Ứng dụng logic mờ trong hệ thống thông tin địa lý (gis)

Bộ giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hµ néi - luận văn thạc sĩ khoa học ứng dụng logic mờ hệ thống thông tin địa lý (GIS) ngành: Công nghệ thông tin m số: trần văn đoài Ngời hớng dẫn khoa học: TS Trần Đình KHANG hà nội 2006 Lời cam đoan Các kết nghiên cứu luận văn vấn đề mang tính phổ biến mà tác giả đÃ đề cập tới dới dạng định nghĩa khái niệm hoàn toàn vấn đề tham khảo đợc trích dẫn cụ thể Các hình vẽ, minh họa kết thực nghiệm tác giả thực Nội dung đề tài tác giả cha công bố công trình nghiên cứu khác Tác giả xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nội dung luận văn Tác giả Trần Văn Đoài Lời cám ơn Luận văn em khó hoàn thành truyền đạt kiến thức quý báu hớng dẫn tận tình thầy giáo Trần Đình Khang Em xin chân thành cảm ơn ý kiến phản biện quý báu thầy, cô giáo đÃ phản biện luận văn Và xin chân thành cám ơn ý kiến tham luận thầy, cô giáo bạn hội nghị khoa học lần thứ 20 trờng Đại học Bách khoa Hà Nội Qua em nắm bắt quan tâm ngời hớng cần làm rõ ®Ĩ ng−êi ®äc cã thĨ hiĨu ®−ỵc ý ®å cđa tác giả Em xin chân thành cám ơn quý thầy, cô Khoa Công nghệ Thông tin trờng Đại học Bách khoa Hà Nội đÃ tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức quý báu suốt khóa học làm tảng cho em hoàn thành luận văn Em xin cám ơn thầy, cô Trung tâm Đào tạo sau Đại học đÃ tạo điều kiện để em hoàn thành khóa học luận văn Mặc dù đÃ cố gắng nỗ lực hết mình, song chắn luận văn không khỏi thiếu sót Em mong nhận đợc thông cảm bảo tận tình thầy, cô giáo bạn nh quan tâm tới lĩnh vực mà luận văn thực Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2006 Tác giả Trần Văn Đoài Mục lơc Trang Lêi cam ®oan Lời cám ơn Danh mơc çc ký hiƯu, çc chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Më ®Çu 10 Ch−¬ng - Tỉng quan 13 Chơng - Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 17 2.1 Kh¸i niƯm 17 2.1.1 Một số định nghĩa 18 2.1.2 Lịch sử phát triĨn cđa GIS 20 2.2 Thu thËp d÷ liƯu 21 2.2.1 Thu thập liệu không gian 22 2.2.2 Thu thËp d÷ liƯu thuéc tÝnh 22 2.3 Thao tác liệu 22 2.4 Qu¶n lý d÷ liƯu 22 2.5 Truy vấn phân tích d÷ liƯu 23 2.6 Hiển thị liệu 24 2.7 Mô hình d÷ liƯu 25 2.8 Các đối tợng GIS 26 2.9 Kết nối liệu không gian liệu thuéc tÝnh 34 2.10 Chång xÕp phân tích GIS 35 Ch−¬ng - øng dơng logic mê hệ thống thông tin địa lý 37 3.1 Giíi thiƯu chung 37 3.1.1 Nguyªn lý më réng çc hƯ thèng GIS 40 3.1.2 Tính không rõ ràng hạn chế cña Logic râ GIS 40 3.1.3 TÝnh chÊt mê çc hƯ thèng GIS 43 3.2 Logic mê GIS 44 3.2.1 Khái niệm tập hợp rõ tập hợp mê 44 3.2.2 HÖ mê GIS 51 3.2.3 So sánh Logic mờ logic rõ (logic kinh điển) 56 3.3 Mô hình liệu không gian phép toán 57 3.3.1 Mô hình liệu kh«ng gian 57 3.3.2 Phân lớp phép toán GIS 58 3.4 Më réng m« hình liệu với Logic mờ 61 3.5 Më réng çc phÐp to¸n víi Logic mê 61 3.5.1 Phép toán phân lớp mờ (Fuzzy Reclasification) 62 3.5.2 Phép toán vùng đệm mờ (Fuzzy Buffer) 63 3.5.3 Kho¶ng çch mê (Fuzzy Distance) 66 3.5.4 Chång xÕp mê (Fuzzy Overlay) 68 3.5.5 Lùa chän mê (Fuzzy