Phát triển một số mô hình dữ liệu không thời gian trong GIS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN GIA TUẤN ANH

PHÁT TRIỂN MỘT SỐ MÔ HÌNH DỮ LIỆU
KHÔNG-THỜI GIAN TRONG GIS

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2012


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN GIA TUẤN ANH

PHÁT TRIỂN MỘT SỐ MÔ HÌNH DỮ LIỆU
KHÔNG -THỜI GIAN TRONG GIS

Chuyên ngành: ĐẢM BẢO TOÁN HỌC CHO MÁY TÍNH VÀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN
Mã số chuyên ngành: 1.01.10

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Kim Lợi
Phản biện 2: TS. Võ Thị Ngọc Châu
Phản biện 3: TS. Lý Quốc Ngọc
Phản biện độc lập 1: TS. Nguyễn Đình Thuân
Phản biện độc lập 2: PGS.TS Nguyễn Kỳ Phùng

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS TRẦN VĨNH PHƯỚC

Tp. HỒ CHÍ MINH – 2012


Lời cam kết

Tôi xin cam kết rằng luận án khoa học này là công trình nghiên cứu khoa học của
chính bản thân. Các đóng góp của tôi trong luận án là trung thực và chưa từng được
công bố của bất kì tác giả nào.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Gia Tuấn Anh


Lời cám ơn

Tôi chân thành cám ơn đến thầy hướng dẫn, đã động viên tinh thần cũng như đóng góp
các ý kiến chuyên môn đến luận án, các bài báo khoa học. Thầy cũng cung cấp một số
tài liệu liên quan đến vấn đề mà tôi đang nghiên cứu và ân cần nhắc nhở đến tiến độ
thực hiện luận án.
Tôi cũng chân thành cám ơn đến các Thầy, Cô thuộc khoa Công nghệ thông tin trường
Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh đã trang bị các kiến thức trong cả
3 cấp: đại học, cao học và nghiên cứu sinh, từ các kiến thức cơ bản đến các vấn đề
chuyên sâu.
Tôi xin gởi lời cám ơn đến các anh, chị, đồng nghiệp, các bạn, các em, nhất là các bạn
cũ lớp 6-SB74, bằng nhiều hình thức khác nhau đã giúp đở tôi trong quá trình học tập
cũng như trong thời gian hoàn thành luận án.
Đặc biệt xin gởi lời tri ân đến cha mẹ, anh chị em trong gia đình đã khuyến khích, chia

sẻ, đồng hành với tôi rất nhiều trong suốt 7 năm qua.


MỤC LỤC
Chương 1. GIỚI THIỆU
1.1 Giới thiệu .................................................................................................................1
1.2 Mục tiêu luận án ......................................................................................................2
1.3 Phương pháp tiếp cận...............................................................................................3
1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận án ..............................................................................3
1.5 Các đóng góp chính của luận án ..............................................................................3
1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn...................................................................................4
1.7 Bố cục luận án...........................................................................................................5
Chương 2. CÁC MÔ HÌNH DỮ LIỆU GIS 3 CHIỀU
2.1 Các khái niệm không gian..........................................................................................7
2.1.1 Các dạng thức tồn tại của một đối tượng ....................................................................... 7
2.1.2 Không gian..................................................................................................................... 8
2.1.3 Chiều.............................................................................................................................. 9
2.1.4 Vị trí ............................................................................................................................. 10
2.1.5 Hình học....................................................................................................................... 10
2.1.6 Quan hệ thứ tự ............................................................................................................. 12
2.1.7 Quan hệ độ đo .............................................................................................................. 12
2.1.8 Quan hệ topology......................................................................................................... 12
2.1.9 Truy vấn không gian .................................................................................................... 15
2.1.10 Hướng ........................................................................................................................ 16
2.1.11 Cấu trúc không gian................................................................................................... 17

2.2 Các mô hình dữ liệu GIS 3D....................................................................................18
2.2.1 Các khái niệm............................................................................................................... 18
2.2.1.1 Mô hình, mô hình dữ liệu, mô hình dữ liệu không gian ........................................ 19
2.2.1.2 Mô hình dữ liệu GIS 3D........................................................................................ 21

2.2.2 Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các đường biên.......................................................... 22
2.2.2.1 Mô hình 3D-FDS (Format Data Structure)............................................................ 22
2.2.2.2 Mô hình TEN (Tetrahedral Network).................................................................... 23
2.2.2.3 Mô hình OO (Object Oriented) ............................................................................. 24
2.2.2.4 Mô hình SSM (Simplified Spatial Model) ........................................................... 25
2.2.2.5 Mô hình SOMAS (Solid Object Management System) ........................................ 26
2.2.2.6 Mô hình UDM (Urban Data Model) ..................................................................... 27
2.2.2.7 Mô hình OO3D (Object Oriented 3D)................................................................... 27
2.2.2.8 Mô hình CITYGML.............................................................................................. 28
2.2.3 Biểu diễn các đối tượng 3D bởi các phần tử voxel...................................................... 29


2.2.3.1 Mô hình 3D Array................................................................................................. 29
2.2.3.2 Mô hình Octree ..................................................................................................... 30
2.2.4 Biểu diễn một đối tượng theo CSG.............................................................................. 31
2.2.5 Các mô hình tổ hợp...................................................................................................... 31
2.2.5.1 Mô hình tổ hợp V3D............................................................................................. 31
2.2.5.2 Mô hình tổ hợp giữa B_REP và CSG.................................................................... 32

2.3 So sánh các mô hình................................................................................................33
2.3.1 So sánh các mô hình trên các tiêu chí: biểu diễn mặt, biểu diễn bên trong giữa các mô
hình. ...................................................................................................................................... 34
2.3.2 So sánh các mô hình trên các tiêu chí: các phần tử chính, các đối tượng phụ, cơ sở và
ứng dụng ............................................................................................................................... 34
2.3.4 So sánh các mô hình trên các tiêu chí: cấu trúc không gian, hướng, độ đo và topology
.............................................................................................................................................. 35
2.3.5 So sánh các mô hình theo các chuẩn về truy vấn: thuộc tính, vị trí và topology......... 37

2.4 Kết luận chương 2 ....................................................................................................38
Chương 3. MÔ HÌNH SUDM, TUDM, LUDM

3.1 Mô hình UDM (Urban Data Model) ........................................................................40
3.2 Các quan hệ trong mô hình UDM ............................................................................40
3.3 Mô hình SUDM (Specialized Urban Data Model) .................................................43
3.3.1 Cải tiến đối tượng Bề mặt (Surface) ............................................................................ 43
3.3.2 Cải tiến các khối dạng hình trụ .................................................................................... 45
3.3.3 Cải tiến khối 3D dạng hình lăng trụ............................................................................. 46
3.3.4 Các cải tiến khác .......................................................................................................... 48
3.3.5 UDM sau các đề xuất 1, 2, 3, 4.................................................................................... 51
3.3.6 Tiểu kết phần 3.3 ......................................................................................................... 55

3.4 Mô hình TUDM (Temporal Urban Data Model) .....................................................55
3.4.1 Các khái niệm liên quan đến thời gian......................................................................... 55
3.4.1.1 Sự cần thiết của thời gian và mô hình dữ liệu không gian-thời gian (2D+1)......... 55
3.4.1.2 Đặc điểm của thời gian.......................................................................................... 58
3.4.1.3 Các ngữ nghĩa liên quan đến thời gian .................................................................. 59
3.4.1.4 Các loại dữ liệu thời gian ...................................................................................... 59
3.4.1.5 Các yếu tố liên quan đến lớp thời gian .................................................................. 61
3.4.2 Truy vấn theo thời gian................................................................................................ 63
3.4.3 Các lớp được tích hợp trong mô hình TUDM ............................................................. 64
3.4.4 Mô hình TUDM ........................................................................................................... 67
3.4.5 Các truy vấn theo thời gian.......................................................................................... 69
3.4.6 Tiểu kết phần 3.4 ......................................................................................................... 72

3.5 Mô hình LUDM (Levels of detail Urban Data Model)............................................72
3.5.1 Khái niệm LOD (Levels of Detail) .............................................................................. 72


3.5.2 OGC-Mô hình CityGML ............................................................................................. 73
3.5.3 Mô hình Mingyuan Min............................................................................................... 75
3.5.4 So sánh LOD của 2 nhóm tác giả ................................................................................ 76

3.5.5 Đề xuất tích hợp lớp LOD và các mối liên kết vào mô hình LUDM .......................... 77
3.5.6 Mô hình dữ liệu LUDM.............................................................................................. 78
3.5.7 Các truy vấn mẫu ......................................................................................................... 84
3.5.8 Tiểu kết phần 3.5 ......................................................................................................... 84

Chương 4. THỰC NGHIỆM
4.1. Mô hình SUDM.......................................................................................................86
4.1.1 Mục đích thực nghiệm ................................................................................................. 86
4.1.2 Mô tả các quan hệ và tính khối lượng dữ liệu cho UDM ............................................ 87
4.1.3 Mô tả các quan hệ và tính khối lượng dữ liệu cho SUDM ........................................... 88
4.1.4 Tính thời gian hiển thị 400 khối B1, 150 khối B2 cho UDM và SUDM...................... 89
4.1.5 Phân tích kết quả .......................................................................................................... 90

4.2 Mô hình TUDM .......................................................................................................91
4.2.1 Mô tả dữ liệu mẫu ........................................................................................................ 91
4.2.2 Các truy vấn ................................................................................................................. 95
4.2.3 Đánh giá kết quả......................................................................................................... 104

4.3 Mô hình LUDM .....................................................................................................106
4.3.1 Mô tả dữ liệu mẫu ...................................................................................................... 107
4.3.2 Khối lượng dữ liệu và LOD ....................................................................................... 111
4.3.3 Đánh giá kết quả......................................................................................................... 111

4.4. Kết luận chương 4 .................................................................................................113
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
5.1 Kết luận ..................................................................................................................114
5.2 Hướng phát triển ....................................................................................................116
Danh mục công trình của tác giả
Tài liệu tham khảo

Danh mục các hình vẽ
Hình 2.1 Các dạng thức của một đối tượng .................................................................... 8
Hình 2.2 Các thành phần của một đối tượng GIS ........................................................... 8
Hình 2.3 Các thành phần không gian của đối tượng GIS ............................................... 9
Hình 2.4 Chiều trong GIS 1D, 2D, 3D.......................................................................... 10
Hình 2.5 Minh họa cho Điểm, Đường, Đa giác trong 2D............................................. 10
Hình 2.6 Minh họa cho Điểm, Đường, Bề Mặt, Khối trong 3D .................................. 11
Hình 2.7 Một ví dụ về quan hệ thứ tự ........................................................................... 12
Hình 2.8 Minh họa 3 thành tố topology của một đối tượng ........................................... 13
Hình 2.9 Định nghĩa hướng.......................................................................................... 17
Hình 2.10 Minh họa cấu trúc Raster ............................................................................. 18
Hình 2.11 Minh họa cấu trúc Vector và Raster............................................................. 18
Hình 2.12. Các phương pháp tiếp cận mô hình dữ liệu 3D trong GIS........................... 22
Hình 2.13 Mô hình 3D-FDS ........................................................................................... 23
Hình 2.14 Mô hình TEN ................................................................................................. 24
Hình 2.15 Minh họa một TETRA ................................................................................... 24
Hình 2.16 Mô hình OO ................................................................................................... 25
Hình 2.17 Ví dụ một lổ hỗng 2D trong một mặt phẳng.................................................. 25
Hình 2.18 Mô hình SSM ................................................................................................. 26
Hình 2.19 Mô hình SOMAS ........................................................................................... 26
Hình 2.20 Mô hình UDM................................................................................................ 27
Hình 2.21 Mô hình OO 3D ............................................................................................. 28
Hình 2.22 Mô hình CityGML ......................................................................................... 29
Hình 2.23 Mô hình 3D Array.......................................................................................... 30
Hình 2.24 Mô hình Octree .............................................................................................. 31
Hình 2.25 Mô hình CSG ................................................................................................. 31
Hình 2.26 Mô hình V-3D ................................................................................................ 32

Hình 2.27 Mô hình tổ hợp giữa B-REP và CSG ............................................................ 33
Hình 3.1 Mô hình UDM.................................................................................................. 40
Hình 3.2 Khối B1 biểu diễn theo UDM.......................................................................... 41
Hình 3.3 Tam giác hóa đa giác S1 .................................................................................. 44
Hình 3.4 Minh họa dạng hình trụ.................................................................................... 45
Hình 3.5 Tam giác hóa hình trụ B1................................................................................. 45
Hình 3.6 Tam giác hóa bề mặt hình lăng trụ B1............................................................. 47
Hình 3.7 Hình chóp B1 ................................................................................................... 48
Hình 3.8 Mô hình dữ liệu biểu diễn cho hình chóp ........................................................ 48
Hình 3.9 Hình chóp cụt B1 ............................................................................................. 49
Hình 3.10 Mô hình dữ liệu biểu diễn cho hình chóp cụt ................................................ 49
Hình 3.11 Khối hình nón B1........................................................................................... 51
Hình 3.12 Mô hình dữ liệu biểu diễn cho hình nón........................................................ 51
Hình 3.13 Mô hình SUDM ............................................................................................. 52
Hình 3.14 Minh họa sự thay đổi không gian theo thời gian ......................................... 54
Hình 3.15 Minh họa các loại thứ tự thời gian ............................................................... 60
Hình 3.16 Mối liên kết giữa Time và Event.................................................................. 65
Hình 3.17 Mối liên kết giữa Time và DMY.................................................................. 65
Hình 3.18 Mối liên kết giữa Event và Eventype........................................................... 66
Hình 3.19 Mối liên kết giữa Time và Body, Surface, Line, Point ................................ 66
Hình 3.20 Mối liên kết giữa Body và Event với ngữ nghĩa mất đi.............................. 66
Hình 3.21 Mối liên kết giữa Body và Event với ngữ nghĩa sinh ra .............................. 66
Hình 3.22 Mối liên kết giữa Surface, Line, Point và Event với ngữ nghĩa sinh ra, mất đi
Hình 3.23 Mô hình TUDM ........................................................................................... 67
Hình 3.24 Minh họa LOD của một tòa nhà................................................................... 74
Hình 3.25 Mô hình LOD của CityGML ...................................................................... 75
Hình 3.26 Mô hình LOD của Mingyuan Min ............................................................... 76


Hình 3.27 Mô hình dữ liệu giữa Body cha, Body con và LOD .................................... 77

Hình 3.28 Mô hình dữ liệu giữa Body, Surface và LOD.............................................. 77
Hình 3.29 Mô hình dữ liệu giữa Body, Line và LOD................................................... 78
Hình 3.30 Mô hình dữ liệu giữa Body, Point và LOD.................................................. 78
Hình 3.31 Mô hình dữ liệu LUDM ............................................................................... 79
Hình 3.32 Khối H1 (trái), H2 (phải) ............................................................................. 79
Hình 4.1 Hình ảnh B1 (căn nhà), B2 (biệt thự) trong dữ liệu kiểm chứng ................... 86
Hình 4.2 So sánh tỉ lệ khối lượng dữ liệu giữa UDM và SUDM dạng biểu đồ............ 89
Hình 4.3 So sánh thời gian hiển thị 400 căn nhà và 150 biệt thự bởi UDM và SUDM
dạng biểu đồ .................................................................................................................. 90
Hình 4.4 210 khối, nhìn từ góc A.................................................................................. 95
Hình 4.5 210 khối, nhìn từ góc khác A ......................................................................... 95
Hình 4.6 Kết quả truy vấn nhìn từ góc A...................................................................... 96
Hình 4.7 Kết quả truy vấn 1 nhìn từ góc khác A .......................................................... 96
Hình 4.8 Kết quả truy vấn 2 nhìn từ góc A................................................................... 97
Hình 4.9 Kết quả truy vấn 2 nhìn từ góc khác A .......................................................... 97
Hình 4.10 Kết quả truy vấn 3 nhìn từ góc A................................................................. 98
Hình 4.11Kết quả truy vấn 3 nhìn từ góc khác A ......................................................... 98
Hình 4.12 Kết quả truy vấn 4 nhìn từ góc A................................................................. 99
Hình 4.13 Kết quả truy vấn 4 nhìn từ góc khác A ........................................................ 99
Hình 4.14 Kết quả truy vấn 5 nhìn từ góc A............................................................... 100
Hình 4.15 Kết quả truy vấn 5 nhìn từ góc khác A ...................................................... 100
Hình 4.16 Kết quả truy vấn 6 nhìn từ góc A............................................................... 101
Hình 4.17 Kết quả truy vấn 7 nhìn từ góc A............................................................... 101
Hình 4.18 Kết quả truy vấn 7 nhìn từ góc khác A ...................................................... 102
Hình 4.19 Kết quả truy vấn 8 nhìn từ góc A............................................................... 102
Hình 4.20 Kết quả truy vấn 8 nhìn từ góc khác A ...................................................... 103


