Đồ án nghiên cứu ứng dụng GIS và viễn thám trong việc hỗ trợ mở đường

Trong GIS, topology được dùng để ghi lại và xử lý các mối quan hệ không giangiữa các đối tượng địa lý.Các mối quan hệ không gian giữa các đối tượng địa lý được đề cập đến trongGIS là các

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

1 Tính cấp thiết của đồ án 4

2 Mục tiêu nghiên cứu 4

3 Nội dung nghiên cứu 5

4 Phương pháp nghiên cứu 5

5 Kết quả đạt được và ý nghĩa của đồ án 6

Chương I : TỔNG QUAN VỀ GIS (MCA) VÀ VIỄN THÁM 7

I.1.GIS 7

I.1.1 Khái niệm về GIS 7

I.1.2 Dữ liệu GIS 7

I.1.2.1 Đặc điểm 7

I.1.2.2 Cấu trúc dữ liệu 8

a) Cấu trúc dữ liệu vectơ 8

b) Cấu trúc dữ liệu raster 11

I.1.3 Các chức năng của GIS 13

I.1.3.1 Các chức năng phân tích không gian của GIS 13

I.1.3.2 Thao tác chồng ghép 16

I.1.3.3 Chức năng lân cận 19

I.1.3.4 Chức năng địa hình 21

I.1.3.5 Chức năng nội suy 26

I.2 MCA 27

I.2.1 Định chỉ tiêu 27

I.2.2 Làm cho các chỉ tiêu có thể so sánh được với nhau 28

I.2.3 Phân loại bản đồ kết quả 33

I.3 Các Tool Arcgis sử dụng để mở tuyến 33

I.3.1 Cost Distance 33

I.3.2 Cost Path 35

I.4 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ ĐẶC TRƯNG ẢNH LANSAT 36

I.4.1 Viễn thám 36

I.4.2 Đặc trưng ảnh viễn thám 38

I.4.3 phương pháp phân loại có kiểm định 41

Chương II : TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ LỰA CHỌN CÁC CHỈ TIÊU 42

II.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 42

II.1.1 Vị trí địa lý : 42

II.1.2 Địa hình, địa chất : 43

II.1.3 Khí hậu thủy văn : 43

II.1.4 Sông ngòi : 43

II.2 Lựa chọn các chỉ tiêu 44

II.2.1 Độ dốc địa hình 44

II.2.2 Địa chất 45

II.2.3 Hiện trạng sử dụng đất 46

II.2.4 Bề rộng của sông 47

II.2.5 Độ cao tuyệt đối 47

Chương III : THỰC NGHIỆM 48

III.1 Quy trình mở tuyến hành quân 48

III.2 Chuẩn bị dữ liệu 49

III.3 Mở tuyến 50

III.3.1 Bản đồ thành phần 50

a) Độ dốc địa hình 50

b) Địa chất 53

c) Hiện trạng sử dụng đất 54

d) Bề rộng của sông 57

e) Độ cao tuyệt đối 59

III.3.2 Tính toán trọng số bằng AHP 61

III.4 Bản đồ đánh giá khả năng mở tuyến 63

III.5 Xác định tuyến theo cặp tọa độ 64

Lấy tọa độ điểm dẫn đường bằng GPS 69

KẾT LUẬN 71

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đồ án

Trong công tác tham mưu địa hình phục vụ các hoạt động quân sự thì việc xác định tuyến hành quân là một trong những nhiệm vụ thường xuyên Tùy thuộc

nhiệm vụ, đối tượng tham mưu, đặc điểm địa hình địa vật, các yêu cầu và các chỉtiêu để đưa ra quyết định chọn tuyến Khi nhiều tiêu chí được sử dụng cho một mụcđích sẽ làm phức tạp và có thể gây nhầm lẫn cho quá trình ra quyết định Trongcông tác chọn tuyến truyền thống vẫn sử dụng cơ sở dữ liệu bản đồ địa hình dạnggiấy Dạng dữ liệu này thường không được cập nhật thường xuyên những thay đổicủa địa hình địa vật ngoài thực địa Mặt khác, việc chọn tuyến còn dựa trên kinhnghiệm của người sĩ quan tham mưu địa hình và mất rất nhiều thời gian công sức.

Vì vậy tuyến vạch ra không thể đảm bảo được tính chính xác và kịp thời hỗ trợ raquyết định cho người chỉ huy

Để việc hỗ trợ ra quyết định chọn tuyến hành quân nhanh, chính xác, kịp thời và

đạt hiệu quả cao, học viên lựa chọn đồ án : “Nghiên cứu ứng dụng GIS và viễn thám trong việc hỗ trợ mở tuyến hành quân cho bộ đội ”

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu các đặc điểm tự nhiên, địa hình, địa chất, thực vật, thủy hệ huyệnDakrong ảnh hưởng đến vạch tuyến hành quân

- Ứng dụng các chức năng của GIS để xây dựng các bản đồ chỉ tiêu độ dốc, địachất, độ cao tuyệt đối, thủy hệ phù hợp với bài toán vạch tuyến hành quâncho bộ đội

- Nghiên cứu viễn thám để thành lập bản đồ bản đồ hiện trạng sử dụng đất.

