Cơ sở dữ liệu khụng gian

Cơ sở dữ liệu khụng gian là cơ sở dữ liệu cú chứa trong nú những thụng tin về định vị của đối tượng. Nú là những dữ liệu phản ỏnh, thể hiện những đối tượng cú kớch thước vật lớ nhất định. Nếu là những cơ sở dữ liệu khụng gian địa lớ thỡ đú là những dữ liệu phản ỏnh những đối tượng cú trờn bề mặt hoặc ở trong vỏ trỏi đất.

Từ gúc độ cụng nghệ thụng tin địa lớ, đú là những yếu tố khụng gian địa lý được phản ỏnh trờn bản đồ bằng những kiểu cấu trỳc dữ liệu nhất định. Tuy nhiờn, cơ sở dữ liệu khụng gian khụng đơn thuần là sự mụ tả địa chỉ của một khu dõn cư mà chỳng ta nờn hiểu rằng khu dõn cư đú chớnh là một cơ sở dữ liệu khụng gian. Dữ liệu khụng gian cú ba dạng cơ bản là điểm, đường và vựng. Cỏc đối tượng dạng kiểu đất cảnh quan như hồ nước, ranh giới thảm thực vật, v.v... là cơ sở dữ liệu khụng gian vựng; sụng, đường giao thụng, v.v... là những cơ sở dữ liệu dạng đường; điểm mốc trắc địa, điểm lỗ khoan, v.v... là những cơ sở dữ liệu dạng điểm.

Tất cả cỏc đối tượng trờn bề mặt trỏi đất đều cú thể biểu diễn bởi ba dạng kớ hiệu cơ bản là điểm, đường, vựng. Cỏc yếu tố cơ bản nờu trờn thường được gắn với lời chỳ giải hoặc kớ hiệu. Vớ dụ: những bói bựn cỏt, vựng cõy ngập nước được thể hiện bằng vựng bao phủ tập hợp toạ độ cựng với những kớ hiệu qui định. Cỏc chỳ giải này cú thể là tờn, cú thể là kớ hiệu thực tế hoặc số qui ước hay kớ hiệu đặc biệt.

Để qui dữ liệu khụng gian về ba loại trờn, cần thiết phải xỏc định: * Vị trớ của đối tượng

Trong khi tạo dựng dữ liệu chỳng ta luụn phải trả lời cõu hỏi cỏi này ở đõu? vị trớ của nú ở chỗ nào trong hệ quy chiếu đó chọn, v.v..., vỡ vậy, việc xỏc định vị trớ cỏc đối tượng là hết sức cần thiết.

* Đặc trưng của đối tượng

Đõy chớnh là mụ tả thuộc tớnh của đối tượng và mỏy tớnh cú thể hiểu được nhờ mó hoỏ chỳng theo cỏc mức dữ liệu và cỏc giỏ trị số khỏc nhau.

* Mối quan hệ giữa cỏc đối tượng

Cỏc đối tượng nghiờn cứu chuyờn ngành luụn được so sỏnh với nhau để tỡm ra mối liờn quan hỡnh học và ảnh hưởng giữa chỳng. Đõy là một yếu tố rất quan trọng và cú thể là yếu tố then chốt trong cụng nghệ thụng tin địa lớ và cũng là sự khỏc nhau cơ bản giữa hệ thống thụng tin địa lớ hiện đại và cỏc hệ xử lớ đồ thị khỏc.

Tất cả cỏc yếu tố đối tượng trong hệ thống thụng tin địa lớ đều cú thể được mụ tả theo hai kiểu cấu trỳc dữ liệu raster hoặc vector.

Hỡnh 2.3- Cấu trỳc dữ liệu raster và vector 2.2.3.1. Cấu trỳc dữ liệu vector

Cấu trỳc vector là cấu trỳc dữ liệu dựa trờn toạ độ cỏc điểm để biểu diễn cỏc đối tượng qua ba yếu tố cơ bản là điểm, đường, vựng. Cấu trỳc dữ liệu vector mụ tả chớnh xỏc vị trớ và mối quan hệ khụng gian của cỏc đối tượng và hiện tượng.

Thế giúi thực Raster

Vector aster

Điểm trong cấu trỳc dữ liệu vector được mụ tả bởi cặp toạ độ X, Y trong một hệ thống toạ độ nhất định. Đi theo giỏ trị toạ độ X, Y của điểm cũn cú chỉ số cụ thể để mụ tả đặc tớnh của điểm (điểm đơn giản, điểm nỳt, độ sõu, v.v...).

