Mô hình và cấu trúc dữ liệu không gian

Chương 3

MÔ HÌNH VÀ CẤU TRÚC
DỮ LIỆU KHÔNG GIAN


3.1. GIỚI THIỆU
Dữ liệu GIS

Thế giới thực

-Truy vấn thơng tin
-Cập nhật dữ liệu
-Phân tích, mơ hình hóa
-Hiển thị, xuất dữ liệu

Thực thể không gian (spatial entity) là sự vật, hiện
tượng tồn tại trong thế giới thực.
Đối tượng không gian (spatial object) là những thực
thể không gian được biểu diễn trong máy tính.
Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.1. GIỚI THIỆU

Vai trò của mô hình dữ liệu trong GIS
Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.1. GIỚI THIỆU
Mô hình không gian là sự đơn giản hoá thế giới thực,

là tập những phần tử biểu diễn các thực thể không
gian trong thế giới thực.
Mô hình dữ liệu không gian tương ứng với tập các
nguyên tắc để chuyển thế giới thực thành các đối
tượng không gian được miêu tả một cách logic.

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.1. GIỚI THIỆU
Dữ liệu số về các đối
tượng không gian được
biểu diễn trong máy tính
dưới dạng nhò phân theo
mô hình raster hoặc vector.
- Mô hình raster biểu diễn
các thực thể theo một bề
mặt liên tục
- Mô hình vector biểu
diễn các thực thể theo một
bề mặt rời rạc

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.1. GIỚI THIỆU
Mô hình raster: các đối
tượng không gian được
chia thành những ô lưới
bằng nhau gọi là điểm ảnh

(pixel), mỗi điểm ảnh chỉ có
một thuộc tính.

Mô hình vector: các đối
tượng không gian được
biểu diễn như những điểm,
đường, vùng.

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.2. MÔ HÌNH DỮ LIỆU RASTER
Mô hình dữ liệu Raster sử dụng một mạng lưới các ô
(hình vuông, tam giác hoặc lục giác) được gọi là các
pixel để thể hiện các đối tượng không gian.
The raster data model uses an array of cells, or pixels,
to represent real-world objects. The cells can hold any
attribute values based on one of several encoding
schemes including categories, and integer and floatingpoint numbers.

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.2. MÔ HÌNH DỮ LIỆU RASTER

Dữ liệu
Raster khu
vực bán
đảo
Olympic,

bang
Washington,
Mỹ.

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.3. CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER
3.3.1. Mô tả cấu trúc

Cấu trúc dữ liệu raster có hai đặc điểm cần lưu ý:

- Mỗi điểm ảnh chỉ biểu diễn một thuộc tính, xác đònh
bởi giá trò f(x,y).
- Khi thay đổi độ phân giải (kích thước điểm ảnh thay
đổi), dung lượng dữ liệu thay đổi theo. Dung lượng dữ
liệu tăng theo bình phương tỉ lệ gia tăng độ phân giải.

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.3. CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER
3.3.2. Đặc tính hình học

Đối tượng điểm (Point objects):
Số pixel i

Số hàng j

(i,j) = (5,3);(7,5);(8,2)

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.3. CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER
3.3.2. Đặc tính hình học

Đối tượng đường (Line objects):

(1,3);(2,2);(3,2) ;(4,3); (5,4)

;(6,5) ;(7,5) ;(8,4)

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.3. CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER
3.3.2. Đặc tính hình học

Đối tượng vùng (Polygon objects):

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.3. CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER
3.3.3. Kỹ thuật nén dữ liệu Raster

Để tăng hiệu quả trong việc lưu trữ dữ liệu Raster,
nhiều kỹ thuật nén dữ liệu Raster đã được nghiên cứu
và đề xuất:

- Mã hóa đoạn chạy (run-length encoding)
- Mã hóa khối (block encoding)

- Mã hóa sóng (wavelet encoding)
- Mã hóa cây tứ phân (quadtrees encoding)

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.3. CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER

3.3.4. Đònh dạng file đối với dữ liệu không gian raster
Cấu trúc dữ liệu raster được thực hiện dưới nhiều
đònh dạng số khác nhau:
- GRID: Đònh dạng của ESRI dùng để lưu trữ và xử lý
dữ liệu raster.
- Đònh dạng công nghiệp chuẩn: JPEG, TIFF và MrSID
dùng trong hiển thò nhưng không phân tích được (phải
chuyển thành GRID).

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.3. CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER

3.3.4. Đònh dạng file đối với dữ liệu không gian raster
Khi hiển thò đồng thời với dữ liệu vector, đòi hỏi phải
có thông tin tọa độ tham chiếu (georeferencing
information)
- TIFF

image.tiff

image.tfw

- Bitmap

image.bmp

image.bpw

- BIL

image.bil

image.blw

- JPEG

image.jpg

image.jpw

Geotiff là đònh dạng chứa cả ảnh và thông tin tham
chiếu trong cùng 1 file.

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.3. CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER

3.3.4. Đònh dạng file đối với dữ liệu không gian raster
Cấu trúc của tập tin tham chiếu: dạng ASCII gồm 6
dòng
 Dòng 1: Kích thước theo hướng x của pixel đơn vò bản đồ (A)
 Dòng 2: Góc xoay quanh trục y (D)
 Dòng 3: Góc xoay quanh trục x (B)

 Dòng 4: Kích thước âm theo hướng y của pixel theo đơn vò bản đồ (E)
 Dòng 5: Tọa độ x của tâm pixel trên trái (C)
 Dòng 6: Tọa độ y của tâm pixel trên trái (F)
- Công thức tính chuyển:

X1 = Ax + By + C
Y1 = Dx + Ey + F

x1, y1: tọa độ pixel theo đơn vò bản đồ
x, y: cột và hàng của pixel trên ảnh
Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.3. CẤU TRÚC DỮ LIỆU RASTER

3.3.4. Đònh dạng file đối với dữ liệu không gian raster
Ví dụ:

 20.17541308822119
 0.00000000000
 0.00000000000
 -20.17541308822119

 424178.11472601280548
 4313415.90726399607956

A
D
B
E
C
F

- Với pixel trên ảnh có tọa độ (3,4) thì
 Pixel có tọa độ bản đồ là:
(424238.640965277, 431335.20561164)
Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.4. MÔ HÌNH DỮ LIỆU VECTOR
Mô hình dữ liệu vector sử dụng các đối tượng điểm,
đường, vùng để biểu diễn các thực thể không gian.
In the vector data model each object in the real world
is first classified into a geometric type: in the 2-D case
point, line, or polygon.

Points (e.g., wells, soil pits, and retail stores) are
recoded as single coordinate pairs, lines (e.g., roads,
streams, and geologic faults) as a series of ordered
coordinate pairs (also called polylines), and polygons
(census tracts, soil areas, and oil license zones) as one or
more line segments that close to form a polygon area.

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.5. CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR
3.5.1. Mô tả cấu trúc

Các đối tượng không gian khi biểu diễn ở cấu trúc
vector thường tổ chức dưới dạng điểm, đường và vùng
trên một hệ thống tọa độ xác đònh.
Mỗi điểm được xác đònh bởi một cặp toạ độ (x,y);
đường được xác đònh bởi một chuỗi liên tiếp các điểm
{(x1, y1),(x2, y2),...,(xn,yn)} và vùng được xác đònh bởi
những đường khép kín.
Hai cấu trúc dữ liệu Vector thông dụng là cấu trúc
Spaghetti và cấu trúc Topology.

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.5. CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR
3.5.2. Đặc tính hình học

Các đối tượng trong không gian được phân loại
thành 3 dạng:
- Đối tượng điểm: Điểm dùng cho tất cả các đối
tượng không gian được biểu diễn như một cặp tọa độ
(x,y).

- Đối tượng đường: Đường được dùng để biểu diễn
tất cả các đối tượng có dạng tuyến, được tạo nên từ

hai hoặc nhiều cặp tọa độ (x,y).
- Đối tượng vùng: Vùng là một đối tượng hình học hai
chiều

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.5. CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR
3.5.2. Đặc tính hình học
Điểm

Vùng

Đường

Đường cong

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.5. CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR
3.5.3. Cấu trúc Spaghetti

- Điểm được xác đònh bằng một cặp tọa độ (x,y),

- Đường được biểu diễn bằng một chuỗi những cặp
toạ độ (xi,yi).
- Vùng được xác đònh bởi một cung khép kín và
được biểu diễn bằng một chuỗi cặp tọa độ (xi,yi) có
tọa độ đầu và tọa độ cuối trùng nhau.

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.5. CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR
3.5.3. Cấu trúc Spaghetti

A(xA,yA)

Đặc trưng
Điểm A

1

2

Vò trí
(xA,yA)

Cung AB

(xA,yA), (x1,y1), . . . , (xB,yB).

Vùng 1

(x1A,y1A), (x11,y11), . . . ,
(x1i,y1i), (x1B,y1B), (x1j,y1j), .
. . , (x1A,y1A).

Vùng 2

(x2A,y2A), (x21,y21), . . . ,
(x2i,y2i), (x2B,y2B), (x2j,y2j), .
. . , (x2A,y2A).

B(xA,yA)

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.5. CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR
3.5.3. Cấu trúc Spaghetti

Cấu trúc không ghi nhận đặc trưng kề nhau của hai
vùng kề nhau, nghóa là tại đường chung của hai vùng
kề nhau có hai đường độc lập.

Cấu trúc Spaghetti được sử dụng để lập bản đồ số
rất tốt, nhưng không thích hợp cho các bài toán phân
tích GIS vì không mô tả được các quan hệ không gian.

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng


3.5. CẤU TRÚC DỮ LIỆU VECTOR
3.5.4. Cấu trúc Topology

Tính topology rất cần thiết trong quá trình phân tích
không gian.
Topology thể hiện mối quan hệ hoặc sự liên kết giữa

các đối tượng trong không gian.
Topology là một phương pháp toán học dùng để xác
đònh các quan hệ không gian.

Biên soạn: GV. Phạm Thế Hùng