1.3.5.1. Khái niệm
Phân tích dữ liệu không gian là quá trình mô hình hoá, kiểm tra, diễn giải các kết quả mô hình. Phân tích dữ liệu không gian thường dùng trong đánh giá khả năng phù hợp, trong ước lượng và dự đoán, trong giải đoán và diễn giải.
Phân tích dữ liệu không gian bao gồm ba hoạt động chính: Giải quyết các câu hỏi về thuộc tính, các câu hỏi về Phân tích dữ liệu không gian và tạo nên tập dữ liệu mới từ cơ sở dữ liệu ban đầu. Mục tiêu của việc Phân tích dữ liệu không gian là từ việc giải quyết các câu hỏi đơn giản về các hiện tượng, các vấn đề trong không gian, đi đến tập hợp các thuộc tính của một hay nhiều lớp và phân tích có sự liên quan giữa các dữ liệu ban đầu.
Các thao tác Phân tích dữ liệu không gian làm việc trên tập dữ liệu không gian (spatial data): là những thông tin về vị trí, hình dạng của các đối tượng không gian và mối quan hệ giữa chúng. Dữ liệu không gian thường được lưu dưới dạng toạ độ và cấu trúc liên kết.
1.3.5.2. Phân biệt phân tích dữ liệu không gian GIS với các loại phân tích khác khác
Phân tích dữ liệu không gian có thể xem như là phân tích dữ liệu định lượng và tập trung vào phần không gian để dự đoán hoặc điều tra các hiện tượng. Trong loại phân tích này, các đặc tính địa lý được sử dụng để xác định toạ độ địa lý trong khi các phân tích thống kê cổ điển bỏ qua các toạ độ và các thuộc tính địa phương không được dùng để biểu diễn thông tin. Và do vậy, trong các phân tích thống kê cổ điển, các quan hệ tương quan về mặt không gian thường được bỏ qua, trong khi trong Phân tích dữ liệu không gian nếu tồn tại tương quan này thì có nghĩa là có các đối tượng không gian.
Một phân biệt nữa mà chúng ta cần chú ý là giữa phân tích 3D thông thường và Phân tích dữ liệu không gian 3D. Nói chung, hai loại phân tích này là khá gần nhau do cùng làm việc trên không gian 3 chiều. Tuy nhiên, Phân tích dữ liệu không gian gắn với một hệ toạ độ nhất định còn phân tích 3D thông thường thì không. Trong phân tích không gian, ảnh ở dạng bản đồ 3D cụ thể và tuân theo các đặc điểm cơ bản về bản đồ nói chung. Còn trong phân tích 3D, ảnh chỉ là
một dạng địa hình thường. Nói chung, chúng ta vẫn có thể áp dụng các thuật giải 3D cho một dạng địa hình địa lý cụ thể được nhưng sẽ có một chút thay đổi nhỏ.
1.3.5.3. Các phép phân tích tích không gian theo yêu cầu ứng dụng
Như đã nói ở trên, Phân tích dữ liệu không gian trong GIS-3D trở thành một hướng nghiên cứu mới và đầy hấp dẫn. Các yêu cầu về Phân tích dữ liệu không gian trong các ngành khoa học Trái đất rất phong phú và đa dạng, nhưng tựu chung lại có thể phân loại như sau:
Hình 1.12: Các nhóm chức năng Phân tích không gian.
(1) Phân tích bề mặt: là phép phân tích đặc tính bề mặt như : gradient, tầm nhìn, hàm mật độ, đường bình độ, bóng (hillshade), .. và các phép nội suy không gian, mô hình hoá. Phân tích bề mặt cũng bao gồm cả phân tích 3D dựa trên dữ liệu DEM, chuyển đổi từ TIN sang GRID và ngược lại.
(2) Phân tích mạng: là phép phân tích đặc tính mạng để tìm ra các luồng trong mạng đó. Ví dụ: tìm đường đi tối ưu qua nhiều điểm, xác định vùng dịch vụ và thiết lập thuộc tính cho đường đi.
(3) Trực quan hoá: Tạo các mô hình 3D và hiển thị chúng. Thực hiện xoay các đối tượng, bay, thám hiểm , ..
Nhóm chức năng Phân tích không gian Phân tích bề mặt Phân tích mạng Trực quan hoá Truy xuất Phân tích hình học Chồng chập Liền kề Kết nối Phân loại Thống kê không gian
(4) Truy xuất: Tìm kiếm đối tượng trên bản đồ,..
(5) Phân tích hình học: Các phép đo đạc như đo khoảng cách giữa 2 điểm trong không gian, chu vi, diện tích. Tạo các đối tượng hình học trên bản đồ như: đường dẫn và đa giác.
(6) Chồng chập (Overlay): Tổ hợp 2 hay nhiều bản đồ theo các điều kiện và sử dụng các phép toán: nhân, chia, cộng, trừ hay điều kiện Logic để tạo nên bản đồ mới. Ví dụ: chồng chập Raster, Vector.
(7) Liền kề (Neighborhood): Gán giá trị cho vị trí theo đặc tính của vùng xung quanh và liên quan đến phép đo trung bình, max/min, tổng,.. các đặc tính trong bản đồ. Ví dụ: đếm số khách hàng trong phạm vi 2 dặm quanh cửa hàng.
(8) Kết nối (Connectivity): Tích lũy các giá trị xung quanh, đo khoảng cách giữa các đặc tính và tạo bộ đệm (Buffer) theo điểm, đường và vùng. Ví dụ: xác định khoảng cách đến hàng xóm từ một vị trí.
(9) Phân loại: Chuyển thông tin thuộc tính liên kết với bản đồ thành các nhóm. Phân loại kết hợp các đặc tính giống nhau về 1 nhóm để tạo nên 1 quan hệ mới và bản đồ mới. Ví dụ: Bản đồ mật độ dân số.
(10) Thống kê không gian: mô tả thuộc tính, đối tượng điểm, nhận dạng mẫu.
1.3.5.4. Phân tích GIS trong các phần mềm thƣơng mại
Như chúng ta đã biết, yêu cầu về các phép Phân tích dữ liệu không gian trong các ngành Khoa học Trái đất là rất lớn và cấp thiết để có thể đưa ra những quyết định mang lại hiệu quả kinh tế - xã hội cao. Sau đây, chúng ta sẽ điểm qua một số phần mềm GIS-3D thương mại của các hãng lớn trên thế giới để xem mức độ phát triển của chúng đến đâu và khả năng đáp ứng đối với các yêu cầu này như thế nào.
(1) ArcGIS 3D: Đây là một phần mở rộng của phần mềm ArcGIS 9.2 do hãng ERSI phát triển. Phần mềm này cho phép ta hiển thị và phân tích hiệu quả dữ liệu bề mặt.
Hình 1.13: Phần mềm ArcGIS 9.
(2) Google Earth: Google Earth có lẽ là phần mềm GIS-3D nổi tiếng nhất mà bất cứ người dùng Internet nào đều biết tới. Phần mềm này có khả năng thực hiện một khối lượng lớn các phép Phân tích dữ liệu không gian 3D trên một dải bản đồ rộng và cung cấp các tính năng tương tác với bản đồ đó.
Hình 1.14: Phần mềm Google Earth.
(3) ArcView: ArcView® là phần mềm hệ thống thông tin địa lý với đầy đủ chức năng cho phép biểu diễn, quản lý, xây dựng và phân tích dữ liệu địa lý. Sử dụng ArcView, ta có thể hiểu được bối cảnh địa lý của dữ liệu, cho phép thể hiện các mối quan hệ và nhận dạng các mô hình theo một cách mới. ArcView giúp cho hàng chục ngàn tổ chức ra những quyết định tốt hơn và giải quyết vấn đề nhanh chóng hơn.
Hình 1.15: Phần mềm ArcView GIS.
Sau đây là bảng tổng kết các chức năng 3D GIS trong mỗi bộ phần mềm:
Nhóm chức năng PTDLKG
Google Earth ArcGIS 3D ArcView
Phân tích bề mặt
- Sử dụng GPS và nhập dữ liệu vào Google Earth.
- Mô hình địa bề mặt; Tạo mặt cắt; Tính toán độ dốc, khối lượng, diện tích. - Tạo mô hình TIN từ tập dữ liệu có giá trị Z; Hiển thị mô hình TIN theo các biểu tượng khác nhau, chồng dữ liệu vector/ raster vào TIN. - Nội suy đường thẳng để tạo thông tin về bề mặt địa hình (dạng biểu đồ). - Tạo đường thẳng các điểm nhìn trên địa hình. - Tạo bề mặt dạng GRID từ mô hình TIN. - Tạo bóng địa hình. - Nội suy đường bình độ, nội suy độ dốc từ một lưới độ cao, tính giá trị phần trăm độ dốc ra độ, nội suy hướng phơi địa hình, nội suy bề mặt từ các điểm mang giá trị. - Tính mật độ dân cư.
- Tạo mô hình TIN từ những dữ liệu có giá trị Z.
Phân tích mạng
- In chi tiết đường đi từ 2 địa điểm khác nhau.
- Cho phép mô phỏng lại hành trình
đi từ điểm này đến điểm kia trên bản đồ.
Trực quan hoá
- Hiển thị độ cao, điểm nhìn.
- Xoay nghiêng, bay đến đối tượng.
- Tham quan địa điểm: mô phỏng hành trình hoặc chuyến bay qua các địa điểm trong danh sách.
- Quan sát bầu trời. - Trình mô phỏng bay. - Tạo phim với Google Earth và thay đổi chế độ xem.
- Thay đổi tốc độ xoay của quả địa cầu. - Tạo hoạt ảnh để lưu giữ việc tham quan khung cảnh.
- Biểu diễn dữ liệu 3D, chồng ảnh, xoay địa hình, tăng độ cao địa hình. Kết nối - Xác định khoảng cách từ những vị trí cho trước. - Xác định vùng giới hạn gần nhất. Phân tích hình học
- Đánh dấu địa điểm trên bản đồ.
- Lưu hình ảnh về địa điểm hiện tại.
- Vẽ đường dẫn và đa giác.
- Chỉnh sửa và viết mô tả cho địa điểm.
- Thay đổi độ cao, biểu tượng địa điểm.
- Đo đường hoặc đường đi.
- Đo bán kính đường tròn hoặc đa giác.
- Tính diện tích và thể tích của một bề mặt.
Truy xuất - Tìm kiếm một vị trí trên bản đồ như: tên thành phố, tỉnh, tiểu bang hay quốc gia. - Cho phép tìm cả doanh nghiệp hay trường đại học hoặc một tổ chức phổ biến trên thế giới. - Liên kết với Google Map để xem
thông tin cập nhật. - Cho phép lưu địa
- Hiển thị bản đồ theo các thuộc tính lựa chọn.
- Xem thông tin 3D của từng lớp.
điểm và hành trình để dùng.
- Điều hướng ảnh, thêm ảnh.
- Hiển thị thông tin đường trên bản đồ. - Có chế độ xem phố. - Hiển thị bản đồ địa hình.
- Hiển thị biên giới.
1.3.5.5. Một số phép phân tích không gian [2]
(1) Bài toán Hiển thị tọa độ - Ý nghĩa:
Trong một hệ thống thông tin địa lý, việc hiển thị toạ độ của các điểm trên bản đồ là rất quan trọng. Nó giúp ta biết được vị trí chính xác của các đối tượng trên bản đồ để từ đó phục vụ cho các thao tác phân tích phức tạp tiếp theo.
- Mô tả bài toán:
Chương trình hiển thị một mảnh bản đồ ba chiều, yêu cầu khi người dùng click chuột trên bản đồ thì chương trình sẽ tự động hiển thị tọa độ của điểm trên bản đồ tương ứng với vị trí click của con trỏ chuột. Tọa độ hiển thị là tọa độ trong hệ thống UTM.
- Thuật toán:
Tư tưởng thuật toán rất đơn giản: khi người dùng nhấn chuột trên bản đồ thì bộ cảm biến sự kiện sẽ lưu giữ một xâu gồm các giá trị toạ độ theo các định dạng khác nhau tuỳ theo hệ toạ độ và khung tham chiếu không gian đang dùng là gì. Chúng ta chỉ cần lấy các giá trị đó, thực hiện việc tách xâu và in lên màn hình kết quả.
function print(value) { var s = value.split(' ',3); var s2 = s[2]; print(\"Co-ordinate:\") print(\"Lat()= \" + s[0]); print(\"Lon()= \" + s[1]); print(\"ELev()= \" + s[2]); }
Hình 1.16: Hiển thị tọa độ địa lý
(2) Bài toán Phóng to và thu nhỏ địa hình - Ý nghĩa:
Chúng ta có thể quan sát các đối tượng ở các tỷ lệ độ cao khác nhau và như vậy làm cho thế giới trở nên giống thật hơn. Trong phần này, chúng ta sẽ thực hiện việc tăng giảm tỷ lệ độ cao của đối tượng hay phóng to hoặc thu nhỏ đối tượng.
- Mô tả bài toán:
Cho một bản đồ 3D. Hãy thiết kế nút để tăng hoặc giảm độ cao của đối tượng.
- Thuật toán:
Chúng ta thiết kế đối tượng hình cầu và gắn cho chúng sự kiện: Nếu ấn vào nút này thì sẽ đổi trạng thái phóng to hay thu nhỏ, sau đó ấn vào một vị trí bất kỳ trên bản đồ thì sẽ thực hiện một trong hai kiểu sau:
+ Hình cầu “tăng”: tỷ lệ= tỷ lệ + 1 hoặc + Hình cầu “giảm”: tỷ lệ= tỷ lệ - 1
Sau đó tiến hành cập nhật lại khung cảnh theo tỷ lệ mới sửa đổi.
Hình 1.17: Phóng to hoặc thu nhỏ địa hình
(3) Tính khoảng cách gấp khúc - Ý nghĩa:
Việc đo khoảng cách có ý nghĩa quan trọng trong GIS. Nó cho chúng ta biết được độ dài giữa các điểm trong thế giới thực là bao nhiêu. Khoảng cách gấp khúc được định nghĩa là một dãy (x1, x2, x3,…, xn) trong đó các đoạn (xi, xj) là các đoạn thẳng (tính theo đường chim bay). Trong thực tế, người ta rất hay đo khoảng cách gấp khúc này.
- Mô tả bài toán:
Cho một bản đồ 3D. Chúng ta tạo đường thẳng gấp khúc bằng cách nhấn vào một điểm trên bản đồ rồi nhấn tiếp vào điểm thứ hai để tạo đoạn thẳng thứ nhất. Tiếp tục nhấn vào điểm thứ ba trên bản đồ và điểm này sẽ được nối với điểm thứ hai để tạo thành đoạn thẳng thứ hai. Cứ tiếp tục như vậy cho đến khi kết thúc. Đoạn thẳng tổng hợp nhận được gọi là đoạn thẳng gấp khúc.
Câu hỏi đặt ra là: Tính khoảng cách gấp khúc đó như thế nào?
- Thuật toán:
Tư tưởng thuật toán rất đơn giản. Xuất phát từ công thức: với 2 điểm trong không gian 3 chiều: A có tọa độ (x1,x2,x3) và B có tọa độ (y1,y2,y3) thì khoảng cách giữa 2 điểm này là:
Distance = (x1y1)2(x2y2)2(x3y3)2
Để tính khoảng cách gấp khúc, ta cộng dồn các khoảng cách đoạn thẳng là: TotalLength = distance
Để làm đơn giản thuật toán, chúng ta chỉ cần lưu giữ 2 biến d cho khoảng cách đoạn thẳng và td cho khoảng cách gấp khúc. Tương tự, cũng chỉ cần lưu giữ 2 điểm (x1,x2,x3) và (y1,y2,y3). Mỗi lần người dùng nhấn vào một điểm trên bản đồ, chúng ta thực hiện tính toán khoảng cách và vẽ các đường nối các điểm lại. Thuật toán có thể được viết như sau:
function tinh_khoang_cach () { var t; if (chuột được nhấn) { Toạ_độ_điểm_cuối = coords; t = coords.split(' ',3); i++; if (i%2==1) { x0=t[0]; x1=t[1]; x2=t[2];
if (i>1) “vẽ đường thẳng nối 2 điểm”
} if (i%2==0)
{
y0=t[0]; y1=t[1]; y2=t[2];
if (i>1) “vẽ đường thẳng nối 2 điểm”
} // Tính khoảng cách d=Math.sqrt((x0-y0)*(x0-y0)+(x1-y1)*(x1-y1)+(x2-y2)*(x2-y2)); if (i==1) {d=0; td=0;} td = td+d; print(\"Distance()= \" + d); print(\"Total length = \" + td); } } Kết quả:
Hình 1.18: Tính khoảng cách gấp khúc.
Chú ý: Để có thể vẽ đường thẳng lên bản đồ ta cần phải chuyển đổi hệ toạ độ theo toạ độ của điểm nhìn hiện tại (GeoViewPoint). Cách thức quy đổi ta đã đề cập trong phần đầu của Chương này.
(4) Tính độ dài đường đi thực địa - Ý nghĩa:
Khoảng cách gấp khúc còn khá đơn giản. Trong thực tế, đôi khi ta muốn xấp xỉ độ dài đường đi trên thực địa theo mặt địa hình. Điều này có ý nghĩa vì các đường đi trong thực tế không phải lúc nào cũng ở dạng đoạn thẳng mà đôi khi là dạng đường cong.
- Mô tả bài toán:
Cho một bản đồ 3D. Chúng ta bắt đầu bằng cách nhấn vào một điểm trên bản đồ. Sau đó, mỗi khi con trỏ chuột di chuyển tới một vị trí nào đó thì hệ thống sẽ tự động hiển thị tọa độ con trỏ chuột và khoảng cách từ đó tới vị trí của con trỏ chuột trước đó, cho đến khi chúng ta nhấn vào một điểm trên bản đồ. Khoảng cách từ điểm nhấn đầu tiên và cuối cùng được gọi là độ dài đường đi thực địa. Câu hỏi: Tính độ dài đường đi thực địa đó?
- Thuật toán:
Thực chất của bài toán này là việc tính độ dài của tập các đường cong liên tiếp. Đường cong đó có thể là đoạn thẳng như đoạn (a, b) hay (c, d) trong ví dụ bên dưới hay là một parabol (b,c). Khoảng cách đường đi thực địa bằng tổng khoảng
cách các đoạn con. Thực tế, các đường con này có thể ở dạng bậc 1, 2, 3… nên rất phức tạp.
Hình 1.19: Mô tả về đường đi gấp khúc
Để đơn giản hóa bài toán, ta xuất phát từ nhận xét sau: Thực tế, các điểm a, b, c hay d ở hình vẽ trên chính là vị trí của con chuột trong các thời điểm t khác nhau: t0, t1, t2, t3. Do các thời điểm t này là tương đối gần nhau (cách nhau vài phần trăm mili giây) cho nên các khoảng cách a,b,c,d là khá sát nhau. Do vậy, chúng ta có thể xấp xỉ các đường cong bậc cao trở về đường cong bậc 1 tức là đoạn thẳng.