Lớp dữ liệu (không gian, thuộc tính)

(1)

1

Mô hình dữ liệu GIS (không gian)

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

(2)

Nội dung



Mô hình thông tin- dữ liệu địa lý



Lớp dữ liệu (không gian, thuộc tính)



Mô hình dữ liệu (không gian, thuộc tính)



Mô hình vector



Khái niệm



Cấu trúc dữ liệu: Spaghetti, Topology



Mô hình raster



Khái niệm



Cấu trúc dữ liệu: mã hóa từng ô, mã hóa đoạn chạy



So sánh vector, raster



Ưu điểm



Nhược điểm



Chuyển đổi vector và raster



Vector  Raster



Raster  Vector

²

(3)

Mô hình thông tin - dữ liệu địa lý

3

Thế giới thực

Mô hình nhận thức

Mô hình dữ liệu không gian

GIS

n lớp

thông tin Mô hình dữ liệu thuộc tính

Không gian: Mô tả vị trí của đối tượng, có thể là vị trí tương đối (so với đối tượng không gian khác) hoặc vị trí tuyệt đối (so với hệ tọa độ).

Thuộc tính: Mô tả đặc tính của đối tượng.

(4)

●

Cặp hàng, cột (pixel)

●

Cặp tọa độ X, Y

Thế giới thực và mô hình dữ liệu không gian



Bản đồ giấy



Bản đồ số



Vector



Raster

4

Điểm

●

Chấm mực

Đường

Vệt mực kéo dài

Vùng

Vệt mực kéo dài và lấp đầy

Chuỗi tọa độ X, Y Chuỗi tọa độ X, Y tạo thành đường bao

Chuỗi pixel Chuỗi pixel trong đường bao

(5)



Điểm

 Một cặp tọa độ (x, y)

 0D



Đường

 Chuỗi các điểm có thứ tự với 2 điểm đầu, cuối không trùng nhau, có thể có điểm trung gian

 1D (chiều dài)



Vùng

 Các đường kết nối không trùng nhau nhưng có chung 2 điểm đầu, cuối

 Chuỗi các điểm có thứ tự với 2 điểm đầu, cuối trùng nhau, có ít nhất 1 điểm trung gian

 2D (chiều dài, chiều rộng)

Mô hình vector



Thể hiện các đối tượng rời rạc (có ranh giới tách biệt rõ ràng ngoài thực tế) sử dụng 3 phần tử hình học.

5

● 1 (x1, y1) 1

●

2

● (x4, y4) (x1, y1)

(x2, y2) (x3, y3) I

● ●

1

●

2

● I

II A

● ●

●

● ● 1≡2

● III

B

● ●

●

● ●

●

(6)

Thế giới thực và mô hình vector

6

Thế giới thực

Mô hình vector

(7)

Trong không gian lớp học, cái gì là rời rạc?

7

(8)

Mô hình vector



Đối tượng dạng điểm

8

(9)

Mô hình vector



Đối tượng dạng đường

9

(10)

Mô hình vector



Đối tượng dạng vùng

10

(11)

Mô hình vector



Tỉ lệ bản đồ xác định kích thước và hình dạng của các đối tượng.

11

(12)

Mô hình vector

12

Điểm ↔ Vùng

(13)

Mô hình vector

13

Đường ↔ Vùng

(14)

Mô hình vector

Tỉ lệ bản đồ (M) Kích thước thực tế nhỏ nhất (L) 1/500 500 x 0,5 mm = 250 mm = 0,25 m

1/24.000 24.000 x 0,5 mm = 12.000 mm = 12 m 1/250.000 250.000 x 0,5 mm = 125.000 mm = 125 m

… …

1/M M x 0,5 mm = L

14

0,5 mm là khoảng cách nhỏ nhất mà mắt người có thể phân biệt 2 điểm riêng biệt.

Một đối tượng hình chữ nhật với chiều dài 10 m, chiều rộng 5 m có thể được thể hiện dưới dạng điểm, đường, vùng trong mô hình vector theo các tỉ lệ khác nhau.

1/20.000 1/10.000

Vùng

≥ 1/10.000 Điểm

< 1/20.000

Đường

[1/20.000; 1/10.000)

.

L

_min

/ 0,5 mm = 5 m/ 0,5 mm L

_max

/ 0,5 mm = 10 m/ 0,5 mm

Tỉ lệ bản đồ

(15)

Bài tập 1



Cho một thửa đất hình vuông với kích thước thực tế là 250 m x 250 m. Biết mắt người có thể phân biệt 2 điểm riêng biệt với khoảng cách nhỏ nhất là 0,5 mm.



Trong mô hình vector, hãy xác định cách thể hiện phù hợp cho thửa đất trên theo tỉ lệ bản đồ?



Ở tỉ lệ bản đồ 1/1.000, thửa đất trên sẽ được thể hiện dưới dạng điểm, đường hay vùng trong mô hình vector?

15

Hết giờ (5 phút)

(16)

Mô hình vector



Cấu trúc dữ liệu Spaghetti



Điểm  mã hóa bởi một cặp tọa độ x, y



Đường  mã hóa bởi một chuỗi cặp tọa độ x, y



Vùng  mã hóa bởi một chuỗi cặp tọa độ x, y với điểm đầu và điểm cuối trùng nhau

17

. 10 . 20

1 2 30

40

Đối tượng Mã số Vị trí

Điểm 10 1 1

20 2 4

Đường 1 5 0,5 7 0,7

2 6 1,5 7 1,7 8 6

Vùng 30 3 5,5 3 6,5 4 6,5 4 5,5 3 5,5 40 3 2 3,2 4,5 6 1,8 3 2

Hệ tọa độ Oxy Cấu trúc Spaghetti

Spaghetti?

(17)

Bài tập 2



Cho cấu trúc dữ liệu Spaghetti như bảng dưới đây. Hãy phác họa các đối tượng trên trong hệ tọa độ Oxy?

18

Điểm 1 1 3

2 2 4

Đường 3 1 2 3 4

4 6 5 5 1 3 0 5 3 5 3 6 4 6

Vùng 6 3 2 4 2 4 4 3 2

7 1 0 1 1 3 2 3 0 1 0

x

y

O

(18)

Mô hình vector



Cấu trúc dữ liệu Spaghetti



Ưu điểm:

 Cấu trúc đơn giản  hiển thị, in ấn đối tượng dễ dàng.



Nhược điểm:

 Cạnh của các vùng lân cận được lưu trữ hơn 1 lần  dư thừa dữ liệu, biên tập dữ liệu không nhất quán.

 Quan hệ không gian giữa các đối tượng không được mã hóa  phân tích dữ liệu khó khăn.

20

1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 A+

+C

+B +D

E+

x

y I

II

Vùng I 3 1 4 3,5 2 2,5 3 1

II 1,5 1 3 1 2 2,5 0,5 2,5 1,5 1

(19)

. N3 . N2

Mô hình vector



Cấu trúc dữ liệu Topology



Tọa độ đường  lưu trữ tọa độ của các đường



Topology vùng  lưu trữ các đường tạo nên vùng



Topology nút  lưu trữ các nút tạo nên đường



Topology đường  lưu trữ quan hệ giữa nút, vùng với đường

21

A

Đường X, Y đầu X, Y trung gian X, Y cuối

a1 2 3 1 1

a2 1 1 4 2 2 3

a3 2 3 3 5; 5 4 4 2

Hệ tọa độ Oxy Cấu trúc Topology

Tọa độ đường

a1 N1 .

a2 a2 N4 . a3

. N5

a3 a3

Vùng Đường

A a1, a2

B a3

Topology vùng

B

Nút Đường

N1 a1, a2, a3 N2 a1, a2 N3 a2, a3

N4 a3

N5 a3

Topology nút

Đường Nútbắt đầu

Nút kết thúc

Vùng bên trái

Vùng bên phải

a1 N1 N2 A

a2 N2 N1 A B

a3 N1 N3 B

Topology đường

Topology?

(20)



Nhược điểm:

 Cấu trúc phức tạp  hiển thị, in ấn đối tượng khó khăn.

Mô hình vector



Cấu trúc dữ liệu Topology



Ưu điểm:

 Cạnh của các vùng lân cận được lưu trữ chỉ 1 lần  tối ưu dữ liệu, biên tập dữ liệu nhất quán.

 Quan hệ không gian giữa các đối tượng được mã hóa  phân tích dữ liệu đơn giản.

22

1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 A+

+C

+B +D

E+

x

y a

b

c d

e

f I II

Vùng Đường

I a, b, c

II d, e, f

Topology vùng

Đường Nút bắt đầu

Nút kết thúc

Vùng bên trái

Vùng bên phải

a A D I II

b A B I

c B D I

d A E II

e E C II

f C D II

Topology đường

(21)

Mô hình raster



Thể hiện các đối tượng liên tục (không có ranh giới tách biệt rõ ràng ngoài thực tế) sử dụng pixel.

23

Hàng Cột

Pixel

Số hàng

Số cột

Số cột x số hàng

= số pixel

(22)

Thế giới thực và mô hình raster

24

Thế giới thực

Mô hình raster

(23)

Mô hình raster

25

(24)

Trong không gian lớp học, cái gì là liên tục?

26

(25)

Mô hình raster



Kích thước pixel



Được xác định cụ thể, không đổi.



Diện tích raster = diện tích pixel x số pixel



Tỉ lệ nghịch với độ chính xác không gian của dữ liệu.

