Cấu trúc cơ sở dữ liệu trong GIS

Một cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý có thể chia ra làm 2 loại số liệu cơ bản: số liệu không gian và phi không gian. Mỗi loại có những đặc điểm riêng và chúng khác nhau về yêu cầu lưu giữ số liệu, hiệu quả, xử lý và hiển thị.

Số liệu không gian là những mô tả số của hình ảnh bản đồ, chúng bao gồm toạ độ, quy luật và các ký hiệu dùng để xác định một hình ảnh bản đồ cụ thể trên từng bản đồ. Hệ thống thông tin địa lý dùng các số liệu không gian để tạo ra một bản đồ hay hình ảnh bản đồ trên màn hình hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi, …

Số liệu phi không gian là những diễn tả đặc tính, số lượng, mối quan hệ của các hình ảnh bản đồ với vị trí địa lý của chúng. Các số liệu phi không gian được gọi là dữ liệu thuộc tính, chúng liên quan đến vị trí địa lý hoặc các đối tượng không gian và liên kết chặt chẽ với chúng trong hệ thống thông tin địa lý thông qua một cơ chế thống nhất chung.

4.1. MÔ HÌNH THÔNG TIN KHÔNG GIAN

Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS, hệ thống GIS chứa càng nhiều thì chúng càng có ý nghĩa. Dữ liệu của hệ GIS được lưu trữ trong CSDL và chúng được thu thập thông qua các mô hình thế giới thực. Dữ liệu trong hệ GIS còn được gọi là thông tin không gian. Đặc trưng thông tin không gian là có khả năng mô tả “vật thể ở đâu” nhờ vị trí tham chiếu, đơn vị đo và quan hệ không gian. Chúng còn khả năng mô tả “hình dạng hiện tượng” thông qua mô tả chất lượng, số lượng của hình dạng và cấu trúc. Cuối cùng, đặc trưng thông tin không gian mô tả “quan hệ và tương tác” giữa các hiện tượng tự nhiên. Mô hình không gian đặc biệt quan trọng vì cách thức thông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng thực hiện phân tích dữ liệu và khả năng hiển thị đồ hoạ của hệ thống.

4.1.1.Hệ thống Vector

4.1.1.1 Kiểu đối tượng điểm (Points)

Điểm được xác định bởi cặp giá trị đ. 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:

• Là toạ độ đơn (x,y)
• Không cần thể hiện chiều dài và diện tích

Hình 4.1: 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.

4.1.1.2. 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

Hình 4.2: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng Arc

4.1.1.3. 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.

Hình 4.3: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng (Polygon)

Hình 4.4: Một số khái niệm trong cấu trúc cơ sở dữ liệu bản đồ.

4.2.2. Hệ thống Raster

Mô hình dữ liệu dạng raster phản ánh toàn bộ vùng nghiên cứu dưới dạng một lưới các ô vuông hay điểm ảnh (pixcel). Mô hình raster có các đặc điểm:

• Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới.
• Mỗi một điểm ảnh (pixcel) chứa một giá trị.
• Một tập các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạo thành một lớp (layer).
• Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp.

Mô hình dữ liệu raster là mô hình dữ liệu GIS được dùng tương đối phổ biến trong các bài toán về môi trường, quản lý tài nguyên thiên nhiên.

Mô hình dữ liệu raster chủ yếu dùng để phản ánh các đối tượng dạng vùng là ứng dụng cho các bài toán tiến hành trên các loại đối tượng dạng vùng: phân loại; chồng xếp.

Các nguồn dữ liệu xây dựng nên dữ liệu raster có thể bao gồm:

• Quét ảnh
• Ảnh máy bay, ảnh viễn thám
• Chuyển từ dữ liệu vector sang
• Lưu trữ dữ liệu dạng raster.
• Nén theo hàng (Run lengh coding).
• Nén theo chia nhỏ thành từng phần (Quadtree).
• Nén theo ngữ cảnh (Fractal).