- Nghiên cứu phương pháp phân tích đa chỉ tiêu của GIS

- Tìm hiểu để xây dựng bộ trọng số phù hợp cho mục đích mở tuyến hànhquân phục vụ diễn tập thời bình (tuyến đường mở phù hợp với điều kiện tựnhiên, thuận tiện cho việc di chuyển)

- Thực nghiệm xây dựng bản đồ tổng hợp các chỉ tiêu cho huyện Dakrong vàXác định tuyến đường tối ưu giữu 2 cặp tọa độ địa lý

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích tổng hợp tài liệu : các nguồn tài liệu như giáo trình,mạng internet, các bài viết trong và ngoài nước … để phục vụ cho nghiêncứu, phân tích và tổng hợp các vấn đề liên quan đến đề tài

- Phương pháp phân tích không gian bằng GIS

- Phương pháp viễn thám để xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất

- Phương pháp phân tích đa chỉ tiêu để xác định tầm quan trọng và tác độngcủa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hành quân

- Phương pháp xin ý kiến chuyên gia để đánh giá vai trò của các yếu tố ảnhhưởng

5 Kết quả đạt được và ý nghĩa của đồ án

- Tham khảo ý kiến chuyên gia, đề xuất bộ trọng số trong xây dựng bản đồđánh giá khả năng mở tuyến cho bộ đội (phục vụ diễn tập thời bình).

+ Ý nghĩa của đề tài

- Xây dựng giải pháp vạch tuyến nhanh, chính xác bằng việc ứng dụng côngnghệ GIS và kỹ thuật viễn thám, thay thế các giải pháp truyền thống, kémchính xác trước đây

- Nghiên cứu sâu về phương pháp phân tích đa chỉ tiêu làm tiền đề để giảiquyết nhiều bài toán phức tạp phục vụ an ninh quốc phòng

Do thời gian hạn chế và kiến thức bản thân có hạn nên đồ án không thể tránhkhỏi sai sót, kính mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn !

Chương I : TỔNG QUAN VỀ GIS (MCA) VÀ VIỄN THÁM

I.1.GIS

I.1.1 Khái niệm về GIS

GIS là hệ thống xử lý dữ liệu không gian và thuộc tính một cách nhanh nhất bằng máy tính để có thể truy cập, đánh giá, tích hợp, phân tích, hiển thị, cập nhật thông tin tại một vị trí nào đó

Thành phần của GIS bao gồm: phần cứng, phần mềm, phần dữ liệu và phần conngười

-Dữ liệu không gian - Dữ liệu thuộc tính

Dữ liệu không gian là dữ liệu thể hiện vị trí của các đối tượng địa lý trên bề mặt

Trái đất theo hệ tọa độ tham chiếu thống nhất

Dữ liệu không gian có hai cấu trúc: cấu trúc dữ liệu vector, cấu trúc dữ liệuraster

Dữ liệu thuộc tính : thể hiện tính chất của đối tượng địa lý trên bề mặt Trái đất

như chiều cao của cây, dân số thành phố, độ rộng của sông,

Một đối tượng địa lý trong GIS có thể có nhiều thuộc tính phụ thuộc vào mức độquan trọng của đối tượng đó Dữ liệu thuộc tính của đối tượng nhằm mô tả, thể hiện

số lượng và chất lượng của đối tượng đó trong không gian đã được xác định và điềunày có ý nghĩa quan trọng trong phân tích chuyên môn

I.1.2.2 Cấu trúc dữ liệu

Cấu trúc dữ liệu đề cập đến cách thức tổ chức dữ liệu thành các file dữ liệu Chođến nay trong GIS người ta thường nói đến hai loại cấu trúc dữ liệu không gianchính là vectơ và rastơ Điều đó có nghĩa là các dữ liệu không gian có thể được mãhóa, được trữ trong máy tính theo hai cấu trúc kể trên

a) Cấu trúc dữ liệu vectơ

Trong cấu trúc vector, thực thể không gian được biểu diễn thông qua các phần tử

cơ bản là điểm, đường, vùng và các quan hệ topo (khoảng cách, tính liên thông,tính kề nhau .) giữa các đối tượng với nhau

Vị trí không gian của thực thể không gian được xác định bởi toạ độ trong một hệthống toạ độ thống nhất toàn cầu

Điểm dùng cho tất cả các đối tượng không gian mà được biểu diễn như một cặptoạ độ (X,Y) Ngoài giá trị toạ độ (X,Y), điểm còn thể hiện kiểu điểm, màu, hìnhdạng và dữ liệu thuộc tính đi kèm Do đó trên bản đồ điểm có thể được biểu hiệnbằng ký hiệu hoặc text

Hình 1.2 Lưu trữ tọa độ bằng cách gán 1 định danh riêng biệt

- Topology

Topology là một phương pháp toán học dùng để xác định các quan hệ khônggian Cấu trúc topology còn được gọi là cấu trúc cung-nút (arc-node) Trong cấutrúc này, phần tử cơ bản là cung Mỗi cung được mô tả như là một chuỗi nhữngđoạn thẳng nối liền nhau, điểm đầu và cuối cung gọi là nút (node), những điểmgiữa cung gọi là đỉnh (vertex)

Nút là điểm giao nhau của hai hay nhiều cung, đối với những cung độc lập, nút

là điểm cuối cùng của cung, không nối liền với bất kỳ cung nào khác Vùng là mộtchuỗi những cung nối liền nhau và khép kín, những cung này chính là những biêncủa vùng Mỗi vùng có thể giới hạn bởi hai đường cong khép kín lồng vào nhau vàkhông cắt nhau

Trong GIS, topology được dùng để ghi lại và xử lý các mối quan hệ không giangiữa các đối tượng địa lý.

