Tài liệu Xây dựng hệ thống gis ứng dụng trong quy hoạch xây dựng nông thôn

1 .. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Ngô Thanh Khiết XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIS ỨNG DỤNG TRONG QUY HOẠCH XÂY DỰNG NÔNG THÔN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Ngô Thanh Khiết XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIS ỨNG DỤNG TRONG QUY HOẠCH XÂY DỰNG NÔNG THÔN Chuyên ngành : KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số : 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.Nguyễn Đình Hóa Thái Nguyên - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 MỤC LỤC MỤC LỤC ......................................................................................................... 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 5 CHƢƠNG I: GIS VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU KHÔNG GIAN ...................... 8 1.1 Những khái niệm cơ bản về GIS ............................................................ 8 1.1.1 Hệ thông tin địa lý là gì .................................................................... 8 1.1.2 Tại sao phải sử dụng hệ thông tin địa lý .......................................... 8 1.1.3 Các thành phần chính trong hệ thông tin địa lý ............................. 11 1.2 Các chức năng của hệ thống GIS .......................................................... 14 1.2.1 Thu thập dữ liệu ............................................................................. 14 1.2.2 Xử lý sơ bộ dữ liệu ......................................................................... 15 1.2.3 Lƣu trữ và truy nhập dữ liệu .......................................................... 16 1.2.4 Tìm kiếm và phân tích không gian ................................................ 17 1.2.5 Hiện thị đồ họa và tƣơng tác .......................................................... 17 1.3. Mô hình dữ liệu không gian ................................................................ 17 1.3.1 Mô hình dữ liệu raster và vector .................................................... 18 1.3.2 Mô hình đối tƣợng địa lý ............................................................... 20 1.4 Ứng dụng của hệ thông tin địa lý .......................................................... 24 CHƢƠNG II: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG GIS BẰNG MAPWINDOW .. 26 2.1 Khung kiến trúc một ứng dụng MapWindow ....................................... 27 2.1.1 Không gian làm việc ...................................................................... 27 2.1.2 Các trình cắm thêm (Plug-in) ......................................................... 27 2.2 Tạo các lớp bản đồ chuyên đề ............................................................... 28 2.2.1 Biên tập, trình bày, xây dựng bản đồ chuyên đề ............................ 28 2.2.2 Tạo và chỉnh sửa lớp dữ liệu bản đồ .............................................. 30 2.2.3 Dữ liệu không gian ........................................................................ 43 2.3 Tính toán định lƣợng dựa trên diện tích trong MapWindow và bài toán đền bù giải tỏa mặt bằng ............................................................................. 46 2.3.1 Bài toán toán đến bù trong giải tỏa mặt bằng ................................ 46 2.3.2 Các bƣớc giải bài toán .................................................................... 48 CHƢƠNG III: PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG MAPWINDOW HỖ TRỢ BÀI TOÁN QUY HOẠCH XÂY DỰNG NÔNG THÔN .......................... 