Hình 4.21 Kết quả truy vấn 9 nhìn từ góc A............................................................... 103
Hình 4.22 Kết quả truy vấn 9 nhìn từ góc khác A ...................................................... 104

Hình 4.23 Hiển thị kết quả của khối B0 (chung cư 1) tại mức 0 và 1 ........................ 108
Hình 4.24 Hiển thị kết quả của khối B0 (chung cư 1) tại mức 2 và 3 ........................ 109
Hình 4.25 Hiển thị kết quả của khối B4 (chung cư 1) tại mức 0 và 1 ........................ 109
Hình 4.26 Hiển thị kết quả của khối B4 (chung cư 2) tại mức 2 và 3 ........................ 110


Danh mục các bảng
Bảng 2.1 Topology giữa Điểm và các đối tượng khác .............................................. 14
Bảng 2.2 Topology giữa Đường và các đối tượng khác ............................................ 14
Bảng 2.3 Topology giữa Bề mặt và các đối tượng khác............................................ 15
Bảng 2.4 Topology giữa Khối và các đối tượng khác ............................................... 15
Bảng 2.5 Topology giữa Khối với Khối ....................................................................... 15
Bảng 2.6 Các trường hợp thay đổi của một đối tượng trong GIS................................. 16
Bảng 2.7 So sánh 4 ngôn ngữ phổ biến......................................................................... 16
Bảng 2.8 So sánh giữa cấu trúc Vector và Raster ......................................................... 18
Bảng 2.9 So sánh các mô hình theo tiêu chí: biểu diễn mặt, biểu diễn bên trong ....... 35
Bảng 2.10 So sánh các mô hình theo tiêu chí: các phần tử chính, các đối tượng phụ, cơ
sở và ứng dụng .............................................................................................................. 36
Bảng 2.11 So sánh các mô hình trên các tiêu chí: cấu trúc không gian, hướng, độ đo và
topology......................................................................................................................... 37
Bảng 2.12 So sánh các mô hình dựa theo các chuẩn về truy vấn: thuộc tính, vị trí và
topology......................................................................................................................... 38
Bảng 3.1 Mô tả dữ liệu trong FACE, NODE, BODYFACE, BODY.......................... 42
Bảng 3.2 Mô tả dữ liệu S1 trong FACE và SUR_FACE .............................................. 44
Bảng 3.3 Mô tả dữ liệu S1 trong SUR-PL-NODE........................................................ 44
Bảng 3.4 So sánh dữ liệu giữa UDM và UDM sau đề xuất 3.3.1................................. 45
Bảng 3.5 Mô tả dữ liệu B1 trong BODYFACE ............................................................ 45
Bảng 3.6 Mô tả dữ liệu B1 trong BODY-CYL............................................................. 46
Bảng 3.7 So sánh kích thước dữ liệu giữa UDM và UDM sau đề xuất 3.3.2............... 46
Bảng 3.8 Mô tả dữ liệu B1 trong BODYFACE ........................................................... 47

Bảng 3.9 Mô tả dữ liệu B1 trong BODY-PYR ............................................................. 47
Bảng 3.10 So sánh kích thước dữ liệu giữa UDM và UDM sau đề xuất 3.3.3............. 48
Bảng 3.11 Dữ liệu B1 trong PYRAMID...................................................................... 49


Bảng 3.12 Dữ liệu trong POLYGON-NODE .............................................................. 49
Bảng 3.13 Dữ liệu trong NODE................................................................................... 49
Bảng 3.14 Mô tả dữ liệu B1 trong FRUSTUM............................................................ 50
Bảng 3.15 Mô tả dữ liệu trong F_POLY_NODE.......................................................... 50
Bảng 3.16 Mô tả dữ liệu B1 trong CONE.................................................................... 51
Bảng 3.17 Các ví dụ về trạng thái, biến cố và bằng chứng........................................... 62
Bảng 3.18 Mô tả thuộc tính cho các đối tượng ............................................................. 62
Bảng 3.19 Ví dụ về điểm thời gian ............................................................................... 63
Bảng 3.20 Ví dụ về đoạn thời gian ............................................................................... 64
Bảng 3.21 Các mức LOD trong City GML................................................................... 74
Bảng 3.22 So sánh LOD của 2 nhóm tác giả ................................................................ 76
Bảng 3.23 So sánh 3 mô hình CityGML, Mingyuan Min và LUDM........................... 78
Bảng 3.24 Ngôi nhà H, H21 được hiển thị ở 4 và 6 mức chi tiết ................................. 80
Bảng 3.25 Dữ liệu của H1 tại các mức ......................................................................... 81
Bảng 3.26 Dữ liệu của H1 trong các quan hệ BODYLOD, LINELOD và
SURFACELOD............................................................................................................. 83
Bảng 4.1 Mô tả quan hệ BODY .................................................................................... 87
Bảng 4.2 Mô tả quan hệ BODYFACE.......................................................................... 87
Bảng 4.3 Mô tả quan hệ FACE ..................................................................................... 87
Bảng 4.4 Mô tả quan hệ NODE .................................................................................... 87
Bảng 4.5 Tính khối lượng cho 400 khối B1, 150 khối B2 theo UDM ......................... 88
Bảng 4.6 Mô tả quan hệ BODY .................................................................................... 88
Bảng 4.7 Mô tả quan hệ PRISM ................................................................................... 88
Bảng 4.8 Mô tả quan hệ FACENODE .......................................................................... 88
Bảng 4.9 Mô tả quan hệ NODE .................................................................................... 89

Bảng 4.10 Tính khối lượng cho 400 khối B1, 150 khối B2 theo SUDM ..................... 89
Bảng 4.11 Tỉ lệ khối lượng dữ liệu giữa UDM và SUDM của 400 khối B1, 150 B2 .. 89


Bảng 4.12 So sánh thời gian hiển thị 400 khối B1, 150 khối B2 bởi UDM và SUDM 90
Bảng 4.13 Mô tả dữ liệu cho DMY............................................................................... 92
Bảng 4.14 Mô tả dữ liệu cho TIME .............................................................................. 92
Bảng 4.15 Mô tả dữ liệu cho EVENTYPE, EVENT .................................................... 93
Bảng 4.16 Mô tả dữ liệu cho BODY_EVENT ............................................................. 93
Bảng 4.17 Phân chia 10 nhóm dữ liệu cho các khối từ B1 đến B210........................... 94
Bảng 4.18 Phân loại đặc điểm của các nhóm................................................................ 94
Bảng 4.19 Phân loại 9 câu truy vấn theo quan hệ topology về thời gian và đặc điểm về
nhóm thời gian .............................................................................................................. 94
Bảng 4.20 So sánh Geotoolkit+Geodeform và TUDM .............................................. 106
Bảng 4.21 Mô tả dữ liệu khối B0 trong SURFACELOD, BODYLOD ..................... 107
Bảng 4.22 Mô tả dữ liệu khối B4 trong SURFACELOD, BODYLOD ..................... 108
Bảng 4.23 So sánh khối lượng B0, B4 khi lưu trữ dữ liệu ở các mức chi tiết ............ 111
Bảng 4.24 Số các bề mặt và khối khi lưu trữ dữ liệu ở các mức chi tiết .................... 111
Bảng 4.25 Dữ liệu trong SURFACELOD, BODYLOD khi biểu diễn B0 ở 2 mức chi
tiết................................................................................................................................ 112
Bảng 4.26 Dữ liệu trong SURFACELOD, BODYLOD khi biểu diễn B0 ở 3 mức chi
tiết................................................................................................................................ 112


Danh mục các từ viết tắt
0D

Zero-Dimensional

1D

One-Dimensional

2D

Two-Dimensional

3D

Three-Dimensional

3D-FDS

3D- Format Data Structure

4D

Four-Dimensional

B-REP

Boundary- REPresentation

CityGML

City Geography Markup Language

COLLADA

COLLAborative Design Activity

CSG

Constructive Solid Geometry

CSDL

Cơ Sở Dữ Liệu

CT

Công Trình

ESRI

Environmental Systems Research Institute

IXSQL

Interval EXtension to Structured Query Language

GIS

Geographic Information System

KML

Keyhole Markup Language

LOD

Levels Of Detail

LUDM

Levels of detail Urban Data Model

OGC

Open Geospatial Consortium

OGIS

Open Geodata Interchange Standard

OO

Object-Oriented

OO3D

Object-Oriented 3D

PIXEL

PIcture Element

PSQL

Pictorial Structured Query Language

QL/G

Query Language for Geometric databases


SOMAS

Solid Object Management System

SQL

Structured Query Language

SQL/SDA

Structured Query Language /Spatial Data Analysis

SQL/TP

Structured Query Language /TimestamP

SSM

Simplified Spatial Model

SUDM

Specialized Urban Data Model

TEN

TEtrahedral Network

TETRA

TETRAhedron

TSQL

Temporal Structured Query Language

TUDM

Temporal Urban Data Model

UDM

Urban Data Model

VOXEL

VOlumetric piXEL

XML

eXtensible Markup Language


Chương 1. GIỚI

THIỆU

1.1 Giới thiệu
Tùy theo cách tiếp cận sẽ có nhiều định nghĩa khác nhau về “Hệ thống thông tin địa lý
– GIS” [1].
ƒ GIS là hệ thống thông tin địa lý bao gồm bốn khả năng xử lý dữ liệu địa lí: nhập dữ
liệu; lưu trữ, truy xuất dữ liệu; gia công, phân tích dữ liệu; xuất dữ liệu.
ƒ GIS là một hệ thống sử dụng CSDL để trả lời các câu hỏi về bản chất địa lý của các
thực thể.
ƒ GIS là một hệ thống quản trị CSDL bằng máy tính để thu thập, lưu trữ, phân tích và
hiển thị dữ liệu không gian.
ƒ ...
GIS 3D là một hệ thống có thể mô hình hóa, biểu diễn, quản lý, thao tác, phân tích và
hỗ trợ quyết định dựa trên thông tin liên quan đến các hiện tượng 3D [46]. Ứng dụng
của GIS 3D là rộng lớn và đa dạng. Các ứng dụng này đem lại nhiều ích lợi khi được
biểu diễn trong GIS 3D vì phản ánh trung thực về thế giới thực. Ngoài ra GIS 3D còn
hỗ trợ thông tin và giúp con người khai phá thông tin từ dữ liệu được lưu trữ hơn GIS
2D, đặc biệt trong quản lí hạ tầng [29] [71]. Tuy vậy để biểu diễn, quản lý, phân tích
các đối tượng 3D cần có các giải pháp phức tạp và khối lượng công việc cũng gia tăng
đáng kể. Các lĩnh vực chính của GIS 3D gồm [3][62]:
ƒ Nghiên cứu hệ sinh thái.
ƒ Bản đồ 3 chiều.
ƒ Giám sát môi trường.
ƒ Xây dựng cảnh quan quy hoạch.
ƒ Phân tích địa chất.
ƒ Xây dựng dân dụng.
ƒ Khai thác thăm dò khoáng sản.

1

Các thử thách trên GIS 3D cần giải quyết bao gồm [46]:
ƒ Mô hình dữ liệu 3D: vì mô hình dữ liệu sẽ qui định mối quan hệ giữa các đối
tượng, cách thức lưu trữ, cách phân tích dữ liệu và truy xuất dữ liệu. Hiện tại
có một số mô hình dữ liệu quan niệm đã được đề nghị, tuy vậy không có mô
hình nào là hoàn hảo. Hơn nữa các mô hình thiếu chiều thời gian, nhằm biểu
diễn và lưu trữ lịch sử thay đổi trong vòng đời của các đối tượng.
ƒ Nhập dữ liệu: việc tăng chiều của GIS từ 2D tới 3D làm kích thước dữ liệu
gia tăng đáng kể. Sự gia tăng này không những khó khăn về thể tích lưu trữ
mà còn trong việc thu nhập dữ liệu.
ƒ Phân tích không gian: các phân tích này tập trung vào các phép phân tích về
topology (giao, kề, bằng . . .) và độ đo (khoảng cách, chiều dài, diện tích, thể
tích). Trong đó topology của GIS 3D có độ phức tạp cao hơn hẳn GIS 2D.
ƒ Hiển thị: mặc dù đã có những tiến bộ vượt bậc của phần cứng máy tính trong
vấn đề cải thiện bộ nhớ và tốc độ xử lý của CPU, việc hiển thị GIS 3D vẫn
còn là một khó khăn vì yêu cầu của người dùng cần làm hẹp sự khác biệt của
tính thực tế trên máy tính và trong thế giới thực. Các mô hình hiện tại nhìn
chung chỉ hiển thị các đối tượng ở một mức.
ƒ GIS 3D và WEB: từ khi WEB trở thành một công nghệ phổ biến đối với
người dùng thì nhu cầu xây dựng các ứng dụng GIS 3D trên nền công nghệ
này càng gia tăng.
1.2 Mục tiêu luận án
Luận án tập trung phát triển các mô hình dữ liệu không-thời gian trên nền tảng mô hình
UDM do Coors đã đề xuất năm 2003.
Nội dung chính của luận án bao gồm 3 bài toán. Nghiên cứu những ưu điểm của các
mô hình dữ liệu GIS 3D sẵn có, đặc biệt là mô hình UDM, tiến hành xây dựng 3 mô
hình:

2

ƒ SUDM: được phát triển mô hình dữ liệu GIS 3D đã có-mô hình UDM. Đặc
điểm của mô hình mới là giảm chi phí về thời gian hiển thị và kích thước lưu
trữ.
ƒ TUDM: tích hợp thời gian vào mô hình dữ liệu 3D đã có-mô hình UDM để biểu
diễn và lưu trữ những thay đổi của đối tượng không gian theo thời gian.
ƒ LUDM: biểu diễn các thuộc tính không gian trên nhiều mức chi tiết khác nhau
để đáp ứng các yêu cầu đa dạng từ các ứng dụng và người dùng khác nhau.
1.3 Phương pháp tiếp cận
ƒ Phân tích đánh giá: các mô hình dữ liệu GIS 3D của các tác giả.
ƒ Tổng hợp: các mô hình dữ liệu GIS 3D theo nhiều tiêu chí khác nhau.
ƒ Phân tích, thiết kế: được dùng trong luận văn để biểu diễn các mô hình 3D và
4D.
ƒ Mô hình hóa dữ liệu: hệ quản trị CSDL Oracle được dùng trong luận án để biểu
diễn dữ liệu mức vật lý.
ƒ Thực nghiệm: lập trình được áp dụng để viết chương trình thực nghiệm các mô
hình đề xuất.
1.4 Phạm vi nghiên cứu của luận án
Luận văn tập trung nghiên cứu các vấn đề sau
ƒ Phân tích, so sánh tổng quan các mô hình dữ liệu 3D.
ƒ Phát triển mô hình dữ liệu GIS 3D mới ở 3 mức quan niệm, logic, vật lý theo
các tiêu chí về dung lượng, độ chi tiết trong hiển thị và tích hợp chiều thời gian.
ƒ Các vấn đề thu thập dữ liệu không liên quan đến luận án.
1.5 Các đóng góp chính của luận án

