Tài liệu Lập trình arcgis engine và ứng dụng trong xây dựng công cụ hỗ trợ biên tập bản đồ số

LỜI CẢM ƠN Qua thời gian gần 5 năm học tâ pâ tại trường Đại học Công nghê â thông tin va truyền thông Thái Nguyên, đến nay em cũng đã hoan thanh gần hết quá trình học tâ âp tại trường. Trong quá trình học tâ âp tại trường, ngoai sự cố gắng của bản thân, em đã nhâ nâ được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ nhiê ât tình của các thầy cô, gia đình, bạn bè. Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình: bố, mẹ, va các anh chị luôn quan tâm chăm sóc, tạo điều kiê ân tốt cho viê âc học tâ âp của em. Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô trong ban lãnh đạo trường, các thầy cô trong bô â môn va toan thể các thầy cô đang công tác tại trường la người đã trực tiếp dạy em trong các môn học, đã tâ ân tình giúp đỡ va tạo điều kiê nâ cho em học tâ âp va rèn luyê ân trong suốt thời gian học tâ âp tại trường. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Đă ăng Văn Đức và ThS Nguyễn Sơn – Viê ăn Công nghê ă thông tin – Viênă Khoa học và công nghê ă Viêtă Nam đã tâ ân tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoan thanh đồ án nay. Thái Nguyên, ngày tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực hiênă Đỗ Đình Si 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: 1. Những nội dung trong đồ án này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Sơn – Viện Công nghệ thông tin – Viện khoa học và Công nghệ Việt nam. 2. Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tài liệu, tên tác giả, năm phát hành. 3. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Sinh viên Đỗ Đình Sĩ 2 MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu Kỹ thuật "Thông tin Địa lý" (Geograpgic Information System) đã bắt đầu được sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển từ những năm 80, đây la một dạng ứng dụng công nghệ tin học (Information Technology) nhằm mô tả thế giới thực (Real world) ma loai người đang sống - tìm hiểu - khai thác. Với những tính năng ưu việt, kỹ thuật GIS ngay nay đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu va quản lý, đặc biệt trong quản lý va quy hoạch sử dụng - khai thác các nguồn tai nguyên một cách bền vững va hợp lý. Hệ thống thông tin địa lý la một kỹ thuật ứng dụng hệ thống vi tính số hoá, xuất hiện trong những năm 60 cho đến nay công nghệ nay được biết đến như la một kỹ thuật toan cầu. Trong sự phát triển của đất nước ta hiện nay, việc tổ chức quản lý thông tin địa lý một cách tổng thể có thể đóng góp không nhỏ vao việc sử dụng có hiệu quả hơn nguồn tai nguyên của đất nước. Với sự phát triển vượt bâ âc va có nhiều hứa hẹn trong tương lai của hê â thống thông tin địa lý va công nghê â thông tin như hiê nâ nay, em chọn đề tai “Lập trình ArcGIS Engine và ứng dụng trong xây dựng công cụ hỗ trợ biên tập bản đồ số” lam đồ án tốt nghiệp với mục đích tìm hiểu va nghiên cứu tổng quan về GIS, bô â thư viê nâ ArcGIS Engine va xây dựng công cụ hỗ trợ việc xây dựng va biên tập bản đồ. 2. Phạm vi đề tài Đề tai tập chung vao tìm hiểu tổng quan về GIS va ArcGIS Engine, xây dựng công cụ thực hiện các phép toán xử lý trong GIS trên nền thư viện ArcObjects của ArcGIS Engine. 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................1 LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................................2 MỞ ĐẦU...........................................................................................................................3 1. Giới thiệu...................................................................................................................3 2. Phạm vi đề tai............................................................................................................3 DANH MỤC HÌNH ẢNH.................................................................................................6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM).............................................................................................8 1.1 Khái niệm GIS.....................................................................................................8 1.1.1 Mô hình công nghệ...........................................................................................8 1.1.2 Các lĩnh vực khoa học liên quan đến