27

Thế giới thực 71 m²

Kích thước 1 m 16 x 16 pixel

73 m²

76 m²

80 m²

Kích thước pixel tăng dần Độ chính xác không gian giảm dần

Diện tích raster có 5 hàng, 10 cột,

kích thước pixel 20 m là bao nhiêu?

(26)

Mô hình raster



Giá trị của pixel



Định lượng (numerical) | Định tính (non-numerical)



Khuyết dữ liệu: NO DATA

28

Có bao nhiêu pixel có giá trị trên 2?

Với kích thước pixel 10 m, diện tích

pixel có giá trị trên 2 là bao nhiêu?

(27)

Mô hình raster



Hệ tọa độ



Tọa độ thực được thiết lập ở góc trên bên trái (hệ tọa độ địa lý/ hệ tọa độ chiếu).

29

Hàng Cột



Tọa độ hàng/ cột được đánh tăng dần từ góc trên trái theo chiều trái sang phải, trên xuống dưới (hệ tọa độ hàng cột).

x= 10 y= 10

A ● 1 2 ..

1 2 ..

x

y

Vị trí X Y

Góc trên phải (B)

X_A Y_A+ số cột *

kích thước pixel Góc dưới

trái (C)

X_A– số hàng * kích thước pixel

Y_A

Góc dưới phải (D)

X_A– số hàng * kích thước pixel

Y_A+ số cột * kích thước pixel Tâm pixel

hàng m, cột n (E)

X_A– (m – 0,5) * kích thước pixel

Y_A+ (n – 0,5) * kích thước pixel

●B

●C ●D

●E

Xác định tọa độ hàng cột của điểm E?

Với kích thước pixel 1 m, xác định tọa độ

chiếu của các điểm B, C, D, E?

(28)

Bài tập 3



Trong hệ tọa độ Oxy (đơn vị:

km), cho raster thể hiện giá trị độ cao (m) với kích thước pixel 10 km, góc trên bên

trái A (200, 400), xác định:



Số pixel của raster?



Diện tích raster (km²)?



Tọa độ chiếu của 3 góc còn lại (B, C, D)?



Tọa độ chiếu của tâm pixel tại hàng 3, cột 4?



Số pixel có độ cao trên 3 m?

30

x

y

A B

C D

(29)

Mô hình raster



Cấu trúc dữ liệu mã hóa từng ô



Giá trị pixel ghi theo ma trận hàng cột



Áp dụng tốt khi giá trị pixel biến thiên liên tục



Cấu trúc dữ liệu mã hóa đoạn chạy



Giá trị pixel lân cận được gom nhóm



Áp dụng tốt khi giá trị pixel đồng nhất, ít khác biệt

32

A A A A

B C C C

D D A A

Mã hóa từng ô Raster

A A A A B C C C D D A A

Mã hóa đoạn chạy Giá trị Độ dài Hàng

A 4 0

B 1 1

C 3 1

D 2 2

A 2 2

(30)

Bài tập 4



Cho raster lưu trữ độ cao như hình bên. Hãy mô tả raster theo cấu trúc dữ liệu mã hóa đoạn chạy?



Cho cấu trúc dữ liệu mã hóa đoạn chạy của raster lưu trữ nhiệt độ như hình bên. Hãy chuyển đổi sang cấu trúc dữ liệu mã hóa từng ô?

33

2 3 1 0

0 0 0 5

5 5 5 5

4 3 3 3

2 2 0 0

Giá trị Độ dài Hàng

22 3 0

24 1 0

25 2 1

23 2 1

26 4 2

(31)

 Vector



Cấu trúc dữ liệu phức tạp (Shapefile,…)

 Raster



Cấu trúc dữ liệu đơn giản (ASCII GRID,…)

35

(32)

 Vector



Dung lượng nhỏ gọn

 Raster



Dung lượng khá lớn

36

6 điểm  Lưu trữ 6 giá trị 8 pixel  Lưu trữ 8 giá trị

(33)

 Vector



Thích hợp cho topology



Phù hợp cho quản lý thuộc tính

 Raster



Cần thiết cho hình ảnh



Ưu tiên cho phân tích dữ liệu

37

Không gian

^ID

X,Y X,Y X,Y

…

IDRừng ID Lúa ID Nước

Thuộc tính

…

1 Rừng

2 Lúa

3 Nước

(34)

 Vector



Thích hợp cho topology



Phù hợp cho quản lý thuộc tính



Chất lượng đồ họa tốt

 Raster



Cần thiết cho hình ảnh



Ưu tiên cho phân tích dữ liệu



Chất lượng đồ họa kém

38

(35)

Chuyển đổi vector và raster

39

(36)

Chuyển đổi vector sang raster



Khai báo kích thước pixel của raster: 1 m, …



Xác định góc trên bên trái của raster: Trùng với điểm giao nhau giữa hai giá trị X lớn nhất và Y nhỏ nhất của vector.