53 3.1 Bài toán quy hoạch xây dựng nông thôn.............................................. 53 3.1.1 Đặt vấn đề ..................................................................................... 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 3.1.2 Ứng dụng MapWindow hỗ trợ quy hoạch xây dựng nông thôn ... 54 3.2 Kiến trúc của hệ thống .......................................................................... 55 3.2.1 Mô hình .......................................................................................... 55 3.2.2 Mô tả .............................................................................................. 56 3.3 Mô hình phân rã chức năng .................................................................. 59 3.4 Mô hình luồng dữ liệu .......................................................................... 61 3.4.1 Mô hình luồng dữ liệu mức vật lý: ............................................. 61 3.4.2 Sơ đồ luồng dữ liệu mức đỉnh ........................................................ 64 3.5 Mô hình thực thể liên kết ...................................................................... 65 3.6 Đặc tả bảng dữ liệu trong mô hình quan hệ .......................................... 66 3.7 Cài đặt thử nghiệm ............................................................................... 68 3.7.1 Cách xây dựng plug-in đề phát triển phần mềm GIS. ............. 68 3.7.2 Cài đặt các Plug-in? ..................................................................... 69 3.7.3 Xây dựng bản đồ hiện trạng ........................................................... 69 3.7.4 Xây dựng bản đồ theo quy hoạch xây dựng nông thôn ................. 70 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 MỞ ĐẦU Xây dựng nông thôn mới là xây dựng nông thôn có kết cấu hạ tầng kinh tế xã hội từng bƣớc hiện đại cơ cấu kinh tế và các hình thức tổ chức sản xuất hợp lý, gắn nông nghiệp với phát triển nhanh công nghiệp, dịch vụ, gắn phát triển nông thôn với đô thị theo quy hoạch; xã hội nông thôn dân chủ, văn minh, giàu bản sắc văn hóa dân tộc, môi trƣờng sinh thái đƣợc bảo vệ, đời sống vật chất tinh thần của ngƣời dân ở vùng nông thôn ngày càng đƣợc nâng cao. Quy hoạch xây dựng nông thôn mới ở tất cả các xã trên địa bàn toàn quốc với đầy đủ cơ sở hạ tầng theo một tiêu chí cụ thể bao gồm các hạng mục công trình nhƣ: Trụ sở UBND xã, nhà văn hóa xã, nhà văn hóa thôn, khu thể dục thể thao cấp xã, sân thể dục thể thao cấp thôn, trạm y tế, trƣờng học từ mầm non trở nên, đƣờng trục xã, đƣờng trục thôn, đƣờng ngõ, đƣờng nội đồng, cầu, cống; quy hoạch khu dân cƣ, xây dựng các khu công nghiệp, khu xử lý rác thải… Xây dựng nông thôn mới cũng nhằm tiết kiệm đất đai, sử dụng đất một cách có hiệu quả nhất. Đề tài “ Xây dựng hệ thống GIS ứng dụng quy hoạch xây dựng nông thôn” nhằm giúp ngƣời làm quy hoạch có đƣợc những thông tin cần thiết để lựa chọn phƣơng án tối ƣu trong quá trình quy hoạch. Đồng thời trả lời giúp các nhà quy hoạch một cách trực quan các câu hỏi nhƣ: Hạng mục công trình nào chƣa đạt tiêu chí theo quy định? Khu đất nào cần phải mở rộng? Mở rộng theo hƣớng nào thì có khả năng thực hiện đƣợc? Diện tích cần mở rộng là bao nhiêu? Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Những lô đât nào sẽ phải giải phóng? Diện tích giải phóng là bao nhiêu? Đất quy hoạch mới ở đâu thì thuận tiện và chi phí thấp? Vì vậy cần thiết phải có công cụ hỗ trợ cho việc quy hoạch cũng nhƣ theo dõi trong suốt quá trình thực hiện một cách trực quan và chi tiết trên bản đồ. Trong thực tế đã có nhiều phần mềm GIS nhƣ Mapwindow, Arcview, Mapinfo.. tuy nhiên đây là những phần mềm thƣơng mại nhằm đáp ứng những công việc chung đồng thời đây không phải là những phần mềm chuyên dụng những ngƣời không có am hiểu nhiều về GIS gặp khó khăn khi sử dụng. Chính vì vậy em đã xây dựng hệ thống GIS với các chức năng đƣợc xây dựng trên nền Mapwindow nhằm đáp ứng các câu hỏi trên, cụ thể là xây dựng các công cụ hỗ trợ cho việc quy hoạch nông thôn, áp dụng tại xã Thọ Nghiệp - huyện Xuân Trƣờng - tỉnh Nam Định. Với những kiến thức học đƣợc và sự giúp đỡ của các thầy cô giáo em đã tiến hành tìm hiểu và thực hiện đề tài trên. Trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đƣợc sự tham gia đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo và các bạn để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Đình Hóa đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Thái Nguyên, tháng 9 năm 2012 HỌC VIÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Ngô Thanh Khiết Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 CHƢƠNG I GIS VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU KHÔNG GIAN 1.1 Những khái niệm cơ bản về GIS 1.1.1 Hệ thông tin địa lý là gì Hệ thông tin địa lý “Geographical Information System (GIS)”, là một hệ thông tin có khả năng thu thập, cập nhật, quản trị và phân tích, biểu diễn dữ liệu địa lý phục vụ giải quyết các bài toán ứng dụng có liên quan đến vị trí địa lý trên bề mặt trái đất hoặc đƣợc định nghĩa nhƣ là một hệ thông tin với khả năng truy nhập tìm kiếm và xử lý, phân tích và truy xuất dữ liệu địa lý nhằm hỗ trợ cho công tác quản lý quy hoạch tài nguyên thiên nhiên và môi trƣờng. Công nghệ hệ thông tin địa lý kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thƣờng (nhƣ cấu trúc hỏi đáp) và cho phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh đƣợc cung cấp duy nhất từ bản đồ. Những khả năng này phân biệt của hệ thông tin địa lý với các hệ thông tin khác và khiến cho hệ thông tin địa lý có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều kĩnh vực khác nhau (phân tich các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lƣợc). 1.1.2 Tại sao phải sử dụng hệ thông tin địa lý Hệ thống phần mềm trong hệ thông tin địa lý có thể kết nối thông tin về vị trí địa lý của sự vật với thông tin về bản thân sự vật. Khác với bản đồ trên giấy, hệ thông tinh địa lý có thể tổ hợp nhiều thông tin, mỗi loại thông tin trên bản đồ có thể bố trí trên một lớp riêng, ngƣời sử dụng có thể bật hoặc tắt các lớp thông tin theo nhu cầu của mình. Ví dụ một lớp có thể gồm tất cả các con đƣờng trong một khu vực. Một lớp khác lại chứa tất cả các thành phố. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 Điểm mạnh của hệ thông tin địa lý so với các bản đồ giấy chính là khả năng cập nhật dữ liệu nhanh và cho phép chon những thông tin cần theo mục đích sử dụng. Một doanh nhân lập bản đồ khách hàng trong một thành phố sẽ cần xem những thông tin rất khác với một kĩ sƣ cấp nƣớc là ngƣời lại xem đƣờng ống nƣớc trong thành phố. Cả 2 có thể bắt đầu từ bản đồ chung, là bản đồ đƣờng phố và các vùng lân cận của thành phố những thông tin mà họ bổ xung thêm sẽ khác nhau. Về tổng quát, sự phát triển của công nghệ thông tin đã dẫn đến sự phát triển song song tự động hoá công tác thu thập dữ liệu, phân tích dữ liệu, trình bầy dữ liệu trong nhiều lĩnh vực rộng lớn nhƣ trắc địa bản đồ, địa chất, quy hoạch phát triển, môi trƣờng. Do có nhiều công việc phải xử lý các thông tin có liên quan và phối hợp trong nhiều chuyên ngành khác nhau nhƣ bản đồ, ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, các số liệu liên quan trắc, điều tra…. Hay nói cách khác là cần phải phát triển một hệ thông các