Luận văn thạc sĩ Công nghệ thông tin: Trực quan hóa dữ liệu chuyển động theo không gian – thời gian (Visualization of spatio-temporal data of movement)

MỞ ĐÀUTừ xa xưa, con người đã biết cách sử dụng những hình ảnh đề mô tả, biểu diễn các hiện tượng, sự vật trong thiên nhiên và đời sống bằng nhiều hình thức khác nhau như: các bức tranh

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINHTRUONG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THONG TIN

NGUYEN THỊ THU HÀ

TRUC QUAN HOA DU LIEU CHUYEN DONG

THEO KHÔNG GIAN - THỜI GIAN

(VISUALIZATION OF SPATIO-TEMPORAL

DATA OF MOVEMENT)

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

(Đã hiệu đính theo yêu câu Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ ngày 11/01/2013)

NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HỌC:

PGS.TS TRAN VĨNH PHƯỚC

TP.HCM, 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi Các kết quả đạt được của luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bat kỳ công

trình nào.

TP Hồ Chi Minh, ngày 11 tháng 01 năm 2013

o>

-ii-LOI CAM ON

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sựhướng dẫn, giúp đỡ quý báu của quý Thay cô, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình Với lòng

kính trọng và biết ơn tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:

Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học và quý Thầy cô trường Đại học Côngnghệ Thông tin đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, hoàn thành luậnvăn tốt nghiệp

Bạn bè và đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt khóa học cũng như

trong quá trình thực hiện luận văn.

Toàn thể cán bộ viên chức Khoa Công nghệ Thông tin trường Cao đẳng Côngnghiệp Tuy Hòa, nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi dé tôi hoàn thànhluận văn và khóa học.

Đặc biệt tôi xin chân thành cám ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Vĩnh Phước; Thầy

đã tận tình giúp đỡ, nhắc nhở và hướng dẫn chuyên môn cho tôi trong thời gian học cũngnhư trong suốt thời gian tôi làm luận văn với Thay

Tôi rất biết ơn bố mẹ, các dì, anh chị em và người chồng yêu quý đã luôn luôn ở bên cạnh động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học và hoàn

thành luận văn.

Tp.HCM, ngày 22 tháng 11 năm 2012

Nguyễn Thị Thu Hà

- iii

-MO DAU

Chuong 1: CAC KHAI NIE

1.1 True quan hoa

NGHIÊN CỨU LIEN QUAN 3

1.2 Các hợp phan cơ bản trong trực quan hóa của thé giới dia ly .6

Chương 2: TRỰC QUAN HOA DU LIEU CHUYEN DONG THEO MÔ HÌNH

SPACE -TIME CYLINDER

2.1 Giới thiệu

2.2 Xây dựng bộ dit liệu của mô hình STCy

2.3 Mặt phẳng dữ liệu của mô hình STCyy ¿¿¿¿522222222+zttc22vvvvvrrrrrrrrvrvvee 222.4 Xây dựng mô hình STCy [25]

2.4 Các kiểu STCV ei) lie TAN CEN GLENN? 26

2.4.1 Kiểu trực quan tĩnh [25] - -.ccccccccccccccccccccccceeeetsttretrtrrrrrrrrrrrevrvvvvv , TỔ2.4.2 Kiểu trực quan đỘNg -ccc::c2222S2222ctEEEEEEvv E222 1 tEEEEErrrrrirrter 262.4.3 Kiểu trực quan ẩn [25] -ccc::-c5225S22ctS22EEEvvvtttEEEEEEEvvrrtrrtttkrvrrrrrirrtrr 28Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIEM MINH HỌA B

CHIEN DỊCH 1812 CUA NAPOLEON O NGA

3.1 Giới thiệu chương trình

3.2 Thiết kế chương trình

3.2.1 Cau hinh va CONG CUNO 070 n ắe<Ắ 32

-iv-3.2.2 MÔ hình xứ Lý dữ UG sssssesscossssseressasssvessevtsssesesonsssnnssesnssensssssesonssanteneasssentenesases 32

3.2.3 Dit WCU nh (.: 3.3 Giao điện chương trÌnhh - ¿- ¿+ + + kề E2 T1 111 H1 11 HH HH rước 3.4 Đánh giá chương trình thực nghiệm

KẾT LUAN

TAI LIEU THAM KHAO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CAC CHỮ VIET TAT

GIS Geographic Information Science

LOD Level of detail

STCy Space — Time Cylinder

-vi-DANH MỤC CAC BANG BIEU VA HÌNH VE

Hình 1.1: Giải quyết một van dé bằng trực quan: mối quan hệ giữa nhiệm vụ của ngườidùng, dit liệu và biểu diễn trực quan

Hình 1.2: Biểu diễn thời điểm và thời đoạn trên trục thời gian - c55ccccce2 8

Hình 1.3 Phân lớp đối tượng trong thế giới địa lý (nguồn [I]) -+ 10

Hình 1.4: Khái niệm dữ liệu không gian - thời gian (nguồn [29])

Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn đối tượng - vị trí - thời gian (nguồn [3])

Hình 1.6 Biểu diễn các câu hỏi của dữ liệu không gian - thời gian đa bi

thành phan “Cái gì?”, “O đâu?”, “Khi nào?”, và “Lam thé nào?” (nguồn [21])

dựa trên các

.14

Bang 2.1: Bang dữ liệu của một đôi tượng

Hình 2.1: Mặt phẳng dữ liệu P; tại r; (nguồn [25])

Hình 2.2: Hệ tọa độ trụ đề biểu diễn dữ liệu chuyền động theo không gian - thời gian

(nguồn [25])

