Tổng quan về cấu trúc cơ sở dữ liệu nền địa lý

7. Bố cục của luận văn

1.3 Tổng quan về cấu trúc cơ sở dữ liệu nền địa lý

Cơ sở dữ liệu nền địa lý là một hệ thống những dữ liệu mà các hệ thông tin địa lý trong cùng một địa bàn (vùng quản lý) đều cần đến và có thể sử dụng chung.

Cơ sở dữ liệu nền = ∩ Cơ sở dữ liệu chuyên ngành

Sau khi cơ sở dữ liệu nền địa lý đƣợc xây dựng một cách chuẩn mực, các hệ thống cơ sở dữ liệu không gian chuyên ngành có thể phát triển độc lập mà không cần theo trình tự các nhóm chuyên ngành tài nguyên thiên nhiên, môi trƣờng, hạ tầng kỹ thuật, địa chính, kinh tế - xã hội.

34

Hình 1.20 Cơ sở dữ liệu nền trong mối quan hệ với dữ liệu bản đồ chuyên đề Hầu hết các chuyên gia trên thế giới đều cho rằng dữ liệu nền địa lý gồm 8 lớp  Cơ sở toán học

 Dân cƣ

 Địa giới hành chính và ranh giới

 Thông tin đất đai và thông tin địa chính  Cơ sở hạ tầng giao thông

 Thủy hệ và các đối tƣợng có liên quan  Thực vật

 Mạng trắc địa

Hiện nay, đối tƣợng nền địa lý rất đƣợc quan tâm, chúng có thể ảnh hƣởng nhất định đến chất lƣợng cơ sở dữ liệu địa hình, địa chính hoặc một cơ sở dữ liệu đặc trƣng chuyên ngành nào đó. Cơ sở dữ liệu nền địa lý tạo điều kiện để cơ sở dữ liệu không gian của các chuyên ngành có thể đƣợc xây dựng đồng thời. Cơ sở dữ liệu nền địa lý còn là môi trƣờng để liên thông, tích hợp dữ liệu của các chuyên ngành khác nhau.

35

Cơ sở toán học: Cơ sở toán học của bản đồ bao gồm: phép chiếu, bố cục, tỷ lệ

và cơ sở trắc địa. Đối với bản đồ nhiều mảnh thì còn bao gồm cả sự phân mảnh và đánh số các mảnh.

Thủy hệ và các đối tượng có liên quan:

- Hệ thống sông ngòi, kênh mƣơng

- Đối tƣợng liên quan: bãi bùn, cát, bãi san hô, bãi đá, dòng chảy, trạm thủy văn, đập giữ nƣớc, bờ dốc tự nhiên, kè đá, đê …

- Đƣờng đẳng sâu, đƣờng độ sâu. - Ghi chú các đối tƣợng thủy hệ

Dân cư

- Khu phố, nhà độc lập - Đƣờng dây điện, tƣờng vây

- Các đối tƣợng kinh tế - văn hóa – xã hội (nhà máy, bệnh viên, trƣờng học, đài tƣởng niệm …)

- Ranh giới khu dân cƣ

- Ghi chú các điểm dân cƣ, tên thuyết minh …

Đường giao thông và các đối tượng có liên quan

- Hệ thống đƣờng giao thông các cấp, đƣờng sắt

- Các đối tƣợng liên quan: cầu, cống, phà, đò, sân bay, nhà ga, ... - Các loại ghi chú: tên đƣờng, tính chất cầu ….

Dáng đất và chất đất

- Đƣờng bình độ (đƣờng bình độ cái, cơ bản, nửa khoảng, phụ, vẽ nháp) - Điểm độ cao (độ cao khống chế, độ cao thƣờng, ...)