công cụ để thu thập, tìm kiếm, biến đổi, phân tích biến đổi và hiển thị các dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ thực hiện những mục đích cụ thể. Tập hợp các công cụ trên đã tạo lập ra hệ thông tin địa lý, đó là hệ thống thể hiện các đối tƣợng từ thế giới thực thông qua các dữ liệu cơ bản:  Vị trí các đối tƣợng thông qua một hệ toạ độ  Các thuộc tính của các đối tƣợng  Quan hệ không gian giữa các đối tƣợng Nhƣ vậy, nhờ hệ thông tin địa lý ngƣời sử dụng có thể truy vấn thông qua một dạng câu hỏi để hệ thống có thể trả lời đƣợc là:  Có cái gì ở vị trí này?  Mối quan hệ giữa các đối tƣợng này nhƣ thế nào? Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10  ở đâu thoả mãn những điều kiện này?  Cái gì đã thay đổi và thay đổi nhƣ thế nào từ thời điểm này đến thời điểm khác?  Những mẫu không gian nào tồn tại?  Nó sẽ nhƣ thế nào nếu quá trình xẩy ra? Nhƣ vậy hệ thông tin địa lý khác với hệ thống thông tin quản lý chung đó là nó chủ yếu mô tả việc nghiên cứu và sự tồn tại của các thực thể không gian và mối quan hệ giữa chúng. Thuật ngữ “Địa lý ” ở đây đồng nghĩa với thuật ngữ “không gian”. Cấu thành cơ bản của hệ thông tin địa lý bao gồm hệ thống xử lý hay có thể gọi là hệ thống máy tính gồm phần cứng và phần mềm, cơ sở dữ liệu và đội ngũ cán bộ kỹ thuật cùng ngƣời sử dụng. Độ phức tạp của thế giới thực là không giới hạn. Do đó, để lƣu trữ đƣợc dữ liệu không gian của thế giới thực vào máy tính thì phải giảm dữ liệu đến mức có thể quản lý đƣợc bằng tiến trình trừu tƣợng hoá hay đơn giản hoá nhƣ hình 1.2. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 Trừu tƣợng thế giới thực hay đơn giản hoá. GIS Phần mềm công cụ Người sử dụng CSDL ThÕ giíi thùc Kết quả Hình 1.2. Hệ thông tin địa lý. 1.1.3 Các thành phần chính trong hệ thông tin địa lý Hệ thống GIS bao gồm năm thành phần chính: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con ngƣời, phƣơng pháp. Hình 1.3. Các thành phần chính của GIS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 1.1.3.1 Hệ thống phần cứng GIS đòi hỏi thiết bị ngoại vi đặc biệt nhƣ bàn số hoá, máy vẽ để ra vào dữ liệu. Các thiết bị này có thể nối với nhau thông qua thiết bị truyền tin Hình 1.4. Phần cứng của GIS hay mạng cục bộ. 1.1.3.2 Hệ thống phần mềm Phần mềm là các lệnh chi tiết kiểm soát sự vận hành của hệ thống máy tính. Không có phần mềm thì phần cứng máy tính không thể thực hiện đƣợc nhiệm vụ mà chúng ta trao cho máy tính. Có ba kiểu phần mềm chính là phần mềm hệ thống, phần mềm ứng dụng và phần mềm ngƣời dùng cuối. GIS bao gồm nhiều Modul phần mềm (hình 1.5). Khả năng lƣu trữ, quản lý dữ liệu không gian bằng hệ quản trị CSDL địa lý là khía cạnh quan trong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 nhất cuả GIS. Các modul khác là công cụ phân tích dữ liệu, làm báo cáo và truyền tin. Thu thập dữ liệu Chuyển đổi dữ liệu Quản trị CSDL địa lý Giao diện ngƣời dùng Phân tích không gian Hiển thị làm báo cáo Hình 1.5. Phần mềm của GIS 1.1.3.3 Cơ sở Dữ liệu Cơ sở dữ liệu là bộ các thông tin đƣợc lƣu dƣới dạng số theo một khuôn dạng nào đó mà máy tính có thể hiểu và đọc đƣợc. Cơ sở dữ liệu trong hệ thông tin địa lý bao gồm các dữ liệu địa lý và các dữ liệu thuộc tính (các dữ liệu chữ - số, dữ liệu multimedia..) và mối quan hệ giữa các loại giữ liệu này. Ngoài ra, với sự phát triển của công nghệ thông tin, với nhu cầu chính xác hoá và hợp pháp hoá, các thông tin đƣa vào hệ thống, chúng ta còn loại mạng thông tin “ đặc biệt” trong hệ thông tin địa lý đó là “ siêu dữ liệu”( Metadata). Các dữ liệu trong hệ thông tin địa lý phải luôn đƣợc cập nhật theo thêi gian. Nhƣ vậy, dữ liệu trong hệ thống sẽ là dữ liệu đa thời gian . Chúng ta cần phải thấy rằng trong hệ thông tin địa lý, hệ thống phần cứng và phần mềm của hệ thống chỉ chiếm khoảng 15% giá thành toàn hệ thống, bảo dƣỡng hoạt động cho hệ thống chiếm khoảng 5% giá trị, đào tạo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 cán bộ khoảng 10%, còn lại 70% là giá trị của dữ liệu. Vì vậy, có thể nói cơ sở dữ liệu là “linh hồn ”của hệ thông tin địa lý. 1.1.3.4 Đội ngũ cán bộ kỹ thuật Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế khi không có con ngƣời tham gia quản lý hệ thống và phát triển các ứng dụng GIS trong thực tế. Ngƣời sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, ngƣời thiết kế và duy trì hệ thống, các chuyên gia về GIS, thao tác viên GIS, phát triển ứng dụng GIS, các nhà lãnh đạo sử dụng hệ thống làm công cụ để hoạch định các chủ trƣơng, kế hoạch trong quản lý và phát triển hoặc những ngƣời dụng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc. 1.1.3.5 Phương pháp Một hệ GIS thành công theo khía cạnh thiết kế và luật thƣơng mại là đƣợc mô phỏng và thực thi cho mỗi tổ chức. 1.2 Các chức năng của hệ thống GIS GIS bao gồm năm loại chức năng: Thu thập dữ liệu, Xử lý sơ bộ dữ liệu, Lƣu trữ và truy nhập dữ liệu, Tìm kiếm và phân tích không gian, Hiển thị đồ họa và tƣơng tác. 1.2.1 Thu thập dữ liệu Chức năng thu thập dữ liệu tạo ra dữ liệu từ các quan sát hiện tƣợng thế giới thực (Trắc địa mặt đất, định vị bằng vệ tinh, chụp ảnh bằng máy bay hay vệ tinh) và từ các tài liệu, bản đồ giấy, hoặc có sẵn dƣới dạng số. Trƣớc khi dữ liệu địa lý có thể đƣợc dùng cho GIS, dữ liệu này phải đƣợc chuyển sang dạng số thích hợp. Quá trình chuyển dữ liệu từ bản đồ giấy sang các file dữ liệu dạng số đƣợc gọi là quá trình số hóa. Công nghệ GIS hiện đại có thể thực hiện tự động hoàn toàn quá trình này với công nghệ quét ảnh cho các đối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 tƣợng lớn; những đối tƣợng nhỏ hơn đòi hỏi một số quá trình số hóa thủ công (dùng bàn số hóa). Ngày nay, nhiều dạng dữ liệu địa lý thực sự có các định dạng tƣơng thích GIS . Những dữ liệu này có thể thu đƣợc từ các nhà cung cấp dữ liệu và đƣợc nhập trực tiếp vào GIS. Kết quả ta có tập “dữ liệu thô”, nghĩa là dữ liệu này không đƣợc phép áp dụng trực tiếp cho các chức năng truy nhập và phân tích của hệ thống. Tuy nhiên, có những trƣờng hợp các dạng dữ liệu đòi hỏi đƣợc chuyển dạng và thao tác theo một số cách để có thể tƣơng thích với một hệ thống nhất định. Ví dụ, các thông tin địa lý có giá trị biểu diễn khác nhau tại các tỷ lệ khác nhau (hệ thống đƣờng phố đƣợc chi tiết hóa trong file về giao thông, kém chi tiết hơn trong file điều tra dân số và có mã bƣu điện trong mức vùng). Trƣớc khi các thông tin này đƣợc kết hợp với nhau, chúng phải đƣợc chuyển về cùng một tỷ lệ (mức chính xác hoặc mức chi tiết). Đây có thể chỉ là sự chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị hoặc cố định cho yêu cầu phân tích. Công nghệ GIS cung cấp nhiều công cụ cho các thao tác trên dữ liệu không gian và cho loại bỏ dữ liệu không cần thiết. Một số phƣơng pháp hay đƣợc sử dụng để thu thập dữ liệu không gian cho hệ thống GIS bao gồm: trắc đạc mặt đất, đo đạc bằng vệ tinh, quan trắc, viễn thám. 1.2.2 Xử lý sơ bộ dữ liệu Chức năng xử lý sơ bộ dữ liệu sẽ biến đổi dữ liệu thô thành dữ liệu có cấu trúc để sử dụng trực tiếp các chức năng tìm kiếm và phân tích không gian. Hệ thống GIS phải có phần mềm công cụ để tổ chức và lƣu trữ các loại dữ liệu khác nhau, từ dữ liệu thô đến dữ liệu diễn giải. Phần mềm công cụ này phải có các thao tác lƣu trữ, truy nhập; đồng thời có khả năng hiển thị, tƣơng tác đồ họa với tất cả các loại dữ liệu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 1.2.3 Lƣu trữ và truy nhập dữ liệu Dữ liệu đƣợc lƣu trữ và quản lý thông qua một hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS). Tuy nhiên, đa số các hệ quản trị cơ sở dữ liệu không đủ khả năng quản lý dữ liệu không gian hoặc không thân thiện khi sử dụng. Các hệ quản trị cơ sở dữ liệu thông thƣờng rất hiệu quả cho các truy vấn nhƣ “Liệt kê 10 sinh viên có điểm trung bình cao nhất trong học kỳ vừa qua của trƣờng”.Tuy nhiên, một truy vấn quan hệ đơn giản và thƣờng sử dụng là “Liệt kê tất cả các sinh viên sống quanh khu vực trƣờng trong vòng 3km” sẽ làm hỏng cơ sở dữ liệu. Để xử lý truy vấn này, cơ sở dữ liệu sẽ phải đƣa địa điểm của trƣờng và địa chỉ nơi ở của sinh viên vào một hệ thống tham chiếu phù hợp, có thể là kinh độ và vĩ độ để có thể tính và so sánh Sau đó, cơ sở dữ liệu sẽ phải duyệt toàn bộ danh sách các sinh viên, tính khoảng các từ khu vực trƣờng tới địa chỉ nơi ở của các sinh viên, và nếu khoảng cách này nhỏ hơn 3km, lƣu lại tên những sinh viên đó. Cơ sở dữ liệu sẽ không thể sử dụng một chỉ số để làm giảm việc tìm kiếm, bởi vì các chỉ số thông thƣờng không đủ khả năng lƣu trữ theo thứ tự tọa độ nhiều chiều. Vì vậy, cần phải có cơ sở dữ liệu đƣợc thiết kế để lƣu trữ dữ liệu không gian và các truy vấn không gian. Đó là hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian (SDBMS). Ta đƣa ra định nghĩa sau: o Một hệ quản trị cơ sở dữ liệu không gian là một module phần mềm mà có thể làm việc với một hệ quản trị cơ sở dữ liệu bên dƣới, nhƣ ORDBMS, OODBMS. o SDBMS hỗ trợ các mô hình dữ liệu không gian phức tạp, ứng với các kiểu dữ liệu trừu tƣợng không gian (ADT), và một ngôn ngữ truy vấn. o SDBMS hỗ trợ chỉ số không gian, các thuật toán hiệu quả cho các toán tử không gian, và các quy tắc miền cho việc tối ƣu truy vân. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 1.2.4 Tìm kiếm và phân tích không gian Một số phép phân tích không gian tƣơng đối đơn giản, tìm kiếm trong khoảng cận kề, tìm kiếm hiện tƣợng và thao tác phủ… Các loại truy vấn sử dụng trong CSDL(7) không gian bao gồm: tìm kiếm đối tƣợng mà hình học của nó chứa điểm, tìm kiếm đối tƣợng mà hình học của nó phủ lên chữ nhật, phép nối, giao, liền kề. 1.2.5 Hiện thị đồ họa và tƣơng tác Với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng đƣợc hiện thị tốt nhất dƣới dạng bản đồ hoặc biểu đồ. Bản đồ khá hiệu quả trong lƣu trữ và trao đổi thông tin địa lý. Bản đồ hiện thị có thể đƣợc kết hợp với các bản báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp và những dữ liệu khác nhau (đa phƣơng tiện). 1.3. Mô hình dữ liệu không gian Dữ liệu GIS đƣợc chia làm 3 dạng: dữ liệu không gian, dữ liệu phi không gian hay dữ liệu thuộc tính và dữ liệu thời gian. Hình 1.6. Mô hình dữ liệu GIS Thông tin vị trí và những thông tin cần quan tâm, đƣợc xem chúng nhƣ là các thuộc tính của thực thể. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 18 Mô hình dữ liệu không gian nhằm trả lời cho câu hỏi về vị trí - ở đâu? Đƣợc thể hiện trên bản đồ và hệ thống thông tin địa lý dƣới dạng điểm (point), đƣờng (line), hoặc vùng (polygon). Dữ liệu không gian là dữ liệu về đối tƣợng mà vị trí của nó đƣợc xác định trên bề mặt Trái Đất. Dữ liệu không gian sử dụng trong hệ thống địa lý luôn đƣợc xây dựng trên một hệ thống tọa độ. Mô hình dữ liệu địa lý là các qui tắc đƣợc sử dụng để biến đổi đặc trƣng địa lý của thế giới thực thành các đối tƣợng rời rạc. Mô hình dữ liệu đƣợc sử dụng để biểu diễn thực thể với mức độ phức tạp khác nhau. Thực thể là nhận thức vì thế giới thực quá phức tạp, không thể chỉ ra mọi khía cạnh của chúng. Việc lựa chọn mô hình dữ liệu phụ thuộc vào loại ứng dụng và kết quả mong đợi. 1.3.1 Mô hình dữ liệu raster và vector Hệ thông tin địa lý sử dụng hai mô hình dữ liệu cơ bản để biểu diễn các đặc trƣng không gian: mô hình dữ liệu raster và mô hình dữ liệu vector. Mô hình dữ liệu quyết định cách thức mà dữ liệu đƣợc cấu trúc, lƣu trữ, xử lý và phân tích trong một hệ thông tin địa lý. Mô hình dữ liệu raster sử dụng lƣới để thể hiện đặc trƣng không gian. Mô hình dữ liệu vector sử dụng các điểm và tọa độ của chúng để xây dựng các đặc trƣng không gian nhƣ điểm, đƣờng và vùng. Các đặc trƣng dựa trên mô hình dữ liệu vector đƣợc coi nhƣ các đối tƣợng riêng biệt trong không gian. Nhiều hệ thông tin địa lý sử dụng cả hai mô hình dữ liệu vector và raster. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 Hình 1.7 Mô hình dữ liệu Raster và Vector Mô hình dữ liệu Raster Tạo lập Raster: Đặt lƣới trên bản đồ (thí dụ bản đồ địa chất); Mã hóa từng tế bào bởi giá trị biểu diễn từng loại đất mà nó chiếm đa phần diện tích của tế bào. Kết thúc: mỗi tế bào có một giá trị mã. Thông thƣờng giá trị mã đƣợc lƣu trên tệp theo khuôn dạng mã ASCII, sau đó nhập vào GIS. Mô hình dữ liệu Vector Mô hình dữ liệu Vector dựa trên cơ sở các vector hay toạ độ của các điểm trong một hệ trục toạ độ nào đó. Điểm là thành phần sơ cấp của dữ liệu địa lý trong mô hình này. Các đối tƣợng đƣợc hình thành bằng cách nối các điểm bởi các đoạn thẳng, một vài hệ thống cho phép nối các điểm bới các cung tròn. Vùn đƣợc xác định bởi tập các đƣờng, khái niệm đa giác đồng nghĩa với dùng trong CSDL vector vì ta sử dụng các đoạn thẳng (hay cạnh) nối các điểm với nhau. Nhƣ vậy, mô hình dữ liệu vector sử dụng các đoạn thẳng hay các điểm rời rạc để nhận biết đƣợc thế giới thực. Khác với mô hình Raster, mô hình dữ liệu vector có thể cho biết “ nơi mà mọi thứ xảy ra”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 20 Mô hình dữ liệu vector đƣợc sử dụng trong các ứng dụng giao thông tiện ích, thƣơng mại... cả hai mô hình Raster và Vector đều có thể sử dụng để quản lý tài nguyên. Mô hình dữ liệu vector cho phép thao tác trên các đối tƣợng. Việc do diện tích, khoảng cách của các đối tƣợng đƣợc thực hiện bằng các tính toán hình học từ các toạ độ của các đối tƣợng. Tính diện tích trên cơ sở đa giác trên mặt cầu sẽ chính xác hơn việc đếm các điểm (pixel) trên bản đồ có các phép chiếu khác nhau. Tƣơng tự với việc tính chu vi của một vùng. Một số thao tác ở mô hình này thực hiện nhanh nhƣ tìm đƣờng đi trong mạng lƣới giao thông hay hệ thống thuỷ lợi... 1.3.2 Mô hình đối tƣợng địa lý Cấu trúc của một đối tƣợng cơ sở Ký hiệu [] bộ, <> danh sách, {} tập. Danh sách các điểm < p1, p2 , p3 ,...., pn >, i =1,..,n trong đó pi là đỉnh. Mỗi cặp (pi, pi+1 ) với i< n là cạnh. Point: [ x:real, y:real], polyline:, polyregion: Region: { polygon } Mô hình dữ liệu vector định hƣớng đến các hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu. Chúng có ƣu việt trong việc lƣu trữ số liệu bản đồ bởi vì chúng chỉ lƣu các đƣờng biên của các đặc trƣng, không cần lƣu toàn bộ vùng của chúng. Bởi vì các thành phần đồ hoạ biểu diễn các đặc trƣng của bản đồ liên kết trực tiếp với các thuộc tính của cơ sở dữ liệu, ngƣời dùng có thể tìm kiếm và hiển thị các thông tin từ cơ sở dữ liệu một cách dễ dàng. Xƣơng sống của hệ thống thông tin tích hợp đƣợc nghiên cứu là mô hình dữ liệu quan hệ địa lý. Chúng trừu tƣợng các thông tin địa lý thành các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn