Xây dựng vùng đệm trong hệ thống thông tin địa l ý sử dụng logic mờ

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Xây dựng vùng đệm hệ thống thông tin địa lý sử dụng logic mờ” cơng trình nghiên cứu tôi, hướng dẫn khoa học PGS.TS Đặng Văn Đức, tham khảo nguồn tài liệu rõ trích dẫn danh mục tài liệu tham khảo Các nội dung công bố kết trình bày luận văn trung thực chưa công bố cơng trình Thái Ngun, tháng năm 2016 Bùi Thị Bích Huệ ii LỜI CẢM ƠN Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Đặng Văn Đức, Thầy tận tình bảo giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Phịng Đào tạo, Trường Đại học Cơng nghệ thơng tin Truyền thơng, Đại học Thái Ngun nhiệt tình giảng dạy, trang bị cho kiến thức quý báu suốt thời gian học tập trường Xin cảm ơn bạn lớp đồng nghiệp nơi tơi cơng tác tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tơi động viên tơi suốt q trình học tập hồn thành luận văn iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ LOGIC MỜ 1.1 Tổng quan Hệ thông tin địa lý 1.1.1 Các khái niệm 1.1.1.1 Định nghĩa Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 1.1.1.2 Kiến trúc hệ thống thông tin địa lý GIS 1.1.1.3 Mơ hình liệu không gian .6 1.1.2 Các phép tốn phân tích khơng gian hệ GIS 10 1.1.2.1 Truy vấn sở liệu 11 1.1.2.2 Các thuật toán sở phục vụ phân tích khơng gian 12 1.1.2.3 Các thuật toán đo đạc .14 1.1.2.4 Các thuật toán biến đổi 14 1.1.3 Một số lĩnh vực ứng dụng GIS 17 1.2 Tổng quan logic mờ khả ứng dụng logic mờ GIS 18 1.2.1 Tập mờ hàm thuộc 18 1.2.1.1 Khái niệm tập mờ 18 1.2.1.2 Hàm thuộc 19 1.2.1.3 Các thông số đặc trưng tập mờ 20 1.2.2 Một vài phép toán logic tập mờ 21 1.2.3 Hệ suy diễn mờ 22 1.2.4 Khả áp dụng logic mờ hệ thông tin địa lý 24 Chƣơng XÂY DỰNG VÙNG ĐỆM TRONG GIS 25 2.1 Các thao tác vùng đệm với GIS véc tơ .25 2.2 Các thao tác vùng đệm với GIS raster .31 2.2.1 Kiến trúc Hệ thống GIS sử dụng logic mờ 31 iv 2.2.2 Xây dựng vùng đệm mờ GIS raster .34 2.3 Các thuật toán xây dựng vùng đệm sử dụng logic mờ 46 2.3.1 Các thuật toán Buffer lặp sử dụng logic mờ 46 2.3.2 Từ thuật toán Buffer lặp đến thuật toán Buffer tồn diện .49 2.3.3 Mơ tả thuật tốn Buffer sử dụng đồ họa 54 2.3.4 Đánh giá thuật toán 58 Chƣơng XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 61 3.1 Môi trường phát triển chương trình 65 3.2 Chức chương trình 65 3.3 Một số giao diện chương trình 65 3.4 Kết thử nghiệm 67 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống thơng tin địa lý Hình 1.2 Tầng (layer) đồ Hình 1.3 Ví dụ biểu diễn vị trí máy ATM .7 Hình 1.4 Line GIS Hình 1.5 Ví dụ số liệu vecto biểu diễn dạng cung Hình 1.6 Ví dụ số liệu vecto biểu thị dạng vùng (Polygon) Hình 1.7 Ví dụ mơ hình raster Hình 1.8 Biểu diễn đoạn thẳng 12 Hình 1.9 Điểm đa giác 13 Hình 1.10 Điểm đa giác 13 Hình 1.11 Tính diện tích đa giác 14 Hình 1.12 Biến đổi (xếp chồng)dữ liệu từ liệu vecto 15 Hình 1.13 Tìm giao đa giác 16 Hình 1.14 Vùng đệm .17 Hình 1.15 Hàm mờ tuyến