Các điểm phân bố khơng đều tham gia tạo thành một mạng tam giác khớp với nhau. Các đỉnh của những tam giác này là những điểm gốc. Bản thân các tam giác này là những vùng. Các cạnh của tam giác là một trường hợp đặc biệt của chuỗi (chain) - các đoạn thẳng với các nút (node) cũng là các đỉnh (Vertex). Mỗi tam giác hay “bề mặt (facet)” cĩ thể được xem xét như các mặt phẳng (planar).
Dạng hình học của các mặt phẳng được định nghĩa hồn tồn bởi các giá trị (x,y,z) của 3 nút. Cấu trúc topology của một TIN được lưu trữ một cách khá rõ ràng theo nhiều cách khác nhau.
Cách lưu trữ topology của TIN phổ biến nhất là cách sử dụng các tam giác làm các đối tượng khơng gian cơ bản với các liên kết Topology tới các tam giác lân cận và một tập các điểm.
Cách thứ hai là cách sử dụng các nút là những phần tử khơng gian cơ bản với các liên kết tới những điểm được nối tới nĩ.
2.3.4 Quan hệ topology giữa các đối tƣợng khơng gian
Trong thực tiễn ứng dụng GIS, tất cả các quan hệ khơng gian cĩ thể cĩ trong dữ liệu khơng gian được sử dụng một cách logic với nhiều cấu trúc dữ liệu phức tạp.
Hình 2.20: Quan hệ topology giữa các đối tượng (nguồn: Trần Vĩnh Phước (2003))
Quan hệ điểm-điểm
- “Trong giới hạn (is within)”: Nằm trong giới hạn một khoảng cách cụ thể. - “Gần nhất với (is nearest to)”: Gần nhất so với một điểm cụ thể.
Quan hệ điểm-đƣờng
- “Nằm trên đường (on line)”: điểm nằm trên một đường.
- “Gần nhất với (is nearest to)”: Điểm gần nhất so với một đường.
Quan hệ điểm-vùng
- “Chứa bên trong vùng (is contained in)”: Điểm chứa bên trong vùng. - “Nằm trên biên (on border of area)”: Một điểm nằm trên đường biên của vùng.
Quan hệ đƣờng-đƣờng
- “Giao nhau (intersects)”: Hai đường giao nhau.
- “Băng qua (crosses)”: Hai đường băng qua mà khơng giao nhau. - “Chảy vào (flow into)”: Một nhánh sơng chảy vào một dịng sơng.
Quan hệ đƣờng-vùng
- “Giao nhau (intersects)”: Một đường giao (cắt) với một vùng. - “Đường biên (borders)”: Đường là một phần biên của vùng.
Quan hệ vùng-vùng
- “Chồng lớp (overlaps)”: Hai vùng chồng lên nhau.
- “Nằm bên trong (is within)”: Một vùng nằm bên trong một vùng khác. - “Kế cận (is adjacent to)”: Hai vùng cùng cĩ một đường biên chung.
2.4 CẤU TRÚC DỮ LIỆU KHƠNG GIAN TRONG SQL SERVER
Cĩ hai kiểu dữ liệu khơng gian được định nghĩa trong SQL2008 là
Geography và Geometry. Cả hai đều được thực hiện như các loại Microsoft NET Framework Common Language Runtime (CLR) và cĩ thể được sử dụng để lưu trữ các loại khác nhau của các yếu tố địa lý như điểm, đường và vùng. Cả hai loại dữ liệu cung cấp các thuộc tính và các phương thức cĩ thể sử dụng để thực hiện các hoạt động khơng gian như tính tốn khoảng cách giữa các địa điểm và tìm ra các điểm giao nhau.
2.4.1 Kiểu dữ liệu Geography:
Kiểu dữ liệu Geography cung cấp một cấu trúc lưu trữ dữ liệu khơng gian được xác định bằng các cặp tọa độ (vĩ độ và kinh độ). Điển hình của việc sử dụng loại dữ liệu này là xác định các tuyến đường, các tịa nhà, hoặc các đặc điểm địa lý như dữ liệu vector cĩ thể được phủ lên một bản đồ raster cơ sở cĩ tính đến độ cong của trái đất, hoặc tính các khoảng cách vịng trịn cực lớn như quỹ đạo đường bay trong vận tải hàng khơng.
