4.1.1. Yêu cầu phần mềm
Hiện nay các phần mềm thƣơng mại nhƣ: Arcgis desktop, MapInfo, Map Generalization,... cung cấp các công cụ để thực hiện các thao tác khái quát hóa bản đồ. Tại Việt Nam những nghiên cứu về khái quát hóa bản đồ tự động đƣợc đầu tƣ, quan tâm nhằm đáp ứng các yêu cầu bức thiết khi xây dựng cơ sở dữ liệu bản đồ. Bên cạnh các yêu cầu về độ tin cậy, tính chính xác, thời gian xử lý,... ngƣời thao tác cần phải đƣợc cung cấp các công cụ khái quát hoá có mức độ tự động cao, có thể đáp ứng nhanh chóng các yêu cầu đa dạng của ngƣời sử dụng về tỷ lệ, phạm vi, chuyên đề và mức độ chi tiết.
Việc đƣa vào sử dụng các công cụ khái quát hóa giúp giảm bớt chi phí và nâng cao chất lƣợng thành lập bản đồ số. Hiện tại các công cụ này tƣơng đối ít, chủ yếu dành cho khái quát hoá các đối tƣợng độc lập, đòi hỏi sự can thiệp của kỹ thuật viên ở nhiều công đoạn.
Các mục tiêu mà phần mềm hỗ trợ khái quát hóa tự động nhằm tới là giảm thiểu đƣợc các công đoạn thủ công khái quát hóa bản đồ trong qui trình thành lập bản đồ bằng công nghệ số, tiến tới đáp ứng các yêu cầu về chiết xuất các gói dữ liệu từ cơ sở dữ liệu địa hình quốc gia theo các yêu cầu và qui định do ngƣời dùng tự định nghĩa.
Những yêu cầu chung đối với phần mềm hỗ trợ khái quát hóa tự động bao gồm: - Cung cấp những chức năng cần thiết cho công tác khái quát hóa bản đồ trong qui trình thành lập bản đồ từ dữ liệu địa lý tỷ lệ lớn hơn.
- Đáp ứng các qui định, qui phạm, chuẩn hiện hành về dữ liệu địa lý.
- Có khả năng trao đổi dữ liệu với các phần mềm quản lý dữ liệu địa lý thông dụng.
- Tốc độ xử lý nhanh, ổn định.
- Sử dụng đơn giản, giao diện bằng tiếng Việt, các chức năng gần gũi với các cán bộ chuyên môn.
56
4.1.2. Các chức năng của phần mềm
Trong phạm vi nghiên cứu, tìm hiểu của luận văn, phần mềm đƣợc xây dựng với những tính năng cơ bản sau:
- Hỗ trợ hiển thị, thao các các định dạng dữ liệu cơ bản: ESRI Shapefile(Dữ liệu shapfile là cấu trúc dữ liệu GIS của công ty ESRI, Một shapefile đƣợc tổ chức thành các tập tin riêng rẽ tối thiểu cần có 3 tập tin với phần mở rộng là ".shp", ".shx" và ".dbf".), Raster(.bmp, .gif, .png,...),...
- Chức năng phân tích dữ liệu: cho phép thống kê số lƣợng đối tƣợng dạng vùng, dạng điểm, dạng đƣờng theo sơ đồ phân mảnh, theo địa phận, theo phạm vi bất kỳ.
- Các chức năng thao tác trên bản đồ: dịch chuyển bản đồ, phóng to, thu nhỏ, hiển thị vừa khung, đo đạc, xem thông tin đối tƣợng đƣợc chọn,...
- Chức năng tổng quát hóa các đối tƣợng dạng điểm nhƣ lọc bỏ dữ liệu theo thông tin thuộc tính, mức độ quan trọng.
- Chức năng tổng quát hóa các đối tƣợng dạng đƣờng bao gồm lọc bỏ dữ liệu theo thông tin thuộc tính, theo ngƣỡng chiều dài tối thiểu, đơn giản hóa dữ liệu không gian sử dụng các thuật toán đơn giản hóa đƣờng cong.