Từ góc trên bên trái, phác họa phạm vi của raster: Chứa toàn bộ vector với hàng cuối và cột cuối chứa ít nhất 1 điểm.

40

x

y 1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 +A

+C

+B

x

y 1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 +A

+C

+B

x

y 1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 +A

+C

+B

+D +D

+E

● ● ●

(37)



Ánh xạ các đối tượng vector qua raster



Điểm  Pixel:

 Tọa độ điểm thuộc pixel nào thì lấy pixel đó.

 Nếu điểm thuộc ranh giới nhiều pixel thì lấy theo thứ tự ưu tiên:

pixel trên trái > pixel trên phải > pixel dưới trái > pixel dưới phải.

41

x

y 1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 +A

+C

+B

(38)



Ánh xạ các đối tượng vector qua raster

42

x

y 1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 +A

+C

+B +D



Đường  Chuỗi pixel:

 Đường đi qua các pixel nào thì lấy các pixel đó.



Vùng  Chuỗi pixel:

 Vùng chiếm ≥ ½ diện tích pixel thì lấy pixel đó.

x

y 1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 +A

+C

+B +D

+E

(39)

Bài tập 5



Chuyển sang 3 lớp raster với kích thước pixel 1 m cho 3 lớp vector sau:



Lớp vector điểm chứa A (4, 1), B (3/2, 3/2), C (2, 4)



Lớp vector đường chứa DE với D (3, 3/2), E (0, 4)



Lớp vector vùng chứa FGH với F (3, 2), G (4, 4), H (4, 5/2)

 Tất cả tọa độ đều thuộc hệ tọa độ Oxy (đơn vị: m)

43

x

y

(40)

Chuyển đổi raster sang vector



Raster  Điểm



Tọa độ tâm của từng pixel thành từng điểm.



Raster  Đường



Nối tâm của các chuỗi pixel (cùng giá trị) thành từng đường, ưu tiên khoảng cách gần nhất.

45

x

y 1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 +A

+C

+B

x

y 1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 A

C

B

D

(41)

Chuyển đổi raster sang vector



Raster  Vùng



Nối đường bao của các chuỗi pixel (cùng giá trị) thành từng vùng.

46

x

y 1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 A

C

B

D

F E

G

(42)

Bài tập 6



Trong hệ tọa độ Oxy (đơn vị: m), cho lớp raster chứa giá trị lượng mưa (mm). Giá trị N nghĩa là khuyết dữ liệu.



Chuyển raster trên sang lớp vector dạng điểm theo giá trị lượng mưa. Trả lời các câu hỏi sau:

47

10 20 20 20 50 10 20 40 N 30 10 20 N 40 30 10 20 20 20 30 10 10 10 0 30

x

y 1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 5●

● 5 0●



Tổng số điểm trong lớp vector là bao nhiêu?



Có bao nhiêu điểm có lượng mưa 10 mm?



Tọa độ X, Y của điểm có lượng mưa lớn nhất là bao nhiêu?



Tọa độ X, Y của điểm có lượng mưa nhỏ

nhất là bao nhiêu?

(43)

Bài tập 7 (về nhà)



Trong hệ tọa độ Oxy (đơn vị: m), cho lớp raster chứa giá trị lượng mưa (mm). Giá trị N nghĩa là khuyết dữ liệu.



Chuyển raster trên sang lớp vector dạng đường theo giá trị lượng mưa? Tổng số đường trong lớp vector là bao nhiêu?



Chuyển raster trên sang lớp vector dạng vùng theo giá trị lượng mưa? Tổng số vùng trong lớp vector là bao nhiêu?

49

10 20 20 20 30 10 20 40 N 30 10 20 40 40 30 10 20 20 20 30 10 10 10 10 30

x

y 1●

2●

3●

4●

● 1

● 2

● 3

● 4 5●

●

5

0●

(44)

Yêu cầu cần đạt



Mô hình vector thể hiện các đối tượng rời rạc sử dụng 3 phần tử hình học: điểm, đường, vùng.



Tỉ lệ bản đồ ảnh hưởng đến việc hiển thị đối tượng dưới dạng điểm, đường, vùng.



Mô hình vector có thể biểu diễn bằng cấu trúc dữ liệu Spaghetti, Topology.



Mô hình raster thể hiện các đối tượng liên tục sử dụng pixel.



Kích thước pixel ảnh hưởng đến độ chính xác không gian của đối tượng.



Mô hình raster có thể biểu diễn bằng cấu trúc dữ liệu mã hóa từng ô, mã hóa đoạn chạy.



Có thể chuyển đổi qua lại giữa vector và raster.

⁵¹