Nội dung

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi --------------------------------------- luËn v¨n th¹c sÜ khoa häc øng dông logic mê trong hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý (GIS) ngµnh: C«ng nghÖ th«ng tin m∙ sè:.............................................. trÇn v¨n ®oµi Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: TS. TrÇn §×nh KHANG hµ néi 2006 2 Lêi cam ®oan C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu trong luËn v¨n ngoµi nh÷ng vÊn ®Ò mang tÝnh phæ biÕn mµ t¸c gi¶ ®· ®Ò cËp tíi d−íi d¹ng c¸c ®Þnh nghÜa vµ kh¸i niÖm lµ hoµn toµn míi nh÷ng vÊn ®Ò tham kh¶o còng ®−îc trÝch dÉn cô thÓ. C¸c h×nh vÏ, minh häa vµ kÕt qu¶ thùc nghiÖm do chÝnh t¸c gi¶ thùc hiÖn. Néi dung ®Ò tµi t¸c gi¶ ch−a c«ng bè trªn c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu kh¸c. T¸c gi¶ xin chÞu hoµn toµn tr¸ch nhiÖm vÒ néi dung cña luËn v¨n nµy. T¸c gi¶ TrÇn V¨n §oµi 3 Lêi c¸m ¬n LuËn v¨n cña em sÏ rÊt khã hoµn thµnh nÕu kh«ng cã sù truyÒn ®¹t kiÕn thøc quý b¸u vµ sù h−íng dÉn tËn t×nh cña thÇy gi¸o TrÇn §×nh Khang. Em xin ch©n thµnh c¶m ¬n nh÷ng ý kiÕn ph¶n biÖn quý b¸u cña c¸c thÇy, c« gi¸o ®· ph¶n biÖn luËn v¨n nµy. Vµ xin ch©n thµnh c¸m ¬n c¸c ý kiÕn tham luËn cña c¸c thÇy, c« gi¸o vµ c¸c b¹n trong héi nghÞ khoa häc lÇn thø 20 tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi. Qua ®ã em n¾m b¾t sù quan t©m cña mäi ng−êi vµ c¸c h−íng cÇn lµm râ ®Ó ng−êi ®äc cã thÓ hiÓu ®−îc ý ®å cña t¸c gi¶. Em xin ch©n thµnh c¸m ¬n quý thÇy, c« trong Khoa C«ng nghÖ Th«ng tin tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi ®· tËn t×nh gi¶ng d¹y, truyÒn ®¹t nh÷ng kiÕn thøc quý b¸u trong suèt khãa häc lµm nÒn t¶ng cho em hoµn thµnh luËn v¨n nµy. Em còng xin c¸m ¬n c¸c thÇy, c« trong Trung t©m §µo t¹o sau §¹i häc ®· t¹o mäi ®iÒu kiÖn ®Ó em hoµn thµnh khãa häc vµ luËn v¨n nµy. MÆc dï ®· cè g¾ng nç lùc hÕt m×nh, song ch¾c ch¾n luËn v¨n kh«ng khái cßn thiÕu sãt. Em rÊt mong nhËn ®−îc sù th«ng c¶m vµ chØ b¶o tËn t×nh cña c¸c thÇy, c« gi¸o vµ c¸c b¹n còng nh− nh÷ng ai quan t©m tíi lÜnh vùc mµ luËn v¨n nµy thùc hiÖn. Hµ Néi, ngµy th¸ng 10 n¨m 2006 T¸c gi¶ TrÇn V¨n §oµi 4 Môc lôc Trang Lêi cam ®oan.............................................................................................. 2 Lêi c¸m ¬n ................................................................................................... 3 Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t .................................... 6 Danh môc c¸c b¶ng................................................................................ 7 Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ ........................................................... 8 Më ®Çu......................................................................................................... 10 Ch−¬ng 1 - Tæng quan .......................................................................... 13 Ch−¬ng 2 - HÖ thèng th«ng tin ®Þa lý (GIS).............................. 17 2.1 Kh¸i niÖm .............................................................................................. 17 2.1.1 Mét sè ®Þnh nghÜa........................................................................... 18 2.1.2 LÞch sö ph¸t triÓn cña GIS .............................................................. 20 2.2 Thu thËp d÷ liÖu..................................................................................... 21 2.2.1 Thu thËp d÷ liÖu kh«ng gian........................................................... 22 2.2.2 Thu thËp d÷ liÖu thuéc tÝnh ............................................................ 22 2.3 Thao t¸c d÷ liÖu ..................................................................................... 22 2.4 Qu¶n lý d÷ liÖu ...................................................................................... 22 2.5 Truy vÊn vµ ph©n tÝch d÷ liÖu ................................................................ 23 2.6 HiÓn thÞ d÷ liÖu...................................................................................... 24 2.7 M« h×nh d÷ liÖu ..................................................................................... 25 2.8 C¸c ®èi t−îng trong GIS........................................................................ 26 2.9 KÕt nèi d÷ liÖu kh«ng gian vµ d÷ liÖu thuéc tÝnh .................................. 34 2.10 Chång xÕp vµ ph©n tÝch trong GIS ...................................................... 35 Ch−¬ng 3 - øng dông logic mê trong hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý ........................................................................................................... 37 3.1 Giíi thiÖu chung .................................................................................... 37 3.1.1 Nguyªn lý më réng c¸c hÖ thèng GIS ............................................ 40 3.1.2 TÝnh kh«ng râ rµng vµ h¹n chÕ cña Logic râ trong GIS................. 40 3.1.3 TÝnh chÊt mê trong c¸c hÖ thèng GIS............................................. 43 3.2 Logic mê trong GIS............................................................................... 44 3.2.1 Kh¸i niÖm vÒ tËp hîp râ vµ tËp hîp mê.......................................... 44 3.2.2 HÖ mê trong GIS ............................................................................ 51 3.2.3 So s¸nh gi÷a Logic mê vµ logic râ (logic kinh ®iÓn) ..................... 56 3.3 M« h×nh d÷ liÖu kh«ng gian vµ c¸c phÐp to¸n ...................................... 57 3.3.1 M« h×nh d÷ liÖu kh«ng gian ........................................................... 57 3.3.2 Ph©n líp c¸c phÐp to¸n GIS............................................................ 58 3.4 Më réng m« h×nh d÷ liÖu víi Logic mê ................................................ 61 3.5 Më réng c¸c phÐp to¸n víi Logic mê ................................................... 61 5 3.5.1 PhÐp to¸n ph©n líp mê (Fuzzy Reclasification)............................. 62 3.5.2 PhÐp to¸n vïng ®Öm mê (Fuzzy Buffer)......................................... 63 3.5.3 Kho¶ng c¸ch mê (Fuzzy Distance) ................................................ 66 3.5.4 Chång xÕp mê (Fuzzy Overlay) ..................................................... 68 3.5.5 Lùa chän mê (Fuzzy Select), t×m kiÕm mê .................................... 69 3.5.6 Suy luËn mê.................................................................................... 70 3.6. Lùa chän vÞ trÝ dùa trªn mét chuçi c¸c phÐp to¸n GIS......................... 73 3.6.1 Lùa chän vÞ trÝ sö dông logic mê ................................................... 74 3.6.2 Bµi to¸n ra quyÕt ®Þnh kh«ng gian vµ logic mê.............................. 75 Ch−¬ng 4 - Gi¶i mét sè bµi to¸n b»ng øng dông logic mê trong GIS.................................................................................................... 79 4.1 T×m vÞ trÝ më réng thµnh phè Th¸i B×nh ............................................... 79 4.1.1 Ph¸t biÓu bµi to¸n ........................................................................... 79 4.1.2 Ph−¬ng ph¸p tiÕn hµnh ................................................................... 79 4.1.3 KÕt qu¶ ®¹t ®−îc............................................................................. 83 4.2 Bµi to¸n x¸c ®Þnh ®−êng ®i ng¾n nhÊt sö dông logic mê ...................... 88 4.2.1 Ph¸t biÓu bµi to¸n ........................................................................... 88 4.2.2 Ph−¬ng ph¸p tiÕn hµnh ................................................................... 88 4.2.3 KÕt qu¶ ®¹t ®−îc............................................................................. 90 4.3 Bµi to¸n t×m vÞ trÝ x©y dùng nhµ m¸y xi m¨ng ...................................... 90 4.3.1 Ph¸t biÓu bµi to¸n ........................................................................... 90 4.3.2 Ph−¬ng ph¸p tiÕn hµnh ................................................................... 91 4.3.3 KÕt qu¶ ®¹t ®−îc............................................................................. 94 KÕt luËn ..................................................................................................... 96 Tµi liÖu tham kh¶o............................................................................... 97 6 Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t GIS - Lµ tõ viÕt t¾t cña: Geographic Infomation System Logic mê : Fuzzy Logic. TÝnh kh«ng râ rµng: Uncertainty. WebGIS : C«ng nghÖ ®−a b¶n ®å lªn m¹ng. DBMS : HÖ qu¶n trÞ c¬ së d÷ liÖu. CSDL: C¬ së d÷ liÖu. Layer: C¸c ®èi t−îng cã cïng tÝnh chÊt nµo ®ã ®−îc nhãm víi nhau. Entities: C¸c thùc thÓ kh«ng gian. Table: B¶ng d÷ liÖu (kh«ng gian vµ thuéc tÝnh). IFF: NÕu vµ chØ nÕu. 7 Danh môc c¸c b¶ng B¶ng 2.1. So s¸nh m« h×nh d÷ liÖu Vector vµ Raster. ..................................... 26 B¶ng 3.1. B¶ng c¸c phÐp to¸n logic râ vµ mê ................................................. 49 B¶ng 3.2. B¶ng vÝ dô m« t¶ c¸c môc ph©n líp ................................................ 52 B¶ng 3.3. B¶ng minh häa vÝ dô gi¶i mê .......................................................... 56 B¶ng 3.4. B¶ng so s¸nh Logic mê vµ Logic râ................................................ 57 B¶ng 3.5. B¶ng ph©n líp c¸c phÐp to¸n trong GIS .......................................... 61 B¶ng 3.6. B¶ng minh häa ®é thuéc vÒ ®Þa tÇng ............................................... 63 B¶ng 3.7. B¶ng minh häa ®é thuéc vÒ ®é dèc ................................................. 63 B¶ng 4.1. B¶ng mê hãa líp th«ng tin ®Êt ........................................................ 80 B¶ng 4.2. B¶ng mê hãa líp th«ng tin ®Þa tÇng ................................................ 81 8 Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ H×nh 2.1. M« h×nh mét hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý ........................................... 19 H×nh 2.2. LÞch sö ph¸t triÓn cña GIS. .............................................................. 21 H×nh 2.3. M« t¶ ph©n tÝch liÒn kÒ.................................................................... 24 H×nh 2.4. M« t¶ ph©n tÝch chång xÕp theo thêi gian ....................................... 24 H×nh 2.5. C¸c ®èi t−îng ®iÓm trong GIS......................................................... 27 H×nh 2.6. C¸c ®èi t−îng d¹ng ®−êng trong GIS. ............................................. 27 H×nh 2.7. C¸c ®èi t−îng d¹ng vïng trong GIS. ............................................... 28 H×nh 2.8. C¸c ®èi t−îng d¹ng l−íi trong GIS.................................................. 29 H×nh 2.9. Ph©n t¸ch b¶n ®å thµnh c¸c líp ....................................................... 31 H×nh 2.10. ¶nh vÖ tinh còng ®−îc xö lý trong GIS.......................................... 31 H×nh 2.11. M« t¶ quan hÖ l©n cËn hai Polygon P1 vµ P2 ................................ 33 H×nh 2.12. M« t¶ quan hÖ bao hµm(polygon ®¶o)........................................... 34 H×nh 2.13. M« t¶ quan hÖ giao nhau cña hai polygon .................................... 34 H×nh 2.14. B¶ng m« t¶ c¸c tr−êng d÷ liÖu trong GIS ...................................... 35 H×nh 2.15. Chång xÕp chuçi c¸c líp b¶n ®å trong GIS................................... 36 H×nh 3.1. Nguyªn lý më réng c¸c hÖ GIS ....................................................... 40 H×nh 3.2. TÝnh kh«ng râ rµng trong GIS (Zhang & Goodchild 2002) ............ 41 H×nh 3.3. Ph©n lo¹i tÝnh chÊt kh«ng râ rµng trong GIS................................... 41 H×nh 3.4. TÝnh chÊt kh«ng râ rµng ph¸t sinh khi x¸c ®Þnh ranh giíi .............. 41 H×nh 3.5. Mét sè hµm mê vµ ph¹m vi tËp râ................................................... 45 H×nh 3.6. Hµm mê tuyÕn tÝnh.......................................................................... 46 H×nh 3.7. Hµm mê h×nh sin ............................................................................. 47 H×nh 3.8. Hµm mê Gaussian ........................................................................... 47 H×nh 3.9. TËp mê B bao hµm tËp mê A........................................................... 48 H×nh 3.10. Minh häa c¸c phÐp to¸n tËp hîp mê ............................................. 49 H×nh 3.11. HÖ mê ¸p dông trong GIS.............................................................. 51 H×nh 3.12. Ph©n tÝch víi tËp mê (tr¸i) vµ tËp râ (ph¶i) ................................... 57 H×nh 3.13. M« h×nh më réng ®èi víi c¸c b¶ng d÷ liÖu ................................... 61 H×nh 3.14. C¸c vÝ dô vÒ vïng ®Öm (®iÓm, ®−êng, vïng) ................................ 63 H×nh 3.15. PhÐp to¸n kho¶ng c¸ch mê gi÷a 2 vÞ trÝ(a);vÞ trÝ víi vïng mê(b) . 66 H×nh 3.16. M« t¶ chång xÕp c¸c líp ............................................................... 68 H×nh 3.17. M« t¶ chång xÕp mê cã träng sè................................................... 69 H×nh 3.18. PhÐp to¸n lùa chän mê .................................................................. 70 H×nh 4.1. Hµm mê sö dông líp th«ng tin më mang........................................ 80 H×nh 4.2. Hµm mê sö dông cho líp th«ng tin giao th«ng ............................... 80 H×nh 4.3. Hµm mê sö dông cho líp th«ng tin « nhiÔm ................................... 81 H×nh 4.4. Ph−¬ng tr×nh chång xÕp mê tÝnh to¸n trªn c¸c tr−êng .................... 82 H×nh 4.5. Thuéc tÝnh sau khi chång xÕp ......................................................... 83 H×nh 4.6. Vïng ®Öm mê hãa líp th«ng tin më mang thµnh phè..................... 83 H×nh 4.7. Vïng ®Öm mê hãa vÒ líp th«ng tin giao th«ng............................... 84 9 H×nh 4.8. Vïng ®Öm mê hãa líp th«ng tin « nhiÔm ....................................... 84 H×nh 4.9. Mê hãa líp th«ng tin ®Þa tÇng ®Êt yÕu ............................................ 