Hình 2.3: Mô hình STCy biêu diễn dữ liệu chuyên động theo không gian — thời gian

(nguồn [25])

Hình 3.1: Trực quan hóa chiến dich 1812 của Napoleon được cung cấp bỡi Charles

Joseph Minard năm 1861 ([nguồn 33])

Hình 3.2 :Trực quan hóa chiến dịch 1812 của Napoleon bằng khi lập phương không

gian-thời gian Ảnh của M.-J Kraak

Hình 3.3: Mô hình xử lý dữ liệu chương trình trực quan hóa dữ liệu chuyên động 33

theo không gian - thời gian - 6 + kề É 1 HT HH HH Họ HH 33

vii

-Bang 3.1: -Bang dữ liệu thông tin của chiến dịch 1812 của Napoleon ở NgaHình 3.4 : Giao diện chính của chương trình trực thực nghiệm

Hình 3.5 : Giao diện trực quan hóa chiến dịch 1812 của Napoleon

xoay quanh trục quanh trục của trụ

Hình 3.6: Giao diện trực quan hóa ch

quanh trục của trụ

MỞ ĐÀU

Từ xa xưa, con người đã biết cách sử dụng những hình ảnh đề mô tả, biểu diễn các

hiện tượng, sự vật trong thiên nhiên và đời sống bằng nhiều hình thức khác nhau như: các bức tranh trên đất sét, sơ dé trên tường, hình ảnh và các con số, bản đồ, Mặc dù trong

thời điểm đó con người chưa xác định tên rõ ràng cho công việc này nhưng tat cả các hình

thức trên là dạng trực quan hóa dữ liệu theo không gian và thời gian và nó vẫn là một chủ

đề nóng hiện nay đang được các nhà khoa học nghiên cứu Ngày nay sự phát triển của

công nghệ thông tin và với những công nghệ hiện đại, trực quan hóa dữ liệu theo không

gian và thời gian càng trở nên phong phú, đa dạng và sinh động trong quá trình vận dụng,

mô tả, biểu diễn hình ảnh truyền tải thông tin trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tronggiáo dục, kinh doanh, quảng cáo, truyền thông nhanh chóng và hiệu quả đến với cộng

đồng trong xã hội Đề tài “Trực quan hóa dữ liệu chuyển động theo không gian — thời gian” trong luận văn với mong muốn góp phan biéu diễn trực quan dữ liệu cho đối tượng

di động trong thế giới địa lý theo nội dung của chủ đề

Nội chung chính của luận văn này là xây dựng mô hình trực quan hóa dữ liệu

chuyền động (movement data) theo không gian - thời gian, áp dụng cho dữ liệu đa biến (mutivariate data) và chuyển động khép kín Ở đây, một thách thức đặt ra là biểu diễn trực

quan dữ liệu chuyền động gồm dữ liệu không gian, dữ liệu thời gian, và dữ liệu thuộc tínhtrên một hệ tọa độ 3-D cho đối tượng di động Luận văn đề xuất sử dụng hệ tọa độ trụ đểbiểu diễn dữ liệu không gian - thời gian đa biến và minh họa bằng dữ liệu của chiến dịch

1812 của Napoleon ở Nga.

Luận văn được câu trúc thành ba chương Trong chương một, luận văn tổng quan

các khái niệm và các công trình nghiên cứu liên quan đến luận văn như trực quan hóa, các hợp phần của thế giới địa lý, thành phần và cấu trúc dữ liệu chuyền động Chương hai,

luận văn chúng tôi nghiên cứu xây dựng mô hình trực quan hóa dữ liệu chuyền động theo

không gian -thời gian dựa trên hệ tọa độ trụ, mô hình Space — Time Cylinder (STCy).

Chương ba, thiết kế chương trình thực nghiệm trực quan hóa dữ liệu chuyền động theo

không gian - thời gian sử dụng mô hình STCy, minh họa bằng dữ liệu của chiến dịch

1812 của Napoleon ở Nga.

Những đóng góp chính của luận văn là:

- Phân tích các quan hệ giữa đối tượng với không gian và thời gian để phân lớp các loại đối tượng, trong đó có đối tượng di động.

- Xây dựng mô hình trực quan hóa dữ liệu chuyển động theo không gian — thời

gian bằng phương pháp STCy.

- Xây dựng chương trình thực nghiệm sử dụng mô hình STCy minh họa trực quanhóa dữ liệu chiến dịch 1812 của Napoleon ở Nga

Chương 1: CÁC KHÁI NIỆM VÀ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU

LIÊN QUAN

1.1 Trực quan hóa

Trực quan hóa là quá trình khai phá, chuyền đổi và biểu diễn dữ liệu sử dụng hình

ảnh đại diện để đạt được cái nhìn sâu sắc về một sự vật hoặc một hiện tượng nào đó trong thiên nhiên và trong đời sống Mục tiêu của trực quan dùng để phân tích, khai phá, nghiên

cứu, minh họa, và truyền đạt thông tin dưới dạng dé hiểu Trực quan hóa được sử dụng để

thể hiện số lượng thông tin lớn một cách ngắn gon, mach lạc từ các quan điểm khác nhautheo nhiều mức độ chỉ tiết Nó cũng là công cụ mạnh mẽ được sử dụng cho quá trình nhậnthức khác nhau như khai phá, phân tích và mô tả sự vật, hiện tượng.

Trực quan hóa cần có phương pháp nhất định hoặc các thuật toán có thé chuyền

đổi dữ liệu thô thành dữ liệu có ý nghĩa, có thé hiểu được và biểu diễn dé truyền đạt thongtin cho người sử dụng Trong trường hợp này, trực quan hóa là quá trình xử lý hình ảnh,

hoặc quá trình bổ sung thêm vào giá trị của việc tổ chức thông tin và xây dựng kiến thức, hoặc là quá trình giao tiếp giữa con người và dữ liệu.

