Tích hợp thời gian vào GIS trong công tác quản lý địa chính

Muïc luïc CHƯƠNG - TỔNG QUAN I ĐẶT VẤN ĐỀ II TÊN ĐỀ TÀI III MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI IV NỘI DUNG NGHIÊN CỨU V PHẠM VI ĐỀ TÀI CHƯƠNG - HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - GIS I GIỚI THIỆU II MƠ HÌNH VÀ CẤU TRÚC DỮ LIỆU II.1 Mơ hình liệu II.2 Cấu trúc liệu spaghetty II.3 Cấu trúc liệu topology II.4 Cấu trúc liệu raster II.5 So sánh mơ hình raster vector 10 II.6 Mơ hình liệu thuộc tính 11 III CƠ SỞ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN 13 III.1 Khái niệm 13 III.2 Mơ hình liệu 13 IV PHÂN TÍCH DỮ LIỆU 17 IV.1 Khái niệm 17 IV.2 Phân tích liệu khơng gian 18 IV.3 Phân tích liệu thuộc tính 21 CHƯƠNG - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23 I ĐỊNH NGHĨA GIS KHÔNG GIAN - THỜI GIAN 23 I.1 Định nghĩa 23 I.2 Các đặc tính thay đổi theo thời gian 23 I.3 Khái niệm thời gian đồ họa 23 I.4 Lưu trữ thời gian GIS 27 II CÁC MƠ HÌNH DỮ LIỆU GIS THỜI GIAN 28 II.1 Mơ hình thời điểm (snapshot) 28 II.2 Mơ hình trạng thái có điều chỉnh 29 II.3 Mơ hình đa hợp khơng gian - thời gian (Space-time composite) 30 III CƠ SỞ DỮ LIỆU LIÊN HỆ - THỜI GIAN 32 III.1 Cơ sở liệu liên hệ 32 III.2 Các phương pháp 33 a) Phiên cấp bảng liên hệ (Relation-level) 34 b) Phiên cấp mẫu tin (Tuple-level) 36 c) Phiên cấp thuộc tính 40 III.3 So sánh phương pháp 40 CHƯƠNG - GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ARCGIS DESKTOP 41 I TỔNG QUAN VỀ ARCGIS 41 II CÁC THÀNH PHẦN TRONG ARCGIS DESKTOP 43 III KẾT LUẬN 47 CHƯƠNG – THIẾT KẾ MƠ HÌNH DỮ LIỆU GIS THỜI GIAN 49 I MỤC TIÊU 49 II THIẾT KẾ MƠ HÌNH 50 II.1 Cơ sở liệu TGIS 50 II.2 Ghi nhận biến động 59 III Truy vấn - Hiển thị 66 III.1 Cho biết trình thay đổi đối tượng ? 67 III.2 Cho biết trạng thái liệu thời điểm ? 68 CHƯƠNG - CHUẨN BỊ DỮ LIỆU 71 I THU THẬP DỮ LIỆU 71 II CHỈNH LÝ DỮ LIỆU 72 III HIỂN THỊ DỮ LIỆU 80 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH MẪU 82 I TẠO CƠ SỞ DỮ LIỆU TGIS 82 II GHI NHẬN BIẾN ĐỘNG 84 II.1 Nhập 85 II.2 Tách 86 II.3 Thay đổi hình thể 89 II.4 Xóa 91 II.5 Tạo 92 II.6 Thay đổi thuộc tính 94 III Truy vấn - Hiển thị 96 III.1 Cho biết trình thay đổi đối tượng ? 96 III.2 Cho biết trạng thái liệu thời điểm ? 100 CHƯƠNG - KẾT LUẬN 103 I ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH 103 a Ưu điểm 103 b Khuyết điểm 104 II KIẾN NGHỊ 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 Chương – TỔNG QUAN CHƯƠNG - TỔNG QUAN I ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện công nghệ GIS phát triển ứng dụng nhiều lĩnh vực ngày khẳng định vai trị lợi ích mà đem lại việc ứng dụng khoa học công nghệ vào đời sống Một số GIS xây dựng để phục vụ cho việc quản lý ngành địa Một điều hiển nhiên quản lý liệu địa thơng tin đất đai ln ln thay đổi theo thời gian Việc cập nhật liệu thực hiện, nhiên việc cập nhật xem hiệu chỉnh liệu cho phù hợp với trạng, liệu cũ đất ln bị xóa xảy thay đổi Chính giới hạn chức mà GIS khó trả lời câu hỏi đơn giản người dùng : “Thửa đất thay đổi chủ sử dụng lần ?” hay “ Hãy cho biết thông tin đất vào năm 2000 ?” , … Để trả lời câu hỏi trên, liệu đất không mô tả thành phần không gian, thuộc tính mà cịn bao gồm yếu tố thời gian Do thiếu yếu tố mà việc truy vấn, phân tích kiện khứ khơng thể Chính việc tích hợp thời gian vào mơ hình GIS để hỗ trợ cho việc quản lý đất đai ngành địa cần thiết II TÊN ĐỀ TÀI TÍCH HỢP THỜI GIAN VÀO GIS TRONG CƠNG TÁC QUẢN LÝ ĐỊA CHÍNH III MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Mục tiêu đề tài nghiên cứu hệ thống quản lý liệu GIS theo thời gian phục vụ cho mục đích giám sát biến động đất đai IV NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Chương – TỔNG QUAN ¾ Tìm hiểu GIS khơng gian - thời gian ¾ Xây dựng mơ hình GIS khơng gian - thời gian ¾ Xây dựng chương trình mẫu ứng dụng mơ hình GIS khơng gian thời gian V PHẠM VI ĐỀ TÀI ƒ Xây dựng mơ hình GIS thời gian mơi trường ArcGIS để quản lý liệu đất đai ƒ Mơ hình minh họa số liệu thuộc tính đất ƒ Mơ hình áp dụng cho cấu trúc liệu có định dạng spaghetty Luận văn thực theo bước sơ đồ sau : Xác định vấn đề Tìm hiểu sở lý thuyết Xây dựng mô hình Chương trình mẫu Vấn đề xác định nghiên cứu hệ thống quản lý liệu đất đai theo thời gian Để thực điều cần phải tìm hiểu rõ sở lý thuyết GIS thời gian, tìm hiểu mơ hình GIS thời gian nhà nghiên cứu đề xuất, từ làm tảng để xây dựng mơ hình quản lý liệu GIS theo thời gian áp dụng cho việc giám sát biến động đất đai Cuối chương trình mẫu xây dựng để thấy rõ hoạt động mơ hình Chương – HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - GIS CHƯƠNG - HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - GIS I GIỚI THIỆU GIS xuất giới từ lâu nước phát triển ứng dụng triệt để lĩnh vực sống GIS có mặt hầu hết lĩnh vực khoa học công nghệ đời sống xã hội từ thập kỷ 70 kỷ trước Công nghệ không giới Việt nam, việc biết đến ứng dụng cách phổ thơng cịn nhiều hạn chế Tuy nhiên, Việt Nam cơng nghệ GIS thí điểm sớm, đến ứng dụng nhiều ngành, bắt đầu phổ biến nhiều lĩnh vực đời sống quy hoạch nông lâm nghiệp, quản lý rừng, mạng lưới điện, hệ thống cấp thoát nuớc, quản lý thị, địa … Đối với lĩnh vực địa chính, việc ứng dụng GIS hiệu quả, tất quan quyền địa phương có lợi từ GIS, sử dụng việc quản lý đất đai, thay cho việc quản lý hồ sơ giấy tờ hành, giảm thiểu không gian lưu trữ hồ sơ, giúp người sử dụng tiết kiệm nhiều thời gian cung cấp thông tin nhanh hiệu Vậy GIS ? GIS – Geographic Information System - định nghóa cách tổng quát sau : “Hệ thống công cụ máy tính dùng thu thập, lưu trữ, truy cập biến đổi, phân tích thể liệu liên quan đến vị trí bề mặt trái đất tích hợp thông tin vào trình lập định” GIS gồm có năm thành phần quan trọng cấu thành: - Phần cứng - Phần mềm - Ứng dụng - Dữ liệu Chương – HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - GIS - Người sử dụng Năm thành phần phải cân bằng, hoàn chỉnh để GIS hoạt động hiệu II MƠ HÌNH VÀ CẤU TRÚC DỮ LIỆU GIS sử dụng sở liệu địa lý làm liệu Về khía cạnh cơng nghệ, hình thể, vị trí khơng gian đối tượng cần quản lý, mô tả liệu đồ hoạ Trong đó, tính chất đối tượng mơ tả liệu thuộc tính II.1 Mơ hình liệu Mô hình liệu thể tập hợp quy tắc hướng dẫn giúp chuyển đổi giới thực thành đối tượng số với đặc tính không gian thuộc tính Dữ liệu thuộc tính thể mô hình liệu dạng bảng liệu hình học thể mô hình hình học Mô hình liệu hình học phân làm hai loại mô hình chủ yêu : mô hình vector mô hình raster Chương – HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ - GIS Thế giới thực Raster 12 A A 30 Y 20 A A Vector B B A 10 A A 10 20 30 40 X Hình 2.1 - Biểu diễn giới thực sử dụng mô hình liệu hình học a Mô hình liệu raster : Hệ thống raster thể hiện, định vị trí lưu trữ liệu địa lý cách sử dụng ma trận hay lưới (các ô) xếp hàng đến hàng từ xuống cột đến cột từ trái sang phải Mỗi vị trí xác định hàng cột có thuộc tính giá trị đơn ô Mô hình liệu phù hợp biểu liệu biến đổi liên tục : độ cao, nhiệt độ, loại đất sử dụng đất,… Cần lưu ý, chuyển đổi liệu qua lại hai mô hình : vector sang raster (raster hóa) raster sang vector (vector hóa) b Mô hình liệu vector : Hệ thống thông tin vector biểu liệu không gian điểm, đường (thẳng hay cong), vùng có kèm theo thuộc tính dùng mô tả đối tượng Tọa độ tham khảo cartersian (ví dụ x, y, z) tọa độ Chương – HỆ THỐNG THƠNG TIN ĐỊA LÝ - GIS địa lý phép toán hình học tọa độ giúp xác định tọa độ điểm hệ thống Đường định nghóa chuỗi điểm có thứ tự Vùng lưu trữ chuỗi điểm có thứ tự, với điểm đầu cuối trùng Mô hình liệu phù hợp biểu diễn liệu có ranh giới rõ ràng ranh nhà, ranh đường… Để biểu diễn liệu vector; hai loại cấu trúc liệu thường dùng : spaghetty topology II.2 Cấu trúc liệu spaghetty Mỗi đối tượng địa lý mô tả sử dụng thực tế hình học độc lập xác định tọa độ và/hoặc phương trình thông số (đường thẳng, đường tròn, cung…) Giới hạn cấu trúc cạnh vùng lân cận lưu trữ hai lần dẫn đến cạnh không hoàn toàn trùng lắp (tạo khe chồng lên nhau) cập nhật xảy trường hợp cạnh chung hai vùng không cập nhật đống thời; cung băng ngang không giao nhau; thông tin topology vùng, không cho biết vùng lân cận có chung ranh giới, không cho biết quan hệ thực thể địa lý (tuyến nối tiếp tuyến nào,…) Đối tượng Số Vị trí Điểm X1Y1 Đường X1Y1 X2Y2 X3Y3 … XnYn X1Y1 X2Y2 X3Y3 … X1Y1 Vuøng Chương – HỆ THỐNG THƠNG TIN ĐỊA LÝ - GIS Hình 2.2 - Cấu trúc liệu X1Y1 X2Y2 X3Y3 … X1Y1 spaghetty II.3 Cấu trúc liệu topology Topology laø nhánh toán học giải vần đề liên quan tới mối quan hệ không gian đối tượng hình học Trong GIS, topology sử dụng để ghi nhận xây dựng mối quan hệ hình học đối tượng địa lý Cấu trúc gồm thành phần topology, từ topology mối quan hệ không gian đối tượng địa lý mô tả ƒ Arc-Node topology : - Xác định mối quan hệ điểm, cách xác định node thuộc đường (arc) - Xác định mối quan hệ đường (arcs lines), cách xác định đường nối với để tạo thành tuyến đường ƒ Polygon-Arc topology : xác định polygons cách xác định arcs tạo thành ranh giới polygons Chương – CHƯƠNG TRÌNH MẪU II.4 Xóa Nút Delete thiết kế dùng để xóa đối tượng Khi người dùng muốn giám sát việc xóa đối tượng sử dụng nút lệnh này, cịn khơng sử dụng xóa đối tượng cách bình thường ArcMap ∗ Chọn lớp liệu chứa đối tượng cần xóa ∗ Kích hoạt việc giám sát biến động ∗ Chuyển sang chế độ chỉnh sửa ArcMap Khi này, chương trình kiểm tra lớp lưu tương ứng với lớp liệu chọn Nếu chưa có lớp lưu chương trình khơng cho phép chuyển sang mơi trường chỉnh sửa Nếu có, hộp thoại yêu cầu người dùng nhập vào thời điểm xác nhận đối tượng thay đổi ∗ Chọn đối tượng nhấn nút Delete 91 Chương – CHƯƠNG TRÌNH MẪU Sơ đồ xóa đối tượng sau : Kích hoạt giám sát biến động Thoát Chưa Có lớp lưu chưa ? Có Chọn ngày thay đổi Chọn đối tượng Chọn nút lệnh Delete Quy trình xóa II.5 Tạo ∗ Chọn lớp liệu chứa đối tượng tạo ∗ Kích hoạt việc giám sát biến động ∗ Chuyển sang chế độ chỉnh sửa ArcMap Khi này, chương trình kiểm tra lớp lưu tương ứng với lớp liệu chọn Nếu chưa có lớp lưu chương trình khơng cho phép chuyển 92 Chương – CHƯƠNG TRÌNH MẪU sang mơi trường chỉnh sửa Nếu có, hộp thoại yêu cầu người dùng nhập vào thời điểm xác nhận đối tượng thay đổi ∗ Chọn công cụ Create New Feature mục Task ArcMap thực thao tác tạo 93 Chương – CHƯƠNG TRÌNH MẪU Sơ đồ tạo đối tượng sau : Chọn lớp đối tượng Kích hoạt giám sát biến động Thoát Có lớp lưu chưa ? Chưa Có Chọn ngày tạo Chọn công cụ tạo đối tượng Thực thao tác tạo Kết thúc thao tác tạo Quy trình tạo đối tượng II.6 Thay đổi thuộc tính Việc chỉnh sửa thuộc tính đối tượng đơi không cần phải lưu lại phiên đối tượng, chỉnh sửa lại thuộc tính có sai sót Cơng cụ Attribute Editor thiết kế để thực việc chỉnh sửa ArcMap Các bước tiến hành chỉnh sửa thuộc tính ArcMap : − Chọn lớp đối tượng cần chỉnh sửa − Chuyển sang chế độ chỉnh sửa ArcMap 94 Chương – CHƯƠNG TRÌNH MẪU Khi chuyển sang chế độ hộp thoại yêu cầu người dùng nhập vào thời điểm xác nhận đối tượng thay đổi − Chọn công cụ Attribute Editor chọn đối tượng muốn thay đổi thông tin Hộp thoại Attribute Editor hiển thị sau : Kích hoạt giám sát − Lựa chọn Observe cho phép người dùng lựa chọn giám sát việc thay đổi thuộc tính đối tượng hay không − Sau thay đổi thuộc tính, nhấn nút Update để ArcMap cập nhật thơng tin đối tượng 95 Chương – CHƯƠNG TRÌNH MẪU Sơ đồ thực thay đổi thuộc tính sau : Chọn ngày thay đổi Chọn đối tượng Chỉnh sửa thông tin Observe ? Có Không Quy trình thay đổi thuộc tính Cập nhật thuộc tính III Truy vấn - Hiển thị III.1 Cho biết trình thay đổi đối tượng ? Công cụ Identify thiết kế giúp người dùng xem trình thay đổi đối tượng (nếu có) Khi người dùng chọn cơng cụ này, hộp thoại xuất cho biết thông tin đất 96 Chương – CHƯƠNG TRÌNH MẪU ƒ Trường hợp đất biến động : − Các mốc thời gian thay đổi thị mục “Moc thoi gian” Giá trị cuối danh sách giá trị thời gian đối tượng khởi tạo việc giám sát biến động Giá trị đầu danh sách thời điểm thay đổi gần đối tượng − Nhấn View để hiển thị đối tượng 97 Chương – CHƯƠNG TRÌNH MẪU 98 Chương – CHƯƠNG TRÌNH MẪU Nhấn nút Flash để xem đối tượng hành Nhấn nút hay để xem đối tượng ƒ Trường hợp đất khơng có biến động : Đối với đối tượng khơng có thay đổi đến thời điểm hành sử dụng cơng cụ Identify hiển thị thông tin sau : 99 Chương – CHƯƠNG TRÌNH MẪU III.2 Cho biết trạng thái liệu thời điểm ? Công cụ Query thiết kế dùng để khôi phục trạng thái thời điểm ‰ Tiến trình thực ArcMap : − Chọn lớp dự liệu cần khôi phục trạng thái − Chọn công cụ Query Hộp thoại yêu cầu nhập thời điểm truy vấn xuất : Sau chọn ngày, chương trình kiểm tra có lớp lưu tương ứng với lớp liệu chọn để khôi phục trạng thái Nếu khơng có lớp lưu tương ứng ngưng thực − Kết hiển thị lớp Display 100 Chương – CHƯƠNG TRÌNH MẪU Tại thời điểm Tại thời điểm 30/10/2005 101 Chương – CHƯƠNG TRÌNH MẪU − Có thể sử dụng công cụ Identify để xem thông tin đất thời điểm vừa khôi phục 102 Chương – KẾT LUẬN CHƯƠNG - KẾT LUẬN Trong quản lý ngành địa chính, thơng tin đất ln biến đổi khơng ngừng Do tất thông tin thu thập để mô tả đối tượng phải cập nhật cho phù hợp Trong GIS 2D, đối tượng đất cập nhật thơng tin cũ Vì khó quản lý sử thay đổi đất đai Điều làm phát sinh hướng việc ứng dụng GIS để quản lý thơng tin địa : quản lý theo thời gian Và mục tiêu luận văn nghiên cứu xây dựng mơ hình quản lý liệu GIS theo thời gian phục vụ cho mục đích giám sát biến động đất đai Với mục tiêu trên, mơ hình GIS thời gian xây dựng dựa sở nghiên cứu mơ hình nhà nghiên cứu đề xuất để bổ sung chức cho GIS 2D Mơ hình quản lý liệu theo thời gian, lưu trữ phiên đối tượng thay đổi Dựa vào mơ hình xây dựng, chương trình mẫu thiết kế thử nghiệm với mẫu liệu bao gồm tập hợp polygon đất Qua thử nghiệm cho thấy, mơ hình TGIS đạt yêu cầu cần thiết Tuy nhiên tồn số khuyết điểm, hạn chế I ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH a Ưu điểm Ž Quản lý biến động đối tượng theo thời gian Mơ chức tích hợp thêm vào GIS 2D, dựa cấu trúc liệu sẵn có, khơng cần hỗ trợ phần mềm khác hay đòi hỏi phải truy xuất liệu sang định dạng trung gian để xử lý Ž Khi chỉnh sửa, thay đổi đối tượng, công cụ tích hợp ArcGIS tận dụng sử dụng công cụ biên tập liệu GIS thời gian Ž Trả lời câu hỏi liên quan đến biến động đất đai, đáp ứng nhu cầu người dùng thông tin đối tượng suốt trình quản lý Cụ thể truy xuất hiển thị kết biến động đối 103 Chương – KẾT LUẬN tượng hay khôi phục lại trạng thái thời điểm định Chức Identify cho phép hiển thị thay đổi đối tượng không gian với thành phần thuộc tính theo thời gian Ž Mơ hình TGIS xây dựng dựa phần mềm mới, thông dụng, mạnh ArcGIS, sử dụng mơ hình liệu – geodatabase – hướng phát triển hàng đầu ứng dụng GIS tương lai b Khuyết điểm Bên cạnh cách ưu điểm nêu mơ hình cịn số khuyết điểm hạn chế Ž Chưa sâu vào xử lý cơng cụ biên tập liệu, phân tích khơng gian đối tượng lịch sử Ž Thời gian xử lý mơ hình cịn chậm : thao tác thường xử lý lớp liệu phải thực qua nhiều bước Ž Chưa đề cập đến phương án lưu trữ lâu dài Dữ liệu TGIS phải quản lý liên tục, tồn nhiều chục năm nên khối lượng liệu lớn II KIẾN NGHỊ − Để tạo thành TGIS thật hoàn chỉnh, cần hoàn chỉnh mơ hình GIS thời gian đưa ra, khắc phục khuyết điểm nêu đồng thời bổ sung thêm chức cần thiết chẳng hạn chức biên tập, quản lý liệu − Có thể phát triển mơ hình theo hướng phục vụ cho nhiều định dạng liệu, độ phân giải thời gian khác nhau, phục vụ cho nhiều lĩnh vực bên cạnh ngành địa 104 Chương – KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Time in Geographic Information System - Gail Langran – Taylor & Francis – London - Washington, DC – 1993 The five dimensions in GIS Proceedings GIS/LIS’89, Davis BE, William R (1989) – Washington DC Management of Data Changes in GeoDatabase - Time Component in GIS – Dr Alberto Belussi , Dr Mauro Negri , Prof Giuseppe Pelagatti Design and Implementation of Historical Dimensions in the Siiasa/China GIS Project Databases – Paul Yates and Dr.Lawrence W.Crissman Temporal GIS and Spatio - Temporal Modeling – May Yuan – Department of Geography, The University of Oklahoma Modeling and Using History in ArcGIS – An ESRI Technical Paper – May 2002 Spatio-Temporal Modeling of Dynamic Phenomena in GIS - Saeed Nadi, Mahmoud R Delavar - Department of Surveying and Geomatic Eng., Engineering Faculty, University of Tehran The Design And Development Of A Temporal Gis For Cadastral And Land Title Data Of Turkey - Ç Cưmerta, M Alkana aKaradeniz Technical University, Geodesy and Photogrametry Department The Cadastral Template Project - Daniel STEUDLER, Switzerland, Ian P WILLIAMSON and Abbas RAJABIFARD, Australia, and Stig ENEMARK, Denmark 10 Modeling Spatial and Temporal Data in an Object-Oriented Constraint Database Framework 11 http://www.esri.com 105 ... đai ngành địa cần thiết II TÊN ĐỀ TÀI TÍCH HỢP THỜI GIAN VÀO GIS TRONG CÔNG TÁC QUẢN LÝ ĐỊA CHÍNH III MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Mục tiêu đề tài nghiên cứu hệ thống quản lý liệu GIS theo thời gian phục... hiểu GIS khơng gian - thời gian ¾ Xây dựng mơ hình GIS khơng gian - thời gian ¾ Xây dựng chương trình mẫu ứng dụng mơ hình GIS không gian thời gian V PHẠM VI ĐỀ TÀI ƒ Xây dựng mơ hình GIS thời gian. .. giới thời gian tạo thành trạng thái lân cận khác thay đổi xảy Ranh giới thời gian thể theo điểm thời gian, trục thời gian tuyến tính, khơng lặp lại c) Các dạng thời gian GIS thời gian : Thời gian