Thuật toán tìm đường đi tối ưu trong gis

i

Đại học Thái Nguyên
Khoa công nghệ thông tin

Phạm Thị Hằng Nga

Thuật toán tìm đ-ờng đi tối -u trong GIS

Luận văn thạc sĩ CÔng ngHệ THÔNG TIN

Thái Nguyên - 2010

S húa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ii

Đại học Thái Nguyên
Khoa công nghệ thông tin

Phạm Thị Hằng Nga

Thuật toán tìm đ-ờng đi tối -u trong gis
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
MÃ số: 60 48 01

Luận văn thạc sĩ CÔNG NGHệ THÔNG TIN

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học
PGS. TS. Đặng Văn Đức

Thái Nguyên - 2010

S húa bi Trung tõm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




iii

ỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn “Thuật tốn tìm đƣờng đi tối ƣu trong
GIS” là cơng trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của
PGS.TS. Đặng Văn Đức, tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc 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 chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong
bất cứ cơng trình nào.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2010
Phạm Thị Hằng Nga

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




iv

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 tơi cơng
tác đã tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tơi đã động viên tơi trong suốt q trình học
và hồn thành luận văn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ iii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƢƠNG 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 khơng gian véctơ và các thuật tốn liên quan ....... 14

1.2.1 Các thành phần dữ liệu.................................................................... 14
1.2.2 Các phép tốn phân tích khơng gian trên mơ hình Vector .............. 18
1.3

Các ứng dụng GIS ............................................................................ 22

CHƢƠNG 2 – MỘT SỐ THUẬT TỐN TÌM ĐƢỜNG ĐI TỐI ƢU 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 tốn A* .................................................................................. 37
2.2

Ứng dụng logíc mờ trong tìm đƣờng đi tối ƣu .................................. 46

2.2.1 Giới thiệu Logic mờ ......................................................................... 46
2.2.2 Ứng dụng logic mờ trong tìm đường đi tối ưu ................................ 51
2.3

Nhận xét đánh giá .............................................................................. 53

CHƢƠNG 3 – PHÁT TRIỂN CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ............... 57
3.1

Giới thiệu bài tốn tìm đƣờng đi tối ƣu ............................................. 57

3.1.1 Lý do xây dựng chương trình........................................................... 57
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




vi

3.1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ của chương trình .............................................. 57
3.2

Các công nghệ sử dụng ..................................................................... 58

3.2.1 MapInfo Professional ...................................................................... 58
3.2.2 Thư viện hỗ trợ xây dựng ứng dụng bản đồ MapXtreme ................ 61
3.2.3

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu Access .................................................... 65

3.2.4 Ngơn ngữ lập trình Microsoft Visual C#.NET ................................. 65
3.3

Thiết kế, lập trình hệ thống demo ..................................................... 66

3.3.1 Thiết kế............................................................................................. 66
3.3.2 Lập trình demo ................................................................................. 68
3.4

Đánh giá kết quả thu đƣợc................................................................. 73

KẾT LUẬN ..................................................................................................... 73
HƢỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................................. 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 75

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hệ thống thơng 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 đƣợc biểu thị dƣới dạng điểm (Point). ..................... 15
Hình 1.10: Số liệu vector đƣợc biểu thị dƣới dạng Arc .................................. 16
Hình 1.11: Số liệu vector đƣợc biểu thị dƣới 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 tốn Buffer ............................................................................ 18
Hình 1.14 Phép tốn Difference ...................................................................... 18
Hình 1.15 Phép tốn Clip ............................................................................... 19
Hình 1.16 Phép tốn Intersect ......................................................................... 19
Hình 1.17 Phép tốn Convex hull ................................................................... 20
Hình 1.18 Phép tốn Symmetric difference .................................................... 20
Hình 1.19 Phép tốn cut .................................................................................. 20
Hình 2.1 Đồ thị minh họa thuật tốn Dijkstra ................................................. 28
Hình 2.2 Đồ thị minh họa thuật tốn Bellman-Ford ....................................... 35
Hình 2.3: Minh hoạ phép tốn hợp trên tập mờ .............................................. 50
Hình 2.4: Minh hoạ phép tốn giao trên tập mờ ............................................. 51
Hình 2.5: Đồ thị mờ G minh hoạ thuật tốn FSA ........................................... 51
Hình 2.6: Các đƣờng đi mờ ngắn nhất của đồ thị mờ G ................................. 53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




viii

Hình 3.1 Sơ đồ phân cấp chức năng................................................................ 66
Hình 3.2 Bảng dữ liệu .................................................................................... 67
Hình 3.3 Giao diện tìm kiếm đƣờng đi ngắn nhất........................................... 72
Hình 3.4 Giao diện kết quả tìm kiếm ............................................................. 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1