Trực quan hóa cung cấp ba chức ning cho thông tin: ghi lại, giao tiếp, và xử lý.Mỗi chức năng sẽ làm việc phụ thuộc vào dang trực quan hóa Chức năng ghi lại và giao

tiếp thường biểu diễn dưới dạng đồ họa theo ý tưởng và chủ đề Chức năng giao tiếp và

xử lý là đưa ra các giải thích trên đồ họa cần được thực hiện trên dữ liệu.

Trực quan hóa được thé hiện và biéu diễn ở nhiều dạng khác nhau như trực quan hóa

dữ liệu, trực quan hóa thông tin, trực quan hóa khoa học, trực quan hóa địa lý.

Trực quan hóa dữ liệu là biểu điễn dữ liệu đưới dạng hình ảnh đồ họa một cách trực

quan bằng các kỹ thuật rút trích dé liệu Hình ảnh đồ họa sử dụng trong trực quan hóa dữliệu có thé là hình động, bản đổ, đồ thị hoặc một hình ảnh đơn giản nào đó có kèm theo

thành phan dữ liệu giúp con người truyền đạt được ý chính của chủ đề một cách dễ hiểu

và chính xác.

Trực quan hóa thông tin trình bày cách hiên thị cảm giác, hình ảnh đặc trưng, của dữ

liệu trừu tượng để củng cố tăng cường nhận thức Trực quan hóa thông tin là một lĩnh vực

nghiên cứu phức tạp Nó xây dựng trên lý thuyết thiết kế thông tin, đồ họa máy tính, conngười tương tác với máy tính và khoa học nhận thức Mục tiêu của trực quan hóa thông

tin là giúp truyền tải thông tin từ nguồn cung cấp thông tin đến người tiếp nhận thông tin nhanh nhất, hiệu quả nhất và dễ dàng nhất Ung dụng thực tiễn của trực quan hóa thông

tin là các chương trình máy tính đến việc lựa chọn, chuyển đổi và hiển thị các dữ liệu trừutượng trong hình thức tạo điều kiện khác nhau của con người tương tác khảo sát và khaiphá Các lĩnh vực được ứng dụng trong trực quan hóa thông tin như quảng cáo (ví dụ:

hình ảnh, âm thanh, video, văn bản, ), thiết kế giao diện người dùng (ví dụ thiết kế web,

thiết kế giao diện phần mềm), thiết kế sản phẩm, hiền thị thông tin lịch sử (các bản đồ,các cuộc chiến tranh, các móc thời gian, ), thông tin kinh doanh (ví dụ biểu đồ thé hiện

tăng trưởng, doanh thu, thị phan, ), các ứng dụng phân tích mang xã hội,

Trực quan hóa khoa học thực hiện việc chuyển đổi, lựa chọn, hoặc hiển thi đữ liệu

từ các mô tả hoặc các thí nghiệm, với cấu trúc hình học an hoặc rõ ràng, cho phép khảo

sát, phân tích, va sự hiểu biết về các dữ liệu khoa học Các lĩnh vực truyền thống trong

khoa học là trực quan dòng chảy, trực quan y tế, trực quan vật lý thiên văn, và trực quan hóa học Trực quan hóa khoa học tập trung sử dụng dé họa máy tính dé tạo ra hình ảnh

trực quan hỗ trợ các nhận thức phức tạp, thông thường biểu diễn về khái niệm khoa họchoặc kết quả

Trực quan hóa địa lý là một phương pháp khám phá tri thức địa lý thu thập thông

tin mô tả môi trường tự nhiên và con người trên trái đất, bao gồm: dữ liệu, mẫu hình dữ

liệu nơi cung cấp cấu trúc dữ liệu, mẫu hình và phân tích các môi trường hiển thị dự đoánhoặc phân tích phù hợp, tóm lược các lập luận của dữ liệu, quy trình không gian địa lý,siêu dữ liệu mô tả các thành phần Mục đích chính của trực quan hóa địa lý nghiên cứu

xác định các mối quan hệ không gian trong tập dữ liệu và đánh giá sự tác động của các

tính năng đại diện, trình bay chỉ tiết và phức tạp của tập dữ liệu cho phép người xem thấyđược toàn cảnh của công việc, truyền tải tất cả các thông tin và chất lượng tổng thể của

công việc, ngoài ra trực quan hóa địa lý còn tạo điều kiện thuận lợi cho phương pháp phân

tích không gian và cải thiện các hình ảnh đại diện của các phân tích phức tạp Trực quanhóa thông tin là cả một quá trình để tận dụng các dữ liệu tài nguyên để đáp ứng các nhucầu xã hội và mở rộng hon trong quá trình nghiên cứu đó là trực quan hóa thông tin dia lý(GIS) để ứng dụng dữ liệu không gian địa lý Trực quan hóa địa lý được kết hợp côngnghệ thông tin và các công cụ kỹ thuật hiện đại dé truy xuất, khai phá tri thức trong cơ sở

dữ liệu và ứng dụng các kiến thức mới trên các thành phần như thiết bị, phần mềm, con

người và địa điểm

Để giải quyết một van dé nào đó bằng trực quan hóa, việc tập hợp các thông tin sẽ được chuyền đổi dưới dạng các câu hỏi, sau đó xử lý cho sao cho thích hợp với môi trường trực quan và thích hợp với việc giải quyết dữ liệu của vấn đề đặt ra Có ba thành phần quan trọng trong giải việc quyết vấn đề bằng trực quan hóa: nhiệm vụ của người

dùng, dữ liệu và biểu diễn trực quan Trong hình 1.1 bên dưới minh họa cho ta thấy rõ

hơn về các công việc đề thực hiện trực quan hóa:

Nhiệm vụ của người dùng

Phân tích đữ liệu

Biểu diễn trực quan

Các công cụ

chức năng

Hình 1.1: Giải quyết một van đề bằng trực quan: mối quan hệ giữa nhiệm vụ của người dùng, dữ

liệu và biểu diễn trực quan

1.2 Các hợp phần cơ bản trong trực quan hóa của thế giới địa lý

1.2.1 Thời gian

Thời gian là một phạm trù triết học, được các nhà khoa học trong nhiều lĩnh vực

khác nhau nghiên cứu khái niệm về thời gian nên khái niệm về thời gian trong từng lĩnhvực cũng khác nhau Vì vậy, thời gian có nhiều dạng khác nhau như thời gian của nhà

triết học, thời gian của nhà khoa học, thời gian của người Phật tử, thời gian vật lý, thời gian tâm lý, thời gian sinh học, thời gian toán học, thời gian địa chất, thời gian thing doc, thời gian chu ky, thời gian ngày xưa và ngày nay, thời gian xã hội chủ nghĩa và kinh tế thị

trường, thời gian cá nhân và tập thể và còn bao nhiêu thời gian khác nữa Ngày nay, chủ

đề về thời gian vẫn là đề tài nóng dé các nhà khoa học nghiên cứu biểu diễn thời gianphong phú và đa dạng trên các công nghệ hiện đại.

Thời gian là một khái niệm trực giác, mọi người đều nhận biết thời gian nhưngkhông thể thay, không thé sờ được [1] Trong thế giới địa lý thời gian thay đổi liên tục và

theo một qui luật tự nhiên và thời gian được nhận biết thông qua các đơn vị đo thời gian

như năm, tháng, tuần, ngày, giờ, phút, giây,

Thời gian có hai tính chất cơ bản là tính chất phân cấp và tính chất hạt [5], [29],

[30] Tính chất phân cấp được biểu diễn bởi cây thời gian phân cấp năm, tháng, ngày, giờ, phút, giây, Tính chất hạt của thời gian được biểu diễn sự chứa đựng lẫn nhau: năm

chứa thang, tháng chứa ngày, ngày chứa giờ, giờ chứa phút, phút chứa giây [ I ].

Ngoài ra thời gian còn có tính chất tuyến tính và tính chất tuần hoàn [5], [29], [30]

Tính chất tuyến tính tương ứng với nhận thức theo qui luật tự nhiên của chúng ta về thời

gian như một chuỗi liên tục của từ quá khứ, hiện tại và tương lai (Ví dụ giá trị của năm làtuyến tính vì nó không bao giờ lặp lại mà chỉ tăng dần lên) Tính chất tuần hoàn được xácđịnh bởi một tập hữu han sé nguyên dương dé biểu diễn thời gian theo chu kỳ (ví dụ thời

gian trong ngày được biểu diễn bởi tập số nguyên từ 1 đến 24, phút trong giờ được biểu diễn bằng tập số nguyên từ 1 đến 60).

Kích thước của thời gian gồm các thời điểm và thời đoạn được nhận biết trên trục

thời gian Thời điểm được nhận biết như các điểm trên trục thời gian 7 Thời đoạn được

nhận biết như các phân đoạn trên trục thời gian, từ vị trí í; đến vị trí 4 , trong đó i, je {0,

1, 2, } được biểu diễn bởi At Việc lựa chọn phù hợp với thời gian ban đầu phụ thuộc vào các thuộc tính của dữ liệu và các vấn đề có sẵn Trong hình 1.2 là ví vụ minh hoa cho

ta thấy rõ hơn về kích thước của thời gian:

Hình 1.2: Biểu diễn thời điểm và thời đoạn trên trục thời gian

1.2.2 Không gian

Không gian là khái niệm dùng để chỉ vị trí mà các thực thể hiện hữu Không gian

là nơi xảy ra một sự kiện hoặc nơi hiện diện của một thực thé nào đó Không gian và thời

gian là một cặp phạm trù tương tác không tách rời, không gian là một trong ba thành phần

chính của địa lý thời gian Không gian được cảm nhận thông qua không gian địa lý [1].Không gian địa lý được xác định bởi các đối tượng địa lý tự nhiên hoặc đối tượng địa lý

do con người áp đặt (ví dụ biển là đối tượng địa lý tự nhiên, ranh giới biển giữa các nước

là do đối tượng địa lý do con người áp đặt) Các đối tượng địa lý còn được dùng để tham chiếu vị trí không gian Các cách xác định vị trí không gian như sau:

- Tọa độ chuẩn tham chiếu: các vị trí được xác định rõ ràng như biểu diễn các tọa độcho khoảng cách đường thắng hoặc góc dé chắc chắn chọn trục tọa độ hoặc góc

- Phân chia tham chiếu : đề cập đến sự phân vùng theo hình học hoặc dựa vào ngữ nghĩa phân chia không gian, phân cấp.