GIS........................................................9 1.1.3 Một số ứng dụng của GIS..............................................................................10 1.1.4 Các hệ thống tương tác...................................................................................11 1.2 Các thanh phần của GIS........................................................................................11 1.2.1 Con người.......................................................................................................12 1.2.2 Dữ liệu............................................................................................................13 1.2.3 Phần cứng.......................................................................................................13 1.2.4 Phần mềm.......................................................................................................13 1.3 Chức năng của GIS................................................................................................14 1.3.1 Thu thập dữ liệu..............................................................................................15 1.3.2 Lưu trữ va truy cập dữ liệu.............................................................................16 1.3.3 Tìm kiếm va phân tích dữ liệu không gian....................................................18 1.4 Vector va Raster trong GIS....................................................................................24 1.5 Hệ toạ độ địa lý va hệ toạ độ quy chiếu................................................................25 1.5.1 Hệ toạ độ địa lý...............................................................................................25 1.5.2 Hệ toạ độ quy chiếu........................................................................................27 CHƯƠNG 2: ARCGIS....................................................................................................32 2.1 Giới thiệu bộ thư viện ArcGIS..............................................................................32 4 2.1.1 ArcGIS 9.........................................................................................................32 2.1.2 ArcGIS Engine................................................................................................34 2.1.3 Ai có thể sử dụng ArcGIS Engine?................................................................38 2.1.4 ArcGIS Engine có thể lam gì?........................................................................40 2.2 Kiến trúc của ArcGIS............................................................................................43 2.2.1 Kiến trúc phần mềm ArcGIS..........................................................................43 2.2.2 Giao diện lập trình ArcGIS.............................................................................45 2.2.3 Thư viện ArcGIS Engine................................................................................47 2.3 Các điều khiển trong ArcGIS................................................................................55 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ BIÊN TẬP BẢN ĐỒ SỐ.................60 3.1 Mục đích va ý nghĩa của việc xây dựng công cụ hỗ trợ biên tập bản đồ số.........60 3.1.1 Mục đích.........................................................................................................60 3.1.2. Ý nghĩa...........................................................................................................61 3.2 Quy trình công nghệ xây dựng công cụ sử dụng thư viện ArcGIS Engine..........62 3.3 Tích hợp công cụ vao ArcMap va các ứng dụng khác..........................................64 3.4 Minh họa công cụ biên tập bản đồ đã xây dựng...................................................66 3.4.1 Giới thiệu phép toán tạo vùng đệm bản đồ....................................................66 3.4.2 Các bước xây dựng công cụ va các ham đã sử dụng.....................................67 3.4.3 Một số hình ảnh minh họa công cụ................................................................75 KẾT LUẬN......................................................................................................................77 1. Kết quả đạt được......................................................................................................77 2. Hướng phát triển......................................................................................................77 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................78 5 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1: Mô hình công nghệ GIS.......................................................................................8 Hình 1. 