Hỡnh 2.4- Biểu diễn thụng tin dạng điểm, đường, vựng theo cấu trỳc vector

Yếu tố đường: Về mặt lý thuyết đường là tập hợp vụ số cỏc điểm. Trong cấu trỳc dữ liệu vector thường mụ tả đường là tập hợp cỏc cung (ARC), đoạn (S egment) mỗi cung là tập hợp của cỏc đoạn thẳng nhỏ nối giữa cỏc điểm kề nhau đó được chọn. Cỏc đoạn thẳng này đủ nhỏ để đảm bảo khụng lệch khỏi đoạn thực một khoảng vượt quỏ sai số cho phộp. Số liệu định vị của cỏc yếu tố đường được lưu trong mỏy tớnh dưới dạng tập hợp cỏc cặp toạ độ, trong đú cỏc cặp toạ độ đặc trưng cho điểm thuộc đường đú. Với một đường thẳng ta cú thể lưu giữ toạ độ của hai điểm đầu và cuối, nhưng với một đường cong số lượng điểm lưu trữ rất lớn. Muốn giảm bớt số lượng ụ nhớ khi lưu trữ đường cong thỡ đoạn thẳng giữa cỏc điểm lưu trữ cú thể sắp đặt lại theo cỏc dạng của cung cong. Khi đú, phải chỉ ra cỏch tạo dựng đường cựng cỏc điểm được lưu trữ, phải chỉ rừ cỏc kiểu đường (kiểu nội suy) đối với từng yếu tố đường. Đối

Y 0 Yn, Xn Point Yi, Xi Y1, X1 Y2, X2 X Polygo ooon Line M

với từng kiểu đường cú nhiều nột chung giống nhau cần đặt ra những qui tắc lưu giữ hợp lớ.

Cỏc điểm của đường được chọn để lưu trữ thường là cỏc điểm ngoặt (điểm đặc trưng) phản ỏnh đỳng hỡnh thỏi của đường một cỏch đơn giản nhất. Tuy nhiờn, một đường cũng cú thể được chia nhỏ ra thành nhiều đoạn, từng đoạn cú thể lưu trữ tỏch riờng với nhau. Trong trường hợp này, cần cung cấp địa chỉ lưu trữ của mỗi đoạn kế tiếp sau kốm theo đoạn đú.

Yếu tố vựng: Vựng (hay cũn gọi là miền) cú thể coi là tập hợp vụ số điểm được giới hạn bởi một đường khộp kớn. Số liệu định vị của yếu tố vựng được xỏc định bởi đường bao của chỳng.

Núi chung, khụng cú sự khỏc biệt giữa việc lưu trữ số liệu định vị của yếu tố đường và số liệu định vị của yếu tố vựng, cả hai đều lưu trữ dưới dạng tập hợp cỏc điểm của một đường. Nhưng cú thể nhận biết rừ ràng nếu chỉ ra số liệu định vị kốm theo kiểu yếu tố được biểu thị (điểm, đường, vựng). Ngoài ra cũng cú khả năng ngầm hiểu vớ dụ như rừng thường là yếu tố vựng, đường sắt là yếu tố đường, v.v... Đường bao của một vựng khộp kớn (tức là điểm đầu và điểm cuối trựng nhau). Ngược lại, một đường khộp kớn khụng phải trong trường hợp nào cũng phản ỏnh một vựng (vớ dụ, đường bỡnh độ khụng là yếu tố vựng).

Trong thực tế cỏc yếu tố vựng nằm kề nhau (cú bờ ngăn cỏch chung). Để giảm việc lóng phớ bộ nhớ do lưu giữ cỏc cạnh chung hai lần, người ta chỉ tiến hành lưu trữ mỗi cạnh một lần, đồng thời cung cấp cho từng vựng những thụng tin về cạnh thuộc nú.

Tương tự như vậy, với trường hợp cỏc điểm chung cú thể lưu giữ toạ độ mỗi điểm một lần và cung cấp cho đường những thụng tin về cỏc điểm thuộc đường. Vớ dụ hỡnh 2.5, hai vựng I và II cú chung cạnh c và hai điểm 3 và 4. Từ đú ta cú sơ đồ về việc liờn kết thụng tin chung giữa hai vựng.

Sự tiết kiệm bộ nhớ này chỉ thực sự cú giỏ trị khi số lượng cạnh chung khỏ lớn. Tuy nhiờn, điều đỏng kể ở đõy là cỏch tổ chức dữ liệu như trờn cho phộp thao tỏc với số liệu thuận lợi hơn.

Hỡnh 2.5- Sơ đồ liờn kết thụng tin chung giữa hai vựng 2.2.3.2. Cấu trỳc dữ liệu raster

Raster là cấu trỳc dữ liệu mà trong đú dữ liệu được thể hiện thành một mảng gồm cỏc pixel và mỗi pixel đều mang giỏ trị, thụng số đặc trưng cho đối tượng. Một khu vực trờn bản đồ được biểu thị ở dạng số bằng cỏch lưu giữ vị trớ (toạ độ tõm điểm của chỳng), kớch thước và đặc tớnh tương ứng của đối tượng thuộc pixel đú. Mỗi Pixel sẽ tương ứng với một diện tớch vuụng trờn thực tế. Giỏ trị độ lớn của Pixel cũn được gọi là độ phõn giải của dữ liệu. Hỡnh vuụng là dạng pixel phổ biến nhất, sau đú là hỡnh chữ nhật, hỡnh 2.6 minh hoạ cỏch biểu diễn thụng tin kiểu raster.

Toàn bộ bề mặt của bản đồ được chia thành 64 pixel hỡnh vuụng. Bản đồ phản ỏnh 4 yếu tố là: Đường-A, nhà-B, rừng-C, đồng cỏ-D.

Ta cú thể hiển thị lại bản đồ trờn với cỏc pixel hỡnh 2.6 đó được gỏn cỏc đối tượng cú kớch thước lớn hơn 1/2 pixel sẽ được mó hoỏ thành một pixel, cũn cỏc đối tượng cú kớch thước nhỏ hơn 1/2 pixel sẽ khụng được ghi lại. Từ đú ta nhận thấy kớch thước pixel càng nhỏ thỡ việc thể hiện cỏc đối tượng càng chi tiết và chớnh xỏc. 2 I II 1 3 5 6 4 a b c d e ơ h (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Thụng thường, khi lưu trữ cũng như biểu diễn thụng tin theo dạng cấu trỳc raster thỡ người ta hay sử dụng thuật toỏn mó nhị phõn, tức là những thụng tin biểu diễn (hiển thị lờn màn hỡnh) đều được gỏn mó là 1, cũn phần trống (khụng chứa thụng tin) sẽ được gỏn mó là 0 hoặc ngược lại.

Hỡnh 2.6- Minh họa thụng tin raster

A A A A A B B B B B A A A A A B B B B B A A A A A A B B B B A A A A A A B B B B A A A A A C C B B B A A A A C C C C C B A A A A C C C C C B A A C C C C C C C C

Hỡnh 2.7- Bản đồ được hiển thị thuộc tớnh dạng raster

Trong cấu trỳc dữ liệu thuộc tớnh dạng raster cỏc yếu tố cơ bản được biểu diễn:

Yếu tố điểm: Điểm được xỏc định tương ứng với một pixel độc lập. Yếu tố đường: Đường được coi là tập hợp cỏc pixel kế nhau theo một hướng nào đú cựng thuộc tớnh.

Yếu tố vựng: Vựng được xỏc định bởi một tập hợp cỏc pixel kế nhau cựng thuộc tớnh.

2.2.3.3. Ưu nhược điểm của cấu trỳc dữ liệu kiểu raster và vector

Qua quỏ trỡnh nghiờn cứu và thực nghiệm người ta đó so sỏnh và rỳt ra những ưu nhược điểm của hai loại cấu trỳc dữ liệu trờn như sau:

Cấu trỳc dữ liệu raster: * Ưu điểm:

- Cấu trỳc dữ liệu đơn giản và cú thể thu thập tự động với tốc độ nhanh nhờ bộ số hoỏ.

- Dễ dàng chồng xếp, thu nạp thụng tin giữa cỏc bản đồ, giữa cỏc bản đồ và thụng tin viễn thỏm.

- Chương trỡnh xử lý dữ liệu tương đối ngắn gọn và đơn giản. - Lưu trữ, mụ tả chi tiết và dày đặc thụng tin.

- Mỏy vẽ raster cú tốc độ đầu ra nhanh.

* Nhược điểm:

- Dung lượng thụng tin lớn.

- Dung lượng thụng tin giảm khi kớch thước pixel lớn và khi đú cỏc thụng tin dễ bị sai lệch.

- Cỏc bản đồ cú hỡnh ảnh thụ và đơn điệu.

- Khú khăn khi chồng xếp và phõn tớch cỏc dữ liệu bản đồ cú kớch thước pixel khỏc nhau; khụng thể xỏc định cỏc đối tượng riờng lẻ một cỏch trực tiếp.

- Khối lượng tớnh toỏn để biến đổi tọa độ rất lớn.

Cấu trỳc dữ liệu vector: * Ưu điểm:

- Biểu diễn và xử lớ tốt cỏc dữ liệu khụng gian và dữ liệu thuộc tớnh. - Cú độ chớnh xỏc hỡnh học cao.

- Cho phộp thực hiện tốt cỏc mụ tả và tớnh toỏn về cỏc quan hệ khụng gian hỡnh học, phõn tớch mạng, v.v...

- Thụng tin đồ họa đẹp, sản phẩm in đạt chất lượng cao, v.v...

Nhược điểm:

- Cấu trỳc dữ liệu phức tạp

- Cú một số khú khăn nảy sinh khi chồng xếp một số bản đồ.

Raster và vector là hai phương phỏp mụ tả cỏc thụng tin khụng gian khỏc nhau và thể hiện sự mở rộng khụng gian thực thể, chỳng cú thể chuyển đổi từ dữ liệu vector sang dữ liệu raster và ngược lại.