2.4.2 Kiểu dữ kiệu Geometry:
Kiểu dữ liệu Geometry cung cấp một cấu trúc lưu trữ dữ liệu khơng gian được xác định bởi các tọa độ trên một mặt phẳng tùy ý. Kiểu dữ liệu này thường được sử dụng trong các hệ thống lập bản đồ khu vực, hoặc cho các bản đồ sơ bộ - yếu tố độ cong của Trái đất khơng cần thể hiện trong các bản đồ này.
Geometry là kiểu dữ liệu phù hợp với Open Geospatial Consortium (OGC) Simple Features for SQL Specification version 1.1.0 và phù hợp với SQL MM (ISO tiêu chuẩn). (Tham khảo [12])
Cả hai loại dữ liệu khơng gian trong SQL Server 2008 cung cấp một bộ các instance và phương thức cĩ thể sử dụng để thực hiện các truy vấn và các hoạt động trên dữ liệu khơng gian.
Kiểu dữ liệu Geography và Geometry hỗ trợ 11 đối tượng dữ liệu khơng gian. Tuy nhiên, chỉ cĩ 7 trong số các loại là instantiable nghĩa là ta cĩ thể tạo và làm việc với những trường hợp này (hoặc khởi tạo chúng) trong một cơ sở dữ liệu. Các trường cịn lại kế thừa những thuộc tính từ các kiểu dữ liệu cha mẹ của nĩ để phân biệt chúng như Curve, MultiCurve, Surface, MultiSurface, CurvePolygons và Geometry. (Tham khảo [13])
Hình vẽ dưới đây mơ tả hệ thống phân cấp Geometry dựa trên các kiểu dữ liệu Geometry và Geography. Các kiểu Instantiable của Geometry và Geography được chỉ định màu xanh lam.
Hình 2.21: Các kiểu dữ liệu khơng gian trong SQL Server (nguồn: http://technet.microsoft.com)
Hình trên cho thấy, bảy loại instantiable của kiểu dữ liệu Geometry và Geography là Point, MultiPoint, LineString, MultiLineString, Polygon, MultiPolygon và GeometryCollection. Các kiểu dữ liệu Geometry và Geography cĩ thể nhận ra một trường hợp cụ thể miễn là nĩ được định dạng đúng, thậm chí nếu khi nĩ khơng được xác định một cách rõ ràng. Ví dụ, nếu ta xác định một trường hợp điểm một cách rõ ràng bằng cách sử dụng phương thức STPointFromText (), Geometry và Geography nhận ra thể hiện này là Point. Nếu ta định nghĩa cùng trường hợp trên bằng cách sử dụng các phương thức STGeomFromText (), các loại dữ liệu của cả 2 kiểu Geometry và Geography cũng nhận biết được đây là thể hiện của một điểm. (Tham khảo [13])
Các kiểu dữ liệu của Geometry và Geography được chia thành 2 nhĩm là Simple và Collection. Trong đĩ loại Simple bao gồm các kiểu: Point, LineString, CircularString, CompoundCurve, Polygon và CurvePolygon. Loại Collection bao gồm các kiểu: MultiPoint, MultiLineString, MultiPolygon, GeometryCollection.
Bảng 2.1: Các kiểu dữ liệu khơng gian trong SQL server (2008)
Point
Point là một đối tượng đại diện cho một điểm duy nhất. Nĩ luơn luơn được xác định bởi cặp tọa độ ( X,Y) và cĩ thể cĩ thêm một độ cao Z và một độ đo M.
MultiPoint
Đối tượng MultiPoint là một tập hợp của các điểm. Nĩ khác với LineString và Polygon là khơng cĩ kết nối giữa các điểm trong tập hợp điểm. Vì vậy MutiPoint là đối tượng khơng cĩ ranh giới.
LineString
LineString cũng là một bộ tập hợp của các điểm được kết nối với nhau. Đối tượng LineString đại diện cho các phân đoạn đường kết nối các điểm.
MultiLineString
Một MultiLineString chỉ đơn giản là một tập hợp của LineStrings.