MỞ ĐẦU
Từ xa xƣa, thông tin địa lý đã là nhu cầu cần thiết của mọi ngƣời trong
mọi sinh hoạt hàng ngày tại những vị trí khác nhau. Mỗi ngƣời trong xã hội
ln ln có nhu cầu cần biết về thế giới thực xung quanh mình. Con ngƣời
muốn đƣợc hiểu biết về các thực thể, các sự kiện, các hiện tƣợng nhƣ thế nào,
xảy ra ở đâu, xảy ra khi nào, và tại sao nhƣ vậy. Ở quy mô rộng lớn hơn,
những nhà lãnh đạo một địa phƣơng, một quốc gia, một khu vực ln ln
cần có thơng 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 phƣơng, quốc gia ngày càng
phát triển. Những nhà qn sự cần có thơng tin địa lý để có những phƣơng án
chiến lƣợc, chiến thuật bảo vệ lãnh thổ. Những nhà đầu tƣ cần thơng tin địa lý
để tính toán những khả năng và hiệu quả đầu tƣ, những nhà kinh doanh cần có
thơng tin địa lý để qui hoạch chiến lƣợc thị trƣờng, làm cho hàng hóa đƣợc
tiêu thụ nhanh chóng. Những nhà quản lý cơng trình giao thông đô thị cần
thông tin địa lý để cơ cấu lại phƣơng tiện giao thông công cộng theo hƣớng
giảm ách tắc giao thông, tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trƣờng,…
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin, đặc biệt là từ khi
xuất hiện ngành đồ họa vi tính cũng nhƣ sự gia tăng vƣợt 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 nhƣ ứng dụng. Hệ thống thông tin địa lý đã
chứng tỏ khả năng ƣu việt hơn hẳn các hệ thông tin bản đồ truyền thống nhờ
vào khả năng tích hợp thơng tin mật độ cao, cập nhật thơng tin dễ dàng cũng
nhƣ khả năng phân tích, tính tốn của nó. Do đó, hệ thống thơng tin địa lý đã
nhanh chóng trở thành một cơng 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
trƣờng, đất đai, hạ tầng kỹ thuật đến xã hội nhân văn. Có thể nói ngày nay
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2

khơng có lĩnh vực nào khơng có hoặc khơng thể ứng dụng cơng nghệ GIS.
Cũng chính vì thế, cơng nghệ thông tin địa lý (công nghệ GIS) đƣợc tiếp cận
từ nhiều hƣớng khác nhau và do đó cũng có nhiều định nghĩa khác nhau về
GIS.
Thuật tốn tìm đƣờng đi tối ƣu trong GIS, hiện nay đang đƣợc triển
khai rộng rãi trong các ứng dụng quan trọng trên thực tế nhƣ 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 tốn tìm đƣờng đi tối ƣu trong Gis đã cho ta thấy rõ tính cần thiết cũng
nhƣ tính thời sự của vấn đề, đồng thời có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Vì
thế, tơi đã thực hiện đề tài luận văn: “Thuật tốn 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 bƣớc đầu xây dựng một chƣơng trình tìm kiếm đƣờng đi tối ƣu giúp cho
những ngƣời tham gia giao thông, hay khách du lịch ở thành phố Hải Phòng
chọn đƣợc hƣớng đƣờng đi tối ƣu nhất, nhằm tiết kiệm thời gian và công sức.
Bố cục của luận văn bao gồm phần mở đầu, phần kết luận và ba chƣơng
nội dung đƣợc tổ chức nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về GIS
Chương này trình bày tổng quan về hệ thống thơng 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…
Chƣơng 2: Một số thuật toán tìm kiếm đƣờng đi tối ƣu ứng dụng trong
GIS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