2: Các thành phần của GIS....................................................................................12 Hình 1. 3: Quan hệ giữa các nhóm chức năng của GIS.....................................................14 Hình 1. 4: Buffer bên trong một vùng có bán kính xác định..............................................19 Hình 1. 5: Kết quả tìm kiếm theo địa chỉ............................................................................20 Hình 1. 6: Kết quả tìm kiếm trên mạng giao thông............................................................21 Hình 1. 7: Phép hợp............................................................................................................22 Hình 1. 8: Phép giao...........................................................................................................23 Hình 1. 9: Phép đồng nhất..................................................................................................23 Hình 1. 10: Định dạng dữ liệu Vector và Raster................................................................25 Hình 1. 11: Hệ toạ độ địa lý................................................................................................26 Hình 1. 12: Mặt cầu và mặt Elipsoid..................................................................................27 Hình 1. 13: Minh hoạ cách chiếu bề mặt cong lên mặt phẳng...........................................29 Hình 1. 14: Mặt chiếu hình nón..........................................................................................30 Hình 1. 15: Mặt chiếu hình trụ............................................................................................31 Hình 1. 16: Các vị trí trong mặt phẳng phương vị.............................................................31 Hình 2. 1: Mô hình các thành phần của ArcGIS................................................................32 Hình 2. 2: Các công cụ trong ArcGIS................................................................................33 Hình 2. 3: Kiến trúc ArcGIS Engine...................................................................................34 Hình 2. 4: Phát triển ứng dụng sử dụng ArcGIS................................................................38 Hình 2. 5: Mô hình ArcGIS Server......................................................................................39 Hình 2. 6: Mô hình hoá không gian....................................................................................41 Hình 2. 7: Xem bản đồ 3D...................................................................................................42 Hình 2. 8: Các thư viê ăn trong ArcGIS Engine....................................................................47 Hình 2. 9: Các thư viê ăn trong ArcGIS Engine - tiếp...........................................................52 Hình 2. 10: Xây dựng ứng dụng sử dụng MapControl.......................................................56 Hình 2. 11: Xây dựng ứng dụng với PageLayoutControl...................................................56 Hình 3. 1: Minh họa trực quan các đối tượng đường phố có độ rộng khác nhau.............62 6 Hình 3. 2: Cài đặt thư viện ArcGIS Engine........................................................................62 Hình 3. 3: Import các thư viện ArcGIS vào ứng dụng........................................................63 Hình 3. 4: Sử dụng các thư viện đã thêm vào ứng dụng....................................................63 Hình 3. 5: Đóng gói công cụ thành dll...............................................................................64 Hình 3. 6: Lựa chọn công cụ trong ArcMap để sử dụng....................................................64 Hình 3. 7: Công cụ được đưa lên thanh công cụ để sử dụng.............................................65 Hình 3. 8: Công cụ được sử dụng trong ứng dụng tự xây dựng.........................................65 Hình 3. 9: Minh họa phép toán tạo vùng đệm....................................................................66 Hình 3. 10: Cài đặt ArcGIS Engine Runtime......................................................................67 Hình 3. 11: Tạo Class Library mới.....................................................................................68 Hình 3. 12: Thêm các thư viện ArcGIS vào ứng dụng........................................................69 Hình 3. 13: Tạo một công cụ mới.......................................................................................70 Hình 3. 14: Các lớp bản đồ được tải vào trong công cụ....................................................71 Hình 3. 15: Công cụ được tích hợp vào ArcMap................................................................75 Hình 3. 16: Công cụ được tích hợp vào ứng dụng tự phát triển........................................75 Hình 3. 17: Bản đồ trước khi xử lý biên tập.......................................................................76 Hình 3. 18: Bản đồ sau khi thực hiện biên tập...................................................................76 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM) 1.1 Khái niệm GIS Hệ thống thông tin địa lý – Geographic Information System (GIS) là một tổ chức tổng thể của bốn hợp phần: phần cứng máy tính, phần mềm, tư liệu địa lý và người điều hành được thiết kế hoạt động một cách có hiệu quả nhằm tiếp nhận, lưu trữ, điều khiển, phân tích và hiện thị toàn bộ các dạng dữ liệu địa lý. GIS có mục tiêu đầu tiên là xử lý hệ thống dữ liệu trong môi trường không gian địa lý. 1.1.1 Mô hình công nghệ Một cách khái quát, có thể hiểu một hệ GIS như la một quá trình sau: Hình 1. 1: Mô hình công nghệ GIS - Dữ liệu vao: dữ liệu được nhập từ các nguồn khác nhau như chuyển đổi giữa các cách biểu diễn dữ liệu, máy quét, hình ảnh từ vệ tinh, ảnh chụp… - Quản lý dữ liệu: sau khi dữ liệu được thu thập va tổng hợp, GIS cần cung cấp các thiết bị có thể lưu va bảo trì dữ liệu nhằm đảm bảo: bảo mật số liệu, tích hợp số liệu, lọc va đánh giá số liệu, khả năng duy trì. GIS lưu thông tin thế giới thực thanh các tầng dữ liệu riêng biệt, các tầng nay đặt trong cùng một hệ trục toạ độ va chúng có khả năng liên kết với nhau. 8 - Xử lý dữ liệu: các thao tác xử lý dữ liệu được thực hiện để tạo ra thông tin. Nó giúp cho người sử dụng quyết định cần lam tiếp công việc gì. Kết quả của xử lý dữ liệu la tạo ra các ảnh, báo cáo va bản đồ. - Phân tích va mô hình: số liệu tổng hợp va chuyển đổi chỉ la một phần của GIS. Những yêu cầu tiếp theo la khả năng giải mã va phân tích về mặt định tính va định lượng thông tin đã thu thập. - Dữ liệu ra: một trong các phương diện công nghệ GIS la sự thay đổi của các phương pháp khác nhau trong đó thông tin có thể hiển thị khi nó được xử lý bằng GIS. Các phương pháp truyền thống la bảng va đồ thị có thể cung cấp bằng các bản đồ va ảnh 3 chiều. 1.1.2 Các lĩnh vực khoa học liên quan đến GIS GIS la sự hội tụ các lĩnh vực công nghệ va các nganh truyền thống, nó hợp nhất các số liệu mang tính liên nganh bằng tổng hợp, mô hình hoá va phân tích. Vì vậy có thể nói, GIS được xây dựng trên các tri thức của nhiều nganh khoa học khác nhau để tạo ra các hệ thống phục vụ mục đích cụ thể. Các nganh nay bao gồm [1]: - Nganh địa lý: la nganh liên quan mật thiết đến việc biểu diễn thế giới va vị trí của đối tượng trong thế giới. Nó có truyền thống lâu đời về phân tích không gian va nó cung cấp các kỹ thuật phân tích không gian khi nghiên cứu. - Nganh bản đồ: nguồn dữ liệu đầu vao chính của GIS la các bản đồ. Nganh bản đồ có truyền thống lâu đời trong việc thiết kế bản đồ, do vậy nó cũng la khuân mẫu quan trọng nhất của đầu ra GIS. - Công nghệ viễn thám: các ảnh vệ tinh va ảnh máy bay la nguồn dữ liệu địa lý quan trọng cho hệ GIS. Viễn thám bao gồm cả kỹ thuật thu thập va xử lý dữ liệu ở mọi vị trí trên quả địa cầu. Các dữ liệu đầu ra của hệ thống ảnh vệ tinh có thể được trộn với các lớp dữ liệu của GIS. 9 - Ảnh máy bay: khi ta xây dựng bản đồ có tỷ lệ cao thì ảnh chụp từ máy bay la nguồn dữ liệu chính về bền mặt trái đất được sử dụng lam đầu vao. - Bản đồ địa hình: cung cấp dữ liệu có chất lượng cao về vị trí của ranh giới đất đai, nha cửa… - Nganh thống kê: các kỹ thuật thống kê được sử dụng để phân tích dữ liệu GIS. Nó la đặc biệt quan trọng trong việc xác định sự phát sinh các lỗi hoặc tính không chắc chắn trong số liệu của GIS. - Khoa học tính toán: tự động thiết kế máy tính cung cấp kỹ thuật nhập, hiển thị biểu diễn dữ liệu. Đồ hoạ máy tính cung cấp công cụ để thể hiện, quản lý các đối tượng đồ hoạ. Quản trị cơ sở dữ liệu cho phép biểu diễn dữ liệu dưới dạng số, các thủ tục để thiết kế hệ thống, lưu trữ, xâm nhập, cập nhật. - Toán học: các nganh hình học, lý thuyết đồ thị được sử dụng trong thiết kế hệ GIS va phân tích dữ liệu không gian. 1.1.3 Một số ứng dụng của GIS Công nghệ GIS ngay cang được sử dụng rộng rãi. GIS có khả năng sử dụng dữ liệu không gian va thuộc tính (phi không gian) từ các nguồn khác nhau khi thực hiện phân tích không gian để trả lời các câu hỏi của người sử dụng. Một số ứng dụng cụ thể của GIS thường thấy trong thực tế la: - Quản lý hệ thống đường phố, bao gồm các chức năng: tìm kiếm địa chỉ khi xác định được vị trí cho địa chỉ phố hoặc tìm vị trí khi biết trước địa chỉ phố. Đường giao thông va sơ đồ; điều khiển đường đi, lập kế hoạch lưu thông xe cộ. Phân tích vị trí, chọn khu vực xây dựng các tiện ích như bãi đỗ xe, ga tau xe… Lập kế hoạch phát triển giao thông. - Quản lý giám sát tai nguyên, thiên nhiên, môi trường bao gồm các chức năng: quản lý gió va thuỷ hệ, các nguồn nhân tạo, bình đồ lũ, vùng ngập úng, đất nông nghiệp, tầng ngập nước, rừng, vùng tự nhiên, phân tích tác động môi 10 trường… Xác định ví trí chất thải độc hại. Mô hình hoá nước ngầm va đường ô nhiễm. Phân tích phân bố dân cư, quy hoạch tuyến tính. - Quản lý quy hoạch: phân vùng quy hoạch sử dụng đất. Các hiện trạng xu thế môi trường. Quản lý chất lượng nước. - Quản lý các thiết bị: xác định đường ống ngầm, cáp ngầm. Xác định tải trọng của lưới điện. Duy trì quy hoạch các thiết bị, sử dụng đường điện. - Phân tích tổng điều tra dân số, lập bản đồ các dịch vụ y tế, bưu điện va nhiều ứng dụng khác. 1.1.4 Các hệ thống tương tác Các hệ thống xử lý số liệu: số liệu vao từ các bản đồ, ảnh hoặc đo đạc hiện trường cần được xử lý để đưa vao CSDL số. Sau đó la quá trình lưu trữ số liệu, cách sử dụng, cập nhật… Hệ phân tích dữ liệu: rút ra va phân tích, có thể đơn giản để đáp ứng yêu cầu hoặc các phân tích thống kê tổng hợp dữ liệu. Thông tin ra hay cách hiển thị kết quả có thể la bản đồ, bảng biểu va cũng có thể dùng để đưa vao một hệ dữ liệu số khác. Hệ sử dụng thông tin: người dùng có thể la các nha điều tra, quy hoạch, quản lý. Sự tương tác cần thiết giữa các nhóm GIS va người sử dụng để lập kế hoạch cho các thủ tục phân tích va hệ thống quản lý cấu trúc dữ liệu. 1.2 Các thành phần của GIS GIS bao gồm 5 thanh phần: - Con người - Dữ liệu - Phương pháp phân tích - Phần mềm 11 - Phần cứng Hình 1. 2: Các thành phần của GIS Các thanh phần nay kết hợp với nhau nhằm tự động quản lý va phân phối thông tin thông qua biểu diễn địa lý. 1.2.1 Con người Con người la thanh phần quan trọng nhất, la nhân tố thưc hiện các thao tác điều hanh sự hoạt động của hệ thống GIS. Người dùng GIS la những người sử dụng các phần mềm GIS để giải quyết các bai toán không gian theo mục đích của họ. Họ thường la những người được đao tạo tốt về lĩnh vực GIS hay la các chuyên gia: - Người xây dựng bản đồ: sử dụng các lớp bản đồ được lấy từ nhiều nguồn khác nhau, chỉnh sửa dữ liệu để tạo ra các bản đồ theo yêu cầu. - Người xuất bản: sử dụng phần mềm GIS để kết xuất ra bản đồ dưới nhiều định dạng xuất khác nhau. - Người phân tích: giải quyết các vấn đề như tìm kiếm, xác định vị trí… Người xây dựng dữ liệu: la những người chuyên nhập dữ liệu bản đồ bằng các cách khác nhau: vẽ, chuyển đổi từ định dạng khác, truy nhập CSDL… - Người quản trị CSDL: quản lý CSDL GIS va đảm bảo hệ thống vận hanh tốt. 12 - Người thiết kế CSDL: xây dựng các mô hình dữ liệu lôgic va vật lý. - Người phát triển: xây dựng hoặc cải tạo các phần mềm GIS để đáp ứng các nhu cầu cụ thể. 1.2.2 Dữ liệu Một cách tổng quát, người ta chia dữ liệu trong GIS thanh 2 loại: - Dữ liệu không gian (spatial) cho ta biết kích thước vật lý va vị trí địa lý của các đối tượng trên bề mặt trái đất. - Dữ liệu thuộc tính (non-spatial) la các dữ liệu ở dạng văn bản cho ta biết thêm thông tin thuộc tính của đối tượng. 1.2.3 Phần cứng La các máy tính điện tử: PC, mini Computer, MainFrame… la các thiết bị mạng cần thiết khi triển khai GIS trên môi trường mạng. GIS cũng đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt cho việc nhập va xuất dữ liệu như: máy số hoá (digitizer), máy vẽ (plotter), máy quét (scanner)… 1.2.4 Phần mềm Hệ thống phần mềm GIS rất đa dạng. Mỗi công ty xây dựng GIS đều có hệ phần mềm riêng của mình. Tuy nhiên, có một dạng phần mềm ma các công ty phải xây dựng la hệ quản trị CSDL địa lý. Dạng phần mềm nay nhằm mục đích nâng cao khả năng cho các phần mềm CSDL thương mại trong việc: sao lưu dữ liệu, định nghĩa bảng, quản lý các giao dịch do đó ta có thể lưu các dữ liệu đồ địa lý dưới dạng các đối tượng hình học trực tiếp trong các cột của bảng quan hệ va nhiều công việc khác. 1.3 Chức năng của GIS Một hệ GIS phải đảm bảo được 6 chức năng cơ bản sau: 13 - Capture: thu thập dữ liệu. Dữ liệu có thể lấy từ rất nhiều nguồn, có thể la bản đồ giấy, ảnh chụp, bản đồ số… - Store: lưu trữ. Dữ liệu có thể được lưu dưới dạng vector hay raster. - Query: truy vấn (tìm kiếm). Người dùng có thể truy vấn thông tin đồ hoạ hiển thị trên bản đồ. - Analyze: phân tích. Đây la chức năng hộ trợ việc ra quyết định của người dùng. Xác định những tình huống có thể xảy ra khi bản đồ có sự thay đổi. - Display: hiển thị. Hiển thị bản đồ. - Output: xuất dữ liệu. Hỗ trợ việc kết xuất dữ liệu bản đồ dưới nhiều định dạng: giấy in, Web, ảnh, file… Hình 1. 3: Quan hệ giữa các nhóm chức năng của GIS 1.3.1 Thu thập dữ liệu Thu thập dữ liệu la quá trình thu nhận dữ liệu theo khuân mẫu được áp dụng cho GIS. Mức độ đơn giản nhất của thu thập dữ liệu la chuyển đổi khuân dạng mẫu có sẵn từ bên ngoai. Trong trường hợp nay, GIS phải có các tiện ích để hiểu được các khuân dạng mẫu dữ liệu chuẩn khác nhau để trao đổi. GIS còn phải có khả năng nhập các ảnh 14 bản đồ. Trong thực tế, nhiều kỹ thuật trắc địa được áp dụng để thu thập dữ liệu thô, bao gồm thu thập dữ liệu về bề mặt trái đất như địa hình, địa chất học va thảm thực vật nhờ trắc địa đo đặc hay ảnh chụp từ vệ tinh, máy bay. Các dữ liệu như kinh tế - xã hội thu thập từ điều tra phỏng vấn hay chuyển đổi từ các bai tư liệu viết. Bản đồ vẽ bằng tay trên giấy phải được số hoá sang dạng raster. Việc sử dụng ảnh vệ tinh hay ảnh chụp từ máy bay được xem la nguồn dữ liệu quan trọng khi nghiên cứu tai nguyên thiên nhiên va đo vẽ bản đồ địa hình. Đa số nguồn gốc thông tin không gian la các bản đồ in hay bản đồ dưới khuôn mẫu tương tự. Để các dữ liệu nay được sử dụng trong GIS thì chúng cần được số hoá. Ở mức thủ công thì chỉ có thể số hoá các đặc trưng bản đồ va nhập thuộc tính mô tả các đặc trưng đó. Còn ở mức tự động hoá cao hơn la số hoá bản đồ bằng máy quét ảnh để phát sinh ảnh số bản đồ đầy đủ. Đầu ra của máy quét la ma trận của các giá trị điểm ảnh 2D, có thể được sử dụng cho công việc vector hoá để tạo ra bản đồ mã hoá dữ liệu, kiểm chứng va sửa lỗi để có được dữ liệu phù hợp. Nói chung, công việc thu thập dữ liệu hay “lam dữ liệu bản đồ” la nhiệm vụ khó khăn va la quan trọng nhất khi xây dựng các ứng dụng GIS. Quá trình thu thập dữ liệu luôn gắn liền với quá trình xử lý dữ liệu. Chúng ta có ba mô hình quan niệm của thông tin không gian la: mô hình hướng đối tượng, mạng va bề mặt. Quá trình phân tích trên cơ sở các cách nhìn khác nhau đòi hỏi dữ liệu phải được biểu diễn va tổ chức cho phù hợp. Vì vậy cần cung cấp phương tiện cho người sử dụng GIS thay đổi cấu trúc dữ liệu để thích nghi với các yêu cầu khác nhau. Điều nay đòi hỏi cần phải có các chức năng thay đổi cách biểu diễn, thay đổi phân lớp, lam đơn giản hoá hay tổng quát hoá dữ liệu, biến đổi giữa hệ thống trục toạ độ khác nhau va biến đổi các phép chiếu bản đồ. Các thao tác nay được xem la tiền phân tích không gian. Mức độ xử lý dữ liệu thô khác nhau phụ thuộc vao mục đích của ứng dụng GIS. Một số công cụ phân tích của GIS phụ thuộc chặt chẽ vao các mô hình dữ liệu raster, do đó nó đòi hỏi quá trình biến đổi mô hình dữ liệu vector sang dữ liệu raster, 15 quá trình nay được gọi la raster hoá. Một số công cụ phân tích khác lại lam việc chủ yếu với mô hình vector, nên đòi hỏi quá trình biến đổi ngược từ raster sang vector, hay còn gọi la vector hoá. Raster hoá la quá trình phân tích đường (line) hay miền (polygon) thanh các điểm ảnh (pixel). Ngược lại, vector hoá la quá trình tập hợp các điểm ảnh để tạo thanh đường hay miền. Dữ liệu ban đầu của ta thông thường la dưới dạng raster nên nếu dữ liệu không có cấu trúc tốt thì việc nhận dạng mẫu sẽ rất phức tạp. Khi so sánh dữ liệu từ các nguồn khác nhau, vấn đề thường nảy sinh la sử dụng hai hay nhiều phân lớp để mã hoá cho cùng hiện tượng. Để nhận ra các khía cạnh khác nhau của hiện tượng với mức độ chi tiết khác nhau, cần phải có tiến trình xấp xỉ hoá để biển đổi về cùng một phân lớp. Trong việc tích hợp dữ liệu bản đồ, vấn đề nảy sinh la hệ thống toạ độ của chúng được đo, vẽ trên cơ sở nhiều phép chiếu bản đồ khác nhau. Các dữ liệu nay không thể tích hợp trên cùng bản đồ nếu không biển đổi chúng về cùng một hệ trục toạ độ. 1.3.2 Lưu trữ và truy cập dữ liệu Lưu trữ dữ liệu liên quan đến tạo lập CSDL không gian (đồ hoạ, bản đồ). Nội dung của CSDL nay có thể bao gồm tổ hợp dữ liệu vector hoặc/va dữ liệu raster, dữ liệu thuộc tính để nhận diện hiện tượng tham chiếu không gian. Thông thường dữ liệu thuộc tính của GIS trên cơ sở đối tượng được lưu trong bảng, chúng chứa khoá chính la một chỉ danh duy nhất tương ứng với đối tượng không gian, kèm theo nhiều mục dữ liệu thuộc tính khác. Chỉ danh đối tượng không gian duy nhất được dùng để liên kết giữa dữ liệu thuộc tính va dữ liệu không gian tương ứng. Trong bảng thuộc tính cũng có thể bao gồm cả giá trị không gian như độ dai đường, diện tích vùng ma chúng đã được dẫn xuất từ biểu diễn dữ liệu hình học. Với dữ liệu raster thì các tệp thuộc tính thông thường chứa dữ liệu liên quan đến lớp hiện tượng tự nhiên thay cho các đối tượng rời rạc. Việc lựa chọn mô hình raster hay mô hình vector để tổ chức dữ liệu không gian được thực hiện khi thu thập dữ liệu 16 vì mỗi mô hình tương ứng với các tiếp cận khác nhau. Thông thường CSDL GIS cho khả năng quản trị cả hai mô hình không gian nói trên, khi xây dựng CSDL không gian thì nhất thiết phải liên kết bảng dữ liệu liên quan đến hiện tượng tương ứng. Theo thuật ngữ của hệ quản trị CSDL thì các mô hình vector va raster được xem như những thí dụ của mô hình quan niệm. Chúng mô tả các quan niệm liên quan đến ứng dụng thế giới thực được biểu diễn trong CSDL. Các mô hình quan niệm được mô tả theo nhiều cấp bậc trừu tượng, trong đó các mô hình vector va raster la ở mức trừu tượng thấp nhất. Chúng gần với biểu diễn dữ liệu máy tính hơn các mô hình trên cơ sở dữ liệu đối tượng, mạng va bề mặt. Khái niệm mô hình dữ liệu lôgic được sử dụng để đề cập đến cách ma DBMS tổ chức mô hình quan niệm thanh tệp, bản ghi, chỉ số. Ngay nay, công nghệ CSDL truyền thống không còn thích hợp với việc quản lý dữ liệu địa lý. Một số hệ GIS được sử dụng rộng rãi đã xây dựng CSDL trên cơ sở tổ hợp mô hình quan hệ quản lý thuộc tính phi hình học va lựợc đồ chuyên dụng, phi quan hệ để lưu trữ, xử lý dữ liệu không gian. Một vai GIS khác đã lợi dụng các phương tiện của lược đồ lưu trữ CSDL quan hệ để quản lý cả hai loại dữ liệu hình học va phi hình học. Phương tiện truy nhập trong CSDL GIS bao gồm cả phương tiện có sẵn của CSDL quan hệ chuẩn va khả năng xây dựng câu hỏi truy vấn để tìm thông tin ma giá trị của chúng bằng hoặc nằm trong khoảng xác định. Đặc tính đặc biệt theo vị trí đối với hệ toạ độ nao đó va theo các quan hệ không gian. Do nhu cầu khai thác thông tin trên CSDL không gian thường bao gồm phương pháp chỉ số không gian đặc biệt. Câu hỏi không gian thường la tìm ra đối tượng nằm trong hay trên các biên của cửa sổ hình chữ nhật. Khai thác dữ liệu trên cơ sở vị trí hay quan hệ không gian được xem như la nền tảng của thâm nhập CSDL GIS. Tìm kiếm va phân tích dữ liệu không gian. Đây la chức năng đóng vai trò rất quan trọng trong GIS. Nó tạo nên sức mạnh thực sự của GIS so với các phương pháp khác. Tìm kiếm va phân tích dữ liệu không gian giúp tìm ra những đối tượng đồ hoạ theo các điều kiện đặt ra hay hỗ trợ việc ra quyết định của người dùng GIS. 17 1.3.3 Tìm kiếm và phân tích dữ liệu không gian Có rất nhiều các phương pháp tìm kiếm va phân tích dữ liệu không gian, các phương pháp khác nhau thường tạo ra các ứng dụng GIS khác nhau. Sau đây la một số phương pháp được dùng phổ biến nhất: a. Tìm kiếm dữ liệu trong vùng không gian (Buffer) Tìm kiếm dữ liệu trong vùng không gian (buffer) trên cơ sở các quan hệ không gian giữa các đối tượng. Các quan hệ nay thông thường nói lên vị trí tương đối của đối tượng nay với đối tượng kia. Phương pháp buffer được chia lam nhiều loại (phép toán) khác nhau, nhưng cách thức xử lý thì luôn tuân theo các bước cơ bản sau đây: - Chọn ra một hay nhiều đối tượng trên bản đồ, gọi la các đối tượng gốc. - Áp dụng một quan hệ không gian để tìm ra các đối tượng khác ma có quan hệ đặc biệt với các đối tượng gốc. - Hiển thị tập đối tượng tìm thấy cả trên dữ liệu không gian va thuộc tính. Hình 1. 