85 H×nh 4.10. Mê hãa líp th«ng tin hiÖn tr¹ng sö dông ®Êt ................................ 85 H×nh 4.11. KÕt qu¶ sau khi chång xÕp ............................................................ 86 H×nh 4.12. Gi¶i mê l¸t c¾t α = 0.75 ................................................................ 86 H×nh 4.13. Gi¶i mê l¸t c¾t α = 0.7 .................................................................. 87 H×nh 4.14. Gi¶i mê l¸t c¾t α = 0.65 ................................................................ 87 H×nh 4.15. §å thÞ G cã h−íng V- mê.............................................................. 89 H×nh 4.16. §−êng ®i ng¾n nhÊt mê cña ®å thÞ mê G ...................................... 90 H×nh 4.17. Hµm mê sö dông líp th«ng tin gÇn má than ................................. 91 H×nh 4.18. Hµm mê sö dông líp th«ng tin gÇn má ®Êt sÐt ............................. 92 H×nh 4.19. Hµm mê sö dông cho líp th«ng tin giao th«ng ............................. 92 H×nh 4.20. Hµm mê sö dông líp th«ng tin gÇn má ®¸ v«i .............................. 93 H×nh 4.21. Hµm mê sö dông líp th«ng tin gÇn c¶ng ...................................... 93 H×nh 4.22. Hµm mê sö dông cho líp th«ng tin « nhiÔm ................................. 94 H×nh 4.23. Gi¶i mê víi l¸t c¾t α = 0.33 .......................................................... 95 H×nh 4.24. Gi¶i mê lÊy l¸t c¾t α = 0.36 .......................................................... 95 10 Më ®Çu HÖ thèng th«ng tin ®Þa lý (Geographic Information System - GIS) ra ®êi trªn c¬ së ph¸t triÓn cña khoa häc m¸y tÝnh vµ ®−îc øng dông réng r·i trong nhiÒu ngµnh khoa häc cã liªn quan ®Õn xö lý d÷ liÖu kh«ng gian. GIS ®−îc h×nh thµnh tõ nh÷ng n¨m 70 cña thÕ kû tr−íc vµ ph¸t triÓn m¹nh mÏ trong mét hai chôc n¨m trë l¹i ®©y. GIS ®· trë thµnh c«ng cô hç trî ra quyÕt ®Þnh trong hÇu hÕt c¸c ho¹t ®éng kinh tÕ - x· héi, an ninh - quèc phßng, trong qu¶n lý, quy ho¹ch, th¨m dß, khai th¸c... §èi víi GIS, c¸c d÷ liÖu thu thËp th−êng kh«ng ®Çy ®ñ, kh«ng râ rµng, kh«ng ch¾c ch¾n vµ mËp mê, ®iÒu ®ã dÉn ®Õn d÷ liÖu vµ th«ng tin trong GIS lµ d÷ liÖu “kh«ng râ rµng” hay d÷ liÖu “mê”. Ph©n tÝch d÷ liÖu kh«ng gian b»ng c¸ch kÕt hîp nhiÒu nguån d÷ liÖu ®−îc khai th¸c tõ c¸c hÖ thèng th«ng tin ®Þa lý lµ môc tiªu cao nhÊt cña hÇu hÕt c¸c dù ¸n GIS ®Ó diÔn t¶, ph©n tÝch c¸c ¶nh h−ëng lÉn nhau, ®−a ra c¸c m« h×nh dù b¸o vµ hç trî ra quyÕt ®Þnh. Kh¸i niÖm “kh«ng râ rµng - mê” lµ mét ®Æc tr−ng vèn cã cña d÷ liÖu ®Þa lý vµ cã thÓ sinh ra do: Th«ng tin t−¬ng øng víi chóng kh«ng ®Çy ®ñ; sù xuÊt hiÖn kh«ng æn ®Þnh khi thu thËp, tËp hîp c¸c d÷ liÖu thuéc tÝnh; viÖc sö dông c¸c diÔn t¶ ®Þnh tÝnh ®èi víi c¸c gi¸ trÞ thuéc tÝnh vµ c¸c mèi quan hÖ gi÷a chóng. C¸c hÖ GIS th−êng kh«ng s½n sµng cho viÖc xö lý víi c¸c d÷ liÖu mê v× thÕ cÇn ph¶i cã sù më réng c¶ vÒ m« h×nh d÷ liÖu, c¸c phÐp to¸n vµ lËp luËn ®Ó gi¶i quyÕt víi d÷ liÖu mê trong GIS lµm cho hÖ thèng trë lªn mÒm dÎo h¬n trong viÖc gi¶i c¸c bµi to¸n kh«ng gian mµ d÷ liÖu cña chóng lµ c¸c d÷ liÖu d¹ng mê. Theo ph−¬ng ph¸p truyÒn thèng khi xö lý, ph©n tÝch d÷ liÖu trong GIS c¸c thao t¸c d÷ liÖu thùc hiÖn mét c¸ch cøng nh¾c ®èi víi c¸c thñ tôc lËp luËn vµ ph©n tÝch. QuyÕt ®Þnh tæng thÓ ®−îc thùc hiÖn theo tõng b−íc cô thÓ vµ quy vÒ kÕt qu¶ ngay lËp tøc. Nh÷ng øng viªn nµo tho¶ ®iÒu kiÖn ®−îc gi÷ l¹i vµ c¸c øng viªn kh«ng tho¶ ®iÒu kiÖn sÏ bÞ lo¹i bá phô thuéc vµo gi¸ trÞ ng−ìng.