Các mối quan hệ không gian giữa các đối tượng địa lý được đề cập đến trongGIS là các mối quan hệ: nằm trên, nằm trong, liền kề…

- Chồng lớp vector

Chức năng chồng ghép là thao tác không gian trong đó những lớp chuyên đềđược chồng lên nhau để tạo ra một lớp chuyên đề mới chứa đựng những thông tinmới Để rút ra những thông tin này, thao tác số học hoặc thao tác logic được vậndụng trên những lớp dữ liệu khác nhau nhập vào Chồng ghép những lớp dữ liệukhác nhau là một quá trình bậc thang Hai lớp dữ liệu nhập vào đợc tổ hợp vào mộtlớp trung gian, nó lại được tổ hợp với lớp thứ ba để tạo ra lớp trung gian khác Điềunày được thực hiện tới khi tất cả các lớp dữ liệu nhập vào đều được chồng ghép

Hình 1.3 Thao tác số học trên lớp dữ liệu vector

b) Cấu trúc dữ liệu raster

Trong cấu trúc này, thực thể không gian được biểu diễn thông qua các ô (cell)hoặc ô ảnh (pixel) của một lưới các ô

Độ lớn của cạnh của ô vuông này còn được gọi là độ phân giải của dữ liệu.Trongcấu trúc raster này, phương pháp chồng xếp bản đồ nhờ vào phương pháp đại sốbản đồ Hãy xét một lớp thông tin có cấu trúc raster:

Hình 1.4 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất

Nếu gán nước giá trị 1, rừng = 2, đất nông nghiệp = 3 ta sẽ có một mảng số liệu từ các giá trị 1,2,3 (hình 1.5) :

Hình 1.5 Biểu diễn raster dữ liệu theo lưới điểm

Một phương pháp khác để biểu diễn dữ liệu địa lý dưới dạng raster là phươngpháp biểu diễn ô chữ nhật phân cấp Trong cách biểu diễn này người ta chia diệntích vùng dữ liệu ra thành các ô chữ nhật không đều nhau mà theo cách lần lượtchia đôi các cell bắt đầu từ hình chữ nhật lớn nhất, bao phủ diện tích dữ liệu Quátrình chia cứ tiếp tục khi nào các cell đủ nhỏ để đạt được độ chính xác cần thiết

Hình 1.6 Biểu diễn raster dữ liệu theo cấu trúc ô chữ nhật phân cấp

Trong cấu trúc raster này, phương pháp chồng xếp bản đồ nhờ vào phương phápđại số bản đồ

Hình 1.7 Chồng xếp các lớp thông tin của dữ liệu raster

I.1.3 Các chức năng của GIS

I.1.3.1 Các chức năng phân tích không gian của GIS

Mục đích của chức năng phân tích không gian là tìm lời giải cho các câu hỏikhông gian và các vấn đề không gian Để làm việc này, một tập hợp của các chứcnăng không gian được xây dựng Điển hình, sự tổ hợp của những chức năng nàythật sự cần thiết để giải quyết các vấn đề của thế giới thực Trong phần này sẽ đưa

ra tổng quan về các chức năng không gian và các khái niệm của chúng Phần lớncác chức năng không gian sẽ được sử dụng trong hệ thống vector cũng như trong hệthống raster Mặc dù vậy một vài chức năng riêng biệt chỉ có thể có hoặc ở hệthống vector hay raster do cấu trúc dữ liệu đòi hỏi Gặp trường hợp này mô hình dữliệu có thể được chuyển đổi từ dạng vector sang raster (hoặc ngược lại )

a) Chức năng hỏi đáp tìm kiếm

Ra câu hỏi là quá trình lựa chọn thông tin từ tập hợp dữ liệu dựa trên những điềukiện Được định rõ trước mà không làm thay đổi tập hợp dữ liệu gốc Một sự hỏiđáp trên dữ liệu chuyên đề có thể được thực hiện trên một hoặc nhiều tính chất củacác đối tượng

Trong trường hợp lựa chọn một tính chất ( điều kiện đơn) phép tính đại số được

sử dụng để cấu thành sự lựa chọn Tập hợp đại số sử dụng, các thao tác bằng , lớn

hơn, nhỏ hơn và tổ hợp của 3 cái đó ( =, >, <, < >, >=, <=) Khi điều kiện đơn được

tổ hợp để tạo thành những điều kiện phức tạp ( lựa chọn nhiều hơn 1 tính chất củađối tượng) thao tác logic được sử dụng toán từ Boolean dùng thao tác logic AND,

OR, XOR, NOT để thiết lập sự lựa chọn phức tạp

Hình 1.8 Sơ đồ Venn

Hỏi đáp về dữ liệu hình học là chức năng riêng của GIS Một hệ GIS lưu trữ vịtrí và ranh giới của mỗi đối tượng Điều này tạo cho nó khả năng truy nhập thôngtin dựa trên thông tin vị trí và hoàn cảnh (ví dụ độ dài, chu vi và diện tích, và thậmchí dựa trên cả hình dạng của đối tượng Trong trường hợp này, điều kiện để chọn

dữ liệu là tính chất hình học Các phép tính số học ( +, - , x, / , xn, sin, cos, tg v.v )

và các phép tính thống kê (trung bình, cực tiểu, cực đại, độ lệch chuẩn v.v ) được

sử dụng trong chức năng hỏi đáp để tính toán các tính chất cho các đối tượng đượclựa chọn

b) Chức năng thuộc tính và chức năng đo đạc

Chức năng thuộc tính

Chức năng thuộc tính chế biến thao tác, tạo, hoặc thay đổi dữ liệu thuộc tính màkhông làm thay đổi vị trí không gian của chúng hoặc làm tạo ra phần tử không gianmới

Trong hệ thống vector, những chức năng này hoạt động trên các giá trị của bảngthuộc tính Kết quả làm biến đổi giá trị, làm thay đổi cột hoặc hình thành cột mớitrong bảng thuộc tính Để lựa chọn các đối tượng mà các đặc tính của chúng cầnđược biến đổi, toán tử hỏi đáp được vận dụng

Trong hệ thống raster, những thao tác này được thực hiện thông qua thao tácchồng ghép sẽ được bàn tới sau

Phân loại và tổng quát hoá

Thủ tục gán các đối tượng vào một nhóm nào đó được gọi là sự phân loại.Thường thì quá trình này được áp dụng để làm đơn giản một tập hợp dữ liệu chi tiết