36

- Các loại khe rãnh, sƣờn dốc, vách đá sụt lở, bãi đá, đá độc lập, bãi cát khô, hang động, gò, hố, địa hình bậc thang …

- Các loại ghi chú: ghi chú điểm độ cao, ghi chú đƣờng bình độ …

Địa giới hành chính và ranh giới: Địa giới hành chính các cấp (xác định,

không xác định); mốc và số hiệu mốc biên giới; ranh giới khu cấm; ghi chú tên hành chính ranh giới …

Thực vật

- Các loại thực vật: Rừng tự nhiên, rừng trồng, cây công nghiệp, cây ăn quả, cây bụi, cỏ, cói, lau, sậy, hoa màu …

- Ranh giới thực vật: Ghi chú tính chất cây …

Trên dữ liệu bản đồ số, các nội dung đƣợc chia thành 7 nhóm lớp: Cơ sở toán học, Thủy hệ, Dân cƣ, Giao thông, Địa hình, Ranh giới, Thực vật. Các yếu tố thuộc một nhóm lớp đƣợc thể hiện trong một tệp tin riêng. Trong mỗi tệp tin, yếu tố nội dung đƣợc chia thành các lớp theo quy định.

37

CHƢƠNG 2

THIẾT KẾ CƠ SỞ DỮ LIỆU THÔNG TIN ĐỊA LÝ 2.1 Tổ chức cơ sở dữ liệu trong ArcGis

2.1.1 Geodatabase – Cơ sở dữ liệu địa lý

Trong những năm gần đây, hai xu hƣớng nổi bật đã tác động sâu sắc và làm thay đổi việc lƣu trữ và quản lý dữ liệu GIS. Đó là dung lƣợng lƣu trữ dữ liệu mở rộng nhanh chóng và đang tiếp tục tăng lên một cách đáng kể. Thứ hai là việc ứng dụng các cơ sở dữ liệu GIS phân tán ngày một tăng. Cơ sở dữ liệu phân tán là nguồn dữ liệu cho những ngƣời sử dụng có thể truy cập tới các vị trí lƣu trữ thông qua mạng. Nguyên nhân chính cho việc nghiên cứu, ra đời cách lƣu trữ và quản lý dữ liệu mới là nhằm đem lại cho ngƣời sử dụng một hệ thống quản lý dữ liệu hiệu quả nhất. Chính vì vậy, phần mềm ArcGIS đã thiết kế mô hình cơ sở dữ liệu GIS Geodatabase nhằm cung cấp các công cụ dùng để triển khai xây dựng và quản lý một hệ thông tin địa lý thông minh.

2.1.1.1 Khái niệm Geodatabase

ESRI sử dụng khái niệm Geodatabase – cơ sở dữ liệu địa lý – là nhân của mô hình thông tin địa lý và sử dụng để tổ chức dữ liệu GIS trong các lớp chuyên đề và biểu diễn không gian.

Geodatabase là một cơ sở dữ liệu chứa dữ liệu thuộc tính, dữ liệu không gian và quan hệ tồn tại giữa chúng. Có thể nói Geodatabase còn là một cơ sở dữ liệu địa lý hƣớng đối tƣợng và đƣợc quản lý thông qua một chuẩn Hệ quản trị cơ sở dữ liệu. Vì vây, các thực thi trên đối tƣợng trong Geodatabase chính là các luật chuẩn hóa, liên kết và quan hệ topology.

Về mặt chức năng, Geodatabase là một mô hình dữ liệu biểu diễn thông tin địa lý sử dụng công nghệ cơ sở dữ liệu quan hệ chuẩn. Geodatabase hỗ trợ việc lƣu trữ và quản lý thông tin địa lý trong các bảng hệ thống cơ sở dữ liệu quan hệ nhờ kết nối ArcSDE.

38

Hình 2.1 Geodatabase trong ArcGIS

Có hai mô hình Geodatabase: Mô hình Geodatabase một ngƣời dùng (Personal Geodatabase) và mô hình Geodatabase nhiều ngƣời dùng (Enterprise Geodatabase).

- Personal Geodatabase: Mô hình sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu Access để lƣu trữ dữ liệu không gian và thuộc tính.

- Enterprise Geodatabase: Mô hình sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu nhiều ngƣời dùng nhƣ Oracle, SQL Server, DB2, Postgres... để lƣu trữ dữ liệu.