3

Trong chương này tập trung vào một số thuật toán tìm đường đi ngắn
nhất trong đồ thị như thuật tốn Dijkstra, thuật toán A*, thuật toán Floyd,…
Chƣơng 3: Phát triển chƣơng trình thử nghiệm
Trong chương này phát triển ứng dụng về thuật tốn tìm đường đi tối
ưu trong thực tế. Cụ thể là cài đặt và thử nghiệm với thuật tốn Floyd để tìm
kiếm đường đi có khoảng cách ngắn nhất giữa các điểm đường trên đồ thị
của thành phố Hải Phịng .
Xây dựng chƣơng trình dựa trên cơ sở dữ liệu đã tạo trên MapInfo, với
cơng 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 chƣơng trình.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




4

CHƢƠNG 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 thơng tin khác và khiến
cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích
các sự kiện, dự đốn 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, nhƣng chúng đều có điểm
giống nhau nhƣ: 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 cơng nghệ cơ sở dữ liệu
(CSDL). So với bản đồ thì GIS có lợi thế là lƣu 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
đƣợc sử dụng:
 Định nghĩa của dự án The Geographer’s Craft, Khoa địa lý,
Trƣờng Đại học Texas
GIS là CSDL số chuyên dụng trong đó hệ trục tọa độ khơng gian là
phƣơng tiện tham chiếu chính. GIS bao gồm các cơng 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




5

 Lƣu trữ dữ liệu, khai thác, truy vấn CSDL
 Biến đổi dữ liệu, phân tích, mơ 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. Tồn bộ thơng tin trong GIS đều liên kết với
tham chiếu khơng gian. Có những CSDL chứa thơng tin vị trí (địa chỉ đƣờng
phố…) nhƣng CSDL GIS sử dụng tham chiếu khôn gian nhƣ phƣơng tiện
chính để lƣu trữ và xâm nhập thơng tin. Thứ hai, GIS là cơng 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 mơ hình thống kê, vẽ bản đồ… Cuối cùng, GIS
đƣợc xem nhƣ tiến trình khơng chỉ là phần cứng, phần mềm rời rạc mà GIS
còn sử dụng vào trợ giúp quyết định. Cách thức nhập, lƣu trữ, phân tích dữ
liệu trong GIS phải phản ánh đúng cách thức thông tin sẽ đƣợc sử dụng trong
công việc lập quyết định hay nghiên cứu cụ thể.
 Định nghĩa của Viện Nghiên cứu Hệ thống Môi trƣờng 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. cơng nghệ GIS tích hợp
các thao tác CSDL nhƣ 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
thơng tin khác. Có rất nhiều chƣơng trình máy tính sử dụng dữ liệu khơng
gian nhƣ AutoCAD và các chƣơng trình thống kê, nhƣng chúng khơng phải là
GIS vì chúng khơng có khả năng thực hiện các thao tác khơng gian.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6

 Định nghĩa của David Cowen, NCGIA, Mỹ
GIS là hệ thống phần cứng, phần mềm và các thủ tục đƣợc thiết kế để
thu thập, quản lý, xử lý, phân tích, mơ 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 đƣợc chi tiết hơn. Con ngƣời mong mỏi lƣu trữ, quản
lý đầy đủ các dữ liệu về thế giới thực. Nhƣng sẽ dẫn đến phải có cơ sở dữ liệu
lớn vơ hạn để lƣu trữ mọi thơng tin chính xác về chúng. Do vậy, để lƣu trữ
đƣợc dữ liệu không gian của thế giới thực vào máy tính thì phải giảm số
lƣợng dữ liệu đến mức có thể quản lý đƣợc bằng tiến trình đơn giản hóa hay
trừu tƣợng hóa (Hình 1.1). Trừu tƣợng là đơn giản hóa một cách thơng minh.
Trừu tƣợng cho ta tổng quát hóa và “ý tƣởng” hóa vấn đề đang xem xét.
Chúng loại bỏ đi các chi tiết dƣ thừa mà chỉ tập trung vào các điểm chính, cơ
bản. Các đặc trƣng địa lý phải đƣợc biểu diễn bởi các thành phần rời rạc hay
các đối tƣợng để lƣu vào CSDL máy tính.

GIS
Phần mềm
cơng cụ

+

Trừu tượng
hóa hay
đơn giản
hóa

CSDL

Thế giới thực

Ngƣời sử dụng
Kết quả

Hình 1.1 Hệ thống thơng tin tin địa lý
Ý nghĩa chủ yếu của tin học hóa thơng 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 thơng tin địa lý khác nhau và phức tạp,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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 khơng gian. Phân tích khơng
gian khơng chỉ là truy cạp mà cịn cho phép khai thác các quan hệ và tiến
trình biến đổi của chúng.

Hình 1.2 Tầng bản đồ
GIS lƣu trữ thơng 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
nhƣ trên Hình 1.2. Mỗi nhóm ngƣời sử dụng sẽ quan tâm đến một hay là vài
loại thơng tin. Thí dụ, Sở giao thơng cơng chính sẽ quan tâm nhiều đến hệ
thống đƣờng phố. Sở nhà đất quan tâm nhiều đến các khu dân cƣ và công sở.
Sở thƣơng mại quan tâm nhiều đến phân bổ khách hàng trong vùng. Tƣ tƣởng
tách bản đồ thành tầng tuy đơn giản nhƣng 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 mơ hình hóa lƣu thơng.
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




8

xạ thông tin bán hàng bằng mã bƣu 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
nhƣ thiếu chi thức. Để quan sát vật thể quá nhỏ con ngƣời đã phát minh ra
kính hiển vi, để quan sát vật thể quá lớn nhƣ toàn bộ Trái đất, con ngƣời đã sử
dụng vệ tinh nhân tạo. Hệ thơng tin địa lý là cơng cụ tích hợp dữ liệu không
gian theo tỷ lệ và thời gian khác nhau, theo các khuôn mẫu khác nhau. Ngƣời
sử dụng thông tin địa lý nhƣ các nhà khoa học, giám sát tài nguyên môi
trƣờng, 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 trƣờng. 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9

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

Hình 1.4 Các thành phần của GIS
- Con ngƣời: 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 ngƣời sử dụng GIS
để giải quyết các vấn đề khơng gian.
+ Thao tác viên hệ thống (system operator) có trách nhiệm vận hành hệ
thống hàng ngày để ngƣời sử dụng hệ thống làm việc có hiệu quả.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




10

+ Nhà cung cấp GIS (GIS supplier) có trách nhiệm cung cấp phần
mềm. cập nhật phần mềm, phƣơng pháp nâng cấp cho hệ thống.
+ Nhà cung cấp dữ liệu (data supplier) có thể là Tổ chức nhà nƣớc hay
tƣ nhân.
+ Người phát triển ứng dụng (application developer) là những lập trình

viên đƣợc đào tạo. Họ xây dựng các giao diện ngƣời 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
ngƣời 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 tƣợng tự
nhiên với mức độ chính xác khác nhau. Hệ thống thƣớc đo của chúng bao
gồm các biến tên, số thứ tự, khoảng và tỷ lệ. Ngồi bốn loại biến dữ liệu này,
các hệ GIS cịn phân chia dữ liệu thành hai loại khác nhau:
+ Dữ liệu khơng gian (spatial): là thơng tin về vị trí của các đối tƣợng
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): cịn gọi là dữ liệu thuộc tính, là
những số hiệu, bảng biểu mơ tả tính chất , đặc trƣng của dữ liệu khơng gian.
Nó đƣợc biểu thị dƣới dạng những con số hoặc chữ mơ tả số lƣợng, tính chất,
thơng số liên quan đến các đối tƣợng đó trên bản đồ.
Dữ liệu phi không gian đƣợc kết nối logic với dữ liệu không gian. Sự
kết nối này là cơ sở để xác định chính xác các thơng tin của đối tƣợng địa lý

