Mô hình và cấu trúc dữ liệu không gian

Chương MÔ HÌNH VÀ CẤU TRÚC DỮ LIỆU KHÔNG GIAN 3.1 GIỚI THIỆU Dữ liệu GIS Thế giới thực -Truy vấn thơng tin -Cập nhật liệu -Phân tích, mơ hình hóa -Hiển thị, xuất liệu Thực thể không gian (spatial entity) vật, tượng tồn giới thực Đối tượng không gian (spatial object) thực thể không gian biểu diễn máy tính Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.1 GIỚI THIỆU Vai trò mô hình liệu GIS Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.1 GIỚI THIỆU Mô hình không gian đơn giản hoá giới thực, tập phần tử biểu diễn thực thể không gian giới thực Mô hình liệu không gian tương ứng với tập nguyên tắc để chuyển giới thực thành đối tượng không gian miêu tả cách logic Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.1 GIỚI THIỆU Dữ liệu số đối tượng không gian biểu diễn máy tính dạng nhò phân theo mô hình raster vector - Mô hình raster biểu diễn thực thể theo bề mặt liên tục - Mô hình vector biểu diễn thực thể theo bề mặt rời rạc Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.1 GIỚI THIỆU Mô hình raster: đối tượng không gian chia thành ô lưới gọi điểm ảnh (pixel), điểm ảnh có thuộc tính Mô hình vector: đối tượng không gian biểu diễn điểm, đường, vùng Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.2 MÔ HÌNH DỮ LIỆU RASTER Mô hình liệu Raster sử dụng mạng lưới ô (hình vuông, tam giác lục giác) gọi pixel để thể đối tượng không gian The raster data model uses an array of cells, or pixels, to represent real-world objects The cells can hold any attribute values based on one of several encoding schemes including categories, and integer and floatingpoint numbers Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.2 MÔ HÌNH DỮ LIỆU RASTER Dữ liệu Raster khu vực bán đảo Olympic, bang Washington, Mỹ Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.3 CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER 3.3.1 Mô tả cấu trúc Cấu trúc liệu raster có hai đặc điểm cần lưu ý: - Mỗi điểm ảnh biểu diễn thuộc tính, xác đònh giá trò f(x,y) - Khi thay đổi độ phân giải (kích thước điểm ảnh thay đổi), dung lượng liệu thay đổi theo Dung lượng liệu tăng theo bình phương tỉ lệ gia tăng độ phân giải Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.3 CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER 3.3.2 Đặc tính hình học Đối tượng điểm (Point objects): Số pixel i Số hàng j (i,j) = (5,3);(7,5);(8,2) Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.4 Cấu trúc Topology Topology cung Cung Topology vùng Vùng Cung A B C D E a1, a5, a3 a2, a5, 0, a6, 0, a7 a7 a6 vùng a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 Nút đầu Nút cuối N1 N2 N3 N4 N3 N5 N6 Vùng trái N2 N3 N1 N1 N2 N5 N6 E E E A A B B Vùng phải A B A A B B C Dữ liệu toạ độ cung Topology nút Nút Cung N1 N2 N3 N4 N5 N6 a1, a3, a4 a1, a2, a5 a2, a3, a5 a4 a6 a7 Cung Nút đầu (x,y) a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 40,60 70,50 10,25 40,60 10,25 30,20 55,27 Đỉnh (vertex) (x,y) 70,60 70,10;10,10 10,60 30,50 20,27;30,30;50,32 55,15;40,15;45,27 Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng Nút cuối (x,y) 70,50 10,25 40,60 30,40 70,50 30,20 55,27 3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.4 Cấu trúc Topology 70 N4 60 a7 a1 50 40 N1 F a6 A D a3 N2 a8 a5 N5 B 20 a4 C N7 E N9 a2 10 N8 a9 a12 30 N6 a10 a11 N3 0 10 20 30 40 Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 50 60 70 3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.5 Đònh dạng file phổ biến AutoCAD (.dxf): đònh dạng hãng Autodesk Coverage: đònh dạng liệu vector ArcInfo, 1981 Shapefile: ESRI giới thiệu với ArcView, 1993, có file chính: SHP; SHX DBF TAB: đònh dạng MapInfo, có file chính: TAB; DAT; ID MAP Geodatabase: đònh dạng với thiệu với ArcGIS 8.0, 2000, gồm có: Personal Geodatabase (.mdb), File Geodatabase Enterprise Geodatabase Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.6 MÔ HÌNH DỮ LIỆU TIN Mô hình mạng lưới tam giác bất đồng dạng (TIN) dùng để thể đối tượng bề mặt không gian 2,5-D 3-D (bề mặt đòa hình, thang tầng đòa chất,…) Mô hình TIN thành lập dựa mô hình liệu vector thông qua giá trò x,y (tọa độ) z (độ cao) A