Hình 2.2 Mô hình cơ sở dữ liệu không gian của ESRI

2.1.1.2 Cấu trúc Geodatabase

Một Geodatabase là một tập lƣu trữ dữ liệu địa lý. Tất cả các thành phần trong Geodatabase đƣợc quản lý trong các bảng DBMS chuẩn và sử dụng kiểu dữ liệu SQL chuẩn. Dƣới đây là một số thành phần có cấu trúc trong một Geodatabase sử dụng để phát triển mô hình dữ liệu địa lý:

39

Thành phần trong

Geodatabase Biểu tƣợng Mô tả

Tập dữ liệu đối tƣợng địa lý

(Feature Dataset)

Là một tập chứa các feature class, các topology và các đối tƣợng mạng liên kết có cùng tham chiếu không gian

Lớp đối tƣợng (Feature Class)

Là một bảng chứa một trƣờng “shape” xác định dạng hình học điểm, đƣờng, vùng cho các đối tƣợng địa lý. Mỗi hàng là một đối tƣợng địa lý

Bảng (Table) Là một tập các hàng với các trƣờng giống nhau.

Các lớp đối tƣợng địa lý là các bảng đƣợc xác định với trƣờng “shape”

Lớp quan hệ (Relationship class)

Là lớp liên kết đối tƣợng trọng một lớp đối tƣợng địa lý với đối tƣợng trong một lớp đối tƣợng địa lý khác. Thông thƣờng, các lớp quan hệ có các trƣờng do ngƣời sử dụng định nghĩa

Topology (Topology) Bao gồm các luật thống nhất về hình học giữa

các đối tƣợng địa lý Mạng hình học

(Geometric network)

Bao gồm các luật cho phép quan rlys kết nối giữa các đối tƣợng địa lý

Tập dữ liệu đo đạc (Survey dataset)

Chứa các phép đo đƣợc sử dụng trong việc tính toán tọa độ hình học đối tƣợng địa lý trong các lớp đối tƣợng địa lý đƣợc đo đạc

Tập dữ liệu Raster (Raster dataset)

Là một tập dữ liệu Raster biểu diễn các hiện tƣợng địa lý liên tục

Tài liệu siêu dữ liệu (Metadata document)

Là một XML có liên kết với tất cả các tập dữ liệu, thƣờng đƣợc sử dụng trong ArcIMS và các ứng dụng trên máy chủ

Công cụ xử lý thông tin địa lý (Geoprocessing

tools)

Là một tập luồng dữ liệu và luồng công việc quản lý, phân tích và mô hình hóa dữ liệu

Bảng 2.1 Cấu trúc Geodatabase

Trong Geodatabase có một hay nhiều Feature dataset. Feature dataset là một nhóm các loại đối tƣợng có cùng chung hệ quy chiếu và hệ tọa độ. Một Feature dataset có thể chứa một hay nhiều Feature class. Feature class chính là đơn vị chứa

40

các đối tƣợng không gian của bản đồ và tƣơng đƣơng với một lớp (Layer) trong ArcMap. Mỗi Feature class chỉ chứa một dạng đối tƣợng (điểm, đƣờng, vùng). Một Feature class sẽ đƣợc gắn với một bảng thuộc tính (Attribute Table).

2.1.2 Phân loại Geodatabase

Geodatabase có thể là những cơ sở dữ liệu nhỏ, đơn giản cho tới những cơ sở dữ liệu rất lớn theo mục đích và nhu cầu sử dụng của chúng ta. Cơ sở dữ liệu nhỏ là Geodatabase trên một máy tính. Trong khi đó, cơ sở dữ liệu đƣợc coi là lớn với số lƣợng truy cập khổng lồ của số ngƣời dùng trong các nhóm làm việc, văn phòng và công ty lớn. Hai kiểu Geodatabase ứng với nó là Personal Geodatabase và Enterprise Geodatabase.

- Personal Geodatabase có định dạng file .mdb (định dạng Microsoft

Access) và chỉ có thể sửa chữa đƣợc với một ngƣời dùng duy nhất tại một thời điểm. Một Personal Geodatabase có dung lƣợng tối đa là 2GB và chỉ chứa dữ liệu Vector.

