(Luận văn thạc sĩ) tìm kiếm đối tượng vùng trong GIS véc tơ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG NGUYỄN THỊ THÚY NGA TÌM KIẾM ĐỐI TƯỢNG VÙNG TRONG GIS VÉC TƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG NGUYỄN THỊ THÚY NGA TÌM KIẾM ĐỐI TƯỢNG VÙNG TRONG GIS VÉC TƠ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG VĂN ĐỨC THÁI NGUYÊN - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn hồn tồn hình thành phát triển từ quan điểm cá nhân tôi, hướng dẫn bảo PGS.TS Đặng Văn Đức Các số liệu kết có luận văn tốt nghiệp hoàn toàn trung thực Học viên Nguyễn Thị Thúy Nga ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS.ĐặngVăn Đức, Viện Công nghệ thông tin – Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam,Thầy tận tình bảo giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn q Thầy Cơ cán nhân viên Phịng Đào Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thơng, Đại học Thái Ngun nhiệt tình giảng dạy, trang bị cho kiến thức quý báu giúp đỡ mặt suốt thời gian học tập trường Xin cảm ơn bạn lớp đồng nghiệp nơi công 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 LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iv MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÌM KIẾM NỘI DUNG VÀ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN VECTƠ 1.1.Mơ hình tổng qt hệ thống tìm kiếm sở nội dung 1.2 Biểu diễn cấu trúc liệu không gian vectơ 11 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐỐI TƯỢNG VÙNG TRONG BẢN ĐỒ VECTƠ 19 2.1 Khái quát tìm kiếm đối tượng sở hình dạng 19 2.2 Đặc trưng hình dạng đơn giản 21 2.3 Moment bất biến 22 2.4 Phương pháp mô tả Fourier 25 2.5.Biểu diễn hình dạng sở lưới vùng 30 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 40 3.1 Quy trình tổng quan 40 3.2.Trích xuất vùng từ CSDL địa lý 42 3.3.Hiển thị liệu địa lý 43 3.4.Hiển thị vùng đầu vào chọn 44 3.5.Tìm kiếm vùng tương tự 45 3.6.Thử nghiệm với số vùng đầu vào 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 57 iv MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình1.1: Mơ hình tổng thể hệ thống tìm kiếm thơng tin Hình1.2: Kiến trúc tổng thể hệ thống tìm kiếm ảnh Hình 1.3: Đánh giá hiệu hệ thống 10 Hình 1.4: Ví dụ biểu diễn vị trí nước bị nhiễm 12 Hình 1.5: Ví dụ biểu diễn đường 13 Hình 1.6: Ví dụ biểu diễn khu vực hành 14 Hình 1.7: Ví dụ biểu diễn Feature đồ 16 Hình 1.8: Đối tượng point đồ 17 Hình 1.9: Đối tượng Line đồ 17 Hình 1.10: Đối tượng polyon đồ 17 Hình 2.1: Lưu đồ thuật tốn tìm đặc trưng ảnh sử dụng momet hình dạng 24 Hình 2.2: Hàm dấu hiệu hình dạng 25 Hình 2.3: Hàm góc tích lũy 26 Hình 2.4: Hàm tính diện tích 26 Hình 2.5: Lưu đồ thuật tốn tìm đặc trưng ảnh sử dụng mô tả Fourier 29 Hình 2.6:Ví dụ xếp chồng 30 Hình 2.7: Ví dụ chuẩn hóa co giãn 32 Hình 2.8: Ví dụ đo độ tương tự 34 Hình 2.9: Lưu đồ thuật tốn tìm đặc trưng ảnh sử dụng lưới vùng 37 Hình 2.10: Lưu đồ thuật tốn tìm kiếm vùng tương tự 40 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống 41 Hình 3.2: Màn hình chương trình 42 Hình 3.3: Bản đồ vùng tỉnh Quảng Ninh 44 v Hình 3.4: Các vùng đầu vào 45 Hình 3.5: Dữ liệu hình học