thuật toán tìm đường đi tối ưu trong gis

- 1 -

Đại học Thái Nguyên
Khoa công nghệ thông tin





Phạm Thị Hằng Nga





Thuật toán tìm đờng đi tối u trong GIS

Luận văn thạc sĩ CÔng ngHệ THÔNG TIN














Thái Nguyên - 2010


- 2 -

Đại học Thái Nguyên
Khoa công nghệ thông tin

Phạm Thị Hằng Nga





Thuật toán tìm đờng đi tối u trong gis

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 01






Luận văn thạc sĩ CÔNG NGHệ THÔNG TIN



Ngời hớng dẫn khoa học

PGS. TS. Đặng Văn Đức

Thái Nguyên - 2010



i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn “Thuật toán tìm đường đi tối ưu trong
GIS” là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của
PGS.TS. Đặng Văn Đức, tham khảo các nguồn tài liệu đã được chỉ rõ trong
trích dẫn và danh mục tài liệu tham khảo. Các nội dung công bố và kết quả
trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất cứ công trình nào.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2010
Phạm Thị Hằng Nga


ii

Lời cảm ơn


Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS. Đặng Văn Đức, người đã tận tình
có những chỉ bảo cần thiết để giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và phát
triển luận văn.
Xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô trong khoa Sau đại học trường Đại học
Thái Nguyên đã nhiệt tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu

trong suốt thời gian học tập tại trường.
Xin chân thành cảm ơn các bạn cùng lớp, đồng nghiệp và đơn vị nơi tôi công
tác đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi đã động viên tôi trong suốt quá trình học
và hoàn thành luận văn.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ GIS 4
1.1 Định nghĩa, các thành phần, chức năng GIS 4
1.1.1 Định nghĩa 4
1.1.2 Các thành phần 9
1.1.3 Chức năng của Gis 12
1.2 Cấu trúc dữ liệu không gian véctơ và các thuật toán liên quan 14
1.2.1 Các thành phần dữ liệu 14
1.2.2 Các phép toán phân tích không gian trên mô hình Vector 18
1.3 Các ứng dụng GIS 22
CHƯƠNG 2 – MỘT SỐ THUẬT TOÁN TÌM ĐƯỜNG ĐI TỐI ƯU ỨNG
DỤNG TRONG GIS 24
2.1 Một số thuật toán cơ sở: Disktra, Floy, A* 24
2.1.1 Phát biểu bài toán 24
2.1.2 Thuật toán Dijkstra 25
2.1.3 Thuật toán Bellman-Ford 34
2.1.4 Thuật toán A* 37
2.2 Ứng dụng logíc mờ trong tìm đường đi tối ưu 46
2.2.1 Giới thiệu Logic mờ 46

2.2.2 Ứng dụng logic mờ trong tìm đường đi tối ưu 50
2.3 Nhận xét đánh giá 53
CHƯƠNG 3 – PHÁT TRIỂN CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 56
3.1 Giới thiệu bài toán tìm đường đi tối ưu 56
3.1.1 Lý do xây dựng chương trình 56


iv

3.1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ của chương trình 56
3.2 Các công nghệ sử dụng 57
3.2.1 MapInfo Professional 57
3.2.2 Thư viện hỗ trợ xây dựng ứng dụng bản đồ MapXtreme 60
3.2.3 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu Access 64
3.2.4 Ngôn ngữ lập trình Microsoft Visual C#.NET 64
3.3 Thiết kế, lập trình hệ thống demo 65
3.3.1 Thiết kế 65
3.3.2 Lập trình demo 67
3.4 Đánh giá kết quả thu được 72
KẾT LUẬN 73
HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO 75



v

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hệ thống thông tin tin địa lý 6
Hình 1.2 Tầng bản đồ 7