Polygon
Polygon là một tập hợp của các điểm đại diện cho một bề mặt hai chiều. Một Polygon cĩ thể bao gồm một vịng bên ngồi và một số các vịng bên trong. Các vịng bên trong khơng cắt nhau.
MultiPolygon
MultiPolygon là một tập hợp các Polygon.
GeometryCollection
GeometryCollection là một tập hợp các đối tượng Geometry hoặc Geography.
(nguồn: http://technet.microsoft.com)
2.4.3 Sự khác nhau giữa kiểu dữ liệu Geometry và Geography trong SQL Server
nhau nhưng cũng cĩ một số khác biệt quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu và thao tác trên chúng.
a) Cạnh kết nối
- Dữ liệu xác định cho LineString và Polygon là các đỉnh. Cạnh kết nối giữa hai đỉnh trong Geometry là một đường thẳng. Tuy nhiên, cạnh kết nối giữa hai đỉnh trong Geography lại là một cung.
- Cung trong Geometry được xác định trên mặt phẳng XY của hệ tọa độ Đêcac (giá trị Z được bỏ qua). Trong Geography Cung được xác định bởi các phân đoạn đường cong trên một quả cầu tham chiếu.
b) Đơn vị trong các phép đo lường
- Trong kiểu dữ liệu Geometry, hay trong khơng gian phẳng, các phép đo khoảng cách và các khu vực được đưa ra trong cùng một đơn vị đo lường là tọa độ. Ví dụ khi sử dụng kiểu dữ liệu Geometry, khoảng cách giữa 2 điểm A(2, 2) và B(5, 6) là 5 đơn vị, bất kể các đơn vị được sử dụng.
- Trong hệ thống elip sử dụng kiểu dữ liệu Geography tọa độ được đưa ra ở mức độ vĩ độ và kinh độ. Đơn vị đo lường phụ thuộc vào định danh tham chiếu khơng gian (SRID) của thể hiện vị trí địa lý. Các đơn vị phổ biến nhất của đo lường đối với các kiểu dữ liệu Geography là mét.
c) Hướng của dữ liệu khơng gian
Trong hệ thống phẳng (sử dụng kiểu Geometry), hướng của một Polygon khơng phải là một yếu tố quan trọng. Ví dụ, một Polygon được mơ tả bởi các đỉnh ((0, 0), (10, 0), (0, 20), (0, 0)) là tương tự như một Polygon được mơ tả bởi các đỉnh ((0, 0), (0, 20), (10, 0), (0, 0)). Tiêu chuẩn Open Geospatial Consortium (OGC) Simple Features for SQL Specification khơng yêu cầu về hướng và SQL Server khơng thực thi hướng trong kiểu dữ liệu Geometry.
Trong một hệ thống elip, một Polygon sẽ khơng cĩ ý nghĩa hoặc rất mơ hồ khi nĩ khơng cĩ định hướng. Ví dụ, một vịng quanh đường xích đạo cĩ thể mơ tả bán cầu phía bắc hoặc phía nam? Nếu chúng ta sử dụng các kiểu dữ
liệu địa lý để lưu trữ các trường hợp khơng gian, chúng ta phải xác định định hướng của vịng và mơ tả chính xác vị trí.
2.5 CƠ SỞ DỮ LIỆU KHƠNG GIAN GEODATABASE 2.5.1 Đặc điểm và các loại Geodatabase 2.5.1 Đặc điểm và các loại Geodatabase
Khái niệm Geodatabase ra đời bởi Esri cùng với sự ra đời của họ phần mềm ArcInfo 8.x. Geodatabase là một cơ sở dữ liệu cho phép lưu trữ, truy vấn và xử lý dữ liệu địa lý được lưu trữ bởi các cấu trúc dữ liệu khác nhau. Hai cấu trúc dữ liệu thường được sử dụng là raster và vector. Ngồi ra Geodatabase cịn cĩ khả năng lưu trữ và quản lý các quan hệ khơng gian (Topololy, Network), ràng buộc dữ liệu (Domain, Subtype) và các giao tác dữ liệu. Như vậy để cĩ được một hệ thống Gis hồn chỉnh thì ta cần phải xây dựng Geodatabase vì những lợi ích mà nĩ mang lại.
Việc thiết kế cơ sở dữ liệu đĩng vai trị quan trọng và mang tính quyết định trong tiến trình xây dựng hệ thống GIS. Đây cũng là vấn đề địi hỏi nhiều cơng sức và thời gian. Với sự tiến bộ của cơng nghệ phần mềm hướng đối tượng đã cung cấp một số phương pháp và cơng cụ thiết kế Geodatabase khá hữu hiệu giúp cho việc thiết kế Geodatabase trở nên đơn giản hơn và ít sai sĩt.
Geodatabase cĩ các đặc điểm chức năng sau:
+ Lưu trữ một tập hợp đa dạng của dữ liệu khơng gian ở một nơi tập trung.
+ Áp dụng các quy tắc phức tạp và các mối quan hệ của dữ liệu.
+ Xác định các quan hệ khơng gian giữa các đối tượng địa lý (topologies, networks).
+ Duy trì tính tồn vẹn của dữ liệu khơng gian trong cơ sở dữ liệu.
+ Cung cấp mơi trường đa người dùng và cho phép truy cập, chỉnh sửa tích hợp dữ liệu khơng gian với cơ sở dữ liệu khác ngồi hệ thống.
+ Dễ dàng mở rộng giải pháp lưu trữ dữ liệu.
+ Hỗ trợ việc chỉnh sửa các thuộc tính và phương thức của đối tượng. + Khai thác các tiềm năng của dữ liệu khơng gian một cách hiệu quả.
Geodatabase được thiết kế cho những mục đích khác nhau của người sử dụng. Hai mơ hình Geodatabase được sử dụng là Single-User Geodatabase và Multiuser Geodatabase.
2.5.1.1 Single-User Geodatabase
Hình 2.22: Single-user Geodatabase
(nguồn: www.esri.com)
Single User Geodatabase thích hợp cho các ứng dụng Gis riêng lẻ trong mơi trường Desktop. Cơ sở dữ liệu được lưu trữ trong file cĩ cấu trúc đặc biệt (shapfile) hoặc trong một hệ quản trị CSDL Personal như Microsoft Access.
2.5.1.2 Multiuser Geodatabase
Hình 2.23: Multiuser Geodatabase
(nguồn: www.esri.com)
Multiuser Geodatabases sử dụng cơng nghệ ArcSDE của Esri thực hiện trên nền tảng của hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS) để:
+ Cung cấp cho người sử dụng cĩ một trung tâm lưu trữ dữ liệu và khả năng mở rộng hệ thống quản lý.
+ Cung cấp các cơng cụ bảo mật dữ liệu tốt hơn như kiểm sốt quyền truy cập cho các bộ dữ liệu riêng lẻ (datasets).
+ Duy trì tính tồn vẹn dữ liệu với các tính năng như sao lưu dữ liệu và phục hồi, rollback và dự phịng lỗi.
2.5.1.3 Tính năng đa người dùng trong Geodatabase Versioning Versioning
Hình 2.24: Versioning trong Geodatabase
(nguồn: www.esri.com)
Versioning là cơ chế cho phép Geodatabase quản lý và duy trì nhiều trạng thái trong khi vẫn bảo đảm tính tồn vẹn của cơ sở dữ liệu. Nĩ là cơ sở cho nhiều người dùng truy cập và chỉnh sửa dữ liệu cùng một lúc. Versions ghi lại một cách rõ ràng các trạng thái đối tượng của Geodatabase.
Hai cấp độ sử dụng của Versioning trong một geodatabase đa người dùng là Versioned Editing và Nonversioned Editing.
- Versioned Editing: Thường được sử dụng như là defaut của Geodatabase nhằm đảm bảo tính tồn vẹn và nhất quán của dữ liệu. Hỗ trợ đầy đủ các mơ hình Geodatabase.
- Khả năng quản lý giải quyết xung đột. - Hỗ trợ undo/redo.
- Hỗ trợ lưu trữ và sao chép geodatabase. - Hỗ trợ các long transactions.
- Ghi lại các thay đổi liên tục của dữ liệu.
- Nonversioned Editing: Thích hợp cho việc nhân bản Geodatabase.
- Cung cấp khả năng chỉnh sửa trực tiếp vào các nguồn dữ liệu. - Việc chỉnh sửa cĩ hiệu lực ngay lập tức, khơng cĩ khả năng
Geodatabase Replication
Nhân bản geodatabase cho phép dữ liệu GIS được chia sẻ giữa hai hoặc nhiều Geodatabases. Sự thay đổi của dữ liệu cĩ thể được thực hiện trong mỗi Geodatabase, sau đĩ đồng bộ lại với nhau.
Hình 2.25: Geodatabase Replication (nguồn: www.esri.com)
Việc nhân bản Geodatabase được xây dựng trên mơi trường Versioning cĩ các đặc điểm như:
- Hỗ trợ đầy đủ các mơ hình dữ liệu Geodatabase, bao gồm cấu trúc toplogy và mạng lưới hình học.
- Cĩ thể làm việc trong một mơ hình khơng đồng bộ để các Geodatabase nhân rộng cĩ thể làm việc độc lập.
- Khơng địi hỏi một hệ quản trị CSDL thống nhất giữa các bản sao Geodatabase.
- Làm việc trong một mơi trường kết nối hoặc ngắt kết nối CSDL. - Cĩ thể sử dụng kết nối Geodatabase cục bộ cũng như các dịch vụ dữ liệu địa lý (thơng qua ArcGIS cho Server) để truy cập vào Geodatabase qua đường truyền Internet.
Geodatabase Archiving
Geodatabase Archiving cho phép ghi lại và truy cập các sự thay đổi của tất cả hoặc một tập hợp các dữ liệu trong một Geodatabase. Sử dụng nĩ, ta cĩ thể nắm bắt, quản lý và phân tích những thay đổi của dữ liệu.
Hình 2.26: Geodatabase Archiving
(nguồn: www.esri.com)
Trong Multiuser Geodatabase, ArcGis cung cấp:
- Một framework để lưu trữ dữ liệu nắm bắt được của tất cả những thay đổi trong phiên bản mặc định của Geodatabase.
- Một lớp lưu trữ được thêm vào để bảo tồn lịch sử của các giao tác.
2.5.1.4 Lưu trữ trong một hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS)
Multiuser Geodatabase sử dụng một kiến trúc nhiều tầng để thực hiện các hành vi của đối tượng trong tầng ứng dụng (các phần mềm ArcGIS) bên trên của tầng lưu trữ (hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ RDBMS). Trách nhiệm quản lý dữ liệu địa lý trong một Geodatabase đa người dùng được chia sẻ giữa ArcGIS và phần mềm RDBMS.
Hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ cung cấp một cấu trúc hình thức dễ hiểu để lưu trữ và quản lý thơng tin trong các bảng (table). Việc lưu trữ và phục hồi dữ liệu được thực hiện với các bảng đơn. Geodatabase đa người dùng tận dụng các khả năng của RDBMS. Một số đặc điểm của quản lý dữ liệu địa lý như việc lưu trữ trên ổ đĩa vật lý, xác định các loại thuộc tính, xử lý truy vấn và xử lý giao dịch đa người dùng được ủy nhiệm cho RDBMS.
Hình 2.27: Sự kết hợp Geodatabase và RDBMS
Geodatabase đa người dùng kết hợp với RDBMS để quản lý dữ liệu sẽ cung cấp cho ta sự linh hoạt trong việc lựa chọn các hệ quản trị CSDL quen thuộc cũng như áp dụng các kiến thức, kinh nghiệm cĩ được từ trước khi sử dụng các RDBMS
ArcSDE Technology là cơng nghệ được sử dụng trong Geodatabase như là một cổng chính giữa các ứng dụng Gis và RDBMS. Nĩ cho phép lưu trữ, truy cập và quản lý dữ liệu khơng gian trong một RDBMS như: DB2, Informix, Oracle, PostgreSQL, SQL Server và SQL Server Express.
Geodatabase Application Logic
Trong khi các RDBMS quản lý các loại dữ liệu đơn và bảng biểu và cơng nghệ ArcSDE cho phép giao tiếp giữa GIS client và RDBMS, cần cĩ