4: Buffer bên trong một vùng có bán kính xác định Một số phép toán buffer thông dụng Tìm các đối tượng nằm bên trong các đối tượng khác. Phép toán nay xác định quan hệ “bao kín” giữa các đối tượng không gian. Đường thẳng bao gồm nhiều điểm, một đa giác (polygon) có thể bao gồm nhiều đường thẳng hoặc gồm các đa giác con khác. Tìm các đối tượng cắt các đối tượng khác. Phép toán nay xác định các đối tượng có giao điểm hay nằm chồng lên các đối tượng khác. 18 Hai đa giác giao nhau nếu chúng có một miền chung. Hai đường thẳng cắt nhau nếu chúng có một điểm chung. Một đường thẳng giao với một đa giác khi nó nằm một phần hay toan bộ trong đa giác. Tìm các đối tượng liền kề với các đối tượng khác. Đây la kiểu tìm kiếm trong đó các đối tượng có chung đường bao (biên). Quan hệ nay chỉ áp dụng cho đường thẳng hoặc đa giác. Tìm các đối tượng nằm bên trong hoặc bên ngoai một khoảng cách xác định. Kiểu tìm kiếm nay được sử dụng trong việc xác định các đối tượng xung quanh một hay nhiều các điểm mốc. Quá trình thực hiện bao gồm việc tạo ra một vùng đệm quanh các điểm mốc nay va sau đó xác định các đối tượng căn cứ vao vị trí của chúng so với vùng đệm tạo ra. b. Tìm kiếm theo địa chỉ (Geocoding) Một đối tượng trên bản đồ bao giờ cũng được biểu diễn bằng một kiểu dữ liệu đồ hoạ. Phần đồ hoạ nay có thể thu được bằng cách số hoá hay quét ảnh bản đồ. Tuy nhiên, khi ta đã có bản đồ (bản đồ số), chúng ta cũng có thể xác định được phần đồ hoạ biểu diễn đối tượng hay la vị trí, hình dạng của đối tượng thông qua các dữ liệu mô tả vị trí của nó ví dụ: số nha, tên đường, tên quận… Geocoding (hay address matching) la một tiến trình nhằm xác định các đối tượng trên cơ sở mô tả vị trí của chúng. Đây la một kỹ thuật rất nổi tiếng, có mặt trong rất nhiều ứng dụng của GIS. Người ta gọi một geocoding service la quá trình chuyển đổi toan bộ mô tả thuộc tính về vị trí sang mô tả không gian. Để tìm được vị trí thông qua địa chỉ, geocoding service phải tham chiếu đến ít nhất một nguồn dữ liệu bao gồm cả thông tin về địa chỉ (thuộc tính) va thông tin không gian (vị trí, hình dạng). Dữ liệu nay được gọi la dữ liệu tham chiếu. Các geocoding service có thể thao tác trên nhiều kiểu dữ liệu tham chiếu khác nhau. Sau khi đã geocoding dữ liệu tham chiếu (tức la ánh xạ mô tả thuộc tính vao mô tả không gian). Ta có thể nhập địa chỉ của đối tượng cần tìm. Quy trình xử lý trải qua các bước sau: - Chuẩn hoá giá trị địa chỉ vừa nhập vao bằng cách tách nó thanh các thanh phần địa chỉ nhỏ. 19 - Geocoding service sau đó sẽ tìm trong nguồn dữ liệu tham chiếu để xác định các đối tượng có các thanh phần địa chỉ tương ứng với dữ liệu nhập vao. Mỗi kiểu geocoding service sẽ quy định các định dạng của các thanh phần địa chỉ nay. - Tập kết quả trả về sẽ được gán các trọng số (điểm) để tìm ra kết quả gần đúng nhất. - Geocoding service sẽ đánh dấu đối tượng vừa được tìm thấy trên bản đồ bằng một đối tượng đồ hoạ. Hình 1. 5: Kết quả tìm kiếm theo địa chỉ c. Phân tích mạng (Networks) Networks la kỹ thuật được ứng dụng rất rộng rãi trong giao thông, phân phối hang hoá va dịch vụ, vận chuyển nước hay xăng dầu trong các đường ống dai, trao đổi thông tin qua mạng viễn thông… Trong GIS, networks được mô hình dưới dạng các đồ thị một chiều hay mạng hình học. Mạng hình học nay bao gồm các đối tượng đang được hiển thị trên bản đồ, mỗi đối tượng đóng vai trò la cạnh hoặc nút trong mạng. Trong GIS để thiết lập nên mối quan hệ giữa nút - cạnh va cạnh - cạnh ta cần tạo các topology cho cơ sở dữ liệu. Topology được hiểu la mối quan giữa các đối tượng trong bảng dữ liệu. Quan hệ topology giữa các đối tượng gần giống quan hệ giữa các bảng (relationship). Chúng ta có hai kiểu liên kết la nút - cạnh va cạnh - cạnh. Nút - cạnh la luật liên kết được thiết lập giữa một nút của đối tượng kiểu A với một cạnh của đối tượng kiểu B. Cạnh - cạnh la luật liên kết giữa một cạnh của đối tượng kiểu A va một cạnh của đối tượng kiểu B qua một tập các nút. Khi đã tạo topology va xác lập luật liên 20