Xử lý thông tin đồ GIS Xử lý thông tin đồ GIS Bởi: Võ Quang Minh CẤU TRÚC THÔNG TIN BẢN ĐỒ Giới thiệu Các đối tượng số sở liệu không gian phản ánh lại thực thể giới thực với thuộc tính tương ứng Điểm mạnh hệ thống GIS khả thể nội dung địa lý mối quan hệ không gian chúng Sau xem cách mà hệ thống GIS lưu trữ đối tượng đồ Thực thể phức tạp giới thực, đồ qui loại đối tượng số sau: • • • • Đối tượng kiểu điểm (point) Đối tượng kiểu đường (line, polyline) Đối tượng kiểu vùng (area, polygon) Đối tượng kiểu mô tả (annotation, text, symbol) Cách phản ánh đối tượng đồ Sự phản ánh lại đối tượng địa lý • Bản đồ thể đối tượng địa lý thông qua mô tả tập hợp thành phần của: đường, màu sắc, ký hiệu từ ngữ • Các thơng tin đồ hoạ mơ tả cho biết vị trí địa lý thuộc tính đối tượng địa lý • Mơ hình liệu số phản ánh lại vị trí, tính chất quan hệ khơng gian dạng số • Bản đồ số lưu trữ liệu theo loại đối tượng Bản đồ số lưu theo loại đối tượng đây: • Điểm (Points): Đối tượng đơn có vị trí.Ví dụ Trạm cứu hoả, nhà Giếng • Đường (Arcs): Các đối tượng dạng tuyến Ví dụ đường sá, sông, đường điện 1/8 Xử lý thông tin đồ GIS • Vùng (Polygons): Vùng có diện tích, định nghĩa đường bao Ví dụ loại đất Để phản ánh tồn thơng tin cần thiết đồ dạng đối tượng số, đối tượng địa lý phản ánh theo cấu trúc phân mảnh phân lớp thông tin - Cấu trúc phân mảnh: Một đối tượng địa lý mặt khơng gian liên tục phạm vi rộng Tuy nhiên sở liệu GIS, hạn chế lý kỹ thuật khả lưu trữ, xử lý, quản lý liệu mà đối tượng địa lý lưu trữ dạng cách mảnh (mapsheet, tile) Tuy nhiên khái niệm chia mảnh sở liệu GIS khơng hồn tồn đồng với khái niệm chia mảnh đồ thông thường Một mảnh (tile) sở liệu GIS có hình dạng miễn sau cho phù hợp với khả quản lý xử lý hệ thống Trong số hệ thống GIS có, người dùng phải tự quản lý cách chia mảnh Tuy nhiên xu hướng nay, hệ thống GIS cung cấp công cụ cho phép người sử dụng tự động quản lý mảnh sở liệu Một số GIS tiến hơn, dựa kỹ thuật công nghệ hướng đối tượng, mặt vật lý, đối tượng địa lý bị chia cắt theo mảnh, người sử dụng, đối tượng liên tục không bị chia cắt - Cấu trúc phân lớp thông tin: Một bước quan trọng xây dựng sở liệu GIS phân loại lớp thông tin (layer, class) Hệ thống GIS lưu trữ đối tượng địa lý theo lớp thông tin Mỗi lớp thông tin lưu trữ loại đối tượng có chung tính chất, đặc điểm giống Thiết kế lớp thông tin quan trọng hệ thống GIS Cách phân lớp thông tin ảnh hưởng lớn đến tính hiệu quả, khả xử lý sử dụng lâu dài sở liệu không gian Một số nguyên tắc thiết kế lớp thơng tin: - Có lớp thông tin bản: ứng dụng khác nhằm cần đến lớp thông tin (thông tin nền) Ví dụ như: + Lớp thơng tin sở tốn học đồ: điểm khống chế, khung, điểm độ cao, trắc địa nhà nước, v v + Lớp thông tin địa hình + Lớp thơng tin hệ thống thuỷ văn + Lớp thông tin hệ thống đường giao thông 2/8 Xử lý thông tin đồ GIS - Đủ lớp thông tin chuyên đề: Tuỳ ứng dụng yêu cầu cụ thể trước mắt, việc chọn lựa lớp thông tin chuyên đề lưu trữ sở liệu thứ tự nhập vào quan trọng Nó ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành thời gian xây dựng sở liệu GIS - Gộp đối tượng thành lớp thơng tin: khơng q chi tiết (để tránh có nhiều lớp thông tin phải quản lý) khơng q tổng qt (khó khăn muốn xử lý riêng biệt) Hình 8.1: Mơ hình sở liệu đồ Mơ hình phân lớp đối tượng Một phân lớp đối tượng (Layer) mà mơ hình liệu lưu trữ tập loging địa lý có tính chất chung thuộc tính tương ứng chúng Các quan niệm liệu không gian liên quan chặt chẽ với liệu nguồn để xây dựng nên mơ hình khơng gian máy tính Hai nhóm mơ hình liệu khơng gian ta thường gặp GIS thương mại mơ hình liệu vector mơ hình liệu raster Phương pháp biểu diễn đặc trưng địa lý phần tử đồ hoạ (điểm, đường, vùng) gọi phương pháp vector hay mơ hình vector Phương pháp biểu diễn đặc trưng địa lý điểm ảnh gọi phương pháp raster hay mơ hình liệu raster * Mơ hình Vector: Mơ hình liệu vector coi tượng tập thực thể không gian sở tổ hợp chúng Trong mơ hình chiều đối tượng sơ đẳng bao gồm điểm, đường vùng, mơ hình chiều cịn áp dụng bề mặt chiều khối Các đối tượng sơ đẳng hình thành sở vector hay toạ độ điểm hệ trục Hình 8.2: Các thành phần hình học sở (Nguồn : Đặng Văn Đức, 2001) Điểm thành phần sơ cấp liệu địa lý mô hình Các điểm nối với đoạn thẳng hay đường cong để tạo thành đối tượng khác đường hay vùng Loại đối tượng sơ đẳng sử dụng phụ thuộc vào đối tượng quan sát Tỷ lệ đồ tỷ lệ lớn, đối tượng thể dạng vùng, nhiên đồ tỷ lệ nhỏ, đối tượng thể dạng điểm Ví dụ: với tỷ lệ nhỏ thành phố biểu diễn điểm, cịn sơng ngịi biểu diễn đường, với tỷ lệ trung bình thành phố biểu diễn vùng có đường ranh giới, với tỷ lệ lớn thành phố biểu diễn tập hợp đối tượng để tạo nên nhà, đường phố, công viên tượng vật lý, hành khác Như vậy, mơ hình liệu vector 3/8 Xử lý thông tin đồ GIS sử dụng đoạn thẳng hay điểm rời rạc để nhận biết vị trí giới thực Vì vậy, đối tượng điểm vùng dùng phản ánh lẫn Hình 8.3: Biểu diễn đồ vector (Nguồn : Đặng Văn Đức, 2001) Phương pháp vector hình thành sở quan sát đối tượng giới thực Quan sát đặc trưng theo hướng đối tượng phương pháp tổ chức thông tin hệ GIS để định hướng hệ thống quản trị sở liệu Chúng có ưu việt việc lưu trữ số liệu đồ chúng lưu đường biên đặc trưng, không cần lưu toàn vùng chúng Các thành phần đồ hoạ biểu diễn đồ liên kết trực tiếp với thuộc tính sở liệu người sử dụng dễ dàng tìm kiếm hiển thị thông tin từ CSDL - Cấu trúc liệu toàn đa giác: Mỗi lớp CSDL cấu trúc toàn đa giác chia thành tập hợp đa giác Mỗi đa giác mã hoá thành trật tự vị trí hình thành đường biên vùng khép kín theo hệ trục toạ độ (hình 8.4) Trong cấu trúc khơng có tham số để biết vùng kề Do quản lý đa giác đối tượng tách biệt khơng có tổ chức topo hệ thống Khái niệm topo đề cập đến quan hệ đối tượng không gian khác đa giác chung đường biên, điểm thuộc cạnh đa giác nào, … Hình 8.4: Cấu trúc tồn đa giác (Nguồn : Đặng Văn Đức, 2001) Trong cấu trúc tồn đa giác đoạn xác định đa giác lưu lần CSDL.Một số điểm tạo nên cạnh đa giác lưu nhiều lần Do việc cập nhật, sửa đổi liệu tổ chức liệu khơng gian loại khó khăn - Cấu trúc cung-nút Một khía cạnh quan trọng mơ hình vectorlaf cho khả tách biệt thành phần để đo đạc (diện tích, độ dài) để xác định quan hệ không gian thành phần Quan hệ không gian liên kết gần kề thí dụ quan hệ topo (hình 8.5) Hình 8.5: Đối tượng topo sở (Nguồn : Đặng Văn Đức, 2001) Thông tin vùng gần kề lưu trữ mã đặc trưng liên quan đến phía phải hay phía trái cung “Phải” hay “trái” xác định từ hướng cung: từ “nút” hay “ đến nút” Để phân biệt đường biên đường biên ngoài, ta quy định chiều quay kim đồng hồ cho đường biên ngược chiều quay kim đồng hồ cho đường biên Mỗi nút gắn danh sách cung bao quanh, danh sách cung nối vào nút phải xếp đặt theo trật tự xác định trước, theo chiều quay kim đồng hồ hay ngược lại (hình 8.6) 4/8 Xử lý thơng tin đồ GIS Hình 8.6: Đối tượng mã hố topo(Nguồn : Đặng Văn Đức, 2001) * Mơ hình Raster: Mơ hình liệu dạng raster phản ánh tồn vùng nghiên cứu dạng lưới điểm (cell) hay điểm ảnh (pixel) Các hệ thống sở raster hiển thị, định vị lưu trữ liệu đồ hoạ nhờ sử dụng ma trận hay lưới điểm ảnh Độ phân giải liệu raster phụ thuộc vào kích thước của điểm ảnh Dữ liệu raster thiết lập cách mã hoá điểm ảnh giá trị theo đặc trưng tính chất đồ (hình 8.7), sử dụng số nguyên, số thực, ký tự hay tổ hợp chúng để làm giá trị Mỗi đặc tính giống có giá trị số Độ xác mơ hình raster phụ thuộc vào kích thước hay độ phân giải pixel (hình 8.8) Một điểm là điểm ảnh, đường vài điểm ảnh liền kề nhau, vùng tập hợp nhiều điểm ảnh Hình 8.7: Biểu diễn raster (Nguồn : Đặng Văn Đức, 2001) Hình 8.8: Sự ảnh hưởng lựa chọn kích thước tế bào (Nguồn : Đặng Văn Đức, 2001) Các nguồn liệu xây dựng nên liệu raster bao gồm: • • • • • • • Quét ảnh Ảnh máy bay, ảnh viễn thám Chuyển từ liệu vector sang Lưu trữ liệu dạng RASTER Nén theo hàng (Run lengh coding) Nén theo chia nhỏ thành phần (Quadtree) Nén theo ngữ cảnh (Fractal) Trong hệ thống liệu raster lưu trữ (thường hình vng) xếp mảng dãy hàng cột Nếu có thể, hàng cột nên vào hệ thống lưới đổ thích hợp Việc sử dụng cấu trúc liệu raster tất nhiên đưa đến số chi tiết bị Với lý này, hệ thống raster-based không sử dụng trường hợp nơi có chi tiết có chất lượng cao địi hỏi Hình 8.9: Sự biểu thị kết đồ dạng Raster * Mô hình lưới liệu tam giác khơng (TIN): Các ứng dụng mơ hình hố địa hình địi hỏi phương pháp biểu diễn độ cao mặt đất Một phương pháp có tên “ lưới tam giác khơng đều” (Triangulated Irregular Network - TIN) Khái niệm hình học TIN tập đỉnh nối với 5/8 Xử lý thông tin đồ GIS thành tam giác Các tam giác hình thành bề mặt chiều Bề mặt TIN sử dụng để biểu diễn vấn đề khác độ cao, mức độ nhiễm, lượng mưa, … (hình 8.10, 8.11) Hình 8.10: Điểm liệu rời rạc (Nguồn : Đặng Văn Đức, 2001) Hình 8.11: Mơ hình TIN (Nguồn : Đặng Văn Đức, 2001) Hình 8.10 mơ tả vị trí điểm liệu mặt phẳng Chúng có vị trí khơng gian x, y kèm theo giá trị (giả sử biểu diễn độ cao) TIN hình thành nối điểm liệu gần Hình 8.11 mơ hình TIN khối liệu mơ tả hình 8.10 tiến trình nối điểm liệu với gọi “khảm” (tesselation), cách thay đổi điểm nhìn ta có mơ hình TIN góc độ khác Vì TIN hình thành bề mặt liên tục, tính đặc tính hướng chảy đường bình độ giá trị (hình 8.12) Trong GIS vector TIN coi đa giác có thuộc tính độ dốc, hướng diện tích Các đỉnh chúng có thuộc tính độ cao, cạnh có thuộc tính độ dốc hướng Mơ hình hấp dẫn tính đơn giản kinh tế Hình 8.12: TIN đường bình độ(Nguồn : Đặng Văn Đức, 2001) Hình 8.13: So sánh đường bình độ TIN (Nguồn : Đặng Văn Đức, 2001) Trong đồ học phương pháp truyền thống để biểu diễn bề mặt địa hình đường bình độ, nhiên đường bình độ khơng thuận tiện cho mục đích phân tích Nếu có liêu đường