Tài liệu Nghiên cứu dịch vụ Web OGC (Open Geospatial consortium) và ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒ TRUNG NGUYÊN NGHIÊN CỨU DỊCH VỤ WEB OGC (open geospatial consortium) Ngành VÀ ỨNG DỤNG : Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Kỹ thuật phần mềm Mã số : 60480103 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. ĐẶNG VĂN ĐỨC HÀ NỘI - 2014 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng nội dung và những kết quả của luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự nghiên cứu dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Đặng Văn Đức. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều đƣợc trình bày là của cá nhân tôi hoặc đƣợc tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác. Tất cả các tài liệu tham khảo đều đƣợc trích dẫn rõ ràng ở phần cuối của luận văn. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày...... tháng..... năm 2014 Học viên Hồ Trung Nguyên 2 LỜI CẢM ƠN Tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới sự giúp đỡ của giảng viên hƣớng dẫn PGS.TS. Đặng Văn Đức. Thầy đã tận tình giúp đỡ tôi về chuyên môn, nghiên cứu và định hƣớng phát triển trong suốt thời gian làm luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến tập thể các thầy cô giáo trong Khoa CNTT – ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội vì đã truyền đạt những kiến thức bổ ích, hiện đại cùng các phƣơng pháp nghiên cứu khoa học để tôi có đƣợc cơ sở vững chắc và hoàn thành luận văn này. Cảm ơn bạn học viên cao học khóa K18 đã tạo điều kiện cho tôi trao đổi, chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm thực tế qua các môn học, các buổi thảo luận và làm việc cùng nhóm. Mọi ngƣời đã giúp tôi hiểu thêm những vấn đề mà tôi không có điều kiện tìm hiểu, chỉ cho tôi những thứ tôi chƣa làm đƣợc. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi vì đã luôn ủng hộ tôi trên con đƣờng học tập và nghiên cứu với nhiều khó khăn, vất vả. Tuy rằng, tôi đã cố gắng hết sức trong quá trình làm luận văn nhƣng không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận đƣợc những góp ý của thầy cô và các bạn. Hà Nội, Tháng 4 – Năm 2014 3 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Ngày nay, Hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System) đã phát triển rất mạnh. Cùng với sự bùng nổ về công nghệ ứng dụng Internet, các phát triển công nghệ GIS cho phép chia sẻ thông tin thông qua mạng toàn cầu bằng cách kết hợp GIS và Web hay còn gọi là WebGIS. Nó đƣợc ứng dụng vào rất nhiều ngành và lĩnh vực khác nhau nhƣ lĩnhvực về kinh tế - xã hội, tài nguyên môi trƣờng, bản đồ tìm đƣờng đi, bản đồ địa chất, khoáng sản… Vì thế, những ƣu điểm của công nghệ GIS đang đƣợc quan tâm và phát triển. Tuy nhiên chi phí cho phần mềm về GIS là rất cao. Vì vậy, xu hƣớng phát triển phần mềm dựa trên công nghệ mã nguồn mở cũng đang đƣợc phát triển rất mạnh và nhanh chóng đƣợc sự hƣởng ứng và đóng góp của nhiều tổ chức trên thế giới. Tổ chức OGC (Open Geospatial Consortium) với mục tiêu xây dựng các chuẩn thực thi chung cho lĩnh vực dữ liệu không gian càng đƣa GIS gần đến với mọi ngƣời hơn. Và nhƣ chúng ta đã biết, WebGIS kết hợp với các chuẩn mở OGC là con đƣờng giới thiệu những sản phẩm về GIS và dữ liệu địa lý nhanh và hiệu quả đến cộng đồng mạng toàn thế giới. Trong nội dung luận văn, mục đích chính là cung cấp một số khái niệm cơ bản nhất về hệ thống thông tin địa lý (GIS), WebGIS và một số công nghệ mã nguồn mở, trên cơ sở đó xây dựng dịch vụ Web ứng dụng trong thống kê kinh tế - xã hội của một thành phố. Phƣơng pháp nghiên cứu chính của luận văn là tìm hiểu về các phầm mềm mã nguồn mở, tìm đọc các tài liệu có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu, trên cơ sở đó xây dựng dịch vụ WebGIS ứng dụng thống kê kinh tế - xã hội thành phố Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình. Cài đặt và thử nghiệm dịch vụ WebGIS đã xây dựng. 4 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. 1 LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 2 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN ................................................................... 3 MỤC LỤC ............................................................................................................. 4 BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................... 8 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................................... 10 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ ............................. 11 1.1. Giới thiệu tổng quan về GIS ........................................................................ 11 1.1.1. GIS là gì ........................................................................................................11 1.1.2. Các thành phần của Gis.................................................................................11 1.1.2.1. Phần cứng .............................................................................................12 1.1.2.2. Phần mềm ..............................................................................................12 1.1.2.3. Dữ liệu ...................................................................................................12 1.1.2.4. Con ngƣời ..............................................................................................13 1.1.2.5. Phƣơng pháp phân tích .........................................................................13 1.1.3. Các chức năng của GIS .................................................................................13 1.1.3.1. Thu thập (Cature ) ................................................................................14 1.1.3.2. Lƣu trữ ( Store ) .....................................................................................14 1.1.3.3. Truy vấn ( Query ) .................................................................................14 1.1.3.4. Phân tích ( Analyze ) .............................................................................14 1.1.3.5. Hiển thị ( Display ) ................................................................................14 1.1.3.6. Xuất dữ liệu ( Output ) ..........................................................................14 1.2. Các mô hình dữ liệu GIS .............................................................................. 14 1.2.1. Mô hình dữ liệu Vector .................................................................................14 1.2.1.1 Giới thiệu mô hình dữ liệu Vector .........................................................14 1.2.1.2. Cấu trúc trong dữ liệu Vector ...............................................................16 1.2.3. Mô hình dữ liệu Raster .................................................................................19 1.2.3.1. Giới thiệu mô hình dữ liệu Raster ........................................................19 1.2.3.2. Đặc điểm dữ liệu raster.........................................................................20 1.2.3.3. Chuyển đổi cơ sở dữ liệu dạng vector và raster ...................................22 1.2.3.4. So sánh ƣu và nhƣợc điểm của dữ liệu raster và vector ........................23 1.3. Tổng quan về WebGIS ................................................................................. 24 1.3.1. Kiến trúc WebGIS ............................................................................... 25 5 1.3.1.1.Tầng trình bày (Presentation tier) ...........................................................26 1.3.1.2. Tầng giao dịch (Bussines tier) ...............................................................26 1.3.1.3. Tầng dữ liệu (Data tier) .........................................................................26 1.3.2. Chức năng WebGIS ...................................................................................... 27 1.3.3. Ứng dụng của WebGIS .................................................................................28 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU VỀ OGC VÀ CÔNG NGHỆ WEBGIS NGUỒN MỞ....................................................................................................................... 29 2.1 Giới thiệu về OGC (Open Geospatial Consortium) ...................................... 29 2.1.1. Lịch sử của tổ chức OGC ..............................................................................29 2.2 Dịch vụ OGC cho GIS .................................................................................. 30 2.2.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động của kiến trúc hƣớng dịch vụ (SOA) .....30 2.2.1.1. Khái niệm ..............................................................................................30 2.2.1.2. Nguyên lý SOA .....................................................................................31 2.2.2. OGC Web service (OWS) .............................................................................32 2.2.3. Web Map Service (WMS) ............................................................................34 2.2.4. Web Feature Service (WFS) .........................................................................35 2.3. Công nghệ mã nguồn mở dựng để xây dựng WebGIS ................................ 36 2.3.1. PostgreSQL ...................................................................................................36 2.3.1.1. Các công cụ quản trị PostgreSQL .........................................................36 2.3.1.2. Phần mở rộng PostGIS .........................................................................36 2.3.2. Mapbuilder ....................................................................................................36 2.3.3. GeoServer .....................................................................................................39 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG DỊCH VỤ WEBGIS ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH SỒ LIỆU THỐNG KÊ THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI TỈNH QUẢNG BÌNH............. 43 3.1 Phân tích ........................................................................................................ 43 3.1.1 Hiện trạng và nhu cầu thông tin .....................................................................43 3.1.2. Phân tích hệ thống và định hƣớng công nghệ ...............................................43 3.3. Mô hình hệ thống ......................................................................................... 44 3.4. Thiết kế ......................................................................................................... 45 3.4.1. Thiết kế kiến trúc hệ thống ...........................................................................45 3.4.2. Thiết kế chức năng ........................................................................................ 46 3.4.2.1. Sơ đồ chức năng chính ..........................................................................46 3.4.2.2. Mô tả chức năng ....................................................................................46 3.4.3. Thiết kế giao diện.......................................................................................... 47 3.4.3.1. Giao diện quản trị ..................................................................................47 3.4.3.2. Giao diện ngƣời dùng ............................................................................48 6 3.5. Xây dựng hệ thống ....................................................................................... 49 3.5.1. Cài đặt và sử dụng PostgresSQL+PostGIS ...................................................50 3.5.1.1. Cài đặt hệ quản trị cơ sở dữ liệu PostgreSQL .......................................50 3.5.1.1. Import shapefile vào PostgreSQL/PostGIS – Kết nối gvSIG với CSDL ............................................................................................................................54 3.5.1.2. Đƣa CSDL trong postgreSQL lên GeoServer và tạo kiểu hiển thị (style) cho các lớp dữ liệu..............................................................................................56 3.6. Cài đặt và thử nghiệm .................................................................................. 63 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 65 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 66 7 BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải GIS Geographic Information System OGC Open Geospatial Consortium Tiếng Việt Hệ thống thông tin địa lý Một tổ chức xây dựng các chuẩn mở trên cơ sở vị trí và không gian địa lý Website Geographic Hệ thống thông tin địa lý trên nền tảng Information System Web SOA Service Oriented Architecture Kiến trúc hƣớng dịch vụ MVC Model-View-Controller Kiến trúc phần mềm MVC HTML HyperText Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản XML eXtensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng GML Geography Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu địa lý WMS Web Map Service Tạo và hiển thị các bản đồ WFS Web Feature Service CAT Catalog Interface Định nghĩa các giao diện chuẩn SLD Styled Layer Descriptor Một mã hóa cho đặc tả WMS CSDL Database System Cơ sở dữ liệu của hệ thống WebGIS Cung cấp dữ liệu thực đƣợc mã hóa trong GML 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các thành phần của GIS ................................................................................12 Hình 1.2. Biểu diễn bản đồ vector( Nguồn: Đặng Văn Đức, 2001) ..............................15 Hình 1.3. Dữ liệu topology vector .................................................................................17 Hình 1.4. Biểu đồ dữ liệu raster (Nguồn: Đặng Văn Đức, 2001) .................................20 Hình 1.5. Biểu diễn các đối tƣợng cơ sở trong raster ....................................................22 Hình 1.6. Sự chuyển đổi giữa hai mô hình vector và raster ..........................................22 Hình 1.7. Chuyển đổi cấu trúc dữ liệu (Nguồn: Tor Bernhardsen, 1992) .....................23 Hình 1.8. Mô hình WebGIS Nguồn http://gis.ascc.net/STIS/eng/main2-3.html ..........25 Hình 1.9. Mô hình 3 lớp trong kiến trúc WebGIS.........................................................27 Hình 2.1. Mô hình cơ bản của SOA ..............................................................................31 Hình 2.2. Giao diện của Web Map Service ...................................................................34 Hình 2.3. Mô hình MapBuilder .....................................................................................38 Hình 2.4. Giao diện GeoServer .....................................................................................40 Hình 2.5. Quy trình hiển thị bản đồ trên GeoServer .....................................................41 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống ................................................................................................45 Hình 3.2: Sơ đồ các chức năng chính ............................................................................46 Hình 3.3: Sơ đồ web dành cho ngƣời quản trị ...............................................................47 Hình 3.4: Sơ đồ web dành cho ngƣời dùng ...................................................................48 Hình 3.5: Giao diện trang chủ .......................................................................................48 Hình 3.6: Giao diện bản đồ............................................................................................49 Hình 3.7. Sơ đồ tổ chức trang Web ...............................................................................50 Hình 3.8. Cấu trúc template_postgis .............................................................................51 Hình 3.9. Giao diện pgAdmin III của PostgreSQL .......................................................51 Hình 3.10. Giao diện tạo mới Database.........................................................................51 Hình 3.11. Cấu trúc tạo Database ..................................................................................52 Hình 3.12. Restore Database vào CSLD .......................................................................53 Hình 3.13. Cấu trúc bảng trong CSDL ..........................................................................53 Hình 3.14. Cấu trúc template_postgis ..........................................................................54 Hình 3.15. Tạo mới GIS database trên cơ sở template_postgis ....................................54 Hình 3.16. Menu Plugins trong PostgreSQL .................................................................55 Hình 3.17. Cửa sổ Shape File to PostGIS Importer ......................................................55 Hình 3.18. Dữ liệu bảng cây xanh trong pgAdmin III ..................................................56 Hình 3.19. Hộp thoại tạo Workspace .............................................................................56 Hình 3.20. Hộp thoại tạo Store ......................................................................................57 Hình 3.21. Hộp thoại thông tin về kho dữ liệu ..............................................................57 9 Hình 3.22. Hộp thoại chon hệ tọa độ trong GeoServer .................................................58 Hình 3.23. Code tạo kiểu hiển thị ..................................................................................59 Hình 3.24. Code tạo kiểu hiển thị hành chính phƣờng ..................................................60 Hình 3.25. Hộp thoại chọn kiểu hiển thị (style) cho lớp bản đồ (layer)........................61 Hình 3.26. Lớp bản đồ hành chính phƣờng đƣợc chọn kiểu hiển thị ............................62 10 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Cấu trúc Spaghetti............................................................................... 16 Bảng 1.2. Bảng Topology vùng .......................................................................... 18 Bảng 1.3. Bảng Topology cung........................................................................... 18 Bảng 1.4. Bảng Topology nút ............................................................................. 18 Bảng 1.5. Bảng dữ liệu tọa độ cung .................................................................... 19 11 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ 1.1. Giới thiệu tổng quan về GIS 1.1.1. GIS là gì Hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System) ra đời từ những năm 1960 và phát triển mạnh mẽ trong khoảng 10 năm trở lại đây. GIS là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tƣợng thực trên trái đất. Công nghệ GIS kết hợp các cơ sở dữ liệu thông thƣờng và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý là hình ảnh đƣợc cung cấp từ các bản đồ. GIS đƣợc hình thành từ nhiều ngành khoa học: Địa lý, bản đồ, tin học và toán học. Bắt đầu từ thập niên 80, GIS đã trở nên phổ biến trong các lĩnh vực thƣơng mại, khoa học và quản lý. Chúng ta có thể gặp nhiều cách định nghĩa về GIS, ví dụ: - GIS là một tập hợp của các phần cứng, phần mềm máy tính cùng với các thông tin địa lý mô tả không gian. Tập hợp này đƣợc thiết kế để có thể thu thập, lƣu trữ, cập nhật, thao tác, phân tích, thể hiện tất cả các hình thức thông tin mang tính không gian. - GIS là một hệ thống máy tính đƣợc thiết kế để làm việc với các dữ liệu trong hệ toạ độ quy chiếu. GIS bao gồm một hệ cơ sở dữ liệu và các phƣơng thức để thao tác với dữ liệu đó. - Một hệ thống đƣợc gọi là GIS nếu nó có các công cụ hỗ trợ cho việc thao tác với dữ liệu không gian. - Cơ sở dữ liệu GIS là sự tổng hợp có cấu trúc các dữ liệu số hóa không gian và phi không gian về các đối tƣợng bản đồ, mối liên hệ giữa các đối tƣợng không gian và các tính chất của một vùng của đối tƣợng. Từ các định nghĩa trên, ta có thể hiểu một cách tổng quát về GIS nhƣ sau. Theo [2] “Hệ thống các công cụ nền máy tính dùng để thu thập,lưu trữ, truy cập và biến đổi, phân tích và thể hiện dữ liệu liên quan đến các vị trí trên bề mặt trái đất và tích hợp các thông tin này vào quá trình ra quyết định”. 1.1.2. Các thành phần của Gis GIS đƣợc kết hợp bởi 5 thành phần cơ bản: Con ngƣời, phần cứng, phần mềm, dữ liệu và phƣơng pháp phân tích 12 Hình 1.1. Các thành phần của GIS 1.1.2.1. Phần cứng Phần cứng là hệ thống máy tính mà trên đó một hệ GIS hoạt động. Phần cứng bao gồm máy tính, máy in, màn hình, thiết bị nhập dữ liệu và các thiết bị mạng cần thiết khi triển khai GIS trên môi trƣờng mạng. 1.1.2.2. Phần mềm Một phần mềm GIS thƣờng có 4 chức năng chính: - Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau. - Lƣu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tin thuộc tính - Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối ƣu và mô hình mô phỏng không gian- thời gian. - Hiển thị và trình bày thông tin dƣới các dạng khác nhau, với các biện pháp khác nhau. 1.1.2.3. Dữ liệu Dữ liệu trong hệ thống thông tin địa lý là những dữ liệu luôn thay đổi và rất phức tạp. Chúng bao gồm những mô tả số của hình ảnh bản đồ , mối quan hệ logic giữa các hình ảnh đó, những dữ liệu thể hiện các đặc tính của hình ảnh và các hiện tƣợng xảy ra tại các vị trí địa lý xác định. Theo [4] “Dữ liệu địa lý được tham chiếu tới các vị tri trên bề mặt Trái Đất thông qua việc sử dụng một hệ thống các tọa độ chuẩn. Hệ thống này có thể mang tính chất cục bộ như trong trường hợp khảo sát một khu vực có diện tích nhỏ, hoặc cũng có thể được định vị trong một hệ tọa độ mang tính quốc gia hoặc quốc tế” 13 Một cơ sở dữ liệu địa lý thƣờng đƣợc chia thành hai loại dữ liệu cơ bản đó là dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian. Mỗi loại có những đặc điểm riêng và chúng khác nhau về yêu cầu lƣu trữ số liệu, hiệu quả, xử lý và hiển thị. Dữ liệu không gian ( spatial) cho ta biết về kích thƣớc vật lý và vị trí địa lý của các đối tƣợng trên bề mặt trái đất. Các dữ liệu không gian biểu diễn các đối tƣợng địa lý ứng với những sự vật đã đƣợc định vị của thế giới thực. Dữ liệu phi không gian (non-spatial) hay còn gọi là dữ liệu thuộc tính: Là các dữ liệu ở dạng văn bản mô tả các đặc điểm của các đối tƣợng địa lý. 1.1.2.4. Con ngƣời Con ngƣời là nhân tố thực hiện các thao tác điều hành sự hoạt động của các hệ thống GIS, vì GIS thƣờng là hệ thống lớn và phức tạp nên cũng có nhiều đối tƣợng con ngƣời khác nhau với các mục đích khác nhau nhƣ: - Ngƣời dùng GIS: Là những ngƣời sử dụng các phần mềm GIS để giải quyết các bài toán không gian theo mục đích của họ. Họ thƣờng là những ngƣời đƣợc đào tạo tốt về lĩnh vực GIS hay là các chuyên gia. - Ngƣời xây dựng bản đồ: Sử dụng các lớp bản đồ đƣợc lấy từ nhiều nguồn khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu. - Ngƣời xuất bản: Sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dƣới nhiều định dạng khác nhau. - Ngƣời phân tích: Giải quyết các vấn đề nhƣ tìm kiếm, xác định vị trí… - Ngƣời xây dựng dữ liệu: Là những ngƣời chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng các cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL… - Ngƣời quản trị CSDL: Quản lý CSDL GIS và đảm bảo hệ thống vận hành tốt. - Ngƣời thiết kế CSDL: Xây dựng các mô hình dữ liệu lôgic và vật lý. 1.1.2.5. Phƣơng pháp phân tích Ðây là phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS. Hệ thống GIS cần đƣợc điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này đƣợc giao nhiệm vụ xây dựng hoặc cải tạo các phần mền GIS để đáp ứng các nhu cầu cụ thể. 1.1.3. Các chức năng của GIS Hệ thống thông tin địa lý có sáu chức năng chính: Thu thập, lƣu trữ, truy vấn, phân tích, hiển thị và xuất dữ liệu. 14 1.1.3.1. Thu thập (Cature ) Dữ liệu của hệ thống thông tin điạ lý có thể đƣợc cung cấp từ bản đồ giấy, số liệu ghi nhận trên giấy, ảnh vệ tinh hoặc ảnh máy bay, các thiết bị đo đạc kỹ thuật số, các thiết bị định vị mặt đất, các thiết bị định vị vệ tinh (GPS: Global Position System), hệ thống thu thập dữ liệu tự động (SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition),… 1.1.3.2. Lƣu trữ ( Store ) Các đối tƣợng không gian địa lý có thể biểu diễn theo mô hình vector hoặc raster. 1.1.3.3. Truy vấn ( Query ) Ngƣời dùng có thể truy vấn thông tin đồ họa hiển thị trên bản đồ. 1.1.3.4. Phân tích ( Analyze ) Phân tích dữ liệu là khả năng trả lời những câu hỏi về sự tác động lẫn nhau của những mối quan hệ không gian và thuộc tính giữa nhiều tập dữ liệu. Hỗ trợ việc ra quyết định của ngƣời dùng. Xác định những tình huống có thể xảy ra khi bản đồ có sự thay đổi. 1.1.3.5. Hiển thị ( Display ) Dữ liệu GIS đƣợc hiển thị lên màn hình máy tính hoặc trên giấy in để cung cấp thông tin cho ngƣời dùng. Trong GIS ngƣời ta dùng hình ảnh, hình vẽ, mô hình trực quan, chữ viết, biểu đồ, bản đồ, bảng thống kê, ký hiệu, màu sắc, âm thanh để trình bày vị trí và thuộc tính của các đối tƣợng và các kết quả phân tích. 1.1.3.6. Xuất dữ liệu ( Output ) Hỗ trợ việc kết xuất dữ liệu bản đồ dƣới nhiều định dạng: Giấy in, ảnh, file… 1.2. Các mô hình dữ liệu GIS 1.2.1. Mô hình dữ liệu Vector 1.2.1.1 Giới thiệu mô hình dữ liệu Vector Mô hình dữ liệu vector coi các đối tƣợng là tập các thực thể không gian cơ sở và tổ hợp giữa chúng. Các đối tƣợng không gian khi biểu diễn ở cấu trúc dữ liệu vector đƣợc tổ chức dƣới dạng điểm (point), đƣờng (line) và vùng (polygon) và đƣợc biểu diễn trên một hệ thống tọa độ nào đó. - Điểm: Điểm là hình thức cơ bản nhất của dữ liệu vector. Điểm (thực thể địa lý) đƣợc thể hiện nhƣ một vector có độ dài bằng không (không có kích thƣớc), và vị trí của nó đƣợc xác định bởi một cặp tọa độ (x,y) duy nhất. Ngoài ra thì các dữ liệu mô tả điểm đó nhƣ ký hiệu, tên gọi…cũng đƣợc lƣu trữ cùng với cặp tọa độ. 15 Điểm biểu diễn các feature (tính năng) không có miền bao hay độ dài, nhiều khi nó biểu diễn các tính năng có kích thƣớc quá nhỏ so với tỷ lệ của bản đồ. Ví dụ nhƣ vị trí các cột đèn, vị trí xảy ra tai nạn, các trung tâm (địa chỉ, chủ sở hữu)… - Đƣờng: Thực thể đƣờng (line entity): đƣợc định nghĩa nhƣ là tập hợp các thực thể địa lý đƣợc xác định bằng những đoạn thẳng có ít nhất hai hay nhiều cặp tọa độ. Đƣờng đơn giản nhất là đƣờng nối giữa hai điểm bất kỳ có toạ độ (Xi, Yi) và (Xj Yj) và có thể kèm theo dữ liệu ký hiệu thể hiện nó trên bản đồ. Điểm xuất phát và điểm kết thúc của đƣờng gọi là nút (node) và các điểm tạo nên đƣờng gọi là đỉnh (Vertices). Đƣờng dùng để biểu diễn các feature có chiều dài xác định nhƣng không có miền bao hay những feature rất hẹp so với tỷ lệ bản đồ. Ví dụ nhƣ: Đƣờng phố, sông suối, hệ thống nƣớc… - Vùng Polygons là đối tƣợng hai chiều, có vị trí, có chiều dài, và có cả chiều rộng (hay có diện tích) khép kín bởi các đƣờng. Vậy vùng là tổ hợp của đƣờng khép kín nên toạ độ của vùng tại ranh giới vùng chính là toạ độ của các điểm (nút hoặc vertex) nằm trong các đƣờng hình thành nên vùng. Khi có bất kỳ toạ độ nào nằm trong vùng mà không đƣợc ghi nhận trong cơ sở dữ liệu vùng, GIS có thể cho phép đƣa ra toạ độ của chúng bằng các modul nội suy một cách nhanh chóng và chính xác. Vùng đƣợc dùng để biểu diễn các tính năng có miền bao xác định: ruộng đất, ao, hồ, vùng lũ lụt…. Hình 1.2. Biểu diễn bản đồ vector [1] 16 1.2.1.2. Cấu trúc trong dữ liệu Vector 1.2.1.2.1. Cấu trúc Spaghetti: Cấu trúc dữ liệu Spaghetti mỗi điểm đƣợc xác định bằng cặp tọa độ (x,y), mỗi đƣờng đƣợc biểu diễn bằng một chuỗi những cặp tọa độ (xi,yi) này, và mỗi vùng cũng đƣợc xác định bằng một chuỗi các cặp tọa độ (xi,yi) nhƣng có tọa độ điểm đầu và tọa độ điểm cuối trùng nhau. Cấu trúc Spaghetti không lƣu trữ các đặc trƣng giống nhau của các đối tƣợng không gian trên cùng hệ tọa độ, nghĩa là tại đƣờng chung của hai vùng kề nhau thì có hai đƣờng độc lập. Ví dụ cho hai vùng : Vùng a và vùng b có cung AB chung, cấu trúc Spaghetti biểu diễn hai vùng nhƣ sau: Bảng 1.1. Cấu trúc Spaghetti Đặc trƣng Vị trí Điểm A (xA, yA) Điểm B (xB, yB) Cung AB (xA, yA), (xB, yB) Vùng a (xA, yA), (xa1, ya1), …, (xa5, ya5) , (xB, yB), (xA, yA) Vùng b (xA, yA), (xb1, yb1), (xb2, yb2), (xb3, yb3) , (xB, yB), (xA, yA) 17 Cấu trúc Spaghetti thƣờng đƣợc sử dụng để lập bản đồ số, nhƣng không thích hợp cho bài toán phân tích GIS vì không mô tả đƣợc các quan hệ không gian. 1.2.2.2.2. Cấu trúc Topology Để giải quyết vấn đề quan hệ không gian thì cấu trúc Topology là một phƣơng án khả thi. Trong hệ thống thông tin địa lý, cấu trúc Topology còn đƣợc gọi là cấu trúc cung-nút (arc-node). Cấu trúc Topology đƣợc xây dựng trên mô hình dữ liệu cung-nút với cung là phần tử cơ sở. Việc xác định các đối tƣợng không gian dựa trên các định nghĩa sau: Mỗi cung đƣợc xác định bởi hai điểm đầu và điểm cuối gọi là nút, còn các điểm giữa cung xác định hình dạng của cung gọi là đỉnh. Các cung giao nhau tại nút, kết thúc một cung phải là nút. Vùng là tập hợp các cung nối liền và khép kính, những cung này chính là đƣờng biên của vùng. Một vùng có thể đƣợc giới hạn bởi hai đƣờng cong khép kín lòng vào nhau và không cắt nhau. Trong cấu trúc Topology, các đối tƣợng không gian đƣợc mô tả trong bốn bảng dữ liệu: bảng tọa độ cung, bảng topology cung, bảng topology nút và bảng topology vùng. Giữa các bảng này có quan hệ với nhau thông qua cung. Từ đây, ta có thể phân tích các quan hệ của các đối tƣợng không gian trên cùng một hệ tọa độ. Hình 1.3. Dữ liệu topology vector 18 Bảng 1.2. Bảng Topology vùng Topology vùng Vùng Cung A AB,AaB B AB,AbB Vùng ngoài a và b Ngoài Bảng 1.3. Bảng Topology cung Topology cung Cung Nút đầu Nút cuối Vùng trái Vùng phải AB A B A B AaB A B Vùng ngoài A Aba A B B Vùng ngoài Bảng 1.4. Bảng Topology nút Topology nút Nút Cung A AB,AaB B AB,AbB 19 Bảng 1.5. Bảng dữ liệu tọa độ cung Dữ liệu tọa độ cung Cung AB Nút đầu (x,y) Đỉnh vertex(x,y) Nút cuối (x,y) A AaB A AbB A B a1, a2, a3, a4, a5 B b1, b2, b3 B - Bảng Topology vùng xác định những cung làm đƣờng biên của vùng, phần bên ngoài bản đồ cũng đƣợc xem nhƣ một vùng không xác định cung đƣờng biên. - Bảng Topology nút xác định mỗi nút thuộc những cung nào. - Bảng Topology cung xác định quan hệ của nút và vùng với cung. Từ ba bảng này, ta có thể phân tích các quan hệ của các phần tử trong bản đồ. Bảng thứ tƣ lƣu trữ tọa độ của các cung bằng cách lƣu trữ tọa độ của các nút và các đỉnh của cung, để từ đó vị trí của mỗi phần tử trên bản đồ đƣợc liên hệ với thế giới thực. 1.2.3. Mô hình dữ liệu Raster 1.2.3.1. Giới thiệu mô hình dữ liệu Raster Cấu trúc raster là một trong những cấu trúc dữ liệu đơn giản nhất trong GIS. Nó còn đƣợc gọi là “tổ chức theo ô vuông của dữ liệu không gian” (cellular organization of spatial data). Nó biểu diễn các đặc trƣng địa lý bằng các điểm ảnh (pixel). Pixel là phần tử cơ sở của cấu trúc dữ liệu Raster để biểu diễn một đặc trƣng