PHÁT TRIỂN MỘT SỐ MÔ HÌNH DỮ LIỆU KHÔNG -THỜI GIAN TRONG GIS

Các đề xuất tập trung vào việc giảm chi phí thời gian hiển thị, kích thước lưu trữ các đối tượng không gian; biểu diễn lịch sử biến động của các đối tượng không gian theo thời gian; biểu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN GIA TUẤN ANH

PHÁT TRIỂN MỘT SỐ MÔ HÌNH DỮ LIỆU KHÔNG -THỜI GIAN TRONG GIS

THỐNG TÍNH TOÁN

Mã số chuyên ngành: 1.01.10

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC

Tp Hồ Chí Minh - 2012

Công trình được hoàn thành tại Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn khoa học:

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tổng hợp Quốc gia Tp.HCM

2 Thư viện trường Đại học Khoa học Tự nhiên – HCM

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Hiện nay đô thị hóa trở thành một xu thế Các hoạt động kinh tế, văn hóa, chính trị thường diễn ra tập trung tại các đô thị Để quản lí đô thị tốt và trợ giúp cho các lãnh đạo ra quyết định thì các ứng dụng GIS là một công cụ không thể thiếu Để xây dựng các ứng dụng này thì việc thiết kế mô hình dữ liệu là một trong những chìa khóa dẫn tới thành công Nội dung chính của luận án trình bày các đề xuất liên quan đến mô hình dữ liệu GIS 3D Các đề xuất tập trung vào việc giảm chi phí thời gian hiển thị, kích thước lưu trữ các đối tượng không gian; biểu diễn lịch sử biến động của các đối tượng không gian theo thời gian; biểu diễn các đối tượng không gian tại nhiều mức chi tiết khác nhau

Luận án bao gồm 5 chương và được tóm tắt theo từng chương như sau:

Chương 1 Giới thiệu

Chương 1 giới thiệu về các định nghĩa GIS, GIS 3D và các khó khăn Chương này cũng trình bày mục tiêu và các đóng góp chính của luận án

1.1 Mở đầu

Tùy theo cách tiếp cận sẽ có nhiều định nghĩa khác nhau về “Hệ thống thông tin địa lý – GIS” [1]

 GIS là hệ thống thông tin địa lý bao gồm bốn khả năng xử lý

dữ liệu địa lí: nhập dữ liệu; lưu trữ, truy xuất dữ liệu; gia công, phân tích dữ liệu; xuất dữ liệu



GIS 3D là một hệ thống có thể mô hình hóa, biểu diễn, quản lý, thao tác, phân tích và hỗ trợ quyết định dựa trên thông tin liên quan đến các hiện tượng 3D [16] Các thử thách trên GIS 3D cần giải quyết bao gồm: Mô hình dữ liệu 3D, nhập dữ liệu, phân tích không gian, hiển thị, GIS 3D và WEB [163]

1.2 Mục tiêu luận án

 Phát triển mô hình dữ liệu GIS 3D mới, giảm chi phí về thời gian hiển thị và kích thước lưu trữ

 Tích hợp thời gian vào mô hình dữ liệu 3D để biểu diễn và lưu trữ những thay đổi của đối tượng không gian theo thời gian

 Biểu diễn các thuộc tính không gian trên nhiều mức chi tiết khác nhau để đáp ứng các yêu cầu đa dạng từ các ứng dụng

và người dùng khác nhau

1.3 Các đóng góp chính của luận án

 Phân tích các mô hình dữ liệu 3D đã có [CT4]

 Phát triển mô hình dữ liệu SUDM Tác giả đề xuất mô hình

mới để biểu diễn các đối tượng 2D, 3D khi các đối tượng này có các hình dạng đặc biệt nhằm giảm chi phí về thời gian hiển thị và kích thước lưu trữ [CT1], [CT9]

 Phát triển mô hình dữ liệu LUDM Tác giả đã tích hợp lớp

mới-LOD và các mối liên kết giữa các đối tượng vào mô hình để hiển thị các đối tượng 3D tại nhiều mức chi tiết khác nhau [CT3], [CT5], [CT6], [CT7]

 Phát triển mô hình dữ liệu TUDM Tác giả tích hợp thêm

một số lớp mới và các mối liên kết phức để ghi lại lịch sử tiến hóa của các đối tượng GIS trong cả vòng đời của các đối tượng này [CT2], [CT3], [CT5], [CT8]

Chương 2 Các mô hình dữ liệu GIS 3 chiều

Chương 2 trình bày các mô hình dữ liệu GIS 3D đã được các tác giả đề nghị và những khái niệm xoay quanh Chương này cũng phân tích, tổng hợp so sánh các mô hình dữ liệu GIS 3D trên các tiêu chí bởi các bảng

2.1 Các khái niệm không gian

Các dạng thức tồn tại của một đối tượng.Một đối tượng trong

thế giới thực có các thuộc tính không gian, thời gian, ngữ nghĩa

và chúng có thể tồn tại dưới các dạng thức sau (hình 2.1)

Không gian Không gian là các khái niệm được sử dụng để con

người hiểu biết và hình thành ý niệm về môi trường xung quanh [5] Có hai phương pháp tiếp cận cho định nghĩa này Các thuộc tính và các quan hệ dùng để mô tả thành phần không gian của

một đối tượng trong GIS (hình 2.2) Các thuộc tính gồm: chiều,

vị trí và hình học Các quan hệ gồm: thứ tự, độ đo và topology [5]

Hình 2.1 Các dạng thức của một đối tượng

Chiều Chiều là một yếu tố để phân loại trong GIS, nó mô tả số lượng chiều không gian được hỗ trợ bởi hệ thống [5]

Hình 2.2 Các thành phần không gian của đối tượng GIS

Hình học Hình học là một thuộc tính không gian mô tả hình

dáng của các đối tượng [5] Các đối tượng không gian có thể do

tự nhiên hay con người tạo ra

Quan hệ thứ tự Quan hệ thứ tự trình bày quan điểm so sánh giữa 2 hay nhiều đối tượng không gian

Quan hệ độ đo Quan hệ độ đo là phương thức thuần tính toán

dựa trên nền tảng so sánh của những giá trị số có liên quan đến vị trí của các đối tượng trong không gian, kích cỡ các đối tượng và

những tính toán khác [5]

Quan hệ topology Topology mô tả mối quan hệ giữa đối tượng

và những đối tượng lân cận [5] Topology có thể được xét trong

không gian liên tục R2 trong 2D và R3 trong 3D hoặc trong không gian rời rạc Z2 trong 2D và Z3 trong 3D

Nếu là một đối tượng không gian của không gian topology , được mô tả trong lý thuyết bởi 3 thành tố: bao đóng (closure), phần trong (interior) và đường biên (boundary) [5]

Truy vấn không gian Xây dựng một CSDL không gian là tạo ra

tập dữ liệu có liên quan với nhau trong không gian, nhằm giải quyết các truy vấn như: ngôi nhà A cách bệnh viện gần nhất là

bao nhiêu?

Cấu trúc không gian Theo truyền thống, cấu trúc không gian

trong GIS được tạo ra bằng 2 phương pháp tiếp cận: Raster và

Mô hình là sự trừu tượng hóa, đơn giản hóa về một thế giới thực,

là cầu nối giữa lí thuyết và thực tiễn

Mô hình dữ liệu là phương thức biểu diễn thế giới thực một cách

dễ hiểu đối với máy tính [16]

Mô hình dữ liệu không gian là một mô hình dữ liệu định nghĩa các thuộc tính và các thao tác trên các đối tượng không gian Những đối tượng này được mô tả bằng các loại dữ liệu không gian như: Điểm, Đường, Bề mặt, Khối

2.2.1.2 Mô hình dữ liệu GIS 3D

Mô hình dữ liệu GIS 3D là chìa khóa của GIS 3D Trước đây đã

có vài tác giả đã thực hiện vấn đề này, tuy vậy các công việc của

họ vẫn thiếu một số mô hình xuất hiện sau thời điểm mà tác giả nghiên cứu [11][12][21][22] Một mô hình có thể tổ hợp mọi lãnh vực là không thực tiễn [15]

Các mô hình dữ liệu của các tác giả đã đề xuất được phân loại bởi 4 dạng chính:

 Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các đường biên (B-REP)

 Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các phần tử voxel

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

 Biểu diễn các đối tượng 3D bằng cách tổ hợp 3 phương pháp trên

2.2.2 Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các đường biên

Phương pháp B-REP biểu diễn một đối tượng 3D dựa trên các phần tử đã được định nghĩa trước, gồm: Điểm, Đường, Bề mặt, Khối Trong đó, Đường có thể là các đoạn thẳng, các cung tròn, các đường tròn Bề mặt có thể là các đa giác phẳng, các mặt tạo bởi các cung tròn, các mặt nón, các mặt hình trụ .Khối là sự mở rộng của các mặt, biểu diễn các khối 3D Các khối có thể: hình hộp, hình nón, hình trụ, tổ hợp của các khối này hay một khối bất

kì [3][4]

2.2.3 Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các phần tử voxel

Phương pháp voxel biểu diễn một khối dựa trên ý tưởng chia nhỏ một đối tượng thành các phần tử con, mỗi phần tử con gọi là một voxel Một phần tử con được xem như là một không gian địa lý

và được gán bởi một số nguyên [17]

2.2.4 Biểu diễn một đối tượng theo CSG

Mô hình CSG [3][4] biểu diễn một khối bằng cách tổ hợp các khối đã được định nghĩa trước Các khối cơ bản thường dùng: hình lập phương, hình trụ, hình cầu [16] Các mối quan hệ giữa các hình này gồm: phép biến đổi và các toán hạng luận lí

2.2.5 Các mô hình tổ hợp

Gồm hai mô hình, V3D [21] và B_REP+CSG [6] Mô hình V3D kết hợp giữa tiếp cận vector và raster Mô hình B_REP+CSG kết hợp giữa cách tiếp cận B_REP và CSG

2.3 So sánh các mô hình

Luận án trình bày 4 bảng so sánh trên các tiêu chí sau:

2.3.1 So sánh các mô hình trên các tiêu chí: biểu diễn mặt, biểu diễn bên trong giữa các mô hình

2.3.2 So sánh các mô hình trên các tiêu chí: các phần tử chính, các đối tượng phụ, cơ sở và ứng dụng

2.3.4 So sánh các mô hình trên các tiêu chí: cấu trúc không gian, hướng, độ đo và topology

2.3.5 So sánh các mô hình theo chuẩn về truy vấn: thuộc tính, vị trí và topology

Chương 3 Mô hình SUDM, TUDM, LUDM

Chương 3 trình bày các đề xuất của 3 mô hình SUDM, TUDM, LUDM, những lí do hình thành và phân tích những nét mới của chúng so với các mô hình trước

3.1 Mô hình SUDM

3.1.1 Mô hình UDM (Urban Data Model)

Mô hình UDM dùng hai đối tượng trung gian Node, Face; bốn đối tượng hình học Body, Surface, Line, Point [2][4] và các mối liên kết giữa chúng có dạng như hình 3.1

POINT SURFACE LINE

BODY

3 N

N

2 N N

N

N 1 1

Hình 3.1 Mô hình UDM

Mô hình UDM có một số hạn chế khi các đối tượng Bề mặt (Surface), Khối (Body) có hình thể đặc biệt Với các đối tượng trên khi dùng UDM để biểu diễn có vài giới hạn: kích thước dữ liệu lớn, tạo ra một số đường không có thật, chi phí thời gian để hiển thị cao Việc khắc phục các giới hạn trên được trình bày trong các đề xuất của 3.2

3.2 Các cải tiến của SUDM (Specialized Urban Data Model) 3.2.1 Cải tiến đối tượng Bề mặt

Phát biểu: Các Bề mặt là các đa giác phẳng sẽ biểu diễn thông

qua các đỉnh của đa giác và thứ tự của chúng Mỗi đỉnh được mô

tả bởi một Node

3.2.2 Cải tiến các khối dạng hình trụ

Phát biểu: Các Khối có dạng là hình trụ được biểu diễn thông

qua các thuộc tính: bán kính RA, tâm vòng tròn đáy IDN, chiều cao HEIGHT, loại hình trụ

3.2.3 Cải tiến khối 3D dạng hình lăng trụ

Phát biểu: Các Khối có dạng là hình lăng trụ được biểu diễn qua

đa giác đáy, chiều cao, loại hình lăng trụ

Hình nón: Khối hình nón được biểu diễn qua tâm vòng tròn đáy,

bán kính, loại hình nón và chiều cao

3.2.5 UDM sau các đề xuất 1, 2, 3, 4

Sau các đề xuất 1, 2, 3, 4, UDM được thiết kế lại như hình 3.2

và có tên SUDM

3.3 Mô hình TUDM (Temporal Urban Data Model)

3.3.1 Các khái niệm liên quan đến thời gian

3.3.1.1 Sự cần thiết của thời gian và mô hình dữ liệu không gian-thời gian (2D+1)

Yếu tố thời gian trong các đối tượng trong GIS cho biết các thông tin lịch sử các thay đổi trên các thuộc tính ngữ nghĩa lẫn thuộc tính không gian

Trong quá khứ đã có nhiều mô hình được đề nghị bởi nhiều tác giả [5] [8] [14] [18] [23] Nhìn chung, đây là các mô hình gồm 2D không gian và 1D thời gian

BODY-COMP FRUSMTUM PRISM

PYRIMID

CONE CYLINDER

FACE

LINE

NODE POINT

+N +N

+0

+1 +N

+N +N

+N

+N

+N

+N +N

+1 +N

+N +N

+11 +N

+1 +N

+1 +N

3.3.1.2 Đặc điểm của thời gian

Định nghĩa thời gian đã được các nhà khoa học cố gắng thực hiện, tuy vậy không một định nghĩa nào được công nhận một cách rộng rãi Thời gian được các nhà khoa học đồng ý với quan điểm của Enstein là một chiều độc lập và tương tác qua lại với không gian

3.3.1.3 Các ngữ nghĩa liên quan đến thời gian

Các ngữ nghĩa liên quan đến thời gian gồm có: thời gian rời rạc, thời gian liên tục, thời gian tuyệt đối và thời gian tương đối

3.3.1.4 Các loại dữ liệu thời gian

Thời gian có thể được biểu diễn bởi điểm thời gian, đoạn hay khoảng thời gian Thời gian được lưu trong CSDL liên quan đến một đối tượng A có thể có các ý nghĩa sau [10]:

Là thời gian xảy ra với A trong thế giới thực; thời gian người ta quan sát được sự thay đổi của A; thời gian ghi lại sự thay đổi của A vào CSDL; thời gian đo lường được sự thay đổi của A; thời gian tường thuật lại sự thay đổi của A Thực tế người ta cần quan tâm đến hai giá trị quan trọng, thời gian xảy ra với A trong thế giới thực T1 và thời gian ghi lại sự thay đổi của A vào CSDL T2 [5]

3.3.1.5 Các yếu tố liên quan đến lớp thời gian

GIS phi thời gian chỉ biểu diễn các trạng thái của các đối tượng địa lý Trong khi đó GIS theo thời gian biểu diễn đến cả trạng thái, biến cố và chứng cứ Trạng thái, biến cố và chứng cứ làm cho dữ liệu mà đang đề cập gia tăng chất lượng và mô tả mối quan hệ nhân quả cho các biến đổi trên các đối tượng [4]

3.3.2 Truy vấn theo thời gian

CSDL thời gian là tập dữ liệu có thuộc tính thời gian Ngôn ngữ truy vấn thời gian là ngôn ngữ truy vấn cho bất kì CSDL thời gian nào [19] Hiện tại có một số ngôn ngữ truy vấn theo thời gian như [19]: TQUEL, TSQL2, SQLT, IXSQL, SQL/PT, TOSQL

3.3.3 Các lớp được tích hợp trong mô hình TUDM

Mục tiêu của việc tích hợp thời gian vào mô hình UDM cần thỏa

ba tiêu chí:

 Diễn đạt được cả hai nhóm thời gian: điểm thời gian và đoạn thời gian

 Mô tả được cho thời gian thực và thời gian ghi vào CSDL

 Biểu diễn, lưu trữ lịch sử biến động của các đối tượng không gian theo thời gian

Các lớp được tích hợp vào mô hình gồm: Time, DMY, Event, EventType

Lớp TIME: mỗi thời gian có mã số IDT, loại thời gian INT_INTS để phân biệt điểm và đoạn thời gian

Lớp DMY: mô tả bởi bốn thuộc tính, mã số IDDMY, ngày, tháng và năm

Lớp Event: Mỗi biến cố có một mã số IDE, có quan hệ với thời gian sinh ra và thời gian kết thúc của biến cố

Lớp EventType: mỗi biến cố có mã số IDET, một tên biến cố NAME Ví dụ, lũ lụt, động đất, quy hoạch