để có thể trình bày chúng trên bản đồ, để truy cứu cấu trúc không gian hoặc để táchcác đối tượng với các tính chất nào đó áp dụng của sự tách biệt sẽ thích hợp chonhững nhiệm vụ phân tích về sau Mục tiêu quan trọng của phân loại không gian lànhận biết được loại hình không gian Điều này sẽ được trang bị bởi sự phân loại.Khi loại hình không gian không rõ ràng lắm sau khi phân loại dữ liệu thì phân loại

có thể thực hiện theo cách tổng quát hơn để tạo cho loại hình thêm rõ ràng Quátrình này được gọi là tổng quát hoá

Chức năng đo đạc

Để tính toán những tính chất của dữ liệu hình học, chức năng đo đạc thực sự cầnthiết Những chức năng này cho phép tính những tính chất đơn giản như chiều dàiđường, chu vi, diện tích và điểm trung tâm của một vùng Các phép đo tiên tiến hơn

là xác định hình dạng của vùng, khoảng cách rộng nhất và hẹp nhất xuyên quavùng, chiều dài và độ cong của đường cũng được tổ hợp trong GIS

Có khả năng tính toán khoảng cách giữa những đối tượng khác nhau với chứcnăng đo đạc Tuy chỉ có khả năng tính toán khoảng cách giữa hai điểm nhưngkhoảng cách giữa các tuyến và giữa các vùng có thể được xác định theo nhiều cách

khác nhau (khoảng cách ngắn nhất, khoảng cách giữa hai điểm trung tâm vùng,khoảng cách cực đại, v.v ) (xem hình 1.9)

Hình 1.9 Các khoảng cách giữa hai vùng

Xác định kích thước theo không gian ba chiều thường được áp dụng trongcông trình Trong hệ thống raster, đa số những phép đo này sử dụng chức năng củathao tác lân cận và thao tác nối tiếp để tạo dựng chúng

I.1.3.2 Thao tác chồng ghép

Chức năng chồng ghép là thao tác không gian trong đó những lớp chuyên đềđược chồng lên nhau để tạo ra một lớp chuyên đề mới chứa đựng những thông tinmới Để rút ra những thông tin này, thao tác số học hoặc thao tác logic được vậndụng trên những lớp dữ liệu khác nhau được nhập vào Chồng ghép những lớp dữliệu khác nhau là một quá trình bậc thang Hai lớp dữ liệu nhập vào được tổ hợpvào một lớp trung gian, nó lại được tổ hợp với lớp thứ ba để tạo ra lớp trung giankhác Điều này được thực hiện tới khi tất cả các lớp dữ liệu nhập vào đều đượcchồng lên nhau

Chồng ghép số học bao gồm các thao tác như cộng, trừ, chia và nhân Thao tác

số học được thiết lập trên mỗi giá trị của lớp dữ liệu và giá trị trên vị trí tương ứngcủa lớp dữ liệu thứ hai

Nhận dạng một vùng nơi mà tập hợp các điều kiện riêng xuất hiện được gọi làchồng ghép logic (Chồng ghép Boolean)

Hình 1.10 Thao tác số học trên 2 lớp dữ liệu dạng raster

Việc thi hành các thao tác chồng ghép chủ yếu tuỳ thuộc vào dạng của mô hình

dữ liệu đang được sử dụng Như đã được trình bày trong phần trước, hầu hết tất cảcác chức năng không gian có thể thiết lập trên cả hai mô hình dữ liệu, nếu không,luôn có khả năng chuyển đổi từ mô hình dữ liệu vector sang raster và ngược lại Trong hệ thống raster diện tích không gian được chia nhỏ thành những ô đềunhau Mỗi một thuộc tính ứng với một lớp Tất cả các lớp cùng có một cách chiakhông gian tạo cho nó sự dễ dàng so sánh giữa chúng Điều này có ý nghĩa rằngmột lớp tương ứng với tệp dữ liệu chứa đựng bản liệt kê có trật tự của các giá trị(giá trị thuộc tính) được lưu trữ như một ma trận Mỗi một vị trí trên ma trận nàybiểu diễn một vùng xác định của khu vực nghiên cứu Vì về mặt bản chất, tất cảmọi lớp có cùng một cách chia không gian nên thao tác chồng ghép càng đơn giản.Giá trị tại mỗi vị trí trên một ma trận được tổ hợp với giá trị của vị trí tương ứng

trên ma trận khác để rút ra giá trị mới Kết quả được lưu lại tại cùng một vị trí của

ma trận trên lớp mới

Thao tác chồng ghép trên hệ thống vector phức tạp hơn Trên hệ thống vector,những khu vực được biểu diễn bởi các vùng và thuộc tính gắn với nó được lưu trữtrong một bảng thuộc tính Toàn bộ các vùng có mã nhận dạng riêng biệt (=ID) nóđược dùng để liên kết một bảng tính chất với các vùng đó Dữ liệu dùng trong thaotác chồng ghép được lưu trữ trong bảng thuộc tính này Các lớp với những vùngkhác nhau không có cùng bảng thuộc tính , điều này có nghĩa là khó có khả năngvận dụng những bảng thuộc tính của các lớp khác nhau một cách trực tiếp

