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

Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT 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. Phan Thanh Vũ – CH1201085 Trang 1 Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT Mục lục Phan Thanh Vũ – CH1201085 Trang 2 Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT 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 (B- REP), gồm các mô hình: 3D-FDS, TEN, OO, SSM, UDM, OO3D, CITYGML. - 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 kế hướng đối tượng ra đời vào năm 1990, nên các mô hình dữ liệu đề xuất Phan Thanh Vũ – CH1201085 Trang 3 Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT 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 Phan Thanh Vũ – CH1201085 Trang 4 Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT 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 3DFDS Không Lớn Có Khó OO Không Không Có Dễ SSM Không Không Có Dễ SOMAS Không Không Có Dễ UDM Không Không Có Dễ Phan Thanh Vũ – CH1201085 Trang 5 Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT OO3D Không Không Không Dễ CityGML Phức tạp Không Không Dễ CGS Không Không Không Khó V3D Không Lớn Không Dễ B-REP+CGS Phức tạp Không Không Dễ VI. Kết luận Việc ứng dụng các mô hình dữ liêu GIS 3D vào quản lý đô thị là cần thiết, quan trọng vì các mô hình này giúp quản lý và biểu diễn các đối tượng 3D trong quản lý đô thị ở thế giới thực. Do có nhiều loại mô hình dữ liệu GIS 3D, nên cần tìm các mô hình thích hợp cho việc quản lý đô thị. Phan Thanh Vũ – CH1201085 Trang 6 Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT PHẦN II: GIỚI THIỆU CÁC MÔ HÌNH THỰC THỂ KHÔNG GIAN I. MỘT SỐ MÔ HÌNH 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 Phan Thanh Vũ – CH1201085 Trang 7 Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT 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. Phan Thanh Vũ – CH1201085 Trang 8 Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT 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.3.1. Đặc điểm - Có thể biểu diễn và quản lý các lỗ hổng 2D và 3D (hole and runnel). - Có thể bảo quản và hổ trợ (maintain and support) các đối tượng không gian phức tạp (complex spatial objects). - Hướng của face cần được lưu ý. Phan Thanh Vũ – CH1201085 Trang 9 Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT 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 Phan Thanh Vũ – CH1201085 Trang 10 [...]... THỰC THỂ KHÔNG GIAN I NGUYÊN LÝ TIỀN ĐỀ Nguyên lý làm nền tảng cho cải tiến mô hình dựa trên nguyên lý phân chia, nguyên lý trích đoạn và nguyên lý kết hợp - - - II Các đối tượng không gian được chia nhỏ thành những phần tháo lắp nhầm mô hình hóa nó bằng các đối tượng không gian chuyên biệt VD: phân hóa một thực thể ngôi nhà thành các đối tượng: điểm đường mặt, khối… Tách rời các thực thể riêng biệt... loại mô hình dữ liệu GIS 3D đã được đề xuất Các đề xuất khác nhau do cách tiếp cận khác nhau về lý thuyết biểu diễn cấu trúc dữ liệu, về phương pháp phân tích thiết kế dữ liệu hay là sự pha trộn của các lý thuyết biểu diễn mô hình dữ liệu khác nhau 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. .. cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT  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... KẾT LUẬN Mô hình EUDM là một mô hình thích hợp cho quản lý đô thị Lợi điểm nhất của mô hình này là việc loại bỏ các mô hình phức tạp do đó khối lượng lưu trữ nhỏ, mô hình mô tả được các đối tượng phức tạp bằng phương thức tam giác hóa và có thể mô tả các đối tượng đơn giản như Lăng Trụ, Hình Nón bằng các đối tượng cụ thể như PRISM, CONE… nên đây là mô hình có phương thức dữ liệu hiệu quả Trong bài... 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 Phan Thanh Vũ – CH1201085... 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 MÔ HÌNH CẢI TIẾN Phần mô tả chi tiết các đối tượng được trình... 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 Phan Thanh Vũ – CH1201085 Trang 13 Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT I.7.2 Mô hình dữ liệu Hình 3.2.7.2 Mô hình OO3D 3.1.1... 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 Phan Thanh Vũ – CH1201085 Trang 17 Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT PHẦN III: CẢI TIẾN MÔ HÌNH THỰC THỂ KHÔNG...Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học - Hướng của face cần lưu trữ - Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT 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,... Bài thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT 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: . 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. CNTT OO3D Không Không Không Dễ CityGML Phức tạp Không Không Dễ CGS Không Không Không Khó V3D Không Lớn Không Dễ B-REP+CGS Phức tạp Không Không Dễ VI. Kết luận Việc ứng dụng các mô hình dữ liêu GIS. thu hoạch môn PP Nghiên cứu Khoa học trong tin học Lớp Cao học khóa 7 – ĐH CNTT PHẦN III: CẢI TIẾN MÔ HÌNH THỰC THỂ KHÔNG GIAN I. NGUYÊN LÝ TIỀN ĐỀ Nguyên lý làm nền tảng cho cải tiến mô hình dựa