3.3.4 Mô hình dữ liệu TUDM

Mô hình TUDM sau khi tích hợp các lớp TIME, DMY, EVENT, EVENTYPE và các mối liên kết giữa các lớp có dạng như hình 3.3 Mô hình TUDM đã lưu giữ tường minh lịch sử biến đổi của các đối tượng không gian theo thời gian

3.4 Mô hình LUDM (Levels of detail Urban Data Model) 3.4.1 Khái niệm LOD (Levels of Detail)

Trong đồ họa máy tính, LOD thường được sử dụng LOD là thứ bậc của độ phân giải của một đối tượng hiển thị trong máy tính khi so với thế giới thực [7][13] LOD có thể chia nhiều mức khác nhau bởi các nhà khoa học [20] LOD là một cách biểu diễn nhanh cho mô hình 3D, chỉ ra các mức độ trừu tượng hóa

áp cho các đối tượng Các mô hình 3D phát triển hơn 10 năm, tuy vậy đa phần các mô hình vẫn biểu diễn dữ liệu ở mức thấp Một số tác giả đã đề xuất các vấn đề liên quan đến LOD trên mô hình gồm mô hình: CityGML và Mingyuan Min

3.4.2 OGC-Mô hình CityGML

Do tổ chức OGC (Open Geospatial Consortium) đề nghị năm

2007 [8] Nhóm tác giả đã đề xuất năm mức biểu diễn các mức chi tiết cho khối 3D:

LOD0 là mô hình 2D, có dạng hình chụp hay một bản đồ LOD1 dùng cho hiển thị các tòa nhà như các khối hình lăng trụ mái bằng LOD2 dùng cho hiển thị các tòa nhà như khối hình lăng trụ có mái và chi tiết các bề mặt LOD3 dùng cho hiển thị các tòa nhà như các khối có kiến trúc và chi tiết các mái nhà, tường ban công LOD4 dùng cho hiển thị các tòa nhà như các khối có kiến trúc và hiển thị được bên trong các tòa nhà này Ví dụ: phòng, cầu thang, nội thất khác

3.4.3 Mô hình Mingyuan Min

Mô hình do tác giả Mingyuan Min [9] đề nghị năm 2008 Tác giả đề xuất năm mức cho việc hiển thị chi tiết các tòa nhà, trong đó:

LOD1 nhìn các tòa nhà theo chiều thẳng đứng LOD1 cho biết

sự phân bố các tòa nhà trong các quận huyện LOD2 là mô tả theo chiều nằm ngang của các đối tượng 3D LOD3 dùng hiển thị các tòa nhà như khối hình lăng trụ có mái và chi tiết các bề mặt LOD4 định nghĩa đơn vị nhỏ nhất có thể biểu diễn các đối tượng 3D LOD5 mô tả chi tiết một số đối tượng bên trong tòa nhà

Hình 3.3 Mô hình TUDM

3.4.4 So sánh LOD của 2 nhóm tác giả

Bảng 3.1 mô tả sự giống nhau và khác nhau của hai mô hình dữ liệu GIS 3D, CityGML, Mingyuan Min thuộc hai nhóm tác giả

Bảng 3.1 So sánh LOD của hai nhóm tác giả

Sự giống nhau - Số mức chi tiết: 5

- Xây dựng mức chi tiết trên cơ sở: ngữ nghĩa

3.4.5 Đề xuất tích hợp lớp LOD và các mối liên kết vào mô hình LUDM

Các đề xuất về LOD của hai nhóm tác giả trên dựa vào ngữ nghĩa của các đối tượng 3D, trong tình huống này là các tòa nhà Các ngữ nghĩa có thể là: mái nhà, cầu thang, ban công, cửa sổ Chúng tôi đề xuất LOD theo cách tiếp cận khác, LOD dựa theo thuộc tính không gian, nghĩa là độc lập với ngữ nghĩa

LOD được định nghĩa là một lớp, gồm các thuộc tính: IDLOD:

mã số mức chi tiết; NAME: tên mức chi tiết; DESC: các mô tả cần thiết cho mỗi IDLOD

Một Body của một đối tượng A có thể hiển thị tại các mức LOD khác nhau Một mức LOD có thể có nhiều Body cho một Body

+N +4

EVENT

EVENTYPE

+1 +N +N

+N

N +N

N +N +N

+N

FACE NODE

+N +N +N

+N

+3 +N

+N +N +1 +0

+4 +1

+N +N