Bước đầu tiên của thao tác chồng ghép trong hệ thống vector là sự tạo ra nhữngvùng trên lớp mới bằng việc dùng thuật toán giao cắt vùng Khi các vùng của mộtlớp được đặt trên một lớp thứ hai thì sự ghép liên tiếp các vùng được tạo ra bởi sựchia nhỏ của những vùng trước bằng chính những đường bao của chúng Quá trìnhnày có thể đem so với sự đặt hai bản đồ xếp chồng lên nhau trên một bàn sáng vàtìm tất cả các vùng nơi mà các khoanh vi khác nhau che lấp nhau để xác định chúngnhư là các vùng mới Một khi các vùng mới được tạo ra, một bảng thuộc tính mới

sẽ được liên kết với lớp này Việc tổ hợp các giá trị thuộc tính của các vùng che lấptrên bản đồ gốc làm sinh ra bảng thuộc tính mới Quá trình này được gọi là'clipping' Chức năng chồng ghép trong hệ thống vector được biểu diễn trên hình1.11 Trong ví dụ này, thuộc tính mới tương ứng với tổng các giá trị thuộc tính củahai vùng gốc che lấp nhau Trong hệ thống vector thao tác chồng ghép yêu cầu mộtcách tương đối thao tác hình học tổ hợp để rút ra những vùng giao cắt Điều này đòihỏi một thời gian xử lý Trong hệ thống raster thời gian tốn phí cho quy trình hìnhhọc là không tồn tại ngược lại chức năng chồng ghép được thực hiện nhiều lầntương đương với tổng số của các ô Khi chức năng này được thiết lập từ một số

lượng thưa thớt các đối tượng thì hệ thống vector sẽ trở nên hiệu quả hơn Nhưngtrong đa số các trường hợp chồng ghép sẽ nhanh và dễ hơn trên hệ thống raster

Hình 1.11 Thao tác số học trên 2 lớp dữ liệu dạng vector

I.1.3.3 Chức năng lân cận

Chức năng lân cận tập hợp đặc tính hình học và chuyên đề trên khu vực địa lýxung quanh vị trí cụ thể Thông thường dữ liệu tập hợp được sử dụng cho xử lý vềsau Chức năng lân cận yêu cầu ít nhất ba thông số cơ bản : Một hoặc nhiều vị tríbắt đầu (những điểm hoặc những khu vực mục tiêu) Một định nghĩa về tính lân cậnquanh một vị trí Một quá trình sẽ được xây dựng trên những phần tử trong vùnglân cận này

Chức năng lân cận có thể được xếp vào 3 nhóm chính: Chức năng tìm kiếm,chức năng địa hình và những kỹ thuật nội suy

Đa số các hệ GIS đều có chức năng lân cận nhưng tính mềm dẻo và tinh tế thìbiến đổi tuỳ theo mỗi hệ

+ Tìm kiếm và chức năng tìm kiếm ở gần

Đầu tiên chức năng tìm kiếm lựa chọn toàn bộ các thực thể nội tại trong vùngđược chọn bao quanh đối tượng mục tiêu Sau đó nó sử dụng tính chất của thực thểđược lựa chọn để tính toán một giá trị đồng nhất Cuối cùng giá trị này được gáncho đối tượng mục tiêu

Chức năng đồng hoá

Chức năng tìm kiếm có thể chấm dứt ngay lập tức dữ liệu được thu thập để đánhgiá lựa chọn mà không cần phải xử lý thêm Thông thường những đối tượng lựachọn này được vận dụng để tính toán một tính chất nào đó

Cửa sổ động

Đôi khi chức năng tìm kiếm được vận dụng cho từng vị trí trên bản đồ Điều nàyđược thực hiện một cách điển hình trong GIS raster nơi mà mỗi ô được coi là mộtmục tiêu Quá trình này có thể đem so sánh với sự di chuyển cửa sổ nơi mà độ lớncủa sự lân cận được định nghĩa bởi kích cỡ của cửa sổ Tại mỗi bước, chức năng

lân cận được xử lý và kết quả được gán cho vị trí tương ứng trên lớp dữ liệu đầu

ng chúng không thích hợp cho phân tích số hoặc mô hình hoá Để tiến hành phântích trên dữ liệu địa hình, mô hình số độ cao cần phải được thiết lập Bất kỳ biểudiễn số của một sự biến đổi liên tục sự uốn lượn trong không gian dới dạng số đượcbiết tới như là mô hình số độ cao (DEM)

Bất kỳ một thuộc tính nào khác mang tính chất là biến liên tục trên bề mặt khônggian hai chiều sẽ được mô hình hoá bởi DEM Tuy nhiên, khi biến không phải là độcao được mô hình hoá, mô hình được gọi dưới một tên khác là mô hình số địa hình(DTM)

Ma trận độ cao là dạng phổ biến nhất của DEM Vì DEM biểu diễn sự biến đổiliên tục của bề mặt nên mỗi ô của mạng lưới đều chứa đựng một giá trị độ cao.Một ma trận độ cao cần nhiều không gian bộ nhớ bởi vì sự lưu trữ giá trị độ caotới từng ô một Mô hình số độ cao vượt qua được vấn đề bộ nhớ là mạng lưới tamgiác không đều đặn (TIN) Trong trường hợp này chỉ những điểm độ cao điển hìnhmới được lưu trữ và được sử dụng làm mô hình cho bề mặt Tại những nơi mà bềmặt không đều đặn, nhiều điểm sẽ được dùng để tính toán Mỗi tam giác có độnghiêng nhất định được tính gần đúng với độ nghiêng thực của địa hình Bề mặtđược biểu diễn bởi nhiều tam giác trên các khu vực mà địa hình có nhiều biến đổi.Trên những khu vực địa hình ít biến đổi thì các tam giác thường lớn (xem hình 11)

Hình 1.13 Lưới tam giác không đều

Cho dù DEM được thực hiện như là một ma trận độ cao, mạng TIN hoặc môhình khác, đa số các chức năng địa hình sau đây có thể áp dụng được

Chức năng địa hình: Miêu tả địa hình tại một vị trí cho trước (ví dụ độ cao tại

một vị trí) hoặc trên vùng lân cận (ví dụ góc dốc của vùng gần kề khu vực), nhữngchức năng điạ hình sẽ được sử dụng Để tính toán tính chất địa hình, các giá trị củacác vị trí lân cận được sử dụng Hai tham số thường hay được sử dụng là góc dốc

và phương vị hướng dốc Chức năng địa hình khác bao gồm xây dựng lát cắt địahình và các phân tích về tầm nhìn.