- Chức năng tổng quát hóa các đối tƣợng dạng vùng nhƣ lọc bỏ dữ liệu theo thuộc tính, theo diện tích tối thiểu.
4.2. Giải pháp triển khai 4.2.1. Công nghệ GIS 4.2.1. Công nghệ GIS
Hiện nay có rất nhiều công nghệ lõi GIS phục vụ phát triển, xây dựng các ứng dụng GIS. Có thể chia ra làm hai mảng thƣơng mại: ArcGIS Engine, MapX, MapSuite,... và mã nguồn mở: MapWindows, SharpMap, DotSpatial,...
Phần mềm đƣợc xây dựng sử dụng bộ thƣ viện mã nguồn mở DotSpatial. Đây là bộ thƣ viện hỗ trợ khá nhiều tính năng đồ họa, cho phép thể hiện tốt các đối tƣợng không gian, lực nét, nhãn và ký hiệu bản đồ.
DotSpatial cung cấp môi trƣờng lập trình thuận tiện cho các nhà phát triển ứng dụng có thể xây dựng và mở rộng các ứng dụng GIS.
DotSpatial cung cấp các thành phần cơ bản: - Cung cấp các dịch vụ truy xuất dữ liệu.
- Cung cấp các chức năng biên tập, trình bày bản đồ. - Cung cấp các control cơ bản: MapControl, Legend,... - Cung cấp các API cho việc mở rộng, xây dựng ứng dụng.
57
4.2.2. Ngôn ngữ lập trình
Sử dụng ngôn ngữ lập trình C# .NET. Đây là một ngôn ngữ rất đơn giản, với khoảng 80 từ khoá và hơn mƣời kiểu dữ liệu dựng sẵn, nhƣng C# có tính diễn đạt cao. C# hỗ trợ lập trình có cấu trúc, hƣớng đối tƣợng, hƣớng thành phần (component oriented).
Trọng tâm của ngôn ngữ hƣớng đối tƣợng là lớp. Lớp định nghĩa kiểu dữ liệu mới, cho phép mở rộng ngôn ngữ theo hƣớng cần giải quyết. C# có những từ khoá dành cho việc khai báo lớp, phƣơng thức, thuộc tính (property) mới. C# hỗ trợ đầy đủ khái niệm trụ cột trong lập trình hƣớng đối tƣợng: đóng gói, thừa kế, đa hình.
Định nghĩa lớp trong C# không đòi hỏi tách rời tập tin tiêu đề với tập tin cài đặt nhƣ C++. Hơn thế, C# hỗ trợ kiểu sƣu liệu mới, cho phép sƣu liệu trực tiếp trong tập tin mã nguồn. Đến khi biên dịch sẽ tạo tập tin sƣu liệu theo định dạng XML.
C# hỗ trợ khái niệm giao diện, interfaces (tƣơng tự Java). Một lớp chỉ có thể kế thừa duy nhất một lớp cha nhƣng có thế cài đặt nhiều giao diện.
C# có kiểu cấu trúc, struct (không giống C++). Cấu trúc là kiểu hạng nhẹ và bị giới hạn.Cấu trúc không thể thừa kế lớp hay đƣợc kế thừa nhƣng có thể cài đặt giao diện.
C# cung cấp những đặc trƣng lập trình hƣớng thành phần nhƣ property, sự kiện và dẫn hƣớng khai báo (đƣợc gọi là attribute). Lập trình hƣớng component đƣợc hỗ trợ bởi CLR thông qua siêu dữ liệu (metadata). Siêu dữ liệu mô tả các lớp bao gồm các phƣơng thức và thuộc tính, các thông tin bảo mật ….
Assembly là một tập hợp các tập tin mà theo cách nhìn của lập trình viên là các thƣ viện liên kết động (DLL) hay tập tin thực thi (EXE). Trong .NET một assembly là một đơn vị của việc tái sử dụng, xác định phiên bản, bảo mật, và phân phối. CLR cung cấp một số các lớp để thao tác với assembly.