bình độ thơng thường chuyển sang phương pháp biểu diễn địa hình chung hệ GIS lưới tam giác không (TIN) Mô hình TIN bao gồm dãy tam giác khơng phủ bao trùm toàn bề mặt topo, tam giác xác định mặt phẳng, đỉnh tam giá mã hố vị trí chúng gắn theo độ cao Khoảng cách không điểm độ cao dẫn tới ta có tập tam giác có kích thước hình dáng khác nhau, nơi điểm liệu gần vùng nghiên cứu thay đổi độ cao nhanh, nơi điểm liệu xa kích thước tam giác tăng nhanh (hình 8.13) GIS chứa liệu độ cao mơ hình TIN cho phép tính tốn độ dốc hiệu quả, chúng cho phép phát sinh đường bình độ hay phác hoạ ảnh vùng nghiên cứu CHUẨN THÔNG TIN BẢN ĐỒ Giới thiệu Chuẩn thông tin đồ bao gồm chuẩn sau: • Chuẩn hệ thống toạ độ • Chuẩn sai số • Chuẩn phân mảnh, đánh phiên hiệu mảnh đồ số 6/8 Xử lý thơng tin đồ GIS • Chuẩn phân lớp thơng tin • Chuẩn mơ hình liệu lưu trữ mô tả thông tin Mô tả chuẩn Chuẩn hệ thống toạ độ đồ Dữ liệu đồ số lưu sở liệu phải đưa hệ thống toạ độ độ cao quốc gia hệ chiếu thống Chuẩn sai số Sai số liệu yếu tố phải cân nhắc xây dựng sở liệu đồ Đối với loại ứng dụng khác nhau, sai số liệu cho phép khác Ví dụ: Bản địa hình tn theo sai số qui định qui phạm đồ địa hình Trong ứng dụng quản lý môi trường, tài nguyên , sai số liệu lớn Chuẩn cách phân mảnh, đánh phiên hiệu mảnh đồ số Để dễ dàng quản lý, xử lý mảnh trợ giúp q trình tự động hố xử lý mảnh, yêu cầu chuẩn cách phân mảnh, đánh phiên hiệu mảnh bắt buộc phải có Có thể nhiều cách phân mảnh, đánh tên khác cho dạng liệu khác phải thống tròn sở liệu Phân mảnh theo: Cách phân mảnh có đồ giấy Theo đơn vị hành Theo phạm vi nghiên cứu v v Chuẩn phân lớp thông tin Đây chuẩn quan trọng đặc biệt ứng dụng có liệu lớn, sử dụng lâu dài Chuẩn đòi hỏi thông tin lưu trữ sở liệu phải tuân theo lớp thông tin xác định trước cho sở liệu Bảng phân lớp thông tin phải thể đầy đủ liệu cần lưu trữ mà không tổng quát, chi tiết Chuẩn tính quan hệ, tương hỗ lớp thơng tin khác Ví dụ đường giao thơng khơng chạy ngồi sơng Chuẩn mơ hình liệu lưu trữ mô tả thông tin Công nghệ kỹ thuật phân tích, xử lý thay đổi nhanh sở liệu khơng thể nhanh chóng thay đổi Chuẩn mơ hình liệu chuẩn để đảm bảo sở 7/8 Xử lý thông tin đồ GIS liệu sử dụng lâu dài chia sẻ thơng tin với hệ thống GIS khác Chuẩn mô hình liệu lưu trữ mơ tả thơng tin bao gồm: • Chuẩn mơ hình liệu: Lựa chọn mơ hình liệu vector (có / khơng có topology) raster cho liệu địa lý, mơ hình sở liệu quan hệ cho liệu thuộc tính • Chuẩn format lưu trữ liệu: Dữ liệu vector theo DXF, DGN ArcInfo, Ilwis v v Dữ liệu raster theo GRD, TIF, BMP, JPG, JPEG v v Dữ liệu thuộc tính theo DBF, MSSQL, TXT họặc ORACLE 8/8 ... Lớp thông tin hệ thống đường giao thông 2/8 Xử lý thông tin đồ GIS - Đủ lớp thông tin chuyên đề: Tuỳ ứng dụng yêu cầu cụ thể trước mắt, việc chọn lựa lớp thông tin chuyên đề lưu trữ sở liệu thứ... sở liệu GIS khơng hồn tồn đồng với khái niệm chia mảnh đồ thông thường Một mảnh (tile) sở liệu GIS có hình dạng miễn sau cho phù hợp với khả quản lý xử lý hệ thống Trong số hệ thống GIS có, người... đánh phiên hiệu mảnh đồ số 6/8 Xử lý thơng tin đồ GIS • Chuẩn phân lớp thơng tin • Chuẩn mơ hình liệu lưu trữ mơ tả thơng tin Mô tả chuẩn Chuẩn hệ thống toạ độ đồ Dữ liệu đồ số lưu sở liệu phải