vùng đầu vào 45 Hình 3.6: Hiển thị vùng đầu vào chọn 46 Hình 3.7: Kết tìm vùng tương tự với vùng 13 47 Hình 3.8: Kết tìm vùng tương tự với vùng 48 Hình 3.19: Kết tìm vùng tương tự với vùng 49 Hình 3.10: Kết tìm vùng tương tự với vùng 50 Hình 3.11: Kết tìm vùng tương tự với vùng 51 Hình 3.12: Kết tìm vùng tương tự với vùng 15 52 Hình 3.13: Kết tìm vùng tương tự với vùng 16 53 Hình 3.14: Kết tìm vùng tương tự với vùng 20 54 Hình 3.15: Kết tìm vùng tương tự với vùng 22 55 Hình P-1: Ví dụ đa giác gồm hai vành 64 Hình P-2: Lưu trữ đa giác shapefile 65 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng P-1 Mô tả Main file header 58 Bảng P-2 Các giá trị shape type 59 Bảng P-3 Mô tả header ghi 60 Bảng P-4 Nội dung ghi biểu diễn điểm 61 Bảng P-5 Nội dung ghi biểu diễn đa điểm 62 Bảng P-6 Nội dung ghi chi tiết đa đoạn 63 Bảng P-7 Nội dung ghi đa giác 65 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Hệ thống thông tin địa lý (GIS - Geograpgic Information System) bắt đầu sử dụng rộng rãi nước phát triển từ nhiều thập niên qua, dạng ứng dụng công nghệ thông tin nhằm mô tả giới thực (Real World) mà lồi người sống-tìm hiểu-khai thác Với tính ưu việt mình, kỹ thuật GIS ngày ứng dụng nhiều lãnh vực nghiên cứu quản lý, đặc biệt quản lý quy hoạch sử dụng-khai thác nguồn tài nguyên cách bền vững hợp lý GIS chia làm hai loại chính: GIS véc tơ GIS raster GIS véc tơ ngày sử dụng nhiều Nền tảng GIS đồ véc tơ Các đồ hình thành từ đối tượng điểm, đường vùng Dạng vùng thường biểu diễn đơn vị hành chính, ao hồ, ruộng, đảo biển… Số lượng đối tượng thường lớn đồ hệ thống GIS Một toán đặt cho người sử dụng GIS thực tế là: Hãy tìm kiếm theo nội dung đối tượng dạng vùng đồ tương tự với đối tượng dạng vùng cho trước sở topo, hướng, khoảng cách [9] Như tốn tương tự với tốn tìm kiếm ảnh theo nội dung Luận văn sử dụng phương pháp, thuật tốn nghiên cứu cho tìm kiếm kiếm ảnh sở vùng [2-5] CSDL ảnh để giải tốn tìm kiếm đối tượng địa lý dạng vùng đồ tương tự với hình dạng đối tượng cho trước Đối tượng cho trước sinh phác họa hình máy tính hay tệp chứa ảnh, vùng đồ cần tìm Vậy, nội dung nghiên cứu luận văn “Tìm kiếm đối tượng vùng GIS véc tơ” bao gồm: - Một số vấn đề GIS véc tơ để thấy rõ cấu trúc liệu đối tượng dạng vùng CSDL cần tìm kiếm, - Kiến trúc hệ thống tìm kiếm ảnh theo nội dung, - Các thuật tốn tìm kiếm ảnh theo nội dung sở vùng, - Xây dựng chương trình thử nghiệm Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Mơ hình tổng qt hệ thống tìm kiếm sở nội dung - Biểu diễn cấu trúc liệu không gian vectơ - Các lớp thuật tốn đảm bảm tính qn liệu để từ nghiên cứu, đề xuất thuật tốn tối ưu đảm bảo quán liệu - Một số kỹ thuật ứng dụng tìm kiếm đối tượng vùng đồ vectơ Hướng nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu kỹ thuật liên quan đến tìm kiếm ảnh sở hình dạng - Nghiên cứu phương pháp biểu diễn hình dạng đặc trưng hình dạng - Nghiên cứu giải pháp công nghệ cài đặt chương trình thử nghiệm Những nội dung nghiên cứu Ngồi phần mở đầu giới thiệu tốn cần giải luận văn, phương pháp nghiên cứu phần kết luận trình vày kết thu nghiên cứu để giải hạn chế chúng, nội dung luận văn chia thành ba chương sau: Chương 1: Trình bày tổng quan hệ thống tìm kiếm ảnh theo nội dung liệu khơng gian véc tơ Bao gồm: mơ hình hệ thống tìm kiếm thơng tin theo nội dung, biểu diễn cấu trúc liệu không gian GIS Chương 2: Trình bày số kỹ thuật tìm kiếm ảnh sở vùng áp dụng việc tìm kiếm đối tượng dạng vùng GIS vec tơ Bao gồm thuật tốn tìm kiếm đối tượng sở biểu diễn vùng, thuật tốn mơ tả 51 Hình 3.11: Kết tìm vùng tương tự với vùng 52 Hình 3.12: Kết tìm vùng tương tự với vùng 15 53 Hình 3.13: Kết tìm vùng tương tự với vùng 16 54 Hình 3.14: Kết tìm vùng tương tự với vùng 20 55 Hình 3.15: Kết tìm vùng tương tự với vùng 22 56 3.7.Kết chương Trong chương 3, luận văn trình bày quy trình thử nghiệm cho tốn tìm kiếm đối tượng vùng Trước hết, chương trình bày sơ đồ xử lý tốn với hai nhiệm vụ Một là, truy cập liệu địa lý lấy thông tin chung thông tin hình dạng để đưa vào sở liệu Hai là, tìm kiếm sở liệu đối tượng vùng có hình dạng tương tự với vùng đầu vào Ngồi ra, chương trình thử nghiệm cịn cho phép hiển thị đồ vùng từ sở liệu liệu địa lý, vùng đầu vào vùng tương tự tìm thấy đồ Chương trình thử nghiệm sử dụng thuật tốn phủ lưới (đã trình bày chương 2) để kiểm tra độ tượng tự vùng Các kết thử nghiệm cho thấy chương trình làm việc tốt, tìm kiếm vùng tương tự hiển thị lên hình 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đặng Văn Đức (2001), Hệ thống thông tin địa lý, NXB Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội Tiếng Anh [2] Adrijit Basu (2015), Shape Based Image Representation and Retrieval, International Journal of Emerging Research in Management &Technology [3] Aratrika Sarkar, PallabiBhatttacharjee (2014), A Shape Based Image Search Technique, International Journal of Advanced Computer Science and Applications [4] Arvind M Bhave (2016), Shape Based Descriptors for Image Retrieval, IOSR Journal of Computer Engineering [5] Arulmozhi P., S.Abirami (2014), Shape Based Image Retrieval: A Review, International Journal on Computer Science and Engineering (IJCSE) [6] Jhansi Rani S and V Vallikumari (2016),Survey on Content Based Image Retrieval Techniques, International Journal of Trend in Research and Development [7] Guojun Lu (1999), Multimedia Database Management Systems, Artech House, Boston – London [8] Santhosh P Mathew, Philip Samuel (2010), A Novel Image Retrieval System Using an Effective RegionBased Shape Representation Technique, International Journal of Image Processing (IJIP) [9] Shashi Shekhar, Sanjay Chawla (2001), A Tour Of Spatial Databases, Department of Computer Science, University of Minnesota 58 PHỤ LỤC: Cấu trúc file Shapefile Main file header Main file header có độ dài 100 bytes trường file header với vị trí byte, giá trị, kiểu thứ tự byte chúng Trong bảng này, vị trí tương đối tính từ vị trí bắt đầu file Bảng P-1 Mô tả Main file header Position Field Value Type Byte Order Byte File Code 9994 Integer Big Byte Unused Integer Big Byte Unused Integer Big Byte 12 Unused Integer Big Byte 16 Unused Integer Big Byte 20 Unused Integer Big Byte 24 File Length File Length Integer Big Byte 28 Version 1000 Integer Little Byte 32 Shape Type Shape Type Integer Little Byte 36 Bounding Box Xmin Double Little Byte 44 Bounding Box Ymin Double Little Byte 52 Bounding Box Xmax Double Little Byte 60 Bounding Box Ymax Double Little Byte 68* Bounding Box Zmin Double Little Byte 76* Bounding Box Zmax Double Little Byte 84* Bounding Box Mmin Double Little Byte 92* Bounding Box Mmax Double Little 59 * Khơng dùng có giá trị 0.0, khơng độ đo kiểu Z Giá trị độ dài file tổng độ dài file theo đơn vị từ 16-bit, bao gồm 50 từ (tức 100 byte) file header Tất hình dạng khơng null shapefile phải có kiểu shape Các giá trị kiểu cho Bảng P-2 Các giá trị shape type Giá trị Kiểu Shape Null Shape Point PolyLine Polygon MultiPoint 11 PointZ 13 PolyLineZ 15 PolygonZ 18 MultiPointZ 21 PointM 23 PolyLineM 25 PolygonM 28 MultiPointM 31 MultiPatch Hộp biên (Bounding Box) main file header chứa phạm vi thực shape file: Hình chữ nhật bé phủ tồn shape có cạnh song song với trục X Y (và có khả mở rộng với trục M Z) Nếu shapefile rỗng (khơng có ghi nào) giá trị Xmin, Ymin, Xmax, Ymax khơng xác định 60 Các header ghi Header cho ghi chứa số hiệu ghi độ dài nội dung ghi Các header ghi có độ dài cố định byte Bảng P- mô tả trường header ghi, với vị trí tính từ đầu ghi tương ứng Bảng P-3 Mô tả header ghi Position Field Byte Record Value Type Byte Order Số hiệu ghi Integer Big Độ dài nội dung Integer Big Number Byte Content Length Số hiệu ghi Độ dài nội dung ghi độ dài phần nội dung ghi theo đơn vị từ 16-bit Do đó, ghi đóng góp số lượng từ 16-bit (4 + độ dài nội dung) vào tổng độ dài file (được chứa Byte 24 file header) PL3.3 Nội dung ghi Nội dung ghi shapefile bao gồm kiểu shape, theo sau liệu hình học shape Độ dài nội dung ghi phụ thuộc vào số thành phần số đỉnh shape Tiếp sau trình bày số nội dung ghi theo kiểu shape hệ quy chiếu X, Y Kiểu Point (điểm) Một điểm bao gồm cặp tọa độ kiểu doubleprecision theo thứ tự X, Y Point { Double X // X coordinate Double Y // Y coordinate } 61 Bảng P-4 Nội dung ghi biểu diễn điểm Position Byte Field Value Shape Type Type Number Byte Order Integer Little Byte X X Double Little Byte 12 Y Y Double Little Kiểu MultiPoint (đa điểm) Biểu diễn tập điểm, sau: MultiPoint { Double[4] Box // Bounding Box Integer NumPoints // Number of Points Point[NumPoints] Points // The Points in the Set } Hộp Biên (Bounding Box) lưu theo thứ tự Xmin, Ymin, Xmax, Ymax Bảng P-5 Nội dung ghi biểu diễn đa điểm Position Field Byte Shape Value Type Number Byte Order Integer Little Box Double Little Byte 36 NumPoints NumPoints Integer Little Byte 40 Points Points Type Byte Box Point NumPoints Little Kiểu PolyLine (đa đoạn) Một PolyLine tập có thứ tự đỉnh bao gồm nhiều thành phần Một phần thành phần liên thơng gồm hai đỉnh Các phần khơng liên thơng với phần khác Các 62 phần khơng cắt với phần khác Do đặc tả không cấm điểm liên tục với tọa độ trùng nhau, nên đọc shapefile phải kiểm soát trường hợp Việc dẫn tới phần thối hóa có độ dài không không phép PolyLine { Double[4] Box // Bounding Box Integer NumParts // Number of Parts Integer NumPoints // Total Number of Points Integer[NumParts] Parts // Index to First Point in Part Point[NumPoints] Points // Points for All Parts } Các trường PolyLine mô tả chi tiết sau đây:  Box: Hộp Biên cho PolyLine lưu theo thứ tự Xmin, Ymin, Xmax, Ymax  NumParts: Số phần PolyLine  NumPoints: Tổng số điểm tất phần PolyLine  Parts: Một mảng có độ dài NumParts chứa số điểm mảng điểm Các số mảng đánh từ  Points: Một mảng cú độ dài NumPoints  63 Bảng P-6 Nội dung ghi chi tiết đa đoạn Position Field Value Type Number Byte Order Byte Shape Integer Little Type Byte Box Box Double Little Byte 36 NumParts NumParts Integer Little Byte 40 NumPoints NumPoints Integer Little Byte 44 Parts Parts Integer NumParts Little Byte X Points Points Point NumPoints Little Chú ý: X = 44 + * NumParts Kiểu Polygon (Đa giác) Một đa giác bao gồm một vành Một vành chuỗi đóng liên thơng điểm, khơng tự cắt Một đa giác chứa nhiều vành ngồi Thứ tự định hướng vành mặt vành phía đa giác Lân cận bên phải người quan sát dọc theo vành theo thứ tự đỉnh thuộc vùng phía đa giác Các đỉnh vành định nghĩa lỗ rỗng đa giác theo hướng ngược chiều kim đồng hồ Các đỉnh vành đơn ln có thứ tự thuận chiều kim đồng hồ Các vành đa giác cho part (phần) Lưu ý điểm liên tiếp không thiết phải phân biệt, nên đọc shapefile phải xử lý tình Cấu trúc đa giác giống cấu trúc đa đoạn, sau 64 Polygon { Double[4] Box // Bounding Box Integer NumParts // Number of Parts Integer NumPoints // Total Number of Points Integer[NumParts] Parts // Index to First Point in Part Point[NumPoints] Points // Points for All Parts } Các trường đa giác mô tả chi tiết sau:  Box: Hộp biên đa giác theo thứ tự Xmin, Ymin, Xmax, Ymax  NumParts: Số vành đa giác  NumPoints: Tổng số điểm tất vành  Parts: Một mảng gồm NumParts phần tử, chứa số điểm vành mảng Points  Points: Một mảng gồm NumPoints phần tử Các điểm cho vành nối tiếp điểm vành Một ví dụ đa giác gồm vành 10 điểm sau: Hình P-1 Ví dụ đa giác gồm hai vành 65 Thứ tự đỉnh lưu trữ shape file minh họa Hình P- Hình P-2 Lưu trữ đa giác shapefile Bảng P-7 Nội dung ghi đa giác Position Field Value Type Number Byte Order Byte Shape Type Integer Little Byte Box Box Double Little Byte 36 NumParts NumParts Integer Little Byte 40 NumPoints NumPoints Integer Little Byte 44 Parts Parts Integer NumParts Little Byte X Points Points Point NumPoints Little Chú ý: X = 44 + * NumParts Ngồi shapefile cịn có cấu trúc shape khác như: PointM, MultiPointM, PolyLineM, PolygonM (M độ đo), PointZ, MultiPointZ, PolyLineZ, PolygonZ (trong hệ quy chiếu X, Y, Z) cấu trúc MultiPatch (đa mảnh) ... đề tài - Luận văn nghiên cứu kỹ thuật tìm kiếm đối tượng vùng GIS vectơ - Cài đặt thử nghiệm kỹ thuật tìm kiếm đối tượng vùng đồ vectơ - Giải tốn tìm kiếm đối tượng vùng GIS vectơ CHƯƠNG TỔNG... với hình dạng đối tượng cho trước Đối tượng cho trước sinh phác họa hình máy tính hay tệp chứa ảnh, vùng đồ cần tìm Vậy, nội dung nghiên cứu luận văn ? ?Tìm kiếm đối tượng vùng GIS véc tơ? ?? bao gồm:... thống tìm kiếm vùng đồ có hình dạng tương tự với ảnh véc tơ đầu vào Chương trình bày kỹ thuật việc đối sánh tương tự vùng 19 CHƯƠNG MỘT SỐ KỸ THUẬT TÌM KIẾM ĐỐI TƯỢNG VÙNG TRONG BẢN ĐỒ VECTƠ Như