Góc dốc

Góc dốc là tham số đưa ra độ dốc của sự nghiêng bằng cách tính toán mức độthay đổi của độ cao Tham số được xác định theo đơn vị độ hoặc phần trăm Đểtính toán góc dốc, một mặt phẳng được xây dựng xuyên qua các điểm lân cận và sựthay đổi độ cao trên một đơn vị khoảng cách được xác định cho mặt phẳng đó Khitrong hệ thống raster mặt phẳng được khớp với điểm lân cận, góc dốc sẽ được tínhtoán theo tám hướng, hướng theo trục X, hướng theo trục Y và hướng theo đườngchéo (xem hình 1.14) Kết quả có thể là góc dốc cực đại nhưng cũng có thể là gócdốc trung bình được tính toán với mối quan tâm tới các điểm lân cận

Hình 1.14 Tính toán góc dốc trong hệ thống raster

Hướng dốc

Bề mặt thường được định theo một hướng cụ thể Hướng này được gọi là hướngcủa góc dốc Hai góc, một là góc đo hướng và một góc chỉ độ nghiêng của sườndốc xác định hướng dốc Phương pháp toán học để xác định các định hướng là tínhtoán góc của gradient với so với hướng Bắc Phương vị (góc tạo bởi sự dịch chuyểntheo chiều kim đồng hồ từ hướng Bắc tới hướng của góc dốc cực đại ) nằm trongkhoảng từ 0° tới 360° , nó tương ứng với những hướng sau, Bắc, Đông, Nam, Tâyhoặc ở vị trí nào đó giữa 4 hướng chính trên (xem hình 1.15) Hiệu giữa 900 và góc

gradient bày tỏ một cái gì đó về độ nghiêng của góc dốc dọc theo một hướng xácđịnh Góc lệch này càng nhỏ thì độ dốc càng lớn

Ví dụ số giờ mà mặt trời tới được vị trí nào đó sẽ được tính toán từ phương vị ướng dốc của vị trí đó Một vị trí may mắn có được ánh sáng mặt trời suốt cả ngày(ít nhất là 7 giờ) có thể được xem như là vị trí tốt cho việc xây dựng khách sạn dulịch

h-Hình 1.15 Tính hướng dốc trong hệ thống raster

Góc dốc và phương vị hướng dốc sẽ được vận dụng một cách hữu ích trongDTM nơi mà tính chất khác không phải độ cao được biểu diễn DTM có thể đượcxây dựng cho biến chi phí đất đai Góc dốc xác định những nơi mà tại đó chi phíđất đai thay đổi đột ngột

Lát cắt địa hình

Thao tác này xác định tính chất bề mặt dọc theo một hướng nhất định Có nhiềucách xây dựng lát cắt nói chung chúng đều được dựa trên sự ước tính giá trị độ caodọc theo tuyến với kỹ thuật nội suy sử dụng những điểm độ cao láng giềng Chứcnăng này cho ra đồ thị chỉ rõ lát cắt địa hình dọc theo hướng chỉ đạo (xem hình1.16 )

Hình 1.16 Lát cắt địa hình

Chức năng quan sát

Khả năng xác định điểm có thể nhìn thấy, những đối tượng hoặc những vùngtrên một khu vực cảnh quan có thể có ích cho nhiều mục đích khác nhau Quyhoạch cảnh quan, quy hoạch quân sự, quy hoạch không gian và quy hoạch mạnglưới truyền thông là những lĩnh vực mà phân tích khả năng nhìn thấy sẽ có ích chochúng

Sử dụng mô hình số độ cao, chức năng quan sát có thể tạo ra bản đồ quan sáttương hỗ chỉ định khu vực nào đó có thể quan sát được từ một điểm cụ thể (điểmnhìn) trên địa hình Để tìm vùng có khả năng nhìn thấy từ một điểm nào đó, các tiasáng được xây dựng giữa điểm nhìn và tất cả các vị trí khác trên địa hình Nếu tiasáng xuyên qua một phần của bề mặt địa hình có nghĩa là vị trí không nhìn thấy từđiểm quan sát Khi địa hình không làm xáo trộn đường đi của ánh sáng thì điểmxung quanh là nhìn thấy Khái niệm về phân tích quan sát tương hỗ được minh hoạtrên hình 1.17

Hình 1.17 Quan sát lát cắt ngang của tia sáng xuyên qua khi gặp bề mặt

I.1.3.5 Chức năng nội suy

Sự ước tính tính chất tại vị trí không được quan sát bắt đầu từ những điểm quansát được gọi là nội suy

Ý tưởng chủ đạo đằng sau quá trình nội suy không gian là những điểm được xácđịnh gần nhau trong không gian thì thường có những giá trị tương tự

Phương pháp nội suy được chia thành 3 nhóm chính, nội suy cục bộ, nội suy toàncầu và Kriging Chúng biến đổi theo những điểm quan sát lân cận được xem xét tớikhi ước tính Nội suy cục bộ chỉ tính tới những điểm được quan sát lân cận, ngượclại nội suy toàn cầu sử dụng toàn bộ tập hợp điểm đã biết Kriging tổ hợp cả haiphương pháp nội suy trên

Nội suy cục bộ

Kỹ thuật sau đây của nội suy cục bộ sẽ được giới thiệu: 'Vùng Thiessen', nội suytuyến tính, rãnh trượt và trung bình trọng số

Vùng Thiessen (Nội suy theo điểm gần nhất)

