Cấu trúc dữ liệu raster và cấu trúc dữ liệu vector ppsx

Các đối tượng địa lý khi được biểu diễn trên máy tính được biết đến ở 2 dạng: cấu trúc dữ liệu raster và cấu trúc dữ liệu vector A. Cấu trúc Raster:  Mô hình raster biểu diễn không gian như là một ma trận số nguyên, mỗi giá trị số nguyên đại diện cho một thuộc tính, vị trí của số nguyên chính là vị trí của đối tượng. Thí dụ:   Liên hệ với thế giới thực: mỗi pixel sẽ tương ứng với một ô nào đó trong thế giới thực. Trong cấu trúc raster: - Đường được biểu diễn bằng những pixel có cùng giá trị f(x,y) liên tiếp nhau. - Vùng được xác định thành một mạng gồm nhiều pixel có cùng giá trị thuộc tính f(x,y).  ! Cấu trúc lưu trữ raster cơ bản: - Cấu trúc lưu mã chi tiết (exhaustive enumeration) - Cấu trúc lưu mã run length (run-length encoding). "#$ !%&', mỗi một điểm lưới được gắn với giá trị duy nhất, vì vậy dữ liệu không được nén gọn.  !%&() có ý nghĩa như là một kỹ thuật nén dữ liệu nếu raster chứa các nhóm điểm lưới có cùng một giá trị. Khi đó thay vì phải lưu trữ riêng cho từng điểm lưới, cấu trúc này lưu trữ theo từng thành phần có một giá trị duy nhất và số lượng điểm lưới chứa đựng giá trị đó. *+ !&' ,+ !&- Mô hình raster chia không gian thành những ô lưới đều hình vuông (chữ nhật, tam giác, hoặc lục giác) gọi là điểm ảnh (pixel). (bộ môn địa tin học,ĐHQG TP Hồ Chí Minh, ĐH Bách Khoa). Mỗi pixel được xác định vị trí bằng cặp toạ độ (x,y) là số thứ tự của hàng và cột của pixel. Pixel là phần tử cơ sở của cấu trúc raster để biểu diễn một đặc trưng địa lý f(x,y) nào đó, dữ liệu trong mỗi pixel là đồng nhất. Trong cấu trúc raster, đường được biểu diễn bằng những pixel có cùng giá trị f(x,y) liên tiếp nhau. Vùng được xác định bằng một mảng gồm nhiều điểm ảnh có cùng giá trị thuộc tính f(x,y) trải rộng ra theo nhiều phương. Dữ liệu không gian khi lưu trữ theo mô hình raster phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Độ phân giải không gian: xác định kích thước nhỏ nhất của một lớp dữ liệu (ảnh) trong hệ thống. - Độ phân giải pixel: xác định kích thước nhỏ nhất của một pixel và thường được tính toán dựa trên số lượng pixel trên một đơn vị chiều dài. - Độ phân giải mã hoá: khoảng cách nhỏ nhất tính theo đơn vị mức xám giữa hai giá trị mức xám liền kề (fi+1 – f i ). . !/ Cấu trúc dữ liệu raster có hai đặc điểm cần lưu ý: - Mỗi điểm ảnh chỉ biểu diễn một thuộc tính, xác định bởi giá trị f(x,y). - Khi thay đổi độ phân giải (kích thước điểm ảnh thay đổi), dung lượng dữ liệu thay đổi theo. Dung lượng dữ liệu tăng theo bình phương tỉ lệ gia tăng độ phân giải. 2.Nguồn dữ liệu raster Ảnh chụp từ vệ tinh, ảnh chụp từ máy bay, ảnh quét, ảnh chụp. Trong đó ảnh chụp từ vệ tinh là cách lấy dữ liệu tốn kém nhất nhưng lại có ý nghĩa to lớn trong việc nghiên cứu tình hình biến đổi của các sự vật trên trái đất theo thời gian. Ảnh chụp từ máy bay giúp ta vẽ bản đồ một cách chi tiết. Ngoài ra raster còn có thể được tạo ra bằng cách chuyển đổi từ nhiều nguồn dữ liệu khác như vector hay TIN. 3.Các thành phần dữ liệu Raster được tạo nên bởi một mảng 2 chiều các điểm ảnh hay pixel. Pixel : Cell là một đơn