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




11

và thực hiện phép phân tích tổng hợp trong hệ thống GIS. Mỗi hệ GIS đều có
các cơng cụ lƣu trữ dữ liệu thuộc tính cùng với dữ liệu khơng gian.
- Phần cứng: GIS đòi hỏi các thiết bị ngoại vi đặc biệt nhƣ bàn số hóa,

máy vẽ, máy quét ảnh để vào ra dữ liệu. Các thiết bị này có thể đƣợc nối với
nhau thơng 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 lƣu 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 cơng cụ
phân tích dữ liệu, làm báo cáo và truyền tin.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




12

Thu thập dữ
liệu

Chuyển
đổi dữ liệu

Quản trị
CSDL
địa lý

Giao diện
ngƣời dùng

Phân tích

khơng gian

Hiển thị,
làm báo
cáo

Hình 1.6 Phần mềm của GIS
- Giao diện ngƣời dùng: Giao diện đồ họa cho phép ngƣời dùng dễ
dàng thực hiện các thao tác địa lý và các thao tác khác nhƣ 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 đƣợc
phân chia nhƣ sau :
- Thu thập dữ liệu.
- Xử lý sơ bộ dữ liệu.
- Lƣu trữ và truy nhập dữ liệu.
- Tìm kiếm và phân tích khơng gian.
- Hiển thị đồ họa và tƣơng tác.
Hình 1.7 mơ tả quan hệ giữa các nhóm chứa năng và cách biểu diễn
thơng tin khác nhau của GIS.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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 tƣợng thế
giới thực và từ các tài liệu, bản đồ giấy, đơi khi chúng có sẵn dƣới dạng số.

Kết quả ta có tập “dữ liệu thơ”, có nghĩa là dữ liệu này không đƣợc 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 thơ thành dữ liệu có cấu trúc để sử
dụng trực tiếp các chức năng tìm kiếm và phân tích khơng gian. Kết quả tìm
kiếm và phân tích đƣợc xem nhƣ 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 cơng cụ để
tổ chức và lƣu trữ các loại dữ liệu khác nhau, từ dữ liệu thô đến dữ liệu diễn
giải. Phần mềm cơng cụ này phải có các thao tác lƣu trữ, truy nhập; đồng thời
có khả năng hiển thị, tƣơng tác đồ họa với tất cả loại dữ liệu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




14

1.2

Cấu trúc dữ liệu không gian véctơ và các thuật tốn liên quan
Mơ hình dữ liệu vectơ coi hiện tƣợng là tập các thực thể không gian cơ

sở và tổ hợp giữa chúng. Trong mơ hình 2D thì thực thể sơ đẳng bao gồm
điểm, đƣờng và vùng; mơ hình 3D cịn áp dụng bề mặt ba chiều và khối (hình
1.8). Các thực thể sơ đẳng đƣợc 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 đƣợc xác định bởi cặp giá trị các đối tƣợng đơn, thông tin về địa lý
chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ đƣợc phản ánh là đối tƣợng điểm. Các đối tƣợng kiểu
điểm có đặc điểm:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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 tƣợng thể hiện dƣới dạng vùng. Tuy
nhiên trên bản đồ tỷ lệ nhỏ, đối tƣợng này có thể thể hiện dƣới dạng một
điểm. Vì vậy, các đối tƣợng điểm và vùng có thể đƣợc dùng phản ánh lẫn
nhau.
 Kiểu đối tượng đường (Arcs)
Đƣờng đƣợc xác định nhƣ một tập hợp dãy của các điểm. Mô tả các đối
tƣợng 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 đƣợc định nghĩa bởi các điểm vertices



Độ dài chính xác bằng các cặp toạ độ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




16

Hình 1.10: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng Arc
 Kiểu đối tượng vùng (Polygons)
Vùng đƣợc xác định bởi ranh giới các đƣờng thẳng. Các đối tƣợng địa lý
có diện tích và đóng kín bởi một đƣờng đƣợc gọi là đối tƣợng vùng polygons,
có các đặc điểm sau:


Polygons đƣợc mô tả bằng tập các đƣờng (arcs) và điểm nhãn (label
points)



Một hoặc nhiều arc định nghĩa đƣờng bao của vùng



Một điểm nhãn label points nằm trong vùng để mô tả, xác định cho mỗi
một vùng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên