Một số thuật toán phân tích không gian và ứng dụng

Một số thuật toán phân tích không gian và ứng dụng Một số thuật toán phân tích không gian và ứng dụng Một số thuật toán phân tích không gian và ứng dụng luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

Thân Văn Thiết Khoa học máy tính LỜI CẢM ƠN Trong quá trì nh làm luận văn vừa qua, dưới sự giúp đỡ và chỉ bảo nhiệt tì nh của PGS TS Đặng Văn Đức – Viện Công nghệ Thông tin – Viện khoa học Việt Nam, luận văn của đã được hoàn thành Mặc dù đã cố gắng không ngừng cùng với sự tận tâm của thầy hướng dẫn song thời gian và khả vẫn còn nhiều hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót quá trình làm luận văn Để hoàn thành được luận văn này Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Đặng Văn Đức - người thầy đã tận tì nh giúp đỡ em suốt quá trì nh tì m hiểu, xây dựng và phát triển luận văn này Em xin chân thành cảm ơn các thầy , cô giáo Viện Công nghệ Thông tin – Viện khoa học Việt Nam đã giảng dạy và hướng dẫn em suốt năm học qua Em cũng xin cảm ơn ban lãnh đạo trường và toàn thể thầy cô giáo trường ĐH Công Nghệ thông tin và truyền thông – Đại Học Thái Nguyên đã tạ o điều kiện tốt nhất giúp em học tập và hoàn thành luận văn này Và cuối cùng cũng xin cảm ơn gia đì nh, toàn thể các học viên lớp Cao học K đã động viên, quan tâm và giúp đỡ thời gian qua Cuối cùng rất mong nhận được sự chỉ dẫn , góp ý của các thầy cô và các bạn để luận văn của được hoàn thiện Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thân Văn Thiết Khoa học máy tính THUẬT NGỮ TIẾNG ANH BO Bentley – Ottmann EEZ Exclusive Economic Zone ESRI Environmental Systems Research Institute FB Ford-Bellman GIS Geographic Information System Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thân Văn Thiết Khoa học máy tính DANH MỤC HÌ NH VẼ Hình 1.1 Mơ hình cơng nghệ GIS Hình 1.2 Các thành phần hệ GIS Hình 1.3 Mơ hình liệu raster vecto Hình 1.4 Quan hệ nhóm chức GIS Hình 1.5 Hệ tọa độ địa lý (trực quan) Hình 1.6 Minh họa cách chiếu bề mặt cong lên mặt phẳng Hình 2.1 Xếp chồng lớp đồ Hình 2.2 Minh họa Raster Overlay Hình 2.3 Xếp chồng điểm đa giác Hình 2.4 Xếp chồng đoạn đa giác Hình 2.5 Xếp chồng đa giác đa giác Hình 2.6 Phép hợp Overlay Hình 2.7 Phép giao Overlay Hình 2.8 Phép đồng Overlay Hình 2.9 Minh hoạ thuật tốn qt dịng Hình 2.10 Cấu trúc nhị phân Hình 2.11 Vùng đệm tạo từ điểm Hình 2.12 Vùng đệm tạo từ đường Hình 2.13a Vùng đệm tạo từ bên đa giác Hình 2.13b Vùng đệm tạo từ bên ngồi đa giác Hình 2.14 Vùng đệm tạo từ điểm Hình 2.15 Vùng đệm nhiều điểm Hình 2.16 Xóa bỏ vùng chồng Hình 2.17 Một đường thẳng tạo từ nhiều đoạn thẳng Hình 2.18 Tạo buffer cho đoạn thứ Hình 2.19 Tạo buffer cho đoạn thứ hai Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thân Văn Thiết Khoa học máy tính Hình 2.20 Hai vùng đệm hai đoạn giao Hình 2.21 Xác định lại vùng đệm Hình 2.22 Kết buffer đường thẳng Hình 2.23 Hai đuờng thẳng cùng mợt tầng tạo vùng đệm Hình 2.24 Vùng A nằm vùng đệm, vùng B nằm ngồi vùng đệm Hình 2.25 Vùng đệm đa giác Hình 2.26 Điểm cách hai đường biên Hình 2.27 Các loại cấu hình đường bờ biển Hình 2.28 Mơ tả cấu trúc liệu biểu diễn đường biên quốc gia Hình 2.29 Sơ đồ thuật tốn xác định đường cách Hình 2.30 Xác định điểm thăm dị Hình 3.1 Giao diện chương trì nh Hình 3.2 Hai đồ khơng giao Hình 3.3 Kết phép chồng phủ hai đồ khơng giao Hình 3.4 Hai đồ giao Hình 3.5 Kết phép chồng phủ hai đồ giao Hình 3.6 Kết xác nhiều kiểu giao đồ Hình 3.7 Kết chồng phủ nhiều đồ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thân Văn Thiết Khoa học máy tính ĐẶT VẤN ĐỀ Loài người ln ln mong muốn hiểu rõ các hiện tượng tự nhiên và trái đất để có thể chinh phục chúng Để đạt được mục đí ch này , thông thường người thực hiện một loạt các công việc sau : Thu thập dữ liệu củ a Trái đất và hiện tượng tự nhiên ; lưu trữ dữ liệu vào máy tí nh để quản lý hiệu quả và lâu dài ; Phân tí ch dữ liệu để tì m các quy luật và các thông tin trợ giúp quyết đị nh; Biểu diễn và hiển thị dữ liệu ; Tác động trở lại các hiện tượng tự nhiên và thế giới thực Con người đã thực hiện có hiệu quả các công việc nhờ các hệ thống tin học Do hầu hết dữ liệu được thu nhập và xử lý liên quan đến vị trí Trái đất , hệ thống thông tin đị a lý (Geographical Information System – GIS) trở thành công cụ phù hợp nhất Tuy GIS đã được nghiên cứu và phát triển từ nhiều năm , cho đến các máy tí nh có tốc độ xử lý cao, khả lưu trữ khối dữ liệu lớn và khả hiển thị đồ họa nhanh thì nó mới được phổ biến rộng rãi Với tốc độ phát triển không ngừng của công nghệ phần cứng ngành Công nghệ thông tin thì GIS sẽ nhanh chóng được phát triển rộn g rãi Nhu cầu phân tí ch và biểu diễn các dữ liệu không gian được máy tí nh một cách phổ biến và rộng rãi là không nhỏ Với mong muốn nghiên cứu một số thuật toán phân tí ch không gian hệ thống thông tin đị a lý t ôi đã lựa chọn đề tài “Một số thuật toán phân tích không gian và ứng dụng” Đối tượng nghiên cứu là các thuật toán phân tích không gian, và ứng dụng của chúng GIS Trong khuôn khổ của một luận văn thạc sỹ chuyên ngành Khoa học máy tính xin phép sâu tì m hiểu các thuật toán : xếp chồng bản đồ , vùng đệm không gian, tìm đường ngắn nhất Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thân Văn Thiết Khoa học máy tính CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ GIS 1.1 Các khái niệm 1.1.1 Hệ thống thông tin địa lý - GIS (Geographic Information System) Hệ thống thông tin địa lý (gọi tắt là GIS) được hình thành vào những năm 1960 và phát triển rất rộng rãi 10 năm lại GIS ngày là công cụ trợ giúp quyết định nhiều hoạt động kinh tế - xã hợi, q́c phịng của nhiều q́c gia thế giới GIS có khả trợ giúp các quan chính phủ, nhà quản lý, doanh nghiệp, các cá nhân đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một hình học (bản đồ) nhất quán sở toạ độ của các dữ liệu đầu vào Từ những năm 1980 đến đã có rất nhiều định nghĩa được đưa ra, nhiên định nghĩa nào khái quát đầy đủ GIS vì phần lớn chúng được xây dựng khía cạnh ứng dụng cụ thể lĩnh vực Có định nghĩa được dùng nhiều nhất: - GIS là một hệ thống thông tin được thiết kế để làm việc với các dữ liệu một hệ tọa độ quy chiếu GIS bao gồm một hệ sở dữ liệu và các phương thức để thao tác với dữ liệu - GIS là mợt hệ thớng nhằm thu thập, lưu trữ, kiểm tra, tích hợp, thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu được quy chiếu cụ thể vào trái đất - GIS là một chương trình máy tính hỗ trợ việc thu thập, lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu bản đồ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thân Văn Thiết Khoa học máy tính 1.1.1.1 Mơ hình cơng nghệ Một cách khái quát, một hệ GIS là một quá trình sau: Dữ liệu vào Quản lý liệu Xử lý liệu Phân tích mơ hình Dữ liệu Hình 1.1 Mơ hình cơng nghệ GIS - Dữ liệu vào: dữ liệu được nhập từ các nguồn khác chuyển đổi giữa cách biểu diễn dữ liệu, máy quét, hình ảnh, vệ tinh, ảnh chụp - Quản lý dữ liệu: Sau dữ liệu được thu thập và tổng hợp, GIS cần cung cấp các thiết bị có thể lưu và bảo trì dữ liệu nhằm đảm bảo: Bảo mật số liệu, tích hợp số liệu, lọc và đánh giá số liệu, khả trì GIS lưu thơng tin thế giới thực thành các tầng dữ liệu riêng biệt, các tầng này đặt cùng một hệ trục tọa độ và chúng có khả liên kết với - Xử lý dữ liệu: Các thao tác xử lý dữ liệu được thực hiện để tạo thơng tin Nó giúp cho người sử dụng quyết định cần làm tiếp công việc gì Kết quả của xử lý dữ liệu là tạo các ảnh, báo cáo và bản đồ - Phân tích và mô hình: Số liệu tổng hợp và chuyển đổi là một phần của GIS Những yêu cầu tiếp theo là khả giải mã và phân tích mặt định tính và định lượng thông tin đã thu nhập - Dữ liệu ra: Một các phương diện công nghệ GIS là sự thay đổi của các phương pháp khác đó thông tin có thể hiển thị nó được xử lý GIS Các phương pháp truyền thống là bảng đồ thị có thể cung cấp các bản đồ và ảnh chiều Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thân Văn Thiết Khoa học máy tính 1.1.1.2 Các thành phần GIS Có nhiều cách tiếp cận khác định nghĩa GIS Nếu xét dưới góc độ hệ thống, thì GIS có thể được hiểu một hệ thống gồm các thành phần: người, phần cứng, phần mềm, sở dữ liệu quy trình-kiến thức chuyên gia, nơi tập hợp các quy định, quy phạm, tiêu chuẩn, định hướng, chủ trương ứng dụng của nhà quản lý, các kiến thức chuyên ngành và các kiến thức công nghệ thông tin GIS được kết hợp thành phần: Phần cứng, phần mềm, dữ liệu, người và phương pháp Hình 1.2 Các thành phần hệ GIS Phần cứng: Là hệ thớng máy tính điện tử hệ GIS hoạt đợng Ngày nay, phần mềm GIS chạy rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến máy trạm hoạt động độc lập liên kết mạng Phần mềm: Phần mềm GIS cung cấp chức công cụ cần thiết để lưu trữ, phân tích hiển thị thơng tin địa lý Các thành phần phần mềm GIS là: Công cụ nhập thao tác thơng tin địa lý; hệ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thân Văn Thiết Khoa học máy tính quản trị sở dữ liệu; cơng cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích hiển thị địa lý; giao diện đồ họa người máy Dữ liệu: Các dữ liệu địa lý dữ liệu tḥc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp được mua của nhà cung cấp dữ liệu thương mại Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với nguồn dữ liệu khác, trí có thể sử dụng hệ quản trị sở dữ liệu để tổ chức, lưu giữ quản lý dữ liệu Một cách tổng quát, người ta chia dữ liệu GIS thành loại: + Dữ liệu không gian (spatial) cho ta biết kích thước vật ly vị trí địa lý của đới tượng bề mặt trái đất + Dữ liệu tḥc tính (non-spatial) dữ liệu dạng văn bản cho ta biết thêm thơng tin tḥc tính của đới tượng Con ngƣời: Con người thành phần quan trọng nhất, nhân tố thực hiện thao tác điều hành sự hoạt động của hệ thống GIS Hệ thống GIS sẽ bị hạn chế nếu khơng có người tham gia quản lý hệ thống phát triển ứng dụng GIS thực tế Người sử dụng GIS có thể những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế trì hệ thống những người dùng GIS để giải quyết vấn đề công việc Người xây dựng bản đồ: Sử dụng lớp bản đồ được lấy từ nhiều nguồn khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo bản đồ theo yêu cầu Người phân tích: Giải quyết vấn đề tìm kiếm, xác định vị trí… Người xây dựng dữ liệu: Là những người chuyên nhập dữ liệu bản đồ cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy cập CSDL… Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Thân Văn Thiết Khoa học máy tính Người quản trị sở dữ liệu: Quản lý CSDL GIS đảm bảo hệ thống vận hành tốt Người thiết kế sở dữ liệu: Xây dựng mơ hình dữ liệu lôgic vật lý Người phát triển: Xây dựng cải tạo phần mềm GIS để đáp ứng nhu cầu cụ thể Phƣơng pháp: Một hệ GIS thành cơng theo khía cạnh thiết kế luật thương mại được mô thực thi nhất cho tổ chức 1.1.2 Các khái niệm liên quan * Bản đồ: Bản đồ là giao diện trực tuyến với dữ liệu địa lý để tra cứu, trình bày kết quả và sử dụng là một thao tác với thế giới thực * Tập thông tin địa lý: Thông tin địa lý dạng file và dạng sở dữ liệu gồm các yếu tố, mạng lưới, topology, địa hình, tḥc tính * Các mơ hình xử lý : Các mô hình xử lý là tập hợp các quy trình xử lý để phân tích tự đợng * Các mơ hình liệu: GIS cung cấp công cụ mạnh là một sở dữ liệu thông thường bao gồm quy tắc và sự toàn vẹn giống các hệ thông tin khác Lược đồ, quy tắc và sự toàn vẹn của dữ liệu địa lý đóng vai trò rất quan trọng * Metadata: Metadata hay tài liệu miêu tả dữ liệu, cho phép người sử dụng tổ chức, tìm hiểu và truy nhập được tới tri thức địa lý * Cơ sở liệu địa lý: Hệ thống thông tin địa lý (GIS) sử dụng sở dữ liệu địa lý (geodatabase) làm dữ liệu của mình Các thành phần của sở dữ liệu khơng gian bao gồm: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ... ? ?Một số thuật toán phân tích không gian và ứng dụng? ?? Đối tượng nghiên cứu là các thuật toán phân tích không gian, và ứng dụng của chúng GIS Trong khuôn khổ của một luận...Khoa học máy tính KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Luận văn đã trì nh bày một số thuật toán phân tích không gian (xếp chồng, vùng đềm và tìm đương ) và một số khái niệm , kỹ thuật h ệ ... báo cáo và bản đồ - Phân tích và mô hình: Số liệu tổng hợp và chuyển đổi là một phần của GIS Những yêu cầu tiếp theo là khả giải mã và phân tích mặt định tính và định