ạ Nội dung và mơc đích
Chuẩn về mụ hỡnh cấu trỳc dữ liệu qui định cấu trỳc của dữ liệu thụng tin địa lý đợc tổ chức và đợc xõy dựng nh thế nà Cỏch tiếp cận cđa các chn tr−ớc đõy thờng xuất phỏt từ cỏc khỏi niệm hỡnh học cơ bản nh điểm, vựng, đờng potolog.. Từ yờu cầu đảm bảo tớnh tơng tỏc (interoperability) cđa thông tin địa lý chuẩn hoỏ, mụ hỡnh cấu trỳc dữ liệu cần đợc tiếp cận theo quan điểm một ngụn ngữ hỡnh thức, vỡ vậy mà ISO/TC211 mang tớnh chất trừu t−ỵng.
Cỏc mức trừu tợng của bộ chuẩn nh hỡnh (Hình 2-4)
(1) Mức siờu mụ hỡnh (mức ngụn ngữ): chỉ ra ngụn ngữ (là cụng cụ) để định nghĩa mụ hỡnh khỏi niệm, bao gồm Ngụn ngữ lợc đồ khỏi niệm và cả Mụ hỡnh đối tợng tổng quỏt (định nghĩa siờu mụ hỡnh cho đối tợng).
(2) Mức mơ hình ứng dơng: bao gồm cỏc lợc đồ ứng dụng và cỏc lợc đồ khỏi niệm cơ bản chuẩn hoỏ trong bộ chuẩn 19100. Cỏc lợc đồ đú định nghĩa kiểu của cỏc thực thể tồn tại ở mức dữ liƯụ
(3) Mức dữ liệu: chứa bộ thụng tin mụ tả các thực thĨ xt hiƯn trong thế giới thực (thí dụ nh− cỏc thực thể sụng, đờng, cầ..) thuộc CSDL địa lý cơ sở quốc gia cần xõy dựng.
Hình 2-4 Cỏc mức trừu tợng và vai trũ của cỏc chuẩn (nguồn ISO/TC211)
Những vấn đề chớnh yếu trong xõy dựng chuẩn mụ hỡnh cấu trỳc dữ liệu
b. Mụ hỡnh hoỏ (ngụn ngữ lợc đồ khỏi niệm-19103)
Trong việc hiểu và thực hiện chuẩn thụng tin địa lý, mụ hỡnh hoỏ đúng vai trũ nền tảng về lý thuyết. Chuẩn 19103 Ngụn ngữ lợc đồ khỏi niệm xỏc định ngụn ngữ mụ hỡnh hoỏ thống nhất (Unified Modeling Language-UML) đợc dựng cho việc mụ hỡnh hoỏ thụng tin địa lý, phạm vi bao gồm cả cỏc chuẩn cơ bản của bộ chuẩn thụng tin địa lý ISO 19100. Ngụn ngữ UML vốn xuất phát từ phạm vi mụ hỡnh hệ thống hớng đối tợng và đợc ỏp dụng rộng trong lĩnh vực thiết kế hệ thống.
Chuẩn 19103 qui định cỏc yờu cầu đặc tả riờng để mụ tả cấu trỳc của thụng tin địa lý- tạo ra một ứng dụng của UML cho lĩnh vực thụng tin địa lý. Để cú một cỏi nhỡn toàn diện về UML cần phải tỡm hiểu thờm cỏc tài liệu về mụ hỡnh hoỏ hớng đối tợng và tài liệu về UML. Cỏc khỏi niệm chớnh đợc
Mụ hỡnh phõn loại chung Mơ hình chuẩn ngụn ngữ lợc đồ ứng dụng Định nghĩa KiĨu phân loại Lợc đồ ứng dụng Feature Type denfinitions Feature Type denfinitions ISO 19100 Chuẩn lợc đồ khái niƯm Gói dữ liƯu địa lý Use in integrated in Mức ứng dụng Mức siêu (cao nhất) Lựa chon nhu
cầu
dùng trong bộ chuẩn là Lớp (class): tập cỏc đối tợng cú cựng thuộc tớnh, tỏc động, quan hệ, ứng xử và ràng buộc. Trong khỏi niệm hớng đối tợng, cỏc đối tợng đợc phõn loại (phõn lớp) dựa trờn tớnh chất của chỳng để định nghĩa đối tợng. Đối tợng đợc định nghĩa gọi là lớp và sự định nghĩa đó gọi là sự phân lớp. Khi cấu trúc dữ liệu hớng đối tợng đợc định nghĩa, việc quan trọng là phõn lớp cỏc yếu tố khỏc nhau và làm rừ quan hệ giữa cỏc lớp đó. Cấu trúc lớp đợc biểu diễn bằng sơ đồ lớp (class diagram). Một lớp đợc xỏc định qua định nghĩa của nú và mỗi yếu tố xuất hiện riờng biệt đợc gọi là một thực thể (instance) cđa lớp. Thớ dụ lớp cầu đợc định nghĩa cầu, cầu Thăng Long và cầu Chơng Dơng là những thực thể của lớp đú. Cỏc lớp cú quan hƯ với nhau trong nhiỊu dạng thức: liờn kết (associated- đợc kết nối với
nhau), Phơ thc (dependent- một lớp này phụ thuộc vào lớp khỏc) hay đóng gói (packaged- hợp với nhau thành một đơn vị). Tất cả cỏc mối quan hệ đú đều đợc thể hiện trong biĨu đồ lớp (class diagram), đi kốm với cấu trỳc bờn trong cđa các lớp theo khái niƯm thuộc tính (attribute) và hoạt động (operation).
Quỏ trỡnh mụ hỡnh hoỏ gồm cỏc bớc tuõn theo chuẩn 19103 nh− sau: (1) Khảo sỏt nghiờn cứu nhu cầu từ lĩnh vực ứng dụng dự kiến
(2) Xõy dựng mụ hỡnh khỏi niệm của ứng dụng dựa trờn cỏc khỏi niệm của mụ hỡnh đối tợng tổng quỏt (General Feature Model- GFM): xỏc định kiểu đối tợng, cỏc tính chất và ràng buộc cđa chúng. Trong đó bao gồm các thuộc tớnh: thuộc tớnh khụng gian chỉ ra cỏc đặc tớnh khụng gian (đặc tớnh hỡnh học, topology). Thuộc tính thời gian chỉ ra cỏc đặc tớnh thời gian, thuộc tính chuyờn đề chỉ ra cỏc thuộc tớnh khác cđa u tố.
(3) Mụ tả lợc đồ ứng dụng hỡnh thức bằng ngụn ngữ UML tuõn theo cỏc qui tắc cđa chn.
(4) Tớch hợp lợc đồ ứng dụng hỡnh thức với cỏc lợc đồ chuẩn khỏc (khụng gian, thời gian, chất lợng,...) theo cỏc qui tắc của chuẩn để tạo ra lợc đồ ứng dụng đầy đủ.
c. Lợc đồ ứng dụng (quy tắc xõy dựng lợc đồ ứng dơng –19109)
Cấu trúc dữ liệu rất quan trọng đối với dữ liệu khụng gian, trong viƯc sư dơng hệ thống và cú ảnh hởng lớn đến chức năng, khả năng, sự bảo trỡ, và khả năng mở rộng hệ thống. Trong cấu trỳc dữ liệu thụng thờng mụ hỡnh dữ liệu đợc sử dụng để trao đổi dữ liệ Tuy nhiờn, chỳng thờng chỉ chuyển đổi thụng tin hỡnh học và thuộc tớnh của cỏc đối tợng riờng biệt, rất khú cú thể biĨu diƠn quan hƯ cđa cỏc đối tợng là thụng tin quan trọng đối với dữ liƯu khụng gian. Quan niệm và cỏch thức xõy dựng cấu trỳc dữ liệu biến đổi khỏc nhau phơ thc vào hƯ HTTTĐL thao tỏc với dữ liệu, chỳng dựa trờn sản phẩm của cỏc nhà cung cấp cụng nghệ HTTTĐL. Lợc đồ ứng dụng là lợc đồ khỏi niệm dựng để định nghĩa: nội dung và cấu trỳc dữ liệ Cỏc đặc tả của thao tỏc và xử lý dữ liệu do ứng dụng thực hiện.
Hình 2-5 Mụ hỡnh cấu trỳc dữ liệu và mối quan hệ giữa thế giới thực và
dữ liƯu l−u trữ Thế giới Mụ hỡnh kiểu đặc tr−ng Lợc đồ ứng dụng Dữ liƯu Phõn loại theo đặc trng Mụ hỡnh cấu trúc và nội dung dữ liƯu trong ngụn ngữ lợc đồ khỏi niƯm
Dữ liƯu với cấu trúc logic theo lợc đồ ứng dụng
Mụ hỡnh phõn loại đối t−ỵng bằng khái niƯm chung trong thế giới thực
Lợc đồ ứng dơng là nội dung cđa chuẩn 19109. Đõy là chuẩn trừu tợng, nú khụng chuẩn hoỏ cỏc lợc đồ ứng dụng cụ thể mà định nghĩa cỏc qui tắc tạo ra lợc đồ ứng dụng theo một phơng phỏp nhất quỏn để hỗ trợ cho viƯc thu thập, xư lý phân tớch, truy nhập, trỡnh bày và trao đổi thụng tin địa lý giữa những ngời sử dụng và giữa cỏc hệ thống. Chuẩn này quy định tạo ra một lợc đồ ứng dụng nh thế nào và cỏch tớch hợp cỏc lợc đồ khỏc của bộ chuẩn thụng tin địa lý. Chuẩn quy định quy tắc định nghĩa đối tợng, quy tắc cho lợc đồ ứng dụng và quy định sử dụng ngụn ngữ lợc đồ khỏi niệm (UML) để mụ hỡnh hoỏ thụng tin địa lý bằng cỏch tớch hợp cỏc lợc đồ thành phần thuộc cỏc chuẩn cơ bản.
Quy tắc xõy dựng lợc đồ ứng dụng gồm:
- Quy định chung bao gồm: quy định sử dụng ngụn ngữ mụ hỡnh khỏi niệm UML cho lợc đồ ứng dụng sử dụng cỏc nguyờn tắc của 19103 và sử dụng cỏc kiểu dữ liệu cơ bản trong bộ chuẩn, quy định nguyờn tắc định nghĩa, quy định nguyờn tắc tài liệu hoỏ lợc đồ ứng dụng và quy định tổ chức lợc đồ ứng dơng dạng gói (package).
- Quy tắc tớch hợp lợc đồ ứng dụng với cỏc lợc đồ chn khác cđa bộ chuẩn ISO 19100, quy tắc tơng thớch với bảng danh mục phõn loại đối tợng. Đõy là hệ thống cỏc quy tắc bao gồm mối liờn hệ chi tiết đến cỏc chuẩn khỏc, tạo nờn toàn bộ nội dung của lợc đồ ứng dụng.
Hai lợc đồ chuẩn- Lợc đồ khụng gian và lợc đồ thời gian là những thành phần nền tảng của cấu trỳc dữ liệu thụng tin địa lý.
d. Lợc đồ khụng gian
Đõy là chuẩn mụ tả và cung cấp cỏc khỏi niệm hỡnh học nh điĨm, đ−ờng, vùng và topology,... nh ở cỏc chuẩn thụng thờng. Cỏc quy tắc tớch hợp lợc đồ khụng gian bao gồm: quy tắc chung về thuộc tớnh khụng gian, sử dụng cỏc đối tợng kết tập (aggregates) và phức hợp (complexes) để thể hiện tính chất khơng gian của cỏc đối tợng, quan hệ khụng gian giữa cỏc đối tợng, cỏc đối
tợng cú chung hỡnh học, đối t−ỵng điĨm, đ−ờng vùng, định nghĩa phơng phỏp nội suy, cỏc đối tợng khụng gian phức hợp.
Lợc đồ khụng gian là nội dung của chuẩn 19107. Chuẩn này định nghĩa cỏc lợc đồ khỏi niệm chuẩn mụ tả cỏc yếu tố khụng gian đặc trng cơ bản của cỏc đối tợng địa lý. Chuẩn hoỏ cỏc yếu tố này tạo ra nền tảng cơ bản khụng gian cho cỏc chuẩn thụng tin địa lý khỏc, đú là cỏc yếu tố nguyờn sơ (primitives) hỡnh học và topology cơ bản kết hợp với nhau tạo thành tớnh chất khụng gian của đối tợng và khả năng chia sẻ thụng tin khụng gian giữa cỏc ứng dụng.
Hình 2-6 Sơ đồ lợc đồ khụng gian
Trong mụ hỡnh chuẩn, cỏc đặc tớnh khụng gian với cỏc giỏ trị đợc cung cấp bởi đối tợng hỡnh học (GM_Opject) hoặc đối tợng topology
Ngụn ngữ lợc đồ khỏi niệm Lợc đồ không gian Loại đối tợng khụng gian Spatial Opject Vị trí Mức siờu mụ hỡnh Mức mụ hỡnh ứng dụng Mức dữ liƯu Những mụ tả Định nghĩa Đà định nghĩa Có vị trí 1 1 1 Phù hỵp Lợc đồ mụ tả Đối tợng bờn trong Đố tợng đà xỏc định 0..1 0..1 0..1 0..1 0..1
(TP_Opject). Tớnh chất hỡnh học mụ tả đặc tớnh hỡnh học của đối tợng bao gồm vị trớ, kớch thớc, hỡnh dạng hớng, chiều,... thụng qua toạ độ hoặc cỏc hàm toỏn học. Tớnh chất hỡnh học là u tố thay đỉi khi đối t−ỵng đ−ỵc chun hƯ tham chiếu này sang hƯ khỏc. Tớnh chất topology mụ tả đặc tớnh khụng thay đổi của cỏc đối tợng khi khụng gian biến dạng một cỏch liờn tục cú quy luật. Trong phạm vi thụng tin địa lý, cỏc topology đợc sử dụng để mụ tả tớnh liờn thụng của đồ thị (graph) n-chiều, tớnh chất này khụng thay đổi do cỏc biến dạng liờn tục của đồ thị.
Theo quy chuẩn của 19103, lợc đồ khỏi niệm của chuẩn này đợc trỡnh bày bằng ngụn ngữ mụ hỡnh thống nhất UML, bao gồm các gói (packages):
Bảng 2.2
1 Geometry Các lớp cđa Geometry
1.1 Geometry root Lớp gốc cđa Geometry (GM_Opject)
1.2 Geometry primitive Cỏc yếu tố nguyờn sơ (primitives) của Geometr Ví dụ Topology: GM_Point, GM_Curve, GM_Surface, GM_Solid
1.3 Coordinate Geometry Cỏc lớp toạ độ của Geometry 1.4 Geometric aggregates Các kết tập (aggregates). Ví dụ: GM_MultiPoint GM_MultiCurve, GM_MultiSurface GM_MultiSolid, GM_Multiprimitive 1.5 Geometric complexes Các u tố phức hỵp cđa Geometrỵ Ví dụ GM_CompositePoint, GM_CompositeCurve GM_CompositeSurface, GM_CompositeSolid GM_Complex
2 Topology Các lớp cđa Topology
2.1 Topology root Lớp gốc cđa Topology (TP_Opject)
primitive TP_Node, TP_Edge, TP_Face, TP_Solid 2.3 Topological
complexes
Cỏc yếu tố phức hợp của Topology Ví dụ: TP_Complex
Lợc đồ thời gian
Đõy là chuẩn mụ tả và cung cấp cỏc khỏi niệm thời gian, thuộc tớnh thời gian, mối quan hệ thời gian giữa cỏc đối tợng- quan hệ thụng thờng sư dơng các u tố thời gian nguyờn sơ, quan hệ kế tiếp của đối t−ỵng thĨ hiƯn sự thay đổi theo thời gian.
Lợc đồ thời gian là nội dơng cđa chn 19108- Temporal schem chuẩn này định nghĩa cỏc khỏi niệm chuẩn cần thiết để mụ tả đặc đớnh khụng gian của thụng tin địa lý, bao gồm cỏc đặc tớnh của đối t−ỵng, quan hƯ cđa đối tợng và cỏc yếu tố của đối tợng với cỏc giỏ trị về thời gian. Thụng thờng đặc trng thời gian của đối tợng đợc coi là giỏ trị thuộc tớnh của đối tợng. Cỏc đặc tớnh thời gian thụng thờng luụn gắn liền với cỏc đặc tớnh về không gian. Nh− vậy đối tợng cú thể biểu thị nh là đối tợng khụng gian - thời gian (Spatio - temporal opject) Thí dụ: đờng đi của đối tợng chuyển động cú thể đợc biểu thị nh là đờng cong mụ tả bởi toạ độ x, y và t. Chuẩn này nhằm mục đớch chuẩn hoỏ sử dụng thời gian trong thuộc tớnh của đối tợng. Mặc dự khụng gian mụ tả hỡnh học của đối tợng nh là sự kết hợp của toạ độ khụng gian và thời gian, song nú tạo ra cơ sở để thực hiện việc đú trong phỏt triĨn t−ơng lai cđa bộ chn ISO 19100.
Hình học cđa thời gian: thời gian là một chiều tơng tự nh cỏc chiỊu cđa không gian, cịng giống nh khụng gian, thời gian cú hỡnh học và thc tính, một điĨm trong thời gian chiếm một vị trớ cú thể xỏc định đ−ỵc trong mối quan hƯ tới hệ tham chiếu thời gian. Khoảng cỏch cũng cú thể đo đợc. Hỡnh học của thời gian cú đặc điểm: khụng giống nh khụng gian, thời gian chỉ có một chiỊu, tức là hƯ quy chiếu có tính chất tuyến tính. Thời gian chỉ có một
h−ớng, song cịng có thể đo đợc về hai hớng. Thời gian đợc đo trong 2 ph−ơng tiện: thứ tự (Ordinal) và khoảng (interval). Thứ tự cung cấp thụng tin về vị trớ thời gian tơng đối, khoảng cho phộp đo sự kéo dài trong thời gian.