Ý tưởng đằng sau phương pháp nội suy đơn giản này là thông tin tốt nhất về tínhchất của một điểm có thể được rút ra từ điểm được quan sát gần nhất Hơn nữavùng ảnh hưởng (= vùng Thiessen) được giới hạn xung quanh mỗi một điểm quansát Mỗi điểm rơi vào bên trong vùng ảnh hưởng có cùng giá trị với vùng này Vùng Thiessen được xây dựng theo cách mà những đường bao của vùng cáchđều nhau từ điểm lân cận, sao cho mỗi vị trí nội trong một vùng gần với điểm quansát nó chứa hơn bất kỳ điểm nào khác (xem hình 1.18)

Hình 1.18 Những vùng Thiessen

I.2 MCA

Phân tích đa chỉ tiêu (Multi-Criteria Analysis, viết tắt là: MCA) được sử dụng từrất lâu trong các phân tích địa lý Đánh giá tác động hoặc phân tích vùng thích hợpthường tính đến việc lấy nhiều tiêu chuẩn khác nhau để phân tích các vấn đề và câuhỏi phức tạp Kỹ thuật tổ hợp các nhân tố khác nhau để cho ra một kết quả cuốicùng Đặc tính làm cho MCA đặc biệt là nó tạo ra cho người quyết định định ra cácmức độ quan trọng khác nhau cho các nhân tố khác nhau Qúa trình phân tích đachỉ tiêu gồm các bước sau:

I.2.1 Định chỉ tiêu

Bước đầu tiên trong phân tích đa chỉ tiêu là định ra các tiêu chuẩn khác nhau sẽđược tính đến Đa số các trường hợp một tiêu chuẩn không phải là một biến giản

đơn mà là tổ hợp các dữ liệu thuộc tính và dữ hình học khác nhau Những tiêuchuẩn này có thể được tính bằng việc sử dụng đại số bản đồ

Ví dụ: Vùng thích hợp cho việc phát triển vùng dân cư vùng ven bờ có thể đượcchọn dựa theo sự trợ giúp của 3 tiêu chuẩn: tiêu chuẩn về xây dựng, tiêu chuẩnthẩm mỹ, tiêu chuẩn về môi trường

Tiêu chuẩn về xây dựng: vùng thích hợp là vùng có độ dốc thấp, không xađường Phí tổn xây dựng trở nên cao hơn khi mà độ dốc lớn Phí tổn xây dựngđường tăng lên khi ở xa đường

I.2.2 Làm cho các chỉ tiêu có thể so sánh được với nhau.

So sánh các chỉ tiêu gồm các bước sau:

Bước 1: Phân hạng dữ liệu trong từng chỉ tiêu

Mỗi một tiêu chuẩn hay còn gọi là chỉ tiêu tương ứng với một lớp bản đồ tiêuchuẩn Trong mỗi một tiêu chuẩn lại có bảng dữ liệu thuộc tính riêng Để so sánhcác chỉ tiêu được với nhau, trước tiên ta phải so sánh, phân hạng các đặc trưngthuộc tính ngay trong một tiêu chuẩn

Một khi giá trị dữ liệu của các chỉ tiêu khác nhau thu được từ dữ liệu gốc, nhữnggiá trị này cần được xếp loại theo thứ tự (ví dụ từ 1 đến 10) thể hiện mức độ thíchhợp cho một mục đích riêng biệt nào đó Điều này có nghĩa là các giá trị dữ liệukhác nhau có thể có tầm quan trọng thay đổi ở sản phẩm cuối cùng của sự phântích Sự phân hạng này là cần thiết cho việc tạo ra sự so sánh các tiêu chuẩn khácnhau

Có hai cách tiếp cận để hiện thực hóa sự phân hạng trong một chỉ tiêu:

- Đầu tiên là các giá trị cho bất kỳ tiêu chuẩn nào được chuyển sang giá trịBoolean,

- Thứ hai là giá trị được đánh giá như phân loại hoặc như các nhân tố hoàntoàn liên tục.

Cách tiếp cận boolean (hoặc tiệm cận kiểu nêu vấn đề) vạch những vùng ra làm

hai nhóm: vùng thích hợp cho một vài tiêu chuẩn và vùng không thích hợp Trongcách tiếp cận này, bất kỳ một tiêu chuẩn nào cần được chuyển sang kiểu giới hạnBoolean Cuối cùng, những tiêu chuẩn được giải mã (những bản đồ) được chồngghép để nhận dạng những vùng thoả mãn tất cả các giới hạn Chồng ghép Boolean

có thể được thực hiện bằng cách sử dụng tổ hợp giao (logic AND) hoặc hợp (logicOR)

Nhân tố phân loại hoặc liên tục:

Khi các giá trị của các tiêu chuẩn thể hiện mức độ biến thiên liên tục của tínhthích hợp, một thang tỷ lệ liên tục được xác lập Để tạo nên thang tỷ lệ này dữ liệugiá trị cần được lập lại tỉ lệ Con đường dễ nhất để làm việc này là dùng phép địnhlại tỉ lệ kiểu tuyến tính:

Xi = (xi - x min)/(xmaxi - xmini)

Xi : Định lại điểm số của nhân tố i

có sự tương quan nghịch giữa các nhân tố và mức độ thích hợp, phương trình códạng như sau:

Xi = (xmaxi - xi)/ (xmaxi - xmini)

Xi : Định lại điểm số của nhân tố i

Ví dụ: Một bản đồ độ dốc có thể được phân loại theo bậc phù hợp với các mức

độ thích hợp cho mục đích định cư như sau:

Trọng số của các tiêu chuẩn có thể được cố định bằng các kỹ nghệ thống kê khácnhau hoặc bằng các phép đo, người quyết định chọn trọng số một cách chủ quandựa trên những kinh nghiệm và hiểu biết nào đó.