Hình1.3 Các hoạt động chính của GIS 8
Hình 1.4 Các thành phần của GIS 9
Hình 1.5 Phần cứng GIS 11
Hình 1.6 Phần mềm của GIS 12
Hình 1.7 Các nhóm chức năng trong GIS 13
Hình 1.8 Các thành phần hình học cơ sở 14
Hình 1.9: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm (Point) 15
Hình 1.10: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng Arc 16
Hình 1.11: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon) 17
Hình 1.12 Một số khái niệm trong cấu trúc cơ sở dữ liệu bản đồ 17
Hình 1.13 Phép toán Buffer 18
Hình 1.14 Phép toán Difference 18
Hình 1.15 Phép toán Clip 19
Hình 1.16 Phép toán Intersect 19
Hình 1.17 Phép toán Convex hull 19
Hình 1.18 Phép toán Symmetric difference 20
Hình 1.19 Phép toán cut 20
Hình 2.1 Đồ thị minh họa thuật toán Dijkstra 28
Hình 2.2 Đồ thị minh họa thuật toán Bellman-Ford 35
Hình 2.3: Minh hoạ phép toán hợp trên tập mờ 50
Hình 2.4: Minh hoạ phép toán giao trên tập mờ 50
Hình 2.5: Đồ thị mờ G minh hoạ thuật toán FSA 51
Hình 2.6: Các đường đi mờ ngắn nhất của đồ thị mờ G 53


vi

Hình 3.1 Sơ đồ phân cấp chức năng 65
Hình 3.2 Bảng dữ liệu 66
Hình 3.3 Giao diện tìm kiếm đường đi ngắn nhất 71

Hình 3.4 Giao diện kết quả tìm kiếm 72


1

MỞ ĐẦU
Từ xa xưa, thông tin địa lý đã là nhu cầu cần thiết của mọi người trong
mọi sinh hoạt hàng ngày tại những vị trí khác nhau. Mỗi người trong xã hội
luôn luôn có nhu cầu cần biết về thế giới thực xung quanh mình. Con người
muốn được hiểu biết về các thực thể, các sự kiện, các hiện tượng như thế nào,
xảy ra ở đâu, xảy ra khi nào, và tại sao như vậy. Ở quy mô rộng lớn hơn,
những nhà lãnh đạo một địa phương, một quốc gia, một khu vực luôn luôn
cần có thông tin địa lý một cách đầy đủ, chính xác, kịp thời để ra những quyết
sách đúng đắn, phù hợp lòng dân, làm cho địa phương, quốc gia ngày càng
phát triển. Những nhà quân sự cần có thông tin địa lý để có những phương án
chiến lược, chiến thuật bảo vệ lãnh thổ. Những nhà đầu tư cần thông tin địa lý
để tính toán những khả năng và hiệu quả đầu tư, những nhà kinh doanh cần có
thông tin địa lý để qui hoạch chiến lược thị trường, làm cho hàng hóa được
tiêu thụ nhanh chóng. Những nhà quản lý công trình giao thông đô thị cần
thông tin địa lý để cơ cấu lại phương tiện giao thông công cộng theo hướng
giảm ách tắc giao thông, tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường,…
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin, đặc biệt là từ khi
xuất hiện ngành đồ họa vi tính cũng như sự gia tăng vượt bậc những khả năng
phần cứng, hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã ra đời và phát triển nhanh
chóng cả về mặt công nghệ cũng như ứng dụng. Hệ thống thông tin địa lý đã
chứng tỏ khả năng ưu việt hơn hẳn các hệ thông tin bản đồ truyền thống nhờ
vào khả năng tích hợp thông tin mật độ cao, cập nhật thông tin dễ dàng cũng
như khả năng phân tích, tính toán của nó. Do đó, hệ thống thông tin địa lý đã
nhanh chóng trở thành một công cụ trợ giúp quyết định cho tất cả các ngành
từ quy hoạch đến quản lý, tất cả các lĩnh vực từ tài nguyên thiên nhiên, môi

trường, đất đai, hạ tầng kỹ thuật đến xã hội nhân văn. Có thể nói ngày nay


2

không có lĩnh vực nào không có hoặc không thể ứng dụng công nghệ GIS.
Cũng chính vì thế, công nghệ thông tin địa lý (công nghệ GIS) được tiếp cận
từ nhiều hướng khác nhau và do đó cũng có nhiều định nghĩa khác nhau về
GIS.
Thuật toán tìm đường đi tối ưu trong GIS, hiện nay đang được triển
khai rộng rãi trong các ứng dụng quan trọng trên thực tế như lập kế hoạch vận
chuyển, điều khiển giao thông,…
Trên đây đã điểm qua tầm quan trọng của hệ thông tin địa lý, đặc biệt là
thuật toán tìm đường đi tối ưu trong Gis đã cho ta thấy rõ tính cần thiết cũng
như tính thời sự của vấn đề, đồng thời có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Vì
thế, tôi đã thực hiện đề tài luận văn: “Thuật toán tìm đường đi tối ưu trong
Gis”.
Mục tiêu đề tài là tìm hiểu các thuật toán áp dụng trong đồ thị. Đề tài
cũng bước đầu xây dựng một chương trình tìm kiếm đường đi tối ưu giúp cho
những người tham gia giao thông, hay khách du lịch ở thành phố Hải Phòng
chọn được hướng đường đi tối ưu nhất, nhằm tiết kiệm thời gian và công sức.
Bố cục của luận văn bao gồm phần mở đầu, phần kết luận và ba chương
nội dung được tổ chức như sau:
Chương 1: Tổng quan về GIS
Chương này trình bày tổng quan về hệ thống thông tin địa lý bao gồm
các thành phần, chức năng và các ứng dụng của GIS. Hơn nữa, đề cập đến
một số vấn đề về cấu trúc dữ liệu không gian vectơ và các thuật toán liên
quan…
Chương 2: Một số thuật toán tìm kiếm đường đi tối ưu ứng dụng trong
GIS

3

Trong chương này tập trung vào một số thuật toán tìm đường đi ngắn
nhất trong đồ thị như thuật toán Dijkstra, thuật toán A*, thuật toán Floyd,…
Chương 3: Phát triển chương trình thử nghiệm
Trong chương này phát triển ứng dụng về thuật toán tìm đường đi tối
ưu trong thực tế. Cụ thể là cài đặt và thử nghiệm với thuật toán Floyd để tìm
kiếm đường đi có khoảng cách ngắn nhất giữa các điểm đường trên đồ thị
của thành phố Hải Phòng .
Xây dựng chương trình dựa trên cơ sở dữ liệu đã tạo trên MapInfo, với
công cụ lập trình là Visual C#.NET và MapXtreme. Thiết kế, đặc tả chức
năng, cách thức lập trình, cài đặt và thử nghiệm, giao diện chương trình.



4

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ GIS
Hệ Thông tin địa lý - GIS (Geographical Information System) là một
công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên
trái đất. Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như
cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó
phép phân tích địa lý và hình ảnh được cung cấp duy nhất từ các bản đồ.
Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến
cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích
các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược).
1.1 Định nghĩa, các thành phần, chức năng GIS
1.1.1 Định nghĩa

Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về GIS, nhưng chúng đều có điểm
giống nhau như: bao hàm khái niệm không gian, phân biệt giữa thông tin quản
lý GIS là kết hợp của bản đồ trợ giúp máy tính và công nghệ cơ sở dữ liệu
(CSDL). So với bản đồ thì GIS có lợi thế là lưu trữ dữ liệu và biểu diễn chúng
là hai công việc tách biệt nhau. Do vậy GIS có khả năng quan sát từ các góc
độ khác nhau trên cùng tập dữ liệu. Sau đây là một vài định nghĩa về GIS hay
được sử dụng:
 Định nghĩa của dự án The Geographer’s Craft, Khoa địa lý,
Trường Đại học Texas
GIS là CSDL số chuyên dụng trong đó hệ trục tọa độ không gian là
phương tiện tham chiếu chính. GIS bao gồm các công cụ để thục hiện các
công việc sau đây:
 Nhập dữ liệu từ bản đồ giấy, ảnh vệ tinh, ảnh máy bay, số liệu điều tra và
các ngồn khác


5

 Lưu trữ dữ liệu, khai thác, truy vấn CSDL
 Biến đổi dữ liệu, phân tích, mô hình hóa, bao gồm cả dữ liệu thống kê và
dữ liệu không gian
 Lập báo cáo, bao gồm bản đồ chuyên đề, các bảng biểu, biểu đồ và kế
hoạch.
Từ định nghĩa trên thấy rõ ba vấn đề sau của GIS. Thứ nhất, GIS có
quan hệ với ứng dụng CSDL. Toàn bộ thông tin trong GIS đều liên kết với
tham chiếu không gian. Có những CSDL chứa thông tin vị trí (địa chỉ đường
phố…) nhưng CSDL GIS sử dụng tham chiếu khôn gian như phương tiện
chính để lưu trữ và xâm nhập thông tin. Thứ hai, GIS là công nghệ tích hợp.
Hệ GIS đầy đủ có đầy đủ khả năng phân tích, bao gồm phân tích ảnh máy
bay, ảnh vệ tinh hay tạo lập mô hình thống kê, vẽ bản đồ… Cuối cùng, GIS

được xem như tiến trình không chỉ là phần cứng, phần mềm rời rạc mà GIS
còn sử dụng vào trợ giúp quyết định. Cách thức nhập, lưu trữ, phân tích dữ
liệu trong GIS phải phản ánh đúng cách thức thông tin sẽ được sử dụng trong
công việc lập quyết định hay nghiên cứu cụ thể.
 Định nghĩa của Viện Nghiên cứu Hệ thống Môi trường ESRI, Mỹ
GIS là công cụ trên cơ sở máy tính để lập bản đồ và phân tích những
cái đang tồn tại và các sự kiện xảy ra trên Trái đất. công nghệ GIS tích hợp
các thao tác CSDL như truy vấn và phân tích thống kê với lợi thế quan sát và
phân tích thống kê bản đồ. Các khả năng này sẽ phân biệt GIS với các hệ
thông tin khác. Có rất nhiều chương trình máy tính sử dụng dữ liệu không
gian như AutoCAD và các chương trình thống kê, nhưng chúng không phải là
GIS vì chúng không có khả năng thực hiện các thao tác không gian.



6

 Định nghĩa của David Cowen, NCGIA, Mỹ
GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục được thiết kế để
thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mô hình hóa và hiển thị các dữ liệu qui
chiếu không gian để giải quyết các vấn đề quản lý và lập kế hoạch phức tạp.
Độ phức tạp của thế giới thực là không gian hữu hạn. Càng quan sát thế
giới gần hơn càng thấy được chi tiết hơn. Con người mong mỏi lưu trữ, quản
lý đầy đủ các dữ liệu về thế giới thực. Nhưng sẽ dẫn đến phải có cơ sở dữ liệu
lớn vô hạn để lưu trữ mọi thông tin chính xác về chúng. Do vậy, để lưu trữ
được dữ liệu không gian của thế giới thực vào máy tính thì phải giảm số
lượng dữ liệu đến mức có thể quản lý được bằng tiến trình đơn giản hóa hay
trừu tượng hóa (Hình 1.1). Trừu tượng là đơn giản hóa một cách thông minh.
Trừu tượng cho ta tổng quát hóa và “ý tưởng” hóa vấn đề đang xem xét.
Chúng loại bỏ đi các chi tiết dư thừa mà chỉ tập trung vào các điểm chính, cơ

bản. Các đặc trưng địa lý phải được biểu diễn bởi các thành phần rời rạc hay
các đối tượng để lưu vào CSDL máy tính.






Hình 1.1 Hệ thống thông tin tin địa lý
Ý nghĩa chủ yếu của tin học hóa thông tin địa lý là khả năng tích hợp
các kiểu và nguồn dữ liệu khác biệt. Mục tiêu của GIS là cung cấp cấu trúc
một cách hệ thống để quản lý các thông tin địa lý khác nhau và phức tạp,

Phần mềm
công cụ

CSDL
+

GIS

Trừu tượng
hóa hay
đơn giản
hóa

Người sử dụng
K
ết quả

Th
ế giới thực



7

đồng thời cung cấp các công cụ, các thao tác hiển thị, truy vấn, mô phỏng…
Cái GIS cung cấp là cách thức suy nghĩ mới về không gian. Phân tích không
gian không chỉ là truy cạp mà còn cho phép khai thác các quan hệ và tiến
trình biến đổi của chúng.

Hình 1.2 Tầng bản đồ
GIS lưu trữ thông tin thế giới thực thành các tầng (layer) bản đồ chuyên
đề mà chúng có khả năng liên kết địa lý với nhau. Giả sử ta có vùng quan sát
như trên Hình 1.2. Mỗi nhóm người sử dụng sẽ quan tâm đến một hay là vài
loại thông tin. Thí dụ, Sở giao thông công chính sẽ quan tâm nhiều đến hệ
thống đường phố. Sở nhà đất quan tâm nhiều đến các khu dân cư và công sở.
Sở thương mại quan tâm nhiều đến phân bổ khách hàng trong vùng. Tư tưởng
tách bản đồ thành tầng tuy đơn giản nhưng khá mềm dẻo và hiệu quả, chúng
có khả năng giải quyết rất nhiều vấn đề về thế giới thực, từ theo dõi điều hành
xe cộ giao thông, đến các ứng dụng lập kế hoạch và mô hình hóa lưu thông.
Ta có thể sử dụng tiến trình tự động, gọ là mã hóa địa lý (geocoding) để liên
kết dữ liệu bên ngoài với dữ liệu bản đồ. Thí dụ sử dụng mã hóa địa lý để ánh


8

xạ thông tin bán hàng bằng mã bưu điện (ZIP) hay chỉ ra địa chỉ khách hàng
trên bản đồ bằng các điểm.

Hình1.3 Các hoạt động chính của GIS
Hiểu biết của chúng ta về trái đất là giới hạn vì thiếu thông tin cũng
như thiếu chi thức. Để quan sát vật thể quá nhỏ con người đã phát minh ra
kính hiển vi, để quan sát vật thể quá lớn như toàn bộ Trái đất, con người đã sử
dụng vệ tinh nhân tạo. Hệ thông tin địa lý là công cụ tích hợp dữ liệu không
gian theo tỷ lệ và thời gian khác nhau, theo các khuôn mẫu khác nhau. Người
sử dụng thông tin địa lý như các nhà khoa học, giám sát tài nguyên môi
trường, lập kế hoạch phát triển đô thị… đều làm việc theo vùng hay lãnh thổ.
Họ quan sát và đo đạc các tham số môi trường. Họ xây dựng các bản đồ biểu
diễn một và đặc tính Trái đất. Họ giám sát sự thay đổi xung quanh ta theo thời
gian và không gian. Cuối cùng, họ mô hình hóa các tác động, tiến trình trong


9

môi trường (hình 1.3). Hiệu quả cơ bản của các hoạt dộng này sẽ được nâng
cao nhờ sử dụng thông tin địa lý, một hình thức của hệ thống thông tin.
1.1.2 Các thành phần
Có nhiều cách tiệm cận khác nhau khi định nghĩa GIS. Nếu xét dưới
góc độ hệ thống, thì GIS có thể được hiểu như một hệ thống gồm năm thành phần
chính (hình 1.4): con người, phương pháp, phần cứng, phần mềm tin học và dữ
liệu [1].

Hình 1.4 Các thành phần của GIS
- Con người: là chuyên viên tin học, các chuyên gia về các lĩnh vực
khác nhau, chuyên gia GIS, thao tác viên GIS, phát triển ứng dụng GIS.
+ Người sử dụng hệ thống (system user) là những người sử dụng GIS
để giải quyết các vấn đề không gian.
+ Thao tác viên hệ thống (system operator) có trách nhiệm vận hành hệ
thống hàng ngày để người sử dụng hệ thống làm việc có hiệu quả.

10

+ Nhà cung cấp GIS (GIS supplier) có trách nhiệm cung cấp phần
mềm. cập nhật phần mềm, phương pháp nâng cấp cho hệ thống.
+ Nhà cung cấp dữ liệu (data supplier) có thể là Tổ chức nhà nước hay
tư nhân.
+ Người phát triển ứng dụng (application developer) là những lập trình
viên được đào tạo. Họ xây dựng các giao diện người dùng, làm giảm khó
khăn khi thực hiện các thao tác cụ thể trên hệ thống GIS chuyên nghiệp.
+ Chuyên viên phân tích hệ thống GIS (GIS system analysts) là nhóm
người chuyên nghiên cứu thiết kế hệ thống.
- Dữ liệu: là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống GIS, chiếm
khoảng 70% giá thành sản phẩm. Dữ liệu thống kê gắn theo các hiện tượng tự
nhiên với mức độ chính xác khác nhau. Hệ thống thước đo của chúng bao
gồm các biến tên, số thứ tự, khoảng và tỷ lệ. Ngoài bốn loại biến dữ liệu này,
các hệ GIS còn phân chia dữ liệu thành hai loại khác nhau:
+ Dữ liệu không gian (spatial): là thông tin về vị trí của các đối tượng
trong thế giới thực trên mặt đất theo một hệ quy chiếu nhất định. Thực thể
không gian có thể cấu trúc theo hai cách: cấu trúc dạng vectơ và cấu trúc dạng
raster.
+ Dữ liệu phi không gian (non-spatial): còn gọi là dữ liệu thuộc tính, là
những số hiệu, bảng biểu mô tả tính chất , đặc trưng của dữ liệu không gian.
Nó được biểu thị dưới dạng những con số hoặc chữ mô tả số lượng, tính chất,
thông số liên quan đến các đối tượng đó trên bản đồ.
Dữ liệu phi không gian được kết nối logic với dữ liệu không gian. Sự
kết nối này là cơ sở để xác định chính xác các thông tin của đối tượng địa lý

11

và thực hiện phép phân tích tổng hợp trong hệ thống GIS. Mỗi hệ GIS đều có
các công cụ lưu trữ dữ liệu thuộc tính cùng với dữ liệu không gian.
- Phần cứng: GIS đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt như bàn số hóa,
máy vẽ, máy quét ảnh để vào ra dữ liệu. Các thiết bị này có thể được nối với
nhau thông qua thiết bị truyền tin hay mạng cục bộ (hình 1.5).

Hình 1.5 Phần cứng GIS
- Công cụ phần mềm: Một hệ thống GIS bao gồm nhiều modul phần
mềm. Khả năng lưu trữ, quản lý dữ liệu không gian bằng hệ quản trị cơ sở dữ
liệu địa lý là khía cạnh quan trọng nhất của GIS. Các modul khác là công cụ
phân tích dữ liệu, làm báo cáo và truyền tin.


12










Hình 1.6 Phần mềm của GIS
- Giao diện người dùng: Giao diện đồ họa cho phép người dùng dễ
dàng thực hiện các thao tác địa lý và các thao tác khác như truy cập cơ sở dữ
liệu, làm báo cáo.

1.1.3 Chức năng của Gis
GIS là hệ thống có khả năng tự động thực hiện những chức năng được
phân chia như sau :
- Thu thập dữ liệu.
- Xử lý sơ bộ dữ liệu.
- Lưu trữ và truy nhập dữ liệu.
- Tìm kiếm và phân tích không gian.
- Hiển thị đồ họa và tương tác.
Hình 1.7 mô tả quan hệ giữa các nhóm chứa năng và cách biểu diễn
thông tin khác nhau của GIS.

Hiển thị,
làm báo
cáo

Phân tích
không gian

Thu thập dữ
liệu

Chuyển
đổi dữ liệu

Giao diện
người dùng

Quản trị
CSDL
địa lý

13


Hình 1.7 Các nhóm chức năng trong GIS
Chức năng thu thập dữ liệu tạo ra dữ liệu từ các quan sát hiện tượng thế
giới thực và từ các tài liệu, bản đồ giấy, đôi khi chúng có sẵn dưới dạng số.
Kết quả ta có tập “dữ liệu thô”, có nghĩa là dữ liệu này không được phép áp
dụng trực tiếp cho chức năng truy nhập và phân tích của hệ thống. 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. Kết quả tìm
kiếm và phân tích được xem như diễn giải dữ liệu, đó là tổ hợp hay biến đổi
đặc biệt của dữ liệu có cấu trúc. Hệ thống GIS phải có phần mềm công cụ để
tổ chức và lưu 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 lưu trữ, truy nhập; đồng thời
có khả năng hiển thị, tương tác đồ họa với tất cả loại dữ liệu.


14

1.2 Cấu trúc dữ liệu không gian véctơ và các thuật toán liên quan
Mô hình dữ liệu vectơ coi hiện tượng là tập các thực thể không gian cơ
sở và tổ hợp giữa chúng. Trong mô hình 2D thì thực thể sơ đẳng bao gồm
điểm, đường và vùng; mô hình 3D còn áp dụng bề mặt ba chiều và khối (hình
1.8). Các thực thể sơ đẳng được hình thành trên cơ sở các vectơ hay tọa độ
của các điểm trong một hệ trục tọa độ nào đó.

Hình 1.8 Các thành phần hình học cơ sở
1.2.1 Các thành phần dữ liệu

 Kiểu đối tượng điểm (Points)
Điểm được xác định bởi cặp giá trị các đối tượng đơn, thông tin về địa lý
chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ được phản ánh là đối tượng điểm. Các đối tượng kiểu
điểm có đặc điểm:


15

 Là toạ độ đơn (x,y)
 Không cần thể hiện chiều dài và diện tích
Hình 1.9: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm (Point).
Tỷ lệ trên bản đồ tỷ lệ lớn, đối tượng thể hiện dưới dạng vùng. Tuy
nhiên trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tượng này có thể thể hiện dưới dạng một
điểm. Vì vậy, các đối tượng điểm và vùng có thể được dùng phản ánh lẫn
nhau.
 Kiểu đối tượng đường (Arcs)
Đường được xác định như một tập hợp dãy của các điểm. Mô tả các đối
tượng địa lý dạng tuyến, có các đặc điểm sau:
 Là một dãy các cặp toạ độ
 Một arc bắt đầu và kết thúc bởi node
 Các arc nối với nhau và cắt nhau tại node
 Hình dạng của arc được định nghĩa bởi các điểm vertices
 Độ dài chính xác bằng các cặp toạ độ


16

Hình 1.10: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng Arc
 Kiểu đối tượng vùng (Polygons)
Vùng được xác định bởi ranh giới các đường thẳng. Các đối tượng địa lý

có diện tích và đóng kín bởi một đường được gọi là đối tượng vùng polygons,
có các đặc điểm sau:
 Polygons được mô tả bằng tập các đường (arcs) và điểm nhãn (label
points)
 Một hoặc nhiều arc định nghĩa đường bao của vùng
 Một điểm nhãn label points nằm trong vùng để mô tả, xác định cho mỗi
một vùng.



17










Hình 1.11: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon)

Hình 1.12 Một số khái niệm trong cấu trúc cơ sở dữ liệu bản đồ