C# cũng cho truy cập trực tiếp bộ nhớ dùng con trỏ kiểu C++, nhƣng vùng mã đó đƣợc xem nhƣ không an toàn. CLR sẽ không thực thi việc thu dọn rác tự động các đối tƣợng đƣợc tham chiếu bởi con trỏ cho đến khi lập trình viên tự giải phóng.
58
4.2.3. Tổ chức triển khai
Phần mềm đƣợc xây dựng phát triển trên môi trƣờng Microsoft Visual Studio 2010.
- Thƣ mục Core lƣu trữ các project lõi của DotSpatial, cung cấp các chức năng, API phục vụ xây dựng chƣơng trình khái quá hóa.
- Thƣ mục MapGeneralization chứa project chính của chƣơng trình khái quá hóa. - Thƣ mục Plugins chứa các project đƣợc xây dựng cung cấp, mở rộng các chức năng cho chƣơng trình chính.
Project MapGeneralizationPlugin
Cài đặt triển khai các chức năng khái quát hóa. Sử dụng các thuật toán đơn giản hóa đƣờng cong.
59
Cài đặt thuật toán Douglas- Peucker
+ Thuật toán đƣợc cài đặt trong file clsDouglasPeucker.cs
/// <summary>
/// Khái quát hóa đối tượng dạng đường
/// Sử dụng thuật toán Douglas-Peucker
/// </summary>
public class DouglasPeuckerSimplifyLine
{
//Khai báo các biến toàn cục
private readonly IList<Point> _pts; private bool[] _usePoint;
private double _tolerance;
private readonly LineSegment _seg = new LineSegment(); /// <summary>
/// Đơn giải hóa đường
/// </summary>
/// <param name="pts">Danh sách các điểm</param>
/// <param name="distanceTolerance">Dung sai</param>
/// <returns>Trả lại kết quả là tập điểm được giữ lại</returns>
public static IList<Point> Simplify(IList<Point> pts, double distanceTolerance)
{
DouglasPeuckerSimplifyLine simplify = new
DouglasPeuckerSimplifyLine(pts); simplify._tolerance = distanceTolerance; return simplify.Simplify(); } /// <summary> /// Hàm khởi tạo /// </summary>
/// <param name="pts">Danh sách điểm</param>
private DouglasPeuckerSimplifyLine(IList<Point> pts) {
_pts = pts; }
/// <summary>
/// Đơn giản hóa tập điểm _pts
/// </summary>
/// <returns></returns>
private Point[] Simplify() {
//Khởi tạo mảng bool với số phần tử bằng số lượng điểm của //đường cần giản lược
_usePoint = new bool[_pts.Count];
//Gán giá trị true cho mảng bool _usePoint
for (int i = 0; i < _pts.Count; i++) _usePoint[i] = true;
60
//Gọi hàm đơn giản hóa với đường ban đầu - vị trí điểm đầu, //điểu cuối
SimplifyLine(0, _pts.Count - 1);
//Khai báo list chứa các điểm giữ lại của đường
PointList pointList = new PointList(); //Duyệt qua danh sách điểm ban đầu
for (int i = 0; i < _pts.Count; i++)
//Nếu điểm thứ i được giữ lại (_usePoint[i] = true), thì đưa //điểm đó vào danh sách kết quả
if (_usePoint[i])
pointList.Add(new Point(_pts[i])); //Trả lại kết quả là tập điểm được giữ lại
return pointList.ToPointArray(); }
/// <summary>
/// Đơn giản hóa một đoạn trên đường gốc
/// </summary>
/// <param name="i">điểm đầu đoạn</param>
/// <param name="j">điểm cuối đoạn</param>
private void SimplifyLine(int i, int j) {
//Nếu từ i đến j là một đoạn thẳng
if ((i + 1) == j) return;
//Khởi tạo một đường thẳng
_seg.P0 = _pts[i]; _seg.P1 = _pts[j];
//Khởi tạo giá trị khoảng cách lớn nhất từ các điểm đến đường //thẳng _seg
double maxDistance = -1.0;
//Vị trí của điểm có khoảng cách lớn nhất tới đường thẳng _seg
int maxIndex = i;
//Duyệt danh sách điểm từ i đến j của đường ban đầu
for (int k = i + 1; k < j; k++) {
//Tính khoảng cách từ điểm thứ k tới đường i-j
double distance = _seg.Distance(_pts[k]);
//Xác định khoảng cách lớn nhất, và vị trị điểm có khoảng //cách lớn nhất if (distance > maxDistance) { maxDistance = distance; maxIndex = k; }
61 }
//Nếu khoảng cách lớn nhất <= dung sai
if (maxDistance <= _tolerance)
//Bỏ hết các điểm nằm trong khoảng từ i đến j
for (int k = i + 1; k < j; k++) _usePoint[k] = false;
//Xác định được một điểm có khoảng cách lớn nhất, lớn hơn dung //sai
else {
//Thực hiện đơn giản trên 2 đường mới được tạo ra,
//bẻ gẫy tại vị trí điểm có khoảng cách lớn nhất
//Đơn giản đường 1 từ i đến vị trí điểm có khoảng cách lớn //nhất
SimplifyLine(i, maxIndex);
//Đơn giản đường 2 ưừ vị trí điểm có khoảng cách lớn nhất //đến j
SimplifyLine(maxIndex, j); }
} }
62
Cài đặt thuật toán Reumann-Witkam
+ Thuật toán đƣợc cài đặt trong file clsReumannWitkam.cs /// <summary>
/// Khái quát hóa đối tượng dạng đường
/// Sử dụng thuật toán Reumann-Witkam
/// </summary>
public class ReumannWitkamSimplify
{
//Khai báo các biến toàn cục
private readonly IList<Point> _pts; private double _tolerance;
private readonly LineSegment _seg = new LineSegment(); /// <summary>
/// Đơn giải hóa đường
/// </summary>
/// <param name="pts">Danh sách các điểm</param>
/// <param name="distanceTolerance">Dung sai</param>
/// <returns>Trả lại kết quả là tập điểm được giữ lại</returns>
public static IList<Point> Simplify(IList<Point> pts, double distanceTolerance)
{
ReumannWitkamSimplify simplify = new
ReumannWitkamSimplify(pts); simplify._tolerance = distanceTolerance; return simplify.Simplify(); } /// <summary> /// Hàm khởi tạo /// </summary>
/// <param name="pts">Danh sách điểm</param>
private ReumannWitkamSimplify(IList<Point> pts) {
_pts = pts; }
/// <summary>
/// Đơn giản hóa tập điểm _pts
/// </summary>
/// <returns></returns>
private Point[] Simplify() {
//Số lượng điểm của đường cần giản lược
int pointCount = _pts.Count();
//Khai báo list chứa các điểm giữ lại của đường
PointList pointList = new PointList();
63
if (pointCount < 3 || _tolerance == 0) {
pointList.Add(new Point(_pts[0])); pointList.Add(new Point(_pts[1]));
//Trả lại kết quả là tập điểm được giữ lại
return pointList.ToPointArray(); }
//Khai báo các điểm cần kiểm tra
Point p0 = _pts[0]; Point p1 = _pts[1]; Point pi = p1; Point pj = p1;
//Điểm đầu tiên của đường được đưa vào kết quả
pointList.Add(new Point(_pts[0]));
//Kiểm tra các điểm _pts[j] sau đường thẳng _seg(_pts[0], //_pts[1])
for (int j = 2; j < pointCount; j++) {
pi = pj; pj = _pts[j];
//Tính khoảng cách từ điểm thứ j tới đường p0-p1
_seg.P0 = p0; _seg.P1 = p1;
double distance = _seg.Distance(_pts[j]);
//Nếu khoảng cách từ _pts[j] tới đường _seg[p0, p1] < dung //sai
if (distance < _tolerance) {
continue; }
//Khoảng cách từ pj tới đường _seg[p0, p1] > dung sai
//Đưa điểm pi trước pj vào kết quả
pointList.Add(new Point(pi)); //Cập nhật điểm mới p0 = pi; p1 = pj; _seg.P0 = p0; _seg.P1 = p1; }
//Điểm cuối của đường được đưa vào kết quả
pointList.Add(new Point(pj));
//Trả lại kết quả là tập điểm được giữ lại
return pointList.ToPointArray(); }
64 }
+ Giao diện của chức năng
Cài đặt thuật toán sử dụng điểm độc lập
+ Thuật toán đƣợc cài đặt trong file clsNPoint.cs
/// <summary>
/// Khái quát hóa đối tượng dạng đường
/// Sử dụng thuật toán sử dụng điểm độc lập
/// </summary>
public class clsNPointSimplify
{
//Khai báo các biến toàn cục
private readonly IList<Point> _pts; private int _nPoint;
private readonly LineSegment _seg = new LineSegment(); /// <summary>
/// Đơn giải hóa đường
/// </summary>
/// <param name="pts">Danh sách các điểm</param>
/// <param name="nPoint">Chu kỳ lấy điểm</param>
/// <returns>Trả lại kết quả là tập điểm được giữ lại</returns>
public static IList<Point> Simplify(IList<Point> pts, int nPoint) {
clsNPointSimplify simplify = new clsNPointSimplify(pts); simplify._nPoint = nPoint;
return simplify.Simplify(); }
65 /// <summary>
/// Hàm khởi tạo
/// </summary>
/// <param name="pts">Danh sách điểm</param>
private clsNPointSimplify(IList<Point> pts) {
_pts = pts; }
/// <summary>
/// Đơn giản hóa tập điểm _pts
/// </summary>
/// <returns></returns>
private Point[] Simplify() {
//Số lượng điểm của đường cần giản lược
int pointCount = _pts.Count();
//Khai báo list chứa các điểm giữ lại của đường
PointList pointList = new PointList();
//Kiểm tra thỏa mãn điều kiện để thực hiện giản lược hóa
if (pointCount < 3 || _nPoint < 2) {
pointList.Add(new Point(_pts[0])); pointList.Add(new Point(_pts[1]));
//Trả lại kết quả là tập điểm được giữ lại
return pointList.ToPointArray(); }
//Điểm đầu tiên của đường được đưa vào kết quả
pointList.Add(new Point(_pts[0])); bool bMove = true;
int intIndex = 0;
//Lấy điểm theo chu kỳ nPoint
while (bMove) {
//Xác định vị trí cần lấy tiếp theo
intIndex += _nPoint;
//Nếu vị trí lấy vượt quá hoặc số lượng điểm của _pts
if (intIndex >= _pts.Count() - 1) {
//Đưa điểm cuối vào danh sách kết quả
pointList.Add(new Point(_pts[_pts.Count() - 1])); bMove = false;
} else {
//Đưa điểm thứ intIndex vào kết quả
pointList.Add(new Point(_pts[intIndex])); }
66 }
//Trả lại kết quả là tập điểm được giữ lại
return pointList.ToPointArray(); }
}
67
4.3. Phần mềm khái quát hóa bản đồ - MapGeneralization
Hình 4-1 : Giao diện chính của phần mềm - MapGeneralization
Phần mềm MapGeneralization đƣợc xây dựng trên nền DotSpatial với các menu đƣợc tổ chức nhƣ sau:
68
Menu phân tích dữ liệu
Menu khái quát hóa bản đồ
4.3.1. Chức năng phân tích dữ liệu
Cho phép thống kê số lƣợng đối tƣợng dạng vùng, dạng điểm, dạng đƣờng theo sơ đồ phân mảnh, theo địa phận, theo phạm vi bất kỳ.