vị đồng nhất biểu diễn một vùng xác định trên trái đất. Các cell đều có cùng kích thước. Gốc toạ độ của hệ được đặt tại cell nằm tại đỉnh góc trái. Mỗi cell được xác định bởi chỉ số dòng và chỉ số cột, đồng thời nó chứa một số nguyên (hoặc số thực) biểu diễn kiểu hay giá trị thuộc tính xuất hiện trên bản đồ. Kích thước của cell trong raster phụ thuộc nhiều vào độ phân giải dữ liệu. Cell phải có kích thước đủ nhỏ để có thể thu thập được chi tiết dữ liệu, nhưng cũng phải có kích thước đủ lớn để có thể phân tích dữ liệu một cách thuận tiện. Giá trị của cell sẽ định nghĩa các nhóm, lớp tại vị trí của cell. Cell tại những điểm có cùng một giá trị xác định một vùng, miền. Các cell trong cùng một miền không cần phải liên kết với nhau. Khi một số nguyên được chỉ định cho một tập các cell, thì số nguyên này có thể là mã phân biệt giữa các nhóm cell. Điều này tạo nên một quan hệ một - nhiều giữa mã và các cell có cùng giá trị. 012: các cell có giá trị là 400 được gán mã là 4, các cell có giá trị 500 được gán mã là 5. Mã này có thể xuất hiện nhiều lần trong raster, nhưng chỉ xuất hiện một lần trong bảng giá trị thuộc tính (hình vẽ). Bảng này lưu các giá trị thuộc tính cho mã, điều này giúp việc cập nhật đơn giản hơn. Một thay đổi nhỏ của giá trị thuộc tính sẽ làm thay đổi cách thể hiện của hàng trăm đối tượng trên bản đồ. Mỗi cell trong một raster đều có một giá trị. Giá trị này biểu diễn một trong bốn kiểu dữ liệu sau: • 345'67 một giá trị thuộc kiểu dữ liệu nominal sẽ xác định một thực thể từ một thực thể khác. Những giá trị này được phân loại để tạo thành các nhóm. Trong mỗi nhóm, thực thể địa lý sẽ liên kết với cell tại vị trí của cell đó. Nominal được dùng trong rất nhiều kiểu mã như mã sử dụng đất, kiểu đất trồng. • 845'9:7 một giá trị thuộc dữ liệu ordinal sẽ xác định vị trí của một thực thể so với các thực thể khác như thực thể được đặt ở vị trí thứ nhất, thứ hai, hoặc thứ ba. Nhưng các giá trị này không thiết lập tỷ lệ tương quan giữa các thực thể. Chúng ta không thể suy luận được thực thể này lớn hơn, cao hơn hay nặng hơn thực thể khác bao nhiêu • ;45'<-7 một giá trị thuộc dữ liệu interval biểu diễn một phép đo trên một tỷ lệ như thời gian trong ngày. Những giá trị này nằm trên một tỷ lệ xác định và không liên hệ với một điểm thực nào. /45'=7 một giá trị thuộc kiểu ratio có thể biểu diễn một phép đo trên một tỷ lệ với một điểm cố định và mang ý nghĩa. 4. Hệ thống Raster Mô hình dữ liệu dạng raster phản ánh toàn bộ vùng nghiên cứu dưới dạng một lưới các ô vuông hay điểm ảnh (pixcel). Mô hình raster có các đặc điểm: • Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới. • Mỗi một điểm ảnh (pixcel) chứa một giá trị. • Một tập các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạo thành một lớp (layer). • Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp. Mô hình dữ liệu raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng tương đối phổ biến trong các bài toán về môi trường, quản lý tài nguyên thiên nhiên. Mô hình dữ liệu raster chủ yếu dùng để phản ánh các đối tượng dạng vùng là ứng dụng cho các bài toán tiến hành trên các loại đối tượng dạng vùng: phân loại; chồng xếp. Các nguồn dữ liệu xây dựng nên dữ liệu raster có thể bao gồm: • Quét ảnh • Ảnh máy bay, ảnh viễn thám • Chuyển từ dữ liệu vector sang • Lưu trữ dữ liệu dạng raster. • Nén theo hàng (Run lengh coding). • Nén theo chia nhỏ thành từng phần (Quadtree). • Nén theo ngữ cảnh (Fractal). Trong một hệ thống dữ liệu cơ bản raster được lưu trữ trong các ô (thường hình vuông) được sắp xếp trong một mảng hoặc các dãy hàng và cột. Nếu có thể, các hàng và cột nên được căn cứ vào hệ thống lưới bản đổ thích hợp. Việc sử dụng cấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết bị mất. Với lý do này, hệ thống raster-based không được sử dụng trong các trường hợp nơi có các chi tiết có chất lượng cao được đòi hỏi. Hình 1.7: Sự biểu thị kết quả bản đồ dưới dạng Raster *)>?@AB(- Việc chọn của cấu trúc dử liệu dưới dạng vector hoặc raster tuỳ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng, đối với hệ thống vector, thì dữ liệu được lưu trữ sẽ chiếm diện tích nhỏ hơn rất nhiều so với hệ thống raster, đồng thời các đường contour sẽ chính xác hơn hệ thống raster. Ngoài ra cũng tuỳ vào phần mềm máy tính đang sử dụng mà nó cho phép nên lưu trữ dữ liệu dưới dạng vector hay raster. Tuy nhiên đối với việc sử dụng ảnh vệ tinh trong GIS thì nhất thiết phải sử dụng dưới dạng raster. Một số công cụ phân tích của GIS phụ thuộc chặt chẽ vào mô hình dữ liệu raster, do vậy nó đòi hỏi quá trình biến đổi mô hình dữ liệu vector sang dữ liệu raster, hay còn gọi là raster hoá. Biến đổi từ raster sang mô hình vector, hay còn gọi là vector hoá, đặc biệt cần thiết khi tự động quét ảnh. Raster hoá là tiến trình chia đường hay vùng thành các ô vuông (pixcel). Ngược lại, vector hoá là tập hợp các pixcel để tạo thành đường hay vùng. Nết dữ liệu raster không có cấu trúc tốt, thí dụ ảnh vệ tinh thì việc nhận dạng đối tượng sẽ rất phức tạp. Nhiệm vụ biến đổi vector sang raster là tìm tập hợp các pixel trong không gian raster trùng khớp với vị trí của điểm, đường, đường cong hay đa giác trong biểu diễn vector. Tổng quát, tiến trình biến đổi là tiến trình xấp xỉ vì với vùng không gian cho trước thì mô hình raster sẽ chỉ có khả năng địa chỉ hoá các vị trí toạ độ nguyên. Trong mô hình vector, độ chính xác của điểm cuối vector được giới hạn bởi mật độ hệ thống toạ độ bản đồ còn vị trí khác của đoạn thẳng được xác định bởi hàm toán học. Hình 1.8:Sự chuyển đổi dữ liệu giữa raster và vector (Nguồn : Tor Bernhardsen, 1992) *CDEF#-AB • Vị trí địa lý của mỗi ô được xác định bởi vị trí của nó trong ô biểu tượng, hình ảnh có thể được lưu trữ trong một mảng tương xứng trong máy vi tính cung cấp đủ dữ liệu bất kỳ lúc nào. Vì vậy mỗi ô có thể nhanh chóng và dễ dàng được định địa chỉ trong máy theo vị trí địa lý của nó. • Những vị trí kế cận được hiện diện bởi các ô kế cận, vì vậy mối liên hệ giữa các ô có thể được phân tích một cách thuận tiện • Quá trình tính toán đơn giản hơn và dễ dàng hơn cơ sở hệ thống dữ liệu vector. • Đơn vị bản đồ ranh giới thửa được trình bày một cách tự nhiên bởi giá trị ô khác nhau, khi giá trị thay đổi, việc chỉ định ranh giới