tính .20 Hình 1.16 Hàm mờ hình sin 20 Hình 1.17 Tập mờ B bao hàm tập mờ A 21 Hình 1.18 Phép toán logic tập mờ 21 Hình 1.19 Kiến trúc hệ suy diễn mờ 23 Hình 2.1 Ví dụ vùng đệm (điểm, đường, vùng) 25 Hình 2.2 Vùng đệm xâu đoạn thẳng .26 Hình 2.3 Tìm vùng đệm 27 vi Hình 2.4 Trường hợp góc tù 28 Hình 2.5 Trường hợp góc bẹt .29 Hình 2.6 Mơ hình kiến trúc & luồng cơng việc Hệ suy luận mờ GIS 32 Hình 2.7 Bản đồ độ dốc khu vực nghiên cứu 36 Hình 2.8 Đường độ gần với đường 36 Hình 2.9 Bản đồ raster cho trình định “Gần thị trấn” 37 Hình 2.10 (a) Kết phân tích logic rõ cho địa điểm phù hợp 37 (b) Kết mờ cho vị trí phù hợp sử dụng luật (1) 37 Hình 2.11 Hàm thành phần cho (a) “bằng phẳng”, (b) “hơi dốc” 39 (c) “gần thị trấn” (d) “phù hợp” 39 Hình 2.12 Minh họa xây dựng vùng đệm sử dụng logic mờ GIS 44 Hình 2.13 Minh họa đồ đệm GIS .46 Hình 2.14 Thuật toán Brute-Forte cho β-buffering đồ raster mờ 47 Hình 2.16 Thuật tốn β-buffering đồ raster mờ sử dụng phân cấp cell 49 Hình 2.17 Bản đồ với điểm thành viên mờ ban đầu sau buffer .51 Hình 2.18 Thuật tốn buffer tồn diện với hàm ψ-Buffering cho đồ mờ 52 Hình 2.19 Thuật toán ψ-Buffering cho đồ mờ sử dụng phân cấp cell ngưỡng 53 Hình 2.20 Mơ tả thuật tốn z-buffer với phần cứng đồ họa 55 Hình 2.21 Hàm xấp xỉ ζ (l) tính dựa hình nón quạt 57 Hình 2.22 Thời gian xử lý thuật toán buffer với phân cấp cell xác định ngưỡng với thời gian xử lý thuật toán buffer sử dụng đồ họa 59 Hình 3.1 Giao diện chương trình 66 Hình 3.2 Giao diện chức tạo vùng đệm rõ 66 vii Hình 3.3 Giao diện chức tạo vùng đệm mờ 66 Hình 3.4 Phân tích khoảng cách đến quan, bệnh viện, trường học 67 Hình 3.5 Phân tích khoảng cách đến khu dân cư sử dụng vùng đệm mờ .67 Hình 3.6 Phân tích khoảng cách đến nguồn nước mặt 68 Hình 3.7 Kết thu sau phân tích chồng phủ đồ .69 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Giá trị vị trí kết tìm logic rõ & logic mờ 41 Bảng 3.1 Các tiêu lựa chọn địa điểm chôn lấp rác thải TP Nam Định 63 Bảng 3.2 Phân loại mức độ phù hợp tiêu để xây dựng vùng đệm 64 MỞ ĐẦU Cùng với phát triển xã hội, người sử dụng nhiều cơng cụ để tìm hiểu, khai thác giải đáp thắc mắc tự nhiên; đó, kỹ thuật “Thơng tin địa lý” (GIS – Geographic Information System) kỹ thuật ưu việt sử dụng rộng rãi từ năm 60 trở lại Kỹ thuật GIS kỹ thuật ứng dụng hệ thống vi tính, số hóa để thu thập, phân tích, xử lý liệu khơng gian Từ đó, GIS trở thành công cụ hỗ trợ định hầu hết lĩnh vực nghiên cứu quản lý, đặc biệt quản lý, quy hoạch nguồn tài nguyên môi trường Thông tin địa lý thông tin vị trí bề mặt trái đất, bao gồm tri thức đó? Ở đâu? Hoặc tri thức vị trí biết trước? Đặc trưng thơng tin địa lý chi tiết như: thông tin nhà thành phố thơ như: thời tiết, mật độ dân số quốc gia… Một đặc trưng riêng biệt liệu địa lý GIS là: “khơng rõ ràng – mờ” Đặc trưng hình thành trình thu thập liệu từ giới thực như: thông tin tương ứng đối tượng không đầy đủ, thu thập liệu đối tượng bất ổn, q trình tập hợp