Select), t×m kiÕm mê 69 3.5.6 Suy luËn mê 70 3.6 Lùa chän vÞ trÝ dùa chuỗi phép toán GIS 73 3.6.1 Lùa chän vÞ trÝ sư dơng logic mê 74 3.6.2 Bµi toán định không gian logic mờ 75 Chơng - Giải số to¸n b»ng øng dơng logic mê GIS 79 4.1 Tìm vị trí mở rộng thành phố Thái Bình 79 4.1.1 Phát biểu toán 79 4.1.2 Phơng pháp tiến hành 79 4.1.3 Kết đạt đợc 83 4.2 Bài toán xác định ®−êng ®i ng¾n nhÊt sư dơng logic mê 88 4.2.1 Phát biểu toán 88 4.2.2 Ph−¬ng pháp tiến hành 88 4.2.3 Kết đạt đợc 90 4.3 Bài toán tìm vị trí xây dựng nhà máy xi măng 90 4.3.1 Phát biểu toán 90 4.3.2 Phơng pháp tiến hành 91 4.3.3 KÕt đạt đợc 94 KÕt luËn 96 Tài liệu tham khảo 97 Danh mơc çc ký hiệu, chữ viết tắt GIS - Là từ viết t¾t cđa: Geographic Infomation System Logic mê : Fuzzy Logic Tính không rõ ràng: Uncertainty WebGIS : Công nghệ đa đồ lên mạng DBMS : Hệ quản trị sở liệu CSDL: Cơ sở liệu Layer: Các đối tợng có tính chất đợc nhóm với Entities: Các thực thể không gian Table: Bảng liệu (không gian thuộc tính) IFF: Nếu 7 Danh mục bảng Bảng 2.1 So sánh mô hình liệu Vector Raster 26 Bảng 3.1 Bảng phép toán logic rõ mờ 49 Bảng 3.2 Bảng ví dụ mô tả mục phân lớp 52 B¶ng 3.3 B¶ng minh häa vÝ dơ gi¶i mê 56 B¶ng 3.4 Bảng so sánh Logic mờ Logic rõ 57 Bảng 3.5 Bảng phân lớp çc phÐp to¸n GIS 61 Bảng 3.6 Bảng minh họa độ thuộc địa tầng 63 Bảng 3.7 Bảng minh họa độ thuộc độ dốc 63 B¶ng 4.1 B¶ng mê hóa lớp thông tin đất 80 Bảng 4.2 Bảng mờ hóa lớp thông tin địa tầng 81 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 2.1 Mô hình hệ thống thông tin địa lý 19 Hình 2.2 Lịch sử ph¸t triĨn cđa GIS 21 Hình 2.3 Mô tả phân tích liền kÒ 24 Hình 2.4 Mô tả phân tích chồng xếp theo thời gian 24 Hình 2.5 Các ®èi t−ỵng ®iĨm GIS 27 Hình 2.6 Các đối tợng dạng đờng GIS 27 Hình 2.7 Các đối tợng dạng vùng GIS 28 Hình 2.8 Các đối tợng dạng lới GIS 29 Hình 2.9 Phân tách đồ thành çc líp 31 Hình 2.10 ảnh vệ tinh đợc xử lý GIS 31 Hình 2.11 Mô tả quan hệ lân cận hai Polygon P1 P2 33 Hình 2.12 Mô tả quan hệ bao hàm(polygon đảo) 34 Hình 2.13 Mô tả quan hệ giao hai polygon 34 Hình 2.14 Bảng mô tả trờng liệu GIS 35 Hình 2.15 Chồng xếp chuỗi lớp đồ GIS 36 Hình 3.1 Nguyên lý mở rộng hệ GIS 40 H×nh 3.2 Tính không rõ ràng GIS (Zhang & Goodchild 2002) 41 Hình 3.3 Phân loại tính chất không rõ ràng GIS 41 Hình 3.4 Tính chất không rõ ràng phát sinh xác định ranh giới 41 Hình 3.5 Một số hàm mờ phạm vi tập rõ 45 Hình 3.6 Hàm mờ tuyến tÝnh 46 Hình 3.7 Hàm mờ hình sin 47 H×nh 3.8 Hµm mê Gaussian 47 H×nh 3.9 TËp mê B bao hµm tËp mê A 48 Hình 3.10 Minh họa phép toán tËp hỵp mê 49 Hình 3.11 Hệ mờ áp dụng GIS 51 Hình 3.12 Phân tích với tập mờ (trái) tập rõ (phải) 57 Hình 3.13 Mô hình mở rộng bảng liệu 61 Hình 3.14 Các ví dụ vùng đệm (điểm, đờng, vùng) 63 Hình 3.15 Phép toán khoảng cách mờ vị trí(a);vị trí với vùng mờ(b) 66 Hình 3.16 Mô tả chồng xÕp çc líp 68 Hình 3.17 Mô tả chồng xếp mờ có träng sè 69 Hình 3.18 Phép toán lựa chọn mờ 70 Hình 4.1 Hàm mờ sư dơng líp th«ng tin më mang 80 Hình 4.2 Hàm mờ sử dụng cho líp th«ng tin giao th«ng 80 Hình 4.3 Hàm mờ sử dụng cho lớp thông tin « nhiƠm 81 H×nh 4.4 Phơng trình chồng xếp mờ tính toán trờng 82 H×nh 4.5 Thuéc tÝnh sau chång xÕp 83 Hình 4.6 Vùng đệm mờ hóa lớp thông tin mở mang thành phố 83 Hình 4.7 Vùng ®Ưm mê hãa vỊ líp th«ng tin giao th«ng 84 Hình 4.8 Vùng đệm mờ hãa líp th«ng tin « nhiƠm 84 Hình 4.9 Mờ hóa lớp thông tin địa tầng đất yếu 85 Hình 4.10 Mờ hóa lớp thông tin trạng sử dụng đất 85 Hình 4.11 Kết sau chång xÕp 86 Hình 4.12 Giải mờ lát cắt = 0.75 86 Hình 4.13 Giải mờ lát cắt = 0.7 87 H×nh 4.14 Giải mờ lát cắt = 0.65 87 Hình 4.15 Đồ thị G cã h−íng V- mê 89 Hình 4.16 Đờng ngắn mờ đồ thị mờ G 90 Hình 4.17 Hàm mờ sử dụng lớp thông tin gần mỏ than 91 Hình 4.18 Hàm mờ sử dụng lớp thông tin gần mỏ đất sét 92 Hình 4.19 Hàm mê sư dơng cho líp th«ng tin giao th«ng 92 Hình 4.20 Hàm mờ sử dụng lớp thông tin gần mỏ đá vôi 93 Hình 4.21 Hàm mờ sử dụng lớp thông tin gần cảng 93 Hình 4.22 Hàm mờ sử dụng cho lớp thông tin ô nhiễm 94 Hình 4.23 Giải mờ với lát cắt = 0.33 95 Hình 4.24 Giải mờ lấy lát cắt = 0.36 95 10 Mở đầu Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) đời sở phát triển khoa học máy tính đợc ứng dụng rộng rÃi nhiều ngành khoa học có liên quan đến xử lý liệu không gian GIS đợc hình thành từ năm 70 kỷ trớc phát triển mạnh mẽ hai chục năm trở lại GIS đÃ trở thành công cụ hỗ trợ định hầu hết hoạt động kinh tế - xÃ hội, an ninh - quốc phòng, quản lý, quy hoạch, thăm dò, khai thác Đối với GIS, liệu thu thập thờng không đầy đủ, không rõ ràng, không chắn mập mờ, điều dẫn đến liệu thông tin GIS liệu không rõ ràng hay liệu mờ Phân tích liệu không gian cách kết hợp nhiều nguồn liệu đợc khai thác từ hệ thống thông tin địa lý mục tiêu cao hầu hết dự án GIS để diễn tả, phân tích ảnh hởng lẫn nhau, đa mô hình dự báo hỗ trợ định Khái niệm không rõ ràng - mờ đặc trng vốn có liệu địa lý sinh do: Thông tin tơng ứng với chúng không đầy đủ; xuất không ổn định thu thập, tập hợp liệu thuộc tính; việc sử dụng diễn tả định tính giá trị thuộc tính mối quan hệ chúng Các hệ GIS thờng không sẵn sàng cho việc xử lý với liệu mờ cần phải có mở rộng mô hình liệu, phép toán lập luận để giải với liệu mờ GIS làm cho hệ thống trở lên mềm dẻo việc giải toán không gian mà liệu chúng liệu dạng mờ Theo phơng pháp truyền thống xử lý, phân tích liệu GIS thao tác liệu thực cách cứng nhắc thủ tục lập luận phân tích Quyết định tổng thể đợc thực theo bớc cụ thể quy kết Những ứng viên thoả điều kiện đợc giữ lại ứng viên không thoả điều kiện bị loại bỏ phụ thuộc vào giá trị ng−ìng ... mờ sử dụng lớp thông tin gần mỏ đất sét 92 Hình 4.19 Hàm mờ sử dụng cho lớp thông tin giao thông 92 Hình 4.20 Hàm mờ sử dụng lớp thông tin gần mỏ đá vôi 93 Hình 4.21 Hàm mờ sử dụng. .. đệm mờ hóa lớp thông tin mở mang thành phố 83 Hình 4.7 Vùng đệm mờ hóa lớp thông tin giao thông 84 Hình 4.8 Vùng ®Ưm mê hãa líp th«ng tin « nhiƠm 84 Hình 4.9 Mờ hóa lớp thông tin địa. .. - øng dơng logic mờ hệ thống thông tin địa lý 37 3.1 Giíi thiƯu chung 37 3.1.1 Nguyên lý mở rộng hệ thống GIS 40 3.1.2 Tính không rõ ràng h¹n chÕ cđa Logic râ GIS