- Độ dài tham chiếu: đề cập đến các vị trí tương đối theo chiều dài đối tượng như

đường phó, đường bộ, đường sông, đường ống,

Mặt phẳng được dùng để mô hình hóa các đối tượng không gian địa lý, bởi vì mặt phẳng giống không gian địa lý [1] Mặt phẳng mô tả và hiển thị bằng đồ họa các đối

tượng dia lý được gọi là bản dé địa lý Bản dé địa lý biểu diễn các đối tượng địa lý bằngcác tính chất hình học, độ cao,vị tri địa lý, khoảng cách, của các đối tượng địa lý được

gọi là đối tượng tham chiếu Các đối tượng tham chiếu không gian không phân cấp vàkhông có thứ tự, nhưng nó có các đặc điểm địa lý ở các mức chỉ tiết khác nhau (LOD) vàquan hệ topology, quan hệ metric Quan hệ LOD (Level of detail) thể hiện mức chỉ tiết

của đối tượng (ví dụ: Sông, suối, ao hỗ, núi ) Quan hệ topology của các đối tượng tham chiếu gồm có quan hệ tách rời, kể nhau, chồng lên nhau, cắt nhau, lồng vào nhau, trong

ngoài [16] Quan hệ metric thé hiện khoảng cách giữa các đối tượng trong không gian.1.2.3 Đối trợng

Đối tượng là một thực thể vật lý hoặc trừu tượng [1] Mỗi đối tượng được nhận

biết thông qua các thuộc tính định danh và thuộc tính chuyên đề của nó [3],[8].[21],[27]

Thuộc tính định danh của đối tượng dùng đê trả lời các câu hỏi (cái gì?) và thuộc tính định danh của đối tượng là những thuộc tính sẽ không thay đồi theo không gian và thời gian Thuộc tính chuyên đề là các đặc tính dùng dé mô tả đối tượng trả lời các câu hỏi

(như thế nào?) và thuộc tính chuyên đề gồm có hai dạng thuộc tính tĩnh và thuộc tínhđộng Thuộc tinh tĩnh là thuộc tính có giá trị không đồi theo không gian và thời gian (ví

dụ: màu da, quốc tịch, giới tính của con người) Thuộc tính động là thuộc tính có giá trị thay đổi theo không gian hoặc theo thời gian (ví dụ: di chuyền của con người là thuộc tính động, hình dạng của con người thay đổi theo thời gian, tâm trạng của con người thay

đổi theo không gian)

Đối tượng khi dựa vào những mối quan hệ với không gian và thời gian, đối tượng

được xếp vào lớp đối tượng không gian, đối tượng thời gian, đối tượng không gian - thờigian, đối tượng di động [1] như hình 1.3:

-10-Hình 1.3 Phân lớp đối tượng trong thé giới địa lý (nguồn [1])

Đối tượng không gian là đối tượng được xác định tại một vị trí cụ thể trong không

gian mỗi khi nó xuất hiện (Ví dụ xây dựng một cây xăng bên đường tôn tại tại một vị trí

cố định trong không gian) Đối tượng thời gian là đối tượng xuất hiện tại những khoảng

thời gian xác định (Ví dụ buổi giao lưu văn hóa được tổ chức vào lúc 8 giờ và kết thúc lúc

12 giờ sáng nay) Đối tượng không gian - thời gian là đối tượng xuất hiện tại những vị trí

và những thời điểm tương ứng (Ví dụ xe buýt chỉ dừng ở những trạm tại thời điểm quy

định) Đối tượng di động là đối tượng có vị trí thay đôi liên tục trong không gian theo thời

gian và nó cũng là đối tượng không gian — thời gian có kèm theo quỹ đạo di chuyền Vị trí của đối tượng di động là phép ánh xạ từ thời gian đến vi trí: 7: ¿ — (x,y) hoặc T(t) = (x,y),

và bộ (x,y,t) là dữ liệu không gian - thời gian của đối tượng di động Đường cong 7(t) =

(x,y) thứ tự sắp xếp thời gian kết nối các vị trí (x,y,t) của đối tượng di động trong hệ tọa

độ 3-D của đường thời gian — không gian hoặc đường quỹ đạo thời gian của đối tượng

-11-1.3 Dữ liệu không gian — thời gian

Mỗi đối tượng đều tồn tại một trạng thái xác định trong thời gian và vị trí xác địnhnào đó trong không gian Dữ liệu không gian - thời gian được sử dụng để mô tả các thuộc

tính không gian và thời gian của các đối tượng [21] Dữ liệu không gian - thời gian là bất

kỳ thông tin nào liên quan đến không gian và thời gian, và tồn tại mọi nơi.

Theo Peuquet, dữ liệu không gian — thời gian bao gồm ba thành phần: Không gian (6

đâu), thời gian (khi nào?), và các đối tượng (cái gi?) [29].[30] Lý thuyết này trở thành một thành phan quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu về dit liệu không gian - thời gian bởi vì hầu hết các vấn đề đều có thể mô tả dựa trên ba thành phần cơ bản không gian, thời

gian và đối tượng và môi quan hệ giữa chúng với nhau trong thé giới địa lý Sự tồn tại dữliệu không gian — thời gian được biểu diễn như hình 1.4 sau:

© CH)

Hình 1.4: Khái niệm dữ liệu không gian - thời gian (nguồn [29])

Tiếp theo đó Kraak lại tiếp tục khẳng định sự hợp lý của ba thành phần không gian,

thời gian và đối tượng để biểu diễn sự vật hiện tượng trong thế giới địa lý [19] Từ những quan điểm câu hỏi hình thành từ ba thành phần không gian, thời gian và đối tượng chỉ ra

mối quan hệ giữa 3 thành này với nhau như sau:

-12-¢ Khi nào + Ở đâu — Cái gì: mô tả đối tượng hoặc tập hợp các đối tượng tồn tại

ở vị trí đã cho hoặc tập hợp các vị trí ở một thời điểm hoặc tập hợp các thời điểm

đã cho.