thay đổi. *G EF#- • Khả năng lưu trữ đòi hỏi lớn hơn nhiều so với hệ thống cơ sở dữ liệu vector. • Kích thước ơ định rõ sự quyết định ở phương pháp đại diện ở phương pháp đại diện. Điều này đặc biệt khó dễ cân xứng với sự hiện diện đặc tính thuộc về đường thẳng. Thường hầu như hình ảnh gần thì nối tiếp nhau, điều này có nghĩa là nó phải tiến hành một bản đồ hồn chỉnh chính xác để thay đổi 1 ơ đơn. Q trình tiến hành của dữ liệu về kết hợp thì chống nhiều chỗ hơn với 1 hệ thống cơ sở vector. Dữ liệu được đưa vào hầu như được số hố trong hình thức vector, vì thế nó phải chính xác 1 vector đến sự thay đổi hoạt động raster để đổi dữ liệu hệ số hố vào trong hình thức lưu trữ thích hợp. Điều này thì khó hơn việc xây dựng vào trong bản đồ từ dữ liệu raster II.Cấu trúc full Raster • . • Cấu trúc này khác với các cấu trúc khác ở cách tổ chức và biểu diễn dữ liệu thuộc tính. • Cấu trúc đơn giản và phổ biến nhất là giới hạn mỗi lớp lưới trong một thuộc tính đơn và giới hạn trò số của giá trò thuộc tính trong khoảng từ 0 đến 255 (một byte cho mỗi Pixel) • Sự sắp xếp chuỗi trong một cấu trúc Full raster thường theo thứ tự cột bắt đầu từ góc trên bên bên trái và quét từ trái qua phải, từ trên xuống dưới. Thực tế có thể có Cấu trúc full raster được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý ảnh nhiều thứ tự sắp xếp khác nhau và điều này liên quan đến nhiều cấu trúc nén như mã Run-Length và cây tứ phân. • Cấu trúc Full Raster có thể được tổ chức theo BSQ (Band Sequential). [...]... (arcs) và điểm nhãn (label points) • Một hoặc nhiều arc định nghĩa đường bao của vùng • Một điểm nhãn label points nằm trong vùng để mơ tả, xác định cho mỗi một vùng Hình 3.4: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon) Hình 3.5: Một số khái niệm trong cấu trúc cơ sở dữ liệu bản đồ ***Hai loại cấu trúc được biết đến trong cấu trúc dữ liệu vector là cấu trúc Spaghetti và cấu trúc Topology Cấu trúc. .. hơn với 1 hệ thống cơ sở vector • Dữ liệu được đưa vào hầu như được số hố trong hình thức vector, vì thế nó phải chính xác 1 vector đến sự thay đổi hoạt động raster để đổi dữ liệu hệ số hố vào trong hình thức lưu trữ thích hợp.Điều này thì khó hơn việc xây dựng III.Đặc điểm hình học của cấu trúc Vector **** Khái niệm Các đối tượng khơng gian khi biểu diễn ở cấu trúc dữ liệu vector được tổ chức dưới... Spaghetti ra đời trước và được sử dụng cho đến ngày nay ở một số các phần mềm GIS như: phần mềm Arcview GIS, ArcGIS, MapInfo,… Cấu trúc Topology ra đời trên nền tảng của mơ hình dữ liệu cung – nút (Arc - Node) B.CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR • D÷ liƯu ë d¹ng Vector ®ưỵc tỉ chøc ë 2 m« h×nh: – M« h×nh Spagheti – M« h×nh quan hƯ kh«ng gian Topology 1 .Cấu trúc Spaghetti Trong cấu trúc dữ liệu Spaghetti, đơn vị... vùng a và vùng b có chung cạnh AB 2 .Cấu trúc topology *Giới thiệu: Dữ liệu topology được xây dựng tu các đối tượng hình học cơ bản và chúng có mối quan hệ với nhau.Mức độ quan hệ tùy thuộc vào cấp topology Một vấn đề khó khăn khi xây dựng các ứng dụng dựa trên dữ liệu topology là nguồn dữ liệu topology khơng có sẵn Muốn có dữ liệu topology chúng ta phải chuyển từ dữ liệu hình học cơ bản thành dữ liệu. .. trong VPF • Dạng hình học và Topology của dữ liệu Vector a3 N2 N1 Đường (Line) Chuỗi (String) N4 N6 Vùng (Polygon) Vùng (Area) (x,y) (x1,y1), (x2,y ) Nút (Node)2 Điểm (Point) N3 Chuỗi (chain) • i - Dạng hình học và Topology của dữ liệu Vector Dạng hình học Dạng hình học của điểm được mô tả bằng các tọa độ 2 chiều {Chỉ số nút, (x,y)} - Dạng hình học của đường (line), cung (arc) và vùng (area) được mô tả... những số nguyên dương có tầm trò trong khoảng từ 0-255 (một byte) • Dữ liệu ảnh lưới đòa lý thường yêu cầu tầm trò lớn hơn 0-255 bởi vì tần số không gian cao • Thông tin tần số cao bò mất khi lượng tử vào trong một miền trò số nhỏ, do vậy những ảnh đòa lý thường yêu cầu nhiều hơn một byte cho mỗi Pixel ** Ưu, nhược điểm của cấu trúc dữ liệu Raster 1 Ưu điểm • Vị trí địa lý của mỗi ơ được xác định bởi vị... phẳng node kết nối thực thể và các và cạnh cạnh có thể gặp nhau tại các node Thể hiện hình Node thực thể Tâp các node bao và cạnh thực thể và các cạnh Các cạnh chỉ chứa các tọa độ, khơng phải là node bắt đầu và node kết thúc Bảng: các cấp Topology trong các lớp VPF Các cột trong các bảng cạnh và bảng node xác định tinh kết nối và tính kề cho quan hệ topology, tùy thuộc vào cấp độ topology Bảng sau... (1,2) (1,2) (1,1) 3 Band 2 H Hình cấu trúc BIL • Các đònh dạng BIL và BIP thuận lợi trong các thao tác liên quan đến sự kết hợp giữa các ảnh vì những đòa chỉ vật lý của các giá trò thuộc tính đối với cùng một pixel thì rất gần nhau • Tuy nhiên, đối với việc hiển thò nhanh chóng một thuộc tính đơn từ một tập dữ liệu đa dải lớn thì BSQ hiệu quả hơn • Những cấu trúc ảnh Raster phổ biến nhất chỉ lưu trữ... mảng tương xứng trong máy vi tính cung cấp đủ dữ liệu bất kỳ lúc nào Vì vậy mỗi ơ có thể nhanh chóng và dễ dàng được định địa chỉ trong máy theo vị trí địa lý của nó • Những vị trí kế cận được hiện diện bởi các ơ kế cận, vì vậy mối liên hệ giữa các ơ có thể được phân tích một cách thuận tiện • Q trình tính tốn đơn giản hơn và dễ dàng hơn cơ sở hệ thống dữ liệu vector • Đơn vị bản đồ ranh giới thửa được... đựng và sự liên kết của các cung và các nút Mỗi cung gồm một hoặc nhiều đoạn thẳng được xác đònh bằng các đỉnh • 3.3 Cấu trúc topology • Tính topology rất cần thiết trong quá trình phân tích không gian • Topology thể hiện mối quan hệ hoặc sự liên kết giữa các đối tượng trong không gian • Topology là một phương pháp toán học dùng để xác đònh các quan hệ không gian • Cấu trúc topology còn được gọi là cấu . biểu diễn trên máy tính được biết đến ở 2 dạng: cấu trúc dữ liệu raster và cấu trúc dữ liệu vector A. Cấu trúc Raster:  Mô hình raster biểu diễn không gian như là một ma trận số. mô hình dữ liệu raster, do vậy nó đòi hỏi quá trình biến đổi mô hình dữ liệu vector sang dữ liệu raster, hay còn gọi là raster hoá. Biến đổi từ raster sang mô hình vector, hay còn gọi là vector hoá,. hoạt động raster để đổi dữ liệu hệ số hố vào trong hình thức lưu trữ thích hợp. Điều này thì khó hơn việc xây dựng vào trong bản đồ từ dữ liệu raster II .Cấu trúc full Raster • . • Cấu trúc này