Sự thay đổi thú vị rằng chỉ dẫn cho việc chọn trọng số là quá trình phân tích cấpbậc của Saaty (Saaty’s Analytical Hiearchy Process (AHP)) Phương pháp này dựatrên việc xây dựng ma trận của các cặp so sánh sáng suốt giữa các tiêu chuẩn Mỗimột tổ hợp hai tiêu chuẩn, mức độ quan trọng tương đối một tiêu chuẩn này so vớitiêu chuẩn kia được tính theo tỉ lệ là 1/ n

Ví dụ: Nếu thể hiện mức độ quan trọng trội hơn, 1/9 chỉ ra mức độ rất kém quantrọng Giá trị 1 có nghĩa là hai tiêu chuẩn có mức độ quan trọng như nhau, khi giátrị 9 chỉ ra rằng một nhân tố có mức độ quan trọng hơn rất nhiều nhân tố khác Nếunhư nhân tố ít quan trọng hơn nhân tố khác và tỉ số 1/ 9 (tức là 1/1: 1/ 9 ) sẽ đượcchỉ ra Đánh giá thang tỉ lệ theo Saaty cho cặp so sánh sáng suốt của các tiêu chuẩnđược nhìn nhận như sau:

Hình 1.19 Thang tỷ lệ so sánh các tiêu chuẩn

Khi quá trình so sánh giữa các tiêu chuẩn kết thúc, giá trị tỉ số của chúng đượcghi nhận theo ma trận n dòng và n cột (n: số các tiêu chuẩn) Ma trận cặp so sánhsáng suốt sẽ chỉ rõ rằng nếu như tỉ số quan trọng của nhân tố A so với nhân tố B là

n, thì tỉ số ngược lại nhân tố B so với nhân tố A là 1/n Đường chéo chính trong matrận có giá trị là một Một ví dụ được chỉ ra trong bảng ma trận sau:

Từ ma trận này, vector nguyên lý eigen được tính để thu được tập hợp trọng sốphù hợp nhất Cho ví dụ trên kết quả như sau:

Tiêu chuẩn Trọng số thu đượcCái nhìn hợp hơn 0.524

Mức độ gần đường 0.090 Phương vị hợp hơn 0.059

Độ dốc hợp hơn 0.038

Bước 3: Chồng lớp các chỉ tiêu

Quá trình chồng trên các tiêu chuẩn khác nhau được trình bày như sau:

+ Khi tổ hợp các mức độ chế ngự thể hiện theo thuộc tính Boolean

S = chỉ số thích hợp

Wi = trọng số gắn cho tiêu chuẩn i (hoặc nhấn tố i)

Xi = điểm của tiêu chuẩn (1: true, 0: false)

+Nhân tố trọng số được tổ hợp trong phân tích, công thức trên được thể hiện như sau:

S = chỉ số thích hợp

Wi = trọng số gắn cho tiêu chuẩn i (hoặc nhấn tố i)

Xi = điểm của tiêu chuẩn

Cj = giá trị (0 hoặc 1) của mức độ chế ngự

GIS cho phép chồng lớp trên cả hai dạng dữ liệu vector và raster Tuy nhiên, đốivới những bài toán dữ liệu đầu vào có nhiều chỉ tiêu thì chồng lớp raster thườngđược sử dụng

I.2.3 Phân loại bản đồ kết quả

Sau khi tiến hành các bước trên để đưa ra được bản đồ kết quả ta phải phân loạibản đồ kết quả thành các khoảng khác nhau theo giá trị của các cell

I.3 Các Tool Arcgis sử dụng để mở tuyến

I.3.1 Cost Distance

Tính toán chi phí khoảng cách tích lũy nhỏ nhất với mỗi cell từ nguồn gần nhấtthông qua chi phí bề mặt

Hình 1.20 Tool CostDistance trong ArcGis

Để xác định chi phí cho việc mở đường từ 1 điểm tới nguồn, chức năng chi phí bềmặt dựa trên node/link đại diện cho cell sử dụng trong lý thuyết đồ thị Trongnode/link đại diện cho cell, trung tâm của cell được coi là 1 node và mỗi node đượcliên kết với nhiều liên kết khác Mỗi liên kết có một trở kháng liên kết với nó Trởkháng có nguồn gốc từ các chi phí liên kết với cell ở mỗi đầu của liên kết và hướng

di chuyển qua các cell Nếu di chuyển từ 1 cell tới 1 trong 4 cell lân cận trực tiếp,chi phí di chuyển qua các liên kết đến các node lân cận bằng trung bình cộng chiphí cell 1 và cell 2

Cost 1 : chi phí của cell 1

Cost 2 : chi phí của cell 2

a1 : chi phí di chuyển từ cell 1 tới cell 2

Chi phí tích lũy khi di chuyển từ cell 1 tới cell 3

Cost 3 : chi phí của cell 3

a2 : chi phí tích lũy

Minh họa

Hình 1.21 Cách làm việc của tool costdistance

I.3.2 Cost Path

Tính toán con đường có chi phí nhỏ nhất từ nguồn tới đích

Hình 1.22 Tool CostPath trong Arcgis

Trong đó :

Input raster or feature destination data : lớp điểm cần đi tới

Input cost distance raster : chi phí khoảng cách

Input cost backlink raster : lớp backlink

Backlink là đối với mỗi cell trong các raster backlink, một giá trị xác định những

cell lân cận đó là các cell tiếp theo trên con đường chi phí ít nhất là tích lũy từ cáccell đến cell nguồn đơn, hoặc thiết lập các cell nguồn

I.4 TỔNG QUAN VỀ VIỄN THÁM VÀ ĐẶC TRƯNG ẢNH LANSAT

I.4.1 Viễn thám

Viễn thám là ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời, nghiên cứu thông tin

về một vật, hiện tượng gián tiếp trên dữ liệu thu được bằng phương pháp chụp ảnhhàng không, ảnh radar và ảnh vệ tinh Trên thực tế, có nhiều định nghĩa khác nhau