ỨNG DỤNG CÁC NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO ĐỂ CẢI TIẾN MÔ HÌNH THỰC THỂ KHÔNG GIAN TRONG CÔNG NGHỆ GIS

Mô hình thực thể không gian là một phần không thể tách rời hệ thống thông tin địa lý nó dựa trên cơ sở dữ liệu địa lý để hiện thực hóa các đối tượng địa lý, hỗ trợ tra cứu, phân tích và

LỜI MỞ ĐẦU

Đô thị hóa đã trở thành xu thế chung của cả thế giới Các hoạt động quan trọng về kinh tế, chính trị, văn hóa của một quốc gia diễn ra chủ yếu tại các đô thị Dù Việt Nam có các đô thị nhỏ hơn so với các nước phát triển khác nhưng nó có đầy đủ các vấn đề phức tạp như các đô thị của các nước phát triển như: Kinh tế đô thị, xây dựng đô thị, đất đai và nhà ở đô thị, kết cấu hạ tầng kĩ thuật đô thị, kết cấu hạ tầng xã hội đô thị, dân số lao động và việc làm đô thị, môi trường đô thị Vì vậy nghiên cứu về quản lý đô thị là rất quan trọng

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) ra đời đã góp phần to lớn trong việc phân tích và định hướng phát triển nhiều vấn đề đô thị ở Việt Nam Mô hình thực thể không gian là một phần không thể tách rời hệ thống thông tin địa lý

nó dựa trên cơ sở dữ liệu địa lý để hiện thực hóa các đối tượng địa lý, hỗ trợ tra cứu, phân tích và biên tập thông tin

Chính vì sự quan trọng của mô hình thực thể không gian trong hệ thống thông tin địa lý Nên chúng luôn được nghiên cứu và cải tiến để phù hợp với thực tế áp dụng

Đó cũng chính là lý do để tôi thực hiện đề tài này

Em chân thành cảm ơn GS.TSKH Hoàng Kiếm, thầy đã cung cấp cho

em những kiến thức về phương pháp, lý luận khoa học để thực hiện đề tài này

Mục lục

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH DỮ LIỆU 3D

I Giới thiệu

Mô hình dữ liệu GIS 3D là mô hình dữ liệu 3D được sử dụng trong các ứng dụng GIS 3D Các ứng dụng GIS 3D có thể là các ứng dụng liên quan đến bài toán quản lý đô thị hay ứng dụng địa chất

Mô hình dữ liệu 3D được dùng để biểu diễn và quản lý đối tượng 3D

Có nhiều mô hình dữ liệu 3D đã được đề xuất, được phân loại bởi 4 dạng chính:

- Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các đường biên giới của nó REP), gồm các mô hình: 3D-FDS, TEN, OO, SSM, UDM, OO3D, CITYGML

(B Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các phần tử voxel (tương tự như pixel trong GIS 2D), gồm các mô hình: 3D ARRAY, OCTREE

- Biểu diễn các đối tượng 3D bằng cách tổ hợp các khối 3D cơ bản (CGS)

- Biểu diễn các đối tượng 3D bằng 3 phương pháp trên Ví dụ:

mô hình tổ hợp giữa B-REP và CGS, mô hình V-3D

Phần lớn các mô hình dữ liệu 3D trong GIS là phục vụ các đối tượng ứng dụng liên quan đến bài toán quản lý đô thị, nhất là các mô hình có cách tiếp cận B-REP Một số mô hình còn lại phục vụ cho các ứng dụng địa chất Các mô hình có thời điểm đề xuất sau thường được phát triên từ các mô hình có sẳn ở quá khứ bằng cách thêm, bớt các đối tượng, thay đổi phương pháp tiếp cận hay trộn lẫn vài phương pháp tiếp cận

II. Cách tiếp cận hướng đối tượng

Các mô hình tiếp cận theo phương pháp hướng đối tượng thì thuận lợi khi biểu diễn các đối tượng không gian phức tạp Nhờ các đặc trưng của phương pháp này hỗ trợ những khái niệm đệ qui, kế thừa và các kiểu dữ liệu kiểu tập hợp: set, list Xét theo thời gian, phương pháp phân tích thiết

sau khoảng thời gian này, mới thừa hưởng phương pháp hiện đại này Trong khi đó 2 mô hình 3DFDS và CGS lại gặp khó khăn trong việc mô tả các đối tượng không gian phức tạp Trong đó 3D-FDS không sử dụng phương pháp hợp từ các đối tượng Mô hình CGS chỉ biểu diễn các đối tượng 3D được kết hợp tử các đối tượng 3D cơ bản định nghĩa trước.