Trong một hệ thống dữ liệu cơ bản raster được lưu trữ trong các ô (thường hình vuông) được sắp xếp trong một mảng hoặc các dãy hàng và cột. Nếu có thể, các hàng và cột nên được căn cứ vào hệ thống lưới bản đổ thích hợp.

Việc sử dụng cấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết bị mất. Với lý do này, hệ thống raster-based không được sử dụng trong các trường hợp nơi có các chi tiết có chất lượng cao được đòi hỏi.

Hình 4.5: Sự biểu thị kết quả bản đồ dưới dạng Raster

4.2.3. Chuyển đổi cơ sở dữ liệu dạng vector và raster

Việc chọn của cấu trúc dử liệu dưới dạng vector hoặc raster tuỳ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng, đối với hệ thống vector, thì dữ liệu được lưu trữ sẽ chiếm diện tích nhỏ hơn rất nhiều so với hệ thống raster, đồng thời các đường contour sẽ chính xác hơn hệ thống raster. Ngoài ra cũng tuỳ vào phần mềm máy tính đang sử dụng mà nó cho phép nên lưu trữ dữ liệu dưới dạng vector hay raster. Tuy nhiên đối với việc sử dụng ảnh vệ tinh trong GIS thì nhất thiết phải sử dụng dưới dạng raster.

Một số công cụ phân tích của GIS phụ thuộc chặt chẽ vào mô hình dữ liệu raster, do vậy nó đòi hỏi quá trình biến đổi mô hình dữ liệu vector sang dữ liệu raster, hay còn gọi là raster hoá. Biến đổi từ raster sang mô hình vector, hay còn gọi là vector hoá, đặc biệt cần thiết khi tự động quét ảnh. Raster hoá là tiến trình chia đường hay vùng thành các ô vuông (pixcel). Ngược lại, vector hoá là tập hợp các pixcel để tạo thành đường hay vùng. Nết dữ liệu raster không có cấu trúc tốt, thí dụ ảnh vệ tinh thì việc nhận dạng đối tượng sẽ rất phức tạp.

Nhiệm vụ biến đổi vector sang raster là tìm tập hợp các pixel trong không gian raster trùng khớp với vị trí của điểm, đường, đường cong hay đa giác trong biểu diễn vector. Tổng quát, tiến trình biến đổi là tiến trình xấp xỉ vì với vùng không gian cho trước thì mô hình raster sẽ chỉ có khả năng địa chỉ hoá các vị trí toạ độ nguyên. Trong mô hình vector, độ chính xác của điểm cuối vector được giới hạn bởi mật độ hệ thống toạ độ bản đồ còn vị trí khác của đoạn thẳng được xác định bởi hàm toán học.

Hình 4.6: Sự chuyển đổi dữ liệu giữa raster và vector (Nguồn : Tor Bernhardsen, 1992)

4.2.4. Thuận lợi và bất lợi của hệ thống dữ liệu raster và vector

4.2.4.1. Thuận lợi của hệ thống cơ sở dữ liệu raster

• Vị trí địa lý của mỗi ô được xác định bởi vị trí của nó trong ô biểu tượng, hình ảnh có thể được lưu trữ trong một mảng tương xứng trong máy vi tính cung cấp đủ dữ liệu bất kỳ lúc nào. Vì vậy mỗi ô có thể nhanh chóng và dễ dàng được định địa chỉ trong máy theo vị trí địa lý của nó.
• Những vị trí kế cận được hiện diện bởi các ô kế cận, vì vậy mối liên hệ giữa các ô có thể được phân tích một cách thuận tiện
• Quá trình tính toán đơn giản hơn và dễ dàng hơn cơ sở hệ thống dữ liệu vector.
• Đơn vị bản đồ ranh giới thửa được trình bày một cách tự nhiên bởi giá trị ô khác nhau, khi giá trị thay đổi, việc chỉ định ranh giới thay đổi.