¢ Khi nào + Cái gì — Ở đâu: mô tả vị trí hoặc tập hợp các vị trí xảy ra bởi đối tượng hoặc tập hợp các đối tượng đã cho tại một thời điểm hoặc tập hợp các thời điểm đã cho.

¢ Ở đâu + Cái gì > Khi nào: mô tả một thời điểm hoặc tập hợp thời điểm của một đối tượng hoặc tập hợp các đôi tượng xảy ra tại một vị trí hoặc tập hợp các vị

trí cho trước.

Tiếp đến Adriendko, tác giả đã phân tích dữ liệu không gian - thời gian của các đối tượng theo chỉ tiết tam giác của ba hợp phan: “đối tượng”, “vi trí”, “thời gian” Đặc biệt là các phân tích quan hệ, quan hệ giữa các phần tử trong mỗi tập, quan hệ phần tử giữa các tập [2],[3],[6] Hình 1.5 bên dưới sẽ cho ta thấy mối quan hệ giữa ba hợp phan trong thé

giới địa lý đối tượng, vị trí và thời gian:

Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn đối tượng - vị trí — thời gian (nguồn [3])

-13-1.4 Dữ liệu không gian - thời gian đa biến

Dữ liệu không gian - thời gian đa biến được sử dụng đề mô tả các thuộc tính củađối tượng theo không gian và thời gian Theo như trình bày ở trên, Peuquet phân biệt ba

thành phần trong dữ liệu không gian - thời gian: “GO đâu?”, “Khi nao?” , và “Cái gi?”[29],[30] Trong thế giới địa lý, thành phần “Cái gi?” không chi bao gồm các đối

tượng mà còn bao gồm các thuộc tính chuyên đề của các đối tượng và các thuộc tính này

sẽ được biéu diễn dưới dang các biến được gọi là đa biến Vì vậy, không những biến trong

không gian chuyền đổi theo thời gian mà còn có những biến của đối tượng cũng chuyển đôi theo thời gian Ví dụ: đội quân của Napoleon tồn tại ở nhiều vị trí trả lời câu hỏi (Ở

đâu?) tại một thời gian xác định trả lời câu hỏi (Khi nào?), và cùng lúc đó đội quân còn cómột số đặc điểm kèm theo như số lượng, dân tộc, giới tính, Một đối tượng tại một thờiđiểm xác định sẽ tồn tại một vi trí xác định và đối tượng sẽ tồn tại tập các thuộc tính theo

chuyên đề xác định Hay nói cách khác, với một giá trị thời gian xác định, tất cả các biến của đối tượng sẽ có giá trị xác định và sẽ được biểu diễn dưới dang công thức O(t), (x.y),

(ai,aa, an) trong đó O là đối tượng, t là biến thời gian, (x,y) là biến không gian và

(ai,as, an) là đa biến (các biến thuộc tính của đối tượng).

Để nhận biết sự chuyền đôi của dữ liệu không gian - thời gian đa biến ngoài các

thành phần “Ở đâu?”, “Khi nào?” , và “Cái gì?” trong thé giới địa lý Kraak đề xuất thêmmột thành phần “làm thế nào?” được tách ra từ thành phần “Cái gì?” để mô tả các thuộc

tính của đối tượng trong khi thành phần “Cái gì?” chỉ dùng nhận biết đối tượng [21] Dựa trên ba kiểu câu hỏi cơ bản đã đề cập sẽ được thay đồi khi có thêm thành phần “Làm thế

nao?” như sau:

¢ Làm cái gì — Cái gi + Khi nào + Ở đâu

© Cái gì —> Làm cái gì + Khi nào + Ở đâu

-14-¢ Khi nào — Ở đâu + Cái gì + Làm cái gi

© GO đâu — Cái gì + Khi nào + Làm cái gì

phần “Cái gì?”, “Ở đâu?”, “Khi nào?”, và “Làm thế nào?” (nguồn [21])

Trong hình 1.6 sẽ trình bày biểu diễn đơn giản các câu hỏi của dữ liệu không gian

~ thời gian đa biến dựa trên các thành phan đã trình bay ở trên Hình 1.6 (a) biểu diễn chocâu hỏi Lam thế nào —> Cái gì + Khi nào + Ở đâu, hình 1.6 (b) biểu diễn cho câu hỏi

Cái gì > Làm thế nào + Khi nào + Ở đâu, hình 1.6 (c) biểu diễn cho câu hỏi Khi nào

-15-— Ở đâu + Cái gì + Làm thế nào:, hình 1.6 (d) biểu diễn cho câu hỏi Ở đâu -15-— Cái gì +

Khi nào + Làm thế nào.

Dữ liệu không gian - thời gian đa biến được sử dụng dé mô tả sự chuyền đổi của các đặc điểm của đối tượng với thời gian và cũng được xem là sự chuyển đổi trong vị trí

của đối tượng và dữ liệu không gian - thời gian đa biến sẽ được mô tả dựa trên bốn thành

phần “Cái gì?”, “O đâu?”, “Khi nào?”, và “Làm thế nào?”.

Theo tác giả Andrienko phân tích thêm mối quan hệ tam giác “đối tượng — vị trí —

thời gian” [2],[3],[6] Mối quan hệ giữa các phần tử trong từng tập đối tượng, tập khônggian, tập thời gian và môi quan hệ các phan tử giữa các tập đối tượng, không gian và thời

gian Trong đó, mỗi hợp phan của thế giới địa lý được mô tả như một tập các phan tử rời rac Các phần tử trong tập đối tượng của mối quan hệ tam giác “đối tượng - vị trí — thời gian” được biểu diễn ở hình 1.5 Các phần tử của đối tượng bao gồm thuộc tính định danh

đối tượng sẽ không thay đổi theo không gian, thời gian và một hoặc nhiều thuộc tính

chuyên đề có thé thay đồi theo không gian, thời gian Từ đó mối quan hệ tam giác trong thế giới địa lý, trong luận văn này chúng tôi đề xuất mở rộng mối quan hệ gồm bón thành

phần đối tượng — không gian — thời gian — thuộc tính Các mối quan hệ, đối tượng — thời

gian, thuộc tính — thời gian, đối tượng - không gian, thuộc tính — không gian, không gian

— thời gian, đối tượng — không gian - thời gian, đối tượng - thuộc tính - không gian — thời

gian [1] Mối quan hệ đối tượng - thời gian chỉ ra sự xuất hiện của đối tượng tại một thời

điểm hoặc thời đoạn nào đó Mối quan hệ giữa thuộc tính — thời gian chỉ ra sự tồn tại của

thuộc tính trong một đối tượng tại một thời điểm hoặc thời đoạn xác định Mối quan hệgiữa đối tượng — không gian chỉ ra sự xuất hiện của đối tượng tại vị trí xác định nào đótrong không gian Mối quan hệ giữa thuộc tính và không gian chỉ ra sự tồn tại thuộc tính

của một đối tượng tại một vị trí xác định trong không gian Mối quan hệ giữa không gian

— thời gian được xác lập bởi sự hiện diện của các đối tượng tại các vị trí và các thời điểm,

thời đoạn khác nhau Mối quan hệ giữa đối tượng — không gian — thời gian biểu diễn sự

-16-hoạt động của đối tượng theo không gian và thời gian Mối quan hệ giữa đối tượng —thuộc tính — không gian - thời gian chỉ ra thuộc tính được chọn của một đối tượng xácđịnh xuất hiện tại một vị trí và thời điểm hoặc thời đoạn xác định

1.5 Dữ liệu chuyển động

Có rất nhiều công trình nghiên cứu mi quan hệ giữa đối tượng, không gian và thờigian Trong đó, Peuquet đã đề xuất môi quan hệ tam giác giữa đói tượng, không gian vàthời gian thông qua các câu hỏi “Cái gì?”, “Ở đâu?”, “Khi nào?” [29],[30] Sau đó,

Andrienko cho phép phân loại đối tượng quan hệ tam giác của các thành phần đối tượng, không gian và thời gian theo mối quan hệ của các phần tử giữa các tập đối tượng, tập

không gian và tập thời gian [2], [3] Mối quan hệ giữa các phần tử của tập đối tượng vàtập không gian được xem là đối tượng không gian có vị trí riêng biệt trong không gian

trong thời gian tồn tại của nó, mối quan hệ giữa các phần tử của tập đối tượng và tập thời gian được xem là đối tượng thời gian có vị trí thời gian trong suốt quá trình ton tại của nó, mối quan giữa các phần tử của tập đói tượng, tập không gian và tập thời gian được xem là

đối tượng không gian — thời gian có một điểm cụ thể trong không gian tại một đơn vị thời

gian.

Trong thế giới địa lý, đối tượng không gian - thời gian trở thành đối tượng di

động Đối tượng di động được xác định bởi các mối quan hệ giữa các phần tử của đốitượng, không gian, thời gian và quỹ đạo Trong đó, quỹ đạo là đường được tạo ra bởi đối

tượng di động thay đổi vị trí không gian theo thời gian Nói cách khác, quỹ đạo là tập hợp không gian và thời gian được xem như các cặp (thời gian, không gian) Trong các kết quả nghiên cứu của một số tác giả đã diễn tả dữ liệu của đối tượng di động hay còn gọi là dữ

liệu chuyển động bao gồm các dữ liệu vị trí và các thuộc tính thay đổi theo thời gian

[2118].I21].127] Dữ liệu chuyển động là sự liên kết giữa các không gian, thời gian, đối tượng và quỹ đạo Các vị trí không gian giữa các đối tượng được liên kết đến các vị trí bởi

các mối quan hệ không gian Các vị trí thời gian của các đối tượng được liên kết đến thời

thời gian có liên quan đến các đối tượng:

Vị trí không gian Vị trí thời gian

Các quan hệ không gian Các quan hệ thời gian

Sự hiện diện Các vị trí của các đôi không gian

của các đôi

Hình 1.7: Mối quan hệ giữa các đói tượng, các vị trí không gian, thời gian và quỹ dao

(nguồn [3])

Dữ liệu chuyền động là những mẫu tin kết hợp từ các đối tượng di động tương ứng

với các quỹ đạo và có thé có các giá trị của các thuộc tính theo chủ đề Dữ liệu chuyểnđộng sẵn có ở các dạng khác nhau có thé chuyền đổi chúng sang dang các hình thức: nhậnbiết đối tượng, thời điểm, tọa độ không gian, và giá trị của các thuộc tính của đối tượng.Thuộc tinh dit liệu mô tả thuộc tính không gian — thời gian của chuyển động có thể là cáchình thức đa dạng phụ thuộc vào bản chất của các yếu tố tương ứng Dữ liệu chuyền động

có chứa các quỹ đạo của nhiều đối tượng mô tả sự chuyển động xảy ra cùng một lúc củatừng đối tượng và phan thuộc tính của nó bao gồm những chuyển động của các đối tượng

-18-khác Nói cách khác, dữ liệu chuyền động là tập hợp của dữ liệu đa biến theo không gian

~ thời gian đa biến của đối tượng di động bao gồm dữ liệu của tập vị trí và dữ liệu tập cácthuộc tính chuyên đổi theo thời gian Dữ liệu chuyển động được mô tả bởi bảng gồm

nhiều dữ liệu được ghi nhận của tập vi trí và tập thuộc tính ở nhiều thời điểm khác nhau.

Trong hệ thống thông tin có nhiều phương pháp khác nhau dé quan sát va thu thập

đữ liệu chuyển động [8]:

e Dua vào thời gian: các vị trí và thuộc tính được ghi lại thường xuyên có khoảng

cách đều nhau tại mỗi thời điểm

¢ Dựa vào sự thay đổi: các vị trí và thuộc tính được ghi lại mỗi lần tại vi trí hoặc

-19-Chương 2: TRỰC QUAN HÓA DỮ LIỆU CHUYÊN ĐỘNG THEO

MÔ HÌNH SPACE -TIME CYLINDER

2.1 Giới thiệu

Ba thành phan chính đối tượng, không gian và thời gian trong thế giới địa lý được

mô tả trong tam giác “Cái gì - Ở đâu — Khi nao” bởi Peuquet [28],[29] và tiếp theo đó là

Andrienko phân tích trong tam giác “Đối tượng — Vi trí - Thời gian”[2].[3] Những phân

tích này của các nhà khoa học đều đề cập đến các thuộc tính của từng tập đối tượng, tẬp vịtrí và tập thời gian, chỉ ra mối quan hệ giữa các phan tử trong từng tập và mối quan hệ

giữa các phần tử của các tập khác nhau Những mối quan hệ này sẽ phân loại các đối tượng như đối tượng không gian, đối tượng không gian - thời gian, hoặc đối tượng di động tùy theo mối quan hệ của tập đối tượng với tập vị trí; tập đối tượng với tập thời gian;

tập đối tượng với tập vị trí và tập thời gian; tập đối tượng với tập vị trí, tập thời gian vàquỹ đạo tương ứng.

Sự chuyển động của một đối tượng được mô tả bởi sự chuyển đổi vị trí liên tục của

đối tượng trong không gian theo thời gian Hệ tọa độ đề các không gian ba chiều được sửdụng theo mô hình Space - Time Cube (STC) dé biểu diễn dữ liệu của các vị trí của các

đối tượng di động theo thời gian được đề xuất bởi Hargertrand [12] Trong hệ tọa độ đề

các, dữ liệu của các vị trí của đối tượng di động được nhận biết bởi tọa độ (xy) ở mỗi

điểm t Mô hình STC được sử dụng dé biểu diễn dữ liệu chuyển động bởi vì nó được sử

dụng để trực quan hóa sự chuyển đổi vị trí của các đối tượng di động theo thời gian Cácđường không gian- thời gian hoặc các quỹ đạo thời gian là các đường cong biểu diễn cho

các mối quan hệ giữa không gian và thời gian của đối tượng di động [2],[3].I4], [6], [7],

[11] Thách thức là làm thế nào để biểu diễn cho các thuộc tính của các đối tượng di độngtheo thời gian trong mô hình STC Một số tác giả mở rộng mô hình STC biểu diễn cho

-20

-các thuộc tính của -các đối tượng theo thời gian Các mở rộng tích hợp -các tọa độ songsong trong khối lập phương hiền thị các thuộc tinh của đối tượng Đối với các đối tượngkhông di động, nó có thể biểu diễn các vị trí và các thuộc tính chỉ có một khối lập phương

[27], [28] Đối với đối tượng di động, nó có thể biểu diễn các vị trí và các thuộc tính được

biểu diễn trên hai khối lập phương [22], hoặc tích hợp các vi trí và các thuộc tính trên mộtkhối lập phương [20],[23],[29].[33]

Dữ liệu của các vị trí và các thuộc tính của các đối tượng di động tại mỗi điểm trên

cùng mặt phẳng, được gọi là dữ liệu mặt phẳng Các phương pháp ghi nhận dữ liệu cung

cấp với dữ liệu của vị trí và dữ liệu của các thuộc tính của đối tượng di động tại mỗi thờiđiểm [8] Mỗi tập đữ liệu nhận biết dữ liệu của các vị trí và các thuộc tính của các đối

tượng di động tham chiếu đến tọa độ (x,y) trên các trục của mặt phẳng, và các thuộc tính

được chỉ định bởi các thanh song song với các trục mặt phăng

Ý tưởng trình bày trong luận văn là tiếp cận các toa độ trụ biểu diễn các mặt phẳng

dữ liệu theo mô hình Space - Time Cylinder (STCy) Trong hệ tọa độ trụ, tọa độ góc nhận

biết đữ liệu thời gian của các tập dữ liệu, các dit liệu vị trí của các tập dữ liệu, các vị trí trên trục tọa độ trụ và quan trọng nối các véc tơ nhận biết vị trí dữ liệu của các tập dữ liệu, các thanh song song đến trục tọa độ trụ nhận biết thuộc tính dữ liệu.

2.2 Xây dựng bộ dữ liệu của mô hình STCy

Đối tượng di động là đối tượng có vị trí không gian thay đổi theo thời gian Tuy nhiên dữ liệu chuyền động được ghi nhận rời rạc tại những thời điêm hoặc vị trí khác nhau của đối tượng di động Mỗi đối tượng được xác định bởi vị trí và thuộc tính Vị trí

của đối tượng thay đổi theo thời gian tạo thành bộ dữ liệu <thời gian, vị trí> Thuộc tínhcủa đối tượng có thé thay đổi theo thời gian tạo thành bộ dữ liệu <thời gian, thuộc tính>.Thuộc tính có thể thay đổi theo không gian tạo thành bộ dữ liệu <không gian, thuộc

tính>.