III. Các quan hệ Topology giữa các đối tượng

Một đối tượng không gian bao gồm 2 thành phần: không gian và thuộc tính Thành phần không gian lại chứa đựng hai thuộc tính hình học và topology (Hình 2.1.3) Thuộc tính hình học mô tả hình dạng, kích thước vị trí của 1 đối tượng với các đối tượng không gian khác Các cặp quan hệ topology gồm: Point-Point, Point-Surface, Point-Body, Line-Line, Line-Surface, Line-Body, Surface-Surface, Surface-Body, Body-Body Các quan hệ topology giữa các đối tượng gồm: bằng (equal), nằm trong (inside), gặp (meet), bao phủ (cover), bị bao phủ (coveredby), đè lên (overlap), chứa (contain), không giao nhau (disjoint)

Mô hình 3D-FDS có quan hệ topology: NODE nằm trên FACE, NODE nằm trong BODY, ARC nằm trên FACE, ARC nằm trong BODY

Mô hình UDM có quan hệ topology mô tả một FACE có 1 BODY trái và

1 BODY phải Mô hình SSM chứa các quan hệ topology NODE nằm trong BODY và NODE nằm trên FACE Mô hình OO lưu giữ tường minh hướng của FACE và ARC Mô hình OO3D, V3D, CGS không đề cập bất

kì 1 quan hệ topology nào giữa các đối tượng

Hình 2.1.3: Biểu diễn một đối tượng không gian

IV. Khối lượng dữ liệu

Mô hình 3D-FDS sử dụng 2 đối tượng 1D trong mô hình ARC, EDGE, đồng thời lại lưu trữ 4 quan hệ topology giữa các đối tượng một cách tường minh nên khối lượng dữ liệu lưu trữ lớn

Mô hình V3D sử dụng đối tượng Image nhằm mô tả kiểu dáng, màu sắc, chất liệu của các FACE nên cũng làm kích thước dữ liệu trong mô hình tăng đáng kể

Mô hình UDM giản lược đối tượng trung gian 1D, lại chỉ mô tả 1 quan

hệ topology là Body trái và Body phải của một Face, nên đây là mô hình

có ưu điểm lớn nhất trong tất cả các mô hình thước khối lượng dữ liệu các lưu trữ

V. Độ phức tạp của mô hình

Mô hình B-REP+CGS tích hợp 2 mô hình B-REP và CGS vào 1 mô hình duy nhất nên tổng số đối tượng trên nô hình nhiều hơn hẳn các mô hình khác

Mô hình City GML cố gắng biểu diễn các khả năng có thể có của các đối tượng 3D trong thế giới thực, vì thế mô hình sử dụng triệt để các khái niệm tổng quát hóa và chuyên biệt hóa trong mô hình dữ liệu Số lớp trong mô hình cũng nhiều hơn hẳn các mô hình khác

Bảng 2.1.5 Độ phức tạp của mô hình

Tên mô hình Độ phức

tạp mô hình

Khối lượng

dữ liệu

Quan hệ topology giữa các đối tượng

Biểu diễn các đối tượng phức tạp

OO3D Không Không Không Dễ

Do có nhiều loại mô hình dữ liệu GIS 3D, nên cần tìm các mô hình thích hợp cho việc quản lý đô thị

PHẦN II: GIỚI THIỆU CÁC MÔ HÌNH THỰC THỂ KHÔNG

GIAN

I.1 3D-FDS (Format Data Structue)

I.1.1 Đặc điểm

Do Molenaar đề xuất 1990 và được Rikker et al phát triển 1993, lấy

4 đối tượng sơ sở là BODY, SURFACE, LINE, POINT thêm một số quy tắc cho mô hình này, có:

- Arc phải là một đoạn thẳng

- Arc và Face không giao nhau

- Edge, Face phải là hai chiều

- Suface có đường biên và có thể có vài surface không lồng nhau bên trong

- Body có đường biên và có vài body không lồng nhau bên trong

- Arc và node có thể tồn tại bên trong Face bay Body

I.1.2 Mô hình dữ liệu

Hì

nh 3.2.1.2 Mô hình 3D- FDS

I.2 TEN (Tetragedral Network)

Do Pilouk đề nghị 1996, dựa trên 4 đối tượng cơ bản POINT, LINE, SURFACE, BODY Các thành phần nguyên tố gồm: ARC, NODE, TRIANGLE

I.2.1 Đặc điểm

- Một body được tạo bởi các Tetra

- Một surface được tạo bởi các Face

- Một line được tạo bởi các Arc

- Node là 1 thành phần của Arc

- Arc là 1 thành phần của Triangle

- Triangle là 1 thành phần của Tetrahedron

- Các ngoại lệ không xem xét

I.2.2 Mô hình dữ liệu

Hình 3.2.2.2a Mô hình TEN

Trong đó TETRA là một tứ diện, mỗi mặt là một tam giác

Hình 2.2.2.2b TETRA

I.3 Mô hình OO ( Object Oriented)

Do Dela Losa, Cervelle đề xuất 1999

I.3.2 Mô hình dữ liệu

Hình 3.2.3.2 Mô hình OO

I.4 Mô hình SSM (Simplified Spatial Model)

Do Zlatanova đề xuất năm 2000

I.4.1 Đặc điểm

- Tập trung vào việc thực hiện các câu query hiển thị hình dạng trên ứng dụng web

- Chỉ sử dụng 2 đối tượng nguyên tố: Node, face

- Dùng 4 đối tượng cơ bản: Point, Line, Surface, Body

- Không sử dụng nguyên tố 1D: arc, xem arc là một phần của 2 hay nhiều face

- Face phải là lồi, có hướng

Các mối quan hệ :

 Node nằm trong face NODEFACE

 Face nằm trong Body FACEBODY

- Hướng của face cần lưu trữ.

- Thứ tự các node tạo Face cần thể hiện

I.4.2 Mô hình dữ liệu

Hình 3.2.4.2 Mô hình SSM

I.5 Mô hình SOMAS (Solid Object Management System)

So Plund đề xuất năm 2001

I.5.1 Đặc điểm

- Bao gồm 4 thực thể cơ bản: Point, Line, Polygon, Solid

- Gồm 4 đối tượng nguyên tố: Vertex, Edge, Face, Solid

- Dễ hiểu

I.5.2 Mô hình dữ liệu

Hình 3.2.5.2 Mô hình SOMAS

I.6 UDM (Urban data Model)

Do Coors đề nghị 2003

I.6.1 Đặc điểm

- Cũng dựa trên 4 đối tượng cơ bản POINT, LINE, SURFACE, BODY

- ARC không được đề nghị ở mô hình này

- Không lưu trữ hướng face

- Mỗi face định nghĩa bằng 3 node

- Giản lược một số quan hệ node-face, arc-face

I.6.2 Mô hình dữ liệu

Hình 3.2.6.2 Mô hình UDM

- Trong thực tế khi biểu diễn Face người ta cũng dùng tam giác để biểu diễn, nghĩa là 1 Face chỉ có 3 node

I.7 Mô hình OO3D (Object Oriented 3D)

Do Shi et A1, đề xuất 2003

I.7.1 Đặc điểm

- Phát triển trên nền tảng mô hình hướng đối tượng

- Dựa vào 3 thành phần hình cơ bản: node, segment, triangle

- Các đối tượng hình học trừu tượng gồm: point, line, surface, volume

- Đây là một mô hình sử dụng cho phần mềm: SpaceInfo

- Hiệu quả cho chức năng: hình dung đối tượng

- Tốc độ hiển thị DL nhanh hơn các mô hình trước

I.7.2 Mô hình dữ liệu

Để có thể chọn lựa một mô hình dữ liệu đúng đắn, cần so sánh các

mô hình theo các tiêu chí khác nhau để lựa chọn một mô hình dữ liệu phù hợp với ứng dụng của mình

II LỰA CHỌN MÔ HÌNH UDM ĐỂ CẢI TIẾN

II.1 Mô hình UDM thuần túy.

II.1.1 Giới thiệu

Mô hình theo đề nghị của Coors 2003, đây là mô hình dữ liệu 3D UDM (Urban data Model) dựa trên 4 đối tượng cơ bản Point, Line, Suface, Body và 02 nguyên tố Node, Face Đối tượng Arc không được

đề cập ở mô hình này UDM là một mô hình dữ liệu GIS 3D biểu diễn cho các ứng dụng quản lý đô thị

UDM có 2 lợi lớn: dùng hiển thị bề mặt các đối tượng, khối lượng dữ liệu lưu trữ nhỏ Mô hình dựa trên nền tảng của việc tam giác hóa.

II.1.2 Đặc điểm của mô hình UDM

- Node được mô tả bởi 3 thuộc tính X, Y, Z

- Line được biểu diễn ít nhất là hai Node Mỗi Face định nghĩa bằng nhiều Node trên cùng mặt phẳng, trong thực tế khi biểu diễn

- Face người ta dùng tam giác để biểu diễn, nghĩa là một Face chỉ có ba Node

- Một Suface được tạo từ nhiều Face

- Một Body được tạo bởi các Face, ngoài ra Body còn sử dụng 2 cặp điểm (X1, Y1, Z1), (X2, Y2, Z2) lưu trữ hình hộp có thể tích nhỏ nhất bao quanh một Body Việc sử dụng 2 cặp điểm này nhằm xây dựng chỉ mục, phục vụ cho bài toán truy xuất không gian

- Các Face tạo nên một Body được lưu trữ một cách tường minh nhờ quan hệ FACEBODY

- Bên dưới là mô hình UDM (Hình 2.3.2) giản lược một số quan hệ Node, Arc-Face nhờ bỏ đối tượng Arc

Arc-Hình 2.3.2 Mô hình UDM

II.1.3 Biểu diễn mô hình UDM ở dạng các quan hệ

II.1.3.1 NODE (IND, X, Y, Z)

Mô tả: Mỗi Node gồm một mã số Node duy nhất, dùng phân biệt với các Node khác Mỗi Node trong không gian 3 chiều được biểu diễn bởi 3 tọa độ X, Y, Z trong hệ tọa độ Oxyz

II.1.3.2 FACE(IDF, IDN1, IDN2, IDN3, IDNS)

Mô tả: Mỗi Face gồm một mã số Face duy nhất Một Face là một tam giác được tạo từ ba đỉnh gọi là 3 Node có các mã số IDN1, IDN2, IDN3, do vậy có thể giản lược quan hệ NODEFACE Một Face sẽ thuộc một Surface IDS Một đa giác phụ thuộc vào dạng lồi hay lõm, khi được chia thành các tam giác sẽ có các giải thuật khác nhau

II.1.3.3 BODY(IDB, DESC, X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2)

Mô tả: Một Body có một mã số IDB duy nhất, ngoài ra một Body còn được sử dụng hai cặp điểm P1(X1, Y1, Z1), P2(X2, Y2, Z2) nhằm biểu diễn một hình hộp chữ nhật có thể tích nhỏ nhất bao lấy Body Cặp điểm P1, P2 sẽ phục vụ cho công việc truy xuất không gian này

II.1.3.4 SURFACE (IDS, DESC)

Mô tả: Mỗi Surface có một mã số IDS và các thông tin khác trình bày trong cột DESC

II.1.3.5 FACEBODY (IDB, IDF)

Mô tả: Một Body được tạo từ nhiều Face và một Face có thể thuộc nhiều Body

II.1.3.6 POINT (IDP, IDN, DESC)

Mô tả: Mỗi Point có mọt mã số IDP, các thông tin khác trình bày trong cột DESC, IDN là khóa ngoại

II.1.3.7 LINE (IDL, DESC)

Mô tả: Mỗi Line có một mã số IDL và các thông tin khác trình bày trong cột DESC

II.1.3.8 LINENODE (IDL,IDN, SEQ)

Mô tả: Một line có thể tạo từ nhiều Node và ít nhất là 2 Node Các Node trên một Line là có thứ tự, thứ tự được lưu trữ trên cột SEQ

PHẦN III: CẢI TIẾN MÔ HÌNH THỰC THỂ KHÔNG GIAN

- Tách rời các thực thể riêng biệt cùng loại và biễu diễn chúng bằng những mô hình riêng biệt

VD: Sau khi phân hóa thực thể ngôi nhà thành nhiều đối tượng, sẽ có những đối tượng ko thể chia nhỏ để biểu diễn thì ta dùng những hình đối tượng như hình khối, hình cầu,… để biểu diễn chúng

- Tách những thực thể khó biểu diễn ví dụ như có bề mặt gồ ghề biễu diễn chúng bằng những mặt tam giác ghép lại

II. MÔ HÌNH CẢI TIẾN

Phần mô tả chi tiết các đối tượng được trình bày kỹ hơn ở mục III

III. So sánh giữa mô hình UDM thuần túy và mô hình cải tiến từ UDM

(EUDM).

Đây là một căn biệt thự được trong việc so sánh

III.1 So sánh về dung lượng lưu trữ.

Dùng 30 căn biệt thự như hình trên để so sánh về dung lượng lưu trữ

III.1.1 Mô hình UDM.

Ghi chú

chính

VD: B001

2 DESC Thông tin khác CTĐCD 20

Dung lượng được lưu là: 24 * 150 = 3600 bytes

TRIANGLE (IDT, IDN1, IDN2, IDN3)

STT Thuộc Tính Diễn Giải Kiểu DL Số

byte

Ràng buộc

Ghi chú

Ghi chú

chính

VD:N0001

Dung lượng được lưu là: 17 * 1050 = 17850 bytes

Dung lượng tổng cộng theo mô hình UDM : 3600 + 18900 + 42000 +

+ 1 surface -> 30 surface , 30 S_Polygon được lưu và 30 face(30 f_polygon) được lưu.

+ Có 26 node  có 780 node được lưu

PRISM (IDB, IDF, HEIGHT, PRISMTYPE)

STT Thuộc Tính Diễn Giải Kiểu DL Số

byte

Ràng buộc

Ghi chú

chính

VD:B001

ngoại

4 PRISMTYPE Loại Prism CCĐKD 1

Dung lượng được lưu là: 10 * 210 = 2100 bytes

Ghi chú

1 IDF Mã số Face CCĐKD 4 Khoá

chính

VD:F001

2 FACETY

PE

Dung lượng được lưu là: 6 * 240= 1440 bytes

 Quan hệ : F_TRIANGLE (IDF, IDN1, IDN2, IDN3)

F_TRIANGLE (IDF, IDN1, IDN2, IDN3)

ngoại

S_POLYGON (IDS, IDF)

STT Thuộc Tính Diễn Giải Kiểu DL Số

byte

Ràng buộc

Ghi chú

chính

VD:N001

 Kết luận: Khối lượng lưu trữ bằng mô hình cải tiến từ mô hình UDM (25020 bytes) < khối lượng lưu trữ bằng mô hình UDM(82350 bytes).

III.2 So sánh về thời gian truy xuất dữ liệu.

Đây là kết quả so sánh về thời gian truy xuất dữ liệu của 150 căn biệt thự

Lần Test Biệt Thự (150 căn)

Mô hình UDM Mô hình cải tiến từ UDM

 Kết luận: Thời gian truy xuất dữ liệu của mô hình UDM chậm hơn so với thời gian truy truy xuất dữ liệu của mô hình cải tiến từ UDM.

III.3 So sánh về hiển thị khi vẽ Biệt thự.

Mô hình UDM Mô hình cải tiến từ UDM

 Kết luận: Việc hiển thị đối tượng của mô hình UDM không giống với thực tế

so với việc hiển thị đối tượng của mô hình cải tiến từ UDM

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1] Cyrus Shahabi, Ralf Hart Hartmut Guting, “Introduction to Spatial Database Systems”,VLDB Journal , 1994

[2] Kevin Loney ,Oracle Database complete reference, Oracle Press, 2004

[3] Nguyễn gia Tuấn Anh, “Báo cáo chuyên đề CSDL không gian”- Đại học khoa học tự nhiên Tp HCM, 2008

[4] Nguyễn gia Tuấn Anh, “Tổng quan các mô hình dữ liệu GIS 3 chiều”- Báo cáo hội thảo CNTT và truyền thông, Đại học Đà lạt-2006

[5] Nguyen gia Tuan Anh, “Cải tiến mô hình UDM trong ứng dụng quản lí khu dân cư mới”, The 2nd Asian Conference on Intelligent Information and Database

Systems, Huế, Việt Nam, 2010