triangulated irregular network (TIN) is a digital data structure used in GIS for the representation of a surface A TIN is a vector-based representation of the physical land surface or sea bottom, made up of irregularly distributed nodes and lines with three-dimensional coordinates (x, y, and z) that are arranged in a network of non-overlapping triangles Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.6 MÔ HÌNH DỮ LIỆU TIN Cấu trúc liệu mô hình TIN (Nguồn: Zeiler 1999) Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.6 MÔ HÌNH DỮ LIỆU TIN Ứng dụng mô hình TIN A) Bản đồ nguy lở đất Ý; B) Sông Trường Giang Trung Quốc (Nguồn: Paul A Longley, 2005) Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.7 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỐI TƯNG KHÔNG GIAN CÁC Tobler's first law of geography: - "Everything is related to everything else, but near things are more related than distant things." - Mọi đối tượng có mối quan hệ với đối tượng gần quan hệ nhiều đối tượng xa Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.7 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỐI TƯNG KHÔNG GIAN Quan hệ điểm-điểm - “Trong giới hạn (is within)”: Nằm giới hạn khoảng cách cụ thể - “Gần với (is nearest to)”: Gần so với điểm cụ thể Ví dụ ? Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng CÁC 3.7 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỐI TƯNG KHÔNG GIAN Quan hệ điểm-đường - “Nằm đường (on line)”: điểm nằm đường - “Gần với (is nearest to)”: Điểm gần so với đường Ví dụ? Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng CÁC 3.7 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỐI TƯNG KHÔNG GIAN Quan hệ điểm-vùng - “Chứa bên vùng (is contained in)”: Điểm chứa bên vùng - “Nằm biên (on border of area)”: Một điểm nằm đường biên vùng Ví dụ? Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng CÁC 3.7 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỐI TƯNG KHÔNG GIAN Quan hệ đường-đường - “Giao (intersects)”: Hai đường giao - “Băng qua (crosses)”: Hai đường băng qua mà không giao - “Chảy vào (flow into)”: Một nhánh sông chảy vào dòng sông Ví dụ? Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng CÁC 3.7 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỐI TƯNG KHÔNG GIAN Quan hệ đường-vùng - “Giao (intersects)”: Một đường giao (cắt) với vùng - “Đường biên (borders)”: Đường phần biên vùng Ví dụ? Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng CÁC 3.7 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỐI TƯNG KHÔNG GIAN Quan hệ vùng-vùng - “Chồng lớp (overlaps)”: Hai vùng chồng lên - “Nằm bên (is within)”: Một vùng nằm bên vùng khác - “Kế cận (is adjacent to)”: Hai vùng có đường biên chung Ví dụ? Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng CÁC 3.7 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỐI TƯNG KHÔNG GIAN Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng CÁC 3.8 SO SÁNH GIỮA RASTER VÀ VECTOR Raster Vector Cấu trúc liệu Đơn giản Phức tạp Dung lượng Lớn Bé Chất lượng đồ họa Trung bình Tốt Chồng lớp Đơn giản Phức tạp Phân tích mạng Không Dễ dàng Độ xác hình học Thấp Cao Topology Khó khăn Dễ dàng Phân tích không gian Đơn giản Phức tạp Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng [...]... TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.3 Cấu trúc Spaghetti Cấu trúc không ghi nhận đặc trưng kề nhau của hai vùng kề nhau, nghóa là tại đường chung của hai vùng kề nhau có hai đường độc lập Cấu trúc Spaghetti được sử dụng để lập bản đồ số rất tốt, nhưng không thích hợp cho các bài toán phân tích GIS vì không mô tả được các quan hệ không gian Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.4 Cấu trúc. .. non-overlapping triangles Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.6 MÔ HÌNH DỮ LIỆU TIN Cấu trúc dữ liệu mô hình TIN (Nguồn: Zeiler 1999) Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.6 MÔ HÌNH DỮ LIỆU TIN Ứng dụng của mô hình TIN A) Bản đồ nguy cơ lở đất ở Ý; B) Sông Trường Giang ở Trung Quốc (Nguồn: Paul A Longley, 2005) Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.7 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỐI TƯNG KHÔNG GIAN CÁC Tobler's first law of geography: - "Everything...3.3 CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER 3.3.2 Đặc tính hình học Đối tượng đường (Line objects): (1,3);(2,2);(3,2) ;(4,3); (5,4) ;(6,5) ;(7,5) ;(8,4) Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.3 CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER 3.3.2 Đặc tính hình học Đối tượng vùng (Polygon objects): Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.3 CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER 3.3.3 Kỹ thuật nén dữ liệu Raster Để tăng hiệu quả trong việc lưu trữ dữ liệu Raster,... 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 Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.4 Cấu trúc Topology Cấu trúc topology còn được gọi là cấu trúc cungnút (arc-node) với phần tử cơ bản là cung Mỗi cung được mô tả như là một chuỗi những... Thế Hùng 3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.1 Mô tả cấu trúc Các đối tượng không gian khi biểu diễn ở cấu trúc vector thường tổ chức dưới dạng điểm, đường và vùng trên một hệ thống tọa độ xác đònh Mỗi điểm được xác đònh bởi một cặp toạ độ (x,y); đường được xác đònh bởi một chuỗi liên tiếp các điểm {(x1, y1),(x2, y2), ,(xn,yn)} và vùng được xác đònh bởi những đường khép kín Hai cấu trúc dữ liệu Vector thông... lưu trữ dữ liệu Raster, nhiều kỹ thuật nén dữ liệu Raster đã được nghiên cứu và đề xuất: - Mã hóa đoạn chạy (run-length encoding) - Mã hóa khối (block encoding) - Mã hóa sóng (wavelet encoding) - Mã hóa cây tứ phân (quadtrees encoding) Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.3 CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER 3.3.4 Đònh dạng file đối với dữ liệu không gian raster Cấu trúc dữ liệu raster được thực hiện dưới nhiều đònh... Một vùng có thể được giới hạn bởi hai đường cong khép kín lồng vào nhau và không cắt nhau Các đối tượng đòa lý trong cấu trúc topology được mô tả trong bốn bảng: - Ba bảng đầu lưu trữ các phần tử không gian vùng, nút, cung - Bảng thứ tư lưu trữ tọa độ nút, nút cuối và đỉnh Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.4 Cấu trúc Topology 70 a3 60 N1 a1 50 N2 A a3 40 E N4 a5 30 a7 N3 20... số khác nhau: - GRID: Đònh dạng của ESRI dùng để lưu trữ và xử lý dữ liệu raster - Đònh dạng công nghiệp chuẩn: JPEG, TIFF và MrSID dùng trong hiển thò nhưng không phân tích được (phải chuyển thành GRID) Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.3 CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER 3.3.4 Đònh dạng file đối với dữ liệu không gian raster Khi hiển thò đồng thời với dữ liệu vector, đòi hỏi phải có thông tin tọa độ tham chiếu... được xác đònh bởi những đường khép kín Hai cấu trúc dữ liệu Vector thông dụng là cấu trúc Spaghetti và cấu trúc Topology Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.2 Đặc tính hình học Các đối tượng trong không gian được phân loại thành 3 dạng: - Đối tượng điểm: Điểm dùng cho tất cả các đối tượng không gian được biểu diễn như một cặp tọa độ (x,y) - Đối tượng đường: Đường được dùng để... Vùng là một đối tượng hình học hai chiều Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.2 Đặc tính hình học Điểm Vùng Đường Đường cong Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.3 Cấu trúc Spaghetti - Điểm được xác đònh bằng một cặp tọa độ (x,y), - Đường được biểu diễn bằng một chuỗi những cặp toạ độ (xi,yi) - Vùng được xác đònh bởi một cung khép kín và được biểu diễn bằng ... Thế Hùng 3.2 MÔ HÌNH DỮ LIỆU RASTER Dữ liệu Raster khu vực bán đảo Olympic, bang Washington, Mỹ Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.3 CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER 3.3.1 Mô tả cấu trúc Cấu trúc liệu raster... Hùng 3.6 MÔ HÌNH DỮ LIỆU TIN Cấu trúc liệu mô hình TIN (Nguồn: Zeiler 1999) Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.6 MÔ HÌNH DỮ LIỆU TIN Ứng dụng mô hình TIN A) Bản đồ nguy lở đất Ý; B) Sông Trường Giang... khép kín Hai cấu trúc liệu Vector thông dụng cấu trúc Spaghetti cấu trúc Topology Biên soạn: GV Phạm Thế Hùng 3.5 CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR 3.5.2 Đặc tính hình học Các đối tượng không gian phân loại