- Enterprise Geodatabase còn đƣợc gọi là ArcSDE hoặc Multiuser Geodatabase. Enterprise Geodatabase cho phép nhiều ngƣời dùng có thể cùng sử dụng (đọc hay sửa chữa) dữ liệu Vector và Raster trên Geodatabase đó. Do vậy, Enterprise Geodatabase chủ yếu đƣợc sử dụng trong các nhóm làm việc và các doanh nghiệp lớn. Multiuser Geodatabase là sự kết hợp của ArcSDE và một hệ quản trị cơ sở dữ liệu nhƣ IBM, DB2, Informix, Oracle hoặc SQL Server

Dữ liệu không gian đƣợc lƣu trữ trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu và ArcSDE cho phé xem và làm việc với dữ liệu từ các phần mềm ứng dụng GIS. Chẳng hạn nhƣ khi làm việc với SQL Server, chúng ta có thể truy cập trực tiếp tới dữ liệu là các lớp đối tƣợng địa lý hay topology từ ArcCatalog hoặc ArcMap.

41 Kiểu Geodatabase Hệ quản trị cơ sở dữ liệu Đặc điểm Personal Geodatabase

Access - Cho phép một ngƣời dùng có quyền sửa chữa

- Giới hạn kích thƣớc 2GB

- Không hỗ trợ tạo phiên bản

Enterprise Geodatabase

Oracle IBM DB2 SQL Server

- Yêu cầu có cổng nối ArcSDE

- Cho phép nhiều ngƣời dùng có quyền sửa chữa

- Hỗ trợ tạo phiên bản

- Kích thƣớc cơ sở dữ liệu và số lƣợng ngƣời dùng

là tối đa theo Hệ quản trị.

Bảng 2.2 So sánh hai kiểu Geodatabase

Với cả hai kiểu Geodatabase, chúng ta không chỉ truy cập đƣợc dữ liệu không gian mà còn có thể xây dựng và lƣu trữ các luật topology riêng trong một tập dữ liệu đối tƣợng địa lý.

2.2 Các bƣớc thiết kế cơ sở dữ liệu địa lý

Hình 2.3 Các bƣớc phát triển của cơ sở dữ liêu GIS Thiết kế một cơ sở dữ liệu GIS bao gồm các bƣớc

2.2.1 Thiết kế khái niệm

Ở mức thiết kế này là cơ sở hình thành cơ sở dữ liệu cần xây dựng, đƣợc xây dựng trên cơ sở khảo sát nhu cầu, thông tin, nguồn dữ liệu. Xây dựng một sơ đồ

42

tổng quát cho các yêu cầu cho cơ sở dữ liệu hệ thông tin địa lý. Mức thiết kế này không phụ thuộc vào phần cứng hoặc phần mềm, chỉ quan tâm đến các mục tiêu ứng dụng mà ngƣời dùng đòi hỏi.

2.2.2 Thiết kế logic

Trong mức thiết kế này, cơ sở dữ liệu đƣợc mô tả chi tiết, bao gồm các hạng mục tin, các mối quan hệ dữ liệu, đặt mức độ chính xác, các thủ tục đảm bảo toàn vẹn dữ liệu. Thiết kế logic cũng đƣa ra cấu trúc của các thành phần trong cơ sở dữ liệu (còn gọi là cấu trúc cơ sở dữ liệu). Mức thiết kế này là khởi điểm của các công việc tin học. Ngƣời thiết kế phải hiểu rõ tính năng của hệ thống phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu. Trong mức này, ngƣời thiết kế đƣa ra các phƣơng án để lựa chọn các thành phần cơ sở dữ liệu của hệ thông tin địa lý.

2.2.3 Thiết kế vật lý

Mức này là sự triển khai và điều chỉnh thành quả của mức logic trên các phần cứng, phần mềm cụ thể là hệ thông tin địa lý.

Phần đòi hỏi khắt khe nhất của quá trình phát triển hệ thông tin địa lý là xây dựng cơ sở dữ liệu. Đòi hỏi nhiều thời gian nhất, chi phí nhiều tiền nhất, và yêu cầu nỗ lực trong lập kế hoạch và quản lý.

2.3 Mô hình hóa dữ liệu

Mô hình hóa dữ liệu là một quá trình định nghĩa các hiện tƣợng hay các yếu tố địa lý mà đặc điểm và những mối quan hệ giữa chúng đƣợc quan tâm. Liên quan tới thực hiện tổ chức thông tin và cấu trúc dữ liệu.

Có ba mức về mô hình hóa dữ liệu, những mô hình tăng dần nghi thức định nghĩa chính xác hơn trong cơ sở dữ liệu hệ thông tin địa lý.

2.3.1 Mô hình hóa khái niệm

Định nghĩa rộng và tổng quát phạm vi yêu cầu của cơ sở dữ liệu. Mô hình hóa dữ liệu mức khái niệm: nhận biết, nhận diện nội dung dữ liệu và mô tả nó trong dạng tóm tắt, hay khái niệm, mức độ của nó. Bƣớc này xác định mục tiêu cơ sở dữ

43

liệu hệ thông tin địa lý cần làm gì, làm sao sẽ thực hiện đƣợc. Trên cơ sở đó, sẽ xác định tất cả các dạng nhu cầu về dữ liệu của ngƣời dùng nhằm thực hiện mục tiêu nói trên.

Hình 2.4 Mô hình cơ sở dữ liệu khái niệm không gian đơn giản

2.3.2 Mô hình hóa logic

Xác định yêu cầu ngƣời sử dụng cơ sở dữ liệu với những định nghĩa rõ ràng những thuộc tính và những mối quan hệ. Trong mức này, cơ sở dữ liệu đƣợc đặc tả chi tiết, bao gồm các hạng mục tin, các mối quan hệ dữ liệu, đặt độ chính xác, các thủ tục đảm bảo sựtoàn vẹn dữ liệu. Thiết kế logic đƣa ra cấu trúc của các thành phần trong cơ sở dữ liệu (cấu trúc cơ sở dữ liệu). Đây là công việc nhằm chuyển đổi thiết kế khái niệm thành thiết kế logic của cơ sở dữ liệu.

Hình 2.5 Chuyển đổi từ mô hình E-R thành thiết kế logic cơ sở dữ liệu

2.3.3 Mô hình hóa vật lý

Xác định cấu trúc dữ liệu bên trong và tổ chức các file dữ liệu trong cơ sở dữ liệu.

44

Hình 2.6 Ví dụ lƣợc đồ vật lý

Hình 2.7 Những mức độ rút gọn trong tổ chức thông tin

2.4 Mô hình hóa Geodatabase với UML

Mô hình dữ liệu Geodatabase là mô hình dữ liệu hƣớng đối tƣợng cho dữ liệu địa lý. Để tạo đƣợc chi tiết đối tƣợng, mối quan hệ giữa chúng và thể hiện của nó, chúng ta có thể sử dụng UML, một ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất (Unified Modeling Language). Sử dụng các CASE Tool để tạo ra công cụ lƣu trữ (lƣợc đồ Geodatabase) và thể hiện của đối tƣợng.

2.4.1 Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất – UML (Unified Modeling Language)

UML là ngôn ngữ mô hình hóa đối tƣợng phổ biến. Với UML bạn có thể xây dựng mô hình đối tƣợng để có thể hiểu rõ hơn về hệ thống trong sự phát triển của nó. Mô hình hóa giúp bạn hiểu đƣợc hệ thống phức tạp nhƣ thế nào. UML đã và đang là chuẩn ký hiệu công nghiệp cho thiết kế hƣớng đối tƣợng. UML ra mắt vào năm 1996 do Jacobson và Booch viết nên. UML đƣợc tạo ra nhằm chuẩn hóa ngôn ngữ mô hình hóa, dùng để đặc tả, trực quan hóa và tƣ liệu hóa phần mềm hƣớng đối tƣợng. UML là một ngôn ngữ mô hình hoá thống nhất có phần chính bao gồm những ký hiệu hình học, đƣợc các phƣơng pháp hƣớng đối tƣợng sử dụng để thể

45

hiện và miêu tả các thiết kế của một hệ thống. Nó là một ngôn ngữ để đặc tả, trực quan hoá, xây dựng và làm sƣu liệu cho nhiều khía cạnh khác nhau của một hệ