Một số vấn đề cơ sở dữ liệu không gian

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN BÍCH HẰNG MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Văn Đức HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN BÍCH HẰNG MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN Mã số : 1.01.10 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI MỤC LỤC Lời cảm ơn Error! Bookmark not defined Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Mở đầu Chương - Giới thiệu chung sở liệu không gian 1.1 Giới thiệu chung sở liệu 1.1.1 Mơ hình quan hệ 1.1.2 Mơ hình hướng đối tượng 1.1.3 Mơ hình đối tượng-quan hệ 1.2 Giới thiệu GIS (Geographic information system) 1.3 Mơ hình sở liệu khơng gian 10 1.3.1 Giới thiệu 10 1.3.2 Sử dụng mơ hình sở liệu quan hệ 11 1.3.3 Sử dụng kiến trúc song song 12 1.3.4 Tích hợp sở mở rộng hệ quản trị sở liệu 14 1.4 Kết luận 14 Chương - Mơ hình liệu, mối quan hệ ràng buộc không gian 15 2.1 Giới thiệu 15 2.2 Mơ hình liệu khơng gian 16 2.2.1 Mơ hình liệu raster 17 2.2.2 Mô hình liệu Vectơ 20 2.2.3 Mơ hình liệu khơng gian có sở ràng buộc 25 2.3 Mối quan hệ không gian 31 2.3.1 Quan hệ tôpô 31 2.4 Các ràng buộc không gian 38 2.4.1 Ràng buộc tồn vẹn tơpơ 40 2.4.2 Ràng buộc ngữ nghĩa 41 2.4.3 Các ràng buộc người dùng tự định nghĩa 42 Chương - Cấu trúc liệu không gian, thuật toán sở phương thức xâm nhập 43 3.1 Giới thiệu 43 3.2 Cấu trúc liệu liệu không gian 44 3.3 Một số thuật toán sở cho đối tượng không gian 49 3.3.1 Kiểm tra điểm có nằm đa giác hay không? 49 3.3.2 Giao polyline 51 3.3.3 Giao hai đa giác 57 3.3.4 Bài toán windowing 58 3.3.5 Bài toán Clipping 60 3.3.6 Tính diện tích đa giác toán tử liên quan 63 3.4 Các phương thức truy cập không gian xử lý truy vấn 64 3.4.1 Các phương thức truy cập không gian 64 3.4.2 Xử lý truy vấn 79 Chương - Khảo sát hệ quản trị sở liệu không gian thương mại phát triển chương trình ứng dụng 92 4.1 Giới thiệu chung 92 4.2 Oracle spatial 94 4.3 Phát triển ứng dụng thử nghiệm 101 4.3.1 Phát biểu toán 101 4.3.2 Công cụ, phương pháp sử dụng phát triển .101 4.3.3 Kết đạt 104 Kết luận 111 Tài liệu tham khảo 113 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên đầy đủ Ý nghĩa ADT Astract data type Kiểu liệu trừu tượng DBMS Database Management System Hệ quản trị sở liệu DB Database Cơ sở liệu GIS Geographic information Hệ thống thông tin địa lý system JDBC Java Database Connectivity Kết nối sở liệu với Java LRU Least Recently Used Phương pháp thay thành phần sử dụng gần Mmb Minimal bounding box Hình chữ nhật nhỏ bao quanh đối tượng OODBMS Object-oriented database Hệ quản trị sở liệu management system hướng đối tượng QEP Query Execution Plan Chiến lược xử lý truy vấn SDB Spatial databasse Cơ sở liệu không gian SDBMS Spatial database management Hệ quản trị sở liệu system không gian Spatial access method Phương thức truy cập không SAM gian MỞ ĐẦU Hệ thống thông tin địa lý (GIS - Geographic information system ) nghiên cứu ứng dụng rộng rãi giới Từ vài năm gần đây, Việt Nam có nhiều cố gắng đưa hệ thống thông tin địa lý vào ứng dụng thực tế lợi ích to lớn chúng việc hỗ trợ định, lập kế hoạch nhiều lĩnh vực khác Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu lĩnh vực Việt Nam nhiều hạn chế Việc hiểu biết sâu sắc GIS giúp ta ứng dụng cách hiệu hệ thống GIS có sẵn cho khả xây dựng hệ thống GIS phù hợp với đặc thù Việt Nam GIS không công cụ tạo đồ mà lưu trữ liệu địa lý, cung cấp cơng cụ phân tích, mơ nhiều bề mặt khác giúp nhà chuyên môn tổ chức công việc cách hiệu nhiều lĩnh vực ví dụ như: quản lý mạng lưới giao thông, ứng dụng phục vụ cho quân đội hay hệ thống thông tin môi trường … Một cơng việc GIS quản lý cách hiệu sở liệu với khối lượng lớn thơng tin phức tạp, tích hợp vào hệ quản trị sở liệu (DBMS) Luận văn với chủ đề “Một số vấn đề sở liệu không gian”, em chủ yếu tập trung vào nghiên cứu đặc trưng sở liệu (Spatial database), số khái niệm, công nghệ thuật toán phát triển xung quanh vấn đề quản lý sở liệu, bao gồm: Chương 1: Giới thiệu chung sở liệu không gian Chương tập trung vào giới thiệu hệ quản trị sở liệu DBMS, sở phát triển quản trị liệu khơng gian Chương Mơ hình hóa liệu, mối quan hệ khơng gian ràng buộc tồn vẹn liệu Chương tập trung giới thiệu cách xây dựng mơ hình liệu biểu diễn mối quan hệ khơng gian Dữ liệu khơng gian tích hợp sở liệu cần trì tính quán điều thể ràng buộc tồn vẹn liệu khơng gian Chương Cấu trúc liệu khơng gian, thuật tốn sở phương thức xâm nhập liệu Chương giới thiệu cấu trúc liệu khơng gian, thuật tốn hình học phát triển để thao tác với liệu không gian phương thức xâm nhập liệu không gian Chương Khảo sát hệ quản trị sở liệu không gian thương mại phát triển ứng dụng Chương - Giới thiệu chung sở liệu không gian 1.1 Giới thiệu chung sở liệu Cơ sở liệu (Database) tập liệu có mối quan hệ tương quan lưu trữ mơi trường máy tính, Database xem vài file lưu trữ số thiết bị nhớ Hệ quản trị sở liệu (Database Management System - DBMS) tập phần mềm quản lý cấu trúc sở liệu điều khiển truy nhập (minh họa hình 1.1) bao gồm:  Định nghĩa sở liệu (Chỉ kiểu liệu, cấu trúc ràng buộc),  Thao tác, Truy vấn Cập nhật sở liệu Người sử dụng/người lập trình Chương trình ứng dụng /Truy vấn Phần mềm xử lý truy vấn Phần mềm truy cập liệu Lưu trữ DB Lưu trữ định nghĩa DB (metadata) Hình 1.1 Mơi trường hệ thống sở liệu đơn giản Phần mềm hệ quản trị sở liệu bao gồm hai phần, phần làm nhiệm vụ xử lý truy vấn người sử dụng, phần cho phép truy nhập vào liệu lưu trữ máy tính Hệ quản trị sở liệu thường xây dựng sở mơ hình liệu sử dụng, trước có mơ hình liệu phân cấp (hierarchical) mơ hình liệu mạng (network) Ngày nay, ba mơ hình sở liệu phát triển sử dụng rộng rãi mơ hình sở liệu quan hệ (relational), hướng đối tượng (object-oriented), đối tượng-quan hệ (object-relational)  Mơ hình liệu phân cấp ngày lỗi thời, hệ quản trị sở liệu phân cấp (hierarchical DBMS) giả sử liệu có mối quan hệ thứ bậc cha Cấu trúc liệu bắt buộc phải xây dựng phù hợp với mơ hình để thực lợi ích hiệu quản lý  Hệ quản trị sở liệu mạng (network DBMS) cho phép cấu trúc liệu phức tạp xây dựng khơng có tính mềm dẻo đòi hỏi thiết kế phải cẩn thận, nhiên lợi ích mơ hình nhanh hiệu 1.1.1 Mơ hình quan hệ Cơ sở liệu quan hệ phát triển sở mơ hình quan hệ, liệu tổ chức vào quan hệ hay bảng Một lược đồ quan hệ bao gồm tập tên thuộc tính chúng ánh xạ tới miền giá trị, lược đồ quan hệ cấu trúc quan hệ không chứa liệu Quan hệ tập ghi lưu liệu tập thuộc tính lược đồ quan hệ 100  Lọc sơ cấp cho phép lựa chọn nhanh ghi xem cách lọc chi phí thấp  Lọc thứ cấp (làm tinh) tính tốn hình học xác từ lọc sơ cấp kết cuối trả cho câu truy vấn Spatial sử dụng mục không gian (R-Tree, QuadTree) để thực thi lọc sơ cấp, nhiều trường hợp không cần thiết phải thực hai bước, thực thẳng bước bước 1, lọc sơ cấp 4.2.3 Các phép tốn quan hệ khơng gian Spatial sử dụng lọc thứ cấp để xác định mối quan hệ không gian thực thể sở liệu Oracle có phương thức lọc thứ cấp sau:  SDO_RELATE: Sử dụng mục không gian, xác định đối tượng khơng gian có giao với đối tượng cho trước hay khơng? Được thực tốn tử lọc sơ cấp thứ cấp  SDO_WITHIN_DISTANCE: Sử dụng mục không gian định nghĩa tập đối tượng không gian có thuộc đối tượng cho trước hay khơng?  SDO_NN sử dụng mục không gian để xác định hàng xóm gần mối quan hệ tơpơ thuộc SDO_RELATE,  DISJOINT: Không giao nhau,  TOUCH: Hai biên giao nhau, không cắt nhau,  OVERLAPBDYINTERSECT: Hai đối tượng giao ,  EQUAL: Hai đối tượng nhau,  CONTAINS: Đối tượng hoàn toàn nằm đối tượng khác, 101  COVER: Đối tượng hoàn toàn nằm đối tượng khác biên chúng giao nhau,  INSIDE: ngược lại với phép CONTAIN,  CORVEREDBY ngược với phép toán CORVER,  ON đối tượng nằm biên đối tượng khác Ví dụ đoạn thẳng nằm biên đa giác,  ANYINTERACT: Hai đối tượng có điểm chung 4.3 Phát triển ứng dụng thử nghiệm 4.3.1 Phát biểu toán Xây dựng đồ số, gồm số đặc trưng đồ thông thường như: Đất nước, dân số, tỉnh, thành phố, đường quốc lộ Sử dụng sở liệu Oracle spatial với công cụ Oracle Application Server MapViewer (OracleAS MapViewer) truy vấn liệu web 4.3.2 Công cụ, phương pháp sử dụng phát triển Sơ lược công cụ Oracle Application Server MapViewer (OracleAS MapViewer) OracleAS MapViewer công cụ tạo đồ sử dụng liệu không gian quản lý Oracle spatial hay Oracle Locator OracleAS MapViewer cung cấp công cụ nhằm ẩn phức tạp truy vấn liệu không gian kĩ thuật vẽ đồ, cung cấp tùy chọn cho người sử dụng Công cụ phát triển độc lập thiết kế để tích hợp với ứng dụng với đồ 102 OracleAS MapViewer thành phần Oracle Application Server, ứng dụng J2EE có thành phần sau [3]:  Thư viện Java có tên SDOVIS sử dụng để thao tác vẽ đồ Servlet cung cấp hàm cho ứng dụng web  Giao diện chương trình application programming interfaces (APIs) cho phép viết ứng dụng truy nhập đặc trưng MapViewer Các API bao gồm XML, Java, PL/SQL AJAX sở JavaScirp API  Công cụ xây dựng đồ đồ giúp tạo ký tự đồ, định nghĩa quy tắc sở liệu không gian, tạo sửa đối tượng MapViewer  Oracle Map bao gồm Map Cache FOI (Feature of Interest) hỗ trợ phát triển giao tiếp với ứng dụng web liệu không gian địa lý Thư viện java kết nối với sở liệu qua JDBC (Java Database Connectivity) để đọc liệu đồ từ sở liệu, XML API cung cấp cho người phát triển ứng dụng giao diện linh hoạt, JavaBean API với PL/SQL cung cấp khả truy nhập tới thư viện java cuối JavaScript API giúp tạo giao diện web sử dụng đặc trưng mapviewer Bản đồ Oracle xây dựng đặc trưng MapViewer sử dụng máy chủ lưu ảnh đặc trưng đồ Các luồng OracleAS MapViewer thể hình 4.3 103 - Truy vấn đồ - Phản hồi truy vấn + Tên + ảnh đồ + Data source + MBR + Kích thước + Trạng thái Hình 4.3 Các luồng OracleAS Mapviewer Với OracleAS MapViewer sử dụng mơ hình hỏi/ đáp để truy vấn liệu đồ Máy khách tên, tài nguyên, vị trí, kích thước, Server trả ảnh đồ, biên trạng thái truy vấn Hình 4.4 minh họa kiến trúc OracleAS MapViewer Khách Ứng dụng hay web browser Cơ sở liệu Hình 4.4 Kiến trúc OracleAS Mapviewer 104 OracleAS MapViewer thành phần Application Server middle tier, bao gồm máy trả kết (redering engine) giao tiếp với client Web browser Ứng sử dụng giao thức HTTP OracleAS MapViewer thao tác liệu không gian (đọc ghi liệu vị trí khơng gian Oracle qua JDBC gọi tới sở liệu, Cơ sở liệu bao gồm Oracle Spatial hay Oracle Locator với ánh xạ tới siêu liệu (metadata) 4.3.3 Kết đạt Do chi phí cho cơng việc thu thập liệu ứng dụng GIS chiếm 70% [1], liệu vectơ ban đầu ứng dụng lấy từ trang http://Oracle.com Là file có khn dạng *.ctl, sử dụng sql loader (công cụ Oracle spatial) để import liệu gồm bảng CITIES(LOCATION MDSYS.SDO_GEOMETRY, CITY VARCHAR2(42) STATE_ABRV VARCHAR2(2) POP90 NUMBER RANK90 NUMBER ) INTERSTATE(GEOM HIGHWAY ROUTEN MDSYS.SDO_GEOMETRY VARCHAR2(35) VARCHAR2(4) ) COUNTIES(GEOM MDSYS.SDO_GEOMETRY COUNTY VARCHAR2(31) FIPSSTCO VARCHAR2(5) 105 STATE VARCHAR2(30) STATE_ABRV VARCHAR2(2) FIPSST VARCHAR2(2) LANDSQMI NUMBER TOTPOP NUMBER POPPSQMI NUMBER ) TERRITORIES(REP_ID NOT NULL NUMBER REP_NAME VARCHAR2(40) GEOMETRY SYS.SDO_GEOMETRY ) TERR_COUNTIES(COUNTY VARCHAR2(31) STATE_ABRV VARCHAR2(2) REP_ID NUMBER REP_NAME VARCHAR2(40) KEY NOT NULL ROWID ) Để sử dụng cơng cụ Oracle Mapviewer cần phải có điều kiện sau [1]  Database Oracle release 10,  Oracle application server hay phiên stand alone OC4J,  File mapviewer.ear,  Java SDK version 1.5 trở lên Ứng dụng cài đặt sử dụng java để truy vấn đồ với thư viện mvclient.jar, 106  Oracle client Ngôn ngữ lập trình ứng dụng thử nghiệm Jsp java truy vấn sở liệu, gồm chức năng:  Phóng to, thu nhỏ, dịch chuyển đồ,  Kiểm tra liệu phi khơng gian ví dụ dân số thành phố,  Ẩn tầng đồ Dưới số giao diện họa chức Hình 4.5 giao diện đồ thể mật độ dân số màu sắc đặc trưng Dữ liệu phi khơng gian ví dụ tên thành phố dân số tương ứng hiển thị click vào vùng đồ 107 Hình 4.5 Bản đồ mật độ dân số Hình 4.6 4.7 minh họa chức phóng to thu nhỏ đồ 108 Hình 4.6 Giao diện thu nhỏ Hình 4.7 Giao diện phóng to 109 Chức quan trọng đồ số hiển thị tầng đồ Hình 4.8 minh họa chức này, ẩn hay tầng đồ việc click vào “Danh sách tầng đồ” Hình 4.8 Hiển thị tầng đồ Hình 4.9 minh họa chức ẩn tầng “Tỉnh” hình 4.10 minh họa chức ẩn “Đường cao tốc” 110 Hình 4.9 ẩn tầng “Tỉnh” Hình 4.10 ẩn tầng đường cao tốc 111 KẾT LUẬN Luận văn trình bày số vấn đề liên quan đến sở liệu khơng gian bao gồm  Khái niệm chung mơ hình sở liệu không gian, hướng tiếp cận Object-relational phát triển sở mở rộng kiểu liệu toán tử để thực thi với liệu khơng gian  Các cách mơ hình hóa liệu khơng gian Mơ hình liệu khơng gian tổ chức theo kiểu liệu raster hay vectơ theo mơ hình phép tốn hợp giao    Các mối quan hệ không gian xây dựng sở lý thuyết tập hợp với ba mơ hình: 4-intersection, 9-intersection, calculus-base Các mối quan hệ cần thiết cho việc thực thi truy vấn khơng gian  Để tích hợp liệu không gian vào sở liệu quan hệ liệu tích hợp phải thỏa mãn tính quán, hợp lệ dễ sử dụng Điều thể ràng buộc khơng gian, có ba loại ràng buộc: ràng buộc tồn vẹn liệu, ràng buộc ngữ nghĩa ràng buộc người dùng tự định nghĩa  Như biết, liệu không gian lớn phức tạp, cần thiết phải cải thiện phát triển thuật toán cho thời gian thao tác với liệu khơng gian nhanh Thuật tốn qt plan-sweep cải thiện thời gian thực tới mức O(log(n)) 112  Phương thức mục không gian trình bày dạng hai cấu trúc: Cấu trúc hướng không gian cấu trúc hướng liệu nhằm hỗ trợ xử lý truy vấn với liệu không gian  Cuối khảo sát hệ quản trị sở liệu không gian ứng dụng thử nghiệm cài đặt oracle spatial sử dụng công cụ Oracle mapviewer để hỗ trợ truy vấn đồ Tuy nhiên luận văn cịn mơt số hạn chế cần phát triển đối tượng khơng gian mơ hình bới giá trị thuộc tính, hành vi (Tốn tử đối tượng), nhiên yếu tố thời gian cần nhìn nhận để thấy tính động đối tượng theo thời gian Cần có cách quản lý lưu lịch sử liệu khơng gian Do đề tài cịn mẻ ứng dụng thử nghiệm nhiều thời gian cài đặt nên luận văn nhiều hạn chế mong đóng góp thầy, bạn bè để ngày hồn thiện 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách [1] Đặng Văn Đức (2001), Nhập môn hệ thống thông tin địa lý GIS Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] Philippe rigaux, michel scholl, and agnès Voisard (2002), Spatial database: With application to GIS, Morgan Kaufmann Báo [3] Beta Draft (2002), Oracle® Application Server: MapViewer User’s Guide, Release 10.1.3.1 [4] Chuck Murray (2002), Oracle spatial User’s Guide and Reference release 9.2 [5] Cockcroft (1997), A taxonomy of spatial integrity constraints An International Journal on Advances of Computer Science for Geographic Information Systems, Geoinformatica, Vol 1, No [6] Clementini, E & Di Felice, P (1995), A comparison of methods for representing topological relationships.Information Sciences, SpringerVerlag, Singapore, Vol 3, pp 149-178 [7] Elmasri, A R & Navathe (2000), Fundamentals of database systems New York: Addison-Wesley [8] John R Herring, Categorizing Binary Topological Relations Between Regions, Lines, and Points in Geographic Databases Intergraph Corporation 114 [9] Michael D McCool Chris Wales Kevin Moule (2001), Incremental and Hierarchical Hilbert Order Edge Equation Polygon Rasterization , website http://www.cgl.uwaterloo.ca/Projects/rendering/ [10] Ongley, Goodchild and Maguire en Rhind (1999), Spatial Access Methods [11] Ralf Hartmut Güting Praktische (1994), An Introduction to Spatial Database Systems, Germany [12] Pekka Kilpeläinen (2001), Principles of Database Management Systems [13] Tim Haithcoat, Relational database Management Systems, Database Design, and GIS Website [14] http://www.biblio-tech.com/html/databases.html#relational [15] http://www.postgresql.org/docs/7.4/static/index.html [16] http://dev.mysql.com/tech-resources/articles/4.1/gis-with-mysql.html [17] http://www.Oracle.com ... trường … Một cơng việc GIS quản lý cách hiệu sở liệu với khối lượng lớn thơng tin phức tạp, tích hợp vào hệ quản trị sở liệu (DBMS) Luận văn với chủ đề ? ?Một số vấn đề sở liệu không gian? ??, em... liệu không gian vô quan trọng việc tích hợp biểu diễn liệu khơng gian sở liệu Các mối quan hệ không gian cần thiết lý sau:  Cho việc thực thi truy vấn không gian Truy vấn sở liệu không gian hay... quan hệ khơng gian Dữ liệu khơng gian tích hợp sở liệu cần trì tính qn điều thể ràng buộc toàn vẹn liệu không gian Chương Cấu trúc liệu không gian, thuật toán sở phương thức xâm nhập liệu Chương