lý không gian 10 1.3.1 Phép chiếu theme 10 1.3.2 Phép chọn theme 11 1.3.3 Phép hợp theme 11 1.3.4 Phép phủ theme 13 1.3.5 Phép lựa chọn hình học 14 1.3.6 Phép kết hợp 14 1.4 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu hỗ trợ cho cơ sở dữ liệu địa lý không gian 15 1.5 Các yêu cầu đối với hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian 16 Chương 2 : Biểu diễn đối tượng không gian 17 2.1 Mô hình không gian địa lý 17 2.1.1 Mô hình thực thể 17 2.1.2 Mô hình không gian 18 2.2 Các phương thức biểu diễn 18 2.2.1 Phương thức Tessellation 18 2.2.2 Phương thức Vector 20 2 2.2.3 Phương thức biểu diễn Nửa-Phẳng 21 2.3 Biểu diễn hình học của tập các đối tượng 21 2.3.1 Mô hình Mạng 21 2.3.2 Mô hình TôPô 23 Chương 3 : Mô hình Lôgic và ngôn ngữ truy vấn 25 3.1 Các lược đồ tham chiếu 25 3.1.1 Các đơn vị quản lý 25 3.1.2 Mạng lưới giao thông giữa các thành phố 25 3.1.3 Land-Use 26 3.2 Các câu truy vấn mẫu 26 3.3 Các kiểu dữ liệu không gian trừu tượng 27 3.3.1 Mở rộng mô hình với các kiểu dữ liệu không gian trừu tượng 27 3.3.2 Xây dựng các kiểu dữ liệu không gian trừu tượng 29 3.4 Mô hình quan hệ mở rộng với ADT 31 3.4.1 Biểu diễn của lược đồ tham chiếu 31 3.4.2 Truy vấn 34 3.5 Mô hình hướng đối tượng 38 3.5.1 Các khái niệm cơ bản trong hệ cơ sở dữ liệu hướng đối tượng 38 3.5.2 Biểu diễn của lược đồ tham chiếu 39 3.5.3 Các lớp không gian 41 Chương 4 : Mô hình dữ liệu ràng buộc 43 4.1 Mô hình dữ liêu không gian với các ràng buộc 43 4.2 Mô hình dữ liệu ràng buộc tuyến tính 48 4.2.1 Biểu diễn dữ liệu 48 4.2.2 Truy vấn bậc nhất 48 Chương 5 : Các thuật toán cho đối tượng hình học 51 5.1 Các khái niệm cơ bản 51 5.1.1 Thuật toán 51 5.1.2 Phân tích thuật toán 52 3 5.2 Các chiến lược thuật toán hữu hiệu 53 5.2.1 Thuật toán gia tăng : Ví dụ bao lồi 53 5.2.2 Chiến lược chia để trị : Ví dụ nửa mặt phẳng giao nhau 56 5.2.3 Phương thức đường quét : Ví dụ hình chữ nhật giao nhau 58 5.3 Phân chia đa giác 60 5.3.1 Hình thang hóa một đa giác đơn 60 5.3.2 Tam giác hóa một đa giác đơn 61 5.4 Các thuật toán cho cơ sở dữ liệu không gian 64 5.4.1 Thuật toán kiểm tra điểm trong đa giác 64 5.4.2 Thuật toán kiểm tra đoạn thẳng giao nhau 65 5.4.3 Thuật toán kiểm tra đa giác giao nhau 67 5.4.4 Thuật toán Windowing 67 5.4.5 Thuật toán Clipping 68 Tài liệu tham khảo 71 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 : Sự tương tác của hệ QTCSDL với người dùng và với CSDL Hình 2 : Một bản đồ Việt Nam Hình 3 : Minh họa phép chiếu Hình 4 : Minh họa phép chọn Hình 5 : Minh họa phép hợp theme : (a) Những quốc gia có dân số trên 10 triệu, (b) Những quốc gia có dân số ít hơn 10 triệu, (c) Hợp của hai theme (a) và (b). Hình 6 : Phủ theme : (a) theme những quốc gia phía Tây Châu Âu, (b) Những ngôn ngữ được dùng ở Tây Âu. Hình 7 : Window Hình 8 : Clipping Hình 9 : Merger Hình 10 : Biểu diễn quan hệ giữa các quốc gia Hình 11 : (a) Đường gấp khúc khép kín; (b) Đường gấp khúc không đơn; (c) Đường gấp khúc không đơn điệu. Hình 12 : (a) Đa giác đơn; (b) Đa giác không đơn; (c) Đa giác lồi; (d) Đa giác đơn điệu. Hình 13 : Tessellation có quy tắc : (a) chia theo lưới vuông, (b) chia theo lục giác đều. Hình 14 : Tessellation không có quy tắc : (a) các vùng địa chính, (b) biểu đồ Voronoi. Hình 15 : Biểu diễn đa giác P bằng các pixel. Hình 16 : Biểu diễn đa giác bằng phương thức vector. Hình 17 : Đa giác P được biểu diễn bằng các nửa mặt phẳng giới hạn bởi các đường L1, L2, L3. Hình 18 : Minh họa mô hình mạng. Hình 19 : Biểu diễn của các đa giác trong mô hình Tôpô. Hình 20 : Các đơn vị quản lí. 5 Hình 21 : Minh họa lược đồ 2. Hình 22 : (a) Điểm, (b) Đường gấp khúc, (c) Đường gấp jgúc phức tạp, (d) Đa giác, (e) tập đa giác, (f) hỗn hợp. Hình 23 : (a) Hai đa giác lồi, (b) Hai đa giác không lồi, (c) Đường và đa giác, (d) Đường và đa giác có một đoạn chung, (e) Hai đa giác kề nhau. Hình 24 : Mô hình dữ liệu không gian của các tập điểm trong R 2 : (a) Tập điểm xác định, (b) Tập điểm không xác định. Hình 25 : Biểu diễn đường gấp khúc trong cơ sở dữ liệu ràng buộc. Hình 26: Đa giác không lồi trong cơ sở dữ liệu ràng buộc. Hình 27 : Giao của Road và Spat. Hình 28 : Ba mức trong sơ đồ. Hình 29 : Kết quả giao của Road và Spat. Hình 30 : Biểu diễn kết quả của Query 2. Hình 31 : Biểu diễn kết quả của Query 3. Hình 32 : (a) Các tiếp tuyến từ p i , (b) Bao lồi mới. Hình 33 : Minh họa thuật toán gia tăng bao lồi. Hình 34 : Minh họa thuật toán nửa phẳng giao nhau. Hình 35 : Minh họa thuật toán dùng đường quét. Hình 36 : Hình thang hóa một đa giác đơn. Hình 37 : Sự tách hình thang. Hình 38 : Chia đa giác đơn thành các thành phần đơn điệu. Hình 40 : Minh họa thuật toán điểm trong đa giác. Hình 41 : Thuật toán đường quét. Hình 42 : Clipping một cạnh dựa vào nửa phẳng H. Hình 43 : Minh họa xén đa giác qua 4 bước. 6 Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN 1.1 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu Một cơ sở dữ liệu là một tập hợp lớn các dữ liệu có quan hệ với nhau, chứa thông tin của một cơ quan, tổ chức nào đó được lưu trữ bên trong một môi trường máy tính để đáp ứng nhu cầu khai thác thông tin của người sử dụng với các mục đích khác nhau. Cơ sở dữ liệu quan hệ là cơ sở dữ liệu có cấu trúc bao gồm các bảng dữ liệu, mỗi bảng dữ liệu có quan hệ với bảng khác theo một trong ba loại mối quan hệ (quan hệ một - một, quan hệ một - nhiều, quan hệ nhiều - nhiều). Chúng có thể có quan hệ trực tiếp với nhau, cũng có thể có quan hệ gián tiếp thông qua bảng khác. Những bảng này được định nghĩa như một đối tượng trong cơ sở dữ liệu và chúng có quan hệ với nhau. Một hệ quản trị cơ sở dữ liệu là một phần mềm quản lí cấu trúc cơ sở dữ liệu và điều khiển việc xử lý dữ liệu. Tổng quát hơn, một hệ quản trị cơ sở dữ liệu là phần mềm bao gồm một quá trình xử lý : • Định nghĩa một cơ sở dữ liệu • Xây dựng cơ sở dữ liệu • Thao tác cơ sở dữ liệu • Truy vấn dữ liệu để lấy dữ liệu cần thiết • Cập nhật cơ sở dữ liệu Mỗi hệ quản trị cơ sở dữ liệu gồm nhiều thành phần, mỗi thành phần có chức năng cụ thể, trong đó hai thành phần chình là bộ xử lý truy vấn và bộ quản lý dữ liệu. Hình sau là sơ đồ đơn giản cho ta biết sự tương tác của hệ quản trị cơ sở dữ liệu với người dùng và với cơ sở dữ liệu. 7 Hình 1 : Sự tương tác của hệ QTCSDL với người dùng và với CSDL 1.2 Những thuật ngữ dùng trong các ứng dụng cơ sở dữ liệu không gian 1.2.1 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin. Có nhiều cách khác nhau khi định nghĩa GIS. Xét dưới góc độ hệ thống, GIS có thể được hiểu như một hệ thống gồm các thành phần : con người, phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu và quy trình kiến thức chuyên gia, nơi tập hợp các quy định, quy phạm, tiêu 8 Hệ quản trị CSDL Trình ứng dụng Truy vấn Bộ quản lí dữ liệu Bộ xử lí truy vấn Bộ quản lí tệp (hệ điều hành) CSDL chuẩn, định hướng, chủ trương ứng dụng của nhà quản lý, các kiến thức chuyên ngành và các kiến thức về công nghệ thông tin. 1.2.2 Các thuật ngữ trong các ứng dụng GIS 1.2.2.1 Theme (chủ đề) Trong GIS, những thông tin địa lý không gian tương ứng với một chủ đề riêng biệt thì được hình thành trong một theme. Một theme giống như một mối quan hệ được định nghĩa trong mô hình quan hệ, nó gồm một lược đồ với những mô tả. Những con sông, những thành phố, những quốc gia,… là những ví dụ về theme. 1.2.2.2 Map (bản đồ) Khi một theme được biểu thị trên giấy hoặc trên màn hình máy tính thì những gì mà chúng ta thấy gọi là một bản đồ (map) với những màu sắc, tỉ lệ, những sự kiện,…Bản đồ địa hình, bản đồ xe lửa, bản đồ thời tiết là những mẫu bản đồ mà chúng ta hay thấy. Hình 2 : Một bản đồ Việt Nam 9 1.2.2.2 Đối tượng địa lý (Geographic Objects) Một đối tượng địa lý là một thực thể ở thế giới thực bao gồm hai thành phần : • Thành phần mô tả : Đối tượng được mô tả bằng việc thu thập các thuộc tính về nó. Chẳng hạn, tên và dân số của một thành phố là những mô tả về nó. Những thuộc tính của đối tượng được xem là thành phần mô tả chính. • Thành phần không gian : Được hình thành từ hai yếu tố hình học và địa hình. Ví dụ một thành phố được biểu diễn như một đa giác trong không gian hai chiều. 1.3 Các phép toán trên dữ liệu địa lý không gian Cho hai theme : (1) Countries, với các thuộc tính là tên, thủ đô, dân số và một thành phần không gian là geo. (2) Languages, với thuộc tính là ngôn ngữ và một thuộc tính không gian là geo. Hai theme được mô tả bằng các lược đồ sau : Countries (tên, thủ đô, dân số, geo : vùng) Languages (language, geo : vùng) Ta có các phép toán sau (lấy ví dụ từ hai theme trên) : 1.3.1 Phép chiếu theme (Theme Projection) Phép chiếu theme, kí hiệu theme x {A1,…,An}  theme, trong đó {A1, …,An} là tập con các thuộc tính của theme, cho kết quả là một theme với những mô tả được hình thành từ tập thuộc tính {A1,…,An} và thành phần không gian đã được chuyển đổi. Hình 3 : Minh họa phép chiếu 10 [...]... không gian cũng như các cơ sở dữ liệu cổ điển B-cây không còn thích hợp cho việc truy cập dữ liệu không gian Do đó chúng ta cần những cấu trúc dữ liệu mới để chỉ số hóa cho cơ sở dữ liệu không gian • Một số giải thuật không thể sử dụng trong cơ sở dữ liệu địa lý không gian, như giải thuật nối Vì vậy, chúng ta cần có một số giải thuật mới 17 Chương 2 BIỂU DIỄN ĐỐI TƯỢNG KHÔNG GIAN 2.1 Mô hình không gian. .. trị cơ sở dữ liệu không gian • Dữ liệu biểu diễn dưới dạng logic phải được chuyển sang dạng hình học để tạo ra sự đơn giản và thân thuộc đối với người dùng • Ngôn ngữ truy vấn phải chứa đựng những phương thức mới, chứa đựng nhiều phép toán phù hợp với thao tác đối tượng hình học • Có sự trình bày vật lý hiệu quả dữ liệu không gian • Việc truy cập dữ liệu hiệu quả là cần thiết đối với cơ sở dữ liệu không. .. của một khu vực được đánh dấu trên màn hình 3.3 Các kiểu dữ liệu không gian trừu tượng (Spatial Abstract Data Types – ADT) 3.3.1 Mở rộng mô hình dữ liệu với các kiểu dữ liệu không gian trừu tượng Chọn các kiểu dữ liệu thích hợp : Trong việc mở rộng mô hình dữ liệu để cho thích hợp với việc xem xét các lược đồ đã trình bày, có một số kiểu dữ liệu mới được xác định, đó là : đường gấp khúc phức tạp (complex... (theme x condition  theme) Là sự kết hợp từ các theme giống nhau với một điều kiện được cho bởi người dùng để tạo ra một theme mới 14 Hình 9 : Merger 1.4 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu hỗ trợ cho cơ sở dữ liệu địa lý không gian Hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ : Những đặc trưng chính : • Các theme được trình bày bằng các bảng quan hệ Một đối tượng địa lí là một bộ (một dòng) của quan hệ, mỗi cột là một thuộc... lưới vuông, (b) chia theo lục giác đều • Phương thức Tessellation không có quy tắc : các đơn vị được chia là các đa giác có kích thước khác nhau Hình 14 : Tessellation không có quy tắc : (a) các vùng địa chính, (b) biểu đồ Voronoi Biểu diễn dữ liệu trong mô hình thực thể bằng phương thức Tessellation Một đối tượng không gian trong không gian hai chiều được biểu diễn bằng một tập các pixel trên máy tính,... real ( Tính khoảng cách giữa một điểm và đường biên của một miền ) 3.3.2 Xây dựng các kiểu dữ liệu không gian trừu tượng Xác định danh sách các phép toán Trong các ứng dụng GIS và các ứng dụng không gian khác, việc xác định các phép toán là rất cần thiết Chẳng hạn, việc phân tích thị trường đòi hỏi phải trình bày dữ liệu ở những mức khác nhau, hay những hệ thống dẫn đường ô tô cần những phép toán xác định... và các đối tượng bề mặt hỗn hợp (mixed) Các kiểu dữ liệu này được xác định dựa trên việc định nghĩa mô hình dữ liệu ràng buộc (The constraint data model) mà chúng ta sẽ tìm hiểu mô hình này kĩ hơn ở chương sau Ở đây, chúng ta chỉ đưa ra một số ví dụ về các loại hình học được lựa chọn cho các kiểu dữ liệu đó • Loại điểm : Một điểm là một ví dụ về kiểu dữ liêu này 28 • Loại đường gấp khúc, đường thẳng... (b) Đa giác không đơn; (c) Đa giác lồi; (d) Đa giác đơn điệu 2.1.2 Mô hình không gian (Space-Based Model) Trong mô hình này, mỗi điểm trong không gian được gắn với một hoặc nhiều giá trị thuộc tính, được định nghĩa như là một hàm số liên tục với x và y Ví dụ, độ cao so với mực nước biển là một hàm định nghĩa trên x và y, mà kết quả là giá trị của biến h đối với bất kì điểm nào trong không gian hai chiều... nguyên với kết quả đại số Bool : Những phép toán này kiểm tra một đối tượng không gian với những thuộc tính đã cho, như kiểm tra tính lồi, tính liên thông • Những phép toán đơn nguyên với kết quả vô hướng : Được sử dụng để tính độ dài, kích thước, chu vi của các đối tượng không gian • Những phép toán đơn nguyên với kết quả không gian : Bao gồm phép quay, phép tịnh tiến, phép co giãn và phép đối xứng;... toán N-phân với kết quả không gian : Sự đa dạng của những phép toán này là việc xây dựng biểu đồ Voronoi, được cấu trúc từ một tập điểm và bao lồi • Những phép toán nhị phân với kết quả không gian : Gồm những phép toán về tập hợp, cho ra những đối tượng được biểu diễn bằng tập hợp điểm như : phép giao, phép hợp,…Chúng được sử dụng trong những truy vấn khi tính một đối tượng không gian mới Ví dụ, phép . VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN 1.1 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu Một cơ sở dữ liệu là một tập hợp lớn các dữ liệu có quan hệ với nhau, chứa thông tin của một cơ. trị cơ sở dữ liệu là phần mềm bao gồm một quá trình xử lý : • Định nghĩa một cơ sở dữ liệu • Xây dựng cơ sở dữ liệu • Thao tác cơ sở dữ liệu • Truy vấn dữ