3 Chất lượng đồ họa Tốt Trung bình 4 Độchính xác hình học Cao Thấp 5 Cấu trúc dữ liệu Phức tạp Đơn giản 6 Khảnăng phân tích vùng Kém Tốt 7 Khảnăng phối hợp giữa các lớp dữ liệu Kém Tốt 8 Khảnăng tạo lập bản đồ Phức tạp Đơn giản
b) Lựa chọn và chuyển đổi dữ liệu vector - raster
Mô hình dữ liệu vector và raster có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong phân tích không gian, tùy theo mục đích, kinh nghiệm và thói quen của các chuyên gia để lựa chọn mô hình vector hoặc raster. Đa sốcác phần mềm GIS được dùng luôn kết
hợp cả hai mô hình raster và vector trong nghiên cứu, tổ hợp các nguồn dữ liệu từ số hoá bản đồvà nguồn ảnh raster từ viễn thám cũng như quét ảnh.
Trong ứng dụng, hai mô hình trên thường sử dụng đồng thời. Các phép chuyển đổi tự động từ vector sang raster và ngược lại được thiết kế trong các phần mềm GIS. Sự chuyển đổi này giúp cho quá trình nhập dữ liệu hết sức nhanh chóng. Ví dụ, một bản đồ địa hình có thểđược quét trên máy quét và dữ liệu thu được ở dạng raster. Dữ liệu này sẽ được chuyển sang dạng vector cho các đối tượng không gian là đường đồng mức. Quá trình này gọi là quá trình sốhoá tựđộng. Trong quá trình sốhoá, hai bước quét và chuyển đổi này yêu cầu phải thực hiện với trình tự thủ thuật nghiêm ngặt, sao cho các dữ liệu đường đồng mức được chuyển đổi riêng, loại bỏ được các số ghi, các tên địa danh và các đối tượng không gian không phải là đường.
Với hệ thống GIS, chuyển đổi dữ liệu vector - raster là thao tác cơ bản để sử dụng dữ liệu bản đồ. Vềnguyên lý, chuyển đổi hai dạng mô hình dữ liệu vector - raster có sự khác biệt rõ nét. Chuyển đổi từvector sang raster là quá trình raster hóa đường thẳng, đa giác và cố kết đường quét. Chuyển đổi từ dữ liệu raster sang vector chủ yếu là quá trình số hóa dữ liệu ảnh từ thao tác chọn ngưỡng, làm trơn, làm mảnh, tạo mã xâu và giảm thiểu vector.
Chuyển đổi mô hình dữ liệu vector sang raster: là quá trình pixel hóa trong không gian raster trùng khớp với vị trí của điểm, đường hay đa giác trong biểu diễn vector. Trên thực tế chuyển đổi dữ liệu vector sang raster là tiến trình xấp xỉ, vì với vùng không gian cho trước thì mô hình raster chỉcó khảnăng địa chỉhóa các vịtrí nhờ tọa độnguyên.
Chuyển đổi dữ liệu vector sang raster bao gồm các thuật toán:
- Raster hóa đường thẳng: Thực hiện theo cách tăng dần, bắt đầu từđiểm cuối của đường. Tổng số pixel tối thiểu tạo nên đoạn thẳng được xác định bởi vịtrí pixel giữa hai đầu đọan thẳng theo chiều x, y. Nếu AB là đoạn thẳng cần raster hóa, A (x1, y1); B (x2, y2) trong hệ tọa độraster thì khoảng cách x, y sẽlà:
Dx = abs(x1 - x2) Dy = abs(y1 - y2) Tổng số pixel cần vẽlà:
Dmax = max (Dx, Dy) n = Dmax + 1
Giá trị dịch chuyển của x, y được xác định theo biểu thức sau: Incx = Dx/Dmax; Incy = Dy/Dmax
Để tìm vị trí pixel tiếp theo ta phải làm tròn, tạo độthành số nguyên gần nhất sau khi tăng chiều x, y. Trong trường hợp này sẽ áp dụng thuật toán Bresenham dành cho đường thẳng có hệ số góc lớn hơn 0. Dựa trên tương quan của Dx và Dy mà ta quyết
định điểm nào sẽđược vẽ tiếp theo hay biến thiên theo chiều nào. Nếu Dx lớn hơn Dy ta cho y biến thiên theo x; Nếu Dx nhỏ hơn hoặc bằng Dy ta cho x biến thiên theo y. Để tăng tốc độ thực hiện ta thay số thực bằng số nguyên và tránh phép toán nhân, chia. Tương tự với hệ sốgóc nhỏhơn 0 chúng ta cho một chiều tăng, một chiều giảm.
- Raster hóa đa giác: Tiến trình raster hóa đa giác đòi hỏi phải tìm các pixel nằm trong nó. Quá trình raster hóa đa giác sử dụng thuật toán biến đổi đường quét đa giác, thuật toán này xác định khá tốt các điểm nằm trong đa giác nhưng raster hóa đường biên sẽphát sinh lỗi do kích thước điểm ảnh. Ởđây ta sử dụng hai phương pháp đểxác định pixel có nằm trên biên hay không. Phương pháp thứ nhất là phương pháp “Tâm điểm”: nếu tâm của pixel nằm trong đa giác thì nó thuộc đa giác. Phương pháp thứ hai là phương pháp “Đơn vị trội”: nếu diện tích phần pixel thuộc đa giác lớn hơn phần còn lại thì nó thuộc đa giác. Hai phương pháp này thường dẫn đến các kết quả khác nhau khi raster hóa đa giác.
- Cố kết đường quét: Một cách raster hóa đa giác khác đó là tìm ra các hàng pixel nằm gần kề của đa giác thông qua thuật toán tìm các biên của tập hợp liên tục các pixel của một hàng hay một đường quét ảnh để tạo thành khối đa giác. Thuật toán này đòi hỏi phải khảo sát từng đường quét đi qua đa giác để tìm tọa độ giao điểm giữa chúng và cạnh đa giác, đồng thời phải sắp xếp tọa độgiao điểm theo thứ tựtăng dần và làm đầy đường quét giữa các cặp điểm. Để tăng tốc độ thực hiện ta cần tăng tốc độ tìm giao điểm, điều này được giải quyết dễdàng khi đã xác định được độ dốc của đa giác.
Chuyển đổi mô hình dữ liệu raster sang vector: Vềnguyên tắc, chuyển đổi dữ liệu raster sang vector thực hiện theo các bước sau:
- Chọn ngưỡng: chuyển đổi cường độảnh vềảnh hai màu. - Làm trơn: loại bỏcác biến dạng do nhiễu, các điểm đốm.
- Làm mảnh: làm mảnh đường thẳng sao cho độ rộng của chúng bằng 1 pixel. - Mã xâu: chuyển ảnh vector thành tập các xâu pixel, mỗi xâu biểu diễn một đường. - Giảm thiểu vector: mỗi xâu pixel được chuyển vào dãy vector.
Ởđây ta cần chú ý đến thuật toán làm mảnh. Giả sử ta cần làm mảnh màu đen trong một ảnh nhịphân. Xét với 1 pixel M có tám pixel liền kề(Hình 2.12).
N 1 1 1
W M E 1 M 0
S 0 0 1
Ta gọi T(M) là tổng giá trị của các pixel kề, MN, ME, MS, MW là giá các pixel trên, dưới, trái, phải. R(M) là số lần biến đổi của pixel từ 0 1 theo chiều kim đồng hồ. Trong ví dụ T(M) = 5; MN = 1; ME = 0; MS = 0; MW = 1; R(M) = 2. Thuật toán được thực hiện với mỗi điểm ảnh nếu 2 ≤ T(M) ≤ 6 và R(M) = 1 và MN.ME.MS = 0 và ME.MS.MW = 0 thì đánh dấu M; Tiếp đến gán giá trị 0 cho các điểm đánh dấu, nếu không có điểm đánh dấu thì dừng lại. Bước tạo lập mã xâu được hình thành từcác pixel mảnh, cần xác định xem mỗi pixel là nằm ở giữa, đầu hay cuối đoạn thẳng. Thuật toán tạo xâu sẽtìm pixel tạo ra điểm cuối “sợi”, sau đó duyệt theo các pixel trên đường và dừng lại ởđiểm cuối hay giao điểm. Như vậy, trật tựcác pixel đã được tạo ra hay xâu pixel được tạo.
Trên thực tế, khi biên tập bản đồ quá trình chuyển đổi dữ liệu raster sang vector thường được thực hiện bởi quá trình số hóa. Dữ liệu raster được nhập vào dưới dạng ảnh, tiến hành đăng ký tọa độảnh, nắn chỉnh và xác lập tọa độ cho dữ liệu ảnh, tiếp đến là quá trình vector hóa dữ liệu ảnh. Ví dụđiển hình cho quá trình chuyển đổi này là việc thành lập lại bản đồhành chính của một tỉnh từ bản đồ giấy. Các bước thực hiện từ scan bản đồ giấy sang file ảnh, đăng ký tọa độảnh, sốhóa các lớp ranh giới hành chính, sông ngòi, giao thông,... chính là các bước chuyển đổi dữ liệu từ raster sang vector.
2.5. Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS
Cơ sở dữ liệu GIS là một tập hợp các lớp thông tin có định dạng khác nhau như: vector, raster, bảng số liệu, văn bản, bản đồ giấy, ảnh viễn thám,... Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS thực chất là quá trình hệ thống hóa các thông tin dữ liệu ởcác định dạng khác nhau, chuyển chúng thành ngôn ngữmáy tính có thể sử dụng được. Mục tiêu cuối cùng của việc xây dựng cơ sở dữ liệu GIS là thành lập các dữ liệu chuyên đềcó thể sử dụng trên các phần mềm GIS, phục vụcác bài toán ứng dụng (phân tích không gian, quản lý lãnh thổ, dựbáo thiên tai, theo dõi hiện trạng, thành lập bản đồchuyên đề,...)
Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS gồm các bước sau:
- Xác định mục tiêu: Đây là công đoạn đầu tiên khi xây dựng cơ sở dữ liệu GIS. Người sử dụng cần phải xác định rõ mục tiêu của việc xây dựng cơ sở dữ liệu là gì, mục đích của cơ sở dữ liệu trong giải quyết các bài toán phân tích không gian mà người dùng hướng tới là gì? Trên cơ sởxác định mục tiêu chi tiết, người sử dụng sẽ thực hiện các bước tiếp theo của việc xây dựng cơ sở dữ liệu GIS.
- Thu thập dữ liệu: Dữ liệu thu thập có từ nhiều nguồn khác nhau: Từ dữ liệu bản đồ sốcó sẵn, từ dữ liệu bản đồ giấy, từ dữ liệu ảnh viễn thám, từcác báo cáo, niên giám thống kê, từ dữ liệu điều tra, khảo sát, đo đạc trực tiếp.
- Chuẩn hóa dữ liệu: Thông thường dữ liệu GIS được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, dữ liệu thường không đồng nhất vềkhuôn dạng và cấu trúc nên trước khi nhập dữ liệu cần phải chuẩn hóa dữ liệu. Chuẩn hóa dữ liệu trước tiên là kiểm tra chất lượng dữ liệu (độchính xác, độ phân giải,...), kiểm tra tính thích hợp (form dữ liệu, mức độ chi
tiết, tính tương thích về cơ sởtoán học,...), thực hiện các bước chuyển đổi dữ liệu (tọa độ, lưới chiếu) và trích lọc dữ liệu cần nhập.
- Nhập dữ liệu: là quá trình mã hóa dữ liệu thành dạng có thểdùng trên máy tính và ghi dữ liệu vào cơ sở dữ liệu GIS. Quá trình nhập dữ liệu đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và kinh phí. Theo phương thức nhập có thể nhập từbàn phím, nhập từ bàn sốhóa, nhập bằng máy quét, nhập trực tiếp từcác tập tin, nhập từcác thiết bị viễn thám.
- Quản lý dữ liệu: là việc lưu trữ, tổ chức, sắp xếp dữ liệu GIS. Việc quản lý cơ sở dữ liệu thông thường được trợgiúp bởi hệ quản trị cơ sở dữ liệu. Các dữ liệu không gian được lưu trữ và quản lý theo các lớp dữ liệu chuyên đề (layer), ví dụ: lớp ranh giới, lớp giao thông, lớp sông ngòi,... Các dữ liệu thuộc tính được lưu trữ và quản lý dưới dạng các bảng (table), ví dụ: bảng diện tích, dân số, sản lượng,... phân theo các đơn vịhành chính.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2
1. Trình bày khái quát vềcơ sở dữ liệu trong GIS.
2. Dữ liệu bản đồcó vai trò như thếnào trong cơ sở dữ liệu GIS. Vì sao nói bản đồlà dữ liệu đầu vào, đồng thời là sản phẩm đầu ra của một dựán ứng dụng GIS?
3. Phân biệt cấu trúc dữ liệu không gian và cấu trúc dữ liệu thuộc tính. Dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính trongGIS có mối quan hệnhư thếnào?
4. Phân biệt hai mô hình dữ liệu vector và raster. Trình bày các phương pháp chuyển đổi dữ liệu vector sang raster và ngược lại.
5. Anh (chị) hãy chọn một dựán ứng dụng GIS trong lĩnh vực chuyên ngành, viết đề cương trình bày các bước xây dựng cơ sở dữ liệu để thực hiện dựán đó.