4.2.4.2. Bất lợi của hệ thống dữ liệu raster

• Khả năng lưu trữ đòi hỏi lớn hơn nhiều so với hệ thống cơ sở dữ liệu vector.
• Kích thước ô định rõ sự quyết định ở phương pháp đại diện ở phương pháp đại diện. Điều này đặc biệt khó dễ cân xứng với sự hiện diện đặc tính thuộc về đường thẳng.

Thường hầu như hình ảnh gần thì nối tiếp nhau, điều này có nghĩa là nó phải tiến hành một bản đồ hoàn chỉnh chính xác để thay đổi 1 ô đơn. Quá trình tiến hành của dữ liệu về kết hợp thì choáng nhiều chỗ hơn với 1 hệ thống cơ sở vector.

Dữ liệu được đưa vào hầu như được số hoá trong hình thức vector, vì thế nó phải chính xác 1 vector đến sự thay đổi hoạt động raster để đổi dữ liệu hệ số hoá vào trong hình thức lưu trữ thích hợp.

Điều này thì khó hơn việc xây dựng vào trong bản đồ từ dữ liệu raster.

4.2.4.3. Thuận lợi của hệ thống cơ sở vector

• Việc lưu trữ được đòi hỏi ít hơn hệ thống cơ sở dữ liệu raster
• Bản đồ gốc có thể được hiện diện ở sự phân giải gốc của nó.
• Đặc tính phương pháp như là các kiểu từng, đường sá, sông suối, đất đai có thể được khôi phục lại và tiến triển 1 cách đặc biệt.
• Điều này dễ hơn để kết hợp trạng thái khác nhau của phương pháp mô tả dữ liệu với 1 đặc tính phương pháp đơn.
• Hệ số hoá các bản đổ không cần được khôi phục lại từ hình thức raster.
• Dữ liệu lưu trữ có thể được tiến triển trong bản đồ kiểu dạng đường thẳng mà không 1 raster để sự khôi phục vector.

4.2.4.4. Bất lợi của hệ thống cơ sở dữ liệu vector

• Vị trí của điểm đỉnh cần được lưu trữ 1 cách rõ ràng

• Mối quan hệ của những điểm này phải được định dạng trong 1 cấu trúc thuộc về địa hình học, mà nó có lẽ khó để hiểu và điều khiển.
• Thuật toán cho việc hoàn thành chức năng thì hoàn toàn tương đương trong hệ thống cơ sở dữ liệu raster là quá phức tạp và việc hoàn thành có lẽ là không xác thực.
• Sự thay đổi 1 cách liên tiếp dữ liệu thuộc về không gian không thể được hiện diện như raster. 1 sự khôi phục để raster được yêu cầu tiến hành dữ liệu kiểu này.

4.3. MÔ HÌNH THÔNG TIN THUỘC TÍNH

Số liệu phi không gian hay còn gọi là thuộc tính là những mô tả về đặc tính, đặc điểm và các hiện tượng xảy ra tại các vị trí địa lý xác định. Một trong các chức năng đặc biệt của công nghệ GIS là khả năng của nó trong việc liên kết và xử lý đồng thời giữa dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính. Thông thường hệ thống thông tin địa lý có 4 loại số liệu thuộc tính:

- Đặc tính của đối tượng: liên kết chặt chẽ với các thông tin không gian có thể thực hiện SQL (Structure Query Language) và phân tích

- Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý: miêu tả những thông tin, các hoạt động thuộc vị trí xác định.

- Chỉ số địa lý: tên, địa chỉ, khối, phương hướng định vị, …liên quan đến các đối tượng địa lý.

- Quan hệ giữa các đối tượng trong không gian, có thể đơn giản hoặc phức tạp (sự liên kết, khoảng tương thích, mối quan hệ đồ hình giữa các đối tượng).

Để mô tả một cách đầy đủ các đối tượng địa lý, trong bản đồ số chỉ dùng thêm các loại đối tượng