3


o Phân tích các mô hình dữ liệu 3D: Luận án đã trình bày tổng quan các mô hình

dữ liệu GIS 3D của nhiều tác giả và lập các bảng so sánh những mô hình dữ liệu
3D theo nhiều tiêu chí khác nhau như: + cách biểu diễn các mặt; + biểu diễn bên
trong các khối; + các phẩn tử hình học chính-phụ; + nền tảng của mỗi mô hình;
+ các ứng dụng phù hợp; + các hỗ trợ cho truy vấn ngữ nghĩa, thời gian, không
gian; +các cấu trúc không gian, hướng và topology [CT4]. Trong phạm vi luận
án, tác giả đã tập trung phát triển một số bổ sung vào mô hình dữ liệu UDM
theo những yêu cầu mới hơn.
o Phát triển mô hình dữ liệu SUDM: SUDM xây dựng trên nền mô hình dữ liệu
UDM do Coor đề xuất 2003 và những ứng dụng thực tế tại các dự án. Tác giả đã
đề xuất mô hình SUDM để biểu diễn các đối tượng 2D, 3D khi các đối tượng
này có các hình dạng đặc biệt. SUDM rút gọn dung lượng lưu trữ dữ liệu, giảm
thời gian hiển thị [CT1], [CT9].
o Phát triển mô hình dữ liệu LUDM: LUDM xây dựng trên nền mô hình dữ liệu
UDM và yêu cầu về sự phong phú trong hiển thị mức độ chi tiết của các đối
tượng trong các dự án GIS. Tác giả đã tích hợp lớp mới-LOD và các mối liên
kết phức giữa các đối tượng để hiển thị các đối tượng 3D tại nhiều mức theo nhu
cầu của người dùng và các ứng dụng khác nhau [CT3], [CT5], [CT6], [CT7].
o Phát triển mô hình dữ liệu TUDM: TUDM xây dựng trên nền mô hình dữ liệu
UDM. Tác giả tích hợp thêm một số lớp mới và các mối liên kết phức để ghi lại
lịch sử tiến hóa của các đối tượng GIS trong cả vòng đời của các đối tượng này.
Lịch sử tiến hóa này cho các nhà quản lí biết xu thế thay đổi của các đối tượng
GIS trong tương lai để hỗ trợ ra quyết định đúng đắn [CT2], [CT3], [CT5],
[CT8].
1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

4


Ý nghĩa khoa học
Luận án đã nghiên cứu phân tích, so sánh các mô hình dữ liệu GIS 3D. Trên nền tảng

đó, luận án phát triển 3 mô hình dữ liệu mới. Các mô hình mới đáp ứng các mục tiêu
khoa học sau: giảm chi phí lưu trữ và thời gian hiển thị; tích hợp chiều thời gian vào
mô hình để biểu diễn và lưu trữ các biến động không gian theo thời gian; biểu diễn các
thuộc tính không gian ở nhiều mức chi tiết khác nhau để đáp ứng các nhu cầu đa dạng
của ứng dụng và người dùng.
Ý nghĩa thực tiễn
Các mô hình dữ liệu GIS 3D là chìa khóa trong công đoạn phân tích, thiết kế dữ liệu
của các ứng dụng GIS 3D. Các ứng dụng GIS 3D bao gồm nhiều lĩnh vực: quản lí đô
thị, phân tích địa chất, giám sát môi trường, khai thác thăm dò khoáng sản . . .Như thế,
các mô hình đề xuất trong luận án có thể dùng để tích hợp vào các ứng dụng trên trong
thực tiễn.
1.7 Bố cục luận án
Luận án được cấu trúc thành 5 chương, theo bố cục sau
Chương 1: GIỚI THIỆU
Luận án giới thiệu mục tiêu, phương pháp, phạm vi nghiên cứu và những
đóng góp chính của luận án.
Chương 2: CÁC MÔ HÌNH DỮ LIỆU GIS 3 CHIỀU
Luận án đã trình bày tổng quan, phân tích các mô hình dữ liệu 3D, lập
bảng tổng hợp, phân loại và so sánh các mô hình theo các tiêu chí cần có
của các mô hình dữ liệu 3D.
Chương 3: MÔ HÌNH DỮ LIỆU SUDM, TUDM, LUDM

5


Luận án mô tả chi tiết mô hình UDM, phân tích các ưu điểm và giới hạn
của UDM. Phát triển mô hình SUDM để giảm dung lượng lưu trữ và tăng
tốc độ truy xuất, hiển thị trong một số trường hợp. Mở rộng mô hình UDM
thành TUDM để biểu diễn và lưu trữ các biến đổi thuộc tính không gian
của đối tượng theo thời gian. Phát triển mô hình LUDM bằng cách tích hợp

lớp LOD mới, các mối liên kết phức vào UDM để biểu diễn các đối tượng
3D tại các mức chi tiết khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp và độc lập với
ngữ nghĩa.
Chương 4: THỰC NGHIỆM
Luận án trình bày kết quả hiện thực các mô hình SUDM, TUDM và
LUDM bằng chương trình viết bởi ngôn ngữ C# và hệ quản trị CSDL
Oracle. Thực nghiệm các mô hình SUDM để kiểm tra dung lượng lưu trữ
và tốc độ truy xuất hiển thị các đối tượng không gian. Thực nghiệm 09 câu
truy vấn không gian thời gian, bao gồm cả thời điểm, thời đoạn, thời gian
ghi vào CSDL và thời gian xảy ra trong thế giới thực. Hiển thị kết quả của
các câu truy vấn theo LOD để đánh giá lại mô hình mới với các mức chi
tiết khác nhau do người dùng định nghĩa.
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Luận án tóm tắt các kết quả đã đạt được và đề xuất hướng phát triển.

6


Chương 2. CÁC MÔ HÌNH DỮ

LIỆU GIS 3 CHIỀU

Tóm tắt
Khi thêm chiều không gian thứ 3 vào trong các ứng dụng GIS 2D để trở thành GIS 3D
thì kích thước và độ phức tạp của các ứng dụng gia tăng đáng kể. Cơ sở dữ liệu của
các ứng dụng GIS 3D được xây dựng trên nền tảng mô hình dữ liệu. Mục tiêu của
chương này là trình bày các khái niệm xoay quanh mô hình dữ liệu GIS 3D, trình bày
một số mô hình GIS 3D. Phân tích các ưu điểm và hạn chế của các mô hình dữ liệu 3D
trên nhiều tiêu chí khác nhau. Bao gồm các tiêu chí: cấu trúc không gian, hướng, độ đo
topology, cách biểu diễn mặt, biểu diễn bên trong, các phần tử chính, các đối tượng

phụ, cơ sở ứng dụng, các truy vấn trên thuộc tính, vị trí và topology.
2.1 Các khái niệm không gian
2.1.1 Các dạng thức tồn tại của một đối tượng
Một đối tượng trong thế giới thực có thể tồn tại dưới các dạng thức sau (hình 2.1):
ƒ Đối tượng có ngữ nghĩa nhưng không quan tâm thuộc tính không gian và thời gian.
ƒ Đối tượng có thuộc tính không gian nhưng không quan tâm không có thuộc tính
ngữ nghĩa và thời gian, ví dụ: một khối 3D chụp từ vệ tinh.
ƒ Đối tượng có thuộc tính thời gian nhưng không quan tâm hay không có thuộc tính
ngữ nghĩa và không gian, ví dụ: thứ, năm.
ƒ Đối tượng có thuộc tính ngữ nghĩa, có thuộc tính không gian nhưng không quan
tâm hay không có thuộc tính thời gian, ví dụ: con sông.
ƒ Đối tượng có thuộc tính thời gian, có thuộc tính không gian nhưng không quan tâm
hay không có thuộc tính ngữ nghĩa, ví dụ: một khối 3D chụp từ vệ tinh và thời gian
chụp.
ƒ Đối tượng có thuộc tính thời gian, có thuộc tính ngữ nghĩa nhưng không quan tâm
hay không có thuộc tính không gian.

7


ƒ Đối tượng có thuộc tính thời gian, có thuộc tính không gian và có cả thuộc tính ngữ
nghĩa, ví dụ: tòa nhà.

Hình 2.1 Các dạng thức của một đối tượng
Thông thường một đối tượng trong GIS có cả 3 thuộc tính: ngữ nghĩa, không gian và
thời gian (hình 2.2). Trong 10 năm gần đây, đã có một sự đánh giá trên dữ liệu thu thập
được và kết luận 80% CSDL có tối thiểu một thành phần không gian [9].

Hình 2.2 Các thành phần của một đối tượng GIS
2.1.2 Không gian

Không gian là một chủ đề mà các nhà khoa học đã cố gắng định nghĩa ở quá khứ.
Không gian và thời gian là các khái niệm được sử dụng để con người hiểu biết và hình
thành ý niệm về môi trường xung quanh [7]. Có hai phương pháp tiếp cận cho định
nghĩa này. Cách thứ nhất xem không gian là tuyệt đối, cách còn lại cho rằng không
gian là tương đối [7]. Hai cách tiếp cận này dẫn tới hai cấu trúc khác nhau khi biểu
diễn thành phần không gian của một đối tượng trong GIS là: vector và raster.

8


Các nhà khoa học định nghĩa, không gian là tập các đối tượng và mối quan hệ giữa các
đối tượng. Các đối tượng này được trừu tượng hóa qua các khái niệm: Điểm, Đường,
Đa giác trong 2D [1][2] và Điểm, Đường, Bề mặt, Khối trong 3D [50].
Các thuộc tính và các quan hệ dùng để mô tả thành phần không gian (hình 2.3) của một
đối tượng trong GIS. Các thuộc tính gồm: chiều, vị trí và hình học. Các quan hệ gồm:
thứ tự, độ đo và topology [7].

Hình 2.3 Các thành phần không gian của đối tượng GIS
2.1.3 Chiều
Chiều là một yếu tố để phân loại trong GIS, nó mô tả số lượng chiều không gian được
hỗ trợ bởi hệ thống [7]. Hệ thống GIS n chiều sẽ hỗ trợ tất cả các đối tượng không gian
có số chiều nhỏ hơn hay bằng n. GIS 2D sẽ hỗ trợ các đối tượng có số chiều nhỏ hơn
hay bằng 2, nghĩa là các đối tượng: 0D, 1D và 2D. Trong khi đó GIS 3D bao gồm các
đối tượng: 0D, 1D, 2D và 3D được biểu diễn trong 3 chiều [11] (hình 2.4). Hai đối
tượng 1D trong GIS 2D và GIS 3D là khác nhau. Đối tượng 1D trong GIS 2D chỉ có thể
nằm trên cùng mặt phẳng, ngược lại đối tượng 1D trong GIS 3D có thể nằm trên nhiều
mặt phẳng khác nhau. Tương tự như thế đối tượng 2D trong GIS 2D khác GIS 3D.
Trong không gian Euclide, các chiều được biểu diễn thông qua các trục toa độ, GIS 2D
hỗ trợ bởi (x,y). GIS 2.5D dùng hệ tọa độ Descartes nhưng cộng thêm thuộc tính chiều
cao để tạo ra chiều 0.5 [73].

9