thuộc tính liệu xảy sai sót, việc sử dụng diễn tả định tính biểu diễn mối quan hệ thuộc tính với Phương pháp truyền thống thu thập, lưu trữ liệu địa lý sử dụng đồ giấy, mô tả, dùng sở liệu quan hệ,… Tuy nhiên, để giải vấn đề không rõ ràng, liệu mờ GIS cần có mở rộng mơ hình liệu, tích hợp lập luận, phép tốn có sử dụng logic mờ biểu diễn phân tích liệu khơng gian GIS có nhiều chức thực phân tích liệu khơng gian, hai thao tác quan trọng xếp chồng đồ (overlay) xây dựng vùng đệm (buffering) Trong đó, vùng đệm vùng bao phủ khoảng cách định từ đối tượng điểm, đường vùng Xây dựng vùng đệm phép chọn lọc đối tượng hay vùng địa lý không gian sử dụng phổ biến GIS Các thuật toán xây dựng vùng đệm sử dụng logic mờ sở lý thuyết để hỗ trợ lập luận tập liệu mờ GIS Chính lý đó, khn khổ luận văn, học viên thực nghiên cứu: “Xây dựng vùng đệm hệ thống thông tin địa lý sử dụng logic mờ” 61 Chƣơng XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Trong phần này, học viên thực minh họa phép tính tốn thao tác vùng đệm sử dụng logic mờ ứng dụng GIS cho toán "Tìm vị trí thích hợp chơn lấp chất thải rắn Thành phố Nam Định" Theo quy định Bộ Tài nguyên Môi trường, bãi chôn lấp rác thải phải tuân thủ số điều kiện như: - Giảm thiểu tác động đến môi trường: Khoảng cách đến nguồn nước (sông hồ, đầm, ao,…) phải phù hợp, không xây dựng bãi chôn lấp gần nguồn nước, ven sông, vùng bảo vệ (Hồ, ao, suối,…) - Giảm thiểu tác động đến xã hội: Khoảng cách đến khu đô thị khu dân cư phải đủ lớn; phải chấp thuận quyền địa phương cộng đồng dân cư khu vực Để đánh giá tiêu cho việc lựa chọn sơ vị trí thích hợp làm điểm chơn lấp rác thải, việc ứng dụng GIS hỗ trợ cách nhanh chóng việc tìm vùng thỏa mãn điều kiện vị trí khoảng cách đồ số, phép phân tích tìm vùng đệm mờ (fuzzy buffer) phù hợp cho việc giải toán Bằng việc phân tích tiêu đánh giá, ta đưa số liệu khoảng cách làm để xây dựng vùng đệm Từ đó, sử dụng thuật tốn trình bày chương 2, ta xây dựng vùng đệm cần tìm Đây liệu quan trọng để giải toán nêu Dựa sở khoa học việc lựa chọn địa điểm bãi chon lấp rác thải sinh hoạt tổng hợp tài liệu, nghiên cứu đặc điểm khu vực Thành phố Nam Định, luận văn trình bày tiêu chí lựa chọn địa điểm chơn lấp rác thải theo ba nhóm tiêu: mơi trường, kinh tế, xã hội thể chi tiết bảng sau: 62 Nhóm tiêu Khoảng cách đến nguồn nước (sông hồ đầm, ao,…) Môi Khoảng cách đến trƣờng cơng trình (Giảm nước ngầm thiểu tác chất đất, hệ số th động thấu,…) đến môi đường giao thông ch trường) (cao tốc, quốc lộ, lộ, đường sắt) Hướng gió Khoảng cách tới k di tích Địa hình Khu cơng nghiệp 63 Khoảng cách tới t cung cấp điện Kinh tế (Giảm thiểu chi phí xây dựng) 10 Khoảng cách tới đườnggiaothông thường 11 Khoảng cách tới điểm thu gom rác thả 12 Hiện trạng sử dụ đất 13 Địa chất (đề cập yếu tố đứt gãy) Xã hội (Giảm thiểu 14 Khoảng cách đ khu đô thị tác 15 Khoảng cách đ động cụm dân cư đến xã 16 Ý kiến dân hội) 17 Ý kiến địa phươ Bảng 3.1 Các tiêu lựa chọn địa điểm chôn lấp rác thải TP Nam Định Từ bảng trên, ta có bảng tiêu để đánh giá sơ sau: 64 Khơng phù hợp: điểm; Ít phù hợp: điểm; Phù hợp: điểm; Rất phù hợp: điểm STT Tên tiêu Khoảng cách đến khu dân cư đô thị Khoảng cách đến cụm dân cư nông thôn Khoảng cách đến cụm dân cư nơng thơn theo hướng gió Khoảng cách đến nguồn cung cấp nước ngầm Khoảng cách đến nguồn nước Khoảng cách đến khu di tích, văn hố Khoảng cách đến đường giao thơng Khoảng cách đến đường giao thông thường Khoảng cách đến khu công nghiệp Bảng 3.2 Phân loại mức độ phù hợp tiêu để xây dựng vùng đệm 65 Từ tiêu phân tích trên, ta dựa vào bảng 3.2 để thực xây dựng vùng đệm xung quanh đối tượng cần xét Từ đó, chồng lấp đồ để đưa vùng tối ưu cho toán Trong chương 2, ta tìm hiểu thuật tốn xây dựng vùng đệm với liệu mờ GIS Điều cho phép hiểu rõ cách xây dựng vùng đệm dựa số liệu khoảng cách vừa phân tích 3.1 Mơi trƣờng phát triển chƣơng trình Phần cứng Mơi trường phát triển: sử dụng máy tính có vi xử lí Core i3, tốc độ 2.13 GHz, GB RAM Phần mềm Để thực phân tích tiêu chí khoảng cách đối nêu, liệu đầu tốn bao gồm lớp đồ hành chính, thủy hệ, giao thông Thành phố Nam Định phân tích phần mềm HMap học viên tự xây dựng ngơn ngữ lập trình C# dựa thư viện ArcGIS Engine 9.3 hãng ESRI phát triển, đó, phép tốn phân tích vùng đệm chồng phủ đồ sử dụng công cụ Spatial Analyst ArcGIS Engine 3.2 Chức chƣơng trình - Hiển thị đồ số - Phóng to, thu nhỏ đồ -Trượt đồ - Tính tốn khoảng cách vùng đệm đồ theo tiêu, tạo ảnh raster khoảng cách - Chồng phủ ảnh raster 3.3 Một số giao diện chƣơng trình Giao diện giao diện chức tạo vùng đệm cho đối tượng điểm, đường vùng chương trình sau: 66 Hình 3.1 Giao diện chương trình Hình 3.2 Giao diện chức tạo vùng đệm rõ Hình 3.3 Giao diện chức tạo vùng đệm mờ 67 3.4 Kết thử nghiệm Kết điểm số tiêu thể hình đây: Hình 3.4 Phân tích khoảng cách đến quan, bệnh viện, trường học, (được mô tả điểm đồ), kết phân tích cho thấy vùng tơ màu xám sẫm xa khu vực điểm tiện ích cơng cộng Hình 3.5 Phân tích khoảng cách đến khu dân cư sử dụng vùng đệm mờ, (các khu vực dân cư mô tả vùng màu vàng), kết phân tích cho thấy vùng tơ màu xám sẫm xa khu dân cư 68 Hình 3.6 Phân tích khoảng cách đến nguồn nước mặt, (là khu vực sông, hồ mô tả vùng màu xanh nước biển), kết phân tích cho thấy vùng tơ màu xám sẫm xa nguồn nước mặt Kết luận thu Ta tổng hợp kết thu để tìm khu vực thỏa mãn đồng thời nhiều tiêu chí cách chồng phủ lớp raster kết cho thấy vùng tiềm quy hoạch làm điểm chơn lấp chất thải rắn (các vùng sẫm màu) khu vực thuộc phía Đơng Bắc xã Mỹ Xá, phía Bắc xã Lộc Vượng phía Tây xã Lộc An 69 Hình 3.7 Kết thu sau phân tích chồng phủ đồ 70 KẾT LUẬN Trong hầu hết lĩnh vực kinh tế - xã hội nay, có cơng cụ phổ biến, ưu việt để giải vấn đề đặt ra, GIS GIS xem công nghệ nhất, có nhiều ứng dụng & giải tốn phân tích khơng gian tối ưu Một số ứng dụng phân tích khơng gian xây dựng vùng đệm hệ thống thông tin địa lý Lý thuyết tập mờ xem phương tiện thiết kế công cụ cách hiệu để hỗ trợ cách xử lý định vấn đề mập mờ, không rõ ràng tốn khơng gian Luận văn nghiên cứu hợp lý thuyêt tập mờ với việc phân tích khơng gian hệ thống sở liệu quan hệ GIS, là: xây dựng vùng đệm sử dụng logic mờ Hơn nữa, kết việc nghiên cứu có tính thực tiễn cao Nó hiệu lý thuyết tập mờ để thực diễn tả phân tích liệu địa lý Sự đóng góp luận văn khái quát sau:  Trình bày tổng quan hệ thống thơng tin địa lý cấu trúc liệu không gian vectơ toán liên quan Tổng quan logic mờ hàm thuộc  Tìm hiểu phân tích, đánh giá, số thuật toán cụ thể thuật toán xây dựng vùng đệm sử dụng logic mờ như: thuật toán buffer lặp sử dụng logic mờ: Brute Force β-buffering, thuật toán lan truyền cục β-buffering, thuật toán β-buffering sử dụng phân cấp cell; thuật toán buffer toàn diện sử dụng logic mờ: Brute Force ψ-buffering, thuật toán ψ-buffering sử dụng phân cấp cell ngưỡng; Cuối thuật toán buffer sử dụng đồ họa, điển hình: Zbuffer  Tìm hiểu cơng cụ phát triển ứng dụng GIS ArcGIS Engine, phần mềm ArcGIS 9.3 hãng ESRI Những hướng phát triển luận văn tương lai dự kiến sau: 71  Xây dựng hệ thống chương trình áp dụng vào xác định vùng đệm ứng dụng đa ngành nghề, lĩnh vực  Tiếp tục cài đặt thuật tốn cịn lại trình bày luận văn Mặc dù cố gắng, thời gian trình độ cịn hạn chế định nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Trong tương lai học viên cố gắng hoàn thiện phát triển vấn đề nêu trên, nhằm mang lại vấn đề khả quan Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn để luận văn ngày hoàn thiện 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đặng Văn Đức (2001), Hệ thông tin địa lý GIS, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh [2] Hans W Guesgen, Joachim Hertzberg, Algorithms for Buffering Fuzzy Raster Maps, FLAIRS-01 Proceedings, 2001 [3] Hans W Guesgen, Joachim Hertzberg, Richard Lobb, Andrea Mantler Buffering Fuzzy Maps in GIS, Department of Computer Science, University of Auckland, New Zealand, 2003 [4] Jingxiong Zhang, Michael F Goodchild, Uncertainty in Geographical Information, The Taylor & Francis e-Library, 2003 [5] Tahsin A Yanar, Zuhal Akyurek, The Enhancement of ArcGIS with Fuzzy Set Theory, ESRI International User Conference, 2004 [6] Wolfgang Kainz, The Mathematics of GIS, University of Vienna, Austria 2010 ... đệm sử dụng logic mờ sở l? ? thuyết để hỗ trợ l? ??p luận tập liệu mờ GIS Chính l? ? đó, khn khổ luận văn, học viên thực nghiên cứu: ? ?Xây dựng vùng đệm hệ thống thông tin địa l? ? sử dụng logic mờ? ?? Chƣơng... địa l? ? sử dụng logic mờ? ?? Chƣơng TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA L? ? VÀ LOGIC MỜ 1.1 Tổng quan Hệ thông tin địa l? ? Thông tin địa l? ? tập thông tin l? ?nh vực mô tả trái đất, bao gồm mô tả cấu trúc... Tổng quan Hệ thông tin địa l? ? 1.1.1 Các khái niệm 1.1.1.1 Định nghĩa Hệ thống thông tin địa l? ? (GIS) 1.1.1.2 Kiến trúc hệ thống thông tin địa l? ? GIS 1.1.1.3 Mơ hình liệu khơng